基于區(qū)域自動站的東莞極端短時強降水特征

蔡奕萍，尹淑嫻，姜曉岑，李嬋珠

（東莞市氣象局，廣東東莞 523000）

近年來，隨著氣候變化，由極端強降水造成的重大災(zāi)難性事件頻繁發(fā)生［1-2］，給人類社會和經(jīng)濟發(fā)展帶來巨大影響［3］，如在2012年7月21日北京出現(xiàn)的特大暴雨［4］、2017年5月7日發(fā)生在廣州的極端強降水［2］。由于極端強降水突發(fā)性強、空間尺度小，一直以來都是預(yù)報業(yè)務(wù)的一大難題。國內(nèi)外許多氣象工作者針對極端強降水開展了大量研究工作，取得了一定的研究成果，陸虹等［5］、伍紅雨等［6］分別對華南、廣東地區(qū)的極端降水時空分布特征進行研究；符嬌蘭［7］研究了極端強降水的成因；靳振華等［8］分析了極端短時強降水發(fā)生之前2 h各氣象要素場的變化規(guī)律；李崇銀等［9］發(fā)現(xiàn)大氣環(huán)流的組合性異常在極端天氣氣候事件的發(fā)生中起著極其重要的作用，這些研究成果都為極端強降水的預(yù)報預(yù)警提供了啟發(fā)性的線索。

東莞地處華南沿海、珠江口東岸，受臺風(fēng)、季風(fēng)、熱帶云團、鋒面等系統(tǒng)和地形共同影響［10］，幾乎每年都會發(fā)生強度大、時間及范圍集中的極端強降水天氣。特別是在大暴雨或特大暴雨過程中，成片出現(xiàn)大于等于50 mm／h的極端短時強降水時，往往由于雨勢猛、雨量集中，更易導(dǎo)致嚴重內(nèi)澇災(zāi)害。因此，本研究通過對2008—2019年東莞地區(qū)出現(xiàn)的極端短時強降水事件進行統(tǒng)計分析，從時空分布、雨量和年極值等方面對極端短時強降水氣候特征進行分析，期望為東莞地區(qū)極端短時強降水精細化預(yù)報預(yù)警提供參考，以及為預(yù)報服務(wù)和防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

東莞地區(qū)自2005年開始建設(shè)區(qū)域自動站氣象網(wǎng)，到2008年，全市97個區(qū)域氣象站的監(jiān)測網(wǎng)已建成［11］，平均間隔密度為5 km×5 km，站點分布如圖1a所示。本研究選取2008—2019年共12年的24 h（20：00—20：00（北京時，下同））逐小時降水觀測資料。

定義1 h雨量≥50 mm為極端短時強降水。由于本研究使用的降水資料為逐小時降水觀測資料，會導(dǎo)致統(tǒng)計的極端短時強降水站次數(shù)和降水量低于實際1 h滑動值［12］。

空間統(tǒng)計分為站點統(tǒng)計和片區(qū)統(tǒng)計。根據(jù)地理特征，把東莞分水鄉(xiāng)、沿海、城區(qū)、丘陵、埔田、山區(qū)共6個片區(qū)進行統(tǒng)計，片區(qū)分布如圖1b所示。

圖1 2008—2019年東莞站點極端短時強降水年平均次數(shù)空間分布

各站點出現(xiàn)極端短時強降水的年平均次數(shù)為NS，則i片區(qū)內(nèi)站點年平均次數(shù)DNS為

其中，i為片區(qū)名；m為該片區(qū)內(nèi)的自動站個數(shù)。

2 空間分布

圖1a為2008—2019年東莞極端短時強降水站點年平均次數(shù)（NS）分布，由圖1a可見，NS總體呈中西部多、東部少的特征。出現(xiàn)極端短時強降水最多的站點是位于城區(qū)的萬江街道和莞城街道，NS分別為2.1和1.9次，其次是水鄉(xiāng)片的橫瀝鎮(zhèn)、城區(qū)的東城街道及沿海片的厚街鎮(zhèn)，NS均為1.8次。大部分自動站出現(xiàn)極端短時強降水年平均次數(shù)在1.5次以下。

從片區(qū)站點年平均站次（DNS）分布（圖1b）來看，出現(xiàn)極端短時強降水的次數(shù)最多的片區(qū)出現(xiàn)在西北部的城區(qū)和水鄉(xiāng)片，DNS分別為1.32和1.18次，其次是中部的丘陵片1.05次，DNS最少的是東南部的山區(qū)片，僅有0.64次。

由站點和片區(qū)的分布特征可以看出，城區(qū)是極端短時強降水的易發(fā)區(qū)域。陳元昭等［12］對深圳大暴雨的統(tǒng)計也表明，繁華的城區(qū)是大暴雨的高發(fā)區(qū)，說明在發(fā)生強降水時，城市作用造成雨量增加，在城區(qū)最顯著［13］。這可能是因為城市建筑物高低不同，地標建筑、超高層建筑的出現(xiàn)，使得地表粗糙程度比附近郊區(qū)大，這不僅能引起湍流，而且對穩(wěn)定滯緩的降水系統(tǒng)有阻礙效應(yīng)，使其移動速度減慢，在城區(qū)滯留的時間加長，從而導(dǎo)致城區(qū)的降水強度增大、降水時長加長［14］。

3 時間分布特征

3.1 年變化

從2008—2019年東莞極端短時強降水統(tǒng)計（圖2）來看，全市極端短時強降水年變化總體呈現(xiàn)“一年多兩年少”的波動上升趨勢。近12年間共出現(xiàn)1 180站次極端短時強降水，平均每年98站次；2010年出現(xiàn)極端短時強降水的站次最多，達169站次；2011年出現(xiàn)站次最少，僅為41站次；除2011和2014年以外，其余10年極端短時強降水均在80站次以上。

圖2 2008—2019年東莞全市極端短時強降水年變化

從2008—2019年東莞各片區(qū)站次年變化特征極端短時強降水特征（圖略）可以看出，水鄉(xiāng)片、山區(qū)片、城區(qū)片出現(xiàn)極端短時強降水站次呈波動上升趨勢，其中水鄉(xiāng)片、山區(qū)片呈“一年少兩年多”的變化規(guī)律，而城區(qū)片則有“一年多一年少”的變化特征；埔田片、沿海片總體呈波動下降趨勢，并有“一年多兩年少”的規(guī)律；丘陵片同樣有“一年多兩年少”的變化特征，但年變化趨勢不明顯。

3.2 月分布

2008—2019年東莞極端短時強降水的月變化（圖略）顯示，極端短時強降水主要集中在主汛期（4—9月），占總站次數(shù)的94%（1 113站次），且在5—6、8月呈“雙峰”特征，與華南前后汛期的主要降雨分布時段一致。進入前汛期，冷空氣勢力明顯減弱，中低層開始盛行偏南風(fēng)（西南季風(fēng)和東南季風(fēng)），華南多鋒面低槽和季風(fēng)降水；后汛期轉(zhuǎn)為副高南側(cè)熱帶系統(tǒng)控制，多受熱帶氣旋和東風(fēng)波等的影響［1］。出現(xiàn)極端短時強降水的次數(shù)最多的月份為5月份，占全年的27.5%；11月—次年2月份出現(xiàn)極端短時強降水的次數(shù)非常少，在統(tǒng)計的年份內(nèi)，1、2月各出現(xiàn)1次，分別為2012年1月28日、2010年2月7日；12月份出現(xiàn)2次，為2009年12月21日、2010年12月25日；11月份在統(tǒng)計時段內(nèi)沒有出現(xiàn)過極端短時強降水。

各片區(qū)極端短時強降水的月變化（圖3）大致呈現(xiàn)出前汛期的峰值高于后汛期的特征，其中，水鄉(xiāng)片、沿海片5—6月份出現(xiàn)極端短時強降水的次數(shù)遠遠多于8月份，這可能是因為這兩個片區(qū)位于東莞西部、珠江口東側(cè)，受西風(fēng)系統(tǒng)和喇叭口地形輻合影響較明顯；東南部山區(qū)片則呈現(xiàn)出后汛期的峰值高于前汛期的特點，即最高值出現(xiàn)在8月份，這可能跟山區(qū)片緯度偏南，更易受低緯度的熱帶系統(tǒng)影響有關(guān)，同時山地的迎風(fēng)坡對降水也有一定增幅作用［1］。

圖3 2008—2019年東莞各片區(qū)極端短時強降水頻次的月變化

3.3 日分布

1）頻次日變化。

從東莞地區(qū)極端短時強降水的日變化特征（圖略）可知，東莞地區(qū)極端短時強降水日變化高峰主要集中在13：00—19：00，共496站次，占總數(shù)的42%，其中17：00出現(xiàn)極端短時強降水次數(shù)最多，共87站次，其次為18：00共86站次；次高峰主要集中在01：00—06：00，占總數(shù)的28%。由此可以看出，午后到傍晚、凌晨到早晨是極端短時強降水的易發(fā)時段。07：00—12：00以及20：00—00：00是低值時段，降水站次數(shù)最少的時段為23：00，僅出現(xiàn)過13站次。

2）站次日變化。

由于主汛期（4—9月）出現(xiàn)極端短時強降水站次數(shù)占總站次數(shù)的94%，而在此期間各月份造成強降水的天氣系統(tǒng)不同，出現(xiàn)極端短時強降水的站次差異較大，不同月份的同一時次極端短時強降水出現(xiàn)次數(shù)難以進行比較。因此，對主汛期的極端短時強降水站次采用z-score標準化方法進行標準化處理，使各指標處于同一數(shù)量級，消除站次差異的影響［15］。

z-score標準化轉(zhuǎn)換函數(shù)為

其中，x是1 d 24 h內(nèi)逐時極端短時強降水站次；μ為24 h內(nèi)逐時短時強降水站次的平均值；σ為標準差，按月統(tǒng)計每個時次出現(xiàn)極端短時強降水的總站次。

從極端短時強降水逐月日變化（圖4）可以看出：

圖4 2008—2019年東莞極端短時強降水逐月日變化

（1）4月極端短時強降水易出現(xiàn)在中午和傍晚，20：00—次日10：00不易發(fā)生，其中22：00—次日02：00、07：00—10：00在統(tǒng)計時段內(nèi)未出現(xiàn)極端短時強降水。

（2）5月日變化呈“雙峰”型，01：00—02：00、13：00分別為極端短時強降水的高峰和次高峰，說明5月極端短時強降水易發(fā)生在凌晨和午后，夜雨特征明顯。

（3）6月日變化呈波動式上升，從14：00開始極端短時強降水明顯趨于增多，17：00—18：00達到峰值，01：00—05：00、09：00—13：00不易發(fā)生極端短時強降水，02：00未出現(xiàn)。

（4）7月日變化與5月相似，但最高峰出現(xiàn)的時間較5月稍晚，極端短時強降水最易發(fā)生在05：00，其次是13：00—19：00；20：00—次日04：00和07：00—12：00不易發(fā)生，其中20：00、09：00—10：00未出現(xiàn)。

（5）8月極端短時強降水易發(fā)時段更集中在早晨時段，04：00—06：00最易發(fā)生，即同樣具有明顯的夜雨特征，11：00—20：00呈弱波動上升趨勢，21：00—03：00、07：00—10：00不易發(fā)生。

（6）9月日變化較大，白天振蕩頻率較大，峰值出現(xiàn)在08：00—09：00，21：00、07：00和12：00在統(tǒng)計時段內(nèi)沒有發(fā)生過極端短時強降水。

4 雨量及年極值分布

4.1 雨量分布

從2008—2019年東莞極端短時強降水雨量統(tǒng)計表（表略）可知，小時雨量在50～59.9 mm范圍內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)最多，共665站次，占比超過1／2（56.4%）；其次是60～69.9 mm，占23.4%。小時雨量在100 mm以上出現(xiàn)過28次，分別為2010年23次、2013年4次、2017年1次，其中2010年僅5月7日就出現(xiàn)了20次。

4.2 年極值

1）分布。

表1為2008—2019年東莞極端短時強降水年極值統(tǒng)計表，由表1可知，2010年5月7日01：00石排鎮(zhèn)出現(xiàn)了2008—2019年期間極端最強短時強降水，達到了143 mm，其次為2013年5月22日14：00出現(xiàn)在高埗鎮(zhèn)的短時強降水，達到了118.4 mm。5—6月出現(xiàn)年極值次數(shù)最多，達到了7次；其余月份中，8月出現(xiàn)了2次；3、7、9月各出現(xiàn)1次，4月在統(tǒng)計時段內(nèi)未出現(xiàn)過年極值。從年極值的片區(qū)分布來看，埔田片和沿海片最多，各出現(xiàn)3次；山區(qū)片和水鄉(xiāng)片各2次；城區(qū)片和丘陵片各1次。

表1 2008—2019年東莞極端短時強降水年極值統(tǒng)計

2）天氣流型配置。

極端短時強降水一般都發(fā)生在有利的環(huán)流背景下［1］。分析東莞地區(qū)2008—2019年期間極端短時強降水年極值的主要影響系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)其對應(yīng)的天氣流型配置主要有西南氣流型、冷空氣切變型、季風(fēng)低壓型和東風(fēng)波型4種［12］，每種類型占比分別為41%、25%、17%和17%。從不同天氣流型發(fā)生時段來看，發(fā)生在前汛期極端短時強降水年極值的主要影響系統(tǒng)為西南氣流型和冷空氣切變型，發(fā)生在后汛期的則為季風(fēng)低壓型和東風(fēng)波型。

值得一提的是，有學(xué)者研究表明臺風(fēng)型天氣流型配置是造成珠江三角洲地區(qū)極端短時強降水的主要系統(tǒng)之一［16］，本研究統(tǒng)計發(fā)生在東莞地區(qū)的區(qū)域性極端短時強降水（3個或以上站點同時錄得小時雨量≥50 mm）時也發(fā)現(xiàn)，由臺風(fēng)型引起的區(qū)域性極端短時強降水在天氣流型配置中約占14%，但在統(tǒng)計時段內(nèi)并未出現(xiàn)過因臺風(fēng)型引起的極端短時強降水年極值事件。另外，除2013年外，其余年份的極端短時強降水年極值事件均發(fā)生在區(qū)域性極端短時強降水過程中。

5 結(jié)論

1）東莞地區(qū)極端短時強降水總體呈現(xiàn)出中西部多、東部少的特征，城區(qū)片是極端短時強降水的易發(fā)區(qū)域，說明城市作用對穩(wěn)定滯緩的降水系統(tǒng)有阻礙效應(yīng)，導(dǎo)致城區(qū)的降水強度增大。

2）全市極端短時強降水總體大致呈現(xiàn)“一年多兩年少”的波動上升趨勢，年內(nèi)分布主要集中在主汛期，且在5—6、8月呈現(xiàn)出“雙峰”特征，午后到傍晚、凌晨到早晨是極端短時強降水的易發(fā)時段。

3）小時雨量在50～59.9 mm范圍內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)最多，占比超過1／2，小時雨量在100 mm以上出現(xiàn)過28次。

4）極端短時強降水年極值在5—6月出現(xiàn)次數(shù)最多，2010年5月7日出現(xiàn)了期間極端最強短時強降水，為143 mm。

5）極端短時強降水年極值事件的天氣流型配置主要有西南氣流型、冷空氣切變型、季風(fēng)低壓型和東風(fēng)波型4種，發(fā)生在前汛期的主要影響系統(tǒng)為西南氣流型和冷空氣切變型，發(fā)生在后汛期的則為季風(fēng)低壓型和東風(fēng)波型。