江永縣短時(shí)強(qiáng)降水氣候特征及其影響因子分析

丘艷，呂慶添，周晨陽，周佳玲，陳玉宇

摘要 利用江永縣國家氣象觀測(cè)站1981—2020年逐小時(shí)雨量資料、歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）的ERA5再分析資料，以及日本國立情報(bào)學(xué)研究所提供的高空、地面天氣圖，分析了江永縣短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)次數(shù)的年變化、月變化、時(shí)段分布和極值分布特征，并總結(jié)了近40年造成江永縣短時(shí)強(qiáng)降水的天氣系統(tǒng)和環(huán)境物理量，以此了解江永縣短時(shí)強(qiáng)降水的氣候特征、影響系統(tǒng)等，為對(duì)其預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考。

關(guān)鍵詞 短時(shí)強(qiáng)降水;特征;影響因子

中圖分類號(hào)：P458.121 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2022）03–0134–03

短時(shí)強(qiáng)降水是指短時(shí)間內(nèi)降水強(qiáng)度較大，降雨量達(dá)到或超過某一量值的天氣現(xiàn)象。因其空間尺度小，來勢(shì)兇猛，可預(yù)報(bào)性差，且常伴有雷雨大風(fēng)等惡劣天氣，往往會(huì)造成比較嚴(yán)重的災(zāi)害。

江永縣位于湘南邊陲，春、夏季天氣系統(tǒng)活躍，短時(shí)強(qiáng)降水頻發(fā)，給當(dāng)?shù)厝嗣裆?cái)產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來較大的影響。因此深入研究江永縣短時(shí)強(qiáng)降水的氣候特征和影響因子尤為重要。近年來，國內(nèi)氣象工作者對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水多有研究。田付友等[1]研究了我國中東部不同級(jí)別短時(shí)強(qiáng)降水天氣的環(huán)境物理量分布特征，結(jié)果表明環(huán)境大氣中水汽多少可能是決定短時(shí)強(qiáng)降水級(jí)別的必要因素;姚蓉等[2]針對(duì)湖南不同區(qū)域短時(shí)強(qiáng)降水氣候規(guī)律及相關(guān)環(huán)境參數(shù)特征進(jìn)行了探討，研究了湖南短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征及不穩(wěn)定能量、水汽、動(dòng)力等環(huán)境參數(shù)特征。本文著重分析江永縣短時(shí)強(qiáng)降水的氣候特征，揭示其影響系統(tǒng)，環(huán)境物理量特征，為江永縣短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考。

1 資料來源

依據(jù)短時(shí)強(qiáng)降水業(yè)務(wù)規(guī)定，將1 h降水量≥20 mm的天氣過程定義為一個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例，所用資料為江永國家氣象觀測(cè)站1981—2020年逐小時(shí)雨量資料和歐洲數(shù)值預(yù)報(bào)中心（ECWMF）再分析資料ERA5（0.25°×0.25°），包括比濕、K指數(shù)、垂直速度。根據(jù)日常預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)規(guī)定，以4 h為一個(gè)時(shí)段，將一天劃分為上半夜（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 結(jié)果與分析

2.1 年變化

1981—2020年江永縣共發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水226次，平均每年發(fā)生5.7次，2005年最多，達(dá)15次，雨強(qiáng)平均為28.1 mm/h。年發(fā)生次數(shù)總體呈增加趨勢(shì)，線性傾向率為0.63次/10 a，相關(guān)系數(shù)未通過顯著性檢驗(yàn)，表明上升趨勢(shì)不明顯。

采用小波分析方法提取其變化周期（圖1）可以得到，江永縣短時(shí)強(qiáng)降水變化主要以 2～4 a和8～16 a為周期振蕩，該變化周期通過了0.05顯著性水平檢驗(yàn)，2～4 a譜在2003—2006年較顯著，8～16 a譜在2000—2010年振蕩非常顯著但受到了邊界效應(yīng)的影響。

2.2 月變化

分析短時(shí)強(qiáng)降水的出現(xiàn)次數(shù)月變化和時(shí)段分布特征可知，1981—2020年，江永縣2月開始出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣，5月最多，其次為6月，4—9月短時(shí)強(qiáng)降水天氣占總數(shù)的92%，這與汛期時(shí)間一致;在4—5月，短時(shí)強(qiáng)降水易發(fā)在下半夜和凌晨時(shí)段，符合“春季多夜雨”的特征;6月多發(fā)生在上半夜、凌晨和上午;7—9月則相對(duì)較少，在下午和傍晚多發(fā)，這是由于盛夏季節(jié)熱對(duì)流活動(dòng)旺盛，午后多局地性、突發(fā)性短時(shí)強(qiáng)降水。

2.3 時(shí)段分布

分析短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)段分布發(fā)現(xiàn)：（1）一天中不同時(shí)段、不同量級(jí)的短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)的頻次不同，有3個(gè)高峰期，在凌晨出現(xiàn)的頻次最高，其次為下半夜和傍晚時(shí)分，具有明顯的“夜雨”特征。（2）≥20 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)的頻次明顯高于其他量級(jí)，占總數(shù)的72.6%，日變化不明顯;≥30 mm/h的占23.9%，多出現(xiàn)在傍晚到凌晨時(shí)段;≥50 mm/h的明顯少于其他量級(jí)，易發(fā)在下半夜和凌晨。

2.4 小時(shí)雨量極值的分布特征

江永縣年1 h雨量極值有97.4%出現(xiàn)在汛期，5月最多，其次為6月，多出現(xiàn)在凌晨和傍晚。年小時(shí)雨量極值呈上升趨勢(shì)，線性傾向率為3.51 mm/10 a，相關(guān)系數(shù)通過了0.05顯著性水平檢驗(yàn)，表明上升趨勢(shì)顯著（圖2）。

圖2用Mann-Kendll法檢驗(yàn)1981—2020年江永縣小時(shí)雨量極值距平序列的突變，由UF曲線可見，1981—1982年江永縣小時(shí)雨量極值為下降趨勢(shì)，但下降趨勢(shì)不明顯，未通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)，自1983年開始轉(zhuǎn)為明顯的上升趨勢(shì)，且在2013—2020年這種上升趨勢(shì)通過了0.05顯著性水平檢驗(yàn)，上升趨勢(shì)顯著，且是突變現(xiàn)象，即從2003年開始。

3 短時(shí)強(qiáng)降水的影響因子分析

3.1 天氣系統(tǒng)分析

通過分析日本國立情報(bào)學(xué)研究所提供的1981—2020年江永縣高空、地面天氣圖，分析其環(huán)流形勢(shì)，把造成江永縣短時(shí)強(qiáng)降水的天氣系統(tǒng)分為4類：高空低槽型、華南靜止鋒型、熱帶天氣系統(tǒng)型、局地?zé)釋?duì)流型。

高空低槽型：此類型短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例占57.9%，多出現(xiàn)在4—7月，5月最多。其環(huán)流形勢(shì)主要有2類：一類是500 hPa中高緯地區(qū)，烏拉爾山以東到鄂霍次克海之間為兩槽一脊或兩脊一槽型，貝加爾湖東側(cè)為深厚的低槽，槽后偏北風(fēng)引導(dǎo)冷空氣南下，副熱帶高壓位于東部沿海，江永縣處于副高北側(cè)西風(fēng)帶中，當(dāng)100°E～110°E偏南位置有西風(fēng)帶冷槽活動(dòng)時(shí)，低槽前側(cè)與副熱帶高壓西側(cè)西南氣流將大量輸送到江永縣上空，與貝加爾湖南下冷空氣匯合，中低層有低渦或切變線生成、西南急流發(fā)展，引發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水。另一類是500 hPa中高緯地區(qū)環(huán)流特征為烏拉爾山為高壓脊，貝加爾湖到鄂霍次克海為寬廣的低壓區(qū)，移動(dòng)性低槽活動(dòng)頻繁，副熱帶高壓位于華南沿海，南支槽波動(dòng)頻繁，不斷有小槽東移，當(dāng)北方小槽帶來的冷空氣與南支槽波動(dòng)攜帶的西南暖濕氣流交匯，有利于短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生。

華南靜止鋒型：此類短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例僅占3.5%，4—6月多發(fā)，其環(huán)流特征為：青藏高原有短波槽東移，中低層有槽線或切變線，地面冷空氣南下受南嶺山脈阻擋，形成華南靜止鋒，南下引發(fā)江永縣短時(shí)強(qiáng)降水。

熱帶天氣系統(tǒng)型：主要為華南沿海的臺(tái)風(fēng)低壓和地面低壓倒槽造成，占13.3%，多出現(xiàn)在7—8月。其環(huán)流形勢(shì)主要有2類：一類是減弱的熱帶低壓環(huán)流，500 hPa副熱帶高壓中心停留在我國東部沿海，588線在東部沿海或115°E以東，脊線位于25°N以北，有利于臺(tái)風(fēng)從華南沿海登陸后北上或向西移，北部為大陸高壓，與西伸加強(qiáng)的副熱帶高壓打通形成高壓壩，使熱帶低壓長時(shí)間影響江永縣，造成短時(shí)強(qiáng)降水。另一類是地面低壓倒槽，500 hPa副熱帶高壓位于我國東部沿海，華南沿海的臺(tái)風(fēng)低壓倒槽或北部灣低壓倒槽向東向北延伸影響江永縣，進(jìn)而產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水[3-4]。

局地?zé)釋?duì)流型：副熱帶高壓北側(cè)的西南氣流水汽條件充足，在夏季的午后容易產(chǎn)生局地短時(shí)強(qiáng)降水，此類型短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例占11.9%，多出現(xiàn)在7—9月。7月上旬副熱帶高壓脊線越過25°N以北，江永縣上空受其控制為晴熱高溫天氣，當(dāng)副高減弱東退時(shí)，受其邊緣偏南氣流影響，有利于午后局地?zé)釋?duì)流產(chǎn)生，造成短時(shí)強(qiáng)降水。

除上述以外的天氣系統(tǒng)包括兩高切變型、西南急流型等，但出現(xiàn)次數(shù)較少。

3.2 環(huán)境條件分析

3.2.1 水汽條件 比濕是表征空氣中水汽含量的主要物理量之一。郭艷君，丁一匯認(rèn)為90%以上的水汽集中在500 hPa以下的大氣層，低層比濕對(duì)降水的貢獻(xiàn)最為重要。包慧濛等[5]認(rèn)為，我國25.5°N以南區(qū)域冬季暴雨日850 hPa平均比濕為8.2～9.2 g/kg，春、秋季為11.2～14.8 g/kg，夏季為15.3 g/kg左右，對(duì)產(chǎn)生暴雨的水汽條件具有一定的指示意義。分析發(fā)現(xiàn)：850 hPa比濕值有明顯的季節(jié)特征，第25%、第50%及第75%分位值在夏季達(dá)到最大，這可能與夏季低層的暖濕氣流輸送有關(guān);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，表明當(dāng)江永縣發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水同時(shí)伴隨產(chǎn)生暴雨的可能性極大（圖3）。

3.2.2 熱力穩(wěn)定度條件 K指數(shù)能夠表征大氣層結(jié)穩(wěn)定度情況，K指數(shù)越大，表示低層大氣越暖濕，層結(jié)越不穩(wěn)定。強(qiáng)降水一般產(chǎn)生在30℃