2003～2015年上海地區(qū)夏季午后短時強(qiáng)降水特征

張赟程

(華東師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，上海 200241)

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2003～2015年上海地區(qū)夏季午后短時強(qiáng)降水特征

張赟程

(華東師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，上海 200241)

結(jié)合2003～2015年上海地區(qū)11個站點的小時雨量資料，分析了近10年來上海地區(qū)夏季午后短時強(qiáng)降水的時空分布特征。結(jié)果表明:時間分布上，短時強(qiáng)降水事件主要受太陽輻射和大氣環(huán)流形勢影響，高發(fā)期集中在每年的6～9月份，并且易于發(fā)生在午后14：00～18：00之間。空間分布上，城市化對上海地區(qū)夏季午后短時強(qiáng)降水有一定影響。城市化程度越高，強(qiáng)降水發(fā)生的概率也越大。

短時強(qiáng)降水；城市化；上海

1　引言

近年來，強(qiáng)降水造成的城市內(nèi)澇災(zāi)害事件常有發(fā)生。這些強(qiáng)降水所形成的災(zāi)害不僅嚴(yán)重影響了正常的生產(chǎn)生活，同時對老百姓的生命財產(chǎn)安全也構(gòu)成了威脅。上海作為長三角城市群第一大城市，同樣需要面對這個問題。譬如2015年6月17日當(dāng)天，上海局部雨量超過了200 mm，近200個測站雨量超過100 mm。這給居民出行帶來了嚴(yán)重的不便。目前，已有一些學(xué)者針對上海地區(qū)強(qiáng)降水天氣展開了相關(guān)的氣候研究。楊露華等[1]指出2001年以后上海地區(qū)的強(qiáng)對流天氣增多，而且出現(xiàn)次數(shù)最多的是短時強(qiáng)降水。賀芳芳等[2]指出自1995年以來，上海地區(qū)的暴雨逐漸向雨強(qiáng)、時間短、范圍小的特點發(fā)展。其中靜止鋒容易形成長時間的暴雨，暖區(qū)暴雨則是上海地區(qū)夏季形成短時強(qiáng)降水的主要天氣形勢。胡艷等[3]指出，上海地區(qū)雷暴日有6年的周期振蕩。并且城市以及城鄉(xiāng)交界處發(fā)生雷暴的概率增加。梁平等[4]的研究也證實夏秋兩季上海地區(qū)雨量的空間分布呈現(xiàn)明顯的城市雨島特征。由于資料的局限性，以往的研究結(jié)論多是針對日降水量或?qū)σ恍┨囟ㄟ^程進(jìn)行統(tǒng)計分析。采用高時間分辨率降水資料，研究上海地區(qū)夏季午后這一特定時間段的短時強(qiáng)降水特征還比較少。為此，筆者選取上海地區(qū)11個站點小時降水資料對午后短時強(qiáng)降水進(jìn)行分析，探究上海地區(qū)夏季午后短時強(qiáng)降水的時空分布特征，并解釋這種分布的原因，以期為今后城市防汛減災(zāi)提供參考。

2　資料說明和短時強(qiáng)降水標(biāo)準(zhǔn)

筆者使用的資料為2003～2015年上海地區(qū)11個站點的小時降水資料和小時溫度資料。站點具體分布狀況如圖1所示。由于獲取的數(shù)據(jù)已經(jīng)進(jìn)行了質(zhì)量控制，因此可以直接對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

按照中央氣象臺的定義可知：站點小時雨量大于或等于20 mm時，記為一次短時強(qiáng)降水。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，對上海地區(qū)夏日午后12～18時(6個時次)的降水資料進(jìn)行統(tǒng)計，分析短時強(qiáng)降水發(fā)生次數(shù)以及累計雨量的時空分布特征。對一指定站點而言，當(dāng)日午后出現(xiàn)了幾次短時強(qiáng)降水就記錄當(dāng)天午后發(fā)生了幾次短時強(qiáng)降水事件。

圖1　上海地區(qū)11個站點分布狀況

3　結(jié)果分析

3.1月變化特征

首先將降水資料按月份進(jìn)行劃分，觀察午后短時強(qiáng)降水的月變化特征。如圖2所示，橫坐標(biāo)為月份，縱坐標(biāo)為午后短時強(qiáng)降水累計發(fā)生次數(shù)。從圖中可以看到，上海地區(qū)午后短時強(qiáng)降水發(fā)生次數(shù)在月份變化上呈現(xiàn)單峰形勢，并且變化劇烈。午后短時強(qiáng)降水主要發(fā)生在每年的6～9月份，正好對應(yīng)上海的汛期。其中8月份的午后強(qiáng)降水出現(xiàn)次數(shù)最高，一共發(fā)生了95次。相比6～9月份，其他月份午后短時強(qiáng)降水只出現(xiàn)了幾次。究其原因，6～9月份副高脊線多位于N22°～30°之間，上海地區(qū)主要受西南或者偏東氣流的影響，水汽條件較好。同時由于夏季太陽高度角比較大，造成午后地面溫度比較高，使得大氣層結(jié)不穩(wěn)定，近地面層湍流發(fā)展旺盛，易于對流的發(fā)生發(fā)展。鑒于上述統(tǒng)計結(jié)果，我們將研究時間段設(shè)定在為6～9月份，而非常用的6～8月來表示夏季。

圖2　2003～2015年上海地區(qū)午后短時強(qiáng)降水發(fā)生次數(shù)月變化特征

3.2年變化特征

考察2003～2015年上海地區(qū)午后短時強(qiáng)降水發(fā)生次數(shù)以及累計雨量年變化特征。如表1所示，2003～2015年上海地區(qū)夏季午后每年至少有10站次的短時強(qiáng)降水事件發(fā)生。其中2007～2009年是午后短時強(qiáng)降水的高發(fā)期。對于單個站點而言，市區(qū)發(fā)生午后短時強(qiáng)降水事件最多，13年間總共發(fā)生了41次；其次是浦東，一共發(fā)生了35次；再者為閔行、寶山、嘉定。發(fā)生午后短時強(qiáng)降水事件最少的是松江，只有14次。金山、南匯和崇明也不到20次。這樣的分布與上海地區(qū)的行政劃分有著很好的對應(yīng)。中心城區(qū)站點：市區(qū)、浦東[6](浦東區(qū)按區(qū)縣劃分為近郊，但是浦東氣象站點位于內(nèi)環(huán)高架內(nèi)，更多代表中心城區(qū)氣象狀況)；近郊站點：閔行、寶山、嘉定；遠(yuǎn)郊站點：松江、青浦、金山、奉賢、南匯、崇明?？梢?，上海午后短時強(qiáng)降水發(fā)生次數(shù)的空間分布與上海地區(qū)各區(qū)縣城市化發(fā)展程度有一定的聯(lián)系。按照城區(qū)、近郊、遠(yuǎn)郊的順序，午后短時強(qiáng)降水發(fā)生次數(shù)呈減少趨勢。

王喜全等[5]在研究城市化與北京地區(qū)降水分布變化時指出，降水受到大氣環(huán)流等多種因素影響，年變化比較大。因此直接比較站點的絕對值并不能很好的表現(xiàn)降水分布特征。參考其對降水標(biāo)準(zhǔn)化處理的方式對表2進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并得出上海地區(qū)午后短時強(qiáng)降水年平均相對雨量分布特征。標(biāo)準(zhǔn)化步驟如下。

Rni=(Pni-Pn)/σn

(n=2003，,2004，……，2014,2015；i=1,2，……，11)，

其中n指向不同年份；i指向不同測站；Rni就是為所求站點i第n年6～9月份午后短時強(qiáng)降水相對雨量；Pni為站點i第n年6～9月份午后短時強(qiáng)降水實際雨量；Pn為第n年11個站點6～9月份午后短時強(qiáng)降水平均雨量，σn為第n年11個站點6～9月份午后短時強(qiáng)降水雨量標(biāo)準(zhǔn)差。

如圖3所示，午后年平均相對雨量的正值主要位于市區(qū)、浦東、閔行、寶山和嘉定，表明這些地區(qū)的短時強(qiáng)降水雨量較全市偏多。尤其是在市區(qū)和浦東，午后短時強(qiáng)降水雨量遠(yuǎn)高于上海其他地區(qū)，這與強(qiáng)降發(fā)生水次數(shù)有很好的對應(yīng)關(guān)系。同時也可以看到，正值區(qū)域正好是行政劃分中的中心城區(qū)以及近郊，說明城市效應(yīng)對上海地區(qū)午后短時強(qiáng)降水的時空分布有重要影響。為此，從熱力和動力方面給出一定的解釋。熱力方面，城市下墊面對短波輻射的反射較少，因此吸收了大量的太陽輻射。又因為城市地表的水汽含量少，所以潛熱通量較低，地表熱量主要以感熱通量和長波輻射的形式加熱上層大氣。再配合局地人為熱的排放，形成了城市熱島。這加強(qiáng)了城市地區(qū)大氣的不穩(wěn)定層結(jié)，有利于熱對流的產(chǎn)生。同時熱島環(huán)流與上海地區(qū)夏季午后的海風(fēng)相互耦合，增強(qiáng)了城市地區(qū)的輻合上升運(yùn)動以及向城市地區(qū)的水汽輸送，有利于城市地區(qū)強(qiáng)降水的發(fā)生。動力方面，城市地區(qū)的地表粗糙度大，風(fēng)在經(jīng)過城市時會消耗一些能量，風(fēng)速減慢。這就造成風(fēng)場在城市地區(qū)的輻合上升，有利于降水形成。

圖3　2003～2015年上海地區(qū)午后短時強(qiáng)降水年平均相對雨量分布特征(數(shù)值擴(kuò)大1000倍)

表2　2003～2015年上海地區(qū)午后短時強(qiáng)降水累計雨量年變化特征　mm

3.3日變化特征

考察2003～2015年上海地區(qū)午后短時強(qiáng)降水發(fā)生次數(shù)日變化。如表3所示，上海地區(qū)夏季午后短時強(qiáng)降水發(fā)生的時間段主要集中在14：00～18：00時之間。選取年平均相對雨量大于300的3個站點，即徐家匯，浦東和閔行站點的平均值代表城市，記為城市站；選取年平均相對雨量小于200的4個站點，即松江，金山，南匯和崇明站點的平均值代表非城市，記為鄉(xiāng)村站；[6]繪制6～9月午后短時強(qiáng)降水平均發(fā)生次數(shù)圖(圖4a)和2 m平均氣溫曲線(圖4b)。從圖中可以知道，上海地區(qū)的小時最高氣溫出現(xiàn)在中午14時左右，城市和鄉(xiāng)村約有0.7 ℃的溫差。午后短時強(qiáng)降水平均發(fā)生次數(shù)，城市站和鄉(xiāng)村站都在15：00～16：00時達(dá)到最值，但是城市地區(qū)的變化幅度較大。結(jié)合兩張圖可以看到，上海地區(qū)夏季午后短時強(qiáng)降水次數(shù)與局地氣溫有著很好的對應(yīng)關(guān)系。盛夏時節(jié)，太陽輻射在中午達(dá)到最強(qiáng)，地面溫度在14時達(dá)到最高。所以盛夏時節(jié)的午后最容易形成不穩(wěn)定層結(jié)，產(chǎn)生強(qiáng)對流[6]。城市熱島增加了這種不穩(wěn)定的程度，因此城市地區(qū)出現(xiàn)短時強(qiáng)降水的次數(shù)更多?？紤]強(qiáng)降水由生成到成熟需要一段發(fā)展時期，所以短時強(qiáng)降水發(fā)生次數(shù)峰值出現(xiàn)在15～16時，滯后氣溫峰值一個時次。

圖4　城鄉(xiāng)短時強(qiáng)降水發(fā)生次數(shù)圖(a)和2 m溫度圖(b)

編號5836158362583655836658367583695837058460584615846258463名稱閔行寶山嘉定崇明市區(qū)南匯浦東金山青浦松江奉賢總計12～13342273122223013～14552543702123614～15545274725475215～165543941032435216～17586283854135317～186265613572346

4　結(jié)論

通過分析上海地區(qū)11個站點小時降水資料，研究上海地區(qū)夏季午后短時強(qiáng)降水的時空分布關(guān)系，得到如下結(jié)論。

(1)一年中，上海地區(qū)午后短時強(qiáng)降水主要發(fā)生在6～9月份，其中最為頻發(fā)的是7、8兩個月。一天中，午后短時強(qiáng)降水主要發(fā)生在14時之后。大尺度環(huán)流形勢和太陽輻射變化是造成這種時間分布的主要原因。

(2)不管是午后短時強(qiáng)降水的發(fā)生次數(shù)還是累計雨量。上海地區(qū)夏季午后短時強(qiáng)降水都在市區(qū)和浦東地區(qū)呈現(xiàn)一個高值中心。城市化帶來的高溫有利于局地不穩(wěn)定層結(jié)的發(fā)展。同時熱島環(huán)流與海風(fēng)的耦合增大了城市地區(qū)的輻合上升運(yùn)動和水汽輸送。地表的高粗糙度也使得風(fēng)場在城市地區(qū)輻合。這一切都有利于城市地區(qū)對流的發(fā)生發(fā)展。

[1]楊露華,尹紅萍,王慧,等.近10年上海地區(qū)強(qiáng)對流天氣特征統(tǒng)計分析[J].大氣科學(xué)研究與應(yīng)用,2007(32):84～91.

[2]賀芳芳,趙兵科.近30年上海地區(qū)暴雨的氣候變化特征[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2009,24(11):1260～1267.

[3]胡艷,端義宏.上海地區(qū)雷暴天氣的氣候變化及可能影響因素[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報,2006,36(4):588～594.

[4]梁萍,丁一匯,何金海,等.上海地區(qū)城市化速度與降水空間分布變化的研究關(guān)系[J].熱帶氣象學(xué)報，2011,27(4):475～483.

[5]王喜全,王自發(fā),齊彥斌,等.城市化與北京地區(qū)降水分布變化初探[J].氣候與環(huán)境研究，2007,12(4):489～495.

[6]陳雷,戴建華,汪雅.近10a長三角地區(qū)雷暴天氣統(tǒng)計分析[J].暴雨災(zāi)害，2015,34(1):80～87.

Characteristics of Short-time Heavy Rainfall in Shanghai Region in the Summer Afternoon from 2003 to 2015

Zhang Yuncheng

(SchoolofGeographicalSciences,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200241,China)

The characteristics of spatial and temporal distributions of the short-time heavy rainfall in Shanghai region in the summer afternoon from 2003 to 2015 was studied by using the hourly rainfall data from 11 weather stations. The results showed that:short-time heavy rainfall mainlyoccurredduring June to September, especially during14 to 18pm.Results indicated that the rainfall mainly depended on the weather situations and the sun’s radiation. Besides that, there was a good corresponding relation between the occurrence frequency of short-time heavy rainfall and urbanization. The impacts of urbanization increased frequency of occurrence of short-time rainfall in downtown area.

short-time heavy rainfall; urbanization; Shanghai region

2016-05-18

張赟程(1989—)，男，華東師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院碩士研究生。

P426.6

A

1674-9944(2016)14-0038-04