2011—2021年广州黄埔短时强降水时空分布特征及成因分析

黄 景,夏 丰,蔡 桓,廖碧婷,黄晓云,李黎微

(1.广州市黄埔区气象局,广州 510700;2.中国气象局广州热带海洋气象研究所,广州 510641)

0 引言

短时强降水是短时间内降水强度较大,降水量级达到或超过一定阈值的天气现象,是广东省最为多发的灾害性天气之一,具有突发性强、致灾性强、预测难度大等特点,也是气象防灾减灾工作的重点和难点[1]。随着气候变暖,强对流灾害性天气愈发频繁[2]。为提高对短时强降水发生发展规律的认识,多年来学者们致力于相关研究。陈炯等[3]分析了中国暖季短时强降水的时空分布特征,指出华南地区是短时强降水发生频率最高的地区;伍红雨等[4]分析了广东短时强降水的时空分布特征,指出短时强降水的空间分布与地形关系密切,多产生于河谷、湖泊和喇叭口地形区,珠三角城市群是短时强降水多发区之一;王婷等[5]指出21世纪以来广州短时强降水发生频次明显增加,广州短时强降水事件具有局地性、突发性和增长性的特征;杨慧燕等[6]总结了近10 a广州短时强降水变化特征。近年来,随着降水精细化预报要求和地面气象自动观测站网分辨力的提高,一些学者对珠三角地区进行了精细化降水特征研究[7-10]。

黄埔地处广州东部,地势大致呈北高南低分布,自北向南分布有高丘陵、台地低丘陵、冲积平原3种地貌类型,是广州地区降雨频率较高的地区,广州八大暴雨中心中有两个位于此处,强降水给人民生命财产安全、城市基础设施、城市交通等造成严重影响。短时强降水常常表现出较强的局地性,但目前相关研究多基于国家站气象观测资料,空间分辨力不够精细。因此,基于本地自动气象观测站进行短时强降水特征分析尤为重要,对提升强降水精细化预报预警能力具有参考意义。

文章基于广州黄埔地区的国家站及36个区域站的历史气象观测数据,重点对短时强降水的发生进行特征分析,以加强对本地短时强降水规律的了解,进一步提高对短时强降水的认识和预报预警能力,为本地气象防灾减灾提供决策依据。

1 资料与方法

文章选用地处广州黄埔的广州国家基本气象站及36个区域站2011—2021年的逐小时降水观测资料,逐年剔除记录率低于80%的站点,基于统计分析方法研究总结广州黄埔的短时强降水时空分布特征及规律,并结合本地天气背景及地形特征进行成因分析。

文章使用短时强降水相关定义有:

1)标准:单站小时雨量≥20.0 mm[11];

2)短时强降水频次:单个站点出现短时强降水的频次,即小时数(单位:h);

3)短时强降水频率:短时强降水频次与观测频次的比值。

由于文章采用的资料为整点降水观测资料,统计的短时强降水频次及降水量将低于实际值。另外,根据华南地区气候特征,将季节定义为汛期(4—9月)和非汛期(10月—次年3月),其中汛期又分为前汛期(4—6月)和后汛期(7—9月)[12-13]。

2 结果与分析

2.1 空间分布特征及成因

2011—2021年广州黄埔年平均降水量为1,894.01 mm,年平均短时强降水频次为15.8 h,年平均短时强降水雨量为1,473.03 mm,贡献率为77.77%。分析黄埔各测站年平均短时强降水频次分布可知,广州黄埔短时强降水高发区主要为联和—萝岗—长岭—新龙一带及东部云埔一带,总体呈中部发生频次高、南北部发生频次低的特点。其中位于长岭街的广州国家基本气象站短时强降水频次最多,2011—2021年平均短时强降水频次为20.27 h;位于新龙镇的洋田蔬菜基地气象站(站点:G3328)发生短时强降水频次最少,年均11.20 h。联和—萝岗—长岭—云埔一带为前汛期短时强降水多发地带,而在后汛期,除了联和—萝岗—长岭一带,新龙镇知识城南部也是短时强降水多发地带。根据2011—2021年降水量统计数据可知,以上短时强降水高发区域与年降水中心分布接近,年平均降水量超过2000 mm。

地形强迫对本地降水的增幅作用明显。短时强降水高发区域分别位于帽峰山南侧(萝岗—长岭—云埔一带)、喇叭口(永和一带)、峡谷(新龙一带)等特殊地形附近。黄埔地区南部地势平缓,水汽输送条件较好,来自偏南方向的暖湿气流行至中北部高丘陵地区会因地形增幅而聚集和抬升,引起降温,水汽凝结,成云致雨。当对流单体行至黄浦地区,特殊的地形常使其滞留或与新的对流单体合并发展,更易引发强降水,造成中部联和—萝岗—长岭—新龙一带极端降水多发易发。另外,黄埔北部以高丘陵为主,下垫面建筑较少,植物偏多,蓄热能力差,气温偏低;南部地势平坦,且靠近珠江东江冷源垫面,不利于气团堆积;中部的下垫面热量条件优于北部及南部,该区域气温偏高,夏季高温天气较突出,平均年高温日达21.9 d,最高气温达38.3 ℃,热力条件较好,这也是中部短时强降水频发的原因之一。

2.2 时间分布特征及成因

2.2.1 年变化特征

由图1可知,2011—2021年广州黄埔站均短时强降水频次总体呈先增后减趋势。2011—2019年波动上升,其中2019年发生频次最高,主要表现为20.0 mm≤小时雨量<50.0 mm的强降水发生频次增多;2020—2021年短时强降水发生频次呈现逐年减少的趋势,极端强降水有所减少。以广州国家基本气象站为代表,该站短时强降水发生频次年变化趋势基本与全区平均情况一致,除2018年短时强降水频次低于全区平均以外,其余年份均明显高于全区平均。2011—2021年广州黄埔短时强降水频次的变化趋势与降水量变化趋势大致相同,近2 a影响黄埔的台风偏少,强降水过程较少,暴雨和短时强降水发生频次有所下降。

图1 2011—2021年广州黄埔短时强降水频次年变化曲线

2.2.2 月变化特征及成因

广州黄埔短时强降水呈明显的月变化特征,集中出现在汛期(4—9月)(图2a)。近11 a中,汛期短时强降水占全年的92.90%。其中,前汛期(4—6月)降水占54.29%,后汛期(7—9月)占38.61%,前汛期出现短时强降水的频率明显高于后汛期。短时强降水发生最频繁的月份为5,6和8月,其中5月最易出现小时雨量≥30.0 mm的极端强降水(图2b),而冬季极少出现短时强降水。广州国家基本气象站2011—2021年共出现223时次短时强降水,其中有211时次的短时强降水发生在汛期,占比为94.62%;5,6和8月的短时强降水占比分别为25.11%,20.63%和20.63%。

(a)短时强降水频率;(b)不同雨强短时强降水频次。图2 广州黄埔短时强降水月变化

3月份,冷暖空气交绥,锋面活动趋于频繁,雷电、短时大风、短时强降水、局地冰雹等强对流天气开始出现;4月份,短时强降水进一步增多;5,6月份,西南季风建立,暖湿气流盛行,水汽通道的建立提供了充足的水汽和不稳定能量条件,锋面暴雨及暖区暴雨高发,且多伴有雷电、短时大风、局地冰雹等强对流天气。前汛期中,4月份的强降水多为短历时和局地性过程;5,6月份尤其是“龙舟水”期间,降水的范围、强度、持续时间明显增大,是1 a中短时强降水发生最频繁的时段。

7月份,在副热带高压的控制影响下,黄埔多为晴热天气,降水偏少,为短时强降水的间歇期。8月份,随着副热带高压北跳,热带天气系统如台风、东风波、热带辐合带等活跃,容易产生持续性强降水过程。其中,台风登陆后的走向、移动速度和强度直接影响台风暴雨的强度和分布。9月份,登陆或影响本地的热带系统减少,短时强降水频率也明显下降。此外,后汛期气温高,有利于近地面大气能量聚集,午后热力条件好,强对流天气多发,且常具有明显的局地性特征。11月—次年2月,在大陆冷高压的控制下,水汽和能量条件差,不利于出现短时强降水[14-17]。

2.2.3 日变化特征及成因

前汛期的短时强降水日变化呈单峰型分布(图3a),峰值出现在午后至傍晚(13:00—20:00),该时段短时强降水的发生频率为52.43%。此外,早晨也是短时强降水多发时段。后汛期短时强降水日变化呈双峰型分布(图3b),主峰值出现在午后至傍晚(13:00—20:00),次峰值出现在凌晨(01:00—06:00),两峰值时段短时强降水发生频率分别为53.46%和19.73%。这是因为午后至傍晚大气热力条件好,有利于强对流天气发生。汛期呈现明显的夜雨特征,是因为黄埔地处珠江口,受海陆热力性质差异的影响,夜间海上暖湿气流上岸并向陆地推进,易形成辐合,触发强对流天气。

(a)前汛期;(b)后汛期。图3 广州黄埔短时强降水频率日变化

3 结束语

文章对2011—2021年广州黄埔短时强降水时空分布特征及成因进行分析后得出如下结论:

1)广州黄埔地区短时强降水高发区主要为中部联和—萝岗—长岭—新龙一带,与年降水中心接近。短时强降水空间分布总体呈中部发生频次高、南北部发生频次低的特点,地形强迫对降水的增幅作用明显。

2)2011—2021年,广州黄埔地区的短时强降水频次总体呈先增后减趋势,其中2019年短时强降水频次最多,2020和2021年短时强降水发生频次逐年减少。

3)短时强降水呈现明显的月变化特征。短时强降水集中出现在汛期,前汛期出现频率明显高于后汛期。受西南季风和热带天气系统影响,5,6及8月是短时强降水发生最频繁的时段。

4)前汛期的短时强降水日变化呈单峰型分布,峰值出现在午后至傍晚(13:00—20:00);后汛期短时强降水日变化呈双峰型分布,主峰值出现在午后至傍晚(13:00—20:00),次峰值出现在凌晨(01:00—06:00),午后热力激发和夜雨特征明显。