尤溪县区域自动站暴雨天气系统统计特征及其应用*

阮锡章 洪维群 张家斌 朱仕杰 郑文君

各区域站含县站，下同

尤溪县区域自动站暴雨天气系统统计特征及其应用*

阮锡章1洪维群1张家斌1朱仕杰2郑文君1

（1.福建省尤溪县气象局，福建 三明 365100；2.福建省顺昌县气象局，福建 南平 353200）

利用尤溪县气象站及各乡镇2009—2016年区域自动站最新降水量资料，对128个暴雨及以上降水过程按影响天气系统进行分类，采用统计县站及各区域站间年雨量、暴雨及大暴雨天气过程两两之间的相关系数，分析各地降水量的关联性以及暴雨天气系统分布规律。结果表明，①尤溪县各区域站之间暴雨降雨量存在显著相关，但各区域站大暴雨降雨量的相关性较差。②暴雨天气系统分类中，Ⅰ类：低层切变（伴高空槽、冷空气）出现次数最多，占总数的68%；Ⅱ类：台风（含热带风暴或其环流）占总数的16%；Ⅲ类：副高边缘（含副高控制）、Ⅳ类：偏南风辐合（含东风波）合计占总数的16%。前两类各区域站之间暴雨降水量存在显著相关，通过信度0.01检验的占比达91%和76%；Ⅳ类关联性较差，而Ⅲ类基本没有关联，因此后两类暴雨尤其是大暴雨降水预报中应以报部分乡镇或局部性为宜。③根据各区域站之间强降水雨量两两相关系数，确定了尤溪中部区域、尤溪东南部戴云山脉区域、尤溪西北部玳瑁山脉区域等强降水一致区，作为短临天气预警预报的依据之一。

暴雨 天气系统 统计特征 强降水一致区 尤溪县区域自动站

福建省中部地区拥有丰富的山地、气候和水资源，素有“八山一水一分田”之称，低山丘陵和中山等山地面积约占总面积的80%以上，分布有戴云山、玳瑁山等山脉；冬季受大陆气团控制，多偏北风，干旱少雨；夏季受海洋气流影响，湿润多雨，盛行偏南风，温暖湿润的夏季风使高温与多雨同期出现，为农业、水电生产和森林生态建设奠定了极为有利的自然气候条件，成为全国重要的商品粮生产基地和重点林业区之一。同时由于地处东南沿海和复杂的地形地貌，暴雨等自然灾害较为频发[1-4]，因此做好强降水天气的预警预报工作尤为重要。为了加强对闽中区域暴雨天气变化规律的认识，发挥区域自动站资料在现代天气预报中的作用，做好水库蓄水发电及防洪防汛气象服务。本文以地处福建省几何地理中心的尤溪县降水资料为基础，分析其暴雨分布及影响天气系统特征，探讨降水一致区及其在强降水预警预报的应用，为开展短临气象预报和气象服务工作提供技术支撑。

1 资料来源与分析方法

1.1 研究区域概况

尤溪县位于福建省中部山区，介于117.8～118.6°E、25.8～26.4°N，属于中亚热带季风气候。地理上位于武夷山以南至戴云山脉之间，境内海拔高差较大，山峦起伏；东南部为戴云山脉主体部分，其中大模山海拔高度1472m，为全县最高山峰；西北部为玳瑁山脉北段。两山脉走向呈东北—西南向，与我国东南沿海呈大致平行，对东南暖湿气流产生动力抬升作用，对北方南下的冷空气起阻滞、分流作用[1]。县内水系发育，其中流域面积100 km2以上的大小河流14条，大小水电站100多座；最大河流——尤溪河，发源于大田屏山和永安丰田洋，在坂面镇入境，从西南向东北流经本县中部，于尤溪口注入闽江。沿尤溪河两岸地势较低，多为丘陵和山间盆谷，这些盆谷地和东、西部山间小盆地是该县主要农业耕作区，是全国商品粮基地县之一。因此，暴雨天气对农业和水电等生产有重要影响。

尤溪县暴雨分布受到地形地貌、山脉走向及距离东海岸线远近的影响：①尤溪县东南部属戴云山脉的主体部分（平均海拔高度在800～1200m），西北部系玳瑁山脉东段南坡（平均海拔高度在600～1000m），地形抬升作用使降水增强，尤其夏季当台风或热带气旋靠向福建省东部沿海时，其西侧东北或偏东气流遇山脉阻挡，其抬升作用更为明显；②该县地势从西南向东北倾斜，造成从东路南下的冷空气沿中部尤溪河从东北方向侵入，随冷暖空气势力强弱的不同对比，在不同的区域位置形成边界辐合线，而触发对流性降水（在切变线类暴雨中，其作用尤为明显）；③除两大主要山脉外，该县地貌破碎、褶皱发育强烈，形成高低不同的众多峰峦，如金峰山、金鸡山、罗汉山、北山岩等，其最高海拔高度在1100～1300m，在副高或其边缘控制下、热力对流引发的对流性强降水中，其局地性明显。

1.2 资料与方法

采用尤溪县气象局及各区域自动气象站（以下称各区域站）2009-2016年资料平均年月雨量（其中汤川从2010年8月18日开始有自动站记录，八字桥、中仙、闽湖分别有缺1~3个月不等的资料，经审核有问题的资料不予统计）、逐日暴雨（20~20时日雨量≥50mm）、大暴雨（20~20时日雨量≥100mm）资料，分析暴雨、大暴雨的地理、时间分布特征；分别统计县站及各区域站间年雨量、暴雨及大暴雨天气过程的两两相互间的相关系数，确定暴雨天气的一致区[5-6]；对128个暴雨及以上降水过程按影响天气系统分为四类：低层切变（伴高空槽、冷空气）、台风（含热带风暴或其环流）、副高边缘（含副高控制）、偏南风辐合（含东风波），分别统计县域内各地暴雨及以上降水量的两两相关系数，进一步分析暴雨天气过程的影响天气系统特征及其规律，并应用于短临气象预报预警服务工作。

2 统计结果分析

2.1 降水概况

该县2009—2016年平均年雨量介于1506.5（尤溪口）～1995.6mm（汤川）（八字桥2015.3mm，因资料不全未选）之间，从年、月降水量变化情况与常年相比较看，2010年、2012年、2015年、2016年偏多，其中以2016年最多，各地年雨量介于1636mm（联合）～2501mm（汤川），2009年、2011年、2013年、2014年偏少；以2011年偏少最为明显，以年雨量1054mm（洋中）为最少。年内降水高值期出现在4～6月，占全年雨量的36.6%~43.6%，通常也称为雨季或前汛期。多雨季（3~9月）占全年雨量的68.3%~73%，少雨季（10~2月）占全年雨量的19. 1%～23.5%。

2.2 暴雨的时空分布特征

2009—2016年，暴雨过程共163天，4月份开始，暴雨次数逐渐增多，4~9月暴雨过程（140天）占全年的86%，10月份以后暴雨日数趋于减少，10~3月（23天）占14%；各地年平均暴雨日数4~7天，以八字桥、洋中和城关较多，在6天以上。大暴雨过程共25天，其中4~9月（24天）占全年的96%；4月份开始出现大暴雨，受台风影响，7、8月份成为大暴雨最多的月份。各地累年大暴雨日数在1～10天不等，以汤川、中仙、台溪较多，达9~10天；年均大暴雨天数1天或以下（见表1）。最大暴雨出现在2013年8月22日，受台风“谭美”影响，最大日雨量达206.7mm（汤川）；出现连续性大暴雨共有3次(年出现概率38%)，分别出现在2010年6月14～15日、2013年7月13～14日和2014年7月23～24日，后两次均是受台风影响造成。

表1 尤溪县各区域站2009-2016年暴雨、大暴雨日数

注：各区域站含县站，下同。

2.2.14~6月暴雨日数

春夏之交，冷暖空气在尤溪县上空频繁剧烈交绥，从4月份开始，暴雨天数逐渐增多。4~6月累年暴雨日数9~25天，年均1.1～3.1天，占全年的30%~50%；多的达22天或以上（八字桥、坂面、县站），少的仅12天或以下（中仙、汤川、玉涧）。月累年大暴雨日数1~9天不等，年均0.1~1.3天；较多如中仙、汤川、台溪（9天），少的如管前、西城，仅1天。

2.2.27~9月暴雨日数

7~9月尤溪县处副热带海洋性气团控制下，天气不稳定，产生局地性暴雨；遇热带风暴（台风）影响，容易产生大范围或连续性暴雨甚至大暴雨，也是一年中暴雨、特别是大暴雨天气比较多的季节。据统计，累年7~9月暴雨日数14~21天，年均1.8~2.6天，占全年的30%~60%；多的达20天或以上（洋中、汤川、台溪），少的仅15天或以下（新阳、八字桥、坂面、拥口、尤溪口）。累年大暴雨日数0～8天不等，年均0～1天；较多的达8天或以上如中仙、台溪、汤川，少的0天，如管前、西城。

2.2.311月暴雨日数

秋冬季暴雨日数较少，但在秋冬季过渡时节的11月份，受冷空气、中低层切变线和南支槽东移影响[7-8]，降水量和暴雨日数呈一小高峰期，暴雨天气过程2～3年一遇。

综上，春夏之交由于冷暖空气相互作用，冷空气从北方南下，遇玳瑁山等山脉阻挡、抬升作用，西部、北部地区暴雨较多，如八字桥、管前、坂面等乡镇；在盛夏，由于热带海洋性气团及热带风暴（台风）影响，受到该县东南部戴云山脉的抬升作用，容易形成暴雨、大暴雨天气，因而暴雨、大暴雨日数相对较多，如汤川、中仙、洋中、台溪等乡镇。

2.2.4各区域站降水分布的关联性

（1）各区域站暴雨降雨量两两之间相关系数：通过信度0.01检验有136/136= 1，各区域站之间暴雨降雨量存在显著关联（样本数=128，α0.01=0.254，α0.05=0.195）。各相关系数见表2，下同。

（2）各区域站大暴雨降雨量两两之间相关系数：通过信度0.01检验有46/136= 0.338，未通过信度0.05检验有58/136=0.426，仅34%区域站之间大暴雨降雨量存在显著关联（样本数=19, α0.01=0.575, α0.05=0.4555）。

分析有的区域站之间大暴雨相关系数小的原因，有的是因测站之间距离较远，有的是与小地形作用有关，如联合地处该县最北边，其北面有金鸡山、西面有金峰山等地形作用，使之与其他多数站点之间相关系数都很小。又如新阳、坂面与溪尾、汤川之间，除了所处的地形环境不同外，相距较远（40km以上）也是重要原因。

（3）统计各站年雨量两两之间相关系数：通过信度0.01检验的有81个，占59.6%，即60%区域站之间年雨量存在显著关联；未通过信度0.05检验的有11个，占8.8%（样本数=6, α0.01=0.9172, α0.05=0.8114）。各相关系数不再列出，下同。

表2 尤溪县各区域站之间暴雨、大暴雨降雨量相关系数

续表2

注：斜体字（相关系数=1）部分为暴雨、大暴雨共同的相关系数，其左下角部分为暴雨的相关系数，右上角部分为大暴雨的相关系数。

由此可见，各区域站之间年雨量、暴雨降雨量存在显著关联，而大暴雨降雨量关联性较差。

3.3 暴雨的影响天气系统分类特征

3.3.1暴雨影响天气系统分类

统计暴雨日且完整有16个区域站资料共有126天，将其影响天气系统分成以下4类[8]：

（Ⅰ）类：低层切变（伴高空槽、冷空气），计有86天，占总数的68%；

（Ⅱ）类：台风（含热带风暴或其环流），计20天，占总数的16%；

（Ⅲ）类：副高边缘（含副高控制），计6天，占总数的5%；

（Ⅳ）类：偏南风辐合（含东风波），计14天，占总数的11%；

3.3.2各分类暴雨在各区域站分布的关联性

统计各分类暴雨各区域站两两之间相关系数及通过各显著性检验的个例占比百分率，得出以下结果：

由表3可见，各区域站之间切变（伴高空槽、冷空气）类、台风（含热带风暴或其环流）类暴雨降雨量存在显著关联，未通过信度0.05检验的个例占比在10%以内（见表3中Ⅰ、Ⅱ类），其形成机理与这两类系统为天气尺度，系统的时空尺度大有关。偏南风辐合（含东风波）暴雨降雨量关联性较差，其未通过信度0.05检验的个例占比达62.5%（见表3中Ⅳ类）；而副高边缘（含副高控制）暴雨降雨量基本没有关联，未通过信度0.05检验的个例占比达91.2%（见表3中Ⅲ类），Ⅲ类、Ⅳ类两型暴雨多由对流性的中小尺度系统引起，局地性强，因此在预报中应以报部分乡镇或局部性为宜。

表3 各分类暴雨各区域站间相关系数通过各显著性检验的个例占比

3.3.3大暴雨影响天气系统分类

大暴雨的影响天气系统只有（Ⅰ）、（Ⅱ）类。

（Ⅰ）类：低层切变（伴高空槽、冷空气）类计有13天，占总数的54%；

（Ⅱ）类：台风（含热带风暴或其环流）类计有11天，占总数的46%。

3.4 降水一致区选择及应用

3.4.1强降水一致区的确定

本文所称降水一致区是指受某一天气系统影响时，其降水出现时间和强度都比较相近的区域。将各区域站之间暴雨、大暴雨降水量两两相关系数均通过0.01信度检验的连片区域确定为优选（或一级）暴雨一致区，未达这一条件但均通过0.05信度检验的连片区域确定为普通（或二级）暴雨一致区，进而确定暴雨高度一致区。筛选结果见表4。

表4 各区域站暴雨、大暴雨降水一致区筛选结果

基于以上统计结果，结合闽中地区地形地势特点和影响天气系统分析[9-16]，得出以下强降水高度一致区：

①尤溪中部沿河区域：县站-西城-新阳-梅仙-坂面（切变类、偏南风辐合类暴雨优选一致区）；

②尤溪东南部戴云山脉区域：中仙-汤川-台溪-玉涧-洋中（切变类、台风环流类暴雨优选一致区）；

③尤溪西北部玳瑁山脉区域：县站-八字桥-新阳-管前-坂面-闽湖（切变类、台风环流、偏南风辐合类暴雨优选一致区）。

3.4.2强降水一致区在预报服务工作中的应用

在上述强降水一致区划分的基础上，结合标准差统计，采用VB编程确定暴雨天气区作为短临天气预报强降水划区的参考依据,在2018年业务应用中取得显著社会效益和经济效益。

强降水一致区气象服务平台技术流程见图1。

图1 强降水一致区气象服务平台技术流程

4 结果和讨论

（1）尤溪县各区域站之间暴雨降雨量存在显著相关，但各区域站大暴雨降雨量的相关系数较差，通过信度0.01检验的只有34%，未通过信度0.05检验的有43%，因此在预报工作中可发布全县性的暴雨预报，除个别强台风中心经过本区域外，大暴雨降水预报多以报局部性为宜。

（2）暴雨影响天气系统分类中，低层切变（伴高空槽、冷空气）类出现次数最多，占总数的68%；其次是台风（含热带风暴或其环流）类，占总数的16%；副高边缘（含副高控制）类和偏南风辐合（含东风波）类合计占总数的16%。

（3）在暴雨影响天气系统分类中，以低层切变（伴高空槽、冷空气）类和台风（含热带风暴或其环流）类的各区域站之间降水量存在显著相关，通过信度0.01检验达91%和76%；偏南风辐合（含东风波）暴雨降雨量关联性较差，而副高边缘（含副高控制）暴雨降雨量基本没有关联，因此这两类影响天气系统的暴雨降水预报中应以报部分乡镇或局部性为宜。

（4）根据各区域站之间强降水雨量两两相关系数，确定了尤溪中部区域、尤溪东南部戴云山脉区域、尤溪西北部玳瑁山脉区域等强降水一致区的基础上，采用VB编程划分强降水天气区作为短临天气预警预报的依据之一；同时结合面雨量的计算，计算上游来水量，确定洪水高程，应用ArcGIS软件制作尤溪流域防洪方案。

（5）本文在应用区域自动站资料为暴雨预报服务方面进行了有益的尝试，由于资料年代较短，尚不能取得较为全面的降水气象资料，对于特定区域位置是否存在强降水高频区等需要更深入的研究，乡镇精细化预报服务有待进一步探讨。

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三明市科技发展计划项目。

P458.1+21.1

A

1673-8683(2020)01-0014-06