新鄉(xiāng)市短時強降水特征分析

田曉璐，馬月枝，朱 楓

(新鄉(xiāng)市氣象局，河南新鄉(xiāng) 453003)

短時強降水是強對流天氣之一，具有突發(fā)性強、歷時短、雨強大等特征，往往造成城市漬澇，并對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸?shù)葞韲谰简灐Ｐ锣l(xiāng)市北依太行，南瀕黃河，山區(qū)占市域總面積22%，海拔高度差約1 700 m，高差明顯。汛期期間短時強降水頻繁，局地暴雨時有發(fā)生。如2016年7月9日凌晨至上午，新鄉(xiāng)市中西部突發(fā)特大暴雨，新鄉(xiāng)市區(qū)與輝縣均出現(xiàn)連續(xù)7 h雨強超過20 mm/h的強降水，最大小時雨量高達111.1 mm/h。據(jù)新鄉(xiāng)市民政局統(tǒng)計，受強降水影響，全市50多萬人受災，因災死亡1人，直接經(jīng)濟損失超過17億元。復雜的地形導致新鄉(xiāng)市降水不均勻性尤為突出，更增加了短時強降水的預報難度，亟待進一步探討分析。近年來，隨著觀測資料的豐富以及中尺度數(shù)值模式的廣泛應用，國內(nèi)許多學者對短時強降水的時空分布特征、環(huán)流形勢和環(huán)境參數(shù)等方面做了不少分析研究[1-3]。張一平等[4]對淮河上游短時強降水過程進行了中尺度天氣分析和物理量場診斷，總結(jié)了4種天氣學概念模型。候凱等[5]分析了沙澧河流域共13年的短時強降水過程，得到了該流域短時強降水的時空分布特征，并提煉出對短時臨近預報有指示意義的指標。沈澄等[6]對南京市短時強降水過程歸納整理后發(fā)現(xiàn)，熱島效應造成短時強降水空間分布具有明顯的城郊差異。王玉龍等[7]通過統(tǒng)計分析，得出了東營市不同范圍、不同類型短時強降水的環(huán)境參量。李萍云[8]、張建康等[9]通過研究總結(jié)了陜西省降水頻次和極值雨強的時空分布特點，以及黃土高原短時強降水的時空分布與環(huán)流特征。在實際工作中，由于短時強降水可預報時效短、局地性強，其預報一直是業(yè)務中的難點與重點。本文利用2011—2020年新鄉(xiāng)市逐小時降水資料，對短時強降水的時空分布特征進行提煉，并結(jié)合環(huán)境背景場資料，歸納短時強降水概念模型。通過研究，旨在提高新鄉(xiāng)市短時強降水天氣的預報服務能力，減少此類型天氣造成的各類損失。

1 資料和方法

所用資料包括2011—2020年5—9月的MICAPS常規(guī)高空、地面觀測資料，新鄉(xiāng)市境內(nèi)8個國家級自動氣象站逐小時降水量觀測數(shù)據(jù)。

根據(jù)中國氣象局《全國臨近預報業(yè)務規(guī)定》，短時強降水過程的標準為1 h降水量≥20 mm。參照此規(guī)定，定義降水從開始至結(jié)束出現(xiàn)1個站點1 h降水量≥20 mm，為1次短時強降水；某個統(tǒng)計時段內(nèi)短時強降水出現(xiàn)的總次數(shù)，為短時強降水頻次；前一日20時至當日20時，至少有1個站點出現(xiàn)1 h降水量≥20 mm，為1個短時強降水日。按出現(xiàn)短時強降水站數(shù)的多少，分為局地性短時強降水(僅有1站出現(xiàn))、小范圍短時強降水(2～3站出現(xiàn))和大范圍短時強降水(≥4站出現(xiàn))。

2 短時強降水特征分析

2.1 空間分布特征

新鄉(xiāng)市處在太行山南麓與華北平原結(jié)合地帶，地勢自西北至東南呈階梯下降，高差顯著。受復雜地形影響，各站降水量差異明顯。分析2011—2020年5—9月新鄉(xiāng)市8個國家級自動氣象站的短時強降水頻次可以發(fā)現(xiàn)(圖1a)，總體特征呈西部多，東部少。位于太行山區(qū)的輝縣降水頻次最多，為31次，獲嘉次之，為27次，原陽則是低值區(qū)。由極值雨強分布情況可知(圖1b)，輝縣、新鄉(xiāng)市區(qū)為大值區(qū)。極值雨強達111.1 mm/h，位于輝縣。東南部為明顯的低值區(qū)，極值雨強在50 mm/h左右。

圖1 2011—2020年新鄉(xiāng)市短時強降水頻次(a，單位為次)和極值雨強(b，單位為mm/h)分布特征(審圖號為GS(2019)3266號)

可見，近10 a新鄉(xiāng)市短時強降水空間分布不均，降水頻次和極值雨強呈現(xiàn)由西至東遞減的趨勢，且最大值均集中在輝縣，這與地形的關(guān)系密不可分。大量研究表明，地形的陡然變化容易在天氣系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生局地的異常天氣[10-11]，通常山脈的東南迎風坡降水偏多[12]。新鄉(xiāng)市輝縣北部為近似兩面環(huán)山的直角地形，其西北至東北部均為太行山脈。夏季新鄉(xiāng)市低空盛行西南風至偏東風，向山脈迎風坡吹送的暖濕氣流受地形抬升時，產(chǎn)生的上升運動極易引發(fā)不穩(wěn)定層結(jié)的建立，導致中小尺度對流系統(tǒng)不斷在山區(qū)附近觸發(fā)。其次，地形影響給予氣流的氣旋性曲率容易為中尺度低渦或輻合線的發(fā)展創(chuàng)造有利條件，造成系統(tǒng)進一步加強。此外，山區(qū)下墊面特征復雜，由于受熱不均，容易在近地層形成絕對不穩(wěn)定層結(jié)，導致午后至傍晚在山區(qū)時常出現(xiàn)對流天氣。

2.2 時間變化特征

2.2.1 年變化 統(tǒng)計2011—2020年5—9月新鄉(xiāng)市8個站的降水過程后發(fā)現(xiàn)，短時強降水最早出現(xiàn)在5月15日(2018年)，最晚出現(xiàn)在9月13日(2016年)。短時強降水頻次累計199次，每年平均19.9次，每站每年平均2.5次。如圖2所示，2016年最多，為52次，2011年最少，為3次，年際差異較大。近10 a新鄉(xiāng)市短時強降水極值雨強的波動變化趨勢與降水頻次相似，最大值出現(xiàn)在2016年，最小值出現(xiàn)在2011年，說明降水頻次多的年份往往極值雨強較強。值得一提的是，2016年7月9日、7月19日新鄉(xiāng)市接連出現(xiàn)大范圍特大暴雨，短時強降水頻次共計33次，造成2016年降水頻次較常年明顯偏多。此外，7月9日的極值雨強達111.1 mm/h，突破了新鄉(xiāng)市8個國家級自動氣象站建站以來的小時降雨量極值。

圖2 2011—2020年新鄉(xiāng)市短時強降水頻次和極值雨強年變化特征

據(jù)統(tǒng)計，新鄉(xiāng)市近10 a短時強降水日數(shù)共計89 d。2016年總?cè)諗?shù)最多，累計13 d，2011年最少為3 d，年際差異明顯。其中，局地性短時強降水日數(shù)為50 d，占短時強降水總?cè)諗?shù)的56%，小范圍短時強降水日數(shù)為31 d，占35%，大范圍短時強降水日數(shù)為8 d，占9%。

可見，近10 a新鄉(xiāng)市短時強降水年變化差異明顯，降水頻次、極值雨強均呈現(xiàn)波動變化趨勢。2016年降水頻次最多，極值雨強最大。此外，新鄉(xiāng)市以局地性短時強降水為主，短時強降水范圍越大，出現(xiàn)的日數(shù)越少。

2.2.2 月變化 由圖3可知，近10 a新鄉(xiāng)市短時強降水頻次的月變化呈單峰型，6—8月為主要集中時段，其中7月最多，達102次，占51%，8月減少為51次，占26%，進入9月迅速減少，僅7次。極值雨強的月變化同樣呈單峰型特征，6月為52.3 mm，7月快速增加到111.1 mm，8月回落至63.5 mm。可見，7月為新鄉(xiāng)市短時強降水最為活躍的時段，短時強降水頻次和極值雨強均為全年最多，8月、6月次之。

圖3 2011—2020年新鄉(xiāng)市短時強降水頻次和極值雨強月變化特征

統(tǒng)計2011—2020年新鄉(xiāng)市短時強降水日數(shù)的月變化發(fā)現(xiàn)，5月主要為局地性短時強降水，且出現(xiàn)日數(shù)較少，僅3 d。6月局地性短時強降水迅速增加，小范圍短時強降水也呈增加趨勢，分別為11 d、8 d。7月進入全年降水多發(fā)時段，局地性、小范圍、大范圍短時強降水日數(shù)分別為18 d、11 d、6 d。8月仍以局地性、小范圍短時強降水為主，分別為16 d、10 d，大范圍短時強降水減少到僅有1 d。9月短時強降水日數(shù)驟減，僅出現(xiàn)局地性、小范圍短時強降水各2 d?？梢?，新鄉(xiāng)市短時強降水在6—8月出現(xiàn)概率最大，為主汛期，5月、9月相對較少。

短時強降水的發(fā)生與大氣環(huán)流密切相關(guān)，5月夏季風建立，暖濕氣流輸送加強，新鄉(xiāng)市對流開始發(fā)展。6月平均氣溫明顯升高，受太陽輻射影響，午后近地面快速增溫。而東北冷渦在春末、夏初活動最為頻繁，其后部常常有橫槽、下滑槽等中高層擾動攜帶冷空氣沿西北氣流下滑，在新鄉(xiāng)市上空造成上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)，局地性、小范圍對流天氣發(fā)生概率迅速升高。7—8月，副高西進北抬，其外圍來自太平洋的西南暖濕氣流不斷地向新鄉(xiāng)市上空輸送，導致中低層大氣不穩(wěn)定能量明顯增強；因此，當有低槽、低渦、切變線移入時，極易觸發(fā)對流[13]，加之有低空急流相配合，降水效率會大大提高，易出現(xiàn)大范圍短時強降水。9月開始副高南落，新鄉(xiāng)市上空不穩(wěn)定能量降低，短時強降水概率迅速減少。

2.2.3 日變化 由圖4可知，新鄉(xiāng)市短時強降水頻次的日變化具有雙峰型特征，次峰發(fā)生在子夜至凌晨(00—05時)，共出現(xiàn)53次，占26.6%。06時之后，短時強降水頻次緩慢減少，11—14時降至低谷。14時之后降水頻次突增，主峰出現(xiàn)在午后至傍晚，15—21時為短時強降水易發(fā)時段，共出現(xiàn)89次，占44.7%。分析不同時次的極值雨強發(fā)現(xiàn)，其變化趨勢呈雙峰型，主峰出現(xiàn)在清晨(04—08時)，次峰出現(xiàn)在午后至傍晚(14—20時)。

圖4 2011—2020年新鄉(xiāng)市短時強降水頻次和極值雨強日變化特征

可見，新鄉(xiāng)市午后至傍晚易發(fā)生短時強降水，其次是子夜至凌晨。造成短時強降水日變化明顯的主要原因是：午后受太陽輻射影響，地面快速增溫，絕對不穩(wěn)定層結(jié)逐漸形成，大氣對流活躍，常出現(xiàn)局地熱對流；而入夜后降水頻次再度增加，與低空急流加強有關(guān)。研究表明[14]，低空急流的日變化在凌晨達到最強，有利于入夜后雨勢加大。極值雨強主峰出現(xiàn)在清晨且異常偏高的原因是：2016年7月9日受華北低渦及臺風尼伯特外圍東南氣流影響，新鄉(xiāng)市出現(xiàn)罕見特大暴雨。超低空急流將充沛的水汽持續(xù)輸送至新鄉(xiāng)市上空，并在太行山前迎風坡輻合抬升，中尺度對流系統(tǒng)長時間維持，進而造成極端強降水。此外，該降水極值出現(xiàn)在降水頻次相對較少的時段，也說明短時強降水具有突發(fā)性。

3 短時強降水概念模型

有利的大尺度環(huán)流背景往往會產(chǎn)生短時強降水?？紤]局地性短時強降水影響系統(tǒng)不明顯，不利于歸納分析，在建立概念模型時剔除了單站短時強降水個例，集中分析2站以上的小范圍和大范圍短時強降水個例共37個。以500 hPa天氣形勢為主，700 hPa和850 hPa為輔，對過程發(fā)生前的環(huán)境背景場進行分析。通過歸類比較，將新鄉(xiāng)市短時強降水發(fā)生的天氣系統(tǒng)分為5種類型，分別為：副高邊緣型16次，占43%；低槽型8次，占22%；華北低渦型6次，占16%；東北低渦槽后型5次，占14%；切變型2次，占5%。

3.1 副高邊緣型

副高邊緣型是新鄉(xiāng)市出現(xiàn)短時強降水的最主要天氣類型，累計16次，其中大范圍降水過程3次，多發(fā)于盛夏7月至8月中旬。其環(huán)流特征表現(xiàn)為(圖5a)，500 hPa天氣圖上588 dagpm線呈東西向或東北西南向帶狀分布，北部邊緣位于30°N以北，西邊界位于115°E以西。河套地區(qū)附近多有低槽東移，新鄉(xiāng)市受槽前西南氣流和副高邊緣共同影響，具備充分的水汽條件和熱力條件。700 hPa、850 hPa同樣處于一致的西南氣流中，并常伴有低空急流，新鄉(xiāng)市位于急流出口區(qū)左側(cè)的顯著濕區(qū)中。當?shù)筒蹡|移并攜帶冷空氣侵入時，極易在副高邊緣的高溫高濕區(qū)內(nèi)觸發(fā)短時強降水。

3.2 低槽型

低槽型累計8次，以小范圍降水過程居多，大范圍僅1次，6—8月均有出現(xiàn)。當中緯度有低槽東移，且副高主體偏南、偏東，588 dagpm線北部邊緣位于30°N以南，西邊界位于115°E以東時，產(chǎn)生的短時強降水歸類為低槽型。該類型環(huán)流特征表現(xiàn)為(圖5b)，500 hPa天氣圖上，河套地區(qū)至四川盆地有低槽東移，且徑向度較大，其后部有冷平流補充，使低槽不斷發(fā)展。當東部海面有穩(wěn)定的高壓脊時，常對低槽東移起阻擋作用，導致低槽移動緩慢并持續(xù)加深。700 hPa、850 hPa多伴有東西向暖式切變線以及低空急流。深厚的槽前西南氣流與低空急流相配合，向新鄉(xiāng)市上空輸送了大量的水汽和熱量。短時強降水落區(qū)通常位于700 hPa、850 hPa切變線之間，低空急流出口區(qū)附近。

3.3 華北低渦型

華北低渦型累計6次，其中大范圍降水過程4次，主要發(fā)生在7月中旬至下旬。值得一提的是，新鄉(xiāng)市近10 a大范圍降水過程共8次，華北低渦型占50%，可見該類型是新鄉(xiāng)市大范圍降水過程的主要天氣系統(tǒng)。研究表明，冷渦背景下的短時強降水7月達到最大值[15]。低渦東南部具有較強的局地正渦度變化，強降水區(qū)對應深厚的正渦度，輻合上升劇烈；而此時恰逢副高第二次季節(jié)性北跳，新鄉(xiāng)市處于副高邊緣，東南季風、西南季風源源不斷地帶來暖濕氣流，水汽條件充沛。因此，當新鄉(xiāng)市位于低渦東南部時，極為有利的水汽和動力條件相配合，往往導致大范圍短時強降水。其環(huán)流特征表現(xiàn)為(圖5c)：500 hPa天氣圖上110°E～120°E、35°N～45°N區(qū)間有低渦，新鄉(xiāng)市位于低渦東南方的上升運動區(qū)，低渦中心附近有冷平流配置。700 hPa、850 hPa低渦與500 hPa低渦相距較近。850 hPa常有低空急流存在，新鄉(xiāng)市位于急流左前端的水汽通道上。分析溫度場發(fā)現(xiàn)，河南上空有暖脊，850 hPa和500 hPa溫差為25～28 ℃。高空冷平流疊加在低層暖脊上空，造成層結(jié)不穩(wěn)定加大，低渦東南部的上升運動使不穩(wěn)定能量得以釋放，有利于短時強降水發(fā)生。

3.4 東北低渦槽后型

東北低渦槽后型累計5次，均為小范圍短時強降水，6月上旬多發(fā)。環(huán)流特征表現(xiàn)為(圖5d)：500 hPa天氣圖上120°E～140°E、40°N～55°N范圍內(nèi)存在一低渦，低渦后部110°E ～130°E、 40°N～42°N為一橫槽，蒙古國延伸至貝湖附近為一高壓脊，新鄉(xiāng)市位于脊前西北氣流中。分析500 hPa 24 h變溫發(fā)現(xiàn)，華北地區(qū)降溫達-4～-1 ℃，并有冷槽對應，同時，700 hPa對應24 h負變溫區(qū)及冷槽，說明中高層干冷特征明顯。850 hPa有濕舌向北部延展，同時在河南上空伴有暖脊。暖濕氣流向北輸送，鋪墊在500 hPa冷平流下方，造成溫度差動平流的結(jié)果，形成不穩(wěn)定層結(jié)。東北低渦不斷旋轉(zhuǎn)過程中，后部的橫槽攜帶干冷空氣沿西北氣流南下，與低層暖濕空氣交匯，造成強烈的輻合上升運動。此類型短時強降水發(fā)生時，常伴有雷電、短時大風及局地冰雹等強對流天氣。

3.5 切變型

切變型出現(xiàn)次數(shù)較少，僅有2次，均為小范圍降水過程，分別出現(xiàn)在7月下旬、8月上旬。分析這2次過程的環(huán)流特征發(fā)現(xiàn)(圖5e)，降水發(fā)生前，副高位置偏北，強度偏強， 與大陸高壓連為一體，控制我國中東部大部分地區(qū)。之后副高與大陸高壓斷裂， 新鄉(xiāng)市位于兩高壓之間的切變輻合區(qū)。此外，700 hPa、850 hPa有時存在暖式切變線及低空急流，可為短時強降水的產(chǎn)生提供水汽和動力條件。

圖5 新鄉(xiāng)市短時強降水概念模型(a 副高邊緣型，b 低槽型，c華北低渦型，d 東北低渦槽后型，e 切變型)

綜上所述，副高邊緣型引起的短時強降水多發(fā)于盛夏7月至8月中旬，是新鄉(xiāng)市出現(xiàn)短時強降水的最主要天氣類型，當有低槽東移并攜帶冷空氣侵入時，極易在副高邊緣的高溫高濕區(qū)內(nèi)觸發(fā)短時強降水。低槽型6—8月均有出現(xiàn)，低槽與低層暖式切變線、低空急流相互作用，以小范圍短時強降水為主。華北低渦型集中出現(xiàn)在7月中旬至下旬，副高邊緣較好的溫濕條件與低渦東南部有利的動力條件相配合，常產(chǎn)生大范圍短時強降水。東北低渦槽后型6月上旬多發(fā)，冷渦后部橫槽攜帶干冷空氣沿西北氣流南下，與低層暖濕空氣交匯，短時強降水發(fā)生時對流活動劇烈，常伴有雷電、短時大風及局地冰雹。7月下旬至8月上旬，當副高控制我國中東部大部分地區(qū)并與大陸高壓斷裂時，兩高壓之間的切變輻合區(qū)有利于新鄉(xiāng)市出現(xiàn)小范圍短時強降水天氣，此類型相對較少。

4 結(jié)論

(1)新鄉(xiāng)市短時強降水空間分布不均，降水頻次和極值雨強均呈現(xiàn)由西至東遞減的趨勢，最大值集中在位于太行山區(qū)的輝縣。短時強降水的空間分布與局地地形密切相關(guān)。

(2)新鄉(xiāng)市短時強降水每年均有出現(xiàn)，年變化差異明顯，降水頻次多的年份往往極值雨強較強；短時強降水以局地性為主，降水范圍越大，出現(xiàn)日數(shù)越少；短時強降水頻次和極值雨強的月變化呈單峰型，7月為降水集中時段，8月、6月次之；短時強降水日變化特征明顯，降水頻次主峰出現(xiàn)在午后到傍晚(15—21時)，次峰出現(xiàn)在子夜到凌晨(00—05時)，極值雨強主峰出現(xiàn)在清晨(04—08時)，次峰出現(xiàn)在午后到傍晚(14—20時)。

(3)通過對新鄉(xiāng)市37次短時強降水過程的環(huán)境背景場分析，總結(jié)出5種天氣學概念模型，分別為：副高邊緣型、低槽型、華北低渦型、東北低渦槽后型、切變型。其中，副高邊緣型是新鄉(xiāng)市出現(xiàn)短時強降水的主要類型，占總次數(shù)的43%。低槽型6—8月均有出現(xiàn)，以小范圍短時強降水為主。華北低渦型易產(chǎn)生大范圍短時強降水，此類型出現(xiàn)時需特別關(guān)注。東北低渦槽后型的短時強降水發(fā)生時，常伴有雷電、短時大風及局地冰雹，對流活動劇烈。切變型出現(xiàn)在副高與大陸高壓之間的切變輻合區(qū)，此類型較少，均為小范圍短時強降水。