天津市蓟州区短时强降水特征及预报指标研究

黄金颖，张志超，张 虹，赵 然，孙小林

(1. 天津市蓟州区气象局 天津 301900；2. 天津市防雷技术中心 天津 300074； 3. 天津市蓟州区突发公共事件预警信息发布中心 天津 301900)

0 引 言

短时强降水是夏季发生频率最高的气象灾害之一[1-4]，致灾性强，次生灾害多。短时强降水及其时空分布与社会运行和百姓生活密切相关，其特点是历时短、雨强大、局地性强，会给城市内涝、交通带来严峻考验，同时也与泥石流、洪涝等灾害密切相关[5]。它的发生会给社会运行和人民生命财产造成不同程度的影响，目前社会各行各业对强降水的预报预警服务需求越来越大，而对于短时强降水落区和时效的预报预警一直是预报的重点和难点[6-8]。前人对暴雨和短时强降水的研究取得了不少成果[9-12]，如Song等[13]对2008—2018年期间华北地区夏季降水的日变化及其与地形条件关系进行了研究，发现华北地区夏季降水的日变化呈S型结构；李明财等[14-15]进一步分析了天津地区夏季降水的日变化特征，发现天津地区降水具有显著的日变化特征，呈明显的双峰型。

蓟州区位于天津北部，属于半山区，地形北高南低，地质条件脆弱，是地质灾害的频发区。受特殊地形地貌的影响，蓟州区局地强降水频繁，突发性和对流性明显，降水强度大且时空分布不均。蓟州的短时强降水容易诱发地质灾害，导致城市内涝、交通瘫痪，同时也会给水库防汛等带来严峻考验。因此，对蓟州区短时强降水时空不均性进行分析对提高蓟州区局地强降水的预报准确率和减少强降水灾害损失具有重要意义。

1 资料与方法

本研究所用资料为2005—2019年蓟州国家气象观测站4～10月降水资料以及2014—2019年4～ 9月蓟州区47个自动站逐小时降水观测数据及常规气象观测数据。再分析资料选取方面，考虑研究区域较小，故采用时间和空间分辨率最高的ERA5再分析资料，时间间隔为1h，分辨率为0.125°×0.125°。

中国中央气象台对短时强降水的定义是小时降水量≥20mm[16]。陈炯等[17]对短时强降水按照≥10、20、30、40、50mm·h-1分为5个级别，本研究根据蓟州区地形地貌的特殊性，并结合蓟州的实际情况和成灾的可能性，将短时强降水按照小时降水量强度10≤r＜20、20≤r＜30、30≤r(mm·h-1)分为3级进行研究。自动站出现降水量≥10mm·h-1即定义为一个短时强降水过程，一天中一个站多个时次出现短时强降水时站次累计统计。

2 结果分析

2.1 时间变化特征

2.1.1 年变化

2005—2019年蓟州国家气象观测站短时强降水发生的站次呈明显的阶段性变化(图1)，其中10≤r＜ 20等级的强降水在2008、2018年发生站次最多， 峰值年份间隔10年；20≤r＜30等级的强降水在2008、2012、2017、2018年发生站次最多，峰值年份间隔4～5年；30≤r等级的强降水在2009、2014、2018年是发生站次最多的年份，峰值年份间隔4～ 5年。3种强度短时强降水均出现了明显的周期振荡波动。

图1 2005—2019年蓟州国家气象观测站短时强降水过程发生站次年变化Fig. 1 Annual variation of short-term heavy precipitation process at Jizhou national meteorological observation station from 2005 to 2019

从2014—2019年蓟州区区域自动站1h降水量的统计分析中得出发生强降水总站次较多年份为2016、2018年，其中2018年3个等级的短时强降水发生的站次均偏多，而2016年仅10≤r＜20发生次数较多(表1、图2)，且蓟州国家气象观测站在此年强降水发生总站次仅15站次。由此可见，短时强降水具有明显的区域性。

表1 2014—2019年蓟州地区区域自动站不同强度强降水出现站次Tab.1 Occurrence times of heavy precipitation with different intensities at regional automatic stations in Jizhou from 2014 to 2 019

图2 2014—2019年蓟州区区域自动站短时强降水过程发生站次年变化Fig.2 Annual variation of short-term heavy precipitation process at Jizhou regional automatic station from 2014 to 2019

2014—2019年区域自动站强降水过程以10≤ r＜20等级为主，占总发生次数的69%；其次是20≤r＜30等级的强降水，占总发生次数的20%。

2.1.2 月变化

由蓟州国家气象观测站和区域自动站短时强降水发生次数月变化(图3、4)可见，10≤r＜20短时强降水最早出现在4月，最晚出现在10月；30≤r出现最早月份为6月，最晚出现在8月，7～8月3个等次短时强降水发生站次均明显偏多，其中7月份是发生站次最多的月份。按旬变化分析(图5、6)，7月中旬 至8月上旬是3个强度短时强降水的频发期，其中10≤r＜20短时强降水高发期在7月中旬，20≤r＜30和30≤r强度短时强降水的高发期在7月下旬。

图3 2005—2019年蓟州国家气象观测站短时强降水过程发生站次月变化Fig.3 Monthly variation of short-term heavy precipitation process at Jizhou national meteorological observation station from 2005 to 2019

图4 2014—2019年蓟州区区域自动站短时强降水过程发生站次月变化Fig.4 Monthly variation of short-term heavy precipitation process at Jizhou regional automatic station from 2014 to 2019

图5 2014—2019年蓟州国家气象观测站短时强降水过程发生站次旬变化Fig.5 Ten-day variation of short-term heavy precipitation process at Jizhou national meteorological observation station from 2005 to 2019

图6 2014—2019年蓟州区区域自动站短时强降水过程发生站次旬变化Fig.6 Ten-day variation of short-term heavy precipitation process at Jizhou regional automatic station from 2014 to 2019

2.1.3 日变化

通过对2005—2019年蓟州国家气象观测站强降水发生日变化进行分析(图7)，发现蓟州国家气象观测站3种强度降水主要发生时间段有所不同，其中10≤r＜20强度短时强降水一日内主要有3个时段，分别是傍晚18时左右、前半夜21时和后半夜02时，发生次数均达到10站次；20≤r＜30强度短时强降水有2个高发时段，分别是夜间20～22时和凌晨02～04时，而30≤r强度短时强降水主要发生在一天的夜间22～00时。

图7 2005—2019年蓟州国家气象观测站短时强降水过程发生站次日变化Fig.7 Daily variation of short-term heavy precipitation process at Jizhou national meteorological observation station from 2005 to 2019

通过对2014—2019年蓟州区域自动站短时强降水发生的日变化进行分析(图8)，发现区域站的3种强度短时强降水高发时段与蓟州国家气象观测站的高发时间不一致，说明在日变化方面也具有较明显的区域差异。自动站10≤r＜20强度短时强降水主要发生在下午13～14时和凌晨00～01时，而20≤r＜30和 30≤r强度的短时强降水主要发生在凌晨02～03时。

图8 2014—2019年蓟州区区域自动站短时强降水过程发生站次日变化Fig.8 Daily variation of short-term heavy precipitation process at Jizhou regional automatic station from 2014 to 2019

2.2 空间变化特征

2.2.1 短时强降水年总发生站次空间分布

蓟州区3种短时强降水的空间分布有明显的区域差异，3种短时强降水高发地区均出现北部山区，北部山区主要高发区在蓟州东北部九山顶和八仙山一带；低发生区均出现在南部平原地区，主要出现在白庄子和杨津庄一带，山区较平原地区易发生短时强降水，说明蓟州地区短时强降水的发生受地形影响比较明显。

平原地区短时强降水的发生也有明显的城郊差异。蓟州区中部城区较南部乡镇地区短时强降水发生站次多，说明在地形相同的情况下短时强降水受城市热岛效应影响较明显。

2.2.2 短时强降水月总发生站次空间分布

挑取短时强降水高发时期进行空间进行分析，发现10≤r＜20等级短时强降水高发区面积随时间逐渐变小。蓟州区西北部山区西大峪、桑园一带和东北部山区石头营一带在6～8月容易出现10≤r＜20等级的短时强降水。

20≤r＜30等级短时强降水在8月高发区域较7月范围大，高发区域也有所不同：7月主要高发区出现在东北部山区，而8月高发区出现在西北部山区。

蓟州区东北部山区是7～8月30≤r短时强降水高发地区，其中7月份高发区还有蓟州区西南部。

2.3 地面气象要素特征分析

分析短时强降水发生前地面气象要素(气压、气温、湿度、风)随时间的变化情况，选取2017年8月 3日和2018年7月24日2次典型强降水过程(包括2种及以上强度短时强降水)对单站气象要素随时间变化(图9、10)进行分析，发现气压和湿度在强降水发生前均有明显的不连续变化，强降水发生前气压持续下降，湿度持续上升，气压和湿度呈反相位变化。这种持续变化在强降水发生前2～3个小时内较明显。

图9 2018年7月24日单站气象要素逐小时变化Fig.9 Hourly variation of meteorological elements of single station on July 24，2018

2.4 短时强降水过程物理量分析

利用再分析数据ERA5计算强降水过程的物理量，ERA5数据是在ERA-Interim数据之后的新数据库，时间跨度为1979年至今，分辨率0.125°×0.125°，采用逐小时数据，是时间和空间分辨率最高的数据集。孟宪贵等[18]、郑艳萍等[19]、ZHANG等[20]的研究均表明ERA5较高的时空分辨率有助于更精细地描述大气状态，更适用于区域较小的研究。

图10 2017年8月3日单站气象要素逐小时变化Fig.10 Hourly variation of meteorological elements of single station on August 3，2017

本研究重点选取比湿、垂直速度和涡度等降水物理量作为分析对象，可以较直观地反应短时强降水形成所需的水汽和运行条件。短时强降水发生时700、850、925hPa的物理量特征(表2)，结果表明：①在短时强降水天气时，q700、q850和q925分别达7.44、12.08、13.85g·kg-1，降水强度越强低层平均比湿越大，平均比湿均有所增加；②在短时强降水发生时Wmax可达-5.76×10-3hPa·s-1，Hmax为500hPa，随着降水强度的增加，最大垂直速度所在的等压面高度也下降，20≤r＜30强度短时强降水Wmax为-8.69× 10-3hPa·s-1，Hmax为750hPa附近，降水强度越大，各层的垂直速度也越大；③在短时强降水发生时，降水强度增强，各层涡度也随着增大；④比湿、垂直速度和涡度3个物理量在蓟州强降水发生时有明显的变化特征，在预报蓟州短时强降水时可提供一定的 参考。

表2 短时强降水发生时700、850和925 hPa物理量特征Tab.2 Physical quantity characteristics of 700 hPa, 850 hPa and 925 hPa during short-term heavy precipitation

3 结论与讨论

①2005—2019年蓟州国家气象观测站3种强度短时强降水年变化表现为10年和4～5年的周期振荡波动；最早出现在4月，最晚出现在10月，其中主要过程集中在7～8月，高发期为7月中旬至8月上旬，短时强降水日变化明显，凌晨前后是3种短时强降水共同的高发期，其次下午13～14时和傍晚前后也是短时强降水的高发期，上午和下午15～17时发生频率相对较低。

②3种短时强降水的空间分布有明显的区域差异，呈北(山区)高南(平原)低的分布特征，说明蓟州地区短时强降水的发生受地形影响比较明显。同时，平原地区短时强降水的发生也有明显的城郊差异，中部城区较南部乡镇地区短时强降水发生站次多，说明在地形相同的情况下短时强降水受城市热岛效应影响较明显。

③通过对短时强降水发生时单站气象要素随时间的变化进行分析，发现气压和湿度在强降水发生前均有明显的连续变化，强降水发生前气压持续下降，湿度持续上升，气压和湿度呈反相位变化，这种持续变化在强降水发生前2～3个小时内较明显。

④利用再分析资料对降水发生时物理量进行分析，发现比湿、垂直速度和涡度3个物理量在蓟州强降水发生时有明显的变化特征，强降水发生时q700、q850和q925分别达7.44、12.08、13.85g·kg-1，整层大气最大垂直速度为可达-5.76×10-3hPa·s-1，最大垂直速度所在等压面高度为500hPa，这些定量指标在预报蓟州短时强降水时有一定的参考意义。

本研究综合运用常规观测和ERA5再分析资料对蓟州区短时强降水过程进行了统计分析，得出了蓟州区短时强降水时空分布特征和降水发生时物理量的变化特征，但区域自动站资料时间较短，且短时强降水多为大尺度背景下局地中小系统所造成。因此，要了解其发生发展机理，还需在今后的预报业务中利用风廓线雷达、加密自动站等高时空分辨率资料做进一步探究。■