怀化市汛期短时强降水特征分析

2020-03-18王光明王文闻梁晓梅

中低纬山地气象 2020年1期

王光明,王文闻,王强,梁晓梅

(1.湖南省怀化市气象局,湖南怀化 418000;2.湖南省会同县气象局,湖南会同 418300)

0 引言

短时强降水具有突发性强、来势猛、历时短、局地性强，致灾性高，可预报时效短等特征，导致的主要灾害是暴洪，暴洪是所有气象相关灾害中发生频次最高且导致伤亡最多的灾害[1]，常常造成城市积涝，山体滑坡等气象衍生灾害。许多气象人员对此进行了研究，如，对山东省短时强降水分析表明，时空分布不均，极值时空分布差异较大，7—8月大范围短时强降水过程明显增加[2]，是极端强降水的关键时期[3]；成都都江堰短时强降水的强度非常集中，夜雨特征突出，且后半夜比前半夜多[4]；湖南各地州市短历时暴雨基本以峰值在前部的单峰型为主[5]；渝东北短时强降水事件逐年增多，站次显著增加，强降水雨量占年雨量比例逐年加大[6]；王芬[7]发现贵州望谟6月是短时强降水最频繁发生的月份；7—8月是陕甘宁短时强降水的多发期，峰值出现在7月下旬和8月中旬，日变化呈双峰分布[8]；连续少雨期北京地区暴雨的局地性和短历时性明显增加[8]；文献[10-13]对短时强降水环流形势进行了分析和研究。

短时强降水一直是气象预报服务中的热点和难点[14]，然而，湖南省气象工作人员对短时强降水的统计分析相对较少，在前人研究的基础上，本文分析了怀化地区2012—2017年4—9月的短时强降水的年际、月际、时际以及强度、空间分布变化特征，利用相应的NCEP再分析资料总结了短时强降水出现的概念模型，以期为短时强降水预报提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 研究区域

怀化市地处湖南西部(25°52′～29°01′N、108°47′～111°06′E)，地貌轮廓自西南向北倾斜，呈一狭长地带，南北长约353 km，东西宽约229 km，东南部有雪峰山，西北部有武陵山，中间丘岗起伏，为若干盆地，全境地势起伏，沟壑纵横，地势最高点为雪峰山脉主峰苏宝顶，海拔标高1 934 m，最低为沅陵的界首，海拔45 m，相对高差1 889 m[15]。

1.2 短时强降水资料

分析资料为怀化市2012—2017年4—9月11个国家站和403个自动站逐小时降水量；NCEP1°×1°逐6 h再分析资料，分别为每日02、08、14、20时。

1.3 短时强降水标准

短时强降水是一种强对流天气[16]，按标准[17]降水量≥20 mm·h-1的降水定义为短时强降水，具体分为4个等级[17](20～29.9 mm·h-1，30.0～49.9 mm·h-1，50.0～79.9 mm·h-1，≥80 mm·h-1)。为此，本文在统计短时强降水样本时，如有一个区域站出现降水量≥20 mm·h-1，即定义为一个短时强降水日。

为分析方便，统计中定义了短时强降水频数和日数两个名词，频数是指统计时段内逐日短时强降水的站点次数，同一站点同一日出现多次时，重复计数次数；日数的统计与频数类似，但同一站点同一日出现多次时，不重复统计，只计一次短时强降水日。

鉴于区域短时强降水并未有统一的定义，参照湖南区域性暴雨(若某日湖南国家站中有10%及以上站点发生暴雨，则记该日为湖南区域性暴雨日)，规定若某日怀化国家站和区域站(414站)中有10%及以上站点发生短时强降水，则记该日为怀化区域性短时强降水日。

2 结果与分析

2.1 短时强降水频(日)数与极值分布特征

2012—2017年4—9月11个国家站平均每年出现短时强降水频数为70.7次，但年际变化大，2017年频数最多(103次，图1)，2013年最少(35次)，3 a低于平均值(2013、2015、2016年)，3 a高于平均值(2012、2014、2017年)。

图1 2012—2017年4—9月短时强降水频数年际变化Fig.1 The interannual variation of short-term heavy precipitation frequency from April to September

11个国家站中，各站每年均有短时强降水出现，11站年平均日数为51.8 d，2013年出现日数最少(26 d)，2017年最多(76 d)；对某站而言，少则1 d，多则10 d。

从2012—2017年4—9月短时强降水极值分布(图2)看到，短时强降水≥100 mm·h-1共出现7站(辰溪4站，会同2站，靖州1站)，占总站数的1.7%；按中国气象局规定[15]，≥80 mm·h-1，占比12.5%；50～79.9 mm·h-1，占比68.4%；30～49.9 mm·h-1，占比18.6%；20～29.9 mm·h-1，占比0.5%。

从国家站与区域站各月短时强降水极值与出现时间(表1)看，区域站极值出现在2017年7月14日15时会同县的黄茅站，其值为129.9 mm·h-1，其它依次为6、5、8、4、9月份，其值均在90.0 mm·h-1以上；国家站上极值在35.7～84.9 mm·h-1间，最大值(84.9 mm·h-1)出现在2017年6月25日04时靖州站。从国家站与区域站短时强降水极值对比可知，除6月外，其余各月国家站的极值大约为区域站极值的一半。

图2 2012—2017年4—9月短时强降水极值(mm)分布，图中数字为国家站极值，阴影区为自动站极值，红点为短时强降水≥100 mm·h-1站点Fig.2 The short-term strong precipitation extreme value (mm) distribution from April to September, the number represents national station, the shaded area represent the automatic station

表1 2012—2017年4—9月国家站与区域站短时强降水极值与出现时间Tab.1 The extreme value and occur time of short-term heavy precipitation between national stations and regional stations from April to September during the 2012—2017

2.2 短时强降水频(日)数空间分布特征

统计2012—2017年4—9月怀化市11个站短时强降水频数(图3)，结果表明，国家站每个站平均每年出现短时强降水6.2次，其中麻阳、辰溪最多高达8.8次和8.7次，洪江市最少(4.0次)；区域站短时强降水每站每年平均出现6.3次，区域分布不均匀，北部多，中南部少，其中中部的芷江、新晃出现最少。区域站上，沅陵县大合坪、辰溪县大水田频数最多(11.3次)。

图3 2012—2017年4—9月短时强降水频数分布，图中数字为国家站频数阴影区为自动站频数Fig.3 The distribution of short-term heavy precipitation frequency from April to September. The number is the frequency of the national station, and the shaded area is the frequency of the automatic station

从短时强降水日数的平均分布图看(图略)，国家站平均每年每站出现短时强降水日数为4.7 d，辰溪、麻阳最多(6.7 d)，洪江最少(3.0 d)；在区域站上，每站每年平均出现短时强降水日数4.7 d，短时强降水日数分布也是北部多，中南部少，其中沅陵县的大合坪附近以及辰溪、麻阳和怀化三地交界区域内出现短时强降水日数最多(7.3 d)，西部的芷江、新晃出现最少(3.7 d)。

2.3 短时强降水时间分布特征

从11个国家站月际变化(图4)看，短时强降水主要出现在5—7月，占4—9月的72.9%，其次在8—9月，占比为20.0%，4月最少(7.1%)。如果按月分布，6月最多，11站年平均出现10.5次，占总次数的28.3%，其它依次为7月(8.8次)、5月(7.8次)、8月(4次)、9月(3.5次)，4月最少(2.6次)。

图4 2012—2017年4—9月短时强降水总频数月际分布Fig.4 The monthly distribution of short-term heavy precipitation frequency from April to September

从短时强降水逐时分布曲线(图5)可知，短时强降水形态呈单峰型，04—10时最容易发生，峰值出现在08时，11时—次日03时产生频数相对较少，谷值在23时。

图5 2012—2017年4—9月短时强降水频数小时分布Fig.5 The hourly distribution of short-term heavy precipitation frequency from April to September

3 短时强降水天气系统解析

通过逐时降水实况反查，怀化市共产生区域性短时强降水35次，基本出现在5—7月；8—9月产生的短时强降水，基本上属于夏季午后陆地表面受日射而强烈加热，在近地层形成绝对不稳定层结，对流发展而形成，由于这种热力抬升作用发展起来的对流，在天气图上无明显系统，预报难度最大，发生频次也较少。

因5—7月短时强降水频次高、致灾性远大于8—9月，故通过35次区域性短时强降水实况资料与NCEP1°×1°再分析资料对比分析，从短临预报角度出发，得到以下两种概念模型。

3.1 低涡型

35次区域性短时强降水天气过程，有25次在700 hPa或850 hPa有低涡活动，其中低涡移动的过程有20次，稳定少动的有5次。

对于低涡型，500 hPa环流经向度加深，整个湖南处在槽前西南气流中，槽前正涡度平流为直接产生暴雨的中小尺度系统提供有利条件，在此种天气类型中低涡位置和移动路径是短时强降水预报的关键点(图6)。如果低涡沿切变线东移，则怀化大部分地区将出现短时强降水天气；低涡位置偏北、偏东移动，则主要影响怀化北中部地区。850 hPa(27～29°N，108～111°E)为低涡关键区，在低涡进入关键区时，往往怀化地区将产生短时强降水天气，怀化处在高空急流南侧分流区中，高空强烈辐散，有利于上升运动发展，短时强降水区集中在：①低涡附近及其东南侧0.5～2个纬距范围内，低涡东段切变附近及其南侧2个纬距，西段切变线233 km内；②850 hPa低空急流左侧出口区；③对于850 hPa低涡稳定在湘西北地区的天气过程，落区具有相似特征，强降水主要集中在怀化北部以及中部偏北地区。

对此类天气，200 hPa急流建立，高空槽加深东移，怀化处在高空槽前西南气流中，中低层急流建立，850 hPa低涡进入关键区，强降雨在低涡附近及其东南侧产生，在急流出口区叠加区域尤甚，随着200 hPa急流消失，500 hPa低槽东出，低涡随之东出或消散，怀化短时强降水随之结束。

图6 怀化低涡型短时强降水天气形势图Fig.6 The weather situation map of low vortex type short-term heavy precipitation in Huaihua

3.2 切变线型

切变线型的区域性短时强降水天气过程共计10次，高空200 hPa怀化地区也是处在急流南侧分流区的强辐散中，500 hPa南支槽发展东移，湖南处在槽前西南气流中，中低层分析不出明显的涡旋系统，影响湖南地区以切变线或强风速辐合为主，怀化处在850 hPa切变线南侧，700、850 hPa急流的左前侧，怀化的短时强降水也就发生在850 hPa切变线附近及其南侧1.5个纬距范围内，尤其是850 hPa低空急流出口区左侧辐合区的叠加区，此种类型的天气过程主要关注切变线的移动和发展，以及低空急流的建立与破坏(图7)。

对此类型，怀化处在200 hPa急流南侧分流区的强辐散中，500 hPa南支槽加深发展，怀化在槽前旺盛的西南急流中，850 hPa切变线自北向南移动影响怀化，配合低层急流，在850 hPa切变线南侧，700、850 hPa急流的左前侧出现强降雨天气，随着高空槽东出，850 hPa切变线南压出湖南地区，怀化转受偏北气流控制，怀化短时强降水天气过程也趋于结束。

图7 怀化切变线型短时强降水天气形势图Fig.7 The weather sitzlation rnap of the type of shear line in Huaihua

4 结论与讨论

4.1 结论

①短时强降水频数的年际变化大、频数高日数多且空间分布不均,11个国家站平均每年出现短时强降水频数为70.7次，最多103次，最少35次；国家站上，短时强降水频数(日数)为：每站每年平均出现6.2次(4.7 d)，北部的辰溪、麻阳频数和日数最高(约8.8次、6.7 d)，中部的洪江最少(4.0次、3.0 d)；在区域站上，短时强降水频数(日数)为：每站每年平均出现6.3次(4.7 d)，短时强降水频数和日数分布为北部多，中南部少，其中沅陵县的大合坪、辰溪县的大水田最多(11.3次、7.3 d)，西部的芷江、新晃最少(4.1次、3.7 d)。

②从月际变化看，短时强降水主要发生在5—7月，占整个汛期(4—9月)的72.9%，其次在8—9月，占比为20.0%，4月最少(7.1%)。其中6月最多，11站年平均出现10.5次，占总次数的28.3%，4月最少(2.6次)。从日际变化看，短时强降水的日变化呈单峰型，04—10时短时强降水最容易发生，峰值出现在08时，谷值在23时。

③短时强降水等级空间分布差异大：大部分站点的短时强降水极值在50～79.9 mm·h-1，占总站数的68.4%，≥80 mm·h-1的短时强降水占比为12.5%，20～49.9 mm·h-1占19.1%；国家站每月短时强降水极值的2倍约等于区域站极值，区域站最大值为129.9 mm·h-1；在雪峰山西侧(会同、洪江、溆浦)以及辰溪境内最易发生≥80 mm·h-1的短时强降水，新晃境内高等级的短时强降水不易发生。

④低涡型短时强降水预报的关键是低涡位置和移动路径，当850 hPa低涡进入关键区时，短时强降水易发生在低涡附件及其东南侧(0.5～2个纬距)、低涡东段切变及其南侧2个纬距以及西段切变线约230 km内。

⑤切变型短时强降水的预报主要关注切变线的移动、发展和低空急流配置关系。当850 hPa切变线自北向南移动影响怀化并配合有低层急流时，短时强降水也就发生在切变线附近及其南侧(1.5个纬距内)，尤其是与低空急流出口区左侧叠加的区域。