基于衛(wèi)星融合降水資料的河北省暖季短時強降水分析

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)害教育部重點實驗室，江蘇 南京 210044；3.呼倫貝爾市氣象臺，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)域性的短時強降水，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]認為在太行山以東地區(qū)日降水峰值一般出現(xiàn)在上午時段。He等[8]認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華北平原地區(qū)。短時強降水往往與強對流天氣相聯(lián)系。梁蘇潔等[9]發(fā)現(xiàn)京津冀地區(qū)由于午后對流活動增強，暖季前期短時強降水多出現(xiàn)在午后至傍晚。另外，短時強降水日變化特征存在區(qū)域差異且產(chǎn)生的物理機制也不盡相同，已有學(xué)者分別從低空急流[10-11]、季風強度[12]、近地層風慣性震蕩[13-14]、環(huán)境參量特征[15-16]以及時空分布特征[17-19]等方面進行了分析。

短時強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90年代中期以后，河北省極端降水頻次減少，但其降水量對總降水的貢獻率增加[20]。因此深入分析河北省山脈—平原過渡地區(qū)的短時強降水的時空分布特征，增進山脈—平原地形對強對流系統(tǒng)物理強迫的理解，對短時強降水的預(yù)報以及防汛儲水工作的合理布局與安排，減少由此帶來的經(jīng)濟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號文件《短時臨近天氣業(yè)務(wù)規(guī)定》和中華人民共和國國家標準“GB/T 28594-2012”（臨近天氣預(yù)報）的規(guī)定，短時強降水（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多個通過質(zhì)量控制的自動站的觀測數(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降水產(chǎn)品（以下簡稱融合資料）。該格點資料分辨率為0.1°×0.1°，時間分辨率為1 h。李建等[24]研究表明，高分辨率網(wǎng)格數(shù)據(jù)能更好地描述短時強降水事件的過程和強度。適用性研究結(jié)果表明，該降水資料有效結(jié)合了自動站觀測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星反演降水數(shù)據(jù)各自的優(yōu)勢[25]，對短時強降水的定量監(jiān)測有明顯優(yōu)勢，產(chǎn)品總體誤差＜10%[26]。同時該資料能夠更好地描述臺站稀疏地區(qū)以及復(fù)雜地形條件下降水的時空分布[27]，有利于復(fù)雜地形條件下短時強降水時空分布的精細化研究。分析短時強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資料（ERA5），水平網(wǎng)格分辨率為0.25°×0.25°，垂直方向為1 000到1 hPa的37個氣壓層，時間分辨率為1 h。便于分析研究，引入以下物理量：

FHR小時降水量：統(tǒng)計時段內(nèi)，所有短時強降水事件的總降水量/總時次（單位：mm/h）；

FHR降水頻次：統(tǒng)計時段內(nèi)，短時強降水事件年均發(fā)生的次數(shù)（單位：次/年）；

FHR降水貢獻率：短時強降水的總降水量/同期總降水量（單位：%）；

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

FHR降水強度：統(tǒng)計時段內(nèi)，短時強降水總降水量與降水頻次之比（單位：mm/h）；

FHR小時峰值降水量：各區(qū)域歷史短時強降水事件中，出現(xiàn)的最大小時降水量（單位：mm）。

2 暖季短時強降水（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)的年均小時降水量偏少，其中張家口、承德和保定、石家莊、邢臺和邯鄲4個地區(qū)的西部年均小時降水量＜0.18 mm/h；東部平原相對偏多，年均小時降水量＞0.18 mm/h，其中秦皇島和唐山東部沿海可達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 短時強降水（FHR）空間分布

圖2為河北暖季FHR的小時平均降水量、年均降水頻次及其貢獻率的空間分布。FHR的空間分布呈東南多、西北少的特點（圖2）。河北省大部地區(qū)FHR降水頻率的貢獻率均＜4%，但東部平原FHR降水量貢獻率＞45%，其中東部沿海一帶FHR降水量貢獻率＞60%。FHR發(fā)生頻率較低，但降水強度較大，降水量在時間上高度集中，對暖季總降水量的貢獻較大。尤其是在太行山和燕山腳下，存在一個東北—西南向的FHR頻發(fā)地帶，其FHR小時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迫作用導(dǎo)致的對流層低層動量和質(zhì)量的輻合增強有關(guān)。西北山區(qū)的FHR小時平均降水強度＜34 mm/h，小時峰值降水量＜90 mm/h；東南平原小時降水強度＞38 mm/h，小時峰值降水量＞94 mm/h。秦皇島、唐山東部沿海一帶小時降水強度、峰值降水強度、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 河北省暖季短時強降水空間分布

3 短時強降水（FHR）日變化

3.1 日變化特征

圖3為河北省暖季短時強降水過程的降水量最大值出現(xiàn)時間與發(fā)生頻率最多的時間分布。河北省短時強降水的多發(fā)時間與降水量大值出現(xiàn)時間類似，集中分布在15—21時。西北山區(qū)的時間分布比較一致，均是在18時左右降水量最大，出現(xiàn)頻率最多。東部平原和沿海地區(qū)出現(xiàn)時間較西北山區(qū)推遲，多分布在18時之后，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。河北省暖季的短時強降水過程大部分與強對流天氣過程相伴，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 河北省暖季短時強降水日變化分布

從小時強降水的頻率和峰值的日循環(huán)分布（圖4、圖5）可以看出，強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時強降水的發(fā)生頻率高、強度大、范圍廣，是河北省強降水過程的集中高發(fā)時間。而05—12時強降水相對較弱，是河北省強降水日變化的低值時間段。

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

圖5 河北省暖季短時強降水過程的峰值強度分布

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]。為分析短時強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月的平均風場為暖季的氣候平均場，則實際風與氣候平均場的差形成的擾動風場具有慣性震蕩的日變化特征。

圖6為近地層900 hPa的擾動風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風存在顯著的慣性震蕩。西北山區(qū)的近地層擾動風從00時的東南風逐步順時針轉(zhuǎn)向，06時為弱西南風，12時為西北風，18時轉(zhuǎn)為偏北風。東南平原的近地層擾動風自00時的西南風也逐時順轉(zhuǎn)，06時為西北風，12時為東北風，18時又轉(zhuǎn)成偏南風。隨著河北省西北和東南地區(qū)擾動風的慣性震蕩，12時之后兩者在河北地區(qū)的擾動風向輻合逐時增大，15—18時擾動風向基本平行，風向輻合最顯著，此特征與河北省強降水的集中爆發(fā)時間一致。另外，河北東南部18—21時的擾動風風向與水汽通量方向基本一致，部分促進了此時段強降水的爆發(fā)。綜合擾動風慣性震蕩在河北的風輻合以及擾動風對南邊界的水汽輸送強度，主要原因是18時左右河北省強降水高頻發(fā)、強度大、范圍廣。

圖6 900 hPa擾動風場（單位：m/s）及垂直速度（陰影，單位：Pa/s）

太行山迎風坡是中午前后和00—03時短時強降水的多發(fā)地區(qū)，即太行山迎風坡的強降水過程出現(xiàn)的時間范圍廣，遍布12時—次日04時。從短時強降水的頻率和峰值強度分布能夠看出，太行山迎風坡附近的峰值降水量的大值中心覆蓋了較長的時間范圍，即使在強降水的低頻率時間段（05—12時）也能夠出現(xiàn)山脈迎風坡的強降水事件。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)風環(huán)流關(guān)系密切。

沿37.2°N做擾動風場垂直結(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以上的風場以東風為主，僅在12—18時附近轉(zhuǎn)為西風。近地層00—06時為從山脈吹向平原的干冷西風，其它時次均為自平原吹向太行山的暖濕東風。因此，在太行山東部坡度較大的地區(qū)，12—18時為較大的擾動西風切變，增大了該地區(qū)環(huán)境風的垂直風切變值。增強的西風切變和近地層?xùn)|南風的水汽輸入，與較強抬升作用的共同影響是該地區(qū)12—18時較強垂直上升運動的主要原因。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)強降水的復(fù)雜性。

圖7 擾動風散度場（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年逐小時高分辨率衛(wèi)星融合降水資料，對河北省暖季短時強降水的時空分布、日變化特征以及成因進行了分析，結(jié)果表明：

（1）河北省暖季短時強降水過程的小時降水量、降水頻次、降水強度、峰值降水量均存在東南高、西北低的特點，太行山和燕山的迎風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強降水過程的平均降水量、降水頻次及降水強度大值區(qū)。

（2）河北短時強降水過程存在明顯日變化，多發(fā)時間與降水量大值出現(xiàn)時間集中在15—21時，部分地區(qū)出現(xiàn)在午夜附近，短時強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)的強天氣所致。東部平原和沿海地區(qū)出現(xiàn)時間較西北山區(qū)推遲，18—19時頻率高、強度大、范圍廣。

（3）擾動風場存在顯著順時針旋轉(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風場在15—18時呈西北風與東南風風向輻合，有利于大氣的動力抬升作用，18—21時西南地區(qū)偏南風的擾動風場與水汽主要來源方向一致，進一步增大了該地區(qū)水汽的匯集；擾動風慣性震蕩在河北的輻合抬升和水汽輸入作用，可能是短時強降水發(fā)生在午后至前半夜且18時前后強降水高發(fā)、強度大、范圍廣的主要原因。

（4）12時—次日04時，在太行山和燕山的迎風坡附近存在一個東北—西南向短時強降水大值區(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)的強降水的復(fù)雜性，將有待后續(xù)研究。