祁秀香，李海洋，趙小偉，林中慶，王開(kāi)燕

（廣州市南沙區(qū)氣象局，廣東廣州 511462）

短時(shí)強(qiáng)降水與低空急流的關(guān)系及臨近預(yù)警

祁秀香，李海洋，趙小偉，林中慶，王開(kāi)燕

（廣州市南沙區(qū)氣象局，廣東廣州 511462）

利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料、探空和自動(dòng)站逐小時(shí)降水資料，對(duì)2009—2014年南沙區(qū)42次有低空急流相伴出現(xiàn)的短時(shí)強(qiáng)降水環(huán)流配置及垂直結(jié)構(gòu)中尺度特征進(jìn)行分析，建立3種短時(shí)強(qiáng)降水模型，探討了3類(lèi)短時(shí)強(qiáng)降水與低空急流上中小尺度系統(tǒng)的關(guān)系以及降水強(qiáng)度與低空急流指數(shù)的關(guān)系。結(jié)果表明：急流軸上中小尺度系統(tǒng)的時(shí)間尺度在0.5～4 h，其對(duì)強(qiáng)降水出現(xiàn)有極強(qiáng)的預(yù)示作用，其中低空急流中尺度風(fēng)速脈動(dòng)出現(xiàn)比強(qiáng)降水提前0.5～6 h，急流軸下傳出現(xiàn)比強(qiáng)降水提前3～6 h。急流指數(shù)增幅與雨強(qiáng)存在正比關(guān)系，強(qiáng)降水發(fā)生前1～2 h內(nèi)低空急流指數(shù)增幅大小，也是短時(shí)強(qiáng)降水臨近預(yù)警的一個(gè)重要指標(biāo)。

天氣學(xué)；低空急流；短時(shí)強(qiáng)降水；風(fēng)廓線雷達(dá)；臨近預(yù)警；廣州南沙區(qū)

短時(shí)強(qiáng)降水是指短時(shí)間內(nèi)降水強(qiáng)度大，降水量達(dá)到或超過(guò)某一量值的天氣現(xiàn)象。由于短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生、發(fā)展十分迅速、局地性強(qiáng)，一直是氣象監(jiān)測(cè)、臨近預(yù)報(bào)預(yù)警和氣象服務(wù)的難點(diǎn)和熱點(diǎn)［1-3］。在過(guò)去的幾十年中，學(xué)者們對(duì)低空急流與強(qiáng)降水的關(guān)系已經(jīng)進(jìn)行了許多深入和系統(tǒng)的研究［4-9］，并指出無(wú)論在南方和北方，暴雨與低空急流都有密切的關(guān)系，相關(guān)率達(dá)80%左右［7-8］。分析表明，沿急流軸傳播的擾動(dòng)比急流本身對(duì)暴雨更重要，沿低空急流存在著中尺度的大風(fēng)速中心，它沿急流軸向下游傳播，相應(yīng)位于其前方或左側(cè)的暴雨區(qū)也向下游移動(dòng)［9］。近年來(lái)，隨著觀測(cè)水平不斷提高，出現(xiàn)了許多利用高分辨率資料對(duì)強(qiáng)降水與低空急流關(guān)系的研究。陸漢城［10］研究表明，華南大暴雨發(fā)生時(shí)常伴有低空急流的加強(qiáng)，而低空急流軸上的中小尺度脈動(dòng)與強(qiáng)降水過(guò)程又有著密切的關(guān)系。劉淑媛等［11］、曹春燕等［12］利用風(fēng)廓線資料，分析香港大暴雨過(guò)程強(qiáng)降水時(shí)段，指出強(qiáng)降水的發(fā)生與西南急流的迅速加強(qiáng)和向下擴(kuò)展有關(guān)，低空急流指數(shù)對(duì)強(qiáng)降水的出現(xiàn)及雨強(qiáng)大小有一定的預(yù)示性。

南沙區(qū)地處廣州市最南端的珠江入?？冢瑢賮啛釒ШＱ笮詺夂?，瀕臨南海，水汽來(lái)源豐富，頻繁受西風(fēng)帶天氣系統(tǒng)和熱帶天氣系統(tǒng)的影響。另外，珠江口特殊的喇叭口地形，形成復(fù)雜的海陸風(fēng)環(huán)流，致使珠三角地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣頻發(fā)，短時(shí)強(qiáng)降水是南沙區(qū)最主要的災(zāi)害性天氣之一。本研究利用南沙區(qū)2009—2014年的加密自動(dòng)站逐小時(shí)降水資料和風(fēng)廓線雷達(dá)資料，研究在低空急流和其它天氣系統(tǒng)不同配置的情形下，短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)模型以及短時(shí)強(qiáng)降水和低空急流某些動(dòng)力特征之間的關(guān)系，為該類(lèi)短時(shí)強(qiáng)降水的臨近預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考。

1 資料和方法

本研究所用資料為2009—2014年廣州南沙風(fēng)廓線雷達(dá)資料、探空和自動(dòng)站逐小時(shí)雨量及風(fēng)場(chǎng)資料。風(fēng)廓線雷達(dá)資料探測(cè)頻率為15 min，水平風(fēng)探測(cè)高度在3 000 m以下，探測(cè)的高度范圍因大氣相對(duì)濕度的變化而有所不同；水平風(fēng)探測(cè)的垂直分辨率為60～100 m；逐小時(shí)雨量資料選取本著使用資料時(shí)間序列盡可能長(zhǎng)的原則，共選25個(gè)自動(dòng)站（南沙區(qū)共38個(gè)自動(dòng)氣象觀測(cè)站）。

將1 h降水量≥20 mm的降水定義為短時(shí)強(qiáng)降水，1 d中只要有1個(gè)自動(dòng)氣象站記錄到小時(shí)雨量≥20 mm，即作為1個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水日統(tǒng)計(jì)；1 d中有2個(gè)或以上自動(dòng)站達(dá)標(biāo)時(shí)按1個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水日統(tǒng)計(jì)；1 d中1個(gè)站多次出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)站次累加統(tǒng)計(jì)。本研究的分析對(duì)象僅限于出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的站次數(shù)≥5次的強(qiáng)降水日。2009—2014年南沙區(qū)共出現(xiàn)115次強(qiáng)降水（出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水站次數(shù)≥5次），其中有低空急流相伴出現(xiàn)的有42次，占短時(shí)強(qiáng)降水總次數(shù)的37%，本研究選取42次有低空急流相伴出現(xiàn)的強(qiáng)降水為分析對(duì)象。

2 大尺度環(huán)流背景場(chǎng)配置特征

根據(jù)500 hPa在15°N—30°N，100°E—125° E范圍內(nèi)的環(huán)流特征，將南沙區(qū)42次有低空急流相伴出現(xiàn)的短時(shí)強(qiáng)降水天氣大尺度影響系統(tǒng)分為3類(lèi)，即低槽東移型、臺(tái)風(fēng)型、西風(fēng)或西北氣流型。其中低槽東移型最多，共出現(xiàn)26例，主要出現(xiàn)在3—6月，占62%；臺(tái)風(fēng)型次之，共出現(xiàn)12例，集中出現(xiàn)在7—9月，占29%；西風(fēng)或西北氣流型共出現(xiàn)4例，其中5—6月3例，11月1例。

1）低槽東移型。500 hPa在15°N—30°N，100°E—125°E范圍內(nèi)有低壓槽系統(tǒng)東移經(jīng)過(guò)珠三角地區(qū)，850 hPa以下珠江口有急流和濕舌，低層配合有切變線，同時(shí)地面存在鋒面或珠江口有中尺度輻合線。短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生在槽前西南氣流上、濕舌上、低層切變線暖區(qū)一側(cè)、地面輻合線或鋒面附近。

2）臺(tái)風(fēng)型。在15°N—30°N，100°E—120°E范圍內(nèi)有熱帶氣旋活動(dòng)，或者出現(xiàn)中層氣旋、南海低壓等都會(huì)在南沙區(qū)造成短時(shí)強(qiáng)降水。當(dāng)熱帶氣旋或低壓中心位于113°E以東時(shí)，南沙區(qū)處于熱帶氣旋或低壓系統(tǒng)西側(cè)的偏北氣流中，強(qiáng)降水主要由臺(tái)前颮線造成，本研究討論不包括該類(lèi)強(qiáng)降水。熱帶氣旋（低壓）中心位于113°E以西，南沙區(qū)處于熱帶氣旋東側(cè)的偏南氣流中，中低層（500 hPa以下）珠江口存在涌線或水平風(fēng)速切變區(qū)（涌線是指同方向上的風(fēng)速輻合，即氣流從強(qiáng)風(fēng)區(qū)進(jìn)入弱風(fēng)區(qū)，強(qiáng)風(fēng)區(qū)前沿進(jìn)入弱風(fēng)區(qū)時(shí)，強(qiáng)風(fēng)區(qū)前沿風(fēng)速的不連續(xù)線稱(chēng)作涌線。）；850 hPa以下珠江口有東南風(fēng)急流和濕舌；地面珠江口存在中尺度輻合。短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生在中低層涌線、濕舌上、地面中尺度輻合區(qū)或輻合線附近。

3）西風(fēng)或西北氣流型。500 hPa上，西風(fēng)槽位于統(tǒng)計(jì)區(qū)之外，珠三角上空為平直西風(fēng)或西北風(fēng)，且存在24 h負(fù)變溫區(qū)；700 hPa以下有切變線（或槽式切變）影響；850 hPa以下有急流和濕舌；地面存在鋒面或珠江口有中尺度輻合。短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生在500 hPa 24 h負(fù)變溫區(qū)或負(fù)變溫區(qū)南側(cè)、700 hPa以下切變線附近、濕舌上、地面中尺度輻合區(qū)或輻合線附近。

3 短時(shí)強(qiáng)降水與低空急流的關(guān)系

3.1 短時(shí)強(qiáng)降水與低空急流中尺度系統(tǒng)的關(guān)系

對(duì)暴雨的研究表明，華南大暴雨發(fā)生時(shí)常伴有對(duì)流層下部低空急流的加強(qiáng)，而低空急流軸上的中小尺度的脈動(dòng)及向地面擴(kuò)展與強(qiáng)降水過(guò)程有密切關(guān)系［10-13］。本研究利用南沙風(fēng)廓線水平風(fēng)資料，對(duì)上述42例短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程中的低空急流中尺度特征進(jìn)行分析。根據(jù)中尺度垂直結(jié)構(gòu)特征將其分為3種類(lèi)型：低空急流（中尺度）脈動(dòng)型短時(shí)強(qiáng)降水，占78%；急流軸下傳型短時(shí)強(qiáng)降水，占17%；切變或鋒面型短時(shí)強(qiáng)降水，占5%（表1）。

表1 三類(lèi)短時(shí)強(qiáng)降水與低空急流中尺度系統(tǒng)的關(guān)系

1）低空急流脈動(dòng)型。

低空急流（中尺度）風(fēng)速脈動(dòng)是南沙區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水最重要的中尺度垂直結(jié)構(gòu)特征，有 78%的強(qiáng)降水發(fā)生前低空急流上有一個(gè)或多個(gè)中尺度急流中心生成，這些急流中心出現(xiàn)比強(qiáng)降水提前0.5～6 h，急流中心高度大多在500～2 000 m，時(shí)間尺度在0.5～4 h。以2013年8月16日為例，該次強(qiáng)降水的大尺度環(huán)流背景屬臺(tái)風(fēng)型，臺(tái)風(fēng)“尤特”于8月14日下午在廣東茂名登陸后繼續(xù)向西北方向移動(dòng)，16日08：00其中心位于廣西境內(nèi)，南沙區(qū)處于臺(tái)風(fēng)東南側(cè)的東南風(fēng)急流中（圖1a）。分析南沙風(fēng)廓線水平風(fēng)觀測(cè)資料（圖1b）發(fā)現(xiàn)，16日01：00—07：00低空急流逐漸增強(qiáng)，3 000 m以下出現(xiàn)兩個(gè)急流中心，中心風(fēng)速達(dá)20 m/s以上。在強(qiáng)降水出現(xiàn)前4 h，急流中心風(fēng)速略有減弱，但急流中心由2 000 m高度處向下擴(kuò)展至1 500 m以下，16日08：00—09：00南沙區(qū)出現(xiàn)了強(qiáng)降水，其中萬(wàn)頃沙綠澤農(nóng)場(chǎng)站錄得最大小時(shí)降水量為50.5 mm。

圖1 2013年8月16日08：00天氣系統(tǒng)配置（a）和16日00：00—17：00南沙風(fēng)廓線儀觀測(cè)的水平風(fēng)場(chǎng)時(shí)刻-高度剖面圖（陰影≥12 m/s的風(fēng)速）（b）

2）急流軸下傳型。

急流軸向下傳播是南沙區(qū)強(qiáng)降水另一個(gè)較為顯著的結(jié)構(gòu)特征，有17%的短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生前3～6 h急流軸自3 000 m高度附近向地面?zhèn)鞑?，向下傳播過(guò)程中急流軸強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，同時(shí)有一個(gè)或多個(gè)中小尺度急流中心生成。急流中心強(qiáng)度往往在強(qiáng)降水發(fā)生前1 h左右達(dá)到最大，急流中心高度向下伸展至500 m以下，其時(shí)間尺度在0.5～4 h。以2014年3月30日為例，該次強(qiáng)降水的大尺度環(huán)流背景屬低槽東移型（圖2a），30日08：00南沙區(qū)處于南支槽前西南風(fēng)急流中，700 hPa以上有干冷空氣入侵，珠江口大氣處于低層暖濕、中高層干冷的對(duì)流不穩(wěn)定狀態(tài)。分析南沙風(fēng)廓線水平風(fēng)觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn)（圖2b），30日08：00急流軸自2 000 m高度向地面?zhèn)鞑?，?4：00，風(fēng)速為16 m/s的急流軸由08：00的1 500 m高度處向下傳播至600 m高度，15：00有13個(gè)自動(dòng)站錄得強(qiáng)降水，其中東涌鎮(zhèn)大穩(wěn)村站錄得最大時(shí)雨量55.1 mm。之后急流軸繼續(xù)下傳，同時(shí)急流強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，至17：00急流中心風(fēng)速超過(guò)26 m/s，高度下傳至300 m以下，17：00—18：00有25個(gè)自動(dòng)站再次出現(xiàn)強(qiáng)降水，其中龍穴島造船基地錄得最大時(shí)雨量66.8 mm。

圖2 2014年3月30日08：00天氣系統(tǒng)配置（a）及30日03：00—18：00南沙風(fēng)廓線儀觀測(cè)的水平風(fēng)場(chǎng)時(shí)刻-高度剖面圖（陰影≥12 m/s的風(fēng)速）（b）

3）切變或鋒面型。

在上述42例短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程中，僅有2例（5%）屬切變或鋒面型短時(shí)強(qiáng)降水。低層水平風(fēng)向切變或冷鋒是該類(lèi)強(qiáng)降水最主要的動(dòng)力觸發(fā)機(jī)制，強(qiáng)降水與低層切變或鋒面過(guò)境同時(shí)發(fā)生。由于單部風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)范圍有限，很難觀測(cè)到低層切變或鋒面的演變，因此，要做到對(duì)此類(lèi)短時(shí)強(qiáng)降水的提前預(yù)警，必須依賴(lài)于多部風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)或多普勒天氣雷達(dá)監(jiān)測(cè)等其它監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。以2009年11月12日為例，該次強(qiáng)降水的大尺度環(huán)流背景為西北氣流型，12日08：00（圖3a），500 hPa西風(fēng)槽位于25°N以北，廣東上空為西北偏西氣流，地面有弱冷空氣自北向南影響廣東，南沙區(qū)位于低層冷式切變及地面弱冷鋒南側(cè)。分析南沙風(fēng)廓線水平風(fēng)觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn)，地面弱冷鋒過(guò)境前12 h，低層存在東南風(fēng)急流，急流中心風(fēng)速在16 m/s以上。隨著冷鋒南移靠近，12日06：00急流逐漸減弱，至12：00地面至500 m高度風(fēng)向由東南轉(zhuǎn)為東北（圖3b），表明冷鋒到達(dá)南沙區(qū)并逐漸移過(guò)，11：00—12：00南沙區(qū)有11個(gè)自動(dòng)站錄得強(qiáng)降水，其中南沙探測(cè)基地站最大小時(shí)雨量為36.5 mm。

圖3 2009年11月12日08：00天氣系統(tǒng)配置（a）和12日00：00—14：00南沙風(fēng)廓線儀觀測(cè)的水平風(fēng)場(chǎng)時(shí)刻-高度剖面圖（陰影≥12 m/s的風(fēng)速）（b）

上述分析可知，有低空急流相伴出現(xiàn)的短時(shí)強(qiáng)降水與急流軸上中小尺度系統(tǒng)關(guān)系密切，急流軸上中小尺度系統(tǒng)的時(shí)間尺度在0.5～4 h，并對(duì)強(qiáng)降水的出現(xiàn)有極強(qiáng)的預(yù)示作用，其中低空急流中尺度風(fēng)速脈動(dòng)出現(xiàn)比強(qiáng)降水提前0.5～6 h，急流軸下傳出現(xiàn)比強(qiáng)降水提前3～6 h。

3.2 降水強(qiáng)度與低空急流指數(shù)的關(guān)系

分析上述42例短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程低空急流指數(shù)的演變情況，考察它們與短時(shí)強(qiáng)降水及降雨強(qiáng)度之間的關(guān)系。低空急流指數(shù)（I）定義為2 km以下邊界層急流中心的最大風(fēng)速v（m/s）和12 m/s風(fēng)速在該小時(shí)中的最低位置D（km）的比值［12］，低空急流指數(shù)的變化可以定量表示急流向下擴(kuò)展程度和風(fēng)速脈動(dòng)的強(qiáng)度。分析強(qiáng)降水過(guò)程逐時(shí)雨量及低空急流指數(shù)演變情況發(fā)現(xiàn)，所有短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生前1～2 h，急流指數(shù)I均出現(xiàn)迅速增大現(xiàn)象，并且I值增幅與降水強(qiáng)度大小密切相關(guān)。雨強(qiáng)為40～80 mm/h的強(qiáng)降水過(guò)程（17例，占40%），在強(qiáng)降水發(fā)生前1～2 h低空急流指數(shù)I值增幅在400%以上；雨強(qiáng)為20～40 mm/h的強(qiáng)降水過(guò)程（25例，占60%），急流指數(shù)增幅在100%～300%，可見(jiàn)急流指數(shù)增大的程度與降水強(qiáng)度存在正相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié)論

利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料、探空和自動(dòng)站逐小時(shí)降水資料，對(duì)2009—2014年南沙區(qū)42例有低空急流相伴出現(xiàn)的短時(shí)強(qiáng)降水的環(huán)流配置及垂直結(jié)構(gòu)中尺度特征進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

1）短時(shí)強(qiáng)降水的環(huán)流配置可分為低槽東移型、臺(tái)風(fēng)型、西風(fēng)或西北氣流型。其中低槽東移型和臺(tái)風(fēng)型兩類(lèi)最多，分別占62%和29%。

2）根據(jù)短時(shí)強(qiáng)降水的中尺度結(jié)構(gòu)特征，將南沙區(qū)有低空急流相伴出現(xiàn)的短時(shí)強(qiáng)降水歸納為3類(lèi)不同的模型，即低空急流脈動(dòng)型、急流軸下傳型和切變或鋒面型短時(shí)強(qiáng)降水。第1、2類(lèi)短時(shí)強(qiáng)降水（占95%）與急流軸上中小尺度系統(tǒng)關(guān)系密切，急流軸上中小尺度系統(tǒng)的時(shí)間尺度在0.5～4 h，并對(duì)強(qiáng)降水的出現(xiàn)有極強(qiáng)的預(yù)示作用。其中急流中尺度風(fēng)速脈動(dòng)出現(xiàn)比強(qiáng)降水提前0.5～6 h，急流軸下傳出現(xiàn)比強(qiáng)降水提前3～6 h。

3）低空急流指數(shù)增幅與降水強(qiáng)度存在正相關(guān)關(guān)系：強(qiáng)降水發(fā)生前1～2 h內(nèi)急流指數(shù)增幅≥400%，出現(xiàn)雨強(qiáng)為40～80 mm/h的可能性較大；增幅100%～300%，出現(xiàn)雨強(qiáng)為20～40 mm/ h的可能性較大。

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［13］丁一匯.高等天氣學(xué)［M］.北京：氣象出版社，1991：443-452.

Relationships Between Short-range Intensive Rain and Low-level Jet Streams and Nowcasting

QI Xiu-xiɑng，LI Hɑi-yɑng，ZHAO Xiɑo-wei，LIN Zhong-qing，WANG Kɑi-yɑn
（Meteorological Bureau of Nansha District，Guangzhou，Guangzhou 511462）

With the data from a wind profiler，radiosondes and automatic weather stations（hourly precipitation），we studied the circulation allocation and mesoscale characteristics of the vertical structure of 42 processes of short-range intensive rain accompanied with low-level jet streams in the Nansha District，Guangzhou from 2009 to 2014.Three models of short-range intensive rain were set up and the relationships between them and meso-and short-scale systems in low-level jet streams（LLJS）and between rain intensity and LLJS indexes were discussed.The result is shown as follows.The time scale is from 0.5 to 4 h for the meso-and short-scale systems，well indicative of the occurrence of intensive rain.Of the indicators，mesoscale wind speed fluctuation of the LLJS appears 0.5 to 6 h ahead of the intensive rain while the downward transport of LLJS axis occurs 3 to 6 h prior to it.The amplitude of LLJS growth is proportional to rain rates. The amplitude of the LLJS index increase 1 to 2 h before the intensive rain，which is also an important indicator in the nowcasting of short-range intensive rain.

synoptics；low-level jet stream；short-range intensive rain；wind profiler；nowcasting；Nansha District，Guangzhou

P44

A

10.3969/j.issn.1007-6190.2016.05.005

2016-05-12

中國(guó)氣象局關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目（CMAGJ2014M39）；廣東氣象局創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（201102）和行業(yè)專(zhuān)項(xiàng)（GYHY201406009）共同資助

祁秀香（1975年生），女，工程師，碩士，主要從事天氣預(yù)報(bào)工作。E-mail：qiqi781030@hotmail.com

祁秀香，李海洋，趙小偉，等.短時(shí)強(qiáng)降水與低空急流的關(guān)系及臨近預(yù)警［J］.廣東氣象，2016，38（5）：20-24.