閩中南前汛期短時強(qiáng)降水低空急流特征分析

許駿寧 廖曉婷 姚永建

(1.福建省減災(zāi)中心，福建 福州 350001；2.福建省惠安縣氣象局,福建 泉州 362100；3.福建省莆田市氣象局，福建 莆田 351100)

1 概述

研究表明，低空急流是前汛期強(qiáng)降水發(fā)生發(fā)展的一個關(guān)鍵性因素，它向強(qiáng)降水區(qū)輸送水汽、熱量和不穩(wěn)定能量[1-2]，同時低空急流上的中小尺度脈動也與強(qiáng)降水密切相關(guān)[3-4]，因此低空急流是強(qiáng)降水的強(qiáng)度和落區(qū)的精細(xì)化預(yù)報中一個重要因子。因常規(guī)探空資料一天僅有兩次(08h和20h)，時空分辨率較低，所以長久以來對低空急流的中尺度特征及其脈動的認(rèn)識不足。在常規(guī)探空資料無法滿足精細(xì)化預(yù)報的要求的情況下，利用數(shù)據(jù)質(zhì)量及傳輸效率穩(wěn)定的高山自動氣象站資料作為補(bǔ)充，是提高對低空急流的特征及其脈動與強(qiáng)降水間關(guān)系的認(rèn)識，并提高前汛期強(qiáng)降水預(yù)報準(zhǔn)確率和精細(xì)化水平的有效措施。

2 資料來源及相關(guān)定義

2.1 資料來源

采用常規(guī)觀測資料和2008—2013年福建省區(qū)域自動氣象站數(shù)據(jù)。前汛期的起始時間來源于福建省氣候公報(表1)。

表1 2008—2013年福建前汛期起始時間

2.2 相關(guān)定義

2.2.1 研究區(qū)域和高山代表站的確定

設(shè)定研究區(qū)域以九仙山氣象站為中心，以九仙山站至紅尖山站連線為切面的半徑110km范圍的半圓區(qū)域內(nèi)(圖1)，基本覆蓋泉州市、莆田市大部分地區(qū)及周邊部分縣市。篩選區(qū)域內(nèi)海拔高度在1500m左右的高山自動氣象站，兼顧天氣系統(tǒng)的上下游效應(yīng)和區(qū)域自動站資料的連續(xù)性，確定九仙山氣象站(海拔1654m，德化縣)和紅尖山氣象站(海拔1485m，龍巖市)為高山代表站。

圖1 研究區(qū)域

2.2.2 研究個例的選取

短時強(qiáng)降水的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)為研究區(qū)域內(nèi)有4個及以上的自動站3小時出現(xiàn)30mm以上累積降水。以降水達(dá)到統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)時刻作為一個個例的開始，連續(xù)兩個時刻降水未達(dá)到統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)的時刻為結(jié)束。降水最強(qiáng)時期指降水過程中小時雨強(qiáng)最強(qiáng)的時刻。前汛期期間由臺風(fēng)造成的短時強(qiáng)降水個例不列入統(tǒng)計。

經(jīng)統(tǒng)計，2008—2013年共有67個短時強(qiáng)降水個例，逐年分別為11個、15個、13個、2個、12個、14個。

3 天氣學(xué)分型

3.1 分型定義

建立2008—2013年前汛期閩中南短時強(qiáng)降水個例資料庫(67個樣本)，并根據(jù)短時強(qiáng)降水過程中最臨近時刻850hPa的影響系統(tǒng)，對67個個例進(jìn)行天氣學(xué)分型。

借鑒福建省前汛期暴雨的850hPa天氣分型[5]，結(jié)合短時臨近預(yù)報的特點(diǎn)，選取20°N～31°N、112°E～125°E為關(guān)鍵區(qū)[6](圖2)，把850hPa環(huán)流型分為： 1)冷切型：冷式切變在(23°N～31°N，112°E～124°E)；2)暖切型：暖式切變在(21°N～31°N，112°E～125°E)；3)低槽型：低槽在(23.5°N～31°N，112°E～125°E)；4)其他型：不符合以上3種天氣型的統(tǒng)稱為其他型。

圖2 天氣學(xué)分型關(guān)鍵區(qū)

3.2 分型結(jié)果

2008～2013年期間短時強(qiáng)降水850hPa最主要的環(huán)流型是冷式型(58.5%)，其次是暖切型(22%)和其他型(12.2%)，低槽型相對少(7.3%)。其他型多見于鋒前暖區(qū)，研究區(qū)域存在低空西南急流，并且常伴有風(fēng)速輻合。

4 基于高山站資料的低空急流與前汛期強(qiáng)降水關(guān)系

4.1 風(fēng)資料種類的確定

對2010—2013年5月、6月九仙山站與福州站的850hPa風(fēng)資料進(jìn)行對比分析，在2分鐘、10分鐘、小時最大風(fēng)、小時瞬時風(fēng)以及小時極大風(fēng)等5種不同風(fēng)資料中，兩站的小時最大風(fēng)速最為接近(相關(guān)系數(shù)0.76)，同時其風(fēng)向的一致性也較好，風(fēng)向夾角<45°達(dá)86%，在風(fēng)速≥8 m/s的情況下一致性接近100%。因此，確定小時最大風(fēng)為本研究的分析中使用的風(fēng)資料種類。

4.2 風(fēng)的脈動與強(qiáng)降水的關(guān)系

4.2.1 相關(guān)定義

公平貿(mào)易有別于傳統(tǒng)的貿(mào)易，它為弱勢生產(chǎn)者和消費(fèi)市場構(gòu)建了一種可持續(xù)發(fā)展的貿(mào)易伙伴關(guān)系。在國際貿(mào)易市場上公平貿(mào)易的貿(mào)易方式在咖啡、香蕉、可可等行業(yè)有著很多成功運(yùn)營的經(jīng)驗，國內(nèi)的公平貿(mào)易的多在茶葉、少數(shù)民族手工制品等相關(guān)領(lǐng)域。公平貿(mào)易是一種與眾不同的發(fā)展理念和模式，是一種在談判，透明化和尊重的基礎(chǔ)上促進(jìn)貿(mào)易合作的一種運(yùn)動，目的在于改善小型生產(chǎn)者的地位，促使公共貿(mào)易更公平。

定義沿紅尖山站至九仙山站一線，西南風(fēng)速突然增大，增幅達(dá)4m/s以上且持續(xù)3小時以上的風(fēng)的變化為西南風(fēng)脈動開始，逐時次向后追蹤直到西南風(fēng)風(fēng)速均小于8m/s為脈動終止,起止持續(xù)時間為一次脈動過程。脈動傳播速度指脈動從紅尖山站傳播至九仙山站速度。對2008—2013年閩中南地區(qū)67次強(qiáng)降水過程中風(fēng)的脈動特征分析，并對不同類型的強(qiáng)降水過程分別進(jìn)行統(tǒng)計，分析結(jié)果如表2。

表2 2008—2013年閩中南地區(qū)短時強(qiáng)降水天氣學(xué)分型

4.2.2 風(fēng)速脈動特征

分析結(jié)果表明，在一次強(qiáng)降水過程中，經(jīng)常存在1～3次風(fēng)速的脈動，不同天氣型的強(qiáng)降水平均脈動次數(shù)有所區(qū)別(表3)，其他型和冷切型的強(qiáng)降水個例平均脈動次數(shù)達(dá)到了2次以上，而低槽型的強(qiáng)降水脈動次數(shù)僅為1.3次；脈動的生命史在3.4～5.6h，其中，暖切型強(qiáng)降水的平均脈動生命史最長，達(dá)到5.6 h，低槽型的生命史最短，為3.4 h；脈動的平均最大振幅方面，冷切型強(qiáng)降水脈動振幅最大，達(dá)到8m/s,其次是低槽型強(qiáng)降水的6.7m/s，暖切型和其他型在4.3～4.8 m/s，風(fēng)速的增強(qiáng)對于暴雨中尺度系統(tǒng)的觸發(fā)具有重要意義，在冷切型和低槽型強(qiáng)降水中尤其顯著。

4.2.3 急流的脈動及其與強(qiáng)降水的關(guān)系

67個強(qiáng)降水個例中(表3)，除了個別低槽型和冷切型強(qiáng)降水中風(fēng)速未達(dá)到急流標(biāo)準(zhǔn)外，大多數(shù)短時強(qiáng)降水個例中均伴有低空急流的出現(xiàn)；強(qiáng)降水開始的時間往往在風(fēng)速脈動開始之后的0.8～2.5h，其中，冷切型強(qiáng)降水的時間落后最少，平均僅為0.8h，低槽型強(qiáng)降水以1.2h次之，暖切型和其他型相當(dāng)，在2h以上。不同類型強(qiáng)降水中脈動開始時間與強(qiáng)降水最強(qiáng)期時間差同樣差異較大，低槽型和冷切型強(qiáng)降水過程雨強(qiáng)最強(qiáng)時期在脈動開始后2.5～2.8h，而暖切型和其他型強(qiáng)降水過程雨強(qiáng)最強(qiáng)時期在脈動開始后4.1～4.5h。

表3 2008～2013年閩中南地區(qū)67次不同天氣型強(qiáng)降水過程中風(fēng)速脈動特征

通過急流的脈動在紅尖山站和九仙山站之間的傳播可以考察急流脈動的傳播情況，分析結(jié)果表明，大部分強(qiáng)降雨中，均存在急流軸上風(fēng)速脈動有規(guī)律的向東北傳播，尤其在暖切型和冷切型強(qiáng)降水中最為顯著，在低槽型強(qiáng)降水中的表現(xiàn)稍弱。在脈動的傳播速度方面，冷切型和其他型強(qiáng)降水中風(fēng)速脈動的傳播速度最快，分別達(dá)到63km/h和68km/h,低槽型強(qiáng)降水中風(fēng)速的傳播速度最慢，僅為35km/h。

4.3 個例應(yīng)用

以2018年6月6日11～21時閩中地區(qū)強(qiáng)降水過程為例開展討論。這是一個冷切型強(qiáng)降水過程，持續(xù)時長10小時。

圖3 2018年6月6日4～24時區(qū)域小時最大雨量和九仙山、紅尖山的風(fēng)速變化

分析降水過程中九仙山站風(fēng)速變化特征可見，6日11～17時該站有11～14時、15～17時共2次風(fēng)速脈動，風(fēng)速分別從8 m/s增強(qiáng)到12 m/s、10 m/s增強(qiáng)到17 m/s，脈動的生命史均為3小時，脈動振幅較大，最大達(dá)到7 m/s，2次脈動均達(dá)到急流的標(biāo)準(zhǔn)。將風(fēng)速變化特征與研究區(qū)域內(nèi)小時最強(qiáng)雨量對比，2次風(fēng)速脈動對應(yīng)強(qiáng)降水過程中的兩個降水集中期(11～17時、19～21時)，脈動達(dá)到最大振幅的時間相比降水峰值分別提前2小時和5小時，風(fēng)速的脈動提前于小時降水峰值的出現(xiàn)，在實際預(yù)報中有較好的應(yīng)用價值。

紅尖山站和九仙山站的風(fēng)速變化曲線有較好的一致性，在西南急流方向軸上，紅尖山站的風(fēng)速的振幅變化在大多數(shù)情況下都優(yōu)先于九仙山站，本次過程中19～21時的降水集中期同時伴有風(fēng)速脈動和紅尖山至九仙山一線的西南風(fēng)速輻合，小時最強(qiáng)降水的極值(21時，74mm)也出現(xiàn)在這個集中期。這種特征在其他多個個例中均有體現(xiàn)，說明西南急流的脈動和西南方向上風(fēng)速的輻合可以作為下游短時強(qiáng)降水預(yù)報的信號之一。

由此也表明，低空急流的脈動與短時強(qiáng)降雨關(guān)系密切，對短時強(qiáng)降雨的發(fā)生和發(fā)展有一定的指示意義。但由于高山自動站還較稀疏，基于高山自動站的低空急流脈動特征在短時強(qiáng)降水的落區(qū)預(yù)報中的應(yīng)用價值還不高，短時強(qiáng)降水的落區(qū)預(yù)報還需要結(jié)合風(fēng)廓線雷達(dá)、高空、地面等資料綜合研判。

5 結(jié)論

①高山自動氣象站的小時最大風(fēng)速與臨近探空資料風(fēng)速最為相近、風(fēng)向一致性高，適合作為探空資料的補(bǔ)充用于短時強(qiáng)降水的分析。

②閩中南前汛期短時強(qiáng)降水中常存在1～3次風(fēng)速的脈動，脈動生命史3.4～5.6h，脈動振幅4.3～8m/s。不同天氣型的強(qiáng)降水個例在平均脈動次數(shù)、生命史和振幅均有所區(qū)別，風(fēng)速的增強(qiáng)對觸發(fā)強(qiáng)降水中尺度系統(tǒng)具有重要意義，在冷切型和低槽型強(qiáng)降水中尤其顯著。

③閩中南前汛期強(qiáng)降水始于風(fēng)速脈動開始之后的0.8～2.5h，冷切型強(qiáng)降水平均僅為0.8h，暖切型和其他型在2h以上。低槽型和冷切型強(qiáng)降水雨強(qiáng)最強(qiáng)時期在脈動開始后2.5～2.8h，而暖切型和其他型在脈動開始后4.1～4.5h。大部分強(qiáng)降雨中存在急流軸上風(fēng)速脈動的傳播，尤其在暖切型和冷切型強(qiáng)降水中最為顯著，冷切型和其他型強(qiáng)降水中風(fēng)速脈動的傳播速度最快。