新一代天气雷达是监测强对流天气的主要手段，利用长时间序列天气雷达观测资料分析对流活动时空分布与演变特征的雷达气候学研究，可为对流天气的预报预警提供气候背景资料和科学依据。目前雷达气候学研究主要围绕对流风暴和不同降水系统两方面开展（陈明轩等，2014；潘赫拉等，2020；龙美希等，2023），如Carbone等（2002）和Ahijevych等（2003）利用多年雷达探测资料揭示了美国大陆对流性降水回波存在明显的日循环和半日循环的周期性传播特征，并指出地形动力抬升和局地热力强迫对对流新生和向下游传播具有重要作用。近年来国内雷达气候学研究主要集中在京津冀、珠三角、西北地区和上海、安徽、南京等地（雷瑜等，2022；邢峰华等，2023；朱海斌等，2023；肖玮等，2023；李慧敏等，2023），如针对京津冀地区的雷达气候学研究表明，京津冀西北部山区是暖季对流活动的主要源地，下午到傍晚时段风暴的增强和新生与地形对低层偏南暖湿气流的强迫上升存在密切联系，京津地区75%的对流风暴持续时间小于30 min，风暴大多从西南向东北移动，东部平原及海洋地区风暴的面积、体积等尺度大于西部山区的对流风暴（韩雷等，2009；Chen et al，2012）；陕西汉中及其周边地区暖季对流活动高发地主要位于大巴山区、秦岭东南麓和汉中以东的秦岭大巴山过渡带，7月对流活动最频繁，6月最少，大巴山区对流频数高值区与地形高处接近重合，秦岭东南麓的高值区位于山坡处（支树林等，2021）；孙康远等（2017）利用5 a雷达资料研究表明南京及周边地区暖季（6—9月）对流风暴存在明显的活跃区域并具有明显的日变化特征；上海地区暖季午后局地对流活动主要发生在中心城区至长江口区域，对流触发的主要原因是海风锋和城市热岛效应（管理等，2020）；华南沿海地区暖季存在海岸区域和珠三角东北山区迎风坡两个对流性降水中心，季风活跃期对流日变化存在双峰结构现象，夜间边界层急流和海陆风循环是对流日变化和传播的关键（陈兴超，2016）。

由于受当地特殊的地形、盛行风、太阳加热及中尺度系统活动规律等影响，不同地区对流活动的雷达气候学分布也不同。福建为我国暖季深对流发展的活跃区之一（郑永光等，2008；陈炯等，2013），以往研究大部分基于地面雨量站或卫星资料，受时空分辨率限制，无法给出对流系统的精细分布特征。福建省目前已有8部新一代天气雷达，其中建阳、龙岩、长乐、厦门雷达资料积累时间已超过10 a，相对于卫星和地面观测，天气雷达具有水平和垂直分辨率高、观测时间间隔小等优点，同时其观测覆盖面积大且长时间稳定运行。本文利用2008—2017年龙岩、长乐、建阳、厦门4部天气雷达资料识别福建暖季（4—8月）对流，从雷达气候学角度揭示暖季对流系统的空间分布、日变化和结构特征，对比不同对流系统的空间和日变化特征，分析福建暖季对流系统变化规律及其形成的影响因素，为对流风暴和对流性强降水的临近预警提供参考依据，以期进一步提高预报预警准确率及强降水临近预报的精细化水平。

天气雷达资料为建阳、龙岩、长乐、厦门4部多普勒天气雷达（CINRAD/SA）2008—2017年4—8月的基数据，4部雷达工作频率分别为2 830 MHz、2 860 MHz、2 880 MHz和2 880 MHz，扫描方式为VCP21（0.5°、1.5°、2.4°、3.4°、4.3°、6.0°、9.9°、14.6°、19.5°），每次体扫时间约6 min，雷达最大观测半径为460 km，雷达反射率因子分辨率为1 km。为保证资料的有效性和完整性，使用各雷达站点130 km观测范围内的数据，并且有效观测数据不低于85%。利用邵武、龙岩、福州和厦门4个探空站点资料统计0 ℃层及-20 ℃层平均高度。利用欧洲中期天气预报中心第五代全球气候再分析数据集（ERA5）的逐月再分析资料（空间分辨率为0.25°×0.25°）分析500、850 hPa高空环流背景和物理量分布，ERA5 0.1°×0.1°逐小时再分析资料分析925、900 hPa风场和地面等天气要素场。文中时间均为北京时。

雷达基数据通过业务应用软件强天气预报系统（Severe Weather Automatic Nowcast System，SWAN）处理生成不同等高面的反射率因子（Constant Altitude Plan Position Indicator，CAPPI）数据及对流风暴识别、追踪（Thunderstorm Identification， Tracking， Analysis， and Nowcastiong， TITAN）产品。首先使用Steiner等（1995）提出的分类方法对CAPPI数据中的雷达反射率因子进行对流性和层云性回波分类，将反射率因子大于等于40 dBZ的格点识别为对流；计算其半径在11 km内的回波平均值，若区域内某格点反射率因子超出平均值10 dBZ，也将此格点识别为对流；对每个识别出来的对流格点，根据不同的回波强度，将其限制半径内的格点均视为对流。由于龙岩雷达站海拔高度为1 506.7 m，0.5°仰角探测130 km距离处的高度已超过3.0 km，因此4部雷达统一选取3.5 km CAPPI的反射率因子，以雷达站点为中心半径130 km内所在区域进行分析，建阳、龙岩、长乐、厦门4部雷达（图1）分别代表福建西北部、西南部、中东部及东南部4个区域，基本覆盖福建全省范围。

对流系统的面积和回波高度划分主要参照Steiner等（1995）和Xu and Zipser（2012）的分类方法，将面积大于400 km²的对流定义为大面积对流，100~400 km²的对流为中等面积对流，小于100 km²的对流为小面积对流；将回波高度大于12 km的对流定义为深对流，回波高度为6~12 km的对流为中深对流，回波高度低于6 km的对流为浅对流。TITAN算法是将风暴视为三维单体加以识别、跟踪和外推的风暴三维属性追踪算法（Dixon and Wiener，1993），可以对单个风暴进行追踪，并给出风暴单体随时间变化的各种物理属性数据。业务应用软件SWAN可直接生成TITAN产品，产品包含对流系统的水平面积、体积、顶高、移向移速等信息。统计过程中，对流系统的面积及对流发展高度数据从TITAN产品中获取，本文仅统计面积大于20 km²的对流系统。

分析垂直结构特征主要采用Donaldson（1961）的对流最大雷达反射率垂直廓线（the Vertical Profiles of Maximum Radar Reflectivity， VPRR）定义，即统计对流样本中每个高度层上的最大反射率因子：按不同高度（3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、8.0、9.0、10.0、12.0、14.0、15.5、17.0和19.0 km）分别统计对流系统回波强度最大值及其概率密度分布，用第50和第90百分位数代表中等强度和强对流系统。

图2为2008—2017年4—8月建阳、龙岩、长乐和厦门4部天气雷达观测的逐月累计对流频数的空间分布，可以看出对流系统频数不同月份表现出不同的区域分布特征，4月为对流发生频数最低的月份。内陆地区，5—6月对流频数明显增加，对流高频区与地形关系密切，以建阳雷达代表的福建西北部，5月对流高频区主要分布在光泽附近大觉山与武夷山形成的喇叭口地形处，6月高频区向东北方向的黄岗山附近迎风坡发展；以龙岩雷达代表的福建西南部，5月高频区主要分布在西南部，6月高频中心有向东北移动的趋势，这与5月开始西南季风向北推进、西南气流加强有一定的关系，同时龙岩西南部为喇叭口地形，西南气流加强有利于气流抬升，对对流发展有一定的加强作用；7—8月内陆地区对流频数有所降低，西北部高发区维持在黄岗山附近的迎风坡。沿海地区，5—6月对流频数增加，6月高频区主要分布在莆田、仙游、福清、平和、云霄、漳浦、南靖、安溪、南安以及平和与同安交界处；7月对流频数较6月有所减少，8月明显的高频区主要分布在中部、南部沿海山脉一带，即宁德、周宁和柘荣以及沿海靠近山脉的德化、永春、仙游、南靖、华安、安溪和同安一带。需要指出的是，4—5月在距离雷达中心40 km近距离范围内的中北部雷达图中出现对流频数增多的同心圆现象，主要原因为个别年份0 ℃层高度在4.0 km以下，同时由于近距离地物阻挡，3.5 km高度上的反射率因子是通过相对高仰角的反射率因子向下插值得到，相对高仰角的反射率因子受到零度层亮带影响数值偏大，插值后被识别为对流，造成对流频数增加。

从福建西北部暖季各月对流发生频率（不同时间段对流发生频数与总对流频数的比值）的日变化[图3（a）]可以看出，暖季对流最常发生于15：00—16：00，其中7—8月午后峰值最明显，对流的日变化呈现午后单峰特征；4—5月除午后峰值外，00：00—03：00存在次峰值，6月07：00—08：00存在次峰值。福建西南部[图3（b）]，6—8月午后峰值最明显，4—5月除午后峰值外，4月07：00存在次峰值，5月03：00—09：00存在次峰值。福建中东部[图3（c）]，对流发生频次的日变化与内陆地区不同，4月对流发生频率呈多峰特征；5月除16：00—18：00存在峰值外，08：00存在次峰值；6—8月对流最常发生于午后，其中6—7月午后峰值最明显，对流的日变化呈单峰特征。福建沿海[图3（c）、（d）]，对流发生频次的日变化与内陆地区不同，4月对流发生频率呈多峰特征；5月除16：00—18：00存在峰值外，08：00—09：00存在次峰值；6—8月对流最常发生于午后，其中7—8月午后峰值最明显，对流的日变化呈单峰特征。

分析不同强度对流的垂直结构特征，图4绘出2008—2017年暖季对流的雷达反射率第50、第90百分位数的垂直廓线与0 ℃、-20 ℃层平均高度。可以看出，对于中等强度的对流，7—8月的对流回波强度明显大于4—6月；3.5 km高度，4—6月回波强度在50.0 dBZ附近，7月福建西部回波强度为52.5 dBZ，东部7—8月回波强度为51.0 dBZ，5.5 km以上高度回波强度减弱较快。全省4—5月回波发展高度较6—8月低，除东南部8月回波发展高度（15.0 km）最高外，其余地区均为7月最高，以西北部7月15.5 km为最高，4月中东部和西南部回波发展高度最低（10.5 km）。对于强对流，3.5 km高度回波强度均超过56.0 dBZ；西北部[图4（a）]7—8月、西南部[图4（b）]8月回波强度最强达58.0 dBZ，中东部[图4（c）]7月回波强度最大为57.0 dBZ，东南部[图4（d）]4、8月回波强度最大为57.0 dBZ；5.0 km以下高度回波强度各月变化不大，中东部和东南部回波除4月在5.5 km以上高度迅速减小，其余月份在6.5 km以上回波强度迅速减小；西北部和西南部6.0 km以上高度回波强度迅速减小，其中4月回波减弱速度最快。西北部和东南部对流发展高度高于西南部和中东部。

利用福建4个探空站点10 a资料统计了0 ℃及-20 ℃层平均高度，0 ℃层高度4月为4.1~4.4 km，西北部最低（4.1 km）；5月为4.7~4.9 km；6—8月为5.1~5.3 km。-20 ℃层高度4月为7.5~7.8 km，西北部最低（7.5 km）；5月为8.1~8.3 km；6—8月为8.6~8.7 km。从对流回波伸展高度和平均环境温度的关系可以看出，中等强度对流回波在0 ℃层附近开始迅速减小，强对流回波明显减小的高度高于0 ℃层，7—8月表现更为明显，说明中等强度对流的强回波中心伸展高度较低，一般在0 ℃层附近；而强对流上升运动强烈，强回波中心发展高度高，可超过0 ℃层。

不同面积对流系统出现频率空间分布各月表现不同（图5），4月以大面积对流为主，5—6月以中等和大面积对流为主，7—8月内陆以小面积对流为主，沿海以中等面积对流为主。具体来看，福建西北部（建阳雷达探测）4—6月以大面积对流为主，4月高发区主要分布在邵武北部和建阳西部、武夷山东部、浦城西南部和东部及松溪东部；5月分布在光泽、邵武和建阳交界处；6月武夷山西北部对流频数最大，光泽和邵武交界处为次大值区；7—8月武夷山山脉地势较高的地方为小面积对流高发区。福建西南部（龙岩雷达探测）4—5月以大面积对流为主，4月对流频数大值区主要分布在连城及上杭的西北部；5月武平和梅州交界处为高发区；6月中等面积对流主要分布在武平、梅州以及上杭北部；7—8月对流主要分布在龙岩东部，以小面积对流为主。福建中东部（长乐雷达探测），4月大面积对流主要分布在闽清、闽侯和永泰；5月中等面积对流频数大值区主要分布在闽清、闽侯和永泰交界处及尤溪和德化附近；6月大面积对流除分布在闽清、闽侯和永泰外，莆田、福清也处于高发区；7月仙游和莆田为中等面积对流高发区；8月中等面积对流主要分布在宁德、周宁和霞浦及德化、永春、仙游。福建东南部（厦门雷达探测），4月大面积对流高发区主要分布在漳浦、云霄及沿岸一带；5月中等面积对流明显增加，高发区在云霄北部和漳浦西部；6月中等面积对流主要分布在平和南部、南安和同安交界处及南靖和华安交界处；7月中等面积对流在云霄和同安高发；8月中等面积对流主要分布在南靖、华安和漳州交界处。

分析不同深浅的对流系统空间分布（图略），回波高度大于12 km的深对流在各月发生的频数都较小，而浅对流无明显的分布规律。其中，4月以浅对流为主；5月回波高度6~12 km的中深对流发生频数开始增加，武平的西南部和梅州北部频数明显增加，闽侯中部和永泰东部，及同安和长泰的北部为高发区；6—8月以中深对流为主，6月高发区主要分布在武平、上杭和梅州北部，及莆田、福清、同安和长泰的北部，诏安西北部和漳州南部；7—8月武夷山山脉地势较高的地方中深对流高发，7月仙游、莆田、福清、德化、永春及同安北部以及诏安、平和、云霄交界处为高发区，8月柘荣、周宁和德化、永春为高发区，东南沿海对流主要分布在山脉海拔较高处。

图6是2008—2017年4—8月4部雷达探测的不同面积和深浅对流发生频率的日变化。可以看出，除浅对流外，中深及深厚对流均在午后有明显峰值，深厚对流峰值时间（15：00—17：00）和中深对流基本一致，且深厚对流午后峰值最明显。大面积对流频率峰值时间要比中等和小面积对流晚1~2 h，产生时间差的原因主要是大面积对流相较于小面积对流需要更长时间积累不稳定能量以及小的对流单体组织成大的对流系统所需时间更长。福建西北部（建阳雷达探测）中深对流和小面积对流午后峰值出现在14：00—15：00，大面积对流出现在18：00—19：00，中等和小面积对流午后峰值较大面积对流明显；西南部（龙岩雷达探测）中等面积对流16：00出现峰值，小面积对流在15：00左右达到峰值，大面积对流峰值出现在18：00；中东部（长乐雷达探测）中等和小面积对流峰值出现在14：00—17：00，大面积对流出现在18：00，不同面积的对流午后峰值特征表现相当；东南部（厦门雷达探测）中等和小面积对流午后峰值出现在14：00—15：00，大面积对流出现在15：00—18：00，中等和小面积对流午后峰值较大面积对流明显。

暖季4—8月影响对流的发生、发展因素众多，利用2008—2017年4—8月ERA5再分析资料分析500、850 hPa和地面天气要素和物理量月平均场（图7）。可以看出，4—8月西北太平洋副热带高压（简称“西太副高”）逐渐北抬，4—6月福建上空由偏西气流转为西南气流，7—8月受西太副高控制，西南气流明显减弱，以偏东或偏南风为主。850 hPa高度，4月为西南风，平均比湿为8~9 g·kg^-1；5月西南气流变化不大，福建上空存在弱的风速辐合，平均比湿增大到10~12 g·kg^-1；6月西南气流加大，比湿加大到13~14 g·kg^-1；7—8月西南气流减弱，8月以偏南气流为主，但比湿仍维持在13~14 g·kg^-1。从地面平均风场来看，4—5月地面盛行偏东、偏南风，东北部沿海为弱的东北风；6—8月以偏南气流为主，8月中东部逐渐转为偏东气流。对流有效位能大值区随月份不断向北部和沿海扩展。总体来看，5—6月来自孟加拉湾和南海的西南暖湿气流和西风带系统带来的偏北风在福建上空交汇，为对流天气提供了大尺度环流背景；7—8月福建上空受西太副高控制，但是大气中水汽充足，不稳定能量大，同时热带天气系统活跃，容易出现对流天气。

暖季内陆对流主要发生在5—6月，且主要分布在武夷山脉迎风坡、大觉山与武夷山形成的喇叭口地形处以及龙岩西南部向南开口的喇叭口地形处；8月对流高频区主要分布在中部、南部沿海山脉迎风坡一带，主要出现在午后。选取西北部和西南部5、6月2个对流发生高频区做对流频数随时间演变（图8）分析，可以看出除15：00—19：00主要的对流活跃时段外，03：00—09：00也是对流次活跃时段。Wallace（1975）指出对流性降水日变化的物理机制分为午后太阳辐射加热作用以及夜间边界层不稳定作用为主的热、动力机制以及海陆风、山谷风和由于大气层结和边界层拖曳作用变化引起的边界层急流的边界层过程。

分析2008—2017年5—6月900 hPa扰动风场（某时次年均风速和风向与日平均风速和风向的差异），可以看出风场具有顺时针旋转的日变化特征，夜间到清晨顺转为偏南向的非地转风[图9（a）、（b）、（c）、（d）]，扰动风场叠加到西南向的地转风上，导致了西南气流增强，这与Blackadar（1957）指出的日落后湍流活动减弱、地面拖曳减少会造成摩擦力、科氏力和气压梯度力三力平衡被破坏并引发风场偏离其地转平衡状态的惯性振荡，非地转风在科氏力作用下做顺时针旋转，夜间到清晨出现偏差南风异常，形成低空急流并在凌晨达到最大值现象一致。西南气流增加的同时，在内陆喇叭口有利地形的作用下，形成辐合堆积，触发夜间到清晨的对流发生。8月，11：00—17：00地面气温偏差（某时次年均气温与日平均气温的差异）大部分是正偏差，11：00气温正偏差大值中心位于沿海山脉地区[图9（e）]，同时近地层风场在山脉东侧存在辐合区[图9（g）]；14：00，气温正偏差增大[图9（f）]，并且正值中心往山脉方向移动，近地层风向辐合区相较于11：00也向内陆移动[图9（h）]，位于沿海山脉附近，沿海山脉附近对应对流有效位能大值区，在近地层加热中心和风场辐合区共同作用下，对流在沿海山脉触发发展。

本文采用福建4部天气雷达2008—2017年暖季（4—8月）资料，利用对流识别方法分区域分析对流的空间、时间和垂直结构，以及不同面积和伸展高度的对流系统的空间和日变化等特征，得到如下结论。

（1）5—6月和8月为福建对流活动高峰期，且暖季对流系统具有明显的区域分布特征。内陆对流主要发生在5—6月，对流高频区与地形关系密切，西北部主要分布在武夷山脉迎风坡和大觉山与武夷山形成的喇叭口地形处，西南部主要分布在龙岩西南部向南开口的喇叭口地形处；沿海对流主要发生在8月，高频区分布在中部、南部沿海山脉一带。

（2）各月对流频数存在明显的日变化特征。15：00—16：00是对流高发时段，7—8月以午后单峰为主，4—5月呈双峰或多峰特征；不同尺度和伸展高度的对流频数均呈单峰分布，面积越大的对流峰值出现时间较迟，中等和深厚对流午后峰值明显。对流的垂直结构月分布有差异，中等强度对流回波强度7—8月最大，福建西北部回波伸展高度最高；强对流3.5 km高度回波强度均超过56 dBZ，西北部和东南部对流发展高度高于西南部和中东部。

（3）不同面积对流系统空间分布各月表现不同，4月以大面积对流为主，5—6月以中等和大面积对流为主，7—8月内陆以小面积对流为主，沿海以中等面积对流为主。暖季4月以浅对流为主，5月中、深对流发生频数开始增加，6—8月以中、深对流为主。

（4）5—6月，来自孟加拉湾和南海的西南暖湿气流和西风带系统带来的偏北风在福建上空交汇，为对流天气提供了大尺度环流背景；7—8月福建上空受西太副高控制，但大气中水汽充足，不稳定能量大，同时热带天气系统活跃，容易出现对流天气。5—6月内陆夜间到清晨对流高发由边界层惯性振荡形成风场的日变化及其扰动风与地形相互作用造成，8月沿海山脉午后处于近地层加热中心、风场辐合和能量大值区造成对流高发。

利用长时间序列天气雷达观测资料开展雷达气候学研究，资料时空分辨率高，对流系统特征更为精细，可为对流天气的预报提供良好的气候背景，本研究主要利用福建4部天气雷达10 a资料分区域统计暖季对流特征，对比不同区域对流的异同，研究结果对对流天气的预报预警有重要参考意义。但也存在一定的局限性，如部分研究区域重合，对流特征受到单部雷达探测范围限制，为扩大分析范围和了解整体对流空间分布，下一步将利用三维组网的雷达数据开展对流特征分析，使得对流活动气候学研究更具可靠性。