潮州極端短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布特征及地形作用

丁麗佳，謝漢良，佘元標(biāo)，凌良新，林嘉慧，徐振樾

（1.潮州市氣象局，廣東 潮州 5 2 1 0 0 0；2.饒平縣氣象局，廣東 饒平 515700；3.潮州市突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，廣東 潮州 521011）

潮州市地處廣東省東南部，南臨南海，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。地勢(shì)總體北高南低，地貌類型復(fù)雜多樣，有山地、丘陵和平原，海拔高差約1 400 m，主要山脈有粵閩交界的武夷山系嶂宏山脈支脈和潮梅交界的蓮花山系鳳凰山脈。春夏季受西風(fēng)槽、季風(fēng)、臺(tái)風(fēng)等天氣系統(tǒng)影響，在地形等因素的作用下，易出現(xiàn)局地強(qiáng)降水天氣，造成城市內(nèi)澇、山洪和山體滑坡等次生災(zāi)害，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。2016年8月9日潮州市饒平縣浮濱鎮(zhèn)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，小時(shí)雨量達(dá)61.7 mm，導(dǎo)致出現(xiàn)山洪爆發(fā)，其下游的青嵐地質(zhì)公園內(nèi)6名參觀者閃避不及被山洪沖走，其中4名死亡的慘重事故。

近年來，不少學(xué)者對(duì)極端短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生和發(fā)展進(jìn)行研究，取得不少成果。例如申莉莉等［1］、劉佩廷等［2］、伍紅雨等［3］分別利用國(guó)家氣象觀測(cè)站資料對(duì)京津冀地區(qū)、華中區(qū)域、廣東省極端短時(shí)強(qiáng)降水特征進(jìn)行分析，結(jié)果顯示極端短時(shí)強(qiáng)降水的日變化明顯，而且區(qū)域差異顯著；陳芳麗 等［4］、黃 先 香 等［5］、鐘 雄 炎 等［6］、梁 鐘 清等［7］對(duì)廣東極端強(qiáng)降水個(gè)例進(jìn)行分析，指出地形對(duì)極端強(qiáng)降水有增幅作用。以往關(guān)于不同地區(qū)強(qiáng)降水時(shí)空分布特征的研究多為省級(jí)或以上區(qū)域，且多基于縣級(jí)觀測(cè)站點(diǎn)資料，空間分辨率較低，難以刻畫復(fù)雜地形下強(qiáng)降水的分布特征。廣東極端短時(shí)強(qiáng)降水的地區(qū)差異顯著［8］，潮州市地處廣東省的東南部，地形復(fù)雜，影響天氣系統(tǒng)種類多，暴雨山洪內(nèi)澇等災(zāi)害頻發(fā)，而對(duì)其強(qiáng)降水時(shí)空分布特征的研究卻尚不多見。本研究利用潮州國(guó)家及區(qū)域自動(dòng)站資料，分析極端短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布特征，為潮州極端短時(shí)強(qiáng)降水的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)提供理論支撐，為潮州暴雨洪澇及地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防控提供技術(shù)參考。

1 資料與方法

1.1 資料及來源

本研究使用2013年以前建成的51個(gè)區(qū)域觀測(cè)站及2個(gè)國(guó)家觀測(cè)站的逐時(shí)降水資料，資料年限為2013—2020年。資料來源于自動(dòng)氣象站月報(bào)表。所用站點(diǎn)分布較為均勻，海拔高度4～1 340 m，能較好反映潮州市降水空間分布特征（圖1）。

圖1 廣東省潮州市地形及站點(diǎn)分布

1.2 資料質(zhì)量控制

依據(jù)現(xiàn)行的中華人民共和國(guó)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地面氣象觀測(cè)資料質(zhì)量控制QX／T118-2010》，并參考相關(guān)質(zhì)量控制文獻(xiàn)［9-10］，采用以下方法對(duì)自動(dòng)站逐小時(shí)降水資料進(jìn)行質(zhì)量控制。

（1）界限值檢查：超越氣候?qū)W界限值和區(qū)域界限值范圍的數(shù)據(jù)為錯(cuò)誤。潮州地區(qū)的氣候?qū)W界限值和區(qū)域界限值范圍均為0～150 mm／h。

（2）時(shí)間一致性檢查：當(dāng)降水量（R）≥1 mm，連續(xù)4個(gè)及以上時(shí)次相等，則相應(yīng)數(shù)據(jù)判為錯(cuò)誤。

（3）空間一致性檢查：當(dāng)被檢站點(diǎn)R＞5 mm時(shí)，與鄰近（半徑10 km）的自動(dòng)站數(shù)據(jù)比較，當(dāng)出現(xiàn)下列情況①或②之一時(shí)，則認(rèn)為被檢站該時(shí)次數(shù)據(jù)可疑：①被檢站點(diǎn)R＞3倍鄰近站降水量；②被檢站點(diǎn)R＜1／3鄰近站降水量。對(duì)于檢查出的“可疑”數(shù)據(jù)利用雷達(dá)反射率［11］、預(yù)警發(fā)布、災(zāi)情等實(shí)況資料進(jìn)行甄別，判定降水觀測(cè)資料是否異常。

1.3 極端短時(shí)強(qiáng)降水的定義及統(tǒng)計(jì)方法

本研究采用1 h R≥50 mm的標(biāo)準(zhǔn)定義極端短時(shí)強(qiáng)降水事件［12］。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，首先對(duì)2013—2020年潮州市各站點(diǎn)的逐時(shí)降水資料進(jìn)行篩選，統(tǒng)計(jì)各站點(diǎn)的極端短時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)；再計(jì)算出各站點(diǎn)出現(xiàn)極端短時(shí)強(qiáng)降水的逐年、逐月、逐時(shí)的平均次數(shù)；最后計(jì)算相應(yīng)時(shí)段全市的出現(xiàn)頻次。根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)篩選出的極端短時(shí)強(qiáng)降水有1 863次，通過質(zhì)控，有可疑數(shù)據(jù)41個(gè)，通過甄別，判斷其中有3個(gè)數(shù)據(jù)有誤，予以剔除，總共得到1 860個(gè)數(shù)據(jù)。

本研究資料的統(tǒng)計(jì)分析使用Excel軟件、空間分析使用surfer軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 極端短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)間分布特征1）逐年分布。

2013—2020年潮州市出現(xiàn)極端短時(shí)強(qiáng)降水的頻次呈波動(dòng)下降趨勢(shì)（圖2），其中2013年出現(xiàn)頻次最多，平均每站達(dá)7.3次，2014年有所下降，2015—2016年又明顯增加，達(dá)到6次左右，2017—2020年明顯下降，其中2020年僅1.8次。從圖2還可以看出極端短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次多的年份年降水量相對(duì)較大，計(jì)算極端短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次與年雨量?jī)蓚€(gè)序列的相關(guān)系數(shù)為0.89，通過0.01顯著性水平檢驗(yàn)，相關(guān)顯著，表明極端短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生多寡對(duì)潮州市的年降水量有較大影響。

圖2 潮州市極端短時(shí)強(qiáng)降水頻次的年變化

2）逐月分布。

從逐月的極端短時(shí)強(qiáng)降水分布情況（圖略）看，除1、11月未出現(xiàn)1 h R≥50 mm的極端強(qiáng)降水外，其他月份均出現(xiàn)，多數(shù)出現(xiàn)在4—9月，占總次數(shù)的96.9%，月分布存在雙峰特征，主峰出現(xiàn)在8月份，平均每年每站達(dá)1.2次，次峰出現(xiàn)在6月份，為0.8次。

上述分析發(fā)現(xiàn)，潮州市的極端短時(shí)強(qiáng)降水多發(fā)生于汛期，主峰出現(xiàn)的8月份是后汛期臺(tái)風(fēng)影響主要時(shí)段，說明熱帶氣旋降水對(duì)潮州市的極端短時(shí)強(qiáng)降水的出現(xiàn)貢獻(xiàn)較大。次峰出現(xiàn)的6月份是西南夏季風(fēng)爆發(fā)，熱帶輻合帶北抬影響華南沿海的時(shí)段，可見熱帶輻合帶是6月份潮州極端短時(shí)強(qiáng)降水的主要天氣系統(tǒng)。

3）日變化。

從極端短時(shí)強(qiáng)降水的日變化（圖3）可以看出，14：00—19：00、22：00—00：00出現(xiàn)的頻次較高，在0.2次以上，其中17：00、18：00在0.3次以上；03：00—11：00是少發(fā)時(shí)段，出現(xiàn)頻次少于0.15次；08：00—20：00出現(xiàn)的頻次是20：00—08：00的1.4倍。綜上可知，潮州市的極端短時(shí)強(qiáng)降水多發(fā)生在白天段，呈雙峰型的日變化特征，主峰出現(xiàn)在午后到傍晚，次峰出現(xiàn)在上半夜到午夜。分析結(jié)果與廣東小時(shí)強(qiáng)降水日變化特征［3］存在差異，廣東省日變化為雙峰型，主峰是下午到傍晚，次峰在早晨。午后到傍晚時(shí)段的熱力條件有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生，這可能是造成潮州極端短時(shí)強(qiáng)降水多發(fā)生于午后到傍晚的主要原因，但是上半夜到午夜出現(xiàn)次峰的原因還有待進(jìn)一步分析。

圖3 潮州市極端短時(shí)強(qiáng)降水頻次的日變化

2.2 極端短時(shí)強(qiáng)降水的空間分布特征

2.1節(jié)結(jié)果顯示，潮州極端短時(shí)強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在4—9月，因此本研究重點(diǎn)分析4—9月的空間分布特征；而極端強(qiáng)降水日變化的空間分布特征方面，將每日按早晨（06：00—08：00）、上午（09：00—11：00）、中午（12：00—14：00）、下午（15：00—17：00）、傍晚（18：00—20：00）、上半夜（21：00—23：00）、午夜（00：00—02：00）、下半夜（03：00—05：00）進(jìn)行分段，分析各時(shí)段內(nèi)極端短時(shí)強(qiáng)降水的空間分布特征。

1）月空間分布。

從各月極端短時(shí)強(qiáng)降水的空間分布（圖4）上可以看出，4—6月潮州市的極端短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)頻次逐月增加，4月高頻中心主要位于中部，5月除了中部外，南部地區(qū)也出現(xiàn)分中心，6月份南部沿海發(fā)生頻次明顯增加；7與5月的分布情況接近，但比5月發(fā)生頻次更高；8月發(fā)生頻次明顯增加，而且除了中部和南部的高頻中心外，西北部出現(xiàn)了頻次更高的中心，9月高頻中心主要位于中部到西北部。

圖4 潮州市極端短時(shí)強(qiáng)降水空間分布月變化（單位：次）

結(jié)合潮州的地形圖（圖1）可以看出，4—7月極端短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)頻次較高的區(qū)域主要位于中部，也即是平原到山區(qū)的過渡區(qū)域；8—9月分布情況明顯不同，在西北部高海拔山區(qū)出現(xiàn)了高頻中心，表明了8—9月，除了平原到山區(qū)的過渡區(qū)域外，高海拔山區(qū)更是極端短時(shí)強(qiáng)降水的高發(fā)區(qū)。另外前面逐月的時(shí)間分布特征分析結(jié)果顯示6月份的平均發(fā)生頻次高于9月份，而從空間分布看，9月份的高頻中心發(fā)生極端短時(shí)強(qiáng)降水的頻次要高于6月份，說明9月份出現(xiàn)極端短時(shí)強(qiáng)降水的局地性更強(qiáng)。

2）日空間分布。

從極端短時(shí)強(qiáng)降水空間分布的日變化（圖5）可以看出，下半夜到上午（圖5c-e）發(fā)生的頻次較低，主要出現(xiàn)區(qū)域是在饒平縣的中部和潮安區(qū)的西北部；中午起發(fā)生頻次逐漸增加，且有由中南部逐漸向北傳播的趨勢(shì)，到上半夜至午夜，高頻區(qū)域主要位于中部偏北海拔較高地區(qū)。

圖5 潮州市極端短時(shí)強(qiáng)降水空間分布日變化（單位：次）

2.3 極端短時(shí)強(qiáng)降水空間分布與地形關(guān)系

廣東省天氣預(yù)報(bào)技術(shù)手冊(cè)中指出，迎風(fēng)坡、喇叭口地形、河谷、海陸分布等地形效應(yīng)對(duì)降水有增幅作用［13］。分析潮州市短時(shí)強(qiáng)降水頻次與地形、河流及海陸分布關(guān)系，總結(jié)出短時(shí)強(qiáng)降水高發(fā)區(qū)的地形或下墊面特征有3種類型。

1）迎風(fēng)坡地形。

根據(jù)第2章分析結(jié)果，并結(jié)合潮州地形，本研究將潮州迎風(fēng)坡作用分為3類：東南、西南和東北迎風(fēng)坡。

（1）東南風(fēng)迎風(fēng)坡，主要有兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)位于饒平縣中部的東山鎮(zhèn)-湯溪鎮(zhèn)-浮山鎮(zhèn)-浮濱鎮(zhèn)、建饒鎮(zhèn)，其西側(cè)為鳳凰山脈，東側(cè)為嶂宏山脈，兩側(cè)山脈形成了饒平縣中部的山谷地形；另一個(gè)在潮安區(qū)的西部登塘鎮(zhèn)附近，其東北側(cè)及西南側(cè)分別為山地，登塘鎮(zhèn)位于兩山之間的谷地。當(dāng)該地東南風(fēng)加強(qiáng)后，氣流進(jìn)入山谷，地形收縮使得氣流輻合加強(qiáng)，進(jìn)而加大氣流上升運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致降水增大。

（2）西南風(fēng)迎風(fēng)坡，主要位于潮安區(qū)中北部的文祠鎮(zhèn)到萬峰林場(chǎng)，其南部為潮汕平原，東北側(cè)為鳳凰山脈，當(dāng)該地西南風(fēng)加強(qiáng)后，在迎風(fēng)坡抬升，導(dǎo)致降水增大。

（3）東北風(fēng)迎風(fēng)坡，主要位于潮安區(qū)西南部的沙溪鎮(zhèn)，其西南側(cè)為桑浦山，當(dāng)邊界層出現(xiàn)來自臺(tái)灣海峽的東北急流時(shí)，易在其東北側(cè)抬升，導(dǎo)致降水加劇，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

2）河谷地形。

河谷地形主要位于潮安區(qū)北部赤鳳鎮(zhèn)。該鎮(zhèn)建于韓江沿江兩岸的河谷地帶，兩側(cè)為山區(qū)，氣流沿韓江而上，由于河道變窄，加之兩側(cè)山脈的夾擊形成的喇叭口地形，使得氣流輻合加強(qiáng)，進(jìn)一步加大大氣上升運(yùn)動(dòng)，形成強(qiáng)烈降水。

3）沿海地區(qū)。

該類型主要位于饒平縣南部沿海鄉(xiāng)鎮(zhèn)，主要是臺(tái)風(fēng)影響形成的強(qiáng)降水。該區(qū)域處于海陸交界，當(dāng)熱帶氣旋在潮州市及其西側(cè)登陸時(shí)［14］，饒平沿海有明顯的東南風(fēng)，由于地形抬升使得氣流輻合加強(qiáng)，加強(qiáng)了降水強(qiáng)度。

3 結(jié)論

1）2013—2020年潮州市出現(xiàn)極端短時(shí)強(qiáng)降水的頻次呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，與年雨量有明顯正相關(guān)關(guān)系。

2）汛期（4—9月）是潮州發(fā)生極端短時(shí)強(qiáng)降水的主要時(shí)段，呈雙峰型分布，主峰在8月份，次峰在6月份。

3）潮州市極端短時(shí)強(qiáng)降水逐時(shí)分布呈雙峰型，下午到傍晚是主要發(fā)生時(shí)段，其次是上半夜到午夜。

4）潮州市極端短時(shí)強(qiáng)降水的空間分布不均，4—6月潮州市的極端短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)頻次逐月增加，高頻中心由中部逐漸擴(kuò)展到南部；8月發(fā)生頻次明顯增加，出現(xiàn)西北部、中部偏東、西南部多個(gè)中心，9月高頻中心主要位于中部到西北部。極端短時(shí)強(qiáng)降水空間分布的日變化存在中午起發(fā)生頻次逐漸增加，且有由中南部逐漸向北傳播的趨勢(shì)，到上半夜至午夜，高頻區(qū)域主要位于中部偏北海拔較高地區(qū)。

短時(shí)強(qiáng)降水的空間分布與地形關(guān)系密切，多產(chǎn)生于迎風(fēng)坡、河谷和沿海等地形，在精細(xì)化網(wǎng)格預(yù)報(bào)中需加強(qiáng)上述地區(qū)各類氣象條件綜合研判。