2003～2015年上海地區夏季午后短時強降水特征

張赟程

(華東師范大學 地理科學學院，上海 200241)

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2003～2015年上海地區夏季午后短時強降水特征

張赟程

(華東師范大學 地理科學學院，上海 200241)

結合2003～2015年上海地區11個站點的小時雨量資料，分析了近10年來上海地區夏季午后短時強降水的時空分布特征。結果表明:時間分布上，短時強降水事件主要受太陽輻射和大氣環流形勢影響，高發期集中在每年的6～9月份，并且易于發生在午后14：00～18：00之間。空間分布上，城市化對上海地區夏季午后短時強降水有一定影響。城市化程度越高，強降水發生的概率也越大。

短時強降水；城市化；上海

1　引言

近年來，強降水造成的城市內澇災害事件常有發生。這些強降水所形成的災害不僅嚴重影響了正常的生產生活，同時對老百姓的生命財產安全也構成了威脅。上海作為長三角城市群第一大城市，同樣需要面對這個問題。譬如2015年6月17日當天，上海局部雨量超過了200 mm，近200個測站雨量超過100 mm。這給居民出行帶來了嚴重的不便。目前，已有一些學者針對上海地區強降水天氣展開了相關的氣候研究。楊露華等[1]指出2001年以后上海地區的強對流天氣增多，而且出現次數最多的是短時強降水。賀芳芳等[2]指出自1995年以來，上海地區的暴雨逐漸向雨強、時間短、范圍小的特點發展。其中靜止鋒容易形成長時間的暴雨，暖區暴雨則是上海地區夏季形成短時強降水的主要天氣形勢。胡艷等[3]指出，上海地區雷暴日有6年的周期振蕩。并且城市以及城鄉交界處發生雷暴的概率增加。梁平等[4]的研究也證實夏秋兩季上海地區雨量的空間分布呈現明顯的城市雨島特征。由于資料的局限性，以往的研究結論多是針對日降水量或對一些特定過程進行統計分析。采用高時間分辨率降水資料，研究上海地區夏季午后這一特定時間段的短時強降水特征還比較少。為此，筆者選取上海地區11個站點小時降水資料對午后短時強降水進行分析，探究上海地區夏季午后短時強降水的時空分布特征，并解釋這種分布的原因，以期為今后城市防汛減災提供參考。

2　資料說明和短時強降水標準

筆者使用的資料為2003～2015年上海地區11個站點的小時降水資料和小時溫度資料。站點具體分布狀況如圖1所示。由于獲取的數據已經進行了質量控制，因此可以直接對數據進行統計分析。

按照中央氣象臺的定義可知：站點小時雨量大于或等于20 mm時，記為一次短時強降水。依據標準，對上海地區夏日午后12～18時(6個時次)的降水資料進行統計，分析短時強降水發生次數以及累計雨量的時空分布特征。對一指定站點而言，當日午后出現了幾次短時強降水就記錄當天午后發生了幾次短時強降水事件。

圖1　上海地區11個站點分布狀況

3　結果分析

3.1月變化特征

首先將降水資料按月份進行劃分，觀察午后短時強降水的月變化特征。如圖2所示，橫坐標為月份，縱坐標為午后短時強降水累計發生次數。從圖中可以看到，上海地區午后短時強降水發生次數在月份變化上呈現單峰形勢，并且變化劇烈。午后短時強降水主要發生在每年的6～9月份，正好對應上海的汛期。其中8月份的午后強降水出現次數最高，一共發生了95次。相比6～9月份，其他月份午后短時強降水只出現了幾次。究其原因，6～9月份副高脊線多位于N22°～30°之間，上海地區主要受西南或者偏東氣流的影響，水汽條件較好。同時由于夏季太陽高度角比較大，造成午后地面溫度比較高，使得大氣層結不穩定，近地面層湍流發展旺盛，易于對流的發生發展。鑒于上述統計結果，我們將研究時間段設定在為6～9月份，而非常用的6～8月來表示夏季。

圖2　2003～2015年上海地區午后短時強降水發生次數月變化特征

3.2年變化特征

考察2003～2015年上海地區午后短時強降水發生次數以及累計雨量年變化特征。如表1所示，2003～2015年上海地區夏季午后每年至少有10站次的短時強降水事件發生。其中2007～2009年是午后短時強降水的高發期。對于單個站點而言，市區發生午后短時強降水事件最多，13年間總共發生了41次；其次是浦東，一共發生了35次；再者為閔行、寶山、嘉定。發生午后短時強降水事件最少的是松江，只有14次。金山、南匯和崇明也不到20次。這樣的分布與上海地區的行政劃分有著很好的對應。中心城區站點：市區、浦東[6](浦東區按區縣劃分為近郊，但是浦東氣象站點位于內環高架內，更多代表中心城區氣象狀況)；近郊站點：閔行、寶山、嘉定；遠郊站點：松江、青浦、金山、奉賢、南匯、崇明。可見，上海午后短時強降水發生次數的空間分布與上海地區各區縣城市化發展程度有一定的聯系。按照城區、近郊、遠郊的順序，午后短時強降水發生次數呈減少趨勢。

王喜全等[5]在研究城市化與北京地區降水分布變化時指出，降水受到大氣環流等多種因素影響，年變化比較大。因此直接比較站點的絕對值并不能很好的表現降水分布特征。參考其對降水標準化處理的方式對表2進行標準化處理，并得出上海地區午后短時強降水年平均相對雨量分布特征。標準化步驟如下。

Rni=(Pni-Pn)/σn

(n=2003，,2004，……，2014,2015；i=1,2，……，11)，

其中n指向不同年份；i指向不同測站；Rni就是為所求站點i第n年6～9月份午后短時強降水相對雨量；Pni為站點i第n年6～9月份午后短時強降水實際雨量；Pn為第n年11個站點6～9月份午后短時強降水平均雨量，σn為第n年11個站點6～9月份午后短時強降水雨量標準差。

如圖3所示，午后年平均相對雨量的正值主要位于市區、浦東、閔行、寶山和嘉定，表明這些地區的短時強降水雨量較全市偏多。尤其是在市區和浦東，午后短時強降水雨量遠高于上海其他地區，這與強降發生水次數有很好的對應關系。同時也可以看到，正值區域正好是行政劃分中的中心城區以及近郊，說明城市效應對上海地區午后短時強降水的時空分布有重要影響。為此，從熱力和動力方面給出一定的解釋。熱力方面，城市下墊面對短波輻射的反射較少，因此吸收了大量的太陽輻射。又因為城市地表的水汽含量少，所以潛熱通量較低，地表熱量主要以感熱通量和長波輻射的形式加熱上層大氣。再配合局地人為熱的排放，形成了城市熱島。這加強了城市地區大氣的不穩定層結，有利于熱對流的產生。同時熱島環流與上海地區夏季午后的海風相互耦合，增強了城市地區的輻合上升運動以及向城市地區的水汽輸送，有利于城市地區強降水的發生。動力方面，城市地區的地表粗糙度大，風在經過城市時會消耗一些能量，風速減慢。這就造成風場在城市地區的輻合上升，有利于降水形成。

圖3　2003～2015年上海地區午后短時強降水年平均相對雨量分布特征(數值擴大1000倍)

表2　2003～2015年上海地區午后短時強降水累計雨量年變化特征　mm

3.3日變化特征

考察2003～2015年上海地區午后短時強降水發生次數日變化。如表3所示，上海地區夏季午后短時強降水發生的時間段主要集中在14：00～18：00時之間。選取年平均相對雨量大于300的3個站點，即徐家匯，浦東和閔行站點的平均值代表城市，記為城市站；選取年平均相對雨量小于200的4個站點，即松江，金山，南匯和崇明站點的平均值代表非城市，記為鄉村站；[6]繪制6～9月午后短時強降水平均發生次數圖(圖4a)和2 m平均氣溫曲線(圖4b)。從圖中可以知道，上海地區的小時最高氣溫出現在中午14時左右，城市和鄉村約有0.7 ℃的溫差。午后短時強降水平均發生次數，城市站和鄉村站都在15：00～16：00時達到最值，但是城市地區的變化幅度較大。結合兩張圖可以看到，上海地區夏季午后短時強降水次數與局地氣溫有著很好的對應關系。盛夏時節，太陽輻射在中午達到最強，地面溫度在14時達到最高。所以盛夏時節的午后最容易形成不穩定層結，產生強對流[6]。城市熱島增加了這種不穩定的程度，因此城市地區出現短時強降水的次數更多。考慮強降水由生成到成熟需要一段發展時期，所以短時強降水發生次數峰值出現在15～16時，滯后氣溫峰值一個時次。

圖4　城鄉短時強降水發生次數圖(a)和2 m溫度圖(b)

編號5836158362583655836658367583695837058460584615846258463名稱閔行寶山嘉定崇明市區南匯浦東金山青浦松江奉賢總計12～13342273122223013～14552543702123614～15545274725475215～165543941032435216～17586283854135317～186265613572346

4　結論

通過分析上海地區11個站點小時降水資料，研究上海地區夏季午后短時強降水的時空分布關系，得到如下結論。

(1)一年中，上海地區午后短時強降水主要發生在6～9月份，其中最為頻發的是7、8兩個月。一天中，午后短時強降水主要發生在14時之后。大尺度環流形勢和太陽輻射變化是造成這種時間分布的主要原因。

(2)不管是午后短時強降水的發生次數還是累計雨量。上海地區夏季午后短時強降水都在市區和浦東地區呈現一個高值中心。城市化帶來的高溫有利于局地不穩定層結的發展。同時熱島環流與海風的耦合增大了城市地區的輻合上升運動和水汽輸送。地表的高粗糙度也使得風場在城市地區輻合。這一切都有利于城市地區對流的發生發展。

[1]楊露華,尹紅萍,王慧,等.近10年上海地區強對流天氣特征統計分析[J].大氣科學研究與應用,2007(32):84～91.

[2]賀芳芳,趙兵科.近30年上海地區暴雨的氣候變化特征[J].地球科學進展，2009,24(11):1260～1267.

[3]胡艷,端義宏.上海地區雷暴天氣的氣候變化及可能影響因素[J].中國海洋大學學報,2006,36(4):588～594.

[4]梁萍,丁一匯,何金海,等.上海地區城市化速度與降水空間分布變化的研究關系[J].熱帶氣象學報，2011,27(4):475～483.

[5]王喜全,王自發,齊彥斌,等.城市化與北京地區降水分布變化初探[J].氣候與環境研究，2007,12(4):489～495.

[6]陳雷,戴建華,汪雅.近10a長三角地區雷暴天氣統計分析[J].暴雨災害，2015,34(1):80～87.

Characteristics of Short-time Heavy Rainfall in Shanghai Region in the Summer Afternoon from 2003 to 2015

Zhang Yuncheng

(SchoolofGeographicalSciences,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200241,China)

The characteristics of spatial and temporal distributions of the short-time heavy rainfall in Shanghai region in the summer afternoon from 2003 to 2015 was studied by using the hourly rainfall data from 11 weather stations. The results showed that:short-time heavy rainfall mainlyoccurredduring June to September, especially during14 to 18pm.Results indicated that the rainfall mainly depended on the weather situations and the sun’s radiation. Besides that, there was a good corresponding relation between the occurrence frequency of short-time heavy rainfall and urbanization. The impacts of urbanization increased frequency of occurrence of short-time rainfall in downtown area.

short-time heavy rainfall; urbanization; Shanghai region

2016-05-18

張赟程(1989—)，男，華東師范大學地理科學學院碩士研究生。

P426.6

A

1674-9944(2016)14-0038-04