羅艷艷 吳雪貞 鄭寶智 孫蔡亮

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基于區(qū)域自動(dòng)站資料的閩中地區(qū)前汛期短時(shí)強(qiáng)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(dòng)氣象站資料，通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)、分析歸納等方法，從時(shí)空分布、天氣學(xué)分型、地面中尺度表現(xiàn)等方面分析閩中地區(qū)前汛期短時(shí)強(qiáng)降水的特征，結(jié)果表明，閩中地區(qū)前汛期短時(shí)強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在下午到傍晚，持續(xù)時(shí)間多在5～8小時(shí)，區(qū)域內(nèi)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(shí)強(qiáng)降水發(fā)生最主要的天氣形勢(shì)，其次是暖式切變型；對(duì)于低槽型、冷切型和暖切型的短時(shí)強(qiáng)降水，降水前沿地面輻合線的走向和移速對(duì)隨后1～2小時(shí)強(qiáng)降水落區(qū)的預(yù)報(bào)有重要的指示作用。

區(qū)域自動(dòng)站資料 前汛期 短時(shí)強(qiáng)降水 閩中地區(qū)

2005年起，福建省氣象局在全省范圍內(nèi)相繼建立區(qū)域自動(dòng)氣象站，其傳回的高密度氣象資料為預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐。但是，目前對(duì)該資料的應(yīng)用研究仍處于起步階段，常常僅起到查看實(shí)況的作用。而在短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)中，特別是對(duì)于強(qiáng)降水的落區(qū)及其發(fā)展趨勢(shì)預(yù)報(bào)，在高空探測(cè)資料較稀疏的情況下，往往會(huì)強(qiáng)調(diào)地面氣壓、溫度、濕度的細(xì)致分析，以及上述要素與風(fēng)、濕度、天氣現(xiàn)象等要素的不連續(xù)線分析，因此高密度、高時(shí)空分辨率區(qū)域自動(dòng)站資料的應(yīng)用顯得尤為重要。本文采用區(qū)域自動(dòng)氣象站資料，從時(shí)空分布、天氣學(xué)分型、地面中尺度表現(xiàn)等方面分析閩中地區(qū)前汛期短時(shí)強(qiáng)降水的特征，以期為閩中地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)提供科學(xué)的參考。

1 資料來(lái)源及相關(guān)定義

1.1 資料來(lái)源

短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例分析所用資料為2008—2011年福建省區(qū)域自動(dòng)站資料（含常規(guī)氣象站），并采用邏輯性檢驗(yàn)、空間連續(xù)性檢查來(lái)進(jìn)行資料質(zhì)量控制；天氣形勢(shì)分型采用中國(guó)氣象局下發(fā)的常規(guī)探空資料；前汛期的認(rèn)定以福建省氣候公報(bào)為依據(jù)，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(guān)定義

1.2.1 研究區(qū)域

根據(jù)前汛期短時(shí)強(qiáng)降水天氣的特點(diǎn)、實(shí)際業(yè)務(wù)需求和本文的研究重點(diǎn)，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(shí)強(qiáng)降水個(gè)例研究區(qū)域

1.2.2 短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例選取

在研究區(qū)域內(nèi)，以4個(gè)及以上的區(qū)域站（或常規(guī)氣象站）3小時(shí)出現(xiàn)30毫米以上累積降水為短時(shí)強(qiáng)降水的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，選取2008—2011年符合統(tǒng)計(jì)條件的短時(shí)強(qiáng)降水天氣個(gè)例?？紤]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(dá)到統(tǒng)計(jì)的起始標(biāo)準(zhǔn)為一個(gè)樣本的開始，累積降水連續(xù)兩個(gè)時(shí)刻未達(dá)到降水統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)刻為一個(gè)樣本的結(jié)束。由于臺(tái)風(fēng)屬東風(fēng)帶系統(tǒng)，降水的性質(zhì)應(yīng)區(qū)別于前汛期暴雨，因此統(tǒng)計(jì)時(shí)段中將臺(tái)風(fēng)（臺(tái)風(fēng)倒槽）影響時(shí)出現(xiàn)的短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例剔除。

根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，閩中地區(qū)2008年—2011年前汛期共有41個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程，其中2008年有11個(gè)、2009年有15個(gè)、2010年有13個(gè)、2011年有2個(gè)。

2 閩中地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水天氣時(shí)空分布特征

2.1 時(shí)間分布特征

2.1.1 日分布

從降水時(shí)段來(lái)看，短時(shí)強(qiáng)降水在一天24小時(shí)內(nèi)均可出現(xiàn)，但出現(xiàn)主要時(shí)次集中在14～20時(shí)（中午到傍晚時(shí)段），占總數(shù)的44.4%（見表1），其次是20～02時(shí)（夜間），占22.2%，08～14時(shí)（上午）出現(xiàn)的概率為18.5%，02～08時(shí)（凌晨）出現(xiàn)的概率最低僅為14.8%。結(jié)果表明，閩中地區(qū)前汛期短時(shí)強(qiáng)降水在下午到傍晚時(shí)段出現(xiàn)概率最大，在夜間出現(xiàn)的概率也較大。

表1 2008—2011年閩中地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)次分布概率表

本文研究的41個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程中，沿海生成和發(fā)展的有6個(gè)，而值得注意的是，在這6個(gè)沿海短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例中，有5個(gè)出現(xiàn)在夜間20時(shí)至次晨08時(shí)，1個(gè)出現(xiàn)在上午。因此對(duì)于沿海幾個(gè)縣市，前汛期短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)的特別重點(diǎn)關(guān)注時(shí)段是夜間到清晨時(shí)段。

2.1.2 持續(xù)時(shí)間分布

從降水的持續(xù)時(shí)間來(lái)看（見表2），持續(xù)時(shí)間<5h的短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程有6個(gè)，占比重的14.6%，5～8h的有30個(gè)，占73.2%，>8h的有5個(gè)，占12.2%。最長(zhǎng)連續(xù)出現(xiàn)時(shí)間達(dá)12h。降水持續(xù)時(shí)間的分布情況反映出前汛期期間閩中地區(qū)短時(shí)強(qiáng)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(shí)強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間分布表

2.2 空間分布特征

2.2.1 短時(shí)強(qiáng)降水空間分布

2008—2011年閩中地區(qū)年平均出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣過(guò)程約4.8次。由圖2可見，短時(shí)強(qiáng)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(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣在6次以上，仙游最高，達(dá)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(shí)強(qiáng)降水源地分布

在41個(gè)過(guò)程中，短時(shí)強(qiáng)降水雨團(tuán)在研究區(qū)域內(nèi)生成的有24個(gè)（占58.5%），從研究區(qū)域外移入的有17個(gè)（占41.5%）。區(qū)域內(nèi)生成的個(gè)例較從區(qū)域外移入的多17%。

進(jìn)一步分析區(qū)域內(nèi)生成的24個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程發(fā)現(xiàn)，短時(shí)強(qiáng)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(gè)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(gè)短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程發(fā)現(xiàn)，雨團(tuán)移經(jīng)上述易發(fā)區(qū)域（圖3）時(shí)，雨團(tuán)都有不同程度的加強(qiáng)。

圖2 2008—2011年閩中地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水空間分布

圖3 2008—2011年閩中地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水源地指示圖

3 天氣分型

3.1 天氣分型說(shuō)明

參考福建省前汛期暴雨預(yù)報(bào)概念模型中的850hPa環(huán)流形勢(shì)分型[1]，從短時(shí)臨近預(yù)報(bào)的角度，從突出問(wèn)題的主要矛盾出發(fā)，對(duì)分型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，僅考慮本省及其周邊省份（廣東、江西、浙江，臺(tái)灣）系統(tǒng)的影響，選取20～31°Ｎ、112～125°E為關(guān)鍵區(qū)（如圖4所示）。

圖4 天氣學(xué)分型關(guān)鍵區(qū)示意圖

根據(jù)短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程中最臨近時(shí)刻實(shí)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?cè)冢?3～31°N，112～124°E）；（2）暖式切變型，暖式切變?cè)冢?1～31°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(shí)強(qiáng)降水天氣過(guò)程分型結(jié)果

分型結(jié)果表明，2008—2011年期間冷式切變是導(dǎo)致發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生最主要的天氣形勢(shì)，其出現(xiàn)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(shù)情況均屬于鋒前暖區(qū)西南風(fēng)下，關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)未見明顯風(fēng)向不連續(xù)線，但均存在西南急流和西南風(fēng)速的輻合。

表3 2008—2011年閩中地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水期間主要天氣形勢(shì)分布表

4 基于區(qū)域自動(dòng)氣象站資料的地面中尺度特征分析

4.1 區(qū)域自動(dòng)站風(fēng)場(chǎng)中尺度特征分析

邊界層輻合線作為強(qiáng)降水發(fā)生發(fā)展的動(dòng)力條件之一，是短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生、發(fā)展臨近預(yù)報(bào)的關(guān)鍵[2]。為了探求短時(shí)強(qiáng)降水落區(qū)與強(qiáng)降水前沿輻合線的相關(guān)性，我們利用區(qū)域自動(dòng)站風(fēng)場(chǎng)資料對(duì)選取的41次短時(shí)強(qiáng)降水天氣過(guò)程每隔1小時(shí)進(jìn)行逐時(shí)次分析來(lái)統(tǒng)計(jì)它們的匹配性。所謂匹配,就是從雨團(tuán)移動(dòng)到選定區(qū)域或在選定區(qū)域生成時(shí)，如果其前一時(shí)次雨團(tuán)前沿存在著有效的輻合線與之對(duì)應(yīng)，則稱當(dāng)前時(shí)次整體相互匹配。

圖5展示了短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例的降水前6小時(shí)和降水中雨區(qū)、地面輻合線二者的匹配，其中橫坐標(biāo)為本研究中41個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的序列號(hào)，可見二者的匹配率分布不均，降水的前6小時(shí)，最大可達(dá)83%，最小為17%；強(qiáng)降水過(guò)程中，匹配關(guān)系同樣沒有明顯的規(guī)律，最小為38%，最大達(dá)到了90%?？傮w來(lái)說(shuō)，降水中的匹配率要明顯高于降水前6小時(shí)。

圖5 2008—2011年閩中地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程中降水前6小時(shí)和降水中雨區(qū)與地面輻合線的匹配關(guān)系

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

表4 2008—2011年閩中地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程中強(qiáng)降水區(qū)與地面輻合線的匹配關(guān)系

上述分析表明，對(duì)于閩中地區(qū)的短時(shí)強(qiáng)降水，特別是在低槽型、冷切型和暖切型，強(qiáng)降水前沿的地面輻合線的走向、移度均對(duì)隨后1～2h強(qiáng)降水落區(qū)的預(yù)報(bào)有非常重要的指示作用，強(qiáng)降水中心隨風(fēng)場(chǎng)輻合區(qū)的移動(dòng)而移動(dòng)，且降水中心位于風(fēng)場(chǎng)輻合區(qū)中風(fēng)速較小處，當(dāng)?shù)孛骘L(fēng)增大時(shí)預(yù)示著該處的降水強(qiáng)度將迅速減弱。

另外，對(duì)于低槽型和冷切型的短時(shí)強(qiáng)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(fēng)轉(zhuǎn)為東北（或偏北）風(fēng)，偏北氣流的出現(xiàn)增強(qiáng)了降水區(qū)域附近的輻合，當(dāng)?shù)孛骘L(fēng)增大時(shí)，預(yù)示著降水將增強(qiáng)后迅速減弱。這說(shuō)明降水區(qū)北部及東北部的偏北氣流是觸發(fā)強(qiáng)降水發(fā)展的關(guān)鍵因素；而對(duì)于暖切型和其他型的降水，在強(qiáng)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(xiàn)象，且存在風(fēng)速的輻合，輻合值的大小與下游區(qū)域的降水強(qiáng)度有一定的對(duì)應(yīng)。當(dāng)風(fēng)速輻合消失時(shí)，降水將逐漸減弱。

4.2 區(qū)域自動(dòng)站氣壓場(chǎng)中尺度特征分析

研究表明，氣壓場(chǎng)上的氣壓波動(dòng)與暴雨存在密切的關(guān)系[3]，為了探求短時(shí)強(qiáng)降水和氣壓波動(dòng)的相關(guān)性，我們利用消除日變化后的區(qū)域自動(dòng)站24小時(shí)變壓場(chǎng)資料，選取41次短時(shí)強(qiáng)降水天氣過(guò)程中雨強(qiáng)最強(qiáng)的那個(gè)站，進(jìn)行逐時(shí)次分析來(lái)統(tǒng)計(jì)氣壓波動(dòng)與小時(shí)雨量≥30mm的降水時(shí)刻的匹配性，無(wú)氣壓要素的站點(diǎn)選用離它最近的站點(diǎn)代替。

分析結(jié)果表明，在單站氣壓變化中存在一些中尺度的氣壓波動(dòng)。波動(dòng)周期一般為3～4h，最長(zhǎng)為5～6h，振幅一般小于2hPa，波動(dòng)與降水具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，強(qiáng)降水一般出現(xiàn)在氣壓波谷中，而對(duì)于冷切型的個(gè)例，更多的是出現(xiàn)在波脊上。這種波動(dòng)在低槽型個(gè)例中比較突出（表5），出現(xiàn)的概率達(dá)到87%，其次是其他型（西南氣流），匹配率達(dá)83%，暖式切變型和冷切型短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例的這一特征出現(xiàn)的概率僅為41%和52%。

表5 2008—2011年閩中地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水不同個(gè)例中過(guò)程最強(qiáng)雨量的站點(diǎn)與氣壓波動(dòng)的匹配關(guān)系

5 結(jié)論

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

（2）閩中地區(qū)前汛期短時(shí)強(qiáng)降水多發(fā)區(qū)為莆田、仙游、永春三地，年平均出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣在6次以上；短時(shí)強(qiáng)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(shí)強(qiáng)降水發(fā)生最主要的天氣形式，其出現(xiàn)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(shí)強(qiáng)降水，強(qiáng)降水前沿的地面輻合線的走向、移速均對(duì)隨后1～2小時(shí)強(qiáng)降水落區(qū)的預(yù)報(bào)有重要的指示作用；氣壓波動(dòng)與降水有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，低槽型和其他型（西南氣流）短時(shí)強(qiáng)降水一般出現(xiàn)在氣壓波谷中，冷切型多出現(xiàn)在波脊上。

[1]林新彬，劉愛鳴，林毅, 等.福建省天氣預(yù)報(bào)技術(shù)手冊(cè)[M].北京：氣象出版社，2013.

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