曠 蘭，田茂舉，譚建國，海 川，彭 馨

(1.重慶市綦江區(qū)氣象局，重慶 綦江 401420；2.重慶市萬州區(qū)氣象局，重慶 萬州 404100)

0 引言

我國對強對流天氣的定義主要包括出現(xiàn)短時強降水、雷電、雷暴大風、冰雹和龍卷等現(xiàn)象的災害性天氣，其中短時強降水常常具有突發(fā)性強、小時雨強大等特點，很容易導致嚴重的城市內(nèi)澇和地質(zhì)災害等次生災害，結(jié)合綦江本地特點，本文將強對流天氣定義為1 h降水量≥20 mm的降水。主要針對綦江地區(qū)的短時強降水天氣現(xiàn)象展開分析研究。

短時強降水作為強對流天氣的其中一種天氣現(xiàn)象，是綦江地區(qū)較易出現(xiàn)的一種災害性天氣。短時強降水一般突發(fā)性強，局地性明顯，預報難度較大，且易致災，常常對農(nóng)業(yè)、交通、建筑和人民生命財產(chǎn)安全等造成較為嚴重的影響。如2015年6月11日出現(xiàn)暴雨和短時強降水，其中綦江站點1 h最大雨強達到了57.2 mm，致文龍、石角、三角等11個街鎮(zhèn)29 997人受災，因災1人死亡、1人傷病，倒塌損壞房屋246間，農(nóng)作物受災面積789 hm2，其中農(nóng)業(yè)損失613.4萬元。多年來，國內(nèi)外專家與學者就不同地區(qū)的典型強對流天氣個例從環(huán)流形勢、物理量特征和雷達回波演變等進行了研究分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)生短時強降水時，一般會出現(xiàn)大氣層結(jié)不穩(wěn)定，存在一定的不穩(wěn)定能量，CAPE值和K值相對大值區(qū),SI指數(shù)相對低值區(qū)，或者是整層濕層比較深厚，水汽輸送比較充分。

本文通過對2014—2017年綦江地區(qū)自動氣象站觀測資料的逐時降水量進行統(tǒng)計分析，主要針對短時強降水天氣典型個例，使用常規(guī)氣象觀測資料、Micaps資料等，統(tǒng)計短時強降水發(fā)生的時間和次數(shù)，分析總結(jié)短時強降水天氣發(fā)生的時空分布規(guī)律以及本地化的物理量(K指數(shù)、SI指數(shù)、CAPE指數(shù)等)預報(預警)指標，從而提高綦江區(qū)預報預警服務能力，在一定程度上減少因短時強降水天氣造成的各類損失。

1 資料選取

本文資料包含綦江地區(qū)共計1個國家基本氣象站(綦江)以及19個區(qū)域自動氣象站點2014—2017年的觀測資料、Micaps資料以及地閃資料。結(jié)合本地氣候特征，將1 h降水量≥20 mm的降水過程定義為一次短時強降水過程。當一天中同一個站點多次出現(xiàn)短時強降水時，按一個短時強降水日數(shù)進行統(tǒng)計，并且選取其中的最大短時強降水雨量進行分析。

2 綦江空間分布特征

2.1 綦江地區(qū)氣候及地形結(jié)構(gòu)分布特征

2.1.1 氣候特征 重慶市綦江地區(qū)屬于亞熱帶濕潤氣候區(qū)，具有副熱帶東亞季風特點。氣候整體表現(xiàn)為冬暖、春早、夏熱、秋陰，云多，日照少，雨量充沛，年平均降水量為1 019.5 mm，年平均氣溫為18.7 ℃，年平均日照為970.5 h，年平均無霜期為344 d，年極端最高氣溫為44.5 ℃，年極端最低氣溫為-1.0 ℃。

2.1.2 地形特征 重慶市綦江地區(qū)處于四川盆地的東南邊緣，地形的總體特征為：西南高、東北低，邊緣高、腹地低，以山地為主，中間穿插多河流和深河溝，地形變化幅度大，主要包括中山、低山、深丘、淺丘和槽谷5大類地形，其中以低山、丘陵為主，山地占綦江區(qū)總面積約70%，丘陵約占30%。綦江城區(qū)海拔254.8 m，綦江國家基本氣象站海拔474.7 m。

2.2 綦江地區(qū)短時強降水特征分析

2.2.1 短時強降水累計頻次的空間分布 從綦江短時強降水多年累計頻次的空間分布可以看出，綦江各街鎮(zhèn)均有不同頻次的短時強降水發(fā)生。短時強降水多年累計頻次呈西北向東南逐漸增多的趨勢，與綦江西南高、東北低的地貌特點較為一致，其中頻次最多為扶歡鎮(zhèn)的18頻次，其次為石壕鎮(zhèn)和纂塘鎮(zhèn)的17頻次，最少為橫山鎮(zhèn)的6頻次。

圖1 短時強降水多年累計頻次的空間分布Fig.1 Spatial Distribution of Accumulated Frequencies of Short-term Heavy Rainfall over the Years

2.2.2 極端最強短時強降水的空間分布 從綦江極端最強短時強降水的空間分布來看，極端最強短時強降水呈西南向東北逐漸減少的趨勢，最大為丁山鎮(zhèn)2016年6月15日03時的78.2 mm/h，其次為打通鎮(zhèn)2016年8月26日09時的62.4 mm/h、丁山鎮(zhèn)2016年6月15日04時的62.1 mm/h、趕水鎮(zhèn)2016年8月26日09時的60.1 mm/h，永城鎮(zhèn)2014年4月19日01時的57.7 mm/h、扶歡鎮(zhèn)2014年8月1日06時和綦江本站2015年6月11日17時的57.2 mm/h、中峰鎮(zhèn)2016年8月1日17時的56.4 mm/h等等。

圖2 極端最強短時強降水的空間分布Fig.2 Spatial Distribution of Extreme Strongest Short-term Heavy Rainfall

2.2.3 短時強降水平均強度的空間分布 從綦江短時強降水多年平均強度的空間分布(圖3)來看，短時強降水多年平均強度在中南部的丁山、趕水、安穩(wěn)、打通鎮(zhèn)最強，其次是中峰、橫山和新盛鎮(zhèn)，永新鎮(zhèn)的短時強降水平均強度最小。

2.2.4 不同季節(jié)短時強降水頻次分布 通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，綦江地區(qū)的短時強降水均分布在春、夏、秋三季，冬季從有記錄以來尚未發(fā)生過短時強降水天氣。綦江短時強降水天氣春季主要發(fā)生在西北部和南部地區(qū)，秋季主要發(fā)生在東南部和南部地區(qū)，夏季主要發(fā)生在東部地區(qū)。

圖4 春(a)、秋(b)、夏季(c)短時強降水多年累計頻次的空間分布Fig.4 Spatial Distribution of Accumulated Frequencies of Spring, Autumn, Summer-Short-term Heavy Rainfall over the Years

2.2.5 不同時段≥20 mm短時強降水頻次分布 圖5給出了2014—2017年不同時段(03—08時、09—14時、15—20時)綦江地區(qū)短時強降水累計發(fā)生頻次的空間分布。03—08時段，短時強降水≥6頻次區(qū)主要分布在綦江南部和東部地區(qū)，向北逐漸減少，其中，最高頻次位于石角鎮(zhèn)的10頻次和石壕鎮(zhèn)的9頻次，最低頻次位于橫山、郭扶、新盛和趕水鎮(zhèn)的2頻次；09—14時段，短時強降水≥2頻次區(qū)主要分布在綦江的中部及南部，向西南和東北部逐漸減少，其中趕水、東溪、永新、纂塘和石壕鎮(zhèn)頻次最高，丁山、通惠和石壕鎮(zhèn)頻次為0；15—20時段，短時強降水分布特征與09—14時段類似，最大頻次位于三江鎮(zhèn)，最小頻次區(qū)位于隆盛鎮(zhèn)的0頻次；21—02時段，短時強降水頻次呈北少南多的趨勢，其中頻次最高區(qū)位于永城鎮(zhèn)，頻次最低區(qū)位于趕水鎮(zhèn)。

圖5 2014—2017年03—08時(a)、09—14時(b)、15—20時(c)時段短時強降水頻次的空間分布Fig.5 Spatial distribution of short-term heavy precipitation frequencies in the periods of 03—08, 09—14, 15—20 and 21—02

3 綦江地區(qū)短時強降水的時間分布特征

3.1 短時強降水頻次的逐月變

通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，近4 a來綦江地區(qū)短時強降水頻次的逐月變化(圖略)主體趨勢呈一個單峰變化，從3月開始發(fā)生，6月和8月達到高峰，8月之后逐漸下降，最晚出現(xiàn)在10月份。11月—次年的1月份從未出現(xiàn)過短時強降水天氣，這充分說明了短時強降水天氣主要發(fā)生在夏季，其次是春季和秋季，冬季發(fā)生短時強降水天氣的可能微乎其微。而5—9月為綦江的主汛期，其中6月和8月占比最多，占總數(shù)的47.89%，極端最強短時強降水也多發(fā)生在這兩個月。其中短時強降水≥50 mm/h主要發(fā)生在6—8月，分別為綦江本站2015年6月11日17時的57.2 mm、扶歡2014年8月1日06時的57.2 mm、中峰2016年8月1日17時的56.4 mm、丁山2016年6月15日03時的78.2 mm和04時的62.1 mm、趕水2016年8月26日09時的60.1 mm、打通2016年7月10日15時的50.4 mm和8月26日09時的62.4 mm、永城2014年4月19日01時的57.7 mm，≥50 mm/h的短時強降水總共出現(xiàn)了9次，其中6—8月就有7次，占總數(shù)的77.78%。

3.2 短時強降水頻次的年際變化

通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，近4 a來綦江地區(qū)每年均有短時強降水天氣發(fā)生，年平均發(fā)生頻次為21.5，其中以2016年最多，達到34頻次，最少年為2017年的15頻次。這幾年短時強降水天氣發(fā)生頻次有略微變化，基本維持在平均值附近。

3.3 短時強降水頻次的日變化

從短時強降水多年累計頻次的日變化(圖6)統(tǒng)計看，綦江地區(qū)的短時強降水多發(fā)生在08時之前和14時之后，且后半夜多于前半夜，上午發(fā)生的頻次相對較少。這種降水分布特征極其容易引發(fā)山洪、泥石流等地質(zhì)災害，并且夜間不利于疏散易感人群，從而給人們帶來了巨大的潛在安全隱患。為何綦江地區(qū)夜雨相對較多？葉篤正等認為由于地形作用形成的山谷風、夜間輻射冷卻等是造成綦江夜雨的重要原因。01時、04時、07時、18時和20時發(fā)生短時強降水的頻次相對較高，而04時和07時發(fā)生的頻次最高。雨強≥30 mm/h的頻次為58，雨強≥40 mm/h的頻次為17，雨強≥50 mm/h的頻次為10。其中最大短時強降水出現(xiàn)丁山鎮(zhèn)2016年6月15日03時的78.2 mm/h。

圖6 短時強降水多年累計頻次的日變化Fig.6 Diurnal Variation of Accumulated Frequencies of Short-term Heavy Rainfall over the Years

4 綦江地區(qū)短時強降水物理量特征分析

4.1 綦江地區(qū)短時強降水天氣形勢分析

根據(jù)短臨預報要求，通過分析短時強降水發(fā)生前最臨近的高低空的環(huán)境場特征以及探空資料特征，經(jīng)過總結(jié)分類，發(fā)現(xiàn)綦江地區(qū)短時強降水主要分為濕層深厚型和上干下濕型兩種類型。

4.1.1 濕層深厚型環(huán)境場特征 此類濕層深厚型環(huán)境場特征為500 hPa有低槽，700 hPa和850 hPa有低渦或切變線、顯著流線或低空急流以及中低層顯著濕區(qū)和暖區(qū)，中高層顯著干區(qū)并且有干冷風從西北方向侵入。

圖7 濕層深厚型環(huán)境場特征Fig.7 Characteristics of Deep and Thick Environmental Field in Wet Layer

4.1.2 上干下濕型環(huán)境場特征 此種類型環(huán)境場主要發(fā)生在夏季高溫季節(jié)(即6—8月)，兩高之間存在切變線，但整層濕層不是很好，僅僅低層有很薄的濕層，所以發(fā)生短時強降水的范圍不是很廣，按照現(xiàn)在自動站的布局密度，一般不會超過5個站點能出現(xiàn)短時強降水。并且，中低層沒有出現(xiàn)顯著流線或者低空急流，短時強降水發(fā)生前為副高控制，午后地面急劇增溫，造成低層不穩(wěn)定度增大，而中高層又有顯著干區(qū)，并且500 hPa有溫度槽，所以這種環(huán)境場結(jié)構(gòu)在T-lnp圖上很明顯地表現(xiàn)為上干下濕的喇叭口型。當中低層垂直風切變又比較小的情況下，這種上干下濕的環(huán)境場結(jié)構(gòu)就比較容易出現(xiàn)局地性的短時強降水天氣。

圖8 上干下濕型環(huán)境場特征Fig.8 Characteristics of Upper Dry and Lower Wet Environmental Field

4.2 綦江地區(qū)短時強降水不穩(wěn)定指數(shù)分析

短時強降水除了滿足雷暴發(fā)生條件的基本三要素(雷暴三要素包括豐富的水汽、條件不穩(wěn)定層結(jié)、氣塊抬升到凝結(jié)高度的啟動機制)外，與冰雹、雷暴大風還有龍卷的環(huán)境條件相比，短時強降水對CAPE值的要求相對要弱，但對水汽條件要求更高(即相對濕度和絕對濕度都高)，而對垂直風切變要求則相對要小一些。在實際個例中，短時強降水天氣發(fā)生前的T-lnp圖中，中低層相對濕度往往并不是很大，大部分甚至很干，但它們卻有一定的CAPE值，一百多至幾千大小不等；SI指數(shù)絕大部分都小于0，約占89.47%；而K指數(shù)不能明顯表示出整個大氣的層結(jié)不穩(wěn)定程度，所以在這些個例中，K指數(shù)的變化沒有一定的規(guī)律。但是當CAPE值越大，SI指數(shù)負值的絕對值越大，K指數(shù)越大時，整個大氣層結(jié)越不穩(wěn)定，發(fā)生短時強降水天氣的可能性越大。另外，產(chǎn)生短時強降水天氣的風暴僅僅依靠風暴柱內(nèi)的水汽往往是不夠的，還必須有水汽源源不斷地從周圍輸送到風暴內(nèi)部，通過個例研究表明，要想水汽從周圍輸送到風暴內(nèi)部，必須有水汽的輻合尤其是低層水汽輻合，這就解釋了為什么短時強降水天氣發(fā)生前整個氣層濕度條件不是很好，而是氣層不穩(wěn)定。

通過嚴格篩選出的綦江地區(qū)4 a共計71個強對流天氣個例中可以發(fā)現(xiàn)，主要是中尺度系統(tǒng)導致了短時強降水天氣的發(fā)生和發(fā)展，但對于不同的地理位置和不同的天氣過程，發(fā)生前其物理量配置及T-lnp也不盡相同。通過統(tǒng)計分析可以發(fā)現(xiàn)綦江地區(qū)的短時強降水的發(fā)生主要為以下兩種情況。

4.2.1 濕層深厚型不穩(wěn)定指數(shù)分析 對于濕層深厚型，在2014—2017年的個例中，T-lnp圖通常表現(xiàn)為至少在中低層溫度廓線和濕絕熱線都比較靠近，即中低層濕度比較大，CAPE值卻不大,有時甚至為0，而K指數(shù)變化幅度大，且SI指數(shù)通常大于0。對于不穩(wěn)定指數(shù)分布，短時強降水區(qū)發(fā)生前往往會有K指數(shù)大值區(qū)、SI指數(shù)負值大值區(qū)、θse大值區(qū)、低層渦度大值區(qū)以及水汽通量散度負值大值區(qū)。

4.2.2 上干下濕型不穩(wěn)定指數(shù)分析 對于上干下濕型，T-lnp圖一部分表現(xiàn)為溫度廓線與濕絕熱線呈上干下濕的喇叭口狀，一部分表現(xiàn)為有一定的對流有效位能，但有一點中低層垂直風切變比較小。挑選出其中比較常用的指數(shù)，通過統(tǒng)計分析以及聚類分析發(fā)現(xiàn)，大部分個例SI指數(shù)都是負值，約占89.47%；強對流天氣發(fā)生時，當SI指數(shù)呈正值時，CAPE值一般都在700以上且K指數(shù)>30。由于綦江地區(qū)水汽條件比較好，K指數(shù)都相對比較大，所以單純看K指數(shù)沒有指示意義，從圖11統(tǒng)計出的個例可以看到K指數(shù)通常都在30以上，當個別K指數(shù)<30時，CAPE值>1 500，SI指數(shù)<0。當SI指數(shù)呈負值，K指數(shù)>30，經(jīng)過修正后的CAPE值>700這三項中，其中有兩項滿足時，就要特別注意出現(xiàn)強對流天氣的發(fā)生，加強監(jiān)測，做好預防工作。對于不穩(wěn)定指數(shù)分布，短時強降水區(qū)發(fā)生前往往會有K指數(shù)大值區(qū)、SI指數(shù)負值大值區(qū)、θse大值區(qū)、低層渦度大值區(qū)以及水汽通量散度負值大值區(qū)。

圖9 濕層深厚型典型T-lnp及不穩(wěn)定指數(shù)分布Fig.9 Typical tlogp and unstable exponential distribution of deep wet layer

圖10 濕層深厚型個例所對應的SI指數(shù)、K指數(shù)以及CAPE值Fig.10 SI index, K index and CAPE value corresponding to deep wet layer cases

圖11 上干下濕型典型T-lnp圖及不穩(wěn)定指數(shù)分布Fig.11 Typical tlogp diagrams and unstable exponential distributions of wet and dry types

圖12 上干下濕型個例所對應的SI指數(shù)、K指數(shù)以及CAPE值Fig.12 SI index, K index and CAPE value corresponding to upper dry and lower wet type cases

但需要注意的是，K指數(shù)不能單純關注其數(shù)值大小，因為它由3項組成(即：溫度直減率、低層水汽條件、中層飽和度)，因此它不能簡單明顯地表示出整個大氣的層結(jié)不穩(wěn)定程度。而CAPE值會因起始高度的選取而有較大差別，特別是需要注意是選取地面還是逆溫層頂做起始高度，所以當使用北京時08時的探空資料做分析時，隨著白天地面溫度的升高，T-lnp圖需要做一定的修正；另外，即使相同的CAPE值也會因為其縱橫比不同而出現(xiàn)強對流的概率不同。

5 結(jié)論

本文主要利用綦江地區(qū)1個國家基本氣象站以及19個區(qū)域自動氣象站2014—2017年的觀測資料、Micaps資料，分析了綦江地區(qū)短時強降水發(fā)生的時空分布規(guī)律以及其發(fā)生前的物理量(K指數(shù)、SI指數(shù)、CAPE指數(shù)等)預報(預警)指標，主要結(jié)論如下：

①綦江各街鎮(zhèn)每年均有不同頻次的短時強降水發(fā)生，短時強降水多年累計頻次呈西北向東南逐漸增多的趨勢，與綦江西南高、東北低的地貌特點較為一致。

②極端最強短時強降水呈西南向東北逐漸減少的趨勢。短時強降水多年平均強度在中南部的丁山、趕水、安穩(wěn)、打通鎮(zhèn)最強，其次是中峰、橫山和新盛鎮(zhèn)，永新鎮(zhèn)的短時強降水平均強度最小。

③綦江地區(qū)的短時強降水都分布在春、夏、秋三季，冬季自有記錄以來尚未發(fā)生過短時強降水天氣。短時強降水天氣春季主要發(fā)生在西北部和南部地區(qū)；秋季主要發(fā)生在東南部和南部地區(qū)；夏季主要發(fā)生在東部地區(qū)。

④03—08時段，短時強降水≥6頻次區(qū)主要分布在綦江南部和東部地區(qū)，向北逐漸減少；09—14時段，短時強降水≥2頻次區(qū)主要分布在綦江的中部及南部，向西南和東北部逐漸減少；15—20時段，短時強降水分布特征與09—14時段類似；21—02時段，短時強降水頻次呈北少南多的趨勢。

⑤綦江地區(qū)短時強降水頻次的逐月變化呈單峰變化趨勢，從3月開始發(fā)生，6月和8月達到高峰，8月之后逐漸下降，最晚出現(xiàn)在10月份。

⑥綦江地區(qū)的短時強降水多發(fā)生在08時之前和14時之后，且后半夜多于前半夜。

⑦綦江地區(qū)短時強降水主要分為深厚濕層型和上干下濕型兩種類型。這兩種類型對于不穩(wěn)定指數(shù)的空間分布，短時強降水區(qū)發(fā)生前往往會有K指數(shù)大值區(qū)、SI指數(shù)負值大值區(qū)、θse大值區(qū)、低層渦度大值區(qū)以及水汽通量散度負值大值區(qū)。其區(qū)別主要表現(xiàn)為：

濕層深厚型環(huán)境場特征為500 hPa有低槽，700 hPa和850 hPa有低渦或切變線、顯著流線或低空急流，中低層有顯著濕區(qū)和暖區(qū)，中高層為顯著干區(qū)并且有干冷風從西北方向侵入。

上干下濕型主要發(fā)生在夏季高溫季節(jié)(即6—8月)，兩高之間存在切變線，整層濕層不是很好，僅低層有很薄的濕層，中低層沒有出現(xiàn)顯著流線或者低空急流，短時強降水發(fā)生前為副高控制，中高層有顯著干區(qū)，500 hPa有溫度槽，T-lnp表現(xiàn)為上干下濕的喇叭口型，降水范圍不寬，呈局地性特征，且中低層垂直風切變較小。對于不穩(wěn)定指數(shù)，只要SI指數(shù)呈負值，K指數(shù)>30，經(jīng)過修正后的CAPE值>700這三項中其中有兩項滿足時，且中低層垂直風切變較小時，對短時強降水的發(fā)生具有較好的指示意義。當SI指數(shù)的負值絕對值越大、K指數(shù)越大、CAPE值越大，發(fā)生強對流天氣的概率越大。