短时强降水与低空急流的关系及临近预警

祁秀香，李海洋，赵小伟，林中庆，王开燕

（广州市南沙区气象局，广东广州 511462）

短时强降水与低空急流的关系及临近预警

祁秀香，李海洋，赵小伟，林中庆，王开燕

（广州市南沙区气象局，广东广州 511462）

利用风廓线雷达资料、探空和自动站逐小时降水资料，对2009—2014年南沙区42次有低空急流相伴出现的短时强降水环流配置及垂直结构中尺度特征进行分析，建立3种短时强降水模型，探讨了3类短时强降水与低空急流上中小尺度系统的关系以及降水强度与低空急流指数的关系。结果表明：急流轴上中小尺度系统的时间尺度在0.5～4 h，其对强降水出现有极强的预示作用，其中低空急流中尺度风速脉动出现比强降水提前0.5～6 h，急流轴下传出现比强降水提前3～6 h。急流指数增幅与雨强存在正比关系，强降水发生前1～2 h内低空急流指数增幅大小，也是短时强降水临近预警的一个重要指标。

天气学；低空急流；短时强降水；风廓线雷达；临近预警；广州南沙区

短时强降水是指短时间内降水强度大，降水量达到或超过某一量值的天气现象。由于短时强降水的发生、发展十分迅速、局地性强，一直是气象监测、临近预报预警和气象服务的难点和热点［1-3］。在过去的几十年中，学者们对低空急流与强降水的关系已经进行了许多深入和系统的研究［4-9］，并指出无论在南方和北方，暴雨与低空急流都有密切的关系，相关率达80%左右［7-8］。分析表明，沿急流轴传播的扰动比急流本身对暴雨更重要，沿低空急流存在着中尺度的大风速中心，它沿急流轴向下游传播，相应位于其前方或左侧的暴雨区也向下游移动［9］。近年来，随着观测水平不断提高，出现了许多利用高分辨率资料对强降水与低空急流关系的研究。陆汉城［10］研究表明，华南大暴雨发生时常伴有低空急流的加强，而低空急流轴上的中小尺度脉动与强降水过程又有着密切的关系。刘淑媛等［11］、曹春燕等［12］利用风廓线资料，分析香港大暴雨过程强降水时段，指出强降水的发生与西南急流的迅速加强和向下扩展有关，低空急流指数对强降水的出现及雨强大小有一定的预示性。

南沙区地处广州市最南端的珠江入海口，属亚热带海洋性气候，濒临南海，水汽来源丰富，频繁受西风带天气系统和热带天气系统的影响。另外，珠江口特殊的喇叭口地形，形成复杂的海陆风环流，致使珠三角地区强对流天气频发，短时强降水是南沙区最主要的灾害性天气之一。本研究利用南沙区2009—2014年的加密自动站逐小时降水资料和风廓线雷达资料，研究在低空急流和其它天气系统不同配置的情形下，短时强降水的预报模型以及短时强降水和低空急流某些动力特征之间的关系，为该类短时强降水的临近预报预警提供参考。

1 资料和方法

本研究所用资料为2009—2014年广州南沙风廓线雷达资料、探空和自动站逐小时雨量及风场资料。风廓线雷达资料探测频率为15 min，水平风探测高度在3 000 m以下，探测的高度范围因大气相对湿度的变化而有所不同；水平风探测的垂直分辨率为60～100 m；逐小时雨量资料选取本着使用资料时间序列尽可能长的原则，共选25个自动站（南沙区共38个自动气象观测站）。

将1 h降水量≥20 mm的降水定义为短时强降水，1 d中只要有1个自动气象站记录到小时雨量≥20 mm，即作为1个短时强降水日统计；1 d中有2个或以上自动站达标时按1个短时强降水日统计；1 d中1个站多次出现短时强降水时站次累加统计。本研究的分析对象仅限于出现短时强降水的站次数≥5次的强降水日。2009—2014年南沙区共出现115次强降水（出现短时强降水站次数≥5次），其中有低空急流相伴出现的有42次，占短时强降水总次数的37%，本研究选取42次有低空急流相伴出现的强降水为分析对象。

2 大尺度环流背景场配置特征

根据500 hPa在15°N—30°N，100°E—125° E范围内的环流特征，将南沙区42次有低空急流相伴出现的短时强降水天气大尺度影响系统分为3类，即低槽东移型、台风型、西风或西北气流型。其中低槽东移型最多，共出现26例，主要出现在3—6月，占62%；台风型次之，共出现12例，集中出现在7—9月，占29%；西风或西北气流型共出现4例，其中5—6月3例，11月1例。

1）低槽东移型。500 hPa在15°N—30°N，100°E—125°E范围内有低压槽系统东移经过珠三角地区，850 hPa以下珠江口有急流和湿舌，低层配合有切变线，同时地面存在锋面或珠江口有中尺度辐合线。短时强降水发生在槽前西南气流上、湿舌上、低层切变线暖区一侧、地面辐合线或锋面附近。

2）台风型。在15°N—30°N，100°E—120°E范围内有热带气旋活动，或者出现中层气旋、南海低压等都会在南沙区造成短时强降水。当热带气旋或低压中心位于113°E以东时，南沙区处于热带气旋或低压系统西侧的偏北气流中，强降水主要由台前飑线造成，本研究讨论不包括该类强降水。热带气旋（低压）中心位于113°E以西，南沙区处于热带气旋东侧的偏南气流中，中低层（500 hPa以下）珠江口存在涌线或水平风速切变区（涌线是指同方向上的风速辐合，即气流从强风区进入弱风区，强风区前沿进入弱风区时，强风区前沿风速的不连续线称作涌线。）；850 hPa以下珠江口有东南风急流和湿舌；地面珠江口存在中尺度辐合。短时强降水发生在中低层涌线、湿舌上、地面中尺度辐合区或辐合线附近。

3）西风或西北气流型。500 hPa上，西风槽位于统计区之外，珠三角上空为平直西风或西北风，且存在24 h负变温区；700 hPa以下有切变线（或槽式切变）影响；850 hPa以下有急流和湿舌；地面存在锋面或珠江口有中尺度辐合。短时强降水发生在500 hPa 24 h负变温区或负变温区南侧、700 hPa以下切变线附近、湿舌上、地面中尺度辐合区或辐合线附近。

3 短时强降水与低空急流的关系

3.1 短时强降水与低空急流中尺度系统的关系

对暴雨的研究表明，华南大暴雨发生时常伴有对流层下部低空急流的加强，而低空急流轴上的中小尺度的脉动及向地面扩展与强降水过程有密切关系［10-13］。本研究利用南沙风廓线水平风资料，对上述42例短时强降水过程中的低空急流中尺度特征进行分析。根据中尺度垂直结构特征将其分为3种类型：低空急流（中尺度）脉动型短时强降水，占78%；急流轴下传型短时强降水，占17%；切变或锋面型短时强降水，占5%（表1）。

表1 三类短时强降水与低空急流中尺度系统的关系

1）低空急流脉动型。

低空急流（中尺度）风速脉动是南沙区短时强降水最重要的中尺度垂直结构特征，有 78%的强降水发生前低空急流上有一个或多个中尺度急流中心生成，这些急流中心出现比强降水提前0.5～6 h，急流中心高度大多在500～2 000 m，时间尺度在0.5～4 h。以2013年8月16日为例，该次强降水的大尺度环流背景属台风型，台风“尤特”于8月14日下午在广东茂名登陆后继续向西北方向移动，16日08：00其中心位于广西境内，南沙区处于台风东南侧的东南风急流中（图1a）。分析南沙风廓线水平风观测资料（图1b）发现，16日01：00—07：00低空急流逐渐增强，3 000 m以下出现两个急流中心，中心风速达20 m/s以上。在强降水出现前4 h，急流中心风速略有减弱，但急流中心由2 000 m高度处向下扩展至1 500 m以下，16日08：00—09：00南沙区出现了强降水，其中万顷沙绿泽农场站录得最大小时降水量为50.5 mm。

图1 2013年8月16日08：00天气系统配置（a）和16日00：00—17：00南沙风廓线仪观测的水平风场时刻-高度剖面图（阴影≥12 m/s的风速）（b）

2）急流轴下传型。

急流轴向下传播是南沙区强降水另一个较为显著的结构特征，有17%的短时强降水发生前3～6 h急流轴自3 000 m高度附近向地面传播，向下传播过程中急流轴强度不断增强，同时有一个或多个中小尺度急流中心生成。急流中心强度往往在强降水发生前1 h左右达到最大，急流中心高度向下伸展至500 m以下，其时间尺度在0.5～4 h。以2014年3月30日为例，该次强降水的大尺度环流背景属低槽东移型（图2a），30日08：00南沙区处于南支槽前西南风急流中，700 hPa以上有干冷空气入侵，珠江口大气处于低层暖湿、中高层干冷的对流不稳定状态。分析南沙风廓线水平风观测资料发现（图2b），30日08：00急流轴自2 000 m高度向地面传播，至14：00，风速为16 m/s的急流轴由08：00的1 500 m高度处向下传播至600 m高度，15：00有13个自动站录得强降水，其中东涌镇大稳村站录得最大时雨量55.1 mm。之后急流轴继续下传，同时急流强度不断增强，至17：00急流中心风速超过26 m/s，高度下传至300 m以下，17：00—18：00有25个自动站再次出现强降水，其中龙穴岛造船基地录得最大时雨量66.8 mm。

图2 2014年3月30日08：00天气系统配置（a）及30日03：00—18：00南沙风廓线仪观测的水平风场时刻-高度剖面图（阴影≥12 m/s的风速）（b）

3）切变或锋面型。

在上述42例短时强降水过程中，仅有2例（5%）属切变或锋面型短时强降水。低层水平风向切变或冷锋是该类强降水最主要的动力触发机制，强降水与低层切变或锋面过境同时发生。由于单部风廓线雷达探测范围有限，很难观测到低层切变或锋面的演变，因此，要做到对此类短时强降水的提前预警，必须依赖于多部风廓线雷达组网或多普勒天气雷达监测等其它监测系统。以2009年11月12日为例，该次强降水的大尺度环流背景为西北气流型，12日08：00（图3a），500 hPa西风槽位于25°N以北，广东上空为西北偏西气流，地面有弱冷空气自北向南影响广东，南沙区位于低层冷式切变及地面弱冷锋南侧。分析南沙风廓线水平风观测资料发现，地面弱冷锋过境前12 h，低层存在东南风急流，急流中心风速在16 m/s以上。随着冷锋南移靠近，12日06：00急流逐渐减弱，至12：00地面至500 m高度风向由东南转为东北（图3b），表明冷锋到达南沙区并逐渐移过，11：00—12：00南沙区有11个自动站录得强降水，其中南沙探测基地站最大小时雨量为36.5 mm。

图3 2009年11月12日08：00天气系统配置（a）和12日00：00—14：00南沙风廓线仪观测的水平风场时刻-高度剖面图（阴影≥12 m/s的风速）（b）

上述分析可知，有低空急流相伴出现的短时强降水与急流轴上中小尺度系统关系密切，急流轴上中小尺度系统的时间尺度在0.5～4 h，并对强降水的出现有极强的预示作用，其中低空急流中尺度风速脉动出现比强降水提前0.5～6 h，急流轴下传出现比强降水提前3～6 h。

3.2 降水强度与低空急流指数的关系

分析上述42例短时强降水过程低空急流指数的演变情况，考察它们与短时强降水及降雨强度之间的关系。低空急流指数（I）定义为2 km以下边界层急流中心的最大风速v（m/s）和12 m/s风速在该小时中的最低位置D（km）的比值［12］，低空急流指数的变化可以定量表示急流向下扩展程度和风速脉动的强度。分析强降水过程逐时雨量及低空急流指数演变情况发现，所有短时强降水发生前1～2 h，急流指数I均出现迅速增大现象，并且I值增幅与降水强度大小密切相关。雨强为40～80 mm/h的强降水过程（17例，占40%），在强降水发生前1～2 h低空急流指数I值增幅在400%以上；雨强为20～40 mm/h的强降水过程（25例，占60%），急流指数增幅在100%～300%，可见急流指数增大的程度与降水强度存在正相关关系。

4 结论

利用风廓线雷达资料、探空和自动站逐小时降水资料，对2009—2014年南沙区42例有低空急流相伴出现的短时强降水的环流配置及垂直结构中尺度特征进行分析，结论如下：

1）短时强降水的环流配置可分为低槽东移型、台风型、西风或西北气流型。其中低槽东移型和台风型两类最多，分别占62%和29%。

2）根据短时强降水的中尺度结构特征，将南沙区有低空急流相伴出现的短时强降水归纳为3类不同的模型，即低空急流脉动型、急流轴下传型和切变或锋面型短时强降水。第1、2类短时强降水（占95%）与急流轴上中小尺度系统关系密切，急流轴上中小尺度系统的时间尺度在0.5～4 h，并对强降水的出现有极强的预示作用。其中急流中尺度风速脉动出现比强降水提前0.5～6 h，急流轴下传出现比强降水提前3～6 h。

3）低空急流指数增幅与降水强度存在正相关关系：强降水发生前1～2 h内急流指数增幅≥400%，出现雨强为40～80 mm/h的可能性较大；增幅100%～300%，出现雨强为20～40 mm/ h的可能性较大。

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Relationships Between Short-range Intensive Rain and Low-level Jet Streams and Nowcasting

QI Xiu-xiɑng，LI Hɑi-yɑng，ZHAO Xiɑo-wei，LIN Zhong-qing，WANG Kɑi-yɑn
（Meteorological Bureau of Nansha District，Guangzhou，Guangzhou 511462）

With the data from a wind profiler，radiosondes and automatic weather stations（hourly precipitation），we studied the circulation allocation and mesoscale characteristics of the vertical structure of 42 processes of short-range intensive rain accompanied with low-level jet streams in the Nansha District，Guangzhou from 2009 to 2014.Three models of short-range intensive rain were set up and the relationships between them and meso-and short-scale systems in low-level jet streams（LLJS）and between rain intensity and LLJS indexes were discussed.The result is shown as follows.The time scale is from 0.5 to 4 h for the meso-and short-scale systems，well indicative of the occurrence of intensive rain.Of the indicators，mesoscale wind speed fluctuation of the LLJS appears 0.5 to 6 h ahead of the intensive rain while the downward transport of LLJS axis occurs 3 to 6 h prior to it.The amplitude of LLJS growth is proportional to rain rates. The amplitude of the LLJS index increase 1 to 2 h before the intensive rain，which is also an important indicator in the nowcasting of short-range intensive rain.

synoptics；low-level jet stream；short-range intensive rain；wind profiler；nowcasting；Nansha District，Guangzhou

P44

A

10.3969/j.issn.1007-6190.2016.05.005

2016-05-12

中国气象局关键技术项目（CMAGJ2014M39）；广东气象局创新团队（201102）和行业专项（GYHY201406009）共同资助

祁秀香（1975年生），女，工程师，硕士，主要从事天气预报工作。E-mail：qiqi781030@hotmail.com

祁秀香，李海洋，赵小伟，等.短时强降水与低空急流的关系及临近预警［J］.广东气象，2016，38（5）：20-24.