基于区域自动站资料的闽中地区前汛期短时强降水特征分析*

罗艳艳 吴雪贞 郑宝智 孙蔡亮



基于区域自动站资料的闽中地区前汛期短时强降水特征分析*

罗艳艳1吴雪贞2郑宝智3孙蔡亮3

1.莆田市涵江区气象局 2.莆田市荔城区气象局 3.莆田市气象局

利用2008—2011年的区域自动气象站资料，通过数理统计、分析归纳等方法，从时空分布、天气学分型、地面中尺度表现等方面分析闽中地区前汛期短时强降水的特征，结果表明，闽中地区前汛期短时强降水主要出现在下午到傍晚，持续时间多在5～8小时，区域内河谷区、河口区和喇叭口地形区为主要发源地；冷式切变型是闽中地区短时强降水发生最主要的天气形势，其次是暖式切变型；对于低槽型、冷切型和暖切型的短时强降水，降水前沿地面辐合线的走向和移速对随后1～2小时强降水落区的预报有重要的指示作用。

区域自动站资料 前汛期 短时强降水 闽中地区

2005年起，福建省气象局在全省范围内相继建立区域自动气象站，其传回的高密度气象资料为预报预测提供了强大的数据支撑。但是，目前对该资料的应用研究仍处于起步阶段，常常仅起到查看实况的作用。而在短时强降水的预报中，特别是对于强降水的落区及其发展趋势预报，在高空探测资料较稀疏的情况下，往往会强调地面气压、温度、湿度的细致分析，以及上述要素与风、湿度、天气现象等要素的不连续线分析，因此高密度、高时空分辨率区域自动站资料的应用显得尤为重要。本文采用区域自动气象站资料，从时空分布、天气学分型、地面中尺度表现等方面分析闽中地区前汛期短时强降水的特征，以期为闽中地区短时强降水的预报预测提供科学的参考。

1 资料来源及相关定义

1.1 资料来源

短时强降水个例分析所用资料为2008—2011年福建省区域自动站资料（含常规气象站），并采用逻辑性检验、空间连续性检查来进行资料质量控制；天气形势分型采用中国气象局下发的常规探空资料；前汛期的认定以福建省气候公报为依据，确定2008—2011年前汛期分别为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 相关定义

1.2.1 研究区域

根据前汛期短时强降水天气的特点、实际业务需求和本文的研究重点，本文的闽中地区定义为莆田市及其上下游临近区域（见图1），包括莆田市、仙游县、福清市、平潭县、永泰县、德化县、永春县、南安市、泉州市、惠安县。

图1 短时强降水个例研究区域

1.2.2 短时强降水个例选取

在研究区域内，以4个及以上的区域站（或常规气象站）3小时出现30毫米以上累积降水为短时强降水的统计标准，选取2008—2011年符合统计条件的短时强降水天气个例。考虑到区域降水天气的连续性，从区域累积降水发展达到统计的起始标准为一个样本的开始，累积降水连续两个时刻未达到降水统计标准的时刻为一个样本的结束。由于台风属东风带系统，降水的性质应区别于前汛期暴雨，因此统计时段中将台风（台风倒槽）影响时出现的短时强降水个例剔除。

根据上述统计标准，闽中地区2008年—2011年前汛期共有41个短时强降水过程，其中2008年有11个、2009年有15个、2010年有13个、2011年有2个。

2 闽中地区短时强降水天气时空分布特征

2.1 时间分布特征

2.1.1 日分布

从降水时段来看，短时强降水在一天24小时内均可出现，但出现主要时次集中在14～20时（中午到傍晚时段），占总数的44.4%（见表1），其次是20～02时（夜间），占22.2%，08～14时（上午）出现的概率为18.5%，02～08时（凌晨）出现的概率最低仅为14.8%。结果表明，闽中地区前汛期短时强降水在下午到傍晚时段出现概率最大，在夜间出现的概率也较大。

表1 2008—2011年闽中地区短时强降水发生时次分布概率表

本文研究的41个短时强降水过程中，沿海生成和发展的有6个，而值得注意的是，在这6个沿海短时强降水个例中，有5个出现在夜间20时至次晨08时，1个出现在上午。因此对于沿海几个县市，前汛期短时强降水预报的特别重点关注时段是夜间到清晨时段。

2.1.2 持续时间分布

从降水的持续时间来看（见表2），持续时间<5h的短时强降水过程有6个，占比重的14.6%，5～8h的有30个，占73.2%，>8h的有5个，占12.2%。最长连续出现时间达12h。降水持续时间的分布情况反映出前汛期期间闽中地区短时强降水天气具有典型的中尺度特征。

表2 2008—2011年闽中地区短时强降水持续时间分布表

2.2 空间分布特征

2.2.1 短时强降水空间分布

2008—2011年闽中地区年平均出现短时强降水天气过程约4.8次。由图2可见，短时强降水天气多发区多分布在莆田、仙游、永春三地，多发区年平均出现短时强降水天气在6次以上，仙游最高，达8次；福清、德化、南安和泉州次之，惠安和平潭较少，年平均仅为2.5～2.8次之间。

2.2.2 短时强降水源地分布

在41个过程中，短时强降水雨团在研究区域内生成的有24个（占58.5%），从研究区域外移入的有17个（占41.5%）。区域内生成的个例较从区域外移入的多17%。

进一步分析区域内生成的24个短时强降水过程发现，短时强降水多发源于河谷区、河口区和喇叭口地形区（图3），有18个集中在上述区域，占比例的75%。多发区域具体为永春中部（B）、南安中北部（C）的河谷区，泉州南部的晋江入海口（D）和德化中南部的喇叭口地形区（A）。

分析研究区域外移入的17个短时强降水过程发现，雨团移经上述易发区域（图3）时，雨团都有不同程度的加强。

图2 2008—2011年闽中地区短时强降水空间分布

图3 2008—2011年闽中地区短时强降水源地指示图

3 天气分型

3.1 天气分型说明

参考福建省前汛期暴雨预报概念模型中的850hPa环流形势分型[1]，从短时临近预报的角度，从突出问题的主要矛盾出发，对分型进行了简化，仅考虑本省及其周边省份（广东、江西、浙江，台湾）系统的影响，选取20～31°Ｎ、112～125°E为关键区（如图4所示）。

图4 天气学分型关键区示意图

根据短时强降水过程中最临近时刻实况探空资料中低层切变或低槽的位置，把850hPa环流形式分为：（1）冷式切变型，冷式切变在（23～31°N，112～124°E）；（2）暖式切变型，暖式切变在（21～31°N，112～125°E）；（3）低槽型，低槽在（23.5～31°N，112～125°E）；（4）其他型，不符合以上三种天气型的统称为其他型。

3.2 短时强降水天气过程分型结果

分型结果表明，2008—2011年期间冷式切变是导致发生短时强降水发生最主要的天气形势，其出现的比例占了58.5%（见表3），其次是暖式切变型和其他型，分别占22%和12.2%，低槽型最少，仅占7.3%。此外，其他型多数情况均属于锋前暖区西南风下，关键区域内未见明显风向不连续线，但均存在西南急流和西南风速的辐合。

表3 2008—2011年闽中地区短时强降水期间主要天气形势分布表

4 基于区域自动气象站资料的地面中尺度特征分析

4.1 区域自动站风场中尺度特征分析

边界层辐合线作为强降水发生发展的动力条件之一，是短时强降水发生、发展临近预报的关键[2]。为了探求短时强降水落区与强降水前沿辐合线的相关性，我们利用区域自动站风场资料对选取的41次短时强降水天气过程每隔1小时进行逐时次分析来统计它们的匹配性。所谓匹配,就是从雨团移动到选定区域或在选定区域生成时，如果其前一时次雨团前沿存在着有效的辐合线与之对应，则称当前时次整体相互匹配。

图5展示了短时强降水个例的降水前6小时和降水中雨区、地面辐合线二者的匹配，其中横坐标为本研究中41个短时强降水过程的序列号，可见二者的匹配率分布不均，降水的前6小时，最大可达83%，最小为17%；强降水过程中，匹配关系同样没有明显的规律，最小为38%，最大达到了90%。总体来说，降水中的匹配率要明显高于降水前6小时。

图5 2008—2011年闽中地区短时强降水过程中降水前6小时和降水中雨区与地面辐合线的匹配关系

进一步统计不同天气类型降水过程的匹配特征可见（表4），前6小时平均匹配率最高的为冷切型，匹配率达58%，其次是低槽型，达56%，暖切型和其他型较低，仅为33%～37%；强降水期间平均匹配率低槽型与冷切型相当，分别为78%和77%，暖切型次之，为64%，其他型最小，仅为46%。降水结束前1～2小时，常常出现地面复合线消失，仅存流场上的弱辐合，指示着降水逐渐趋于结束。

表4 2008—2011年闽中地区短时强降水过程中强降水区与地面辐合线的匹配关系

上述分析表明，对于闽中地区的短时强降水，特别是在低槽型、冷切型和暖切型，强降水前沿的地面辐合线的走向、移度均对随后1～2h强降水落区的预报有非常重要的指示作用，强降水中心随风场辐合区的移动而移动，且降水中心位于风场辐合区中风速较小处，当地面风增大时预示着该处的降水强度将迅速减弱。

另外，对于低槽型和冷切型的短时强降水，在降水发生前6h，主要维持偏南、东南气流和弱的偏西气流，在降水前2～3h，降水区的东北、北部由偏南风转为东北（或偏北）风，偏北气流的出现增强了降水区域附近的辐合，当地面风增大时，预示着降水将增强后迅速减弱。这说明降水区北部及东北部的偏北气流是触发强降水发展的关键因素；而对于暖切型和其他型的降水，在强降水发生前1～1.5h，降水区及其周边的偏南暖式气流、东南气流存在跃增现象，且存在风速的辐合，辐合值的大小与下游区域的降水强度有一定的对应。当风速辐合消失时，降水将逐渐减弱。

4.2 区域自动站气压场中尺度特征分析

研究表明，气压场上的气压波动与暴雨存在密切的关系[3]，为了探求短时强降水和气压波动的相关性，我们利用消除日变化后的区域自动站24小时变压场资料，选取41次短时强降水天气过程中雨强最强的那个站，进行逐时次分析来统计气压波动与小时雨量≥30mm的降水时刻的匹配性，无气压要素的站点选用离它最近的站点代替。

分析结果表明，在单站气压变化中存在一些中尺度的气压波动。波动周期一般为3～4h，最长为5～6h，振幅一般小于2hPa，波动与降水具有很好的对应关系，强降水一般出现在气压波谷中，而对于冷切型的个例，更多的是出现在波脊上。这种波动在低槽型个例中比较突出（表5），出现的概率达到87%，其次是其他型（西南气流），匹配率达83%，暖式切变型和冷切型短时强降水个例的这一特征出现的概率仅为41%和52%。

表5 2008—2011年闽中地区短时强降水不同个例中过程最强雨量的站点与气压波动的匹配关系

5 结论

（1）闽中地区前汛期短时强降水主要出现在下午到傍晚、夜间，持续时间多在5～8小时，具有典型的中尺度特征。

（2）闽中地区前汛期短时强降水多发区为莆田、仙游、永春三地，年平均出现短时强降水天气在6次以上；短时强降水多发源于永春中部、南安中北部河谷区、泉州南部河流入海口区和德化中南部的喇叭口地形区。

（3）850hPa冷式切变是闽中地区短时强降水发生最主要的天气形式，其出现比例占了58.5%，其次是暖式切变型和其他型。

（4）闽中地区低槽型、冷切型和暖切型的短时强降水，强降水前沿的地面辐合线的走向、移速均对随后1～2小时强降水落区的预报有重要的指示作用；气压波动与降水有很好的对应关系，低槽型和其他型（西南气流）短时强降水一般出现在气压波谷中，冷切型多出现在波脊上。

[1]林新彬，刘爱鸣，林毅, 等.福建省天气预报技术手册[M].北京：气象出版社，2013.

[2]刁秀广，车军辉，李静, 等.边界层辐合线在局地强风暴临近预警中的应用[J].气象，2009,35(2)：29-33.

[3]刘兵，陈静静，姚蓉, 等. 湖南2010年6月19日大暴雨过程地面中尺度分析[J].贵州气象，2010(34)：78-82.

福建省气象局青年科技专项（2010q01），福建省莆田市气象局科研专项（201611）。