基于小時降水資料研究廣東省降水分布特征

蒲義良 郭柏成 葉朗明 李曉惠 高玲玉

0 引言

在全球變暖背景下，近些年全球極端天氣事件的頻率和強(qiáng)度不斷增加，其造成的危害和不利影響越來越大.降水作為全球變暖最響應(yīng)的因素之一，受到社會各界的廣泛關(guān)注.隨著氣象監(jiān)測系統(tǒng)逐漸完善，降水資料時間和空間分辨率進(jìn)一步提高，許多學(xué)者對不同地區(qū)不同歷時降水的趨勢、貢獻(xiàn)、日變化特征等進(jìn)行了研究，地區(qū)不同所呈現(xiàn)的時空特征也互有異同.Li等[1]研究發(fā)現(xiàn)近50年來我國華北地區(qū)降水量減少主要與長歷時降水事件減少有關(guān)，而南方地區(qū)降水量增加是不同歷時降水事件共同增加所造成的.伍紅雨等[2]基于1961—2014年廣東逐小時降水資料分析結(jié)果指出，廣東平均小時強(qiáng)降水的頻數(shù)、強(qiáng)度、降水量和貢獻(xiàn)率在年以及前、后汛期的時間尺度上均為顯著上升的趨勢.Yu等[3-5]利用長序列逐時降水資料分析發(fā)現(xiàn)，短歷時降水的峰值多出現(xiàn)在下午或傍晚，太陽輻射加熱引起的熱力不穩(wěn)定是造成下午或傍晚短時降水峰值的原因之一.長歷時降水的峰值多出現(xiàn)在夜間和清晨，則多與大尺度環(huán)流有關(guān)[6].出現(xiàn)在清晨的持續(xù)性峰值降水與東亞季風(fēng)呈現(xiàn)一致的北進(jìn)南退的季節(jié)內(nèi)演變特征[7].此外，在復(fù)雜地形及海陸分布的影響下，一些陸地地區(qū)也存在午夜至凌晨的降水峰值[2,8].從以上研究可以看到，隨著較高時間分辨率降水資料不斷累積，使得研究降水細(xì)微差異和降水日變化特征分析成為可能，一些超大城市還利用空間加密的小時降水資料，分析更為精細(xì)的降雨特征[9-11].

廣東位于中國大陸最南部，具有明顯的亞熱帶、熱帶海洋性和季風(fēng)氣候特征.因瀕臨南海和西太平洋，水汽豐富，暴雨洪澇也成為廣東省最主要的災(zāi)害性天氣之一.由于廣東地形復(fù)雜，北高南低，受天氣系統(tǒng)影響程度各有差異，因而降水時空分布不均勻，年降水水平的地理差異較大[12].強(qiáng)降水中心地區(qū)頻繁遭受暴雨災(zāi)害襲擊，災(zāi)害對當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)建設(shè)、生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重的破壞[13].引發(fā)暴雨洪澇的強(qiáng)降水在一定的區(qū)域和時間內(nèi)呈現(xiàn)一定的特征，時間分辨率更高的降水資料能夠刻畫降水持續(xù)時間、日變化等統(tǒng)計特征，有助于開展氣象防災(zāi)減災(zāi)工作，減少暴雨洪澇災(zāi)害帶來的損失[14].以往基于廣東小時降雨資料的研究多是針對個例分析和數(shù)值模擬，統(tǒng)計則多集中在日、月等更長的時間尺度上，或者僅限于小時降水強(qiáng)度變化特征上[15-17]，對汛期不同歷時降水事件的分布、貢獻(xiàn)及更精細(xì)的小時降水強(qiáng)度峰值分布等研究不足.本文基于廣東省86個國家自動氣象站2001—2018年逐小時降水資料，較為系統(tǒng)地研究了廣東省前后汛期不同歷時降水的精細(xì)化特征，以期為更好地理解廣東地區(qū)降水的變化規(guī)律、評估氣候特征，以及開展洪澇暴雨相關(guān)服務(wù)等方面提供一定的參考.

1 資料和方法

本文所用資料為廣東省86個國家自動氣象站逐小時降水?dāng)?shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集來自廣東省探測數(shù)據(jù)中心，并經(jīng)過嚴(yán)格質(zhì)量控制.全省86個氣象站分布如圖1所示.受小時降水資料的限制以及為確保不同站點之間的數(shù)據(jù)具有可比較性，這里選取2001—2018年18年的逐小時降水資料進(jìn)行統(tǒng)計分析.

降水定義采用中國氣象局的業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，即1 h降水量≥0.1 mm記為有降水，各站某一時間段降水量為該時段總的降水累積量[11].本文以2 h為界限劃分兩次降水事件，定義為不同歷時降水，即某一降水時次之后連續(xù)2 h沒有降水時，判斷該降水過程結(jié)束[18].為了研究不同歷時降水的持續(xù)性問題，參考文獻(xiàn)[19]，按照持續(xù)時間的長短，將不同持續(xù)性降水分為三類：短歷時降水(持續(xù)時間為1～3 h)、中歷時降水(持續(xù)時間為 4～6 h)和長歷時降水(持續(xù)時間為6 h以上).

2 廣東降水與降水時次分布特征

2.1 小時降水分布特征

圖2給出了廣東省小時降水的空間分布特征.分析圖2a可知，廣東年均降水時數(shù)介于526.3(徐聞)和1 171.1 h(乳源)之間.空間分布上有三個大值中心，分別是粵西北地區(qū)(乳源—陽山一帶)、粵西南地區(qū)(恩平—陽江一帶)和粵東地區(qū)(揭西—普寧一帶)，降水時數(shù)最少區(qū)域分布在雷州半島一帶.廣東年均累積降水量(圖2b)介于1 315.8(南澳)和2 583.0 mm(海豐)之間.可以看到年均累積降水量分布存在三個大值中心：云霧山和天露山南側(cè)的恩平—陽江一帶，年均降水量超過2 200 mm的站點達(dá)5個，該區(qū)域是廣東省最先受到西南季風(fēng)影響的區(qū)域，其沿海較多喇叭口地形使得其迎風(fēng)坡成為強(qiáng)降水區(qū)域，且該區(qū)域易受臺風(fēng)影響；蓮花山南麓(海豐為中心)的地區(qū)，該區(qū)域海洋暖濕氣流受到蓮花山脈的強(qiáng)烈抬升作用影響，且其沿海同樣易受臺風(fēng)登陸的影響，水汽、熱力和動力條件充分；粵北山區(qū)南部邊緣(龍門—清遠(yuǎn)一帶)，西南暖濕氣流受到南嶺山脈前側(cè)的阻擋和抬升作用形成鋒面降水[12,20].廣東年均降水量三個低值中心分布在云霧山北側(cè)的羅定一帶、蓮花山西北側(cè)的五華一帶和粵北樂昌到南雄一帶，年均累積降雨在1 500 mm以下，均位于三個多雨中心以北區(qū)域.圖2c和圖2d分別是廣東平均小時降水強(qiáng)度和最大小時降水強(qiáng)度空間分布.平均小時降水強(qiáng)度介于1.5(樂昌)和3.1 mm/h(上川島)之間，從南部沿海向北部內(nèi)陸地區(qū)呈明顯的減弱趨勢.此分布主要是因為沿海地區(qū)更容易受到海洋天氣系統(tǒng)影響，其降水總事件中熱帶海洋型降雨比例顯著高于內(nèi)陸地區(qū)，而熱帶海洋型降雨強(qiáng)度也高于大陸型降雨強(qiáng)度[21].廣東省最大小時降水強(qiáng)度介于70.8(連平)和168.3 mm/h(茂名)之間，較大雨強(qiáng)主要出現(xiàn)在粵西、珠三角北側(cè)以及梅州平原一帶.

2.2 降水小時數(shù)、累計降水量月變化

圖3為2001—2018年廣東多年平均的月降水時數(shù)和降水量隨季節(jié)的變化.可以看到，年均降水時數(shù)6月(114.8 h)最多，12月(44.3 h)最少.3—8月降水時數(shù)超過80 h，占全年64.7%.降水量分布同樣是6月(338.7 mm)最多，12月(42.8 mm)最少，4—9月降水均超過150 mm，占全年總和的 79.8%.廣東省汛期為4—9 月，它通常分為兩個階段，第一階段為4—6月，這個階段的降水以鋒面降水為主，稱為前汛期；第二階段為7—9月，這個階段的降水主要是由熱帶天氣系統(tǒng)如臺風(fēng)所造成的，稱為后汛期[22-23].前汛期是東亞地區(qū)從春季到夏季環(huán)流過渡的時期.在這過程中，北方冷空氣的勢力逐漸減弱，但仍然能頻繁南下侵入廣東；西太平洋副熱帶高壓北移，夏季偏南季風(fēng)開始活躍，將熱帶洋面的熱量和水汽往華南上空輸送.二者激烈交鋒的結(jié)果，使這一時期成為廣東省降雨最多發(fā)的季節(jié)[24].前汛期環(huán)流的季節(jié)變化從4月開始，到6月完成突變進(jìn)入后汛期，此階段廣東降水總量持續(xù)增加.在后汛期，冷空氣勢力一般不能到達(dá)華南，廣東的暴雨主要由熱帶天氣系統(tǒng)引起，包括熱帶氣旋、熱帶輻合帶和季風(fēng)槽、東風(fēng)波等[25]，而熱帶氣旋的多寡將嚴(yán)重影響后汛期的降雨量.統(tǒng)計顯示，后汛期8月熱帶氣旋影響廣東省最多，其次是9月和7月，但登陸最多的是7月，8月和9月登陸數(shù)量相當(dāng)，后汛期影響和登陸廣東省的熱帶氣旋占了全年數(shù)量的 72%[22].

3 汛期不同歷時降水分布特征

鑒于非汛期年均降水量較少，對其進(jìn)行細(xì)化分析的研究意義不足，因此，本文對降水季節(jié)特征的研究將集中在汛期(4—9月).另外，由于前后汛期環(huán)流形勢差異巨大，為更準(zhǔn)確地研究汛期降水的分布特征，本文將汛期劃分為前汛期(4—6月)和后汛期(7—9月)來分別研究.

依據(jù)本文對降水事件的定義，對18年汛期廣東省逐站降水事件進(jìn)行篩選，共識別出21.9萬多站次降水事件，平均每年汛期每站出現(xiàn)141.2次降水事件，其中前汛期最長歷時降水事件出現(xiàn)在新豐站2005年6月19日15時—6月22日20時，歷時78 h，過程累積降水439.1 mm；后汛期最長歷時降水事件共出現(xiàn)2次(歷時85 h)，分別是出現(xiàn)在樂昌站2013年8月15日04時—8月18日16時，過程累積降水421.5 mm，和珠海站2012年7月23日10時—7月26日22時，過程累積降水378.4 mm.

圖4顯示，汛期廣東省降水事件以短歷時為主，占事件總數(shù)65.3%，中歷時和長歷時降水事件數(shù)占比分別為18.6%和16.1%.當(dāng)歷時超過6 h，隨著歷時的增長，降水事件次數(shù)急劇下降.降水貢獻(xiàn)方面，長歷時降水貢獻(xiàn)占汛期總降水56.7%，短歷時和中歷時降水貢獻(xiàn)分別為20.9%和22.4%.前、后汛期降水同樣以短歷時為主，降水貢獻(xiàn)最多的是長歷時降水貢獻(xiàn).另外，前汛期中、長歷時降水事件出現(xiàn)頻次和降水貢獻(xiàn)均高于后汛期，后汛期短歷時降水事件出現(xiàn)頻次和降水貢獻(xiàn)均高于前汛期(圖4和表1).

表1 廣東省不同歷時降水時間貢獻(xiàn)(出現(xiàn)頻次、降水量貢獻(xiàn))Table 1 The contribution of rainfall events with different durations to total precipitation in different seasons in Guangdong averaged during 2001-2018 %

已有研究表明，不同歷時降水對應(yīng)著不同的大氣環(huán)流狀況，降水特性和時空的分布也不盡相同[8].本部分將在研究廣東汛期年均降水量空間分布的基礎(chǔ)上，重點分析不同歷時降水事件所占據(jù)的比重.

對于前汛期(圖5)，短歷時和長歷時降水出現(xiàn)頻次分布與相應(yīng)累積降水貢獻(xiàn)分布基本吻合，短歷時降水多發(fā)生在粵西，雷州半島出現(xiàn)頻次最多，長歷時降水多發(fā)生在粵東和粵北地區(qū).長歷時降雨事件往往容易達(dá)到大到暴雨級別.統(tǒng)計研究表明，廣東中北部的大到暴雨大部分發(fā)生在前汛期，是由于與西風(fēng)帶系統(tǒng)活動相聯(lián)系的冷暖空氣交匯造成的[26]，與之對應(yīng)的西風(fēng)槽和切變線較難影響到粵西地區(qū).另外，粵東沿海和珠江口西側(cè)沿海地區(qū)長歷時降水占比超過60%，其長歷時降雨多與季風(fēng)降雨有關(guān)，南海季風(fēng)爆發(fā)時間在5月下旬—6月，強(qiáng)西南季風(fēng)往往給廣東中東部(陽江以東)沿海帶來持續(xù)性強(qiáng)降雨.中歷時降水事件則多發(fā)生在珠三角兩側(cè)和粵西北區(qū)域.湛江和茂名地區(qū)雖然中歷時降水出現(xiàn)頻次低于全省均值，但對應(yīng)累積降水貢獻(xiàn)卻高于全省均值，說明湛江和茂名地區(qū)出現(xiàn)中歷時降水時小時降水強(qiáng)度較大.

后汛期方面(圖6)，短歷時和長歷時降水出現(xiàn)頻次分布與相應(yīng)累積降水貢獻(xiàn)分布基本吻合，短歷時類型的降水多發(fā)生在內(nèi)陸，出現(xiàn)頻次自西北往東南遞減，長歷時降水則多發(fā)生在沿海.沿海地區(qū)在后汛期受熱帶系統(tǒng)影響所致的強(qiáng)降水較多，當(dāng)來自海上的風(fēng)暴系統(tǒng)移動到內(nèi)陸后，由于降水及水汽減弱，導(dǎo)致風(fēng)暴強(qiáng)度減弱，因而內(nèi)陸地區(qū)長歷時降水占比明顯下降.中歷時降水事件出現(xiàn)頻次分布規(guī)律不明顯，整體是珠三角地區(qū)和粵東高于其他地區(qū)，但中歷時降水量貢獻(xiàn)分布沿海低于內(nèi)陸，大值區(qū)主要在珠三角北側(cè)、粵西北和粵東北.

4 前后汛期降水日變化特征

表2給出了2001—2018 年汛期不同時段廣東每站日均降水量，各時段每站平均降水量由多到少依次為：下午(15—20時)、上午(09—14時)、下半夜(03—08時)、上半夜(21—02時).其中前汛期各時段雨量均高于后汛期雨量，前汛期平均每日每站8.48 mm，后汛期平均每日每站6.95 mm.從降水時數(shù)和小時降水強(qiáng)度的日變化分布(圖7)來看，前、后汛期降水時數(shù)的日變化特征相似，呈雙峰型變化特征，前汛期介于0.11～0.16 h之間，后汛期介于0.08～0.13 h之間.前汛期07時(0.15 h)和17時(0.16 h)出現(xiàn)降水時數(shù)最多，后汛期同樣是07時(0.10 h)和17時(0.13 h)出現(xiàn)降水時數(shù)最多，但前汛期平均降水時數(shù)均多于后汛期.小時降水強(qiáng)度日變化方面，前汛期介于1.94～3.23 mm/h之間，后汛期介于2.30～3.40 mm/h之間.前、后汛期最大小時降水強(qiáng)度均出現(xiàn)在15時，但后汛期對應(yīng)強(qiáng)度(3.40 mm/h)大于前汛期對應(yīng)強(qiáng)度(3.23 mm/h).此外，在08—12時前汛期小時降水強(qiáng)度強(qiáng)于后汛期，15—06時，后汛期高于前汛期.前汛期小時降水強(qiáng)度谷值出現(xiàn)在01時(1.94 mm/h)，后汛期出現(xiàn)在00時(2.30 mm/h).

表2 2001—2018年汛期不同時段廣東每站日均降水量Table 2 Averaged daily precipitation per station during different periods of the flood season during 2001-2018 mm

圖8給出了 2001—2018 年廣東小時降水強(qiáng)度日均峰值出現(xiàn)時間的空間分布.前汛期階段小時降水強(qiáng)度日均峰值出現(xiàn)時間共三類.第一類出現(xiàn)在下午15—20時，集中在粵西和大部分內(nèi)陸市縣，出現(xiàn)在這個時段的站點占比達(dá)到55.8%；第二類出現(xiàn)在09—14 時，集中在珠三角和粵東沿海城市及少部分內(nèi)陸市縣，占比36.0%；第三類出現(xiàn)在下半夜03—08時，站點分布不均，全省共7個站點，占比僅8.2%.

后汛期階段小時降水強(qiáng)度日均峰值出現(xiàn)時間共四類.第一類出現(xiàn)在下午15—20時，大部分內(nèi)陸市縣，出現(xiàn)在這個時段的站點占比達(dá)到61.6%；第二類出現(xiàn)在09—14 時，集中在珠三角、潮汕平原和粵西，占比23.3%；第三類出現(xiàn)在下半夜03—08時，主要集中在珠三角西側(cè)和汕尾，占比8.1%；第四類出現(xiàn)在上半夜21—02時，除惠陽外，均分布在沿海市縣，共6個站(7.0%).

綜合以上分析，可以看到汛期廣東地區(qū)小時降水強(qiáng)度峰值最容易出現(xiàn)在下午，主要是汛期水汽充足，午后陸地表面受日射而劇烈加熱，可在近地層形成絕對不穩(wěn)定層結(jié)，釋放不穩(wěn)定能量，有利于短時強(qiáng)降水的出現(xiàn)，因此小時強(qiáng)降水也多出現(xiàn)在下午[15].而廣東沿海、珠三角城區(qū)以及部分山地，由于海陸風(fēng)、山谷風(fēng)[27-28]，以及珠三角城區(qū)明顯的城市熱島環(huán)流等影響，造成小時降水強(qiáng)度日峰值容易出現(xiàn)在下半夜至上午.

5 結(jié)論

本文利用 2001—2018 年廣東省 86個國家自動氣象站的逐時降水資料，分析了廣東省不同歷時降水的時空分布特征.得到如下主要結(jié)論：

1)廣東年均降水時數(shù)分布有三個大值中心，分別是粵西北地區(qū)(乳源—陽山一帶)、粵西南地區(qū)(恩平—陽江一帶)、粵東地區(qū)(揭西—普寧一帶)，降水時數(shù)最少區(qū)域分布在雷州半島至電白一帶.年均降水量的分布形成了明顯的三個多雨中心和三個少雨中心.三個多雨中心分別是云霧山和天露山南側(cè)的地區(qū)(恩平—陽江一帶)、蓮花山南麓的地區(qū)(海豐為中心)、粵北山區(qū)南部邊緣的地區(qū)(龍門—清遠(yuǎn)一帶).三個少雨中心為云霧山北側(cè)的羅定郁南地區(qū)、九蓮山北的韶關(guān)北部地區(qū)和蓮花山以北的梅縣五華一帶.年均小時降水強(qiáng)度從南部沿海向北部內(nèi)陸地區(qū)呈減弱趨勢.歷史小時降水強(qiáng)度最大出現(xiàn)在粵西茂名和陽江地區(qū).

2)汛期廣東省降水事件以短歷時為主，出現(xiàn)頻次占比65.3%，隨著歷時的增長，降水事件頻次急劇下降，中歷時和長歷時降水事件數(shù)分別占總數(shù)的 18.6%和16.1%.但降水貢獻(xiàn)上，長歷時降水貢獻(xiàn)占汛期56.7%.其中前汛期中、長歷時降水事件出現(xiàn)頻次和降水貢獻(xiàn)均高于后汛期，后汛期短歷時降水事件出現(xiàn)頻次和降水貢獻(xiàn)均高于前汛期.前汛期短歷時類型的降水多發(fā)生在粵西，中歷時降水多發(fā)生在珠三角兩側(cè)和粵西北區(qū)域，長歷時降水則多發(fā)生在粵東和粵北地區(qū).后汛期短歷時類型的降水多發(fā)生在內(nèi)陸，出現(xiàn)頻次自西北往東南遞減，中歷時降水分布不均，長歷時降水多發(fā)生在沿海.

3)前、后汛期降水時數(shù)日變化均呈現(xiàn)雙峰型變化特征，兩個峰值在17時和07時，谷值在00時.平均而言，前汛期降水時數(shù)多于后汛期.小時降水強(qiáng)度日變化呈單峰型變化，前后汛期小時降水強(qiáng)度最強(qiáng)出現(xiàn)在15時，平均而言，在08—12時前汛期小時降水強(qiáng)度強(qiáng)于后汛期，15—06時，后汛期強(qiáng)于前汛期.前后汛期內(nèi)陸多數(shù)站點小時降水強(qiáng)度日均峰值出現(xiàn)在下午，占比分別為55.8%和61.6%，此類分布特征主要是由于午后陸地表面受日射而劇烈加熱，加強(qiáng)了對流的發(fā)展所致.沿海地區(qū)、部分山區(qū)和珠三角站點小時降水強(qiáng)度日均峰值容易出現(xiàn)下半夜至上午時段，此類分布特征很可能與海陸風(fēng)、山谷風(fēng)，以及珠三角城區(qū)明顯的城市熱島環(huán)流有關(guān).