我國(guó)東部短時(shí)強(qiáng)降水天氣：成因剖析與潛勢(shì)預(yù)報(bào)方法探究一、引言1.1研究背景與意義短時(shí)強(qiáng)降水作為一種極端性的天氣現(xiàn)象，指的是在較短時(shí)間內(nèi)（通常1小時(shí)內(nèi)），某地區(qū)降水量超過(guò)20毫米的降水過(guò)程，其具有突發(fā)性強(qiáng)、降水強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn)。在全球氣候變暖的大背景下，我國(guó)東部地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水天氣的發(fā)生頻率和強(qiáng)度呈顯著上升趨勢(shì)。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，過(guò)去幾十年間，我國(guó)東部多地短時(shí)強(qiáng)降水事件的發(fā)生次數(shù)以每年[X]%的速度遞增，部分地區(qū)小時(shí)降水量極值甚至突破歷史記錄。我國(guó)東部地區(qū)涵蓋了長(zhǎng)三角、珠三角等重要經(jīng)濟(jì)區(qū)以及眾多人口密集的城市。這些區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口眾多，對(duì)天氣變化極為敏感。短時(shí)強(qiáng)降水天氣的頻繁發(fā)生，給該地區(qū)的生產(chǎn)生活帶來(lái)了諸多嚴(yán)重影響。在城市中，短時(shí)強(qiáng)降水常常導(dǎo)致城市內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)。當(dāng)短時(shí)間內(nèi)降雨量超過(guò)城市排水系統(tǒng)的承受能力時(shí)，道路積水迅速加深，交通陷入癱瘓，車輛熄火被困，行人出行受阻。例如，[具體城市]在[具體年份]的一次短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程中，降雨量在短短2小時(shí)內(nèi)達(dá)到了100毫米以上，城市多個(gè)區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)澇，主干道積水深度超過(guò)1米，大量汽車被淹，公共交通全面停運(yùn)，給市民的出行和生活造成了極大的不便。同時(shí)，城市內(nèi)澇還可能引發(fā)地下設(shè)施被淹，如地鐵站、地下停車場(chǎng)、地下室等，造成財(cái)產(chǎn)損失和人員安全威脅。在農(nóng)業(yè)方面，短時(shí)強(qiáng)降水可能引發(fā)農(nóng)田漬澇，導(dǎo)致農(nóng)作物根系長(zhǎng)時(shí)間浸泡在水中，影響根系的呼吸和養(yǎng)分吸收，從而造成農(nóng)作物生長(zhǎng)受阻、減產(chǎn)甚至絕收。以[具體農(nóng)作物]為例，在其生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期，遭遇短時(shí)強(qiáng)降水引發(fā)的漬澇災(zāi)害，會(huì)導(dǎo)致[具體生長(zhǎng)問(wèn)題]，最終使得該地區(qū)[具體農(nóng)作物]的產(chǎn)量大幅下降[X]%。此外，短時(shí)強(qiáng)降水還可能引發(fā)山洪、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)山區(qū)的生態(tài)環(huán)境和居民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。在山區(qū)，強(qiáng)降水會(huì)迅速增加地表徑流，導(dǎo)致山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，沖毀房屋、道路和農(nóng)田，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。鑒于短時(shí)強(qiáng)降水天氣對(duì)我國(guó)東部地區(qū)的嚴(yán)重影響，開展對(duì)其成因及潛勢(shì)預(yù)報(bào)方法的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。深入探究短時(shí)強(qiáng)降水的形成機(jī)制，有助于我們更好地理解天氣系統(tǒng)的演變規(guī)律，為提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性提供理論支持。精準(zhǔn)的潛勢(shì)預(yù)報(bào)能夠提前為相關(guān)部門和公眾提供預(yù)警信息，使人們有足夠的時(shí)間采取有效的防范措施，從而最大程度地減輕短時(shí)強(qiáng)降水帶來(lái)的災(zāi)害損失。這對(duì)于保障我國(guó)東部地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展、維護(hù)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要的意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀短時(shí)強(qiáng)降水天氣一直是氣象領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在其成因及潛勢(shì)預(yù)報(bào)方法方面開展了大量研究，取得了一系列成果。在短時(shí)強(qiáng)降水天氣成因研究方面，國(guó)外研究起步較早。20世紀(jì)70年代，Charba[1]通過(guò)對(duì)大量強(qiáng)降水個(gè)例分析，發(fā)現(xiàn)大氣中充足的水汽供應(yīng)是短時(shí)強(qiáng)降水形成的關(guān)鍵條件之一，水汽在上升運(yùn)動(dòng)中不斷凝結(jié)，為強(qiáng)降水提供物質(zhì)基礎(chǔ)。80年代，Houze等[2]利用雷達(dá)和衛(wèi)星資料，深入研究了中尺度對(duì)流系統(tǒng)（MCS）與短時(shí)強(qiáng)降水的關(guān)系，指出MCS中的強(qiáng)上升氣流和對(duì)流活動(dòng)能夠觸發(fā)和維持短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程。此后，眾多學(xué)者圍繞大氣環(huán)流、熱力不穩(wěn)定、地形作用等因素對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的影響展開研究。如Bosart等[3]分析了一次東北冷渦背景下的短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程，發(fā)現(xiàn)冷渦的旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)為強(qiáng)降水提供了動(dòng)力抬升條件，促使不穩(wěn)定能量釋放。國(guó)內(nèi)對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水天氣成因的研究也逐漸深入。孫繼松等[4]通過(guò)對(duì)北京地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水的研究指出，地形對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生發(fā)展具有重要影響，北京特殊的地形地貌使得氣流在山前輻合抬升，有利于對(duì)流云團(tuán)的發(fā)展和短時(shí)強(qiáng)降水的產(chǎn)生。陶詩(shī)言等[5]研究了梅雨鋒與短時(shí)強(qiáng)降水的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)梅雨鋒上的中尺度切變線和低渦是引發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水的重要天氣系統(tǒng)，其附近的水汽輻合和上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，容易造成強(qiáng)降水。此外，陳耀登等[6]利用數(shù)值模擬方法，探討了城市化對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的影響，結(jié)果表明城市下墊面的改變會(huì)影響近地面的熱力和動(dòng)力條件，進(jìn)而對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的強(qiáng)度和落區(qū)產(chǎn)生影響。在短時(shí)強(qiáng)降水潛勢(shì)預(yù)報(bào)方法研究方面，國(guó)外在數(shù)值預(yù)報(bào)模式的發(fā)展和應(yīng)用上取得了顯著進(jìn)展。歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）的數(shù)值預(yù)報(bào)模式不斷更新升級(jí)，具有較高的分辨率和復(fù)雜的物理過(guò)程參數(shù)化方案，能夠?qū)Χ虝r(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生發(fā)展進(jìn)行較為準(zhǔn)確的模擬和預(yù)測(cè)。美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）的WRF模式在短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)中也得到廣泛應(yīng)用，通過(guò)不斷改進(jìn)模式的物理過(guò)程和資料同化技術(shù)，提高了對(duì)中小尺度天氣系統(tǒng)的捕捉能力，從而提升了短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)精度。此外，機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)也逐漸應(yīng)用于短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)領(lǐng)域。如美國(guó)的一些研究團(tuán)隊(duì)利用深度學(xué)習(xí)算法，對(duì)大量的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，建立短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)模型，取得了一定的效果，能夠提前對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生概率和強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)。國(guó)內(nèi)在短時(shí)強(qiáng)降水潛勢(shì)預(yù)報(bào)方法研究方面也取得了眾多成果。陳耀登等[7]利用統(tǒng)計(jì)方法，結(jié)合歷史氣象數(shù)據(jù)和地形信息，建立了適用于我國(guó)部分地區(qū)的短時(shí)強(qiáng)降水概率預(yù)報(bào)模型，通過(guò)對(duì)多個(gè)氣象要素的統(tǒng)計(jì)分析，得出不同區(qū)域短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生的概率分布。梁紅等[8]利用多普勒雷達(dá)資料，對(duì)沈陽(yáng)地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水進(jìn)行臨近預(yù)報(bào)，通過(guò)分析雷達(dá)回波的特征，如回波強(qiáng)度、速度、垂直結(jié)構(gòu)等，提前數(shù)小時(shí)對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生進(jìn)行預(yù)警。近年來(lái)，隨著我國(guó)氣象觀測(cè)資料的不斷豐富和高性能計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值預(yù)報(bào)模式在短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。中國(guó)氣象局的GRAPES模式在短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)中發(fā)揮了重要作用，通過(guò)不斷優(yōu)化模式參數(shù)和同化更多的觀測(cè)資料，提高了對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)能力。同時(shí)，國(guó)內(nèi)也在積極探索將人工智能技術(shù)與傳統(tǒng)預(yù)報(bào)方法相結(jié)合，如利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行后處理，進(jìn)一步提高短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。盡管國(guó)內(nèi)外在短時(shí)強(qiáng)降水天氣成因及潛勢(shì)預(yù)報(bào)方法研究方面取得了豐碩成果，但仍存在一些不足之處。在成因研究方面，對(duì)于不同尺度天氣系統(tǒng)之間的相互作用以及復(fù)雜地形和下墊面條件對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的影響機(jī)制，尚未完全明確。不同地區(qū)的天氣系統(tǒng)和地形地貌差異較大，導(dǎo)致短時(shí)強(qiáng)降水的形成機(jī)制復(fù)雜多樣，難以建立統(tǒng)一的理論模型。在潛勢(shì)預(yù)報(bào)方法方面，數(shù)值預(yù)報(bào)模式雖然能夠?qū)Χ虝r(shí)強(qiáng)降水進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，但由于模式本身存在不確定性，以及對(duì)中小尺度天氣系統(tǒng)的刻畫能力有限，導(dǎo)致預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率仍有待提高。特別是對(duì)于一些極端短時(shí)強(qiáng)降水事件，目前的預(yù)報(bào)方法還存在較大的困難。此外，機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)在短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用還處于起步階段，模型的泛化能力和可解釋性有待進(jìn)一步提高，如何充分利用這些新技術(shù)提高預(yù)報(bào)精度，仍是當(dāng)前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在深入剖析我國(guó)東部短時(shí)強(qiáng)降水天氣的形成原因，優(yōu)化和完善其潛勢(shì)預(yù)報(bào)方法，提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和可靠性，從而為防災(zāi)減災(zāi)工作提供有力的技術(shù)支持。具體研究?jī)?nèi)容如下：我國(guó)東部短時(shí)強(qiáng)降水天氣的氣候特征分析：收集我國(guó)東部地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間序列的降水觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括雨量站、氣象衛(wèi)星、雷達(dá)等多源觀測(cè)資料。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，分析短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征，如年際、月際、日變化規(guī)律，以及不同區(qū)域的發(fā)生頻率和強(qiáng)度差異。研究短時(shí)強(qiáng)降水的極值分布情況，確定其強(qiáng)度閾值和極端事件的發(fā)生概率。通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析，探討短時(shí)強(qiáng)降水與大尺度氣候背景的關(guān)系，如季風(fēng)活動(dòng)、副熱帶高壓位置和強(qiáng)度變化等對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的影響，揭示其在不同氣候條件下的變化趨勢(shì)。我國(guó)東部短時(shí)強(qiáng)降水天氣的成因分析：綜合利用常規(guī)氣象觀測(cè)資料、高分辨率數(shù)值模式模擬結(jié)果以及衛(wèi)星和雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)，從大氣環(huán)流、熱力不穩(wěn)定、水汽輸送、地形和下墊面等多個(gè)方面，深入研究短時(shí)強(qiáng)降水的形成機(jī)制。分析不同天氣系統(tǒng)，如冷鋒、暖鋒、低渦、切變線等在短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程中的作用，探討其與中小尺度對(duì)流系統(tǒng)的相互作用關(guān)系。研究大氣熱力不穩(wěn)定條件的形成和維持機(jī)制，以及水汽的來(lái)源、輸送路徑和輻合特征。結(jié)合地形數(shù)據(jù)，分析地形對(duì)氣流的阻擋、抬升和輻合作用，以及不同地形條件下短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生特點(diǎn)。此外，考慮城市化等下墊面因素對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的影響，研究城市熱島效應(yīng)、粗糙度改變等如何影響近地面的熱力和動(dòng)力條件，進(jìn)而影響短時(shí)強(qiáng)降水的強(qiáng)度和落區(qū)。我國(guó)東部短時(shí)強(qiáng)降水潛勢(shì)預(yù)報(bào)方法的研究與改進(jìn)：基于對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水成因的認(rèn)識(shí)，選取與短時(shí)強(qiáng)降水密切相關(guān)的氣象要素，如水汽通量、垂直速度、不穩(wěn)定能量等，利用統(tǒng)計(jì)方法，建立短時(shí)強(qiáng)降水潛勢(shì)預(yù)報(bào)模型。通過(guò)對(duì)歷史個(gè)例的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，確定模型的參數(shù)和閾值，提高模型的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。利用高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)模式，如WRF、GRAPES等，對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水進(jìn)行數(shù)值模擬。優(yōu)化模式的物理過(guò)程參數(shù)化方案，提高對(duì)中小尺度天氣系統(tǒng)的模擬能力。通過(guò)同化衛(wèi)星、雷達(dá)等觀測(cè)資料，改善初始場(chǎng)的質(zhì)量，進(jìn)一步提高數(shù)值預(yù)報(bào)的精度。探索將機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)應(yīng)用于短時(shí)強(qiáng)降水潛勢(shì)預(yù)報(bào)，如利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等算法，對(duì)大量的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和分析，建立智能預(yù)報(bào)模型。研究如何將不同預(yù)報(bào)方法進(jìn)行融合，綜合利用各種預(yù)報(bào)信息，提高短時(shí)強(qiáng)降水潛勢(shì)預(yù)報(bào)的性能。我國(guó)東部短時(shí)強(qiáng)降水潛勢(shì)預(yù)報(bào)方法的驗(yàn)證與評(píng)估：選取一定數(shù)量的歷史短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例，利用建立的潛勢(shì)預(yù)報(bào)方法進(jìn)行預(yù)報(bào)試驗(yàn)。將預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估預(yù)報(bào)方法的準(zhǔn)確性和可靠性。采用多種評(píng)估指標(biāo)，如命中率、虛警率、TS評(píng)分等，對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，分析預(yù)報(bào)方法的優(yōu)勢(shì)和不足。開展實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)檢驗(yàn)，將預(yù)報(bào)方法應(yīng)用于實(shí)際業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中，通過(guò)與實(shí)際天氣情況的對(duì)比，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行改進(jìn)。與國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的短時(shí)強(qiáng)降水潛勢(shì)預(yù)報(bào)方法進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)估本研究方法的性能和競(jìng)爭(zhēng)力，為進(jìn)一步優(yōu)化預(yù)報(bào)方法提供參考。1.4研究方法與技術(shù)路線為了深入研究我國(guó)東部短時(shí)強(qiáng)降水天氣成因及潛勢(shì)預(yù)報(bào)方法，本研究將綜合運(yùn)用多種研究方法，從不同角度對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水進(jìn)行剖析，具體如下：資料分析法：廣泛收集我國(guó)東部地區(qū)的氣象觀測(cè)資料，包括地面氣象站、高空探測(cè)站、氣象衛(wèi)星、多普勒雷達(dá)等獲取的降水、溫度、濕度、風(fēng)場(chǎng)等數(shù)據(jù)，以及地形、下墊面等地理信息資料。對(duì)這些資料進(jìn)行整理、統(tǒng)計(jì)和分析，從中提取與短時(shí)強(qiáng)降水相關(guān)的信息，為后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)支持。通過(guò)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列的降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征；利用衛(wèi)星和雷達(dá)資料，分析短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)的云系結(jié)構(gòu)和對(duì)流特征。天氣學(xué)診斷分析方法：運(yùn)用天氣學(xué)原理和方法，對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)的大尺度環(huán)流形勢(shì)、天氣系統(tǒng)配置進(jìn)行分析，研究大氣環(huán)流、熱力不穩(wěn)定、水汽輸送等因素在短時(shí)強(qiáng)降水形成過(guò)程中的作用機(jī)制。通過(guò)繪制天氣圖，分析高低空天氣系統(tǒng)的相互作用，確定影響短時(shí)強(qiáng)降水的關(guān)鍵天氣系統(tǒng)；利用物理量診斷分析，計(jì)算水汽通量、垂直速度、不穩(wěn)定能量等物理量，揭示短時(shí)強(qiáng)降水的動(dòng)力和熱力條件。數(shù)值模擬方法：采用高分辨率的數(shù)值預(yù)報(bào)模式，如WRF（WeatherResearchandForecastingModel）、GRAPES（Global/RegionalAssimilationandPredictionSystem）等，對(duì)我國(guó)東部地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水天氣過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)調(diào)整模式參數(shù)和物理過(guò)程，模擬不同天氣條件下短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生發(fā)展過(guò)程，探討其形成的物理機(jī)制。利用數(shù)值模擬結(jié)果，分析短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程中大氣運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié)特征，驗(yàn)證和補(bǔ)充天氣學(xué)診斷分析的結(jié)論；通過(guò)敏感性試驗(yàn)，研究不同因素對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的影響程度。統(tǒng)計(jì)建模方法：基于歷史氣象數(shù)據(jù)和短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例，選取與短時(shí)強(qiáng)降水密切相關(guān)的氣象要素作為預(yù)報(bào)因子，利用統(tǒng)計(jì)方法，如線性回歸、判別分析、邏輯回歸等，建立短時(shí)強(qiáng)降水潛勢(shì)預(yù)報(bào)模型。通過(guò)對(duì)模型的訓(xùn)練和驗(yàn)證，確定模型的參數(shù)和預(yù)報(bào)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的概率預(yù)報(bào)。利用統(tǒng)計(jì)建模方法，挖掘氣象要素與短時(shí)強(qiáng)降水之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，提高短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)的客觀性和定量化水平；通過(guò)交叉驗(yàn)證等方法，評(píng)估模型的預(yù)報(bào)性能，不斷優(yōu)化模型。機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能方法：探索將機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)應(yīng)用于短時(shí)強(qiáng)降水潛勢(shì)預(yù)報(bào)，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、深度學(xué)習(xí)等算法。利用大量的氣象數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練，使其自動(dòng)學(xué)習(xí)和提取數(shù)據(jù)中的特征和規(guī)律，建立智能預(yù)報(bào)模型，提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，處理復(fù)雜的氣象數(shù)據(jù)，挖掘數(shù)據(jù)中的非線性關(guān)系，提升短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)的精度和能力；通過(guò)模型融合等技術(shù)，綜合多種預(yù)報(bào)信息，進(jìn)一步提高預(yù)報(bào)效果。本研究的技術(shù)路線如圖1-1所示：數(shù)據(jù)收集與預(yù)處理：收集我國(guó)東部地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間序列的氣象觀測(cè)資料、地形和下墊面數(shù)據(jù)等，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制和預(yù)處理，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。氣候特征分析：運(yùn)用資料分析法和統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征、極值分布情況以及與大尺度氣候背景的關(guān)系進(jìn)行分析，揭示其氣候規(guī)律。成因分析：綜合利用天氣學(xué)診斷分析方法、數(shù)值模擬方法和資料分析法，從大氣環(huán)流、熱力不穩(wěn)定、水汽輸送、地形和下墊面等多個(gè)方面，深入研究短時(shí)強(qiáng)降水的形成機(jī)制。潛勢(shì)預(yù)報(bào)方法研究：基于對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水成因的認(rèn)識(shí)，結(jié)合統(tǒng)計(jì)建模方法、機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能方法，建立短時(shí)強(qiáng)降水潛勢(shì)預(yù)報(bào)模型。利用數(shù)值預(yù)報(bào)模式進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，并對(duì)不同預(yù)報(bào)方法進(jìn)行融合。預(yù)報(bào)方法驗(yàn)證與評(píng)估：選取歷史短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例和實(shí)時(shí)天氣數(shù)據(jù)，對(duì)建立的潛勢(shì)預(yù)報(bào)方法進(jìn)行預(yù)報(bào)試驗(yàn)和實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)檢驗(yàn)。采用多種評(píng)估指標(biāo)，對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，分析預(yù)報(bào)方法的優(yōu)勢(shì)和不足，并與國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有方法進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果應(yīng)用與反饋：將研究成果應(yīng)用于實(shí)際業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中，為防災(zāi)減災(zāi)提供技術(shù)支持。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的反饋，不斷優(yōu)化和改進(jìn)預(yù)報(bào)方法，提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和可靠性。[此處插入技術(shù)路線圖1-1，圖中清晰展示從數(shù)據(jù)收集到結(jié)果應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié)及相互關(guān)系]二、我國(guó)東部短時(shí)強(qiáng)降水天氣概述2.1短時(shí)強(qiáng)降水的定義與標(biāo)準(zhǔn)短時(shí)強(qiáng)降水是一種具有特殊性質(zhì)的降水現(xiàn)象，在我國(guó)氣象領(lǐng)域，它被明確界定為1小時(shí)內(nèi)降水量達(dá)到或超過(guò)20毫米的降水過(guò)程。這一定義強(qiáng)調(diào)了降水在短時(shí)間內(nèi)的高強(qiáng)度特征，使其區(qū)別于普通降水和暴雨。普通降水通常強(qiáng)度較為均勻，在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)緩慢降落，其1小時(shí)降水量一般遠(yuǎn)低于20毫米，對(duì)環(huán)境和人類活動(dòng)的影響相對(duì)較為溫和，不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)引發(fā)諸如洪澇、積水等嚴(yán)重問(wèn)題。而暴雨的定義則側(cè)重于累計(jì)降水量，是指24小時(shí)雨量達(dá)到50毫米及以上的降水過(guò)程。它更關(guān)注降水在一天時(shí)間尺度上的總量積累，盡管暴雨在某些時(shí)段可能存在較強(qiáng)降水，但整體時(shí)間跨度大，不像短時(shí)強(qiáng)降水那樣集中在1小時(shí)內(nèi)釋放高強(qiáng)度降水。例如，在日常天氣預(yù)報(bào)中，我們常見到小雨、中雨、大雨的劃分，小雨一般指24小時(shí)內(nèi)降水量在10毫米以下，中雨為10-24.9毫米，大雨為25-49.9毫米，這些降水類型在強(qiáng)度和時(shí)間分布上都與短時(shí)強(qiáng)降水有著明顯差異。短時(shí)強(qiáng)降水具有突發(fā)性強(qiáng)、降水時(shí)間集中的特點(diǎn)，往往在短時(shí)間內(nèi)形成大量積水，對(duì)城市排水系統(tǒng)、交通、農(nóng)業(yè)等造成較大壓力。在城市中，短時(shí)強(qiáng)降水可能導(dǎo)致道路瞬間積水，車輛行駛困難，甚至引發(fā)城市內(nèi)澇，威脅居民生命財(cái)產(chǎn)安全；而暴雨雖然總量大，但如果分散在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)降落，城市排水系統(tǒng)有相對(duì)更多時(shí)間進(jìn)行疏導(dǎo)，其造成的即時(shí)危害可能相對(duì)較小。2.2我國(guó)東部地區(qū)的氣候與地理特征我國(guó)東部地區(qū)地域遼闊，跨越多個(gè)緯度帶，擁有復(fù)雜多樣的氣候類型和獨(dú)特的地形地貌，這些因素對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水天氣的形成和發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。從氣候類型來(lái)看，我國(guó)東部主要涵蓋溫帶季風(fēng)氣候、亞熱帶季風(fēng)氣候和熱帶季風(fēng)氣候。溫帶季風(fēng)氣候主要分布在秦嶺-淮河以北的華北和東北地區(qū)，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。夏季，來(lái)自太平洋的東南季風(fēng)帶來(lái)豐富的水汽，與北方冷空氣交匯，容易形成降水，且在特定條件下，可能引發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水。例如，在東北地區(qū)的夏季，當(dāng)暖濕的東南氣流遇到冷空氣阻擋時(shí)，氣流被迫抬升，水汽迅速凝結(jié)，常出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣，其1小時(shí)降水量可達(dá)30毫米以上。亞熱帶季風(fēng)氣候分布在秦嶺-淮河以南、雷州半島以北的廣大地區(qū)，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨。該區(qū)域降水豐富，水汽條件充足，是短時(shí)強(qiáng)降水的多發(fā)區(qū)。以長(zhǎng)江中下游地區(qū)為例，每年的梅雨季節(jié)，冷暖空氣在此對(duì)峙，形成持續(xù)的降水過(guò)程。在梅雨鋒上，中尺度對(duì)流系統(tǒng)活躍，常常引發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水，有時(shí)1小時(shí)降水量甚至超過(guò)50毫米，給當(dāng)?shù)氐慕煌?、農(nóng)業(yè)和城市生活帶來(lái)諸多不便。熱帶季風(fēng)氣候主要位于雷州半島、海南島以及南海諸島等地，終年高溫，分旱雨兩季。雨季時(shí)，受西南季風(fēng)和臺(tái)風(fēng)的影響，降水充沛，短時(shí)強(qiáng)降水事件頻繁發(fā)生。在海南島，臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)常常帶來(lái)狂風(fēng)暴雨，短時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)度大，可能引發(fā)洪澇、山體滑坡等災(zāi)害，對(duì)當(dāng)?shù)氐幕A(chǔ)設(shè)施和居民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。在地形地貌方面，我國(guó)東部地區(qū)地形復(fù)雜，包括平原、山地、丘陵等多種地形。平原地區(qū)地勢(shì)平坦，如東北平原、華北平原和長(zhǎng)江中下游平原，有利于暖濕氣流的長(zhǎng)驅(qū)直入，水汽在廣闊的平原上聚集。當(dāng)遇到合適的動(dòng)力抬升條件時(shí)，容易形成強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水。在華北平原，夏季午后，地面受熱強(qiáng)烈，空氣對(duì)流旺盛，暖濕空氣迅速上升，若水汽充足，常形成積雨云，引發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水，這種降水過(guò)程通常較為突然，持續(xù)時(shí)間較短，但強(qiáng)度較大。山地和丘陵地區(qū)地形起伏較大，對(duì)氣流具有阻擋和抬升作用。當(dāng)暖濕氣流遇到山脈時(shí)，被迫沿山坡上升，在上升過(guò)程中，水汽冷卻凝結(jié)，形成降水。而且，山地的迎風(fēng)坡往往降水較多，容易出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣。例如，浙江、福建等地的沿海山地，夏季受東南季風(fēng)影響，暖濕氣流在迎風(fēng)坡強(qiáng)烈抬升，形成大量降水，短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生頻率較高，強(qiáng)度也較大，部分山區(qū)的小時(shí)降水量可達(dá)60毫米以上。山脈的走向和高度還會(huì)影響氣流的路徑和速度，進(jìn)而影響短時(shí)強(qiáng)降水的分布和強(qiáng)度。東西走向的山脈會(huì)阻擋冷空氣南下，使暖濕氣流在山前聚集，增加短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生概率；而高大山脈的存在則會(huì)導(dǎo)致氣流在翻越山脈時(shí)產(chǎn)生下沉增溫效應(yīng)，在山脈背風(fēng)坡形成干熱的焚風(fēng)，不利于短時(shí)強(qiáng)降水的形成。此外，我國(guó)東部地區(qū)河流眾多，湖泊星羅棋布，水域面積廣闊。這些水體對(duì)周邊地區(qū)的氣候和短時(shí)強(qiáng)降水也有一定影響。水體的存在增加了下墊面的濕度，為降水提供了豐富的水汽來(lái)源。在湖泊和河流附近，由于水陸熱力性質(zhì)差異，容易形成局地環(huán)流，促進(jìn)水汽的輻合上升，增加短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生機(jī)會(huì)。例如，鄱陽(yáng)湖周邊地區(qū)，夏季湖泊水面溫度相對(duì)較低，與周邊陸地形成明顯的溫差，導(dǎo)致局地氣流產(chǎn)生輻合，常出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣，對(duì)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和漁業(yè)養(yǎng)殖造成一定影響。2.3東部短時(shí)強(qiáng)降水天氣的時(shí)空分布特征2.3.1時(shí)間分布規(guī)律我國(guó)東部短時(shí)強(qiáng)降水在時(shí)間分布上呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性和日變化特征。從季節(jié)分布來(lái)看，短時(shí)強(qiáng)降水主要集中在夏季（6-8月），這三個(gè)月的短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生次數(shù)占全年的[X]%以上。夏季，太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，地面受熱升溫迅速，大氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)旺盛，為短時(shí)強(qiáng)降水的形成提供了有利的熱力條件。同時(shí)，夏季也是我國(guó)東部地區(qū)季風(fēng)活動(dòng)最為頻繁的時(shí)期，來(lái)自海洋的暖濕氣流攜帶大量水汽，與北方冷空氣頻繁交匯，形成強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，觸發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水。例如，在長(zhǎng)江中下游地區(qū)，每年夏季的梅雨季節(jié)，冷暖空氣在該地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間對(duì)峙，形成穩(wěn)定的鋒面系統(tǒng)，中尺度對(duì)流系統(tǒng)在鋒面上不斷發(fā)展，常常引發(fā)頻繁的短時(shí)強(qiáng)降水天氣。進(jìn)一步分析不同月份的情況，7月和8月是短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生最為頻繁的月份。7月，隨著副熱帶高壓的北抬，其邊緣的暖濕氣流與北方冷空氣在華北、東北地區(qū)交匯，使得這兩個(gè)地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水事件顯著增多。以北京為例，7月的短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生次數(shù)約占全年的[X]%，且強(qiáng)度較大，部分地區(qū)小時(shí)降水量可達(dá)50毫米以上。8月，副熱帶高壓繼續(xù)維持在較高緯度，我國(guó)東部大部分地區(qū)仍處于暖濕氣流的控制之下，短時(shí)強(qiáng)降水在華南、江南、江淮等地依然較為活躍。在華南地區(qū)，8月常受臺(tái)風(fēng)影響，臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的充沛水汽和強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致短時(shí)強(qiáng)降水頻繁發(fā)生，強(qiáng)度也往往較大，有時(shí)1小時(shí)降水量甚至超過(guò)100毫米。5月和9月也是短時(shí)強(qiáng)降水相對(duì)多發(fā)的月份，5月，隨著氣溫的回升，大氣不穩(wěn)定能量逐漸積累，暖濕氣流開始向北推進(jìn)，在南方地區(qū)容易引發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水。9月，雖然冷空氣勢(shì)力逐漸增強(qiáng)，但暖濕氣流仍有一定的影響，在冷暖空氣的共同作用下，短時(shí)強(qiáng)降水在部分地區(qū)仍時(shí)有發(fā)生。從日變化角度來(lái)看，我國(guó)東部短時(shí)強(qiáng)降水主要集中在午后到傍晚時(shí)段（13-20時(shí)）。這一時(shí)段，太陽(yáng)輻射持續(xù)加熱地面，使得近地面空氣溫度升高，大氣不穩(wěn)定層結(jié)增強(qiáng)。同時(shí)，午后到傍晚時(shí)段，邊界層內(nèi)的水汽含量也相對(duì)較高，為短時(shí)強(qiáng)降水的形成提供了充足的水汽條件。當(dāng)不穩(wěn)定能量積累到一定程度時(shí)，觸發(fā)對(duì)流運(yùn)動(dòng)，形成積雨云，進(jìn)而產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水。例如，在華北平原，午后地面受熱強(qiáng)烈，空氣對(duì)流旺盛，暖濕空氣迅速上升，常形成積雨云，導(dǎo)致短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生，且多集中在14-17時(shí)，此時(shí)的短時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)度較大，對(duì)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活造成一定影響。而在午夜至清晨時(shí)段（0-6時(shí)），大氣層結(jié)相對(duì)穩(wěn)定，水汽含量較低，短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻率明顯降低，僅占全天的[X]%左右。清晨到上午時(shí)段（6-13時(shí)），雖然太陽(yáng)輻射逐漸增強(qiáng)，但大氣還未充分受熱，對(duì)流運(yùn)動(dòng)相對(duì)較弱，短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生次數(shù)也較少。2.3.2空間分布特點(diǎn)我國(guó)東部短時(shí)強(qiáng)降水在空間分布上存在顯著差異，呈現(xiàn)出南多北少、沿海多內(nèi)陸少的特點(diǎn)。華南地區(qū)是短時(shí)強(qiáng)降水最為活躍的區(qū)域之一，包括廣東、廣西、海南等地。這些地區(qū)地處低緯度，受熱帶海洋氣團(tuán)影響明顯，水汽資源豐富，且常年氣溫較高，大氣對(duì)流活動(dòng)頻繁，為短時(shí)強(qiáng)降水的形成提供了極為有利的條件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，廣東、廣西、海南大部地區(qū)平均每14至20天就會(huì)遭遇一次短時(shí)強(qiáng)降雨，最多的地方每6至7天就會(huì)有一次短時(shí)強(qiáng)降雨。例如，在海南，由于其獨(dú)特的地理位置，四周被海洋環(huán)繞，水汽充足，且受季風(fēng)和臺(tái)風(fēng)影響頻繁，短時(shí)強(qiáng)降水天氣頻發(fā)。在夏季，海南部分地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水的小時(shí)降水量可達(dá)80毫米以上，對(duì)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)、交通和居民生活產(chǎn)生較大影響。長(zhǎng)江中下游地區(qū)也是短時(shí)強(qiáng)降水的高發(fā)區(qū)域，包括江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南等地。該地區(qū)位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季受東南季風(fēng)和西南季風(fēng)的共同影響，水汽充沛。同時(shí)，長(zhǎng)江中下游地區(qū)地勢(shì)相對(duì)平坦，有利于暖濕氣流的匯聚和輻合上升運(yùn)動(dòng)，容易形成短時(shí)強(qiáng)降水。尤其是在梅雨季節(jié)，冷暖空氣在該地區(qū)交匯，形成持續(xù)的降水過(guò)程，中尺度對(duì)流系統(tǒng)活躍，常常引發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水，其小時(shí)降水量有時(shí)可達(dá)60毫米以上。此外，該地區(qū)河網(wǎng)密布，湖泊眾多，水體的存在增加了下墊面的濕度，進(jìn)一步為短時(shí)強(qiáng)降水提供了水汽條件。相比之下，北方地區(qū)的短時(shí)強(qiáng)降水相對(duì)較少，主要分布在華北和東北地區(qū)。華北地區(qū)受溫帶季風(fēng)氣候影響，夏季降水主要集中在7、8月份，且降水強(qiáng)度和頻率相對(duì)南方地區(qū)較低。但在某些特殊年份，當(dāng)冷空氣勢(shì)力較強(qiáng)，與來(lái)自南方的暖濕氣流在華北地區(qū)交匯時(shí)，也會(huì)引發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水，其小時(shí)降水量可達(dá)40毫米左右。東北地區(qū)的短時(shí)強(qiáng)降水主要集中在夏季，受東北冷渦和副熱帶高壓的影響，當(dāng)冷渦攜帶冷空氣南下，與暖濕空氣相遇時(shí)，容易觸發(fā)對(duì)流運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水。但由于東北地區(qū)緯度較高，氣溫相對(duì)較低，大氣對(duì)流活動(dòng)不如南方地區(qū)強(qiáng)烈，因此短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生頻率和強(qiáng)度均低于南方。從沿海與內(nèi)陸的分布來(lái)看，沿海地區(qū)的短時(shí)強(qiáng)降水明顯多于內(nèi)陸地區(qū)。沿海地區(qū)靠近海洋，水汽來(lái)源充足，且海洋的調(diào)節(jié)作用使得沿海地區(qū)的大氣濕度較高，有利于短時(shí)強(qiáng)降水的形成。例如，浙江、福建等沿海省份，受海洋影響，暖濕氣流在沿海地區(qū)登陸后，遇到合適的地形和動(dòng)力條件，容易產(chǎn)生強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致短時(shí)強(qiáng)降水頻繁發(fā)生。而內(nèi)陸地區(qū)距離海洋較遠(yuǎn)，水汽輸送相對(duì)較弱，大氣濕度較低，短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生頻率和強(qiáng)度相對(duì)較低。但在一些內(nèi)陸地區(qū)，如四川盆地，由于其特殊的地形條件，四周環(huán)山，暖濕氣流在盆地內(nèi)匯聚，容易形成對(duì)流性降水，短時(shí)強(qiáng)降水也時(shí)有發(fā)生。我國(guó)東部短時(shí)強(qiáng)降水的空間分布還受到地形因素的顯著影響。山地和丘陵地區(qū)的短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻率和強(qiáng)度往往高于平原地區(qū)。當(dāng)暖濕氣流遇到山脈阻擋時(shí)，被迫沿山坡上升，在上升過(guò)程中，水汽冷卻凝結(jié)，形成降水。而且，山地的迎風(fēng)坡往往降水較多，容易出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣。例如，浙江、福建等地的沿海山地，夏季受東南季風(fēng)影響，暖濕氣流在迎風(fēng)坡強(qiáng)烈抬升，形成大量降水，短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生頻率較高，強(qiáng)度也較大，部分山區(qū)的小時(shí)降水量可達(dá)60毫米以上。山脈的走向和高度還會(huì)影響氣流的路徑和速度，進(jìn)而影響短時(shí)強(qiáng)降水的分布和強(qiáng)度。東西走向的山脈會(huì)阻擋冷空氣南下，使暖濕氣流在山前聚集，增加短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生概率；而高大山脈的存在則會(huì)導(dǎo)致氣流在翻越山脈時(shí)產(chǎn)生下沉增溫效應(yīng)，在山脈背風(fēng)坡形成干熱的焚風(fēng)，不利于短時(shí)強(qiáng)降水的形成。三、我國(guó)東部短時(shí)強(qiáng)降水天氣的成因分析3.1水汽條件3.1.1水汽來(lái)源我國(guó)東部地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水的水汽來(lái)源主要包括海洋和陸地蒸發(fā)，其中海洋是最為重要的水汽源地。我國(guó)東部瀕臨太平洋，東南部與南海相鄰，這些廣闊的海洋區(qū)域終年受太陽(yáng)輻射影響，海水溫度較高，蒸發(fā)旺盛，源源不斷地向大氣中輸送水汽。據(jù)估算，太平洋和南海每年向我國(guó)東部地區(qū)輸送的水汽量可達(dá)[X]億噸，為短時(shí)強(qiáng)降水提供了充足的水汽基礎(chǔ)。在夏季，來(lái)自太平洋的東南季風(fēng)攜帶大量水汽，深入我國(guó)東部?jī)?nèi)陸地區(qū)。這些水汽隨著季風(fēng)的推進(jìn)，在合適的天氣條件下，形成降水。例如，在長(zhǎng)江中下游地區(qū)，夏季東南季風(fēng)帶來(lái)的水汽與北方冷空氣交匯，常常引發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水天氣，使得該地區(qū)夏季降水豐富。南海也是我國(guó)東部短時(shí)強(qiáng)降水的重要水汽來(lái)源之一。南海地處低緯度地區(qū)，受熱帶海洋性氣候影響，水汽含量豐富。南海夏季風(fēng)爆發(fā)后，強(qiáng)勁的西南氣流將南海的水汽向我國(guó)華南、江南等地輸送，為這些地區(qū)的短時(shí)強(qiáng)降水提供了充足的水汽條件。在廣東、廣西等地，夏季受南海夏季風(fēng)影響，短時(shí)強(qiáng)降水天氣頻繁發(fā)生，其水汽主要來(lái)自南海。當(dāng)南海夏季風(fēng)強(qiáng)盛時(shí)，水汽輸送范圍更廣，可影響到長(zhǎng)江中下游地區(qū)，增加該地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生概率。除了海洋水汽，我國(guó)東部地區(qū)的陸地蒸發(fā)也是水汽的重要補(bǔ)充來(lái)源。我國(guó)東部地區(qū)河流眾多，湖泊星羅棋布，水域面積廣闊，這些水體的蒸發(fā)為大氣提供了一定量的水汽。長(zhǎng)江、黃河等大型河流以及鄱陽(yáng)湖、洞庭湖等大型湖泊，在夏季高溫季節(jié)，水面蒸發(fā)旺盛，水汽不斷進(jìn)入大氣中。此外，植被的蒸騰作用也會(huì)向大氣中釋放水汽。我國(guó)東部地區(qū)植被覆蓋率較高，尤其是在山區(qū)和森林地帶，植被的蒸騰作用不可忽視。植被通過(guò)根系吸收土壤中的水分，然后通過(guò)葉片的氣孔將水分以水汽的形式釋放到大氣中，增加了大氣中的水汽含量。在山區(qū)，森林植被的蒸騰作用使得山區(qū)的大氣濕度相對(duì)較高，當(dāng)有合適的天氣系統(tǒng)影響時(shí)，容易形成短時(shí)強(qiáng)降水。3.1.2水汽輸送與聚集水汽在大氣中的輸送主要通過(guò)大氣環(huán)流來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括季風(fēng)環(huán)流、西風(fēng)帶環(huán)流等。在我國(guó)東部地區(qū)，季風(fēng)環(huán)流對(duì)水汽輸送起著主導(dǎo)作用。夏季，隨著太陽(yáng)直射點(diǎn)的北移，海陸熱力差異增大，亞洲大陸形成強(qiáng)大的熱低壓，太平洋上的副熱帶高壓加強(qiáng)西伸，在兩者之間形成了強(qiáng)大的偏南季風(fēng)氣流。這股氣流將海洋上的暖濕水汽源源不斷地輸送到我國(guó)東部地區(qū)。在東南季風(fēng)的影響下，水汽從太平洋向我國(guó)東部?jī)?nèi)陸地區(qū)輸送，路徑大致為自東南向西北。水汽在輸送過(guò)程中，遇到山脈、地形等阻擋，會(huì)發(fā)生抬升、輻合等現(xiàn)象，進(jìn)一步促進(jìn)水汽的聚集。在我國(guó)東南沿海地區(qū)，當(dāng)暖濕的東南氣流遇到山脈阻擋時(shí)，被迫沿山坡上升，水汽冷卻凝結(jié)，容易形成短時(shí)強(qiáng)降水。除了東南季風(fēng)，西南季風(fēng)也是我國(guó)東部地區(qū)水汽輸送的重要通道。西南季風(fēng)主要源于印度洋，當(dāng)西南季風(fēng)爆發(fā)后，它攜帶印度洋的水汽，經(jīng)過(guò)中南半島，向我國(guó)華南、西南地區(qū)輸送水汽。在云南、貴州等地，夏季受西南季風(fēng)影響，水汽充足，短時(shí)強(qiáng)降水天氣時(shí)有發(fā)生。西南季風(fēng)與東南季風(fēng)在我國(guó)東部地區(qū)相互作用，使得水汽輸送更加復(fù)雜多樣。當(dāng)西南季風(fēng)與東南季風(fēng)在某一區(qū)域交匯時(shí)，會(huì)形成強(qiáng)烈的水汽輻合，為短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生提供更為有利的水汽條件。在水汽輸送過(guò)程中，中尺度天氣系統(tǒng)對(duì)水汽的聚集起著關(guān)鍵作用。中尺度對(duì)流系統(tǒng)（MCS）、低渦、切變線等中尺度天氣系統(tǒng)具有較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)和水汽輻合能力。以中尺度對(duì)流系統(tǒng)為例，它通常由多個(gè)對(duì)流單體組成，在其發(fā)展過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的上升氣流，將周圍的水汽迅速抽吸到系統(tǒng)內(nèi)部，形成水汽的高度聚集。當(dāng)水汽聚集到一定程度時(shí)，就會(huì)觸發(fā)強(qiáng)烈的對(duì)流活動(dòng)，產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水。在長(zhǎng)江中下游地區(qū)的梅雨季節(jié)，中尺度對(duì)流系統(tǒng)頻繁活動(dòng)，常常在梅雨鋒上發(fā)展壯大，通過(guò)強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)和水汽輻合，引發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水，使得該地區(qū)降水強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。低渦和切變線也是促進(jìn)水汽聚集的重要中尺度天氣系統(tǒng)。低渦是一種中心氣壓低于四周的閉合低壓系統(tǒng)，其周圍的氣流呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)（北半球），有利于水汽的輻合。當(dāng)?shù)蜏u在我國(guó)東部地區(qū)生成或移動(dòng)經(jīng)過(guò)時(shí)，會(huì)將周圍的水汽聚集到低渦中心附近，為短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生提供水汽條件。切變線是指風(fēng)向或風(fēng)速發(fā)生急劇變化的不連續(xù)線，它通常出現(xiàn)在低空，兩側(cè)的氣流存在明顯的切變。切變線附近的氣流輻合作用較強(qiáng)，能夠促使水汽聚集，當(dāng)有合適的動(dòng)力和熱力條件時(shí)，就會(huì)引發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水。在華北地區(qū)，當(dāng)?shù)蜏u和切變線共同影響時(shí)，水汽在兩者的作用下強(qiáng)烈輻合，容易產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水天氣。地形對(duì)水汽的輸送和聚集也有著重要影響。我國(guó)東部地區(qū)地形復(fù)雜多樣，山脈、平原、丘陵交錯(cuò)分布。山脈對(duì)水汽具有阻擋和抬升作用，當(dāng)暖濕氣流遇到山脈阻擋時(shí)，被迫沿山坡上升，在上升過(guò)程中，水汽冷卻凝結(jié)，形成降水。而且，山地的迎風(fēng)坡往往降水較多，容易出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣。在浙江、福建等地的沿海山地，夏季受東南季風(fēng)影響，暖濕氣流在迎風(fēng)坡強(qiáng)烈抬升，水汽迅速聚集，形成大量降水，短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生頻率較高，強(qiáng)度也較大。山脈的走向和高度還會(huì)影響水汽的輸送路徑和聚集區(qū)域。東西走向的山脈會(huì)阻擋冷空氣南下，使暖濕氣流在山前聚集，增加短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生概率；而高大山脈的存在則會(huì)導(dǎo)致氣流在翻越山脈時(shí)產(chǎn)生下沉增溫效應(yīng)，在山脈背風(fēng)坡形成干熱的焚風(fēng)，不利于短時(shí)強(qiáng)降水的形成。平原地區(qū)地勢(shì)平坦，有利于暖濕氣流的長(zhǎng)驅(qū)直入，水汽在廣闊的平原上能夠較為均勻地輸送。但在平原地區(qū)，當(dāng)有中尺度天氣系統(tǒng)影響時(shí)，水汽也容易在局部區(qū)域聚集。在華北平原，夏季午后，地面受熱強(qiáng)烈，空氣對(duì)流旺盛，暖濕空氣迅速上升，若水汽充足，常形成積雨云，引發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水。此時(shí)，雖然平原地區(qū)地形相對(duì)平坦，但中尺度對(duì)流系統(tǒng)的作用使得水汽在局部區(qū)域聚集，形成短時(shí)強(qiáng)降水。3.2動(dòng)力條件3.2.1大氣垂直運(yùn)動(dòng)大氣垂直運(yùn)動(dòng)在短時(shí)強(qiáng)降水的形成過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，是引發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水的關(guān)鍵動(dòng)力因素之一。當(dāng)大氣中存在強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng)時(shí)，水汽能夠迅速被抬升至高空，在上升過(guò)程中，水汽遇冷不斷凝結(jié)，形成大量的云滴和雨滴，從而為短時(shí)強(qiáng)降水的產(chǎn)生提供了必要的物質(zhì)條件。這種垂直上升運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間直接影響著短時(shí)強(qiáng)降水的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間。若垂直上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，水汽能夠不斷被輸送到高空并凝結(jié)成降水，就容易形成高強(qiáng)度、長(zhǎng)時(shí)間的短時(shí)強(qiáng)降水；反之，若垂直上升運(yùn)動(dòng)較弱或持續(xù)時(shí)間短，降水強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間也會(huì)相應(yīng)減小。大氣垂直上升運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生主要源于多種因素的共同作用。熱力對(duì)流是引發(fā)垂直上升運(yùn)動(dòng)的常見原因之一。在夏季，太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，地面受熱不均，導(dǎo)致近地面空氣溫度差異明顯。溫度較高的空氣密度較小，會(huì)產(chǎn)生向上的浮力，從而形成對(duì)流運(yùn)動(dòng)。在城市中，由于城市下墊面多為水泥、瀝青等材質(zhì)，其比熱容較小，在太陽(yáng)照射下升溫迅速，使得城市中心區(qū)域的近地面空氣溫度明顯高于周邊郊區(qū)，形成城市熱島效應(yīng)。這種熱島效應(yīng)會(huì)加劇城市中心區(qū)域的熱力對(duì)流，促使暖濕空氣強(qiáng)烈上升，為短時(shí)強(qiáng)降水的形成創(chuàng)造了有利條件。在一些大城市，如北京、上海等地，夏季午后常常出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，很大程度上與城市熱島效應(yīng)引發(fā)的熱力對(duì)流有關(guān)。地形的阻擋和抬升作用也是導(dǎo)致大氣垂直上升運(yùn)動(dòng)的重要因素。我國(guó)東部地區(qū)地形復(fù)雜，山脈眾多，當(dāng)暖濕氣流遇到山脈阻擋時(shí)，氣流被迫沿山坡向上爬升，在爬升過(guò)程中，空氣逐漸冷卻，水汽飽和度增加，進(jìn)而發(fā)生凝結(jié)，形成降水。在浙江、福建等地的沿海山地，夏季受東南季風(fēng)影響，暖濕氣流在迎風(fēng)坡強(qiáng)烈抬升，常常引發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水。這些地區(qū)的山脈走向和高度對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的分布和強(qiáng)度有著顯著影響。東西走向的山脈能夠有效阻擋暖濕氣流的西進(jìn)，使暖濕氣流在山前聚集并強(qiáng)烈抬升，增加了短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生概率和強(qiáng)度。而山脈的高度越高，氣流抬升的幅度越大，水汽冷卻凝結(jié)的程度也越劇烈，更容易形成強(qiáng)降水。天氣系統(tǒng)的作用同樣不可忽視。鋒面、氣旋、低渦等天氣系統(tǒng)往往伴隨著強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)。以鋒面為例，當(dāng)冷氣團(tuán)和暖氣團(tuán)相遇時(shí)，暖氣團(tuán)較輕，會(huì)沿著鋒面向上爬升，形成上升運(yùn)動(dòng)。在冷鋒過(guò)境時(shí)，冷空氣迅速插入暖空氣下方，迫使暖空氣強(qiáng)烈抬升，常常引發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水，且降水強(qiáng)度較大，有時(shí)還會(huì)伴有大風(fēng)、雷電等強(qiáng)對(duì)流天氣。氣旋是一種中心氣壓低于四周的天氣系統(tǒng)，其周圍的氣流呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)（北半球），這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使得空氣在氣旋中心區(qū)域輻合上升，為短時(shí)強(qiáng)降水的形成提供了動(dòng)力條件。低渦也是一種具有較強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)的天氣系統(tǒng)，其中心附近的氣流垂直上升明顯，能夠?qū)⒌蛯拥乃杆佥斔偷礁呖?，從而觸發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水。在東北地區(qū)，東北冷渦的活動(dòng)常常伴隨著短時(shí)強(qiáng)降水天氣，冷渦底部的低槽和切變線使得冷空氣南下，與暖濕空氣交匯，引發(fā)強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生。3.2.2天氣系統(tǒng)的影響鋒面、氣旋、低渦等天氣系統(tǒng)在我國(guó)東部短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程中扮演著重要角色，它們通過(guò)不同的機(jī)制觸發(fā)和影響短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生發(fā)展。鋒面是冷暖氣團(tuán)的交界面，根據(jù)冷暖氣團(tuán)的移動(dòng)方向和相對(duì)勢(shì)力，可分為冷鋒、暖鋒和準(zhǔn)靜止鋒。冷鋒是冷氣團(tuán)主動(dòng)向暖氣團(tuán)移動(dòng)形成的鋒面，在我國(guó)東部地區(qū)，冷鋒活動(dòng)較為頻繁，尤其是在春秋季節(jié)。當(dāng)冷鋒過(guò)境時(shí)，冷氣團(tuán)迅速插入暖空氣下方，迫使暖空氣強(qiáng)烈抬升。這種強(qiáng)烈的抬升運(yùn)動(dòng)使得水汽迅速凝結(jié)，形成短時(shí)強(qiáng)降水。冷鋒移動(dòng)速度較快，往往帶來(lái)狂風(fēng)、暴雨等強(qiáng)對(duì)流天氣，降水強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間較短。在華北地區(qū)，春季冷鋒過(guò)境時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，有時(shí)還會(huì)伴有冰雹等災(zāi)害性天氣，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成較大影響。暖鋒是暖氣團(tuán)主動(dòng)向冷氣團(tuán)移動(dòng)形成的鋒面，其降水特征與冷鋒有所不同。暖鋒移動(dòng)速度相對(duì)較慢，暖空氣沿著鋒面緩慢爬升，水汽逐漸冷卻凝結(jié)，形成連續(xù)性降水。在暖鋒降水過(guò)程中，雖然降水強(qiáng)度一般不如冷鋒，但如果暖濕氣流較為強(qiáng)盛，也可能出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。在長(zhǎng)江中下游地區(qū)的春季，暖鋒活動(dòng)時(shí)，暖濕氣流從南方帶來(lái)充足的水汽，在暖鋒前形成降水，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣。準(zhǔn)靜止鋒是冷暖氣團(tuán)勢(shì)力相當(dāng)，使鋒面來(lái)回?cái)[動(dòng)的鋒。我國(guó)東部地區(qū)的準(zhǔn)靜止鋒主要出現(xiàn)在江淮地區(qū)的梅雨季節(jié)和云貴高原地區(qū)。在梅雨季節(jié)，冷暖氣團(tuán)在江淮地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間對(duì)峙，形成準(zhǔn)靜止鋒，鋒面附近的中尺度對(duì)流系統(tǒng)活躍，常常引發(fā)頻繁的短時(shí)強(qiáng)降水。這種降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，強(qiáng)度較大，容易導(dǎo)致洪澇災(zāi)害的發(fā)生。在云貴高原地區(qū)，冬季受昆明準(zhǔn)靜止鋒的影響，冷空氣在高原東側(cè)堆積，暖濕氣流在鋒面上爬升，形成降水，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。氣旋是中心氣壓低于四周的大型空氣渦旋，在北半球，氣旋中的氣流呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。氣旋的形成和發(fā)展與大氣的輻合上升運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，其內(nèi)部的上升運(yùn)動(dòng)能夠?qū)⒋罅康乃斔偷礁呖?，為短時(shí)強(qiáng)降水提供動(dòng)力和水汽條件。在我國(guó)東部地區(qū)，溫帶氣旋是引發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水的重要天氣系統(tǒng)之一。溫帶氣旋通常在中高緯度地區(qū)生成，當(dāng)它移動(dòng)到我國(guó)東部時(shí)，其暖區(qū)的暖濕氣流與北方冷空氣相互作用，在氣旋中心和暖鋒附近形成強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，觸發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水。在東北地區(qū)，春季和秋季溫帶氣旋活動(dòng)頻繁，常常帶來(lái)短時(shí)強(qiáng)降水天氣，對(duì)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和交通出行造成一定影響。低渦是指中心氣壓低于四周的低氣壓系統(tǒng)，通常在低空形成。低渦內(nèi)部的氣流呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)（北半球），具有較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)。在我國(guó)東部地區(qū)，影響短時(shí)強(qiáng)降水的低渦主要有西南低渦和東北冷渦。西南低渦是形成于我國(guó)西南地區(qū)的低渦，它的形成與地形和大氣環(huán)流密切相關(guān)。當(dāng)西南低渦東移時(shí)，其攜帶的暖濕氣流與北方冷空氣交匯，在低渦中心和東部地區(qū)形成強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生。在四川盆地，西南低渦活動(dòng)頻繁，常常引發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水，由于盆地地形的影響，降水容易在局部地區(qū)聚集，增加了洪澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。東北冷渦是形成于東北地區(qū)上空的冷性低渦，它的中心溫度低于四周，具有深厚的冷空氣堆。東北冷渦的活動(dòng)具有持續(xù)性和反復(fù)性，其底部的低槽和切變線使得冷空氣不斷南下，與暖濕空氣交匯，引發(fā)強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生。在東北地區(qū)，夏季東北冷渦活動(dòng)頻繁，常常帶來(lái)短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣，對(duì)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活造成較大影響。3.3熱力條件3.3.1大氣不穩(wěn)定能量大氣不穩(wěn)定能量是一種對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)和天氣變化有著重要影響的能量形式。它指的是氣層中可使單位質(zhì)量空氣塊離開初始位置后作加速運(yùn)動(dòng)的能量。在不穩(wěn)定氣層中，空氣塊一旦受到垂直方向的擾動(dòng)，就會(huì)發(fā)生向上或向下的加速運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)能增加，這部分增加的動(dòng)能便是由大氣不穩(wěn)定能量轉(zhuǎn)化而來(lái)。當(dāng)空氣塊在不穩(wěn)定氣層中向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，其溫度將高于周圍環(huán)境的氣溫，根據(jù)阿基米德原理，此時(shí)浮力大于重力，空氣塊會(huì)受到向上的凈浮力作用，從而加速上升；當(dāng)空氣塊向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，重力大于浮力，空氣塊加速下降。這種不穩(wěn)定狀態(tài)使得大氣具有強(qiáng)烈的對(duì)流傾向，為短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生提供了重要的能量基礎(chǔ)。大氣不穩(wěn)定能量的形成機(jī)制較為復(fù)雜，主要與大氣的熱力結(jié)構(gòu)和垂直運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。太陽(yáng)輻射是大氣不穩(wěn)定能量的重要來(lái)源。在白天，太陽(yáng)輻射使地面受熱升溫，地面通過(guò)長(zhǎng)波輻射將熱量傳遞給近地面大氣，使得近地面空氣溫度升高，密度減小。而高層大氣由于距離地面較遠(yuǎn)，獲得的熱量較少，溫度相對(duì)較低，從而形成了下暖上冷的溫度垂直分布，即大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。這種不穩(wěn)定的大氣層結(jié)使得近地面空氣具有較強(qiáng)的上升趨勢(shì)，當(dāng)有合適的觸發(fā)機(jī)制時(shí)，如地形的抬升、鋒面的活動(dòng)等，近地面空氣就會(huì)迅速上升，將不穩(wěn)定能量轉(zhuǎn)化為對(duì)流運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能。在山區(qū)，當(dāng)暖濕空氣遇到山脈阻擋時(shí)，被迫沿山坡上升，在上升過(guò)程中，空氣不斷吸收地面?zhèn)鬟f的熱量，不穩(wěn)定能量不斷積累，一旦超過(guò)一定閾值，就會(huì)引發(fā)強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生。水汽的相變過(guò)程也對(duì)大氣不穩(wěn)定能量的形成和變化產(chǎn)生重要影響。水汽在上升過(guò)程中，隨著高度的增加，氣壓降低，溫度下降，當(dāng)水汽達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，就會(huì)發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象，釋放出大量的潛熱。這部分潛熱會(huì)加熱周圍空氣，使空氣溫度升高，進(jìn)一步增強(qiáng)大氣的不穩(wěn)定程度。在積雨云的形成過(guò)程中，水汽的強(qiáng)烈上升和凝結(jié)釋放潛熱起著關(guān)鍵作用。大量的水汽在上升過(guò)程中不斷凝結(jié)，釋放出的潛熱使得積雨云內(nèi)部的空氣溫度迅速升高，形成強(qiáng)大的上升氣流，從而導(dǎo)致短時(shí)強(qiáng)降水、雷電等強(qiáng)對(duì)流天氣的出現(xiàn)。大氣中的垂直運(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng)也會(huì)對(duì)大氣不穩(wěn)定能量產(chǎn)生影響。垂直運(yùn)動(dòng)可以改變大氣的溫度和濕度分布，從而影響大氣的穩(wěn)定度。當(dāng)有強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)將低層的暖濕空氣迅速輸送到高空，使得大氣層結(jié)更加不穩(wěn)定；而下沉運(yùn)動(dòng)則會(huì)使空氣壓縮增溫，穩(wěn)定度增加。水平運(yùn)動(dòng)，如冷暖空氣的交匯，也會(huì)導(dǎo)致大氣不穩(wěn)定能量的積累和釋放。當(dāng)冷空氣和暖濕空氣相遇時(shí)，暖濕空氣被迫抬升，不穩(wěn)定能量迅速釋放，引發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣。在短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生過(guò)程中，大氣不穩(wěn)定能量扮演著至關(guān)重要的角色。它為短時(shí)強(qiáng)降水提供了強(qiáng)大的動(dòng)力支持，使得水汽能夠迅速上升并凝結(jié)成云致雨。當(dāng)大氣中存在大量的不穩(wěn)定能量時(shí)，一旦觸發(fā)機(jī)制出現(xiàn)，如午后地面受熱不均引發(fā)的熱力對(duì)流、鋒面過(guò)境等，不穩(wěn)定能量就會(huì)迅速釋放，形成強(qiáng)烈的上升氣流。這種上升氣流能夠?qū)⒋罅康乃斔偷礁呖?，水汽在高空冷卻凝結(jié)，形成積雨云，進(jìn)而產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水。在夏季午后，太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，地面受熱不均，近地面空氣迅速升溫，大氣不穩(wěn)定能量大量積累。此時(shí)，若有局地的熱力對(duì)流觸發(fā)，不穩(wěn)定能量就會(huì)瞬間釋放，形成強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，常常導(dǎo)致短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生，且降水強(qiáng)度較大，有時(shí)還會(huì)伴有雷電、大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣。大氣不穩(wěn)定能量的大小和分布還會(huì)影響短時(shí)強(qiáng)降水的強(qiáng)度和范圍。一般來(lái)說(shuō)，大氣不穩(wěn)定能量越大，短時(shí)強(qiáng)降水的強(qiáng)度就越大；不穩(wěn)定能量分布越集中，短時(shí)強(qiáng)降水的范圍就相對(duì)較小，但強(qiáng)度可能更大。在一些極端短時(shí)強(qiáng)降水事件中，往往是由于大氣中積聚了大量的不穩(wěn)定能量，且在較小的區(qū)域內(nèi)迅速釋放，導(dǎo)致了高強(qiáng)度的短時(shí)強(qiáng)降水，給當(dāng)?shù)貛?lái)嚴(yán)重的災(zāi)害。3.3.2地面加熱與對(duì)流發(fā)展地面受熱不均是引發(fā)大氣對(duì)流的重要原因，而對(duì)流發(fā)展又與短時(shí)強(qiáng)降水密切相關(guān)，它們之間存在著復(fù)雜的相互作用機(jī)制。在白天，太陽(yáng)輻射是地面加熱的主要能源。太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣層，到達(dá)地面后，被地面吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，使得地面溫度升高。然而，由于下墊面性質(zhì)的差異，如陸地和海洋、城市和鄉(xiāng)村、森林和沙漠等，不同地區(qū)的地面吸收和儲(chǔ)存太陽(yáng)輻射能的能力不同，導(dǎo)致地面受熱不均。陸地的比熱容較小，在太陽(yáng)輻射的照射下升溫迅速，而海洋的比熱容較大，升溫相對(duì)緩慢。在夏季，白天陸地表面溫度可能比海洋表面溫度高出數(shù)攝氏度，這種海陸熱力差異使得陸地表面的空氣溫度明顯高于海洋表面的空氣，形成局地的熱力環(huán)流。在沿海地區(qū)，白天陸地升溫快，空氣受熱膨脹上升，形成低氣壓區(qū)；海洋升溫慢，空氣相對(duì)較冷，形成高氣壓區(qū)。于是，海洋上的冷空氣就會(huì)流向陸地，形成海風(fēng)，而陸地上的暖空氣則在上升過(guò)程中逐漸冷卻，水汽凝結(jié)，可能形成云甚至降水。城市下墊面多為水泥、瀝青等材質(zhì)，其比熱容遠(yuǎn)小于自然下墊面，且城市中建筑物密集，通風(fēng)條件相對(duì)較差，導(dǎo)致城市地區(qū)在太陽(yáng)輻射下升溫更為迅速，形成城市熱島效應(yīng)。城市中心區(qū)域的氣溫通常比周邊郊區(qū)高出2-5℃，甚至在某些極端情況下，溫差可達(dá)10℃以上。這種顯著的溫度差異使得城市中心區(qū)域的空氣強(qiáng)烈上升，形成熱島環(huán)流。在熱島環(huán)流的作用下，周邊郊區(qū)的冷空氣向城市中心匯聚，進(jìn)一步增強(qiáng)了城市中心區(qū)域的對(duì)流運(yùn)動(dòng)。城市熱島效應(yīng)引發(fā)的對(duì)流運(yùn)動(dòng)常常導(dǎo)致城市地區(qū)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。在一些大城市，如北京、上海、廣州等，夏季午后常常出現(xiàn)局地性的短時(shí)強(qiáng)降水，很大程度上與城市熱島效應(yīng)引發(fā)的對(duì)流發(fā)展有關(guān)。城市中的高層建筑還會(huì)對(duì)氣流產(chǎn)生阻擋和摩擦作用，進(jìn)一步加劇了氣流的垂直上升運(yùn)動(dòng)，為短時(shí)強(qiáng)降水的形成創(chuàng)造了更有利的條件。地面受熱不均引發(fā)的大氣對(duì)流發(fā)展，對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的形成和發(fā)展具有重要影響。當(dāng)大氣對(duì)流發(fā)展時(shí)，近地面的暖濕空氣被迅速抬升，在上升過(guò)程中，空氣逐漸冷卻，水汽飽和度增加，當(dāng)水汽達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，就會(huì)發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象，形成云滴和雨滴。隨著對(duì)流的不斷加強(qiáng)，云體不斷發(fā)展壯大，降水強(qiáng)度也逐漸增大，最終可能形成短時(shí)強(qiáng)降水。在夏季，午后地面受熱不均引發(fā)的熱力對(duì)流常常導(dǎo)致積雨云的形成。積雨云內(nèi)部存在強(qiáng)烈的上升氣流和下沉氣流，上升氣流將大量的水汽輸送到高空，水汽在高空冷卻凝結(jié)，形成降水；而下沉氣流則在云底附近形成冷空氣堆，使得云底附近的氣壓升高，與周圍環(huán)境形成氣壓差，進(jìn)一步加強(qiáng)了對(duì)流運(yùn)動(dòng)。當(dāng)積雨云發(fā)展到一定程度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水，且降水強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間較短。對(duì)流發(fā)展的強(qiáng)度和范圍還會(huì)影響短時(shí)強(qiáng)降水的落區(qū)和強(qiáng)度。如果對(duì)流發(fā)展較為強(qiáng)烈且范圍較大，那么短時(shí)強(qiáng)降水的強(qiáng)度也會(huì)較大，落區(qū)范圍也相對(duì)較廣；反之，如果對(duì)流發(fā)展較弱且范圍較小，短時(shí)強(qiáng)降水的強(qiáng)度和落區(qū)范圍也會(huì)相應(yīng)減小。在一些山區(qū)，由于地形的影響，地面受熱不均更為明顯，對(duì)流發(fā)展往往更為強(qiáng)烈，因此短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生頻率和強(qiáng)度相對(duì)較高。山脈的阻擋和抬升作用會(huì)使得暖濕氣流在山前聚集并強(qiáng)烈上升，促進(jìn)對(duì)流的發(fā)展，導(dǎo)致短時(shí)強(qiáng)降水集中在山前地區(qū)。而在平原地區(qū)，雖然地面受熱不均程度相對(duì)較小，但在合適的天氣條件下，如冷暖空氣交匯、中尺度天氣系統(tǒng)的影響等，也可能引發(fā)強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，形成短時(shí)強(qiáng)降水。3.4地形因素3.4.1山脈地形的阻擋與抬升山脈地形對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的形成有著重要影響，其阻擋和抬升作用改變了氣流的運(yùn)動(dòng)路徑和垂直上升運(yùn)動(dòng)，為短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生創(chuàng)造了條件。以我國(guó)浙江、福建等地的沿海山脈為例，這些山脈呈東北-西南走向，夏季，當(dāng)來(lái)自太平洋的暖濕東南季風(fēng)氣流遇到這些山脈阻擋時(shí)，氣流無(wú)法直接翻越山脈繼續(xù)西進(jìn)，只能被迫沿山坡向上爬升。在爬升過(guò)程中，隨著高度的增加，氣壓降低，氣溫逐漸下降，水汽飽和度增加。當(dāng)水汽達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，就會(huì)發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象，形成大量的云滴和雨滴，從而導(dǎo)致降水的產(chǎn)生。由于暖濕氣流在迎風(fēng)坡持續(xù)抬升，水汽不斷凝結(jié)，使得該地區(qū)的降水強(qiáng)度逐漸增大，容易出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣。在浙江沿海山區(qū)，夏季受東南季風(fēng)影響，當(dāng)暖濕氣流在迎風(fēng)坡強(qiáng)烈抬升時(shí)，短時(shí)強(qiáng)降水的小時(shí)降水量可達(dá)60毫米以上。山脈的高度和坡度也會(huì)對(duì)氣流的抬升效果產(chǎn)生影響。一般來(lái)說(shuō)，山脈越高，氣流抬升的幅度越大，水汽冷卻凝結(jié)的程度也越劇烈，越容易形成強(qiáng)降水。高大的山脈能夠?qū)⑴瘽駳饬魈粮叩母叨?，使得水汽在高空?jīng)歷更充分的冷卻和凝結(jié)過(guò)程，從而增加降水的強(qiáng)度。而山脈的坡度越陡，氣流抬升的速度越快，也有利于短時(shí)強(qiáng)降水的形成。在福建沿海的一些陡峭山脈地區(qū)，暖濕氣流在短時(shí)間內(nèi)被迅速抬升，常常引發(fā)高強(qiáng)度的短時(shí)強(qiáng)降水。山脈的走向與氣流的夾角也會(huì)影響阻擋和抬升作用的效果。當(dāng)山脈走向與氣流方向垂直時(shí)，阻擋作用最為明顯，氣流被迫強(qiáng)烈抬升，短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生概率和強(qiáng)度相對(duì)較高；而當(dāng)山脈走向與氣流方向夾角較小時(shí)，阻擋作用相對(duì)較弱，短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生情況也會(huì)有所不同。除了沿海山脈，我國(guó)其他地區(qū)的山脈也對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水有著重要影響。在太行山脈，夏季來(lái)自南方的暖濕氣流遇到太行山脈的阻擋，在山前形成強(qiáng)烈的輻合抬升，常常導(dǎo)致短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生。太行山脈的阻擋使得暖濕氣流在山前聚集，水汽不斷增加，同時(shí)地形的抬升作用促使氣流強(qiáng)烈上升，形成短時(shí)強(qiáng)降水。在一些特殊的天氣形勢(shì)下，太行山脈的地形作用會(huì)更加顯著，引發(fā)的短時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)度也會(huì)更大。在華北地區(qū)的一次短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程中，暖濕氣流在太行山東麓強(qiáng)烈抬升，形成了小時(shí)降水量超過(guò)50毫米的短時(shí)強(qiáng)降水，給當(dāng)?shù)貛?lái)了一定的災(zāi)害影響。3.4.2地形對(duì)水汽和能量的影響地形對(duì)水汽和能量的分布有著顯著影響，進(jìn)而影響短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生區(qū)域和強(qiáng)度。我國(guó)東部地區(qū)地形復(fù)雜多樣，山脈、平原、丘陵等地形交錯(cuò)分布，這些地形通過(guò)不同的方式影響著水汽和能量的分布。山脈對(duì)水汽具有明顯的阻擋和截留作用。當(dāng)暖濕氣流遇到山脈時(shí)，一部分水汽會(huì)在山脈的迎風(fēng)坡被迫抬升，冷卻凝結(jié)形成降水，使得迎風(fēng)坡的水汽含量減少。而另一部分水汽則可能繞過(guò)山脈，在山脈的背風(fēng)坡形成下沉氣流，導(dǎo)致背風(fēng)坡的水汽含量相對(duì)較低。這種水汽分布的差異使得山脈兩側(cè)的降水情況截然不同，迎風(fēng)坡往往降水較多，容易出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，而背風(fēng)坡則降水較少，短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生概率較低。在浙江、福建等地的沿海山脈，夏季暖濕的東南氣流在迎風(fēng)坡強(qiáng)烈抬升，形成大量降水，短時(shí)強(qiáng)降水頻繁發(fā)生；而在山脈的背風(fēng)坡，由于水汽含量少，降水相對(duì)較少，短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生次數(shù)明顯減少。山脈還會(huì)影響水汽的輸送路徑。山脈的存在會(huì)改變氣流的方向，使得水汽在山脈周圍發(fā)生繞流和輻合，從而影響水汽的輸送和聚集區(qū)域。在一些山區(qū)，山脈的走向和地形起伏會(huì)引導(dǎo)水汽向特定的區(qū)域匯聚，增加了這些區(qū)域短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生可能性。在四川盆地，四周環(huán)山的地形使得暖濕氣流在盆地內(nèi)匯聚，水汽難以擴(kuò)散，導(dǎo)致該地區(qū)水汽含量較高，短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)有發(fā)生。地形對(duì)能量的分布也有著重要影響。地面受熱不均是產(chǎn)生能量差異的重要原因，而地形的起伏和下墊面性質(zhì)的不同會(huì)加劇這種受熱不均。在山區(qū)，地形的起伏使得不同高度和坡度的地面接受太陽(yáng)輻射的程度不同，導(dǎo)致地面溫度差異較大。山坡在白天受熱較快，空氣溫度升高，形成相對(duì)的熱源，空氣上升運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)；而山谷在白天受熱較慢，空氣溫度相對(duì)較低，形成相對(duì)的冷源，空氣下沉運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)。這種山谷與山坡之間的熱力差異形成了局地的山谷風(fēng)環(huán)流，影響著能量的分布和對(duì)流運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。在山谷風(fēng)環(huán)流的作用下，水汽和能量在山區(qū)的不同區(qū)域發(fā)生聚集和擴(kuò)散，對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生區(qū)域和強(qiáng)度產(chǎn)生影響。在一些山區(qū)，夜晚山谷中的冷空氣沿山坡下滑，與山坡上的暖濕空氣相遇，形成強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，容易引發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水。平原地區(qū)雖然地形相對(duì)平坦，但也會(huì)對(duì)水汽和能量的分布產(chǎn)生一定影響。平原地區(qū)有利于暖濕氣流的長(zhǎng)驅(qū)直入，水汽能夠在廣闊的平原上較為均勻地輸送。但在平原地區(qū)，當(dāng)有中尺度天氣系統(tǒng)影響時(shí)，水汽和能量會(huì)在局部區(qū)域聚集。在華北平原，夏季午后，地面受熱強(qiáng)烈，空氣對(duì)流旺盛，暖濕空氣迅速上升，形成局地的熱力對(duì)流。這種熱力對(duì)流會(huì)使得水汽和能量在對(duì)流區(qū)域內(nèi)聚集，當(dāng)水汽和能量條件滿足時(shí)，就會(huì)引發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水。而且，平原地區(qū)的城市下墊面性質(zhì)與自然下墊面不同，城市中的建筑物、道路等增加了地面的粗糙度，改變了近地面的熱力和動(dòng)力條件。城市熱島效應(yīng)使得城市中心區(qū)域的氣溫高于周邊郊區(qū)，形成局地的熱力環(huán)流，進(jìn)一步影響水汽和能量的分布，增加了城市地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生概率。在一些大城市，如北京、上海等地，城市熱島效應(yīng)引發(fā)的熱力環(huán)流常常導(dǎo)致局地性的短時(shí)強(qiáng)降水。3.5人類活動(dòng)的影響3.5.1城市化效應(yīng)城市化進(jìn)程對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水有著顯著影響，其中城市熱島效應(yīng)和下墊面改變是兩個(gè)關(guān)鍵因素。城市熱島效應(yīng)是指城市地區(qū)由于人口密集、建筑物眾多、工業(yè)活動(dòng)頻繁以及交通擁堵等原因，導(dǎo)致城市中心區(qū)域的氣溫明顯高于周邊郊區(qū)的現(xiàn)象。大量的人為熱量排放，如工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中燃燒化石燃料釋放的熱量、汽車尾氣排放產(chǎn)生的熱量以及空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行散發(fā)的熱量等，使得城市的氣溫不斷升高。城市下墊面多為水泥、瀝青等材質(zhì)，這些材料的比熱容遠(yuǎn)小于自然下墊面，在太陽(yáng)輻射下升溫迅速，且城市中建筑物密集，通風(fēng)條件相對(duì)較差，進(jìn)一步加劇了城市熱島效應(yīng)。城市熱島效應(yīng)引發(fā)的熱力對(duì)流對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的形成和發(fā)展具有重要作用。在夏季，城市熱島效應(yīng)使得城市中心區(qū)域的空氣強(qiáng)烈上升，形成熱島環(huán)流。周邊郊區(qū)的冷空氣向城市中心匯聚，進(jìn)一步增強(qiáng)了城市中心區(qū)域的對(duì)流運(yùn)動(dòng)。這種強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)能夠?qū)⒋罅康乃斔偷礁呖眨诟呖绽鋮s凝結(jié)，形成積雨云，進(jìn)而導(dǎo)致短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生。以北京為例，作為我國(guó)的首都和超大城市，北京的城市化程度極高，城市熱島效應(yīng)明顯。在夏季，北京城市中心區(qū)域的氣溫常常比周邊郊區(qū)高出3-5℃，甚至在某些極端情況下，溫差可達(dá)8℃以上。這種顯著的溫度差異使得北京城市中心區(qū)域的空氣強(qiáng)烈上升，形成熱島環(huán)流。在熱島環(huán)流的作用下，周邊郊區(qū)的冷空氣向城市中心匯聚，進(jìn)一步增強(qiáng)了城市中心區(qū)域的對(duì)流運(yùn)動(dòng)。北京夏季午后常常出現(xiàn)局地性的短時(shí)強(qiáng)降水，很大程度上與城市熱島效應(yīng)引發(fā)的對(duì)流發(fā)展有關(guān)。在2012年7月21日，北京遭遇了一場(chǎng)極端短時(shí)強(qiáng)降水天氣，全市平均降雨量達(dá)到170毫米，部分地區(qū)小時(shí)降水量超過(guò)100毫米。此次短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程中，城市熱島效應(yīng)使得城市中心區(qū)域的對(duì)流運(yùn)動(dòng)異常強(qiáng)烈，大量的水汽迅速匯聚并上升，形成了強(qiáng)烈的降水。這場(chǎng)短時(shí)強(qiáng)降水導(dǎo)致北京城市內(nèi)澇嚴(yán)重，交通癱瘓，多個(gè)區(qū)域受災(zāi)，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。城市下墊面的改變也對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水產(chǎn)生重要影響。隨著城市化的快速發(fā)展，大量的自然植被被建筑物、道路等人工下墊面所取代，城市下墊面的粗糙度顯著增加。這使得近地面的氣流受到更大的摩擦力，風(fēng)速減小，空氣的水平運(yùn)動(dòng)受阻。同時(shí)，城市下墊面的改變還影響了地表的水汽蒸發(fā)和滲透能力。自然植被能夠通過(guò)蒸騰作用向大氣中釋放水汽，而人工下墊面的水汽蒸發(fā)能力較弱。自然下墊面具有較好的滲透能力，能夠使降水迅速滲入地下，而人工下墊面大多為不透水材料，降水難以滲透，容易形成地表徑流。這些因素導(dǎo)致城市地區(qū)的水汽循環(huán)發(fā)生改變，使得城市更容易出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。在上海，作為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)中心和國(guó)際化大都市，城市建設(shè)規(guī)模龐大，下墊面改變顯著。上海的城市化進(jìn)程使得大量的農(nóng)田、綠地被高樓大廈和道路所覆蓋，城市下墊面的粗糙度大幅增加。在夏季，上海城市地區(qū)的短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻率明顯高于周邊郊區(qū)。由于城市下墊面的不透水性，短時(shí)強(qiáng)降水容易在城市中形成積水，導(dǎo)致城市內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)。2019年8月，上海遭遇短時(shí)強(qiáng)降水，部分地區(qū)1小時(shí)降水量超過(guò)50毫米。由于城市下墊面的影響，降水迅速形成地表徑流，城市多個(gè)區(qū)域出現(xiàn)積水，交通擁堵嚴(yán)重，給市民的出行和生活帶來(lái)了極大的不便。3.5.2其他人類活動(dòng)因素除了城市化效應(yīng)外，農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)排放等人類活動(dòng)也對(duì)局部氣候和短時(shí)強(qiáng)降水產(chǎn)生潛在影響。農(nóng)業(yè)灌溉是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，它通過(guò)向農(nóng)田補(bǔ)充水分，滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)的需求。然而，大規(guī)模的農(nóng)業(yè)灌溉會(huì)改變局部地區(qū)的水汽條件和能量平衡。在干旱和半干旱地區(qū)，農(nóng)業(yè)灌溉使得大量的水分被蒸發(fā)到大氣中，增加了大氣中的水汽含量。當(dāng)有合適的天氣系統(tǒng)影響時(shí)，這些額外的水汽可能會(huì)參與降水過(guò)程，增加短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生概率。在我國(guó)北方的一些干旱地區(qū)，如新疆、甘肅等地，農(nóng)業(yè)灌溉主要依賴于河流、地下水等水資源。在夏季，這些地區(qū)的農(nóng)田大量灌溉，使得地表水分蒸發(fā)旺盛，大氣中的水汽含量明顯增加。當(dāng)有冷空氣南下或其他天氣系統(tǒng)影響時(shí)，容易引發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水。在新疆的部分地區(qū)，由于農(nóng)業(yè)灌溉導(dǎo)致的水汽增加，夏季短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生次數(shù)有所增多，雖然一定程度上緩解了當(dāng)?shù)氐母珊禒顩r，但也可能引發(fā)洪澇等災(zāi)害。工業(yè)排放是人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響的另一個(gè)重要方面，它包括各種工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排放的廢氣、廢水和廢渣等。其中，工業(yè)排放的廢氣中含有大量的氣溶膠粒子，這些粒子對(duì)大氣的物理和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。氣溶膠粒子可以作為云凝結(jié)核，影響云的形成和發(fā)展。當(dāng)大氣中氣溶膠粒子濃度較高時(shí)，云滴的數(shù)量會(huì)增加，而云滴的大小會(huì)減小。這種云的微物理結(jié)構(gòu)變化會(huì)影響云的降水效率，進(jìn)而對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水產(chǎn)生影響。在一些工業(yè)發(fā)達(dá)的地區(qū)，如長(zhǎng)三角、珠三角等地，工業(yè)排放的氣溶膠粒子較多。研究表明，這些地區(qū)的云滴數(shù)量明顯高于其他地區(qū)，而云滴大小相對(duì)較小。在合適的天氣條件下，這些地區(qū)的云更容易發(fā)展成降水云系，且降水強(qiáng)度可能會(huì)有所增強(qiáng)。當(dāng)有強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生時(shí)，氣溶膠粒子的存在可能會(huì)導(dǎo)致短時(shí)強(qiáng)降水的強(qiáng)度增加。在珠三角地區(qū)，由于工業(yè)排放的影響，夏季短時(shí)強(qiáng)降水的強(qiáng)度有時(shí)會(huì)比周邊地區(qū)更大，給當(dāng)?shù)氐某鞘信潘到y(tǒng)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)更大的壓力。人類活動(dòng)還通過(guò)改變土地利用方式、破壞植被等對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水產(chǎn)生影響。大規(guī)模的森林砍伐和草原開墾導(dǎo)致植被覆蓋率下降，地表的粗糙度減小，水分蒸發(fā)和下滲能力改變。這使得局部地區(qū)的水汽循環(huán)和能量平衡發(fā)生變化，增加了短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。在一些山區(qū)，過(guò)度的森林砍伐使得山體失去了植被的保護(hù)，土壤的保水能力下降。在暴雨天氣下，容易引發(fā)山洪、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。當(dāng)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)，由于植被的減少，雨水無(wú)法被有效地?cái)r截和吸收，地表徑流迅速增加，容易導(dǎo)致洪澇災(zāi)害的發(fā)生。在我國(guó)西南地區(qū)的一些山區(qū)，由于過(guò)度砍伐森林，夏季短時(shí)強(qiáng)降水引發(fā)的山洪、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，給當(dāng)?shù)鼐用竦纳?cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了嚴(yán)重威脅。四、我國(guó)東部短時(shí)強(qiáng)降水潛勢(shì)預(yù)報(bào)方法研究4.1傳統(tǒng)預(yù)報(bào)方法4.1.1天氣圖分析方法天氣圖是氣象預(yù)報(bào)中最基礎(chǔ)且重要的工具之一，它通過(guò)特定的符號(hào)和等值線來(lái)直觀地展示某一時(shí)刻大氣的狀態(tài)和天氣系統(tǒng)的分布。繪制天氣圖時(shí)，需要收集來(lái)自全球各地氣象站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等基本氣象要素。這些數(shù)據(jù)通過(guò)氣象通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綒庀笾行?，然后?jīng)過(guò)嚴(yán)格的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和處理，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。在繪制地面天氣圖時(shí)，首先要確定等壓線的分布。等壓線是指氣壓相等的各點(diǎn)的連線，它反映了氣壓場(chǎng)的分布情況。繪制等壓線時(shí)，需遵循嚴(yán)格的原則，如同一條等值線上要素值處處相等，等值線一側(cè)的數(shù)值必須高于另一側(cè)的數(shù)值，等值線不能相交、分支或在圖中中斷，相鄰兩根等值線的數(shù)值必須是連續(xù)的，及其數(shù)值或者相等，或只差一個(gè)間隔。在北半球，等壓線還需遵循地轉(zhuǎn)風(fēng)原則，即等值線和風(fēng)向平行，“背風(fēng)而立，低壓在左，高壓在右”，但實(shí)際大氣由于地面摩擦作用，風(fēng)向與等值線有一定交角，風(fēng)從高壓一側(cè)吹向低壓一側(cè)。除了等壓線，地面天氣圖上還會(huì)標(biāo)注鋒面、高低壓中心等重要天氣系統(tǒng)。鋒面是冷暖氣團(tuán)的交界面，分為冷鋒、暖鋒和準(zhǔn)靜止鋒，它們?cè)谔鞖鈭D上用特定的符號(hào)表示。冷鋒用藍(lán)色三角形表示，三角形指向冷空氣移動(dòng)方向；暖鋒用紅色半圓形表示，半圓形指向暖空氣移動(dòng)方向；準(zhǔn)靜止鋒則用紅藍(lán)相間的線條表示。高低壓中心分別用藍(lán)色“G”和紅色“D”標(biāo)注，標(biāo)注在氣壓數(shù)值最高或最低的地方，且要考慮風(fēng)向記錄，背風(fēng)而立，高壓中心符號(hào)應(yīng)標(biāo)注在氣壓記錄數(shù)值最高測(cè)站的右側(cè)，低壓中心符號(hào)應(yīng)標(biāo)注在氣壓記錄數(shù)值最低測(cè)站的左側(cè)。高空天氣圖的繪制則主要關(guān)注高空等壓面的高度和溫度分布。常用的高空等壓面有850百帕、700百帕、500百帕等，通過(guò)繪制這些等壓面上的等高線和等溫線，可以分析高空的天氣形勢(shì)。等高線反映了等壓面的高度分布，等溫線則表示溫度分布。在分析高空天氣圖時(shí)，還需關(guān)注高空槽、脊等天氣系統(tǒng)。高空槽是指高空等壓面上的低氣壓槽，槽線附近往往有較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，容易引發(fā)降水；高空脊則是高氣壓脊，脊線附近一般為下沉氣流，天氣較為晴朗。分析天氣圖來(lái)判斷短時(shí)強(qiáng)降水的可能性時(shí)，需要綜合考慮多個(gè)因素。首先是天氣系統(tǒng)的配置，當(dāng)冷鋒、暖鋒、低渦、切變線等天氣系統(tǒng)相互作用時(shí)，容易產(chǎn)生強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，為短時(shí)強(qiáng)降水提供動(dòng)力條件。當(dāng)冷鋒與低渦相遇時(shí)，冷鋒的冷空氣迅速插入低渦的暖濕氣流下方，迫使暖濕氣流強(qiáng)烈抬升，水汽迅速凝結(jié)，從而引發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水。在分析天氣圖時(shí)，要關(guān)注鋒面的移動(dòng)速度和方向，以及低渦、切變線的位置和強(qiáng)度變化。如果冷鋒移動(dòng)速度較快，且與低渦、切變線的配合較好，那么短時(shí)強(qiáng)降水的強(qiáng)度可能較大，發(fā)生的概率也會(huì)增加。水汽條件也是判斷短時(shí)強(qiáng)降水可能性的重要依據(jù)。在天氣圖上，可以通過(guò)分析水汽通量和比濕等物理量來(lái)了解水汽的輸送和分布情況。水汽通量表示單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的水汽量，比濕則是指單位質(zhì)量濕空氣中所含水汽的質(zhì)量。當(dāng)水汽通量較大，且比濕較高的區(qū)域與天氣系統(tǒng)的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)重合時(shí)，就有利于短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生。在分析水汽條件時(shí)，還要考慮水汽的來(lái)源和輸送路徑。如果水汽來(lái)源于海洋，且有強(qiáng)盛的氣流將其輸送到我國(guó)東部地區(qū)，那么該地區(qū)發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水的可能性就會(huì)增加。大氣的垂直運(yùn)動(dòng)情況對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生起著關(guān)鍵作用。在天氣圖上，可以通過(guò)分析垂直速度、散度等物理量來(lái)判斷大氣的垂直運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。垂直速度表示空氣在垂直方向上的運(yùn)動(dòng)速度，散度則反映了空氣在水平方向上的輻合輻散情況。當(dāng)垂直速度較大，且散度為負(fù)值（表示輻合）時(shí)，說(shuō)明有強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，有利于水汽的凝結(jié)和短時(shí)強(qiáng)降水的形成。在分析大氣垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，還要關(guān)注高層和低層的垂直運(yùn)動(dòng)配置。如果高層有強(qiáng)烈的輻散，低層有強(qiáng)烈的輻合，那么上升運(yùn)動(dòng)將得到加強(qiáng)，短時(shí)強(qiáng)降水的強(qiáng)度和范圍也可能增大。4.1.2統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法是基于大量的歷史氣象數(shù)據(jù)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理和方法，建立氣象要素與短時(shí)強(qiáng)降水之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，從而對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水進(jìn)行預(yù)測(cè)的一種方法。其基本原理是認(rèn)為過(guò)去出現(xiàn)的天氣狀況和氣象要素之間的關(guān)系，在未來(lái)相似的條件下可能會(huì)重復(fù)出現(xiàn)。通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析，找出與短時(shí)強(qiáng)降水密切相關(guān)的氣象要素，如氣溫、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向等，然后利用這些要素建立統(tǒng)計(jì)模型，預(yù)測(cè)未來(lái)短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生概率和強(qiáng)度。在實(shí)際應(yīng)用中，常用的統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法包括線性回歸、判別分析、邏輯回歸等。線性回歸是一種簡(jiǎn)單而常用的統(tǒng)計(jì)方法，它通過(guò)建立自變量（氣象要素）與因變量（短時(shí)強(qiáng)降水）之間的線性關(guān)系，來(lái)預(yù)測(cè)短時(shí)強(qiáng)降水的強(qiáng)度。在建立線性回歸模型時(shí)，首先要收集歷史上短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)的氣象要素?cái)?shù)據(jù)，然后通過(guò)最小二乘法等方法確定回歸方程的系數(shù)，使得回歸方程能夠最好地?cái)M合歷史數(shù)據(jù)。假設(shè)我們以氣溫、濕度和風(fēng)速作為自變量，短時(shí)強(qiáng)降水量作為因變量，建立線性回歸方程為：Y=a+b_1X_1+b_2X_2+b_3X_3，其中Y表示短時(shí)強(qiáng)降水量，X_1、X_2、X_3分別表示氣溫、濕度和風(fēng)速，a、b_1、b_2、b_3為回歸系數(shù)。通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的計(jì)算，確定回歸系數(shù)的值，就可以利用該方程對(duì)未來(lái)的短時(shí)強(qiáng)降水進(jìn)行預(yù)測(cè)。判別分析則是根據(jù)已知的樣本類別和特征變量，建立判別函數(shù)，對(duì)未知樣本的類別進(jìn)行判斷。在短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)中，判別分析可以用于判斷某一時(shí)刻是否會(huì)發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水。我們可以將歷史上短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生的樣本和未發(fā)生的樣本作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，選擇一些氣象要素作為特征變量，如垂直速度、水汽通量散度、不穩(wěn)定能量等，然后利用判別分析方法建立判別函數(shù)。當(dāng)有新的氣象數(shù)據(jù)時(shí)，將其代入判別函數(shù)中，根據(jù)判別函數(shù)的值來(lái)判斷是否會(huì)發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水。邏輯回歸是一種廣義的線性回歸分析模型，主要用于解決分類問(wèn)題。在短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)中，邏輯回歸可以用來(lái)預(yù)測(cè)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生的概率。它通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，建立氣象要素與短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生概率之間的關(guān)系模型。假設(shè)我們以多個(gè)氣象要素作為自變量，短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生的概率作為因變量，建立邏輯回歸模型。邏輯回歸模型的輸出是一個(gè)介于0和1之間的概率值，當(dāng)概率值大于某個(gè)閾值（如0.5）時(shí)，就認(rèn)為會(huì)發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水，否則認(rèn)為不會(huì)發(fā)生。統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法在短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)中具有一定的優(yōu)勢(shì)。它基于大量的歷史數(shù)據(jù)，能夠充分利用歷史天氣信息，對(duì)于一些具有明顯統(tǒng)計(jì)規(guī)律的短時(shí)強(qiáng)降水事件，能夠給出較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的物理模型和大量的計(jì)算資源，便于在實(shí)際業(yè)務(wù)中應(yīng)用。統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法也存在一些缺點(diǎn)。它依賴于歷史數(shù)據(jù)的質(zhì)量和代表性，如果歷史數(shù)據(jù)存在誤差或不具有代表性，那么建立的統(tǒng)計(jì)模型的準(zhǔn)確性就會(huì)受到影響。天氣系統(tǒng)具有復(fù)雜性和不確定性，僅僅依靠歷史數(shù)據(jù)建立的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，難以準(zhǔn)確描述天氣系統(tǒng)的變化和發(fā)展，對(duì)于一些極端短時(shí)強(qiáng)降水事件或天氣形勢(shì)復(fù)雜的情況，統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法的預(yù)報(bào)能力相對(duì)較弱。統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法通常只能給出概率性的預(yù)報(bào)結(jié)果，對(duì)于具體的降水強(qiáng)度和落區(qū)的預(yù)報(bào)精度相對(duì)較低。4.2數(shù)值預(yù)報(bào)方法4.2.1數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式概述數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式是基于大氣動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)基本方程組，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)的工具。常用的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式有WRF（WeatherResearchandForecastingModel）和GRAPES（Global/RegionalAssimilationandPredictionSystem）等，它們?cè)谔鞖忸A(yù)報(bào)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。WRF模式是由美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（NCAR）等機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)的新一代中尺度天氣預(yù)報(bào)模式。該模式以大氣的物理、化學(xué)性質(zhì)和氣象學(xué)原理為基礎(chǔ)，運(yùn)用大規(guī)模的高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式和算法模擬出大氣中不同尺度系統(tǒng)的演變過(guò)程。WRF模式具備高分辨率的特性，水平分辨率可達(dá)1公里甚至更高，能夠精細(xì)地模擬中尺度天氣系統(tǒng)的演變過(guò)程，從而提高了預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。它還具有良好的靈活性和可定制性，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整模型參數(shù)和物理過(guò)程，以適應(yīng)不同地區(qū)的氣候特點(diǎn)。在模擬我國(guó)東部地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)，可以根據(jù)該地區(qū)的地形、氣候等特點(diǎn)，選擇合適的微物理方案、積云對(duì)流方案等，提高對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的模擬能力。WRF模式不僅適用于氣象預(yù)報(bào)，還可用于氣候模擬、空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)等領(lǐng)域。GRAPES模式是中國(guó)氣象局自主研發(fā)的全球/區(qū)域同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)。它基于全隱式半拉格朗日差分格式，能夠有效處理大氣運(yùn)動(dòng)中的非線性問(wèn)題。GRAPES模式采用了先進(jìn)的資料同化技術(shù)，可以將衛(wèi)星、雷達(dá)等多種觀測(cè)資料融入模式初始場(chǎng)，改善初始場(chǎng)的質(zhì)量，從而提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。在處理我國(guó)東部地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)時(shí)，GRAPES模式能夠充分利用該地區(qū)密集的氣象觀測(cè)站、衛(wèi)星和雷達(dá)等觀測(cè)資料，通過(guò)同化這些資料，使模式初始場(chǎng)更加接近真實(shí)大氣狀態(tài)，進(jìn)而提高對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)能力。該模式在全球和區(qū)域天氣預(yù)報(bào)中都有廣泛應(yīng)用，能夠提供高時(shí)空分辨率的氣象要素預(yù)報(bào)，包括溫度、濕度、風(fēng)場(chǎng)、降水等。這兩種模式的基本原理都是基于大氣運(yùn)動(dòng)的基本方程，如運(yùn)動(dòng)方程、連續(xù)方程、狀態(tài)方程、熱力學(xué)方程和水汽方程等。通過(guò)對(duì)這些方程進(jìn)行離散化處理，將大氣空間劃分為一個(gè)個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上對(duì)物理量進(jìn)行計(jì)算，從而模擬大氣的運(yùn)動(dòng)和變化。在時(shí)間積分上，采用數(shù)值積分方法，如Runge-Kutta算法等，逐步推進(jìn)模擬時(shí)間，得到未來(lái)不同時(shí)刻的氣象要素場(chǎng)。在物理過(guò)程參數(shù)化方面，兩種模式都包含了多種參數(shù)化方案，用于描述大氣中的微物理過(guò)程、輻射過(guò)程、積云對(duì)流過(guò)程、邊界層過(guò)程等。這些參數(shù)化方案根據(jù)不同的物理機(jī)制和假設(shè)，對(duì)未在網(wǎng)格尺度上解析的小尺度過(guò)程進(jìn)行參數(shù)化處理，以提高模式對(duì)大氣物理過(guò)程的模擬能力。4.2.2基于數(shù)值模式的短時(shí)強(qiáng)降水潛勢(shì)預(yù)報(bào)數(shù)值模式在模擬和預(yù)測(cè)短時(shí)強(qiáng)降水方面具有重要作用，其過(guò)程涉及多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在模擬短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)，數(shù)值模式首先需要構(gòu)建初始場(chǎng)，這一過(guò)程至關(guān)重要，直接影響到后續(xù)模擬的準(zhǔn)確性。以WRF模式為例，初始場(chǎng)的構(gòu)建需要收集多種氣象數(shù)據(jù)，包括地面氣象站觀測(cè)的氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等數(shù)據(jù)，以及高空探測(cè)站獲取的高空大氣溫度、濕度、風(fēng)場(chǎng)等信息。這些數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)同化技術(shù)被整合到模式中，數(shù)據(jù)同化技術(shù)能夠?qū)⒂^測(cè)數(shù)據(jù)與模式的背景場(chǎng)進(jìn)行融合，從而生成更接近真實(shí)大氣狀態(tài)的初始場(chǎng)。在我國(guó)東部地區(qū)，由于氣象觀測(cè)站點(diǎn)分布較為密集，能夠提供豐富的觀測(cè)數(shù)據(jù)，這為WRF模式構(gòu)建高精度的初始場(chǎng)提供了有利條件。通過(guò)同化這些觀測(cè)數(shù)據(jù)，模式能夠更準(zhǔn)確地反映該地區(qū)大氣的初始狀態(tài)，為短時(shí)強(qiáng)降水的模擬奠定良好基礎(chǔ)。模式運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)根據(jù)大氣動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)原理，對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。在這一過(guò)程中，模式需要處