安砂流域短时强降水特征及物理量指标研究

杨 婷 唐振飞 郭昌松 李长顺

(1.福建省气象服务中心，福建 福州 350001；2.福建省气候中心，福建 福州 350001)

短时强降水是指短时间内降水强度较大，其降水量达到或超过某一量值的天气现象。短时强降水发生时间短，来势凶猛，可在短时间内累积形成暴洪，对流域防洪造成很大压力。安砂水电站位于永安市安砂镇九龙溪上，距离永安市区44km，是闽江支流沙溪流域的龙头水电站。安砂流域属中亚热带湿润气候，雨量丰沛，暴雨频发。其流域上游包含了宁化、清流和连城，坝址位于永安，是福建省暴雨日数较多的区域，也是防汛的重点区域，尤其是短时强降水高发区。近年来，国内许多学者对短时强降水的分布特征、环流形势、雷达与卫星云图特征和环境参数等方面做了不少分析和研究[1-10]。一些学者对流域的短时强降水特征也做了研究。侯凯等[11]分析了沙澧河流域短时强降水特征，并总结出物理概念模型。张一平等[8]利用常规观测资料和再分析资料，对2001—2010 年淮河上游短时强降水过程进行中尺度天气分析和物理量场诊断，归纳各类短时强降水天气系统配置模型，并提炼出表征短时强降水天气的物理量阈值。全国及福建省的气象工作者对福建省的强对流天气做出了详细分析[12-14]，但是对安砂流域短时强降水特征的研究尚未开展。分析安砂流域短时强降水特征，研究并建立预报的物理概念模型，对于深入开展气象服务工作，增强防灾减灾救灾服务能力具有十分重要的意义。

1 资料与方法

参照中央气象台的标准，定义1 h 降水量≥20 mm 作为短时强降水的标准。利用安砂流域内的4个基准气象站(清流、宁化、连城、永安)逐小时加密雨量资料和MICAPS 常规观测资料，对安砂流域短时强降水的时空分布特征和产生短时强降水时临近探空的物理量特征进行分析，归纳其短时强降水时空分布特征与物理量诊断指标，为安砂流域短时强降水预报预警提供参考，以期为安砂流域防汛抗洪提供指导依据。

根据邻(临)近原则，选取与安砂流域最近的有观测的探空资料，优先选取龙岩站，其次为赣州站，均无观测时选取邵武站。对发生在09时至20时之间的降雨，参照08时的探空数据，对发生在21时至08时之间的降雨，参照20时的探空数据。

本文选用与短时强降水密切关联的环境条件K指数、沙氏指数(SI)、Δθse850-500、ΔT850-500和(T-Td)700作为表征环境背景的物理量，以及具有中尺度特征的物理量抬升指数和大风指数。将各对流参数样本，从小到大进行排列，绘制箱形图，分别显示最小值、25%分位值、50%分位值、75%分位值和最大值。将25%分位值和75%分位值左右的值，作为参考阈值，即当大于这个阈值或者小于这个阈值时，有75%左右的样本都包括在内，将此边界值作为对流参数的参考阈值[15]。

2 时空分布特征

统计分析2012—2019年安砂流域内4个气象站(清流、宁化、连城、永安)的短时强降水，发现小时雨量的极值发生在2014年8月19日17时的永安站，小时雨量达73.2mm，其次是2012年5月1日21时连城站，小时雨量达64.1mm，以及2019年5月17日01时连城站，小时雨量达59mm(见表1)。且连城最易发生极端强降水，前十位的小时雨量极值中，连城占50%(表略)。

表1 2012—2019年各站的小时雨量极值前三名

2.1 时间分布

安砂流域各站短时强降水时次数的年际与月际变化见图1。如图1(a)所示，2012—2015年之间年际分布不均，最多年与最少年相差1倍多，2016—2019年之间时次数呈小幅下降的趋势，分布较均匀。2015年短时强降水时次发生最多，达47次，其次分别为2012年(45次)、2014年(38次)，最少年为2013年，只有22时次。

如图1(b)所示，安砂流域从未在1月和12月发生过短时强降水过程，4～9月为短时强降水发生较频繁时段，这与福建省的前汛期与台风季时间吻合，且最频发的月份为5月，达75时次，其次分别为6月，达64时次，8月(42时次)，以及7月(34时次)。5～8月的时次数共计215次，占总时次数的76.8%，表明该时段为安砂流域短时强降水的降水集中期。

(a) (b)

各站短时强降水时次数的日变化见图2。安砂流域的短时强降水主要集中于午后～上半夜(14～23时)，尤其在19时，短时强降水发生时次数最多，达28次，16～19时之间总的时次数共89次，占总时次数的31.8%，表明该时段为安砂流域短时强降水的高发期。0～13时是偏弱的时段，尤其是在12～13时中午前后，发生次数最少。

图2 2012—2019年各站短时强降水时次数的日变化

2.2 空间分布

短时强降水的空间分布图见图3。如图3所示，清流站发生短时强降水的时次数最多，达73次，其次依次为连城(67次)、宁化(58次)、永安(53次)，空间分布总体较均匀。

图3 各站短时强降水时次数的空间分布

3 物理量指标研究

本文选用与短时强降水密切关联的环境条件K指数、沙氏指数(SI)、Δθse850-500、ΔT850-500和(T-Td)700作为表征环境背景的物理量，以及具有中尺度特征的物理量抬升指数和大风指数。各物理量指标见图4及表2。

(a)K指数 (b)SI指数 (c)抬升指数 (d)假相当位温差 (e)ΔT850-500 (f)大风指数 (g)(T-Td)700

表2 各物理量分值

3.1 K指数

K=(T850-T500)+Td850-(T-Td)700，单位：℃，量级为10-1～101。K指数虽然是一个经验指标，但它能同时反映大气层结稳定度和中低层水汽条件，且由于其操作简单，在强对流天气的分析预报中，常被作为一种较好的热力稳定度指标。如图4(a)及表2所示，总样本中的K指数25%～75%的分位值分别为36～40℃，08时的分位值分别为35～40℃，20时的分位值分别为37～42℃，20时的K指数阈值高于08时。一般K值越大，潜能越大，大气越不稳定，将25%分位值作为阈值。因此，总指标为K≥36℃，08时指标为K≥35℃，20时指标为K≥37℃。

3.2 SI指数

SI=(Te-Tp)500，单位：℃，量级为10-1～101。SI指数也是表征大气层结稳定度的参数。总样本中的SI指数25%～75%的分位值分别为-2.3～-0.1℃，08时的分位值分别为-2.1～-0.1℃，20时的分位值分别为-3～-0.1℃。SI>0，表示气层稳定，SI<0，表示气层不稳定，绝对值越大，气层越不稳定，将75%分位值作为阈值。如图4(b)及表2，08时与20时的短时强降水的SI指数25% 指标一致，因此，总指标为SI≤-0.1℃，08时指标为SI≤-0.1℃，20时指标为SI≤-0.1℃。

3.3 抬升指数(LI)

LI=Te500-Tp500，单位：℃，量级为10-1～101，这是指气块从自由对流高度出发，是绝热上升到500hPa处的温度与500hPa环境温度之差，它是表示自由对流高度以上不稳定能量大小的指数。如图4(c)及表2，总样本中的抬升指数25%～75%的分位值分别为-3～-0.2℃，08时的分位值分别为-2.5～-0.2℃，20时的分位值分别为-3.4～-0.2℃。当LI >0，表示气层稳定，LI<0，表示气层不稳定，其绝对值越大，相应的，表示不稳定能量面积越大，选取75%分位值作为阈值。08时与20时的短时强降水的LI指数25%指标一致，因此，总指标为LI≤-0.2℃，08时指标为LI≤-0.2℃，20时指标为LI≤-0.2℃。

3.4 Δθse850-500

Δθse是温度、气压、水汽含量的函数，表示温压湿综合的物理量，用上下层θse之差Δθse反映大气层结潜在不稳定。由于在强对流天气出现之前，850hPa经常时暖湿空气，500hPa为干冷空气，因此，业务中较多使用850hPa与500hPa假相当位温之差Δθse850-500。如图4(d)及表2，总样本中的Δθse850-50025%～75%的分位值分别为6.4～14.8℃，08时的分位值分别为6.5～13.8℃，20时的分位值分别为4.9～18.85℃。Δθse越大，大气层结越不稳定。将25%分位值作为阈值。因此，总指标为Δθse850-500≥6.4℃，08时指标为Δθse850-500≥6.5℃，20时指标为Δθse850-500≥4.9℃。

3.5 ΔT850-500

ΔT850-500表示850hPa与500hPa的温度递减率，作为热力不稳定的判定指标之一。总样本中的ΔT850-50025%～75%的分位值分别为22～24℃，08时的分位值分别为22～24℃，20时的分位值分别为22～25℃。ΔT850-500越大，大气层结热力越不稳定，将25%分位值作为阈值。如图4(e)及表2，08时与20时的短时强降水的ΔT850-50025% 指标一致，因此，总指标为ΔT850-500≥22℃，08时指标为ΔT850-500≥22℃，20时指标为ΔT850-500≥22℃。

3.6 大风指数

大风指数(WINDEX)是为预报微下击暴流潜势引入的一个指数，主要估测下沉对流潜势。如图4(f)及表2，总样本中的大风指数25%～75%的分位值分别为8.9～18.2，08时的分位值分别为7.7～15，20时的分位值分别为10.7～20.1。通常大风指数越大越有利。将25%分位值作为阈值。因此，总指标为大风指数≥8.9，08时指标为大风指数≥7.7，20时指标为大风指数≥10.7。

3.7 (T-Td)700

(T-Td)700是表征大气湿度条件的参数之一，温度露点差越大，表示湿度越小，温度露点差越小，空气湿度越大，当温度露点差近于0时，越接近饱和。选取75%分位值作为阈值。如图4(g)及表2，总样本中温度露点差的25%～75%分位值分别为6～9℃，08时的分位值分别为6～9℃，20时的分位值分别为7～10℃。因此，总指标为温度露点差≤9℃，08时指标为温度露点差≤9℃，20时指标为温度露点差≤10℃。

综上所述，通过对发生在安砂流域内的短时强降水的各物理量分析，总结凝练各物理量指标阈值。总指标阈值为K≥36℃，SI≤-0.1℃，LI≤-0.2℃，Δθse850-500≥6.4℃，ΔT850-500≥22℃，大风指数≥8.9，(T-Td)700≤9℃；白天(09时至20时)发生的短时强降水的各物理指标阈值为K≥35℃，SI≤-0.1℃，LI≤-0.2℃，Δθse850-500≥6.5℃，ΔT850-500≥22℃，大风指数≥7.7，(T-Td)700≤9℃；夜间(21时至08时)发生的短时强降水的各物理指标阈值为K≥37℃，SI≤-0.1℃，LI≤-0.2℃，Δθse850-500≥4.9℃，ΔT850-500≥22℃，大风指数≥10.7，(T-Td)700≤10℃。

4 检验与应用

选取2020年两次短时强降水过程进行检验。3月9日15时安砂流域出现局部的短时强降水，清流站小时雨量为21.8mm。经查，3月9日08时赣州站的探空指标为K=33℃，SI=1.3℃，LI=1.5℃，Δθse850-500=6.7℃，ΔT850-500=22℃，大风指数12，(T-Td)700=1℃，各指标中的K指数、SI和LI指数均不利于流域短时强降水的发生，但是其他四个指标满足阈值条件，表明本次过程的各指标阈值对局部的短时强降水有一定的预报指示意义。5月18日凌晨03-05时，清流、连城和永安分别出现了短时强降水。分析5月17日20时赣州站的探空指标为K=41℃，SI=-2.8℃，LI=-2.0℃，Δθse850-500=19.2℃，ΔT850-500=25℃，大风指数21.5，(T-Td)700=2℃，所有指标均满足阈值条件，造成了较大范围的短时强降水。经过两次短时强降水过程的检验，表明本方法所选的阈值条件对局部或大范围的短时强降水的预报有一定的参考和指示意义。

5 结论

通过分析安砂流域短时强降水的时空分布特征，以及研究各物理量指标的阈值，本文得出以下结论。

①2012—2015年间年际分布不均，最多年与最少年相差1倍多，2016—2019年间时次数呈小幅下降趋势。2015年短时强降水发生时次数最多，最少年为2013年。

②4～9月为安砂流域短时强降水发生较频繁时段，与福建省的前汛期与台风季时间吻合，且最频发的月份为5月份，5～8月的时次数占总时次数的76.8%，表明该时段为安砂流域短时强降水的降水集中期。

③清流发生的时次数最多，达73次，其次依次为连城、宁化和永安，空间分布总体较均匀。

④各物理量的总指标阈值为K≥36℃，SI≤-0.1℃，LI≤-0.2℃，Δθse850-500≥6.4℃，ΔT850-500≥22℃，大风指数≥8.9，(T-Td)700≤9℃，该指标阈值对于局部或大范围的短时强降水预报有一定的参考和指示意义。