利用區(qū)域自動站資料分析岳陽市城郊以及山區(qū)降水差異

袁泉 吳思雁 肖平, 李奇

（1 湖南省岳陽市氣象局，岳陽 414000；2 湖南省湘陰縣氣象局，湘陰 414600）

0 引言

由于城市內空氣流通不暢，凝結核較多，下墊面粗糙，城市熱島導致局地大氣不穩(wěn)定有利于對流性降水發(fā)生發(fā)展，而產生雨島效應。對多個大城市的研究表明，城市化會增加城區(qū)及下風方向的降水量[1]。曹琨等[2]對上海的研究發(fā)現(xiàn)熱島和雨島關系密切。Chen[3]針對上海地區(qū)的研究表明，隨著長三角城市群的發(fā)展，降水量是增長的。對2003年6月4日北京對流系統(tǒng)的研究[4]，發(fā)現(xiàn)在城市和郊區(qū)的交界處降水增多，降水的峰值中心在城市的下風方向。但是另有一些研究得出其他結論，如王喜全等[5]研究發(fā)現(xiàn)北京地區(qū)冬季城市熱島效應和干島效應增強，使城區(qū)及南部地區(qū)的降水相對減少。陳圣劼等[6]對南京地區(qū)的研究，認為一般性降雨的降水量城郊差異不明顯，城市化對其的落區(qū)分布影響較小。

岳陽是城市規(guī)模類似于邯鄲的中型城市，雖然已有對邯鄲的研究表明像邯鄲這樣的中型城市雨島效應與熱島效應遙相呼應，汛期城市雨島效應明顯[7]，但岳陽市氣候屬亞熱帶季風濕潤氣候。境內東部為山地和丘陵地區(qū)，西部為平原湖泊地區(qū)，在地形和氣候上和邯鄲頗有不同，且對于岳陽市的雨島效應的研究是不足的，因而加強對岳陽的雨島效應的影響研究仍是非常必要的。

1 資料和方法

根據(jù)岳陽市區(qū)域自動站網的分布情況（圖1），選取位于市區(qū)的中儲棉站（海拔39.6 m）、修防處站（海拔36.3 m）、南湖站（海拔32.0 m），代表岳陽市城區(qū)降水量。云溪水廠站（海拔68.6 m）、三荷站（海拔88.7 m）位于岳陽城區(qū)遠郊丘陵地區(qū)，代表郊區(qū)降水量。毛田站（海拔107.7 m）、相思站（海拔318.6 m）、紅光水庫站（海拔304.2 m）、虹橋水廠站（海拔282.0 m）位于幕阜山區(qū)，可以代表山區(qū)降水量。城區(qū)3個站點均勻分布在北部、中部和南部，郊區(qū)的2個亦呈南北均勻分布，代表山區(qū)的4個站沿著山勢布局。9個站點探測環(huán)境好，資料連續(xù)，檢定正確，可以有效代表岳陽市的整體情況。利用2016—2018年這9個區(qū)域自動氣象站的逐日降水觀測資料進行研究。這9個自動氣象站分別代表城區(qū)、郊區(qū)和山區(qū)，使用統(tǒng)計方法對降水量進行對比分析。

圖1 岳陽市代表站點位置分布圖Fig. 1 Distribution of selected meteorological observation stations in Yueyang

2 結果分析

2.1 全年降水量分析

利用中儲棉站、修防處站、南湖站、云溪水廠站、三荷站、毛田站、相思站、紅光水庫站、虹橋水廠站9個代表站2016—2018年全年降水量資料進行對比分析可知，3年總體來說岳陽市城區(qū)代表站全年降水量均小于郊區(qū)代表站。究其原因在于岳陽市城區(qū)面積相對較小，由于熱島影響，城市大氣不穩(wěn)定利于產生熱對流，而產生對流云[2]，隨著系統(tǒng)東移，反而使城區(qū)雨島效應不明顯而影響位于下風方向的郊區(qū)。而其他大型城市城區(qū)面積廣大，和岳陽有所不同，雨島效應是城區(qū)明顯。同時岳陽地形是東高西低，城區(qū)位于洞庭湖畔平原半島上，而岳陽市郊區(qū)地形是以丘陵為主，從而對于岳陽市來說，城區(qū)、郊區(qū)和山區(qū)的降水差異還受到地形和湖陸效應的影響，故岳陽市城區(qū)全年降水量要小于郊區(qū)。幕阜山區(qū)，由于地形作用明顯，降水量遠大于岳陽市城區(qū)和郊區(qū)（表1）。

表1 2016—2018年岳陽市城區(qū)、郊區(qū)和山區(qū)年平均降水量Table 1 Yearly rainfall amounts from 2016 to 2018 in urban, rural and mountain areas of Yueyang

分年份討論，以郊區(qū)降水量為基準。降水極端性較強的2016年，城區(qū)降水偏少2.0%，山區(qū)降水偏多26.5%。降水充沛的2017年，城區(qū)降水偏少2.0%，山區(qū)降水偏多6.2%。降水量接近常年的2018年，山區(qū)降水偏多5.8%。進一步說明對于全年來說，岳陽市雨島效應影響在下風方向的郊區(qū)，地形的作用也不容忽視。2016年降水極端性較強，多數(shù)月份強降水以對流性降水為主，山區(qū)地形抬升的動力作用對對流的發(fā)生發(fā)展作用明顯；反之降水充沛的年份以系統(tǒng)性降水為主，中低層急流旺盛，整個岳陽地區(qū)水汽充足，同時有高空槽和中低層切變線的配合，天氣系統(tǒng)的動力作用遠大于地形的動力作用，山區(qū)地形作用反而顯得不那么明顯。

2.2 分月降水分析

3年總體來說，城區(qū)和郊區(qū)以及山區(qū)月平均降水量的季節(jié)變化趨勢較為一致，其月平均降水量有一定的差異（圖2）。城區(qū)和郊區(qū)的分月平均降水量差異不大，郊區(qū)略多于城區(qū)，但是山區(qū)汛期（4— 9月）明顯多于城區(qū)和郊區(qū)。參考已有的研究，表明岳陽城區(qū)汛期降水夜雨多發(fā)，空間上西少東多，西水東陸的格局是形成降水時空差異的重要原因[8]，城區(qū)雨島效應不明顯，降水的增加出現(xiàn)在下風方向的郊區(qū)。同時4月和7月是山區(qū)與城區(qū)及郊區(qū)平均降水量差異最大的月份，這兩月降水有顯著的對流性，說明山區(qū)地形對岳陽市對流性降水的增幅十分明顯。

圖2 岳陽地區(qū)2016—2018年總平均分月降水量Fig. 2 Total monthly average rainfall amounts in Yueyang from 2016 to 2018

降水極端性較強的2016年（圖3），4月和7月城區(qū)降水量較明顯大于郊區(qū)降水量。即在降水分布不均極端性較強的年份，降水明顯的月份雨島效應在城區(qū)有一定的體現(xiàn)。但是山區(qū)降水量仍明顯大于城區(qū)和郊區(qū)，山區(qū)地形的抬升作用仍然很強。2017年（圖4）降水充沛，汛期降水以系統(tǒng)性強降水為主，這一年汛期城區(qū)降水曲線與郊區(qū)降水曲線基本重合，雨島效應基本沒有。同時在降水最強的月份城區(qū)和郊區(qū)的降水量明顯大于山區(qū)，這與洞庭湖區(qū)夜雨多發(fā)、夜晚洞庭湖水體較陸地溫度稍高形成的熱效應和增濕效應是分

圖4 2017年岳陽地區(qū)月平均降水量Fig. 4 Monthly average rainfall amounts in Yueyang in 2017

綜上所述，雨島效應的影響存在地區(qū)差異和季節(jié)差異，其很大程度上受到天氣系統(tǒng)環(huán)流的影響。在降水極端性較強的年份，降水明顯的月份雨島效應在城區(qū)有一定的體現(xiàn)。但是地形抬升作用仍然最強，特別大的降雨容易出現(xiàn)在山區(qū)，要注意山洪泥石流等地質災害。對于降水充沛的年份，雨島效應基本沒有，天氣系統(tǒng)環(huán)流占主導地位，地形的抬升作用亦不明顯；洞庭湖區(qū)夜雨明顯，夜晚洞庭湖水體較陸地溫度稍高形成的熱效應和增濕效應具有明顯作用。降水接近常年的年份，雨島效應體現(xiàn)在下風方向的郊區(qū)，山區(qū)地形對降水的增幅作用較明顯。不開的。這一年8月又處于對流性降水明顯的時段，山區(qū)降水量明顯多于城區(qū)和郊區(qū)，更進一步說明在對流性降水明顯的時段，山區(qū)地形的抬升作用對降水的增幅明顯。降水接近常年的2018年（圖5），汛期山區(qū)降水最多，城區(qū)降水少于郊區(qū)，雨島效應影響處于城區(qū)下風方向的郊區(qū)。

圖3 2016年岳陽地區(qū)月平均降水量Fig. 3 Monthly average rainfall amounts in Yueyang in 2016

圖5 2018年岳陽地區(qū)月平均降水量Fig. 5 Monthly average rainfall amounts in Yueyang in 2018

2.3 不同量級降水頻次分析

分析岳陽市3年不同量級降水頻次的平均值可以發(fā)現(xiàn)，不同等級降水頻次中小雨最多，中雨次之，暴雨及以上量級頻次最少。小雨量級降水頻次占到了全年各量級降水總頻次的72%，中雨為17%，大雨為8%，暴雨及以上量級只占3%。從區(qū)域來說，小雨頻次是城區(qū)、郊區(qū)、山區(qū)逐步增加，中雨頻次是郊區(qū)最多，山區(qū)次之，城區(qū)最少，大雨頻次城區(qū)和郊區(qū)差不多，山區(qū)最多，暴雨及以上量級頻次為城區(qū)、郊區(qū)、山區(qū)逐步增加。

分月來看，小雨量級的降水頻次也基本呈現(xiàn)城區(qū)、郊區(qū)、山區(qū)逐步遞增的趨勢（圖6）。具體為10—1月是岳陽市小雨量級降水日數(shù)最多的季節(jié)，其次為2— 6月，最少的是7— 9月。

圖6 2016—2018年岳陽地區(qū)分月小雨頻次Fig. 6 Monthly frequency of light rainfall from 2016 to 2018 in Yueyang

中雨量級的降水頻次分布呈現(xiàn)單峰特征（圖7），峰值出現(xiàn)在3月，2月出現(xiàn)了一個極小值。按季節(jié)來分的話，春季3—5月是岳陽市中雨日數(shù)最多的季節(jié)。按地域來說，3月郊區(qū)中雨日數(shù)最多，4月城區(qū)中雨日數(shù)最多，山區(qū)在中雨日數(shù)較少的夏季體現(xiàn)為日數(shù)最多。

圖7 2016—2018年岳陽地區(qū)分月中雨頻次Fig. 7 Monthly frequency of moderate rainfall from 2016 to 2018 in Yueyang

大雨量級的降水頻次分布（圖8），從時間段來看，大雨集中期出現(xiàn)在4—6月，最少時段為10—2月，說明對于整個岳陽市來說冬半年出現(xiàn)大雨的可能性較低。同時10月又是全年大雨日數(shù)最少的月份。從地域分布來看，大多數(shù)月份山區(qū)大雨日數(shù)最多，山區(qū)大雨日數(shù)的峰值出現(xiàn)在5月，次峰值出現(xiàn)在7月，7月山區(qū)大雨日數(shù)比城區(qū)和郊區(qū)多出一倍，說明降水對流性強的月份地形的增幅作用很明顯。

圖8 2016—2018年岳陽地區(qū)分月大雨頻次Fig. 8 Monthly frequency of heavy rainfall from 2016 to 2018 in Yueyang

暴雨及以上量級的降水頻次分布（圖9），從時間段來看，暴雨及以上量級降水集中出現(xiàn)在4—8月，3月和9月暴雨極少，冬半年的10—2月沒有暴雨出現(xiàn)。從地域分布來看，山區(qū)暴雨日數(shù)4月，6月和 7月分布較多且比較平均，峰值在4月。對于郊區(qū)來說，暴雨日數(shù)的單峰值在6月，4月和7月也較多且平均分布。城區(qū)為暴雨日數(shù)最少的區(qū)域，峰值在8月。6月是城區(qū)、郊區(qū)和山區(qū)暴雨日數(shù)差異最為顯著的月份，岳陽正好處于降水集中期，以系統(tǒng)性降水為主，降水系統(tǒng)自西向東通過洞庭湖區(qū)有增濕作用，又在處于丘陵區(qū)的郊區(qū)有所抬升，造成郊區(qū)的降水最為猛烈。4月和7月，岳陽降水不全是大尺度天氣系統(tǒng)性降水，有部分地形作用的強對流降水，在山區(qū)的迎風面地形抬升的動力作用形成強對流性暴雨，而丘陵區(qū)的動力作用不足以形成強對流，故郊區(qū)暴雨日數(shù)不如山區(qū)。綜上所述，雖然暴雨以上量級降水是以地形作用為主，但是在降水最為集中的6月，洞庭湖水域的作用也不可忽視，水域的作用和地形抬升作用共同造成了郊區(qū)暴雨日數(shù)最多。

圖9 2016—2018年岳陽地區(qū)分月暴雨頻次Fig. 9 Monthly frequency of storm from 2016 to 2018 in Yueyang

2.4 大強度致災暴雨時城區(qū)和郊區(qū)短時強降水發(fā)生頻次及強度分析

2016—2018年的岳陽市區(qū)附近大強度致災暴雨過程為2016年7月1—4日過程（過程持續(xù)4 d）、2017年6月22日下午至24日早晨過程（過程降水于24日08時以前基本結束，過程持續(xù)2 d）、2017年6月29日至 7月1日過程（過程持續(xù)3 d），以及2018年4月30日晚至5月1日上午的過程（過程持續(xù)1 d）。

綜合上述4次暴雨過程，分析在大強度暴雨過程中發(fā)生短時強降水的平均頻次（平均頻次的計算方法為：每個站點3次過程出現(xiàn)的短時強降水總次數(shù)除以過程總日數(shù)，再分城區(qū)和郊區(qū)分別求平均），發(fā)現(xiàn)城區(qū)發(fā)生短時強降水的平均頻次為每日1.07次，而郊區(qū)為每日1.10次，郊區(qū)與城區(qū)短時強降水平均頻次數(shù)相當，郊區(qū)略高。

計算短時強降水的強度（強度的計算方法為：每個站點3次過程出現(xiàn)的短時強降水總降水量除以短時強降水的總小時數(shù)，再分城區(qū)和郊區(qū)分別求平均）發(fā)現(xiàn)，城區(qū)站點的平均強度約為31.4 mm/h，郊區(qū)站點的平均強度約為31.7 mm/h，郊區(qū)短時強降水平均強度略大。

綜上，在大強度暴雨過程時，城區(qū)和郊區(qū)短時強降水頻次相當，郊區(qū)略高；強度也是郊區(qū)略高于城區(qū)。說明在大強度降水情況下岳陽市城區(qū)和郊區(qū)降水差距很小，雨島效應不明顯，郊區(qū)丘陵地形對降水強度的增加稍有作用。

3 結論

岳陽市城區(qū)全年雨島效應不明顯，其影響位于城區(qū)下風方向的郊區(qū)，城區(qū)、郊區(qū)和山區(qū)的降水差異還受到地形和湖陸效應的影響。在汛期降水極端性較強的年份，降水明顯的月份雨島效應在城區(qū)有一定的體現(xiàn)，山區(qū)的地形抬升作用最強。對于降水充沛的年份，雨島效應基本沒有，天氣系統(tǒng)環(huán)流占主導地位，地形的抬升作用不明顯，洞庭湖區(qū)夜雨，夜晚湖區(qū)暖水面的增溫增濕效應具有明顯作用。降水接近常年的年份，雨島效應影響處于城區(qū)下風方向的郊區(qū)，山區(qū)地形對降水的增幅作用較明顯。

對于岳陽市來說全年平均小雨量級降水日數(shù)占到了全年各量級降水總日數(shù)的72%，中雨為17%，大雨為8%，暴雨及以上量級只占3%。暴雨發(fā)生頻次和強度山區(qū)大于城區(qū)和郊區(qū)，說明暴雨以上量級降水日數(shù)的分布仍然是以地形作用為主，城市雨島效應并不明顯。大強度降水情況下岳陽市城區(qū)和郊區(qū)降水差距很小，雨島效應不明顯，郊區(qū)丘陵地形對降水強度的增加稍有作用。