江西省暖季重大短时强降水敏感性参数分析及概念模型

付超 谌芸 单九生 朱克云

(1 福建省气象台， 福州 350001;2 国家气象中心， 北京 100081;3 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海), 广东 珠海 519082;4 福建省灾害天气重点实验室，福州 350001;5 江西省气象台， 南昌 330096;6 大气科学学院 成都信息工程大学， 成都 610225)

引 言

短时强降水是强对流天气的一类，中央气象台定义小时雨量超过20 mm的降水为短时强降水，但在我国西北干旱地区达到10 mm就可界定[1]。短时强降水易导致城市内涝和山洪、泥石流、山体滑坡等地质灾害：2017年广州“5.7”极端降水事件，部分站点出现小时雨量达184.4 mm，3 h雨量超过380 mm，短时强降水持续时间最长达9 h，导致严重城市内涝[2-5]；2019年7月中旬江西强降水，引发小流域山洪、中小河流洪水、山体滑坡和城乡积涝等次生灾害，造成巨大的经济损失。相比暴雨，短时强降水主要由中小尺度天气系统引发，具有生命史短、局地突发性强等特点，故预报难度更大[6-8]。因此，对短时强降水天气的研究显得尤为重要。

触发短时强降水的天气形势南北差异明显，同时也受不同尺度的地形影响。造成我国华北地区短时强降水的天气系统有：冷涡、高空槽、切变线、副热带高压(以下简称副高)等，在雷达回波上，多为回波移动型、聚合加强型、本地汇聚型[9-12]。对于江南地区而言，天气系统主要以副高、低槽、冷锋为主[13-16]。而在我国西南地区，受青藏高原影响明显，多为高原槽、高原波动、偏南气流型；西北地区与西南情况类似[17-18]；我国华南地区以切变线型和低槽型为主导[19-20]。

与短时强降水有关联的敏感性物理参数也因地而异。河南沙澧河流域的敏感性参数中K指数及对流有效位能(Convective Auailable Potential Energy, CAPE)等热力参数较为敏感[21]。南疆盆地的敏感性参数主要有地面露点、700 hPa或850 hPa与500 hPa的温度差、SI、0 ℃层高度、LFC、垂直风切变等[22]。珠三角地区整层大气可降水量、低层最大偏南风速、CIN、暖云厚度等对短时强降水有较好的指示意义[23]。

江西省地势外高内低，四周多为低山丘陵，山间分布有许多狭窄河谷，中间则以鄱阳湖平原为中心的盆地，海拔较低，复杂的地形为短时强降水的预报带来诸多困难。据统计，江西地短时强降水占暴雨比例约为50%，部分地区能达到60%，甚至更高[24]。

本文从统计学角度出发，对引发短时强降水的天气系统及敏感性参数进行归类，以期为短时强降水的预报提供参考。

1 资料与方法

本文选用的资料为江西省2010—2016年5—9月1 597个观测站(国家站91个，区域自动站1 506个，图1a)逐小时降水资料；ERA Interim，Daily逐日4次 0.125°× 0.125°再分析资料以及南昌和赣州探空站每日08、20时(北京时，下同)的探空数据。

图1 江西地区(a)地形高度(填色，单位：m)及1 597 个台站分布；(b)行政区域(蓝色阴影是鄱阳湖)Fig.1 (a) Height of terrain in Jiangxi Province (colors， unit: m) and distribution of 1 597 stations;(b) administrative area(blue shadow is Poyang Lake)

对短时强降水过程先进行筛选，需满足以下两个条件：(1)至少有20个观测站出现短时强降水，且较为集中；(2)短时强降水的持续时间超过2 h。满足这两个条件记为一次短时强降水天气过程(个例)。再利用ERA interim，Daily逐日4次再分析资料对该个例进行环流形势分析并归类。再根据各类天气形势，利用探空数据，统计分析环境参数与短时强降水的关系，如K指数、S指数、地面露点温度、T700-T500、T850-T500、CAPE、对流抑制能量(Convective Inhibition Energy, CIN)、自由对流高度(Level of Free Convection, LFC)、850 hPa假相当位温、暖云层厚度、可降水量(Precipitable Water, PW)。

2 重大短时强降水天气形势分析及分型

根据上文所定的短时强降水过程标准，将江西暖季短时强降水分为冷锋型、西南急流型、副高边缘型、暖切型以及台风型，划分标准如下：

(1)冷锋型：地面以北有冷锋活动，短时强降水常位于锋面附近。

(2)西南急流型：西太平洋副高偏南，脊线位于20°N以南，低层850 hPa西南急流(风速≥12 m·s-1)移至江西上空但无切变线，且地面无明显冷空气活动，短时强降水常位于沿低空急流轴附近。

(3)副高边缘型：江西地区被西太平洋副高控制，低层暖湿显著，短时强降水常位于副高内部的暖区。

(4)暖切型：低层850 hPa有暖式切变线，短时强降水常位于暖式切变线以南100～300 km的暖湿气流内(一般风速≤12 m·s-1)。暖式切变包括低涡暖切以及西南风与东南风、南风与东风、东南风与东北风的中尺度暖切变。

(5)台风型：台风或者热带气旋登陆华南，进入江西境内。

经统计所得(表1)，2010—2016年江西暖季重大短时强降水过程有84次，累计449时次。整体而言，西南急流型占比最大，达40%(34/84)；其次是冷锋型，占29%(24/84)；副高边缘型、暖切型及台风型各占11%、12%和8%，三类占比相差不大；平均维持时间分别是4.9 h、5.6 h、4.4 h、5.5 h和6.7 h。从各型月分布来看，冷锋型、西南急流型和暖切型基本出现在5—6月，副高边缘型主要出现在7月，台风型在7—9月，多集中在8月。各月占比情况逐月递减，5、6月占了整个暖季的73%，各占37%、36%；接着是7月，占20%；8、9月分别占6%、1%。

表1 2010—2016年江西暖季五类重大短时强降水累计过程及总时次数Table 1 Accumulative processes and total times of five types of major flash heavy rain from 2010 to 2016 in Jiangxi warm season

3 五类重大短时强降水天气形势及降水分布

图2为各个类别的天气过程综合平均所得的五类重大短时强降水天气形势分布。冷锋型(图2a)表明850 hPa风场上北方有明显强冷空气入侵至江西北部，南部有西南暖湿气流向江西地区输送，两股冷暖气团在江西北部交汇，形成锋面。短时强降水落区基本在锋面或锋前暖区附近(图3a)，大值中心位于鄱阳湖西南侧，单站累计最大次数有10次，累计短时强降水约为310 mm，平均约为31 mm·h-1。同时抚州市崇仁县也是冷锋型短时强降水集中区(图3a中黑色圈)。冷锋型短时强降水主要集中在鄱阳湖南侧100 km范围内，基本位于锋前暖区内。

图2 平均500 hPa位势高度(红色等值线)及850 hPa风场：(a)冷锋型；(b)西南急流型；(c)副高边缘型；(d)暖切型；(e)台风型(b中蓝色等值线为低空急流(风速≥12 m·s-1))Fig.2 Average of 500 hPa potential height (red contour) and 850 hPa wind field: (a) cold front type; (b) southwest jet type;(c) the subtropical high type; (d) warm shear type; (e) typhoon type( the blue line in fig.b is low-level jet stream (wind speed ≥12 m·s-1))

从图2b可知，500 hPa上副高588线位置较冷锋型西伸，副高脊线基本无变化，高空受高空槽影响，槽后无冷空气影响江南地区。850 hPa风场上在我国南部有一低空急流，急流区覆盖两广、湖南及江西大部分地区。低空急流是为中纬度地区暴雨和强对流提供水汽和动量的重要机制，低空急流与暴雨的正相关系数可达0.8，暴雨一般位于低空急流出口处左前方[25]。从图3b短时强降水总降水量及累计站次分布来看，短时强降水依旧落在鄱阳湖平原处，雨带走向同急流方向一致，为西南—东北走向，短时强降水正好落在低空急流出口处左前方。单站累计最大次数位于乐安河谷处，有28次，累计短时强降水约735 mm(图3b中黑色三角)，平均约为27 mm·h-1，从图1b的地形分布来看，乐安河谷处有中小尺度丘陵，地形的抬升作用对短时强降水的触发有利。

从副高边缘型(图2c)的综合平均看，由于发生时间多集中在7月，500 hPa上副高脊线位置较冷锋型和西南急流型偏北大约5°N，副高控制江西南部，高空东亚大槽明显，槽后无冷空气南下江南地区，850 hPa风场上的副高边缘处是西南暖湿气流。短时强降水主要集中在武夷山西侧，单站累计最大次数为7时次，累计短时强降水约为320 mm(图3c)，平均约为45 mm·h-1。

图3 各站累计出现短时强降水总时次(站点分布，单位：次)及总雨量分布(填色，单位：mm)(灰色阴影是鄱阳湖)：(a)冷锋型；(b)西南急流型；(c)副高边缘型；(d)暖切型；(e)台风型Fig.3 Total times(station distribution map， unit: time) and total rainfall(colors， unit: mm) distribution of flash heavy rain at each station(gray shadow is Poyang Lake)： (a) cold front type; (b) southwest jet type; (c) the subtropical high type; (d) warm shear type; (e) typhoon type

暖切型短时强降水多发于5、6月，由图2d可以看出，850 hPa风场上江西北部有明显的西南风同东南风的中尺度暖式切变，一般降水发生在切变线以南100～300 km的暖区范围内。图3d显示，短时强降水依旧落在鄱阳湖平原处，主要集中在鄱阳湖西南侧，基本在切变线南侧的暖湿气流内。单站累计最大次数为10时次，累计短时强降水约为300 mm(图3d)，平均为30 mm·h-1。

对于台风型而言(图2e)，850 hPa风场上台风控制着江西地区，结合累计短时强降水的分布呈螺旋状(图3e)。短时强降水主要分布在江西东北部及中部，单站累计最大短时强降水位于昌江河谷处，约为580 mm，累计16时次(图3e中红色五角星)，平均约为36 mm·h-1。昌江河谷附近也有中小尺度丘陵，对风场及水汽的辐合抬升极为有利，可能是造成该处为台风型短时强降水的高频区原因之一。

4 敏感物理量分析

4.1 能量与不稳定参数

CAPE常被用于强对流天气的分析和预报，是判断湿对流深厚的重要参数。由图4a可知，冷锋型、副高边缘型及台风型箱线图箱体较宽，CAPE值比较分散，其值主要在500～2 000 J·kg-1之间，平均值在1 200 J·kg-1左右，有将近50%的短时强降水过程的CAPE值超过1 000 J·kg-1，最大CAPE能达到2 500 J·kg-1。而西南急流型和暖切型的CAPE相对集中，主要在1 200 J·kg-1以下，大约有50%的短时强降水过程的CAPE值小于1 000 J·kg-1，从暖切型的CAPE极大值与极小值来看，此类天气系统产生的对流强度要弱于其他四类，均值也明显较其他低，CAPE值较温和。其他三类CAPE的平均值稍大，适当大小的CAPE比较有利于短时强降水的形成。

CIN是LFC下层结曲线与状态曲线所围成的面积。对流的产生，对CIN的值有一定要求：过大，对对流抑制就越大，不利于对流的生成；过小，不稳定能量很难在低层堆积，也不利于对流的生成。由图4b发现，各型CIN差别不大，大部分箱体主要在20～60 J·kg-1之间，除台风型之外，其他四类的CIN均值在40 J·kg-1之间，可能是台风天气动力抬升较强，LFC较小，导致层结曲线与状态曲线所围成的面积就小缘故。副高边缘型与暖切型最小值和下四分位值重合且为0，表明有25%的天气过程的CIN为0 J·kg-1。

K指数与S指数是表征大气层结稳定情况的指数，K指数越大，层结越不稳定，低层越暖湿，有利于对流产生，北美地区认为KI>20 ℃时就会有雷暴的可能，KI>30 ℃就会有分散雷暴，KI>35 ℃会出现成片雷暴。对于S指数，当SI<0 ℃时，大气层结不稳定，且值越小越不稳定；反之气层稳定。一般而言，SI>3 ℃时，基本不会发生雷暴或降水，0 ℃

图4 短时强降水敏感性参数箱线(箱线中线段最高点是统计的最大值，最低点是统计的最小值，箱型上部框线是上四分位数，下部框线是下四分位数，箱内线是中位数，黑点为平均数，其值在黑点上方)：(a)CAPE；(b)CIN；(c)K指数；(d) S指数；(e)T700-T500； (f)T850-T500； (g)850 hPa θse； (h)LFC； (i)暖云层厚度； (j)地面Td； (k)PWFig.4 Box diagram of sensitivity parameters of flash heavy rain (the highest point of the line segment in the box diagram is the maximum valueof statistics，the lowest point is the minimum value of statistics， the upper frame line of the box type is the upper quartile. the lower frame line is the lower quartile，the inner line of the box is the median， the small black spot is the average，and the value is above the black spot)：(a)CAPE；(b)CIN；(c)KI；(d) SI；(e)T700-T500; (f)T850-T500； (g)850 hPa θse； (h)LFC；(i)height of warm cloud； (j)surface Td； (k)PW

4.2 热力参数

在业务预报中常用T850-T500、T700-T500来表示大气中低层静力稳定度。如图4e各型T700-T500的中位值在14～15 ℃，箱体也较窄，基本有75%的过程在13 ℃之上，大部分箱体在13～16 ℃，平均为14.3 ℃。西南急流型的阈值低至10 ℃，冷锋型T700-T500最小值为12 ℃，最大为17 ℃。西南急流型、副高边缘型和暖切型T700-T500整体要大于其他两类，静力不稳定程度较大。T850-T500的平均气温在23 ℃以上(图4f)，冷锋型T850—T500阈值为21 ℃，23～24 ℃有12例，占50%。西南急流型的阈值是各型中最低的(20 ℃)，但最大值可达27 ℃，这和中高层干冷空气入侵有关。副高边缘型箱体比较集中，T850-T500平均值相对较大。台风型箱体数值分布较散，有75%的过程T850-T500大于等于22 ℃。

θse是把温度、气压、湿度包括在一起的一个综合物理量，θse的高值区是高温高湿区域。图4g表明，各区850 hPaθse均大于340 K，平均在350 K附近，主要集中在345～355 K，副高边缘型和台风型的θse阈值偏高，接近347 K。冷锋型与西南急流型所需θse较低，冷锋型有72%的过程达到350 K，西南急流型超过350 K的过程不到40%，副高边缘型、暖切型和台风型分别有75%、63%和85%的过程超过350 K。

LFC下大气层结层稳定，气块只能靠外力强迫抬升，当达到这一高度后，气块的温度高于环境温度，能从环境大气中获取不稳定能量并且自由上升。由图4h来看，各型平均LFC在1 500 m左右，除台风型，其余四类LFC的阈值较低，能在较低的高度触发对流。冷锋型LFC高度大致在1 250～2 250 m，西南急流型的LFC最高能达到3 700 m，台风型LFC相对集中，在1 250～1 750 m。

厚的暖云层有利于提高降水率，有利于短时强降水的发生，暖云层厚度定义是0 ℃层高度与抬升凝结高度的差。冷锋型、副高边缘型、暖切型及台风型的暖云层厚度比较一致(图4i)，平均在4 500 m左右，西南急流型整体偏低，阈值为3 500 m。各型来看，大部分暖云层厚度都在4 000 m之上，超过4 500 m的暖云厚度依次占44%、20%、62%、40%和71%。

4.3 水汽和湿度参数

由图4j可以看出，各型之间地面露点温度Td分布基本不一致。冷锋型地面Td在22～26 ℃，主要箱体在23～25 ℃，平均露点为23.8 ℃，60%的过程超过平均值。西南急流型的地面Td普遍偏低，主要在22～23 ℃，阈值为1 ℃，近80%的过程低于23 ℃，平均为22.6 ℃。副高边缘型平均Td最高，达24.1 ℃，其箱体较窄，数据分布较集中，大部分过程所需温度超过24 ℃。暖切型箱线图与冷锋型类似，主体、中位数、上下四分位数都相同，75%的过程超过23 ℃，平均地面Td为23.5 ℃。台风型数值全部重合为24 ℃。从各型主要地面露点温度来看，近地面层水汽条件较好。

与大气水汽条件有关的另一参数是PW，图4k表明各型短时强降水PW有所差异。台风型最大，平均接近70 mm，上下四分位值分别为72 mm和66 mm，70%的过程超过60 mm。其次为冷锋型，主体箱线在60～70 mm，平均为63.7 mm，72%的过程超过60 mm。副高边缘型与暖切型均值在61 mm左右，阈值约为50 mm，两类约50%的过程大于60 mm。西南急流型最低，平均不到60 mm，阈值为44 mm，44%的过程大于60 mm。

5 短时强降水的概念模型

5.1 冷锋型

如图5a所示，500 hPa上588线控制我国南海一带，副高脊线位于15°N附近。850 hPa来自孟加拉湾的暖湿气流与北方的冷空气在江西北部交汇，形成冷锋，风速在锋前辐合，降水主要集中在锋前暖区的鄱阳湖平原处，850 hPa比湿阈值为14 g·kg-1，θse超过340 K，Td在22 ℃之上。PW阈值为50 mm，KI≥32 ℃，SI≤-1.1 ℃，T850-T500≥21 ℃，T700-T500≥12 ℃，暖云厚度≥4 000 m。

5.2 西南急流型

如图5b所示，200 hPa上有高空急流，急流轴位于35°N附近，500 hPa上588线较冷锋型偏西，副高脊线位于15°N附近。850 hPa有来自孟加拉湾的低空急流，急流区覆盖两广，湖南及江西大部分地区，急流轴呈“西南—东北”走向，降水主要集中在低空急流轴出口区左侧的鄱阳湖平原处，850 hPa比湿满足14 g·kg-1即可，θse超过340 K，Td>21 ℃。PW阈值为45 mm，KI≥32 ℃，SI≤-1.6 ℃，T850-T500≥20 ℃，T700-T500≥10 ℃，暖云厚度≥3 500 m。

5.3 副高边缘型

如图5c所示，500 hPa上588线控制我国华南大部分地区，北抬至江西南部，副高脊线稳定在20°N附近。850 hPa有来自孟加拉湾的暖湿气流，此时低层至近地面长时间处于高温状态，低层暖湿空气和中层冷空气造成温差加大导致大气层结不稳定，积累了较大能量的同时，层结不稳定在夏季午后得到剧烈发展，降水主要集中在副高边缘的江西省中东部。850 hPa比湿超过14 g·kg-1即可，θse阈值为345 K，Td>23 ℃。PW阈值为50 mm，KI≥32 ℃，SI≤-1.4 ℃，T850-T500≥24 ℃，T700-T500≥14 ℃，暖云厚度≥4 000 m。

图5 短时强降水概念模型:(a)冷锋型；(b)西南急流型；(c)副高边缘型；(d)暖切型；(e)台风型Fig.5 Conceptual models of flash heavy rain：(a) cold front type; (b) southwest jet type; (c) the subtropical high type; (d) warm shear type; (e) typhoon type

5.4 暖切型

如图5d所示，500 hPa上588线较冷锋型偏东，副高脊线位于18°N附近。850 hPa有来自孟加拉湾的暖湿气流，切变线位于贵州中部、湖南中部、江西北部、安徽南部以及江苏南部上空，江西位于切变线南侧的西南暖湿气流内，降水主要集中在切变线南侧的暖区内，鄱阳湖平原依然是短时强降水高发区。850 hPa比湿较其他型偏低,为13 g·kg-1，θse需达到345 K，Td阈值为21 ℃。PW阈值为50 mm，KI≥33 ℃，SI≤-1.6 ℃，T850-T500≥23 ℃，T700-T500≥14 ℃，暖云厚度≥3 800 m。

5.5 台风型

如图5e所示，台风多发于8—9月，台风登陆广东或福建后会对江西南部以及东北部的短时强降水有影响，降水主要集中在台风北侧或西侧。850 hPa比湿超过15 g·kg-1，θse阈值为345 K，Td较其他型偏高,为24 ℃。PW≥60 mm，KI≥38 ℃，SI≤-1.2 ℃，T850-T500≥21 ℃，T700-T500≥13 ℃ ，暖云厚度≥3 700 m。

6 结论

本文利用南昌和赣州站探空资料，自动站逐小时降水资料，ERA Interim，Daily逐日4次0.125°×0.125°再分析资料，根据一定条件筛选了84个重大短时强降水过程，先对影响短时强降水过程进行天气系统分析、分型，再根据不同类型的短时强降水统计出现的频次及与其相关的关键环境参数并建立概念模型，主要结论如下：

(1)江西地区的重大短时强降水主要有5类：冷锋型、西南急流型、副高边缘型、暖切型和台风型，各型分别占29%、40%、11%、12%和8%；平均过程维持时间约为4.4～6.7 h，平均降水强度为27～45 mm·h-1，以副高边缘型最强，西南急流型最弱。冷锋型、西南急流型和暖切型高发时段在5—6月，副高边缘型7月占比高达78%，台风型8月最为频繁。

(2)五种类型对应的关键环境参数特征为：冷锋型、副高边缘型及台风型的CAPE跨度较大，平均为1 200 J·kg-1，西南型和暖切型集中在500～1 200 J·kg-1。CIN介于20～60 J·kg-1，台风型K指数阈值为38 ℃，其他为32 ℃，各型S指数的平均值都低于-1.1 ℃。地面露点5类差异较大，西南急流型和暖切型最低，为21 ℃，其次是冷锋型(阈值为22 ℃)，台风型超过24 ℃。从均值来看，除了西南急流型，其他4类在24 ℃附近波动，地面露点Td范围在23 ℃以上，西南急流相反。T700-T500与T850-T500的75分位分别为13 ℃和23 ℃。850 hPa假相当位温冷锋型与西南急流型≥340 K即可，其他三型需大于等于345 K，5类平均在350 K。大多数PW都在50 mm以上，台风型最大，平均70 mm，70%的过程超过60 mm；其次为冷锋型，主体箱线在60～70 mm，平均为63.7 mm，72%的过程超过60 mm；副高边缘型与暖切型均值为61 mm左右，阈值约为50 mm，两类约50%的过程大于60 mm；西南急流型最低，平均不到60 mm，阈值为44 mm，44%的过程PW大于60 mm。

(3)冷锋型，西南急流型和暖切型在500 hPa上588线控制我国南海一带，副高脊线稳定在15°N附近。850 hPa来自孟加拉湾的暖湿气流稳定的向江西地区输送，降水主要集中在鄱阳湖平原处。副高边缘型500 hPa上588线控制我国华南大部分地区，北抬至江西南部，副高脊线位于20°N附近。850 hPa有来自孟加拉湾的暖湿气流，此时低层至近地面长时间处于高温状态，低层和中层造成温差加大导致大气层结不稳定，积累了较大能量的同时，层结不稳定在夏季午后得到剧烈发展，降水主要集中在副高边缘的武夷山西侧。台风多发于8—9月，台风登陆广东或福建后会对江西中部以及东北部的短时强降水有影响，降水主要集中在台风北侧或西侧。