江永县短时强降水气候特征及其影响因子分析

丘艳，吕庆添，周晨阳，周佳玲，陈玉宇

摘要 利用江永县国家气象观测站1981—2020年逐小时雨量资料、欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA5再分析资料，以及日本国立情报学研究所提供的高空、地面天气图，分析了江永县短时强降水出现次数的年变化、月变化、时段分布和极值分布特征，并总结了近40年造成江永县短时强降水的天气系统和环境物理量，以此了解江永县短时强降水的气候特征、影响系统等，为对其预报预警提供参考。

关键词 短时强降水;特征;影响因子

中图分类号：P458.121 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2022）03–0134–03

短时强降水是指短时间内降水强度较大，降雨量达到或超过某一量值的天气现象。因其空间尺度小，来势凶猛，可预报性差，且常伴有雷雨大风等恶劣天气，往往会造成比较严重的灾害。

江永县位于湘南边陲，春、夏季天气系统活跃，短时强降水频发，给当地人民生命财产安全和经济社会发展带来较大的影响。因此深入研究江永县短时强降水的气候特征和影响因子尤为重要。近年来，国内气象工作者对短时强降水多有研究。田付友等[1]研究了我国中东部不同级别短时强降水天气的环境物理量分布特征，结果表明环境大气中水汽多少可能是决定短时强降水级别的必要因素;姚蓉等[2]针对湖南不同区域短时强降水气候规律及相关环境参数特征进行了探讨，研究了湖南短时强降水的时空分布特征及不稳定能量、水汽、动力等环境参数特征。本文着重分析江永县短时强降水的气候特征，揭示其影响系统，环境物理量特征，为江永县短时强降水的预报预警提供参考。

1 资料来源

依据短时强降水业务规定，将1 h降水量≥20 mm的天气过程定义为一个短时强降水个例，所用资料为江永国家气象观测站1981—2020年逐小时雨量资料和欧洲数值预报中心（ECWMF）再分析资料ERA5（0.25°×0.25°），包括比湿、K指数、垂直速度。根据日常预报业务规定，以4 h为一个时段，将一天划分为上半夜（20：00～23：00）、下半夜（00：00～03：00）、凌晨（04：00～ 07：00）、上午（08：00～11：00）、下午（12：00～15：00）、傍晚（16：00～19：00）。

2 结果与分析

2.1 年变化

1981—2020年江永县共发生短时强降水226次，平均每年发生5.7次，2005年最多，达15次，雨强平均为28.1 mm/h。年发生次数总体呈增加趋势，线性倾向率为0.63次/10 a，相关系数未通过显著性检验，表明上升趋势不明显。

采用小波分析方法提取其变化周期（图1）可以得到，江永县短时强降水变化主要以 2～4 a和8～16 a为周期振荡，该变化周期通过了0.05显著性水平检验，2～4 a谱在2003—2006年较显著，8～16 a谱在2000—2010年振荡非常显著但受到了边界效应的影响。

2.2 月变化

分析短时强降水的出现次数月变化和时段分布特征可知，1981—2020年，江永县2月开始出现短时强降水天气，5月最多，其次为6月，4—9月短时强降水天气占总数的92%，这与汛期时间一致;在4—5月，短时强降水易发在下半夜和凌晨时段，符合“春季多夜雨”的特征;6月多发生在上半夜、凌晨和上午;7—9月则相对较少，在下午和傍晚多发，这是由于盛夏季节热对流活动旺盛，午后多局地性、突发性短时强降水。

2.3 时段分布

分析短时强降水时段分布发现：（1）一天中不同时段、不同量级的短时强降水出现的频次不同，有3个高峰期，在凌晨出现的频次最高，其次为下半夜和傍晚时分，具有明显的“夜雨”特征。（2）≥20 mm/h的短时强降水出现的频次明显高于其他量级，占总数的72.6%，日变化不明显;≥30 mm/h的占23.9%，多出现在傍晚到凌晨时段;≥50 mm/h的明显少于其他量级，易发在下半夜和凌晨。

2.4 小时雨量极值的分布特征

江永县年1 h雨量极值有97.4%出现在汛期，5月最多，其次为6月，多出现在凌晨和傍晚。年小时雨量极值呈上升趋势，线性倾向率为3.51 mm/10 a，相关系数通过了0.05显著性水平检验，表明上升趋势显著（图2）。

图2用Mann-Kendll法检验1981—2020年江永县小时雨量极值距平序列的突变，由UF曲线可见，1981—1982年江永县小时雨量极值为下降趋势，但下降趋势不明显，未通过0.05显著性水平检验，自1983年开始转为明显的上升趋势，且在2013—2020年这种上升趋势通过了0.05显著性水平检验，上升趋势显著，且是突变现象，即从2003年开始。

3 短时强降水的影响因子分析

3.1 天气系统分析

通过分析日本国立情报学研究所提供的1981—2020年江永县高空、地面天气图，分析其环流形势，把造成江永县短时强降水的天气系统分为4类：高空低槽型、华南静止锋型、热带天气系统型、局地热对流型。

高空低槽型：此类型短时强降水个例占57.9%，多出现在4—7月，5月最多。其环流形势主要有2类：一类是500 hPa中高纬地区，乌拉尔山以东到鄂霍次克海之间为两槽一脊或两脊一槽型，贝加尔湖东侧为深厚的低槽，槽后偏北风引导冷空气南下，副热带高压位于东部沿海，江永县处于副高北侧西风带中，当100°E～110°E偏南位置有西风带冷槽活动时，低槽前侧与副热带高压西侧西南气流将大量输送到江永县上空，与贝加尔湖南下冷空气汇合，中低层有低涡或切变线生成、西南急流发展，引发短时强降水。另一類是500 hPa中高纬地区环流特征为乌拉尔山为高压脊，贝加尔湖到鄂霍次克海为宽广的低压区，移动性低槽活动频繁，副热带高压位于华南沿海，南支槽波动频繁，不断有小槽东移，当北方小槽带来的冷空气与南支槽波动携带的西南暖湿气流交汇，有利于短时强降水发生。

华南静止锋型：此类短时强降水个例仅占3.5%，4—6月多发，其环流特征为：青藏高原有短波槽东移，中低层有槽线或切变线，地面冷空气南下受南岭山脉阻挡，形成华南静止锋，南下引发江永县短时强降水。

热带天气系统型：主要为华南沿海的台风低压和地面低压倒槽造成，占13.3%，多出现在7—8月。其环流形势主要有2类：一类是减弱的热带低压环流，500 hPa副热带高压中心停留在我国东部沿海，588线在东部沿海或115°E以东，脊线位于25°N以北，有利于台风从华南沿海登陆后北上或向西移，北部为大陆高压，与西伸加强的副热带高压打通形成高压坝，使热带低压长时间影响江永县，造成短时强降水。另一类是地面低压倒槽，500 hPa副热带高压位于我国东部沿海，华南沿海的台风低压倒槽或北部湾低压倒槽向东向北延伸影响江永县，进而产生短时强降水[3-4]。

局地热对流型：副热带高压北侧的西南气流水汽条件充足，在夏季的午后容易产生局地短时强降水，此类型短时强降水个例占11.9%，多出现在7—9月。7月上旬副热带高压脊线越过25°N以北，江永县上空受其控制为晴热高温天气，当副高减弱东退时，受其边缘偏南气流影响，有利于午后局地热对流产生，造成短时强降水。

除上述以外的天气系统包括两高切变型、西南急流型等，但出现次数较少。

3.2 环境条件分析

3.2.1 水汽条件 比湿是表征空气中水汽含量的主要物理量之一。郭艳君，丁一汇认为90%以上的水汽集中在500 hPa以下的大气层，低层比湿对降水的贡献最为重要。包慧濛等[5]认为，我国25.5°N以南区域冬季暴雨日850 hPa平均比湿为8.2～9.2 g/kg，春、秋季为11.2～14.8 g/kg，夏季为15.3 g/kg左右，对产生暴雨的水汽条件具有一定的指示意义。分析发现：850 hPa比湿值有明显的季节特征，第25%、第50%及第75%分位值在夏季达到最大，这可能与夏季低层的暖湿气流输送有关;第50%、75%分位值均>15 g/kg，春、秋季分位值均>11.2 g/kg，冬季分位值均>9.2g/kg，表明当江永县发生短时强降水同时伴随产生暴雨的可能性极大（图3）。

3.2.2 热力稳定度条件 K指数能够表征大气层结稳定度情况，K指数越大，表示低层大气越暖湿，层结越不稳定。强降水一般产生在30℃