2023 年广西暴雨强度极端性分析

2023-02-19刘国忠覃卫坚董良淼陈业国李生艳梁存桂梁嘉颖

气象研究与应用 2023年4期

刘国忠，覃卫坚，董良淼，陈业国，李生艳，梁存桂，梁嘉颖

（1.广西壮族自治区气象台，南宁 530022；2.广西壮族自治区气候中心，南宁 530022）

在全球气候变暖的背景下，极端暴雨天气气候事件强度远远超出了平均态，往往引发严重的洪涝灾害，特别是北京“7·21”、河南“7·20 ”［1-2］、华北“7·31”极端暴雨事件［3-4］造成重大人员伤亡和财产损失之后，极端暴雨受到了极大的关注［5-9］，广西也发生了多次极端暴雨事件［10-12］，极端暴雨天气气候事件呈现频发、重发、常态化的变化趋势。针对暴雨极端性研究，很多专家从水汽通量、位涡、Q 矢量、散度等物理量诊断分析暴雨的极端性［13-16］，取得了一定的成果，对预报业务提供了有益的指导，但是暴雨强度指数极端性研究还不多见。暴雨极端性研究为气象业务所急需，如中国气象局在《中国气象科技发展规划（2021—2035）》《“十四五” 气象预报业务发展规划》《暴雨监测预报预警服务能力提升工作方案（2021—2025 年）》提出“制定全国分区域极端暴雨事件标准，分析全国极端暴雨事件分布特征和变化规律”，广西壮族自治区气象局《广西气象事业发展“十四五”规划》和《广西暴雨监测预报预警服务能力提升工作方案（2022—2025 年）》中提出“加强极端暴雨大尺度环流异常特征及维持机制研究，建立广西极端暴雨历史个例数据库”。“广西壮族自治区气象局极端暴雨形成机理及预报技术研究创新团队”制定了广西极端暴雨事件的评估标准，开展了极端暴雨形成机理研究，取得了丰富的研究成果。

本文利用1961—2021 年地面气象观测站逐日降水观测资料，建立广西极端暴雨事件强度评估标准，开展2023 年广西暴雨强度极端性分析，加深对广西暴雨灾害极端性的整体性、规律性认识，以期对广西极端暴雨灾害业务及研究提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料

包括2023 年1—12 月广西3 075 个地面气象观测站（其中89 个国家级地面气象观测站，简称“国家站”）逐日降水观测资料。

1.2 方法

（1）单站暴雨定义:气象观测站点24 h（北京时20—20 时，下同）雨量≥50 mm。

（2）区域性暴雨过程定义:广西89 个国家站24 h逐日降雨量≥50 mm 的站数在4 站以上，至少有1 d出现10 站及以上日降雨量≥50 mm，持续天数≥2 d。

（3）根据广西壮族自治区气象台业务规定，按暴雨发生范围将暴雨日划分为局地性暴雨日、区域性暴雨日及全区性暴雨日三种类型。局地性暴雨日:广西国家站89 站中1～9 站24 h 雨量≥50 mm。区域性暴雨日: 广西国家站89 站中10～19 站24 h 雨量≥50 mm。全区性暴雨日:广西国家站89 站中≥20 站24 h雨量≥50mm。区域性暴雨日和全区性暴雨日统称为区域性以上暴雨日。

（4）“广西壮族自治区气象局极端暴雨形成机理及预报技术研究创新团队”将广西极端暴雨分为三种类型:站点极端暴雨、区域性极端暴雨日、区域性极端暴雨过程，分别对应局地暴雨灾害、单日大范围暴雨灾害、持续时间长范围广的暴雨灾害过程三种暴雨灾害，其中站点极端暴雨又分为1、3、6、24 h 极端暴雨。

（5）利用1961—2021 年地面气象观测站逐日降水观测资料，建立广西极端暴雨事件强度评估标准，计算每次站点暴雨、区域性以上暴雨日、区域性暴雨过程综合强度。

暴雨事件强度指数计算公式［17］:

D 为暴雨过程持续天数，St为第t 天出现暴雨站数，Rt，i为暴雨过程中第t 天的第i 站日降水量≥50 mm 的日降水量。

采用百分位数计算法，选取最强5%各类型暴雨为极端暴雨，利用公式（1）统计并建立了各类极端暴雨事件阈值标准。可以看出，站点暴雨综合强度与降雨量值有关，数值与雨量值一样；区域性暴雨日综合强度与暴雨站数和各站点降雨量有关；区域暴雨过程强度与暴雨站数、各站点降雨量和持续天数有关。计算得到区域性极端暴雨日综合强度指数阈值为535.60，区域性极端暴雨过程综合强度指数阈值为701.30，广西3 075 个地面气象观测站有各自极端暴雨强度指数阈值。

2 2023 年暴雨强度极端性分析

2.1 站点暴雨强度极端性分析

2023 年广西3 075 个地面气象观测站共出现24 h 极端暴雨928 站次，分布在3—12 月的31 个时段，共65 d，平均每天约14 站次（表1），各县（区）均有出现，具有发生数量多、时间跨度长、空间分布广、时空分布不均等特征。从89 个国家站（城市站）24 h极端暴雨（表2）可见，全区出现站点极端暴雨14 站次，分布在5—10 月的8 个时间段，共19 d，大多持续1～2 d，最多持续4 d，平原、城市与山区、乡村极端暴雨的差异明显，山区、乡村比平原、城市多发，这可能与地形相关。因此，对于站点极端暴雨发生需要特别关注特殊地形下中小尺度天气系统影响。

表1 2023 年1—12 月地面气象观测站24h 极端暴雨时段

表2 2023 年1—12 月国家站24h 极端暴雨强度

2.2 暴雨日强度极端性分析

据统计，2023 年广西共出现暴雨日106 d，其中局地性暴雨日92 d、区域性暴雨日10 d 及全区性暴雨日4 d（表3），区域性以上暴雨日14 d 分布在4—10月，主要集中在6 月，比历史平均（17.9 d）约少4 d［18］。造成区域性以上暴雨日的主要天气系统为热带天气系统8 d（台风4 d、台风残涡2 d、南海热带扰动2 d）和西风带冷空气6 d，热带天气系统多于西风带天气系统，造成广西南部暴雨灾害频次比北部高，这与常年情况相反。弱于热带低压的台风残涡及南海热带扰动等弱天气系统也造成区域性以上暴雨日，这种情况以往较为少见。区域性以上暴雨日的国家站最大雨量多为大暴雨，其中南海热带扰动和2316 号台风“三巴”影响时，国家站最大雨量为特大暴雨，国家站日最大雨量为429.9 mm，地面气象观测站日最大雨量553.6 mm，局地降雨强度大。11 次区域性以上暴雨日国家站没有出现站点极端暴雨，3 次有1 次为站点极端暴雨，区域性以上暴雨日综合强度指数为221.10～474.40，最强指数为2304 号台风“泰利”造成的7 月18 日30 个国家站暴雨以上降雨的全区性暴雨日，但强度未达到区域性极端暴雨日综合强度指数阈值535.60，2023 年度广西无区域性极端暴雨日。据灾情统计，这与2023 年度没有发生单日大范围严重暴雨灾害一致，主要原因是在区域性以上暴雨日，站点极端暴雨出现偏少。

表3 2023 年1—12 月区域性以上暴雨日信息表

从表1 和表2 综合分析可以看出，区域性以上暴雨日较少出现站点极端暴雨，而大量局地性暴雨日伴有站点极端暴雨，一些局地性暴雨日伴有大量站点极端暴雨，引发严重局地性暴雨日灾害，主要个例如下:

（1）2023 年4 月24 日广西局地性暴雨日，主要造成玉林一带的集中灾害。7 个国家站出现暴雨，暴雨区主要位于玉林市辖区，最大24 h 雨量出现在陆川县良田镇车田村259.4 mm。分析暴雨的极端性，9个地面气象观测站出现极端暴雨，无国家站出现极端暴雨。24 日10 时陆川县良田镇车田村1h 雨量为166.8 mm，破玉林市1h 雨量历史极值，为广西历史第三位。24 日09 时博白县宁潭镇1h 雨量为143.6 mm，破博白县1h 雨量历史极值。

（2）2023 年5 月22 日广西局地性暴雨日，主要造成桂林一带的集中灾害。6 个国家站出现暴雨，暴雨以上降雨区域主要位于桂林市辖区，其中桂林国家站大暴雨，最大24 h 雨量为桂林市秀峰区甲山琴潭329.4 mm。分析暴雨的极端性，13 个地面气象观测站出现站点极端暴雨，桂林国家站出现极端暴雨。5 月22 日06 时桂林市秀峰区甲山琴潭1 h 雨量为160.6 mm，22 日06—08 时桂林市秀峰区甲山琴潭3h 雨量为300.1 mm，均破桂林城区历史极值，为桂林市历史第二位、广西历史第四位。

（3）2023 年8 月24 日广西局地性暴雨日，主要造成百色市北部山区的集中灾害。9 个国家站出现暴雨以上降雨，暴雨区主要位于百色市辖区，其中田林、靖西两站出现大暴雨。分析暴雨的极端性，14 个地面气象观测站出现极端暴雨，田林、靖西两个国家站出现极端暴雨，最大24 h 雨量出现在凌云县岑王老山东南侧249.5 mm，是百色市2008 年以来8 月历史同期日最大降雨量，24 日04 时田林县八渡乡小时雨量83.2 mm，为田林县8 月历年最大小时雨量。

可见，暴雨日的强度及灾害与站点极端暴雨出现数量和强度相关，综合强度强的暴雨日包含数量多和强度强的站点极端暴雨，暴雨日灾害也越强。区域性极端暴雨日反映单日大范围极端暴雨及灾害，预报区域性极端暴雨日可视同于预报单日大范围极端暴雨灾害。

2.3 区域性暴雨过程强度极端性分析

2023 年广西出现区域性暴雨过程5 次（表4），在6—10 月，持续天数2～5 d，国家站出现暴雨20～86站，国家站最大累计雨量223.4～592.2 mm，地面气象观测站最大累计雨量356.4～914.6 mm，综合强度指数为462.90～729.20，所有过程最大累计雨量具有地面气象观测站大于国家站的特征，表明暴雨与地形相关的特点。区域性暴雨过程由台风、台风残涡、南海热带扰动、冷空气等4 种主要影响天气系统造成［19-21］。

表4 2023 年1—12 月区域性暴雨过程信息表

2.3.1 区域性极端暴雨过程分析

2023 年6 月22—26 日“龙舟水”天气过程综合强度指数为729.20，超过区域性极端暴雨过程综合强度指数阈值701.30，为2023 年唯一的一次区域性极端暴雨过程。受冷空气伴暖区影响，全区出现暴雨，过程持续5 d，国家站暴雨总站数86 站，国家站日最大雨量为22 日宜州139.3 mm，地面气象观测站日最大雨量出现在22 日都安拉烈镇拉烈村305.9 mm，最大过程雨量为贺州八步莲塘炭冲487.3 mm；有243 个地面气象观测站出现极端暴雨，其中宜州、龙州2 个国家站出现极端暴雨。这次暴雨过程具有最大的站点极端暴雨数，造成全区大范围的暴雨灾害。

2.3.2 其他类型区域性暴雨过程分析

与暴雨日相似，其他4 次区域性暴雨过程均伴有站点极端暴雨，一些区域性暴雨过程伴有大量站点极端暴雨，造成严重局地暴雨灾害过程。主要个例如下:

（1）2023 年6 月8—9 日广西区域性局地暴雨灾害过程。受南海热带扰动影响，北海、钦州、防城港及玉林市出现暴雨，过程持续2 d，国家站暴雨总站数20 站，国家站日最大雨量为8 日北海429.9 mm，地面气象观测站日最大雨量为9 日铁山港石头埠为553.6 mm，最大过程雨量为铁山港石头埠714.3 mm。分析暴雨的极端性，34 个地面气象观测站出现24 h 极端暴雨，其中北海、合浦2 个国家站出现24 h极端暴雨。9 日02—04 时3 h 北海铁山港区兴港雨量为272.3 mm，突破北海市3 h 雨量历史极值，8 日23 时—9 日04 时6 h 雨量为440.5 mm，突破广西6 h历史极值，24 h 雨量为614.7 mm，突破北海市24 h雨量历史极值。这次暴雨过程造成沿海至桂东南一带较大范围的灾害。

（2）2023 年9 月11—14 日广西区域性局地暴雨灾害过程。受2311 号台风“海葵”残涡影响，玉林、北海、钦州、防城港等市出现暴雨，过程持续4 d，国家站暴雨总站数30 站，国家站日最大雨量为11 日博白329.3 mm，地面气象观测站日最大雨量为11日博白水鸣新和404.7 mm，最大过程雨量为铁山港进港航道大牛石灯桩516.2 mm。分析暴雨的极端性，138 个地面气象观测站出现极端暴雨，其中博白国家站出现极端暴雨。博白国家站24 h 雨量374.2 mm 和11 日20 时日雨量329.3 mm 均突破历史极值。这次暴雨过程造成沿海至桂东南一带较大范围的灾害。

（3）2023 年10 月19—22 日广西区域性局地暴雨灾害过程。受2316 号台风“三巴”伴冷空气影响，过程持续4 d，北海、玉林、钦州、梧州、贵港等市出现暴雨，国家站暴雨总站数30 站，国家站日最大雨量为20 日北海295.0 mm，地面气象观测站日最大雨量为20 日北海银海侨港亚平453.5 mm，最大过程雨量为北海银海侨港亚平914.6 mm。分析暴雨的极端性，276 个地面气象观测站出现极端暴雨，其中北海国家站出现极端暴雨。北海银海侨港镇亚平气象观测站24 h 雨量780.3 mm，打破广西有观测记录以来24 h 最大降水量纪录，玉林博白东平气象观测站24 h 雨量522.1 mm，破博白县24 h 最大降水量纪录。北海银海侨港亚平过程雨量914.6 mm 破北海记录。这次暴雨过程造成沿北海、玉林一带严重集中灾害。

可见，区域性暴雨过程的强度及灾害也与站点极端暴雨出现数量和强度相关，综合强度强的区域性暴雨过程包含数量多和强度强的站点极端暴雨，暴雨过程灾害也越强。区域性极端暴雨过程反映暴雨过程大范围极端暴雨灾害，预报区域性极端暴雨过程可视同于预报大范围区域性极端暴雨灾害过程。