廣州短時(shí)強(qiáng)降水特征分析

楊慧燕，廖菲，肖柳斯，高美譚

（廣州市氣象臺(tái)，廣東廣州 511430）

短時(shí)強(qiáng)降水天氣是指1 h雨量大于20 mm［1-2］，或1 h雨量大于 30 mm［3］，或者 3 h雨量超過(guò)50 mm［4］的降水過(guò)程，具有突發(fā)性強(qiáng)、小時(shí)雨強(qiáng)大、致災(zāi)性強(qiáng)的特點(diǎn)。近年來(lái)，極端短時(shí)強(qiáng)降水事件不斷增多［5-6］，提升對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的認(rèn)識(shí)和預(yù)報(bào)技術(shù)顯得十分迫切和重要。

研究表明，廣州市短時(shí)強(qiáng)降水的月變化呈雙峰型分布，日變化有明顯季節(jié)演變特征，暴雨日有逐漸提前的趨勢(shì)［7］，并且暴雨中心由市郊向市中心轉(zhuǎn)移，降雨時(shí)段更為集中［8］。從更短的時(shí)間尺度來(lái)看，發(fā)現(xiàn)廣州市年最大5和10 min降雨序列發(fā)生了變異，表現(xiàn)出顯著上升的趨勢(shì)，且在1987年發(fā)生突變，短歷時(shí)降雨強(qiáng)度表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)［9］。廣州季風(fēng)氣候特征顯著，出現(xiàn)強(qiáng)降水的原因錯(cuò)綜復(fù)雜，如暖區(qū)暴雨的天氣配置既可能是中緯度入海高壓南側(cè)偏東風(fēng)和低層切變系統(tǒng)影響下激發(fā)的暖區(qū)暴雨［10］，也可能是降水的拖曳下沉及蒸發(fā)冷卻使邊界層形成冷池出流導(dǎo)致的持續(xù)抬升機(jī)制［11］，甚至在風(fēng)場(chǎng)的輻合下也容易產(chǎn)生強(qiáng)降水［12］。另外，廣州地處低緯度地區(qū)及瀕臨南海，地勢(shì)東北高，西南低，短時(shí)強(qiáng)降水不僅生命史短暫，其出現(xiàn)也往往局地特征明顯。如2011年6月12日一場(chǎng)大暴雨，1 h小時(shí)最大雨強(qiáng)為128.4 mm，主要出現(xiàn)在花都區(qū)，而番禺區(qū)的降水卻不明顯。

本研究，基于廣州各區(qū)的歷史氣象觀測(cè)資料，重點(diǎn)分析廣州各區(qū)強(qiáng)降水主要分布特征，尤其是強(qiáng)降水概率分布規(guī)律，這將為廣州汛期做好強(qiáng)降水預(yù)報(bào)服務(wù)工作提供更有價(jià)值的氣候背景科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

本研究采用廣州5個(gè)地面氣象觀測(cè)站（包括花都59284觀測(cè)站、番禺59481觀測(cè)站、增城59294觀測(cè)站、廣州（黃埔）59287觀測(cè)站、從化59285觀測(cè)站）2008—2019年逐時(shí)降水資料，基于4分位、線(xiàn)性統(tǒng)計(jì)等方法，對(duì)近10年來(lái)廣州市短時(shí)強(qiáng)降水的變化特征進(jìn)行分析總結(jié)，本研究使用的短時(shí)強(qiáng)降水定義為測(cè)站小時(shí)雨量≥20 mm，暴雨為日降水量為≥50 mm，根據(jù)定義從前汛期（4—6月）、后汛期（7—9月）篩選出因短時(shí)強(qiáng)降水造成暴雨的個(gè)例。

首先從廣州5個(gè)地面氣象觀測(cè)站2008—2019年降水資料中挑出強(qiáng)降水個(gè)例，并對(duì)分鐘和小時(shí)雨量進(jìn)行質(zhì)量控制，對(duì)時(shí)間連續(xù)性進(jìn)行檢查，每個(gè)站點(diǎn)都必須確保前后1 h內(nèi)都具有連續(xù)記錄，分鐘數(shù)據(jù)也連續(xù)完整，對(duì)小時(shí)雨量超過(guò)100 mm、分鐘雨量超過(guò)50 mm的站點(diǎn)，與周邊測(cè)站進(jìn)行比對(duì)，結(jié)合當(dāng)天的天氣情況，對(duì)存在較大差異值進(jìn)行剔除，并同時(shí)對(duì)自動(dòng)站雨量資料做均一性審查。擬用概率密度方法分析強(qiáng)降水小時(shí)和分鐘雨量的變化特征，以研究廣州本地的強(qiáng)降水概率變化特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 各區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水的小時(shí)分布特征

統(tǒng)計(jì)2008—2019年廣州5個(gè)觀測(cè)站出現(xiàn)的短時(shí)強(qiáng)降水資料，共計(jì)337例。對(duì)各觀測(cè)站強(qiáng)降水的逐時(shí)數(shù)據(jù)采用概率密度統(tǒng)計(jì)分析方法，由圖1可見(jiàn)，花都、番禺和增城的強(qiáng)降水峰值區(qū)主峰在14：00—17：00（北京時(shí)，下同），次峰在凌晨02：00—05：00；黃埔和從化的強(qiáng)降水峰值區(qū)主峰在 12：00—15：00，次峰在清晨 06：00—07：00。由此可見(jiàn)，廣州各區(qū)強(qiáng)降水出現(xiàn)的峰值時(shí)間雖各有不同，也基本與廣東汛期小時(shí)強(qiáng)降水的降水量、降水頻次的峰值出現(xiàn)在下午，次峰值出現(xiàn)在上午情況相一致［13］。

圖1 2008—2019年廣州各區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水的小時(shí)變化特征

2.2 各區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水的分鐘分布特征

短時(shí)強(qiáng)降水的特點(diǎn)是降水時(shí)間較集中，雨強(qiáng)大且局地性明顯，在過(guò)往研究中主要針對(duì)小時(shí)降水機(jī)理研究較多，但對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的分鐘雨量分布特征研究比較欠缺，因此針對(duì)各區(qū)降水分鐘數(shù)據(jù)，以20：00—20：00按每 5 min時(shí)間段劃分，對(duì)每5 min雨量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。從圖2可以看出，各區(qū)分鐘降水的峰值時(shí)段主要集中在下午時(shí)段，而次峰值則出現(xiàn)在凌晨時(shí)段，這和小時(shí)降水趨勢(shì)相似，從每小時(shí)5 min雨量統(tǒng)計(jì)中，發(fā)現(xiàn)峰值區(qū)和次峰值區(qū)的小時(shí)分鐘雨量有一個(gè)共同的特征，其降雨量會(huì)在25～35 min時(shí)出現(xiàn)突增，隨后又呈下降的趨勢(shì)，這與短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的總雨量絕大部分來(lái)自20～30 min內(nèi)的雨量累積結(jié)果相吻合［14］。

2.3 前后汛期短時(shí)強(qiáng)降水的特征

每年的4—6月是廣東第1個(gè)多雨期，因降水集中，暴雨和水災(zāi)多發(fā)，并且該階段的降水以鋒面降水為主，稱(chēng)為前汛期；而7—10月主要由熱帶天氣系統(tǒng)（如熱帶氣旋）所造成的，稱(chēng)為后汛期。前后汛期降水從天氣尺度來(lái)看，環(huán)流形勢(shì)和影響系統(tǒng)不同，季節(jié)不同，造成的降水落區(qū)也有區(qū)別，但無(wú)論是前汛期還是后汛期，由強(qiáng)降水引發(fā)的致災(zāi)性是一致的。近年來(lái)，華南前后汛期降水的特征成為業(yè)務(wù)人員研究的重點(diǎn)，通過(guò)REOF將廣東分4個(gè)區(qū)分析發(fā)現(xiàn)，珠江三角洲中心區(qū)域前汛期的大到暴雨頻數(shù)增多明顯［15］，珠三角地區(qū)也是小時(shí)雨量≥50 mm的短時(shí)強(qiáng)降水高發(fā)區(qū)。廣州市前汛期暴雨總?cè)諗?shù)主要存在4.2年左右的年際和52.9年左右的年代際周期變化；后汛期主要存在5.5年左右的年際和18.4年左右的年代際周期變化［16］。針對(duì)廣州市各區(qū)的前后汛期降水頻率進(jìn)行分析，則更有利于發(fā)現(xiàn)廣州本地的降水規(guī)律特征，從而提高預(yù)報(bào)人員對(duì)廣州本地強(qiáng)降水發(fā)生、發(fā)展規(guī)律的認(rèn)識(shí)，更好提高對(duì)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)預(yù)警能力。

1）各區(qū)3—10月降雨頻率。

為了更深入地了解廣州各區(qū)不同降水等級(jí)降水量的變化情況，對(duì)廣州市各區(qū)汛期期間每月的降水頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將降水量按5個(gè)等級(jí)進(jìn)行劃分（0～5、5～10、10～20、20～30、＞30 mm），分析汛期期間各區(qū)不同等級(jí)的降雨頻率占比變化規(guī)律。

從各區(qū)3—10月的分鐘降雨頻率統(tǒng)計(jì)分析中發(fā)現(xiàn)，0～5 mm雨量等級(jí)降雨頻率最高，30 mm雨量等級(jí)以上降雨頻率較小，整體呈明顯下降趨勢(shì)，由此看出，短時(shí)強(qiáng)降水中0～5 mm雨量等級(jí)的貢獻(xiàn)率最大，表明降水概率大值主要集中在量級(jí)較小的降水區(qū)間。另外，花都、黃埔和增城3月份的降水頻率高于從化和番禺，5個(gè)區(qū)在4、7、8、9、10月份的降雨頻率相差不大，其中增城5月份的降水頻率則高于其他區(qū)，從化6月份的降水頻率高于其他區(qū)。

花都、黃埔和增城3個(gè)區(qū)在3、5、6、8月份的0～5 mm雨量等級(jí)降雨頻率均在20%以上，從化5、6、8月份的0～5 mm雨量等級(jí)降雨頻率均在20%以上，番禺5、8月份的0～5 mm雨量等級(jí)降雨頻率均在20%以上，由此可見(jiàn)短時(shí)強(qiáng)降水有明顯的月變化，5月份短時(shí)強(qiáng)降水的降雨頻率在汛期期間的占比最高，這是因?yàn)?月份是西南季風(fēng)盛行期，水汽充足，在有利的觸發(fā)因子作用下，極強(qiáng)小時(shí)降水也易出現(xiàn)，其中5月最高的降雨頻率是增城區(qū)，0～5 mm雨量等級(jí)降雨頻率達(dá)到31.67%，其次是6和8月，而10月短時(shí)強(qiáng)降水0～5 mm雨量等級(jí)的降雨頻率在汛期期間的占比最低，各區(qū)的降雨頻率在10%左右。從各區(qū)汛期期間的降雨頻率來(lái)看，增城區(qū)的降雨頻率最高，其次是黃埔區(qū)，最低是番禺區(qū)，說(shuō)明短時(shí)強(qiáng)降水存在較強(qiáng)的局地性。

2）各區(qū)前后汛期降雨頻率。

從各區(qū)前后汛期降水頻率分布（表略）可以看出，廣州各區(qū)前后汛期的降雨頻率有明顯區(qū)別，前汛期的降雨頻率高于后汛期的，和每個(gè)月的降雨頻率統(tǒng)計(jì)分析一致，0～5 mm雨量等級(jí)降雨頻率在前后汛期中的占比最高，前汛期0～5 mm雨量等級(jí)的降雨頻率都在20%以上，而后汛期0～5 mm雨量等級(jí)的降雨頻率則低一些，在15%～18%之間，說(shuō)明前汛期的降雨貢獻(xiàn)量高于后汛期，這也和前汛期有強(qiáng)的垂直風(fēng)切變、風(fēng)暴相對(duì)螺旋度以及對(duì)流活動(dòng)比后汛期更容易維持和發(fā)展有關(guān)。從各區(qū)前后汛期降雨頻率對(duì)比中，可以發(fā)現(xiàn)前汛期中增城區(qū)的降雨頻率最高，后汛期則是黃埔區(qū)降雨頻率高于其他區(qū)，而番禺區(qū)前后汛期的降雨頻率差最小，這和其汛期期間每個(gè)月的降雨頻率低于其他區(qū)有關(guān)。

圖2 2008—2019年廣州各區(qū)的分鐘降水量

3 結(jié)論

1）廣州短時(shí)強(qiáng)降水日變化呈雙峰型分布。花都、番禺和增城觀測(cè)站的強(qiáng)降水峰值區(qū)主峰在14：00—17：00，次峰在凌晨 02：00—05：00，而黃埔和從化觀測(cè)站的強(qiáng)降水峰值區(qū)主峰在12：00—15：00，次峰在清晨 06：00—07：00。

2）前35 min內(nèi)分鐘雨量對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水小時(shí)雨量的貢獻(xiàn)量最大，而0～5 mm雨量等級(jí)降雨頻率占比最高。分鐘雨量和小時(shí)雨量均呈雙峰型分布，分鐘降雨量的峰值區(qū)會(huì)在25～35 min時(shí)出現(xiàn)雨量突增，隨后又呈下降的趨勢(shì)。

3）各區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水頻率具有明顯的月變化?；ǘ肌ⅫS埔和增城3個(gè)區(qū)在3、5、6、8月份的降雨頻率均在20%以上，從化5、6、8月份的降雨頻率均在20%以上，番禺5、8月份的降雨頻率均在20%以上，可以看出5月各區(qū)的降雨頻率最高，其次是6、8月，最低是10月。

4）短時(shí)強(qiáng)降水存在較強(qiáng)的局地性。增城區(qū)的降雨頻率最高，其次是黃埔區(qū)，最低是番禺區(qū)。

5）前汛期短時(shí)強(qiáng)降水的降雨頻率高于后汛期。前汛期0～5 mm雨量等級(jí)的降雨頻率都在20%以上，而后汛期0～5 mm雨量等級(jí)的降雨頻率則低一些，在15% ～18%之間，前汛期中增城區(qū)的降雨頻率最高，后汛期則是黃埔區(qū)降雨頻率高于其他區(qū)，而番禺區(qū)前后汛期的降雨頻率差最小。