海南島4—9月短時強降水的天氣型和環境參數特征

石娟 鄭艷 柯元惠 蔣賢玲

(1 海南省氣象臺,海口 570203; 2 海南省南海氣象防災減災重點實驗室,海口 570203)

引言

海南島地處熱帶地區北緣,降水豐沛,是地球上同緯度降雨量最多的地區之一,年平均降水量達1800 mm[1],短時強降水常造成城市內澇和山體滑坡等地質災害,因此引起了越來越多的關注[2-6]。造成不同地區的短時強降水的影響系統、水汽、不穩定等條件各不相同[7]。王叢梅等[8]分析指出有利的大尺度環境條件可產生高強度短時強降水。花家嘉等[9]發現較好的水汽條件,較高的暖云層厚度和較弱的垂直風切變配合有利于觸發短時強降水。環境中水汽多少可能是決定短時強降水的級別的重要因素[10-11]。陳元昭等[12]和黃艷等[13]分別研究了珠江三角洲地區和南疆短時強降水的關鍵物理量特征。郝瑩等[14]提出中等強度的對流有效位能(CAPE)和較高的K指數有利于產生高效率的降水[15-17]。短時強降水和850 hPa溫度露點差、對流有效位能,垂直風切變等有較好的相關性。短時強降水與天氣尺度系統、地形均密切相關[18-20]。觸發短時強降水的天氣型各不相同,強降水落區也各有差異。付超等[21]針對江西省短時強降水建立5種短時強降水概念模型,得到不同概念模型下物理量特征。周晉紅等[22]對太原不同天氣型下的短時強降水環境參數特征進行了分析,得到不同強度短時強降水的環境參數指標,這些指標對短時強降水的潛勢預報有一定參考意義。

海南島的強降水研究多針對暴雨過程,馮文等[23-24]對海南島秋汛期暴雨的時空分布和環流季節特征進行了深入研究。馬學款等[25]和汪匯潔等[26]指出熱帶輻合帶和地形與海南島強降水關系密切。相對暴雨而言,海南島短時強降水主要由中小尺度系統觸發,具有生命史短,局地性強等特點,預報難度大,因此有必要對海南島短時強降水影響系統及環境參數特征進行研究,以期為該地區短時強降水預報預警提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料

所用資料選取2017—2021年4—9月海南島430個地面自動站逐小時觀測資料,歐洲中期數值預報中心(ECMWF) 時間間隔為1 h、空間分辨率為0.25°×0.25°的第五代全球再分析資料(ERA5)。短時強降水指1 h降雨量超過20 mm的降水。

1.2 方法

國家站或區域站一日中出現10個站次或以上的短時強降水為一個區域性短時強降水日,剔除了熱帶氣旋引起的短時強降水,僅考慮強對流引起的短時強降水。考慮資料的可靠性,僅單站出現20 mm以上的強降水且周圍站點無降水的情況視為無效資料,一共挑選出158個典型短時強降水日。針對引起短時強降水的不同觸發機制,基于850 hPa環流形勢進行分型,分別為南海低壓槽型、華南沿海槽型、西南低壓槽型、冷鋒型[1]。前人的研究多采用探空資料計算環境參數[27-29],而我國的探空站的空間分辨率和時間分辨率分別為200～300 km和12 h,僅用兩個時次的探空觀測來計算短時強降水發生時的環境參數可能存在誤差,同時,如果發生短時強降水的地點距離探空站較遠,存在的誤差可能更大。因此為了解決探空資料時間和空間分辨率較粗的問題,本文在天氣分型的基礎上,利用高時空分辨的ERA5資料計算出短時強降水發生時當地各層水汽、動力、不穩定能量等物理量條件,包括了表征不穩定條件的K指數和CAPE,表征水汽條件的850 hPa和500 hPa的溫度露點差以及動力條件0～3 km、0～6 km的垂直風切變,分析短時強降水發生時不同環境參數的特征。

2 海南島短時強降水過程的特征

本文采用ERA5資料制作各天氣類型短時強降水過程的合成場,合成場由相同天氣型下所有短時強降水過程的大氣環流基本要素場平均而成,合成場的時間選取短時強降水發生時的時間計算,分析各天氣類型短時強降水背景場的配置。圖1給出了不同天氣型的流型合成場。

圖1 2017—2021年4—9月海南島不同天氣型短時強降水的合成平均環流場:(a)南海低壓槽,(b)華南沿海槽,(c)西南低壓槽,(d)冷鋒(黑色粗實線代表925 hPa切變線位置,黑色等值線代表500 hPa位勢高度,風羽代表925 hPa風場,填色代表925 hPa水汽通量)

2.1 南海低壓槽型

南海低壓槽型影響時(圖1a),靠近海南島南部海面有一東西向的切變線,海南島位于切變線北端,受東南氣流影響,低層切變線為短時強降水提供了較好的動力抬升條件,從925 hPa水汽通量可以看出,海南島北部、中部和東部地區水汽通量在6～9 g/(cm·hPa·s)之間,比其它地區偏大,因此南海低壓槽型下短時強降水多發生在上述地區(圖2a),高頻區站點年均頻次在3次以上,年均頻次最高的站點位于海南島東部的瓊海地區,達4.5次。經統計,南海低壓槽形勢下的短時強降水日有59 d,總占比為37%。

圖2 2017—2021年4—9月海南島不同天氣型下短時強降水發生頻次的空間分布:(a)南海低壓槽,(b)華南沿海槽,(c)西南低壓槽,(d)冷鋒(陰影表示海拔高度,下同)

2.2 華南沿海槽型

華南沿海槽型影響時(圖1b),在華南沿海有東西向的西南-東南風的切變,海南島受切變線南側西南氣流影響,從925 hPa水汽通量來看,南海北部和中南半島的水汽含量比其它各型高,暖濕的西南氣流將孟加拉灣的水汽向海南島輸送,在北部地區產生水汽輻合,出現短時強降水頻次較高的站點主要集中在海南島北部內陸和西部(圖2b),高頻區站點年均頻次在2次以上;在海南島此類天氣型下短時強降水日為48 d,占比為31%。

2.3 西南低壓槽型

西南低壓槽影響時(圖1c),500 hPa副熱帶高壓呈塊狀分布,西脊點伸至100°E,脊線位于12°N,海南島位于其西北側邊緣,925 hPa上,北部灣有一弱的氣旋性環流,海南島受西南氣流影響,西南低壓槽影響時海南島午后易出現高溫天氣,且常在西部沿海的偏北海風和西南背景環流匯合下,在海南島西部沿海一帶形成海風鋒,在五指山以北地區造成短時強降水等強對流天氣(圖2c),多數站點年均頻次基本在1～1.5次。此類形勢下的短時強降水日有26 d,日數偏少,占比16%,一般和海陸風的輻合強度有關。

2.4 冷鋒型

冷鋒型天氣影響時(圖1d),500 hPa中高緯在我國東部沿海地區有深厚的西風槽,引導冷空氣南下,925 hPa水汽含量較低,說明此類型不需要大量的水汽條件也可能造成短時強降水,925 hPa上,海南島有偏東氣流的輻合,冷暖氣流交匯,受海南島五指山山脈的阻擋,短時強降水多發生在海南島北部地區(圖2d),南部有較分散的站點,和冷空氣的強度有關,大多數站點年均頻次偏低。此類天氣型下短時強降水為25 d,占比16%。

2.5 降水強度空間分布

不同天氣型下短時強降水平均強度的空間分布略有不同(圖3),南海低壓槽和華南沿海槽型下短時強降水平均強度達30 mm/h以上的站點比其它兩型偏多,且主要分布在五指山以北地區;冷鋒型下短時強降水平均強度達40 mm/h以上站點數最多;西南低壓槽型下的短時強降水平均強度最小。

圖3 同圖2,但為雨強平均強度的空間分布

分析不同天氣型下短時強降水極大值空間分布特征(圖4)發現,不同天氣型下出現降水極端值的空間分布差異較明顯。其中南海低壓槽和華南沿海槽型下短時強降水達60 mm/h以上的站點多于其它類型,且落區主要分布在海南島的北部、中部和東部地區;西南低壓槽型下短時強降水的極端值強度略偏小,短時強降水達50 mm/h以上的站點多集中在海南島的東北部地區;冷鋒型下的短時強降水極端值落區范圍比西南低壓槽型略多, 主要分布在海南島的北部內陸和東部沿海地區。

圖4 同圖2,但為雨強極大值的空間分布

2.6 短時強降水時間分布特征

圖5為2017—2021年4—9月逐月海南島不同天氣型下短時強降水日所占百分比。可以看出,冷鋒型短時強降水主要出現在4、5月,且4月多于5月;西南低壓槽型短時強降水4—8月均有可能出現,6月的百分比略高;南海低壓槽型短時強降水出現在5—9月,其中7、9月百分比明顯高于其他月,9月最高,達83%,為9月短時強降水的主要貢獻者;華南沿海槽型短時強降水5—9月均可出現,6、8月的貢獻大于其他天氣型。

圖5 2017—2021年4—9月海南島不同天氣型短時強降水日占當月短時強降水日的百分比

從4—9月日變化特征看(圖6),4月的短時強降水主要為西南低壓槽和冷鋒型,其中冷鋒型偏多,西南低壓槽型短時強降水時間段集中在下午16:00—20:00,其他時間段短時強降水發生概率較低,冷鋒型高發時段集中在14:00—20:00,峰值時刻站次達130站次,其他時間段也有發生,頻次較低,可能和冷空氣影響時間段有關;5月,不同天氣型的短時強降水集中在15:00—19:00,峰值時刻次數達202站次,其他時間段,短時強降水發生概率較低,各時刻站次基本在10站次以下;6月和4月短時強降水的分布規律類似,00:00—13:00和19:00—24:00,幾乎沒有短時強降水發生,高峰時間段集中在15:00—18:00,峰值時刻站次達140站次;7月的短時強降水影響系統主要是南海低壓槽型,15:00—19:00為高發時段,峰值時刻站次達97站次;8月,13:00—19:00為短時強降水高發時段,峰值時刻站次達390站次,比其他月份明顯偏多,主要是華南沿海槽型,其次是南海低壓槽型;9月,15:00—19:00為短時強降水高發時段,峰值時刻站次達220站次,主要是南海低壓槽型。

圖6 2017—2021年4—9月海南島不同天氣型短時強降水次數日變化(a)4月,(b)5月,(c)6月,(d)7月,(e)8月,(f)9月

3 短時強降水環境參數特征

強對流天氣主要發生在大氣處于一定的水汽條件、條件不穩定和適當的垂直風切變的環境下,短時強降水的發生很大程度上取決于降水效率[30]。本文利用2017—2021年篩選出的短時強降水過程資料與同時段ERA5資料進行時空匹配,計算得到短時強降水發生時的相關物理量環境參數,包括表征大氣靜力穩定度的對流有效位能CAPE和K指數,表示水汽條件的850 hPa與500 hPa溫度露點差,代表垂直風切變的0～6 km和0～3 km的風速差。參照百分位數概念,將一組數據按從小到大的順序排列,并計算相應的累計百分位,則某一百分位所對應的數據的值為該百分位的百分位數。具體為:一組n個觀測值按數值大小排列,處于p%位置的值稱為第p百分位數。本文計算了四種不同天氣型下各物理量參數的相應百分位。

3.1 不穩定條件

K指數可以反映層結穩定狀況,K值越大,大氣越不穩定,它是日常強對流天氣預報的物理量判據之一。K指數表征中低層不穩定,K指數越大,低空水汽條件越好,層結越不穩定,越有利于短時強降水的發生。因此,“上干冷,下暖濕”的對流層中低層層結都會引起K指數的增大。從圖7可以看出,華南沿海槽型下K指數比其它類型偏高,說明其低層水汽條件比較重要,冷鋒型下K指數最小,但是四類天氣型的K指數50%分位數值都在34 ℃以上,但不同類型短時強降水在同樣的百分位點的相應K指數值較為接近,即有利于南海低壓槽型短時強降水的不穩定條件同時也有利于其他幾類短時強降水,因此K指數不能用于顯著區分幾類短時強降水的不穩定條件。在日常業務中常用CAPE來判斷深厚濕對流,和K指數類似,冷鋒型下CAPE值最小,此類天氣型短時強降水的發生一般是動力系統發展導致的,90%的過程CAPE≤1000 J·kg-1。華南沿海槽型CAPE值最大,說明華南沿海槽型下的短時強降水需要較強的對流不穩定條件觸發,除冷鋒型外,其他各型50%分位CAPE值為1000～1300 J·kg-1。

圖7 2017—20021年4—9月海南島不同天氣型短時強降水K指數(a)和CAPE值(b)百分位數分布

3.2 動力條件

垂直風切變是影響對流風暴組織結構的主要因素,分別計算了0～3 km和0～6 km的風速差(圖8)。不同天氣型0～3 km風速差的范圍在0～22 m/s之間,50%百分位的值在10 m/s以下,屬于弱的垂直風切變,中國的大多數極端強降水一般出現在深層垂直風切變較弱的環境下[31]。南海低壓槽型0～3 km垂直風切變都屬于弱垂直風切變,華南沿海槽和西南低壓槽型90%百分位都出現在弱垂直風切變環境下,而冷鋒型只有60%分位數處于弱垂直風切變。從0～6 km風速差可以看出,冷鋒型75%百分位風速差大于10 m/s,其他各型與0～3 km類似, 90%百分位都出現在弱垂直風切變環境下。

圖8 同圖7,但為0～3 km(a)與0～6 km(b)風速差

3.3 水汽條件

對流性短時強降水需要深厚的濕度條件,本文利用850 hPa溫度露點差來表示低層水汽飽和度,500 hPa溫度露點差來表示中高層大氣的干濕程度。圖9分別為不同天氣型下海南島短時強降水850 hPa和500 hPa溫度露點差箱線圖。箱線圖的上部框線和下部框線分別是數據的上四分位數和下四分位數,這意味著包含了50%的數據,中間的虛線表示數據的平均值。從圖中可知,西南低壓槽型850 hPa溫度露點差均值為5.4 ℃,50%的過程850 hPa溫度露點差在5～7.3 ℃,說明此類型在低空水汽較差的情況下也可能出現短時強降水。其它各型的均值都在3 ℃左右,說明其發生短時強降水時低層濕度條件較好,冷鋒型500 hPa溫度露點差均值比其它天氣型明顯偏大,達13.2 ℃,說明冷鋒型短時強降水發生時有明顯的干層存在,此類型在水汽條件較差的情況下也可發生短時強降水。

圖9 2017—2021年4—9月海南島不同天氣型短時強降水850 hPa(a)和500 hPa(b)溫度露點差箱線

4 結論與討論

本文統計了海南島2017—2021年4—9月158個區域性短時強降水過程,研究了其時空分布、天氣形勢和環境參數特征,得到以下主要結論:

(1)海南島4—9月短時強降水的天氣型可分為南海低壓槽、華南沿海槽、西南低壓槽和冷鋒型四類,其中南海低壓槽和華南沿海槽占比均超過30%,西南低壓槽和冷鋒型占比相當,為16%。冷鋒型短時強降水主要出現在4、5月;7、8、9月的短時強降水以南海低壓槽和華南沿海槽為主;西南低壓槽型短時強降水除9月外,其余各月均可能出現,但占比不高。冷鋒型短時強降水雨強最大,西南低壓槽型短時強降水雨強最小。海南島短時強降水日變化特征明顯,各月不同天氣型下海南島短時強降水大多集中在15:00—19:00。

(2)不同天氣型下短時強降水空間分布差異明顯,南海低壓槽型高頻站點主要集中在海南島東北部內陸,高頻區站點年均頻次在3次以上;華南低壓槽型高頻站點主要集中在海南島北部內陸和西部;西南低壓槽型主要集中在五指山以北地區,年均頻數較低,多數站點年均頻次基本在1～1.5次,站點比較分散,和海陸風輻合發生的位置有關;冷鋒型多發生在海南島北部地區,南部也有少數站點,和冷空氣強度有關。

(3)環境參數特征分析表明,華南沿海槽型大氣不穩定能量最大,從低層到中高層濕度條件較好,說明其發生短時強降水需要較大的不穩定能量。冷鋒型大氣不穩定能量最小,上干下濕特征明顯,0～6 km風速差大于10 m/s的情況下也能觸發短時強降水。南海低壓槽型垂直風切變較小,整層濕度條件都較好。西南低壓槽型大多數過程的不穩定能量較大,0～3 km風速差在3 m/s以下,水汽條件相對其他各型較差。

海南島是短時強降水的高發地區,造成短時強降水的系統復雜,本文統計了短時強降水在不同天氣型下的環境參數特征,利用這些特征選取短時強降水預報的指標閾值有一定的指示意義,下一步將從中小尺度方面對海南島短時強降水個例的抬升觸發機制進行分析,以提升海南島短時強降水的預報能力。