程 鵬，羅 漢，陳佩璇，曹彥超，李寶梓，陳 祺

(1.甘肅省人工影響天氣辦公室,甘肅 蘭州 730020；2.蘭州區(qū)域氣候中心，甘肅 蘭州 730020；3.甘肅省慶陽市氣象局,甘肅 西峰 745000)

引 言

短時強降水是指在短時間內(nèi)出現(xiàn)的強降水事件，在我國天氣預(yù)報業(yè)務(wù)中一般指1 h雨量達到或超過20 mm的降水事件[1]。因其突發(fā)性強、時效短，預(yù)報難度大，是強對流天氣中發(fā)生頻率高、危害大的極端天氣事件，也是氣象災(zāi)害的重要誘因之一。短時強降水天氣多發(fā)生于夏半年，因午后地表增溫強易使大氣層結(jié)不穩(wěn)定，在有利的動力、熱力及水汽條件下極易發(fā)生短時強降水[2-3]。甘肅省盡管年降水量偏少，但因其特殊的地質(zhì)條件和脆弱的生態(tài)環(huán)境，短時強降水常誘發(fā)山洪、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害[4-5]。慶陽地處黃土高原，緊鄰六盤山山系，屬于半干旱半濕潤氣候過渡區(qū)，是短時強降水等強對流天氣的多發(fā)地[6-7]。由于黃土高原溝壑縱深，短時強降水極易匯集成局地洪水和泥石流，造成巨大的經(jīng)濟損失和嚴(yán)重的人員傷亡[8-9]。如2013年7月14日發(fā)生在環(huán)縣樊家川的短時強降水天氣，小時雨量最大達42.3 mm，引發(fā)的山洪災(zāi)害造成4人死亡，6人失蹤，直接經(jīng)濟損失達8.2億元人民幣。因此，加強該區(qū)域短時強降水天氣的預(yù)報預(yù)警研究對提升防災(zāi)減災(zāi)能力至關(guān)重要。

隨著我國氣象觀測體系的持續(xù)發(fā)展，雷達、區(qū)域自動站等觀測設(shè)備的大面積布網(wǎng)為強對流天氣的臨近預(yù)報預(yù)警研究提供了重要手段。研究表明，強對流天氣發(fā)生發(fā)展的環(huán)境參數(shù)和雷達特征量在實際預(yù)報中有一定指示意義[10-13]，選擇合適的雷達特征量如強回波中心高度、VIL、強回波等建立的預(yù)警指標(biāo)可進行強對流天氣的識別及臨近預(yù)警[14]；有利的大尺度環(huán)境條件是產(chǎn)生短時強降水的重要原因[15-16]，熱力不穩(wěn)定、動力不穩(wěn)定、水汽及觸發(fā)機制等條件決定著對流發(fā)展的深厚程度以及伴隨的天氣現(xiàn)象[17]，通過環(huán)境條件參數(shù)特征的對比分析可有效區(qū)分強對流天氣。相對冰雹、雷暴等強對流天氣，短時強降水需要較高的0 ℃、-20 ℃層高度和較低的溫度露點差以及弱的垂直風(fēng)切變[18]，短時強降水量值越大，其所需的水汽和不穩(wěn)定能量條件越高[19]，而環(huán)境參數(shù)的6 h變量在臨近預(yù)報中比參量本身更具有指示意義[20]。另外發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)同一類型強對流天氣發(fā)生的環(huán)境條件差異顯著[21-22]，如我國中東部地區(qū)強對流發(fā)生的水汽條件要比美國大平原地區(qū)更好[23]，而不同量級的短時強降水所需的環(huán)境參數(shù)條件也不同[19]。通過診斷分析中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的環(huán)境參數(shù)條件建立的“配料法”，目前普遍應(yīng)用于強對流天氣預(yù)報業(yè)務(wù)中[24-25]。

中國西北地區(qū)東部短時強降水天氣具有明顯的季節(jié)性和區(qū)域性特征，春末夏初和秋季的短時強降水主要為低槽型，盛夏主要為西南氣流型和兩高切變型[26-27]，短時強降水預(yù)報一直是業(yè)務(wù)中的重點和難點問題。該區(qū)域下墊面條件復(fù)雜，物理量參數(shù)預(yù)警閾值在實際預(yù)報中存在一定差異[28-29]，因此，需要深入開展該區(qū)域強對流天氣尤其是短時強降水天氣的環(huán)境參數(shù)和雷達回波特征分析，以提高預(yù)報預(yù)警能力。本文利用2008—2018年自動氣象站降水量、多普勒天氣雷達和探空資料，針對慶陽黃土高原地區(qū)短時強降水的物理量參數(shù)和雷達特征量進行統(tǒng)計和診斷，建立預(yù)警指標(biāo)及閾值，以期為該區(qū)域短時強降水的潛勢預(yù)報和臨近預(yù)警提供參考。

1 資料及處理

使用2008—2018年甘肅慶陽市197個自動氣象站小時雨量觀測數(shù)據(jù)以及平?jīng)稣咎娇諗?shù)據(jù)和西峰站新一代天氣雷達資料。通過數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，剔除可疑數(shù)據(jù)，按照小時雨量等于或大于20 mm的標(biāo)準(zhǔn)，篩選短時強降水?dāng)?shù)據(jù)，并將一日內(nèi)短時強降水達2站次及以上的過程作為1次個例，經(jīng)統(tǒng)計，符合標(biāo)準(zhǔn)的短時強降水個例共129次。此外，統(tǒng)計了1 h降水量在20～30 mm、30～50 mm和50 mm及以上的頻次。

2 結(jié)果與分析

2.1 短時強降水的時空分布特征

從不同量級短時強降水的逐月分布[圖1(a)]看出，近11 a間4—10月慶陽黃土高原地區(qū)均有短時強降水出現(xiàn)，最早始于4月中旬，最晚止于10月中旬，呈現(xiàn)典型的“單峰型”月分布特征，7、8月出現(xiàn)頻次顯著偏多，8月為峰值，且隨著降雨量級增大，發(fā)生頻率顯著減小。不同量級短時強降水的月分布略有差異，其中20～30 mm·h-1降水發(fā)生頻次以8月最多，7月次之，發(fā)生頻次占比分別為44.3%、37.6%；30～50 mm·h-1的降水發(fā)生頻次7、8月相近，占比分別為39.2%、38.8%；50 mm·h-1及以上的短時強降水僅出現(xiàn)在5—8月，7、8月相對偏多，8月為峰值。

從逐旬分布[圖1(b)]來看，短時強降水集中出現(xiàn)在7月上旬到8月中旬，8月中旬最多，7月中旬次多，11 a間發(fā)生頻次均超過100次，分別為170、128次。這與西太平洋副熱帶高壓(簡稱“副高”)位置密切相關(guān)，7月上旬副高第二次北跳至25°N以北，慶陽中南部處在副高西北部邊緣的暖濕氣流中，致使7月中旬短時強降水較多，出現(xiàn)高峰；7月末至8月初副高第三次北跳，慶陽地區(qū)受副高西北部的西南氣流影響，為短時強降水的發(fā)生提供較好的水汽、不穩(wěn)定及能量條件，在有利的觸發(fā)機制下易產(chǎn)生短時強降水，出現(xiàn)第二次高峰。

從短時強降水的逐時變化[圖1(c)]看出，慶陽黃土高原地區(qū)短時強降水存在明顯的“雙峰型”日變化特征，11 a間各時次短時強降水均有發(fā)生，主要發(fā)生在午后至前半夜(14:00—24:00，北京時，下同)，占總頻次的64.0%。其中，20～30 mm·h-1降水主峰在17:00前后(占總頻次的7.6%)，次峰在09:00前后，而正午12:00前后最不活躍；30～50 mm·h-1的短時強降水日變化特征與20～30 mm·h-1相似，高發(fā)時段也集中在14:00—24:00，主峰在16:00前后，較20～30 mm·h-1的主峰有所提前；50 mm·h-1及以上的短時強降水與前兩者差異較大，12:00—23:00多有發(fā)生，高發(fā)時刻為18:00?？梢?，16:00—18:00是慶陽黃土高原地區(qū)不同量級短時強降水的高發(fā)時段。

2008—2018年間，短時強降水在慶陽各地均有出現(xiàn)，高發(fā)中心相對分散，其中以北部和東南部居多[圖2(a)]。經(jīng)統(tǒng)計，30 mm·h-1及以上的短時強降水個例占比(21.3%)較高，高發(fā)中心分別位于北部的環(huán)縣和東南部的正寧縣[圖2(b)]，這類降水造成的危害巨大，2個高發(fā)中心是業(yè)務(wù)預(yù)報中重點關(guān)注區(qū)域。

2.2 短時強降水的影響系統(tǒng)分型及強降水落區(qū)

經(jīng)個例中尺度診斷分析發(fā)現(xiàn)，慶陽黃土高原地區(qū)短時強降水天氣的主要影響系統(tǒng)有低槽(低渦)型、西北氣流型和西南氣流型3種類型，低槽(低渦)型最多，占49%，西北氣流型次之，占31%，副高外西南氣流型占17%，而無明顯影響系統(tǒng)的僅占3%。低槽(低渦)型，500 hPa有明顯的高空槽東移影響慶陽地區(qū)，低層700 hPa有切變線或地面輻合線配合，整層濕度大，濕層深厚，700 hPa比濕在10 g·kg-1以上，隴東南水汽輸送帶明顯，降水區(qū)主要位于慶陽中南部。西北氣流型，500 hPa慶陽地區(qū)受槽后西北氣流控制，且有明顯的冷平流和干舌，整層濕度條件差，層結(jié)不穩(wěn)定較強，相比于其他兩種類型，降水落區(qū)較為分散。副高外西南氣流型，500 hPa有低槽，慶陽地區(qū)處在副高外圍或584 dagpm線外圍，整層濕度大，濕層深厚，700 hPa西南氣流較為明顯，有低空急流和濕軸，降水落區(qū)隨副高位置而變化。可見，3種類型短時強降水的環(huán)流背景、影響系統(tǒng)和降水落區(qū)差異較大，均具有一定的明顯特征。

圖1 慶陽黃土高原地區(qū)短時強降水頻次的月(a)、旬(b)、日(c)變化特征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

圖2 慶陽黃土高原地區(qū)短時強降水(a)和30 mm·h-1及以上短時強降水(b)累計發(fā)生次數(shù)的空間分布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 短時強降水的環(huán)境參數(shù)特征

短時強降水天氣的發(fā)生需要具備較好的不穩(wěn)定、水汽和觸發(fā)等條件[20]。因此，對慶陽地區(qū)短時強降水的雨量與平?jīng)稣?0:00探空資料的物理量進行相關(guān)分析，篩選出相關(guān)性較好的對流有效位能(CAPE)和對流抑制(CIN)(能量因子)、比濕和溫度露點差(水汽因子)、700 hPa與500 hPa溫差和K指數(shù)及SI指數(shù)(不穩(wěn)定因子)，以及0 ℃、-20 ℃層和凍結(jié)層厚度(特殊高度層)等12個環(huán)境物理量參數(shù)。

2.3.1 水汽條件

溫度露點差(T-Td)是用來衡量大氣濕度的一個重要參量，其值越大，表示濕度越小，反之，濕度越大。甘肅省強對流天氣中尺度分析規(guī)范中，當(dāng)700 hPa的T-Td≤3 ℃時表示濕區(qū)，500 hPa的T-Td≥15 ℃時表示干區(qū)，上干下濕說明有干冷空氣侵入，有利于強雹暴的產(chǎn)生和發(fā)展。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，慶陽地區(qū)短時強降水大多數(shù)個例整層濕度較好，接近飽和，700 hPa和500 hPa溫度露點差平均分別為5.0、8.7 ℃，其中53%的個例700 hPa的T-Td≤3 ℃，62.4%的個例500 hPa的T-Td≤5 ℃，而由干空氣侵入(上干下濕)引發(fā)的個例較少，僅占4%。另外，從溫度露點差垂直分布來看，慶陽地區(qū)短時強降水大部分個例高低層濕度條件較好，整層都干和上干下濕的個例很少。

從溫度露點差逐月變化[圖3(a)和圖3(b)]看出，5—9月700 hPa和500 hPa溫度露點差均呈現(xiàn)先減后增的月變化特征，7—8月水汽條件最佳，700 hPa溫度露點差均值分別為2.5、3.0 ℃，而500 hPa在8月更為集中，水汽條件轉(zhuǎn)好。這是因為7月上旬隨著副高的第二次北跳，慶陽地區(qū)處在西太副高西北邊緣的暖濕氣流中，為短時強降水的發(fā)生提供了充沛的水汽條件。從比濕[圖3(c)和圖3(d)]看出，71.2%的短時強降水個例的700 hPa比濕超過7 g·kg-1，且5—9月先增后減的月變化特征明顯，7月最大，平均為10.3 g·kg-1；500 hPa比濕5、6月變化不大，7、8月明顯增大，平均值均為4.6 g·kg-1，9月迅速減小。綜合來看，慶陽地區(qū)60%的短時強降水個例發(fā)生在700 hPa溫度露點差低于4 ℃且比濕高于7 g·kg-1的環(huán)境條件下。

圖3 慶陽黃土高原地區(qū)5—9月短時強降水過程期間700 hPa(a、c)和500 hPa(b、d)溫度露點差(a、b)和比濕(c、d)箱型圖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 不穩(wěn)定條件

SI指數(shù)和K指數(shù)都能較好地反映大氣的穩(wěn)定度，是日常強對流天氣預(yù)報中關(guān)注的兩個指標(biāo)。若SI>0，表示氣層較穩(wěn)定；若SI<0，則表示氣層不穩(wěn)定，負值越大，不穩(wěn)定性越大。當(dāng)溫度遞減率越大，累積不穩(wěn)定能量越多且低空水汽接近飽和時，層結(jié)不穩(wěn)定越明顯，K指數(shù)也越大。統(tǒng)計分析來看，慶陽黃土高原地區(qū)短時強降水個例的K指數(shù)平均為36.7 ℃，K指數(shù)超過40 ℃(發(fā)生強對流的可能性大)的短時強降水個例占33.3%。5月的K指數(shù)離散度較大，作為預(yù)報指標(biāo)參考性較差，而6—8月的K指數(shù)為33～42 ℃，均值分別為35、38和40 ℃[圖4(a)]；SI指數(shù)平均為-0.86 ℃，82.2%的短時強降水個例的SI低于1 ℃，5月SI均值在1 ℃以上，6—8月均值相對穩(wěn)定，在-1.5 ℃附近[圖4(b)]，有很好的參考性。另外，在實際預(yù)報業(yè)務(wù)中常用700 hPa和500 hPa的溫差(△T7-5)表示大氣中低層的溫度直減率，來反映大氣靜力穩(wěn)定度狀況。慶陽地區(qū)短時強降水大部分個例的△T7-5≥15 ℃，6—8月的均值分別為18、14、15 ℃[圖4(c)]，較該地區(qū)冰雹發(fā)生時的值[8]略小。可見，SI、K指數(shù)和△T7-5在6—8月對慶陽地區(qū)短時強降水的潛勢預(yù)報有較好的指示性。從SI與△T7-5和K散點圖[圖4(d)和圖4(e)]看出，慶陽地區(qū)50%的短時強降水個例出現(xiàn)在K≥38 ℃且SI≤1 ℃的環(huán)境下，58%的短時強降水出現(xiàn)在△T7-5≥15 ℃且SI≤1 ℃的環(huán)境下，可以將K≥38 ℃、△T7-5≥15 ℃和SI≤1 ℃作為當(dāng)?shù)囟虝r強降水天氣預(yù)報的一個指標(biāo)。

圖4 慶陽黃土高原地區(qū)5—9月短時強降水期間K指數(shù)(a)、SI指數(shù)(b)、△T7-5 (c)箱型圖及SI指數(shù)與△T7-5 (d)、K指數(shù)(e)的散點圖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 能量條件

CAPE和CIN是用來判斷強對流天氣潛勢的重要參數(shù)。5—9月期間，慶陽黃土高原地區(qū)CAPE呈先增后減的月變化特征[圖5(a)]，6月最大，是5月和9月的3～4倍。54.7%的短時強降水個例的CAPE值介于100～2000 J·kg-1，超過1000 J·kg-1的個例僅占14.5%，CAPE值越大，越有利于強對流天氣的產(chǎn)生。然而，CAPE值受抬升高度影響差異較大，其閾值在實際應(yīng)用中需要訂正，可作為未來強天氣潛勢的度量指標(biāo)之一，但不能作為短時強降水發(fā)生與否的判斷依據(jù)。對流抑制能量是氣塊獲得對流潛勢必須超越的能量臨界值，CIN值越小越有利于強對流的產(chǎn)生。統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，慶陽地區(qū)88.9%的短時強降水個例的CIN集中在120 J·kg-1以下，CIN值為0 J·kg-1的個例占25.6%[圖5(b)]，120 J·kg-1可作為短時強降水的CIN臨界值。

2.3.4 特殊高度層特征

0 ℃層是云中水滴凍結(jié)高度的下限，而-20 ℃層是大水滴自然成冰的溫度，這兩溫度層的高度是識別雹云特征的重要參數(shù)[28]，可有效區(qū)分強對流天氣的冰雹和短時強降水。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，慶陽黃土高原地區(qū)出現(xiàn)短時強降水時0 ℃層高度約5.1 km，-20 ℃層高度約8.6 km，較冰雹對應(yīng)高度層分別高出約0.5 km和1.0 km。且兩溫度層高度均呈先升后降的月變化特征，7月達到最高[圖6(a)和圖6(b)]?？梢姡虝r強降水的0 ℃層更高，更易使云中固態(tài)降水融化形成大雨滴降落地面。凍結(jié)層厚度△H(△H=H-20-H0)是表示-20 ℃層和 0 ℃層之間的垂直溫度梯度，△H越小，表明垂直溫度梯度越大，大氣層結(jié)越不穩(wěn)定。從統(tǒng)計結(jié)果[圖6(c)]來看，除了5月△H的離散度較大外，慶陽地區(qū)其余各月△H均在3.3～3.7 km之間，均值為3.4 km，較冰雹的凍結(jié)層厚度(約3.0 km)[8]大。綜上可見，慶陽地區(qū)短時強降水和冰雹天氣下兩特殊層高度及凍結(jié)層厚度差異明顯，區(qū)分度較好，實際預(yù)報中可用于兩種強對流天氣的區(qū)分指標(biāo)。

2.4 雷達產(chǎn)品特征

相比于通過物理量指標(biāo)來判斷強對流天氣發(fā)生的潛勢條件，雷達對0～2 h臨近預(yù)警更為直接、有效，其在強對流天氣臨近預(yù)警中的作用越發(fā)重要。從西峰站多普勒雷達的組合反射率[圖7(a)]看出，慶陽黃土高原地區(qū)短時強降水的雷達回波強度為33～65 dBZ，62%的個例回波強度在38 dBZ以上，且呈現(xiàn)先減后增的月變化特征。其中，在短時強降水高發(fā)的6、7、8月，回波強度均值分別為45、38、40 dBZ，且8月的離散度較小，大部分個例集中在40～45 dBZ之間。因此，慶陽地區(qū)短時強降水的回波強度范圍為40～45 dBZ，回波強度過大，對流發(fā)展旺盛，有可能發(fā)展為冰雹天氣。從組合反射率(CR) 最大值所在高度[圖7(b)]看出，慶陽地區(qū)短時強降水的最大回波中心高度在3.0～8.1 km之間，平均為4.9 km，且呈現(xiàn)先升后降的月變化特征，6—8月高發(fā)期的強回波中心高度均值分別為4.9、5.1、4.5 km。

回波頂高是降水云中粒子所能達到的最大高度，能夠反映降水云中上升氣流的強弱，與大氣穩(wěn)定度密切相關(guān)。通常，對流發(fā)展越旺盛，云頂高度越高，地表降水強度越大[30]。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，慶陽黃土高原地區(qū)短時強降水發(fā)生時回波頂高在4～17 km之間，平均為9 km，呈現(xiàn)出先降后升的月變化特征，8月最高[圖7(c)]。短時強降水發(fā)生前6～30 min的垂直累積液態(tài)水含量(VIL)為10～45 kg·m-2，91%的個例VIL在20～45 kg·m-2之間[圖7(d)]，故VIL的閾值設(shè)為20 kg·m-2。

圖5 慶陽黃土高原地區(qū)5—9月短時強降水期間CAPE(a)和CIN(b)的箱型圖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

圖6 慶陽黃土高原地區(qū)5—9月短時強降水過程期間0 ℃(a)、-20 ℃(b)層高度和凍結(jié)層厚度(c)的箱型圖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

圖7 慶陽黃土高原地區(qū)5—9月短時強降水過程期間的雷達特征量箱型圖(a)回波強度，(b)最強回波中心高度，(c)回波頂高，(d)垂直液態(tài)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

綜上所述，在短時強降水高發(fā)的6—8月，8月對流發(fā)展更為旺盛，回波強度、回波頂高、最大回波中心高度都較6、7月特征更為明顯，故而8月的發(fā)生頻次和降水強度都強于其他月份。

2.5 預(yù)警指標(biāo)

上述分析發(fā)現(xiàn)，環(huán)境物理量參數(shù)中的溫度露點差、比濕、△T7-5、K、SI、CAPE、CIN和特殊高度層等指標(biāo)可為未來0～12 h內(nèi)慶陽黃土高原短時強降水的潛勢預(yù)報提供一定參考，而雷達回波特征量則可為短時強降水的臨近預(yù)報預(yù)警提供定量化指導(dǎo)?？紤]到各物理量參數(shù)和雷達特征量的月分布差異，給出各月物理量參數(shù)(表1)和雷達產(chǎn)品(表2)的預(yù)警指標(biāo)?？梢钥闯觯?—9月各物理量預(yù)警指標(biāo)均有所不同，5月、9月發(fā)生短時強降水的水汽、不穩(wěn)定條件的預(yù)警指標(biāo)均小于6—8月；能量條件中，5月、9月的CIN預(yù)警指標(biāo)明顯小于6—8月，而6、8月的CAPE預(yù)警指標(biāo)明顯大于其他月份；凍結(jié)層厚度△H預(yù)警指標(biāo)5月最高，6、9月最低。短時強降水的雷達預(yù)警指標(biāo)為回波強度大于38 dBZ，回波頂高大于7 km，VIL大于20 kg·m-2，最強回波中心高度大于3.6 km。

上述物理量預(yù)警指標(biāo)是基于20:00的探空資料而建立，而慶陽黃土高原地區(qū)短時強降水主要發(fā)生在午后至前半夜(15:00—24:00)，因此對比了短時強降水發(fā)生前08:00探空資料的物理量預(yù)報指標(biāo)(表3)。可以看出，除500 hPa溫度露點差無變化外，其余物理量08:00和20:00均有變化，尤其是不穩(wěn)定因子和CAPE變化最明顯。相對08:00，20:00的K指數(shù)增大20.2%，SI指數(shù)減小72.9%，△T7-5增大3.9%，表明大氣層結(jié)趨于不穩(wěn)定；CAPE明顯增大，增加了271.8%，CIN僅增加11.4%，說明對流有效位能的增加和不穩(wěn)定能量的集聚有利于強對流的發(fā)生；500 hPa比濕增大7.0%，700 hPa溫度露點差減小8.6%，表明水汽條件變好；特殊高度層因子均表現(xiàn)出微弱升高，說明強對流進一步發(fā)展增強?？梢?，物理量指標(biāo)的變化率尤其是K指數(shù)、SI指數(shù)和CAPE的明顯變化可作為短時強降水潛勢預(yù)報的參考。

2.6 預(yù)警指標(biāo)檢驗

2019年7月21—22日慶陽黃土高原地區(qū)發(fā)生了一次短時強降水天氣過程，短時強降水從21日19:00開始，于22日04:00結(jié)束，共71站次出現(xiàn)短時強降水。此次過程屬于低槽型，過程發(fā)生前，500 hPa有高原槽東移影響慶陽地區(qū)，700 hPa有明顯的切變線和水汽輸送帶。從此次過程的物理量預(yù)警指標(biāo)檢驗結(jié)果(表4)來看，除SI指數(shù)和△H外，其余指標(biāo)均達到預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，即慶陽上空濕層深厚，大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，特殊高度層明顯偏高。SI指數(shù)雖然未達到預(yù)警條件，但21日20:00的SI值(1.1 ℃)較08:00(6.3 ℃)的明顯減小，大氣層結(jié)趨于不穩(wěn)定發(fā)展；凍結(jié)層厚度△H為3.3 km，接近7月預(yù)警指標(biāo)。短時強降水發(fā)生前1 h的雷達產(chǎn)品(表略)顯示，雷達回波強度平均為41 dBZ，回波頂高平均為7.3 km(最大為13 km)，VIL平均為25 kg·m-2(最大達45 kg·m-2)，最強回波中心高度達4.3 km，均達預(yù)警條件。

表1 慶陽黃土高原地區(qū)不同月份短時強降水的物理量參數(shù)預(yù)警指標(biāo)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 慶陽黃土高原地區(qū)不同月份短時強降水的雷達產(chǎn)品預(yù)警指標(biāo)Tab.2 Early warning indicators of radar products of short-term strong rainfall in different months in the Loess Plateau of Qingyang

表3 慶陽黃土高原地區(qū)短時強降水發(fā)生前20:00和08:00物理量預(yù)警指標(biāo)的差異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日慶陽黃土高原地區(qū)短時強降水過程的物理量預(yù)警指標(biāo)檢驗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 結(jié) 論

(1)慶陽黃土高原北部和東南部是短時強降水高發(fā)區(qū)，北部環(huán)縣和東南部正寧縣是業(yè)務(wù)預(yù)報關(guān)注的重點區(qū)域。短時強降水最早始于4月中旬，最晚結(jié)束于10月中旬，相比甘肅其他地區(qū)呈現(xiàn)出開始早、結(jié)束晚的特點，7—8月為高發(fā)期(占81.7%)，8月中旬和7月中旬分別是峰值、次峰值。不同量級短時強降水的多發(fā)時段一致，20～30、30～50和50 mm·h-1及以上的發(fā)生頻次以8月最多，7月次之。短時強降水“雙峰型”日變化特征明顯，主峰在17:00前后，次峰在09:00前后，午后至前半夜(14:00—24:00)為多發(fā)時段，16:00—18:00是不同量級短時強降水的高發(fā)時段。

(2)短時強降水的物理量預(yù)警指標(biāo)為：水汽條件中700 hPa比濕不小于7 g·kg-1，T-Td≤4 ℃；能量條件中CAPE≥100 J·kg-1，CIN≤120 J·kg-1；不穩(wěn)定條件中△T7-5≥15 ℃，SI≤1 ℃；-20 ℃和0 ℃層高度平均分別為8.6 km和5.1 km，凍結(jié)層厚度△H平均為3.4 km，高于(大于)冰雹的平均高度(厚度)。

(3)慶陽地區(qū)短時強降水的雷達特征量預(yù)警條件為：回波強度超過38 dBZ，回波頂高在7 km 以上，VIL超過20 kg·m-2，最強回波中心高度在3.6 km 以上。

根據(jù)強對流天氣的發(fā)生發(fā)展環(huán)境來建立潛勢預(yù)報預(yù)警指標(biāo)，是開展強對流天氣短時臨近預(yù)報業(yè)務(wù)的一項重要內(nèi)容。需要指出的是，短時強降水多發(fā)生于16:00—20:00之間，用20:00的物理量特征來判斷下午的對流潛勢，勢必存在一定的誤差。因此，在實際業(yè)務(wù)中應(yīng)結(jié)合多種資料加以分析研判，以提高短時強降水的預(yù)報預(yù)警準(zhǔn)確率。