懷化市汛期短時強降水特征分析

王光明,王文聞,王 強,梁曉梅

(1.湖南省懷化市氣象局,湖南 懷化 418000;2.湖南省會同縣氣象局,湖南 會同 418300)

0 引言

短時強降水具有突發性強、來勢猛、歷時短、局地性強，致災性高，可預報時效短等特征，導致的主要災害是暴洪，暴洪是所有氣象相關災害中發生頻次最高且導致傷亡最多的災害[1]，常常造成城市積澇，山體滑坡等氣象衍生災害。許多氣象人員對此進行了研究，如，對山東省短時強降水分析表明，時空分布不均，極值時空分布差異較大，7—8月大范圍短時強降水過程明顯增加[2]，是極端強降水的關鍵時期[3]；成都都江堰短時強降水的強度非常集中，夜雨特征突出，且后半夜比前半夜多[4]；湖南各地州市短歷時暴雨基本以峰值在前部的單峰型為主[5]；渝東北短時強降水事件逐年增多，站次顯著增加，強降水雨量占年雨量比例逐年加大[6]；王芬[7]發現貴州望謨6月是短時強降水最頻繁發生的月份；7—8月是陜甘寧短時強降水的多發期，峰值出現在7月下旬和8月中旬，日變化呈雙峰分布[8]；連續少雨期北京地區暴雨的局地性和短歷時性明顯增加[8]；文獻[10-13]對短時強降水環流形勢進行了分析和研究。

短時強降水一直是氣象預報服務中的熱點和難點[14]，然而，湖南省氣象工作人員對短時強降水的統計分析相對較少，在前人研究的基礎上，本文分析了懷化地區2012—2017年4—9月的短時強降水的年際、月際、時際以及強度、空間分布變化特征，利用相應的NCEP再分析資料總結了短時強降水出現的概念模型，以期為短時強降水預報提供參考依據。

1 資料與方法

1.1 研究區域

懷化市地處湖南西部(25°52′～29°01′N、108°47′～111°06′E)，地貌輪廓自西南向北傾斜，呈一狹長地帶，南北長約353 km，東西寬約229 km，東南部有雪峰山，西北部有武陵山，中間丘崗起伏，為若干盆地，全境地勢起伏，溝壑縱橫，地勢最高點為雪峰山脈主峰蘇寶頂，海拔標高1 934 m，最低為沅陵的界首，海拔45 m，相對高差1 889 m[15]。

1.2 短時強降水資料

分析資料為懷化市2012—2017年4—9月11個國家站和403個自動站逐小時降水量；NCEP1°×1°逐6 h再分析資料，分別為每日02、08、14、20時。

1.3 短時強降水標準

短時強降水是一種強對流天氣[16]，按標準[17]降水量≥20 mm·h-1的降水定義為短時強降水，具體分為4個等級[17](20～29.9 mm·h-1，30.0～49.9 mm·h-1，50.0～79.9 mm·h-1，≥80 mm·h-1)。為此，本文在統計短時強降水樣本時，如有一個區域站出現降水量≥20 mm·h-1，即定義為一個短時強降水日。

為分析方便，統計中定義了短時強降水頻數和日數兩個名詞，頻數是指統計時段內逐日短時強降水的站點次數，同一站點同一日出現多次時，重復計數次數；日數的統計與頻數類似，但同一站點同一日出現多次時，不重復統計，只計一次短時強降水日。

鑒于區域短時強降水并未有統一的定義，參照湖南區域性暴雨(若某日湖南國家站中有10%及以上站點發生暴雨，則記該日為湖南區域性暴雨日)，規定若某日懷化國家站和區域站(414站)中有10%及以上站點發生短時強降水，則記該日為懷化區域性短時強降水日。

2 結果與分析

2.1 短時強降水頻(日)數與極值分布特征

2012—2017年4—9月11個國家站平均每年出現短時強降水頻數為70.7次，但年際變化大，2017年頻數最多(103次，圖1)，2013年最少(35次)，3 a低于平均值(2013、2015、2016年)，3 a高于平均值(2012、2014、2017年)。

圖1 2012—2017年4—9月短時強降水頻數年際變化Fig.1 The interannual variation of short-term heavy precipitation frequency from April to September

11個國家站中，各站每年均有短時強降水出現，11站年平均日數為51.8 d，2013年出現日數最少(26 d)，2017年最多(76 d)；對某站而言，少則1 d，多則10 d。

從2012—2017年4—9月短時強降水極值分布(圖2)看到，短時強降水≥100 mm·h-1共出現7站(辰溪4站，會同2站，靖州1站)，占總站數的1.7%；按中國氣象局規定[15]，≥80 mm·h-1，占比12.5%；50～79.9 mm·h-1，占比68.4%；30～49.9 mm·h-1，占比18.6%；20～29.9 mm·h-1，占比0.5%。

從國家站與區域站各月短時強降水極值與出現時間(表1)看，區域站極值出現在2017年7月14日15時會同縣的黃茅站，其值為129.9 mm·h-1，其它依次為6、5、8、4、9月份，其值均在90.0 mm·h-1以上；國家站上極值在35.7～84.9 mm·h-1間，最大值(84.9 mm·h-1)出現在2017年6月25日04時靖州站。從國家站與區域站短時強降水極值對比可知，除6月外，其余各月國家站的極值大約為區域站極值的一半。

圖2 2012—2017年4—9月短時強降水極值(mm)分布，圖中數字為國家站極值，陰影區為自動站極值，紅點為短時強降水≥100 mm·h-1站點Fig.2 The short-term strong precipitation extreme value (mm) distribution from April to September, the number represents national station, the shaded area represent the automatic station

表1 2012—2017年4—9月國家站與區域站短時強降水極值與出現時間Tab.1 The extreme value and occur time of short-term heavy precipitation between national stations and regional stations from April to September during the 2012—2017

2.2 短時強降水頻(日)數空間分布特征

統計2012—2017年4—9月懷化市11個站短時強降水頻數(圖3)，結果表明，國家站每個站平均每年出現短時強降水6.2次，其中麻陽、辰溪最多高達8.8次和8.7次，洪江市最少(4.0次)；區域站短時強降水每站每年平均出現6.3次，區域分布不均勻，北部多，中南部少，其中中部的芷江、新晃出現最少。區域站上，沅陵縣大合坪、辰溪縣大水田頻數最多(11.3次)。

圖3 2012—2017年4—9月短時強降水頻數分布，圖中數字為國家站頻數陰影區為自動站頻數Fig.3 The distribution of short-term heavy precipitation frequency from April to September. The number is the frequency of the national station, and the shaded area is the frequency of the automatic station

從短時強降水日數的平均分布圖看(圖略)，國家站平均每年每站出現短時強降水日數為4.7 d，辰溪、麻陽最多(6.7 d)，洪江最少(3.0 d)；在區域站上，每站每年平均出現短時強降水日數4.7 d，短時強降水日數分布也是北部多，中南部少，其中沅陵縣的大合坪附近以及辰溪、麻陽和懷化三地交界區域內出現短時強降水日數最多(7.3 d)，西部的芷江、新晃出現最少(3.7 d)。

2.3 短時強降水時間分布特征

從11個國家站月際變化(圖4)看，短時強降水主要出現在5—7月，占4—9月的72.9%，其次在8—9月，占比為20.0%，4月最少(7.1%)。如果按月分布，6月最多，11站年平均出現10.5次，占總次數的28.3%，其它依次為7月(8.8次)、5月(7.8次)、8月(4次)、9月(3.5次)，4月最少(2.6次)。

圖4 2012—2017年4—9月短時強降水總頻數月際分布Fig.4 The monthly distribution of short-term heavy precipitation frequency from April to September

從短時強降水逐時分布曲線(圖5)可知，短時強降水形態呈單峰型，04—10時最容易發生，峰值出現在08時，11時—次日03時產生頻數相對較少，谷值在23時。

圖5 2012—2017年4—9月短時強降水頻數小時分布Fig.5 The hourly distribution of short-term heavy precipitation frequency from April to September

3 短時強降水天氣系統解析

通過逐時降水實況反查，懷化市共產生區域性短時強降水35次，基本出現在5—7月；8—9月產生的短時強降水，基本上屬于夏季午后陸地表面受日射而強烈加熱，在近地層形成絕對不穩定層結，對流發展而形成，由于這種熱力抬升作用發展起來的對流，在天氣圖上無明顯系統，預報難度最大，發生頻次也較少。

因5—7月短時強降水頻次高、致災性遠大于8—9月，故通過35次區域性短時強降水實況資料與NCEP1°×1°再分析資料對比分析，從短臨預報角度出發，得到以下兩種概念模型。

3.1 低渦型

35次區域性短時強降水天氣過程，有25次在700 hPa或850 hPa有低渦活動，其中低渦移動的過程有20次，穩定少動的有5次。

對于低渦型，500 hPa環流經向度加深，整個湖南處在槽前西南氣流中，槽前正渦度平流為直接產生暴雨的中小尺度系統提供有利條件，在此種天氣類型中低渦位置和移動路徑是短時強降水預報的關鍵點(圖6)。如果低渦沿切變線東移，則懷化大部分地區將出現短時強降水天氣；低渦位置偏北、偏東移動，則主要影響懷化北中部地區。850 hPa(27～29°N，108～111°E)為低渦關鍵區，在低渦進入關鍵區時，往往懷化地區將產生短時強降水天氣，懷化處在高空急流南側分流區中，高空強烈輻散，有利于上升運動發展，短時強降水區集中在：①低渦附近及其東南側0.5～2個緯距范圍內，低渦東段切變附近及其南側2個緯距，西段切變線233 km內；②850 hPa低空急流左側出口區；③對于850 hPa低渦穩定在湘西北地區的天氣過程，落區具有相似特征，強降水主要集中在懷化北部以及中部偏北地區。

對此類天氣，200 hPa急流建立，高空槽加深東移，懷化處在高空槽前西南氣流中，中低層急流建立，850 hPa低渦進入關鍵區，強降雨在低渦附近及其東南側產生，在急流出口區疊加區域尤甚，隨著200 hPa急流消失，500 hPa低槽東出，低渦隨之東出或消散，懷化短時強降水隨之結束。

圖6 懷化低渦型短時強降水天氣形勢圖Fig.6 The weather situation map of low vortex type short-term heavy precipitation in Huaihua

3.2 切變線型

切變線型的區域性短時強降水天氣過程共計10次，高空200 hPa懷化地區也是處在急流南側分流區的強輻散中，500 hPa南支槽發展東移，湖南處在槽前西南氣流中，中低層分析不出明顯的渦旋系統，影響湖南地區以切變線或強風速輻合為主，懷化處在850 hPa切變線南側，700、850 hPa急流的左前側，懷化的短時強降水也就發生在850 hPa切變線附近及其南側1.5個緯距范圍內，尤其是850 hPa低空急流出口區左側輻合區的疊加區，此種類型的天氣過程主要關注切變線的移動和發展，以及低空急流的建立與破壞(圖7)。

對此類型，懷化處在200 hPa急流南側分流區的強輻散中，500 hPa南支槽加深發展，懷化在槽前旺盛的西南急流中，850 hPa切變線自北向南移動影響懷化，配合低層急流，在850 hPa切變線南側，700、850 hPa急流的左前側出現強降雨天氣，隨著高空槽東出，850 hPa切變線南壓出湖南地區，懷化轉受偏北氣流控制，懷化短時強降水天氣過程也趨于結束。

圖7 懷化切變線型短時強降水天氣形勢圖Fig.7 The weather sitzlation rnap of the type of shear line in Huaihua

4 結論與討論

4.1 結論

①短時強降水頻數的年際變化大、頻數高日數多且空間分布不均,11個國家站平均每年出現短時強降水頻數為70.7次，最多103次，最少35次；國家站上，短時強降水頻數(日數)為：每站每年平均出現6.2次(4.7 d)，北部的辰溪、麻陽頻數和日數最高(約8.8次、6.7 d)，中部的洪江最少(4.0次、3.0 d)；在區域站上，短時強降水頻數(日數)為：每站每年平均出現6.3次(4.7 d)，短時強降水頻數和日數分布為北部多，中南部少，其中沅陵縣的大合坪、辰溪縣的大水田最多(11.3次、7.3 d)，西部的芷江、新晃最少(4.1次、3.7 d)。

②從月際變化看，短時強降水主要發生在5—7月，占整個汛期(4—9月)的72.9%，其次在8—9月，占比為20.0%，4月最少(7.1%)。其中6月最多，11站年平均出現10.5次，占總次數的28.3%，4月最少(2.6次)。從日際變化看，短時強降水的日變化呈單峰型，04—10時短時強降水最容易發生，峰值出現在08時，谷值在23時。

③短時強降水等級空間分布差異大：大部分站點的短時強降水極值在50～79.9 mm·h-1，占總站數的68.4%，≥80 mm·h-1的短時強降水占比為12.5%，20～49.9 mm·h-1占19.1%；國家站每月短時強降水極值的2倍約等于區域站極值，區域站最大值為129.9 mm·h-1；在雪峰山西側(會同、洪江、溆浦)以及辰溪境內最易發生≥80 mm·h-1的短時強降水，新晃境內高等級的短時強降水不易發生。

④低渦型短時強降水預報的關鍵是低渦位置和移動路徑，當850 hPa低渦進入關鍵區時，短時強降水易發生在低渦附件及其東南側(0.5～2個緯距)、低渦東段切變及其南側2個緯距以及西段切變線約230 km內。

⑤切變型短時強降水的預報主要關注切變線的移動、發展和低空急流配置關系。當850 hPa切變線自北向南移動影響懷化并配合有低層急流時，短時強降水也就發生在切變線附近及其南側(1.5個緯距內)，尤其是與低空急流出口區左側疊加的區域。

4.2 討論

天氣系統分型中僅考慮了850 hPa以上的層次，但地面和925 hPa的動力條件也不容忽視；8—9月產生的短時強降水，雖屬夏季午后熱力抬升作用引起，對局地能造成較大災害，應加強這種系統的探索研究。

致謝：該文寫作過程中得到湖南省氣候中心廖玉芳正研2級高工的悉心指導，謹致謝意。