闽中沿海地区短时强降水的环流特征

郑颖青 邵步粉 柯 杭

(福州市气象局，福建 福州 350008)

1 概述

短时强降水容易引发城市内涝和山洪、泥石流、山体滑坡等地质灾害，给社会经济和人民生活造成的影响日趋严重。各地对短时强降水进行了大量研究[1-4]，主要是分析强降水的时空分布规律和天气影响系统，总结了多种短时强降水天气概念模型。杨波、孙继松等[5]在对北京地区夏季短时强降水日的大尺度环流特征进行分型的基础上，基于分型合成场和距平场分析了北京地区短时强降水天气过程的基本环流背景。郑颖青等[6]针对福州市短时强降水，通过对强降水分级，设定短时强降水指数，分别按月份、时次、日等时间量和各县(市、区)、各自动站等地点统计各级别短时强降水的发生频次，并计算相应强降雨指数，得到细致的短时强降水时空分布特征。本文在此基础上，把研究空间范围扩大到福建中部沿海地区(以下简称闽中沿海，包含福州、莆田、平潭)，时间调整为2013—2018年主汛期(每年4—9月)，分析短时强降水时空分布特征；选取主汛期较强的非台风短时强降水日，基于中低层大尺度环流特征或影响系统对这些短时强降水日进行天气系统分型；并对同一类型的短时强降水日大气环流基本要素计算其平均场(即合成场)和距平场，得到各类型短时强降水日的主要天气系统特征；对比分析不同天气系统影响下闽中沿海短时强降水的时空分布特征差异，为本地区的短时强降水预报提供参考依据。

2 资料与方法

选取闽中沿海地区(福州、莆田、平潭)2013—2018年每年主汛期(4—9月)资料年限长度大于5年(2014年3月31日前建站)的344个自动站逐时雨量资料。由于本地区多数强降雨过程从午后延续到上半夜，本文以当日8时～次日8时为日界；环流分析还使用了1°×1° ECMWF再分析资料。

短时强降水的定义参照国家气象中心业务标准，以1小时雨量R1≥20mm作为短时强降雨。首先统计2013—2018年每年4—9月闽中沿海地区所有自动站除台风、东风波等热带系统外的短时强降水事件，作为筛选具有较强中尺度信息的短时强降水个例，并考虑自动站降水记录的可靠性，当该日(08时至次日08时，北京时)有10%以上的自动站、每个站至少1个时次1小时雨量超过20mm，且该日的短时强降雨指数[6]达90%分位值以上，作为较强短时强降水日，6年中挑选出短时强降水日67天；然后基于中低层大气的大尺度环流特征对这67个短时强降水日进行环流分型。

根据叶榕生等[7]研究，福建省天气系统分型以850hPa环流特征或影响系统为主，对67个短时强降水日进行分型。用ECMWF细网格(1°×1°)再分析资料，对同一类型短时强降水日，计算包含500hPa位势高度、850hPa水平风、850hPa温度和925hPa水汽通量等大尺度环流基本要素的平均场(即合成场)和距平场，得到各类型短时强降水过程的主要天气系统特征。由于强降水事件的月份跨度较大，分月计算距平值(距平值=实况值-当月的多年平均值)。考虑到不同类型短时强降水日的样本数差异较大，在统计对比各类型短时强降水频次的空间分布特征时采用均一化方法，即每个类型各自动站强降水发生频次采用式(1)进行计算，使其结果均映射到[0，1]。

(1)

其中，x为某一自动站的发生频次，xmin、xmax分别是所有参与计算的自动站中发生短时强降水事件最少、最多的频次，X*为均一化的结果。

3 天气系统分型

以08时850hPa形势为主，结合地面和中低层大气的其它大尺度环流特征，对67个短时强降水日进行分型。结果如下：①冷式切变型有27天，其主要环流特点是25°N～30°N，115°E～120°E有由西北风与西南风构成的东西走向或ENE-WSW走向的冷式切变；②静止锋切变型有15天，主要环流特点是24°N～30°N，115°E～120°E有由东-东北风与西南风构成的静止锋切变；③暖切适中型2天，主要环流特点是25°N～29°N，115°E～120°E有由东南风与西南风构成的暖式切变；④暖切偏北型10天，主要环流特点是30°N～33°N，115°E～120°E有由东南风与西南风构成的暖式切变；⑤低槽型3天，其主要环流特点是25°N～29°N，115°E～120°E有低槽活动；⑥西南气流型7天，主要环流特点是江南、华南都为西南气流控制；⑦其他型3天，其中1天为高压中心附近，1天为小切变(仅邵武站东风，其余西南风)，1天为长江下游低槽东移，南方以西南气流为主。由于分型较多，部分类型个例少，考虑并型。并型方法：低槽型并入冷式切变型，暖切偏北型并入西南气流型；这样结果主要有3型：①冷式切变型30天(占总数的40.3%)，②静止锋切变型15天(占总数的22.4%)，③西南气流型17天(占总数的25.4%)，本文主要分析这三个类型短时强降水的时空分布和环流特征。暖切适中型、其他型由于个例少，不予分析。

4 不同天气类型闽中沿海地区短时强降水的时空分布特征

不同天气系统影响下，闽中沿海地区短时强降水的空间分布特征见图1。 图1a为三个类型闽中沿海地区短时强降水总日数的空间分布，可以看到短时强降水的多发地比较分散，主要分布在中东部地区，包含莆田市区西部和东北部、仙游西部和东南部、长乐西南部—闽侯南部—福清北部、闽侯中部—福州市区西南部、福州市区东部、连江东北部—罗源东部一带，而平潭、福清东南部、永泰西部、闽清西南部和东北部等地属于少发区。冷式切变型短时强降水日(图1b)在多数地方的分布和总日数分布比较一致，区别在于仙游东南部、闽侯中部—福州西南部、罗源东部的日数不多。静止锋切变强降水(图1c)多发地主要在闽侯中部、永泰东北部、莆田市区东北部、罗源东部。而西南气流型强降水(图1d)多发地集中在仙游西部和南部。

图2为三个类型短时强降水日的逐时强降水站次分布，可以看到三个类型强降水的日变化差别不太大，强降水都集中在午后到上半夜；峰值都在18—19时之间，西南气流型(图2c)略早些，静止锋切变型(图2b)略晚些。西南气流型上午就有强降水发展，峰值不突出，15—18时都在150站次上下；冷式切变型(图2a)18—19时两个时次都维持峰值(19时仅比18时多1个站次)。

(a)三个类型短时强降水总日数 (b)冷式切变型强降水日数的均一化分布

(a)冷式切变型

5 闽中沿海地区短时强降水过程的主要天气系统特征

由于三个类型短时强降水多数都发生在午后到上半夜，为此主要分析短时强降水发生前的8时和处于短时强降水前期的14时的环流场。

5.1 冷式切变型

8时500hPa位势高度图(图3a)上，中纬度环流经向度较大，蒙古国、贝湖及以西地区为脊区,深厚的东亚大槽位于我国东北—黄海—长江下游；位势高度距平场上，低于-7dagm的负距平中心在我国东北地区，我国东部除华南外均为负距平，东亚大槽异常偏强有利于引导冷空气影响我国南方地区。在850hPa高度上，8时距平风场(图3b)东北地区西部—华北东部—黄淮—长江中下游—福建省北部有明显的偏北距平风，华南地区为西南偏西距平风；温度距平(图3b)落后于距平风场，浙江南部—福建北部温度梯度大，江南南部、华南为正温度距平，闽中沿海距平约1.5℃，表明强降雨发生前，闽中沿海地区处于明显回暖。8时925hPa水汽通量距平场(图3c)上28°N及其以北地区为偏北—西北风，华南到福建中南部有西南风水汽通道，闽中沿海地区水汽通量散度为正值。14时500hPa槽有所加深；925hPa西北风水汽通量(图3d)到达闽北，闽中沿海地区水汽通量散度转为-0.2×10-5～0g/(hPa·m2·s)。850hPa偏北气流向南推进，闽中沿海地区北部己转为西北距平风，西北风和华南的西南气流在闽中沿海地区交汇；闽中沿海的气温距平降至1.0℃左右，浙江南部—福建中北部温度梯度大；说明锋区到达福建中部，冷暖空气在闽中沿海地区南北向对峙是其主要环流特征。

5.2 静止锋切变型

8时500hPa位势高度场(图4a)上中纬度多波动，东亚大槽在东北地区东部到朝鲜半岛一带；低于-3dagm的负距平中心位于库页岛以东，东北地区西部—华北北部和华南地区为正距平，闽中沿海地区为距平零线附近。850hPa距平风场(图4b)我国北方中东部地区为气旋性环流，长江中下游东北气流异常显著，华南西南气流较为明显。长江口有气温距平负中心(图4b)，长江中下游为负距平，28°N以南为正距平，闽中沿海地区处0.6～0.9℃的正温度距平。925hPa 8时闽北28°N以北有东北风水汽通量(图4c)，华南到福建省中南部有西南风水汽通量，闽中沿海地区水汽通量散度为正值。14时500hPa长江下游及以南地区高度距平减小，槽底有所南压到东海，有利于冷空气扩散到福建沿海地区；850hPa福建北部转为偏北距平风，东北气流和西南气流在闽中沿海地区附近交汇；福建北部温度梯度大，锋区到达福建中部沿海地区，冷暖空气在闽中沿海地区南北向对峙是其主要环流特征；925hPa偏北风水汽通量(图4d)到达27°N，闽中沿海地区大部水汽通量散度转为负值。

(a) (b)

(a) (b)

5.3 西南气流型

8时500hPa高度场(图5a)上，中纬度以纬向环流为主，东亚槽偏东偏弱，已移至日本海。高度距平场上，蒙古国和日本海为-2.0～-1.5dagm的负距平，渤海—山东半岛—黄海北部1.5～2.0dagm的正距平，南方地区都为正距平，闽中沿海地区为0.5～1.0dagm的正距平。850hPa距平风场(图5b)我国东部大部分地区都为明显的异常偏南风，江淮地区有暖式切变，南海地区有气旋性环流，江南、华南西南气流异常偏强。我国东部地区都为正温度距平(图5b)，江南大部(含闽中沿海地区)距平1.0～1.5℃，表明强降雨发生前闽中沿海地区回暖明显。925hPa华北以南的我国东部大部有偏南风水汽通道(图5c)，江南到华南为西南风水汽通道，闽中沿海地区水汽通量散度为-0.5×10-5～0g/(hPa·m2·s)，故此型经常在上午就发生短时强降雨，这也是区别于前面两个类型的地方。14时500hPa高度东亚槽更偏东更弱，渤海、黄海正距平加大；850hPa湖南、贵州一带温度距平明显增大，福建中西部，温度距平有所减小，福建沿海地区温度正距平仍较大，925 hPa江南大部水汽通量散度场转为弱的正值，但福建省沿海和华南沿海仍维持负值(图5d)。

(a) (b)

5.4 类型对比

以上三个类型8时500hPa位势高度场上差异较大，冷式切变型福建为负距平、静止锋切变型福建中部地区为零线附近、西南气流型福建为正距平。三个类型8时850hPa都有明显的温度正距平，表明前期低层回暖为强降雨提供充足的热量，是闽中沿海强降雨发生的重要条件。925hPa三个类型南海北部、北部湾、华南西南风水汽通量都异常偏强，三个类型强降雨的水汽都来自上述地区。三个类型8时200hPa散度都为正值，14时散度都明显增大(图略)，高层辐散增强了整层大气的抬升运动。冷式切变型和静止锋切变型底层要以对流性降水为主，雨强大，9月受冷空气和偏东急流影响，在海南岛东部沿海地区的短时强降水一般量级较大。汛期短时强降水的日变化特征呈单峰型，高峰时间段在13—19时，且强度大。

6 结论

①汛期影响闽中沿海地区短时强降水的西风带天气系统主要有冷式切变型、静止锋切变型、西南气流型。三个类型强降雨的水汽均来自于南海和北部湾，前期低层回暖是强降雨发生的重要条件。

②闽中沿海地区西风带系统的短时强降水多发于中东部地区。冷式切变型强降水分布相对较广，静止锋切变型强降水主要发生在闽侯中部、永泰东北部、莆田市区东北部、罗源东部，而西南气流型强降水集中于仙游西部和南部。

③三个类型强降水都集中于午后到上半夜，峰值都在18—19时之间，冷式切变型和静止锋切变型这两种有冷空气活动的强降雨类型表现更为明显，这与此两类型强降雨日上午水汽通量散度为正值，午后转为负值有关；西南气流型8时和14时水汽通量散度都为负值，故此型上午就有少数强降雨发生，而午后的频次增长相对平缓。