强弱天气尺度强迫下广东短时强降水时空特征分析

梁巧倩，李晓娟，文秋实，张艳霞，丁伟钰

（1.广东省气象台（南海海洋气象预报中心），广东 广州 510641；2.中国气象局广州热带海洋气象研究所，广东 广州 510641）

1 引 言

短时强降水是强对流天气的重要类别之一，其生命史短但降水效率高，容易造成突发的城市内涝、山体滑坡和泥石流等灾害，其致灾性比一般的暴雨降水更甚。但目前的数值天气预报尚未能很好地预报短时强降水，使其成为灾害性天气预报预警的重点和难点，也是目前国内外研究的重点之一。华南地区是我国短时强降水多发区[1]，广东前汛期86%的暴雨过程都伴有短时强降水[2]，2017 年5 月7 日广东广州增城新塘镇录得184.4 mm/h 的极端小时雨量，造成了当地严重的城市内涝。因此针对广东短时强降水做深入研究很有必要。

目前国内针对各地短时强降水时空特征已有许多相关研究[3-5]。孙喜艳等[6]把广东≥20 mm/h的短时强降水分6 个等级分别考察了其4—9 月的时空变化特征。蔡晶等[7]用5 年逐时雨量数据分析了广东短时强降水的时空分布特征。为广东短时强降水时空特征的认识提供了较详细的参考。

一般认为短时强降水主要在强的天气尺度强迫下发生，陈元昭等[8]把珠江三角洲地区重大短时强降水天气流型总结为台风型、西南季风型、北部湾低压型、冷（式）切变线型和热带云团型等5 种。但广东地区常有在非低值天气尺度系统如副热带高压控制下出现致灾短时强降水的情况。2017年5 月7 日强降水过程，天气尺度系统较弱，极端短时强降水也可以发生。这种发生在弱天气尺度背景下的短时强降水，更是预报中的难点。区别短时强降水的天气尺度强弱，进而了解强/弱天气尺度强迫下短时强降水的时空特征，将有助于进一步深入探究短时强降水的发生发展。

至于强/弱天气尺度强迫的分类，目前还没有统一的标准，业务上也没有明确的指标。Lin 等[9]从无天气尺度扰动（锋面、热带气旋等）的角度，提出弱天气尺度强迫。付伟基等[10]指出弱强迫天气系统是指地面没有冷锋或高空没有冷槽的天气系统。潘留杰等[11]认为天气尺度系统（高空槽线、切变线等）不明显或较弱，地面无锋面系统，T-lnP 图上无显著不稳定能量存在是弱天气系统强迫条件之一。肖现等[12]则认为动热力条件差，且天气尺度系统为弱高压系统前侧西北气流或者浅薄弱脊为弱天气背景强迫。总体来看，已有研究对天气尺度强迫的强弱判定多基于主观定性的分析，主要是从影响的天气尺度系统出发，排除了能直接导致降水的天气系统如高空槽、锋面等，再定义弱天气尺度强迫。本文认同前述分析，从天气尺度的概念出发，认为天气尺度系统要满足时空的天气尺度大小，也要反映出其强迫的动力作用，故尝试引入垂直速度来客观定量化区分强弱天气尺度强迫。

因此，本文将利用10 年的逐时雨量资料定义短时强降水日，从年均、强/弱天气尺度强迫三个类别分别考察短时强降水的时空分布特征。

2 资料和方法

2.1 资 料

本文所用资料包括：（1）2010—2019 年109.6～117.2 °E、20.2～25.6 °N 范围（以下称为广东区域）实时业务存储的自动站逐时雨量资料，资料来源于广东省CIMISS(全国综合气象信息共享平台)，通过了实时业务基本质量控制，但范围内的海上资料稀少和质量不稳定，文章涉及海上的信息不予分析。（2）2010—2019 年EC ERA-Interim 0.25 °×0.25 °逐6 小时再分析500 hPa 和700 hPa的垂直速度场。

2.2 方 法

2.2.1 强/弱天气尺度强迫

根据天气学原理[13]，天气尺度约为103km，主要系统包括西风带长波、温带气旋和反气旋、副热带高压、台风、东风波动、热带辐合带、低空切变线、低空急流等。广东区域东西横跨约8 个经度，基本满足天气尺度的空间大小，24 小时周期可满足天气尺度的时间长度，即受天气尺度系统的强迫，大气的上升或下沉在天气尺度空间上普遍存在且在时间上有一定的持续性和强度。故采用一天4 个时次（08 时、14 时、20 时和02 时，北京时间，下同）平均的广东区域平均垂直速度ω 来描述天气尺度强迫，采用500 hPa 和700 hPa 的垂直速度ω共同衡量天气尺度强迫的高度和厚度。

2.2.2 短时强降水个例选取

本文选用国家气象中心业务规定，单个测站出现≥20 mm/h 降水为该测站出现了短时强降水。通过如下流程抓取时段内的短时强降水单体，即：首先，若有1站次出现≥20 mm/h降水，则以该站点为中心20 km×20 km 范围内所有站点，若有20%的站点出现≥20 mm/h 降水，则认为该范围内出现了1 个短时强降水单体；其次，逐小时对所有观测雨量站点进行如上的遍历（已计算为短时强降水单体内的不再重复）得到每小时的短时强降水单体；然后，逐小时对所有单体进行边界重叠的判断，最大范围原则合并重叠的单体，并记录其新的边界，得到每小时的短时强降水单体。最后，以08时—次日08 时定义1 天24 小时，逐小时判别邻近两小时短时强降水单体边界是否重叠，最大范围原则合并重叠的单体，并记录其新的边界及合并的起止时间，得到每个短时强降水日的短时强降水单体。

通过如上步骤的遍历和合并，界定了短时强降水可能的持续时间和最大可能范围，从雨强、持续时间、空间集中度3个方面反映了短时强降水的活动情况。

根据天气系统尺度划分方法[13]，中尺度系统可分为三个等级，200～2 000 km 为中-α 尺度，20～200 km 称为中-β尺度，2～20 km 称为中-γ尺度。上述计算选取20 km×20 km 范围能够筛选出中-γ尺度及以上的短时强降水区域，可以和短临预报的时空尺度相联系。计算中选取了20%的站点占比，在测站足够密集的区域可以在一定程度上过滤那些因错误记录到≥20 mm/h 降水而可能进入文章下一步统计数据的测站。

定义短时强降水日为：若1天内广东区域范围出现了至少1个短时强降水单体，则认为该日为短时强降水日。逐年计算得到2010—2019年短时强降水日如表1。2010—2019年短时强降水日中，根据2.2.1 的划分条件区别出强/弱强迫短时强降水日，此日内发生的短时强降水为强/弱强迫下发生的短时强降水。

将广东区域以0.01 °×0.01 °的分辨率格点化，然后将每个短时强降水单体进行格点投影，获得每个格点的短时强降水发生频次，便于年/月/日/时不同时效的格点化空间分布统计。

表1 2010—2019年短时强降水日及强/弱强迫短时强降水日占比

3 时空分布特征分析

3.1 短时强降水年变化

3.1.1 时间变化

从表1 可见，2010—2019 年年均短时强降水日209.9 天，约占全年57.5%，意味着≥20 mm/h 的雨强在广东经常发生，这种短历时强降水也是日常防灾重点。年均的强强迫短时强降水日54.4天，约占年均的26%；弱强迫短时强降水日39.1天，占18.6%。

2010—2019 年短时强降水日的年际变化大，其中2011 年的短时强降水日最少，与2016 年（最多）相差56 天。10 年间短时强降水日数缓慢增加，线性增长系数是1.52。

3.1.2 空间变化

年均短时强降水发生频次空间分布如图1a所示，全省范围都有可能发生短时强降水，但发生的高频区集中在粤西、珠江三角洲和粤东汕尾地区，与广东三个暴雨中心位置大致对应，和孙喜艳等[6]的计算结果一致。粤西的阳江-江门一带、茂名山区一带是短时强降水最频发区，年均发生40 次以上；粤西北（韶关和清远的北部）和粤东沿海是短时强降水低发区，年均少于20次。

强强迫短时强降水高频中心（图1b）与年均的几乎一致，频次占比（强强迫发生次数占发生总次数的百分比，以下类同）普遍介于30%～45%之间，其中粤东沿海和粤西北的占比最大，介于40%～45%之间，而雷州半岛的占比则低于30%。弱强迫短时强降水发生频次则明显减少，高频区位于粤西的阳江-江门一带和茂名山区一带（图1c），全区域范围来看依然维持年均频次东北少西南多的分布特征，频次占比普遍介于5%～16%之间，其中雷州半岛和粤东莲花山脉一带占比最高，介于15%～25%之间。

年均约有75%的短时强降水仅在1 小时内经历了生消发展，约18%历时2小时。仅历时1小时的短时强降水高频中心与年均中心分布一致，但弱强迫下区别于年均的高频中心，在粤北河源-梅州北部山区、粤东莲花山脉附近也是一个次中心（图2a）。历时2 小时及以上的短时强降水则相对集中在粤西、珠江三角洲北部和粤东惠州-汕尾一带，其中阳江附近次数最多，强强迫下三个中心的极端次数相当，为4～6 次（图2b）。从频次占比来看，珠江三角洲平原地区是仅历时1小时短时强降水的集中区，约占当地发生数75%以上（图2c），历时2 小时及以上短时强降水占比大于40%区域分散在雷州半岛和华南北部山区。

图1 年均（a）、强强迫下（b）和弱强迫下（c）短时强降水发生频次空间分布

图2 弱强迫持续1小时短时强降水（a）、强强迫持续2小时短时强降水（b）、年均持续1小时短时强降水占比（c）

3.2 月变化

3.2.1 时间变化

短时强降水日的逐月变化曲线（图3a）可见，全年均可能发生短时强降水，4—9月最频繁，超过20天/月；其中8月年均30.3天，几乎天天都有短时强降水发生，其次是7 月；广东后汛期的短时强降水日比前汛期略多。

强强迫下短时强降水主要发生在广东前汛期4—6 月，10～14 天/月，6 月最多。10 月—次年1 月几乎没有强强迫下的短时强降水发生。而弱强迫短时强降水在7 月有12.4 天的单峰峰值，6 月较前期陡增，8—11 月仍然每月有4 天左右发生短时强降水。3 月分别有3 天左右的强/弱强迫短时强降水发生（图3b）。

图3 年均（a）和强/弱强迫下（b）短时强降水逐月变化

3.2.2 空间变化

3 月在粤西阳江-江门一带和两广交界的云浮-肇庆-清远南部一带有年均2 次左右的短时强降水发生（图4a），其中，肇庆-云浮一带和珠江口附近弱强迫下发生的短时强降水占比超过50%。3 月的广东，北方南下的冷空气仍然活跃，锋面系统造成的降水主要在粤北，形成总雨量北多南少分布（图5），这与3 月短时强降水频次分布并不一致，后者的发生位置更偏南偏西。

图4 3—10月（a～h）年均短时强降水发生次数空间分布图

图5 1989—2018年平均的广东省86站3月累计雨量图 单位：mm。

4 月，年均4 次以上的高频区在珠江三角洲北部-河源南部-惠州一带，其次是茂名北部山区（图4b）。短时强降水主要在强强迫下发生，除雷州半岛外，强强迫的占比为50%～90%。5 月（图4c），短时强降水明显增多，年均6次以上的高发区位于粤西和珠江三角洲，而雷州半岛、粤东和粤北山区是年均2 次左右的低发区，年均10 次以上的最强频次中心在珠江三角洲北部的暴雨中心附近。6月广东三个暴雨中心（珠江三角洲北部、粤西沿海-珠江口西侧沿海和粤东沿海）及茂名山区是年均6 次以上的短时强降水高频区（图4d），高频区的短时强降水主要在强强迫下发生，占比为60%～65%，粤东沿海高达70%。4—6 月广东上空西风带系统活跃，南方暖湿气流北上，容易在广东形成天气尺度的冷暖交汇，故短时强降水多发生在强强迫下，且发生频次与前汛期总雨量在空间分布特征上有较好的对应关系。

7—8 月（图4e～4f），短时强降水的高发区位于广东南部沿海，其中茂名-阳江-江门一带发生次数最多。这与广东后汛期年均暴雨日数大值中心[14-15]基本对应。7—8 月是台风登陆广东的盛期，广东沿海特别是粤西沿海受副高西南侧的东南气流控制，短时强降水的发生与台风及副高边缘的热对流活动关系密切，8 月又较7 月略多。而短时强降水低发区的粤北，其短时强降水主要在弱强迫下发生，占比为40%～60%，较中南部高。

9月（图4g），短时强降水发生次数明显减少，粤西是年均4次左右的高频区，而粤西北山区几乎没有短时强降水发生；10月（图4h），短时强降水进一步锐减，粤西和珠江口西侧有零星发生，但雷州半岛的徐闻是10—11月的高频中心，年均2次左右。

综上所述，广东短时强降水逐月发生频次空间分布与广东汛期降水节奏和落区基本一致，4—6 月短时强降水发生频密，范围最广，高频区集中在三个暴雨中心附近，其中珠江三角洲北部5—6月最多，50%以上发生在强强迫下；后汛期短时强降水主要发生在南部，次数往北递减。茂名山区是区别暴雨中心的另一个短时强降水高频区，3—9 月都较其余地区多发。3 月肇庆-云浮和珠江口附近弱强迫下短时强降水占比最高；7月粤北短时强降水弱强迫占比最高。

3.3 日变化

3.3.1 时间变化

年均短时强降水的发生次数具有准双峰的日变化特征（图6a），13—20 时是一天中短时强降水高频时段，峰值在16 时，次峰出现在9 时；而22 时—次日03时是一天中短时强降水发生次数最少的时段，其次是11 时。这与蔡晶等[7]的结论基本一致。但4 月短时强降水次数的双峰时间与年均相反，最大峰值出现在09 时，次峰值出现在16 时；10月短时强降水发生次数锐减，双峰结构不明显。

强/弱强迫下的日变化与年均一致，但逐月有区别：强强迫下（图6b），4 月最大峰值出现在08时，7月则在15时，都较年均提前1小时；8月在17时达到高峰，较年均延后1 小时。弱强迫下（图6c），6 月最大峰值出现在16 时，但14 时已接近峰值频次；7月和10月最大峰值都出现在17时，较年均延后1 小时；8 月次峰值在08 时，较年均提前1小时。

图6 年均（a）、强强迫下（b）和弱强迫下（c）短时强降水发生频次逐月日变化

3.3.2 空间变化

逐时来看短时强降水发生次数的空间变化发现：12—20 时，短时强降水从粤西沿海逐渐往内陆、往东发展，16—18 时发生范围最广；半夜00 时前后短时强降水发生频次最少；03 时在沿海又开始新一轮发展，07 时范围最广。强强迫下空间分布日变化与年均基本一致。但弱强迫下，19 时短时强降水主要发生在粤西和珠江口西侧，而年均高频区的肇庆-广佛和粤东北几乎没有短时强降水发生（图7）；早晨07 时，粤西阳江沿海有孤立的高频中心（图8），与阳江暴雨中心夜雨特征一致，与阳江附近中小尺度地形影响有关[16]。

将09-20时定义为白天，则从白天短时强降水发生次数对全天的占比（图9a）来看，雷州半岛-云浮-肇庆一带、河源-梅州-粤东山区一带的短时强降水主要发生在白天，特别是雷州半岛-茂名山区，占比为70%～80%；而南部沿海和珠江三角洲地区，白天次数较夜间略偏多，占比为50%～60%。

图7 19时年均（a）、强强迫下（b）和弱强迫下（c）短时强降水频次分布 图中数值为原值的10倍。

图8 07时年均（a）、强强迫下（b）和弱强迫下（c）短时强降水频次分布 图中数值为原值的10倍。

图9 年均短时强降水（a）和弱强迫短时强降水（b）白天发生频次占比

强强迫短时强降水白天发生占比与年均分布类似，但雷州半岛南部的较之更高，达80%以上，夜间发生较多的区域对应广东三个暴雨中心。弱强迫短时强降水白天发生占比的高值中心较年均略偏高，其中粤西的茂名山区和粤东北高达80%以上（图9b），而粤西北则夜间较白天略多。

4 结 论

采用500 hPa和700 hPa日均广东区域平均的垂直速度来客观定量衡量天气尺度强迫，并利用2010—2019 年的逐时自动站雨量区别强/弱天气尺度强迫下的短时强降水与年均的进行了时空特征对比分析。初步得到以下结论。

（1）年均过半的天数广东区域至少有1 个测站出现短时强降水，其中强、弱强迫下分别约占26.0%和18.6%。粤西阳江-江门一带、茂名山区一带是短时强降水最频发区，其次是珠江三角洲和粤东的暴雨中心。

（2）年均约75%的短时强降水仅历时1小时。珠江三角洲75%以上的短时强降水仅历时1 小时。弱强迫下，仅历时1小时的短时强降水在粤北河源-梅州北部山区、粤东莲花山脉附近有次中心，历时2 小时及以上的相对集中在粤西、珠江三角洲北部和粤东惠州-汕尾一带。

（3）4—9月短时强降水发生最频繁，8月几乎天天都有短时强降水发生，但6月短时强降水出现最多。强强迫下4—6 月最多，弱强迫下7 月达到峰值。4—6月短时强降水高发区集中在三个暴雨中心附近，后汛期则主要发生在南部。茂名山区是区域暴雨中心的另一个短时强降水高发区。3月肇庆-云浮和珠江口附近地区弱强迫下短时强降水占比最高；7月粤北弱强迫短时强降水占比最高。

（4）年均短时强降水频次具有准双峰的日变化特征，峰值出现在16 时，次峰在09 时，4 月峰值和次峰相反。强弱强迫下，4 月、6—8 月和10 月峰值出现时间与年均有提前或延后1 小时的变化。日内16—18 时短时强降水发生范围最广，凌晨新的一轮发展从沿海开始，07 时范围最广。弱强迫下早晨07 时在粤西阳江沿海有孤立的高频中心。雷州半岛-云浮-肇庆一带、河源-梅州-粤东山区一带的短时强降水主要发生在白天；弱强迫下，粤西茂名山区和粤东北高达80%以上。