王玉龍，張子涵

(東營(yíng)市氣象局，山東東營(yíng) 257091)

短時(shí)強(qiáng)降水是指短時(shí)間內(nèi)降水強(qiáng)度大，降水量達(dá)到或超過(guò)某一量值的天氣現(xiàn)象。短時(shí)強(qiáng)降水具有歷時(shí)短、雨強(qiáng)大、局地性強(qiáng)的特點(diǎn)，其預(yù)報(bào)難度大，且極易致災(zāi)，往往對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通、建筑、電力、通訊和人民生命財(cái)產(chǎn)等造成較嚴(yán)重影響。近些年，國(guó)內(nèi)很多氣象工作者已經(jīng)對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的氣候特征、形成機(jī)制、預(yù)報(bào)模型等進(jìn)行了大量的研究。吳迎旭等[1]等分析得出黑龍江省短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布特征及高低空系統(tǒng)配合對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水連續(xù)性的作用。李萍云等[2]得出陜西短時(shí)強(qiáng)降水頻次及極值雨強(qiáng)的時(shí)空分布有其獨(dú)特性。文獻(xiàn)[3-6]對(duì)南北方不同省市短時(shí)強(qiáng)降水氣候特征類型進(jìn)行了相關(guān)研究分析。孫麗娜等[7]通過(guò)研究得出風(fēng)廓線雷達(dá)能夠較好地反映短時(shí)強(qiáng)降水的強(qiáng)度變化以及降水起止時(shí)間。徐慧燕等[8]、邱雙等[9]也對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的成因和物理指標(biāo)特征進(jìn)行了分析研究。山東省內(nèi)的部分學(xué)者也對(duì)山東境內(nèi)短時(shí)強(qiáng)降水進(jìn)行了相關(guān)研究，如徐娟等[10]、楊學(xué)斌等[11]對(duì)山東省短時(shí)強(qiáng)降水天氣特征進(jìn)行了分析，尹承美等[12]、張永婧等[13]對(duì)濟(jì)南市區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水特征和天氣分型進(jìn)行了研究分析。張凱靜等[14]對(duì)青島市短時(shí)強(qiáng)降水的氣候特征及天氣系統(tǒng)分型進(jìn)行了研究分析。由于短時(shí)強(qiáng)降水大多是由中小尺度系統(tǒng)造成的，其影響因素較多，受局地環(huán)境影響大，因此尋找適合本地特征的預(yù)報(bào)預(yù)警指標(biāo)顯得尤為必要。由于早期東營(yíng)境內(nèi)區(qū)域自動(dòng)站數(shù)量有限，實(shí)際觀測(cè)到的過(guò)程也較少，且對(duì)于東營(yíng)本地短時(shí)強(qiáng)降水也未有系統(tǒng)性的研究分析。2010年之后，全市的自動(dòng)氣象站分布更加合理，基本涵蓋各縣區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道以及重要地區(qū)。本文基于近年來(lái)全市50個(gè)自動(dòng)氣象站逐小時(shí)降水量資料，分析了短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)間、空間和強(qiáng)度變化特征，結(jié)合其發(fā)生時(shí)環(huán)境背景場(chǎng)資料，建立了天氣學(xué)概念模型，同時(shí)得出了關(guān)鍵環(huán)境參量閾值，以期為東營(yíng)短時(shí)強(qiáng)降水臨近預(yù)報(bào)預(yù)警及防災(zāi)減災(zāi)提供參考依據(jù)，更好地為當(dāng)?shù)卣蜕鐣?huì)公眾服務(wù)。

1 資料與分析方法

利用東營(yíng)市境內(nèi)5個(gè)國(guó)家級(jí)自動(dòng)站和45個(gè)區(qū)域自動(dòng)站逐小時(shí)降水量資料，數(shù)據(jù)樣本時(shí)間段選擇為2011—2018年。根據(jù)《全國(guó)短時(shí)臨近預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)規(guī)定》，短時(shí)強(qiáng)降水定義為1 h降水量≥20 mm的降水。本文中資料以20時(shí)為日界，某日1個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)一個(gè)時(shí)次1 h降水量≥20 mm，則該日統(tǒng)計(jì)為1個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水日；1個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)一個(gè)時(shí)次1 h降水量≥20 mm即統(tǒng)計(jì)為1次短時(shí)強(qiáng)降水；以某時(shí)段內(nèi)所有站點(diǎn)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)的總和(單位為站次)記為短時(shí)強(qiáng)降水頻次。短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生的范圍按照出現(xiàn)的站數(shù)分為4種類型，分別是：局地性短時(shí)強(qiáng)降水(出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的站數(shù)/總站數(shù)<10%)、小范圍短時(shí)強(qiáng)降水(10%≤出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的站數(shù)/總站數(shù)<30%)、區(qū)域性短時(shí)強(qiáng)降水(30%≤出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的站數(shù)/總站數(shù)<50%)、大范圍短時(shí)強(qiáng)降水(出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的站數(shù)/總站數(shù)≥50%)。

2 短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空特征

2.1 空間分布

統(tǒng)計(jì)分析近8 a東營(yíng)50個(gè)自動(dòng)氣象站出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水頻次和日數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可看出，短時(shí)強(qiáng)降水頻次和日數(shù)均是西北部偏多，南部地區(qū)偏少。其中，利津縣陳莊出現(xiàn)頻次最多，共計(jì)48站次，年均出現(xiàn)6站次；利津城區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水日數(shù)最多，為36 d，年均4.5 d。另外，短時(shí)強(qiáng)降水頻次和日數(shù)排在前10的自動(dòng)站中，50%以上都出現(xiàn)在西北部的利津縣，而排在后10位的當(dāng)中有50%以上出現(xiàn)在南部的廣饒縣。分析其原因，短時(shí)強(qiáng)降水多與局地地形有關(guān)。從東營(yíng)地形分析可知，以黃河為界，黃河以北地區(qū)較黃河以南地區(qū)，短時(shí)強(qiáng)降水頻次和日數(shù)明顯偏多。

圖1 2011—2018年?yáng)|營(yíng)地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水年均頻次(a，單位：站次)和年均日數(shù)(b，單位：d)分布特征

2.2 時(shí)間分布

2.2.1 年變化特征 2011—2018年?yáng)|營(yíng)短時(shí)強(qiáng)降水共出現(xiàn)1 566站次，年平均196站次。如圖2所示，2018年最多為412站次，2014年最少為51站次，但短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)頻次和日數(shù)的年變化無(wú)明顯規(guī)律。

由表1可見(jiàn)，2011—2018年共有短時(shí)強(qiáng)降水日196 d，年平均為24.5 d，其中2017、2018年最多為29 d，2014年短時(shí)強(qiáng)降水日數(shù)最少為16 d，短時(shí)強(qiáng)降水日數(shù)年度差異較大。從短時(shí)強(qiáng)降水范圍的等級(jí)來(lái)看：局地性短時(shí)強(qiáng)降水天氣過(guò)程最多為123 d，占比63%；小范圍短時(shí)強(qiáng)降水次多為49 d，占比25%；而區(qū)域性和大范圍短時(shí)強(qiáng)降水日數(shù)分別為14 d和10 d，占比分別為7%和5%。由此可看出，短時(shí)強(qiáng)降水范圍越大，天氣過(guò)程出現(xiàn)的次數(shù)越少。

圖2 2011—2018年?yáng)|營(yíng)地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)頻次和日數(shù)年變化

表1 2011—2018年?yáng)|營(yíng)地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水日數(shù)年變化 單位：d

年份總?cè)諗?shù)局地性小范圍區(qū)域性大范圍2011241842020122417421201323127402014161330020152716713201624136412017291991020182915905總數(shù)196123491410年均24.515.46.11.81.3

2.2.2 月變化特征 2011—2018年，東營(yíng)地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水最早出現(xiàn)在4月中旬(2017年)，最晚出現(xiàn)在10月下旬(2012年)，11月至次年3月均未出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。如圖3所示，東營(yíng)短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)頻次和日數(shù)隨月份的分布特征完全一致，均呈單峰狀。8月短時(shí)強(qiáng)降水頻次最多，達(dá)到683站次，占比43.6%；其次是7月，為571站次，占比36.4%，7—8月短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)頻次占總數(shù)的80%，4月和10月短時(shí)強(qiáng)降水頻次均不足10站次。

圖3 2011—2018年?yáng)|營(yíng)地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)頻次和日數(shù)月變化

由表2可見(jiàn)：2011—2018年?yáng)|營(yíng)地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)日數(shù)最多的月份為8月，共77 d，占總?cè)諗?shù)的39%；其次是7月，共65 d，占總?cè)諗?shù)的33%。從短時(shí)強(qiáng)降水范圍來(lái)看，局地性、小范圍和大范圍短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)日數(shù)最多的月份均為8月，區(qū)域性短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)日數(shù)最多的月份為7月。另外，4月和10月僅出現(xiàn)了局地性短時(shí)強(qiáng)降水。

分析短時(shí)強(qiáng)降水月變化明顯的原因：7—8月中低緯度系統(tǒng)發(fā)展旺盛，南方暖濕氣流輸送頻繁，加之西南渦、臺(tái)風(fēng)等天氣系統(tǒng)的共同作用，易形成低空急流帶；此外，7—8月平均氣溫較其他月份明顯偏高，導(dǎo)致中低層不穩(wěn)定能量增強(qiáng)，使對(duì)流發(fā)展更加旺盛，降水效率大大提高。

表2 2011—2018年?yáng)|營(yíng)地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水天氣過(guò)程月變化 單位：d

2.2.3 日變化特征 與其他強(qiáng)對(duì)流天氣一樣，短時(shí)強(qiáng)降水的日變化特征明顯。圖4 為東營(yíng)地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水頻次日變化圖。

圖4 2011—2018年?yáng)|營(yíng)地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水頻次和最大雨強(qiáng)日變化特征

由圖4可看出，04—12時(shí)是短時(shí)強(qiáng)降水的低發(fā)時(shí)段，共出現(xiàn)417站次，占比26.6%；12時(shí)過(guò)后，短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)頻次突增并持續(xù)增加，直至18時(shí)達(dá)到峰值；21時(shí)后驟減。可以看出午后(15時(shí))至前半夜(21時(shí))為短時(shí)強(qiáng)降水的高發(fā)時(shí)段，共出現(xiàn)645站次，占比41.2%。此外，通過(guò)統(tǒng)計(jì)不同時(shí)段內(nèi)≥50 mm的短時(shí)強(qiáng)降水頻次發(fā)現(xiàn)，其日變化趨勢(shì)與短時(shí)強(qiáng)降水頻次日變化趨勢(shì)基本一致。短時(shí)強(qiáng)降水的高發(fā)時(shí)段與低發(fā)時(shí)段相比，不僅出現(xiàn)頻次明顯偏多，而且出現(xiàn)≥50 mm的頻次也明顯偏多。主要原因是下午受太陽(yáng)輻射影響，地面增溫明顯，下墊面溫度較高，熱力條件較好，容易形成下暖上冷的不穩(wěn)定層結(jié)，大氣對(duì)流活躍，有利于不穩(wěn)定能量的觸發(fā)和釋放。

3 東營(yíng)地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水天氣形勢(shì)分析

短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生于有利的大尺度環(huán)流背景下，因此分析研究2011—2018年?yáng)|營(yíng)地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水天氣所有個(gè)例的天氣形勢(shì)和影響系統(tǒng)，以500 hPa為主，700 hPa、850 hPa和地面天氣形勢(shì)為輔，通過(guò)歸類比較，可將東營(yíng)地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)的天氣系統(tǒng)分為5種類型：西風(fēng)槽型、副高邊緣型、切變線型、高空冷渦型和臺(tái)風(fēng)型。從表3中可以看出：切變線型產(chǎn)生的短時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)最多，占比為36.2%；其次是副高邊緣型和西風(fēng)槽型，分別占比25.5%和24.5%；高空冷渦型占比10.2%；臺(tái)風(fēng)型出現(xiàn)次數(shù)最少，占比3.6%。

表3 東營(yíng)地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水天氣系統(tǒng)分型

選取不同類型短時(shí)強(qiáng)降水的典型過(guò)程進(jìn)行天氣分析，利用典型個(gè)例的高空和地面MICAPS實(shí)況資料，通過(guò)合成平均，總結(jié)歸納出不同類型短時(shí)強(qiáng)降水的天氣形勢(shì)。圖5為造成東營(yíng)短時(shí)強(qiáng)降水的5種天氣系統(tǒng)的概念模型。西風(fēng)槽型(圖5a)環(huán)流特征表現(xiàn)為500 hPa高度場(chǎng)上槽脊活動(dòng)較為明顯，中緯度環(huán)流有西風(fēng)槽，槽后有冷平流，西風(fēng)槽東移加強(qiáng)，低層有系統(tǒng)配合，向北輸送水汽。副高邊緣型(圖5b)環(huán)流特征表現(xiàn)為500 hPa副熱帶高壓與大陸高壓連通呈帶狀分布，副高脊線西伸，588 dagpm線以北環(huán)流平緩，主要為偏西氣流，西風(fēng)槽東移并攜帶冷空氣入侵，此時(shí)低層配合氣旋性、切變線輻合、低空急流等。切變線型(圖5c)環(huán)流特征表現(xiàn)為在高空天氣圖上，從高層到低層，均可能存在切變線，有冷式切變線和暖式切變線兩種類型。高空冷渦型(圖5d)環(huán)流特征表現(xiàn)為500 hPa天氣圖上110°E～120°E、35°N～45°N范圍內(nèi)存在閉合冷中心，500 hPa低槽東移影響山東，槽底位于河北至魯西北一帶，同時(shí)配合低層暖脊和濕區(qū)，有利于東營(yíng)附近出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。臺(tái)風(fēng)型(圖5e)過(guò)程較少，其主要分為沿近海北上和深入內(nèi)陸兩種類型，主要表現(xiàn)為受臺(tái)風(fēng)外圍云系影響，以及登陸后減弱的低壓環(huán)流、臺(tái)風(fēng)倒槽、東風(fēng)波等影響，有時(shí)臺(tái)風(fēng)倒槽還會(huì)和西風(fēng)槽結(jié)合形成中低緯相互作用的形勢(shì)。

4 東營(yíng)地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水環(huán)境參量

選取的環(huán)境參數(shù)包括：表示大氣水汽條件的低層(850 hPa)比濕，表示大氣溫壓濕綜合影響的850 hPa假相當(dāng)位溫，表示大氣動(dòng)力抬升條件的最大上升速度，表示降水效率的暖云層厚度。

圖6為東營(yíng)地區(qū)不同范圍短時(shí)強(qiáng)降水環(huán)境參量箱線圖。從850 hPa比濕箱線圖中可知，短時(shí)強(qiáng)降水范圍越大，其中位數(shù)和平均值越大，上下邊界范圍區(qū)間則越小。不同范圍短時(shí)強(qiáng)降水的上限差異不大，但下限差異明顯，大范圍和區(qū)域性過(guò)程的下限明顯大于小范圍和局地性過(guò)程。同時(shí)850 hPa比濕上四分位值、下四分位值和下限均隨降水范圍的增大而增大，就箱體寬度來(lái)看，大范圍和區(qū)域性過(guò)程的分布較為集中，而小范圍和局地性過(guò)程分布較為分散，箱體寬度隨降水范圍增大而變窄。850 hPa假相當(dāng)位溫的變化特征與850 hPa比濕基本一致。在最大上升速度箱線圖中，局地性和小范圍過(guò)程的上限大于區(qū)域性和大范圍過(guò)程，下限基本持平，區(qū)域性過(guò)程箱體寬度最為分散，局地性過(guò)程最為集中。從暖云層厚度箱線圖可以看出，四種過(guò)程上限和上四分位值較為接近，下限差異較大，局地性和小范圍過(guò)程小于區(qū)域性和大范圍過(guò)程，同時(shí)前兩者下四分位值較小，箱體較寬。

利用MICAPS提供的歐洲中心細(xì)網(wǎng)格初始場(chǎng)資料，對(duì)東營(yíng)近8 a短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在去除異常值的基礎(chǔ)上，得出東營(yíng)不同范圍和不同類型短時(shí)強(qiáng)降水的關(guān)鍵環(huán)境參量的閾值范圍(表4、表5)，可在實(shí)際預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中參考應(yīng)用。

細(xì)實(shí)線為500 hPa等高線(單位為dagpm)；粗實(shí)線為500 hPa槽線；雙實(shí)線為切變線；箭頭為低空急流。圖5 東營(yíng)不同類型短時(shí)強(qiáng)降水的天氣學(xué)概念模型(a 西風(fēng)槽型，b 副高邊緣型，c 切變線型，d 高空冷渦型，e 臺(tái)風(fēng)型)

線段兩端為統(tǒng)計(jì)內(nèi)限；箱形的上部框線為上四分位值；下部框線為下四分位值；箱內(nèi)橫線為中位數(shù)。圖6 東營(yíng)地區(qū)不同范圍短時(shí)強(qiáng)降水環(huán)境參量箱線圖

表4 東營(yíng)不同范圍短時(shí)強(qiáng)降水環(huán)境參量閾值

范圍850 hPa比濕/(g/kg)850 hPaθse/K最大上升速度/(m/s)暖云層厚度/m局地性3～1731～880～82 080～4 910小范圍6～1645～850～92 210～4 820區(qū)域性11～1764～860～63 740～4 670大范圍13～1672～830～63 790～4 450

表5 東營(yíng)不同類型短時(shí)強(qiáng)降水環(huán)境參量閾值

5 結(jié)論

(1)東營(yíng)地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)頻次和日數(shù)呈現(xiàn)西北部多南部少的分布規(guī)律，這與局地地形有關(guān)。黃河以北地區(qū)較黃河以南地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)頻次和日數(shù)偏多。

(2)東營(yíng)地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水每年均有出現(xiàn)，短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)頻次和日數(shù)年變化無(wú)明顯規(guī)律；短時(shí)強(qiáng)降水范圍等級(jí)越高，天氣過(guò)程出現(xiàn)的次數(shù)越少；短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)頻次和日數(shù)的月分布特征均呈單峰狀，最早出現(xiàn)在4月中旬，最晚出現(xiàn)在10月下旬，主要集中發(fā)生在7、8月，此時(shí)大氣環(huán)流系統(tǒng)對(duì)暖濕氣流的輸送和垂直方向上強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)是短時(shí)強(qiáng)降水頻發(fā)的原因；東營(yíng)地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水日變化特征明顯，15—21時(shí)是短時(shí)強(qiáng)降水高發(fā)期，峰值出現(xiàn)在傍晚，其原因是午后大氣層結(jié)更有利于不穩(wěn)定能量的觸發(fā)和釋放。

(3)東營(yíng)地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水的天氣形勢(shì)主要有5種類型：西風(fēng)槽型、副高邊緣型、切變線型、高空冷渦型、臺(tái)風(fēng)型，其中切變線型是最易發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水的天氣形勢(shì)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，得出不同范圍和不同類型短時(shí)強(qiáng)降水的關(guān)鍵環(huán)境參量閾值范圍，以期為實(shí)際預(yù)報(bào)工作提供重要參考。