安慶市近十年短時強降水特征及其天氣學模型

張 麗，葛紅衛，金高松，董方有，黃 洋

(安徽省安慶市氣象局，安徽 安慶 246003)

0 引言

安慶地處中低緯度地區，冷暖氣團活動和交匯都比較頻繁，并且地形復雜多樣，各種災害性天氣頻繁發生。短時強降水是春、夏季本地經常出現的一種強對流性天氣，在全球變暖的大背景下，短時強降水的發生更是呈現上升的趨勢[1]。區域性的短時強降水常造成嚴重的山體滑坡或城市內澇，對農業、旅游業、交通運輸以及人民生產生活等會造成嚴重危害，如：2015年6月28日，安慶市迎江區及樅陽縣發生短歷時強降水，持續僅3 h，兩地受災人口就達16萬人，農作物絕收面積1 133 hm2，直接經濟損失1.2億元；7月24日，全市出現暴雨天氣，局部出現降水量150 mm以上的特大暴雨，最大小時雨強達142.7 mm，全市受災人口65.7萬人，因災失蹤3人，農作物絕收4 345 hm2，直接經濟損失2.6億元(數據來源于安慶市救災辦)。鑒于短時強降水的高致災性，氣象工作者一直將其作為研究重點[2-6]。近年來，氣象學者和專家對短時強降水的研究逐漸增多，樊李苗等[7]通過對多個過程的探空數據和環境參數進行分類和對比分析，將中國的短時強降水、強冰雹、雷暴大風以及混合型強對流天氣等4種強對流天氣加以有效區分；王佳津等[8]分析了四川區域暴雨過程中短時強降水時的空間分布特征；周玉都等[9]對廊坊市短時強降水的特征和成因進行了詳細分析；楊雪艷等[10]總結出了吉林省3類短時強降水的中尺度特征及概念模型。近年來，氣象業務現代化迅速發展，氣象衛星和多普勒天氣雷達資料更多的應用到業務中，為深入分析短時強降水也提供了更多的依據，并且取得了較多有價值的成果[11-16]，數值預報產品的精細化也逐漸運用到短時強降水的研究中[17]。

短時強降水具有降水強度大、局地性強的特點，并且從出現到結束發展十分迅速，短時強降水通常是由中小尺度天氣系統造成的，預報難度較大，多年來，對短時強降水的預報、預警一直是預報的重點和難點[18-20]。本文利用2005—2017年安慶市8個國家氣象觀測站逐時降水量的觀測資料，分析安慶地區短時強降水發生的時間、空間分布特征，并結合常規高空探測資料，建立主要天氣學模型，以期為本地短時強降水預報提供參考。

1 資料與方法

短時強降水是指降雨量達到或超過某一量值的天氣現象。短時強降水的小時降雨量值在不同的氣象臺站有不同的規定，為了統計方便，根據中國氣象局氣辦發(2010)19號文件下發的《全國短時、臨近預報業務規定》以及預警信號發布規定等，本文中短時強降水的標準規定為1 h內降水量≥20.0 mm的降水過程。

資料來自于安慶地區8個國家氣象觀測站2005—2017年4—9月逐小時降水量以及Micaps高空探空資料。一天中一個氣象觀測站出現多次短時強降水時，將站次累加統計。

2 短時強降水時空分布特征

2.1 空間分布特征

已有研究表明，城市化與城市降水有密切的聯系，一般認為，城區較縣郊地區更容易出現局地對流性天氣，從而局地短時強降水天氣也較郊區偏多[21-23]。地理位置也會造成短時強降水分布差異。從表1看到，山區岳西站和城區安慶站短時強降水總次數超過100次，桐城位于安慶市最北部，短時強降水次數最少；太湖、潛山地處山區，但短時強降水次數比沿江地區的宿松、望江等地偏多。

表1 2005—2017年安慶市年短時強降水總時次空間分布Tab.1 Spatial distribution characteristics of total short-term heavy rainfall from 2005 to 2017 in Anqing City

2.2 時間分布特征

圖1給出了安慶市2005—2017年逐年短時強降水的總次數。由圖1看出，年次數具有明顯的差異，其中2006—2009年為低谷期，2011年起逐年遞增，到2016年達到峰值。各市縣年短時強降水的次數分布也不均勻，沒有明顯線性變化趨勢，以2006年和2011年次數為最少；以2016年次數為最多，且以安慶城區的16次為最多，見表2。

安慶市短時強降水主要出現在4—9月，其中7月出現站次最多，13 a來共出現226站/次，6月和8月次之，且6—8月出現總次數占總次數的75%(圖2a)。各市縣月短時強降水總站次除潛山峰值出現在6月外，其它各地均出現在7月；此外，岳西縣9月短時強降水次數較其他市縣異常偏多，這是因為2005年岳西遭受“泰利臺風”的影響，2—3日連續出現了多個時次的短時強降水(圖2b)。

圖1 安慶市2005—2017年短時強降水年分布Fig.1 Year distribution characteristics of Short-term heavy precipitation from 2005 to 2017 in Anqing City

表2 2005—2017年安慶市各市縣短時強降水年分布(站/次)
Tab.2Annualdistributionofshort-termheavyprecipitationinvariouscitiesandcountiesofAnqingCityfrom2005to2017

岳西桐城太湖潛山懷寧宿松望江安慶2005年15646841072006年495425372007年3661064282008年1055383242009年7828106532010年105125458162011年544438632012年9171077372013年 6212786572014年6126885652015年771013577102016年117101315155142017年7477271212

圖2 2005—2017年4—9月安慶短時強降水總站次月分布(a)以及各市縣逐月站次變化(b)Fig.2 Monthly variation of the number of stations of short-time heavy precipitation for Anqing (a)and various cities and counties (b)from 2005 to 2017

安慶市短時強降水日分布具有明顯的單峰型特征，高峰期主要發生在午后到傍晚，19時至次日02時為低發時段，其余時段差異不大(圖3)。通過分析發現午后至傍晚受日照影響，地面溫度升高，是一天之中最熱時段，近地層常常會形成絕對不穩定的層結，導致對流容易發展，如有充足的水汽條件配合就容易出現短時強降水。

圖3 2005—2017年安慶市短時強降水日變化特征Fig.3 Daily variation of the number of stations of short-time heavy precipitation from 2005 to 2017 in different districts of Anqing

短時強降水天氣與暴雨密切相關，二者既有區別又有聯系，在一次暴雨天氣過程中，起主要作用的經常是幾個時次的短時強降水的累積[3]，但是并不是所有的短時強降水天氣最后都能形成暴雨，如果沒有較強天氣尺度系統支撐，中小尺度系統雖然可以造成局地的短時強降水，但沒有充足的水汽供給或維持時間較短也不能形成暴雨。2005—2017年安慶8個市縣累計出現短時強降水599 d，其中日降水量達到暴雨量級的有375 d，即有62.6%的短時強降水過程日降水量可以達到暴雨量級。

由圖4看出，安慶市短時強降水以20～30 mm/h的降雨強度為主，占總發生次數的63.4%。雨強≥50 mm/h的短時強降水也有較多發生，13 a只有2009年和2013年沒有出現。由圖4還可以看出，短時強降水發生次數呈上升趨勢；2009年以前只有一年超過了60 mm/h，2010年至今只有2 a在60 mm/h以下，并且有2個站/次小時降雨量超過90 mm。由此可見，2010年以后雨強≥50 mm/h的短時強降水發生次數呈增多趨勢，且強度也呈增強趨勢。

圖4 2005—2017年安慶雨強>50 mm/h的強降水出現站次、所占比例及1 h降水量極值Fig.4 The Number of stations of short-time heavy precipitation more than 50 mm/h and the proportion to all stations and 1 hour rainfall extreme value from 2005 to 2017 in Anqing

3 主要天氣學模型

為了建立安慶市短時強降水天氣學模型，首先利用常規高空探測、地面觀測等資料，對發生在2005—2017年的短時強降水個例進行環流形勢分析，鑒于單站短時強降水影響系統不明顯，不便于環流型的歸納和概念模型的建立，并且對其進行天氣學分析意義不大。本文剔除單站短時強降水事件，分析2站及以上發生短時強降水的126個個例。按照歸納共性、排除個性的原則，將短時強降水天氣模型概括為：冷鋒型、短波槽型、臺風低壓型、副高控制型及其它型共計5個類型，其中短波槽型占比最多，為64.3% ，其次是冷鋒型(見表3)。

表3 短時強降水天氣不同天氣學模型個數及占總樣本的比例Tab.3 The number of different meteorological models in short-term heavy precipitation and the proportion of total samples

3.1 短波槽型

短波槽型短時強降水的形勢場結構特征為：在200 hPa上，由甘肅經河套到渤海有一條高空急流帶，約70%的個例有低空急流存在；500 hPa在河套附近到川西或者在陜南到鄂西為一短波槽，淮河以南處在西南氣流中；700 hPa和850 hPa均存在暖濕切變，江淮之間為大片的相對濕度高值區，安慶市上空的濕層伸展到400 hPa附近(圖5a)；地面有輻合線存在(圖5b)。隨著500 hPa短波槽東移，低空切變線南壓或北抬，高低空急流耦合以及由槽后鍥入的小股干冷空氣共同作用下，輻合上升加強，產生短時強降水。

圖5 短波槽型高低空配置(a)和地面形勢(b)Fig.5 High and low altitude configuration and ground situation of Short wave slot type

3.2 冷鋒型

冷鋒型短時強降水的形勢場結構特征為：200 hPa在35～45°N、95～115°E之間有一條急流軸，急流軸中心風速超過32 m/s；500 hPa在河套地區或河套東部為低槽區，槽后有冷中心，安慶處于槽前西南氣流中；700 hPa和850 hPa受淺槽或暖濕切變線影響，且還存在12 m/s以上的西南低空急流，925 hPa存在>8m/s超低空急流(圖6a)，低空急流和超低空急流為短時強降水的發生提供充足的水汽和強烈的上升運動，此外，華南到華中為大片T-Td≤2 ℃的高濕區，安慶市上空的濕層從近地面可伸展到300 hPa附近。由于高空槽后冷空氣南下導致溫度和濕度梯度明顯增大，在地面低壓的西北側形成一條能量鋒區(圖6b)。由此可見，高低空均存在急流且濕層深厚，鋒區導致了邊界層輻合線的形成，激發了短時強降水。

圖6 冷鋒型高低空配置(a)和地面形勢(b)Fig.6 High and low altitude configuration and ground situation of Cold front type

3.3 臺風低壓型

臺風低壓型短時強降水的形勢場結構特征為：300 hPa以下在22～30°N 、100～110°E范圍內有一個臺風減弱后的熱低壓，200 hPa西南急流位于華北到東北地區，急流中心風速大于60 m/s，個別個例無高空急流，但臺風低壓的東北側存在中心風速16 m/s以上的低空急流和中心風速12 m/s以上的超低空急流；副高(588 dagpm線，下同)位于東南沿海，四川盆地以西受大陸高壓控制，河套附近為低壓冷槽區(圖7a)，此外，安慶市上空的濕層(T-Td≤4℃)可以伸展到500 hPa附近；T850-500>21 ℃，安慶上空為高溫高濕的不穩定層結；地面上，減弱的臺風低壓中心位于江西南部，安慶地區處在臺風倒槽中(圖7b)，河套地區短波槽引導弱冷空氣南下，與臺風倒槽西北側的暖濕氣流結合，觸發局地短時強降水，當觸發地為山區輻合抬升的有利地形時，小時雨強將更加強烈。

圖7 臺風低壓型高低空配置(a)和地面形勢(b)Fig.7 High and low altitude configuration and ground situation of Low pressure type

3.4 副高控制型

副高控制型短時強降水的形勢場結構特征為：200 hPa青藏高原為南亞高壓控制；500 hPa低槽位于東北地區，長江以南地區以及華中受副高控制，850和925 hPa有切變線存在,700 hPa可能存在低槽或切變線(圖8a)，安慶上空的濕層伸展到500 hPa左右，T850-500>21 ℃，存在中性不穩定；地面上在沿江地區存在明顯的輻合線(圖8b)；低層或近地面有弱冷空氣楔入，與低層切變、地面輻合線相互作用，產生短時強降水。本型多出現在7月中旬—8月下旬。

圖8 副高型高低空配置(a)和地面形勢(b)Fig.8 High and low altitude configuration and ground situation of Subtropical high-pressure type

4 結論

通過上述分析，得出以下結論：

①安慶市2005—2017年短時強降水空間分布具有城區最多、山區次多、平原最少的特征。

②2005—2017年，全市逐年短時強降水總次數差異明顯，總體上沒有顯著的線性變化趨勢，但2011—2016年呈逐年遞增趨勢。各市縣年短時強降水站次分布不均，以2016年次數為最多。短時強降水主要發生在4—9月，以7月為最多；短時強降水日分布具有單峰型特征，主要發生在午后到傍晚。安慶市短時強降水以20～30 mm/h的強度為主，雨強≥50 mm/h的短時強降水的發生次數雖然少，但是呈增多趨勢，且降水強度也呈增強趨勢。

③安慶市短時強降水天氣模型可分為冷鋒型、短波槽型、臺風低壓型、副高控制型，以短波槽型占比為最多。短波槽型模型為高空短波槽東移、低空切變線影響、高低空急流耦合以及槽后小股干冷空氣共同作用；冷鋒型模型為鋒區導致邊界層輻合線形成，從而激發短時強降水發生；臺風低壓型模型為河套地區短波槽引導弱冷空氣南下，與臺風倒槽西北側的暖濕氣流結合，觸發局地短時強降水發生；副高控制型模型為低層或近地面弱冷空氣楔入與低層切變、地面輻合線相互作用。無論哪種類型的短時強降水，大部分個例均有高低空急流或者超低空急流存在，同時安慶上空濕層深厚，大氣為不穩定層結。