基于區(qū)域自動站資料的閩中地區(qū)前汛期短時強降水特征分析*

羅艷艷 吳雪貞 鄭寶智 孫蔡亮

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基于區(qū)域自動站資料的閩中地區(qū)前汛期短時強降水特征分析*

羅艷艷1吳雪貞2鄭寶智3孫蔡亮3

1.莆田市涵江區(qū)氣象局 2.莆田市荔城區(qū)氣象局 3.莆田市氣象局

利用2008—2011年的區(qū)域自動氣象站資料，通過數理統(tǒng)計、分析歸納等方法，從時空分布、天氣學分型、地面中尺度表現等方面分析閩中地區(qū)前汛期短時強降水的特征，結果表明，閩中地區(qū)前汛期短時強降水主要出現在下午到傍晚，持續(xù)時間多在5～8小時，區(qū)域內河谷區(qū)、河口區(qū)和喇叭口地形區(qū)為主要發(fā)源地；冷式切變型是閩中地區(qū)短時強降水發(fā)生最主要的天氣形勢，其次是暖式切變型；對于低槽型、冷切型和暖切型的短時強降水，降水前沿地面輻合線的走向和移速對隨后1～2小時強降水落區(qū)的預報有重要的指示作用。

區(qū)域自動站資料 前汛期 短時強降水 閩中地區(qū)

2005年起，福建省氣象局在全省范圍內相繼建立區(qū)域自動氣象站，其傳回的高密度氣象資料為預報預測提供了強大的數據支撐。但是，目前對該資料的應用研究仍處于起步階段，常常僅起到查看實況的作用。而在短時強降水的預報中，特別是對于強降水的落區(qū)及其發(fā)展趨勢預報，在高空探測資料較稀疏的情況下，往往會強調地面氣壓、溫度、濕度的細致分析，以及上述要素與風、濕度、天氣現象等要素的不連續(xù)線分析，因此高密度、高時空分辨率區(qū)域自動站資料的應用顯得尤為重要。本文采用區(qū)域自動氣象站資料，從時空分布、天氣學分型、地面中尺度表現等方面分析閩中地區(qū)前汛期短時強降水的特征，以期為閩中地區(qū)短時強降水的預報預測提供科學的參考。

1 資料來源及相關定義

1.1 資料來源

短時強降水個例分析所用資料為2008—2011年福建省區(qū)域自動站資料（含常規(guī)氣象站），并采用邏輯性檢驗、空間連續(xù)性檢查來進行資料質量控制；天氣形勢分型采用中國氣象局下發(fā)的常規(guī)探空資料；前汛期的認定以福建省氣候公報為依據，確定2008—2011年前汛期分別為5月5日～6月29日、5月18日～7月4日、4月22日～6月28日、5月1日～6月14日。

1.2 相關定義

1.2.1 研究區(qū)域

根據前汛期短時強降水天氣的特點、實際業(yè)務需求和本文的研究重點，本文的閩中地區(qū)定義為莆田市及其上下游臨近區(qū)域（見圖1），包括莆田市、仙游縣、福清市、平潭縣、永泰縣、德化縣、永春縣、南安市、泉州市、惠安縣。

圖1 短時強降水個例研究區(qū)域

1.2.2 短時強降水個例選取

在研究區(qū)域內，以4個及以上的區(qū)域站（或常規(guī)氣象站）3小時出現30毫米以上累積降水為短時強降水的統(tǒng)計標準，選取2008—2011年符合統(tǒng)計條件的短時強降水天氣個例。考慮到區(qū)域降水天氣的連續(xù)性，從區(qū)域累積降水發(fā)展達到統(tǒng)計的起始標準為一個樣本的開始，累積降水連續(xù)兩個時刻未達到降水統(tǒng)計標準的時刻為一個樣本的結束。由于臺風屬東風帶系統(tǒng)，降水的性質應區(qū)別于前汛期暴雨，因此統(tǒng)計時段中將臺風（臺風倒槽）影響時出現的短時強降水個例剔除。

根據上述統(tǒng)計標準，閩中地區(qū)2008年—2011年前汛期共有41個短時強降水過程，其中2008年有11個、2009年有15個、2010年有13個、2011年有2個。

2 閩中地區(qū)短時強降水天氣時空分布特征

2.1 時間分布特征

2.1.1 日分布

從降水時段來看，短時強降水在一天24小時內均可出現，但出現主要時次集中在14～20時（中午到傍晚時段），占總數的44.4%（見表1），其次是20～02時（夜間），占22.2%，08～14時（上午）出現的概率為18.5%，02～08時（凌晨）出現的概率最低僅為14.8%。結果表明，閩中地區(qū)前汛期短時強降水在下午到傍晚時段出現概率最大，在夜間出現的概率也較大。

表1 2008—2011年閩中地區(qū)短時強降水發(fā)生時次分布概率表

本文研究的41個短時強降水過程中，沿海生成和發(fā)展的有6個，而值得注意的是，在這6個沿海短時強降水個例中，有5個出現在夜間20時至次晨08時，1個出現在上午。因此對于沿海幾個縣市，前汛期短時強降水預報的特別重點關注時段是夜間到清晨時段。

2.1.2 持續(xù)時間分布

從降水的持續(xù)時間來看（見表2），持續(xù)時間<5h的短時強降水過程有6個，占比重的14.6%，5～8h的有30個，占73.2%，>8h的有5個，占12.2%。最長連續(xù)出現時間達12h。降水持續(xù)時間的分布情況反映出前汛期期間閩中地區(qū)短時強降水天氣具有典型的中尺度特征。

表2 2008—2011年閩中地區(qū)短時強降水持續(xù)時間分布表

2.2 空間分布特征

2.2.1 短時強降水空間分布

2008—2011年閩中地區(qū)年平均出現短時強降水天氣過程約4.8次。由圖2可見，短時強降水天氣多發(fā)區(qū)多分布在莆田、仙游、永春三地，多發(fā)區(qū)年平均出現短時強降水天氣在6次以上，仙游最高，達8次；福清、德化、南安和泉州次之，惠安和平潭較少，年平均僅為2.5～2.8次之間。

2.2.2 短時強降水源地分布

在41個過程中，短時強降水雨團在研究區(qū)域內生成的有24個（占58.5%），從研究區(qū)域外移入的有17個（占41.5%）。區(qū)域內生成的個例較從區(qū)域外移入的多17%。

進一步分析區(qū)域內生成的24個短時強降水過程發(fā)現，短時強降水多發(fā)源于河谷區(qū)、河口區(qū)和喇叭口地形區(qū)（圖3），有18個集中在上述區(qū)域，占比例的75%。多發(fā)區(qū)域具體為永春中部（B）、南安中北部（C）的河谷區(qū)，泉州南部的晉江入?？冢―）和德化中南部的喇叭口地形區(qū)（A）。

分析研究區(qū)域外移入的17個短時強降水過程發(fā)現，雨團移經上述易發(fā)區(qū)域（圖3）時，雨團都有不同程度的加強。

圖2 2008—2011年閩中地區(qū)短時強降水空間分布

圖3 2008—2011年閩中地區(qū)短時強降水源地指示圖

3 天氣分型

3.1 天氣分型說明

參考福建省前汛期暴雨預報概念模型中的850hPa環(huán)流形勢分型[1]，從短時臨近預報的角度，從突出問題的主要矛盾出發(fā)，對分型進行了簡化，僅考慮本省及其周邊省份（廣東、江西、浙江，臺灣）系統(tǒng)的影響，選取20～31°Ｎ、112～125°E為關鍵區(qū)（如圖4所示）。

圖4 天氣學分型關鍵區(qū)示意圖

根據短時強降水過程中最臨近時刻實況探空資料中低層切變或低槽的位置，把850hPa環(huán)流形式分為：（1）冷式切變型，冷式切變在（23～31°N，112～124°E）；（2）暖式切變型，暖式切變在（21～31°N，112～125°E）；（3）低槽型，低槽在（23.5～31°N，112～125°E）；（4）其他型，不符合以上三種天氣型的統(tǒng)稱為其他型。

3.2 短時強降水天氣過程分型結果

分型結果表明，2008—2011年期間冷式切變是導致發(fā)生短時強降水發(fā)生最主要的天氣形勢，其出現的比例占了58.5%（見表3），其次是暖式切變型和其他型，分別占22%和12.2%，低槽型最少，僅占7.3%。此外，其他型多數情況均屬于鋒前暖區(qū)西南風下，關鍵區(qū)域內未見明顯風向不連續(xù)線，但均存在西南急流和西南風速的輻合。

表3 2008—2011年閩中地區(qū)短時強降水期間主要天氣形勢分布表

4 基于區(qū)域自動氣象站資料的地面中尺度特征分析

4.1 區(qū)域自動站風場中尺度特征分析

邊界層輻合線作為強降水發(fā)生發(fā)展的動力條件之一，是短時強降水發(fā)生、發(fā)展臨近預報的關鍵[2]。為了探求短時強降水落區(qū)與強降水前沿輻合線的相關性，我們利用區(qū)域自動站風場資料對選取的41次短時強降水天氣過程每隔1小時進行逐時次分析來統(tǒng)計它們的匹配性。所謂匹配,就是從雨團移動到選定區(qū)域或在選定區(qū)域生成時，如果其前一時次雨團前沿存在著有效的輻合線與之對應，則稱當前時次整體相互匹配。

圖5展示了短時強降水個例的降水前6小時和降水中雨區(qū)、地面輻合線二者的匹配，其中橫坐標為本研究中41個短時強降水過程的序列號，可見二者的匹配率分布不均，降水的前6小時，最大可達83%，最小為17%；強降水過程中，匹配關系同樣沒有明顯的規(guī)律，最小為38%，最大達到了90%。總體來說，降水中的匹配率要明顯高于降水前6小時。

圖5 2008—2011年閩中地區(qū)短時強降水過程中降水前6小時和降水中雨區(qū)與地面輻合線的匹配關系

進一步統(tǒng)計不同天氣類型降水過程的匹配特征可見（表4），前6小時平均匹配率最高的為冷切型，匹配率達58%，其次是低槽型，達56%，暖切型和其他型較低，僅為33%～37%；強降水期間平均匹配率低槽型與冷切型相當，分別為78%和77%，暖切型次之，為64%，其他型最小，僅為46%。降水結束前1～2小時，常常出現地面復合線消失，僅存流場上的弱輻合，指示著降水逐漸趨于結束。

表4 2008—2011年閩中地區(qū)短時強降水過程中強降水區(qū)與地面輻合線的匹配關系

上述分析表明，對于閩中地區(qū)的短時強降水，特別是在低槽型、冷切型和暖切型，強降水前沿的地面輻合線的走向、移度均對隨后1～2h強降水落區(qū)的預報有非常重要的指示作用，強降水中心隨風場輻合區(qū)的移動而移動，且降水中心位于風場輻合區(qū)中風速較小處，當地面風增大時預示著該處的降水強度將迅速減弱。

另外，對于低槽型和冷切型的短時強降水，在降水發(fā)生前6h，主要維持偏南、東南氣流和弱的偏西氣流，在降水前2～3h，降水區(qū)的東北、北部由偏南風轉為東北（或偏北）風，偏北氣流的出現增強了降水區(qū)域附近的輻合，當地面風增大時，預示著降水將增強后迅速減弱。這說明降水區(qū)北部及東北部的偏北氣流是觸發(fā)強降水發(fā)展的關鍵因素；而對于暖切型和其他型的降水，在強降水發(fā)生前1～1.5h，降水區(qū)及其周邊的偏南暖式氣流、東南氣流存在躍增現象，且存在風速的輻合，輻合值的大小與下游區(qū)域的降水強度有一定的對應。當風速輻合消失時，降水將逐漸減弱。

4.2 區(qū)域自動站氣壓場中尺度特征分析

研究表明，氣壓場上的氣壓波動與暴雨存在密切的關系[3]，為了探求短時強降水和氣壓波動的相關性，我們利用消除日變化后的區(qū)域自動站24小時變壓場資料，選取41次短時強降水天氣過程中雨強最強的那個站，進行逐時次分析來統(tǒng)計氣壓波動與小時雨量≥30mm的降水時刻的匹配性，無氣壓要素的站點選用離它最近的站點代替。

分析結果表明，在單站氣壓變化中存在一些中尺度的氣壓波動。波動周期一般為3～4h，最長為5～6h，振幅一般小于2hPa，波動與降水具有很好的對應關系，強降水一般出現在氣壓波谷中，而對于冷切型的個例，更多的是出現在波脊上。這種波動在低槽型個例中比較突出（表5），出現的概率達到87%，其次是其他型（西南氣流），匹配率達83%，暖式切變型和冷切型短時強降水個例的這一特征出現的概率僅為41%和52%。

表5 2008—2011年閩中地區(qū)短時強降水不同個例中過程最強雨量的站點與氣壓波動的匹配關系

5 結論

（1）閩中地區(qū)前汛期短時強降水主要出現在下午到傍晚、夜間，持續(xù)時間多在5～8小時，具有典型的中尺度特征。

（2）閩中地區(qū)前汛期短時強降水多發(fā)區(qū)為莆田、仙游、永春三地，年平均出現短時強降水天氣在6次以上；短時強降水多發(fā)源于永春中部、南安中北部河谷區(qū)、泉州南部河流入?？趨^(qū)和德化中南部的喇叭口地形區(qū)。

（3）850hPa冷式切變是閩中地區(qū)短時強降水發(fā)生最主要的天氣形式，其出現比例占了58.5%，其次是暖式切變型和其他型。

（4）閩中地區(qū)低槽型、冷切型和暖切型的短時強降水，強降水前沿的地面輻合線的走向、移速均對隨后1～2小時強降水落區(qū)的預報有重要的指示作用；氣壓波動與降水有很好的對應關系，低槽型和其他型（西南氣流）短時強降水一般出現在氣壓波谷中，冷切型多出現在波脊上。

[1]林新彬，劉愛鳴，林毅, 等.福建省天氣預報技術手冊[M].北京：氣象出版社，2013.

[2]刁秀廣，車軍輝，李靜, 等.邊界層輻合線在局地強風暴臨近預警中的應用[J].氣象，2009,35(2)：29-33.

[3]劉兵，陳靜靜，姚蓉, 等. 湖南2010年6月19日大暴雨過程地面中尺度分析[J].貴州氣象，2010(34)：78-82.

福建省氣象局青年科技專項（2010q01），福建省莆田市氣象局科研專項（201611）。