海南岛4—9月短时强降水的天气型和环境参数特征

石娟 郑艳 柯元惠 蒋贤玲

(1 海南省气象台,海口 570203; 2 海南省南海气象防灾减灾重点实验室,海口 570203)

引言

海南岛地处热带地区北缘,降水丰沛,是地球上同纬度降雨量最多的地区之一,年平均降水量达1800 mm[1],短时强降水常造成城市内涝和山体滑坡等地质灾害,因此引起了越来越多的关注[2-6]。造成不同地区的短时强降水的影响系统、水汽、不稳定等条件各不相同[7]。王丛梅等[8]分析指出有利的大尺度环境条件可产生高强度短时强降水。花家嘉等[9]发现较好的水汽条件,较高的暖云层厚度和较弱的垂直风切变配合有利于触发短时强降水。环境中水汽多少可能是决定短时强降水的级别的重要因素[10-11]。陈元昭等[12]和黄艳等[13]分别研究了珠江三角洲地区和南疆短时强降水的关键物理量特征。郝莹等[14]提出中等强度的对流有效位能(CAPE)和较高的K指数有利于产生高效率的降水[15-17]。短时强降水和850 hPa温度露点差、对流有效位能,垂直风切变等有较好的相关性。短时强降水与天气尺度系统、地形均密切相关[18-20]。触发短时强降水的天气型各不相同,强降水落区也各有差异。付超等[21]针对江西省短时强降水建立5种短时强降水概念模型,得到不同概念模型下物理量特征。周晋红等[22]对太原不同天气型下的短时强降水环境参数特征进行了分析,得到不同强度短时强降水的环境参数指标,这些指标对短时强降水的潜势预报有一定参考意义。

海南岛的强降水研究多针对暴雨过程,冯文等[23-24]对海南岛秋汛期暴雨的时空分布和环流季节特征进行了深入研究。马学款等[25]和汪汇洁等[26]指出热带辐合带和地形与海南岛强降水关系密切。相对暴雨而言,海南岛短时强降水主要由中小尺度系统触发,具有生命史短,局地性强等特点,预报难度大,因此有必要对海南岛短时强降水影响系统及环境参数特征进行研究,以期为该地区短时强降水预报预警提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料

所用资料选取2017—2021年4—9月海南岛430个地面自动站逐小时观测资料,欧洲中期数值预报中心(ECMWF) 时间间隔为1 h、空间分辨率为0.25°×0.25°的第五代全球再分析资料(ERA5)。短时强降水指1 h降雨量超过20 mm的降水。

1.2 方法

国家站或区域站一日中出现10个站次或以上的短时强降水为一个区域性短时强降水日,剔除了热带气旋引起的短时强降水,仅考虑强对流引起的短时强降水。考虑资料的可靠性,仅单站出现20 mm以上的强降水且周围站点无降水的情况视为无效资料,一共挑选出158个典型短时强降水日。针对引起短时强降水的不同触发机制,基于850 hPa环流形势进行分型,分别为南海低压槽型、华南沿海槽型、西南低压槽型、冷锋型[1]。前人的研究多采用探空资料计算环境参数[27-29],而我国的探空站的空间分辨率和时间分辨率分别为200～300 km和12 h,仅用两个时次的探空观测来计算短时强降水发生时的环境参数可能存在误差,同时,如果发生短时强降水的地点距离探空站较远,存在的误差可能更大。因此为了解决探空资料时间和空间分辨率较粗的问题,本文在天气分型的基础上,利用高时空分辨的ERA5资料计算出短时强降水发生时当地各层水汽、动力、不稳定能量等物理量条件,包括了表征不稳定条件的K指数和CAPE,表征水汽条件的850 hPa和500 hPa的温度露点差以及动力条件0～3 km、0～6 km的垂直风切变,分析短时强降水发生时不同环境参数的特征。

2 海南岛短时强降水过程的特征

本文采用ERA5资料制作各天气类型短时强降水过程的合成场,合成场由相同天气型下所有短时强降水过程的大气环流基本要素场平均而成,合成场的时间选取短时强降水发生时的时间计算,分析各天气类型短时强降水背景场的配置。图1给出了不同天气型的流型合成场。

图1 2017—2021年4—9月海南岛不同天气型短时强降水的合成平均环流场:(a)南海低压槽,(b)华南沿海槽,(c)西南低压槽,(d)冷锋(黑色粗实线代表925 hPa切变线位置,黑色等值线代表500 hPa位势高度,风羽代表925 hPa风场,填色代表925 hPa水汽通量)

2.1 南海低压槽型

南海低压槽型影响时(图1a),靠近海南岛南部海面有一东西向的切变线,海南岛位于切变线北端,受东南气流影响,低层切变线为短时强降水提供了较好的动力抬升条件,从925 hPa水汽通量可以看出,海南岛北部、中部和东部地区水汽通量在6～9 g/(cm·hPa·s)之间,比其它地区偏大,因此南海低压槽型下短时强降水多发生在上述地区(图2a),高频区站点年均频次在3次以上,年均频次最高的站点位于海南岛东部的琼海地区,达4.5次。经统计,南海低压槽形势下的短时强降水日有59 d,总占比为37%。

图2 2017—2021年4—9月海南岛不同天气型下短时强降水发生频次的空间分布:(a)南海低压槽,(b)华南沿海槽,(c)西南低压槽,(d)冷锋(阴影表示海拔高度,下同)

2.2 华南沿海槽型

华南沿海槽型影响时(图1b),在华南沿海有东西向的西南-东南风的切变,海南岛受切变线南侧西南气流影响,从925 hPa水汽通量来看,南海北部和中南半岛的水汽含量比其它各型高,暖湿的西南气流将孟加拉湾的水汽向海南岛输送,在北部地区产生水汽辐合,出现短时强降水频次较高的站点主要集中在海南岛北部内陆和西部(图2b),高频区站点年均频次在2次以上;在海南岛此类天气型下短时强降水日为48 d,占比为31%。

2.3 西南低压槽型

西南低压槽影响时(图1c),500 hPa副热带高压呈块状分布,西脊点伸至100°E,脊线位于12°N,海南岛位于其西北侧边缘,925 hPa上,北部湾有一弱的气旋性环流,海南岛受西南气流影响,西南低压槽影响时海南岛午后易出现高温天气,且常在西部沿海的偏北海风和西南背景环流汇合下,在海南岛西部沿海一带形成海风锋,在五指山以北地区造成短时强降水等强对流天气(图2c),多数站点年均频次基本在1～1.5次。此类形势下的短时强降水日有26 d,日数偏少,占比16%,一般和海陆风的辐合强度有关。

2.4 冷锋型

冷锋型天气影响时(图1d),500 hPa中高纬在我国东部沿海地区有深厚的西风槽,引导冷空气南下,925 hPa水汽含量较低,说明此类型不需要大量的水汽条件也可能造成短时强降水,925 hPa上,海南岛有偏东气流的辐合,冷暖气流交汇,受海南岛五指山山脉的阻挡,短时强降水多发生在海南岛北部地区(图2d),南部有较分散的站点,和冷空气的强度有关,大多数站点年均频次偏低。此类天气型下短时强降水为25 d,占比16%。

2.5 降水强度空间分布

不同天气型下短时强降水平均强度的空间分布略有不同(图3),南海低压槽和华南沿海槽型下短时强降水平均强度达30 mm/h以上的站点比其它两型偏多,且主要分布在五指山以北地区;冷锋型下短时强降水平均强度达40 mm/h以上站点数最多;西南低压槽型下的短时强降水平均强度最小。

图3 同图2,但为雨强平均强度的空间分布

分析不同天气型下短时强降水极大值空间分布特征(图4)发现,不同天气型下出现降水极端值的空间分布差异较明显。其中南海低压槽和华南沿海槽型下短时强降水达60 mm/h以上的站点多于其它类型,且落区主要分布在海南岛的北部、中部和东部地区;西南低压槽型下短时强降水的极端值强度略偏小,短时强降水达50 mm/h以上的站点多集中在海南岛的东北部地区;冷锋型下的短时强降水极端值落区范围比西南低压槽型略多, 主要分布在海南岛的北部内陆和东部沿海地区。

图4 同图2,但为雨强极大值的空间分布

2.6 短时强降水时间分布特征

图5为2017—2021年4—9月逐月海南岛不同天气型下短时强降水日所占百分比。可以看出,冷锋型短时强降水主要出现在4、5月,且4月多于5月;西南低压槽型短时强降水4—8月均有可能出现,6月的百分比略高;南海低压槽型短时强降水出现在5—9月,其中7、9月百分比明显高于其他月,9月最高,达83%,为9月短时强降水的主要贡献者;华南沿海槽型短时强降水5—9月均可出现,6、8月的贡献大于其他天气型。

图5 2017—2021年4—9月海南岛不同天气型短时强降水日占当月短时强降水日的百分比

从4—9月日变化特征看(图6),4月的短时强降水主要为西南低压槽和冷锋型,其中冷锋型偏多,西南低压槽型短时强降水时间段集中在下午16:00—20:00,其他时间段短时强降水发生概率较低,冷锋型高发时段集中在14:00—20:00,峰值时刻站次达130站次,其他时间段也有发生,频次较低,可能和冷空气影响时间段有关;5月,不同天气型的短时强降水集中在15:00—19:00,峰值时刻次数达202站次,其他时间段,短时强降水发生概率较低,各时刻站次基本在10站次以下;6月和4月短时强降水的分布规律类似,00:00—13:00和19:00—24:00,几乎没有短时强降水发生,高峰时间段集中在15:00—18:00,峰值时刻站次达140站次;7月的短时强降水影响系统主要是南海低压槽型,15:00—19:00为高发时段,峰值时刻站次达97站次;8月,13:00—19:00为短时强降水高发时段,峰值时刻站次达390站次,比其他月份明显偏多,主要是华南沿海槽型,其次是南海低压槽型;9月,15:00—19:00为短时强降水高发时段,峰值时刻站次达220站次,主要是南海低压槽型。

图6 2017—2021年4—9月海南岛不同天气型短时强降水次数日变化(a)4月,(b)5月,(c)6月,(d)7月,(e)8月,(f)9月

3 短时强降水环境参数特征

强对流天气主要发生在大气处于一定的水汽条件、条件不稳定和适当的垂直风切变的环境下,短时强降水的发生很大程度上取决于降水效率[30]。本文利用2017—2021年筛选出的短时强降水过程资料与同时段ERA5资料进行时空匹配,计算得到短时强降水发生时的相关物理量环境参数,包括表征大气静力稳定度的对流有效位能CAPE和K指数,表示水汽条件的850 hPa与500 hPa温度露点差,代表垂直风切变的0～6 km和0～3 km的风速差。参照百分位数概念,将一组数据按从小到大的顺序排列,并计算相应的累计百分位,则某一百分位所对应的数据的值为该百分位的百分位数。具体为:一组n个观测值按数值大小排列,处于p%位置的值称为第p百分位数。本文计算了四种不同天气型下各物理量参数的相应百分位。

3.1 不稳定条件

K指数可以反映层结稳定状况,K值越大,大气越不稳定,它是日常强对流天气预报的物理量判据之一。K指数表征中低层不稳定,K指数越大,低空水汽条件越好,层结越不稳定,越有利于短时强降水的发生。因此,“上干冷,下暖湿”的对流层中低层层结都会引起K指数的增大。从图7可以看出,华南沿海槽型下K指数比其它类型偏高,说明其低层水汽条件比较重要,冷锋型下K指数最小,但是四类天气型的K指数50%分位数值都在34 ℃以上,但不同类型短时强降水在同样的百分位点的相应K指数值较为接近,即有利于南海低压槽型短时强降水的不稳定条件同时也有利于其他几类短时强降水,因此K指数不能用于显著区分几类短时强降水的不稳定条件。在日常业务中常用CAPE来判断深厚湿对流,和K指数类似,冷锋型下CAPE值最小,此类天气型短时强降水的发生一般是动力系统发展导致的,90%的过程CAPE≤1000 J·kg-1。华南沿海槽型CAPE值最大,说明华南沿海槽型下的短时强降水需要较强的对流不稳定条件触发,除冷锋型外,其他各型50%分位CAPE值为1000～1300 J·kg-1。

图7 2017—20021年4—9月海南岛不同天气型短时强降水K指数(a)和CAPE值(b)百分位数分布

3.2 动力条件

垂直风切变是影响对流风暴组织结构的主要因素,分别计算了0～3 km和0～6 km的风速差(图8)。不同天气型0～3 km风速差的范围在0～22 m/s之间,50%百分位的值在10 m/s以下,属于弱的垂直风切变,中国的大多数极端强降水一般出现在深层垂直风切变较弱的环境下[31]。南海低压槽型0～3 km垂直风切变都属于弱垂直风切变,华南沿海槽和西南低压槽型90%百分位都出现在弱垂直风切变环境下,而冷锋型只有60%分位数处于弱垂直风切变。从0～6 km风速差可以看出,冷锋型75%百分位风速差大于10 m/s,其他各型与0～3 km类似, 90%百分位都出现在弱垂直风切变环境下。

图8 同图7,但为0～3 km(a)与0～6 km(b)风速差

3.3 水汽条件

对流性短时强降水需要深厚的湿度条件,本文利用850 hPa温度露点差来表示低层水汽饱和度,500 hPa温度露点差来表示中高层大气的干湿程度。图9分别为不同天气型下海南岛短时强降水850 hPa和500 hPa温度露点差箱线图。箱线图的上部框线和下部框线分别是数据的上四分位数和下四分位数,这意味着包含了50%的数据,中间的虚线表示数据的平均值。从图中可知,西南低压槽型850 hPa温度露点差均值为5.4 ℃,50%的过程850 hPa温度露点差在5～7.3 ℃,说明此类型在低空水汽较差的情况下也可能出现短时强降水。其它各型的均值都在3 ℃左右,说明其发生短时强降水时低层湿度条件较好,冷锋型500 hPa温度露点差均值比其它天气型明显偏大,达13.2 ℃,说明冷锋型短时强降水发生时有明显的干层存在,此类型在水汽条件较差的情况下也可发生短时强降水。

图9 2017—2021年4—9月海南岛不同天气型短时强降水850 hPa(a)和500 hPa(b)温度露点差箱线

4 结论与讨论

本文统计了海南岛2017—2021年4—9月158个区域性短时强降水过程,研究了其时空分布、天气形势和环境参数特征,得到以下主要结论:

(1)海南岛4—9月短时强降水的天气型可分为南海低压槽、华南沿海槽、西南低压槽和冷锋型四类,其中南海低压槽和华南沿海槽占比均超过30%,西南低压槽和冷锋型占比相当,为16%。冷锋型短时强降水主要出现在4、5月;7、8、9月的短时强降水以南海低压槽和华南沿海槽为主;西南低压槽型短时强降水除9月外,其余各月均可能出现,但占比不高。冷锋型短时强降水雨强最大,西南低压槽型短时强降水雨强最小。海南岛短时强降水日变化特征明显,各月不同天气型下海南岛短时强降水大多集中在15:00—19:00。

(2)不同天气型下短时强降水空间分布差异明显,南海低压槽型高频站点主要集中在海南岛东北部内陆,高频区站点年均频次在3次以上;华南低压槽型高频站点主要集中在海南岛北部内陆和西部;西南低压槽型主要集中在五指山以北地区,年均频数较低,多数站点年均频次基本在1～1.5次,站点比较分散,和海陆风辐合发生的位置有关;冷锋型多发生在海南岛北部地区,南部也有少数站点,和冷空气强度有关。

(3)环境参数特征分析表明,华南沿海槽型大气不稳定能量最大,从低层到中高层湿度条件较好,说明其发生短时强降水需要较大的不稳定能量。冷锋型大气不稳定能量最小,上干下湿特征明显,0～6 km风速差大于10 m/s的情况下也能触发短时强降水。南海低压槽型垂直风切变较小,整层湿度条件都较好。西南低压槽型大多数过程的不稳定能量较大,0～3 km风速差在3 m/s以下,水汽条件相对其他各型较差。

海南岛是短时强降水的高发地区,造成短时强降水的系统复杂,本文统计了短时强降水在不同天气型下的环境参数特征,利用这些特征选取短时强降水预报的指标阈值有一定的指示意义,下一步将从中小尺度方面对海南岛短时强降水个例的抬升触发机制进行分析,以提升海南岛短时强降水的预报能力。