基于卫星融合降水资料的河北省暖季短时强降水分析

李国翠，刘 伟，邓德钰，李 艳*，房 荣

（1.石家庄市气象局，河北 石家庄 050081；2.南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室，江苏 南京 210044；3.呼伦贝尔市气象台，内蒙古 呼伦贝尔 021000）

华北地区地形梯度大，下垫面复杂，易发生区域性的短时强降水，是中国四大降水中心之一[1]。研究表明华北地区小时降水呈干旱化趋势，年均降水量减少，但极端降水事件显著增多[2]。夏季降水日变化的区域特征明显，且存在季节差异和季节内演变[3-5]。宇如聪等[6]通过国家气象站逐小时降水资料发现大陆暖季降水的日变化分别属于下午、夜间、清晨三类峰值位相，其中华北平原西部贴近山地的区域属于夜间峰值区。韩函等[7]认为在太行山以东地区日降水峰值一般出现在上午时段。He等[8]认为太行山和燕山山顶的降水量峰值大致出现在午后，降水大值时间向东南方向以13 m/s的速度传播，大约在半夜和凌晨到达华北平原地区。短时强降水往往与强对流天气相联系。梁苏洁等[9]发现京津冀地区由于午后对流活动增强，暖季前期短时强降水多出现在午后至傍晚。另外，短时强降水日变化特征存在区域差异且产生的物理机制也不尽相同，已有学者分别从低空急流[10-11]、季风强度[12]、近地层风惯性震荡[13-14]、环境参量特征[15-16]以及时空分布特征[17-19]等方面进行了分析。

短时强降水是极端降水过程的主要表现形式之一。河北省地势由西北向东南降低，以燕山—太行山为界。东部和南部以平原为主，海拔高度均＜100 m；西北部以山地和高原为主，平均高度＞1 000 m，地形复杂。20世纪90年代中期以后，河北省极端降水频次减少，但其降水量对总降水的贡献率增加[20]。因此深入分析河北省山脉—平原过渡地区的短时强降水的时空分布特征，增进山脉—平原地形对强对流系统物理强迫的理解，对短时强降水的预报以及防汛储水工作的合理布局与安排，减少由此带来的经济损失和人员伤亡有重要意义。

1 资料与方法

根据气办发〔2017〕32号文件《短时临近天气业务规定》和中华人民共和国国家标准“GB/T 28594-2012”（临近天气预报）的规定，短时强降水（Flash Heavy Rain，FHR，下同）是指1 h降水量≥20 mm的降水。

本文采用1998—2018年共21 a河北省暖季（6—9月）的资料，利用国家气象信息中心逐小时0.1°×0.1°分辨率的卫星融合降水资料，该数据为通过最优插值（OI）方法[21]和概率密度匹配（PDF）法[22]将全国30 000多个通过质量控制的自动站的观测数据和美国国家海洋大气局气候预测中心（NOAACPC）提供的CMORPH[23]卫星反演降水产品融合而成的高精度逐小时降水产品（以下简称融合资料）。该格点资料分辨率为0.1°×0.1°，时间分辨率为1 h。李建等[24]研究表明，高分辨率网格数据能更好地描述短时强降水事件的过程和强度。适用性研究结果表明，该降水资料有效结合了自动站观测数据和卫星反演降水数据各自的优势[25]，对短时强降水的定量监测有明显优势，产品总体误差＜10%[26]。同时该资料能够更好地描述台站稀疏地区以及复杂地形条件下降水的时空分布[27]，有利于复杂地形条件下短时强降水时空分布的精细化研究。分析短时强降水的日变化特征主要采用的是ECMWF的第五代全球气候大气再分析格点资料（ERA5），水平网格分辨率为0.25°×0.25°，垂直方向为1 000到1 hPa的37个气压层，时间分辨率为1 h。便于分析研究，引入以下物理量：

FHR小时降水量：统计时段内，所有短时强降水事件的总降水量/总时次（单位：mm/h）；

FHR降水频次：统计时段内，短时强降水事件年均发生的次数（单位：次/年）；

FHR降水贡献率：短时强降水的总降水量/同期总降水量（单位：%）；

FHR降水频率：短时强降水的次数/同期总降水次数（单位：%）；

FHR降水强度：统计时段内，短时强降水总降水量与降水频次之比（单位：mm/h）；

FHR小时峰值降水量：各区域历史短时强降水事件中，出现的最大小时降水量（单位：mm）。

2 暖季短时强降水（FHR）空间分布

2.1 降水空间分布

分析河北省暖季的年均小时降水量和年均降水频次的空间分布（图1），可以看出：年均小时降水量和年均降水频次存在明显的区域性差异，西部山区的年均小时降水量偏少，其中张家口、承德和保定、石家庄、邢台和邯郸4个地区的西部年均小时降水量＜0.18 mm/h；东部平原相对偏多，年均小时降水量＞0.18 mm/h，其中秦皇岛和唐山东部沿海可达0.33 mm/h以上，为全省降水量最大区域。年均降水频次分布特征与年均小时降水量的“西部山区小、东部平原大”特征不同，大值区主要分布在太行山东麓和燕山南簏一带，东部平原和西北部地区的年均降水频次均＜210次/年，太行山东麓和燕山南麓的年均降水频次＞210次/年，这与地形迎风坡抬升作用有关。

图1 河北省暖季降水空间分布

2.2 短时强降水（FHR）空间分布

图2为河北暖季FHR的小时平均降水量、年均降水频次及其贡献率的空间分布。FHR的空间分布呈东南多、西北少的特点（图2）。河北省大部地区FHR降水频率的贡献率均＜4%，但东部平原FHR降水量贡献率＞45%，其中东部沿海一带FHR降水量贡献率＞60%。FHR发生频率较低，但降水强度较大，降水量在时间上高度集中，对暖季总降水量的贡献较大。尤其是在太行山和燕山脚下，存在一个东北—西南向的FHR频发地带，其FHR小时降水量和降水频次均为本区域的高值区。这与东南暖湿气流受山脉强迫作用导致的对流层低层动量和质量的辐合增强有关。西北山区的FHR小时平均降水强度＜34 mm/h，小时峰值降水量＜90 mm/h；东南平原小时降水强度＞38 mm/h，小时峰值降水量＞94 mm/h。秦皇岛、唐山东部沿海一带小时降水强度、峰值降水强度、平均降水量、降水频次均为河北省最高，这与沿海地区充足的水汽供应有很大关系。

图2 河北省暖季短时强降水空间分布

3 短时强降水（FHR）日变化

3.1 日变化特征

图3为河北省暖季短时强降水过程的降水量最大值出现时间与发生频率最多的时间分布。河北省短时强降水的多发时间与降水量大值出现时间类似，集中分布在15—21时。西北山区的时间分布比较一致，均是在18时左右降水量最大，出现频率最多。东部平原和沿海地区出现时间较西北山区推迟，多分布在18时之后，部分地区出现在午夜附近，以上结论与宇如聪等[5]和He等[8]分析的华北地区降水日变化的研究结果基本一致。河北省暖季的短时强降水过程大部分与强对流天气过程相伴，其日变化特征很大程度与太阳辐射增加导致的热力不稳定密切相关。

图3 河北省暖季短时强降水日变化分布

从小时强降水的频率和峰值的日循环分布（图4、图5）可以看出，强降水过程主要分布在太行山以东、燕山以南的平原地区和沿海地带，并且在18—19时强降水的发生频率高、强度大、范围广，是河北省强降水过程的集中高发时间。而05—12时强降水相对较弱，是河北省强降水日变化的低值时间段。

图4 1998—2018年河北省暖季短时强降水年均发生频次的空间分布

图5 河北省暖季短时强降水过程的峰值强度分布

3.2 日变化成因分析

降水量的日变化与边界层低空急流的惯性震荡密切有关[13-14]。为分析短时强降水过程与低空急流的惯性震荡的关系，定义1998—2018年6—9月的平均风场为暖季的气候平均场，则实际风与气候平均场的差形成的扰动风场具有惯性震荡的日变化特征。

图6为近地层900 hPa的扰动风场和垂直速度的日变化演变。河北省的西北山区与东南平原的近地层扰动风存在显著的惯性震荡。西北山区的近地层扰动风从00时的东南风逐步顺时针转向，06时为弱西南风，12时为西北风，18时转为偏北风。东南平原的近地层扰动风自00时的西南风也逐时顺转，06时为西北风，12时为东北风，18时又转成偏南风。随着河北省西北和东南地区扰动风的惯性震荡，12时之后两者在河北地区的扰动风向辐合逐时增大，15—18时扰动风向基本平行，风向辐合最显著，此特征与河北省强降水的集中爆发时间一致。另外，河北东南部18—21时的扰动风风向与水汽通量方向基本一致，部分促进了此时段强降水的爆发。综合扰动风惯性震荡在河北的风辐合以及扰动风对南边界的水汽输送强度，主要原因是18时左右河北省强降水高频发、强度大、范围广。

图6 900 hPa扰动风场（单位：m/s）及垂直速度（阴影，单位：Pa/s）

太行山迎风坡是中午前后和00—03时短时强降水的多发地区，即太行山迎风坡的强降水过程出现的时间范围广，遍布12时—次日04时。从短时强降水的频率和峰值强度分布能够看出，太行山迎风坡附近的峰值降水量的大值中心覆盖了较长的时间范围，即使在强降水的低频率时间段（05—12时）也能够出现山脉迎风坡的强降水事件。这与太行山西高东低的坡度地形结构与局地非地转风环流关系密切。

沿37.2°N做扰动风场垂直结构的日循环（图7）。在近乎南北走向的太行山东麓坡度最大的地区，高空400 hPa以上的风场以东风为主，仅在12—18时附近转为西风。近地层00—06时为从山脉吹向平原的干冷西风，其它时次均为自平原吹向太行山的暖湿东风。因此，在太行山东部坡度较大的地区，12—18时为较大的扰动西风切变，增大了该地区环境风的垂直风切变值。增强的西风切变和近地层东南风的水汽输入，与较强抬升作用的共同影响是该地区12—18时较强垂直上升运动的主要原因。另外，山脉和平原之间的热力差异引起的区域尺度的山地—平原螺线管（MPS）环流的日变化，能够影响山脉与相邻平原地区的夏季降水和天气现象[28]。从近地层的辐合场分布可知，在山脉及其东部地区MPS环流的日变化明显，近地层的辐合带沿着山顶、山坡和山脚也存在日变化。不同地形坡度的抬升作用，以及低层急流的日变化均加剧了山脉—平原过渡地区强降水的复杂性。

图7 扰动风散度场（阴影，单位：10-6 s-1）、纬向分量（箭头）和经向分量（等值线）沿37.2°N垂直剖面

4 结论

利用1998—2018年逐小时高分辨率卫星融合降水资料，对河北省暖季短时强降水的时空分布、日变化特征以及成因进行了分析，结果表明：

（1）河北省暖季短时强降水过程的小时降水量、降水频次、降水强度、峰值降水量均存在东南高、西北低的特点，太行山和燕山的迎风坡附近存在降水大值中心，此分布特征与地形高度走向基本一致。东部沿海和东南平原是短时强降水过程的平均降水量、降水频次及降水强度大值区。

（2）河北短时强降水过程存在明显日变化，多发时间与降水量大值出现时间集中在15—21时，部分地区出现在午夜附近，短时强降水存在的日变化特征很大程度上是太阳辐射增加造成的热力不稳定引发的强天气所致。东部平原和沿海地区出现时间较西北山区推迟，18—19时频率高、强度大、范围广。

（3）扰动风场存在显著顺时针旋转的惯性震荡日变化特征。西北山区和东南平原的近地层扰动风场在15—18时呈西北风与东南风风向辐合，有利于大气的动力抬升作用，18—21时西南地区偏南风的扰动风场与水汽主要来源方向一致，进一步增大了该地区水汽的汇集；扰动风惯性震荡在河北的辐合抬升和水汽输入作用，可能是短时强降水发生在午后至前半夜且18时前后强降水高发、强度大、范围广的主要原因。

（4）12时—次日04时，在太行山和燕山的迎风坡附近存在一个东北—西南向短时强降水大值区和频发带，这与太行山的坡度结构和局地非地转风环流关系密切。山脉和平原之间的热力差异引起区域尺度山地—平原螺线管（MPS）环流的日变化，能够影响山脉与相邻平原地区的夏季降水和天气现象。不同的地形坡度的抬升作用以及低层急流日变化均加剧了山脉—平原过渡地区的强降水的复杂性，将有待后续研究。