尤溪縣區域自動站暴雨天氣系統統計特征及其應用*

阮錫章 洪維群 張家斌 朱仕杰 鄭文君

各區域站含縣站，下同

尤溪縣區域自動站暴雨天氣系統統計特征及其應用*

阮錫章1洪維群1張家斌1朱仕杰2鄭文君1

（1.福建省尤溪縣氣象局，福建 三明 365100；2.福建省順昌縣氣象局，福建 南平 353200）

利用尤溪縣氣象站及各鄉鎮2009—2016年區域自動站最新降水量資料，對128個暴雨及以上降水過程按影響天氣系統進行分類，采用統計縣站及各區域站間年雨量、暴雨及大暴雨天氣過程兩兩之間的相關系數，分析各地降水量的關聯性以及暴雨天氣系統分布規律。結果表明，①尤溪縣各區域站之間暴雨降雨量存在顯著相關，但各區域站大暴雨降雨量的相關性較差。②暴雨天氣系統分類中，Ⅰ類：低層切變（伴高空槽、冷空氣）出現次數最多，占總數的68%；Ⅱ類：臺風（含熱帶風暴或其環流）占總數的16%；Ⅲ類：副高邊緣（含副高控制）、Ⅳ類：偏南風輻合（含東風波）合計占總數的16%。前兩類各區域站之間暴雨降水量存在顯著相關，通過信度0.01檢驗的占比達91%和76%；Ⅳ類關聯性較差，而Ⅲ類基本沒有關聯，因此后兩類暴雨尤其是大暴雨降水預報中應以報部分鄉鎮或局部性為宜。③根據各區域站之間強降水雨量兩兩相關系數，確定了尤溪中部區域、尤溪東南部戴云山脈區域、尤溪西北部玳瑁山脈區域等強降水一致區，作為短臨天氣預警預報的依據之一。

暴雨 天氣系統 統計特征 強降水一致區 尤溪縣區域自動站

福建省中部地區擁有豐富的山地、氣候和水資源，素有“八山一水一分田”之稱，低山丘陵和中山等山地面積約占總面積的80%以上，分布有戴云山、玳瑁山等山脈；冬季受大陸氣團控制，多偏北風，干旱少雨；夏季受海洋氣流影響，濕潤多雨，盛行偏南風，溫暖濕潤的夏季風使高溫與多雨同期出現，為農業、水電生產和森林生態建設奠定了極為有利的自然氣候條件，成為全國重要的商品糧生產基地和重點林業區之一。同時由于地處東南沿海和復雜的地形地貌，暴雨等自然災害較為頻發[1-4]，因此做好強降水天氣的預警預報工作尤為重要。為了加強對閩中區域暴雨天氣變化規律的認識，發揮區域自動站資料在現代天氣預報中的作用，做好水庫蓄水發電及防洪防汛氣象服務。本文以地處福建省幾何地理中心的尤溪縣降水資料為基礎，分析其暴雨分布及影響天氣系統特征，探討降水一致區及其在強降水預警預報的應用，為開展短臨氣象預報和氣象服務工作提供技術支撐。

1 資料來源與分析方法

1.1 研究區域概況

尤溪縣位于福建省中部山區，介于117.8～118.6°E、25.8～26.4°N，屬于中亞熱帶季風氣候。地理上位于武夷山以南至戴云山脈之間，境內海拔高差較大，山巒起伏；東南部為戴云山脈主體部分，其中大模山海拔高度1472m，為全縣最高山峰；西北部為玳瑁山脈北段。兩山脈走向呈東北—西南向，與我國東南沿海呈大致平行，對東南暖濕氣流產生動力抬升作用，對北方南下的冷空氣起阻滯、分流作用[1]。縣內水系發育，其中流域面積100 km2以上的大小河流14條，大小水電站100多座；最大河流——尤溪河，發源于大田屏山和永安豐田洋，在坂面鎮入境，從西南向東北流經本縣中部，于尤溪口注入閩江。沿尤溪河兩岸地勢較低，多為丘陵和山間盆谷，這些盆谷地和東、西部山間小盆地是該縣主要農業耕作區，是全國商品糧基地縣之一。因此，暴雨天氣對農業和水電等生產有重要影響。

尤溪縣暴雨分布受到地形地貌、山脈走向及距離東海岸線遠近的影響：①尤溪縣東南部屬戴云山脈的主體部分（平均海拔高度在800～1200m），西北部系玳瑁山脈東段南坡（平均海拔高度在600～1000m），地形抬升作用使降水增強，尤其夏季當臺風或熱帶氣旋靠向福建省東部沿海時，其西側東北或偏東氣流遇山脈阻擋，其抬升作用更為明顯；②該縣地勢從西南向東北傾斜，造成從東路南下的冷空氣沿中部尤溪河從東北方向侵入，隨冷暖空氣勢力強弱的不同對比，在不同的區域位置形成邊界輻合線，而觸發對流性降水（在切變線類暴雨中，其作用尤為明顯）；③除兩大主要山脈外，該縣地貌破碎、褶皺發育強烈，形成高低不同的眾多峰巒，如金峰山、金雞山、羅漢山、北山巖等，其最高海拔高度在1100～1300m，在副高或其邊緣控制下、熱力對流引發的對流性強降水中，其局地性明顯。

1.2 資料與方法

采用尤溪縣氣象局及各區域自動氣象站（以下稱各區域站）2009-2016年資料平均年月雨量（其中湯川從2010年8月18日開始有自動站記錄，八字橋、中仙、閩湖分別有缺1~3個月不等的資料，經審核有問題的資料不予統計）、逐日暴雨（20~20時日雨量≥50mm）、大暴雨（20~20時日雨量≥100mm）資料，分析暴雨、大暴雨的地理、時間分布特征；分別統計縣站及各區域站間年雨量、暴雨及大暴雨天氣過程的兩兩相互間的相關系數，確定暴雨天氣的一致區[5-6]；對128個暴雨及以上降水過程按影響天氣系統分為四類：低層切變（伴高空槽、冷空氣）、臺風（含熱帶風暴或其環流）、副高邊緣（含副高控制）、偏南風輻合（含東風波），分別統計縣域內各地暴雨及以上降水量的兩兩相關系數，進一步分析暴雨天氣過程的影響天氣系統特征及其規律，并應用于短臨氣象預報預警服務工作。

2 統計結果分析

2.1 降水概況

該縣2009—2016年平均年雨量介于1506.5（尤溪口）～1995.6mm（湯川）（八字橋2015.3mm，因資料不全未選）之間，從年、月降水量變化情況與常年相比較看，2010年、2012年、2015年、2016年偏多，其中以2016年最多，各地年雨量介于1636mm（聯合）～2501mm（湯川），2009年、2011年、2013年、2014年偏少；以2011年偏少最為明顯，以年雨量1054mm（洋中）為最少。年內降水高值期出現在4～6月，占全年雨量的36.6%~43.6%，通常也稱為雨季或前汛期。多雨季（3~9月）占全年雨量的68.3%~73%，少雨季（10~2月）占全年雨量的19. 1%～23.5%。

2.2 暴雨的時空分布特征

2009—2016年，暴雨過程共163天，4月份開始，暴雨次數逐漸增多，4~9月暴雨過程（140天）占全年的86%，10月份以后暴雨日數趨于減少，10~3月（23天）占14%；各地年平均暴雨日數4~7天，以八字橋、洋中和城關較多，在6天以上。大暴雨過程共25天，其中4~9月（24天）占全年的96%；4月份開始出現大暴雨，受臺風影響，7、8月份成為大暴雨最多的月份。各地累年大暴雨日數在1～10天不等，以湯川、中仙、臺溪較多，達9~10天；年均大暴雨天數1天或以下（見表1）。最大暴雨出現在2013年8月22日，受臺風“譚美”影響，最大日雨量達206.7mm（湯川）；出現連續性大暴雨共有3次(年出現概率38%)，分別出現在2010年6月14～15日、2013年7月13～14日和2014年7月23～24日，后兩次均是受臺風影響造成。

表1 尤溪縣各區域站2009-2016年暴雨、大暴雨日數

注：各區域站含縣站，下同。

2.2.14~6月暴雨日數

春夏之交，冷暖空氣在尤溪縣上空頻繁劇烈交綏，從4月份開始，暴雨天數逐漸增多。4~6月累年暴雨日數9~25天，年均1.1～3.1天，占全年的30%~50%；多的達22天或以上（八字橋、坂面、縣站），少的僅12天或以下（中仙、湯川、玉澗）。月累年大暴雨日數1~9天不等，年均0.1~1.3天；較多如中仙、湯川、臺溪（9天），少的如管前、西城，僅1天。

2.2.27~9月暴雨日數

7~9月尤溪縣處副熱帶海洋性氣團控制下，天氣不穩定，產生局地性暴雨；遇熱帶風暴（臺風）影響，容易產生大范圍或連續性暴雨甚至大暴雨，也是一年中暴雨、特別是大暴雨天氣比較多的季節。據統計，累年7~9月暴雨日數14~21天，年均1.8~2.6天，占全年的30%~60%；多的達20天或以上（洋中、湯川、臺溪），少的僅15天或以下（新陽、八字橋、坂面、擁口、尤溪口）。累年大暴雨日數0～8天不等，年均0～1天；較多的達8天或以上如中仙、臺溪、湯川，少的0天，如管前、西城。

2.2.311月暴雨日數

秋冬季暴雨日數較少，但在秋冬季過渡時節的11月份，受冷空氣、中低層切變線和南支槽東移影響[7-8]，降水量和暴雨日數呈一小高峰期，暴雨天氣過程2～3年一遇。

綜上，春夏之交由于冷暖空氣相互作用，冷空氣從北方南下，遇玳瑁山等山脈阻擋、抬升作用，西部、北部地區暴雨較多，如八字橋、管前、坂面等鄉鎮；在盛夏，由于熱帶海洋性氣團及熱帶風暴（臺風）影響，受到該縣東南部戴云山脈的抬升作用，容易形成暴雨、大暴雨天氣，因而暴雨、大暴雨日數相對較多，如湯川、中仙、洋中、臺溪等鄉鎮。

2.2.4各區域站降水分布的關聯性

（1）各區域站暴雨降雨量兩兩之間相關系數：通過信度0.01檢驗有136/136= 1，各區域站之間暴雨降雨量存在顯著關聯（樣本數=128，α0.01=0.254，α0.05=0.195）。各相關系數見表2，下同。

（2）各區域站大暴雨降雨量兩兩之間相關系數：通過信度0.01檢驗有46/136= 0.338，未通過信度0.05檢驗有58/136=0.426，僅34%區域站之間大暴雨降雨量存在顯著關聯（樣本數=19, α0.01=0.575, α0.05=0.4555）。

分析有的區域站之間大暴雨相關系數小的原因，有的是因測站之間距離較遠，有的是與小地形作用有關，如聯合地處該縣最北邊，其北面有金雞山、西面有金峰山等地形作用，使之與其他多數站點之間相關系數都很小。又如新陽、坂面與溪尾、湯川之間，除了所處的地形環境不同外，相距較遠（40km以上）也是重要原因。

（3）統計各站年雨量兩兩之間相關系數：通過信度0.01檢驗的有81個，占59.6%，即60%區域站之間年雨量存在顯著關聯；未通過信度0.05檢驗的有11個，占8.8%（樣本數=6, α0.01=0.9172, α0.05=0.8114）。各相關系數不再列出，下同。

表2 尤溪縣各區域站之間暴雨、大暴雨降雨量相關系數

續表2

注：斜體字（相關系數=1）部分為暴雨、大暴雨共同的相關系數，其左下角部分為暴雨的相關系數，右上角部分為大暴雨的相關系數。

由此可見，各區域站之間年雨量、暴雨降雨量存在顯著關聯，而大暴雨降雨量關聯性較差。

3.3 暴雨的影響天氣系統分類特征

3.3.1暴雨影響天氣系統分類

統計暴雨日且完整有16個區域站資料共有126天，將其影響天氣系統分成以下4類[8]：

（Ⅰ）類：低層切變（伴高空槽、冷空氣），計有86天，占總數的68%；

（Ⅱ）類：臺風（含熱帶風暴或其環流），計20天，占總數的16%；

（Ⅲ）類：副高邊緣（含副高控制），計6天，占總數的5%；

（Ⅳ）類：偏南風輻合（含東風波），計14天，占總數的11%；

3.3.2各分類暴雨在各區域站分布的關聯性

統計各分類暴雨各區域站兩兩之間相關系數及通過各顯著性檢驗的個例占比百分率，得出以下結果：

由表3可見，各區域站之間切變（伴高空槽、冷空氣）類、臺風（含熱帶風暴或其環流）類暴雨降雨量存在顯著關聯，未通過信度0.05檢驗的個例占比在10%以內（見表3中Ⅰ、Ⅱ類），其形成機理與這兩類系統為天氣尺度，系統的時空尺度大有關。偏南風輻合（含東風波）暴雨降雨量關聯性較差，其未通過信度0.05檢驗的個例占比達62.5%（見表3中Ⅳ類）；而副高邊緣（含副高控制）暴雨降雨量基本沒有關聯，未通過信度0.05檢驗的個例占比達91.2%（見表3中Ⅲ類），Ⅲ類、Ⅳ類兩型暴雨多由對流性的中小尺度系統引起，局地性強，因此在預報中應以報部分鄉鎮或局部性為宜。

表3 各分類暴雨各區域站間相關系數通過各顯著性檢驗的個例占比

3.3.3大暴雨影響天氣系統分類

大暴雨的影響天氣系統只有（Ⅰ）、（Ⅱ）類。

（Ⅰ）類：低層切變（伴高空槽、冷空氣）類計有13天，占總數的54%；

（Ⅱ）類：臺風（含熱帶風暴或其環流）類計有11天，占總數的46%。

3.4 降水一致區選擇及應用

3.4.1強降水一致區的確定

本文所稱降水一致區是指受某一天氣系統影響時，其降水出現時間和強度都比較相近的區域。將各區域站之間暴雨、大暴雨降水量兩兩相關系數均通過0.01信度檢驗的連片區域確定為優選（或一級）暴雨一致區，未達這一條件但均通過0.05信度檢驗的連片區域確定為普通（或二級）暴雨一致區，進而確定暴雨高度一致區。篩選結果見表4。

表4 各區域站暴雨、大暴雨降水一致區篩選結果

基于以上統計結果，結合閩中地區地形地勢特點和影響天氣系統分析[9-16]，得出以下強降水高度一致區：

①尤溪中部沿河區域：縣站-西城-新陽-梅仙-坂面（切變類、偏南風輻合類暴雨優選一致區）；

②尤溪東南部戴云山脈區域：中仙-湯川-臺溪-玉澗-洋中（切變類、臺風環流類暴雨優選一致區）；

③尤溪西北部玳瑁山脈區域：縣站-八字橋-新陽-管前-坂面-閩湖（切變類、臺風環流、偏南風輻合類暴雨優選一致區）。

3.4.2強降水一致區在預報服務工作中的應用

在上述強降水一致區劃分的基礎上，結合標準差統計，采用VB編程確定暴雨天氣區作為短臨天氣預報強降水劃區的參考依據,在2018年業務應用中取得顯著社會效益和經濟效益。

強降水一致區氣象服務平臺技術流程見圖1。

圖1 強降水一致區氣象服務平臺技術流程

4 結果和討論

（1）尤溪縣各區域站之間暴雨降雨量存在顯著相關，但各區域站大暴雨降雨量的相關系數較差，通過信度0.01檢驗的只有34%，未通過信度0.05檢驗的有43%，因此在預報工作中可發布全縣性的暴雨預報，除個別強臺風中心經過本區域外，大暴雨降水預報多以報局部性為宜。

（2）暴雨影響天氣系統分類中，低層切變（伴高空槽、冷空氣）類出現次數最多，占總數的68%；其次是臺風（含熱帶風暴或其環流）類，占總數的16%；副高邊緣（含副高控制）類和偏南風輻合（含東風波）類合計占總數的16%。

（3）在暴雨影響天氣系統分類中，以低層切變（伴高空槽、冷空氣）類和臺風（含熱帶風暴或其環流）類的各區域站之間降水量存在顯著相關，通過信度0.01檢驗達91%和76%；偏南風輻合（含東風波）暴雨降雨量關聯性較差，而副高邊緣（含副高控制）暴雨降雨量基本沒有關聯，因此這兩類影響天氣系統的暴雨降水預報中應以報部分鄉鎮或局部性為宜。

（4）根據各區域站之間強降水雨量兩兩相關系數，確定了尤溪中部區域、尤溪東南部戴云山脈區域、尤溪西北部玳瑁山脈區域等強降水一致區的基礎上，采用VB編程劃分強降水天氣區作為短臨天氣預警預報的依據之一；同時結合面雨量的計算，計算上游來水量，確定洪水高程，應用ArcGIS軟件制作尤溪流域防洪方案。

（5）本文在應用區域自動站資料為暴雨預報服務方面進行了有益的嘗試，由于資料年代較短，尚不能取得較為全面的降水氣象資料，對于特定區域位置是否存在強降水高頻區等需要更深入的研究，鄉鎮精細化預報服務有待進一步探討。

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三明市科技發展計劃項目。

P458.1+21.1

A

1673-8683(2020)01-0014-06