遵义市夏季短时强降水时空特征分析

刘红双,杨 熠,孙文超,张云秋,唐 海,张强宜

(1.贵州省遵义市气象局,贵州 遵义 563000;2.黑龙江省伊春市汤旺县气象局,黑龙江 汤旺 153038)

0 引言

短时强降水一般由对流降水形成,且为典型的中小尺度系统驱动,其造成的衍生灾害往往表现为局地而短促,如山体崩塌、滑坡、城市道路积水、暴洪[1]。极端短时强降水(≥50 mm·h-1) 带来的暴雨洪涝或次生灾害,往往给人民生命财产安全造成严重威胁。强对流天气过程常伴有雷暴大风、冰雹、龙卷或者对流性暴雨等灾害,且多数强对流天气的临近预警提前时间通常不超过2 h[2]。如2012年7月21日的北京特大暴雨过程,短时间内造成市区严重内涝,郊区山洪暴发,给人民生命财产造成巨大损失,直接经济损失达118.35亿元[3]。遵义市位于贵州省西北部,处于云贵高原向湖南丘陵和四川盆地过渡的斜坡地带,地形复杂,持续性暴雨引发的洪涝和突发性局地暴雨引发的泥石流等各种自然灾害时有发生[4]。2014年8月11日遵义习水良村出现特大暴雨,累计雨量达333.2 mm,强降雨叠加特殊地形地貌,造成了严重山洪、滑坡、泥石流,导致财产损失惨重,因灾死亡13人[5]。周明飞等[6]通过对短时强降水个例分析发现,850 hPa平均比湿超过14 g·kg-1,700 hPa平均比湿超过10 g·kg-1,在短时强降水发生前均出现一定量级的对流有效位能,且高的K指数对短时强降水有较好的指示意义。田付友等[7]研究我国中东部不同级别短时强降水天气的环境物理量指出,短时强降水量值越大其所需的大气温度和不稳定能量条件越高,这为预报不同级别短时强降水天气提供了必要的消空条件。王婧羽等[8]研究河南省雨季短时强降水时空分布特征发现,地形对降水的增幅作用显著且主要通过短时强降水发生频次的增加来实现。杨熠等[9]利用2010—2019年遵义市13个国家气象观测站数据研究得出4—8月中有接近3/4的短时强降水发生在夏季,强降水发生高概率站点与地面辐合、城市热岛中心对应,表现出边界层辐合、城市热岛效应及山区地形都是午后短时强降水重要的触发因子[10-13]。因此,深入认识遵义市短时强降水的空间分布及时间变化情况,对于提高遵义地区防灾减灾能力具有重要意义。

前人很少利用区域站和高精度地形资料进行研究。本文以遵义作为研究区域,利用遵义市2016—2020年夏季国家站和气象自动站过去1 h降水量资料,分析遵义市夏季短时强降水时空特征,叠加12.5 m×12.5 m地形,深入研究遵义市夏季短时强降水时空特征,并利用再分析资料统计午后及后半夜短时强降水发生前的物理量特征,为进一步提高遵义市短时强降水预报服务和防灾减灾能力提高参考。

1 资料与方法

资料:(1)贵州省信息中心提供的2016—2020年6—8月遵义市13个国家站和539个自动站过去1 h降水观测数据;(2)再分析资料为ERA5,时间间隔为1 h,空间分辨率为0.25°×0.25°,用于计算物理量。

方法:鉴于遵义市气象监测站是逐年增加建设,本文只统计2016—2020年夏季均有数据的站点。本文短时强降水个例定义为:6—8月逐日00—23时(北京时,下同)遵义市达到或超过5个监测站出现1 h雨量≥20 mm。2016—2020年共计挑选个例162个,且每次个例均有相同站点,共计306个站点满足条件。本文白天(昼雨)指08—20时,夜间(夜雨)指20—08时。

遵义市地形和306个监测站分布如图1所示,遵义市北部大娄山呈东北—西南走向,海拔多在1000～1500 m之间,不少山峰超过1500 m,最高为桐梓县箐坝大山2028 m,而在西部边缘的赤水河谷最低海拔在200 m左右,高低落差达1500 m。

图1 遵义市地形及306个气象监测站空间分布图(蓝色点为代表站)

2 遵义市短时强降水时空分布特征

2.1 时间分布特征

图2为遵义市2016—2020年夏季短时强降水站次和月份站次的逐小时变化。从夏季短时强降水日变化可知,夜间是遵义发生短时强降水的高发时段,峰值在03时,达到321站次,04时也达到319站次,夜间(21—08时)夏季短时强降水平均达到了233.9次,而白天(09—20时)仅有137.5站次,为夜间的58.9%,白天短时强降水的峰值在19时,有206站次,09—15时短时强降水<150站次,因而遵义夏季短时强降水有明显的双峰结构,夜间多于白天,09—15时为遵义短时强降水站次最少时段,特别是11—13时,短时强降水<100站次。

图2 遵义市2016—2020年夏季短时强降水站次逐小时变化

从月份来看,6月短时强降水的日变化在夜间峰值较为明显,在03时达到176站次,为夏季的54.8%,04时为162站次,为夏季的50.7%,与夏季夜间短时强降水变化较为接近,在白天(09—20时),短时强降水的峰值不明显,分别在09时、14时、20时达到50站次,最高为09时为63站次,10—23时短时强降水均在50站次附近,特别是17—18时低于30站次。7月短时强降水日变化表现为双峰结构,夜间短时强降水峰值在02时,为112站次,平均为85.1站次,白天峰值在19时,为96站次,平均为41.4站次,在08—15时,短时强降水<50站次,特别是09—14时低于20站次,最低为13时为7站次。8月短时强降水的峰值主要在白天,且多在午后,白天短时强降水的峰值在18时为92站次,白天平均为52.9站次,夜间仅在04时出现52站次,其余时段均低于50站次,最低为06时的26站次。从夜间发生的短时强降水来看,有明显的月分布特征,站次从高到低排序依次为:6月、7月和8月,可能与副热带高压的位置有很大关系,6—7月在副高外围,出现短时强降水多,8月副高北抬控制,发生短时强降水概率减少,但午后发生强对流的概率较大。

综上,遵义夏季短时强降水日变化呈现双峰结构,夜间的峰值主要发生在6月,白天峰值贡献主要来自7—8月。夏季、6月和7月的短时强降水是夜间多于白天,而8月则是白天多于夜间,且多为午后强对流。

从图3可知,遵义市夏季短时强降水最大为163.3 mm·h-1,仅有6站次在100 mm·h-1以上,绝大多数在60 mm·h-1以下,午后和后半夜的数值离散度较大。从均值来看,最大在14时为33.1 mm·h-1,最低在20时为28.0 mm·h-1,长达14 h在30 mm·h-1以上。从异常值来看,夜间的异常值数量大于白天,80 mm·h-1以上异常值夜间有15站次,白天仅有8站次。

图3 遵义市2016—2020年夏季短时强降水箱线图(“★”表示均值,“+”表示异常值)

遵义有14个县(市/区)(下文统称为县),且地形差异大,为了在服务中更具针对性,进一步统计各县的夏季短时强降水日变化(表1)。从各县均值来看,最高为习水29.7站次,夜雨均值也为最高42.1站次,且夜雨明显高于昼雨;最低为余庆6.7站次,夜雨也为最低为6.9站次。昼雨均值最低为红花岗区4.8站次,最高为桐梓23.6站次。习水、正安、道真、务川、汇川、红花岗等6个县的夜雨均值明显高于昼雨,且在昼雨的1倍以上,仅有凤冈和湄潭的夜雨均值低于昼雨均值,偏高仅在2站次,可能与遵义市西高东低的地形分布有关。从各县日变化最大值来看,赤水01时(25站次)、仁怀02时(45站次)、习水03时(86站次)、桐梓04时(63站次)、道真04时(20站次)、正安05时(39站次)、绥阳05时(19站次)、务川06时(24站次)、播州07时(24站次)、汇川03时(27站次、07时19站次为次大值)、红花岗08时(18站次)、湄潭14时(27站次,09时20站次为次大值)、凤冈14—15时(20站次,在01时15站次为次大值)、余庆在16和22时(16站次,00时10站次,10时8站次),遵义市夏季短时强降水的日变化最大值自西北向东南由01时变为09时,主要与降水系统多数自西向东影响遵义市有关,在00—01时余庆和凤冈都有1个相对大的值,可能与降水系统从余庆—凤冈影响有关。

表1 遵义市14个县(市、区)2016—2020年夏季短时强降水站次逐小时变化

从日变化的结构来看,赤水、习水、桐梓、道真、务川、播州、凤冈等白天、夜间均有1个峰值,双峰结构较为明显,而湄潭、余庆、绥阳双峰结构不明显,仁怀日变化有明显的4峰结构,分别在02时、10时、18时、22时有1个峰值。

2.2 空间分布特征

图4a给出了遵义市2016—2020年夏季发生短时强降水站次空间分布,有4站超过25站次,均在遵义市赤水河谷和娄山山脉,有35站超过20站次,仅有4站位于遵义市东南部,其余均在赤水河谷及娄山山脉,同时发现在西部、北部地区发生短时强降水的概率较高,而在中部、东部发生强降水的概率相对较低。西部主要集中在河谷地带,北部主要集中在娄山山脉,体现了特殊地形对强降水有增幅作用,而中部、东部地势较平坦,山脉高低落差也不大,所以发生短时强降水站次相对较少。从逐月的空间分布来看,6月(图4b)发生短时强降水的站次最多,平均每个站点有6.1站次,正安瑞溪站达到了19站次,共有21站超过10站次,主要集中在遵义市西北部习水(4站)和桐梓(5站),南部湄潭(3站)和红花岗(2站)也有分布,集中在海拔相对高的地方。7月(图4c)发生短时强降水的站次次之,平均每个站点有5.1站次,也是以北部居多,沿娄山山脉分布,有9站超过10站次,东南部仅有1站超过10站次。8月(图4d)发生短时强降水的站次最少,平均每个站点有3.7站次,只有赤水的2个站点超过10站次,大于5站次也主要在遵义市西部边缘和北部,这可能和西太平洋副高西伸北抬有关。

图4 遵义市2016—2020年夏季(a)、6月(b)、7月(c)、8月(d)短时强降水站次空间分布

2.3 不同量级短时强降水时空分布

为进一步了解不同量级短时强降水的日变化特征,根据统计可知,对于30 mm·h-1及以上量级(图5a):夏季主要发生在00—07时(03时最多),其次是18—19时,最少是11—13时。其中,6月的日变化情况和夏季一致,7月主要发生在17—23时,其次是00—05时,最少是08—15时,8月主要发生在15—21时,其次是09—11时,最少是22—23时。

对于40 mm·h-1及以上量级(图5b):夏季主要发生在01—05时(03时最多),其次是18—19和23—00时,最少是11—12时。其中,6月主要发生在01—07时,其次是13—14时,最少是09—12时;7月主要发生在22—01时,其次是04—05和18—19时,最少是09—14时;8月主要发生在09—10时,其次是16—19时,最少是11—13时。

对于50 mm·h-1及以上量级(图5c):夏季主要发生在23—05时(04时最多),其次是18—19时,最少是11时和15—16时。其中,6月的日变化情况和夏季一致,7月主要发生在22—23时,其次是18—19和04—05时,最少是06—11时,8月主要发生在10时,其次是04时和18—19时,最少是11时和22时。

对于80 mm·h-1及以上量级(图5d):夏季主要发生在04时和19时(04时最多),然后是03时、07时和22时,最少是06时、08—09时、13时、16时及20—21时。

从空间分布来看,50 mm·h-1及以上量级主要分布在西部和南部(图5e)的河谷和迎风坡,比较离散,位于河谷发生次数最多。

3 午后及后半夜短时强降水物理量分析

综上,遵义市夏季短时强降水在午后和后半夜分别有一个峰值,为了解遵义夏季不同下垫面短时强降水物理量的区别,本文选取了夏季短时强降水超过20站次的宝源(500 m)、敖溪(795 m)、进化(836 m)、凉井(979 m)、麻沟(1002 m)、新木(1046 m)和太平(1098 m)7个代表站(图1蓝色点)进行物理量分析,7个站点海拔高度在500～1098 m,有河谷、丘陵和高山站点。分析参数包括对流有效位能(CAPE)、K指数(K)、抬升指数(LI)、850 hPa与500 hPa温差(T850-500)、大气可降水量(PW)、850 hPa比湿(q850)等。分析时间为14时和02时物理量,其中14时物理量是7个代表站在14—20时内出现短时强降水的对应14时的物理量,02时物理量是7个代表站在02—08时内出现短时强降水的对应02时的物理量。

从图6可知,午后短时强降水发生前,7个代表站的CAPE均值在700 J·kg-1以上(图6a),均值最大在宝源站点1511 J·kg-1,最低为凉井站点781 J·kg-1,CAPE的极大值为宝源站点3287 J·kg-1,极小值为新木站点52 J·kg-1。代表站的K均值在31 ℃以上(图6b),均值最大在敖溪站点33.6 ℃,均值最小在太平站点31.1 ℃,宝源和太平的K离散度较大,宝源区间在27.1～35.5 ℃,太平区间在26.6～33.9 ℃,K的极大值为36.1 ℃,极小值为26.6 ℃。代表站的LI绝大多数均低于-1 ℃(图6c),均值最低为宝源站点-2.5 ℃,均值最高为太平的-1.5 ℃,宝源和敖溪的LI离散度较大,宝源站点区间在-5～-0.5 ℃,敖溪站点区间在-4～0.3 ℃,LI的极大值为0.3 ℃,极小值为-5 ℃。代表站的850 hPa与500 hPa温差均值在23 ℃以上(图6d),均值最高为麻沟的25.5 ℃,均值最低为进化站点23.5 ℃,850 hPa与500 hPa温差的极大值为27.8 ℃,极小值为20.5 ℃。代表站的大气可降水量在56 mm以上(图6e),均值最高为进化站点72.0 mm,均值最低为太平站点63.9 mm,敖溪的PW离散度最大,区间在58.7～79 mm,PW的极大值为79.6 mm,极小值为56.6 mm。代表站的850 hPa比湿在14 g·kg-1以上(图6f),均值均在16 g·kg-1左右,宝源的q850离散度最大,区间在14.7～18 g·kg-1,q850的极大值为18.4 g·kg-1,极小值为14.5 g·kg-1。

图6 各代表站点午后短时强降水14时物理量:(a)对流有效位能(CAPE)、(b)K指数(K)、(c)抬升指数(LI)、(d)850 hPa与500 hPa温差(T850-500)、(e)大气可降水量(PW)、(f)850 hPa比湿(q850)(“★”表示均值,“+”表示异常值)

综上,高海拔地区站点午后短时强降水对CAPE、K、LI要求更低,低海拔地区站点则需要更强的抬升条件和中低层暖湿条件,而850 hPa与500 hPa温差则是高海拔地区高于低海拔地区。

从图7可知,后半夜短时强降水发生前,7个代表站的CAPE均值在240 J·kg-1以上(图7a),均值最大在宝源站的725 J·kg-1,最低为太平站的240 J·kg-1,CAPE的极大值为宝源站的1657 J·kg-1,极小值为凉井站的7 J·kg-1,与14时相比,02时均值和极大值均明显偏小,可能与夜间地面温度降低有关。代表站的K均值在32 ℃以上(图7b),均值最大在宝源站的34.7 ℃,均值最小在敖溪站点32.7 ℃,K的极大值为36.7 ℃,极小值为27.8 ℃,与14时相比,02时均值和极大值均偏高,均值偏高在1 ℃以上。代表站的LI绝大多数均高于-3 ℃(图7c),均值最低为敖溪站的-1.1 ℃,均值最高为太平站的0.7 ℃,LI的极大值为2.8 ℃,极小值为-2.5 ℃,与14时相比,02时均值和极大值均偏高,均值有4个代表站高于0 ℃,因而02时抬升指数指示意义不好。代表站850 hPa与500 hPa温差均值在20 ℃以上(图7d),均值最高为敖溪站的23.9 ℃,均值最低为麻沟站的20.3 ℃,850 hPa与500 hPa温差的极大值为26.9 ℃,极小值为19.2 ℃。代表站的大气可降水量在54 mm以上(图7e),均值最高为太平站的74.9 mm,均值最低为敖溪站的62.3 mm,PW的极大值为82.3 mm,极小值为54.4 mm,与14时相比,02时高海拔地区的站点均值均有增加,低海拔地区站点有所减小,即高海拔地区站点对大气可降水量的要求变高。代表站的850 hPa比湿在14 g·kg-1以上(图7f),均值均在14 g·kg-1以上,均值最高为宝源站的16.5 g·kg-1,均值最低为敖溪站的14.6 g·kg-1,q850的极大值为17.8 g·kg-1,极小值为13.7 g·kg-1,与14时相比,02时对水汽要求变低。

图7 各代表站点后半夜短时强降水02时物理量:(a)对流有效位能(CAPE)、(b)K指数(K)、(c)抬升指数(LI)、(d)850 hPa与500 hPa温差(T850～500)、(e)大气可降水量(PW)、(f)850 hPa比湿(q850)(“★”表示均值,“+”表示异常值)

综上,与14时相比,后半夜发生强降水对CAPE、LI、T850-500等要求变低,且抬升指数有4个站均值高于0 ℃,指示意义没有午后好,后半夜短时强降水K指数的要求变高,大气可降水量要求也是变高的,但主要是高海拔站点变高。

4 小结

综上,通过对遵义市2016—2020年夏季短时强降水的时空分布特征进行分析,并利用ERA5再分析资料分析午后和后半夜物理量特征,得到以下结论:

(1)遵义夏季短时强降水日变化呈现双峰结构,夜间的峰值主要发生在6月,白天峰值主要在7—8月。6月和7月的短时强降水夜间多于白天,而8月则是白天多于夜间,且多为午后强对流。遵义市夏季短时强降水最大为163.3 mm·h-1,是遵义区域站有气象记录以来最大值,夜间异常值的数量大于白天。

(2)有6个县的夜雨均值明显高于昼雨,且在昼雨的1倍以上,仅有凤冈和湄潭的夜雨均值低于昼雨均值,有7个县日变化双峰结构较为明显,仁怀有明显的4峰结构,可能与遵义市西高东低的地形分布有关。夏季短时强降水的日变化最大值自西北向东南由01时变为09时,主要与降水系统多数自西向东影响遵义市有关。

(3)遵义市夏季短时强降水平均站次6—8月逐渐减少,10站次以上站点逐渐北推且减少,可能与西太平洋副高西伸北抬有关,在西部、北部地区发生短时强降水的概率较高,而在中部、东部发生强降水的概率相对较低,西部主要集中在河谷地带,北部主要集中在娄山山脉。

(4)30 mm·h-1、40 mm·h-1、50 mm·h-1、80 mm·h-1及以上量级的夏季短时强降水日变化也有明显的双峰结构,50 mm·h-1及以上量级短时强降水主要分布在西部和南部的河谷和迎风坡,位于河谷发生次数最多。

(5)午后短时强降水发生前,CAPE均值最低781 J·kg-1,K均值最小为31.1 ℃,LI均值最高-1.5 ℃,850 hPa与500 hPa温差均值在23 ℃以上,大气可降水量在56 mm以上,高海拔站点午后短时强降水对CAPE、K、LI要求更低,低海拔站点需要更好的抬升和中低层暖湿条件,而850 hPa与500 hPa温差则是高海拔站点高于低海拔站点。

(6)与午后相比,后半夜发生短时强降水对CAPE、LI、T850-500等要求变低,且抬升指数有4个站均值高于0 ℃,指示意义没有午后好,后半夜短时强降水K指数的要求变高,大气可降水量要求也是变高的,但主要是高海拔站点变高。