福建省短時強降水分布特征及暴雨預警指標分析*

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、山區多、地形獨特，地形對于降水的發生和發展影響巨大。受季風氣候影響，福建是全國暴雨和大暴雨的高發地區，常呈現時間短、局地性強、降水集中的特征[1]，由強降雨引發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定。

短時強降水與暴雨的發生密切相關，國內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。福建省發布暴雨預警信號的依據是2007年12月18日頒布的《福建省氣象災害預警信號發布與傳播辦法》(閩政辦〔2007〕228號)，實施至今已十多年。近年來，隨著社會的快速發展，政府部門和社會公眾對預警信號發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隨著自動氣象站數量的快速增加，中小尺度系統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，導致現在暴雨預警信號的發布數量越來越多。隨著社會的發展，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)自動站雨量數據

雨量計資料包括福建省國家觀測站和區域自動站的雨量數據，通過時間連續性篩選，挑選2010—2019年近10年數據連續性的站點，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務規定》(閩氣發〔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布的暴雨預警信號XML數據文件。

(3)雷達資料

選取2010-2019年福建全省雷達拼圖數據，PNG格式。

2.2 自動站雨量數據預處理

為確保短時強降水數據質量，本項目通過數據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，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，認定該數據不可靠，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據。

3 技術路線

全省2350個站點，對質控后的每個站點數據序列(時間分辨率5分鐘)，滾動統計不同時長的雨量：①以短時強降水發生時間作為統計頻次時間，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，定義該站點出現一次50mm/h的短時強降水；④短時強降水日：當某個站點，日內出現一次短時強降水，定義該站點出現一次短時強降水日；⑤頻次：統計所有站點在特定的時段(月/日/小時)內短時強降水發生的次數。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

統計2010-2019年福建省每個月短時強降水次數，呈現單峰結構，95%以上短時強降水出現在4～9月，而10月～次年3月發生短時強降水事件不到5%。一般性短時強降水(20mm/h)主要發生于5～9月，其中6月出現概率最高，達19.8%。極端性短時強降水(50mm/h)易發生于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，對流層低層不穩定性最強，這樣的大氣環境條件對于對流的觸發是比較有利的，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 暴雨預警指標統計分析

5.1 歷年暴雨預警統計分析

統計2014-2018年全省各級氣象局實際發布的暴雨預警信號，如表1所示。

表1 2014-2018年全省暴雨預警信號發布次數統計

從上表可知，①2015年以后，暴雨預警信號發布數量快速增長。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，全省發布藍色預警信號平均數為2607次，黃色預警為1393次，橙色預警為603次，紅色預警為105次，以紅色預警信號發布次數為基數，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)、不同數量達標站(1、2、3站)，分時段分區域統計福建省不同閾值下的暴雨預警，以1縣1個區域站達到標準為例，統計結果見表2。

表2 1縣1個區域站達到標準

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量，預警級別越低數量減少越明顯，如舊標準藍色預警發布數量在10000次以上，新標準數量為2000～3000次/年，減少了8000多次；舊標準黃色預警發布數量7000次左右，新標準數量2000次以下；舊標準橙色預警發布數量3000次左右，新標準數量1000次以下；②提高閾值可明顯減少預警數量，以紅色預警為例，舊標準(100mm/3h)數量264次，新標準(120mm/3h)數量115次，閾值增加20mm，發布數量減少了一倍。

以縣(區)為單位，縣(區)內n(n=1,2,3)個站達到標準時，記為一次，隨達標站增加，預警數量減少(見表3)。以藍色預警為例，1個達標站時，舊標準數量為11113次，3個達標站時，數量5067次，減少了一半多。

表3 不同達標站暴雨藍色預警數量對比

5.3 全省各縣(區)暴雨預警頻次及極值分析

統計各縣(區)暴雨頻次及極值，新標準下(1個區域站)：①每個縣每年暴雨藍色預警數量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)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區位于沿海，且空間分布集中，多發于莆田、泉州、廈門及漳州沿海。

②短時強降水季節內分布不均勻，95%以上的短時強降水出現在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明顯單峰結構，主峰出現傍晚(17-19時)。

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