2011—2021年廣州黃埔短時強降水時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

短時強降水是短時間內降水強度較大,降水量級達到或超過一定閾值的天氣現象,是廣東省最為多發的災害性天氣之一,具有突發性強、致災性強、預測難度大等特點,也是氣象防災減災工作的重點和難點[1]。隨著氣候變暖,強對流災害性天氣愈發頻繁[2]。為提高對短時強降水發生發展規律的認識,多年來學者們致力于相關研究。陳炯等[3]分析了中國暖季短時強降水的時空分布特征,指出華南地區是短時強降水發生頻率最高的地區;伍紅雨等[4]分析了廣東短時強降水的時空分布特征,指出短時強降水的空間分布與地形關系密切,多產生于河谷、湖泊和喇叭口地形區,珠三角城市群是短時強降水多發區之一;王婷等[5]指出21世紀以來廣州短時強降水發生頻次明顯增加,廣州短時強降水事件具有局地性、突發性和增長性的特征;楊慧燕等[6]總結了近10 a廣州短時強降水變化特征。近年來,隨著降水精細化預報要求和地面氣象自動觀測站網分辨力的提高,一些學者對珠三角地區進行了精細化降水特征研究[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,是廣州地區降雨頻率較高的地區,廣州八大暴雨中心中有兩個位于此處,強降水給人民生命財產安全、城市基礎設施、城市交通等造成嚴重影響。短時強降水常常表現出較強的局地性,但目前相關研究多基于國家站氣象觀測資料,空間分辨力不夠精細。因此,基于本地自動氣象觀測站進行短時強降水特征分析尤為重要,對提升強降水精細化預報預警能力具有參考意義。

文章基于廣州黃埔地區的國家站及36個區域站的歷史氣象觀測數據,重點對短時強降水的發生進行特征分析,以加強對本地短時強降水規律的了解,進一步提高對短時強降水的認識和預報預警能力,為本地氣象防災減災提供決策依據。

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個區域站2011—2021年的逐小時降水觀測資料,逐年剔除記錄率低于80%的站點,基于統計分析方法研究總結廣州黃埔的短時強降水時空分布特征及規律,并結合本地天氣背景及地形特征進行成因分析。

文章使用短時強降水相關定義有:

1)標準:單站小時雨量≥20.0 mm[11];

2)短時強降水頻次:單個站點出現短時強降水的頻次,即小時數(單位:h);

3)短時強降水頻率:短時強降水頻次與觀測頻次的比值。

由于文章采用的資料為整點降水觀測資料,統計的短時強降水頻次及降水量將低于實際值。另外,根據華南地區氣候特征,將季節定義為汛期(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,年平均短時強降水頻次為15.8 h,年平均短時強降水雨量為1,473.03 mm,貢獻率為77.77%。分析黃埔各測站年平均短時強降水頻次分布可知,廣州黃埔短時強降水高發區主要為聯和—蘿崗—長嶺—新龍一帶及東部云埔一帶,總體呈中部發生頻次高、南北部發生頻次低的特點。其中位于長嶺街的廣州國家基本氣象站短時強降水頻次最多,2011—2021年平均短時強降水頻次為20.27 h;位于新龍鎮的洋田蔬菜基地氣象站(站點:G3328)發生短時強降水頻次最少,年均11.20 h。聯和—蘿崗—長嶺—云埔一帶為前汛期短時強降水多發地帶,而在后汛期,除了聯和—蘿崗—長嶺一帶,新龍鎮知識城南部也是短時強降水多發地帶。根據2011—2021年降水量統計數據可知,以上短時強降水高發區域與年降水中心分布接近,年平均降水量超過2000 mm。

地形強迫對本地降水的增幅作用明顯。短時強降水高發區域分別位于帽峰山南側(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會因地形增幅而聚集和抬升,引起降溫,水汽凝結,成云致雨。當對流單體行至黃浦地區,特殊的地形常使其滯留或與新的對流單體合并發展,更易引發強降水,造成中部聯和—蘿崗—長嶺—新龍一帶極端降水多發易發。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,不利于氣團堆積;中部的下墊面熱量條件優于北部及南部,該區域氣溫偏高,夏季高溫天氣較突出,平均年高溫日達21.9 d,最高氣溫達38.3 ℃,熱力條件較好,這也是中部短時強降水頻發的原因之一。

2.2 時間分布特征及成因

2.2.1 年變化特征

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

圖1 2011—2021年廣州黃埔短時強降水頻次年變化曲線

2.2.2 月變化特征及成因

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

(a)短時強降水頻率;(b)不同雨強短時強降水頻次。圖2 廣州黃埔短時強降水月變化

3月份,冷暖空氣交綏,鋒面活動趨于頻繁,雷電、短時大風、短時強降水、局地冰雹等強對流天氣開始出現;4月份,短時強降水進一步增多;5,6月份,西南季風建立,暖濕氣流盛行,水汽通道的建立提供了充足的水汽和不穩定能量條件,鋒面暴雨及暖區暴雨高發,且多伴有雷電、短時大風、局地冰雹等強對流天氣。前汛期中,4月份的強降水多為短歷時和局地性過程;5,6月份尤其是“龍舟水”期間,降水的范圍、強度、持續時間明顯增大,是1 a中短時強降水發生最頻繁的時段。

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,為短時強降水的間歇期。8月份,隨著副熱帶高壓北跳,熱帶天氣系統如臺風、東風波、熱帶輻合帶等活躍,容易產生持續性強降水過程。其中,臺風登陸后的走向、移動速度和強度直接影響臺風暴雨的強度和分布。9月份,登陸或影響本地的熱帶系統減少,短時強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,強對流天氣多發,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,不利于出現短時強降水[14-17]。

2.2.3 日變化特征及成因

前汛期的短時強降水日變化呈單峰型分布(圖3a),峰值出現在午后至傍晚(13:00—20:00),該時段短時強降水的發生頻率為52.43%。此外,早晨也是短時強降水多發時段。后汛期短時強降水日變化呈雙峰型分布(圖3b),主峰值出現在午后至傍晚(13:00—20:00),次峰值出現在凌晨(01:00—06:00),兩峰值時段短時強降水發生頻率分別為53.46%和19.73%。這是因為午后至傍晚大氣熱力條件好,有利于強對流天氣發生。汛期呈現明顯的夜雨特征,是因為黃埔地處珠江口,受海陸熱力性質差異的影響,夜間海上暖濕氣流上岸并向陸地推進,易形成輻合,觸發強對流天氣。

(a)前汛期;(b)后汛期。圖3 廣州黃埔短時強降水頻率日變化

3 結束語

文章對2011—2021年廣州黃埔短時強降水時空分布特征及成因進行分析后得出如下結論:

1)廣州黃埔地區短時強降水高發區主要為中部聯和—蘿崗—長嶺—新龍一帶,與年降水中心接近。短時強降水空間分布總體呈中部發生頻次高、南北部發生頻次低的特點,地形強迫對降水的增幅作用明顯。

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

3)短時強降水呈現明顯的月變化特征。短時強降水集中出現在汛期,前汛期出現頻率明顯高于后汛期。受西南季風和熱帶天氣系統影響,5,6及8月是短時強降水發生最頻繁的時段。

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