強弱天氣尺度強迫下廣東短時強降水時空特征分析

梁巧倩，李曉娟，文秋實，張艷霞，丁偉鈺

（1.廣東省氣象臺（南海海洋氣象預(yù)報中心），廣東 廣州 510641；2.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東 廣州 510641）

1 引 言

短時強降水是強對流天氣的重要類別之一，其生命史短但降水效率高，容易造成突發(fā)的城市內(nèi)澇、山體滑坡和泥石流等災(zāi)害，其致災(zāi)性比一般的暴雨降水更甚。但目前的數(shù)值天氣預(yù)報尚未能很好地預(yù)報短時強降水，使其成為災(zāi)害性天氣預(yù)報預(yù)警的重點和難點，也是目前國內(nèi)外研究的重點之一。華南地區(qū)是我國短時強降水多發(fā)區(qū)[1]，廣東前汛期86%的暴雨過程都伴有短時強降水[2]，2017 年5 月7 日廣東廣州增城新塘鎮(zhèn)錄得184.4 mm/h 的極端小時雨量，造成了當(dāng)?shù)貒乐氐某鞘袃?nèi)澇。因此針對廣東短時強降水做深入研究很有必要。

目前國內(nèi)針對各地短時強降水時空特征已有許多相關(guān)研究[3-5]。孫喜艷等[6]把廣東≥20 mm/h的短時強降水分6 個等級分別考察了其4—9 月的時空變化特征。蔡晶等[7]用5 年逐時雨量數(shù)據(jù)分析了廣東短時強降水的時空分布特征。為廣東短時強降水時空特征的認識提供了較詳細的參考。

一般認為短時強降水主要在強的天氣尺度強迫下發(fā)生，陳元昭等[8]把珠江三角洲地區(qū)重大短時強降水天氣流型總結(jié)為臺風(fēng)型、西南季風(fēng)型、北部灣低壓型、冷（式）切變線型和熱帶云團型等5 種。但廣東地區(qū)常有在非低值天氣尺度系統(tǒng)如副熱帶高壓控制下出現(xiàn)致災(zāi)短時強降水的情況。2017年5 月7 日強降水過程，天氣尺度系統(tǒng)較弱，極端短時強降水也可以發(fā)生。這種發(fā)生在弱天氣尺度背景下的短時強降水，更是預(yù)報中的難點。區(qū)別短時強降水的天氣尺度強弱，進而了解強/弱天氣尺度強迫下短時強降水的時空特征，將有助于進一步深入探究短時強降水的發(fā)生發(fā)展。

至于強/弱天氣尺度強迫的分類，目前還沒有統(tǒng)一的標準，業(yè)務(wù)上也沒有明確的指標。Lin 等[9]從無天氣尺度擾動（鋒面、熱帶氣旋等）的角度，提出弱天氣尺度強迫。付偉基等[10]指出弱強迫天氣系統(tǒng)是指地面沒有冷鋒或高空沒有冷槽的天氣系統(tǒng)。潘留杰等[11]認為天氣尺度系統(tǒng)（高空槽線、切變線等）不明顯或較弱，地面無鋒面系統(tǒng)，T-lnP 圖上無顯著不穩(wěn)定能量存在是弱天氣系統(tǒng)強迫條件之一。肖現(xiàn)等[12]則認為動熱力條件差，且天氣尺度系統(tǒng)為弱高壓系統(tǒng)前側(cè)西北氣流或者淺薄弱脊為弱天氣背景強迫。總體來看，已有研究對天氣尺度強迫的強弱判定多基于主觀定性的分析，主要是從影響的天氣尺度系統(tǒng)出發(fā)，排除了能直接導(dǎo)致降水的天氣系統(tǒng)如高空槽、鋒面等，再定義弱天氣尺度強迫。本文認同前述分析，從天氣尺度的概念出發(fā)，認為天氣尺度系統(tǒng)要滿足時空的天氣尺度大小，也要反映出其強迫的動力作用，故嘗試引入垂直速度來客觀定量化區(qū)分強弱天氣尺度強迫。

因此，本文將利用10 年的逐時雨量資料定義短時強降水日，從年均、強/弱天氣尺度強迫三個類別分別考察短時強降水的時空分布特征。

2 資料和方法

2.1 資 料

本文所用資料包括：（1）2010—2019 年109.6～117.2 °E、20.2～25.6 °N 范圍（以下稱為廣東區(qū)域）實時業(yè)務(wù)存儲的自動站逐時雨量資料，資料來源于廣東省CIMISS(全國綜合氣象信息共享平臺)，通過了實時業(yè)務(wù)基本質(zhì)量控制，但范圍內(nèi)的海上資料稀少和質(zhì)量不穩(wěn)定，文章涉及海上的信息不予分析。（2）2010—2019 年EC ERA-Interim 0.25 °×0.25 °逐6 小時再分析500 hPa 和700 hPa的垂直速度場。

2.2 方 法

2.2.1 強/弱天氣尺度強迫

根據(jù)天氣學(xué)原理[13]，天氣尺度約為103km，主要系統(tǒng)包括西風(fēng)帶長波、溫帶氣旋和反氣旋、副熱帶高壓、臺風(fēng)、東風(fēng)波動、熱帶輻合帶、低空切變線、低空急流等。廣東區(qū)域東西橫跨約8 個經(jīng)度，基本滿足天氣尺度的空間大小，24 小時周期可滿足天氣尺度的時間長度，即受天氣尺度系統(tǒng)的強迫，大氣的上升或下沉在天氣尺度空間上普遍存在且在時間上有一定的持續(xù)性和強度。故采用一天4 個時次（08 時、14 時、20 時和02 時，北京時間，下同）平均的廣東區(qū)域平均垂直速度ω 來描述天氣尺度強迫，采用500 hPa 和700 hPa 的垂直速度ω共同衡量天氣尺度強迫的高度和厚度。

2.2.2 短時強降水個例選取

本文選用國家氣象中心業(yè)務(wù)規(guī)定，單個測站出現(xiàn)≥20 mm/h 降水為該測站出現(xiàn)了短時強降水。通過如下流程抓取時段內(nèi)的短時強降水單體，即：首先，若有1站次出現(xiàn)≥20 mm/h降水，則以該站點為中心20 km×20 km 范圍內(nèi)所有站點，若有20%的站點出現(xiàn)≥20 mm/h 降水，則認為該范圍內(nèi)出現(xiàn)了1 個短時強降水單體；其次，逐小時對所有觀測雨量站點進行如上的遍歷（已計算為短時強降水單體內(nèi)的不再重復(fù)）得到每小時的短時強降水單體；然后，逐小時對所有單體進行邊界重疊的判斷，最大范圍原則合并重疊的單體，并記錄其新的邊界，得到每小時的短時強降水單體。最后，以08時—次日08 時定義1 天24 小時，逐小時判別鄰近兩小時短時強降水單體邊界是否重疊，最大范圍原則合并重疊的單體，并記錄其新的邊界及合并的起止時間，得到每個短時強降水日的短時強降水單體。

通過如上步驟的遍歷和合并，界定了短時強降水可能的持續(xù)時間和最大可能范圍，從雨強、持續(xù)時間、空間集中度3個方面反映了短時強降水的活動情況。

根據(jù)天氣系統(tǒng)尺度劃分方法[13]，中尺度系統(tǒng)可分為三個等級，200～2 000 km 為中-α 尺度，20～200 km 稱為中-β尺度，2～20 km 稱為中-γ尺度。上述計算選取20 km×20 km 范圍能夠篩選出中-γ尺度及以上的短時強降水區(qū)域，可以和短臨預(yù)報的時空尺度相聯(lián)系。計算中選取了20%的站點占比，在測站足夠密集的區(qū)域可以在一定程度上過濾那些因錯誤記錄到≥20 mm/h 降水而可能進入文章下一步統(tǒng)計數(shù)據(jù)的測站。

定義短時強降水日為：若1天內(nèi)廣東區(qū)域范圍出現(xiàn)了至少1個短時強降水單體，則認為該日為短時強降水日。逐年計算得到2010—2019年短時強降水日如表1。2010—2019年短時強降水日中，根據(jù)2.2.1 的劃分條件區(qū)別出強/弱強迫短時強降水日，此日內(nèi)發(fā)生的短時強降水為強/弱強迫下發(fā)生的短時強降水。

將廣東區(qū)域以0.01 °×0.01 °的分辨率格點化，然后將每個短時強降水單體進行格點投影，獲得每個格點的短時強降水發(fā)生頻次，便于年/月/日/時不同時效的格點化空間分布統(tǒng)計。

表1 2010—2019年短時強降水日及強/弱強迫短時強降水日占比

3 時空分布特征分析

3.1 短時強降水年變化

3.1.1 時間變化

從表1 可見，2010—2019 年年均短時強降水日209.9 天，約占全年57.5%，意味著≥20 mm/h 的雨強在廣東經(jīng)常發(fā)生，這種短歷時強降水也是日常防災(zāi)重點。年均的強強迫短時強降水日54.4天，約占年均的26%；弱強迫短時強降水日39.1天，占18.6%。

2010—2019 年短時強降水日的年際變化大，其中2011 年的短時強降水日最少，與2016 年（最多）相差56 天。10 年間短時強降水日數(shù)緩慢增加，線性增長系數(shù)是1.52。

3.1.2 空間變化

年均短時強降水發(fā)生頻次空間分布如圖1a所示，全省范圍都有可能發(fā)生短時強降水，但發(fā)生的高頻區(qū)集中在粵西、珠江三角洲和粵東汕尾地區(qū)，與廣東三個暴雨中心位置大致對應(yīng)，和孫喜艷等[6]的計算結(jié)果一致?；浳鞯年柦?江門一帶、茂名山區(qū)一帶是短時強降水最頻發(fā)區(qū)，年均發(fā)生40 次以上；粵西北（韶關(guān)和清遠的北部）和粵東沿海是短時強降水低發(fā)區(qū)，年均少于20次。

強強迫短時強降水高頻中心（圖1b）與年均的幾乎一致，頻次占比（強強迫發(fā)生次數(shù)占發(fā)生總次數(shù)的百分比，以下類同）普遍介于30%～45%之間，其中粵東沿海和粵西北的占比最大，介于40%～45%之間，而雷州半島的占比則低于30%。弱強迫短時強降水發(fā)生頻次則明顯減少，高頻區(qū)位于粵西的陽江-江門一帶和茂名山區(qū)一帶（圖1c），全區(qū)域范圍來看依然維持年均頻次東北少西南多的分布特征，頻次占比普遍介于5%～16%之間，其中雷州半島和粵東蓮花山脈一帶占比最高，介于15%～25%之間。

年均約有75%的短時強降水僅在1 小時內(nèi)經(jīng)歷了生消發(fā)展，約18%歷時2小時。僅歷時1小時的短時強降水高頻中心與年均中心分布一致，但弱強迫下區(qū)別于年均的高頻中心，在粵北河源-梅州北部山區(qū)、粵東蓮花山脈附近也是一個次中心（圖2a）。歷時2 小時及以上的短時強降水則相對集中在粵西、珠江三角洲北部和粵東惠州-汕尾一帶，其中陽江附近次數(shù)最多，強強迫下三個中心的極端次數(shù)相當(dāng)，為4～6 次（圖2b）。從頻次占比來看，珠江三角洲平原地區(qū)是僅歷時1小時短時強降水的集中區(qū)，約占當(dāng)?shù)匕l(fā)生數(shù)75%以上（圖2c），歷時2 小時及以上短時強降水占比大于40%區(qū)域分散在雷州半島和華南北部山區(qū)。

圖1 年均（a）、強強迫下（b）和弱強迫下（c）短時強降水發(fā)生頻次空間分布

圖2 弱強迫持續(xù)1小時短時強降水（a）、強強迫持續(xù)2小時短時強降水（b）、年均持續(xù)1小時短時強降水占比（c）

3.2 月變化

3.2.1 時間變化

短時強降水日的逐月變化曲線（圖3a）可見，全年均可能發(fā)生短時強降水，4—9月最頻繁，超過20天/月；其中8月年均30.3天，幾乎天天都有短時強降水發(fā)生，其次是7 月；廣東后汛期的短時強降水日比前汛期略多。

強強迫下短時強降水主要發(fā)生在廣東前汛期4—6 月，10～14 天/月，6 月最多。10 月—次年1 月幾乎沒有強強迫下的短時強降水發(fā)生。而弱強迫短時強降水在7 月有12.4 天的單峰峰值，6 月較前期陡增，8—11 月仍然每月有4 天左右發(fā)生短時強降水。3 月分別有3 天左右的強/弱強迫短時強降水發(fā)生（圖3b）。

圖3 年均（a）和強/弱強迫下（b）短時強降水逐月變化

3.2.2 空間變化

3 月在粵西陽江-江門一帶和兩廣交界的云浮-肇慶-清遠南部一帶有年均2 次左右的短時強降水發(fā)生（圖4a），其中，肇慶-云浮一帶和珠江口附近弱強迫下發(fā)生的短時強降水占比超過50%。3 月的廣東，北方南下的冷空氣仍然活躍，鋒面系統(tǒng)造成的降水主要在粵北，形成總雨量北多南少分布（圖5），這與3 月短時強降水頻次分布并不一致，后者的發(fā)生位置更偏南偏西。

圖4 3—10月（a～h）年均短時強降水發(fā)生次數(shù)空間分布圖

圖5 1989—2018年平均的廣東省86站3月累計雨量圖 單位：mm。

4 月，年均4 次以上的高頻區(qū)在珠江三角洲北部-河源南部-惠州一帶，其次是茂名北部山區(qū)（圖4b）。短時強降水主要在強強迫下發(fā)生，除雷州半島外，強強迫的占比為50%～90%。5 月（圖4c），短時強降水明顯增多，年均6次以上的高發(fā)區(qū)位于粵西和珠江三角洲，而雷州半島、粵東和粵北山區(qū)是年均2 次左右的低發(fā)區(qū)，年均10 次以上的最強頻次中心在珠江三角洲北部的暴雨中心附近。6月廣東三個暴雨中心（珠江三角洲北部、粵西沿海-珠江口西側(cè)沿海和粵東沿海）及茂名山區(qū)是年均6 次以上的短時強降水高頻區(qū)（圖4d），高頻區(qū)的短時強降水主要在強強迫下發(fā)生，占比為60%～65%，粵東沿海高達70%。4—6 月廣東上空西風(fēng)帶系統(tǒng)活躍，南方暖濕氣流北上，容易在廣東形成天氣尺度的冷暖交匯，故短時強降水多發(fā)生在強強迫下，且發(fā)生頻次與前汛期總雨量在空間分布特征上有較好的對應(yīng)關(guān)系。

7—8 月（圖4e～4f），短時強降水的高發(fā)區(qū)位于廣東南部沿海，其中茂名-陽江-江門一帶發(fā)生次數(shù)最多。這與廣東后汛期年均暴雨日數(shù)大值中心[14-15]基本對應(yīng)。7—8 月是臺風(fēng)登陸廣東的盛期，廣東沿海特別是粵西沿海受副高西南側(cè)的東南氣流控制，短時強降水的發(fā)生與臺風(fēng)及副高邊緣的熱對流活動關(guān)系密切，8 月又較7 月略多。而短時強降水低發(fā)區(qū)的粵北，其短時強降水主要在弱強迫下發(fā)生，占比為40%～60%，較中南部高。

9月（圖4g），短時強降水發(fā)生次數(shù)明顯減少，粵西是年均4次左右的高頻區(qū)，而粵西北山區(qū)幾乎沒有短時強降水發(fā)生；10月（圖4h），短時強降水進一步銳減，粵西和珠江口西側(cè)有零星發(fā)生，但雷州半島的徐聞是10—11月的高頻中心，年均2次左右。

綜上所述，廣東短時強降水逐月發(fā)生頻次空間分布與廣東汛期降水節(jié)奏和落區(qū)基本一致，4—6 月短時強降水發(fā)生頻密，范圍最廣，高頻區(qū)集中在三個暴雨中心附近，其中珠江三角洲北部5—6月最多，50%以上發(fā)生在強強迫下；后汛期短時強降水主要發(fā)生在南部，次數(shù)往北遞減。茂名山區(qū)是區(qū)別暴雨中心的另一個短時強降水高頻區(qū)，3—9 月都較其余地區(qū)多發(fā)。3 月肇慶-云浮和珠江口附近弱強迫下短時強降水占比最高；7月粵北短時強降水弱強迫占比最高。

3.3 日變化

3.3.1 時間變化

年均短時強降水的發(fā)生次數(shù)具有準雙峰的日變化特征（圖6a），13—20 時是一天中短時強降水高頻時段，峰值在16 時，次峰出現(xiàn)在9 時；而22 時—次日03時是一天中短時強降水發(fā)生次數(shù)最少的時段，其次是11 時。這與蔡晶等[7]的結(jié)論基本一致。但4 月短時強降水次數(shù)的雙峰時間與年均相反，最大峰值出現(xiàn)在09 時，次峰值出現(xiàn)在16 時；10月短時強降水發(fā)生次數(shù)銳減，雙峰結(jié)構(gòu)不明顯。

強/弱強迫下的日變化與年均一致，但逐月有區(qū)別：強強迫下（圖6b），4 月最大峰值出現(xiàn)在08時，7月則在15時，都較年均提前1小時；8月在17時達到高峰，較年均延后1 小時。弱強迫下（圖6c），6 月最大峰值出現(xiàn)在16 時，但14 時已接近峰值頻次；7月和10月最大峰值都出現(xiàn)在17時，較年均延后1 小時；8 月次峰值在08 時，較年均提前1小時。

圖6 年均（a）、強強迫下（b）和弱強迫下（c）短時強降水發(fā)生頻次逐月日變化

3.3.2 空間變化

逐時來看短時強降水發(fā)生次數(shù)的空間變化發(fā)現(xiàn)：12—20 時，短時強降水從粵西沿海逐漸往內(nèi)陸、往東發(fā)展，16—18 時發(fā)生范圍最廣；半夜00 時前后短時強降水發(fā)生頻次最少；03 時在沿海又開始新一輪發(fā)展，07 時范圍最廣。強強迫下空間分布日變化與年均基本一致。但弱強迫下，19 時短時強降水主要發(fā)生在粵西和珠江口西側(cè)，而年均高頻區(qū)的肇慶-廣佛和粵東北幾乎沒有短時強降水發(fā)生（圖7）；早晨07 時，粵西陽江沿海有孤立的高頻中心（圖8），與陽江暴雨中心夜雨特征一致，與陽江附近中小尺度地形影響有關(guān)[16]。

將09-20時定義為白天，則從白天短時強降水發(fā)生次數(shù)對全天的占比（圖9a）來看，雷州半島-云浮-肇慶一帶、河源-梅州-粵東山區(qū)一帶的短時強降水主要發(fā)生在白天，特別是雷州半島-茂名山區(qū)，占比為70%～80%；而南部沿海和珠江三角洲地區(qū)，白天次數(shù)較夜間略偏多，占比為50%～60%。

圖7 19時年均（a）、強強迫下（b）和弱強迫下（c）短時強降水頻次分布 圖中數(shù)值為原值的10倍。

圖8 07時年均（a）、強強迫下（b）和弱強迫下（c）短時強降水頻次分布 圖中數(shù)值為原值的10倍。

圖9 年均短時強降水（a）和弱強迫短時強降水（b）白天發(fā)生頻次占比

強強迫短時強降水白天發(fā)生占比與年均分布類似，但雷州半島南部的較之更高，達80%以上，夜間發(fā)生較多的區(qū)域?qū)?yīng)廣東三個暴雨中心。弱強迫短時強降水白天發(fā)生占比的高值中心較年均略偏高，其中粵西的茂名山區(qū)和粵東北高達80%以上（圖9b），而粵西北則夜間較白天略多。

4 結(jié) 論

采用500 hPa和700 hPa日均廣東區(qū)域平均的垂直速度來客觀定量衡量天氣尺度強迫，并利用2010—2019 年的逐時自動站雨量區(qū)別強/弱天氣尺度強迫下的短時強降水與年均的進行了時空特征對比分析。初步得到以下結(jié)論。

（1）年均過半的天數(shù)廣東區(qū)域至少有1 個測站出現(xiàn)短時強降水，其中強、弱強迫下分別約占26.0%和18.6%?；浳麝柦?江門一帶、茂名山區(qū)一帶是短時強降水最頻發(fā)區(qū)，其次是珠江三角洲和粵東的暴雨中心。

（2）年均約75%的短時強降水僅歷時1小時。珠江三角洲75%以上的短時強降水僅歷時1 小時。弱強迫下，僅歷時1小時的短時強降水在粵北河源-梅州北部山區(qū)、粵東蓮花山脈附近有次中心，歷時2 小時及以上的相對集中在粵西、珠江三角洲北部和粵東惠州-汕尾一帶。

（3）4—9月短時強降水發(fā)生最頻繁，8月幾乎天天都有短時強降水發(fā)生，但6月短時強降水出現(xiàn)最多。強強迫下4—6 月最多，弱強迫下7 月達到峰值。4—6月短時強降水高發(fā)區(qū)集中在三個暴雨中心附近，后汛期則主要發(fā)生在南部。茂名山區(qū)是區(qū)域暴雨中心的另一個短時強降水高發(fā)區(qū)。3月肇慶-云浮和珠江口附近地區(qū)弱強迫下短時強降水占比最高；7月粵北弱強迫短時強降水占比最高。

（4）年均短時強降水頻次具有準雙峰的日變化特征，峰值出現(xiàn)在16 時，次峰在09 時，4 月峰值和次峰相反。強弱強迫下，4 月、6—8 月和10 月峰值出現(xiàn)時間與年均有提前或延后1 小時的變化。日內(nèi)16—18 時短時強降水發(fā)生范圍最廣，凌晨新的一輪發(fā)展從沿海開始，07 時范圍最廣。弱強迫下早晨07 時在粵西陽江沿海有孤立的高頻中心。雷州半島-云浮-肇慶一帶、河源-梅州-粵東山區(qū)一帶的短時強降水主要發(fā)生在白天；弱強迫下，粵西茂名山區(qū)和粵東北高達80%以上。