梅州短时强降水时空分布特征及地形影响

2024-03-13黄浩明陈金星姚秋芳赵立魏伟晓谢龙生

广东气象 2024年1期

黄浩明，陈金星，姚秋芳，赵立，魏伟晓，谢龙生

（1.五华县气象局，广东五华 514400；2.大埔县气象局，广东大埔 514200；3.梅州市气象局，广东梅州 514000）

短时强降水具有发展迅速、雨强大、局地性强、可预测性低等特点，极易引发城市内涝、山体滑坡和泥石流等灾害。随着全球变暖，我国极端降水平均强度和极端降水事件发生概率都有增大的趋势［1］。许多学者研究了广东极端强降水的特征及影响因素，伍红雨等［2］研究发现广东极端强降水频次区域差异明显，地形和环流等可能是极端强降水频次中心形成的重要因素；蒋鹏等［3］从水汽辐合的角度出发，发现广东省极端降水与极端水汽辐合对应关系良好；丁丽佳等［4］研究了潮州市极端短时强降水的分布特征，并总结出3类短时强降水高发的下垫面地形；陈芳丽等［5］通过对个例的研究，指出地形增幅对珠三角北部暖区强降水具有重要作用。

梅州地处低纬亚热带季风气候区，雨量充沛，全年超70%的雨量出现在汛期（4—9月）。梅州市总体地势由闽粤赣边境逐渐下降到梅江、兴宁盆地等后又重新高起，再逐渐下降到潮汕平原。地貌以山地、丘陵为主，山系以西南－东北向山脉为主。梅州五华是广东少雨中心之一，梅州是广东极端降水敏感区高值中心之一［6］，同时具有气流闭塞和易旱易涝等山区小地形气候特点，地质灾害风险系数高，需重视短时强降水的监测、预报和预警。梅州的降水研究不少［7－10］，但缺乏对短时极端降水以及地形影响方面的研究。本研究利用梅州逐小时雨量资料，探究短时强降水的分布特征及地形影响，以期深入了解其演变特征，为精细化预报预警服务提供参考。

1 资料和方法

本研究使用梅州市2010—2020年逐小时降水观测资料。为确保资料的代表性和可靠性，筛除建站时间晚或者有长时间缺测的站点，挑选出106个区域自动站再加上7个国家站作为研究站点。逐时降水资料使用极值检验、一致性检验等方法进行了质量控制。

本研究定义1 h雨量≥20 mm的降水为短时强降水。极端短时强降水的一般定义为1 h雨量≥50 mm的降水，考虑到此种极端短时降水发生频率低，主要由中小尺度天气系统造成，并且梅州山区地形影响明显，极端降水随机性较大，因此本研究定义某时段内最大时次小时雨量的平均值为极端小时雨强，用以描述极端短时降水的强度和极端性。

2 年变化特征

经统计，2010—2020年间梅州市共出现8 870站次短时强降水，每站年均出现7.14次。从年均频次分布（图略）来看，梅州短时强降水年变化总体呈增多或减少趋势，在5.17到9.54次范围内呈现3年左右的波动起伏。对年均降水频次进行连续功率谱分析，白噪声谱也检验出降水频次存在3年的短周期特征。

从短时强降水年均频次空间分布（图1）来看，梅州市短时强降水年均频次在3～12次之间，频次南北大中间小。北部大值区以平远县上举镇为中心，中心频次10.8次；南部大值区主要分布在丰顺县，其中也有南北两个中心，南边中心最大值达到全市最大的11.7次，此地处于很明显的迎风坡喇叭口地形。低值主要分布在山脉背风坡的一些平原低地、盆地处。

图1 2010—2020年梅州市气象站点与短时强降水年均频次分布

3 月变化特征

3.1 时间变化

由梅州2010—2020年所有站点频次之和的逐月变化与最大极端小时雨强的逐月变化（图略）可知，短时强降水频次主要集中在汛期（4—9月），11年间共出现8 399站次，约占全年频次的95%，并且呈现5和8月“双峰”、7月低谷的分布特征，与广东短时强降水次数逐月分布大体一致［11］。频次最多的3个月依次为5、6和8月，分别占全年的20%、18%和18%。极端小时雨强分布也类似短时强降水频次的双峰分布，但低谷在6月。

进入前汛期，冷空气虽然势力减弱但仍不断南侵梅州，遇上偏南暖湿气流时强降水多发；5月中旬左右南海季风开始爆发［12］，大气环流显著调整，西太副高北抬，偏南季风渐渐盛行，冷暖交汇加上南支槽活跃，导致5月的短时强降水频次快速增长。6月的短时强降水频次和极端小时雨强相比5月均变小。进入7月，在北跳加强的副高影响下，大范围降水活动导致的短时强降水频次进一步变小；但局地热雷雨和热带系统外围环流影响趋于明显，容易导致极端强降水，极端小时雨强反而增大，即短时强降水发生概率变小了但极端性增大了。8月是第2个峰期，热带气旋、东风波等热带天气系统活动频繁，短时强降水频次增多强度增大。9、10月后局地热对流减弱，热带系统外围影响也减弱，因此频次和雨强渐渐衰减。

3.2 空间分布

由于汛期的短时强降水占全年短时强降水的95%，因此选取4—9月短时强降水频次作空间分布图（图2）。

图2 梅州市逐月短时强降水频次分布

4月份短时强降水五华县较明显。5月份短时强降水主要分布在平远、蕉岭、兴宁北部和梅县北部，30次以上的站点有5个，其中最多的达到了32次。6、7月中北部的分布与5月类似，但强度逐月减弱。6到9月，丰顺县境内均出现频次大值区。梅州后汛期主要受热带气旋外围环流、热带辐合带和东风波等系统影响，这两处都是东南向的迎风坡喇叭口地形，利于气流辐合上升产生强降水。8月几乎全市都在10次以上，只有背风坡以及一些河谷低于10次；频次高值区各地都有分布，符合8月局地热雷雨多发的特征。总的来看，前汛期短时强降水主要分布在平远蕉岭以及兴宁的北部，以西南季风影响为主，后汛期主要分布在丰顺县，以热带天气系统影响为主。

4 日变化特征

4.1 时间变化

梅州地形复杂且前后汛期主要影响的天气系统不同，因此分全年、前汛期和后汛期来研究短时强降水的日变化特征。

图3是梅州2010—2020年所有站点强降水频次之和的日变化与最大极端小时雨强的日变化分布图。从全年来看，短时强降水频次高峰主要出现在下午，17：00（北京时，下同）附近达到最大；另外02：00和08：00出现次峰。极端小时雨强的分布基本与频次分布对应，但最大峰值出现在19：00，达到了79.5 mm，比频次主峰时间迟1到2 h，与预报员“梅州经常傍晚以后起雷雨强回波”的经验相符合，强雷雨回波更容易产生大雨强的极端短时强降水。

图3 2010—2020年梅州市短时强降水逐时分布

从前汛期来看，频次分布与全年相似。极端小时雨强范围在45～65 mm，全天分布差别较小。02：00、08：00也出现频次次峰（后汛期无此特征），说明凌晨到早上产生的短时强降水更易出现在这两个时刻前后。前汛期08：00—09：00短时强降水频次占全年同时次频次的78%，说明凌晨到早上的短时强降水主要是由前汛期贡献的。

从后汛期来看，频次逐时分布呈单峰型。午后频次快速增加，18：00附近达到峰值497次，之后减少至次日上午。凌晨到上午（00：00—12：00）频次几乎都在100次以下。极端小时雨强高峰同样有所延后，出现在19：00。

4.2 空间分布

从前汛期频次空间分布的日变化（图4）来看，下午至傍晚（15：00—20：00）频次最多，分布范围最广；上午至中午（09：00—14：00）主要分布在西北部，其余地区零散分布；上半夜到凌晨（21：00—02：00）和凌晨到早上（03：00—08：00）都主要分布在北部，其余地区分布很小。总的来说，前汛期短时强降水主要分布在下午至傍晚（15：00—20：00），北部地区相比其他地区夜间更易发短时强降水。

图4 梅州前汛期不同时段短时强降水频次分布

从后汛期短时强降水频次空间分布日变化来看（图略），下午至傍晚（15：00—20：00）是主要的短时强降水时段，丰顺两个小喇叭口地形是主要分布区，大值中心达到了35次以上；另外五华西部、梅县西部和北部也有比较明显的频次分布。

5 短时强降水与地形的关系

由第2－4章可知，梅州地形降水的发生与迎风坡喇叭口地形密切相关。

频次低值区主要位于莲花山脉西北侧的平原低地和凤凰山北侧背风坡，前汛期盛行风向与西南－东北走向的山脉大致平行，后汛期则处于背风坡位置，均不利于产生强降水。高发区均分布在迎风坡喇叭口地形处，并且前汛期主要分布在北部的平远蕉岭，后汛期则基本分布在丰顺县。平远蕉岭中北部的丘陵山地是西南迎风坡，前汛期西南季风盛行，利于小范围气流上升运动，利于产生降水。丰顺南部“八乡山－汤坑盆地－释迦岽－归湖盆地－凤凰山”自西南向东北分布，更南部是广阔的潮汕平原，因此分隔出两处迎风坡喇叭口地形，后汛期东南风控制时，因地形收缩使气流辐合加强，进而加大上升运动，利于产生强降水。

地形降水受多种因素影响。地形的迎风坡和背风坡效应通过影响气流运动从而影响降水分布［13］。热力效应主要是由于不同高度地表接受太阳辐射和气流抬升释放潜热引起的，低层层结不稳定时，潜热释放和垂直环流发展存在正反馈关系，最终导致地形对降水的强烈增幅［14］。除了动力和热力作用外，地形降水还受水汽、中尺度系统和微物理过程等影响［15］。地形降水是一个复杂的非线性过程，莲花山脉附近地形降水还有待更进一步的研究。