大藤峡水利枢纽短时强降水天气分型与环境参量分析

吴徐燕 邓英姿 吴玉霜 韦晶晶

(广西壮族自治区气象灾害防御技术中心，广西 南宁 530022)

引言

大藤峡水利枢纽工程(以下简称大藤峡)是国务院批准重大水利工程的标志性工程，是珠江-西江经济带和“西江亿吨黄金水道”基础设施建设的标志性工程，坝区地处广西壮族自治区桂平市境内，珠江流域黔江河段大藤峡峡谷出口，西邻大瑶山余脉，东临郁浔河谷平原，地行复杂，强对流天气频发。短时强降水是强对流天气的一种，具有突发性强、致灾性高、可预报时效短等特征。

短时强降水一直以来是气象预报的重点，很多专家学者开展研究并取得一定成果[1-3]，如廖胜石等[4]指出，广西汛期极端短时强降水不仅与地形密切相关，而且与南海夏季风、厄尔尼诺/拉尼娜事件关联性很大；田付友等[5]研究指出，环境大气中水汽多少即大气可降水量可能是决定短时强降水级别的必要因素，高级别短时强降水还与0～6km垂直风切变和最佳对流有效位能(BCAPE)有一定关系；赵金彪等[6]分析了广西各类强天气的气候分布特征，建立了有效的潜势预报的物理量指标；陈贝等[7]总结得出，四川盆地西-南部强降水3个发源地，2种生消发展分布形势以及天气过程发展和维持的关键环境因素；杨丽杰等[8]指出，陇东黄土高原旱区短时强降水次数受地理、地形因子影响显著，主要影响机制是山谷风环流及其诱发的地面中尺度辐合线，并非地形强迫抬升。此外，根据当地气候特征建立适应本地的预报指标和方法[9-12]的研究也较多，但目前尚缺乏针对大藤峡水利枢纽这类重大工程的短时强降水特征和预警指标研究。因此，有必要深入分析大藤峡短时强降水的时空分布、影响天气系统及环境物理量预警指标，对大藤峡水利枢纽施工建设期的安全生产和运营期的防汛储水、科学调度有重要意义。

1 资料和方法

1.1 资料和短时强降水定义

所用资料为广西区信息中心提供的2011—2021年经过质控后的桂平市1个国家气象观测站、57个区域自动站逐小时降水资料(含大藤峡水电站)，ECMWF 2.5°×2.5°实况初始风场和高度场，ERA5 0.25°×0.25°逐时再分析资料。

本文按照《全国短时临近预报业务规定》，将1h降水量≥20mm定义为短时强降水。统计时段内出现1次短时强降水，则定义为一次短时强降水事件，如果1天中出现多次短时强降水，则分别计数。相同天气形势下的连续几次短时强降水事件组合成一个短时强降水过程。

1.2 分析方法

二维线性插值法延长时间序列。大藤峡气象站建站时间较晚，最早始于2017年8月27日，短时强天气个例较少，不利于研究其特征分布。本文利用大藤峡及周边自动气象站，基于二维插值方法，将时间序列向早期方向延长至2011年。

统计学方法分析短时强降水时空分布。筛选出重建后的大藤峡自动站的短时强降水事件，利用统计学方法分析日、月、年的时间变化，以及桂平市的短时强降水空间分布，研究地形与短时强降水的关系。

天气分型和物理量统计方案。选取短时强降水过程发生前一个时次欧洲中心实况初始场资料，分析天气形势和影响系统并进行分类总结；利用近邻插值法，将短时强降水发生时段ERA5的0.25°×0.25°逐时物理量插值到大藤峡位置，通过箱线图比较不同类型的数据分布特征。

2 短时强降水时空特征分析

2.1 短时强降水时间分布

2011年1月1日—2021年12月30日大藤峡共出现106个短时强降水事件。统计月份分布发现，6月发生次数最多，5月次之，8月再次之，12月、1月和2月很少出现甚至没有出现，5—8月短时强降水占全年的82%。分析每日逐时的短时强降水频次，其日变化呈多波型，午夜到上午的2个时段(0：00—4：00和8：00—10：00)更易发生短时强降水，极大值出现在凌晨1：00，3：00—4：00及上午10：00；中午至上半夜(12：00—22：00)为相对较低发时段，极小值出现在11：00。分析2011—2021年的年际变化来看，短时强降水总体呈大致不变趋势，平均每年出现9.46次，在2012—2014年和2019—2020年这2个阶段发生次数相对较高，每年超过10次，其余年份为短时强降水较少年，每年不高于8次。

强度不同的短时强降水，所造成的气象灾害程度有所差别，分析不同强度短时强降水特征也有重要意义。统计发现，大藤峡短时强降水中，20～29.9m·h-1发生频次最多，占总频次的67.9%；其次为30～39.9m·h-1，占19.8%；≥50m·h-1最少，仅发生3次，占2.8%。按短时强降水99.5%分位数的降水量值[4]作为极端短时强降水阈值，大藤峡极端短时强降水阈值为46.1mm，主要分布在5月中旬—7月上旬。

图1 大藤峡短时强降水逐月分布

图2 大藤峡短时强降水逐时分布

图3 大藤峡短时强降水逐年分布

2.2 短时强降水空间分布

图4a为大藤峡及周边地理环境分布，可以看出，大藤峡的整个西北面全部为大瑶山余脉所覆盖，东北面和西南面为广阔的郁浔河谷平原，大藤峡位于黔江河段河谷处，东西海拔高度落差大，地形较为复杂。图4b为桂平市2011—2021年短时强降水频数分布，从地理位置看，短时强降水在大藤峡及其周边各地均有出现，易发地段主要集中在桂平市西北部和东南部的山区，而平原和山脉的背风坡是较少发生地段。大藤峡地处山脉的东侧河谷，相较于周边地区，为一个低值中心。分析原因，主要是大藤峡处于冷空气南下主要路径的山脉的背风坡，不利于天气系统的抬升和水汽的辐合。

图4 大藤峡及周边海拔高度图及短时强降水空间分布

注：图中横坐标1为低槽冷锋型，2为低涡切变型，3为热带系统型，4为槽前高后型，5为局地热对流型；箱型短横为数值范围，紫色箱的上框线为上四分位值，下框线为下四分位值，橙色虚线为中位线，橙色菱形为均值，红色圆点为异常值。

3 影响天气系统分型

短时强降水产生的原因不仅与中小尺度系统有关，还与天气尺度系统分不开，中小尺度系统受天气尺度系统影响和制约，天气尺度背景不同造成的短时强降水不尽相同，所以分析天气尺度系统是研究短时强降水预报的基础[12]。由于500hPa的西风槽是大多数短时强降水的共同形势，且触发机制与低层天气系统关系密切，因此本文天气分型主要以低层与地面系统为主、500hPa系统为辅进行分类。将2011—2021年大藤峡短时强降水事件按照以下规则分成5种类型：若地面有明显冷空气影响，配合中低层有西风槽或切变线，则定义为低槽冷锋型；若地面无明显冷空气，中低层有西风槽或切变线，有时有闭合低值中心，定义为低涡切变型；若中低层受台风及其外围切变影响，或受热带辐合带影响，则定义为热带系统型；若地面冷空气主体即将入海，地面受冷高压后部偏南气流影响，则定义为槽前高后型；若无明显系统影响，处于副高边缘，则定义为局地热对流型。

3.1 低槽冷锋型

500hPa中低纬度的E100°～115°范围有西风槽或南支槽影响，副热带高压控制在南海，低层850hPa在湖南、贵州中部一带有冷式切变线，华南中西部一带有低空急流，地面伴随有冷锋，冷锋在江南一带或静止锋在南岭以南，冷空气从东路南下，孟加拉湾和南海的西南暖湿气流与西风槽南下的冷空气在华南交汇；当西风槽或南支槽东移时，引导中低层的切变线和地面锋面自北向南移动时，大藤峡坝区在中低层和地面系统共同影响下，造成短时强降水和雷暴大风等强对流天气。这一类型出现时间主要集中在5—6月。

3.2 低涡切变型

在500hPa高度场上，中低纬高原东部至孟加拉湾为低槽区，副高强度较弱，位置偏南，700hPa和850hPa从华北到江淮盛行偏东气流，与孟加拉湾低槽输送到华南的西南风，在N30°以南、E105°以西形成气旋性低涡环流，低涡逐渐向偏东方向移动；地面表现为有弱冷空气或无冷空气影响；当低涡或切变线移动过程中其最大比湿中心之北侧、最大风速轴的左侧和水汽通量散度辐合区经过大藤峡坝区时，有利于产生短时强降水天气。这一类型主要集中在5—6月。

3.3 热带低值系统型

当副高脊线北抬到N32°以北，广西处在偏东气流中，常受热带低值系统影响，热带云团活跃，当热带低值系统与西风带低值系统在广西上空相遇(靠近)时，中低纬度系统相互作用，有利于大藤峡地区短时强降水和强对流天气。热带低值系统主要包括热带气旋本体及其外围环流影响、台风后部尾流、东风波、热带辐合带影响等，其中以热带气旋本体及外围环流和热带辐合带影响而产生的短时强降水最多。这一类型主要发生在6月下旬—11月中旬前期，最集中的时段为8 月。

3.4 槽前高后型

青藏高原东侧多波动和小槽东移，南支锋区在E90°～110°，振幅较深，副高位于南海东部，脊线位于N15°～18°附近；低层在南岭附近有切变线存在，低空急流发展，冷高压出海时，切变线减弱或北退；地面冷高压入海，出海高压中心位于长江口附近，广西处于冷高压后部，西南暖低压有所发展，华南气压呈东高西低形势，等压线呈南北向分布，暴雨出现在高空槽东移的时候，暴雨落区位于850hPa切变线附近或南侧。这一类型的短时强降水集中出现在3—5月。

3.5 局地热对流型或无系统型

6—8月我国东部地区受西太平洋副热带高压控制影响时，广西位于副热带高压的西北部边缘，副高的西北侧或北侧储存较高的能量，当这一区域配合有西风带低槽东移过程，对于不稳定降水的产生较为有利；如果副高开始显著东退，不稳定能量也会开始明显释放；当副高加强西伸时，其南侧的东南风急流，使桂东或沿海地区出现较强的辐合上升运动，对于大藤峡坝区的短时强降水天气也较为有利，局地热对流型在整个夏季均有出现。

表1 给出了5 种类型天气形势的占比，可以看出，低槽冷锋型天气系统出现次数最多，占短时强降水事件的45.3%，同时也是持续性短时强降水事件(连续发生2h及以上短时强降水事件)占比最多的类型，主要是由于高空槽和地面冷锋共同影响的情况下，大藤峡的高低空系统配置最有利于发生短时强降水；热带系统型出现次数次之，占28.3%，这一类型包含热带气旋及其后部偏南气流、热带辐合带等；局地热对流型短时强降水占总次数比较少，不易出现持续性短时强降水，因为这一类型大多在副高控制下、受局地热对流影响，持续时间一般较短；槽前高后型短时强降水次数最少，但其中持续性比例较高。

表1 2011—2021年大藤峡短时强降水天气形势分型统计

表2 5种天气类型短时强降水物理量参数预警指标

4 短时强降水关键环境参量分析

短时强降水天气不仅与大气环流演变有关，还与大尺度环流背景场下的各种中小尺度天气系统相互作用关系密切，因此，本文按照5种天气分型结果，选取能反映大气垂直稳定度和中尺度天气系统结构特征的物理量进行对比分析。

短时强降水的产生需要水汽条件、不稳定层结、抬升条件和能量条件等。本文选取地面温度露点差T-Td、地面露点Td、850hPa的比湿q850来表征水汽条件，850hPa假相当位温θse850表示温压湿综合特征，500hPa和850hPa气温之差ΔT85和K指数表征不稳定层结条件，对流有效位能CAPE和对流抑制有效位能CIN判断对流潜势强弱。

4.1 水汽条件和温压湿综合影响条件

温度露点差T-Td是用来表示空气中水汽含量饱和程度的重要指标，数值越大，表示空气中水汽含量越小，反之，表示水汽含量越大。按照《广西天气预报技术和方法》，T-Td≤4～5℃表明湿区，T-Td≤2℃表明水汽饱和。比湿q也是表征大气中水汽含量和空气湿度的一个物理量，通常850hPa的比湿与降水关系较明显。经研究表明，大藤峡短时强降水地面和低层水汽条件大部分较好，850hPa比湿大多大于12.5g·kg-1，其中有75%以上的事件大于14g·kg-1，平均值为15g·kg-1，各类型比湿较为集中，50%以上比湿为14～16g·kg-1。大部分短时强降水事件的地面温度露点差小于4℃，为湿区，平均值为1.9℃；其中低槽冷锋型集中度较好，75%以上事件的地面温度露点差均小于2℃，可见这一类型的短时强降水的湿度均接近饱和。与水汽相关的地面露点均值为24℃，除槽前高后型外的4种类型70%左右的数值集中在24～26℃，而槽前高后型大部分集中在19～23℃，这一类型露点温度较其他类型小，温度露点差同时也较小。

通过假相当位温的分析可得出温、压、湿综合影响，不同类型短时强降水有不同的假相当位温特征；短时强降水发生时，850hPa假相当位温处于50～80℃，50%以上出现在57～75℃，平均值66℃。

综上分析，大藤峡短时强降水易发生在850hPa比湿≥14g·kg-1，地面T-Td≤4℃，地面Td≥20℃，850hPa的θse≥57℃的环境条件下。

4.2 不稳定条件

850hPa和500hPa的温差可以用来表示中低层大气温度的垂直递减率，指示大气静力稳定度情况。图6给出了5种天气类型的短时强降水的ΔT85箱线图。从图中可知，短时强降水出现在ΔT85>20℃时，均值为22.7℃，约75%以上事件发生在ΔT85>21.5℃，其中槽前高后型ΔT85均值最大，静力稳定度最差。

图6 5种类型短时强降水500hPa与850hPa温差、K指数箱线图

图7 5种类型短时强降水CAPE、CIN箱线图

在天气预报分析中，K指数也是能反映大气的热力条件和不稳定状况的一个常用指标。经统计，大藤峡短时强降水事件发生时的K指数在32～41℃，平均为36.4℃，一般集中在35～39℃，其中低槽冷锋型K指数取值范围最大，槽前高后和局地热对流型K指数取值范围较小，各类型K指数均值相差不大。

综上可见，K指数和ΔT85能一定程度指示大藤峡短时强降水的发生，这里将ΔT85≥21.5℃和K≥35℃作为短时强降水天气预报的阈值指标。

4.3 能量条件

对流有效位能CAPE和对流抑制有效位能CIN通常被用来指示强对流天气潜势。一般情况下，CAPE值越大，强对流潜势越大，且离不开一定的对流抑制能CIN，CIN不能太大也不能太小，太大抑制强对流的发生，太小又不利于能量的积累。统计发现，大藤峡短时强降水事件发生时的CAPE均值为827J·kg-1，CAPE值超过440J·kg-1占75%，有32%的值大于1000J·kg-1。5种类型短时强降水的CAPE均值相差不明显，其中热带系统型的下四分位最低，说明这一类型形势下较低的CAPE也能出现短时强降水，能量条件要求较低。低涡切变型短时强降水对CAPE要求总体相对高一些。从CIN箱线图可见，发生短时强降水时的CIN在0～200J·kg-1，其中50%的事件发生在15～73J·kg-1，其中低涡切变型和局地热对流型短时强降水能接受较大的对流抑制能，有更大的上四分位，而其他类型需要更小一些的对流抑制能。

4.4 环境物理量预警指标

综上分析，按照75%的出现概率统计不同类型的物理量阈值，用来表征短时强降水预警指标。水汽条件显示，低槽冷锋型水汽要求最高，局地热对流型最低；稳定度条件来看，槽前高后型最不稳定，其次是局地热对流型；能量条件上，低涡切变型和槽前高后型有更高的对流有效位能，低涡切变型和局地热对流型需要克服的对流有效抑制位能为最大。综合来看，短时强降水易出现在地面露点≥20℃、地面温度露点差≤4℃、850hPa比湿≥14g·kg-1、850hPa假相当位温≥56℃、500hPa与850hPa温差≥21℃、K指数≥35℃、CAPE≥437J·kg-1、9≤CIN≤131J·kg-1的环境条件下；其中低槽冷锋型对水汽条件要求高，槽前高后型对不稳定条件和能量条件要求高。

5 结论

2011—2021年大藤峡水利枢纽共出现106次短时强降水事件，其中20≤R(小时雨强)<30mm·h-1占比67.9%，30≤R<40mm·h-1占比19.8%，≥40mm·h-1仅占12.3%；持续性短时强降水占比47%，非持续性占53%。

统计短时强降水时间变化规律表明，年变化呈大致不变趋势；5—8月短时强降水占全年82%，其中5—6月最为集中；日变化呈多波型，午夜到上午更易发生短时强降水。

分析短时强降水的空间分布特征可见，短时强降水易发生在桂平市西北部和东南部的山区，大藤峡处于山脉的东侧河谷，属于短时强降水发生较少的区域。

按照短时强降水发生时的天气形势和影响系统，可划分为低槽冷锋型、低涡切变型、热带系统型、槽前高后型、局地热对流型(无系统型)；其中低槽冷锋型占比45.3%，为出现次数最多类型，且持续性的比例也最高。

通过对短时强降水发生时的物理量统计可以看出，短时强降水易出现在地面露点≥20℃、地面温度路点差≤4℃、850hPa比湿≥14g·kg-1、850hPa假相当位温≥56℃、850hPa与500hPa温差≥21℃、K指数≥35℃、CAPE≥437J·kg-1、9≤CIN≤131J·kg-1的环境条件下。其中低槽冷锋型对水汽条件要求高，槽前高后型对不稳定条件和能量条件要求高。

天气分型和物理量指标相结合，能为大藤峡短时强降水预报提供有价值的参考。