吳木貴 吳雪凌 沈長(zhǎng)華 周義明

(1.福建省南平市氣象局，福建 南平 353000；2. 福建省建甌市氣象局，福建 南平 353100；3.福建省南平生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，福建 南平 354200)

1 概述

福建省屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候[1]，降水豐沛但分布不均。長(zhǎng)期以來(lái)，已有許多學(xué)者采用多種方法對(duì)降水(或旱澇)的時(shí)空分布特征進(jìn)行研究。梁金樹(shù)[2]、許金鏡[3]、高建蕓[4]、吳濱[5]、溫珍治[6]、趙嘉陽(yáng)[7]、蔡曉禾[8]等應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(EOF)或旋轉(zhuǎn)EOF(REOF)、小波分析、功率譜和周期分析等方法對(duì)福建不同時(shí)間序列(近40～100a)的旱澇時(shí)空變化特征進(jìn)行了研究，其中高建蕓、溫珍治、蔡曉禾都有對(duì)5—6月降水進(jìn)行EOF分析，比較一致的結(jié)論是可分為全省一致變化型、南北反相變化型以及中西部和其它區(qū)域反相變化型三種。上述研究都是從年或季節(jié)尺度研究全省范圍的降水時(shí)空分布特征。本文將從短期預(yù)報(bào)角度用EOF研究福建省南平市(俗稱閩北)汛期日雨量的時(shí)空分布特征。由于范圍不同， EOF的研究結(jié)果也會(huì)不同，因此專(zhuān)門(mén)針對(duì)閩北區(qū)域的降水時(shí)空分布特征研究也是有必要的。南平市是福建省內(nèi)面積最大的地級(jí)市，汛期處于江淮梅雨和華南前汛期降水的過(guò)渡區(qū)，加上地形的影響，日降水在各地變化很大，常造成暴雨落區(qū)預(yù)報(bào)失敗。那么，汛期日雨量在各地分布及時(shí)間變化上是否具有一定規(guī)律性?本文將對(duì)此進(jìn)行探索，以期為短期預(yù)報(bào)提供統(tǒng)計(jì)背景。

此外，EOF對(duì)日降水場(chǎng)分解后所得到的模態(tài)降水場(chǎng)是否可用于短期預(yù)報(bào)也是一個(gè)值得探索的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)鮮見(jiàn)這方面的研究成果。事實(shí)上，如果范圍不大，那么通常EOF第一模態(tài)降水場(chǎng)大致決定面雨量的大小，而其他的模態(tài)降水場(chǎng)常決定降水中心所在。綜合起來(lái)考慮就可把握降水分布的總體狀況，而模態(tài)降水場(chǎng)的預(yù)報(bào)則可以從相關(guān)密切的天氣系統(tǒng)或物理量場(chǎng)特征上進(jìn)行考慮，如此可為降水短期預(yù)報(bào)提供一種參考思路。

2 資料處理與方法

降水量資料使用閩北10個(gè)氣象觀測(cè)站1976—2020年汛期(5月1日—7月15日，以下簡(jiǎn)稱主汛期，共76d/a)逐日20—20時(shí)(北京時(shí)，下同)雨量資料(樣本長(zhǎng)度3420個(gè))，降水量在分析時(shí)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理。首先對(duì)日降水場(chǎng)進(jìn)行EOF分解，分析了閩北暴雨日(指10個(gè)站中至少有一個(gè)站雨量達(dá)到50 mm)的模態(tài)構(gòu)成，然后將各模態(tài)和NCEP再分析資料(2.5°×2.5°)進(jìn)行相關(guān)和合成分析，以尋找各模態(tài)的主要影響因子和物理量場(chǎng)特征，文中用的物理量場(chǎng)除特別說(shuō)明外都是指08時(shí)的資料。

3 閩北主汛期日降水分布特征

閩北主汛期各站日雨量平均值自北向南減少，最大為10.7mm(光澤)，最少為8.1mm(延平)。各站雨日(日雨量≥0.1 mm的日數(shù))所占比在55%～58%之間，雨日的降水量平均值最大為18.5mm(光澤)，最少為14.6mm(延平)，雨日的降水量標(biāo)準(zhǔn)差最大為27.1mm(光澤)，最小為20.8mm(政和)。雖然平均雨量和雨日在各站之間差異不明顯，但主汛期暴雨日數(shù)分布在各站之間差別較大，處于武夷山脈南麓的光澤、武夷山站分別為第一(204 d，平均每年4.5 d)和第二(197 d)，最少為延平和順昌(并列為115 d，平均每年2.6 d)。

4 閩北主汛期日降水的空間分布形態(tài)

4.1 空間分布形態(tài)

用North準(zhǔn)則[9]對(duì)EOF分解后的各主成分進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果為前3個(gè)載荷向量場(chǎng)即特征場(chǎng)(以下稱為A、B、C三個(gè)模態(tài)，圖1)具有顯著物理意義，三者方差貢獻(xiàn)分別為66.4%、12.4%、5.1%，三者的累積方差貢獻(xiàn)已達(dá)83.9%。

(a)A模態(tài) (b)B模態(tài) (c)C模態(tài)圖1 閩北主汛期日雨量主成分分解的前3個(gè)荷載向量空間分布

A模態(tài)為全區(qū)一致的正值，即全區(qū)降水呈同位相變化(要么一致偏多，要么一致偏少)，其中荷載大值區(qū)在中部。對(duì)應(yīng)時(shí)間系數(shù)和500hPa日平均相對(duì)濕度有很高的相關(guān)性(見(jiàn)圖2(a)，圖中僅繪出相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值達(dá)到0.05的等值線，因該值即通過(guò)α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，下同)；圖中在南海和華北各有一片負(fù)相關(guān)區(qū)，前者正處于雨季副熱帶季風(fēng)經(jīng)圈環(huán)流的下沉區(qū)，后者是冷空氣活動(dòng)的下沉區(qū)。

(a)A模態(tài) (b)B模態(tài) (c)C模態(tài)圖2 各模態(tài)和500hPa日平均相對(duì)濕度的相關(guān)分布(圖中的小圓圈為建陽(yáng)，下同)

B模態(tài)主要特征是南部(延平、順昌、建甌)和西北部(武夷山、浦城、光澤、邵武)反位相變化(符號(hào)相反)，中部為絕對(duì)值較小的區(qū)域，即對(duì)中部區(qū)域影響小。其時(shí)間系數(shù)與500hPa日平均相對(duì)濕度的相關(guān)分布圖(圖2b)表明閩北區(qū)域的相關(guān)不明顯，而在南面和北面分別有一片正、負(fù)相關(guān)區(qū)，反映B模態(tài)降水和華南雨帶或江南雨帶有很大的關(guān)聯(lián)。

C模態(tài)主要特征是中東部(建陽(yáng)、松溪、政和、建甌)和其余站點(diǎn)符號(hào)相反(反相變化)，與500hPa日平均相對(duì)濕度呈一定正相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)最大值為0.08，圖2c)。

4.2 閩北暴雨日的模態(tài)構(gòu)成

對(duì)于每個(gè)具體的樣本，其日雨量場(chǎng)主要是由各模態(tài)線性疊加而成，疊加權(quán)重就是各模態(tài)在該樣本日期所對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)。為了解暴雨日模態(tài)構(gòu)成，標(biāo)記每個(gè)暴雨日的顯著模態(tài)(指時(shí)間系數(shù)絕對(duì)值達(dá)到1.0的主成分，時(shí)間系數(shù)值為正時(shí)記為A、B、C，負(fù)值記為-A、-B、-C)，如此可將暴雨日進(jìn)行分型，統(tǒng)計(jì)可得到表1，按面雨量大小(10個(gè)站的平均)排序，表中“其他”是指各模態(tài)時(shí)間系數(shù)的絕對(duì)值未達(dá)到1.0的暴雨日，僅占總暴雨樣本的3%，且這些個(gè)例的雨量量級(jí)都較小。

從表1可得各模態(tài)(B模態(tài)對(duì)應(yīng)B和-B兩個(gè)型別，C模態(tài)對(duì)應(yīng)C和-C兩個(gè)型別)暴雨的平均雨量分布，其主要特點(diǎn)為：A型雨量分布總體較均勻，最大值55 mm(光澤)，最小值30 mm(延平)；B型降水中心區(qū)在南部，最大為31 mm(順昌)，而-B型降水中心區(qū)在西北部，最大為41 mm(光澤)；C型降水中心區(qū)在北部或南部，最大為33 mm(武夷山)，而-C型降水中心區(qū)在中東部，最大為38 mm(松溪)?？梢?jiàn)，上述基本型暴雨雨量分布符合圖1所揭示的變化規(guī)律。表中其他組合型別暴雨的雨量分布可看作這些基本型別的疊加。

從表1還可看出，①A型暴雨雨量分布具有西北向南減少趨勢(shì)，反映了閩北整體地勢(shì)(西北高南部低)對(duì)A模態(tài)降水的調(diào)制效果；②A模態(tài)降水場(chǎng)基本決定了面雨量的大小，而B(niǎo)和/或C模態(tài)的正負(fù)卻決定降水中心所在；③對(duì)于A型和B模態(tài)組合的型別，可能在當(dāng)日存在南北兩條雨帶影響，有研究[10]發(fā)現(xiàn)，6月江南到華南連續(xù)性暴雨過(guò)程中，常有雙雨帶出現(xiàn)(機(jī)率可達(dá)40%)，一般北面為鋒面降水，南面為暖區(qū)降水，且隨高空急流南壓，南北兩條雨帶有靠近的趨勢(shì)。

表1 閩北暴雨日的模態(tài)構(gòu)成分型及其一般特征

4.3 時(shí)間系數(shù)分析

為消除年際變化，對(duì)各模態(tài)時(shí)間序列進(jìn)行逐日按年平均后，再對(duì)得到的逐日平均資料(共76 d)進(jìn)行3 d 滑動(dòng)平均，以消除日際變化的影響，得到圖3。由圖3可直觀看出：

圖3 各模態(tài)的3d滑動(dòng)時(shí)間系數(shù)

A模態(tài)降水從6月初開(kāi)始基本轉(zhuǎn)偏多，在6月中旬進(jìn)入高峰期，6月20日前后達(dá)到極大值，6月下旬中期之后偏少。

B模態(tài)降水在研究時(shí)段內(nèi)皆較活躍，其時(shí)間系數(shù)在5月份多為正值(稱為B型降水，和表1中的B型暴雨具有類(lèi)似的分布特點(diǎn)，其余類(lèi)同)，即降水中心在南部，并在A模態(tài)達(dá)到最強(qiáng)前后(6月中旬末)轉(zhuǎn)為負(fù)值，即降水中心轉(zhuǎn)到西北部(參見(jiàn)表中的-B型)。其對(duì)應(yīng)的主雨帶類(lèi)似于文獻(xiàn)[11]、[12]發(fā)現(xiàn)的4月初開(kāi)始于江南地區(qū)然后向南擴(kuò)展到華南的副熱帶季風(fēng)雨帶，而A模態(tài)和B模態(tài)疊加對(duì)應(yīng)的雨帶類(lèi)似于該文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)的5月中旬于江南開(kāi)始加強(qiáng)北進(jìn)的副熱帶季風(fēng)雨帶，該雨帶是熱帶夏季風(fēng)爆發(fā)后副熱帶高壓季節(jié)性北進(jìn)形成的雨帶。

C模態(tài)時(shí)間系數(shù)在5月份多為負(fù)值，即降水中心多在中東部(參見(jiàn)表1中的-C型)；其強(qiáng)盛期在6月，且在6月發(fā)生一次明顯轉(zhuǎn)折，即在6月10日前后由負(fù)轉(zhuǎn)為正(降水中心由中東部轉(zhuǎn)到北部或南部)。

從各模態(tài)的組合情況來(lái)看，6月上旬易出現(xiàn)A-C型降水，降水中心在中部(如表1)；6月中下旬首先易出現(xiàn)ABC型降水，降水中心在南部；然后轉(zhuǎn)為A-BC型，降水中心在北部。6月下旬中期后易出現(xiàn)-B型、C型、-BC型降水，即西北部仍多局部性暴雨。

5 各模態(tài)和物理量場(chǎng)的相關(guān)性特征分析

通過(guò)暴雨模態(tài)構(gòu)成分型展現(xiàn)了各模態(tài)(以及組合型別)降水的雨量分布特點(diǎn)，從各模態(tài)時(shí)間系數(shù)演變揭示了各階段易出現(xiàn)哪些型別的降水，降水中心在哪，由此說(shuō)明將日降水場(chǎng)按此三個(gè)模態(tài)進(jìn)行考慮是有意義的。以下從相關(guān)及平均場(chǎng)上分析各模態(tài)降水的物理量場(chǎng)關(guān)鍵特征，以期為預(yù)報(bào)提供線索。

5.1 A模態(tài)和B模態(tài)

在各模態(tài)降水與500hPa日平均高度場(chǎng)相關(guān)分布圖中，與A模態(tài)雨帶相關(guān)的系統(tǒng)有南海高壓脊和東亞大槽。與B型降水相關(guān)的系統(tǒng)有南支西風(fēng)槽和東亞沿岸槽，前者的活動(dòng)范圍(-0.06的相關(guān)區(qū))在江南到華南沿海(18°N～30°N)，中心位置在粵東到閩南一帶，后者的活動(dòng)范圍在30°N以北，一直到東海至日本海一帶。

B型降水是由南支西風(fēng)槽(如圖4中500hPa、700hPa渦度相關(guān)區(qū))前SW氣流和海上下來(lái)冷空氣(圖中地面24小時(shí)變壓相關(guān)區(qū))匯合成的，并且南支西風(fēng)槽主要表現(xiàn)為風(fēng)場(chǎng)，因B模態(tài)和24小時(shí)變高場(chǎng)無(wú)相關(guān)。從圖4還可看出，B模態(tài)降水由正型轉(zhuǎn)為負(fù)型的特征指標(biāo)是北面黃淮一帶700hPa由反氣旋渦度轉(zhuǎn)為氣旋式渦度(脊區(qū)轉(zhuǎn)為槽區(qū))，南面粵東到閩南一帶700～500hPa由氣旋渦度轉(zhuǎn)為反氣旋式渦度(南支西風(fēng)槽北縮或消失同時(shí)副高西伸北抬)。

圖4 B模態(tài)與700hPa渦度(實(shí)線)、500hPa渦度(長(zhǎng)虛線)、地面24小時(shí)變壓(短虛線)的相關(guān)分布

A模態(tài)不同于B、C模態(tài)的另一特點(diǎn)是和500hPa24小時(shí)變高相關(guān)明顯(相關(guān)中心值為-0.18，圖5)，負(fù)變高是由來(lái)自西北方的北支西風(fēng)槽引起的，圖5還顯示A型暴雨在閩浙一帶負(fù)變高平均為-12 gpm；與高空變高相關(guān)區(qū)對(duì)應(yīng)的是地面24小時(shí)變壓場(chǎng)上上游和下游分別有正、負(fù)相關(guān)區(qū)。

A模態(tài)和200hPa副熱帶西風(fēng)急流(夏季東亞副熱帶急流通常在30°N～45°N之間)、南壓高壓南側(cè)的東風(fēng)有較密切的相關(guān)(如圖6，其中心值分別為0.23、-0.18)，而B(niǎo)模態(tài)只與南壓高壓脊線及偏北側(cè)附近西風(fēng)有一定的相關(guān)性(相關(guān)中心值為0.09)。

圖5 A模態(tài)與500hPa變高(長(zhǎng)虛線)、地面24小時(shí)變壓(短虛線)相關(guān)分布及A型暴雨的500hPa 變高平均場(chǎng)(實(shí)線)

圖6 200hPa緯向風(fēng)和A模態(tài)(細(xì)實(shí)線)、B模態(tài)(虛線)相關(guān)系數(shù)分布圖和A型暴雨的200hPa急流(粗實(shí)線為200hPa≥30 m·s-1等風(fēng)速線)

在850hPa層次，A模態(tài)和緯向風(fēng)有正負(fù)兩片相關(guān)區(qū)，近于對(duì)稱分布在閩贛交界的南北兩側(cè)，相關(guān)零線(即切變線的最佳位置)在閩贛交界偏江西一側(cè)；而B(niǎo)模態(tài)相關(guān)區(qū)只有一片，主體處于華南北部到江南，當(dāng)這一帶西南風(fēng)偏大(急流)或偏小時(shí)有利-B型或B型降水出現(xiàn)。

5.2 C模態(tài)

分析發(fā)現(xiàn)，C模態(tài)和500hPa及以上各標(biāo)準(zhǔn)層高度場(chǎng)、渦度場(chǎng)、緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)都無(wú)相關(guān)，這表明該模態(tài)降水僅與低層環(huán)流有關(guān)，當(dāng)500hPa及以上高空槽不明顯或冷空氣僅以擴(kuò)散形式影響閩北時(shí)，易出現(xiàn)該模態(tài)降水。該模態(tài)和700hPa高度有負(fù)相關(guān)區(qū)，相關(guān)中心區(qū)在湖南中北部。當(dāng)相關(guān)區(qū)為弱脊(高度偏高，高度約為312 dagpm)時(shí)，其東北方的華北為槽，指示冷空氣從東路影響閩北，有利出現(xiàn)-C型降水；當(dāng)相關(guān)區(qū)轉(zhuǎn)為槽區(qū)(高度偏低，高度約為308 dagpm)時(shí)，其東北方轉(zhuǎn)為脊區(qū)，指示降水系統(tǒng)從西北路影響閩北；有利出現(xiàn)C型降水。

觀測(cè)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，當(dāng)回波從西北向東南移動(dòng)經(jīng)過(guò)閩北時(shí)，時(shí)常會(huì)在中部減弱，造成中東部降水偏少，形成C型降水場(chǎng)。這種降水場(chǎng)形成可能與閩北地形有關(guān)，北部三站處武夷山脈南風(fēng)迎風(fēng)坡，水汽供應(yīng)充沛，有利降水增幅，中部地帶為相對(duì)較緩的丘陵河谷低洼地帶，當(dāng)西北路回波到達(dá)中部時(shí)，有下坡加速效應(yīng)和焚風(fēng)效應(yīng)，使回波加快通過(guò)并使鋒區(qū)減弱，故降水相對(duì)減弱；但回波影響到南部的順昌、延平站時(shí)，這兩站處鷲峰山余脈的南風(fēng)迎風(fēng)坡，又有利降水增幅。另一方面，由于閩北中東部處于南北兩大山脈之間(西北面為武夷山脈，東南面為鷲峰山脈)，當(dāng)東路弱冷空氣從浙江到達(dá)時(shí)，與西南暖濕氣流迎面匯合易于使降水增強(qiáng)，有利形成-C型降水場(chǎng)。

5.3 溫度平流與各模態(tài)降水

從850hPa溫度平流和各模態(tài)降水的相關(guān)分布圖可以看出，850hPa冷暖平流對(duì)A型降水和B型降水有利(相關(guān)明顯)，但對(duì)-B型降水作用不明顯(相關(guān)弱)；來(lái)自閩北西南方的暖平流對(duì)C型降水有利(相關(guān)系數(shù)為0.07)，而來(lái)自浙江南部或其以東的冷平流對(duì)-C型降水有利(相關(guān)系數(shù)為0.07)。

6 結(jié)論與討論

①閩北日雨量主要由EOF前三個(gè)模態(tài)(A、B、C)所構(gòu)成，即全區(qū)一致變化型、南部和西北部反相變化型、中東部和其他站反相變化型。

②A模態(tài)降水從6月初開(kāi)始加強(qiáng)，高峰期在6月中下旬；B模態(tài)降水中心5月份多在南部，6月中旬后轉(zhuǎn)到西北部；C模態(tài)降水高峰期在6月，其降水中心在6月中旬會(huì)發(fā)生一次明顯轉(zhuǎn)折，即由中東部轉(zhuǎn)到西北部或南部。

③A模態(tài)降水屬于西南季風(fēng)和東北季風(fēng)匯合形成的降水，其不同于B、C模態(tài)的重要特征是和副熱帶西風(fēng)急流、南海副高脊以及500hPa 24小時(shí)變高有明顯相關(guān)。B模態(tài)降水和閩南(南面)或江南(北面)存在雨帶有很大的相關(guān)性，前者屬于南支西風(fēng)槽前SW氣流和東路冷空氣匯合形成的降水，后者屬于主雨帶南側(cè)副高西北側(cè)的暖區(qū)降水，二者發(fā)生轉(zhuǎn)折的特征指標(biāo)是700hPa渦度場(chǎng)北面江淮一帶由反氣旋渦度轉(zhuǎn)為氣旋式渦度(脊區(qū)轉(zhuǎn)為槽區(qū))，南面粵東到閩南一帶由氣旋渦度轉(zhuǎn)為反氣旋式渦度(南支西風(fēng)槽北縮消失同時(shí)副高西伸北抬)。C模態(tài)降水主要決定于低層流場(chǎng)，和閩北地形密切相關(guān)，當(dāng)700hPa高度場(chǎng)上湖南中北部為脊(偏高)時(shí)，冷空氣從東路影響閩北，有利該模態(tài)降水中心出現(xiàn)在中東部；當(dāng)為槽(偏低)時(shí)，降水系統(tǒng)從西北路影響閩北，有利該模態(tài)降水中心出現(xiàn)在西北部或南部。