鄢鳳玉，楊屹杰

福建省三明市氣象局，福建三明 365000

氣象觀測是氣象業(yè)務(wù)、科研和服務(wù)的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)天氣預(yù)報和氣候分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和驗(yàn)證的重要標(biāo)準(zhǔn)[1]。通過采集區(qū)域氣象要素并結(jié)合觀測經(jīng)驗(yàn)，能夠?qū)Ξ?dāng)?shù)乜赡墚a(chǎn)生的氣象災(zāi)害進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)估，減輕氣象災(zāi)害帶來的負(fù)面影響，保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的順利進(jìn)行[2]。

福建省地處亞熱帶海洋季風(fēng)氣候，是氣象災(zāi)害多發(fā)的省份之一[3]，位于福建中北部內(nèi)陸地區(qū)的三明市，在氣象災(zāi)害中，暴雨和冰雹這類強(qiáng)對流天氣發(fā)生頻繁且危害較大。目前，三明市建設(shè)的氣象觀測站大大提高了對暴雨、局地強(qiáng)對流天氣的預(yù)警監(jiān)測能力，為防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)提供了科學(xué)的決策依據(jù)，但這些觀測站缺乏科學(xué)性評估。

根據(jù)中國氣象局關(guān)于提高氣候核心業(yè)務(wù)能力的要求，需要針對天氣氣候業(yè)務(wù)和專業(yè)氣象服務(wù)對觀測布局和氣象要素觀測精度的不同要求，繼續(xù)優(yōu)化站點(diǎn)布局方案。研究將基于暴雨和冰雹2個影響較大的氣象災(zāi)害，討論三明市氣象站觀測布局的合理性。

1 資料來源

降水資料使用三明市4—9月134個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的逐小時降水資料。

地質(zhì)災(zāi)害資料為2013—2017年三明市地災(zāi)記錄數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)暴雨發(fā)生后地災(zāi)的發(fā)生情況，分為小型(S)、中型(M)、大型(L)、特大型(XL)。

冰雹資料為1961—2020年三明市1 018條冰雹數(shù)據(jù)記錄，包含降雹時間、降雹地點(diǎn)(精確到鄉(xiāng)鎮(zhèn))、冰雹直徑和災(zāi)情等信息。

2 基于暴雨和地災(zāi)分布評估自動站分布的合理性

2.1 暴雨分布特征

暴雨過程篩選：基于2013—2017年的暴雨日(20:00～翌日20:00)數(shù)據(jù)，綜合考慮暴雨范圍和強(qiáng)度，對暴雨日進(jìn)行篩選，同時滿足以下條件：暴雨發(fā)生的鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)(共134鄉(xiāng)鎮(zhèn))降序排列前50位，降水極值降序排列前50位，得到27個暴雨日，其中，13日分布在4—6月的前汛期，14日分布在7—9月的后汛期，后汛期的暴雨日次數(shù)多于前汛期。

分別統(tǒng)計(jì)暴雨日的強(qiáng)度分布和頻次分布，可以明確暴雨日的關(guān)鍵區(qū)。平均前汛期暴雨日降水量(圖1左)顯示各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的暴雨強(qiáng)度極值在三明市西北部最為顯著，最大值為70～90 mm，這與三明西北部前汛期易發(fā)生對流性降水有密切關(guān)系。平均后汛期暴雨日降水量(圖1右)，強(qiáng)度極值分布的區(qū)域與前汛期相比更分散，主要集中在山區(qū)等海拔較高的區(qū)域，最大值為70～85 mm。而三明市前汛期暴雨日頻次分布(圖略)與暴雨日強(qiáng)度分布相似，前汛期的西北部地區(qū)頻次較多，可達(dá)7～9次，而后汛期暴雨日頻次較多的區(qū)域集中在山區(qū)。

圖1 2013—2017年前汛期(左)和后汛期(右)暴雨強(qiáng)度分布圖

從三明市前汛期和后汛期暴雨頻次和強(qiáng)度的分布特征來看，前汛期強(qiáng)對流降水主要集中在西北部區(qū)域，并且強(qiáng)度極值相對后汛期較高，后汛期的強(qiáng)降水各地均有發(fā)生，并且主要集中在山地海拔較高的地區(qū)，說明山地地形對強(qiáng)降水的形成有促進(jìn)作用。

2.2 暴雨分布特征及地質(zhì)災(zāi)害的影響

2.2.1 地災(zāi)分布特征三明市2013—2017年地災(zāi)發(fā)生總次數(shù)為329次，其中，小型300例，中型16例，大型3例，特大型0例，未標(biāo)注地災(zāi)等級10例，三明市小型地災(zāi)的發(fā)生次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于其他等級的地災(zāi)。

2.2.2 暴雨日對應(yīng)的地災(zāi)分布特征從三明市前汛期和后汛期暴雨日3 d內(nèi)地災(zāi)發(fā)生次數(shù)(圖2)來看，前汛期地災(zāi)發(fā)生次數(shù)遠(yuǎn)多于后汛期。從分布區(qū)域來看，前汛期地災(zāi)發(fā)生區(qū)域主要集中在西北部，北部和西部也有分布。后汛期暴雨日降水極值較前汛期較小，分布范圍較廣，對應(yīng)3 d內(nèi)地災(zāi)發(fā)生次數(shù)較少，主要分布在西南部的降水極值地區(qū)。

圖2 三明市27個暴雨日開始3 d內(nèi)前汛期(左)和后汛期(右)地災(zāi)的分布特征

統(tǒng)計(jì)27個暴雨日當(dāng)天開始2、3、5、7 d內(nèi)地災(zāi)發(fā)生的樣本量分別為123、125、131、137例，前汛期和后汛期對應(yīng)暴雨日當(dāng)天開始2、3、5、7 d內(nèi)地災(zāi)發(fā)生的樣本量如表1所示。地災(zāi)主要發(fā)生在前汛期，且在2～7 d內(nèi)地災(zāi)發(fā)生次數(shù)相差不多，后汛期地災(zāi)發(fā)生次數(shù)較少，但隨著暴雨日過后天數(shù)增加，地災(zāi)次數(shù)也隨之增長，后汛期前期降水累計(jì)量與地災(zāi)有一定的聯(lián)系。

表1 暴雨日發(fā)生后不同天數(shù)地災(zāi)發(fā)生個數(shù)

將篩選暴雨日的降序排列閾值擴(kuò)大至前100位，得到74個暴雨日，統(tǒng)計(jì)暴雨日7 d內(nèi)發(fā)生地災(zāi)的次數(shù)，前汛期237次和后汛期47次，暴雨日期間地災(zāi)的發(fā)生占全部地災(zāi)的86.3%。

總體而言，地質(zhì)災(zāi)害的分布特征與暴雨分布特征有著密切的關(guān)系，4—6月地災(zāi)多發(fā)生于西北部山區(qū)，對應(yīng)前汛期暖區(qū)暴雨，發(fā)生區(qū)域集中且地災(zāi)等級更高；7—9月地災(zāi)明顯減少，地災(zāi)分布區(qū)域分散。

2.3 地災(zāi)監(jiān)測角度對現(xiàn)有自動站觀測布局評估

三明市分布有282個氣象站，從27個暴雨日3 d內(nèi)地災(zāi)點(diǎn)距離最近自動站的距離(圖3)可見，大部分地災(zāi)點(diǎn)距離自動站的最近距離均小于6 km，8 km以上的占少數(shù)。前汛期地災(zāi)發(fā)生次數(shù)較多的西北部，有部分氣象站距地災(zāi)點(diǎn)較遠(yuǎn)，而地災(zāi)次數(shù)發(fā)生較少的東南部區(qū)域，氣象站距地災(zāi)點(diǎn)較遠(yuǎn)的比例略高，它們多數(shù)分布在山脈附近。

圖3 暴雨日3 d內(nèi)地災(zāi)發(fā)生點(diǎn)與自動氣象站的最近距離分布

6 km自動站分布足以捕捉和監(jiān)測暴雨的位置和強(qiáng)度，用于監(jiān)測目的的自動站可以基本覆蓋地災(zāi)發(fā)生點(diǎn)。從與暴雨相關(guān)的氣象站分布來看，西北部氣象站多，可以監(jiān)測前汛期以強(qiáng)降水為主的氣象災(zāi)害，做好預(yù)報預(yù)警工作。

3 基于冰雹分布評估觀測分布合理性

3.1 冰雹分布特征

春雹期(3—5月)是一年中冰雹次數(shù)和強(qiáng)度最強(qiáng)的時期。統(tǒng)計(jì)1961—2020年三明市1 018條冰雹數(shù)據(jù)的月分布規(guī)律發(fā)現(xiàn)，冰雹主要發(fā)生在3—5月春冰雹期，共812例，以及7—9月夏雹期，共113例，共占所有冰雹例數(shù)的91.0%，其中，以4月發(fā)生次數(shù)最多，為438次。在1 018例冰雹中，記錄中有冰雹直徑數(shù)據(jù)共606例，其中，冰雹直徑＞50 mm的有119例，同樣集中發(fā)生在3—5月的春雹期。

3.2 冰雹發(fā)生角度對現(xiàn)有觀測布局評估

統(tǒng)計(jì)各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的冰雹發(fā)生次數(shù)(圖4)發(fā)現(xiàn)，冰雹發(fā)生次數(shù)10次以上的集中在三明市西部的山脈區(qū)域和東部的部分山區(qū)，其中，冰雹發(fā)生次數(shù)30次以上的區(qū)域集中在西南部。對比冰雹次數(shù)發(fā)生較多的區(qū)域和氣象站分布情況來看，部分區(qū)域冰雹分布較多區(qū)域氣象站分布較少，以西南部為例，冰雹最為集中發(fā)生的區(qū)域，氣象站分布較為稀疏。

圖4 1961—2020年三明市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)生冰雹次數(shù)分布

為了直觀地反映各個縣(市、區(qū))冰雹次數(shù)和氣象站的個數(shù)對比關(guān)系，統(tǒng)計(jì)各個縣(市、區(qū))的面積、冰雹發(fā)生次數(shù)和氣象站個數(shù)。從各個縣(市、區(qū))氣象站的個數(shù)與冰雹發(fā)生次數(shù)來看，存在冰雹發(fā)生次數(shù)多的區(qū)域氣象站點(diǎn)較少的特點(diǎn)。其中，明溪最為明顯，清流和寧化次之，而這3個縣是冰雹發(fā)生次數(shù)最多的。考慮到縣市之間面積的大小可能影響氣象站分布的疏密，因此，將氣象站個數(shù)與縣市面積進(jìn)行比較，得到氣象站疏密程度，再與冰雹次數(shù)進(jìn)行對比(圖5)，同樣發(fā)現(xiàn)西南部的明溪、清流和寧化在冰雹發(fā)生次數(shù)較多的情況下，自動站分布最疏，其中，明溪更為顯著。

圖5 三明市11個縣(市、區(qū))氣象站個數(shù)與面積比值和冰雹發(fā)生次數(shù)

氣象站只能監(jiān)測冰雹這類強(qiáng)對流天氣可能相伴的降水、雷雨和大風(fēng)等，無法有效對冰雹天氣過程進(jìn)行預(yù)報預(yù)警，需要結(jié)合雷達(dá)等監(jiān)測手段。根據(jù)三明市觀測，天氣雷達(dá)站分布在西北部泰寧高海拔地區(qū)，離西南部有一定的距離，該地區(qū)全省有2部雷達(dá)覆蓋，重疊度較小，也有較遠(yuǎn)的距離，同時存在地形的遮擋問題。而風(fēng)廓線雷達(dá)分布在偏北部地區(qū)和偏南部地區(qū)，顧及不到西南部較常發(fā)生冰雹的區(qū)域。在春雹季，冰雹移動普遍是偏西南路徑，因此，建議利用X波段雷達(dá)(有探測距離短、掃描速度快、分辨高的特點(diǎn))，加強(qiáng)三明市最西南部地區(qū)對冰雹天氣過程的監(jiān)測預(yù)警能力。

4 結(jié)論

從三明市暴雨日分布特征、對應(yīng)地災(zāi)發(fā)生情況和冰雹發(fā)生地區(qū)分布情況來看，主要發(fā)生季節(jié)均在春季(3—6月)，對應(yīng)前汛期(4—6月)和春雹期(3—5月)。其中，暴雨易發(fā)生地點(diǎn)在三明市西北部，冰雹易發(fā)生地點(diǎn)在三明市西南部。結(jié)合全市氣象站分布情況發(fā)現(xiàn)，西北部氣象站分布較為密集，能對暴雨進(jìn)行有效監(jiān)測，且能監(jiān)測到的地災(zāi)距離氣象站大部分小于6 km，能有效監(jiān)測預(yù)警前汛期強(qiáng)對流降水及其可能導(dǎo)致的地災(zāi)；而西南部的氣象站分布相對較為稀疏，對春雹期冰雹天氣的監(jiān)測較為不利，需要適當(dāng)增添氣象站和雷達(dá)等設(shè)備。