新鄉市短時強降水特征分析

田曉璐，馬月枝，朱 楓

(新鄉市氣象局，河南新鄉 453003)

短時強降水是強對流天氣之一，具有突發性強、歷時短、雨強大等特征，往往造成城市漬澇，并對農業生產、交通運輸等帶來嚴峻考驗。新鄉市北依太行，南瀕黃河，山區占市域總面積22%，海拔高度差約1 700 m，高差明顯。汛期期間短時強降水頻繁，局地暴雨時有發生。如2016年7月9日凌晨至上午，新鄉市中西部突發特大暴雨，新鄉市區與輝縣均出現連續7 h雨強超過20 mm/h的強降水，最大小時雨量高達111.1 mm/h。據新鄉市民政局統計，受強降水影響，全市50多萬人受災，因災死亡1人，直接經濟損失超過17億元。復雜的地形導致新鄉市降水不均勻性尤為突出，更增加了短時強降水的預報難度，亟待進一步探討分析。近年來，隨著觀測資料的豐富以及中尺度數值模式的廣泛應用，國內許多學者對短時強降水的時空分布特征、環流形勢和環境參數等方面做了不少分析研究[1-3]。張一平等[4]對淮河上游短時強降水過程進行了中尺度天氣分析和物理量場診斷，總結了4種天氣學概念模型。候凱等[5]分析了沙澧河流域共13年的短時強降水過程，得到了該流域短時強降水的時空分布特征，并提煉出對短時臨近預報有指示意義的指標。沈澄等[6]對南京市短時強降水過程歸納整理后發現，熱島效應造成短時強降水空間分布具有明顯的城郊差異。王玉龍等[7]通過統計分析，得出了東營市不同范圍、不同類型短時強降水的環境參量。李萍云[8]、張建康等[9]通過研究總結了陜西省降水頻次和極值雨強的時空分布特點，以及黃土高原短時強降水的時空分布與環流特征。在實際工作中，由于短時強降水可預報時效短、局地性強，其預報一直是業務中的難點與重點。本文利用2011—2020年新鄉市逐小時降水資料，對短時強降水的時空分布特征進行提煉，并結合環境背景場資料，歸納短時強降水概念模型。通過研究，旨在提高新鄉市短時強降水天氣的預報服務能力，減少此類型天氣造成的各類損失。

1 資料和方法

所用資料包括2011—2020年5—9月的MICAPS常規高空、地面觀測資料，新鄉市境內8個國家級自動氣象站逐小時降水量觀測數據。

根據中國氣象局《全國臨近預報業務規定》，短時強降水過程的標準為1 h降水量≥20 mm。參照此規定，定義降水從開始至結束出現1個站點1 h降水量≥20 mm，為1次短時強降水；某個統計時段內短時強降水出現的總次數，為短時強降水頻次；前一日20時至當日20時，至少有1個站點出現1 h降水量≥20 mm，為1個短時強降水日。按出現短時強降水站數的多少，分為局地性短時強降水(僅有1站出現)、小范圍短時強降水(2～3站出現)和大范圍短時強降水(≥4站出現)。

2 短時強降水特征分析

2.1 空間分布特征

新鄉市處在太行山南麓與華北平原結合地帶，地勢自西北至東南呈階梯下降，高差顯著。受復雜地形影響，各站降水量差異明顯。分析2011—2020年5—9月新鄉市8個國家級自動氣象站的短時強降水頻次可以發現(圖1a)，總體特征呈西部多，東部少。位于太行山區的輝縣降水頻次最多，為31次，獲嘉次之，為27次，原陽則是低值區。由極值雨強分布情況可知(圖1b)，輝縣、新鄉市區為大值區。極值雨強達111.1 mm/h，位于輝縣。東南部為明顯的低值區，極值雨強在50 mm/h左右。

圖1 2011—2020年新鄉市短時強降水頻次(a，單位為次)和極值雨強(b，單位為mm/h)分布特征(審圖號為GS(2019)3266號)

可見，近10 a新鄉市短時強降水空間分布不均，降水頻次和極值雨強呈現由西至東遞減的趨勢，且最大值均集中在輝縣，這與地形的關系密不可分。大量研究表明，地形的陡然變化容易在天氣系統內部產生局地的異常天氣[10-11]，通常山脈的東南迎風坡降水偏多[12]。新鄉市輝縣北部為近似兩面環山的直角地形，其西北至東北部均為太行山脈。夏季新鄉市低空盛行西南風至偏東風，向山脈迎風坡吹送的暖濕氣流受地形抬升時，產生的上升運動極易引發不穩定層結的建立，導致中小尺度對流系統不斷在山區附近觸發。其次，地形影響給予氣流的氣旋性曲率容易為中尺度低渦或輻合線的發展創造有利條件，造成系統進一步加強。此外，山區下墊面特征復雜，由于受熱不均，容易在近地層形成絕對不穩定層結，導致午后至傍晚在山區時常出現對流天氣。

2.2 時間變化特征

2.2.1 年變化 統計2011—2020年5—9月新鄉市8個站的降水過程后發現，短時強降水最早出現在5月15日(2018年)，最晚出現在9月13日(2016年)。短時強降水頻次累計199次，每年平均19.9次，每站每年平均2.5次。如圖2所示，2016年最多，為52次，2011年最少，為3次，年際差異較大。近10 a新鄉市短時強降水極值雨強的波動變化趨勢與降水頻次相似，最大值出現在2016年，最小值出現在2011年，說明降水頻次多的年份往往極值雨強較強。值得一提的是，2016年7月9日、7月19日新鄉市接連出現大范圍特大暴雨，短時強降水頻次共計33次，造成2016年降水頻次較常年明顯偏多。此外，7月9日的極值雨強達111.1 mm/h，突破了新鄉市8個國家級自動氣象站建站以來的小時降雨量極值。

圖2 2011—2020年新鄉市短時強降水頻次和極值雨強年變化特征

據統計，新鄉市近10 a短時強降水日數共計89 d。2016年總日數最多，累計13 d，2011年最少為3 d，年際差異明顯。其中，局地性短時強降水日數為50 d，占短時強降水總日數的56%，小范圍短時強降水日數為31 d，占35%，大范圍短時強降水日數為8 d，占9%。

可見，近10 a新鄉市短時強降水年變化差異明顯，降水頻次、極值雨強均呈現波動變化趨勢。2016年降水頻次最多，極值雨強最大。此外，新鄉市以局地性短時強降水為主，短時強降水范圍越大，出現的日數越少。

2.2.2 月變化 由圖3可知，近10 a新鄉市短時強降水頻次的月變化呈單峰型，6—8月為主要集中時段，其中7月最多，達102次，占51%，8月減少為51次，占26%，進入9月迅速減少，僅7次。極值雨強的月變化同樣呈單峰型特征，6月為52.3 mm，7月快速增加到111.1 mm，8月回落至63.5 mm。可見，7月為新鄉市短時強降水最為活躍的時段，短時強降水頻次和極值雨強均為全年最多，8月、6月次之。

圖3 2011—2020年新鄉市短時強降水頻次和極值雨強月變化特征

統計2011—2020年新鄉市短時強降水日數的月變化發現，5月主要為局地性短時強降水，且出現日數較少，僅3 d。6月局地性短時強降水迅速增加，小范圍短時強降水也呈增加趨勢，分別為11 d、8 d。7月進入全年降水多發時段，局地性、小范圍、大范圍短時強降水日數分別為18 d、11 d、6 d。8月仍以局地性、小范圍短時強降水為主，分別為16 d、10 d，大范圍短時強降水減少到僅有1 d。9月短時強降水日數驟減，僅出現局地性、小范圍短時強降水各2 d。可見，新鄉市短時強降水在6—8月出現概率最大，為主汛期，5月、9月相對較少。

短時強降水的發生與大氣環流密切相關，5月夏季風建立，暖濕氣流輸送加強，新鄉市對流開始發展。6月平均氣溫明顯升高，受太陽輻射影響，午后近地面快速增溫。而東北冷渦在春末、夏初活動最為頻繁，其后部常常有橫槽、下滑槽等中高層擾動攜帶冷空氣沿西北氣流下滑，在新鄉市上空造成上冷下暖的不穩定層結，局地性、小范圍對流天氣發生概率迅速升高。7—8月，副高西進北抬，其外圍來自太平洋的西南暖濕氣流不斷地向新鄉市上空輸送，導致中低層大氣不穩定能量明顯增強；因此，當有低槽、低渦、切變線移入時，極易觸發對流[13]，加之有低空急流相配合，降水效率會大大提高，易出現大范圍短時強降水。9月開始副高南落，新鄉市上空不穩定能量降低，短時強降水概率迅速減少。

2.2.3 日變化 由圖4可知，新鄉市短時強降水頻次的日變化具有雙峰型特征，次峰發生在子夜至凌晨(00—05時)，共出現53次，占26.6%。06時之后，短時強降水頻次緩慢減少，11—14時降至低谷。14時之后降水頻次突增，主峰出現在午后至傍晚，15—21時為短時強降水易發時段，共出現89次，占44.7%。分析不同時次的極值雨強發現，其變化趨勢呈雙峰型，主峰出現在清晨(04—08時)，次峰出現在午后至傍晚(14—20時)。

圖4 2011—2020年新鄉市短時強降水頻次和極值雨強日變化特征

可見，新鄉市午后至傍晚易發生短時強降水，其次是子夜至凌晨。造成短時強降水日變化明顯的主要原因是：午后受太陽輻射影響，地面快速增溫，絕對不穩定層結逐漸形成，大氣對流活躍，常出現局地熱對流；而入夜后降水頻次再度增加，與低空急流加強有關。研究表明[14]，低空急流的日變化在凌晨達到最強，有利于入夜后雨勢加大。極值雨強主峰出現在清晨且異常偏高的原因是：2016年7月9日受華北低渦及臺風尼伯特外圍東南氣流影響，新鄉市出現罕見特大暴雨。超低空急流將充沛的水汽持續輸送至新鄉市上空，并在太行山前迎風坡輻合抬升，中尺度對流系統長時間維持，進而造成極端強降水。此外，該降水極值出現在降水頻次相對較少的時段，也說明短時強降水具有突發性。

3 短時強降水概念模型

有利的大尺度環流背景往往會產生短時強降水。考慮局地性短時強降水影響系統不明顯，不利于歸納分析，在建立概念模型時剔除了單站短時強降水個例，集中分析2站以上的小范圍和大范圍短時強降水個例共37個。以500 hPa天氣形勢為主，700 hPa和850 hPa為輔，對過程發生前的環境背景場進行分析。通過歸類比較，將新鄉市短時強降水發生的天氣系統分為5種類型，分別為：副高邊緣型16次，占43%；低槽型8次，占22%；華北低渦型6次，占16%；東北低渦槽后型5次，占14%；切變型2次，占5%。

3.1 副高邊緣型

副高邊緣型是新鄉市出現短時強降水的最主要天氣類型，累計16次，其中大范圍降水過程3次，多發于盛夏7月至8月中旬。其環流特征表現為(圖5a)，500 hPa天氣圖上588 dagpm線呈東西向或東北西南向帶狀分布，北部邊緣位于30°N以北，西邊界位于115°E以西。河套地區附近多有低槽東移，新鄉市受槽前西南氣流和副高邊緣共同影響，具備充分的水汽條件和熱力條件。700 hPa、850 hPa同樣處于一致的西南氣流中，并常伴有低空急流，新鄉市位于急流出口區左側的顯著濕區中。當低槽東移并攜帶冷空氣侵入時，極易在副高邊緣的高溫高濕區內觸發短時強降水。

3.2 低槽型

低槽型累計8次，以小范圍降水過程居多，大范圍僅1次，6—8月均有出現。當中緯度有低槽東移，且副高主體偏南、偏東，588 dagpm線北部邊緣位于30°N以南，西邊界位于115°E以東時，產生的短時強降水歸類為低槽型。該類型環流特征表現為(圖5b)，500 hPa天氣圖上，河套地區至四川盆地有低槽東移，且徑向度較大，其后部有冷平流補充，使低槽不斷發展。當東部海面有穩定的高壓脊時，常對低槽東移起阻擋作用，導致低槽移動緩慢并持續加深。700 hPa、850 hPa多伴有東西向暖式切變線以及低空急流。深厚的槽前西南氣流與低空急流相配合，向新鄉市上空輸送了大量的水汽和熱量。短時強降水落區通常位于700 hPa、850 hPa切變線之間，低空急流出口區附近。

3.3 華北低渦型

華北低渦型累計6次，其中大范圍降水過程4次，主要發生在7月中旬至下旬。值得一提的是，新鄉市近10 a大范圍降水過程共8次，華北低渦型占50%，可見該類型是新鄉市大范圍降水過程的主要天氣系統。研究表明，冷渦背景下的短時強降水7月達到最大值[15]。低渦東南部具有較強的局地正渦度變化，強降水區對應深厚的正渦度，輻合上升劇烈；而此時恰逢副高第二次季節性北跳，新鄉市處于副高邊緣，東南季風、西南季風源源不斷地帶來暖濕氣流，水汽條件充沛。因此，當新鄉市位于低渦東南部時，極為有利的水汽和動力條件相配合，往往導致大范圍短時強降水。其環流特征表現為(圖5c)：500 hPa天氣圖上110°E～120°E、35°N～45°N區間有低渦，新鄉市位于低渦東南方的上升運動區，低渦中心附近有冷平流配置。700 hPa、850 hPa低渦與500 hPa低渦相距較近。850 hPa常有低空急流存在，新鄉市位于急流左前端的水汽通道上。分析溫度場發現，河南上空有暖脊，850 hPa和500 hPa溫差為25～28 ℃。高空冷平流疊加在低層暖脊上空，造成層結不穩定加大，低渦東南部的上升運動使不穩定能量得以釋放，有利于短時強降水發生。

3.4 東北低渦槽后型

東北低渦槽后型累計5次，均為小范圍短時強降水，6月上旬多發。環流特征表現為(圖5d)：500 hPa天氣圖上120°E～140°E、40°N～55°N范圍內存在一低渦，低渦后部110°E ～130°E、 40°N～42°N為一橫槽，蒙古國延伸至貝湖附近為一高壓脊，新鄉市位于脊前西北氣流中。分析500 hPa 24 h變溫發現，華北地區降溫達-4～-1 ℃，并有冷槽對應，同時，700 hPa對應24 h負變溫區及冷槽，說明中高層干冷特征明顯。850 hPa有濕舌向北部延展，同時在河南上空伴有暖脊。暖濕氣流向北輸送，鋪墊在500 hPa冷平流下方，造成溫度差動平流的結果，形成不穩定層結。東北低渦不斷旋轉過程中，后部的橫槽攜帶干冷空氣沿西北氣流南下，與低層暖濕空氣交匯，造成強烈的輻合上升運動。此類型短時強降水發生時，常伴有雷電、短時大風及局地冰雹等強對流天氣。

3.5 切變型

切變型出現次數較少，僅有2次，均為小范圍降水過程，分別出現在7月下旬、8月上旬。分析這2次過程的環流特征發現(圖5e)，降水發生前，副高位置偏北，強度偏強， 與大陸高壓連為一體，控制我國中東部大部分地區。之后副高與大陸高壓斷裂， 新鄉市位于兩高壓之間的切變輻合區。此外，700 hPa、850 hPa有時存在暖式切變線及低空急流，可為短時強降水的產生提供水汽和動力條件。

圖5 新鄉市短時強降水概念模型(a 副高邊緣型，b 低槽型，c華北低渦型，d 東北低渦槽后型，e 切變型)

綜上所述，副高邊緣型引起的短時強降水多發于盛夏7月至8月中旬，是新鄉市出現短時強降水的最主要天氣類型，當有低槽東移并攜帶冷空氣侵入時，極易在副高邊緣的高溫高濕區內觸發短時強降水。低槽型6—8月均有出現，低槽與低層暖式切變線、低空急流相互作用，以小范圍短時強降水為主。華北低渦型集中出現在7月中旬至下旬，副高邊緣較好的溫濕條件與低渦東南部有利的動力條件相配合，常產生大范圍短時強降水。東北低渦槽后型6月上旬多發，冷渦后部橫槽攜帶干冷空氣沿西北氣流南下，與低層暖濕空氣交匯，短時強降水發生時對流活動劇烈，常伴有雷電、短時大風及局地冰雹。7月下旬至8月上旬，當副高控制我國中東部大部分地區并與大陸高壓斷裂時，兩高壓之間的切變輻合區有利于新鄉市出現小范圍短時強降水天氣，此類型相對較少。

4 結論

(1)新鄉市短時強降水空間分布不均，降水頻次和極值雨強均呈現由西至東遞減的趨勢，最大值集中在位于太行山區的輝縣。短時強降水的空間分布與局地地形密切相關。

(2)新鄉市短時強降水每年均有出現，年變化差異明顯，降水頻次多的年份往往極值雨強較強；短時強降水以局地性為主，降水范圍越大，出現日數越少；短時強降水頻次和極值雨強的月變化呈單峰型，7月為降水集中時段，8月、6月次之；短時強降水日變化特征明顯，降水頻次主峰出現在午后到傍晚(15—21時)，次峰出現在子夜到凌晨(00—05時)，極值雨強主峰出現在清晨(04—08時)，次峰出現在午后到傍晚(14—20時)。

(3)通過對新鄉市37次短時強降水過程的環境背景場分析，總結出5種天氣學概念模型，分別為：副高邊緣型、低槽型、華北低渦型、東北低渦槽后型、切變型。其中，副高邊緣型是新鄉市出現短時強降水的主要類型，占總次數的43%。低槽型6—8月均有出現，以小范圍短時強降水為主。華北低渦型易產生大范圍短時強降水，此類型出現時需特別關注。東北低渦槽后型的短時強降水發生時，常伴有雷電、短時大風及局地冰雹，對流活動劇烈。切變型出現在副高與大陸高壓之間的切變輻合區，此類型較少，均為小范圍短時強降水。