重庆市綦江地区短时强降水天气分析

旷 兰，田茂举，谭建国，海 川，彭 馨

(1.重庆市綦江区气象局，重庆 綦江 401420；2.重庆市万州区气象局，重庆 万州 404100)

0 引言

我国对强对流天气的定义主要包括出现短时强降水、雷电、雷暴大风、冰雹和龙卷等现象的灾害性天气，其中短时强降水常常具有突发性强、小时雨强大等特点，很容易导致严重的城市内涝和地质灾害等次生灾害，结合綦江本地特点，本文将强对流天气定义为1 h降水量≥20 mm的降水。主要针对綦江地区的短时强降水天气现象展开分析研究。

短时强降水作为强对流天气的其中一种天气现象，是綦江地区较易出现的一种灾害性天气。短时强降水一般突发性强，局地性明显，预报难度较大，且易致灾，常常对农业、交通、建筑和人民生命财产安全等造成较为严重的影响。如2015年6月11日出现暴雨和短时强降水，其中綦江站点1 h最大雨强达到了57.2 mm，致文龙、石角、三角等11个街镇29 997人受灾，因灾1人死亡、1人伤病，倒塌损坏房屋246间，农作物受灾面积789 hm2，其中农业损失613.4万元。多年来，国内外专家与学者就不同地区的典型强对流天气个例从环流形势、物理量特征和雷达回波演变等进行了研究分析，发现发生短时强降水时，一般会出现大气层结不稳定，存在一定的不稳定能量，CAPE值和K值相对大值区,SI指数相对低值区，或者是整层湿层比较深厚，水汽输送比较充分。

本文通过对2014—2017年綦江地区自动气象站观测资料的逐时降水量进行统计分析，主要针对短时强降水天气典型个例，使用常规气象观测资料、Micaps资料等，统计短时强降水发生的时间和次数，分析总结短时强降水天气发生的时空分布规律以及本地化的物理量(K指数、SI指数、CAPE指数等)预报(预警)指标，从而提高綦江区预报预警服务能力，在一定程度上减少因短时强降水天气造成的各类损失。

1 资料选取

本文资料包含綦江地区共计1个国家基本气象站(綦江)以及19个区域自动气象站点2014—2017年的观测资料、Micaps资料以及地闪资料。结合本地气候特征，将1 h降水量≥20 mm的降水过程定义为一次短时强降水过程。当一天中同一个站点多次出现短时强降水时，按一个短时强降水日数进行统计，并且选取其中的最大短时强降水雨量进行分析。

2 綦江空间分布特征

2.1 綦江地区气候及地形结构分布特征

2.1.1 气候特征 重庆市綦江地区属于亚热带湿润气候区，具有副热带东亚季风特点。气候整体表现为冬暖、春早、夏热、秋阴，云多，日照少，雨量充沛，年平均降水量为1 019.5 mm，年平均气温为18.7 ℃，年平均日照为970.5 h，年平均无霜期为344 d，年极端最高气温为44.5 ℃，年极端最低气温为-1.0 ℃。

2.1.2 地形特征 重庆市綦江地区处于四川盆地的东南边缘，地形的总体特征为：西南高、东北低，边缘高、腹地低，以山地为主，中间穿插多河流和深河沟，地形变化幅度大，主要包括中山、低山、深丘、浅丘和槽谷5大类地形，其中以低山、丘陵为主，山地占綦江区总面积约70%，丘陵约占30%。綦江城区海拔254.8 m，綦江国家基本气象站海拔474.7 m。

2.2 綦江地区短时强降水特征分析

2.2.1 短时强降水累计频次的空间分布 从綦江短时强降水多年累计频次的空间分布可以看出，綦江各街镇均有不同频次的短时强降水发生。短时强降水多年累计频次呈西北向东南逐渐增多的趋势，与綦江西南高、东北低的地貌特点较为一致，其中频次最多为扶欢镇的18频次，其次为石壕镇和纂塘镇的17频次，最少为横山镇的6频次。

图1 短时强降水多年累计频次的空间分布Fig.1 Spatial Distribution of Accumulated Frequencies of Short-term Heavy Rainfall over the Years

2.2.2 极端最强短时强降水的空间分布 从綦江极端最强短时强降水的空间分布来看，极端最强短时强降水呈西南向东北逐渐减少的趋势，最大为丁山镇2016年6月15日03时的78.2 mm/h，其次为打通镇2016年8月26日09时的62.4 mm/h、丁山镇2016年6月15日04时的62.1 mm/h、赶水镇2016年8月26日09时的60.1 mm/h，永城镇2014年4月19日01时的57.7 mm/h、扶欢镇2014年8月1日06时和綦江本站2015年6月11日17时的57.2 mm/h、中峰镇2016年8月1日17时的56.4 mm/h等等。

图2 极端最强短时强降水的空间分布Fig.2 Spatial Distribution of Extreme Strongest Short-term Heavy Rainfall

2.2.3 短时强降水平均强度的空间分布 从綦江短时强降水多年平均强度的空间分布(图3)来看，短时强降水多年平均强度在中南部的丁山、赶水、安稳、打通镇最强，其次是中峰、横山和新盛镇，永新镇的短时强降水平均强度最小。

2.2.4 不同季节短时强降水频次分布 通过统计发现，綦江地区的短时强降水均分布在春、夏、秋三季，冬季从有记录以来尚未发生过短时强降水天气。綦江短时强降水天气春季主要发生在西北部和南部地区，秋季主要发生在东南部和南部地区，夏季主要发生在东部地区。

图4 春(a)、秋(b)、夏季(c)短时强降水多年累计频次的空间分布Fig.4 Spatial Distribution of Accumulated Frequencies of Spring, Autumn, Summer-Short-term Heavy Rainfall over the Years

2.2.5 不同时段≥20 mm短时强降水频次分布 图5给出了2014—2017年不同时段(03—08时、09—14时、15—20时)綦江地区短时强降水累计发生频次的空间分布。03—08时段，短时强降水≥6频次区主要分布在綦江南部和东部地区，向北逐渐减少，其中，最高频次位于石角镇的10频次和石壕镇的9频次，最低频次位于横山、郭扶、新盛和赶水镇的2频次；09—14时段，短时强降水≥2频次区主要分布在綦江的中部及南部，向西南和东北部逐渐减少，其中赶水、东溪、永新、纂塘和石壕镇频次最高，丁山、通惠和石壕镇频次为0；15—20时段，短时强降水分布特征与09—14时段类似，最大频次位于三江镇，最小频次区位于隆盛镇的0频次；21—02时段，短时强降水频次呈北少南多的趋势，其中频次最高区位于永城镇，频次最低区位于赶水镇。

图5 2014—2017年03—08时(a)、09—14时(b)、15—20时(c)时段短时强降水频次的空间分布Fig.5 Spatial distribution of short-term heavy precipitation frequencies in the periods of 03—08, 09—14, 15—20 and 21—02

3 綦江地区短时强降水的时间分布特征

3.1 短时强降水频次的逐月变

通过统计发现，近4 a来綦江地区短时强降水频次的逐月变化(图略)主体趋势呈一个单峰变化，从3月开始发生，6月和8月达到高峰，8月之后逐渐下降，最晚出现在10月份。11月—次年的1月份从未出现过短时强降水天气，这充分说明了短时强降水天气主要发生在夏季，其次是春季和秋季，冬季发生短时强降水天气的可能微乎其微。而5—9月为綦江的主汛期，其中6月和8月占比最多，占总数的47.89%，极端最强短时强降水也多发生在这两个月。其中短时强降水≥50 mm/h主要发生在6—8月，分别为綦江本站2015年6月11日17时的57.2 mm、扶欢2014年8月1日06时的57.2 mm、中峰2016年8月1日17时的56.4 mm、丁山2016年6月15日03时的78.2 mm和04时的62.1 mm、赶水2016年8月26日09时的60.1 mm、打通2016年7月10日15时的50.4 mm和8月26日09时的62.4 mm、永城2014年4月19日01时的57.7 mm，≥50 mm/h的短时强降水总共出现了9次，其中6—8月就有7次，占总数的77.78%。

3.2 短时强降水频次的年际变化

通过统计发现，近4 a来綦江地区每年均有短时强降水天气发生，年平均发生频次为21.5，其中以2016年最多，达到34频次，最少年为2017年的15频次。这几年短时强降水天气发生频次有略微变化，基本维持在平均值附近。

3.3 短时强降水频次的日变化

从短时强降水多年累计频次的日变化(图6)统计看，綦江地区的短时强降水多发生在08时之前和14时之后，且后半夜多于前半夜，上午发生的频次相对较少。这种降水分布特征极其容易引发山洪、泥石流等地质灾害，并且夜间不利于疏散易感人群，从而给人们带来了巨大的潜在安全隐患。为何綦江地区夜雨相对较多？叶笃正等认为由于地形作用形成的山谷风、夜间辐射冷却等是造成綦江夜雨的重要原因。01时、04时、07时、18时和20时发生短时强降水的频次相对较高，而04时和07时发生的频次最高。雨强≥30 mm/h的频次为58，雨强≥40 mm/h的频次为17，雨强≥50 mm/h的频次为10。其中最大短时强降水出现丁山镇2016年6月15日03时的78.2 mm/h。

图6 短时强降水多年累计频次的日变化Fig.6 Diurnal Variation of Accumulated Frequencies of Short-term Heavy Rainfall over the Years

4 綦江地区短时强降水物理量特征分析

4.1 綦江地区短时强降水天气形势分析

根据短临预报要求，通过分析短时强降水发生前最临近的高低空的环境场特征以及探空资料特征，经过总结分类，发现綦江地区短时强降水主要分为湿层深厚型和上干下湿型两种类型。

4.1.1 湿层深厚型环境场特征 此类湿层深厚型环境场特征为500 hPa有低槽，700 hPa和850 hPa有低涡或切变线、显著流线或低空急流以及中低层显著湿区和暖区，中高层显著干区并且有干冷风从西北方向侵入。

图7 湿层深厚型环境场特征Fig.7 Characteristics of Deep and Thick Environmental Field in Wet Layer

4.1.2 上干下湿型环境场特征 此种类型环境场主要发生在夏季高温季节(即6—8月)，两高之间存在切变线，但整层湿层不是很好，仅仅低层有很薄的湿层，所以发生短时强降水的范围不是很广，按照现在自动站的布局密度，一般不会超过5个站点能出现短时强降水。并且，中低层没有出现显著流线或者低空急流，短时强降水发生前为副高控制，午后地面急剧增温，造成低层不稳定度增大，而中高层又有显著干区，并且500 hPa有温度槽，所以这种环境场结构在T-lnp图上很明显地表现为上干下湿的喇叭口型。当中低层垂直风切变又比较小的情况下，这种上干下湿的环境场结构就比较容易出现局地性的短时强降水天气。

图8 上干下湿型环境场特征Fig.8 Characteristics of Upper Dry and Lower Wet Environmental Field

4.2 綦江地区短时强降水不稳定指数分析

短时强降水除了满足雷暴发生条件的基本三要素(雷暴三要素包括丰富的水汽、条件不稳定层结、气块抬升到凝结高度的启动机制)外，与冰雹、雷暴大风还有龙卷的环境条件相比，短时强降水对CAPE值的要求相对要弱，但对水汽条件要求更高(即相对湿度和绝对湿度都高)，而对垂直风切变要求则相对要小一些。在实际个例中，短时强降水天气发生前的T-lnp图中，中低层相对湿度往往并不是很大，大部分甚至很干，但它们却有一定的CAPE值，一百多至几千大小不等；SI指数绝大部分都小于0，约占89.47%；而K指数不能明显表示出整个大气的层结不稳定程度，所以在这些个例中，K指数的变化没有一定的规律。但是当CAPE值越大，SI指数负值的绝对值越大，K指数越大时，整个大气层结越不稳定，发生短时强降水天气的可能性越大。另外，产生短时强降水天气的风暴仅仅依靠风暴柱内的水汽往往是不够的，还必须有水汽源源不断地从周围输送到风暴内部，通过个例研究表明，要想水汽从周围输送到风暴内部，必须有水汽的辐合尤其是低层水汽辐合，这就解释了为什么短时强降水天气发生前整个气层湿度条件不是很好，而是气层不稳定。

通过严格筛选出的綦江地区4 a共计71个强对流天气个例中可以发现，主要是中尺度系统导致了短时强降水天气的发生和发展，但对于不同的地理位置和不同的天气过程，发生前其物理量配置及T-lnp也不尽相同。通过统计分析可以发现綦江地区的短时强降水的发生主要为以下两种情况。

4.2.1 湿层深厚型不稳定指数分析 对于湿层深厚型，在2014—2017年的个例中，T-lnp图通常表现为至少在中低层温度廓线和湿绝热线都比较靠近，即中低层湿度比较大，CAPE值却不大,有时甚至为0，而K指数变化幅度大，且SI指数通常大于0。对于不稳定指数分布，短时强降水区发生前往往会有K指数大值区、SI指数负值大值区、θse大值区、低层涡度大值区以及水汽通量散度负值大值区。

4.2.2 上干下湿型不稳定指数分析 对于上干下湿型，T-lnp图一部分表现为温度廓线与湿绝热线呈上干下湿的喇叭口状，一部分表现为有一定的对流有效位能，但有一点中低层垂直风切变比较小。挑选出其中比较常用的指数，通过统计分析以及聚类分析发现，大部分个例SI指数都是负值，约占89.47%；强对流天气发生时，当SI指数呈正值时，CAPE值一般都在700以上且K指数>30。由于綦江地区水汽条件比较好，K指数都相对比较大，所以单纯看K指数没有指示意义，从图11统计出的个例可以看到K指数通常都在30以上，当个别K指数<30时，CAPE值>1 500，SI指数<0。当SI指数呈负值，K指数>30，经过修正后的CAPE值>700这三项中，其中有两项满足时，就要特别注意出现强对流天气的发生，加强监测，做好预防工作。对于不稳定指数分布，短时强降水区发生前往往会有K指数大值区、SI指数负值大值区、θse大值区、低层涡度大值区以及水汽通量散度负值大值区。

图9 湿层深厚型典型T-lnp及不稳定指数分布Fig.9 Typical tlogp and unstable exponential distribution of deep wet layer

图10 湿层深厚型个例所对应的SI指数、K指数以及CAPE值Fig.10 SI index, K index and CAPE value corresponding to deep wet layer cases

图11 上干下湿型典型T-lnp图及不稳定指数分布Fig.11 Typical tlogp diagrams and unstable exponential distributions of wet and dry types

图12 上干下湿型个例所对应的SI指数、K指数以及CAPE值Fig.12 SI index, K index and CAPE value corresponding to upper dry and lower wet type cases

但需要注意的是，K指数不能单纯关注其数值大小，因为它由3项组成(即：温度直减率、低层水汽条件、中层饱和度)，因此它不能简单明显地表示出整个大气的层结不稳定程度。而CAPE值会因起始高度的选取而有较大差别，特别是需要注意是选取地面还是逆温层顶做起始高度，所以当使用北京时08时的探空资料做分析时，随着白天地面温度的升高，T-lnp图需要做一定的修正；另外，即使相同的CAPE值也会因为其纵横比不同而出现强对流的概率不同。

5 结论

本文主要利用綦江地区1个国家基本气象站以及19个区域自动气象站2014—2017年的观测资料、Micaps资料，分析了綦江地区短时强降水发生的时空分布规律以及其发生前的物理量(K指数、SI指数、CAPE指数等)预报(预警)指标，主要结论如下：

①綦江各街镇每年均有不同频次的短时强降水发生，短时强降水多年累计频次呈西北向东南逐渐增多的趋势，与綦江西南高、东北低的地貌特点较为一致。

②极端最强短时强降水呈西南向东北逐渐减少的趋势。短时强降水多年平均强度在中南部的丁山、赶水、安稳、打通镇最强，其次是中峰、横山和新盛镇，永新镇的短时强降水平均强度最小。

③綦江地区的短时强降水都分布在春、夏、秋三季，冬季自有记录以来尚未发生过短时强降水天气。短时强降水天气春季主要发生在西北部和南部地区；秋季主要发生在东南部和南部地区；夏季主要发生在东部地区。

④03—08时段，短时强降水≥6频次区主要分布在綦江南部和东部地区，向北逐渐减少；09—14时段，短时强降水≥2频次区主要分布在綦江的中部及南部，向西南和东北部逐渐减少；15—20时段，短时强降水分布特征与09—14时段类似；21—02时段，短时强降水频次呈北少南多的趋势。

⑤綦江地区短时强降水频次的逐月变化呈单峰变化趋势，从3月开始发生，6月和8月达到高峰，8月之后逐渐下降，最晚出现在10月份。

⑥綦江地区的短时强降水多发生在08时之前和14时之后，且后半夜多于前半夜。

⑦綦江地区短时强降水主要分为深厚湿层型和上干下湿型两种类型。这两种类型对于不稳定指数的空间分布，短时强降水区发生前往往会有K指数大值区、SI指数负值大值区、θse大值区、低层涡度大值区以及水汽通量散度负值大值区。其区别主要表现为：

湿层深厚型环境场特征为500 hPa有低槽，700 hPa和850 hPa有低涡或切变线、显著流线或低空急流，中低层有显著湿区和暖区，中高层为显著干区并且有干冷风从西北方向侵入。

上干下湿型主要发生在夏季高温季节(即6—8月)，两高之间存在切变线，整层湿层不是很好，仅低层有很薄的湿层，中低层没有出现显著流线或者低空急流，短时强降水发生前为副高控制，中高层有显著干区，500 hPa有温度槽，T-lnp表现为上干下湿的喇叭口型，降水范围不宽，呈局地性特征，且中低层垂直风切变较小。对于不稳定指数，只要SI指数呈负值，K指数>30，经过修正后的CAPE值>700这三项中其中有两项满足时，且中低层垂直风切变较小时，对短时强降水的发生具有较好的指示意义。当SI指数的负值绝对值越大、K指数越大、CAPE值越大，发生强对流天气的概率越大。