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、地形獨特，地形對于降水的發(fā)生和發(fā)展影響巨大。受季風氣候影響，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、降水集中的特征[1]，由強降雨引發(fā)的次生災害也最為頻繁，直接影響人民群眾的生命安全和社會穩(wěn)定。

短時強降水與暴雨的發(fā)生密切相關，國內(nèi)許多學者也開展了相關研究，尤其短時強降水的時空分布特征，為暴雨預警指標的制作及修訂提供重要參考[2-3]。暴雨預警信號作為防御暴雨氣象災害的重要手段之一，得到了社會的普遍認可。福建省發(fā)布暴雨預警信號的依據(jù)是2007年12月18日頒布的《福建省氣象災害預警信號發(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警信號發(fā)布工作提出了更高要求，暴雨預警信號作為福建省汛期最常見的氣象災害預警信號，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，而暴雨預警信號標準較低，導致現(xiàn)在暴雨預警信號的發(fā)布數(shù)量越來越多。隨著社會的發(fā)展，政府的強降雨防范應對能力也在逐漸提升，預警信號標準“過低”容易造成過度響應；②暴雨造成的災害往往是由短時強降水引起的，而暴雨預警信號標準屬于過程雨量標準，雨強信息體現(xiàn)不明顯；③各級別暴雨預警信號的時段標準多樣，暴雨藍色12小時，暴雨黃色6小時，暴雨橙色3小時，暴雨紅色3小時，時段標準的多樣性表述不利于加強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降水分布特征及暴雨預警指標的探討和研究。

2 資料來源及預處理

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。

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

(2)暴雨預警信號資料

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

(3)雷達資料

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

2.2 自動站雨量數(shù)據(jù)預處理

為確保短時強降水數(shù)據(jù)質量，本項目通過數(shù)據(jù)時空分布一致性及雷達回波判斷，對20mm/h以上的短時強降水進行質量控制：

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，認定該數(shù)據(jù)不可靠，進行剔除。

③極端短時強降水復審：對實況50mm/h以上的剔除站點列表，結合全省雷達回波進行人工復審，恢復誤剔除的站點數(shù)據(jù)。

3 技術路線

全省2350個站點，對質控后的每個站點數(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雨量達到20mm，記錄T0所在小時的頻次加1；②當某個站點小時雨量≥20mm/h，定義該站點出現(xiàn)一次20mm/h的短時強降水；③當某個站點小時雨量≥50mm/h，定義該站點出現(xiàn)一次50mm/h的短時強降水；④短時強降水日：當某個站點，日內(nèi)出現(xiàn)一次短時強降水，定義該站點出現(xiàn)一次短時強降水日；⑤頻次：統(tǒng)計所有站點在特定的時段(月/日/小時)內(nèi)短時強降水發(fā)生的次數(shù)。技術流程詳見圖1。

圖1 技術流程圖

4 福建省短時強降水時空分布特征

4.1 短時強降水月變化特征

統(tǒng)計2010-2019年福建省每個月短時強降水次數(shù)，呈現(xiàn)單峰結構，95%以上短時強降水出現(xiàn)在4～9月，而10月～次年3月發(fā)生短時強降水事件不到5%。一般性短時強降水(20mm/h)主要發(fā)生于5～9月，其中6月出現(xiàn)概率最高，達19.8%。極端性短時強降水(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24.5%。

圖2 2010-2019年福建省短時強降水頻次月變化特征圖

4.2 短時強降水日變化特征

福建省短時強降水的日變化存在單峰結構特征(見圖3)，一般性短時強降水和極端短時強降水的結構特征相似，峰值為17-19時，與沈偉等[2]研究結果一致。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，這樣的大氣環(huán)境條件對于對流的觸發(fā)是比較有利的，因此這也是導致海南、華南、江南以及黃淮平原的短時強降水日變化傍晚出現(xiàn)峰值的原因[6]。

圖3 2010-2019年福建省短時強降水頻次日變化特征圖

4.3 短時強降水空間分布特征

從近十年一般性短時強降水和極端短時強降水累積頻次的空間分布(圖4)上分析，一般性短時強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年福建省短時強降水累積頻次空間分布

5 暴雨預警指標統(tǒng)計分析

5.1 歷年暴雨預警統(tǒng)計分析

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

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

從上表可知，①2015年以后，暴雨預警信號發(fā)布數(shù)量快速增長。2015年藍色預警信號較2014年增加了800多次，紅色預警信號更是增長了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)布藍色預警信號平均數(shù)為2607次，黃色預警為1393次，橙色預警為603次，紅色預警為105次，以紅色預警信號發(fā)布次數(shù)為基數(shù)，橙色預警為紅色預警的6倍，黃色預警是紅色預警的13倍，藍色預警為紅色預警的26倍。

5.2 不同閾值暴雨預警對比分析

以縣為最小統(tǒng)計單位，對降水按不同時段(1、3、6、12小時)、不同降水強度(30、50、80、100、120、150mm)、不同數(shù)量達標站(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警，以1縣1個區(qū)域站達到標準為例，統(tǒng)計結果見表2。

表2 1縣1個區(qū)域站達到標準

從表2可知,①新標準較舊標準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降水對暴雨的貢獻，大大減少了暴雨預警數(shù)量，預警級別越低數(shù)量減少越明顯，如舊標準藍色預警發(fā)布數(shù)量在10000次以上，新標準數(shù)量為2000～3000次/年，減少了8000多次；舊標準黃色預警發(fā)布數(shù)量7000次左右，新標準數(shù)量2000次以下；舊標準橙色預警發(fā)布數(shù)量3000次左右，新標準數(shù)量1000次以下；②提高閾值可明顯減少預警數(shù)量，以紅色預警為例，舊標準(100mm/3h)數(shù)量264次，新標準(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)個站達到標準時，記為一次，隨達標站增加，預警數(shù)量減少(見表3)。以藍色預警為例，1個達標站時，舊標準數(shù)量為11113次，3個達標站時，數(shù)量5067次，減少了一半多。

表3 不同達標站暴雨藍色預警數(shù)量對比

5.3 全省各縣(區(qū))暴雨預警頻次及極值分析

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

表4 全省各縣(區(qū))暴雨頻次及極值

6 結論

①近十年福建省短時強降水空間分布不均，整體上沿海比內(nèi)陸活躍，福建中部山脈附近短時強降水不活躍，極端短時強降水高發(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短時強降水季節(jié)內(nèi)分布不均勻，95%以上的短時強降水出現(xiàn)在4～9月，其中以6～8月最為活躍，極端短時強降水在8月活動最為頻繁；短時強降水日變化呈現(xiàn)明顯單峰結構，主峰出現(xiàn)傍晚(17-19時)。

③不同指標下的暴雨預警發(fā)布數(shù)量差異極大，應根據(jù)現(xiàn)有預報水平、城市基礎設施建設、社會公眾需求，細化預警發(fā)布標準及規(guī)范，為福建省暴雨預警信號標準修訂及預警信號屬地化業(yè)務改革提供借鑒和參考。