基于加密自動氣象觀測站的柳州市短時強降水時空特征分析

覃 靖，潘 海，劉 梅

(廣西壯族自治區(qū)柳州市氣象局，廣西 柳州 545001)

0 引言

短時強降水是強對流的重要形式之一，具有尺度小、發(fā)展快、易致災(zāi)的特點，尤其是極端短時強降水，常常引發(fā)山洪暴發(fā)、泥石流、城市內(nèi)澇等各種災(zāi)害，嚴重影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，造成重大財產(chǎn)損失和人員傷亡。2021年7月20日，河南多地遭受極端短時強降水襲擊，鄭州、開封等多地1 h降雨量超過100 mm，其中鄭州氣象觀測站最大小時降雨量達201.9 mm(20日16—17時)，鄭州局地3 h最大降雨量達333 mm，造成了嚴重的經(jīng)濟損失和人員傷亡。相對于區(qū)域性暴雨而言，短時強降水主要由中小尺度天氣系統(tǒng)造成，具有生命史短、局地性強等特點，故預(yù)報難度更大。因此，加強對短時強降水天氣的研究尤為重要。研究表明[1-5]，我國不同地區(qū)極端強降水和降水日變化特征存在明顯的地域性，有必要針對不同地區(qū)，利用高時空分辨率的降水?dāng)?shù)據(jù)，開展降水時空分布和變化的研究。近年來，已有許多學(xué)者對小時強降水進行分析，得到本地時空分布特征和日變化規(guī)律[6-14]。

柳州市具有復(fù)雜的地形、地貌特征，在短時強降水天氣條件下易引發(fā)次生災(zāi)害，提高災(zāi)害性天氣預(yù)報、特別是短時強降水的預(yù)報預(yù)警準確率是防災(zāi)減災(zāi)所面臨的重大挑戰(zhàn)之一。因為短時強降水局地性強，而以往廣西針對短時強降水的研究多使用國家氣象觀測站資料，空間分辨率較低，難以精細地揭示短時強降水的時間和空間分布特征。因此，本文利用柳州市高分辨的加密自動氣象觀測站的小時降水資料，對短時強降水的時空分布和日變化規(guī)律進行分析研究，有助于預(yù)報員掌握短時強降水的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，進一步提高這類災(zāi)害性天氣的預(yù)報能力。

1 資料和說明

柳州市的加密自動氣象觀測站數(shù)據(jù)自 2007年以來，相對比較完整。歷年來，自動站數(shù)量一直在增加，另有一些自動站的站點進行了搬遷。綜合考慮資料的穩(wěn)定性、連續(xù)性和代表性，經(jīng)過認真篩查，最終選取2010 —2019年的75個自動站逐1 h降水資料為研究對象，分別統(tǒng)計逐1 h、3 h、6 h降雨量。

本文根據(jù)降水強度不同將短時強降水分為4類，分別為1 h≥20 mm、1 h≥50 mm、3 h≥50 mm和6 h≥100 mm。統(tǒng)計這4類短時強降水出現(xiàn)的次數(shù)，分析其年變化、月分布、日變化和空間分布特征。

2 時空分布特征

2.1 短時強降水的年變化

分別統(tǒng)計2010—2019年柳州市75個站點每年4類短時強降水出現(xiàn)的次數(shù)總和，分析4類短時強降水平均每站出現(xiàn)的頻次年變化(圖1)。可以看出，1 h≥20 mm、1 h≥50 mm、3 h≥50 mm和6 h≥100 mm的短時強降水平均每站每年出現(xiàn)9.5次、0.7次、2.9次、0.6次；1 h≥20 mm的短時強降水呈逐年增加的趨勢。2011年、2013年、2018年受厄爾尼諾和拉尼娜影響，柳州市開汛晚、汛期降水偏少，短時強降水出現(xiàn)次數(shù)也較少。

圖1 短時強降水頻次的年變化Fig.1 Annual variation of frequency of short-time heavy rainfall

2.2 短時強降水的月分布

從4類短時強降水各月出現(xiàn)的頻次和占全年的

百分比來看(表1)，4— 9月出現(xiàn)的次數(shù)超過全年的90%，這與柳州市的汛期降水趨勢一致。6月出現(xiàn)短時強降水的次數(shù)最多，分別占全年總次數(shù)的28.9%、31.0%、32.4%、32.6%。其次是5月，分別占全年總次數(shù)的20.9%、27.5%、23.6%、19.9%。5、6月出現(xiàn)次數(shù)超過全年的一半，這是因為5、6月是西南季風(fēng)盛行期，西風(fēng)帶低值系統(tǒng)東移引導(dǎo)冷空氣南下，來自海洋的豐富水汽和弱冷空氣的觸發(fā)作用，使強對流天氣增多，為短時強降水的出現(xiàn)提供有利的環(huán)境條件。7、8月柳州市進入后汛期，雨帶北抬，副高控制下盛行下沉氣流，產(chǎn)生降水的概率較小，但由于氣溫高，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，絕對水汽含量高，易產(chǎn)生午后熱對流，短時強降水出現(xiàn)次數(shù)也相應(yīng)較多，分別占全年的27.0%、25.7%、25.7%、32.4%。12月和次年1、2月進入冬季，氣溫低，大氣層結(jié)穩(wěn)定，空氣干燥，產(chǎn)生降水的概率也低，短時強降水出現(xiàn)次數(shù)極少。

表1 短時強降水頻次的月分布(單位：次)Tab.1 Monthly average frequency of short-time heavy rainfall

2.3 短時強降水的日變化

圖2給出了4類短時強降水各時次出現(xiàn)次數(shù)的比例，其中3 h和6 h雨量統(tǒng)計的時次為相應(yīng)時段中最后一個時次，比如，01—04時的3 h雨量統(tǒng)計記為04時，01—07時的6 h雨量統(tǒng)計記為07時。可以看出，短時強降水在一天中各個時次均可出現(xiàn)，且有明顯的日變化特征、均呈現(xiàn)單峰型結(jié)構(gòu)。1 h≥20 mm和1 h≥50 mm的峰值分別出現(xiàn)在06時和03時前后，谷值分別出現(xiàn)在13時和16時前后，峰值和谷值分別相差4倍和10倍。3 h≥50 mm和6 h≥100 mm的短時強降水主要出現(xiàn)在23—10時，12—20時出現(xiàn)次數(shù)最少。可見，短時強降水多出現(xiàn)在夜間和早晨時段，夜雨特征明顯。夜間和早晨發(fā)生的極端小時降水事件的維持時間一般更長(>6 h)，此峰值的形成與夜間加速的低空急流、邊界層內(nèi)非地轉(zhuǎn)風(fēng)的慣性振蕩、山地—平原熱力環(huán)流、云頂?shù)拈L波輻射冷卻等因素有關(guān)[15]。這與陳飛盛等[16]的研究結(jié)果基本一致。

圖2 短時強降水頻次的日變化Fig.2 Diural average frequency of short-time heavy rainfall

2.4 短時強降水的空間分布特征

從1 h≥20 mm的短時強降水年均頻次空間分布來看(圖3)，高頻區(qū)位于融安、融水交界附近，年均頻次達到17.4次。此處是一個向南開口的喇叭口地形，西面的元寶山海拔高達2000 m。次高頻區(qū)位于鹿寨北部，是一個河谷到山脈的過渡區(qū)。由于汛期底層盛行偏南氣流，遇到山脈阻擋強迫抬升。地形的抬升作用，造成低層輻合加強和垂直速度增強，有利于不穩(wěn)定能量的積累和水汽輻合，從而增強降雨強度，山脈的迎風(fēng)坡易出現(xiàn)強降水。偏南氣流進入喇叭口地形后，輻合抬升作用加強，易激發(fā)中小尺度切變或低渦，產(chǎn)生短時強降水。三江的北部和柳城的西部受山脈遮擋，處于背風(fēng)坡，短時強降水出現(xiàn)的次數(shù)顯著偏少，平均每年出現(xiàn)5次左右。

圖3 1 h≥20 mm短時強降水年均頻次空間分布Fig.3 Distribution of the annual variation of frequency of short-time heavy rainfall above 20 mm·h-1

從汛期各月出現(xiàn)1 h≥20 mm的短時強降水年均頻次空間分布(圖4)來看，元寶山及其東側(cè)或南側(cè)附近始終存在一個高頻區(qū)，且范圍廣，數(shù)值明顯高于其它地區(qū)。同樣，鹿寨北部河谷到山脈的過渡區(qū)也始終存在一個次高頻區(qū)。其中6月在柳江—柳州—鹿寨南部一帶也有一個小高頻區(qū)，緣于6月正值西南季風(fēng)盛行期，多受熱帶輻合帶北抬影響，產(chǎn)生短時強降水的機會較多。9月的鹿寨北部—柳州—柳江一帶有一個東北—西南走向的高頻區(qū)，受西太平洋臺風(fēng)外圍東北下沉氣流影響，天氣晴熱，但是大氣層結(jié)不穩(wěn)定，絕對水汽含量仍較高，午后常常有熱對流產(chǎn)生，對流云在引導(dǎo)氣流的作用下自東北向西南移動，產(chǎn)生短時強降水。

圖4 1 h≥20 mm短時強降水平均頻次汛期各月空間分布Fig.4 Distribution of the monthly variation of frequency of short-time heavy rainfall above 20 mm·h-1

2.5 短時強降水極值空間分布特征

從短時強降水極大值空間分布(圖5)來看，元寶山附近的1 h、3 h、6 h雨量極大值普遍在80 mm、120 mm、180 mm以上，最大值分別出現(xiàn)在融水安太152.1 mm(2012年4月29日02時)、融水香粉251.3 mm(2017年8月10日19—22時)、融安泗維河水庫282.6 mm(2016年6月3日00—06時)。說明短時強降水出現(xiàn)得多的地方，更容易出現(xiàn)較大值的強降水。由此可見，山脈的迎風(fēng)坡和喇叭口地形更利于短時強降水的出現(xiàn)，產(chǎn)生更大強降水的概率越大。

圖5 短時強降水極大值空間分布(單位：mm)Fig.5 Distribution of the maximum precipitation of short-time heavy rainfall(unit∶mm)

3 結(jié)論

利用柳州市75個加密自動氣象觀測站2010—2019年小時降水?dāng)?shù)據(jù)，分別統(tǒng)計1 h≥20 mm、1 h≥50 mm、3 h≥50 mm、6 h≥100 mm的頻次以及1 h、3 h、6 h雨量極值，對4類短時強降水的年變化、月分布、日變化特征及空間分布特征進行分析，得出以下結(jié)論：

①1 h≥20 mm、1 h≥50 mm、3 h≥50 mm、6 h≥100 mm的短時強降水平均每站每年出現(xiàn)9.5次、0.7次、2.9次、0.6次；1 h≥20 mm的短時強降水呈逐年增加的趨勢。

②4—9月出現(xiàn)短時強降水的次數(shù)超過全年的90%，5、6月出現(xiàn)次數(shù)超過全年的一半，12月和次年1、2月短時強降水出現(xiàn)次數(shù)極少。

③短時強降水在1 d中各個時次均可出現(xiàn)，且有明顯的日變化特征、呈現(xiàn)單峰結(jié)構(gòu)。主要出現(xiàn)在夜間和早晨時段，夜雨特征明顯。

④短時強降水的高頻區(qū)位于融安、融水交界附近(喇叭口地形)，年均頻次達到17.4次，次高頻區(qū)位于鹿寨北部(河谷到山脈的過渡區(qū))，最大的1 h、3 h、6 h雨量極大值均位于元寶山附近，山脈的迎風(fēng)坡和喇叭口地形更利于短時強降水的出現(xiàn)，產(chǎn)生更大強降水的概率越大。