张家界市暴雨水汽条件阈值研究及预报应用
易文军 石兴琼 梁可 陈曦
摘要 ? ?统计张家界市城区1981—2015年逐月暴雨日数，分析暴雨集中期，再利用NCEP 2.5°×2.5°逐6 h分析比湿资料，分析850 hPa上暴雨季节的比湿值变化特征。结果表明，张家界暴雨主要出现在夏季，春季和秋季暴雨有但较少，暴雨集中期在5—9月，大暴雨（≥100 mm）的降水主要集中在6—7月。不同的暴雨季节气温有所变化，故不同暴雨季节的比湿阈值也有所变化，总体来说夏季比湿阈值要比春季和秋季略偏高，春季产生暴雨的水汽条件850 hPa比湿阈值为12 g/kg，夏季产生暴雨的水汽条件850 hPa比湿阈值为13 g/kg，秋季产生暴雨的水汽条件850 hPa比湿阈值为11 g/kg。在同一个季节中，不同的月份比湿阈值也有所区别。
关键词 ? ?暴雨日数;水汽条件;比湿阈值;预报应用;湖南张家界
中图分类号 ? ?S161.6 ? ? ? ?文献标识码 ? ?A
文章编号 ? 1007-5739（2020）19-0181-04
Study ?on ?Water ?Vapor ?Condition ?Threshold ?for ?Rainstorm ?and ?Its ?Forecast ?in ?Zhangjiajie ?City
YI Wenjun 1 ? ?SHI Xingqiong 1 ? ?LIANG Ke 1 ? ?CHEN Xi 2
（1 Meteorological Bureau of Zhangjiajie City in Hunan Province， Zhangjiajie Hunan 427000; 2 Meteorological Bureau of Sangzhi County， Sangzhi Hunan 427100）
Abstract ? ?Based on the monthly rainstorm days from 1981 to 2015 in Zhangjiajie City， the rainstorm concentration period was analyzed， and the specific humidity data by NCEP 2.5°×2.5° for 6 h to analyze the variation characteristics of specific humidity value in rainstorm season at 850 hPa. The results showed that the rainstorm in Zhangjiajie mainly occured in summer， but there were few rainstorms in spring and autumn. The rainstorm concentration period was from May to September， and the heavy rain （≥100 mm） mainly occured from June to July. The temperature varied in different rainstorm seasons， so the specific humidity threshold also changed in different rainstorm seasons.In general， the specific humidity threshold in summer was slightly higher than that in spring and autumn. The specific humidity threshold of 850 hPa in spring was 12 g/kg， that of 850 hPa in summer was 13 g/kg， and that in autumn was 11 g/kg. In the same season， the specific humidity threshold of different months was also different.
Keywords ? ?number of rainstorm days; water vapor condition; specific humidity threshold; forecast application; Zhangjiajie Hunan
暴雨是我国主要气象灾害之一，其常导致山洪暴发、农田渍涝、山体滑坡等灾害，尤其是大范围持续性暴雨和局地特大暴雨，给我国农业生产、农作物生长等带来较严重的危害和损失。张家界市地处武陵山脉腹地、澧水中上游地區，是湖南省三大暴雨中心之一。近年来，随着气象事业的不断发展，广大气象工作者对暴雨开展了大量的分析和研究，在暴雨预报中取得了丰富的经验和方法。黄小玉等[1]利用2002—2004年5—7月15次伴有低空急流暴雨天气过程的常规观测资料进行了分析，归纳总结得出，湖南省汛期暴雨可以分为低槽暴雨和切变线暴雨两大类。叶成志等[2]对“03.7”湘西北特大致洪暴雨过程进行综合分析得出，有组织的多单体风暴活动是这一特大暴雨中心形成的主要原因。黄菊梅等[3]对湖南省2009年6月8—10日强降水过程成因分析得出，此次强降水是在西太平洋副高的一次增强北抬并迅速南落、中低空切变线长时间维持及摆动和温湿能配置下形成的。
在实际预报业务中，湖南境内对暴雨天气的预报仍有很大难度，特别是对产生暴雨的水汽条件把握。强降水的产生需要充沛的水汽和持续的水汽输送，分析水汽条件能很好地为暴雨预报提供有效的预报方法和手段。暴雨在大气饱和比湿达到相当大的数值以上才形成[4]，因而本文着重分析比湿数据来表征产生暴雨的水汽条件。低层湿度对降水的贡献最为重要，所以在本文中主要分析850 hPa上比湿的变化特征[4]。通过分析张家界地区近35年来暴雨日数和产生这些暴雨时850 hPa上比湿的变化特征，得出产生暴雨的比湿阈值，以期为今后进一步加深对暴雨天气过程的水汽条件把握提供参考。
1 ? ?研究方法
计算阈值的方法有很多种，本文850 hPa比湿阈值采用王厚大等[5]研究的最频值分割法来计算。张家界春季暴雨850 hPa比湿值近似满足正态分布，依据贝叶斯判定准则：
Z=Zmin
式中，Z表示最佳阈值;Zmin表示正态分布函数的波谷值。
2 ? ?暴雨日数统计及特征
统计张家界市城区（永定区）1981—2015年逐月暴雨日数（图1），可以看出，1月、2月和12月张家界未出现过暴雨，3月、4月、10月和11月出现暴雨日数≤5 d，而5—9月暴雨日数≥13 d，7月甚至出现了暴雨42 d，最大日降雨量为379 mm，出现在2003年7月9日。由此可见，张家界暴雨主要出现在夏季，虽然春季和秋季有暴雨但较少。
从张家界1981—2015年暴雨统计（表1）可以看出，暴雨集中在5—9月，大暴雨（≥100 mm）降水主要集中在6月和7月。此外，由于环境和气候变化，2000年以后暴雨日数逐年增多，特别是10月的暴雨，均出现在2006年以后。
3 ? ?不同暴雨季节比湿统计及其特征
3.1 ? ?春季暴雨比湿统计及其特征
虽然张家界春季暴雨出现较少，但是暴雨日数随着气候变化呈逐渐增多的趋势。1981—2015年张家界春季出现≥100 mm的降水只有1次，大暴雨在春季出现的较少与西南急流尚未建立及水汽输送带在春季尚未完全建立起来有关。
从张家界春季暴雨850 hPa上比湿（表2）可以看到，张家界春季产生暴雨时850 hPa上比湿值均≥12 g/kg，2004年5月11日甚至出现了17g/kg，这在春季是比较罕见的。另外，还可以看到比湿与雨量没有绝对的正相关关系，这是因为雨量还与水汽的输送有关，但比湿能很好地反映产生暴雨的水汽条件是否充足。此外，随着季节的变化，比湿值逐渐增大，初春季节比湿略低，到了春末季节比湿要明显比初春增大，这与季节温度变化有关系。初春气温较低，空气中水汽容易饱和，比湿值较夏季要小得多;春末夏初时气温比初春偏高，比湿值则相对较大。
根据比湿值判定方法，春季产生暴雨的水汽条件850 hPa比湿阈值为12 g/kg。在实际预报工作中，当春季出现850 hPa比湿≥12 g/kg时，若其他動力系统和水汽输送配合较好，如高空低槽、西南低涡、西南急流等，则极有可能产生暴雨;当春季出现850 hPa比湿≥17 g/kg时，有可能还会出现大暴雨。
3.2 ? ?夏季暴雨比湿统计及其特征
6—8月副热带高压北抬，我国雨带位置也相应北抬，张家界迎来暴雨集中期。张家界年平均雨量为1 382.4 mm，6—8月平均降雨量占年平均雨量的43.8%。随着季节的变化，夏季气温也逐渐升高，产生暴雨时的比湿肯定会比春季要增大。
从张家界夏季暴雨850 hPa比湿值可以看到，张家界夏季产生暴雨时850 hPa上比湿值均≥13 g/kg，7月和8月产生暴雨时850 hPa上比湿值均≥14 g/kg，2003年7月9日降雨量达379 mm，当日850 hPa上比湿值达19 g/kg。此外，夏季产生大暴雨时850 hPa上比湿值均≥16 g/kg。另一个显著的特征是7月和8月整体比湿值要比6月大，这是由气温的季节变化引起的（表3）。
依据王厚大等[5]研究的最频值分割法和贝叶斯判定准则，张家界夏季产生暴雨的水汽条件850 hPa比湿阈值为13 g/kg。在实际预报工作中，当夏季6月出现850 hPa比湿 ≥13 g/kg时，若其他动力系统和水汽输送配合较好，如高空低槽、西南低涡、西南急流等，则极有可能产生暴雨，而7月和8月出现850 hPa比湿≥14 g/kg时，极有可能产生暴雨;当夏季出现850 hPa比湿≥16 g/kg时，很有可能出现大暴雨，甚至特大暴雨。
3.3 ? ?秋季暴雨比湿统计及其特征
张家界地区秋季暴雨发生相对较少，但随着全球气候变化，秋季暴雨有增多的趋势。张家界1981—2015年秋季暴雨日数共21 d，其中2000年以前仅有6 d，2000年以后共发生了15 d。由于秋季气温较夏季偏低，故产生暴雨时的比湿值要比夏季小，特别是10月以后的暴雨比湿值偏低更为明显。
从张家界秋季暴雨850 hPa比湿（表4）可以看出，张家界秋季产生暴雨时850 hPa上的比湿值均≥11 g/kg，9月暴雨比湿值均≥13 g/kg，而10月和11月产生暴雨时比湿值低至11 g/kg，这也是由气温的季节变化引起的。从整体趋势来看，秋季暴雨时比湿值呈现逐渐减小的趋势，秋季大暴雨发生时850 hPa比湿 ≥15 g/kg。
依据王厚大等[5]研究的最频值分割法和贝叶斯判定准则，秋季产生暴雨的水汽条件850 hPa比湿阈值为11 g/kg。在实际预报工作中，当秋季9月出现850 hPa比湿≥13 g/kg时，有可能产生暴雨;当10月和11月出现850 hPa比湿≥11 g/kg时，有可能产生暴雨;秋季大暴雨发生需要850 hPa比湿≥15 g/kg。
4 ? ?比湿阈值在预报中的应用
在实际预报工作中，当春季出现850 hPa比湿≥12 g/kg时，若其他动力系统和水汽输送配合较好，如高空低槽、西南低涡、西南急流等，则极有可能产生暴雨;当春季出现850 hPa比湿≥17 g/kg时，有可能还会出现大暴雨。
当夏季6月出现850 hPa比湿≥13 g/kg时，若其他动力系统和水汽输送配合较好，如高空低槽、西南低涡、西南急流等，则极有可能产生暴雨;7月和8月出现850 hPa比湿≥14 g/kg时，极有可能产生暴雨;当夏季出现850 hPa比湿≥16 g/kg时，很有可能出现大暴雨，甚至特大暴雨。
当秋季9月出现850 hPa比湿≥13 g/kg时，有可能产生暴雨;而且当10月和11月出现850 hPa比湿≥11 g/kg时，有可能产生暴雨;此外，秋季大暴雨发生则需要850 hPa比湿≥15 g/kg。
5 ? ?结论
在暴雨降水天气过程中，水汽条件必不可少，而且需要有持续的水汽输送。本文通过统计张家界1981—2015年暴雨日数，以及产生这些暴雨时850 hPa上比湿值的变化特征，分析了不同暴雨季节产生暴雨时850 hPa比湿阈值。在实际预报工作中，这些比湿阈值将为暴雨预报提供判定水汽条件是否充足的有效参考。
由于不同季节气温有所变化，不同暴雨季节的比湿阈值也有所变化。总体来说，夏季比湿阈值要比春季和秋季略偏高。
张家界春季产生暴雨的水汽条件850 hPa比湿阈值为12 g/kg。在实际预报工作中，当春季出现850 hPa比湿 ≥12 g/kg时，若其他动力系统和水汽输送配合较好，如高空低槽、西南低涡、西南急流等，则极有可能产生暴雨;当春季出现850 hPa比湿≥17 g/kg時，有可能还会出现大暴雨。
夏季产生暴雨的水汽条件850 hPa比湿阈值为13 g/kg。在实际预报工作中，当夏季6月出现850 hPa比湿≥13 g/kg时，若其他动力系统和水汽输送配合较好，如高空低槽、西南低涡、西南急流等，则极有可能产生暴雨;7月和8月出现850 hPa比湿≥14 g/kg时，极有可能产生暴雨;当夏季出现850 hPa比湿≥16 g/kg时，很有可能出现大暴雨，甚至特大暴雨。
秋季产生暴雨的水汽条件850 hPa比湿阈值为11 g/kg。在实际预报工作中，当秋季9月出现850 hPa比湿≥13 g/kg时，有可能产生暴雨;当10月和11月出现850 hPa比湿≥11 g/kg时，则有可能产生暴雨;秋季大暴雨发生需要850 hPa比湿≥15 g/kg。
6 ? ?参考文献
[1] 黄小玉，陈媛，顾松山，等.湖南地区暴雨的分类及回波特征分析[J].南京气象学报，2006（5）：635-643.
[2] 叶成志，潘志祥，刘志雄，等.“03.7”湘西北特大致洪暴雨的触发机制数值研究[J].应用气象学报，2007（4）：468-478.
[3] 黄菊梅，陈静静，唐杰，等.2009年湖南主汛期一次暴雨过程分析[J].安徽农业科学，2010，38（21）：11272-11276.
[4] 朱乾根，林锦瑞，寿绍文，等.天气学原理和方法[M].4版.北京：气象出版社，2007.
[5] 王厚大，梁栋，杨桓新，等.自动阈值选取的两种算法[J].南京邮电学院学报，2002（4）：85-88.
