基于衛(wèi)星融合降水資料的河北省暖季短時(shí)強(qiáng)降水分析

李國翠，劉 偉，鄧德鈺，李 艷*，房 榮

（1.石家莊市氣象局，河北 石家莊 050081；2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044；3.呼倫貝爾市氣象臺(tái)，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000）

華北地區(qū)地形梯度大，下墊面復(fù)雜，易發(fā)生區(qū)域性的短時(shí)強(qiáng)降水，是中國四大降水中心之一[1]。研究表明華北地區(qū)小時(shí)降水呈干旱化趨勢，年均降水量減少，但極端降水事件顯著增多[2]。夏季降水日變化的區(qū)域特征明顯，且存在季節(jié)差異和季節(jié)內(nèi)演變[3-5]。宇如聰?shù)萚6]通過國家氣象站逐小時(shí)降水資料發(fā)現(xiàn)大陸暖季降水的日變化分別屬于下午、夜間、清晨三類峰值位相，其中華北平原西部貼近山地的區(qū)域?qū)儆谝归g峰值區(qū)。韓函等[7]認(rèn)為在太行山以東地區(qū)日降水峰值一般出現(xiàn)在上午時(shí)段。He等[8]認(rèn)為太行山和燕山山頂?shù)慕邓糠逯荡笾鲁霈F(xiàn)在午后，降水大值時(shí)間向東南方向以13 m/s的速度傳播，大約在半夜和凌晨到達(dá)華北平原地區(qū)。短時(shí)強(qiáng)降水往往與強(qiáng)對(duì)流天氣相聯(lián)系。梁蘇潔等[9]發(fā)現(xiàn)京津冀地區(qū)由于午后對(duì)流活動(dòng)增強(qiáng)，暖季前期短時(shí)強(qiáng)降水多出現(xiàn)在午后至傍晚。另外，短時(shí)強(qiáng)降水日變化特征存在區(qū)域差異且產(chǎn)生的物理機(jī)制也不盡相同，已有學(xué)者分別從低空急流[10-11]、季風(fēng)強(qiáng)度[12]、近地層風(fēng)慣性震蕩[13-14]、環(huán)境參量特征[15-16]以及時(shí)空分布特征[17-19]等方面進(jìn)行了分析。

短時(shí)強(qiáng)降水是極端降水過程的主要表現(xiàn)形式之一。河北省地勢由西北向東南降低，以燕山—太行山為界。東部和南部以平原為主，海拔高度均＜100 m；西北部以山地和高原為主，平均高度＞1 000 m，地形復(fù)雜。20世紀(jì)90年代中期以后，河北省極端降水頻次減少，但其降水量對(duì)總降水的貢獻(xiàn)率增加[20]。因此深入分析河北省山脈—平原過渡地區(qū)的短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征，增進(jìn)山脈—平原地形對(duì)強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)物理強(qiáng)迫的理解，對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)以及防汛儲(chǔ)水工作的合理布局與安排，減少由此帶來的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡有重要意義。

1 資料與方法

根據(jù)氣辦發(fā)〔2017〕32號(hào)文件《短時(shí)臨近天氣業(yè)務(wù)規(guī)定》和中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)“GB/T 28594-2012”（臨近天氣預(yù)報(bào)）的規(guī)定，短時(shí)強(qiáng)降水（Flash Heavy Rain，F(xiàn)HR，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）的資料，利用國家氣象信息中心逐小時(shí)0.1°×0.1°分辨率的衛(wèi)星融合降水資料，該數(shù)據(jù)為通過最優(yōu)插值（OI）方法[21]和概率密度匹配（PDF）法[22]將全國30 000多個(gè)通過質(zhì)量控制的自動(dòng)站的觀測數(shù)據(jù)和美國國家海洋大氣局氣候預(yù)測中心（NOAACPC）提供的CMORPH[23]衛(wèi)星反演降水產(chǎn)品融合而成的高精度逐小時(shí)降水產(chǎn)品（以下簡稱融合資料）。該格點(diǎn)資料分辨率為0.1°×0.1°，時(shí)間分辨率為1 h。李建等[24]研究表明，高分辨率網(wǎng)格數(shù)據(jù)能更好地描述短時(shí)強(qiáng)降水事件的過程和強(qiáng)度。適用性研究結(jié)果表明，該降水資料有效結(jié)合了自動(dòng)站觀測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星反演降水?dāng)?shù)據(jù)各自的優(yōu)勢[25]，對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的定量監(jiān)測有明顯優(yōu)勢，產(chǎn)品總體誤差＜10%[26]。同時(shí)該資料能夠更好地描述臺(tái)站稀疏地區(qū)以及復(fù)雜地形條件下降水的時(shí)空分布[27]，有利于復(fù)雜地形條件下短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布的精細(xì)化研究。分析短時(shí)強(qiáng)降水的日變化特征主要采用的是ECMWF的第五代全球氣候大氣再分析格點(diǎn)資料（ERA5），水平網(wǎng)格分辨率為0.25°×0.25°，垂直方向?yàn)? 000到1 hPa的37個(gè)氣壓層，時(shí)間分辨率為1 h。便于分析研究，引入以下物理量：

FHR小時(shí)降水量：統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，所有短時(shí)強(qiáng)降水事件的總降水量/總時(shí)次（單位：mm/h）；

FHR降水頻次：統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，短時(shí)強(qiáng)降水事件年均發(fā)生的次數(shù)（單位：次/年）；

FHR降水貢獻(xiàn)率：短時(shí)強(qiáng)降水的總降水量/同期總降水量（單位：%）；

FHR降水頻率：短時(shí)強(qiáng)降水的次數(shù)/同期總降水次數(shù)（單位：%）；

FHR降水強(qiáng)度：統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，短時(shí)強(qiáng)降水總降水量與降水頻次之比（單位：mm/h）；

FHR小時(shí)峰值降水量：各區(qū)域歷史短時(shí)強(qiáng)降水事件中，出現(xiàn)的最大小時(shí)降水量（單位：mm）。

2 暖季短時(shí)強(qiáng)降水（FHR）空間分布

2.1 降水空間分布

分析河北省暖季的年均小時(shí)降水量和年均降水頻次的空間分布（圖1），可以看出：年均小時(shí)降水量和年均降水頻次存在明顯的區(qū)域性差異，西部山區(qū)的年均小時(shí)降水量偏少，其中張家口、承德和保定、石家莊、邢臺(tái)和邯鄲4個(gè)地區(qū)的西部年均小時(shí)降水量＜0.18 mm/h；東部平原相對(duì)偏多，年均小時(shí)降水量＞0.18 mm/h，其中秦皇島和唐山東部沿海可達(dá)0.33 mm/h以上，為全省降水量最大區(qū)域。年均降水頻次分布特征與年均小時(shí)降水量的“西部山區(qū)小、東部平原大”特征不同，大值區(qū)主要分布在太行山東麓和燕山南簏一帶，東部平原和西北部地區(qū)的年均降水頻次均＜210次/年，太行山東麓和燕山南麓的年均降水頻次＞210次/年，這與地形迎風(fēng)坡抬升作用有關(guān)。

圖1 河北省暖季降水空間分布

2.2 短時(shí)強(qiáng)降水（FHR）空間分布

圖2為河北暖季FHR的小時(shí)平均降水量、年均降水頻次及其貢獻(xiàn)率的空間分布。FHR的空間分布呈東南多、西北少的特點(diǎn)（圖2）。河北省大部地區(qū)FHR降水頻率的貢獻(xiàn)率均＜4%，但東部平原FHR降水量貢獻(xiàn)率＞45%，其中東部沿海一帶FHR降水量貢獻(xiàn)率＞60%。FHR發(fā)生頻率較低，但降水強(qiáng)度較大，降水量在時(shí)間上高度集中，對(duì)暖季總降水量的貢獻(xiàn)較大。尤其是在太行山和燕山腳下，存在一個(gè)東北—西南向的FHR頻發(fā)地帶，其FHR小時(shí)降水量和降水頻次均為本區(qū)域的高值區(qū)。這與東南暖濕氣流受山脈強(qiáng)迫作用導(dǎo)致的對(duì)流層低層動(dòng)量和質(zhì)量的輻合增強(qiáng)有關(guān)。西北山區(qū)的FHR小時(shí)平均降水強(qiáng)度＜34 mm/h，小時(shí)峰值降水量＜90 mm/h；東南平原小時(shí)降水強(qiáng)度＞38 mm/h，小時(shí)峰值降水量＞94 mm/h。秦皇島、唐山東部沿海一帶小時(shí)降水強(qiáng)度、峰值降水強(qiáng)度、平均降水量、降水頻次均為河北省最高，這與沿海地區(qū)充足的水汽供應(yīng)有很大關(guān)系。

圖2 河北省暖季短時(shí)強(qiáng)降水空間分布

3 短時(shí)強(qiáng)降水（FHR）日變化

3.1 日變化特征

圖3為河北省暖季短時(shí)強(qiáng)降水過程的降水量最大值出現(xiàn)時(shí)間與發(fā)生頻率最多的時(shí)間分布。河北省短時(shí)強(qiáng)降水的多發(fā)時(shí)間與降水量大值出現(xiàn)時(shí)間類似，集中分布在15—21時(shí)。西北山區(qū)的時(shí)間分布比較一致，均是在18時(shí)左右降水量最大，出現(xiàn)頻率最多。東部平原和沿海地區(qū)出現(xiàn)時(shí)間較西北山區(qū)推遲，多分布在18時(shí)之后，部分地區(qū)出現(xiàn)在午夜附近，以上結(jié)論與宇如聰?shù)萚5]和He等[8]分析的華北地區(qū)降水日變化的研究結(jié)果基本一致。河北省暖季的短時(shí)強(qiáng)降水過程大部分與強(qiáng)對(duì)流天氣過程相伴，其日變化特征很大程度與太陽輻射增加導(dǎo)致的熱力不穩(wěn)定密切相關(guān)。

圖3 河北省暖季短時(shí)強(qiáng)降水日變化分布

從小時(shí)強(qiáng)降水的頻率和峰值的日循環(huán)分布（圖4、圖5）可以看出，強(qiáng)降水過程主要分布在太行山以東、燕山以南的平原地區(qū)和沿海地帶，并且在18—19時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生頻率高、強(qiáng)度大、范圍廣，是河北省強(qiáng)降水過程的集中高發(fā)時(shí)間。而05—12時(shí)強(qiáng)降水相對(duì)較弱，是河北省強(qiáng)降水日變化的低值時(shí)間段。

圖4 1998—2018年河北省暖季短時(shí)強(qiáng)降水年均發(fā)生頻次的空間分布

圖5 河北省暖季短時(shí)強(qiáng)降水過程的峰值強(qiáng)度分布

3.2 日變化成因分析

降水量的日變化與邊界層低空急流的慣性震蕩密切有關(guān)[13-14]。為分析短時(shí)強(qiáng)降水過程與低空急流的慣性震蕩的關(guān)系，定義1998—2018年6—9月的平均風(fēng)場為暖季的氣候平均場，則實(shí)際風(fēng)與氣候平均場的差形成的擾動(dòng)風(fēng)場具有慣性震蕩的日變化特征。

圖6為近地層900 hPa的擾動(dòng)風(fēng)場和垂直速度的日變化演變。河北省的西北山區(qū)與東南平原的近地層擾動(dòng)風(fēng)存在顯著的慣性震蕩。西北山區(qū)的近地層擾動(dòng)風(fēng)從00時(shí)的東南風(fēng)逐步順時(shí)針轉(zhuǎn)向，06時(shí)為弱西南風(fēng)，12時(shí)為西北風(fēng)，18時(shí)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)。東南平原的近地層擾動(dòng)風(fēng)自00時(shí)的西南風(fēng)也逐時(shí)順轉(zhuǎn)，06時(shí)為西北風(fēng)，12時(shí)為東北風(fēng)，18時(shí)又轉(zhuǎn)成偏南風(fēng)。隨著河北省西北和東南地區(qū)擾動(dòng)風(fēng)的慣性震蕩，12時(shí)之后兩者在河北地區(qū)的擾動(dòng)風(fēng)向輻合逐時(shí)增大，15—18時(shí)擾動(dòng)風(fēng)向基本平行，風(fēng)向輻合最顯著，此特征與河北省強(qiáng)降水的集中爆發(fā)時(shí)間一致。另外，河北東南部18—21時(shí)的擾動(dòng)風(fēng)風(fēng)向與水汽通量方向基本一致，部分促進(jìn)了此時(shí)段強(qiáng)降水的爆發(fā)。綜合擾動(dòng)風(fēng)慣性震蕩在河北的風(fēng)輻合以及擾動(dòng)風(fēng)對(duì)南邊界的水汽輸送強(qiáng)度，主要原因是18時(shí)左右河北省強(qiáng)降水高頻發(fā)、強(qiáng)度大、范圍廣。

圖6 900 hPa擾動(dòng)風(fēng)場（單位：m/s）及垂直速度（陰影，單位：Pa/s）

太行山迎風(fēng)坡是中午前后和00—03時(shí)短時(shí)強(qiáng)降水的多發(fā)地區(qū)，即太行山迎風(fēng)坡的強(qiáng)降水過程出現(xiàn)的時(shí)間范圍廣，遍布12時(shí)—次日04時(shí)。從短時(shí)強(qiáng)降水的頻率和峰值強(qiáng)度分布能夠看出，太行山迎風(fēng)坡附近的峰值降水量的大值中心覆蓋了較長的時(shí)間范圍，即使在強(qiáng)降水的低頻率時(shí)間段（05—12時(shí)）也能夠出現(xiàn)山脈迎風(fēng)坡的強(qiáng)降水事件。這與太行山西高東低的坡度地形結(jié)構(gòu)與局地非地轉(zhuǎn)風(fēng)環(huán)流關(guān)系密切。

沿37.2°N做擾動(dòng)風(fēng)場垂直結(jié)構(gòu)的日循環(huán)（圖7）。在近乎南北走向的太行山東麓坡度最大的地區(qū)，高空400 hPa以上的風(fēng)場以東風(fēng)為主，僅在12—18時(shí)附近轉(zhuǎn)為西風(fēng)。近地層00—06時(shí)為從山脈吹向平原的干冷西風(fēng)，其它時(shí)次均為自平原吹向太行山的暖濕東風(fēng)。因此，在太行山東部坡度較大的地區(qū)，12—18時(shí)為較大的擾動(dòng)西風(fēng)切變，增大了該地區(qū)環(huán)境風(fēng)的垂直風(fēng)切變值。增強(qiáng)的西風(fēng)切變和近地層?xùn)|南風(fēng)的水汽輸入，與較強(qiáng)抬升作用的共同影響是該地區(qū)12—18時(shí)較強(qiáng)垂直上升運(yùn)動(dòng)的主要原因。另外，山脈和平原之間的熱力差異引起的區(qū)域尺度的山地—平原螺線管（MPS）環(huán)流的日變化，能夠影響山脈與相鄰平原地區(qū)的夏季降水和天氣現(xiàn)象[28]。從近地層的輻合場分布可知，在山脈及其東部地區(qū)MPS環(huán)流的日變化明顯，近地層的輻合帶沿著山頂、山坡和山腳也存在日變化。不同地形坡度的抬升作用，以及低層急流的日變化均加劇了山脈—平原過渡地區(qū)強(qiáng)降水的復(fù)雜性。

圖7 擾動(dòng)風(fēng)散度場（陰影，單位：10-6 s-1）、緯向分量（箭頭）和經(jīng)向分量（等值線）沿37.2°N垂直剖面

4 結(jié)論

利用1998—2018年逐小時(shí)高分辨率衛(wèi)星融合降水資料，對(duì)河北省暖季短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布、日變化特征以及成因進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

（1）河北省暖季短時(shí)強(qiáng)降水過程的小時(shí)降水量、降水頻次、降水強(qiáng)度、峰值降水量均存在東南高、西北低的特點(diǎn)，太行山和燕山的迎風(fēng)坡附近存在降水大值中心，此分布特征與地形高度走向基本一致。東部沿海和東南平原是短時(shí)強(qiáng)降水過程的平均降水量、降水頻次及降水強(qiáng)度大值區(qū)。

（2）河北短時(shí)強(qiáng)降水過程存在明顯日變化，多發(fā)時(shí)間與降水量大值出現(xiàn)時(shí)間集中在15—21時(shí)，部分地區(qū)出現(xiàn)在午夜附近，短時(shí)強(qiáng)降水存在的日變化特征很大程度上是太陽輻射增加造成的熱力不穩(wěn)定引發(fā)的強(qiáng)天氣所致。東部平原和沿海地區(qū)出現(xiàn)時(shí)間較西北山區(qū)推遲，18—19時(shí)頻率高、強(qiáng)度大、范圍廣。

（3）擾動(dòng)風(fēng)場存在顯著順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的慣性震蕩日變化特征。西北山區(qū)和東南平原的近地層擾動(dòng)風(fēng)場在15—18時(shí)呈西北風(fēng)與東南風(fēng)風(fēng)向輻合，有利于大氣的動(dòng)力抬升作用，18—21時(shí)西南地區(qū)偏南風(fēng)的擾動(dòng)風(fēng)場與水汽主要來源方向一致，進(jìn)一步增大了該地區(qū)水汽的匯集；擾動(dòng)風(fēng)慣性震蕩在河北的輻合抬升和水汽輸入作用，可能是短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生在午后至前半夜且18時(shí)前后強(qiáng)降水高發(fā)、強(qiáng)度大、范圍廣的主要原因。

（4）12時(shí)—次日04時(shí)，在太行山和燕山的迎風(fēng)坡附近存在一個(gè)東北—西南向短時(shí)強(qiáng)降水大值區(qū)和頻發(fā)帶，這與太行山的坡度結(jié)構(gòu)和局地非地轉(zhuǎn)風(fēng)環(huán)流關(guān)系密切。山脈和平原之間的熱力差異引起區(qū)域尺度山地—平原螺線管（MPS）環(huán)流的日變化，能夠影響山脈與相鄰平原地區(qū)的夏季降水和天氣現(xiàn)象。不同的地形坡度的抬升作用以及低層急流日變化均加劇了山脈—平原過渡地區(qū)的強(qiáng)降水的復(fù)雜性，將有待后續(xù)研究。