鄂尔多斯高原强降水天气环境参数阈值分析

许晶 郑玉峰 张连霞 项飞录 苏日娜 许彩琴 訾倩倩 王一鸣 贺小璐

摘要 利用Micaps资料、FY-2E逐时云顶亮温（TBB）资料、鄂尔多斯地区自动气象站资料和多普勒雷达资料，分析了2017—2020年鄂尔多斯地区强降水事件发生前和发生时的环境场特征。结果表明：短时强降水主要发生在15：00～17：00之间，以25%百分位作为建议预警最低阈值，鄂尔多斯短时强降水关键物理参数总体阈值为 T850-500≥23 ℃、CAPE≥640.9 J/kg、CIN≥15.7 J/kg、暖云层厚度≥2.5 km、湿层厚度≥1.5 km、抬升指数（LI）≤-1.7 ℃。

关键词 短时强降水;集合箱线图;阈值

中图分类号：P458 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2021）09–0054–02

短时强降水也称为短历时强降水，主要指发生时间短、降水效率高的对流性降雨，1小时降雨量可达或超过20 mm[1]。短时强降水是夏季灾害性天气之一，其引发的山洪、泥石流、城市内涝等次生灾害来势猛、灾害重[2]。探空资料分析是强对流天气环境参数潜势预报的重要手段之一。多年来我国学者对此做过许多研究，孙继松等[3]总结出分类强对流天气的探空参数特征，指出T850-T500、A指数和K指数对强对流天气有良好的指示意义。何立富等[4]分析强对流潜势国家级预报业务进展表明，选取探空资料敏感热力动力参数，形成强对流潜势预报指数参数。

1 强对流事件

选取2017—2020年鄂尔多斯地区的典型强降水事件，对观测站和区域自动站4年资料进行统计发现，强降水主要集中在13：00～20：00、15：00～17：00之间的约占78%，另外一个小高峰出现在凌晨1：00～3：00。由此可见，短时强降水集中在午后至傍晚。这说明在午后至傍晚气温日变化最大的时段里，在湍流作用下，大气层结不稳定，更易造成强对流天气。

2 环境参数特征

2.1 温湿廓线图

参考黄艳等[5]对T-lnP温湿廓线的分型，探空T-lnP温湿廓线按温湿廓线图分为4个类型。统计分析I型（整层湿）多发生在8月，短时强降水主要出现在鄂尔多斯北部地区，伊金霍洛旗发生次数最多，容易发生在傍晚和清晨。Ⅱ型（上干下湿）是最多的类型。主要在7月中下旬和8月，午后较易发生短时强降水。600 hPa以下相对湿度较大，水汽接近饱和，300～500 hPa附近有干空气卷入，温湿层结曲线形成向上开口的喇叭口，呈“上干冷、下暖湿”的明显特征;Ⅲ型（上湿下干）主要发生在6月、7月上旬，午后至傍晚较易发生短时强降水。Ⅳ型（干绝热）出现次数最少，多发生在下午[6]。

Ⅰ型、Ⅱ型短时强降水发生前，低层大气湿润、水汽含量充沛、存在一定的对流有效位能、较大暖云层厚度、中低层有中等或偏弱的垂直风切变等，而适当的对流抑制有利于对流不稳定能量的积聚和爆发，产生短时强降水[7]。Ⅲ型中高层有较大的湿度，暖云层厚度和对流有效位能较小，垂直风切变弱，低层对流抑制能量（CIN）大。Ⅳ型与其他3型不同，大气层结干、ΔT850大，暖云层厚度、对流有效位能（CAPE）和对流抑制（CIN）均较小。

2.2 物理量阈值范围

2.2.1 CAPE阈值 强降水事件中，本文把只发生强降水记为d，发生强降水+雷暴大风记为dl，发生强降水+冰雹记为db，发生强降水+雷暴大风+冰雹记为dbl，以下相同。根据4种强降水天气临近时环境物理量的箱线图，其中5%、95%分別为箱线图的下限和上限，并去除离群点的影响。CAPE对能否出现强对流比较敏感，但不同类型强降水天气的差异并不显著，dbl值较大箱体明显宽于其他类型，说明CAPE值的区间范围较大。d、db、dl、dbl型 CAPE 的 25%百分位值分别为640.9、796.525、812.85、986.125 J/kg，可作为鄂尔多斯高原短时强降水4种类型的阈值，而其25%百分位最低值640.9 J/kg 可作为最低阈值。

2.2.2 T850-T500阈值 用T850-500即

ΔT85（图1）表示静力不稳定，温差越大，则表示存在条件不稳定的可能越大，dl天气临近时，ΔT85中位数为26 ℃，且大多数个例中低层温差大于25 ℃;短时强降水天气临近时ΔT85中位数为24.9 ℃，且近50%的个例在25 ℃以下;db天气临近时ΔT85集中在24.5 ℃～31 ℃之间，整体较雷雨大风天气偏小，但高于短时强降水天气。以上表明，较小的中低层温差可以产生短时强降水天气，但强雷雨大风、大冰雹则发生在中低层温差较大的环境下。相较于短时强降水和短时强降水+冰雹天气，雷雨大风临近时中低层温差更大，这也反映了对流层中层冷空气的影响强度。d、dl、db、dbl中位数分别为24.9 ℃、26 ℃、28 ℃、28 ℃;25%百分位值分别是22.8 ℃、25 ℃、24.6 ℃、25.6 ℃，因此，25%百分位最低值23 ℃可作静力不稳定的最低阈值。

2.2.3 暖云层厚度和湿层厚度 强降水产生的有利环境条件除了具备静力不稳定、水汽和抬升触发外，还有一个条件即暖云层厚度，将抬升凝结高度到0 ℃层之间的高度差定义为暖云层厚度。暖云层厚度越大，降水效率越高，越有利于强降水的产生。暖云层厚度中位数是3.0 km，25%百分位值是2.45 km，可作为最低阈值。低层湿度条件对强对流天气类型有重要影响。冰雹、雷雨大风天气一般具有“上干、下湿”的特点，而对流性短时强降水需要深厚的湿度层结，湿层厚度中位数是2.5 km，25%百分位值是1.5 km，可作为最低阈值。

2.2.4 抬升指数（LI） dbl类（LI）的离散度最大，说明（LI）值的区间范围较大，d、db、dl、dbl型（LI）的25%百分位值分别为-1.7、-2.2、-3.4、-3.9 ℃，25%百分位最高值为-1.7 ℃ ，发生强降水天气的LI值小于-1.7 ℃，可作为阈值。

2.2.5 CIN指数 对流抑制CIN的物理意义是指抬升力必须克服负浮力才能将气块抬升到自由对流高度，即深厚湿对流形成所需要的抬升触发强度由CIN决定。CIN的25%百分位值分别是15.7、45.9、38.4、51.7 J/kg，可作为鄂尔多斯短时强降水4种类型的阈值，而25%百分位最低值15.7 J/kg可作为最低阈值。

3 结论和阈值分析

3.1 结论

统计2017—2020年6—8月鄂尔多斯东胜站探空参数月平均表明，ΔT85呈逐月减小趋势，且干绝热层结特征明顯;地面至700 hPa平均露点温度值、0～6 km 垂直风切变呈逐月增大趋势;对流有效位能CAPE和对流抑制CIN均7月最大，6月次之，8月较小。

3.2 阀值分析

以集合箱线图25%百分位作为建议预警最低阈值，鄂尔多斯短时强降水关键物理参数总体阈值为T850-500≥23 ℃、CAPE≥540.9 J/kg、CIN≥15.7 J/kg、暖云层厚度≥2.5 km、湿层厚度≥1.5 km、抬升指数（LI）≤-1.7 ℃。短时强降水多发生在午后到夜间，且区域自动气象站出现次数较多，探空站的时空分辨率有限。因此，本文分析方法存在局限性，关键物理参数阈值及各物理参数组合还需要不断完善，对其触发机制也需进行细致分析和研究。

参考文献

[1] 郑媛媛，姚晨，郝莹，等.不同类型大尺度环流背景下强对流天气的短时临近预报预警研究[J].气象，2011，37（7）：795-801.

[2] 苏俐敏，夏文梅，马中元，等.2012年江西宜春四类短时强降水特征分析[J].气象科学，2014，34（6）：700-708.

[3] 孙继松，陶祖钰.强对流天气分析与预报中的若干基本问题[J].气象，2012，38 （2）：164-173.

[4] 何立富，周庆亮，谌芸，等.国家级强对流潜势预报业务进展与检验评估[J].气象，2011，37（7）：777-784.

[5] 黄艳，俞小鼎，陈天宇，等.南疆短时强降水概念模型及环境参数分析[J].气象，2018，44（8）：1033-1041.

[6] 苏俐敏，马中元，胡佳军.雷达回波与自动站降水资料的统计与对比分析[J].气象水文海洋仪器，2012，29（4）：29-32.

[7] 蒋年冲，陈秋萍，陆大春，等.利用CINRAD资料分析南方夏季对流性降水云的基本特征[J].应用气象学报，2005，16 （2）：264-266.

责任编辑：黄艳飞