張家界市暴雨水汽條件閾值研究及預報應用

易文軍　石興瓊　梁可　陳曦

摘要 ? ?統(tǒng)計張家界市城區(qū)1981—2015年逐月暴雨日數(shù)，分析暴雨集中期，再利用NCEP 2.5°×2.5°逐6 h分析比濕資料，分析850 hPa上暴雨季節(jié)的比濕值變化特征。結果表明，張家界暴雨主要出現(xiàn)在夏季，春季和秋季暴雨有但較少，暴雨集中期在5—9月，大暴雨（≥100 mm）的降水主要集中在6—7月。不同的暴雨季節(jié)氣溫有所變化，故不同暴雨季節(jié)的比濕閾值也有所變化，總體來說夏季比濕閾值要比春季和秋季略偏高，春季產(chǎn)生暴雨的水汽條件850 hPa比濕閾值為12 g/kg，夏季產(chǎn)生暴雨的水汽條件850 hPa比濕閾值為13 g/kg，秋季產(chǎn)生暴雨的水汽條件850 hPa比濕閾值為11 g/kg。在同一個季節(jié)中，不同的月份比濕閾值也有所區(qū)別。

關鍵詞 ? ?暴雨日數(shù);水汽條件;比濕閾值;預報應用;湖南張家界

中圖分類號 ? ?S161.6 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）19-0181-04

Study ?on ?Water ?Vapor ?Condition ?Threshold ?for ?Rainstorm ?and ?Its ?Forecast ?in ?Zhangjiajie ?City

YI Wenjun 1 ? ?SHI Xingqiong 1 ? ?LIANG Ke 1 ? ?CHEN Xi 2

（1 Meteorological Bureau of Zhangjiajie City in Hunan Province， Zhangjiajie Hunan 427000; 2 Meteorological Bureau of Sangzhi County， Sangzhi Hunan 427100）

Abstract ? ?Based on the monthly rainstorm days from 1981 to 2015 in Zhangjiajie City， the rainstorm concentration period was analyzed， and the specific humidity data by NCEP 2.5°×2.5° for 6 h to analyze the variation characteristics of specific humidity value in rainstorm season at 850 hPa. The results showed that the rainstorm in Zhangjiajie mainly occured in summer， but there were few rainstorms in spring and autumn. The rainstorm concentration period was from May to September， and the heavy rain （≥100 mm） mainly occured from June to July. The temperature varied in different rainstorm seasons， so the specific humidity threshold also changed in different rainstorm seasons.In general， the specific humidity threshold in summer was slightly higher than that in spring and autumn. The specific humidity threshold of 850 hPa in spring was 12 g/kg， that of 850 hPa in summer was 13 g/kg， and that in autumn was 11 g/kg. In the same season， the specific humidity threshold of different months was also different.

Keywords ? ?number of rainstorm days; water vapor condition; specific humidity threshold; forecast application; Zhangjiajie Hunan

暴雨是我國主要氣象災害之一，其常導致山洪暴發(fā)、農(nóng)田漬澇、山體滑坡等災害，尤其是大范圍持續(xù)性暴雨和局地特大暴雨，給我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)作物生長等帶來較嚴重的危害和損失。張家界市地處武陵山脈腹地、澧水中上游地區(qū)，是湖南省三大暴雨中心之一。近年來，隨著氣象事業(yè)的不斷發(fā)展，廣大氣象工作者對暴雨開展了大量的分析和研究，在暴雨預報中取得了豐富的經(jīng)驗和方法。黃小玉等[1]利用2002—2004年5—7月15次伴有低空急流暴雨天氣過程的常規(guī)觀測資料進行了分析，歸納總結得出，湖南省汛期暴雨可以分為低槽暴雨和切變線暴雨兩大類。葉成志等[2]對“03.7”湘西北特大致洪暴雨過程進行綜合分析得出，有組織的多單體風暴活動是這一特大暴雨中心形成的主要原因。黃菊梅等[3]對湖南省2009年6月8—10日強降水過程成因分析得出，此次強降水是在西太平洋副高的一次增強北抬并迅速南落、中低空切變線長時間維持及擺動和溫濕能配置下形成的。

在實際預報業(yè)務中，湖南境內(nèi)對暴雨天氣的預報仍有很大難度，特別是對產(chǎn)生暴雨的水汽條件把握。強降水的產(chǎn)生需要充沛的水汽和持續(xù)的水汽輸送，分析水汽條件能很好地為暴雨預報提供有效的預報方法和手段。暴雨在大氣飽和比濕達到相當大的數(shù)值以上才形成[4]，因而本文著重分析比濕數(shù)據(jù)來表征產(chǎn)生暴雨的水汽條件。低層濕度對降水的貢獻最為重要，所以在本文中主要分析850 hPa上比濕的變化特征[4]。通過分析張家界地區(qū)近35年來暴雨日數(shù)和產(chǎn)生這些暴雨時850 hPa上比濕的變化特征，得出產(chǎn)生暴雨的比濕閾值，以期為今后進一步加深對暴雨天氣過程的水汽條件把握提供參考。

1 ? ?研究方法

計算閾值的方法有很多種，本文850 hPa比濕閾值采用王厚大等[5]研究的最頻值分割法來計算。張家界春季暴雨850 hPa比濕值近似滿足正態(tài)分布，依據(jù)貝葉斯判定準則：

Z=Zmin

式中，Z表示最佳閾值;Zmin表示正態(tài)分布函數(shù)的波谷值。

2 ? ?暴雨日數(shù)統(tǒng)計及特征

統(tǒng)計張家界市城區(qū)（永定區(qū)）1981—2015年逐月暴雨日數(shù)（圖1），可以看出，1月、2月和12月張家界未出現(xiàn)過暴雨，3月、4月、10月和11月出現(xiàn)暴雨日數(shù)≤5 d，而5—9月暴雨日數(shù)≥13 d，7月甚至出現(xiàn)了暴雨42 d，最大日降雨量為379 mm，出現(xiàn)在2003年7月9日。由此可見，張家界暴雨主要出現(xiàn)在夏季，雖然春季和秋季有暴雨但較少。

從張家界1981—2015年暴雨統(tǒng)計（表1）可以看出，暴雨集中在5—9月，大暴雨（≥100 mm）降水主要集中在6月和7月。此外，由于環(huán)境和氣候變化，2000年以后暴雨日數(shù)逐年增多，特別是10月的暴雨，均出現(xiàn)在2006年以后。

3 ? ?不同暴雨季節(jié)比濕統(tǒng)計及其特征

3.1 ? ?春季暴雨比濕統(tǒng)計及其特征

雖然張家界春季暴雨出現(xiàn)較少，但是暴雨日數(shù)隨著氣候變化呈逐漸增多的趨勢。1981—2015年張家界春季出現(xiàn)≥100 mm的降水只有1次，大暴雨在春季出現(xiàn)的較少與西南急流尚未建立及水汽輸送帶在春季尚未完全建立起來有關。

從張家界春季暴雨850 hPa上比濕（表2）可以看到，張家界春季產(chǎn)生暴雨時850 hPa上比濕值均≥12 g/kg，2004年5月11日甚至出現(xiàn)了17g/kg，這在春季是比較罕見的。另外，還可以看到比濕與雨量沒有絕對的正相關關系，這是因為雨量還與水汽的輸送有關，但比濕能很好地反映產(chǎn)生暴雨的水汽條件是否充足。此外，隨著季節(jié)的變化，比濕值逐漸增大，初春季節(jié)比濕略低，到了春末季節(jié)比濕要明顯比初春增大，這與季節(jié)溫度變化有關系。初春氣溫較低，空氣中水汽容易飽和，比濕值較夏季要小得多;春末夏初時氣溫比初春偏高，比濕值則相對較大。

根據(jù)比濕值判定方法，春季產(chǎn)生暴雨的水汽條件850 hPa比濕閾值為12 g/kg。在實際預報工作中，當春季出現(xiàn)850 hPa比濕≥12 g/kg時，若其他動力系統(tǒng)和水汽輸送配合較好，如高空低槽、西南低渦、西南急流等，則極有可能產(chǎn)生暴雨;當春季出現(xiàn)850 hPa比濕≥17 g/kg時，有可能還會出現(xiàn)大暴雨。

3.2 ? ?夏季暴雨比濕統(tǒng)計及其特征

6—8月副熱帶高壓北抬，我國雨帶位置也相應北抬，張家界迎來暴雨集中期。張家界年平均雨量為1 382.4 mm，6—8月平均降雨量占年平均雨量的43.8%。隨著季節(jié)的變化，夏季氣溫也逐漸升高，產(chǎn)生暴雨時的比濕肯定會比春季要增大。

從張家界夏季暴雨850 hPa比濕值可以看到，張家界夏季產(chǎn)生暴雨時850 hPa上比濕值均≥13 g/kg，7月和8月產(chǎn)生暴雨時850 hPa上比濕值均≥14 g/kg，2003年7月9日降雨量達379 mm，當日850 hPa上比濕值達19 g/kg。此外，夏季產(chǎn)生大暴雨時850 hPa上比濕值均≥16 g/kg。另一個顯著的特征是7月和8月整體比濕值要比6月大，這是由氣溫的季節(jié)變化引起的（表3）。

依據(jù)王厚大等[5]研究的最頻值分割法和貝葉斯判定準則，張家界夏季產(chǎn)生暴雨的水汽條件850 hPa比濕閾值為13 g/kg。在實際預報工作中，當夏季6月出現(xiàn)850 hPa比濕 ≥13 g/kg時，若其他動力系統(tǒng)和水汽輸送配合較好，如高空低槽、西南低渦、西南急流等，則極有可能產(chǎn)生暴雨，而7月和8月出現(xiàn)850 hPa比濕≥14 g/kg時，極有可能產(chǎn)生暴雨;當夏季出現(xiàn)850 hPa比濕≥16 g/kg時，很有可能出現(xiàn)大暴雨，甚至特大暴雨。

3.3 ? ?秋季暴雨比濕統(tǒng)計及其特征

張家界地區(qū)秋季暴雨發(fā)生相對較少，但隨著全球氣候變化，秋季暴雨有增多的趨勢。張家界1981—2015年秋季暴雨日數(shù)共21 d，其中2000年以前僅有6 d，2000年以后共發(fā)生了15 d。由于秋季氣溫較夏季偏低，故產(chǎn)生暴雨時的比濕值要比夏季小，特別是10月以后的暴雨比濕值偏低更為明顯。

從張家界秋季暴雨850 hPa比濕（表4）可以看出，張家界秋季產(chǎn)生暴雨時850 hPa上的比濕值均≥11 g/kg，9月暴雨比濕值均≥13 g/kg，而10月和11月產(chǎn)生暴雨時比濕值低至11 g/kg，這也是由氣溫的季節(jié)變化引起的。從整體趨勢來看，秋季暴雨時比濕值呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，秋季大暴雨發(fā)生時850 hPa比濕 ≥15 g/kg。

依據(jù)王厚大等[5]研究的最頻值分割法和貝葉斯判定準則，秋季產(chǎn)生暴雨的水汽條件850 hPa比濕閾值為11 g/kg。在實際預報工作中，當秋季9月出現(xiàn)850 hPa比濕≥13 g/kg時，有可能產(chǎn)生暴雨;當10月和11月出現(xiàn)850 hPa比濕≥11 g/kg時，有可能產(chǎn)生暴雨;秋季大暴雨發(fā)生需要850 hPa比濕≥15 g/kg。

4 ? ?比濕閾值在預報中的應用

在實際預報工作中，當春季出現(xiàn)850 hPa比濕≥12 g/kg時，若其他動力系統(tǒng)和水汽輸送配合較好，如高空低槽、西南低渦、西南急流等，則極有可能產(chǎn)生暴雨;當春季出現(xiàn)850 hPa比濕≥17 g/kg時，有可能還會出現(xiàn)大暴雨。

當夏季6月出現(xiàn)850 hPa比濕≥13 g/kg時，若其他動力系統(tǒng)和水汽輸送配合較好，如高空低槽、西南低渦、西南急流等，則極有可能產(chǎn)生暴雨;7月和8月出現(xiàn)850 hPa比濕≥14 g/kg時，極有可能產(chǎn)生暴雨;當夏季出現(xiàn)850 hPa比濕≥16 g/kg時，很有可能出現(xiàn)大暴雨，甚至特大暴雨。

當秋季9月出現(xiàn)850 hPa比濕≥13 g/kg時，有可能產(chǎn)生暴雨;而且當10月和11月出現(xiàn)850 hPa比濕≥11 g/kg時，有可能產(chǎn)生暴雨;此外，秋季大暴雨發(fā)生則需要850 hPa比濕≥15 g/kg。

5 ? ?結論

在暴雨降水天氣過程中，水汽條件必不可少，而且需要有持續(xù)的水汽輸送。本文通過統(tǒng)計張家界1981—2015年暴雨日數(shù)，以及產(chǎn)生這些暴雨時850 hPa上比濕值的變化特征，分析了不同暴雨季節(jié)產(chǎn)生暴雨時850 hPa比濕閾值。在實際預報工作中，這些比濕閾值將為暴雨預報提供判定水汽條件是否充足的有效參考。

由于不同季節(jié)氣溫有所變化，不同暴雨季節(jié)的比濕閾值也有所變化。總體來說，夏季比濕閾值要比春季和秋季略偏高。

張家界春季產(chǎn)生暴雨的水汽條件850 hPa比濕閾值為12 g/kg。在實際預報工作中，當春季出現(xiàn)850 hPa比濕 ≥12 g/kg時，若其他動力系統(tǒng)和水汽輸送配合較好，如高空低槽、西南低渦、西南急流等，則極有可能產(chǎn)生暴雨;當春季出現(xiàn)850 hPa比濕≥17 g/kg時，有可能還會出現(xiàn)大暴雨。

夏季產(chǎn)生暴雨的水汽條件850 hPa比濕閾值為13 g/kg。在實際預報工作中，當夏季6月出現(xiàn)850 hPa比濕≥13 g/kg時，若其他動力系統(tǒng)和水汽輸送配合較好，如高空低槽、西南低渦、西南急流等，則極有可能產(chǎn)生暴雨;7月和8月出現(xiàn)850 hPa比濕≥14 g/kg時，極有可能產(chǎn)生暴雨;當夏季出現(xiàn)850 hPa比濕≥16 g/kg時，很有可能出現(xiàn)大暴雨，甚至特大暴雨。

秋季產(chǎn)生暴雨的水汽條件850 hPa比濕閾值為11 g/kg。在實際預報工作中，當秋季9月出現(xiàn)850 hPa比濕≥13 g/kg時，有可能產(chǎn)生暴雨;當10月和11月出現(xiàn)850 hPa比濕≥11 g/kg時，則有可能產(chǎn)生暴雨;秋季大暴雨發(fā)生需要850 hPa比濕≥15 g/kg。

6 ? ?參考文獻

[1] 黃小玉，陳媛，顧松山，等.湖南地區(qū)暴雨的分類及回波特征分析[J].南京氣象學報，2006（5）：635-643.

[2] 葉成志，潘志祥，劉志雄，等.“03.7”湘西北特大致洪暴雨的觸發(fā)機制數(shù)值研究[J].應用氣象學報，2007（4）：468-478.

[3] 黃菊梅，陳靜靜，唐杰，等.2009年湖南主汛期一次暴雨過程分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2010，38（21）：11272-11276.

[4] 朱乾根，林錦瑞，壽紹文，等.天氣學原理和方法[M].4版.北京：氣象出版社，2007.

[5] 王厚大，梁棟，楊桓新，等.自動閾值選取的兩種算法[J].南京郵電學院學報，2002（4）：85-88.