加密自動(dòng)站在極端短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生前的精細(xì)化特征分析

靳振華，趙金霞，卜清軍

(天津市濱海新區(qū)氣象局 天津300457)

0 引 言

極端短時(shí)強(qiáng)降水是造成城市內(nèi)澇的主因，其變化趨勢(shì)能更有效地反映極端事件的趨勢(shì)[1]。由于短時(shí)強(qiáng)降水具有突發(fā)性強(qiáng)、降雨落點(diǎn)分散、持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn)，對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警仍然是現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)工作中的難點(diǎn)[2-4]。

小時(shí)雨強(qiáng)直接關(guān)系到致災(zāi)的嚴(yán)重程度，且不同地區(qū)對(duì)小時(shí)雨強(qiáng)的承受能力也不同。氣象部門(mén)加強(qiáng)了短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)工作，并朝精細(xì)化方向發(fā)展，在描述落區(qū)之后，增加了小時(shí)雨強(qiáng)預(yù)報(bào)的相應(yīng)內(nèi)容。羅玲等[5]利用 1990—2004年的小時(shí)降水資料研究了中國(guó)大陸區(qū)域的日變化特征。尹承美等[6]利用 2006—2008年5至9月濟(jì)南市區(qū)區(qū)域自動(dòng)氣象觀測(cè)站等資料分析了濟(jì)南市區(qū)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水(R≥15mm/h)的年際、月際、時(shí)際以及強(qiáng)度特征。楊詩(shī)芳等[7]利用杭州市近 20a的雨量資料，分析了杭州短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生規(guī)律，發(fā)現(xiàn)杭州短時(shí)強(qiáng)降水年發(fā)生次數(shù)的多年平均值為 9.6次，短時(shí)強(qiáng)降水容易發(fā)生在凌晨及午后2個(gè)時(shí)段。劉偉東等[8]和王國(guó)榮等[9]利用自動(dòng)站資料，對(duì)北京地區(qū)的降水時(shí)空特征進(jìn)行了分析。目前對(duì)小時(shí)雨強(qiáng)預(yù)報(bào)的研究幾乎空白，氣象業(yè)務(wù)中對(duì)外發(fā)布的決策服務(wù)產(chǎn)品要求給出最大小時(shí)雨強(qiáng)范圍，重大氣象服務(wù)保障也需要提供逐小時(shí)精細(xì)化預(yù)報(bào)，最大小時(shí)雨強(qiáng)已成為天氣會(huì)商的重要內(nèi)容之一，非常有必要加強(qiáng)這方面的研究。

天津沿岸短時(shí)強(qiáng)降水往往具有“突發(fā)性”這一顯著特點(diǎn)，受常規(guī)資料時(shí)空分辨率所限，難以對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水做出及時(shí)準(zhǔn)確的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)、預(yù)警，需要高時(shí)空分辨率的地面自動(dòng)氣象站資料作為必要補(bǔ)充。天津地區(qū)地面自動(dòng)氣象站分布較為稠密，目前東部濱海新區(qū)已建立 51個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)，具備覆蓋全區(qū)的觀測(cè)能力，能夠提供氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、露點(diǎn)溫度、風(fēng)向、風(fēng)速以及降水量等氣象要素資料，但加密自動(dòng)站資料用于強(qiáng)對(duì)流天氣分析和預(yù)報(bào)方面的文獻(xiàn)并不多見(jiàn)。在實(shí)際業(yè)務(wù)工作中，提前1～2h發(fā)布的災(zāi)害性天氣預(yù)警就能為政府決策部門(mén)和社會(huì)公眾爭(zhēng)取到較為充足的響應(yīng)時(shí)間，在一定程度上能夠滿足防災(zāi)減災(zāi)的需要。因此，本文選取天津?yàn)I海新區(qū) 2006—2016年4～10月小時(shí)雨強(qiáng)大于 50mm/h的極端短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例作為研究對(duì)象，使用常規(guī)探測(cè)資料，根據(jù)500hPa環(huán)流形勢(shì)將選取的個(gè)例分成冷渦型、西風(fēng)槽型和西北氣流型3種類型，然后利用全區(qū)高時(shí)空分辨率的地面加密自動(dòng)氣象站資料，分析不同類型極端短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生前 2h至發(fā)生時(shí)這一時(shí)段內(nèi)的各氣象要素的變化規(guī)律，探尋加密自動(dòng)站資料分析預(yù)報(bào)短時(shí)強(qiáng)降水的思路，從而提高強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

1 資料與方法

所用資料的時(shí)間段為2006—2016年4～10月。天氣形勢(shì)分析使用中國(guó)氣象局下發(fā)的 MICAPS資料中每日2次(08：00、20：00)的高空探測(cè)資料。降水資料來(lái)源于濱海新區(qū)地面加密自動(dòng)站，由于區(qū)域自動(dòng)站每年都有更新，分析過(guò)程中，結(jié)合 CIMISS中數(shù)據(jù)的完整性，基于遷站、變站和資料殘缺的客觀事實(shí)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分析和篩選后，選取濱海新區(qū) 51個(gè)地面加密自動(dòng)站逐小時(shí)資料(圖 1)，從中選出小時(shí)雨量大于50mm/h的 17個(gè)極端短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例作為研究對(duì)象，分析極端短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生前 2h的氣溫、相對(duì)濕度、露點(diǎn)溫度、3h變壓、1h變溫、風(fēng)6個(gè)要素的演變特征。

圖1 濱海新區(qū)51個(gè)地面加密自動(dòng)氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of 51 ground encrypted automatic meteorological stations in Binhai New Area

2 大尺度環(huán)流背景

對(duì)于不同天氣過(guò)程，產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水的天氣類型也不同。如表 1所示，對(duì)所選取的 17個(gè)極端短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例發(fā)生前至發(fā)生時(shí)的日高空 500hPa環(huán)流形勢(shì)演變過(guò)程進(jìn)行天氣學(xué)分析，根據(jù)影響系統(tǒng)分為3種類型，即：冷渦型、西風(fēng)槽型和西北氣流型，每種天氣類型所占的百分比依次為 41%、53%、6%，其中冷渦型 7個(gè)，中心偏北6個(gè)，中心偏南 1個(gè)；西風(fēng)槽型出現(xiàn)概率最大，為 9個(gè)，其中槽移動(dòng)過(guò)程中加強(qiáng)為冷渦有 2個(gè)；西北氣流型概率最低，為 1個(gè)，這種環(huán)流背景下發(fā)生的強(qiáng)降水易出現(xiàn)漏報(bào)情況，值得深入研究。

表1 濱海新區(qū)小時(shí)雨強(qiáng)大于50 mm/h的個(gè)例Tab.1 Cases of hourly rain stronger than 50 mm/h in Binhai New Area

3 自動(dòng)站氣象要素變化特征分析

將大尺度分型后的極端短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例逐一進(jìn)行自動(dòng)站氣象要素場(chǎng)(氣溫、相對(duì)濕度、露點(diǎn)溫度、3h變壓、1h變溫、風(fēng))變化特征分析。結(jié)果表明：在極端強(qiáng)降水發(fā)生2h前，要素場(chǎng)變化存在一定規(guī)律。其中，1h變溫、3h變壓和風(fēng)的指示意義最強(qiáng)，其次是氣溫，露點(diǎn)溫度和相對(duì)濕度指示意義相對(duì)較弱。因此，在捕捉到要素場(chǎng)變化規(guī)律時(shí)，可以提前 2h做出預(yù)警，為應(yīng)對(duì)災(zāi)害性天氣爭(zhēng)取時(shí)間。

3.1 冷渦型

冷渦型個(gè)例大部分氣象要素在強(qiáng)降水發(fā)生 2h前常有較為明顯的變化，具有一定的指示意義。其中，氣溫、1h變溫、3h變壓的變化最為明顯，相對(duì)濕度、露點(diǎn)溫度有時(shí)變化規(guī)律不太明確。

溫度場(chǎng)在此類強(qiáng)降水過(guò)程中的變化有較為清楚的特征表現(xiàn)。在強(qiáng)降水發(fā)生 2h前，溫度場(chǎng)開(kāi)始出現(xiàn)變化，常出現(xiàn)等溫線由疏變密的演變過(guò)程，最終形成明顯的等溫線密集帶，同時(shí)有冷舌生成并自西北向東南移動(dòng)，表明有強(qiáng)冷空氣從西北方向侵入濱海新區(qū)。2016年 7月 24日短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的最大雨強(qiáng)為95.0mm/h，出現(xiàn)在 14：00～15：00，地點(diǎn)在濱海水廠，地面溫度場(chǎng)如圖2所示，13：00濱海新區(qū)西南方向已經(jīng)有冷中心生成，向?yàn)I海水廠方向伸展并移動(dòng)，至14：00時(shí)等溫線明顯變密形成密集帶，溫度梯度加大。由此可以看出，氣溫對(duì)于冷渦型強(qiáng)降水來(lái)說(shuō)是一個(gè)需要關(guān)注的要素，變化特征明顯。

圖2 2016年7月24日13：00～15：00溫度場(chǎng)變化Fig.2 Variation of temperature field from 13：00 to 15：00 on 24 July，2016

冷渦型天氣往往伴隨強(qiáng)冷空氣的侵入，這一特點(diǎn)在變溫場(chǎng)上表現(xiàn)得更為清楚。在強(qiáng)降水發(fā)生2h前等變溫線開(kāi)始出現(xiàn)顯著的變化。與等溫線變化相似，等變溫線也常有密集帶生成并伴有負(fù)變溫中心，且向下游方向移動(dòng)。2016年6月10日短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程最大雨強(qiáng)為 55.9mm/h，出現(xiàn)在 19：00～20：00，地點(diǎn)在海河防潮閘，變溫場(chǎng)如圖 3所示，19：00濱海新區(qū)西北部開(kāi)始出現(xiàn)變溫線密集帶，變溫梯度明顯加大，不斷向東南方向推進(jìn)，負(fù)變溫中心強(qiáng)度大于-10℃/h，20：00負(fù)變溫中心位于東部沿海，負(fù)變溫經(jīng)過(guò)之地均出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水。由此可見(jiàn)，變溫在冷渦型強(qiáng)降水中變化十分劇烈，是指示性較強(qiáng)的一個(gè)氣象要素。

圖3 2016年6月10日19：00～20：00變溫場(chǎng)變化Fig.3 Variation of temperature field from 19：00 to 20：00 on 10 June，2016

強(qiáng)降水出現(xiàn)前劇烈降溫時(shí)間與冷渦的強(qiáng)度、移動(dòng)速度有關(guān)，最大降溫幅度達(dá)-8.0℃/h(表 2)，表明冷空氣強(qiáng)度非常大。

表2 強(qiáng)降水發(fā)生前變溫幅度統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of temperature variation before occurrence of heavy precipitation

露點(diǎn)溫度和相對(duì)濕度均為表征空氣濕度的物理量，二者僅在部分強(qiáng)降水過(guò)程發(fā)生前有密集帶生成和移動(dòng)，而且相對(duì)濕度變化尤其微弱。2008年8月12日短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的最大雨強(qiáng)為 66.2mm/h，出現(xiàn)在08：00～09：00，地點(diǎn)在漢沽站，露點(diǎn)溫度 1h下降最大幅度1.7℃/h，相對(duì)濕度 1h上升最大幅度為4%。2014年 8月 17日短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程最大雨強(qiáng)為54.7mm/h，出現(xiàn)在 01：00～02：00，地點(diǎn)在大港站，露點(diǎn)溫度 1h下降最大幅度 4℃/h，相對(duì)濕度 1h上升最大幅度為7%(圖4)。

圖4 2008年 8月 12日和 2014年 8月 17日強(qiáng)降水發(fā)生前2 h露點(diǎn)溫度和相對(duì)濕度Fig.4 Dew point temperature and relative humidity 2 hours before heavy precipitation on 12 August，2008 and on 17 August，2014

海平面變壓在天氣學(xué)中是一個(gè)重要的物理量，實(shí)際天氣預(yù)報(bào)工作中一般關(guān)注3h變壓的變化。在冷渦強(qiáng)降水個(gè)例中，其變化較為明顯，同樣表現(xiàn)為上游有密集帶生成并向下游方向移動(dòng)。2014年8月17日短時(shí)強(qiáng)降水最大3h變壓達(dá)3.7hPa，說(shuō)明冷渦后部的冷空氣很強(qiáng)(表3)。

表3 強(qiáng)降水發(fā)生前2 h變壓幅度統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of pressure variation 2 hours before occurrence of heavy precipitation

風(fēng)(風(fēng)向、風(fēng)速)是氣象上經(jīng)常研究的要素，風(fēng)場(chǎng)的變化與強(qiáng)降水產(chǎn)生的動(dòng)力條件和水汽條件均有密切的關(guān)系。冷渦強(qiáng)降水個(gè)例中，風(fēng)場(chǎng)并不表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律，多數(shù)個(gè)例中能夠分析出風(fēng)切變(2016年7月 24日，圖 5a)，強(qiáng)降水發(fā)生 1h前濱海水廠南部有明顯的地面輻合線，切變線對(duì)強(qiáng)降水的發(fā)生有一定的指示意義。在少數(shù)個(gè)例中幾乎表現(xiàn)不出變化(2016年7月20日，圖5b)，強(qiáng)降水發(fā)生1h前李官莊均為一致的東南風(fēng)，沒(méi)有風(fēng)向切變，也沒(méi)有風(fēng)速的加大，在風(fēng)場(chǎng)上沒(méi)有明顯變化。

圖5 強(qiáng)降水發(fā)生1 h前風(fēng)場(chǎng)變化Fig.5 Variation of wind field 1 hour before heavy rainfall

3.2 西風(fēng)槽型

在西風(fēng)槽強(qiáng)降水個(gè)例中，除露點(diǎn)溫度和相對(duì)濕度變化不易捕捉外，其余要素均表現(xiàn)出較為顯著的變化特征。當(dāng)有副高配合時(shí)，由于系統(tǒng)較強(qiáng)，要素變化規(guī)律均較為明確；而當(dāng)無(wú)配合副高時(shí)，要素變化幅度相對(duì)較弱。

西風(fēng)槽型強(qiáng)降水個(gè)例中氣溫變化規(guī)律與冷渦型變化類似，即強(qiáng)降水發(fā)生前有等溫線密集帶的生成和移動(dòng)(2014年7月16日，最大雨強(qiáng)53.8mm/h，出現(xiàn)在 14：00～15：00，地點(diǎn)在漢沽站，圖 6)，其中有副高配合時(shí)溫度場(chǎng)變化幅度更大。

圖6 2014年7月16日13：00-15：00溫度場(chǎng)變化Fig.6 Variation of temperature field from 13：00 to 15：00 on16 July，2014

西風(fēng)槽型強(qiáng)降水變溫場(chǎng)變化與溫度場(chǎng)的變化相似，表現(xiàn)為強(qiáng)降水發(fā)生前出現(xiàn)等變溫線密集帶，甚至大值中心(2014年 7月 16日，圖 7)，最大變溫幅度達(dá)-6.2℃/h(表 4)，因此是一個(gè)很好的指示性要素。少數(shù)個(gè)例強(qiáng)降水之前有明顯的增溫現(xiàn)象，應(yīng)該是暖區(qū)降水過(guò)程中的鋒前增溫所致。

圖7 2014年7月16日13：00-15：00變溫場(chǎng)變化Fig.7 Variation of temperature field from 13：00 to 15：00 on 16 July，2014

表4 強(qiáng)降水發(fā)生前變溫幅度統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistics of temperature variation before occurrence of heavy precipitation

表5 強(qiáng)降水發(fā)生前露點(diǎn)溫度和相對(duì)濕度統(tǒng)計(jì)Tab.5 Statistics of dew point temperature and relative humidity before occurrence of heavy precipitation

露點(diǎn)溫度和相對(duì)濕度這 2個(gè)要素場(chǎng)在西風(fēng)槽型強(qiáng)降水前 3h變化規(guī)律較弱，不容易識(shí)別(表 5)，因此相對(duì)于其他物理量來(lái)說(shuō)指示意義不強(qiáng)。

3h變壓是另一個(gè)具有很好指示性意義的物理量，在西風(fēng)槽型強(qiáng)降水中總是能分析出明顯的等變壓線密集帶和大值中心(圖 8)，故應(yīng)予以高度關(guān)注。與冷渦型強(qiáng)降水不同的是基本是負(fù)變壓，說(shuō)明高空槽型強(qiáng)降水中暖區(qū)強(qiáng)降水偏多。

圖8 2011年7月30日02：00～04：00變壓場(chǎng)變化Fig.8 Variation of pressure field from 02：00 to 04：00 on 30 July，2011

這一型個(gè)例中通常在強(qiáng)降水出現(xiàn)前有一支偏南或偏東氣流長(zhǎng)時(shí)間維持(2016年 8月 1日，圖 9a)，多數(shù)個(gè)例有較為明顯的風(fēng)向風(fēng)速輻合或切變(2010年8月21日，圖9b)。

圖9 強(qiáng)降水前1小時(shí)風(fēng)場(chǎng)Fig.9 Variation of wind field 1 hour before heavy rainfall

3.3 西北氣流型

西北氣流型強(qiáng)降水多數(shù)是由局地生成的系統(tǒng)造成的，大尺度資料分析不出明顯的影響系統(tǒng)，僅風(fēng)場(chǎng)具有較好指示性意義(圖 10)，其余要素變化規(guī)律不明顯。

圖10 2016年8月19日強(qiáng)降水前1 h風(fēng)場(chǎng)Fig.10 Variation of wind field 1 hour before heavy rainfall on 19 August，2016

4 結(jié) 論

①產(chǎn)生極端短時(shí)強(qiáng)降水的天氣類型包括：冷渦型、西風(fēng)槽型和西北氣流型，冷渦型強(qiáng)降水氣象要素變化最為劇烈，其他2種類型稍弱。

②總體來(lái)說(shuō)，1h變溫、3h變壓、風(fēng)場(chǎng)(尤其是1h變溫)在3類個(gè)例中均有比較明顯的變化規(guī)律，是需要重點(diǎn)關(guān)注的要素；氣溫變化幅度稍弱，在西北氣流型少數(shù)個(gè)例中甚至捕捉不到明顯變化特征，但這2個(gè)要素仍是指示性較好的物理量，需要關(guān)注；露點(diǎn)溫度和相對(duì)濕度是表現(xiàn)最弱的2個(gè)要素，相對(duì)濕度表現(xiàn)更弱，除了在少數(shù)較強(qiáng)系統(tǒng)影響的個(gè)例中變化明顯外，大多數(shù)時(shí)候變化規(guī)律不易尋找，因此是指示性不強(qiáng)的物理量。

③在強(qiáng)降水發(fā)生 2h前氣象要素場(chǎng)的變化規(guī)律一般表現(xiàn)為等值線密集帶在上游生成并快速向下游移動(dòng)，常伴有大值中心的出現(xiàn)。風(fēng)場(chǎng)與其他要素場(chǎng)的變化規(guī)律表現(xiàn)形式有所不同，主要表現(xiàn)為風(fēng)向風(fēng)速的輻合或切變，天氣越劇烈，風(fēng)場(chǎng)變化也越明顯；偏東、偏南氣流對(duì)于水汽輸送的作用也需要引起注意。在風(fēng)場(chǎng)變化不明顯的少數(shù)強(qiáng)降水過(guò)程中，天氣發(fā)生前也一般都有偏東、偏南氣流的長(zhǎng)時(shí)間維持。

④對(duì)所選的17個(gè)極端強(qiáng)降水個(gè)例的統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果來(lái)看，對(duì)于1h變溫來(lái)說(shuō)，強(qiáng)降水發(fā)生2h前，負(fù)變溫最大降溫幅度達(dá)-8.0℃/h，暖區(qū)強(qiáng)降水個(gè)例有短暫的增溫現(xiàn)象。3h最大正變壓達(dá) 3.7hPa，暖區(qū)降水最大負(fù)變壓達(dá)-4.3hPa。上述結(jié)果可以作為預(yù)報(bào)的參考指標(biāo)。

對(duì)自動(dòng)站氣象要素場(chǎng)變化規(guī)律的分析可以在很大程度上彌補(bǔ)大尺度分析的不足，為臨近預(yù)報(bào)、預(yù)警提供幫助。在捕捉到氣象要素場(chǎng)變化規(guī)律時(shí)，可以提前 1h做出強(qiáng)對(duì)流天氣臨近預(yù)報(bào)、預(yù)警，對(duì)于應(yīng)急聯(lián)動(dòng)、防災(zāi)減災(zāi)具有十分積極的意義。但是對(duì)于突發(fā)性強(qiáng)、影響范圍小、生命史短的強(qiáng)對(duì)流天氣，自動(dòng)站氣象要素場(chǎng)變化的指示效果不甚理想，因此對(duì)此類強(qiáng)對(duì)流天氣的臨近預(yù)報(bào)、預(yù)警仍然存在較大困難。■