2017—2019年东莞城区内涝特征及与降雨关系分析

2021-03-16姜晓岑莫伟强尹淑娴

广东气象 2021年1期

姜晓岑，莫伟强，尹淑娴

（东莞市气象局，广东东莞 523086）

城市内涝是指由于强降水或连续性降水超过城市排水能力，排水不畅导致城市内产生积水的灾害现象，对人民的生命财产等造成了极大的威胁［1］。现有研究通过分析暴雨个例、结合气象、地理和城市建设等多个方面综合分析探讨了内涝的成因和治理方法［2-5］。天津［6］、北京［7］、武汉［8］、南昌［9］等城市根据各地的城市建设情况，通过建立数学评估模型、数值仿真模拟监测系统等方式，对内涝灾害进行了评估、模拟和预报预测。西安、湛江、南宁等城市使用内涝监测资料和降雨资料等，对内涝分布特征、积水与降雨特性进行了总结［10-12］。

东莞市气候温暖，雨量充足，降雨多集中在4—9月，年平均降雨量约1 831.6 mm，最大年降雨量达 2 710.9 mm（2008年），年平均暴雨日8～9 d，历史最多的年暴雨日达15 d（1966年）。同时，东莞地势东南高、西北低，城区片（东城、莞城、南城、万江）位于西部偏北地区，强降水发生时较易发生积涝，但目前尚未对东莞城市内涝特征进行分析。因此，本研究使用东莞城市内涝预报验证系统提供的2017—2019年积水和降雨资料、SWIFT自动站资料、NCEP 1°×1°再分析资料、广州雷达基本反射率资料，对东莞城区的内涝特征及与降雨的关系进行分析，以便为今后防灾减灾救灾提供参考。

1 内涝监测系统简介及内涝概况

1.1 内涝监测系统

2017年至今，东莞城区共设置了18个内涝监测点，主要通过压力式内涝水位探头、雨量计、摄像头进行自动探测，观测到雨量或积水数据时，内涝水位监测、雨量数据和现场图片每5 min上传一次至东莞城市内涝预报验证系统，无降雨时则每天 08：00、20：00（北京时，下同）进行图片上传，文中使用的积水水位和降雨数据均来自该系统。

1.2 内涝概况

以积水深度达0.15 m以上，且持续时间超过30 min为一次内涝事件的标准，2017年3月—2019年9月，全市18个内涝监测点中有15个点监测到内涝事件，共163次，最多为鸿福西路的41次。由于东莞内涝监测点主要分布在城市路边或交叉路口附近，参考以往对于内涝积水阈值的研究［13-15］，道路石沿高约0.15 m，汽车排气口高在0.25～0.35 m，进气口高在0.44～0.8 m，最终选取内涝等级阈值为：积水深度0.15～0.25 m为轻度内涝、0.25～0.4 m为中度内涝、0.4 m以上为重度内涝，经统计，共监测到轻度内涝20次，中度内涝58次，重度内涝85次（表1），可见东莞城区内涝发生频繁，且重度内涝较多。

内涝与强降水密切相关，东莞内涝事件发生在1、3—10月，其中，96%发生在4—9月，前汛期（4—6月）多于后汛期（7—9月），以 5月最多，有37次，其次为4月，有33次。

表1 各站点内涝总次数及各内涝等级次数

2 内涝积水与降雨的关系特征

2.1 最大积水深度与降雨的关系

由于部分内涝点监测到的内涝事件较少，所以选取内涝次数前5的站点进行最大积水深度与降雨量关系的分析（表2）。总体上，各站点最大积水深度与1 h最大降雨量的相关性最好，相关系数普遍在0.7以上，其次为积水峰值雨量和30 min最大降雨量，可见，与长时间降雨相比，短时强降雨更易引起积水较深的内涝。

表2 各站点积水深度与降雨量的相关系数

5个站点中，鸿福西路、凯旋门、雍华庭站的积水深度与1 h最大降雨量的相关性最好，鸿福西路和凯旋门站相关系数分别达0.799 3和0.793 5，相关关系如图1所示。东阳学校则与30 min最大降雨量的相关性最大；八达路站的积水深度与5 min最大降雨量的相关性较大，但是相关系数值均较小，这可能与数据偏少有关。

图1 鸿福西路站（a）和凯旋门站（b）的积水深度与1 h降雨量的相关关系

由于1 h最大降雨量与积水深度的相关性最好，所以结合1.2节中的3级内涝标准，计算得到5个站点的1 h降雨量的内涝风险阈值（表3）。可以看到，当1 h降雨量在11.8～23.0 mm时，城区大部分站点可能出现轻度内涝，当1 h雨量达27.6 mm以上时，大部分站点可达中度内涝等级，此时也已经达到短时强降水的标准；当1 h降雨量在51.2 mm以上时，大部分站点将可能出现重度内涝，这一结论对预报员发布暴雨预警时有一定的参考价值。

表3 一小时降雨量的内涝风险阈值 mm

2.2 积水时长与降雨的关系

通过计算积水时长与30 min、1 h最大雨量、过程总雨量的相关系数发现，过程总雨量和1 h降雨量都对长时间积水有较明显的影响。总体上表现为积水持续时间与过程总雨量有明显的相关性，平均相关系数约0.633，最大相关系数为凯旋门的0.903；与1 h最大降雨量的平均相关系数约0.430 6，相关系数偏小；一定程度上说明过程总雨量较大更易导致内涝长时间维持。同时，积水时长与最大积水深度也有一定的关系（平均相关系数约0.402 9），表现最明显的站点为鸿福西路站，相关系数为0.589 3。

2.3 积水深度与降雨的时间变化关系

对163次内涝事件统计发现，积水一般滞后降雨约5～30 min出现，平均滞后时间约20 min，出现积水时，累积雨量在0.6～64.6 mm，平均累积雨量为17.8 mm。积水峰值要滞后于5和30 min；积水峰值平均滞后5 min雨量峰值约34 min，滞后30 min雨量峰值约22 min；与1 h雨量峰值同时出现或提前于1 h雨量峰值出现，未表现出明显的滞后。

由鸿福西路监测站2019年4月20日11：40—16：45积水深度和降雨的时间变化曲线（图2），可以较明显地看出积水深度曲线的峰值落后于5和30 min降雨量峰值，而与1 h降雨的峰值则几乎同时出现。

图2 鸿福西路站的积水深度与降雨量的时间变化

3 致涝暴雨个例分析

2017年9月1日02：00 1716号台风“玛娃”在台湾西南部海面生成，前期路径曲折，但整体以西北行为主，3日21：30前后“玛娃”在广东汕尾陆丰市沿海登陆，受其环流影响，东莞普降暴雨到大暴雨（图3a），3日20：00—4日 20：00全市自动气象站观测到最大日雨量220 mm，城区最大日雨量191.6 mm，2017年已建的8个城区内涝站点中6个站监测到内涝事件，且均达中度以上内涝等级，5个达重度内涝，位于城区强降雨中心的港口大道站（图3a，编号12）监测到了东莞城市内涝的最大积水深度1.67 m，凯旋门站（图3a，编号3）监测到最长积水时间13 h 40 min。

分析该次过程的大气环流场发现，台风“玛娃”200 hPa辐散中心位于其西南侧，925 hPa强辐合中心位于其中心附近，随着“玛娃”向东莞靠近，4日08：00—14：00东莞位于 200 hPa强辐散中心、925 hPa强辐合中心附近，500 hPa东莞主要受台风环流控制，850 hPa受台风切变控制，垂直抬升条件好；4日在台风环流影响下，700、850 hPa湿度明显增大，水汽充足；广东南部海面最大CAPE值维持在2 700 J/kg以上，近地面西南风持续向陆地输送暖湿气流，为降雨提供了有利的能量条件（图略）。地面瞬时风场上，4日08：00—11：00珠江口附近南风加大并向东莞汇合（图3c），08：00—09：00城区附近多波动，促进了局地强雷雨的发展，09：00—11：00时受偏北、西北气流影响，城区附近波动长时间维持，利于局地对流发展的同时也利于广州一带雷雨云团南下影响东莞。

4日04：30前后“玛娃”靠近东莞，东莞市境内的雷雨云团自东南向西北方向发展，07：30起城区附近降雨回波加强并南压，08：12—09：00强降雨中心回波值达55～60 dBz（图3b），各内涝点普遍在 08：05—08：55之间、滞后降雨约20～30 min出现积水（图 4a），08：20—09：00间最大5 min降雨量11.4～18.4 mm、30 min降雨量达35.6～97 mm，短时强降雨导致各内涝点积水迅速达中、重度内涝等级；09：00—11：00城区的雷雨回波强度维持，同时广州一带发展起来的强雷雨回波持续向东莞境内移动，持续的强降雨使09：00—10：00间各内涝点1 h降雨量达峰值（图4b），其中4个点达100 mm以上，最大值为鸿福西路的116.4 mm，各站点的积水深度在1 h雨量峰值前后约5～15 min内也普遍达到峰值；11：00后降雨强度渐趋减弱，直至20：00后台风中心远离，降雨趋于结束，期间总雨量相对较小、降雨持续时间短的东阳学校、八达路和雍华庭站的积水在11：00前后逐渐退去，总雨量大值中心附近、降雨持续时间较长的鸿福西路、凯旋门和港口大道站的积水则长时间维持（图3a、图4）。除了降雨因素外，内涝也受地理位置、排水系统建设情况等多种因素影响，如港口大道站出现内涝后较长时间的维持在重度内涝等级，与其所处位置地势较低（海拔高度0.56 m）也有关。

综合以上分析可知，该次致涝暴雨在台风影响的有动力、水汽和热力环境下，局地波动长时间维持，促进局地对流发展，使降雨具有累计雨量多、小时雨强大的特点，导致城区出现中、重度内涝。与统计特征表现一致的是，短时强降雨使城区内涝积水较深，过程总雨量大导致内涝积水长时间维持。