杭州地區短時強降水特征與服務思考

金成 沈杭鋒 高天赤 陳勇明

(杭州市氣象局,浙江 杭州 310051)

0 引 言

短時強降水是一種常見的強對流天氣,常具有突發性強,小時雨強大等特點,很容易導致城市內澇、地質災害等次生災害[1]。近幾年來,由于城市規模的擴大,短時強降水造成的城市內澇往往會給城市帶來巨大的財產損失甚至人員傷亡[2],如2015年6月23日杭州臨安昌化短時強降水引發山洪,16—19時雨量超過100 mm,小時雨強59 mm,由于降雨急、強度強,造成山洪爆發,直接經濟損失7000萬元。因此短時強降水特征一直是氣象學者們研究的一個重點方向。陳炯等基于全國876個基本基準氣象站整點逐時降水資料,分析了中國暖季(4—9月)10、20、30、40、50 mm/h短時強降水的時空分布特征[3]。樊李苗等研究了短時強降水、強冰雹、雷暴大風以及混合型強對流天氣的環境參數特征[4]。隨著觀測資料時空分辨率的提高和數值預報模式的進步,陳元昭等對珠江三角洲地區重大短時強降水的基本環流類型與環境參數特征做了研究[5]。魏曉雯等對上海地區不同類型短時強降水的大尺度環流背景特征進行了分析[6]。

杭州市地處我國東部沿海,特殊的地理位置和日益增強的社會影響,學者們對杭州暴雨等災害性天氣的研究逐漸增多。楊詩芳等利用杭州國家站20 a的一小時雨量資料,分析了杭州短時強降水的發生規律,包括短時強降水的極值分布、年發生次數、月季分布等氣候特征,還分析了短時強降水的天氣系統[7]。沈杭鋒等利用NCEP再分析、華東區域地面中尺度自動站和多普勒雷達資料,對2013年6月6—7日發生于杭州地區的大暴雨進行了多尺度分析[8]。

以上這些研究使人們對多尺度的天氣系統在短時強降水中的作用有了一定的認識。但由于資料分辨率有限,對于長時間序列、高分辨率自動氣象觀測的杭州地區短時強降水研究工作相對比較缺乏。本文對杭州地區短時強降水時空分布特征及原因進行分析研究,揭示不同天氣系統背景下短時強降水過程的異同點,并對服務手段進行初步探討,以期為預報預警和防災減災工作提供參考。

1 資料和方法

本文研究區域為杭州地區,杭州地處長江三角洲南沿和錢塘江流域,地形復雜多樣。杭州地區西部屬浙西丘陵地區,主干山脈有天目山等。東部屬浙北平原,地勢低平,河網密布。

本文所用資料為2008—2017年5—9月杭州地區資料連續性和穩定性較好的155個自動氣象站(如圖1)逐時觀測數據,還使用了ECMWF水平分辨率為0.5°×0.5°、垂直分辨率為37層的ERA-Interim全球再分析數據。

圖1 杭州地區自動氣象站觀測站點分布

短時強降水采用國家氣象中心業務標準的小時降水量≥20 mm;首先統計2008—2017年5—9月杭州地區155個站點的短時強降水次數(共5958站次),考慮到自動站降水記錄的可靠性,只有當該日(20時至次日20時,北京時,下同)有10%(15站)以上的自動站,且每個站至少發生一次短時強降水才記錄為一個短時強降水日,10a中挑選出短時強降水日117個,然后基于中低層大氣的大尺度環流特征對117個短時強降水日進行環流分型研究,最后在分型研究的基礎上針對個例進行服務方式的探討。

2 杭州地區短時強降水日的主要氣候特征

2.1 杭州地區短時強降水日分布特征

圖2a是2008—2017年5—9月杭州地區短時強降水日累積降水量分布圖?？傮w而言,杭州地區短時強降水日雨量北部明顯大于南部,區域內有兩個大值區分別是杭州主城區和富陽東南部至蕭山南部一帶。杭州主城區短時強降水量比其他地區大,這可能與城市雨島特征有關;富陽東南部至蕭山南部一帶和臨安西部、北部局部雨量大值可能與該區域海拔地形有一定關系。圖2b是杭州地區短時強降水日年均發生頻次圖,杭州地區155個自動氣象站年均短時強降水日在1.0～3.9 d之間,并且發生的頻率與短時強降水日累積降水量分布有著很好的對應關系(即發生短時強降水次數多的,降水量大)。杭州主城區、富陽東南部至蕭山南部、天目山脈仍是短時強降水高發期。

2.2 杭州地區短時強降水變化特征

從2008—2017年5—9月杭州地區短時強降水日的年變化(圖3a)可知,杭州地區年均短時強降水日約為11.7 d,2011年和2013年最多達14 d,這可能與2011年和2013年梅汛期雨量偏多和2013年臺風影響較多有關(杭州市氣候公報);2009年和2014年最少僅8 d,這可能與2009年和2014年梅汛期雨量偏少,臺風影響偏弱有關(杭州市氣候公報)。從每月分布來看(圖3b),8月發生次數最多達37 d,其次是7月32 d、6月31 d,9月9 d,5月最少為8 d,究其原因與杭州地區6月開始梅汛期降水增多和7—8月熱帶氣旋活動增加有一定關系。對這117個短時強降水日按照小時統計各觀測站降水頻次,可以得到杭州地區短時強降水日變化特征(圖3c),杭州地區短時強降水峰值出現時間為17—19時,這可能與MCS(中尺度對流系統)在閩浙丘陵具有非常突出的峰值分布特征有關[9],另外4—5時和8—9時也是高發時段,這與陳炯等的研究結果一致,這兩個高發時段可能與部分尺度較大的中尺度系統能夠維持1 h以上及低空急流的夜間加強有關系。而凌晨1—3時和午間12—14時發生次數相對較少,這可能與MCS(中尺度對流系統)具有不太顯著的夜發性特征有關[9]。

圖2 杭州地區短時強降水日累積雨量(a,單位：mm)與年均發生頻次(b)分布圖

圖3 杭州地區短時強降水日變化特征:(a)逐年發生頻次;(b)逐月發生頻次;(c)逐時發生頻次

3 杭州地區短時強降水過程的主要天氣系統和時空分布特征

3.1 杭州地區短時強降水過程的主要天氣系統

災害性天氣的分型有多種方式,陶詩言提出一般以大尺度環流特征或影響系統來研究[10]。基于大尺度環流的形式特征對杭州地區117個短時強降水日進行分析,可分為5類:1)西風帶低槽型,這個類型是造成杭州地區短時強降水的主要天氣類型,約占35.9%(42 d),其主要環流特點是西風槽較深,槽后常伴有冷平流,副高呈東西帶狀分布,低層西南或偏南氣流強盛,常伴有低空急流。2)梅雨鋒型,約占總數的23.1%(27 d),其環流特點是6—7月間,副熱帶高壓位置略偏東,588 dagpm線基本位于120°E以東,850 hPa一般存在西南或偏南急流,常伴有低空切變。3)熱帶氣旋型,約占總數的19.7%(23 d),其環流特點是熱帶氣旋環流影響杭州地區或環流與西風帶結合影響。4)副高邊緣西風急流型,約占總數的13.7%(16 d),其環流特點是500 hPa,588 dagpm線位于30°N附近,北側有西風槽東移,槽后有較強冷平流輸送,杭州地區前期受副高控制,溫度較高,有充分熱力條件,當北側西風帶短波槽移近,冷空氣侵入,上冷下暖大氣不穩定層結加強。一般副高西南側等高線密集,700 hPa偏南或偏東氣流強盛。5)局地強對流,約占總數的7.7%、(9 d),其環流特點是一般處于副高控制,前期溫度較高,熱力條件好。

3.2 不同天氣系統影響下杭州地區短時強降水的時空分布特征

不同天氣系統影響下,杭州地區短時強降水日的時空特征存在明顯差異。圖4是2008—2017年5—9月杭州地區5種類型短時強降水雨量分布圖,發現西風帶低槽型主要有3個降雨中心主要分布在杭州主城區附近、淳安南部和臨安淳安交界山區,中間有明顯的雨量低值分割,淳安南部和臨安淳安交界山區雨量中心與干冷空氣和干冷空氣與暖濕氣流交匯過程中,地形抬升作用有關[6],發生時段中上午4—9時和下午17—20時多發,呈雙峰特征(如圖5a)。梅雨鋒型短時強降水分布較均勻,大值區位于臨安西部、中部至桐廬北部和富陽南部一線,蕭山東部南部降雨明顯偏低,這與梅雨鋒雨帶范圍大,降水強度強和浙江海島、北部平原等地區暴雨日數偏少有一定關系[11],一天中多時段頻發,夜里0—2時發生概率較小(如圖5b)。熱帶氣旋型短時強降水呈北部多南部少,臨安天目山區、主城區南部和富陽南部山區是3個中心,這與熱帶氣旋3 h暴雨增幅主要發生在浙江東部沿海地區、錢塘江口沿岸地區、浙江西北部天目山區有關[12],發生概率上,在4—5時、15—19時和21—24時多發,上午和中午發生概率較小(如圖5c)。副高邊緣西風急流型短時強降雨中心位于主城區中北部和余杭臨平區域,淳安、建德南部明顯偏小,這與城市雨島有一定關系,一天中8—9時和15—22時多發,0—5時發生次數很少(如圖5d)。局地強對流型短時強降水分布較不均勻,主城區北部、臨安天目山區、龍崗和建德大洋是降水中心,這與非均勻加熱導致局地垂直環流有關[6],一般發生在15—23時,其余時間基本不會發生(如圖5e)。

圖4 5種類型短時強降水日的累積雨量分布:(a)西風帶低槽型;(b)梅雨鋒型;(c)熱帶氣旋型;(d)副高邊緣型;(e)局地強對流型(單位：mm)

圖5 5種類型短時強降水日發生次數:(a)西風帶低槽型;(b)梅雨鋒型;(c)熱帶氣旋型;(d)副高邊緣型;(e)局地強對流型

4 杭州地區短時強降水過程服務思考

由于短時強降水突發性強,常常造成城市積澇、交通堵塞等[13],因此在服務過程中,首先應考慮城區等人口密集區和滑坡、泥石流等地質災害隱患點的氣象服務,根據不同天氣類型造成短時強降水的區域分布特點,雨強分布時段,利用短信、顯示屏、微博、微信等不同媒體開展針對性服務。

西風帶低槽型和副高邊緣型短時強降水一樣具有明顯的人口密集型特點,降水時段也易與城市生活早、晚上下班高峰重合,如2013年9月13日17—23時,受高空槽東移和西太平洋副熱帶高壓邊緣西南暖濕氣流影響,杭州地區6小時面雨量20.6 mm,單站雨量達129.5 mm,造成杭城多條道路成“澤國”,行道樹被刮倒橫在路邊,交通一度癱瘓,因此在服務過程中特別要注意時間上的提前量,當過程來臨時應采用微博、微信和短信等發布速度快,受眾響應快的通訊工具,需要與城管、交通等部門緊密合作。不同的是西風帶低槽型還具有山岳型分布特征,淳安南部和臨安淳安交界山區雨量較集中,因此在服務中需注意與國土部門銜接,預防小流域洪澇、山體滑坡、泥石流等次生災害。

熱帶氣旋型短時強降水杭州地區北部多于南部,臨安天目山區等是重災區,短時強降水來臨前,臺風路徑預報和風雨預報往往較早發布,并且不斷滾動訂正,因此政府部門重視程度相對較高。但對于短時強降水夜間易發的特點,如2011年8月30日凌晨臺風“南瑪都”影響,大風加短時強降水造成杭州石橋路工地工棚被掀,30多位民工露宿街頭,路面積水,部分車輛發生“拋錨”,導致城市交通“間歇性”癱瘓,就需要預報員、氣象服務人員留意,在服務手段上,可采用顯示屏等社會普及率高,社會公眾易見的方式。

梅雨鋒型短時強降水分布較均勻,富陽、桐廬和臨安中部最強,降水時間上一天中多時段頻發,這和梅雨降水持續時間長有一定關系,如2013年6月24日,杭州傾盆大雨,城北一片汪洋,暴雨導致路面積水、多處道路交通癱瘓。因此在服務過程中,可采用滾動預報、逐漸升級的方式,微博、微信等連續報道可以收到很好的效果。

局地強對流型短時強降水易發于午后,是熱力性強對流的一種,往往發生時間短,災害影響大,可預見時效短,因此在服務過程中發現雷達回波生成時宜提前預警,通過短信、微博等方式開展服務。

5 結 語

基于2008—2017年杭州地區自動氣象觀測站逐時降水資料,按照大尺度的環流特征,分析了杭州地區短時強降水日的降水特征,初步得到以下結論。

1)杭州地區短時強降水日雨量和發生頻次呈現北部大于南部,高值區位于主城區附近。

2)造成杭州地區出現短時強降水日的天氣系統,依據其出現頻率,大體可分為西風帶低槽型、梅雨鋒型、熱帶氣旋型、副高邊緣西風急流型和局地強對流型等5類。

3)不同天氣系統影響時,杭州地區短時強降水時空分布存在差異:時間分布上西風帶低槽和副高邊緣西風急流影響時,短時強降水主要發生在早晨到上午和傍晚到前半夜,熱帶氣旋和局地強對流影響時降水主要集中在午后到夜里,梅雨鋒型降水呈現多時段頻發的特點;空間分布上西風帶低槽型有3個強降雨中心分別位于主城區、淳安南部和臨安淳安交界山區;梅雨鋒型分布較均勻,大值區位于臨安中西部至富陽南部;熱帶氣旋型分布呈北多南少,臨安天目山區、主城區南部和富陽永安山區是3個中心;副高邊緣西風急流型中心位于主城區和余杭區;局地強對流型分布不均勻,大值位于臨安天目山區、建德東南部和主城區北部。

4)根據不同類型的短時強降水特征,因西風帶低槽型和副高邊緣型與城市生活上下班高峰重疊性較好,所以服務手段上應以受眾接收速度快的短信、微博等手段為主;而熱帶氣旋型和梅雨鋒型短時強降水,因環流特征較明顯,故可提前預警,逐步升級開展氣象服務;局地強對流型短時強降水突發性強,預報難度高,服務手段上應提前預警,通過短信、微博等方式開展服務。

5)由于受地面觀測資料時間序列長度的限制,文章中選取的短時強降水樣本有限,分析的結果不一定具有氣候學意義;另外天氣系統造成的短時強降水誘因復雜,有時并非單一條件引發,因此分析對流尺度系統的結構演變有時更有意義。