程 鹏，罗 汉，陈佩璇，曹彦超，李宝梓，陈 祺

(1.甘肃省人工影响天气办公室,甘肃 兰州 730020；2.兰州区域气候中心，甘肃 兰州 730020；3.甘肃省庆阳市气象局,甘肃 西峰 745000)

引 言

短时强降水是指在短时间内出现的强降水事件，在我国天气预报业务中一般指1 h雨量达到或超过20 mm的降水事件[1]。因其突发性强、时效短，预报难度大，是强对流天气中发生频率高、危害大的极端天气事件，也是气象灾害的重要诱因之一。短时强降水天气多发生于夏半年，因午后地表增温强易使大气层结不稳定，在有利的动力、热力及水汽条件下极易发生短时强降水[2-3]。甘肃省尽管年降水量偏少，但因其特殊的地质条件和脆弱的生态环境，短时强降水常诱发山洪、泥石流等地质灾害[4-5]。庆阳地处黄土高原，紧邻六盘山山系，属于半干旱半湿润气候过渡区，是短时强降水等强对流天气的多发地[6-7]。由于黄土高原沟壑纵深，短时强降水极易汇集成局地洪水和泥石流，造成巨大的经济损失和严重的人员伤亡[8-9]。如2013年7月14日发生在环县樊家川的短时强降水天气，小时雨量最大达42.3 mm，引发的山洪灾害造成4人死亡，6人失踪，直接经济损失达8.2亿元人民币。因此，加强该区域短时强降水天气的预报预警研究对提升防灾减灾能力至关重要。

随着我国气象观测体系的持续发展，雷达、区域自动站等观测设备的大面积布网为强对流天气的临近预报预警研究提供了重要手段。研究表明，强对流天气发生发展的环境参数和雷达特征量在实际预报中有一定指示意义[10-13]，选择合适的雷达特征量如强回波中心高度、VIL、强回波等建立的预警指标可进行强对流天气的识别及临近预警[14]；有利的大尺度环境条件是产生短时强降水的重要原因[15-16]，热力不稳定、动力不稳定、水汽及触发机制等条件决定着对流发展的深厚程度以及伴随的天气现象[17]，通过环境条件参数特征的对比分析可有效区分强对流天气。相对冰雹、雷暴等强对流天气，短时强降水需要较高的0 ℃、-20 ℃层高度和较低的温度露点差以及弱的垂直风切变[18]，短时强降水量值越大，其所需的水汽和不稳定能量条件越高[19]，而环境参数的6 h变量在临近预报中比参量本身更具有指示意义[20]。另外发现，不同地区同一类型强对流天气发生的环境条件差异显著[21-22]，如我国中东部地区强对流发生的水汽条件要比美国大平原地区更好[23]，而不同量级的短时强降水所需的环境参数条件也不同[19]。通过诊断分析中尺度对流系统发生发展的环境参数条件建立的“配料法”，目前普遍应用于强对流天气预报业务中[24-25]。

中国西北地区东部短时强降水天气具有明显的季节性和区域性特征，春末夏初和秋季的短时强降水主要为低槽型，盛夏主要为西南气流型和两高切变型[26-27]，短时强降水预报一直是业务中的重点和难点问题。该区域下垫面条件复杂，物理量参数预警阈值在实际预报中存在一定差异[28-29]，因此，需要深入开展该区域强对流天气尤其是短时强降水天气的环境参数和雷达回波特征分析，以提高预报预警能力。本文利用2008—2018年自动气象站降水量、多普勒天气雷达和探空资料，针对庆阳黄土高原地区短时强降水的物理量参数和雷达特征量进行统计和诊断，建立预警指标及阈值，以期为该区域短时强降水的潜势预报和临近预警提供参考。

1 资料及处理

使用2008—2018年甘肃庆阳市197个自动气象站小时雨量观测数据以及平凉站探空数据和西峰站新一代天气雷达资料。通过数据质量控制，剔除可疑数据，按照小时雨量等于或大于20 mm的标准，筛选短时强降水数据，并将一日内短时强降水达2站次及以上的过程作为1次个例，经统计，符合标准的短时强降水个例共129次。此外，统计了1 h降水量在20～30 mm、30～50 mm和50 mm及以上的频次。

2 结果与分析

2.1 短时强降水的时空分布特征

从不同量级短时强降水的逐月分布[图1(a)]看出，近11 a间4—10月庆阳黄土高原地区均有短时强降水出现，最早始于4月中旬，最晚止于10月中旬，呈现典型的“单峰型”月分布特征，7、8月出现频次显著偏多，8月为峰值，且随着降雨量级增大，发生频率显著减小。不同量级短时强降水的月分布略有差异，其中20～30 mm·h-1降水发生频次以8月最多，7月次之，发生频次占比分别为44.3%、37.6%；30～50 mm·h-1的降水发生频次7、8月相近，占比分别为39.2%、38.8%；50 mm·h-1及以上的短时强降水仅出现在5—8月，7、8月相对偏多，8月为峰值。

从逐旬分布[图1(b)]来看，短时强降水集中出现在7月上旬到8月中旬，8月中旬最多，7月中旬次多，11 a间发生频次均超过100次，分别为170、128次。这与西太平洋副热带高压(简称“副高”)位置密切相关，7月上旬副高第二次北跳至25°N以北，庆阳中南部处在副高西北部边缘的暖湿气流中，致使7月中旬短时强降水较多，出现高峰；7月末至8月初副高第三次北跳，庆阳地区受副高西北部的西南气流影响，为短时强降水的发生提供较好的水汽、不稳定及能量条件，在有利的触发机制下易产生短时强降水，出现第二次高峰。

从短时强降水的逐时变化[图1(c)]看出，庆阳黄土高原地区短时强降水存在明显的“双峰型”日变化特征，11 a间各时次短时强降水均有发生，主要发生在午后至前半夜(14:00—24:00，北京时，下同)，占总频次的64.0%。其中，20～30 mm·h-1降水主峰在17:00前后(占总频次的7.6%)，次峰在09:00前后，而正午12:00前后最不活跃；30～50 mm·h-1的短时强降水日变化特征与20～30 mm·h-1相似，高发时段也集中在14:00—24:00，主峰在16:00前后，较20～30 mm·h-1的主峰有所提前；50 mm·h-1及以上的短时强降水与前两者差异较大，12:00—23:00多有发生，高发时刻为18:00。可见，16:00—18:00是庆阳黄土高原地区不同量级短时强降水的高发时段。

2008—2018年间，短时强降水在庆阳各地均有出现，高发中心相对分散，其中以北部和东南部居多[图2(a)]。经统计，30 mm·h-1及以上的短时强降水个例占比(21.3%)较高，高发中心分别位于北部的环县和东南部的正宁县[图2(b)]，这类降水造成的危害巨大，2个高发中心是业务预报中重点关注区域。

2.2 短时强降水的影响系统分型及强降水落区

经个例中尺度诊断分析发现，庆阳黄土高原地区短时强降水天气的主要影响系统有低槽(低涡)型、西北气流型和西南气流型3种类型，低槽(低涡)型最多，占49%，西北气流型次之，占31%，副高外西南气流型占17%，而无明显影响系统的仅占3%。低槽(低涡)型，500 hPa有明显的高空槽东移影响庆阳地区，低层700 hPa有切变线或地面辐合线配合，整层湿度大，湿层深厚，700 hPa比湿在10 g·kg-1以上，陇东南水汽输送带明显，降水区主要位于庆阳中南部。西北气流型，500 hPa庆阳地区受槽后西北气流控制，且有明显的冷平流和干舌，整层湿度条件差，层结不稳定较强，相比于其他两种类型，降水落区较为分散。副高外西南气流型，500 hPa有低槽，庆阳地区处在副高外围或584 dagpm线外围，整层湿度大，湿层深厚，700 hPa西南气流较为明显，有低空急流和湿轴，降水落区随副高位置而变化。可见，3种类型短时强降水的环流背景、影响系统和降水落区差异较大，均具有一定的明显特征。

图1 庆阳黄土高原地区短时强降水频次的月(a)、旬(b)、日(c)变化特征Fig.1 The monthly (a), ten-day (b) and hourly (c) variation characteristics of frequency of short-term strong rainfall in the Loess Plateau of Qingyang

图2 庆阳黄土高原地区短时强降水(a)和30 mm·h-1及以上短时强降水(b)累计发生次数的空间分布Fig.2 The spatial distributions of accumulative times of short-term strong rainfall with rainfall intensity equal to or more than 20 mm·h-1 (a) and 30 mm·h-1 (b) in the Loess Plateau of Qingyang (Unit: times)

2.3 短时强降水的环境参数特征

短时强降水天气的发生需要具备较好的不稳定、水汽和触发等条件[20]。因此，对庆阳地区短时强降水的雨量与平凉站20:00探空资料的物理量进行相关分析，筛选出相关性较好的对流有效位能(CAPE)和对流抑制(CIN)(能量因子)、比湿和温度露点差(水汽因子)、700 hPa与500 hPa温差和K指数及SI指数(不稳定因子)，以及0 ℃、-20 ℃层和冻结层厚度(特殊高度层)等12个环境物理量参数。

2.3.1 水汽条件

温度露点差(T-Td)是用来衡量大气湿度的一个重要参量，其值越大，表示湿度越小，反之，湿度越大。甘肃省强对流天气中尺度分析规范中，当700 hPa的T-Td≤3 ℃时表示湿区，500 hPa的T-Td≥15 ℃时表示干区，上干下湿说明有干冷空气侵入，有利于强雹暴的产生和发展。经分析发现，庆阳地区短时强降水大多数个例整层湿度较好，接近饱和，700 hPa和500 hPa温度露点差平均分别为5.0、8.7 ℃，其中53%的个例700 hPa的T-Td≤3 ℃，62.4%的个例500 hPa的T-Td≤5 ℃，而由干空气侵入(上干下湿)引发的个例较少，仅占4%。另外，从温度露点差垂直分布来看，庆阳地区短时强降水大部分个例高低层湿度条件较好，整层都干和上干下湿的个例很少。

从温度露点差逐月变化[图3(a)和图3(b)]看出，5—9月700 hPa和500 hPa温度露点差均呈现先减后增的月变化特征，7—8月水汽条件最佳，700 hPa温度露点差均值分别为2.5、3.0 ℃，而500 hPa在8月更为集中，水汽条件转好。这是因为7月上旬随着副高的第二次北跳，庆阳地区处在西太副高西北边缘的暖湿气流中，为短时强降水的发生提供了充沛的水汽条件。从比湿[图3(c)和图3(d)]看出，71.2%的短时强降水个例的700 hPa比湿超过7 g·kg-1，且5—9月先增后减的月变化特征明显，7月最大，平均为10.3 g·kg-1；500 hPa比湿5、6月变化不大，7、8月明显增大，平均值均为4.6 g·kg-1，9月迅速减小。综合来看，庆阳地区60%的短时强降水个例发生在700 hPa温度露点差低于4 ℃且比湿高于7 g·kg-1的环境条件下。

图3 庆阳黄土高原地区5—9月短时强降水过程期间700 hPa(a、c)和500 hPa(b、d)温度露点差(a、b)和比湿(c、d)箱型图Fig.3 The box plots of temperature dew-point difference (a, b) and specific humidity (c, d) on 700 hPa (a, c) and 500 hPa (b, d) during the short-term strong rainfall processes from May to September in the Loess Plateau of Qingyang

2.3.2 不稳定条件

SI指数和K指数都能较好地反映大气的稳定度，是日常强对流天气预报中关注的两个指标。若SI>0，表示气层较稳定；若SI<0，则表示气层不稳定，负值越大，不稳定性越大。当温度递减率越大，累积不稳定能量越多且低空水汽接近饱和时，层结不稳定越明显，K指数也越大。统计分析来看，庆阳黄土高原地区短时强降水个例的K指数平均为36.7 ℃，K指数超过40 ℃(发生强对流的可能性大)的短时强降水个例占33.3%。5月的K指数离散度较大，作为预报指标参考性较差，而6—8月的K指数为33～42 ℃，均值分别为35、38和40 ℃[图4(a)]；SI指数平均为-0.86 ℃，82.2%的短时强降水个例的SI低于1 ℃，5月SI均值在1 ℃以上，6—8月均值相对稳定，在-1.5 ℃附近[图4(b)]，有很好的参考性。另外，在实际预报业务中常用700 hPa和500 hPa的温差(△T7-5)表示大气中低层的温度直减率，来反映大气静力稳定度状况。庆阳地区短时强降水大部分个例的△T7-5≥15 ℃，6—8月的均值分别为18、14、15 ℃[图4(c)]，较该地区冰雹发生时的值[8]略小。可见，SI、K指数和△T7-5在6—8月对庆阳地区短时强降水的潜势预报有较好的指示性。从SI与△T7-5和K散点图[图4(d)和图4(e)]看出，庆阳地区50%的短时强降水个例出现在K≥38 ℃且SI≤1 ℃的环境下，58%的短时强降水出现在△T7-5≥15 ℃且SI≤1 ℃的环境下，可以将K≥38 ℃、△T7-5≥15 ℃和SI≤1 ℃作为当地短时强降水天气预报的一个指标。

图4 庆阳黄土高原地区5—9月短时强降水期间K指数(a)、SI指数(b)、△T7-5 (c)箱型图及SI指数与△T7-5 (d)、K指数(e)的散点图Fig.4 The box plots of K index (a), SI index (b), △T7-5(c) and the scatter diagrams of SI index and △T7-5(d), K index (e) during the short-term strong rainfall processes from May to September in the Loess Plateau of Qingyang

2.3.3 能量条件

CAPE和CIN是用来判断强对流天气潜势的重要参数。5—9月期间，庆阳黄土高原地区CAPE呈先增后减的月变化特征[图5(a)]，6月最大，是5月和9月的3～4倍。54.7%的短时强降水个例的CAPE值介于100～2000 J·kg-1，超过1000 J·kg-1的个例仅占14.5%，CAPE值越大，越有利于强对流天气的产生。然而，CAPE值受抬升高度影响差异较大，其阈值在实际应用中需要订正，可作为未来强天气潜势的度量指标之一，但不能作为短时强降水发生与否的判断依据。对流抑制能量是气块获得对流潜势必须超越的能量临界值，CIN值越小越有利于强对流的产生。统计分析发现，庆阳地区88.9%的短时强降水个例的CIN集中在120 J·kg-1以下，CIN值为0 J·kg-1的个例占25.6%[图5(b)]，120 J·kg-1可作为短时强降水的CIN临界值。

2.3.4 特殊高度层特征

0 ℃层是云中水滴冻结高度的下限，而-20 ℃层是大水滴自然成冰的温度，这两温度层的高度是识别雹云特征的重要参数[28]，可有效区分强对流天气的冰雹和短时强降水。统计发现，庆阳黄土高原地区出现短时强降水时0 ℃层高度约5.1 km，-20 ℃层高度约8.6 km，较冰雹对应高度层分别高出约0.5 km和1.0 km。且两温度层高度均呈先升后降的月变化特征，7月达到最高[图6(a)和图6(b)]。可见，短时强降水的0 ℃层更高，更易使云中固态降水融化形成大雨滴降落地面。冻结层厚度△H(△H=H-20-H0)是表示-20 ℃层和 0 ℃层之间的垂直温度梯度，△H越小，表明垂直温度梯度越大，大气层结越不稳定。从统计结果[图6(c)]来看，除了5月△H的离散度较大外，庆阳地区其余各月△H均在3.3～3.7 km之间，均值为3.4 km，较冰雹的冻结层厚度(约3.0 km)[8]大。综上可见，庆阳地区短时强降水和冰雹天气下两特殊层高度及冻结层厚度差异明显，区分度较好，实际预报中可用于两种强对流天气的区分指标。

2.4 雷达产品特征

相比于通过物理量指标来判断强对流天气发生的潜势条件，雷达对0～2 h临近预警更为直接、有效，其在强对流天气临近预警中的作用越发重要。从西峰站多普勒雷达的组合反射率[图7(a)]看出，庆阳黄土高原地区短时强降水的雷达回波强度为33～65 dBZ，62%的个例回波强度在38 dBZ以上，且呈现先减后增的月变化特征。其中，在短时强降水高发的6、7、8月，回波强度均值分别为45、38、40 dBZ，且8月的离散度较小，大部分个例集中在40～45 dBZ之间。因此，庆阳地区短时强降水的回波强度范围为40～45 dBZ，回波强度过大，对流发展旺盛，有可能发展为冰雹天气。从组合反射率(CR) 最大值所在高度[图7(b)]看出，庆阳地区短时强降水的最大回波中心高度在3.0～8.1 km之间，平均为4.9 km，且呈现先升后降的月变化特征，6—8月高发期的强回波中心高度均值分别为4.9、5.1、4.5 km。

回波顶高是降水云中粒子所能达到的最大高度，能够反映降水云中上升气流的强弱，与大气稳定度密切相关。通常，对流发展越旺盛，云顶高度越高，地表降水强度越大[30]。统计发现，庆阳黄土高原地区短时强降水发生时回波顶高在4～17 km之间，平均为9 km，呈现出先降后升的月变化特征，8月最高[图7(c)]。短时强降水发生前6～30 min的垂直累积液态水含量(VIL)为10～45 kg·m-2，91%的个例VIL在20～45 kg·m-2之间[图7(d)]，故VIL的阈值设为20 kg·m-2。

图5 庆阳黄土高原地区5—9月短时强降水期间CAPE(a)和CIN(b)的箱型图Fig.5 The box plots of CAPE (a) and CIN (b) during the short-term strong rainfall processes from May to September in the Loess Plateau of Qingyang

图6 庆阳黄土高原地区5—9月短时强降水过程期间0 ℃(a)、-20 ℃(b)层高度和冻结层厚度(c)的箱型图Fig.6 The box plots of 0 ℃ (a), -20 ℃ (b) layer height and thickness of frozen layer (c) during the short-term strong rainfall processes from May to September in the Loess Plateau of Qingyang

图7 庆阳黄土高原地区5—9月短时强降水过程期间的雷达特征量箱型图(a)回波强度，(b)最强回波中心高度，(c)回波顶高，(d)垂直液态水含量Fig.7 The box plots of radar eigenvectors during the short-term strong rainfall processes from May to September in the Loess Plateau of Qingyang(a) echo intensity, (b) height of the strongest echo centre, (c) echo top height, (d) vertical liquid water content

综上所述，在短时强降水高发的6—8月，8月对流发展更为旺盛，回波强度、回波顶高、最大回波中心高度都较6、7月特征更为明显，故而8月的发生频次和降水强度都强于其他月份。

2.5 预警指标

上述分析发现，环境物理量参数中的温度露点差、比湿、△T7-5、K、SI、CAPE、CIN和特殊高度层等指标可为未来0～12 h内庆阳黄土高原短时强降水的潜势预报提供一定参考，而雷达回波特征量则可为短时强降水的临近预报预警提供定量化指导。考虑到各物理量参数和雷达特征量的月分布差异，给出各月物理量参数(表1)和雷达产品(表2)的预警指标。可以看出，5—9月各物理量预警指标均有所不同，5月、9月发生短时强降水的水汽、不稳定条件的预警指标均小于6—8月；能量条件中，5月、9月的CIN预警指标明显小于6—8月，而6、8月的CAPE预警指标明显大于其他月份；冻结层厚度△H预警指标5月最高，6、9月最低。短时强降水的雷达预警指标为回波强度大于38 dBZ，回波顶高大于7 km，VIL大于20 kg·m-2，最强回波中心高度大于3.6 km。

上述物理量预警指标是基于20:00的探空资料而建立，而庆阳黄土高原地区短时强降水主要发生在午后至前半夜(15:00—24:00)，因此对比了短时强降水发生前08:00探空资料的物理量预报指标(表3)。可以看出，除500 hPa温度露点差无变化外，其余物理量08:00和20:00均有变化，尤其是不稳定因子和CAPE变化最明显。相对08:00，20:00的K指数增大20.2%，SI指数减小72.9%，△T7-5增大3.9%，表明大气层结趋于不稳定；CAPE明显增大，增加了271.8%，CIN仅增加11.4%，说明对流有效位能的增加和不稳定能量的集聚有利于强对流的发生；500 hPa比湿增大7.0%，700 hPa温度露点差减小8.6%，表明水汽条件变好；特殊高度层因子均表现出微弱升高，说明强对流进一步发展增强。可见，物理量指标的变化率尤其是K指数、SI指数和CAPE的明显变化可作为短时强降水潜势预报的参考。

2.6 预警指标检验

2019年7月21—22日庆阳黄土高原地区发生了一次短时强降水天气过程，短时强降水从21日19:00开始，于22日04:00结束，共71站次出现短时强降水。此次过程属于低槽型，过程发生前，500 hPa有高原槽东移影响庆阳地区，700 hPa有明显的切变线和水汽输送带。从此次过程的物理量预警指标检验结果(表4)来看，除SI指数和△H外，其余指标均达到预警标准，即庆阳上空湿层深厚，大气层结处于不稳定状态，特殊高度层明显偏高。SI指数虽然未达到预警条件，但21日20:00的SI值(1.1 ℃)较08:00(6.3 ℃)的明显减小，大气层结趋于不稳定发展；冻结层厚度△H为3.3 km，接近7月预警指标。短时强降水发生前1 h的雷达产品(表略)显示，雷达回波强度平均为41 dBZ，回波顶高平均为7.3 km(最大为13 km)，VIL平均为25 kg·m-2(最大达45 kg·m-2)，最强回波中心高度达4.3 km，均达预警条件。

表1 庆阳黄土高原地区不同月份短时强降水的物理量参数预警指标Tab.1 Early warning indicators of physical quantity parameters of short-term strong rainfall in different months in the Loess Plateau of Qingyang

表2 庆阳黄土高原地区不同月份短时强降水的雷达产品预警指标Tab.2 Early warning indicators of radar products of short-term strong rainfall in different months in the Loess Plateau of Qingyang

表3 庆阳黄土高原地区短时强降水发生前20:00和08:00物理量预警指标的差异Tab.3 Difference of early warning indicators of physical quantities at 20:00 BST and 08:00 BST before the short-term strong rainfall in the Loess Plateau of Qingyang

表4 2019年7月21—22日庆阳黄土高原地区短时强降水过程的物理量预警指标检验Tab.4 Test of early warning indicators of physical quantities during the short-term strong rainfall process from 21 to 22 July 2019 in the Loess Plateau of Qingyang

3 结 论

(1)庆阳黄土高原北部和东南部是短时强降水高发区，北部环县和东南部正宁县是业务预报关注的重点区域。短时强降水最早始于4月中旬，最晚结束于10月中旬，相比甘肃其他地区呈现出开始早、结束晚的特点，7—8月为高发期(占81.7%)，8月中旬和7月中旬分别是峰值、次峰值。不同量级短时强降水的多发时段一致，20～30、30～50和50 mm·h-1及以上的发生频次以8月最多，7月次之。短时强降水“双峰型”日变化特征明显，主峰在17:00前后，次峰在09:00前后，午后至前半夜(14:00—24:00)为多发时段，16:00—18:00是不同量级短时强降水的高发时段。

(2)短时强降水的物理量预警指标为：水汽条件中700 hPa比湿不小于7 g·kg-1，T-Td≤4 ℃；能量条件中CAPE≥100 J·kg-1，CIN≤120 J·kg-1；不稳定条件中△T7-5≥15 ℃，SI≤1 ℃；-20 ℃和0 ℃层高度平均分别为8.6 km和5.1 km，冻结层厚度△H平均为3.4 km，高于(大于)冰雹的平均高度(厚度)。

(3)庆阳地区短时强降水的雷达特征量预警条件为：回波强度超过38 dBZ，回波顶高在7 km 以上，VIL超过20 kg·m-2，最强回波中心高度在3.6 km 以上。

根据强对流天气的发生发展环境来建立潜势预报预警指标，是开展强对流天气短时临近预报业务的一项重要内容。需要指出的是，短时强降水多发生于16:00—20:00之间，用20:00的物理量特征来判断下午的对流潜势，势必存在一定的误差。因此，在实际业务中应结合多种资料加以分析研判，以提高短时强降水的预报预警准确率。