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(gè)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(shí)低空急流上的中小尺度脈動(dòng)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(bào)中一個(gè)重要因子。因常規(guī)探空資料一天僅有兩次(08h和20h)，時(shí)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(dòng)的認(rèn)識(shí)不足。在常規(guī)探空資料無法滿足精細(xì)化預(yù)報(bào)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(dòng)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(dòng)與強(qiáng)降水間關(guān)系的認(rèn)識(shí)，并提高前汛期強(qiáng)降水預(yù)報(bào)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(dòng)氣象站數(shù)據(jù)。前汛期的起始時(shí)間來源于福建省氣候公報(bào)(表1)。

表1 2008—2013年福建前汛期起始時(shí)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(dòng)氣象站，兼顧天氣系統(tǒng)的上下游效應(yīng)和區(qū)域自動(dòng)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(gè)例的選取

短時(shí)強(qiáng)降水的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為研究區(qū)域內(nèi)有4個(gè)及以上的自動(dòng)站3小時(shí)出現(xiàn)30mm以上累積降水。以降水達(dá)到統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻作為一個(gè)個(gè)例的開始，連續(xù)兩個(gè)時(shí)刻降水未達(dá)到統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)刻為結(jié)束。降水最強(qiáng)時(shí)期指降水過程中小時(shí)雨強(qiáng)最強(qiáng)的時(shí)刻。前汛期期間由臺(tái)風(fēng)造成的短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例不列入統(tǒng)計(jì)。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2008—2013年共有67個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例，逐年分別為11個(gè)、15個(gè)、13個(gè)、2個(gè)、12個(gè)、14個(gè)。

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(shí)強(qiáng)降水個(gè)例資料庫(67個(gè)樣本)，并根據(jù)短時(shí)強(qiáng)降水過程中最臨近時(shí)刻850hPa的影響系統(tǒng)，對67個(gè)個(gè)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(shí)臨近預(yù)報(bào)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(shí)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(shí)最大風(fēng)、小時(shí)瞬時(shí)風(fēng)以及小時(shí)極大風(fēng)等5種不同風(fēng)資料中，兩站的小時(shí)最大風(fēng)速最為接近(相關(guān)系數(shù)0.76)，同時(shí)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(shí)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(dòng)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(yàn)，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(dòng)，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(shí)以上的風(fēng)的變化為西南風(fēng)脈動(dòng)開始，逐時(shí)次向后追蹤直到西南風(fēng)風(fēng)速均小于8m/s為脈動(dòng)終止,起止持續(xù)時(shí)間為一次脈動(dòng)過程。脈動(dòng)傳播速度指脈動(dòng)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(dòng)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(jì)，分析結(jié)果如表2。

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

4.2.2 風(fēng)速脈動(dòng)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(dòng)，不同天氣型的強(qiáng)降水平均脈動(dòng)次數(shù)有所區(qū)別(表3)，其他型和冷切型的強(qiáng)降水個(gè)例平均脈動(dòng)次數(shù)達(dá)到了2次以上，而低槽型的強(qiáng)降水脈動(dòng)次數(shù)僅為1.3次；脈動(dòng)的生命史在3.4～5.6h，其中，暖切型強(qiáng)降水的平均脈動(dòng)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(dòng)的平均最大振幅方面，冷切型強(qiáng)降水脈動(dòng)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(dòng)及其與強(qiáng)降水的關(guān)系

67個(gè)強(qiáng)降水個(gè)例中(表3)，除了個(gè)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(shí)強(qiáng)降水個(gè)例中均伴有低空急流的出現(xiàn)；強(qiáng)降水開始的時(shí)間往往在風(fēng)速脈動(dòng)開始之后的0.8～2.5h，其中，冷切型強(qiáng)降水的時(shí)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(dòng)開始時(shí)間與強(qiáng)降水最強(qiáng)期時(shí)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(shí)期在脈動(dòng)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(shí)期在脈動(dòng)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(dòng)特征

通過急流的脈動(dòng)在紅尖山站和九仙山站之間的傳播可以考察急流脈動(dòng)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(dòng)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(dòng)的傳播速度方面，冷切型和其他型強(qiáng)降水中風(fēng)速脈動(dòng)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(gè)例應(yīng)用

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

圖3 2018年6月6日4～24時(shí)區(qū)域小時(shí)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(shí)該站有11～14時(shí)、15～17時(shí)共2次風(fēng)速脈動(dòng)，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(dòng)的生命史均為3小時(shí)，脈動(dòng)振幅較大，最大達(dá)到7 m/s，2次脈動(dòng)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(shí)最強(qiáng)雨量對比，2次風(fēng)速脈動(dòng)對應(yīng)強(qiáng)降水過程中的兩個(gè)降水集中期(11～17時(shí)、19～21時(shí))，脈動(dòng)達(dá)到最大振幅的時(shí)間相比降水峰值分別提前2小時(shí)和5小時(shí)，風(fēng)速的脈動(dòng)提前于小時(shí)降水峰值的出現(xiàn)，在實(shí)際預(yù)報(bào)中有較好的應(yīng)用價(jià)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(shí)的降水集中期同時(shí)伴有風(fēng)速脈動(dòng)和紅尖山至九仙山一線的西南風(fēng)速輻合，小時(shí)最強(qiáng)降水的極值(21時(shí)，74mm)也出現(xiàn)在這個(gè)集中期。這種特征在其他多個(gè)個(gè)例中均有體現(xiàn)，說明西南急流的脈動(dòng)和西南方向上風(fēng)速的輻合可以作為下游短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)的信號(hào)之一。

由此也表明，低空急流的脈動(dòng)與短時(shí)強(qiáng)降雨關(guān)系密切，對短時(shí)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(dòng)站還較稀疏，基于高山自動(dòng)站的低空急流脈動(dòng)特征在短時(shí)強(qiáng)降水的落區(qū)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用價(jià)值還不高，短時(shí)強(qiáng)降水的落區(qū)預(yù)報(bào)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(dòng)氣象站的小時(shí)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(shí)強(qiáng)降水的分析。

②閩中南前汛期短時(shí)強(qiáng)降水中常存在1～3次風(fēng)速的脈動(dòng)，脈動(dòng)生命史3.4～5.6h，脈動(dòng)振幅4.3～8m/s。不同天氣型的強(qiáng)降水個(gè)例在平均脈動(dòng)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(dòng)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(shí)期在脈動(dòng)開始后2.5～2.8h，而暖切型和其他型在脈動(dòng)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(dòng)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(dòng)的傳播速度最快。