三明市氣象災害監測預警觀測點的布局評估

鄢鳳玉，楊屹杰

福建省三明市氣象局，福建三明 365000

氣象觀測是氣象業務、科研和服務的基礎，是實現天氣預報和氣候分析的數據基礎和驗證的重要標準[1]。通過采集區域氣象要素并結合觀測經驗，能夠對當地可能產生的氣象災害進行準確預估，減輕氣象災害帶來的負面影響，保證農業生產的順利進行[2]。

福建省地處亞熱帶海洋季風氣候，是氣象災害多發的省份之一[3]，位于福建中北部內陸地區的三明市，在氣象災害中，暴雨和冰雹這類強對流天氣發生頻繁且危害較大。目前，三明市建設的氣象觀測站大大提高了對暴雨、局地強對流天氣的預警監測能力，為防災減災救災提供了科學的決策依據，但這些觀測站缺乏科學性評估。

根據中國氣象局關于提高氣候核心業務能力的要求，需要針對天氣氣候業務和專業氣象服務對觀測布局和氣象要素觀測精度的不同要求，繼續優化站點布局方案。研究將基于暴雨和冰雹2個影響較大的氣象災害，討論三明市氣象站觀測布局的合理性。

1 資料來源

降水資料使用三明市4—9月134個鄉鎮的逐小時降水資料。

地質災害資料為2013—2017年三明市地災記錄數據，統計暴雨發生后地災的發生情況，分為小型(S)、中型(M)、大型(L)、特大型(XL)。

冰雹資料為1961—2020年三明市1 018條冰雹數據記錄，包含降雹時間、降雹地點(精確到鄉鎮)、冰雹直徑和災情等信息。

2 基于暴雨和地災分布評估自動站分布的合理性

2.1 暴雨分布特征

暴雨過程篩選：基于2013—2017年的暴雨日(20:00～翌日20:00)數據，綜合考慮暴雨范圍和強度，對暴雨日進行篩選，同時滿足以下條件：暴雨發生的鄉鎮數(共134鄉鎮)降序排列前50位，降水極值降序排列前50位，得到27個暴雨日，其中，13日分布在4—6月的前汛期，14日分布在7—9月的后汛期，后汛期的暴雨日次數多于前汛期。

分別統計暴雨日的強度分布和頻次分布，可以明確暴雨日的關鍵區。平均前汛期暴雨日降水量(圖1左)顯示各個鄉鎮的暴雨強度極值在三明市西北部最為顯著，最大值為70～90 mm，這與三明西北部前汛期易發生對流性降水有密切關系。平均后汛期暴雨日降水量(圖1右)，強度極值分布的區域與前汛期相比更分散，主要集中在山區等海拔較高的區域，最大值為70～85 mm。而三明市前汛期暴雨日頻次分布(圖略)與暴雨日強度分布相似，前汛期的西北部地區頻次較多，可達7～9次，而后汛期暴雨日頻次較多的區域集中在山區。

圖1 2013—2017年前汛期(左)和后汛期(右)暴雨強度分布圖

從三明市前汛期和后汛期暴雨頻次和強度的分布特征來看，前汛期強對流降水主要集中在西北部區域，并且強度極值相對后汛期較高，后汛期的強降水各地均有發生，并且主要集中在山地海拔較高的地區，說明山地地形對強降水的形成有促進作用。

2.2 暴雨分布特征及地質災害的影響

2.2.1 地災分布特征三明市2013—2017年地災發生總次數為329次，其中，小型300例，中型16例，大型3例，特大型0例，未標注地災等級10例，三明市小型地災的發生次數遠遠多于其他等級的地災。

2.2.2 暴雨日對應的地災分布特征從三明市前汛期和后汛期暴雨日3 d內地災發生次數(圖2)來看，前汛期地災發生次數遠多于后汛期。從分布區域來看，前汛期地災發生區域主要集中在西北部，北部和西部也有分布。后汛期暴雨日降水極值較前汛期較小，分布范圍較廣，對應3 d內地災發生次數較少，主要分布在西南部的降水極值地區。

圖2 三明市27個暴雨日開始3 d內前汛期(左)和后汛期(右)地災的分布特征

統計27個暴雨日當天開始2、3、5、7 d內地災發生的樣本量分別為123、125、131、137例，前汛期和后汛期對應暴雨日當天開始2、3、5、7 d內地災發生的樣本量如表1所示。地災主要發生在前汛期，且在2～7 d內地災發生次數相差不多，后汛期地災發生次數較少，但隨著暴雨日過后天數增加，地災次數也隨之增長，后汛期前期降水累計量與地災有一定的聯系。

表1 暴雨日發生后不同天數地災發生個數

將篩選暴雨日的降序排列閾值擴大至前100位，得到74個暴雨日，統計暴雨日7 d內發生地災的次數，前汛期237次和后汛期47次，暴雨日期間地災的發生占全部地災的86.3%。

總體而言，地質災害的分布特征與暴雨分布特征有著密切的關系，4—6月地災多發生于西北部山區，對應前汛期暖區暴雨，發生區域集中且地災等級更高；7—9月地災明顯減少，地災分布區域分散。

2.3 地災監測角度對現有自動站觀測布局評估

三明市分布有282個氣象站，從27個暴雨日3 d內地災點距離最近自動站的距離(圖3)可見，大部分地災點距離自動站的最近距離均小于6 km，8 km以上的占少數。前汛期地災發生次數較多的西北部，有部分氣象站距地災點較遠，而地災次數發生較少的東南部區域，氣象站距地災點較遠的比例略高，它們多數分布在山脈附近。

圖3 暴雨日3 d內地災發生點與自動氣象站的最近距離分布

6 km自動站分布足以捕捉和監測暴雨的位置和強度，用于監測目的的自動站可以基本覆蓋地災發生點。從與暴雨相關的氣象站分布來看，西北部氣象站多，可以監測前汛期以強降水為主的氣象災害，做好預報預警工作。

3 基于冰雹分布評估觀測分布合理性

3.1 冰雹分布特征

春雹期(3—5月)是一年中冰雹次數和強度最強的時期。統計1961—2020年三明市1 018條冰雹數據的月分布規律發現，冰雹主要發生在3—5月春冰雹期，共812例，以及7—9月夏雹期，共113例，共占所有冰雹例數的91.0%，其中，以4月發生次數最多，為438次。在1 018例冰雹中，記錄中有冰雹直徑數據共606例，其中，冰雹直徑＞50 mm的有119例，同樣集中發生在3—5月的春雹期。

3.2 冰雹發生角度對現有觀測布局評估

統計各個鄉鎮的冰雹發生次數(圖4)發現，冰雹發生次數10次以上的集中在三明市西部的山脈區域和東部的部分山區，其中，冰雹發生次數30次以上的區域集中在西南部。對比冰雹次數發生較多的區域和氣象站分布情況來看，部分區域冰雹分布較多區域氣象站分布較少，以西南部為例，冰雹最為集中發生的區域，氣象站分布較為稀疏。

圖4 1961—2020年三明市各鄉鎮發生冰雹次數分布

為了直觀地反映各個縣(市、區)冰雹次數和氣象站的個數對比關系，統計各個縣(市、區)的面積、冰雹發生次數和氣象站個數。從各個縣(市、區)氣象站的個數與冰雹發生次數來看，存在冰雹發生次數多的區域氣象站點較少的特點。其中，明溪最為明顯，清流和寧化次之，而這3個縣是冰雹發生次數最多的?？紤]到縣市之間面積的大小可能影響氣象站分布的疏密，因此，將氣象站個數與縣市面積進行比較，得到氣象站疏密程度，再與冰雹次數進行對比(圖5)，同樣發現西南部的明溪、清流和寧化在冰雹發生次數較多的情況下，自動站分布最疏，其中，明溪更為顯著。

圖5 三明市11個縣(市、區)氣象站個數與面積比值和冰雹發生次數

氣象站只能監測冰雹這類強對流天氣可能相伴的降水、雷雨和大風等，無法有效對冰雹天氣過程進行預報預警，需要結合雷達等監測手段。根據三明市觀測，天氣雷達站分布在西北部泰寧高海拔地區，離西南部有一定的距離，該地區全省有2部雷達覆蓋，重疊度較小，也有較遠的距離，同時存在地形的遮擋問題。而風廓線雷達分布在偏北部地區和偏南部地區，顧及不到西南部較常發生冰雹的區域。在春雹季，冰雹移動普遍是偏西南路徑，因此，建議利用X波段雷達(有探測距離短、掃描速度快、分辨高的特點)，加強三明市最西南部地區對冰雹天氣過程的監測預警能力。

4 結論

從三明市暴雨日分布特征、對應地災發生情況和冰雹發生地區分布情況來看，主要發生季節均在春季(3—6月)，對應前汛期(4—6月)和春雹期(3—5月)。其中，暴雨易發生地點在三明市西北部，冰雹易發生地點在三明市西南部。結合全市氣象站分布情況發現，西北部氣象站分布較為密集，能對暴雨進行有效監測，且能監測到的地災距離氣象站大部分小于6 km，能有效監測預警前汛期強對流降水及其可能導致的地災；而西南部的氣象站分布相對較為稀疏，對春雹期冰雹天氣的監測較為不利，需要適當增添氣象站和雷達等設備。