基于小時(shí)雨量的防城港市短時(shí)強(qiáng)降水特征分析

黃春華，黃 瀅，林文樺，莫權(quán)芳，劉金裕

(廣西壯族自治區(qū)防城港市氣象局，廣西 防城港 538001)

0 引言

防城港市地處廣西南部，屬中低山及丘陵區(qū)，其南臨北部灣，境內(nèi)有十萬(wàn)大山橫穿，是廣西乃至全國(guó)降雨最多的地區(qū)之一。受海洋性氣團(tuán)以及大陸性氣團(tuán)的影響，降水結(jié)構(gòu)、類型復(fù)雜，特別是在季風(fēng)的影響下，來(lái)自海洋的暖濕氣流在十萬(wàn)大山山前迎風(fēng)坡抬升，容易成云致雨，而背風(fēng)坡因空氣下沉，降雨減少，造成山前山后氣候有顯著差異。對(duì)于地形對(duì)降水的影響，不少學(xué)者都做過(guò)研究，其中周盈穎等[1]認(rèn)為喇叭口地形、狹管效應(yīng)、山谷風(fēng)環(huán)流等地形更容易出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，昌立偉等[2]認(rèn)為異常強(qiáng)的短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)喇叭口地形附近或迎風(fēng)坡處。短時(shí)強(qiáng)降水是防城港市多發(fā)、頻發(fā)的災(zāi)害性天氣之一，本文利用國(guó)家氣象站與區(qū)域自動(dòng)站的小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合防城港市地形分析防城港市短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征，初步探討十萬(wàn)大山地形對(duì)降雨的影響，以期找出短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生規(guī)律，提高業(yè)務(wù)人員對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水分布特征的認(rèn)識(shí)，從而提高短時(shí)臨近預(yù)報(bào)預(yù)警的能力。

1 資料和方法

本文所使用的資料為防城港市自動(dòng)氣象站2016—2019年的小時(shí)雨量數(shù)據(jù)。在《全國(guó)短時(shí)臨近天氣業(yè)務(wù)規(guī)定》中，短時(shí)強(qiáng)降水的標(biāo)準(zhǔn)為小時(shí)雨量≥20mm,每個(gè)自動(dòng)站出現(xiàn)≥20mm/h的雨量即記為1個(gè)站次，年平均值則為2016—2019年平均值。同時(shí)，按照降水量和降水性質(zhì)的區(qū)別，又將全年分為前汛期(4—6月)、后汛期(7—9月)和非汛期(1—3月和10—12月)。結(jié)合地形(圖1)分析防城港市短時(shí)強(qiáng)降水的年、月時(shí)空分布特征，前汛期、后汛期和非汛期的短時(shí)強(qiáng)降水日內(nèi)變化特征等。

圖1 防城港市地形與氣象站分布

2 結(jié)果及分析

2.1 年平均短時(shí)強(qiáng)降水頻次分布特征

從圖2可以看出，短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)的頻次，整體的趨勢(shì)是由北向南遞增，以十萬(wàn)大山為界，十萬(wàn)大山南北兩側(cè)的短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生頻次有明顯的差異。

圖2 2016—2019年年平均短時(shí)強(qiáng)降水頻次分布(單位：次)

十萬(wàn)大山北部(以下統(tǒng)稱市北部)短時(shí)強(qiáng)降水年平均頻次在4～14次之間，其中有3個(gè)低值中心，主要位于上思西北面山脈南側(cè)，分別是思陽(yáng)鎮(zhèn)、鳳凰山、在妙—平福一線。十萬(wàn)大山南側(cè)(以下統(tǒng)稱市南部)的短時(shí)強(qiáng)降水的年平均次數(shù)在12～36次之間，低值區(qū)主要在峒中西側(cè)的板典村—天馬嶺一帶、防城港市東南部，高值區(qū)位于東興市的東興鎮(zhèn)、江平鎮(zhèn)，防城城區(qū)、那梭鎮(zhèn)、那良鎮(zhèn)，港口區(qū)的王府街道一帶，其中最大值出現(xiàn)在那良鎮(zhèn)，年平均短時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)達(dá)37次。

從防城港市地形與氣象站分布圖(圖1)并結(jié)合圖2可以看出，防城港市短時(shí)強(qiáng)降水的次數(shù)分布和山脈形態(tài)有關(guān)，十萬(wàn)大山大致呈東北—西南走向，那良鎮(zhèn)、那梭鎮(zhèn)均處于十萬(wàn)大山的迎風(fēng)坡，那良鎮(zhèn)、東興鎮(zhèn)處于喇叭口地形，迎風(fēng)坡效應(yīng)和喇叭口效應(yīng)對(duì)于短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生頻次有增幅作用[3]。

2.2 月短時(shí)強(qiáng)降水頻次分布特征

根據(jù)各月影響的天氣系統(tǒng)的不同，短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布也有明顯的差異。

1—2月，受大陸性氣團(tuán)的控制，防城港市以偏北風(fēng)為主，幾乎沒(méi)有短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生，3—4月，隨著大陸性氣團(tuán)減弱，海洋性氣團(tuán)逐漸加強(qiáng)，鋒面活動(dòng)頻繁，在兩種氣團(tuán)的相互作用下，短時(shí)強(qiáng)降水逐漸增多，大值區(qū)在那良、大菉—十萬(wàn)山瑤族鄉(xiāng)、上思東北面。從防城港市地形與氣象站分布圖(圖1)可以看出，上思的西北面，即在妙、七門(mén)的北部也存在山脈，當(dāng)鋒面自北向南移入防城港市時(shí)，在一定程度上受山脈的阻擋，位于該山脈南側(cè)(背風(fēng)坡)的在妙、七門(mén)一帶的短時(shí)強(qiáng)降水比沒(méi)有山脈阻擋的上思東北面要少。

5月，主要受低渦、切變線、低槽、鋒面以及西南急流的影響，短時(shí)強(qiáng)降水的頻次繼續(xù)增加，主要集中在十萬(wàn)大山西南側(cè)的那良、江平一帶。6月，海洋性氣團(tuán)占主導(dǎo)地位，西南季風(fēng)的影響使得十萬(wàn)大山南側(cè)的短時(shí)強(qiáng)降水的頻次明顯增加，而且分布極為不均勻，呈現(xiàn)絮狀分布。7—8月，主要受熱帶氣旋、熱帶輻合帶、東風(fēng)波、西南季風(fēng)槽、副熱帶高壓移動(dòng)等多因素的影響，短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生最為頻繁，分別占全年總次數(shù)的27%和24%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其它月份。從空間分布看，7月主要是集中在十萬(wàn)大山南側(cè)的大部，8月，集中在十萬(wàn)大山西南側(cè)的那梭、那良、東興鎮(zhèn)一帶。9月，主要受副熱帶高壓移動(dòng)、熱帶氣旋的影響，但短時(shí)強(qiáng)降水的次數(shù)已明顯減少，主要分布在峒中、江平一帶，10月，海洋性氣團(tuán)逐漸減少，大陸性氣團(tuán)又開(kāi)始活躍起來(lái)，這一階段主要受鋒面、低槽、切變線等的影響，短時(shí)強(qiáng)降水的次數(shù)繼續(xù)減少，但十萬(wàn)大山南北兩側(cè)的短時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)差別不大，主要集中在上思南部和十萬(wàn)大山西南面。11月，短時(shí)強(qiáng)降水主要集中在東興以及防城西北角的十萬(wàn)山瑤族鄉(xiāng)一帶，12月，冷空氣加強(qiáng)南下，受大陸性氣團(tuán)控制，幾乎沒(méi)有短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生。

2.3 短時(shí)強(qiáng)降水頻次日內(nèi)變化特征

防城港市的雨季主要是4—9月，通常分為前汛期(4—6月)，主要是鋒面降水和季風(fēng)降水為主，常表現(xiàn)為雨強(qiáng)大、降雨持續(xù)時(shí)間短、降水分布不均勻；后汛期(7—9月)，主要是熱帶、副熱帶天氣系統(tǒng),如臺(tái)風(fēng)、熱帶對(duì)流云團(tuán)、東風(fēng)波等造成，降水持續(xù)時(shí)間相對(duì)前汛期來(lái)說(shuō)較長(zhǎng)， 非汛期(1—3月、10—12月)主要是鋒面系統(tǒng)造成的降水。且由于十萬(wàn)大山地形的影響，十萬(wàn)大山南北兩側(cè)的短時(shí)強(qiáng)降水分布特征差異較大，為了進(jìn)一步探究防城港市南部和北部短時(shí)強(qiáng)降水的日變化特征的差異，分別分析市南部和北部的非汛期、前汛期、后汛期3個(gè)階段的短時(shí)強(qiáng)降水的日變化特征。

從圖3可以看出，前汛期市南部短時(shí)強(qiáng)降水頻次，00—04時(shí)是逐漸升高的，第1個(gè)峰值出現(xiàn)在04時(shí)，第2峰值(主峰)出現(xiàn)在07時(shí)， 而后，強(qiáng)降水出現(xiàn)的頻次呈明顯下降的趨勢(shì)。而市北部，02時(shí)即達(dá)到峰值，隨后呈下降趨勢(shì)，05—10時(shí)，呈波動(dòng)狀態(tài)，10—13時(shí)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的次數(shù)非常少，13時(shí)以后逐漸增多，到17時(shí)達(dá)到第2個(gè)峰值，隨后呈下降趨勢(shì)，22—23時(shí)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降雨的次數(shù)很少。

圖3 2016—2019年前汛期短時(shí)強(qiáng)降水各時(shí)次平均數(shù)

總體而言，前汛期市南部的短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)在清晨，而市北部出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降雨的時(shí)段是凌晨和午后。這種變化特征可能與對(duì)流日變化、低空急流有關(guān)，當(dāng)?shù)蛯游髂巷L(fēng)增強(qiáng)時(shí)，導(dǎo)致在大量來(lái)自孟加拉灣和南海的水汽在防城港上空輻合，有利于短時(shí)強(qiáng)降水的出現(xiàn)。根據(jù)林莉等[4]的研究，強(qiáng)降雨主要出現(xiàn)在海陸風(fēng)轉(zhuǎn)換時(shí)期，特別是陸風(fēng)轉(zhuǎn)換成海風(fēng)的時(shí)段，而清晨是防城港市海陸風(fēng)轉(zhuǎn)換期，海陸風(fēng)轉(zhuǎn)換形成的輻合可能是市南部短時(shí)強(qiáng)降水峰值出現(xiàn)在清晨的原因之一。

從圖4可以看出，市南部地區(qū)從00—07時(shí)，短時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)幾乎呈線性增長(zhǎng)，07—14時(shí)呈明顯的下降趨勢(shì)，14—16時(shí)，短時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)增加，在16時(shí)出現(xiàn)次高峰，隨后呈下降趨勢(shì)。而市北部，在00—14時(shí)，總體比較平穩(wěn)，各時(shí)段的短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)的次數(shù)變化不大，14時(shí)以后，短時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)呈緩慢增加態(tài)勢(shì)，20時(shí)后下降，至22時(shí)后略微增加。

圖4 2016—2019年后汛期短時(shí)強(qiáng)降水各時(shí)次平均數(shù)

總體而言，后汛期市南部的短時(shí)強(qiáng)降水存在雙峰值，出現(xiàn)的主要時(shí)段是清晨和午后，而市北部短時(shí)強(qiáng)降雨的時(shí)段出現(xiàn)在午后到傍晚。這種南部和北部短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)時(shí)段的差異，可能是市南部受海陸風(fēng)的影響及午后熱對(duì)流的影響，而市北部主要是午后熱對(duì)流加強(qiáng)，短時(shí)強(qiáng)降水增多。

從圖5可以看出，非汛期，無(wú)論是市南部還是市北部，短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)的時(shí)段波動(dòng)較大，呈多峰值態(tài)勢(shì)，其中市南部地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降雨峰值出現(xiàn)在08時(shí)、10時(shí)、14時(shí)、19時(shí)，21—次日03時(shí)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的概率相對(duì)而言較小。而市北部短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)的峰值是07時(shí)和20時(shí)。這種變化特征可能與天氣系統(tǒng)有關(guān)，該時(shí)段的天氣系統(tǒng)主要是鋒面系統(tǒng)，而鋒面系統(tǒng)南下影響的時(shí)間沒(méi)有熱帶系統(tǒng)影響的時(shí)間有規(guī)律，因此出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降雨的時(shí)段規(guī)律性不強(qiáng)。

圖5 2016—2019年非汛期市北部及南部短時(shí)強(qiáng)降水各時(shí)次平均數(shù)

對(duì)比圖3～圖5，總體而言，同一階段、同時(shí)次，市南部的短時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)幾乎都比市北部要高。從3個(gè)階段對(duì)比看，南部地區(qū)，各時(shí)次的短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)的次數(shù)為后汛期>前汛期>非汛期，而北部地區(qū)各階段的00—12時(shí)短時(shí)強(qiáng)降水的情況比較復(fù)雜，沒(méi)有明顯的規(guī)律，但12—23時(shí)短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)的次數(shù)基本為后汛期>前汛期>非汛期。

3 結(jié)論

利用防城港市自動(dòng)氣象站的2016—2019年的逐小時(shí)雨量數(shù)據(jù)，結(jié)合地形對(duì)防城港市短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征進(jìn)行了分析，得出的主要結(jié)論為：

①十萬(wàn)大山南北兩側(cè)的年平均短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生頻次有明顯的差異，整體的趨勢(shì)是從北到南遞增。且受地形影響，市南部短時(shí)強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在十萬(wàn)大山南側(cè)的迎風(fēng)坡以及喇叭口地形附近。而在上思西北面與崇左交界山脈的影響下，市北部短時(shí)強(qiáng)降水低值區(qū)主要位于該山脈的南面。防城港市東南面，地勢(shì)較平坦，短時(shí)強(qiáng)降水的次數(shù)比西南部、中部地區(qū)要略小?？梢?jiàn)，地形對(duì)于短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生頻次是有一定影響的。

②不同月份在不同的天氣系統(tǒng)的影響下，各月的短時(shí)強(qiáng)降水的分布有差異，其中1—2月幾乎沒(méi)有短時(shí)強(qiáng)降水影響，3—5月短時(shí)強(qiáng)降水增多，6月在季風(fēng)的影響下，短時(shí)強(qiáng)降水明顯分布不均，7月為熱帶和副熱帶天氣系統(tǒng)影響的高峰期，是短時(shí)強(qiáng)降水的高峰月，9月份以后短時(shí)強(qiáng)降水明顯減少。

③從日內(nèi)變化特征看，受對(duì)流日變化、低空急流、海陸風(fēng)等影響，前汛期，市南部地區(qū)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水高峰期主要是04—07時(shí)，隨后遞減，市北部有2個(gè)峰值，分布是02時(shí)和17時(shí)。 后汛期，市南部短時(shí)強(qiáng)降水存在雙峰值，分布在07時(shí)和16時(shí)。市北部短時(shí)強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在午后。非汛期，由于鋒面系統(tǒng)影響時(shí)間不定，無(wú)論是市南部還是北部地區(qū)，短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)的時(shí)段呈多峰值態(tài)勢(shì)，且波動(dòng)較大。