2003～2015年上海地区夏季午后短时强降水特征

张赟程

(华东师范大学 地理科学学院，上海 200241)



2003～2015年上海地区夏季午后短时强降水特征

张赟程

(华东师范大学 地理科学学院，上海 200241)

结合2003～2015年上海地区11个站点的小时雨量资料，分析了近10年来上海地区夏季午后短时强降水的时空分布特征。结果表明:时间分布上，短时强降水事件主要受太阳辐射和大气环流形势影响，高发期集中在每年的6～9月份，并且易于发生在午后14：00～18：00之间。空间分布上，城市化对上海地区夏季午后短时强降水有一定影响。城市化程度越高，强降水发生的概率也越大。

短时强降水；城市化；上海

1　引言

近年来，强降水造成的城市内涝灾害事件常有发生。这些强降水所形成的灾害不仅严重影响了正常的生产生活，同时对老百姓的生命财产安全也构成了威胁。上海作为长三角城市群第一大城市，同样需要面对这个问题。譬如2015年6月17日当天，上海局部雨量超过了200 mm，近200个测站雨量超过100 mm。这给居民出行带来了严重的不便。目前，已有一些学者针对上海地区强降水天气展开了相关的气候研究。杨露华等[1]指出2001年以后上海地区的强对流天气增多，而且出现次数最多的是短时强降水。贺芳芳等[2]指出自1995年以来，上海地区的暴雨逐渐向雨强、时间短、范围小的特点发展。其中静止锋容易形成长时间的暴雨，暖区暴雨则是上海地区夏季形成短时强降水的主要天气形势。胡艳等[3]指出，上海地区雷暴日有6年的周期振荡。并且城市以及城乡交界处发生雷暴的概率增加。梁平等[4]的研究也证实夏秋两季上海地区雨量的空间分布呈现明显的城市雨岛特征。由于资料的局限性，以往的研究结论多是针对日降水量或对一些特定过程进行统计分析。采用高时间分辨率降水资料，研究上海地区夏季午后这一特定时间段的短时强降水特征还比较少。为此，笔者选取上海地区11个站点小时降水资料对午后短时强降水进行分析，探究上海地区夏季午后短时强降水的时空分布特征，并解释这种分布的原因，以期为今后城市防汛减灾提供参考。

2　资料说明和短时强降水标准

笔者使用的资料为2003～2015年上海地区11个站点的小时降水资料和小时温度资料。站点具体分布状况如图1所示。由于获取的数据已经进行了质量控制，因此可以直接对数据进行统计分析。

按照中央气象台的定义可知：站点小时雨量大于或等于20 mm时，记为一次短时强降水。依据标准，对上海地区夏日午后12～18时(6个时次)的降水资料进行统计，分析短时强降水发生次数以及累计雨量的时空分布特征。对一指定站点而言，当日午后出现了几次短时强降水就记录当天午后发生了几次短时强降水事件。

图1　上海地区11个站点分布状况

3　结果分析

3.1月变化特征

首先将降水资料按月份进行划分，观察午后短时强降水的月变化特征。如图2所示，横坐标为月份，纵坐标为午后短时强降水累计发生次数。从图中可以看到，上海地区午后短时强降水发生次数在月份变化上呈现单峰形势，并且变化剧烈。午后短时强降水主要发生在每年的6～9月份，正好对应上海的汛期。其中8月份的午后强降水出现次数最高，一共发生了95次。相比6～9月份，其他月份午后短时强降水只出现了几次。究其原因，6～9月份副高脊线多位于N22°～30°之间，上海地区主要受西南或者偏东气流的影响，水汽条件较好。同时由于夏季太阳高度角比较大，造成午后地面温度比较高，使得大气层结不稳定，近地面层湍流发展旺盛，易于对流的发生发展。鉴于上述统计结果，我们将研究时间段设定在为6～9月份，而非常用的6～8月来表示夏季。

图2　2003～2015年上海地区午后短时强降水发生次数月变化特征

3.2年变化特征

考察2003～2015年上海地区午后短时强降水发生次数以及累计雨量年变化特征。如表1所示，2003～2015年上海地区夏季午后每年至少有10站次的短时强降水事件发生。其中2007～2009年是午后短时强降水的高发期。对于单个站点而言，市区发生午后短时强降水事件最多，13年间总共发生了41次；其次是浦东，一共发生了35次；再者为闵行、宝山、嘉定。发生午后短时强降水事件最少的是松江，只有14次。金山、南汇和崇明也不到20次。这样的分布与上海地区的行政划分有着很好的对应。中心城区站点：市区、浦东[6](浦东区按区县划分为近郊，但是浦东气象站点位于内环高架内，更多代表中心城区气象状况)；近郊站点：闵行、宝山、嘉定；远郊站点：松江、青浦、金山、奉贤、南汇、崇明。可见，上海午后短时强降水发生次数的空间分布与上海地区各区县城市化发展程度有一定的联系。按照城区、近郊、远郊的顺序，午后短时强降水发生次数呈减少趋势。

王喜全等[5]在研究城市化与北京地区降水分布变化时指出，降水受到大气环流等多种因素影响，年变化比较大。因此直接比较站点的绝对值并不能很好的表现降水分布特征。参考其对降水标准化处理的方式对表2进行标准化处理，并得出上海地区午后短时强降水年平均相对雨量分布特征。标准化步骤如下。

Rni=(Pni-Pn)/σn

(n=2003，,2004，……，2014,2015；i=1,2，……，11)，

其中n指向不同年份；i指向不同测站；Rni就是为所求站点i第n年6～9月份午后短时强降水相对雨量；Pni为站点i第n年6～9月份午后短时强降水实际雨量；Pn为第n年11个站点6～9月份午后短时强降水平均雨量，σn为第n年11个站点6～9月份午后短时强降水雨量标准差。

如图3所示，午后年平均相对雨量的正值主要位于市区、浦东、闵行、宝山和嘉定，表明这些地区的短时强降水雨量较全市偏多。尤其是在市区和浦东，午后短时强降水雨量远高于上海其他地区，这与强降发生水次数有很好的对应关系。同时也可以看到，正值区域正好是行政划分中的中心城区以及近郊，说明城市效应对上海地区午后短时强降水的时空分布有重要影响。为此，从热力和动力方面给出一定的解释。热力方面，城市下垫面对短波辐射的反射较少，因此吸收了大量的太阳辐射。又因为城市地表的水汽含量少，所以潜热通量较低，地表热量主要以感热通量和长波辐射的形式加热上层大气。再配合局地人为热的排放，形成了城市热岛。这加强了城市地区大气的不稳定层结，有利于热对流的产生。同时热岛环流与上海地区夏季午后的海风相互耦合，增强了城市地区的辐合上升运动以及向城市地区的水汽输送，有利于城市地区强降水的发生。动力方面，城市地区的地表粗糙度大，风在经过城市时会消耗一些能量，风速减慢。这就造成风场在城市地区的辐合上升，有利于降水形成。

图3　2003～2015年上海地区午后短时强降水年平均相对雨量分布特征(数值扩大1000倍)

表2　2003～2015年上海地区午后短时强降水累计雨量年变化特征　mm

3.3日变化特征

考察2003～2015年上海地区午后短时强降水发生次数日变化。如表3所示，上海地区夏季午后短时强降水发生的时间段主要集中在14：00～18：00时之间。选取年平均相对雨量大于300的3个站点，即徐家汇，浦东和闵行站点的平均值代表城市，记为城市站；选取年平均相对雨量小于200的4个站点，即松江，金山，南汇和崇明站点的平均值代表非城市，记为乡村站；[6]绘制6～9月午后短时强降水平均发生次数图(图4a)和2 m平均气温曲线(图4b)。从图中可以知道，上海地区的小时最高气温出现在中午14时左右，城市和乡村约有0.7 ℃的温差。午后短时强降水平均发生次数，城市站和乡村站都在15：00～16：00时达到最值，但是城市地区的变化幅度较大。结合两张图可以看到，上海地区夏季午后短时强降水次数与局地气温有着很好的对应关系。盛夏时节，太阳辐射在中午达到最强，地面温度在14时达到最高。所以盛夏时节的午后最容易形成不稳定层结，产生强对流[6]。城市热岛增加了这种不稳定的程度，因此城市地区出现短时强降水的次数更多。考虑强降水由生成到成熟需要一段发展时期，所以短时强降水发生次数峰值出现在15～16时，滞后气温峰值一个时次。

图4　城乡短时强降水发生次数图(a)和2 m温度图(b)

编号5836158362583655836658367583695837058460584615846258463名称闵行宝山嘉定崇明市区南汇浦东金山青浦松江奉贤总计12～13342273122223013～14552543702123614～15545274725475215～165543941032435216～17586283854135317～186265613572346

4　结论

通过分析上海地区11个站点小时降水资料，研究上海地区夏季午后短时强降水的时空分布关系，得到如下结论。

(1)一年中，上海地区午后短时强降水主要发生在6～9月份，其中最为频发的是7、8两个月。一天中，午后短时强降水主要发生在14时之后。大尺度环流形势和太阳辐射变化是造成这种时间分布的主要原因。

(2)不管是午后短时强降水的发生次数还是累计雨量。上海地区夏季午后短时强降水都在市区和浦东地区呈现一个高值中心。城市化带来的高温有利于局地不稳定层结的发展。同时热岛环流与海风的耦合增大了城市地区的辐合上升运动和水汽输送。地表的高粗糙度也使得风场在城市地区辐合。这一切都有利于城市地区对流的发生发展。

[1]杨露华,尹红萍,王慧,等.近10年上海地区强对流天气特征统计分析[J].大气科学研究与应用,2007(32):84～91.

[2]贺芳芳,赵兵科.近30年上海地区暴雨的气候变化特征[J].地球科学进展，2009,24(11):1260～1267.

[3]胡艳,端义宏.上海地区雷暴天气的气候变化及可能影响因素[J].中国海洋大学学报,2006,36(4):588～594.

[4]梁萍,丁一汇,何金海,等.上海地区城市化速度与降水空间分布变化的研究关系[J].热带气象学报，2011,27(4):475～483.

[5]王喜全,王自发,齐彦斌,等.城市化与北京地区降水分布变化初探[J].气候与环境研究，2007,12(4):489～495.

[6]陈雷,戴建华,汪雅.近10a长三角地区雷暴天气统计分析[J].暴雨灾害，2015,34(1):80～87.

Characteristics of Short-time Heavy Rainfall in Shanghai Region in the Summer Afternoon from 2003 to 2015

Zhang Yuncheng

(SchoolofGeographicalSciences,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200241,China)

The characteristics of spatial and temporal distributions of the short-time heavy rainfall in Shanghai region in the summer afternoon from 2003 to 2015 was studied by using the hourly rainfall data from 11 weather stations. The results showed that:short-time heavy rainfall mainlyoccurredduring June to September, especially during14 to 18pm.Results indicated that the rainfall mainly depended on the weather situations and the sun’s radiation. Besides that, there was a good corresponding relation between the occurrence frequency of short-time heavy rainfall and urbanization. The impacts of urbanization increased frequency of occurrence of short-time rainfall in downtown area.

short-time heavy rainfall; urbanization; Shanghai region

2016-05-18

张赟程(1989—)，男，华东师范大学地理科学学院硕士研究生。

P426.6

A

1674-9944(2016)14-0038-04