閩中沿海地區短時強降水的環流特征

鄭穎青 邵步粉 柯 杭

(福州市氣象局，福建 福州 350008)

1 概述

短時強降水容易引發城市內澇和山洪、泥石流、山體滑坡等地質災害，給社會經濟和人民生活造成的影響日趨嚴重。各地對短時強降水進行了大量研究[1-4]，主要是分析強降水的時空分布規律和天氣影響系統，總結了多種短時強降水天氣概念模型。楊波、孫繼松等[5]在對北京地區夏季短時強降水日的大尺度環流特征進行分型的基礎上，基于分型合成場和距平場分析了北京地區短時強降水天氣過程的基本環流背景。鄭穎青等[6]針對福州市短時強降水，通過對強降水分級，設定短時強降水指數，分別按月份、時次、日等時間量和各縣(市、區)、各自動站等地點統計各級別短時強降水的發生頻次，并計算相應強降雨指數，得到細致的短時強降水時空分布特征。本文在此基礎上，把研究空間范圍擴大到福建中部沿海地區(以下簡稱閩中沿海，包含福州、莆田、平潭)，時間調整為2013—2018年主汛期(每年4—9月)，分析短時強降水時空分布特征；選取主汛期較強的非臺風短時強降水日，基于中低層大尺度環流特征或影響系統對這些短時強降水日進行天氣系統分型；并對同一類型的短時強降水日大氣環流基本要素計算其平均場(即合成場)和距平場，得到各類型短時強降水日的主要天氣系統特征；對比分析不同天氣系統影響下閩中沿海短時強降水的時空分布特征差異，為本地區的短時強降水預報提供參考依據。

2 資料與方法

選取閩中沿海地區(福州、莆田、平潭)2013—2018年每年主汛期(4—9月)資料年限長度大于5年(2014年3月31日前建站)的344個自動站逐時雨量資料。由于本地區多數強降雨過程從午后延續到上半夜，本文以當日8時～次日8時為日界；環流分析還使用了1°×1° ECMWF再分析資料。

短時強降水的定義參照國家氣象中心業務標準，以1小時雨量R1≥20mm作為短時強降雨。首先統計2013—2018年每年4—9月閩中沿海地區所有自動站除臺風、東風波等熱帶系統外的短時強降水事件，作為篩選具有較強中尺度信息的短時強降水個例，并考慮自動站降水記錄的可靠性，當該日(08時至次日08時，北京時)有10%以上的自動站、每個站至少1個時次1小時雨量超過20mm，且該日的短時強降雨指數[6]達90%分位值以上，作為較強短時強降水日，6年中挑選出短時強降水日67天；然后基于中低層大氣的大尺度環流特征對這67個短時強降水日進行環流分型。

根據葉榕生等[7]研究，福建省天氣系統分型以850hPa環流特征或影響系統為主，對67個短時強降水日進行分型。用ECMWF細網格(1°×1°)再分析資料，對同一類型短時強降水日，計算包含500hPa位勢高度、850hPa水平風、850hPa溫度和925hPa水汽通量等大尺度環流基本要素的平均場(即合成場)和距平場，得到各類型短時強降水過程的主要天氣系統特征。由于強降水事件的月份跨度較大，分月計算距平值(距平值=實況值-當月的多年平均值)?？紤]到不同類型短時強降水日的樣本數差異較大，在統計對比各類型短時強降水頻次的空間分布特征時采用均一化方法，即每個類型各自動站強降水發生頻次采用式(1)進行計算，使其結果均映射到[0，1]。

(1)

其中，x為某一自動站的發生頻次，xmin、xmax分別是所有參與計算的自動站中發生短時強降水事件最少、最多的頻次，X*為均一化的結果。

3 天氣系統分型

以08時850hPa形勢為主，結合地面和中低層大氣的其它大尺度環流特征，對67個短時強降水日進行分型。結果如下：①冷式切變型有27天，其主要環流特點是25°N～30°N，115°E～120°E有由西北風與西南風構成的東西走向或ENE-WSW走向的冷式切變；②靜止鋒切變型有15天，主要環流特點是24°N～30°N，115°E～120°E有由東-東北風與西南風構成的靜止鋒切變；③暖切適中型2天，主要環流特點是25°N～29°N，115°E～120°E有由東南風與西南風構成的暖式切變；④暖切偏北型10天，主要環流特點是30°N～33°N，115°E～120°E有由東南風與西南風構成的暖式切變；⑤低槽型3天，其主要環流特點是25°N～29°N，115°E～120°E有低槽活動；⑥西南氣流型7天，主要環流特點是江南、華南都為西南氣流控制；⑦其他型3天，其中1天為高壓中心附近，1天為小切變(僅邵武站東風，其余西南風)，1天為長江下游低槽東移，南方以西南氣流為主。由于分型較多，部分類型個例少，考慮并型。并型方法：低槽型并入冷式切變型，暖切偏北型并入西南氣流型；這樣結果主要有3型：①冷式切變型30天(占總數的40.3%)，②靜止鋒切變型15天(占總數的22.4%)，③西南氣流型17天(占總數的25.4%)，本文主要分析這三個類型短時強降水的時空分布和環流特征。暖切適中型、其他型由于個例少，不予分析。

4 不同天氣類型閩中沿海地區短時強降水的時空分布特征

不同天氣系統影響下，閩中沿海地區短時強降水的空間分布特征見圖1。 圖1a為三個類型閩中沿海地區短時強降水總日數的空間分布，可以看到短時強降水的多發地比較分散，主要分布在中東部地區，包含莆田市區西部和東北部、仙游西部和東南部、長樂西南部—閩侯南部—福清北部、閩侯中部—福州市區西南部、福州市區東部、連江東北部—羅源東部一帶，而平潭、福清東南部、永泰西部、閩清西南部和東北部等地屬于少發區。冷式切變型短時強降水日(圖1b)在多數地方的分布和總日數分布比較一致，區別在于仙游東南部、閩侯中部—福州西南部、羅源東部的日數不多。靜止鋒切變強降水(圖1c)多發地主要在閩侯中部、永泰東北部、莆田市區東北部、羅源東部。而西南氣流型強降水(圖1d)多發地集中在仙游西部和南部。

圖2為三個類型短時強降水日的逐時強降水站次分布，可以看到三個類型強降水的日變化差別不太大，強降水都集中在午后到上半夜；峰值都在18—19時之間，西南氣流型(圖2c)略早些，靜止鋒切變型(圖2b)略晚些。西南氣流型上午就有強降水發展，峰值不突出，15—18時都在150站次上下；冷式切變型(圖2a)18—19時兩個時次都維持峰值(19時僅比18時多1個站次)。

(a)三個類型短時強降水總日數 (b)冷式切變型強降水日數的均一化分布

(a)冷式切變型

5 閩中沿海地區短時強降水過程的主要天氣系統特征

由于三個類型短時強降水多數都發生在午后到上半夜，為此主要分析短時強降水發生前的8時和處于短時強降水前期的14時的環流場。

5.1 冷式切變型

8時500hPa位勢高度圖(圖3a)上，中緯度環流經向度較大，蒙古國、貝湖及以西地區為脊區,深厚的東亞大槽位于我國東北—黃海—長江下游；位勢高度距平場上，低于-7dagm的負距平中心在我國東北地區，我國東部除華南外均為負距平，東亞大槽異常偏強有利于引導冷空氣影響我國南方地區。在850hPa高度上，8時距平風場(圖3b)東北地區西部—華北東部—黃淮—長江中下游—福建省北部有明顯的偏北距平風，華南地區為西南偏西距平風；溫度距平(圖3b)落后于距平風場，浙江南部—福建北部溫度梯度大，江南南部、華南為正溫度距平，閩中沿海距平約1.5℃，表明強降雨發生前，閩中沿海地區處于明顯回暖。8時925hPa水汽通量距平場(圖3c)上28°N及其以北地區為偏北—西北風，華南到福建中南部有西南風水汽通道，閩中沿海地區水汽通量散度為正值。14時500hPa槽有所加深；925hPa西北風水汽通量(圖3d)到達閩北，閩中沿海地區水汽通量散度轉為-0.2×10-5～0g/(hPa·m2·s)。850hPa偏北氣流向南推進，閩中沿海地區北部己轉為西北距平風，西北風和華南的西南氣流在閩中沿海地區交匯；閩中沿海的氣溫距平降至1.0℃左右，浙江南部—福建中北部溫度梯度大；說明鋒區到達福建中部，冷暖空氣在閩中沿海地區南北向對峙是其主要環流特征。

5.2 靜止鋒切變型

8時500hPa位勢高度場(圖4a)上中緯度多波動，東亞大槽在東北地區東部到朝鮮半島一帶；低于-3dagm的負距平中心位于庫頁島以東，東北地區西部—華北北部和華南地區為正距平，閩中沿海地區為距平零線附近。850hPa距平風場(圖4b)我國北方中東部地區為氣旋性環流，長江中下游東北氣流異常顯著，華南西南氣流較為明顯。長江口有氣溫距平負中心(圖4b)，長江中下游為負距平，28°N以南為正距平，閩中沿海地區處0.6～0.9℃的正溫度距平。925hPa 8時閩北28°N以北有東北風水汽通量(圖4c)，華南到福建省中南部有西南風水汽通量，閩中沿海地區水汽通量散度為正值。14時500hPa長江下游及以南地區高度距平減小，槽底有所南壓到東海，有利于冷空氣擴散到福建沿海地區；850hPa福建北部轉為偏北距平風，東北氣流和西南氣流在閩中沿海地區附近交匯；福建北部溫度梯度大，鋒區到達福建中部沿海地區，冷暖空氣在閩中沿海地區南北向對峙是其主要環流特征；925hPa偏北風水汽通量(圖4d)到達27°N，閩中沿海地區大部水汽通量散度轉為負值。

(a) (b)

(a) (b)

5.3 西南氣流型

8時500hPa高度場(圖5a)上，中緯度以緯向環流為主，東亞槽偏東偏弱，已移至日本海。高度距平場上，蒙古國和日本海為-2.0～-1.5dagm的負距平，渤?！綎|半島—黃海北部1.5～2.0dagm的正距平，南方地區都為正距平，閩中沿海地區為0.5～1.0dagm的正距平。850hPa距平風場(圖5b)我國東部大部分地區都為明顯的異常偏南風，江淮地區有暖式切變，南海地區有氣旋性環流，江南、華南西南氣流異常偏強。我國東部地區都為正溫度距平(圖5b)，江南大部(含閩中沿海地區)距平1.0～1.5℃，表明強降雨發生前閩中沿海地區回暖明顯。925hPa華北以南的我國東部大部有偏南風水汽通道(圖5c)，江南到華南為西南風水汽通道，閩中沿海地區水汽通量散度為-0.5×10-5～0g/(hPa·m2·s)，故此型經常在上午就發生短時強降雨，這也是區別于前面兩個類型的地方。14時500hPa高度東亞槽更偏東更弱，渤海、黃海正距平加大；850hPa湖南、貴州一帶溫度距平明顯增大，福建中西部，溫度距平有所減小，福建沿海地區溫度正距平仍較大，925 hPa江南大部水汽通量散度場轉為弱的正值，但福建省沿海和華南沿海仍維持負值(圖5d)。

(a) (b)

5.4 類型對比

以上三個類型8時500hPa位勢高度場上差異較大，冷式切變型福建為負距平、靜止鋒切變型福建中部地區為零線附近、西南氣流型福建為正距平。三個類型8時850hPa都有明顯的溫度正距平，表明前期低層回暖為強降雨提供充足的熱量，是閩中沿海強降雨發生的重要條件。925hPa三個類型南海北部、北部灣、華南西南風水汽通量都異常偏強，三個類型強降雨的水汽都來自上述地區。三個類型8時200hPa散度都為正值，14時散度都明顯增大(圖略)，高層輻散增強了整層大氣的抬升運動。冷式切變型和靜止鋒切變型底層要以對流性降水為主，雨強大，9月受冷空氣和偏東急流影響，在海南島東部沿海地區的短時強降水一般量級較大。汛期短時強降水的日變化特征呈單峰型，高峰時間段在13—19時，且強度大。

6 結論

①汛期影響閩中沿海地區短時強降水的西風帶天氣系統主要有冷式切變型、靜止鋒切變型、西南氣流型。三個類型強降雨的水汽均來自于南海和北部灣，前期低層回暖是強降雨發生的重要條件。

②閩中沿海地區西風帶系統的短時強降水多發于中東部地區。冷式切變型強降水分布相對較廣，靜止鋒切變型強降水主要發生在閩侯中部、永泰東北部、莆田市區東北部、羅源東部，而西南氣流型強降水集中于仙游西部和南部。

③三個類型強降水都集中于午后到上半夜，峰值都在18—19時之間，冷式切變型和靜止鋒切變型這兩種有冷空氣活動的強降雨類型表現更為明顯，這與此兩類型強降雨日上午水汽通量散度為正值，午后轉為負值有關；西南氣流型8時和14時水汽通量散度都為負值，故此型上午就有少數強降雨發生，而午后的頻次增長相對平緩。