安明　林明丽　卿燃莉　刘二影　袁红松　尹宝蓉

摘要 利用湘潭市2010—2019年4—9月区域自动站逐小时降水量、高空地面观测资料、多普勒天气雷达资料，采用统计学方法，分析了短时强降雨的时空分布特征，同时使用天气学诊断方法，深入研究了极端短时强降水发生的天气系统、物理量特征、雷达特征。结果表明：极端短时强降水发生的环流背景为低槽切变型、波动气流型、副高边缘型、热带气旋型，其中低槽切变型出现次数最多。

关键词 极端短时强降水;分布特征;天气模型;物理量;临近预警

中图分类号：P457.6 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2021）11–0058–03

短时强降水是短时间内降水强度较大，降雨量≥20 mm的天气现象，具有致灾性高、来势猛、历史短、可预报时效短等特征，可引发暴洪、城市内涝、山体滑坡等灾害，造成人员伤亡和重大经济损失[1]。在全球气候变暖背景下，近几年极端短时强降水天气事件频发，就湘潭市而言，2018年7月23日最大小时雨强86.3 mm，8月1日最大小时雨强更是达到97.8 mm;2020年6月9日最大小时雨强77.9 mm，6月30日最大小时雨强90.4 mm。

对于这类短时强降水天气，在中短期预报存在漏报的情况，在短临预警方面提前量也差强人意，事后总结发现在中短期预报中模式对此类降水预报性能较差，且预报员主观分析能力不足[2]。在临近预报预警上，预报员又局限于雷达组合反射率产品，对潜势分析和发展趋势判断不足，导致每次强降水回波已经影响到本区域后才发出预警信号。为了提高湘潭短时强降水的预报质量与临近预警服务提前量，深入分析短时强降水，尤其是极端短时强降水的形成原因并探寻临近预警指标的意义重大。

许多学者对短时强降水的气候特征、形成机理、预报模型等方面进行了大量的研究。王光明等[3]研究发现怀化市短时强降水的频数高、日数多，空间分布表现为北部多、中南部少;张京英等[4]研究表明，大暴雨过程中出现的短时强降水是由大尺度环流背景形势中生成的中小尺度系统引发的。本文统计分析了湘潭短时强降水的时空分布特征，深入研究极端短时强降水发生的天气系统、物理量特征、雷达特征，旨在发现其预报预警指标，为湘潭市汛期极端短时强降水预报、预警提供科学的依据。

1 定义与资料说明

本文短时强降水是指1小时降雨量≥20 mm，极端短时强降水是1 h降雨量≥50 mm。文中使用的资料包括2010—2019年4—9月湘潭市110个区域自动站逐小时降水数据、高空地面观测资料、长沙站多普勒天气雷达资料。湘潭市区域自动站逐时降水数据中，剔除2010年以后建站和数据缺测率在5%以上的站点，并通过气候极值检查、时间连续性检查、空间一致性检查等方法对数据进行质量控制，实际参与分析的站点为82个。本文根据湘潭市2010—2019年4—9月82个区域自动站逐小时降水资料，统计分析短时强降水和极端短时强降水的时空分布特征，并提取一天中≥3站1 h降雨量≥50 mm的过程作为典型极端短时强降水个例，共计18例，分析其发生的天气尺度环流背景、主要影响系统、物理量场和雷达特征。

2 短时强降水的时空分布特征

湘潭市位于湖南省中部偏东（111°58′～113°05′E、27°21′ ～28°05′N），湘江下游，东西宽108 km，南北长81 km，地处长衡丘陵区北沿，衡山山脉从南部深入境内，雪峰山脉余脉分布于西北部。地貌总趋势为东南、西北、西南三面较高，向东北部倾斜，中、东部相对平坦。湘潭市属于亚热带湿润气候，四季分明，雨水主要集中在夏季。由于短时强降水具有明显的地域特点，因此结合地形、地貌，研究本地短时强降水的时空分布特征是基础工作之一。本文主要分析了湘潭市4—9月82个区域自动站中3 696时次≥20 mm/h、140时次≥50 mm/h的短时强降水日际，月际和空间分布特征。

2.1 短时强降水的日际分布特征

从2010—2019年湘潭市4—9月≥20 mm/h、≥50 mm/h短时强降水日际变化（图1）可以看出，≥20 mm/h短时强降水呈现明显的双峰型特征，在早晨和傍晚是易发的时间段，其中08：00～09：00发生频次最大（出现167时次，占比13.6%），18：00～20：00为次发时间段，中午和夜间为低发时间段。≥50 mm/h短时强降水主要发生在19：00～20：00，出现37次，占总时次的26.6%，其次是8 h。中午和夜间是2种不同强度强降水低发时间段。

2.2 短时强降水的月际分布特征

从2010—2019年湘潭市4—9月≥20 mm/h、≥50 mm/h短时强降水月际变化可以看出，2種不同强度短时强降水主要发生在5—8月。≥20 mm/h短时强降水呈现明显的单峰型特征，6月是发生次数最多的月份，其次是7月;≥50 mm/h短时强降水发生次数最多的是7月，5—8月占比相当，4月发生次数最少。

2.3 短时强降水的空间分布特征

由2010—2019年5—9月短时强降水发生年频次的空间分布（图2）可以看出，≥20 mm/h短时强降水发生次数大值区位于湘乡南部河谷地带、市区河谷地带，小值区位于韶山市中南部。≥50 mm/h极端短时强降水大值区主要位于湘潭市区、湘乡东部河谷地带、湘乡西部河谷叠加山脉迎风坡地区，韶山南部与湘乡交界地区、湘潭县东部发生短时强降水频次较低。究其原因，与地形、夏季风、城市热岛效应相关性较大，频发区多出现在河谷地带、山脉迎风坡和市区;低发区多出现在背风坡、地势低洼区。

3 极端短时强降水的多尺度分析

3.1 极端短时强降水的环流背景与主要影响系统

不同地区的短时强降水的环流背景、影响系统不尽相同，在研究湘潭市极端短时强降水环境背景时，西太平洋副热带高压（以下简称副高）的位置、强弱变化占有很重要的地位。副高是影响我国夏季降水的重要天气系统，其强度变化、北进南退直接影响我国的旱涝和雨带分布。根据湘潭市2010—2019年4—9月140时次≥50 mm/h短时强降水，提取一天中≥3站1 h降水量≥50 mm的18次过程作为典型极端短时强降水个例进行分析，将产生极端短时强降水过程大尺度环流背景分为4种：低槽切变型，占39%;波动气流型，占28%;副高边缘型，占22%;热带气旋型，占11%。

（1）低槽切变型（图3a）：此类型副高较为强盛，呈东北—西南带状，脊线位置23°N～32°N，在中高纬度地区东北附近有低涡，低涡中心延伸出经向度大的深槽，影响我国中东部地区;中低纬地区，副高稳定少动，受副高的阻挡作用，低槽移动缓慢。湖南处于低槽槽前、副高西北侧上下一致西南暖湿气流中，受低槽和副高影响，大气斜压性强。在这样的环流背景下，水汽、热力、能量汇集在湖南，在东北—西南向的中低层切变线抬升触发和高层辐散抽吸作用下产生强降水，强降水落区位于高空辐散区域下方、850 hPa切变线右侧、西南急流左侧或出口区顶端，区域广。虽然中低层西南急流不是极端强降水发生的必要条件，但在强降水发生前2～6 h，71%个例中低层西南气流呈加强趋势。

（2）副高边缘型（图3b）：此类型强盛的副高呈东西带状控制华南地区，脊线位于20°N～25°N。500 hPa高度图上，中高纬地区受低槽槽后偏北气流控制，湘潭处于副高边缘，588线不稳定。槽后的偏北气流与副高北侧偏西气流交汇于湖南北部一带，地面多有辐合线出现，中低层切变线多呈东西纬向，强降水区域位于588线北侧、高空分流辐散区域下方、850 hPa切变线附近，东西窄带分布。

（3）波动气流型（图3c）：此类型副高多呈东西带状，脊线位于20°N以南，副高势力较弱，无阻挡作用，东北低涡带动低槽快速入海，我国中南部地区位于低槽底部，584线上多短波槽东移影响本地。波动气流型降水区域预报难度较大，高空风场偶尔受偏北风控制，且强度偏弱，一旦有降水回波生成，移动缓慢。波动气流背景下发生的强降水易出现漏报情况，在高层辐散抽吸、中低层位相重叠较好切变线抬升的作用下，产生极端短时强降水的概率较大。强降水区域位于中低层切变线右侧、高空分流辐散区域下方，呈东西向窄带。

（4）热带气旋型（图3d）：此类型副高北跳控制中东部地区，副高脊线位于32°N～35°N。500 hPa高度图上，洋面上多热带气旋生成，当热带气旋从广西南部登陆时，湘潭处在东南风、东北风辐合中。据统计，2010—2019年由热带气旋产生的极端短时强降水有2例，其路径为先西移至南海海域附近，在广西中南部登陆后北上影响，其登陆位置大致为113°E、20°N。强降水主要由热带气旋北部外围云系产生，多为分散性暴雨。

3.2 极端短时强降水的物理量特征

根据高空地面观测资料，选取850 hPa比湿、K指数、CAPE值、850～500 hPa假相当位温差、0～3 km、0～6 km垂直风切变、暖云层厚度7个物理量，发现不同类型极端短时强降水发生时的水汽条件、动力条件、热力条件等物理量场参数特征。

（1）低层水汽充沛，850 hPa比湿均在13.7 g/kg以上，其中热带气旋型短时强降水水汽条件更加优越，达16.9 g/kg。

（2）有一定的热力不稳定能量，K指数在37℃以上，对流有效位能在1 000 ～1 700 J/kg，尤其是副高边缘型和热带气旋型短时强降水过程中，不稳定能量比其他2种类型大。

（3）在动力条件上，副高边缘型和热带气旋型表现更加显著，低槽切变型和波动气流型短时强降水大多在中等强度的垂直风切变下产生。

（4）在≥8.1℃的不稳定层结条件下更容易产生极端短时强降水，其中波动气流型和热带气旋型850 hPa与500 hPa假相当位温差值更大，大气层结条件更不稳定。

（5）暖云层厚度大，4种不同类型的短时强降水过程中，暖云层厚度在3 900以上，副高边缘型云层最厚，厚的暖云层有利于产生高效的降水。

充沛的水汽、较好的热力不稳定条件、中等到强的不稳定能量、厚的暖云层等是极端短时强降水产生的基础条件，低层中等强度或以上的垂直风切变和高层辐散抽吸作用，使对流系统更加组织化发展是降水能持续维持的重要因素。

4 结论

通过分析湘潭市2010—2019年汛期短时强降水的时空分布特征、大尺度环流形势、主要影响系统、物理量和雷达特征，得出以下结论。

（1）≥20 mm/h短时强降水日分布特征表现为双峰型，早晨和傍晚为易发时间段;≥50 mm/h短时强降水多出现在18：00～19：00，中午和夜晚是不同强度短时强降水低发时段;短时强降水主要发生在5—8月，其中6月为≥20 mm/h短时强降水最频发月份，7月是≥50 mm/h的极端短时强降水最频发月份。短时强降水发生区域与地形、夏季风、城市热岛效应息息相关，河谷地带、山脉迎风坡、城区为频发地区，地势低洼和山脉背风坡为低发地区。

（2）根据副高的位置、强弱变化将产生极端短时强降水过程大尺度环流背景大致分为低槽切变型、波动气流型、副高边缘型、热带气旋型。不论哪种类型的短时强降水，其垂直结构上环流均表现为高空辐散和低层辐合。

（3）产生极端短时强降水的基础条件是充沛的水汽、较好的热力不稳定条件、中等到强的不稳定能量、厚的暖云层等，在中低层中等强度或以上的垂直风切变和高层辐散抽吸作用下，对流系统更加组织化发展，有利于降水持续。

参考文献

[1] 俞小鼎.短时强降水临近预报的思路与方法[J].暴雨灾害，2013，32（3）：202-209.

[2] 杨金虎，江志红，王鹏祥，等.中国年极端降水事件的时空分布特征[J].气候与环境研究，2008，13（1）：75-83.

[3] 王光明，王文聞，王强，等.怀化市汛期短时强降水特征分析[J].中低纬山地气象， 2020，44（1）54-59.

[4] 张京英，陈金敏，刘英杰，等.大暴雨过程中短时强降水机制分析[J].气象科学， 2010，30（3）：407-413.

责任编辑：黄艳飞