金坛地区不同类型短时强降水时空分布与环境参数分析

周舒佳，顾 杰，温 静，钟亚含

1.常州市金坛区气象局，江苏常州 213200；2.南通市如皋市气象局，江苏南通 226500；3.常州市气象局，江苏常州 213125；4.云南省气象科学研究所，云南昆明 650000

金坛区位于江苏省常州市西北部，属于北亚热带季风区，四季分明，雨量充沛。地势自西向东倾斜，西部为丘陵山区，东部为地势低平的平原。21世纪以来，极端天气事件频发，2021年7月10日金坛东部主城区短时强降水小时雨强超过100 mm，造成了严重的城市内涝，带来了不少经济损失。因此，为了防灾减灾，保障人类生命财产安全，加强对金坛区短历时强降水的研究十分必要。短时强降水具有突发性强，小时雨强大，局地性明显，可预报时间短等特点，易引发山体滑坡、泥石流及城市内涝等衍生灾害[1]。近年来众多学者对其展开了大量的研究[2-4]。

以往的研究往往集中在短时强降水的变化特征、环流背景及其发生发展机理方面，而单一地运用天气分型法存在一定的局限性。因此，充分利用金坛区自动气象站逐小时降水资料分析了不同天气系统背景下短时强降水的分布特征，并结合“配料法”的思路，分析各类天气型相应的关键环境参数特征[5]。有助于提高本地短时强降水监测预报能力，以期为预报预警和防灾减灾工作提供科学依据。

1 资料与方法

考虑到金坛区内区域自动站建站时间、数据连续性和可靠性等因素，采用经过质量控制后的金坛区17个地面自动观测站2017—2021年的逐小时降水数据，站点分布见图1。根据国家气象中心业务标准规定小时降水量≥20 mm为短时强降水过程，1个测站出现R1h≥20 mm，站次记为1次；1个站点多个小时达到标准时，站次数累加；多个站点R1h同时≥20 mm，站次数累加。只要有1个站 R1h≥20 mm，即作为一个短时强降水日统计，一天中有多个站点达到标准时按一个短时强降水日统计[6]。

图1 金坛区地形及站点（三角标识所示）分布

短时强降水天气类型的分类主要利用MICAPS历史天气资料，并采用时间分辨率1 h、水平分辨率0.25°×0.25°的欧洲中期天气预报中心（ECWMF）第五代再分析资料（ERA5）对每类天气型个例进行合成分析。结合探空数据，进一步探讨每类天气型下短时强降水的分布特征、相应的环境参数特征。其中降雨量采用距离权重法进行30 m×30 m的空间插值。关键环境参数选取短时强降水发生前南京站点的探空数据，07:00~20:00时选用08:00探空，其中12:00~20:00的数据用11:00~19:00的温度、露点温度订正；21:00~00:00选用20:00探空；01:00~08:00选用前一日20:00探空。

2 结果与分析

2.1 短时强降水过程的主要天气型

2017—2021年金坛区共出现62个短时强降水日，共有324站次出现短时强降水。引发强对流天气的中小尺度对流系统发生发展依赖于大尺度环流背景[7]。利用高空、地面MICAPS观测资料，以500 hPa上的主要影响系统或环流特征为基础，对短时强降水日进行环流分型研究。与孙燕等[8]的研究一致，发现产生短时强降水的主要天气形势有：槽前型、冷涡（槽）后型、副高边缘型、副高控制型、台风型，并对每类天气型的个例进行合成分析给出了大尺度环流背景特征。

图2为不同天气型环流背景。槽前型金坛区处于500 hPa东移西风槽前。中低层上常有低涡切变相配合，为对流天气的产生提供有利的辐合抬升条件（图2a）。冷涡（槽）后型500 hPa上处于东北冷涡后部的西北气流，往往处于上冷下暖的不稳定层结（图2b）。图2c为副高边缘型环流背景。500 hPa上，随着副高增强，120°E副高脊线位于21°N~27°N范围内，此时金坛区处于副高584~588 gpm附近，副高北侧的西南或偏南气流将暖湿空气输送至金坛区，水汽充沛。副高控制型夏季暖湿气流进一步增强，500 hPa副高脊线越过28°N，金坛区处于副高控制下。而此时大气平均的湿热层结较之前进一步发展，对流潜在能量十分充沛。在一定的抬升条件下，易诱发局地对流天气（图2d）。近年来造成金坛区短时强降水的台风基本为西北路径并结合有西风槽。500 hPa上，台风低压或倒槽与副高之间维持强盛偏南或东南急流，水汽输送通道完整，北上暖湿气流与冷空气相结合将促进降水对流性发展（图2e）。

图2 不同天气型500 hPa位势高度（蓝色实线，单位：gpm）和风场（黑色箭头，单位：m/s）合成

2.2 降水量时空分布特征

据统计，2017—2021年产生短时强降水的每种天气类型占比依次为：槽前型25.8%、冷涡（槽）后型14.5%、副高边缘型33.9 %、副高控制型14.5%、台风型11.3%。其中4—5月暖湿气流逐渐增强，主要以槽前型为主；冷涡（槽）后型主要出现在6—7月；梅汛期副高南北摆动，副高边缘型主要出现在6—9月，尤以8月次数最多；副高控制型主要出现在7—8月；台风型主要出现在8月（图3）。

图3 2017—2021年金坛区不同天气型短时强降水月变化特征

不同天气系统影响下，短时强降水的时空特征存在明显差异。槽前型在08:00和19:00~20:00多 发（图4）。总 体上，槽前型短时强降水发生范围较广，高发区主要位于金坛区东部（尧塘街道、东城街道和西城街道）及南部指前镇。其中指前镇平均每场短时强降水雨量，即平均雨强为48 mm/d；低发区和雨量低值区位于金坛区西南部和东南部（图5a）。除了凌晨（00:00~04:00），冷涡（槽）后型在各时段都有发生，尤其是08:00~15:00多发。这可能与中尺度对流系统（MCS）呈多峰型日变化特征有关，郑永光等[9]的研究表明，MCS在午后和傍晚时段活动最为强盛，在凌晨MCS的活动减弱。图5b显示，冷涡（槽）后型短时强降水对比槽前型高发区分布更广，金坛区南部，北部和东部都有站次的大值区，虽然2017—2021年槽前型更为频发，但冷涡（槽）后型总雨量与其相当，且平均雨强在金坛东部（尧塘街道和东城街道）高达100 mm/d以上，说明冷暖气流交汇更易导致雨强增大，持续时间长的短时强降水过程。副高边缘型在08:00~10:00多发。降水的空间分布与冷涡（槽）后型类似，东多西少，南北多，中部少。平均雨强的最大区位于在金坛区北部金城镇（图5c）。副高控制型发生时段呈双峰型，主要集中在14:00和18:00（图4）。以往的研究表明午后到傍晚地面受日射而强烈加热，常在近地层形成绝对不稳定的层结，如果水汽丰富，那么当天午后到傍晚易出现短时强降水[10]。图5d显示，副高控制型降水空间分布不均匀，高发区位于金坛区东部尧塘镇；在金坛区西部和南部大部分地区都存在零发的现象。需要注意的是，在研究时段内副高控制型与冷涡（槽）后型发生频次一样，但降水量明显偏少，均值的最大值约为60 mm，位于西城街道和金城镇。副高控制型主要由夏季午后热力抬升造成，前期温度高，水汽条件较差，具有局地性强、短时强降水雨强小的特点。台风型在18:00~23:00多发，早上和下午发生概率较小。台风型短时强降水呈东多西少的特征，金城镇、东城街道和儒林镇是3个高发中心和雨量大值区。由于台风型水汽含量充沛，均值的最大值达81 mm，位于直溪镇（图5e）。

图4 2017—2021年金坛区各类型短时强降水站次日变化

图5 2017—2021年金坛区不同类型累计出现短时强降水站次（紫色圆点）、总雨量（填色，单位：mm）、平均雨强（等值线，单位：mm/d）的空间分布

2.3 关键环境参数特征

强对流天气主要发生在大气处在条件不稳定、一定的水汽条件和适当的垂直风切变的环境下[11-12]。据此，研究选取的关键环境参数主要包括表征水汽条件的850 hPa温度露点差（TTd(850)）及表征降水效率的暖云层厚度；表征动力条件的0~6 km垂直风切变（SHR，0~6 km风矢量差）；表征大气层结稳定度的K指数；表征热力能量的CAPE。

图6是不同类型短时强降水关键环境参数箱形图。槽前型和台风型T-Td(850)较小，台风型下四分位值为0℃，槽前型下四分位值和中位值都为1℃，表明这两类短时强降水发生前，近地面层水汽条件好。与此相反，副高控制型T-Td(850)整体偏高，主要分布在1℃~6.9℃，平均值4.6℃（图6a）。暖云层是抬升凝结高度到0℃层高度之间的厚度差，暖云层厚度越厚，越有利于高降水效率的产生。5种天气型的暖云厚度箱形图中，台风型厚度最大，都在3 600 mm以上，均值为4 809 mm；副高边缘型次之，均值为4 502 mm（图6b）。将0~6 km垂直风切分为弱、中和强3档，图6c显示，除了副高控制型为弱垂直风切（SHR＜12 m/s），其余4类基本为中等强度垂直风切变（12 m/s≤SHR＜20 m/s）[13]。除了槽前型和副高边缘型的K指数有低于25℃，其余都大于28℃。其中台风型的均值在36℃以上，这可能与中低层湿层深厚有关。冷涡（槽）后型中高层有一定的干冷空气侵入也导致了大气层结的不稳定，其K指数超过了36℃（图6d）。CAPE是日常业务中判断深厚湿对流潜势的重要参数，各类型CAPE箱形图有所差别。副高边缘型和副高控制型的箱体宽，大值多，尤其是副高控制型均值在2 700 J/kg以上。原因可能是7、8月平均气温显著升高，水汽条件充沛。结合箱形图中位数位置可知，在其他3类天气型条件下，CAPE值在1 500 J/kg左右，就会引发短时强降水（图6e）。

图6 不同类型短时强降水关键环境参数箱形图

3 结论与讨论

以500 hPa上的环流特征为基础对短时强降水进行环流分型，进一步揭示了不同天气系统背景下短时强降水的分布特征和相应的关键环境参数特征，主要结论如下:

（1）金坛地区短时强降水的天气型主要有5种，分别为：槽前型、冷涡（槽）后型、副高边缘型、副高控制型、台风型。其中4—5月槽前型为主；冷涡（槽）后型主要出现在6—7月；副高边缘型主要出现在6—9月，尤以8月次数最多；副高控制型主要出现在7—8月；台风型主要出现在8月。

（2）槽前型高发区主要位于金坛区东部及南部指前镇，且在08:00和19:00~20:00多 发；冷 涡（槽）后 型 在08:00~15:00多发，呈东多西少，南北多，中部少的分布特征，且短时强降水雨强大，持续时间长；副高边缘型在08:00~10:00多发，空间分布与冷涡（槽）后型类似，雨量大值区位于在金坛区北部金城镇；副高控制型主要集中在14:00和18:00，高发区位于金坛区东部尧塘镇，且短时强降水雨量小，局地性强；台风型在18:00~23:00多发，呈东多西少的特征，且雨量大。

（3）5种天气型对应的关键环境参数存在明显差异。槽前型和台风型T-Td(850)较小，近地面层水汽条件好；台风型暖云厚度最大，副高边缘型次之，降水效率高；除副高控制型为弱垂直风切，其余4类基本为中等强度垂直风切变；台风型和冷涡（槽）后型K指数较高，都超过了36℃；副高边缘型和副高控制型CAPE值高。

本研究深入分析金坛地区不同天气系统背景下降水的分布特征和相应的关键环境参数特征，为逐步开展针对性气象服务提供科学依据。由于样本长度对研究有一定影响，因此下一步将收集更加完善的降水资料，进一步细化环境参数特征和中小尺度系统影响，以此建立预报模型，提高精细化预报预警能力。