2017—2019年東莞城區(qū)內(nèi)澇特征及與降雨關(guān)系分析

姜曉岑，莫偉強(qiáng)，尹淑嫻

（東莞市氣象局，廣東東莞 523086）

城市內(nèi)澇是指由于強(qiáng)降水或連續(xù)性降水超過城市排水能力，排水不暢導(dǎo)致城市內(nèi)產(chǎn)生積水的災(zāi)害現(xiàn)象，對人民的生命財(cái)產(chǎn)等造成了極大的威脅［1］?，F(xiàn)有研究通過分析暴雨個(gè)例、結(jié)合氣象、地理和城市建設(shè)等多個(gè)方面綜合分析探討了內(nèi)澇的成因和治理方法［2-5］。天津［6］、北京［7］、武漢［8］、南昌［9］等城市根據(jù)各地的城市建設(shè)情況，通過建立數(shù)學(xué)評估模型、數(shù)值仿真模擬監(jiān)測系統(tǒng)等方式，對內(nèi)澇災(zāi)害進(jìn)行了評估、模擬和預(yù)報(bào)預(yù)測。西安、湛江、南寧等城市使用內(nèi)澇監(jiān)測資料和降雨資料等，對內(nèi)澇分布特征、積水與降雨特性進(jìn)行了總結(jié)［10-12］。

東莞市氣候溫暖，雨量充足，降雨多集中在4—9月，年平均降雨量約1 831.6 mm，最大年降雨量達(dá) 2 710.9 mm（2008年），年平均暴雨日8～9 d，歷史最多的年暴雨日達(dá)15 d（1966年）。同時(shí)，東莞地勢東南高、西北低，城區(qū)片（東城、莞城、南城、萬江）位于西部偏北地區(qū)，強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)較易發(fā)生積澇，但目前尚未對東莞城市內(nèi)澇特征進(jìn)行分析。因此，本研究使用東莞城市內(nèi)澇預(yù)報(bào)驗(yàn)證系統(tǒng)提供的2017—2019年積水和降雨資料、SWIFT自動(dòng)站資料、NCEP 1°×1°再分析資料、廣州雷達(dá)基本反射率資料，對東莞城區(qū)的內(nèi)澇特征及與降雨的關(guān)系進(jìn)行分析，以便為今后防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)提供參考。

1 內(nèi)澇監(jiān)測系統(tǒng)簡介及內(nèi)澇概況

1.1 內(nèi)澇監(jiān)測系統(tǒng)

2017年至今，東莞城區(qū)共設(shè)置了18個(gè)內(nèi)澇監(jiān)測點(diǎn)，主要通過壓力式內(nèi)澇水位探頭、雨量計(jì)、攝像頭進(jìn)行自動(dòng)探測，觀測到雨量或積水?dāng)?shù)據(jù)時(shí)，內(nèi)澇水位監(jiān)測、雨量數(shù)據(jù)和現(xiàn)場圖片每5 min上傳一次至東莞城市內(nèi)澇預(yù)報(bào)驗(yàn)證系統(tǒng)，無降雨時(shí)則每天 08：00、20：00（北京時(shí)，下同）進(jìn)行圖片上傳，文中使用的積水水位和降雨數(shù)據(jù)均來自該系統(tǒng)。

1.2 內(nèi)澇概況

以積水深度達(dá)0.15 m以上，且持續(xù)時(shí)間超過30 min為一次內(nèi)澇事件的標(biāo)準(zhǔn)，2017年3月—2019年9月，全市18個(gè)內(nèi)澇監(jiān)測點(diǎn)中有15個(gè)點(diǎn)監(jiān)測到內(nèi)澇事件，共163次，最多為鴻福西路的41次。由于東莞內(nèi)澇監(jiān)測點(diǎn)主要分布在城市路邊或交叉路口附近，參考以往對于內(nèi)澇積水閾值的研究［13-15］，道路石沿高約0.15 m，汽車排氣口高在0.25～0.35 m，進(jìn)氣口高在0.44～0.8 m，最終選取內(nèi)澇等級閾值為：積水深度0.15～0.25 m為輕度內(nèi)澇、0.25～0.4 m為中度內(nèi)澇、0.4 m以上為重度內(nèi)澇，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，共監(jiān)測到輕度內(nèi)澇20次，中度內(nèi)澇58次，重度內(nèi)澇85次（表1），可見東莞城區(qū)內(nèi)澇發(fā)生頻繁，且重度內(nèi)澇較多。

內(nèi)澇與強(qiáng)降水密切相關(guān)，東莞內(nèi)澇事件發(fā)生在1、3—10月，其中，96%發(fā)生在4—9月，前汛期（4—6月）多于后汛期（7—9月），以 5月最多，有37次，其次為4月，有33次。

表1 各站點(diǎn)內(nèi)澇總次數(shù)及各內(nèi)澇等級次數(shù)

2 內(nèi)澇積水與降雨的關(guān)系特征

2.1 最大積水深度與降雨的關(guān)系

由于部分內(nèi)澇點(diǎn)監(jiān)測到的內(nèi)澇事件較少，所以選取內(nèi)澇次數(shù)前5的站點(diǎn)進(jìn)行最大積水深度與降雨量關(guān)系的分析（表2）?？傮w上，各站點(diǎn)最大積水深度與1 h最大降雨量的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)普遍在0.7以上，其次為積水峰值雨量和30 min最大降雨量，可見，與長時(shí)間降雨相比，短時(shí)強(qiáng)降雨更易引起積水較深的內(nèi)澇。

表2 各站點(diǎn)積水深度與降雨量的相關(guān)系數(shù)

5個(gè)站點(diǎn)中，鴻福西路、凱旋門、雍華庭站的積水深度與1 h最大降雨量的相關(guān)性最好，鴻福西路和凱旋門站相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.799 3和0.793 5，相關(guān)關(guān)系如圖1所示。東陽學(xué)校則與30 min最大降雨量的相關(guān)性最大；八達(dá)路站的積水深度與5 min最大降雨量的相關(guān)性較大，但是相關(guān)系數(shù)值均較小，這可能與數(shù)據(jù)偏少有關(guān)。

圖1 鴻福西路站（a）和凱旋門站（b）的積水深度與1 h降雨量的相關(guān)關(guān)系

由于1 h最大降雨量與積水深度的相關(guān)性最好，所以結(jié)合1.2節(jié)中的3級內(nèi)澇標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算得到5個(gè)站點(diǎn)的1 h降雨量的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)閾值（表3）。可以看到，當(dāng)1 h降雨量在11.8～23.0 mm時(shí)，城區(qū)大部分站點(diǎn)可能出現(xiàn)輕度內(nèi)澇，當(dāng)1 h雨量達(dá)27.6 mm以上時(shí)，大部分站點(diǎn)可達(dá)中度內(nèi)澇等級，此時(shí)也已經(jīng)達(dá)到短時(shí)強(qiáng)降水的標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)1 h降雨量在51.2 mm以上時(shí)，大部分站點(diǎn)將可能出現(xiàn)重度內(nèi)澇，這一結(jié)論對預(yù)報(bào)員發(fā)布暴雨預(yù)警時(shí)有一定的參考價(jià)值。

表3 一小時(shí)降雨量的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)閾值 mm

2.2 積水時(shí)長與降雨的關(guān)系

通過計(jì)算積水時(shí)長與30 min、1 h最大雨量、過程總雨量的相關(guān)系數(shù)發(fā)現(xiàn)，過程總雨量和1 h降雨量都對長時(shí)間積水有較明顯的影響。總體上表現(xiàn)為積水持續(xù)時(shí)間與過程總雨量有明顯的相關(guān)性，平均相關(guān)系數(shù)約0.633，最大相關(guān)系數(shù)為凱旋門的0.903；與1 h最大降雨量的平均相關(guān)系數(shù)約0.430 6，相關(guān)系數(shù)偏?。灰欢ǔ潭壬险f明過程總雨量較大更易導(dǎo)致內(nèi)澇長時(shí)間維持。同時(shí)，積水時(shí)長與最大積水深度也有一定的關(guān)系（平均相關(guān)系數(shù)約0.402 9），表現(xiàn)最明顯的站點(diǎn)為鴻福西路站，相關(guān)系數(shù)為0.589 3。

2.3 積水深度與降雨的時(shí)間變化關(guān)系

對163次內(nèi)澇事件統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，積水一般滯后降雨約5～30 min出現(xiàn)，平均滯后時(shí)間約20 min，出現(xiàn)積水時(shí)，累積雨量在0.6～64.6 mm，平均累積雨量為17.8 mm。積水峰值要滯后于5和30 min；積水峰值平均滯后5 min雨量峰值約34 min，滯后30 min雨量峰值約22 min；與1 h雨量峰值同時(shí)出現(xiàn)或提前于1 h雨量峰值出現(xiàn)，未表現(xiàn)出明顯的滯后。

由鴻福西路監(jiān)測站2019年4月20日11：40—16：45積水深度和降雨的時(shí)間變化曲線（圖2），可以較明顯地看出積水深度曲線的峰值落后于5和30 min降雨量峰值，而與1 h降雨的峰值則幾乎同時(shí)出現(xiàn)。

圖2 鴻福西路站的積水深度與降雨量的時(shí)間變化

3 致澇暴雨個(gè)例分析

2017年9月1日02：00 1716號臺風(fēng)“瑪娃”在臺灣西南部海面生成，前期路徑曲折，但整體以西北行為主，3日21：30前后“瑪娃”在廣東汕尾陸豐市沿海登陸，受其環(huán)流影響，東莞普降暴雨到大暴雨（圖3a），3日20：00—4日 20：00全市自動(dòng)氣象站觀測到最大日雨量220 mm，城區(qū)最大日雨量191.6 mm，2017年已建的8個(gè)城區(qū)內(nèi)澇站點(diǎn)中6個(gè)站監(jiān)測到內(nèi)澇事件，且均達(dá)中度以上內(nèi)澇等級，5個(gè)達(dá)重度內(nèi)澇，位于城區(qū)強(qiáng)降雨中心的港口大道站（圖3a，編號12）監(jiān)測到了東莞城市內(nèi)澇的最大積水深度1.67 m，凱旋門站（圖3a，編號3）監(jiān)測到最長積水時(shí)間13 h 40 min。

分析該次過程的大氣環(huán)流場發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)“瑪娃”200 hPa輻散中心位于其西南側(cè)，925 hPa強(qiáng)輻合中心位于其中心附近，隨著“瑪娃”向東莞靠近，4日08：00—14：00東莞位于 200 hPa強(qiáng)輻散中心、925 hPa強(qiáng)輻合中心附近，500 hPa東莞主要受臺風(fēng)環(huán)流控制，850 hPa受臺風(fēng)切變控制，垂直抬升條件好；4日在臺風(fēng)環(huán)流影響下，700、850 hPa濕度明顯增大，水汽充足；廣東南部海面最大CAPE值維持在2 700 J/kg以上，近地面西南風(fēng)持續(xù)向陸地輸送暖濕氣流，為降雨提供了有利的能量條件（圖略）。地面瞬時(shí)風(fēng)場上，4日08：00—11：00珠江口附近南風(fēng)加大并向東莞匯合（圖3c），08：00—09：00城區(qū)附近多波動(dòng)，促進(jìn)了局地強(qiáng)雷雨的發(fā)展，09：00—11：00時(shí)受偏北、西北氣流影響，城區(qū)附近波動(dòng)長時(shí)間維持，利于局地對流發(fā)展的同時(shí)也利于廣州一帶雷雨云團(tuán)南下影響東莞。

4日04：30前后“瑪娃”靠近東莞，東莞市境內(nèi)的雷雨云團(tuán)自東南向西北方向發(fā)展，07：30起城區(qū)附近降雨回波加強(qiáng)并南壓，08：12—09：00強(qiáng)降雨中心回波值達(dá)55～60 dBz（圖3b），各內(nèi)澇點(diǎn)普遍在 08：05—08：55之間、滯后降雨約20～30 min出現(xiàn)積水（圖 4a），08：20—09：00間最大5 min降雨量11.4～18.4 mm、30 min降雨量達(dá)35.6～97 mm，短時(shí)強(qiáng)降雨導(dǎo)致各內(nèi)澇點(diǎn)積水迅速達(dá)中、重度內(nèi)澇等級；09：00—11：00城區(qū)的雷雨回波強(qiáng)度維持，同時(shí)廣州一帶發(fā)展起來的強(qiáng)雷雨回波持續(xù)向東莞境內(nèi)移動(dòng)，持續(xù)的強(qiáng)降雨使09：00—10：00間各內(nèi)澇點(diǎn)1 h降雨量達(dá)峰值（圖4b），其中4個(gè)點(diǎn)達(dá)100 mm以上，最大值為鴻福西路的116.4 mm，各站點(diǎn)的積水深度在1 h雨量峰值前后約5～15 min內(nèi)也普遍達(dá)到峰值；11：00后降雨強(qiáng)度漸趨減弱，直至20：00后臺風(fēng)中心遠(yuǎn)離，降雨趨于結(jié)束，期間總雨量相對較小、降雨持續(xù)時(shí)間短的東陽學(xué)校、八達(dá)路和雍華庭站的積水在11：00前后逐漸退去，總雨量大值中心附近、降雨持續(xù)時(shí)間較長的鴻福西路、凱旋門和港口大道站的積水則長時(shí)間維持（圖3a、圖4）。除了降雨因素外，內(nèi)澇也受地理位置、排水系統(tǒng)建設(shè)情況等多種因素影響，如港口大道站出現(xiàn)內(nèi)澇后較長時(shí)間的維持在重度內(nèi)澇等級，與其所處位置地勢較低（海拔高度0.56 m）也有關(guān)。

綜合以上分析可知，該次致澇暴雨在臺風(fēng)影響的有動(dòng)力、水汽和熱力環(huán)境下，局地波動(dòng)長時(shí)間維持，促進(jìn)局地對流發(fā)展，使降雨具有累計(jì)雨量多、小時(shí)雨強(qiáng)大的特點(diǎn)，導(dǎo)致城區(qū)出現(xiàn)中、重度內(nèi)澇。與統(tǒng)計(jì)特征表現(xiàn)一致的是，短時(shí)強(qiáng)降雨使城區(qū)內(nèi)澇積水較深，過程總雨量大導(dǎo)致內(nèi)澇積水長時(shí)間維持。

圖3 2017年9月3日20：00—4日20：00累計(jì)雨量（數(shù)字為表1中站點(diǎn)編號，單位：mm）（a）、9月4日08：48廣州雷達(dá)1.5°仰角基本反射率（單位：dBz）（b）、9月4日09：00地面瞬時(shí)風(fēng)場（單位：m/s）（c）

圖4 9月4日07：35—21：55不同站點(diǎn)的積水深度（a）和1 h降雨量（b）的時(shí)間變化

4 結(jié)論

1）東莞城區(qū)內(nèi)澇發(fā)生頻繁，重度內(nèi)澇較多，內(nèi)澇事件多發(fā)生在前汛期（4—6月），以5月最多。

2）與長時(shí)間降雨相比，短時(shí)強(qiáng)降雨更易導(dǎo)致城區(qū)積水較深的內(nèi)澇。表現(xiàn)為最大積水深度與1 h最大降雨量的相關(guān)性最好，其次為積水峰值雨量和30 min最大降雨量，與累積雨量的相關(guān)性稍小。

3）1 h降雨量達(dá)27.6 mm以上時(shí)，城區(qū)大部可達(dá)中度內(nèi)澇等級；1 h降雨量在51.2 mm以上時(shí)，城區(qū)大部將可能出現(xiàn)重度內(nèi)澇，對發(fā)布暴雨預(yù)警有一定的參考價(jià)值。

4）過程總雨量和小時(shí)降雨量都對長時(shí)間積水有影響，但過程總雨量較大更易導(dǎo)致內(nèi)澇長時(shí)間維持。積水一般滯后降雨約5～30 min出現(xiàn)，平均滯后約20 min，出現(xiàn)積水時(shí)，平均累積雨量17.8 mm。積水峰值平均滯后5 min雨量峰值約滯后34 min，滯后30 min雨量峰值約滯后22 min。