安庆市近十年短时强降水特征及其天气学模型

张 丽，葛红卫，金高松，董方有，黄 洋

(安徽省安庆市气象局，安徽 安庆 246003)

0 引言

安庆地处中低纬度地区，冷暖气团活动和交汇都比较频繁，并且地形复杂多样，各种灾害性天气频繁发生。短时强降水是春、夏季本地经常出现的一种强对流性天气，在全球变暖的大背景下，短时强降水的发生更是呈现上升的趋势[1]。区域性的短时强降水常造成严重的山体滑坡或城市内涝，对农业、旅游业、交通运输以及人民生产生活等会造成严重危害，如：2015年6月28日，安庆市迎江区及枞阳县发生短历时强降水，持续仅3 h，两地受灾人口就达16万人，农作物绝收面积1 133 hm2，直接经济损失1.2亿元；7月24日，全市出现暴雨天气，局部出现降水量150 mm以上的特大暴雨，最大小时雨强达142.7 mm，全市受灾人口65.7万人，因灾失踪3人，农作物绝收4 345 hm2，直接经济损失2.6亿元(数据来源于安庆市救灾办)。鉴于短时强降水的高致灾性，气象工作者一直将其作为研究重点[2-6]。近年来，气象学者和专家对短时强降水的研究逐渐增多，樊李苗等[7]通过对多个过程的探空数据和环境参数进行分类和对比分析，将中国的短时强降水、强冰雹、雷暴大风以及混合型强对流天气等4种强对流天气加以有效区分；王佳津等[8]分析了四川区域暴雨过程中短时强降水时的空间分布特征；周玉都等[9]对廊坊市短时强降水的特征和成因进行了详细分析；杨雪艳等[10]总结出了吉林省3类短时强降水的中尺度特征及概念模型。近年来，气象业务现代化迅速发展，气象卫星和多普勒天气雷达资料更多的应用到业务中，为深入分析短时强降水也提供了更多的依据，并且取得了较多有价值的成果[11-16]，数值预报产品的精细化也逐渐运用到短时强降水的研究中[17]。

短时强降水具有降水强度大、局地性强的特点，并且从出现到结束发展十分迅速，短时强降水通常是由中小尺度天气系统造成的，预报难度较大，多年来，对短时强降水的预报、预警一直是预报的重点和难点[18-20]。本文利用2005—2017年安庆市8个国家气象观测站逐时降水量的观测资料，分析安庆地区短时强降水发生的时间、空间分布特征，并结合常规高空探测资料，建立主要天气学模型，以期为本地短时强降水预报提供参考。

1 资料与方法

短时强降水是指降雨量达到或超过某一量值的天气现象。短时强降水的小时降雨量值在不同的气象台站有不同的规定，为了统计方便，根据中国气象局气办发(2010)19号文件下发的《全国短时、临近预报业务规定》以及预警信号发布规定等，本文中短时强降水的标准规定为1 h内降水量≥20.0 mm的降水过程。

资料来自于安庆地区8个国家气象观测站2005—2017年4—9月逐小时降水量以及Micaps高空探空资料。一天中一个气象观测站出现多次短时强降水时，将站次累加统计。

2 短时强降水时空分布特征

2.1 空间分布特征

已有研究表明，城市化与城市降水有密切的联系，一般认为，城区较县郊地区更容易出现局地对流性天气，从而局地短时强降水天气也较郊区偏多[21-23]。地理位置也会造成短时强降水分布差异。从表1看到，山区岳西站和城区安庆站短时强降水总次数超过100次，桐城位于安庆市最北部，短时强降水次数最少；太湖、潜山地处山区，但短时强降水次数比沿江地区的宿松、望江等地偏多。

表1 2005—2017年安庆市年短时强降水总时次空间分布Tab.1 Spatial distribution characteristics of total short-term heavy rainfall from 2005 to 2017 in Anqing City

2.2 时间分布特征

图1给出了安庆市2005—2017年逐年短时强降水的总次数。由图1看出，年次数具有明显的差异，其中2006—2009年为低谷期，2011年起逐年递增，到2016年达到峰值。各市县年短时强降水的次数分布也不均匀，没有明显线性变化趋势，以2006年和2011年次数为最少；以2016年次数为最多，且以安庆城区的16次为最多，见表2。

安庆市短时强降水主要出现在4—9月，其中7月出现站次最多，13 a来共出现226站/次，6月和8月次之，且6—8月出现总次数占总次数的75%(图2a)。各市县月短时强降水总站次除潜山峰值出现在6月外，其它各地均出现在7月；此外，岳西县9月短时强降水次数较其他市县异常偏多，这是因为2005年岳西遭受“泰利台风”的影响，2—3日连续出现了多个时次的短时强降水(图2b)。

图1 安庆市2005—2017年短时强降水年分布Fig.1 Year distribution characteristics of Short-term heavy precipitation from 2005 to 2017 in Anqing City

表2 2005—2017年安庆市各市县短时强降水年分布(站/次)
Tab.2Annualdistributionofshort-termheavyprecipitationinvariouscitiesandcountiesofAnqingCityfrom2005to2017

岳西桐城太湖潜山怀宁宿松望江安庆2005年15646841072006年495425372007年3661064282008年1055383242009年7828106532010年105125458162011年544438632012年9171077372013年 6212786572014年6126885652015年771013577102016年117101315155142017年7477271212

图2 2005—2017年4—9月安庆短时强降水总站次月分布(a)以及各市县逐月站次变化(b)Fig.2 Monthly variation of the number of stations of short-time heavy precipitation for Anqing (a)and various cities and counties (b)from 2005 to 2017

安庆市短时强降水日分布具有明显的单峰型特征，高峰期主要发生在午后到傍晚，19时至次日02时为低发时段，其余时段差异不大(图3)。通过分析发现午后至傍晚受日照影响，地面温度升高，是一天之中最热时段，近地层常常会形成绝对不稳定的层结，导致对流容易发展，如有充足的水汽条件配合就容易出现短时强降水。

图3 2005—2017年安庆市短时强降水日变化特征Fig.3 Daily variation of the number of stations of short-time heavy precipitation from 2005 to 2017 in different districts of Anqing

短时强降水天气与暴雨密切相关，二者既有区别又有联系，在一次暴雨天气过程中，起主要作用的经常是几个时次的短时强降水的累积[3]，但是并不是所有的短时强降水天气最后都能形成暴雨，如果没有较强天气尺度系统支撑，中小尺度系统虽然可以造成局地的短时强降水，但没有充足的水汽供给或维持时间较短也不能形成暴雨。2005—2017年安庆8个市县累计出现短时强降水599 d，其中日降水量达到暴雨量级的有375 d，即有62.6%的短时强降水过程日降水量可以达到暴雨量级。

由图4看出，安庆市短时强降水以20～30 mm/h的降雨强度为主，占总发生次数的63.4%。雨强≥50 mm/h的短时强降水也有较多发生，13 a只有2009年和2013年没有出现。由图4还可以看出，短时强降水发生次数呈上升趋势；2009年以前只有一年超过了60 mm/h，2010年至今只有2 a在60 mm/h以下，并且有2个站/次小时降雨量超过90 mm。由此可见，2010年以后雨强≥50 mm/h的短时强降水发生次数呈增多趋势，且强度也呈增强趋势。

图4 2005—2017年安庆雨强>50 mm/h的强降水出现站次、所占比例及1 h降水量极值Fig.4 The Number of stations of short-time heavy precipitation more than 50 mm/h and the proportion to all stations and 1 hour rainfall extreme value from 2005 to 2017 in Anqing

3 主要天气学模型

为了建立安庆市短时强降水天气学模型，首先利用常规高空探测、地面观测等资料，对发生在2005—2017年的短时强降水个例进行环流形势分析，鉴于单站短时强降水影响系统不明显，不便于环流型的归纳和概念模型的建立，并且对其进行天气学分析意义不大。本文剔除单站短时强降水事件，分析2站及以上发生短时强降水的126个个例。按照归纳共性、排除个性的原则，将短时强降水天气模型概括为：冷锋型、短波槽型、台风低压型、副高控制型及其它型共计5个类型，其中短波槽型占比最多，为64.3% ，其次是冷锋型(见表3)。

表3 短时强降水天气不同天气学模型个数及占总样本的比例Tab.3 The number of different meteorological models in short-term heavy precipitation and the proportion of total samples

3.1 短波槽型

短波槽型短时强降水的形势场结构特征为：在200 hPa上，由甘肃经河套到渤海有一条高空急流带，约70%的个例有低空急流存在；500 hPa在河套附近到川西或者在陕南到鄂西为一短波槽，淮河以南处在西南气流中；700 hPa和850 hPa均存在暖湿切变，江淮之间为大片的相对湿度高值区，安庆市上空的湿层伸展到400 hPa附近(图5a)；地面有辐合线存在(图5b)。随着500 hPa短波槽东移，低空切变线南压或北抬，高低空急流耦合以及由槽后锲入的小股干冷空气共同作用下，辐合上升加强，产生短时强降水。

图5 短波槽型高低空配置(a)和地面形势(b)Fig.5 High and low altitude configuration and ground situation of Short wave slot type

3.2 冷锋型

冷锋型短时强降水的形势场结构特征为：200 hPa在35～45°N、95～115°E之间有一条急流轴，急流轴中心风速超过32 m/s；500 hPa在河套地区或河套东部为低槽区，槽后有冷中心，安庆处于槽前西南气流中；700 hPa和850 hPa受浅槽或暖湿切变线影响，且还存在12 m/s以上的西南低空急流，925 hPa存在>8m/s超低空急流(图6a)，低空急流和超低空急流为短时强降水的发生提供充足的水汽和强烈的上升运动，此外，华南到华中为大片T-Td≤2 ℃的高湿区，安庆市上空的湿层从近地面可伸展到300 hPa附近。由于高空槽后冷空气南下导致温度和湿度梯度明显增大，在地面低压的西北侧形成一条能量锋区(图6b)。由此可见，高低空均存在急流且湿层深厚，锋区导致了边界层辐合线的形成，激发了短时强降水。

图6 冷锋型高低空配置(a)和地面形势(b)Fig.6 High and low altitude configuration and ground situation of Cold front type

3.3 台风低压型

台风低压型短时强降水的形势场结构特征为：300 hPa以下在22～30°N 、100～110°E范围内有一个台风减弱后的热低压，200 hPa西南急流位于华北到东北地区，急流中心风速大于60 m/s，个别个例无高空急流，但台风低压的东北侧存在中心风速16 m/s以上的低空急流和中心风速12 m/s以上的超低空急流；副高(588 dagpm线，下同)位于东南沿海，四川盆地以西受大陆高压控制，河套附近为低压冷槽区(图7a)，此外，安庆市上空的湿层(T-Td≤4℃)可以伸展到500 hPa附近；T850-500>21 ℃，安庆上空为高温高湿的不稳定层结；地面上，减弱的台风低压中心位于江西南部，安庆地区处在台风倒槽中(图7b)，河套地区短波槽引导弱冷空气南下，与台风倒槽西北侧的暖湿气流结合，触发局地短时强降水，当触发地为山区辐合抬升的有利地形时，小时雨强将更加强烈。

图7 台风低压型高低空配置(a)和地面形势(b)Fig.7 High and low altitude configuration and ground situation of Low pressure type

3.4 副高控制型

副高控制型短时强降水的形势场结构特征为：200 hPa青藏高原为南亚高压控制；500 hPa低槽位于东北地区，长江以南地区以及华中受副高控制，850和925 hPa有切变线存在,700 hPa可能存在低槽或切变线(图8a)，安庆上空的湿层伸展到500 hPa左右，T850-500>21 ℃，存在中性不稳定；地面上在沿江地区存在明显的辐合线(图8b)；低层或近地面有弱冷空气楔入，与低层切变、地面辐合线相互作用，产生短时强降水。本型多出现在7月中旬—8月下旬。

图8 副高型高低空配置(a)和地面形势(b)Fig.8 High and low altitude configuration and ground situation of Subtropical high-pressure type

4 结论

通过上述分析，得出以下结论：

①安庆市2005—2017年短时强降水空间分布具有城区最多、山区次多、平原最少的特征。

②2005—2017年，全市逐年短时强降水总次数差异明显，总体上没有显著的线性变化趋势，但2011—2016年呈逐年递增趋势。各市县年短时强降水站次分布不均，以2016年次数为最多。短时强降水主要发生在4—9月，以7月为最多；短时强降水日分布具有单峰型特征，主要发生在午后到傍晚。安庆市短时强降水以20～30 mm/h的强度为主，雨强≥50 mm/h的短时强降水的发生次数虽然少，但是呈增多趋势，且降水强度也呈增强趋势。

③安庆市短时强降水天气模型可分为冷锋型、短波槽型、台风低压型、副高控制型，以短波槽型占比为最多。短波槽型模型为高空短波槽东移、低空切变线影响、高低空急流耦合以及槽后小股干冷空气共同作用；冷锋型模型为锋区导致边界层辐合线形成，从而激发短时强降水发生；台风低压型模型为河套地区短波槽引导弱冷空气南下，与台风倒槽西北侧的暖湿气流结合，触发局地短时强降水发生；副高控制型模型为低层或近地面弱冷空气楔入与低层切变、地面辐合线相互作用。无论哪种类型的短时强降水，大部分个例均有高低空急流或者超低空急流存在，同时安庆上空湿层深厚，大气为不稳定层结。