廣州市城市內(nèi)澇特征分析

楊慧燕，李海燕，趙琴，肖柳斯，張?zhí)m，高美譚

（1.廣州市氣象臺，廣東廣州 511430；2.廣州市氣象公共服務中心，廣東廣州 511430）

城市內(nèi)澇災害是指在一定的區(qū)域范圍內(nèi)，由于暴雨或強降水超過了城市自身排水能力，致使城市內(nèi)部產(chǎn)生淹沒性損失的一種災害［1-2］。

暴雨引發(fā)的城市內(nèi)澇在造成生命和財產(chǎn)損失的同時，更是給城市居民的生產(chǎn)和生活帶來了極大不便，越來越引起了人們的關(guān)注和思考，是一個亟待解決的難題［3-5］。例如，2020年5月22日，受西南季風和低渦切變的共同影響，廣州普降暴雨到大暴雨，黃埔和增城局部出現(xiàn)特大暴雨，該次過程造成廣州地鐵13號線官湖站、新沙站等站外出現(xiàn)區(qū)域性洪澇，洪水倒灌進站導致官湖至新沙隧道區(qū)間及官湖至新塘部分隧道被淹，13號線全部停運，城市交通陷入癱瘓［6］。研究發(fā)現(xiàn)廣州極端暴雨頻率的增加是造成城市內(nèi)澇事件增多的重要原因［7］，但針對廣州南北各區(qū)內(nèi)澇特征的研究，尤其是對廣州本地的內(nèi)澇現(xiàn)狀研究較少，從而對廣州各區(qū)的內(nèi)澇災情影響分析仍然有限。為此，基于廣州市各區(qū)的內(nèi)澇災情數(shù)據(jù)，重點分析廣州市內(nèi)澇過程的時空分布特征，這將為做好廣州內(nèi)澇預警預報服務工作提供更有價值的科學依據(jù)。

1 資料與方法

本研究采用的廣州市內(nèi)澇信息來源主要是水務部門的排水管理中心。通過整理排水中心的暴雨防御簡報和一雨一報表，獲取廣州市內(nèi)澇隱患點及每次內(nèi)澇過程的開始時間、結(jié)束時間、積水深度、積水原因、搶險措施等信息。

首先對內(nèi)澇災情數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制，對時間連續(xù)性進行檢查，每個內(nèi)澇點確保前后1 h內(nèi)都具有連續(xù)記錄，對內(nèi)澇點小時積水深度超過50 cm，再結(jié)合當天的天氣情況，對比附近測站雨量數(shù)據(jù)，剔除具有較大差異的值?；趦?nèi)澇災情數(shù)據(jù)和內(nèi)澇點對應的自動氣象站降水數(shù)據(jù)，本研究綜合運用氣象學、統(tǒng)計學等研究方法，分析廣州市各區(qū)的內(nèi)澇分布規(guī)律特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 廣州內(nèi)澇點的空間分布

圖1給出了廣州各區(qū)內(nèi)澇點和內(nèi)澇黑點的空間分布，如圖1a所示，目前廣州全市共有300多個內(nèi)澇隱患點，主要分布在廣州中部的白云、天河、越秀、荔灣、海珠和番禺地區(qū)，而北部的花都、從化、增城、黃埔及南部的南沙地區(qū)內(nèi)澇點較少。從各區(qū)分布來看，天河區(qū)內(nèi)澇點最多，其次是白云區(qū)，最少是從化區(qū)，這可能與城中心的高樓林立、建筑物密集、城區(qū)熱島效應有關(guān)［8］。

廣州市水務局給出了重點整治的23個內(nèi)澇黑點，內(nèi)澇黑點主要為發(fā)生內(nèi)澇次數(shù)較多的點，圖1b中顯示內(nèi)澇黑點主要分布在天河區(qū)的棠德片區(qū)、車陂路、廣園東路、寺右北街、共和西橫街及暨南大學北門；海珠的寶恕大街、新港西路、新滘中路、蘇沙路、田心村牌坊及會議展覽中心。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)內(nèi)澇黑點分布最多是天河區(qū)和白云區(qū)，各有6個，而從化區(qū)最少。統(tǒng)計全市各區(qū)23個內(nèi)澇黑點發(fā)生內(nèi)澇的頻次，可以看出發(fā)生頻次最多的是天河區(qū)，其次是白云、越秀、荔灣區(qū)。

圖1 廣州市內(nèi)澇點和內(nèi)澇黑點空間分布

2.2 廣州內(nèi)澇點的時間分布

通過排水部門提供的2007年以來的內(nèi)澇過程報表的統(tǒng)計（圖略）可以看出，廣州市內(nèi)澇發(fā)生次數(shù)年際變化，2007—2019年廣州市共出現(xiàn)了371次內(nèi)澇過程，平均每年28次，其中2008、2011以及2013—2017年內(nèi)澇次數(shù)在30次以上，尤其是2013—2016年內(nèi)澇過程次數(shù)呈明顯的增長趨勢。

從內(nèi)澇發(fā)生次數(shù)的逐月變化（圖略）可以看出，廣州市內(nèi)澇過程主要集中在汛期（每年4—9月），發(fā)生次數(shù)最多的是前汛期的5、6月份，平均每月80次左右；2和12月最少，出現(xiàn)1次或者2次的內(nèi)澇過程，這和廣州89.9%的暴雨發(fā)生在汛期相吻合［9］，而前汛期內(nèi)澇次數(shù)多于后汛期，也和前汛期的降雨量高于后汛期有關(guān)，經(jīng)研究表明前汛期有強的垂直風切變和風暴相對螺旋度，對流活動比后汛期更容易維持和發(fā)展有關(guān)［10］。

此外，從不同月份全天內(nèi)澇發(fā)生頻次（圖2）來看，汛期4—9月的日變化明顯，5月09：00—11：00（北京時，下同）、8月 12：00—14：00、9月06：00—08：00是內(nèi)澇發(fā)生頻次比較高的時段，且5和8月17：00—20：00也易發(fā)生內(nèi)澇，而這正與短時強降水的日變化特征基本一致，表明午后至傍晚時段的熱力條件有利于強對流天氣的發(fā)生有關(guān)［11］。全天最容易發(fā)生內(nèi)澇的時間是08：00、13：00、19：00，這正值上下班高峰期，而城市內(nèi)澇更容易引發(fā)交通擁堵。

圖2 廣州市內(nèi)澇頻次的時間分布

2.3 廣州市歷史內(nèi)澇過程的積水深度和雨量時空分布

分析近3年（2017—2019年）內(nèi)澇過程對應的最大積水深度（圖略），統(tǒng)計表明內(nèi)澇過程積水深度大部分集中在20～40 cm，占47.73%，而＞60 cm的積水深度則占29.55%。內(nèi)澇過程中最大小時雨量在19.2～120.8 mm，過程累積雨量在27.2～209.8 mm。最大小時雨量主要集中在50～80 mm，占55%，過程累積雨量在120 mm以上占41.76%，當小時雨量超過50 mm時，內(nèi)澇災情明顯加重，表明短歷時強降水更容易造成城市內(nèi)澇［12］，而從內(nèi)澇過程的最大小時雨量和累計雨量分布（圖3）來看，兩者主要集中發(fā)生在天河區(qū)、越秀區(qū)等中心城區(qū)，花都區(qū)和從化區(qū)出現(xiàn)內(nèi)澇的概率相對較低，這與內(nèi)澇點的空間分布特征大致吻合；內(nèi)澇過程平均小時雨量集中在30～50 mm之間，占61%（圖4），而從內(nèi)澇過程平均雨量年變化（圖略）來看，最大小時平均雨量集中在60 mm左右，過程平均累積雨量集中在100～120 mm之間。從內(nèi)澇過程平均雨量的逐月變化來看，主要集中在4—9月，其中5月的最大小時平均雨量最高，而8月的平均累計雨量則高過其他月份，這也說明降雨量的大小是致澇的關(guān)鍵因素。

圖3 廣州市內(nèi)澇點雨量的空間分布

2.4 廣州市易發(fā)生內(nèi)澇的天氣類型

從近3年內(nèi)澇過程相關(guān)的天氣類型統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，主要伴隨有9種天氣系統(tǒng)：①西路冷空氣+高空槽+低層切變線；②東路冷空氣+高空槽+低層切變線；③高空槽+低層南風加大、④西風槽+低渦切變線；⑤副高邊緣+低層偏南風；⑥臺風環(huán)流；⑦東路冷空氣+東風回流；⑧副高邊緣+偏東風；⑨中層波動+偏南風等。

圖4 廣州市內(nèi)澇過程平均小時雨量的頻次

經(jīng)過分析得出主要的影響天氣類型是：東路或者西路冷空氣配合中層的線槽以及低層切變線；經(jīng)統(tǒng)計此類天氣系統(tǒng)影響下所有過程中小時雨量的最大值分別為99.4、107.4 mm（非平均值），所占比例分別為25%、23%。副高邊緣的擺動配合低層偏南風加大和臺風影響；經(jīng)統(tǒng)計此類天氣系統(tǒng)影響下所有過程中小時雨量的最大值分別為84.7、120.8 mm（非平均值），所占比例分別為15%、13%（圖5）。

圖5 廣州市易發(fā)生內(nèi)澇的相關(guān)天氣類型及對應雨量

3 廣州內(nèi)澇個例分析

為了更深入地了解廣州發(fā)生內(nèi)澇時相關(guān)的天氣類型，本研究選取2018年5月7日的內(nèi)澇過程進行分析，該次內(nèi)澇是一次典型的受西路冷空氣+高空淺槽+切變線影響的天氣過程。地面受西路弱冷空氣南下過境影響，7日14：00前后冷空氣到達粵北北部，20：00左右到達廣州市北部，因此廣州地區(qū)從7日下午至夜間即暴雨期間始終處于地面冷鋒南側(cè)較遠的低槽區(qū)；低層850和925 hPa風場顯示出切變線和低空西南大風區(qū)南壓的過程，雨帶與切變線以南的西南大風區(qū)位置配合較好，主要位于大風內(nèi)；配合中層500 hPa是高空淺槽從高原南下東移過境以及帶狀副高斷裂減弱南落的過程（圖6）。

實況可知，廣州市在7日下午至夜間從北到南普降暴雨局部大暴雨，這是廣州2018年以來影響范圍最廣的一次暴雨過程。全市平均面雨量為59.3 mm，共有266個站點（占總站數(shù)的64%）雨量超過50 mm，26個站點（占總站數(shù)的6%）雨量超過100 mm；最大累積雨量出現(xiàn)在黃埔區(qū)九龍鎮(zhèn)金坑村，為166.1 mm，同時該站也在7日18：00錄得最大小時雨量98.2 mm；降水峰值出現(xiàn)在7日傍晚，大暴雨區(qū)主要集中在黃埔區(qū)中南部、增城區(qū)西南部和天河區(qū)東北部（圖7a）。該次降水過程覆蓋面廣、雨強大、伴有雷暴大風的特點，并引發(fā)“全城看?！钡木W(wǎng)紅現(xiàn)象。

據(jù)不完全統(tǒng)計，廣州全市共出現(xiàn)127個水浸點，其中有40個水浸點積水深度超過0.5 m，增城區(qū)中新鎮(zhèn)新市路積水深達3 m。從實況分布（圖7b）可以看到，廣州發(fā)生內(nèi)澇點主要集中在越秀、荔灣、海珠、天河及黃埔區(qū)等，廣州市氣象局根據(jù)內(nèi)澇風險監(jiān)測情況對外發(fā)布了內(nèi)澇一級預警（圖7c）。

圖6 2018年5月7—8日的 925 hPa（a、b、c）和 850 hPa（d、e、f）風場（風向桿，填色為風速≥8 m/s）

圖7 2018年5月7日11：00—8日08：00雨量分布（a）和內(nèi)澇實況（b）及預警（c）

4 結(jié)論

1）廣州全市內(nèi)澇隱患點主要分布在廣州的白云、天河、越秀、荔灣、海珠和番禺區(qū)，廣州市23個內(nèi)澇黑點發(fā)生內(nèi)澇頻率最多的是天河區(qū)，其次是白云、越秀、荔灣區(qū)。

2）2013—2016 年內(nèi)澇過程次數(shù)呈明顯的增長趨勢，其中2008、2011以及2013—2017年內(nèi)澇次數(shù)較多，都在30次以上；從逐月變化來看，廣州市內(nèi)澇過程發(fā)生次數(shù)最多的是前汛期5、6月份，2和12月最少；此外，汛期4—9月的日變化明顯，5月 09：00—11：00、8月 12：00—14：00、9月06：00—08：00是內(nèi)澇發(fā)生頻次比較高的時段，且5和8月的17：00—20：00也易發(fā)生內(nèi)澇。從全天日變化來看，最容易發(fā)生內(nèi)澇的時間是08：00、13：00、19：00。

3）近3年（2017—2019年）內(nèi)澇過程積水深度大部分主要集中在20～40 cm，占47.73%，而＞60 cm的積水深度則占29.55%。內(nèi)澇過程中最大小時雨量在19.2～120.8 mm，過程累積雨量在27.2～209.8 mm，最大小時雨量主要集中在50～80 mm，占55%，過程累積雨量在120 mm以上占41.76%。內(nèi)澇過程的最大小時雨量和累積雨量空間分布和內(nèi)澇點的空間分布特征大致吻合，內(nèi)澇過程平均小時雨量集中在30～50 mm之間，占61%，最大小時平均雨量集中在60 mm左右，過程平均累積雨量集中在100～120 mm之間；內(nèi)澇過程平均雨量分布表現(xiàn)為較大的雨量主要集中在汛期4—9月，與內(nèi)澇發(fā)生較多的月份一致，這也說明降雨量的大小是致澇的關(guān)鍵因素。

4）從影響的天氣系統(tǒng)來看，主要的影響天氣類型是東路或者西路冷空氣配合中層的線槽及低層切變線的影響，容易造成廣州內(nèi)澇；另外副高邊緣的擺動加上低層偏南風加大、臺風過程也容易致澇。