闽中南前汛期短时强降水低空急流特征分析

许骏宁 廖晓婷 姚永建

(1.福建省减灾中心，福建 福州 350001；2.福建省惠安县气象局,福建 泉州 362100；3.福建省莆田市气象局，福建 莆田 351100)

1 概述

研究表明，低空急流是前汛期强降水发生发展的一个关键性因素，它向强降水区输送水汽、热量和不稳定能量[1-2]，同时低空急流上的中小尺度脉动也与强降水密切相关[3-4]，因此低空急流是强降水的强度和落区的精细化预报中一个重要因子。因常规探空资料一天仅有两次(08h和20h)，时空分辨率较低，所以长久以来对低空急流的中尺度特征及其脉动的认识不足。在常规探空资料无法满足精细化预报的要求的情况下，利用数据质量及传输效率稳定的高山自动气象站资料作为补充，是提高对低空急流的特征及其脉动与强降水间关系的认识，并提高前汛期强降水预报准确率和精细化水平的有效措施。

2 资料来源及相关定义

2.1 资料来源

采用常规观测资料和2008—2013年福建省区域自动气象站数据。前汛期的起始时间来源于福建省气候公报(表1)。

表1 2008—2013年福建前汛期起始时间

2.2 相关定义

2.2.1 研究区域和高山代表站的确定

设定研究区域以九仙山气象站为中心，以九仙山站至红尖山站连线为切面的半径110km范围的半圆区域内(图1)，基本覆盖泉州市、莆田市大部分地区及周边部分县市。筛选区域内海拔高度在1500m左右的高山自动气象站，兼顾天气系统的上下游效应和区域自动站资料的连续性，确定九仙山气象站(海拔1654m，德化县)和红尖山气象站(海拔1485m，龙岩市)为高山代表站。

图1 研究区域

2.2.2 研究个例的选取

短时强降水的统计标准为研究区域内有4个及以上的自动站3小时出现30mm以上累积降水。以降水达到统计标准时刻作为一个个例的开始，连续两个时刻降水未达到统计标准的时刻为结束。降水最强时期指降水过程中小时雨强最强的时刻。前汛期期间由台风造成的短时强降水个例不列入统计。

经统计，2008—2013年共有67个短时强降水个例，逐年分别为11个、15个、13个、2个、12个、14个。

3 天气学分型

3.1 分型定义

建立2008—2013年前汛期闽中南短时强降水个例资料库(67个样本)，并根据短时强降水过程中最临近时刻850hPa的影响系统，对67个个例进行天气学分型。

借鉴福建省前汛期暴雨的850hPa天气分型[5]，结合短时临近预报的特点，选取20°N～31°N、112°E～125°E为关键区[6](图2)，把850hPa环流型分为： 1)冷切型：冷式切变在(23°N～31°N，112°E～124°E)；2)暖切型：暖式切变在(21°N～31°N，112°E～125°E)；3)低槽型：低槽在(23.5°N～31°N，112°E～125°E)；4)其他型：不符合以上3种天气型的统称为其他型。

图2 天气学分型关键区

3.2 分型结果

2008～2013年期间短时强降水850hPa最主要的环流型是冷式型(58.5%)，其次是暖切型(22%)和其他型(12.2%)，低槽型相对少(7.3%)。其他型多见于锋前暖区，研究区域存在低空西南急流，并且常伴有风速辐合。

4 基于高山站资料的低空急流与前汛期强降水关系

4.1 风资料种类的确定

对2010—2013年5月、6月九仙山站与福州站的850hPa风资料进行对比分析，在2分钟、10分钟、小时最大风、小时瞬时风以及小时极大风等5种不同风资料中，两站的小时最大风速最为接近(相关系数0.76)，同时其风向的一致性也较好，风向夹角<45°达86%，在风速≥8 m/s的情况下一致性接近100%。因此，确定小时最大风为本研究的分析中使用的风资料种类。

4.2 风的脉动与强降水的关系

4.2.1 相关定义

公平贸易有别于传统的贸易，它为弱势生产者和消费市场构建了一种可持续发展的贸易伙伴关系。在国际贸易市场上公平贸易的贸易方式在咖啡、香蕉、可可等行业有着很多成功运营的经验，国内的公平贸易的多在茶叶、少数民族手工制品等相关领域。公平贸易是一种与众不同的发展理念和模式，是一种在谈判，透明化和尊重的基础上促进贸易合作的一种运动，目的在于改善小型生产者的地位，促使公共贸易更公平。

定义沿红尖山站至九仙山站一线，西南风速突然增大，增幅达4m/s以上且持续3小时以上的风的变化为西南风脉动开始，逐时次向后追踪直到西南风风速均小于8m/s为脉动终止,起止持续时间为一次脉动过程。脉动传播速度指脉动从红尖山站传播至九仙山站速度。对2008—2013年闽中南地区67次强降水过程中风的脉动特征分析，并对不同类型的强降水过程分别进行统计，分析结果如表2。

表2 2008—2013年闽中南地区短时强降水天气学分型

4.2.2 风速脉动特征

分析结果表明，在一次强降水过程中，经常存在1～3次风速的脉动，不同天气型的强降水平均脉动次数有所区别(表3)，其他型和冷切型的强降水个例平均脉动次数达到了2次以上，而低槽型的强降水脉动次数仅为1.3次；脉动的生命史在3.4～5.6h，其中，暖切型强降水的平均脉动生命史最长，达到5.6 h，低槽型的生命史最短，为3.4 h；脉动的平均最大振幅方面，冷切型强降水脉动振幅最大，达到8m/s,其次是低槽型强降水的6.7m/s，暖切型和其他型在4.3～4.8 m/s，风速的增强对于暴雨中尺度系统的触发具有重要意义，在冷切型和低槽型强降水中尤其显著。

4.2.3 急流的脉动及其与强降水的关系

67个强降水个例中(表3)，除了个别低槽型和冷切型强降水中风速未达到急流标准外，大多数短时强降水个例中均伴有低空急流的出现；强降水开始的时间往往在风速脉动开始之后的0.8～2.5h，其中，冷切型强降水的时间落后最少，平均仅为0.8h，低槽型强降水以1.2h次之，暖切型和其他型相当，在2h以上。不同类型强降水中脉动开始时间与强降水最强期时间差同样差异较大，低槽型和冷切型强降水过程雨强最强时期在脉动开始后2.5～2.8h，而暖切型和其他型强降水过程雨强最强时期在脉动开始后4.1～4.5h。

表3 2008～2013年闽中南地区67次不同天气型强降水过程中风速脉动特征

通过急流的脉动在红尖山站和九仙山站之间的传播可以考察急流脉动的传播情况，分析结果表明，大部分强降雨中，均存在急流轴上风速脉动有规律的向东北传播，尤其在暖切型和冷切型强降水中最为显著，在低槽型强降水中的表现稍弱。在脉动的传播速度方面，冷切型和其他型强降水中风速脉动的传播速度最快，分别达到63km/h和68km/h,低槽型强降水中风速的传播速度最慢，仅为35km/h。

4.3 个例应用

以2018年6月6日11～21时闽中地区强降水过程为例开展讨论。这是一个冷切型强降水过程，持续时长10小时。

图3 2018年6月6日4～24时区域小时最大雨量和九仙山、红尖山的风速变化

分析降水过程中九仙山站风速变化特征可见，6日11～17时该站有11～14时、15～17时共2次风速脉动，风速分别从8 m/s增强到12 m/s、10 m/s增强到17 m/s，脉动的生命史均为3小时，脉动振幅较大，最大达到7 m/s，2次脉动均达到急流的标准。将风速变化特征与研究区域内小时最强雨量对比，2次风速脉动对应强降水过程中的两个降水集中期(11～17时、19～21时)，脉动达到最大振幅的时间相比降水峰值分别提前2小时和5小时，风速的脉动提前于小时降水峰值的出现，在实际预报中有较好的应用价值。

红尖山站和九仙山站的风速变化曲线有较好的一致性，在西南急流方向轴上，红尖山站的风速的振幅变化在大多数情况下都优先于九仙山站，本次过程中19～21时的降水集中期同时伴有风速脉动和红尖山至九仙山一线的西南风速辐合，小时最强降水的极值(21时，74mm)也出现在这个集中期。这种特征在其他多个个例中均有体现，说明西南急流的脉动和西南方向上风速的辐合可以作为下游短时强降水预报的信号之一。

由此也表明，低空急流的脉动与短时强降雨关系密切，对短时强降雨的发生和发展有一定的指示意义。但由于高山自动站还较稀疏，基于高山自动站的低空急流脉动特征在短时强降水的落区预报中的应用价值还不高，短时强降水的落区预报还需要结合风廓线雷达、高空、地面等资料综合研判。

5 结论

①高山自动气象站的小时最大风速与临近探空资料风速最为相近、风向一致性高，适合作为探空资料的补充用于短时强降水的分析。

②闽中南前汛期短时强降水中常存在1～3次风速的脉动，脉动生命史3.4～5.6h，脉动振幅4.3～8m/s。不同天气型的强降水个例在平均脉动次数、生命史和振幅均有所区别，风速的增强对触发强降水中尺度系统具有重要意义，在冷切型和低槽型强降水中尤其显著。

③闽中南前汛期强降水始于风速脉动开始之后的0.8～2.5h，冷切型强降水平均仅为0.8h，暖切型和其他型在2h以上。低槽型和冷切型强降水雨强最强时期在脉动开始后2.5～2.8h，而暖切型和其他型在脉动开始后4.1～4.5h。大部分强降雨中存在急流轴上风速脉动的传播，尤其在暖切型和冷切型强降水中最为显著，冷切型和其他型强降水中风速脉动的传播速度最快。