2017—2021年海南島汛期短時降水時空分布特征*

石 娟 鄭 艷 蔣賢玲

(1.海南省氣象臺，海南 海口 570203;2.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，海南 海口 570203)

海南島地處熱帶北緣，雨量豐富、雨季長，為我國南方多雨地區(qū)，同時也是我國氣象災(zāi)害影響較為嚴(yán)重的地區(qū)之一，短時強(qiáng)降水是海南島主要的氣象災(zāi)害之一。發(fā)生在海南島的短時強(qiáng)降水，以局部、小范圍的短時強(qiáng)降水居多，易造成城市內(nèi)澇。例如2017年5月15日下午發(fā)生在?？谑袇^(qū)的局地性短時強(qiáng)降水，小時極端雨強(qiáng)達(dá)到了111.8mm/h,持續(xù)時間短，主要降水時間段在16∶00—18∶00，造成?？诔鞘袃?nèi)澇嚴(yán)重，城市交通近乎癱瘓，嚴(yán)重影響人民生活。因此，有必要對海南島短時強(qiáng)降水特征進(jìn)行研究。

許多國內(nèi)學(xué)者開展了短時強(qiáng)降水的相關(guān)研究。毛冬艷等[1]對西南地區(qū)短時強(qiáng)降水的氣候特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明西南地區(qū)的短時強(qiáng)降水主要集中在4—10月的夜間，短時強(qiáng)降水頻次逐年增加，強(qiáng)度增強(qiáng)。王婧羽等[2]分析了河南省雨季短時強(qiáng)降水的時空分布特點，揭示了河南省的短時強(qiáng)降水集中在7—8月，與副熱帶高壓脊線的北跳較為一致。楊慧燕等[3]研究發(fā)現(xiàn)，南方地區(qū)短時強(qiáng)降水5月降雨頻率最高，短時強(qiáng)降水有較強(qiáng)的局地性。孟麗霞等[4]對甘肅省短時強(qiáng)降水的時空特征進(jìn)行了統(tǒng)計，表明甘肅省短時強(qiáng)降水主要發(fā)生在午后至前半夜。汪方等[5]利用淮河流域日降水量資料，分析得到淮河流域短時強(qiáng)降水呈增加趨勢。趙慶云等[6]利用日降水資料，分析了西北地區(qū)暴雨的時空變化特征，表明西北地區(qū)暴雨出現(xiàn)次數(shù)由東南向西北減少，年際變化較大。劉運策等[7]分析了珠江三角洲地區(qū)由海風(fēng)鋒觸發(fā)形成的強(qiáng)對流天氣過程，得到海風(fēng)鋒與西南季風(fēng)波動配置是強(qiáng)對流天氣短期和短時預(yù)報的較好預(yù)報指標(biāo)。陳炯等[8]對中國暖季短時強(qiáng)降水分布和日變化特征進(jìn)行了分析，指出我國短時強(qiáng)降水發(fā)生頻率最高的地區(qū)在華南，其中海南島的局地降水強(qiáng)度可達(dá)180mm/h。徐慧燕等[9]分析了浙江麗水地區(qū)短時強(qiáng)降水時空分布和成因，結(jié)果表明麗水的短時強(qiáng)降水峰值在6月和8月，與熱帶天氣系統(tǒng)有關(guān)。姚莉等[10]對我國1小時雨強(qiáng)的時空分布特征進(jìn)行了分析，得到我國的1小時雨強(qiáng)高值區(qū)主要出現(xiàn)在東南沿海一帶，最高達(dá)到100～150mm/h。唐紅玉等[11]分析了西南地區(qū)逐月、逐日和逐時的降水頻率和降水比率，結(jié)果表明，西南地區(qū)降水在某個時間段集中，與其夏季多短時強(qiáng)對流天氣有關(guān)。短時強(qiáng)降水往往和暴雨密切相關(guān)。楊薇等[12]對海南島冬季暴雨的分布和環(huán)流形勢進(jìn)行了分析，結(jié)果表明海南島冬季暴雨近年來頻次增多，暴雨日數(shù)自西向東遞增。馮文等[13]研究了海南島秋季暴雨的特點，發(fā)現(xiàn)海南島汛期降水雙峰結(jié)構(gòu)不明顯，降水分布形態(tài)和華南其他地區(qū)存在差異性。

本文擬采用海南島地面2017—2021年4—9月加密自動站觀測資料，分析該地區(qū)汛期不同時間段短時強(qiáng)降水的分布規(guī)律，并分區(qū)對其代表站日變化特征進(jìn)行統(tǒng)計，得到海南島汛期短時強(qiáng)降水特征，進(jìn)一步提高對該類天氣的天氣規(guī)律認(rèn)識，為提升預(yù)報員短時強(qiáng)降水預(yù)報能力打好基礎(chǔ)。

1 資料與方法

本文使用的資料為2017—2021年海南島440個地面加密自動觀測站(圖1)汛期(4—9月)降水資料，經(jīng)過海南島氣象信息中心嚴(yán)格的質(zhì)量控制，其時間分辨率為1h。

圖1 海南島自動站分布圖

2 海南島汛期短時強(qiáng)降水時空分布

本文所定義的短時強(qiáng)降水站點次數(shù),每個站點出現(xiàn)≥20mm/h的雨量記為1個站次，一日當(dāng)中如果該站點有2h(連續(xù)或間斷)出現(xiàn)了20mm/h以上的降水，則記為2個站次，依此類推；所包含的站次指的是海南島440個自動站，每個站點任一小時內(nèi)出現(xiàn)20mm/h的降水記為1個站次(下同)。

2.1 空間分布

圖2給出了2017—2021年短時強(qiáng)降水站次空間分布，由圖2分析得出，短時強(qiáng)降水的空間分布總體呈現(xiàn)北多、南少特征，在海南島西北部地區(qū)有1個短時強(qiáng)降水高發(fā)區(qū)(Ⅰ區(qū))，多數(shù)站點次數(shù)在80～100次，中部的瓊中和東部的瓊海有1個次高發(fā)區(qū)(Ⅱ區(qū))，有少數(shù)站點次數(shù)在80～100次，其余地區(qū)是短時強(qiáng)降水低發(fā)區(qū)，站點頻次大多在30～40次。這是因為造成海南島西北部地區(qū)短時強(qiáng)降水的系統(tǒng)較多，比如當(dāng)副熱帶高壓主體控制南海北部地區(qū)及海南島時,位于其西部邊緣的海南島可能出現(xiàn)對流性降水，夏季盛行的海陸風(fēng)輻合造成的降水也多發(fā)生在海南島西北部地區(qū)。在秋季，海南島位于南海輻合帶北側(cè)和北方冷高壓南側(cè)的偏東氣流中，由于五指山的阻擋和抬升，在萬寧—瓊中一帶地區(qū)易發(fā)生短時強(qiáng)降水。

圖2 2017—2021年短時強(qiáng)降水空間分布

為了進(jìn)一步了解不同月份短時強(qiáng)降水的空間分布特征，對各月的短時強(qiáng)降水特征進(jìn)行了統(tǒng)計分析，空間分布如圖3所示。由圖3可以看出，4月份短時強(qiáng)降水次數(shù)較少，西部和南部地區(qū)只有0～4次;5月，海南島北部、中部和東部地區(qū)的短時強(qiáng)降水明顯增多，6月，南部的三亞、保亭、陵水等地區(qū)的短時強(qiáng)降水的站次開始增多，各站點站次在6～15站次之間波動，7月、8月，全島短時強(qiáng)降水次數(shù)明顯增多，并且出現(xiàn)了2個主要的短時強(qiáng)降水多發(fā)中心，一是北部的?？?、臨高、澄邁一帶，二是東部的瓊海、萬寧一帶，各站點短時強(qiáng)降水站次可達(dá)20～25次。9月，海南島各地區(qū)短時強(qiáng)降水站次分布均勻，各站點普遍站次在6～15站次之間，東部的瓊海和南部的保亭地區(qū)有少數(shù)站點短時強(qiáng)降水的站次在15次以上。

圖3 2017—2021年海南島各月短時強(qiáng)降水次數(shù)

2.2 時間分布

2.2.1 汛期短時強(qiáng)降水站次時間分布特征

統(tǒng)計2017—2021年海南島汛期短時強(qiáng)降水站次年際變化，如圖4所示，短時強(qiáng)降水逐年站次在4862～6928站次，其中2020年站次較少，2018年和2021年站次分別為6928次和6081次，年均站次5865站次。從2017—2021年海南島各月出現(xiàn)短時強(qiáng)降水站點次數(shù)來看，海南島短時強(qiáng)降水各月站次在254～1397站次，占比(短時強(qiáng)降水單月站次與汛期總月數(shù)短時強(qiáng)降水站次的比值)在5%～28%波動，集中的時間段主要是5月和8月，分布高達(dá)1383站和1397站，說明5月、8月發(fā)生短時強(qiáng)降水天氣時，影響區(qū)域范圍較大；其次是7月和9月，分別為746站和822站，4月最少，為254站。

(a)2017—2021年海南島汛期短時強(qiáng)降水逐年站次變化 (b)2017—2021年海南島汛期短時強(qiáng)降水逐月站次變化

從2017—2021年海南島汛期短時強(qiáng)降水年均短時強(qiáng)降水日分布來看(圖5)，短時強(qiáng)降水的時間段呈現(xiàn)明顯的單峰結(jié)構(gòu)，主要時間段在14—19時，這是因為午后海南島西北部海岸和大尺度陸風(fēng)(偏西風(fēng))同向，受大尺度陸風(fēng)的強(qiáng)迫，西北部形成了更強(qiáng)的海風(fēng)入侵形式(即形成強(qiáng)的海風(fēng)鋒)，有利于當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)短時強(qiáng)降水等強(qiáng)對流天氣，之后，受大尺度下沉氣流的抑制，局地輻合消失[14]，降水隨之減弱。從各月份一日中出現(xiàn)短時強(qiáng)降水站次來看， 7月、8月、9月短時強(qiáng)降水站次最多，01∶00—09∶00短時強(qiáng)降水的頻次比其他月份多。

圖5 2017—2021年海南島汛期短時強(qiáng)降水年均短時強(qiáng)降水日分布

2.2.2 汛期短時強(qiáng)降水雨強(qiáng)時間分布特征

統(tǒng)計2017—2021年海南島各測站出現(xiàn)的短時強(qiáng)降水資料，對各測站短時強(qiáng)降水的逐時數(shù)據(jù)采用概率密度統(tǒng)計分析方法，由圖6可見，4月份強(qiáng)降水峰值區(qū)主峰在13∶00—17∶00(北京時，下同)，次峰在凌晨05∶00—06∶00;5月強(qiáng)降水峰值區(qū)主峰在14∶00—19∶00，4月和6月強(qiáng)降水量級偏小，箱線圖平均值分別為30.54mm/h和31.17mm/h， 7—9月的強(qiáng)降水峰值區(qū)在15∶00—18∶00時，與短時強(qiáng)降水的站次日分布規(guī)律基本一致。從海南島年平均小時雨強(qiáng)逐月變化箱線圖可以看出，5月和9月的平均雨強(qiáng)比其他月份偏大。5月和9月的平均雨強(qiáng)箱線圖平均值分別是32.83mm/h和32.98mm/h(圖7)。

圖6 2017—2021年海南島各月小時雨強(qiáng)日變化特征

圖7 2017—2021年海南島年均小時雨強(qiáng)逐月變化箱線圖

2.2.3 汛期短時強(qiáng)降水高頻次地區(qū)時間分布特征

由前文分析可知，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)分別為海南島汛期短時強(qiáng)降水的頻發(fā)區(qū)，因此本文選?、駞^(qū)的?？诤廷騾^(qū)的瓊海作為代表站，統(tǒng)計了其2017—2021年4—9月短時強(qiáng)降水的年均站次和1h極大雨強(qiáng)，和前文得出的結(jié)論基本一致，5月和8月是短時強(qiáng)降水的活躍期，海口地區(qū)比萬寧地區(qū)短時強(qiáng)降水站次更多。海口的極大小時雨強(qiáng)在5月、6月和8月比東部的瓊海強(qiáng)度大，分別為106.5mm/h、65.1mm/h和 91mm/h(圖8)。

(a)2017—2021年?？凇⑷f寧地區(qū)短時強(qiáng)降水年均站次 (b)1h極大雨強(qiáng)時間分布(柱狀)

3 結(jié)論

基于2017—2021年海南島地面自動站逐小時降水?dāng)?shù)據(jù)，從年變化，月變化和日變化三個方面，對島內(nèi)短時強(qiáng)降水的時空分布特征進(jìn)行了分析，結(jié)論如下：

①短時強(qiáng)降水的空間分布總體呈現(xiàn)北多、南少特征，高發(fā)區(qū)在海南島西北部的?？?、臨高、澄邁、儋州、白沙、定安地區(qū)，多數(shù)站點汛期短時強(qiáng)降水次數(shù)在80～100次，中部的瓊中和東部的瓊海地區(qū)次之，其余地區(qū)是短時強(qiáng)降水低發(fā)區(qū)，汛期短時強(qiáng)降水站點次數(shù)在30～40次。

②海南島汛期的短時強(qiáng)降水年際變化明顯，2020年站次較少，2018年和2021年站次分別為6928次和6081次，年均站次5865站次；高發(fā)期在5月和8月，分別為1383站次和1397站次。

③汛期短時強(qiáng)降水的小時雨強(qiáng)各月分布不均，5月和9月的量級比其他月份偏大。5月的短時強(qiáng)降水主水汽通量散度8時為正值，14時轉(zhuǎn)為負(fù)值，這是此二型上午少有短時強(qiáng)降雨，而午后短時強(qiáng)降雨迅速發(fā)展的原因之一。而西南氣流型8時和14時底層水汽通量散度都為負(fù)值，所以相對而言西南氣流型上午就出現(xiàn)了一定比例的強(qiáng)降雨，午后發(fā)生率的增長也比較平緩。