弱天气尺度下短时强降水环境特征和触发机制研究——以河北省廊坊市为例

刘小雪， 刘艳杰， 李 娜， 黄浩杰

（1.廊坊市气象台，河北 廊坊 065000； 2.河北省气象与生态环境重点实验室，石家庄 050000）

短时强降水是指雨强大于等于20 mm/h 的降水，是强对流天气的一种，有时会与冰雹或雷暴大风伴随出现，其发生需要满足强对流天气的3 个基本条件，即水汽条件、不稳定层结和抬升触发机制［1］. 樊李苗和俞小鼎［2］认为，纯粹短时强降水天气与强冰雹、雷暴大风天气环境参数存在明显差异；众多学者［3-5］分析了国内不同地域短时强降水发生的环境特征参数和预报阈值，认为当特征参数达到特定阈值时，就可判断有短时强降水发生的潜势，但最终能否触发短时强降水还取决于是否具有触发该地区不稳定能量释放的抬升机制. 当短时强降水天气发生发展在有利的大尺度环流，如高空冷涡［6-7］、低槽［8］等天气背景时，槽线、切变线、低压、低涡等天气系统造成的系统性上升运动触发对流［1］，对于预报员来说，显著的天气系统比较容易判断；当高空环流处于弱天气尺度背景时，如西风环流或高压脊［9］形势时，在水汽和不稳定能量条件满足的情况下，短时强降水往往是在中小尺度系统触发下产生，比如地面辐合线［10］、阵风锋［11-12］、海风锋［12］、地形抬升触发［13］和热力因子［14］等，以及有利于强对流出现的其他环境特征［15-16］，这种情况下，短时强降水很容易漏报.

廊坊市短时强降水平均每年发生13次［17］，一般性短时强降水（雨强20～50 mm/h）呈逐年波动上升趋势［9］.目前多运用多普勒雷达、双偏振雷达等手段对短时强降水进行短临监测和预警，但预警提前量有限. 本文旨在对弱天气尺度下局地短时强降水进行深入分析，探索其发生的触发机制以及环境特征参数特点并总结预报预警阈值，以期为局地短时强降水的预报和服务提供更多的科学依据.

1 资料与方法

降水等地面要素资料来源于廊坊市9个国家级气象观测站2010—2018年5—8月地面自动站逐时降雨量和加密观测实况数据；探空、天气形势资料来源于中国气象局通过CMA下发的MICAPS 资料.

局地短时强降水筛选标准为：廊坊市9个观测站中有1～2个站出现降雨强度≥20 mm/h的非全区性降水，记为一次局地短时强降水过程.

环境参数通过箱线图进行分析，箱线图能够直观地反映出一组数据的平均值、最大值、最小值和分位数等特征. 用25%和75%分位数之间的箱体表示物理量的主体，根据不同物理量的特点，以25%和75%分位作为预警的最低阈值或最高阈值.

2 局地短时强降水时空分布特征

廊坊市2010—2018 年5—8 月局地短时强降水过程共发生38次，其中4次过程为两站短时强降水，其余34次均为单站短时强降水；短时强降水发生的大尺度环流形势有4 个类型，即低槽型、西风环流型、低涡型和高压脊型［9］；弱天气尺度下的局地短时强降水共13 次，其中平直西风环流型3次，高压脊型10次.

2.1 空间分布特征

从弱天气尺度下局地短时强降水的空间分布（图1）来看，廊坊市有两个短时强降水高频中心：一个在廊坊北部的大厂回族自治县，此地发生局地短时强降水的次数最多，总共8次，弱天气尺度下发生4次；另一个高频中心位于廊坊市中部的永清县，共发生7次，其中弱天气尺度的短时强降水发生4次；其他地区发生次数较少，香河发生次数为0. 廊坊市处于华北平原，地形比较单一，除北部三河市有燕山余脉外，其余地区均为平原，而从短时强降水的分布情况来看，中部和北部均有高频区，没有表现出明显的地域性特征.

图1 廊坊市弱天气尺度下短时强降水的空间分布特征Fig.1 Spatial distribution of short-term heavy precipitation at weak synoptic scale

2.2 时间分布特征

廊坊一年中弱天气尺度下的短时强降水主要集中在夏季，8月份最多（5次），6月（4次）、7月（3次）次之，5月最少（1次）. 主要原因是夏季气温高，大气层结多处于不稳定状态，边界层扰动或热对流发展等触发不稳定机制，利于形成强对流天气.

由图2（a）可看出，从局地短时强降水发生的日变化看，降水多发生在下午到傍晚和后半夜，又以下午到傍晚发生的频率较高，上午和前半夜几乎没有发生过. 这是由于下午到傍晚气温高，地面热力不均匀，易触发不稳定能量；而后半夜由于晴空辐射导致地面降温，形成不稳定层结，触发强对流天气.

廊坊市局地短时强降水雨强分布如图2（b）所示. 弱天气尺度下，局地短时强降水雨强多为20～＜30 mm/h（出现8次，占比61.5%），30～＜40 mm/h以及≥50 mm/h的降水各发生2次，而雨强在40～＜50 mm/h的局地短时强降水只有1次. 由此认为，大多数弱天气尺度下局地短时强降水的雨强都不很大.

图2 弱天气尺度下局地短时强降水日变化和雨强特征Fig.2 Diurnal variation and hourly rainfall intensity of local short-term heavy precipitation under weak synoptic scale

3 环境特征参数分析

3.1 水汽条件

短时强降水天气发生的基本条件之一是水汽条件. 一方面水汽可提供成云致雨的原料，另一方面水汽可影响大气的垂直分布和温度的垂直变化，从而影响大气层的稳定度. 从3 个高度层的比湿箱线图（图3）来看，850 hPa和700 hPa比湿均值分别是12 g/kg和6.7 g/kg，25%～75%分位区间分别为9～15 g/kg和5～8 g/kg，极小值分别是8 g/kg和3 g/kg，可见在局地短时强降水发生前，对流层低层的水汽条件较好，边界层水汽充足有利于短时强降水的产生；500 hPa 比湿25%～75%分位区间为0.9～3 g/kg，均值为2 g/kg，对流层中层干空气的输入，有利于强风暴的维持，且上干下湿的大气层结结构有利于增强气层的不稳定性，从而触发雷暴. 因此，选取25%分位值作为850 hPa和700 hPa比湿的最小阈值，75%分位值作为500 hPa比湿的最大阈值，水汽条件的预警范围为850 hPa比湿≥9 g/kg，700 hPa比湿≥5 g/kg，500 hPa比湿≤3 g/kg .

图3 局地短时强降水过程各层比湿的箱线图Fig.3 Box plot of specific humidity of local short-term heavy precipitation

3.2 热力不稳定条件

选取天气预报中常用的850 hPa 与500 hPa 温差（ΔT85）、K指数和沙氏指数（SI）对廊坊市13次局地短时强降水过程进行参数分析.

ΔT85表征的是垂直方向上温度的递减程度，两层温差差值越大，大气层的条件不稳定性越强. 从图4（a）可知，剔除异常突出值，廊坊市局地短时强降水过程中850 hPa与500 hPa温差的均值为26 ℃，25%和75%分位值分别为23 ℃和27 ℃；将ΔT85作为局地短时强降水预警的指标之一，由于其值越大越利于强对流的发生，因此将阈值选取为23 ℃，即ΔT85≥23 ℃.

K指数是综合反映高低空温差、低空水汽和中层饱和程度的物理量，该值越大，表示大气层结越不稳定［1］. 图4（b）显示，除去异常值外，K指数的分布比较集中，25%和75%分位值为33 ℃和35 ℃，平均值为34 ℃；选取K指数的阈值为33 ℃，即K指数≥33 ℃.

SI指数是指500 hPa高度上大气的实际气温与由850 hPa开始抬升的气块抬升到500 hPa时的温度的差值［1］. SI＜0表示大气层不稳定，负值越大，气层越不稳定. 由图4（c）可以看出，廊坊市局地短时强降水过程中，SI 平均值为-2.1 ℃，而25%～75%分位值的范围为-3.8 ℃～-0.4 ℃. 由于平均值和数据集中的区域均在＜0 ℃的区间，因此认为SI 对大气的不稳定性具有较强的指示意义，且负值越大，越有利于短时强降水的发生，将预警阈值设定为≤75%分位数-0.4 ℃，即SI≤-0.4 ℃.

图4 局地短时强降水参数ΔT85、K指数和SI指数的箱线图Fig.4 Box plots of ΔT85、K and SI of local short-term heavy precipitation

3.3 对流能量和垂直风切变

对流有效位能（CAPE）是能反映雷暴发生潜势最重要的参数，与对流抑制能量一起是湿对流发生潜在强度的重要指标. 从图5（a）中可知，CAPE 值的范围较宽，极小值至极大值为49.1～3 403.4 J/kg，平均值为1274 J/kg，25%和75%分位值为586 J/kg 和1824 J/kg. 由于CAPE 越大，越有利于湿对流的发展，因此选取25%分位数586 J/kg作为最低阈值. 对流抑制能量（CIN）是气块抬升到自由对流高度需要克服的负浮力，对流抑制能量越小，越容易触发湿对流的形成，对流抑制能量平均值为121 J/kg，选取75%分位数作为预警的最高指标，即CIN≤141 J/kg.

环境风的垂直风切变是对流系统发展和转换的条件. 通常选取0～6 km高度的风矢量差表示垂直切变的大小，俞小鼎等［18］将其分为3个等级，＜12 m/s为弱垂直风切变，12～＜20 m/s为中等强度垂直风切变，≥20 m/s为强的垂直风切变. 由图5（b）显示，廊坊市局地短时强降水过程的垂直风切变平均值为10 m/s，为弱垂直风切变，25%～75%分位值区间为4.3～13 m/s，选取25%分位值4.3 m/s作为最低阈值.

图5 局地短时强降水过程CAPE、CIN和垂直风切变的箱线图Fig.5 Box plots of the instability parameters CAPE and CIN and vertical wind shear of local short-term heavy precipitation

3.4 暖云层厚度

在短时强降水的形成过程中，暖云层厚度也是个重要影响因素，暖云层越厚，表明降水效率越高，越有利于短时强降水的产生［3］. 强降水混合型强对流的暖云层厚度明显高于雷暴大风和冰雹等强对流天气的暖云层厚度，暖云厚度可以作为其区分于其他类型强对流的重要指标之一. 廊坊市局地短时强降水的暖云层厚度平均值为3.7 km，25%～75%分位区间为3.2～4.3 km，暖云层越厚，越利于短时强降水的形成，选取25%分位值3.2 km作为预警最低阈值.

3.5 关键参数阈值检验

根据上述分析，归纳得出廊坊市近10年弱天气尺度下局地短时强降水预报预警的建议阈值. 对13个弱天气尺度下的短时强降水过程的特征参数进行检验，得到结论：局地短时强降水过程中以上几个环境参数并不能同时满足在阈值范围内，有78%的过程能同时满足7个物理量在阈值范围内，因此在进行弱天气尺度下的短时强降水过程预报时应综合考虑以上特征参数.

4 中小尺度触发机制分析

弱天气尺度背景下，在地面辐合线［10］、负变压等中小尺度动力系统的触发下可产生局地短时强降水，配合较好的水汽条件，强烈的上升运动，甚至能够产生暴雨［19］. 选取弱天气尺度平直西风环流型（2010年8月10日）和高压脊型（2018年8月5日）两个典型的局地短时强降水过程进行触发机制分析.

4.1 地面辐合线分析

分析两次局地短时强降水过程环流形势，前者强降水发生前500 hPa 高空环流形势为平直的西风环流，低空700 hPa 和850 hPa 风场为偏西风和东南风，均没有明显的低空急流，没有触发对流性天气的明显系统；后者强降水过程廊坊市处于副热带高压控制当中，没有大尺度的对流触发机制.

分析降水前后地面加密风场变化（图6）可看出，2010年8月10日的强降水过程中，文安观测站19—20时的1 h降雨量为20.3 mm. 由图6（a）可看出，在短时强降水开始前的2 h，雨区附近出现了东北—西南走向（西北风和东南风）的地面辐合线；由图6（b）和（c）可看出，风向切变较为明显，切变线维持时间较长，降水落区位于切变线北侧的偏北风控制中，20时之后切变线消失，降雨停止；由图6（d）可以看出，在2018年8月5日的强降水过程中，降水开始前2 h左右出现西北—东南向辐合线，首先出现风向切变线；由图6（e）可见，至16时切变线位置稳定；由图6（f）可见，至17时前后风速切变增强，短时强降水开始，切变消失后降雨减弱. 由此可见，在弱天气尺度环流背景下，地面辐合线的生成和维持对不稳定能量的触发起到了至关重要的作用.

图6 两次强对流过程中地面加密自动站风场分析Fig.6 Wind field analysis of ground automatic station in two strong convection processes

4.2 地面气压场分析

分析两次短时强降水过程地面加密观测的海平面气压场资料（图略）可知，两次降水过程开始前均出现了直径不超过130 km的局地小高压. 局地短时强降水站点位于小高压外围，降水开始前的3 h内小高压已出现，且持续存在于降水过程当中. 因此认为，雷暴高压是局地短时强降水的一个中尺度系统.

由图7（a）可见2018年8月5日廊坊观测站逐5 min的温度和气压要素变化，降水过程中有气温骤降、气压涌升的现象，变化趋势的显现和降水的出现时间基本一致，在雨强达到最大时气温和气压也达到极值，并随着降水的减弱停止而趋于平稳. 由图7（b）分析3 h变温和3 h变压观测数据，在强降水发生前（15时50 min）开始出现负变压，强度随着时间发展而加强，至16 时15 min 负变压达到最强，变压值为-1.1 hPa，30 min 后（16时45 min）降水开始，且变压值转为正值，当降雨强度达到最大时，负变温和正变压达到峰值，因此变温和变压与降雨强度有密切关系，且负变压的加强对强降水的发生有明显指示作用.

图7 2018年8月5日廊坊观测站温度场和气压场变化Fig.7 The pressure field changes of Langfang observation station on August 5，2018

4.3 热力抬升作用

局地热力抬升作用是夏季强对流天气的触发机制之一. 夏季地表受热不均匀，造成局地温差，导致空气抬升，起到触发机制的作用. 热力作用的强弱取决于局地加热的程度，即最高气温的高低. 对流温度可以看成发展热对流的地面临界温度，当地面最高气温达到对流温度，则有对流发生的可能. 廊坊市13次弱天气尺度局地短时强降水过程中有5次发生在午后（13—20时），降水前最高气温均达到32 ℃以上，其中有3次最高气温高于对流温度，有热对流发生潜势，配合水汽等条件，产生短时强降水. 例如，2018年8月5日廊坊市处于副热带高压控制中，降雨前最高气温33.4 ℃，08时北京探空显示不稳定能量为2 822.1 J/kg，配合低空出现的弱切变线，出现局地短时强降水. 因此，在弱天气系统下，需要考虑局地热力不稳定条件的影响.

5 结论与讨论

1）2010—2018 年廊坊市春夏季局地短时强降水共发生38 次，其中弱天气尺度下短时强降水过程只有13次，短时强降水多发生在下午到傍晚和后半夜. 从空间分布看，大厂发生局地短时强降水的次数最多，总共8次，弱天气尺度过程4次，没有明显的地域性特征.

2）对廊坊市弱天气尺度下局地短时强降水探空资料进行分析，得出环境参数预报预警的建议阈值，其中850 hPa比湿、700 hPa比湿、850 hPa与500 hPa温差、CAPE、K、0～6 km垂直风切变和暖云层厚度选取25%分位值作为最低阈值的建议值，分别是9、5 g/kg、23 ℃、586 J/kg、33 ℃、4.3 m/s和3.2 km；500 hPa比湿、CIN和SI选取75%分位值作为最高阈值的建议值分别是3 g/kg、141 J/kg和-0.4 ℃. 在实际预报业务中将以上几类特征参数进行组合，同时满足多个阈值范围时，即可进行短时强降水的预报和预警. 由于弱天气尺度下的局地短时强降水出现的较少，因此总结的环境参数阈值有一定的局限性，需多积累此类降水过程对阈值进行完善，以减少此类短时强降水预报的漏报.

3）在平直西风环流型和高压脊型两种弱天气尺度下，廊坊市短时强降水的触发机制主要包括地面辐合线、负变压和热力因子.