遵義市夏季短時強降水時空特征分析

劉紅雙,楊 熠,孫文超,張云秋,唐 海,張強宜

(1.貴州省遵義市氣象局,貴州 遵義 563000;2.黑龍江省伊春市湯旺縣氣象局,黑龍江 湯旺 153038)

0 引言

短時強降水一般由對流降水形成,且為典型的中小尺度系統驅動,其造成的衍生災害往往表現為局地而短促,如山體崩塌、滑坡、城市道路積水、暴洪[1]。極端短時強降水(≥50 mm·h-1) 帶來的暴雨洪澇或次生災害,往往給人民生命財產安全造成嚴重威脅。強對流天氣過程常伴有雷暴大風、冰雹、龍卷或者對流性暴雨等災害,且多數強對流天氣的臨近預警提前時間通常不超過2 h[2]。如2012年7月21日的北京特大暴雨過程,短時間內造成市區嚴重內澇,郊區山洪暴發,給人民生命財產造成巨大損失,直接經濟損失達118.35億元[3]。遵義市位于貴州省西北部,處于云貴高原向湖南丘陵和四川盆地過渡的斜坡地帶,地形復雜,持續性暴雨引發的洪澇和突發性局地暴雨引發的泥石流等各種自然災害時有發生[4]。2014年8月11日遵義習水良村出現特大暴雨,累計雨量達333.2 mm,強降雨疊加特殊地形地貌,造成了嚴重山洪、滑坡、泥石流,導致財產損失慘重,因災死亡13人[5]。周明飛等[6]通過對短時強降水個例分析發現,850 hPa平均比濕超過14 g·kg-1,700 hPa平均比濕超過10 g·kg-1,在短時強降水發生前均出現一定量級的對流有效位能,且高的K指數對短時強降水有較好的指示意義。田付友等[7]研究我國中東部不同級別短時強降水天氣的環境物理量指出,短時強降水量值越大其所需的大氣溫度和不穩定能量條件越高,這為預報不同級別短時強降水天氣提供了必要的消空條件。王婧羽等[8]研究河南省雨季短時強降水時空分布特征發現,地形對降水的增幅作用顯著且主要通過短時強降水發生頻次的增加來實現。楊熠等[9]利用2010—2019年遵義市13個國家氣象觀測站數據研究得出4—8月中有接近3/4的短時強降水發生在夏季,強降水發生高概率站點與地面輻合、城市熱島中心對應,表現出邊界層輻合、城市熱島效應及山區地形都是午后短時強降水重要的觸發因子[10-13]。因此,深入認識遵義市短時強降水的空間分布及時間變化情況,對于提高遵義地區防災減災能力具有重要意義。

前人很少利用區域站和高精度地形資料進行研究。本文以遵義作為研究區域,利用遵義市2016—2020年夏季國家站和氣象自動站過去1 h降水量資料,分析遵義市夏季短時強降水時空特征,疊加12.5 m×12.5 m地形,深入研究遵義市夏季短時強降水時空特征,并利用再分析資料統計午后及后半夜短時強降水發生前的物理量特征,為進一步提高遵義市短時強降水預報服務和防災減災能力提高參考。

1 資料與方法

資料:(1)貴州省信息中心提供的2016—2020年6—8月遵義市13個國家站和539個自動站過去1 h降水觀測數據;(2)再分析資料為ERA5,時間間隔為1 h,空間分辨率為0.25°×0.25°,用于計算物理量。

方法:鑒于遵義市氣象監測站是逐年增加建設,本文只統計2016—2020年夏季均有數據的站點。本文短時強降水個例定義為:6—8月逐日00—23時(北京時,下同)遵義市達到或超過5個監測站出現1 h雨量≥20 mm。2016—2020年共計挑選個例162個,且每次個例均有相同站點,共計306個站點滿足條件。本文白天(晝雨)指08—20時,夜間(夜雨)指20—08時。

遵義市地形和306個監測站分布如圖1所示,遵義市北部大婁山呈東北—西南走向,海拔多在1000～1500 m之間,不少山峰超過1500 m,最高為桐梓縣箐壩大山2028 m,而在西部邊緣的赤水河谷最低海拔在200 m左右,高低落差達1500 m。

圖1 遵義市地形及306個氣象監測站空間分布圖(藍色點為代表站)

2 遵義市短時強降水時空分布特征

2.1 時間分布特征

圖2為遵義市2016—2020年夏季短時強降水站次和月份站次的逐小時變化。從夏季短時強降水日變化可知,夜間是遵義發生短時強降水的高發時段,峰值在03時,達到321站次,04時也達到319站次,夜間(21—08時)夏季短時強降水平均達到了233.9次,而白天(09—20時)僅有137.5站次,為夜間的58.9%,白天短時強降水的峰值在19時,有206站次,09—15時短時強降水<150站次,因而遵義夏季短時強降水有明顯的雙峰結構,夜間多于白天,09—15時為遵義短時強降水站次最少時段,特別是11—13時,短時強降水<100站次。

圖2 遵義市2016—2020年夏季短時強降水站次逐小時變化

從月份來看,6月短時強降水的日變化在夜間峰值較為明顯,在03時達到176站次,為夏季的54.8%,04時為162站次,為夏季的50.7%,與夏季夜間短時強降水變化較為接近,在白天(09—20時),短時強降水的峰值不明顯,分別在09時、14時、20時達到50站次,最高為09時為63站次,10—23時短時強降水均在50站次附近,特別是17—18時低于30站次。7月短時強降水日變化表現為雙峰結構,夜間短時強降水峰值在02時,為112站次,平均為85.1站次,白天峰值在19時,為96站次,平均為41.4站次,在08—15時,短時強降水<50站次,特別是09—14時低于20站次,最低為13時為7站次。8月短時強降水的峰值主要在白天,且多在午后,白天短時強降水的峰值在18時為92站次,白天平均為52.9站次,夜間僅在04時出現52站次,其余時段均低于50站次,最低為06時的26站次。從夜間發生的短時強降水來看,有明顯的月分布特征,站次從高到低排序依次為:6月、7月和8月,可能與副熱帶高壓的位置有很大關系,6—7月在副高外圍,出現短時強降水多,8月副高北抬控制,發生短時強降水概率減少,但午后發生強對流的概率較大。

綜上,遵義夏季短時強降水日變化呈現雙峰結構,夜間的峰值主要發生在6月,白天峰值貢獻主要來自7—8月。夏季、6月和7月的短時強降水是夜間多于白天,而8月則是白天多于夜間,且多為午后強對流。

從圖3可知,遵義市夏季短時強降水最大為163.3 mm·h-1,僅有6站次在100 mm·h-1以上,絕大多數在60 mm·h-1以下,午后和后半夜的數值離散度較大。從均值來看,最大在14時為33.1 mm·h-1,最低在20時為28.0 mm·h-1,長達14 h在30 mm·h-1以上。從異常值來看,夜間的異常值數量大于白天,80 mm·h-1以上異常值夜間有15站次,白天僅有8站次。

圖3 遵義市2016—2020年夏季短時強降水箱線圖(“★”表示均值,“+”表示異常值)

遵義有14個縣(市/區)(下文統稱為縣),且地形差異大,為了在服務中更具針對性,進一步統計各縣的夏季短時強降水日變化(表1)。從各縣均值來看,最高為習水29.7站次,夜雨均值也為最高42.1站次,且夜雨明顯高于晝雨;最低為余慶6.7站次,夜雨也為最低為6.9站次。晝雨均值最低為紅花崗區4.8站次,最高為桐梓23.6站次。習水、正安、道真、務川、匯川、紅花崗等6個縣的夜雨均值明顯高于晝雨,且在晝雨的1倍以上,僅有鳳岡和湄潭的夜雨均值低于晝雨均值,偏高僅在2站次,可能與遵義市西高東低的地形分布有關。從各縣日變化最大值來看,赤水01時(25站次)、仁懷02時(45站次)、習水03時(86站次)、桐梓04時(63站次)、道真04時(20站次)、正安05時(39站次)、綏陽05時(19站次)、務川06時(24站次)、播州07時(24站次)、匯川03時(27站次、07時19站次為次大值)、紅花崗08時(18站次)、湄潭14時(27站次,09時20站次為次大值)、鳳岡14—15時(20站次,在01時15站次為次大值)、余慶在16和22時(16站次,00時10站次,10時8站次),遵義市夏季短時強降水的日變化最大值自西北向東南由01時變為09時,主要與降水系統多數自西向東影響遵義市有關,在00—01時余慶和鳳岡都有1個相對大的值,可能與降水系統從余慶—鳳岡影響有關。

表1 遵義市14個縣(市、區)2016—2020年夏季短時強降水站次逐小時變化

從日變化的結構來看,赤水、習水、桐梓、道真、務川、播州、鳳岡等白天、夜間均有1個峰值,雙峰結構較為明顯,而湄潭、余慶、綏陽雙峰結構不明顯,仁懷日變化有明顯的4峰結構,分別在02時、10時、18時、22時有1個峰值。

2.2 空間分布特征

圖4a給出了遵義市2016—2020年夏季發生短時強降水站次空間分布,有4站超過25站次,均在遵義市赤水河谷和婁山山脈,有35站超過20站次,僅有4站位于遵義市東南部,其余均在赤水河谷及婁山山脈,同時發現在西部、北部地區發生短時強降水的概率較高,而在中部、東部發生強降水的概率相對較低。西部主要集中在河谷地帶,北部主要集中在婁山山脈,體現了特殊地形對強降水有增幅作用,而中部、東部地勢較平坦,山脈高低落差也不大,所以發生短時強降水站次相對較少。從逐月的空間分布來看,6月(圖4b)發生短時強降水的站次最多,平均每個站點有6.1站次,正安瑞溪站達到了19站次,共有21站超過10站次,主要集中在遵義市西北部習水(4站)和桐梓(5站),南部湄潭(3站)和紅花崗(2站)也有分布,集中在海拔相對高的地方。7月(圖4c)發生短時強降水的站次次之,平均每個站點有5.1站次,也是以北部居多,沿婁山山脈分布,有9站超過10站次,東南部僅有1站超過10站次。8月(圖4d)發生短時強降水的站次最少,平均每個站點有3.7站次,只有赤水的2個站點超過10站次,大于5站次也主要在遵義市西部邊緣和北部,這可能和西太平洋副高西伸北抬有關。

圖4 遵義市2016—2020年夏季(a)、6月(b)、7月(c)、8月(d)短時強降水站次空間分布

2.3 不同量級短時強降水時空分布

為進一步了解不同量級短時強降水的日變化特征,根據統計可知,對于30 mm·h-1及以上量級(圖5a):夏季主要發生在00—07時(03時最多),其次是18—19時,最少是11—13時。其中,6月的日變化情況和夏季一致,7月主要發生在17—23時,其次是00—05時,最少是08—15時,8月主要發生在15—21時,其次是09—11時,最少是22—23時。

對于40 mm·h-1及以上量級(圖5b):夏季主要發生在01—05時(03時最多),其次是18—19和23—00時,最少是11—12時。其中,6月主要發生在01—07時,其次是13—14時,最少是09—12時;7月主要發生在22—01時,其次是04—05和18—19時,最少是09—14時;8月主要發生在09—10時,其次是16—19時,最少是11—13時。

對于50 mm·h-1及以上量級(圖5c):夏季主要發生在23—05時(04時最多),其次是18—19時,最少是11時和15—16時。其中,6月的日變化情況和夏季一致,7月主要發生在22—23時,其次是18—19和04—05時,最少是06—11時,8月主要發生在10時,其次是04時和18—19時,最少是11時和22時。

對于80 mm·h-1及以上量級(圖5d):夏季主要發生在04時和19時(04時最多),然后是03時、07時和22時,最少是06時、08—09時、13時、16時及20—21時。

從空間分布來看,50 mm·h-1及以上量級主要分布在西部和南部(圖5e)的河谷和迎風坡,比較離散,位于河谷發生次數最多。

3 午后及后半夜短時強降水物理量分析

綜上,遵義市夏季短時強降水在午后和后半夜分別有一個峰值,為了解遵義夏季不同下墊面短時強降水物理量的區別,本文選取了夏季短時強降水超過20站次的寶源(500 m)、敖溪(795 m)、進化(836 m)、涼井(979 m)、麻溝(1002 m)、新木(1046 m)和太平(1098 m)7個代表站(圖1藍色點)進行物理量分析,7個站點海拔高度在500～1098 m,有河谷、丘陵和高山站點。分析參數包括對流有效位能(CAPE)、K指數(K)、抬升指數(LI)、850 hPa與500 hPa溫差(T850-500)、大氣可降水量(PW)、850 hPa比濕(q850)等。分析時間為14時和02時物理量,其中14時物理量是7個代表站在14—20時內出現短時強降水的對應14時的物理量,02時物理量是7個代表站在02—08時內出現短時強降水的對應02時的物理量。

從圖6可知,午后短時強降水發生前,7個代表站的CAPE均值在700 J·kg-1以上(圖6a),均值最大在寶源站點1511 J·kg-1,最低為涼井站點781 J·kg-1,CAPE的極大值為寶源站點3287 J·kg-1,極小值為新木站點52 J·kg-1。代表站的K均值在31 ℃以上(圖6b),均值最大在敖溪站點33.6 ℃,均值最小在太平站點31.1 ℃,寶源和太平的K離散度較大,寶源區間在27.1～35.5 ℃,太平區間在26.6～33.9 ℃,K的極大值為36.1 ℃,極小值為26.6 ℃。代表站的LI絕大多數均低于-1 ℃(圖6c),均值最低為寶源站點-2.5 ℃,均值最高為太平的-1.5 ℃,寶源和敖溪的LI離散度較大,寶源站點區間在-5～-0.5 ℃,敖溪站點區間在-4～0.3 ℃,LI的極大值為0.3 ℃,極小值為-5 ℃。代表站的850 hPa與500 hPa溫差均值在23 ℃以上(圖6d),均值最高為麻溝的25.5 ℃,均值最低為進化站點23.5 ℃,850 hPa與500 hPa溫差的極大值為27.8 ℃,極小值為20.5 ℃。代表站的大氣可降水量在56 mm以上(圖6e),均值最高為進化站點72.0 mm,均值最低為太平站點63.9 mm,敖溪的PW離散度最大,區間在58.7～79 mm,PW的極大值為79.6 mm,極小值為56.6 mm。代表站的850 hPa比濕在14 g·kg-1以上(圖6f),均值均在16 g·kg-1左右,寶源的q850離散度最大,區間在14.7～18 g·kg-1,q850的極大值為18.4 g·kg-1,極小值為14.5 g·kg-1。

圖6 各代表站點午后短時強降水14時物理量:(a)對流有效位能(CAPE)、(b)K指數(K)、(c)抬升指數(LI)、(d)850 hPa與500 hPa溫差(T850-500)、(e)大氣可降水量(PW)、(f)850 hPa比濕(q850)(“★”表示均值,“+”表示異常值)

綜上,高海拔地區站點午后短時強降水對CAPE、K、LI要求更低,低海拔地區站點則需要更強的抬升條件和中低層暖濕條件,而850 hPa與500 hPa溫差則是高海拔地區高于低海拔地區。

從圖7可知,后半夜短時強降水發生前,7個代表站的CAPE均值在240 J·kg-1以上(圖7a),均值最大在寶源站的725 J·kg-1,最低為太平站的240 J·kg-1,CAPE的極大值為寶源站的1657 J·kg-1,極小值為涼井站的7 J·kg-1,與14時相比,02時均值和極大值均明顯偏小,可能與夜間地面溫度降低有關。代表站的K均值在32 ℃以上(圖7b),均值最大在寶源站的34.7 ℃,均值最小在敖溪站點32.7 ℃,K的極大值為36.7 ℃,極小值為27.8 ℃,與14時相比,02時均值和極大值均偏高,均值偏高在1 ℃以上。代表站的LI絕大多數均高于-3 ℃(圖7c),均值最低為敖溪站的-1.1 ℃,均值最高為太平站的0.7 ℃,LI的極大值為2.8 ℃,極小值為-2.5 ℃,與14時相比,02時均值和極大值均偏高,均值有4個代表站高于0 ℃,因而02時抬升指數指示意義不好。代表站850 hPa與500 hPa溫差均值在20 ℃以上(圖7d),均值最高為敖溪站的23.9 ℃,均值最低為麻溝站的20.3 ℃,850 hPa與500 hPa溫差的極大值為26.9 ℃,極小值為19.2 ℃。代表站的大氣可降水量在54 mm以上(圖7e),均值最高為太平站的74.9 mm,均值最低為敖溪站的62.3 mm,PW的極大值為82.3 mm,極小值為54.4 mm,與14時相比,02時高海拔地區的站點均值均有增加,低海拔地區站點有所減小,即高海拔地區站點對大氣可降水量的要求變高。代表站的850 hPa比濕在14 g·kg-1以上(圖7f),均值均在14 g·kg-1以上,均值最高為寶源站的16.5 g·kg-1,均值最低為敖溪站的14.6 g·kg-1,q850的極大值為17.8 g·kg-1,極小值為13.7 g·kg-1,與14時相比,02時對水汽要求變低。

圖7 各代表站點后半夜短時強降水02時物理量:(a)對流有效位能(CAPE)、(b)K指數(K)、(c)抬升指數(LI)、(d)850 hPa與500 hPa溫差(T850～500)、(e)大氣可降水量(PW)、(f)850 hPa比濕(q850)(“★”表示均值,“+”表示異常值)

綜上,與14時相比,后半夜發生強降水對CAPE、LI、T850-500等要求變低,且抬升指數有4個站均值高于0 ℃,指示意義沒有午后好,后半夜短時強降水K指數的要求變高,大氣可降水量要求也是變高的,但主要是高海拔站點變高。

4 小結

綜上,通過對遵義市2016—2020年夏季短時強降水的時空分布特征進行分析,并利用ERA5再分析資料分析午后和后半夜物理量特征,得到以下結論:

(1)遵義夏季短時強降水日變化呈現雙峰結構,夜間的峰值主要發生在6月,白天峰值主要在7—8月。6月和7月的短時強降水夜間多于白天,而8月則是白天多于夜間,且多為午后強對流。遵義市夏季短時強降水最大為163.3 mm·h-1,是遵義區域站有氣象記錄以來最大值,夜間異常值的數量大于白天。

(2)有6個縣的夜雨均值明顯高于晝雨,且在晝雨的1倍以上,僅有鳳岡和湄潭的夜雨均值低于晝雨均值,有7個縣日變化雙峰結構較為明顯,仁懷有明顯的4峰結構,可能與遵義市西高東低的地形分布有關。夏季短時強降水的日變化最大值自西北向東南由01時變為09時,主要與降水系統多數自西向東影響遵義市有關。

(3)遵義市夏季短時強降水平均站次6—8月逐漸減少,10站次以上站點逐漸北推且減少,可能與西太平洋副高西伸北抬有關,在西部、北部地區發生短時強降水的概率較高,而在中部、東部發生強降水的概率相對較低,西部主要集中在河谷地帶,北部主要集中在婁山山脈。

(4)30 mm·h-1、40 mm·h-1、50 mm·h-1、80 mm·h-1及以上量級的夏季短時強降水日變化也有明顯的雙峰結構,50 mm·h-1及以上量級短時強降水主要分布在西部和南部的河谷和迎風坡,位于河谷發生次數最多。

(5)午后短時強降水發生前,CAPE均值最低781 J·kg-1,K均值最小為31.1 ℃,LI均值最高-1.5 ℃,850 hPa與500 hPa溫差均值在23 ℃以上,大氣可降水量在56 mm以上,高海拔站點午后短時強降水對CAPE、K、LI要求更低,低海拔站點需要更好的抬升和中低層暖濕條件,而850 hPa與500 hPa溫差則是高海拔站點高于低海拔站點。

(6)與午后相比,后半夜發生短時強降水對CAPE、LI、T850-500等要求變低,且抬升指數有4個站均值高于0 ℃,指示意義沒有午后好,后半夜短時強降水K指數的要求變高,大氣可降水量要求也是變高的,但主要是高海拔站點變高。