吳徐燕 鄧英姿 吳玉霜 韋晶晶

(廣西壯族自治區(qū)氣象災害防御技術中心，廣西 南寧 530022)

引言

大藤峽水利樞紐工程(以下簡稱大藤峽)是國務院批準重大水利工程的標志性工程，是珠江-西江經(jīng)濟帶和“西江億噸黃金水道”基礎設施建設的標志性工程，壩區(qū)地處廣西壯族自治區(qū)桂平市境內(nèi)，珠江流域黔江河段大藤峽峽谷出口，西鄰大瑤山余脈，東臨郁潯河谷平原，地行復雜，強對流天氣頻發(fā)。短時強降水是強對流天氣的一種，具有突發(fā)性強、致災性高、可預報時效短等特征。

短時強降水一直以來是氣象預報的重點，很多專家學者開展研究并取得一定成果[1-3]，如廖勝石等[4]指出，廣西汛期極端短時強降水不僅與地形密切相關，而且與南海夏季風、厄爾尼諾/拉尼娜事件關聯(lián)性很大；田付友等[5]研究指出，環(huán)境大氣中水汽多少即大氣可降水量可能是決定短時強降水級別的必要因素，高級別短時強降水還與0～6km垂直風切變和最佳對流有效位能(BCAPE)有一定關系；趙金彪等[6]分析了廣西各類強天氣的氣候分布特征，建立了有效的潛勢預報的物理量指標；陳貝等[7]總結得出，四川盆地西-南部強降水3個發(fā)源地，2種生消發(fā)展分布形勢以及天氣過程發(fā)展和維持的關鍵環(huán)境因素；楊麗杰等[8]指出，隴東黃土高原旱區(qū)短時強降水次數(shù)受地理、地形因子影響顯著，主要影響機制是山谷風環(huán)流及其誘發(fā)的地面中尺度輻合線，并非地形強迫抬升。此外，根據(jù)當?shù)貧夂蛱卣鹘⑦m應本地的預報指標和方法[9-12]的研究也較多，但目前尚缺乏針對大藤峽水利樞紐這類重大工程的短時強降水特征和預警指標研究。因此，有必要深入分析大藤峽短時強降水的時空分布、影響天氣系統(tǒng)及環(huán)境物理量預警指標，對大藤峽水利樞紐施工建設期的安全生產(chǎn)和運營期的防汛儲水、科學調(diào)度有重要意義。

1 資料和方法

1.1 資料和短時強降水定義

所用資料為廣西區(qū)信息中心提供的2011—2021年經(jīng)過質(zhì)控后的桂平市1個國家氣象觀測站、57個區(qū)域自動站逐小時降水資料(含大藤峽水電站)，ECMWF 2.5°×2.5°實況初始風場和高度場，ERA5 0.25°×0.25°逐時再分析資料。

本文按照《全國短時臨近預報業(yè)務規(guī)定》，將1h降水量≥20mm定義為短時強降水。統(tǒng)計時段內(nèi)出現(xiàn)1次短時強降水，則定義為一次短時強降水事件，如果1天中出現(xiàn)多次短時強降水，則分別計數(shù)。相同天氣形勢下的連續(xù)幾次短時強降水事件組合成一個短時強降水過程。

1.2 分析方法

二維線性插值法延長時間序列。大藤峽氣象站建站時間較晚，最早始于2017年8月27日，短時強天氣個例較少，不利于研究其特征分布。本文利用大藤峽及周邊自動氣象站，基于二維插值方法，將時間序列向早期方向延長至2011年。

統(tǒng)計學方法分析短時強降水時空分布。篩選出重建后的大藤峽自動站的短時強降水事件，利用統(tǒng)計學方法分析日、月、年的時間變化，以及桂平市的短時強降水空間分布，研究地形與短時強降水的關系。

天氣分型和物理量統(tǒng)計方案。選取短時強降水過程發(fā)生前一個時次歐洲中心實況初始場資料，分析天氣形勢和影響系統(tǒng)并進行分類總結；利用近鄰插值法，將短時強降水發(fā)生時段ERA5的0.25°×0.25°逐時物理量插值到大藤峽位置，通過箱線圖比較不同類型的數(shù)據(jù)分布特征。

2 短時強降水時空特征分析

2.1 短時強降水時間分布

2011年1月1日—2021年12月30日大藤峽共出現(xiàn)106個短時強降水事件。統(tǒng)計月份分布發(fā)現(xiàn)，6月發(fā)生次數(shù)最多，5月次之，8月再次之，12月、1月和2月很少出現(xiàn)甚至沒有出現(xiàn)，5—8月短時強降水占全年的82%。分析每日逐時的短時強降水頻次，其日變化呈多波型，午夜到上午的2個時段(0：00—4：00和8：00—10：00)更易發(fā)生短時強降水，極大值出現(xiàn)在凌晨1：00，3：00—4：00及上午10：00；中午至上半夜(12：00—22：00)為相對較低發(fā)時段，極小值出現(xiàn)在11：00。分析2011—2021年的年際變化來看，短時強降水總體呈大致不變趨勢，平均每年出現(xiàn)9.46次，在2012—2014年和2019—2020年這2個階段發(fā)生次數(shù)相對較高，每年超過10次，其余年份為短時強降水較少年，每年不高于8次。

強度不同的短時強降水，所造成的氣象災害程度有所差別，分析不同強度短時強降水特征也有重要意義。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，大藤峽短時強降水中，20～29.9m·h-1發(fā)生頻次最多，占總頻次的67.9%；其次為30～39.9m·h-1，占19.8%；≥50m·h-1最少，僅發(fā)生3次，占2.8%。按短時強降水99.5%分位數(shù)的降水量值[4]作為極端短時強降水閾值，大藤峽極端短時強降水閾值為46.1mm，主要分布在5月中旬—7月上旬。

圖1 大藤峽短時強降水逐月分布

圖2 大藤峽短時強降水逐時分布

圖3 大藤峽短時強降水逐年分布

2.2 短時強降水空間分布

圖4a為大藤峽及周邊地理環(huán)境分布，可以看出，大藤峽的整個西北面全部為大瑤山余脈所覆蓋，東北面和西南面為廣闊的郁潯河谷平原，大藤峽位于黔江河段河谷處，東西海拔高度落差大，地形較為復雜。圖4b為桂平市2011—2021年短時強降水頻數(shù)分布，從地理位置看，短時強降水在大藤峽及其周邊各地均有出現(xiàn)，易發(fā)地段主要集中在桂平市西北部和東南部的山區(qū)，而平原和山脈的背風坡是較少發(fā)生地段。大藤峽地處山脈的東側(cè)河谷，相較于周邊地區(qū)，為一個低值中心。分析原因，主要是大藤峽處于冷空氣南下主要路徑的山脈的背風坡，不利于天氣系統(tǒng)的抬升和水汽的輻合。

圖4 大藤峽及周邊海拔高度圖及短時強降水空間分布

注：圖中橫坐標1為低槽冷鋒型，2為低渦切變型，3為熱帶系統(tǒng)型，4為槽前高后型，5為局地熱對流型；箱型短橫為數(shù)值范圍，紫色箱的上框線為上四分位值，下框線為下四分位值，橙色虛線為中位線，橙色菱形為均值，紅色圓點為異常值。

3 影響天氣系統(tǒng)分型

短時強降水產(chǎn)生的原因不僅與中小尺度系統(tǒng)有關，還與天氣尺度系統(tǒng)分不開，中小尺度系統(tǒng)受天氣尺度系統(tǒng)影響和制約，天氣尺度背景不同造成的短時強降水不盡相同，所以分析天氣尺度系統(tǒng)是研究短時強降水預報的基礎[12]。由于500hPa的西風槽是大多數(shù)短時強降水的共同形勢，且觸發(fā)機制與低層天氣系統(tǒng)關系密切，因此本文天氣分型主要以低層與地面系統(tǒng)為主、500hPa系統(tǒng)為輔進行分類。將2011—2021年大藤峽短時強降水事件按照以下規(guī)則分成5種類型：若地面有明顯冷空氣影響，配合中低層有西風槽或切變線，則定義為低槽冷鋒型；若地面無明顯冷空氣，中低層有西風槽或切變線，有時有閉合低值中心，定義為低渦切變型；若中低層受臺風及其外圍切變影響，或受熱帶輻合帶影響，則定義為熱帶系統(tǒng)型；若地面冷空氣主體即將入海，地面受冷高壓后部偏南氣流影響，則定義為槽前高后型；若無明顯系統(tǒng)影響，處于副高邊緣，則定義為局地熱對流型。

3.1 低槽冷鋒型

500hPa中低緯度的E100°～115°范圍有西風槽或南支槽影響，副熱帶高壓控制在南海，低層850hPa在湖南、貴州中部一帶有冷式切變線，華南中西部一帶有低空急流，地面伴隨有冷鋒，冷鋒在江南一帶或靜止鋒在南嶺以南，冷空氣從東路南下，孟加拉灣和南海的西南暖濕氣流與西風槽南下的冷空氣在華南交匯；當西風槽或南支槽東移時，引導中低層的切變線和地面鋒面自北向南移動時，大藤峽壩區(qū)在中低層和地面系統(tǒng)共同影響下，造成短時強降水和雷暴大風等強對流天氣。這一類型出現(xiàn)時間主要集中在5—6月。

3.2 低渦切變型

在500hPa高度場上，中低緯高原東部至孟加拉灣為低槽區(qū)，副高強度較弱，位置偏南，700hPa和850hPa從華北到江淮盛行偏東氣流，與孟加拉灣低槽輸送到華南的西南風，在N30°以南、E105°以西形成氣旋性低渦環(huán)流，低渦逐漸向偏東方向移動；地面表現(xiàn)為有弱冷空氣或無冷空氣影響；當?shù)蜏u或切變線移動過程中其最大比濕中心之北側(cè)、最大風速軸的左側(cè)和水汽通量散度輻合區(qū)經(jīng)過大藤峽壩區(qū)時，有利于產(chǎn)生短時強降水天氣。這一類型主要集中在5—6月。

3.3 熱帶低值系統(tǒng)型

當副高脊線北抬到N32°以北，廣西處在偏東氣流中，常受熱帶低值系統(tǒng)影響，熱帶云團活躍，當熱帶低值系統(tǒng)與西風帶低值系統(tǒng)在廣西上空相遇(靠近)時，中低緯度系統(tǒng)相互作用，有利于大藤峽地區(qū)短時強降水和強對流天氣。熱帶低值系統(tǒng)主要包括熱帶氣旋本體及其外圍環(huán)流影響、臺風后部尾流、東風波、熱帶輻合帶影響等，其中以熱帶氣旋本體及外圍環(huán)流和熱帶輻合帶影響而產(chǎn)生的短時強降水最多。這一類型主要發(fā)生在6月下旬—11月中旬前期，最集中的時段為8 月。

3.4 槽前高后型

青藏高原東側(cè)多波動和小槽東移，南支鋒區(qū)在E90°～110°，振幅較深，副高位于南海東部，脊線位于N15°～18°附近；低層在南嶺附近有切變線存在，低空急流發(fā)展，冷高壓出海時，切變線減弱或北退；地面冷高壓入海，出海高壓中心位于長江口附近，廣西處于冷高壓后部，西南暖低壓有所發(fā)展，華南氣壓呈東高西低形勢，等壓線呈南北向分布，暴雨出現(xiàn)在高空槽東移的時候，暴雨落區(qū)位于850hPa切變線附近或南側(cè)。這一類型的短時強降水集中出現(xiàn)在3—5月。

3.5 局地熱對流型或無系統(tǒng)型

6—8月我國東部地區(qū)受西太平洋副熱帶高壓控制影響時，廣西位于副熱帶高壓的西北部邊緣，副高的西北側(cè)或北側(cè)儲存較高的能量，當這一區(qū)域配合有西風帶低槽東移過程，對于不穩(wěn)定降水的產(chǎn)生較為有利；如果副高開始顯著東退，不穩(wěn)定能量也會開始明顯釋放；當副高加強西伸時，其南側(cè)的東南風急流，使桂東或沿海地區(qū)出現(xiàn)較強的輻合上升運動，對于大藤峽壩區(qū)的短時強降水天氣也較為有利，局地熱對流型在整個夏季均有出現(xiàn)。

表1 給出了5 種類型天氣形勢的占比，可以看出，低槽冷鋒型天氣系統(tǒng)出現(xiàn)次數(shù)最多，占短時強降水事件的45.3%，同時也是持續(xù)性短時強降水事件(連續(xù)發(fā)生2h及以上短時強降水事件)占比最多的類型，主要是由于高空槽和地面冷鋒共同影響的情況下，大藤峽的高低空系統(tǒng)配置最有利于發(fā)生短時強降水；熱帶系統(tǒng)型出現(xiàn)次數(shù)次之，占28.3%，這一類型包含熱帶氣旋及其后部偏南氣流、熱帶輻合帶等；局地熱對流型短時強降水占總次數(shù)比較少，不易出現(xiàn)持續(xù)性短時強降水，因為這一類型大多在副高控制下、受局地熱對流影響，持續(xù)時間一般較短；槽前高后型短時強降水次數(shù)最少，但其中持續(xù)性比例較高。

表1 2011—2021年大藤峽短時強降水天氣形勢分型統(tǒng)計

表2 5種天氣類型短時強降水物理量參數(shù)預警指標

4 短時強降水關鍵環(huán)境參量分析

短時強降水天氣不僅與大氣環(huán)流演變有關，還與大尺度環(huán)流背景場下的各種中小尺度天氣系統(tǒng)相互作用關系密切，因此，本文按照5種天氣分型結果，選取能反映大氣垂直穩(wěn)定度和中尺度天氣系統(tǒng)結構特征的物理量進行對比分析。

短時強降水的產(chǎn)生需要水汽條件、不穩(wěn)定層結、抬升條件和能量條件等。本文選取地面溫度露點差T-Td、地面露點Td、850hPa的比濕q850來表征水汽條件，850hPa假相當位溫θse850表示溫壓濕綜合特征，500hPa和850hPa氣溫之差ΔT85和K指數(shù)表征不穩(wěn)定層結條件，對流有效位能CAPE和對流抑制有效位能CIN判斷對流潛勢強弱。

4.1 水汽條件和溫壓濕綜合影響條件

溫度露點差T-Td是用來表示空氣中水汽含量飽和程度的重要指標，數(shù)值越大，表示空氣中水汽含量越小，反之，表示水汽含量越大。按照《廣西天氣預報技術和方法》，T-Td≤4～5℃表明濕區(qū)，T-Td≤2℃表明水汽飽和。比濕q也是表征大氣中水汽含量和空氣濕度的一個物理量，通常850hPa的比濕與降水關系較明顯。經(jīng)研究表明，大藤峽短時強降水地面和低層水汽條件大部分較好，850hPa比濕大多大于12.5g·kg-1，其中有75%以上的事件大于14g·kg-1，平均值為15g·kg-1，各類型比濕較為集中，50%以上比濕為14～16g·kg-1。大部分短時強降水事件的地面溫度露點差小于4℃，為濕區(qū)，平均值為1.9℃；其中低槽冷鋒型集中度較好，75%以上事件的地面溫度露點差均小于2℃，可見這一類型的短時強降水的濕度均接近飽和。與水汽相關的地面露點均值為24℃，除槽前高后型外的4種類型70%左右的數(shù)值集中在24～26℃，而槽前高后型大部分集中在19～23℃，這一類型露點溫度較其他類型小，溫度露點差同時也較小。

通過假相當位溫的分析可得出溫、壓、濕綜合影響，不同類型短時強降水有不同的假相當位溫特征；短時強降水發(fā)生時，850hPa假相當位溫處于50～80℃，50%以上出現(xiàn)在57～75℃，平均值66℃。

綜上分析，大藤峽短時強降水易發(fā)生在850hPa比濕≥14g·kg-1，地面T-Td≤4℃，地面Td≥20℃，850hPa的θse≥57℃的環(huán)境條件下。

4.2 不穩(wěn)定條件

850hPa和500hPa的溫差可以用來表示中低層大氣溫度的垂直遞減率，指示大氣靜力穩(wěn)定度情況。圖6給出了5種天氣類型的短時強降水的ΔT85箱線圖。從圖中可知，短時強降水出現(xiàn)在ΔT85>20℃時，均值為22.7℃，約75%以上事件發(fā)生在ΔT85>21.5℃，其中槽前高后型ΔT85均值最大，靜力穩(wěn)定度最差。

圖6 5種類型短時強降水500hPa與850hPa溫差、K指數(shù)箱線圖

圖7 5種類型短時強降水CAPE、CIN箱線圖

在天氣預報分析中，K指數(shù)也是能反映大氣的熱力條件和不穩(wěn)定狀況的一個常用指標。經(jīng)統(tǒng)計，大藤峽短時強降水事件發(fā)生時的K指數(shù)在32～41℃，平均為36.4℃，一般集中在35～39℃，其中低槽冷鋒型K指數(shù)取值范圍最大，槽前高后和局地熱對流型K指數(shù)取值范圍較小，各類型K指數(shù)均值相差不大。

綜上可見，K指數(shù)和ΔT85能一定程度指示大藤峽短時強降水的發(fā)生，這里將ΔT85≥21.5℃和K≥35℃作為短時強降水天氣預報的閾值指標。

4.3 能量條件

對流有效位能CAPE和對流抑制有效位能CIN通常被用來指示強對流天氣潛勢。一般情況下，CAPE值越大，強對流潛勢越大，且離不開一定的對流抑制能CIN，CIN不能太大也不能太小，太大抑制強對流的發(fā)生，太小又不利于能量的積累。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，大藤峽短時強降水事件發(fā)生時的CAPE均值為827J·kg-1，CAPE值超過440J·kg-1占75%，有32%的值大于1000J·kg-1。5種類型短時強降水的CAPE均值相差不明顯，其中熱帶系統(tǒng)型的下四分位最低，說明這一類型形勢下較低的CAPE也能出現(xiàn)短時強降水，能量條件要求較低。低渦切變型短時強降水對CAPE要求總體相對高一些。從CIN箱線圖可見，發(fā)生短時強降水時的CIN在0～200J·kg-1，其中50%的事件發(fā)生在15～73J·kg-1，其中低渦切變型和局地熱對流型短時強降水能接受較大的對流抑制能，有更大的上四分位，而其他類型需要更小一些的對流抑制能。

4.4 環(huán)境物理量預警指標

綜上分析，按照75%的出現(xiàn)概率統(tǒng)計不同類型的物理量閾值，用來表征短時強降水預警指標。水汽條件顯示，低槽冷鋒型水汽要求最高，局地熱對流型最低；穩(wěn)定度條件來看，槽前高后型最不穩(wěn)定，其次是局地熱對流型；能量條件上，低渦切變型和槽前高后型有更高的對流有效位能，低渦切變型和局地熱對流型需要克服的對流有效抑制位能為最大。綜合來看，短時強降水易出現(xiàn)在地面露點≥20℃、地面溫度露點差≤4℃、850hPa比濕≥14g·kg-1、850hPa假相當位溫≥56℃、500hPa與850hPa溫差≥21℃、K指數(shù)≥35℃、CAPE≥437J·kg-1、9≤CIN≤131J·kg-1的環(huán)境條件下；其中低槽冷鋒型對水汽條件要求高，槽前高后型對不穩(wěn)定條件和能量條件要求高。

5 結論

2011—2021年大藤峽水利樞紐共出現(xiàn)106次短時強降水事件，其中20≤R(小時雨強)<30mm·h-1占比67.9%，30≤R<40mm·h-1占比19.8%，≥40mm·h-1僅占12.3%；持續(xù)性短時強降水占比47%，非持續(xù)性占53%。

統(tǒng)計短時強降水時間變化規(guī)律表明，年變化呈大致不變趨勢；5—8月短時強降水占全年82%，其中5—6月最為集中；日變化呈多波型，午夜到上午更易發(fā)生短時強降水。

分析短時強降水的空間分布特征可見，短時強降水易發(fā)生在桂平市西北部和東南部的山區(qū)，大藤峽處于山脈的東側(cè)河谷，屬于短時強降水發(fā)生較少的區(qū)域。

按照短時強降水發(fā)生時的天氣形勢和影響系統(tǒng)，可劃分為低槽冷鋒型、低渦切變型、熱帶系統(tǒng)型、槽前高后型、局地熱對流型(無系統(tǒng)型)；其中低槽冷鋒型占比45.3%，為出現(xiàn)次數(shù)最多類型，且持續(xù)性的比例也最高。

通過對短時強降水發(fā)生時的物理量統(tǒng)計可以看出，短時強降水易出現(xiàn)在地面露點≥20℃、地面溫度路點差≤4℃、850hPa比濕≥14g·kg-1、850hPa假相當位溫≥56℃、850hPa與500hPa溫差≥21℃、K指數(shù)≥35℃、CAPE≥437J·kg-1、9≤CIN≤131J·kg-1的環(huán)境條件下。其中低槽冷鋒型對水汽條件要求高，槽前高后型對不穩(wěn)定條件和能量條件要求高。

天氣分型和物理量指標相結合，能為大藤峽短時強降水預報提供有價值的參考。