福建省短時強(qiáng)降水分布特征及暴雨預(yù)警指標(biāo)分析*

黃鈴光 黃慧琳

(1.福建省氣象臺，福建 福州 350001；2 福建省氣象服務(wù)中心，福建 福州 350001)

1 概述

福建省地處我國東南沿海，依山靠海、海岸線長、山區(qū)多、地形獨(dú)特，地形對于降水的發(fā)生和發(fā)展影響巨大。受季風(fēng)氣候影響，福建是全國暴雨和大暴雨的高發(fā)地區(qū)，常呈現(xiàn)時間短、局地性強(qiáng)、降水集中的特征[1]，由強(qiáng)降雨引發(fā)的次生災(zāi)害也最為頻繁，直接影響人民群眾的生命安全和社會穩(wěn)定。

短時強(qiáng)降水與暴雨的發(fā)生密切相關(guān)，國內(nèi)許多學(xué)者也開展了相關(guān)研究，尤其短時強(qiáng)降水的時空分布特征，為暴雨預(yù)警指標(biāo)的制作及修訂提供重要參考[2-3]。暴雨預(yù)警信號作為防御暴雨氣象災(zāi)害的重要手段之一，得到了社會的普遍認(rèn)可。福建省發(fā)布暴雨預(yù)警信號的依據(jù)是2007年12月18日頒布的《福建省氣象災(zāi)害預(yù)警信號發(fā)布與傳播辦法》(閩政辦〔2007〕228號)，實施至今已十多年。近年來，隨著社會的快速發(fā)展，政府部門和社會公眾對預(yù)警信號發(fā)布工作提出了更高要求，暴雨預(yù)警信號作為福建省汛期最常見的氣象災(zāi)害預(yù)警信號，也暴露出一些問題：①隨著自動氣象站數(shù)量的快速增加，中小尺度系統(tǒng)引起的暴雨越來越容易被觀測到，而暴雨預(yù)警信號標(biāo)準(zhǔn)較低，導(dǎo)致現(xiàn)在暴雨預(yù)警信號的發(fā)布數(shù)量越來越多。隨著社會的發(fā)展，政府的強(qiáng)降雨防范應(yīng)對能力也在逐漸提升，預(yù)警信號標(biāo)準(zhǔn)“過低”容易造成過度響應(yīng)；②暴雨造成的災(zāi)害往往是由短時強(qiáng)降水引起的，而暴雨預(yù)警信號標(biāo)準(zhǔn)屬于過程雨量標(biāo)準(zhǔn)，雨強(qiáng)信息體現(xiàn)不明顯；③各級別暴雨預(yù)警信號的時段標(biāo)準(zhǔn)多樣，暴雨藍(lán)色12小時，暴雨黃色6小時，暴雨橙色3小時，暴雨紅色3小時，時段標(biāo)準(zhǔn)的多樣性表述不利于加強(qiáng)公眾對總體降雨量的感知度[4]。鑒于此，有必要開展福建省短時強(qiáng)降水分布特征及暴雨預(yù)警指標(biāo)的探討和研究。

2 資料來源及預(yù)處理

2.1 資料來源

(1)自動站雨量數(shù)據(jù)

雨量計資料包括福建省國家觀測站和區(qū)域自動站的雨量數(shù)據(jù)，通過時間連續(xù)性篩選，挑選2010—2019年近10年數(shù)據(jù)連續(xù)性的站點，共計2350個，資料時間分辨率為5min。

短時強(qiáng)降水定義：本文參考《福建省短時臨近天氣業(yè)務(wù)規(guī)定》(閩氣發(fā)〔2018〕80號)及俞小鼎[5]提出的短時強(qiáng)降水分類，將1h雨量≥20mm的降水事件定義為一般性短時強(qiáng)降水，將1h雨量≥50mm的降水事件定義為極端短時強(qiáng)降水。

(2)暴雨預(yù)警信號資料

選取2014-2018年福建省氣象部門實際發(fā)布的暴雨預(yù)警信號XML數(shù)據(jù)文件。

(3)雷達(dá)資料

選取2010-2019年福建全省雷達(dá)拼圖數(shù)據(jù)，PNG格式。

2.2 自動站雨量數(shù)據(jù)預(yù)處理

為確保短時強(qiáng)降水?dāng)?shù)據(jù)質(zhì)量，本項目通過數(shù)據(jù)時空分布一致性及雷達(dá)回波判斷，對20mm/h以上的短時強(qiáng)降水進(jìn)行質(zhì)量控制：

①假定5min累計降水量超過30mm的站點記錄為虛假記錄，進(jìn)行剔除。

②以自動站A為中心，半徑20km內(nèi)，東、南、西、北方向各取1個代表自動站點，若站點A雨量與該四個站點平均雨量比值超過30倍，認(rèn)定該數(shù)據(jù)不可靠，進(jìn)行剔除。

③極端短時強(qiáng)降水復(fù)審：對實況50mm/h以上的剔除站點列表，結(jié)合全省雷達(dá)回波進(jìn)行人工復(fù)審，恢復(fù)誤剔除的站點數(shù)據(jù)。

3 技術(shù)路線

全省2350個站點，對質(zhì)控后的每個站點數(shù)據(jù)序列(時間分辨率5分鐘)，滾動統(tǒng)計不同時長的雨量：①以短時強(qiáng)降水發(fā)生時間作為統(tǒng)計頻次時間，假如T0開始計算，T1雨量達(dá)到20mm，記錄T0所在小時的頻次加1；②當(dāng)某個站點小時雨量≥20mm/h，定義該站點出現(xiàn)一次20mm/h的短時強(qiáng)降水；③當(dāng)某個站點小時雨量≥50mm/h，定義該站點出現(xiàn)一次50mm/h的短時強(qiáng)降水；④短時強(qiáng)降水日：當(dāng)某個站點，日內(nèi)出現(xiàn)一次短時強(qiáng)降水，定義該站點出現(xiàn)一次短時強(qiáng)降水日；⑤頻次：統(tǒng)計所有站點在特定的時段(月/日/小時)內(nèi)短時強(qiáng)降水發(fā)生的次數(shù)。技術(shù)流程詳見圖1。

圖1 技術(shù)流程圖

4 福建省短時強(qiáng)降水時空分布特征

4.1 短時強(qiáng)降水月變化特征

統(tǒng)計2010-2019年福建省每個月短時強(qiáng)降水次數(shù)，呈現(xiàn)單峰結(jié)構(gòu)，95%以上短時強(qiáng)降水出現(xiàn)在4～9月，而10月～次年3月發(fā)生短時強(qiáng)降水事件不到5%。一般性短時強(qiáng)降水(20mm/h)主要發(fā)生于5～9月，其中6月出現(xiàn)概率最高，達(dá)19.8%。極端性短時強(qiáng)降水(50mm/h)易發(fā)生于7～9月，每個月頻次占比超20%，其中8月最為活躍，達(dá)24.5%。

圖2 2010-2019年福建省短時強(qiáng)降水頻次月變化特征圖

4.2 短時強(qiáng)降水日變化特征

福建省短時強(qiáng)降水的日變化存在單峰結(jié)構(gòu)特征(見圖3)，一般性短時強(qiáng)降水和極端短時強(qiáng)降水的結(jié)構(gòu)特征相似，峰值為17-19時，與沈偉等[2]研究結(jié)果一致。通常來說傍晚近地面氣溫最高，對流層低層不穩(wěn)定性最強(qiáng)，這樣的大氣環(huán)境條件對于對流的觸發(fā)是比較有利的，因此這也是導(dǎo)致海南、華南、江南以及黃淮平原的短時強(qiáng)降水日變化傍晚出現(xiàn)峰值的原因[6]。

圖3 2010-2019年福建省短時強(qiáng)降水頻次日變化特征圖

4.3 短時強(qiáng)降水空間分布特征

從近十年一般性短時強(qiáng)降水和極端短時強(qiáng)降水累積頻次的空間分布(圖4)上分析，一般性短時強(qiáng)降水的空間分布較分散，福建中部山脈附近的降水頻次少于四周，尤其是南平、寧德、三明和龍巖靠近中部山脈附近；降水頻次峰值區(qū)分布在漳州南部、莆田和南平西部；50mm/h以上的短時強(qiáng)降水頻次峰值集中于莆田、廈門及漳州沿海。

圖4 2010-2019年福建省短時強(qiáng)降水累積頻次空間分布

5 暴雨預(yù)警指標(biāo)統(tǒng)計分析

5.1 歷年暴雨預(yù)警統(tǒng)計分析

統(tǒng)計2014-2018年全省各級氣象局實際發(fā)布的暴雨預(yù)警信號，如表1所示。

表1 2014-2018年全省暴雨預(yù)警信號發(fā)布次數(shù)統(tǒng)計

從上表可知，①2015年以后，暴雨預(yù)警信號發(fā)布數(shù)量快速增長。2015年藍(lán)色預(yù)警信號較2014年增加了800多次，紅色預(yù)警信號更是增長了8倍，從10次直接跳躍到90次；②從5年平均值分析，全省發(fā)布藍(lán)色預(yù)警信號平均數(shù)為2607次，黃色預(yù)警為1393次，橙色預(yù)警為603次，紅色預(yù)警為105次，以紅色預(yù)警信號發(fā)布次數(shù)為基數(shù)，橙色預(yù)警為紅色預(yù)警的6倍，黃色預(yù)警是紅色預(yù)警的13倍，藍(lán)色預(yù)警為紅色預(yù)警的26倍。

5.2 不同閾值暴雨預(yù)警對比分析

以縣為最小統(tǒng)計單位，對降水按不同時段(1、3、6、12小時)、不同降水強(qiáng)度(30、50、80、100、120、150mm)、不同數(shù)量達(dá)標(biāo)站(1、2、3站)，分時段分區(qū)域統(tǒng)計福建省不同閾值下的暴雨預(yù)警，以1縣1個區(qū)域站達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)為例，統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 1縣1個區(qū)域站達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)

從表2可知,①新標(biāo)準(zhǔn)較舊標(biāo)準(zhǔn)縮短了降水累積時長，統(tǒng)計時段為1～6小時，更突出過程前期的短時強(qiáng)降水對暴雨的貢獻(xiàn)，大大減少了暴雨預(yù)警數(shù)量，預(yù)警級別越低數(shù)量減少越明顯，如舊標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)色預(yù)警發(fā)布數(shù)量在10000次以上，新標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量為2000～3000次/年，減少了8000多次；舊標(biāo)準(zhǔn)黃色預(yù)警發(fā)布數(shù)量7000次左右，新標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量2000次以下；舊標(biāo)準(zhǔn)橙色預(yù)警發(fā)布數(shù)量3000次左右，新標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量1000次以下；②提高閾值可明顯減少預(yù)警數(shù)量，以紅色預(yù)警為例，舊標(biāo)準(zhǔn)(100mm/3h)數(shù)量264次，新標(biāo)準(zhǔn)(120mm/3h)數(shù)量115次，閾值增加20mm，發(fā)布數(shù)量減少了一倍。

以縣(區(qū))為單位，縣(區(qū))內(nèi)n(n=1,2,3)個站達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時，記為一次，隨達(dá)標(biāo)站增加，預(yù)警數(shù)量減少(見表3)。以藍(lán)色預(yù)警為例，1個達(dá)標(biāo)站時，舊標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量為11113次，3個達(dá)標(biāo)站時，數(shù)量5067次，減少了一半多。

表3 不同達(dá)標(biāo)站暴雨藍(lán)色預(yù)警數(shù)量對比

5.3 全省各縣(區(qū))暴雨預(yù)警頻次及極值分析

統(tǒng)計各縣(區(qū))暴雨頻次及極值，新標(biāo)準(zhǔn)下(1個區(qū)域站)：①每個縣每年暴雨藍(lán)色預(yù)警數(shù)量30～36次，極值140次；②暴雨黃色預(yù)警5～22次，極值117次；③暴雨橙色預(yù)警11次以下，極值66次；④暴雨紅色預(yù)警6次以下，極值45次。

表4 全省各縣(區(qū))暴雨頻次及極值

6 結(jié)論

①近十年福建省短時強(qiáng)降水空間分布不均，整體上沿海比內(nèi)陸活躍，福建中部山脈附近短時強(qiáng)降水不活躍，極端短時強(qiáng)降水高發(fā)區(qū)位于沿海，且空間分布集中，多發(fā)于莆田、泉州、廈門及漳州沿海。

②短時強(qiáng)降水季節(jié)內(nèi)分布不均勻，95%以上的短時強(qiáng)降水出現(xiàn)在4～9月，其中以6～8月最為活躍，極端短時強(qiáng)降水在8月活動最為頻繁；短時強(qiáng)降水日變化呈現(xiàn)明顯單峰結(jié)構(gòu)，主峰出現(xiàn)傍晚(17-19時)。

③不同指標(biāo)下的暴雨預(yù)警發(fā)布數(shù)量差異極大，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有預(yù)報水平、城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、社會公眾需求，細(xì)化預(yù)警發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，為福建省暴雨預(yù)警信號標(biāo)準(zhǔn)修訂及預(yù)警信號屬地化業(yè)務(wù)改革提供借鑒和參考。