2011—2021年廣州黃埔短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布特征及成因分析

黃 景,夏 豐,蔡 桓,廖碧婷,黃曉云,李黎微

(1.廣州市黃埔區(qū)氣象局,廣州 510700;2.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所,廣州 510641)

0 引言

短時(shí)強(qiáng)降水是短時(shí)間內(nèi)降水強(qiáng)度較大,降水量級達(dá)到或超過一定閾值的天氣現(xiàn)象,是廣東省最為多發(fā)的災(zāi)害性天氣之一,具有突發(fā)性強(qiáng)、致災(zāi)性強(qiáng)、預(yù)測難度大等特點(diǎn),也是氣象防災(zāi)減災(zāi)工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1]。隨著氣候變暖,強(qiáng)對流災(zāi)害性天氣愈發(fā)頻繁[2]。為提高對短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生發(fā)展規(guī)律的認(rèn)識,多年來學(xué)者們致力于相關(guān)研究。陳炯等[3]分析了中國暖季短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征,指出華南地區(qū)是短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻率最高的地區(qū);伍紅雨等[4]分析了廣東短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征,指出短時(shí)強(qiáng)降水的空間分布與地形關(guān)系密切,多產(chǎn)生于河谷、湖泊和喇叭口地形區(qū),珠三角城市群是短時(shí)強(qiáng)降水多發(fā)區(qū)之一;王婷等[5]指出21世紀(jì)以來廣州短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次明顯增加,廣州短時(shí)強(qiáng)降水事件具有局地性、突發(fā)性和增長性的特征;楊慧燕等[6]總結(jié)了近10 a廣州短時(shí)強(qiáng)降水變化特征。近年來,隨著降水精細(xì)化預(yù)報(bào)要求和地面氣象自動(dòng)觀測站網(wǎng)分辨力的提高,一些學(xué)者對珠三角地區(qū)進(jìn)行了精細(xì)化降水特征研究[7-10]。

黃埔地處廣州東部,地勢大致呈北高南低分布,自北向南分布有高丘陵、臺地低丘陵、沖積平原3種地貌類型,是廣州地區(qū)降雨頻率較高的地區(qū),廣州八大暴雨中心中有兩個(gè)位于此處,強(qiáng)降水給人民生命財(cái)產(chǎn)安全、城市基礎(chǔ)設(shè)施、城市交通等造成嚴(yán)重影響。短時(shí)強(qiáng)降水常常表現(xiàn)出較強(qiáng)的局地性,但目前相關(guān)研究多基于國家站氣象觀測資料,空間分辨力不夠精細(xì)。因此,基于本地自動(dòng)氣象觀測站進(jìn)行短時(shí)強(qiáng)降水特征分析尤為重要,對提升強(qiáng)降水精細(xì)化預(yù)報(bào)預(yù)警能力具有參考意義。

文章基于廣州黃埔地區(qū)的國家站及36個(gè)區(qū)域站的歷史氣象觀測數(shù)據(jù),重點(diǎn)對短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生進(jìn)行特征分析,以加強(qiáng)對本地短時(shí)強(qiáng)降水規(guī)律的了解,進(jìn)一步提高對短時(shí)強(qiáng)降水的認(rèn)識和預(yù)報(bào)預(yù)警能力,為本地氣象防災(zāi)減災(zāi)提供決策依據(jù)。

1 資料與方法

文章選用地處廣州黃埔的廣州國家基本氣象站及36個(gè)區(qū)域站2011—2021年的逐小時(shí)降水觀測資料,逐年剔除記錄率低于80%的站點(diǎn),基于統(tǒng)計(jì)分析方法研究總結(jié)廣州黃埔的短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布特征及規(guī)律,并結(jié)合本地天氣背景及地形特征進(jìn)行成因分析。

文章使用短時(shí)強(qiáng)降水相關(guān)定義有:

1)標(biāo)準(zhǔn):單站小時(shí)雨量≥20.0 mm[11];

2)短時(shí)強(qiáng)降水頻次:單個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的頻次,即小時(shí)數(shù)(單位:h);

3)短時(shí)強(qiáng)降水頻率:短時(shí)強(qiáng)降水頻次與觀測頻次的比值。

由于文章采用的資料為整點(diǎn)降水觀測資料,統(tǒng)計(jì)的短時(shí)強(qiáng)降水頻次及降水量將低于實(shí)際值。另外,根據(jù)華南地區(qū)氣候特征,將季節(jié)定義為汛期(4—9月)和非汛期(10月—次年3月),其中汛期又分為前汛期(4—6月)和后汛期(7—9月)[12-13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 空間分布特征及成因

2011—2021年廣州黃埔年平均降水量為1,894.01 mm,年平均短時(shí)強(qiáng)降水頻次為15.8 h,年平均短時(shí)強(qiáng)降水雨量為1,473.03 mm,貢獻(xiàn)率為77.77%。分析黃埔各測站年平均短時(shí)強(qiáng)降水頻次分布可知,廣州黃埔短時(shí)強(qiáng)降水高發(fā)區(qū)主要為聯(lián)和—蘿崗—長嶺—新龍一帶及東部云埔一帶,總體呈中部發(fā)生頻次高、南北部發(fā)生頻次低的特點(diǎn)。其中位于長嶺街的廣州國家基本氣象站短時(shí)強(qiáng)降水頻次最多,2011—2021年平均短時(shí)強(qiáng)降水頻次為20.27 h;位于新龍鎮(zhèn)的洋田蔬菜基地氣象站(站點(diǎn):G3328)發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水頻次最少,年均11.20 h。聯(lián)和—蘿崗—長嶺—云埔一帶為前汛期短時(shí)強(qiáng)降水多發(fā)地帶,而在后汛期,除了聯(lián)和—蘿崗—長嶺一帶,新龍鎮(zhèn)知識城南部也是短時(shí)強(qiáng)降水多發(fā)地帶。根據(jù)2011—2021年降水量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知,以上短時(shí)強(qiáng)降水高發(fā)區(qū)域與年降水中心分布接近,年平均降水量超過2000 mm。

地形強(qiáng)迫對本地降水的增幅作用明顯。短時(shí)強(qiáng)降水高發(fā)區(qū)域分別位于帽峰山南側(cè)(蘿崗—長嶺—云埔一帶)、喇叭口(永和一帶)、峽谷(新龍一帶)等特殊地形附近。黃埔地區(qū)南部地勢平緩,水汽輸送條件較好,來自偏南方向的暖濕氣流行至中北部高丘陵地區(qū)會(huì)因地形增幅而聚集和抬升,引起降溫,水汽凝結(jié),成云致雨。當(dāng)對流單體行至黃浦地區(qū),特殊的地形常使其滯留或與新的對流單體合并發(fā)展,更易引發(fā)強(qiáng)降水,造成中部聯(lián)和—蘿崗—長嶺—新龍一帶極端降水多發(fā)易發(fā)。另外,黃埔北部以高丘陵為主,下墊面建筑較少,植物偏多,蓄熱能力差,氣溫偏低;南部地勢平坦,且靠近珠江東江冷源墊面,不利于氣團(tuán)堆積;中部的下墊面熱量條件優(yōu)于北部及南部,該區(qū)域氣溫偏高,夏季高溫天氣較突出,平均年高溫日達(dá)21.9 d,最高氣溫達(dá)38.3 ℃,熱力條件較好,這也是中部短時(shí)強(qiáng)降水頻發(fā)的原因之一。

2.2 時(shí)間分布特征及成因

2.2.1 年變化特征

由圖1可知,2011—2021年廣州黃埔站均短時(shí)強(qiáng)降水頻次總體呈先增后減趨勢。2011—2019年波動(dòng)上升,其中2019年發(fā)生頻次最高,主要表現(xiàn)為20.0 mm≤小時(shí)雨量<50.0 mm的強(qiáng)降水發(fā)生頻次增多;2020—2021年短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次呈現(xiàn)逐年減少的趨勢,極端強(qiáng)降水有所減少。以廣州國家基本氣象站為代表,該站短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次年變化趨勢基本與全區(qū)平均情況一致,除2018年短時(shí)強(qiáng)降水頻次低于全區(qū)平均以外,其余年份均明顯高于全區(qū)平均。2011—2021年廣州黃埔短時(shí)強(qiáng)降水頻次的變化趨勢與降水量變化趨勢大致相同,近2 a影響黃埔的臺風(fēng)偏少,強(qiáng)降水過程較少,暴雨和短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次有所下降。

圖1 2011—2021年廣州黃埔短時(shí)強(qiáng)降水頻次年變化曲線

2.2.2 月變化特征及成因

廣州黃埔短時(shí)強(qiáng)降水呈明顯的月變化特征,集中出現(xiàn)在汛期(4—9月)(圖2a)。近11 a中,汛期短時(shí)強(qiáng)降水占全年的92.90%。其中,前汛期(4—6月)降水占54.29%,后汛期(7—9月)占38.61%,前汛期出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的頻率明顯高于后汛期。短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生最頻繁的月份為5,6和8月,其中5月最易出現(xiàn)小時(shí)雨量≥30.0 mm的極端強(qiáng)降水(圖2b),而冬季極少出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。廣州國家基本氣象站2011—2021年共出現(xiàn)223時(shí)次短時(shí)強(qiáng)降水,其中有211時(shí)次的短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生在汛期,占比為94.62%;5,6和8月的短時(shí)強(qiáng)降水占比分別為25.11%,20.63%和20.63%。

(a)短時(shí)強(qiáng)降水頻率;(b)不同雨強(qiáng)短時(shí)強(qiáng)降水頻次。圖2 廣州黃埔短時(shí)強(qiáng)降水月變化

3月份,冷暖空氣交綏,鋒面活動(dòng)趨于頻繁,雷電、短時(shí)大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水、局地冰雹等強(qiáng)對流天氣開始出現(xiàn);4月份,短時(shí)強(qiáng)降水進(jìn)一步增多;5,6月份,西南季風(fēng)建立,暖濕氣流盛行,水汽通道的建立提供了充足的水汽和不穩(wěn)定能量條件,鋒面暴雨及暖區(qū)暴雨高發(fā),且多伴有雷電、短時(shí)大風(fēng)、局地冰雹等強(qiáng)對流天氣。前汛期中,4月份的強(qiáng)降水多為短歷時(shí)和局地性過程;5,6月份尤其是“龍舟水”期間,降水的范圍、強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間明顯增大,是1 a中短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生最頻繁的時(shí)段。

7月份,在副熱帶高壓的控制影響下,黃埔多為晴熱天氣,降水偏少,為短時(shí)強(qiáng)降水的間歇期。8月份,隨著副熱帶高壓北跳,熱帶天氣系統(tǒng)如臺風(fēng)、東風(fēng)波、熱帶輻合帶等活躍,容易產(chǎn)生持續(xù)性強(qiáng)降水過程。其中,臺風(fēng)登陸后的走向、移動(dòng)速度和強(qiáng)度直接影響臺風(fēng)暴雨的強(qiáng)度和分布。9月份,登陸或影響本地的熱帶系統(tǒng)減少,短時(shí)強(qiáng)降水頻率也明顯下降。此外,后汛期氣溫高,有利于近地面大氣能量聚集,午后熱力條件好,強(qiáng)對流天氣多發(fā),且常具有明顯的局地性特征。11月—次年2月,在大陸冷高壓的控制下,水汽和能量條件差,不利于出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水[14-17]。

2.2.3 日變化特征及成因

前汛期的短時(shí)強(qiáng)降水日變化呈單峰型分布(圖3a),峰值出現(xiàn)在午后至傍晚(13:00—20:00),該時(shí)段短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生頻率為52.43%。此外,早晨也是短時(shí)強(qiáng)降水多發(fā)時(shí)段。后汛期短時(shí)強(qiáng)降水日變化呈雙峰型分布(圖3b),主峰值出現(xiàn)在午后至傍晚(13:00—20:00),次峰值出現(xiàn)在凌晨(01:00—06:00),兩峰值時(shí)段短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻率分別為53.46%和19.73%。這是因?yàn)槲绾笾涟泶髿鉄崃l件好,有利于強(qiáng)對流天氣發(fā)生。汛期呈現(xiàn)明顯的夜雨特征,是因?yàn)辄S埔地處珠江口,受海陸熱力性質(zhì)差異的影響,夜間海上暖濕氣流上岸并向陸地推進(jìn),易形成輻合,觸發(fā)強(qiáng)對流天氣。

(a)前汛期;(b)后汛期。圖3 廣州黃埔短時(shí)強(qiáng)降水頻率日變化

3 結(jié)束語

文章對2011—2021年廣州黃埔短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布特征及成因進(jìn)行分析后得出如下結(jié)論:

1)廣州黃埔地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水高發(fā)區(qū)主要為中部聯(lián)和—蘿崗—長嶺—新龍一帶,與年降水中心接近。短時(shí)強(qiáng)降水空間分布總體呈中部發(fā)生頻次高、南北部發(fā)生頻次低的特點(diǎn),地形強(qiáng)迫對降水的增幅作用明顯。

2)2011—2021年,廣州黃埔地區(qū)的短時(shí)強(qiáng)降水頻次總體呈先增后減趨勢,其中2019年短時(shí)強(qiáng)降水頻次最多,2020和2021年短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次逐年減少。

3)短時(shí)強(qiáng)降水呈現(xiàn)明顯的月變化特征。短時(shí)強(qiáng)降水集中出現(xiàn)在汛期,前汛期出現(xiàn)頻率明顯高于后汛期。受西南季風(fēng)和熱帶天氣系統(tǒng)影響,5,6及8月是短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生最頻繁的時(shí)段。

4)前汛期的短時(shí)強(qiáng)降水日變化呈單峰型分布,峰值出現(xiàn)在午后至傍晚(13:00—20:00);后汛期短時(shí)強(qiáng)降水日變化呈雙峰型分布,主峰值出現(xiàn)在午后至傍晚(13:00—20:00),次峰值出現(xiàn)在凌晨(01:00—06:00),午后熱力激發(fā)和夜雨特征明顯。