天津市薊州區(qū)短時強降水特征及預(yù)報指標(biāo)研究

黃金穎，張志超，張 虹，趙 然，孫小林

(1. 天津市薊州區(qū)氣象局 天津 301900；2. 天津市防雷技術(shù)中心 天津 300074； 3. 天津市薊州區(qū)突發(fā)公共事件預(yù)警信息發(fā)布中心 天津 301900)

0 引 言

短時強降水是夏季發(fā)生頻率最高的氣象災(zāi)害之一[1-4]，致災(zāi)性強，次生災(zāi)害多。短時強降水及其時空分布與社會運行和百姓生活密切相關(guān)，其特點是歷時短、雨強大、局地性強，會給城市內(nèi)澇、交通帶來嚴(yán)峻考驗，同時也與泥石流、洪澇等災(zāi)害密切相關(guān)[5]。它的發(fā)生會給社會運行和人民生命財產(chǎn)造成不同程度的影響，目前社會各行各業(yè)對強降水的預(yù)報預(yù)警服務(wù)需求越來越大，而對于短時強降水落區(qū)和時效的預(yù)報預(yù)警一直是預(yù)報的重點和難點[6-8]。前人對暴雨和短時強降水的研究取得了不少成果[9-12]，如Song等[13]對2008—2018年期間華北地區(qū)夏季降水的日變化及其與地形條件關(guān)系進行了研究，發(fā)現(xiàn)華北地區(qū)夏季降水的日變化呈S型結(jié)構(gòu)；李明財?shù)萚14-15]進一步分析了天津地區(qū)夏季降水的日變化特征，發(fā)現(xiàn)天津地區(qū)降水具有顯著的日變化特征，呈明顯的雙峰型。

薊州區(qū)位于天津北部，屬于半山區(qū)，地形北高南低，地質(zhì)條件脆弱，是地質(zhì)災(zāi)害的頻發(fā)區(qū)。受特殊地形地貌的影響，薊州區(qū)局地強降水頻繁，突發(fā)性和對流性明顯，降水強度大且時空分布不均。薊州的短時強降水容易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，導(dǎo)致城市內(nèi)澇、交通癱瘓，同時也會給水庫防汛等帶來嚴(yán)峻考驗。因此，對薊州區(qū)短時強降水時空不均性進行分析對提高薊州區(qū)局地強降水的預(yù)報準(zhǔn)確率和減少強降水災(zāi)害損失具有重要意義。

1 資料與方法

本研究所用資料為2005—2019年薊州國家氣象觀測站4～10月降水資料以及2014—2019年4～ 9月薊州區(qū)47個自動站逐小時降水觀測數(shù)據(jù)及常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù)。再分析資料選取方面，考慮研究區(qū)域較小，故采用時間和空間分辨率最高的ERA5再分析資料，時間間隔為1h，分辨率為0.125°×0.125°。

中國中央氣象臺對短時強降水的定義是小時降水量≥20mm[16]。陳炯等[17]對短時強降水按照≥10、20、30、40、50mm·h-1分為5個級別，本研究根據(jù)薊州區(qū)地形地貌的特殊性，并結(jié)合薊州的實際情況和成災(zāi)的可能性，將短時強降水按照小時降水量強度10≤r＜20、20≤r＜30、30≤r(mm·h-1)分為3級進行研究。自動站出現(xiàn)降水量≥10mm·h-1即定義為一個短時強降水過程，一天中一個站多個時次出現(xiàn)短時強降水時站次累計統(tǒng)計。

2 結(jié)果分析

2.1 時間變化特征

2.1.1 年變化

2005—2019年薊州國家氣象觀測站短時強降水發(fā)生的站次呈明顯的階段性變化(圖1)，其中10≤r＜ 20等級的強降水在2008、2018年發(fā)生站次最多， 峰值年份間隔10年；20≤r＜30等級的強降水在2008、2012、2017、2018年發(fā)生站次最多，峰值年份間隔4～5年；30≤r等級的強降水在2009、2014、2018年是發(fā)生站次最多的年份，峰值年份間隔4～ 5年。3種強度短時強降水均出現(xiàn)了明顯的周期振蕩波動。

圖1 2005—2019年薊州國家氣象觀測站短時強降水過程發(fā)生站次年變化Fig. 1 Annual variation of short-term heavy precipitation process at Jizhou national meteorological observation station from 2005 to 2019

從2014—2019年薊州區(qū)區(qū)域自動站1h降水量的統(tǒng)計分析中得出發(fā)生強降水總站次較多年份為2016、2018年，其中2018年3個等級的短時強降水發(fā)生的站次均偏多，而2016年僅10≤r＜20發(fā)生次數(shù)較多(表1、圖2)，且薊州國家氣象觀測站在此年強降水發(fā)生總站次僅15站次。由此可見，短時強降水具有明顯的區(qū)域性。

表1 2014—2019年薊州地區(qū)區(qū)域自動站不同強度強降水出現(xiàn)站次Tab.1 Occurrence times of heavy precipitation with different intensities at regional automatic stations in Jizhou from 2014 to 2 019

圖2 2014—2019年薊州區(qū)區(qū)域自動站短時強降水過程發(fā)生站次年變化Fig.2 Annual variation of short-term heavy precipitation process at Jizhou regional automatic station from 2014 to 2019

2014—2019年區(qū)域自動站強降水過程以10≤ r＜20等級為主，占總發(fā)生次數(shù)的69%；其次是20≤r＜30等級的強降水，占總發(fā)生次數(shù)的20%。

2.1.2 月變化

由薊州國家氣象觀測站和區(qū)域自動站短時強降水發(fā)生次數(shù)月變化(圖3、4)可見，10≤r＜20短時強降水最早出現(xiàn)在4月，最晚出現(xiàn)在10月；30≤r出現(xiàn)最早月份為6月，最晚出現(xiàn)在8月，7～8月3個等次短時強降水發(fā)生站次均明顯偏多，其中7月份是發(fā)生站次最多的月份。按旬變化分析(圖5、6)，7月中旬 至8月上旬是3個強度短時強降水的頻發(fā)期，其中10≤r＜20短時強降水高發(fā)期在7月中旬，20≤r＜30和30≤r強度短時強降水的高發(fā)期在7月下旬。

圖3 2005—2019年薊州國家氣象觀測站短時強降水過程發(fā)生站次月變化Fig.3 Monthly variation of short-term heavy precipitation process at Jizhou national meteorological observation station from 2005 to 2019

圖4 2014—2019年薊州區(qū)區(qū)域自動站短時強降水過程發(fā)生站次月變化Fig.4 Monthly variation of short-term heavy precipitation process at Jizhou regional automatic station from 2014 to 2019

圖5 2014—2019年薊州國家氣象觀測站短時強降水過程發(fā)生站次旬變化Fig.5 Ten-day variation of short-term heavy precipitation process at Jizhou national meteorological observation station from 2005 to 2019

圖6 2014—2019年薊州區(qū)區(qū)域自動站短時強降水過程發(fā)生站次旬變化Fig.6 Ten-day variation of short-term heavy precipitation process at Jizhou regional automatic station from 2014 to 2019

2.1.3 日變化

通過對2005—2019年薊州國家氣象觀測站強降水發(fā)生日變化進行分析(圖7)，發(fā)現(xiàn)薊州國家氣象觀測站3種強度降水主要發(fā)生時間段有所不同，其中10≤r＜20強度短時強降水一日內(nèi)主要有3個時段，分別是傍晚18時左右、前半夜21時和后半夜02時，發(fā)生次數(shù)均達到10站次；20≤r＜30強度短時強降水有2個高發(fā)時段，分別是夜間20～22時和凌晨02～04時，而30≤r強度短時強降水主要發(fā)生在一天的夜間22～00時。

圖7 2005—2019年薊州國家氣象觀測站短時強降水過程發(fā)生站次日變化Fig.7 Daily variation of short-term heavy precipitation process at Jizhou national meteorological observation station from 2005 to 2019

通過對2014—2019年薊州區(qū)域自動站短時強降水發(fā)生的日變化進行分析(圖8)，發(fā)現(xiàn)區(qū)域站的3種強度短時強降水高發(fā)時段與薊州國家氣象觀測站的高發(fā)時間不一致，說明在日變化方面也具有較明顯的區(qū)域差異。自動站10≤r＜20強度短時強降水主要發(fā)生在下午13～14時和凌晨00～01時，而20≤r＜30和 30≤r強度的短時強降水主要發(fā)生在凌晨02～03時。

圖8 2014—2019年薊州區(qū)區(qū)域自動站短時強降水過程發(fā)生站次日變化Fig.8 Daily variation of short-term heavy precipitation process at Jizhou regional automatic station from 2014 to 2019

2.2 空間變化特征

2.2.1 短時強降水年總發(fā)生站次空間分布

薊州區(qū)3種短時強降水的空間分布有明顯的區(qū)域差異，3種短時強降水高發(fā)地區(qū)均出現(xiàn)北部山區(qū)，北部山區(qū)主要高發(fā)區(qū)在薊州東北部九山頂和八仙山一帶；低發(fā)生區(qū)均出現(xiàn)在南部平原地區(qū)，主要出現(xiàn)在白莊子和楊津莊一帶，山區(qū)較平原地區(qū)易發(fā)生短時強降水，說明薊州地區(qū)短時強降水的發(fā)生受地形影響比較明顯。

平原地區(qū)短時強降水的發(fā)生也有明顯的城郊差異。薊州區(qū)中部城區(qū)較南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)短時強降水發(fā)生站次多，說明在地形相同的情況下短時強降水受城市熱島效應(yīng)影響較明顯。

2.2.2 短時強降水月總發(fā)生站次空間分布

挑取短時強降水高發(fā)時期進行空間進行分析，發(fā)現(xiàn)10≤r＜20等級短時強降水高發(fā)區(qū)面積隨時間逐漸變小。薊州區(qū)西北部山區(qū)西大峪、桑園一帶和東北部山區(qū)石頭營一帶在6～8月容易出現(xiàn)10≤r＜20等級的短時強降水。

20≤r＜30等級短時強降水在8月高發(fā)區(qū)域較7月范圍大，高發(fā)區(qū)域也有所不同：7月主要高發(fā)區(qū)出現(xiàn)在東北部山區(qū)，而8月高發(fā)區(qū)出現(xiàn)在西北部山區(qū)。

薊州區(qū)東北部山區(qū)是7～8月30≤r短時強降水高發(fā)地區(qū)，其中7月份高發(fā)區(qū)還有薊州區(qū)西南部。

2.3 地面氣象要素特征分析

分析短時強降水發(fā)生前地面氣象要素(氣壓、氣溫、濕度、風(fēng))隨時間的變化情況，選取2017年8月 3日和2018年7月24日2次典型強降水過程(包括2種及以上強度短時強降水)對單站氣象要素隨時間變化(圖9、10)進行分析，發(fā)現(xiàn)氣壓和濕度在強降水發(fā)生前均有明顯的不連續(xù)變化，強降水發(fā)生前氣壓持續(xù)下降，濕度持續(xù)上升，氣壓和濕度呈反相位變化。這種持續(xù)變化在強降水發(fā)生前2～3個小時內(nèi)較明顯。

圖9 2018年7月24日單站氣象要素逐小時變化Fig.9 Hourly variation of meteorological elements of single station on July 24，2018

2.4 短時強降水過程物理量分析

利用再分析數(shù)據(jù)ERA5計算強降水過程的物理量，ERA5數(shù)據(jù)是在ERA-Interim數(shù)據(jù)之后的新數(shù)據(jù)庫，時間跨度為1979年至今，分辨率0.125°×0.125°，采用逐小時數(shù)據(jù)，是時間和空間分辨率最高的數(shù)據(jù)集。孟憲貴等[18]、鄭艷萍等[19]、ZHANG等[20]的研究均表明ERA5較高的時空分辨率有助于更精細地描述大氣狀態(tài)，更適用于區(qū)域較小的研究。

圖10 2017年8月3日單站氣象要素逐小時變化Fig.10 Hourly variation of meteorological elements of single station on August 3，2017

本研究重點選取比濕、垂直速度和渦度等降水物理量作為分析對象，可以較直觀地反應(yīng)短時強降水形成所需的水汽和運行條件。短時強降水發(fā)生時700、850、925hPa的物理量特征(表2)，結(jié)果表明：①在短時強降水天氣時，q700、q850和q925分別達7.44、12.08、13.85g·kg-1，降水強度越強低層平均比濕越大，平均比濕均有所增加；②在短時強降水發(fā)生時Wmax可達-5.76×10-3hPa·s-1，Hmax為500hPa，隨著降水強度的增加，最大垂直速度所在的等壓面高度也下降，20≤r＜30強度短時強降水Wmax為-8.69× 10-3hPa·s-1，Hmax為750hPa附近，降水強度越大，各層的垂直速度也越大；③在短時強降水發(fā)生時，降水強度增強，各層渦度也隨著增大；④比濕、垂直速度和渦度3個物理量在薊州強降水發(fā)生時有明顯的變化特征，在預(yù)報薊州短時強降水時可提供一定的 參考。

表2 短時強降水發(fā)生時700、850和925 hPa物理量特征Tab.2 Physical quantity characteristics of 700 hPa, 850 hPa and 925 hPa during short-term heavy precipitation

3 結(jié)論與討論

①2005—2019年薊州國家氣象觀測站3種強度短時強降水年變化表現(xiàn)為10年和4～5年的周期振蕩波動；最早出現(xiàn)在4月，最晚出現(xiàn)在10月，其中主要過程集中在7～8月，高發(fā)期為7月中旬至8月上旬，短時強降水日變化明顯，凌晨前后是3種短時強降水共同的高發(fā)期，其次下午13～14時和傍晚前后也是短時強降水的高發(fā)期，上午和下午15～17時發(fā)生頻率相對較低。

②3種短時強降水的空間分布有明顯的區(qū)域差異，呈北(山區(qū))高南(平原)低的分布特征，說明薊州地區(qū)短時強降水的發(fā)生受地形影響比較明顯。同時，平原地區(qū)短時強降水的發(fā)生也有明顯的城郊差異，中部城區(qū)較南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)短時強降水發(fā)生站次多，說明在地形相同的情況下短時強降水受城市熱島效應(yīng)影響較明顯。

③通過對短時強降水發(fā)生時單站氣象要素隨時間的變化進行分析，發(fā)現(xiàn)氣壓和濕度在強降水發(fā)生前均有明顯的連續(xù)變化，強降水發(fā)生前氣壓持續(xù)下降，濕度持續(xù)上升，氣壓和濕度呈反相位變化，這種持續(xù)變化在強降水發(fā)生前2～3個小時內(nèi)較明顯。

④利用再分析資料對降水發(fā)生時物理量進行分析，發(fā)現(xiàn)比濕、垂直速度和渦度3個物理量在薊州強降水發(fā)生時有明顯的變化特征，強降水發(fā)生時q700、q850和q925分別達7.44、12.08、13.85g·kg-1，整層大氣最大垂直速度為可達-5.76×10-3hPa·s-1，最大垂直速度所在等壓面高度為500hPa，這些定量指標(biāo)在預(yù)報薊州短時強降水時有一定的參考意義。

本研究綜合運用常規(guī)觀測和ERA5再分析資料對薊州區(qū)短時強降水過程進行了統(tǒng)計分析，得出了薊州區(qū)短時強降水時空分布特征和降水發(fā)生時物理量的變化特征，但區(qū)域自動站資料時間較短，且短時強降水多為大尺度背景下局地中小系統(tǒng)所造成。因此，要了解其發(fā)生發(fā)展機理，還需在今后的預(yù)報業(yè)務(wù)中利用風(fēng)廓線雷達、加密自動站等高時空分辨率資料做進一步探究。■