閩中沿海地區(qū)短時強降水的環(huán)流特征

鄭穎青 邵步粉 柯 杭

(福州市氣象局，福建 福州 350008)

1 概述

短時強降水容易引發(fā)城市內(nèi)澇和山洪、泥石流、山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，給社會經(jīng)濟(jì)和人民生活造成的影響日趨嚴(yán)重。各地對短時強降水進(jìn)行了大量研究[1-4]，主要是分析強降水的時空分布規(guī)律和天氣影響系統(tǒng)，總結(jié)了多種短時強降水天氣概念模型。楊波、孫繼松等[5]在對北京地區(qū)夏季短時強降水日的大尺度環(huán)流特征進(jìn)行分型的基礎(chǔ)上，基于分型合成場和距平場分析了北京地區(qū)短時強降水天氣過程的基本環(huán)流背景。鄭穎青等[6]針對福州市短時強降水，通過對強降水分級，設(shè)定短時強降水指數(shù)，分別按月份、時次、日等時間量和各縣(市、區(qū))、各自動站等地點統(tǒng)計各級別短時強降水的發(fā)生頻次，并計算相應(yīng)強降雨指數(shù)，得到細(xì)致的短時強降水時空分布特征。本文在此基礎(chǔ)上，把研究空間范圍擴(kuò)大到福建中部沿海地區(qū)(以下簡稱閩中沿海，包含福州、莆田、平潭)，時間調(diào)整為2013—2018年主汛期(每年4—9月)，分析短時強降水時空分布特征；選取主汛期較強的非臺風(fēng)短時強降水日，基于中低層大尺度環(huán)流特征或影響系統(tǒng)對這些短時強降水日進(jìn)行天氣系統(tǒng)分型；并對同一類型的短時強降水日大氣環(huán)流基本要素計算其平均場(即合成場)和距平場，得到各類型短時強降水日的主要天氣系統(tǒng)特征；對比分析不同天氣系統(tǒng)影響下閩中沿海短時強降水的時空分布特征差異，為本地區(qū)的短時強降水預(yù)報提供參考依據(jù)。

2 資料與方法

選取閩中沿海地區(qū)(福州、莆田、平潭)2013—2018年每年主汛期(4—9月)資料年限長度大于5年(2014年3月31日前建站)的344個自動站逐時雨量資料。由于本地區(qū)多數(shù)強降雨過程從午后延續(xù)到上半夜，本文以當(dāng)日8時～次日8時為日界；環(huán)流分析還使用了1°×1° ECMWF再分析資料。

短時強降水的定義參照國家氣象中心業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，以1小時雨量R1≥20mm作為短時強降雨。首先統(tǒng)計2013—2018年每年4—9月閩中沿海地區(qū)所有自動站除臺風(fēng)、東風(fēng)波等熱帶系統(tǒng)外的短時強降水事件，作為篩選具有較強中尺度信息的短時強降水個例，并考慮自動站降水記錄的可靠性，當(dāng)該日(08時至次日08時，北京時)有10%以上的自動站、每個站至少1個時次1小時雨量超過20mm，且該日的短時強降雨指數(shù)[6]達(dá)90%分位值以上，作為較強短時強降水日，6年中挑選出短時強降水日67天；然后基于中低層大氣的大尺度環(huán)流特征對這67個短時強降水日進(jìn)行環(huán)流分型。

根據(jù)葉榕生等[7]研究，福建省天氣系統(tǒng)分型以850hPa環(huán)流特征或影響系統(tǒng)為主，對67個短時強降水日進(jìn)行分型。用ECMWF細(xì)網(wǎng)格(1°×1°)再分析資料，對同一類型短時強降水日，計算包含500hPa位勢高度、850hPa水平風(fēng)、850hPa溫度和925hPa水汽通量等大尺度環(huán)流基本要素的平均場(即合成場)和距平場，得到各類型短時強降水過程的主要天氣系統(tǒng)特征。由于強降水事件的月份跨度較大，分月計算距平值(距平值=實況值-當(dāng)月的多年平均值)?？紤]到不同類型短時強降水日的樣本數(shù)差異較大，在統(tǒng)計對比各類型短時強降水頻次的空間分布特征時采用均一化方法，即每個類型各自動站強降水發(fā)生頻次采用式(1)進(jìn)行計算，使其結(jié)果均映射到[0，1]。

(1)

其中，x為某一自動站的發(fā)生頻次，xmin、xmax分別是所有參與計算的自動站中發(fā)生短時強降水事件最少、最多的頻次，X*為均一化的結(jié)果。

3 天氣系統(tǒng)分型

以08時850hPa形勢為主，結(jié)合地面和中低層大氣的其它大尺度環(huán)流特征，對67個短時強降水日進(jìn)行分型。結(jié)果如下：①冷式切變型有27天，其主要環(huán)流特點是25°N～30°N，115°E～120°E有由西北風(fēng)與西南風(fēng)構(gòu)成的東西走向或ENE-WSW走向的冷式切變；②靜止鋒切變型有15天，主要環(huán)流特點是24°N～30°N，115°E～120°E有由東-東北風(fēng)與西南風(fēng)構(gòu)成的靜止鋒切變；③暖切適中型2天，主要環(huán)流特點是25°N～29°N，115°E～120°E有由東南風(fēng)與西南風(fēng)構(gòu)成的暖式切變；④暖切偏北型10天，主要環(huán)流特點是30°N～33°N，115°E～120°E有由東南風(fēng)與西南風(fēng)構(gòu)成的暖式切變；⑤低槽型3天，其主要環(huán)流特點是25°N～29°N，115°E～120°E有低槽活動；⑥西南氣流型7天，主要環(huán)流特點是江南、華南都為西南氣流控制；⑦其他型3天，其中1天為高壓中心附近，1天為小切變(僅邵武站東風(fēng)，其余西南風(fēng))，1天為長江下游低槽東移，南方以西南氣流為主。由于分型較多，部分類型個例少，考慮并型。并型方法：低槽型并入冷式切變型，暖切偏北型并入西南氣流型；這樣結(jié)果主要有3型：①冷式切變型30天(占總數(shù)的40.3%)，②靜止鋒切變型15天(占總數(shù)的22.4%)，③西南氣流型17天(占總數(shù)的25.4%)，本文主要分析這三個類型短時強降水的時空分布和環(huán)流特征。暖切適中型、其他型由于個例少，不予分析。

4 不同天氣類型閩中沿海地區(qū)短時強降水的時空分布特征

不同天氣系統(tǒng)影響下，閩中沿海地區(qū)短時強降水的空間分布特征見圖1。 圖1a為三個類型閩中沿海地區(qū)短時強降水總?cè)諗?shù)的空間分布，可以看到短時強降水的多發(fā)地比較分散，主要分布在中東部地區(qū)，包含莆田市區(qū)西部和東北部、仙游西部和東南部、長樂西南部—閩侯南部—福清北部、閩侯中部—福州市區(qū)西南部、福州市區(qū)東部、連江東北部—羅源東部一帶，而平潭、福清東南部、永泰西部、閩清西南部和東北部等地屬于少發(fā)區(qū)。冷式切變型短時強降水日(圖1b)在多數(shù)地方的分布和總?cè)諗?shù)分布比較一致，區(qū)別在于仙游東南部、閩侯中部—福州西南部、羅源東部的日數(shù)不多。靜止鋒切變強降水(圖1c)多發(fā)地主要在閩侯中部、永泰東北部、莆田市區(qū)東北部、羅源東部。而西南氣流型強降水(圖1d)多發(fā)地集中在仙游西部和南部。

圖2為三個類型短時強降水日的逐時強降水站次分布，可以看到三個類型強降水的日變化差別不太大，強降水都集中在午后到上半夜；峰值都在18—19時之間，西南氣流型(圖2c)略早些，靜止鋒切變型(圖2b)略晚些。西南氣流型上午就有強降水發(fā)展，峰值不突出，15—18時都在150站次上下；冷式切變型(圖2a)18—19時兩個時次都維持峰值(19時僅比18時多1個站次)。

(a)三個類型短時強降水總?cè)諗?shù) (b)冷式切變型強降水日數(shù)的均一化分布

(a)冷式切變型

5 閩中沿海地區(qū)短時強降水過程的主要天氣系統(tǒng)特征

由于三個類型短時強降水多數(shù)都發(fā)生在午后到上半夜，為此主要分析短時強降水發(fā)生前的8時和處于短時強降水前期的14時的環(huán)流場。

5.1 冷式切變型

8時500hPa位勢高度圖(圖3a)上，中緯度環(huán)流經(jīng)向度較大，蒙古國、貝湖及以西地區(qū)為脊區(qū),深厚的東亞大槽位于我國東北—黃?！L江下游；位勢高度距平場上，低于-7dagm的負(fù)距平中心在我國東北地區(qū)，我國東部除華南外均為負(fù)距平，東亞大槽異常偏強有利于引導(dǎo)冷空氣影響我國南方地區(qū)。在850hPa高度上，8時距平風(fēng)場(圖3b)東北地區(qū)西部—華北東部—黃淮—長江中下游—福建省北部有明顯的偏北距平風(fēng)，華南地區(qū)為西南偏西距平風(fēng)；溫度距平(圖3b)落后于距平風(fēng)場，浙江南部—福建北部溫度梯度大，江南南部、華南為正溫度距平，閩中沿海距平約1.5℃，表明強降雨發(fā)生前，閩中沿海地區(qū)處于明顯回暖。8時925hPa水汽通量距平場(圖3c)上28°N及其以北地區(qū)為偏北—西北風(fēng)，華南到福建中南部有西南風(fēng)水汽通道，閩中沿海地區(qū)水汽通量散度為正值。14時500hPa槽有所加深；925hPa西北風(fēng)水汽通量(圖3d)到達(dá)閩北，閩中沿海地區(qū)水汽通量散度轉(zhuǎn)為-0.2×10-5～0g/(hPa·m2·s)。850hPa偏北氣流向南推進(jìn)，閩中沿海地區(qū)北部己轉(zhuǎn)為西北距平風(fēng)，西北風(fēng)和華南的西南氣流在閩中沿海地區(qū)交匯；閩中沿海的氣溫距平降至1.0℃左右，浙江南部—福建中北部溫度梯度大；說明鋒區(qū)到達(dá)福建中部，冷暖空氣在閩中沿海地區(qū)南北向?qū)χ攀瞧渲饕h(huán)流特征。

5.2 靜止鋒切變型

8時500hPa位勢高度場(圖4a)上中緯度多波動，東亞大槽在東北地區(qū)東部到朝鮮半島一帶；低于-3dagm的負(fù)距平中心位于庫頁島以東，東北地區(qū)西部—華北北部和華南地區(qū)為正距平，閩中沿海地區(qū)為距平零線附近。850hPa距平風(fēng)場(圖4b)我國北方中東部地區(qū)為氣旋性環(huán)流，長江中下游東北氣流異常顯著，華南西南氣流較為明顯。長江口有氣溫距平負(fù)中心(圖4b)，長江中下游為負(fù)距平，28°N以南為正距平，閩中沿海地區(qū)處0.6～0.9℃的正溫度距平。925hPa 8時閩北28°N以北有東北風(fēng)水汽通量(圖4c)，華南到福建省中南部有西南風(fēng)水汽通量，閩中沿海地區(qū)水汽通量散度為正值。14時500hPa長江下游及以南地區(qū)高度距平減小，槽底有所南壓到東海，有利于冷空氣擴(kuò)散到福建沿海地區(qū)；850hPa福建北部轉(zhuǎn)為偏北距平風(fēng)，東北氣流和西南氣流在閩中沿海地區(qū)附近交匯；福建北部溫度梯度大，鋒區(qū)到達(dá)福建中部沿海地區(qū)，冷暖空氣在閩中沿海地區(qū)南北向?qū)χ攀瞧渲饕h(huán)流特征；925hPa偏北風(fēng)水汽通量(圖4d)到達(dá)27°N，閩中沿海地區(qū)大部水汽通量散度轉(zhuǎn)為負(fù)值。

(a) (b)

(a) (b)

5.3 西南氣流型

8時500hPa高度場(圖5a)上，中緯度以緯向環(huán)流為主，東亞槽偏東偏弱，已移至日本海。高度距平場上，蒙古國和日本海為-2.0～-1.5dagm的負(fù)距平，渤?！綎|半島—黃海北部1.5～2.0dagm的正距平，南方地區(qū)都為正距平，閩中沿海地區(qū)為0.5～1.0dagm的正距平。850hPa距平風(fēng)場(圖5b)我國東部大部分地區(qū)都為明顯的異常偏南風(fēng)，江淮地區(qū)有暖式切變，南海地區(qū)有氣旋性環(huán)流，江南、華南西南氣流異常偏強。我國東部地區(qū)都為正溫度距平(圖5b)，江南大部(含閩中沿海地區(qū))距平1.0～1.5℃，表明強降雨發(fā)生前閩中沿海地區(qū)回暖明顯。925hPa華北以南的我國東部大部有偏南風(fēng)水汽通道(圖5c)，江南到華南為西南風(fēng)水汽通道，閩中沿海地區(qū)水汽通量散度為-0.5×10-5～0g/(hPa·m2·s)，故此型經(jīng)常在上午就發(fā)生短時強降雨，這也是區(qū)別于前面兩個類型的地方。14時500hPa高度東亞槽更偏東更弱，渤海、黃海正距平加大；850hPa湖南、貴州一帶溫度距平明顯增大，福建中西部，溫度距平有所減小，福建沿海地區(qū)溫度正距平仍較大，925 hPa江南大部水汽通量散度場轉(zhuǎn)為弱的正值，但福建省沿海和華南沿海仍維持負(fù)值(圖5d)。

(a) (b)

5.4 類型對比

以上三個類型8時500hPa位勢高度場上差異較大，冷式切變型福建為負(fù)距平、靜止鋒切變型福建中部地區(qū)為零線附近、西南氣流型福建為正距平。三個類型8時850hPa都有明顯的溫度正距平，表明前期低層回暖為強降雨提供充足的熱量，是閩中沿海強降雨發(fā)生的重要條件。925hPa三個類型南海北部、北部灣、華南西南風(fēng)水汽通量都異常偏強，三個類型強降雨的水汽都來自上述地區(qū)。三個類型8時200hPa散度都為正值，14時散度都明顯增大(圖略)，高層輻散增強了整層大氣的抬升運動。冷式切變型和靜止鋒切變型底層要以對流性降水為主，雨強大，9月受冷空氣和偏東急流影響，在海南島東部沿海地區(qū)的短時強降水一般量級較大。汛期短時強降水的日變化特征呈單峰型，高峰時間段在13—19時，且強度大。

6 結(jié)論

①汛期影響閩中沿海地區(qū)短時強降水的西風(fēng)帶天氣系統(tǒng)主要有冷式切變型、靜止鋒切變型、西南氣流型。三個類型強降雨的水汽均來自于南海和北部灣，前期低層回暖是強降雨發(fā)生的重要條件。

②閩中沿海地區(qū)西風(fēng)帶系統(tǒng)的短時強降水多發(fā)于中東部地區(qū)。冷式切變型強降水分布相對較廣，靜止鋒切變型強降水主要發(fā)生在閩侯中部、永泰東北部、莆田市區(qū)東北部、羅源東部，而西南氣流型強降水集中于仙游西部和南部。

③三個類型強降水都集中于午后到上半夜，峰值都在18—19時之間，冷式切變型和靜止鋒切變型這兩種有冷空氣活動的強降雨類型表現(xiàn)更為明顯，這與此兩類型強降雨日上午水汽通量散度為正值，午后轉(zhuǎn)為負(fù)值有關(guān)；西南氣流型8時和14時水汽通量散度都為負(fù)值，故此型上午就有少數(shù)強降雨發(fā)生，而午后的頻次增長相對平緩。