2017—2021年海南島汛期短時降水時空分布特征*

石 娟 鄭 艷 蔣賢玲

(1.海南省氣象臺，海南 海口 570203;2.海南省南海氣象防災減災重點實驗室，海南 海口 570203)

海南島地處熱帶北緣，雨量豐富、雨季長，為我國南方多雨地區，同時也是我國氣象災害影響較為嚴重的地區之一，短時強降水是海南島主要的氣象災害之一。發生在海南島的短時強降水，以局部、小范圍的短時強降水居多，易造成城市內澇。例如2017年5月15日下午發生在海口市區的局地性短時強降水，小時極端雨強達到了111.8mm/h,持續時間短，主要降水時間段在16∶00—18∶00，造成海口城市內澇嚴重，城市交通近乎癱瘓，嚴重影響人民生活。因此，有必要對海南島短時強降水特征進行研究。

許多國內學者開展了短時強降水的相關研究。毛冬艷等[1]對西南地區短時強降水的氣候特征進行了分析，結果表明西南地區的短時強降水主要集中在4—10月的夜間，短時強降水頻次逐年增加，強度增強。王婧羽等[2]分析了河南省雨季短時強降水的時空分布特點，揭示了河南省的短時強降水集中在7—8月，與副熱帶高壓脊線的北跳較為一致。楊慧燕等[3]研究發現，南方地區短時強降水5月降雨頻率最高，短時強降水有較強的局地性。孟麗霞等[4]對甘肅省短時強降水的時空特征進行了統計，表明甘肅省短時強降水主要發生在午后至前半夜。汪方等[5]利用淮河流域日降水量資料，分析得到淮河流域短時強降水呈增加趨勢。趙慶云等[6]利用日降水資料，分析了西北地區暴雨的時空變化特征，表明西北地區暴雨出現次數由東南向西北減少，年際變化較大。劉運策等[7]分析了珠江三角洲地區由海風鋒觸發形成的強對流天氣過程，得到海風鋒與西南季風波動配置是強對流天氣短期和短時預報的較好預報指標。陳炯等[8]對中國暖季短時強降水分布和日變化特征進行了分析，指出我國短時強降水發生頻率最高的地區在華南，其中海南島的局地降水強度可達180mm/h。徐慧燕等[9]分析了浙江麗水地區短時強降水時空分布和成因，結果表明麗水的短時強降水峰值在6月和8月，與熱帶天氣系統有關。姚莉等[10]對我國1小時雨強的時空分布特征進行了分析，得到我國的1小時雨強高值區主要出現在東南沿海一帶，最高達到100～150mm/h。唐紅玉等[11]分析了西南地區逐月、逐日和逐時的降水頻率和降水比率，結果表明，西南地區降水在某個時間段集中，與其夏季多短時強對流天氣有關。短時強降水往往和暴雨密切相關。楊薇等[12]對海南島冬季暴雨的分布和環流形勢進行了分析，結果表明海南島冬季暴雨近年來頻次增多，暴雨日數自西向東遞增。馮文等[13]研究了海南島秋季暴雨的特點，發現海南島汛期降水雙峰結構不明顯，降水分布形態和華南其他地區存在差異性。

本文擬采用海南島地面2017—2021年4—9月加密自動站觀測資料，分析該地區汛期不同時間段短時強降水的分布規律，并分區對其代表站日變化特征進行統計，得到海南島汛期短時強降水特征，進一步提高對該類天氣的天氣規律認識，為提升預報員短時強降水預報能力打好基礎。

1 資料與方法

本文使用的資料為2017—2021年海南島440個地面加密自動觀測站(圖1)汛期(4—9月)降水資料，經過海南島氣象信息中心嚴格的質量控制，其時間分辨率為1h。

圖1 海南島自動站分布圖

2 海南島汛期短時強降水時空分布

本文所定義的短時強降水站點次數,每個站點出現≥20mm/h的雨量記為1個站次，一日當中如果該站點有2h(連續或間斷)出現了20mm/h以上的降水，則記為2個站次，依此類推；所包含的站次指的是海南島440個自動站，每個站點任一小時內出現20mm/h的降水記為1個站次(下同)。

2.1 空間分布

圖2給出了2017—2021年短時強降水站次空間分布，由圖2分析得出，短時強降水的空間分布總體呈現北多、南少特征，在海南島西北部地區有1個短時強降水高發區(Ⅰ區)，多數站點次數在80～100次，中部的瓊中和東部的瓊海有1個次高發區(Ⅱ區)，有少數站點次數在80～100次，其余地區是短時強降水低發區，站點頻次大多在30～40次。這是因為造成海南島西北部地區短時強降水的系統較多，比如當副熱帶高壓主體控制南海北部地區及海南島時,位于其西部邊緣的海南島可能出現對流性降水，夏季盛行的海陸風輻合造成的降水也多發生在海南島西北部地區。在秋季，海南島位于南海輻合帶北側和北方冷高壓南側的偏東氣流中，由于五指山的阻擋和抬升，在萬寧—瓊中一帶地區易發生短時強降水。

圖2 2017—2021年短時強降水空間分布

為了進一步了解不同月份短時強降水的空間分布特征，對各月的短時強降水特征進行了統計分析，空間分布如圖3所示。由圖3可以看出，4月份短時強降水次數較少，西部和南部地區只有0～4次;5月，海南島北部、中部和東部地區的短時強降水明顯增多，6月，南部的三亞、保亭、陵水等地區的短時強降水的站次開始增多，各站點站次在6～15站次之間波動，7月、8月，全島短時強降水次數明顯增多，并且出現了2個主要的短時強降水多發中心，一是北部的海口、臨高、澄邁一帶，二是東部的瓊海、萬寧一帶，各站點短時強降水站次可達20～25次。9月，海南島各地區短時強降水站次分布均勻，各站點普遍站次在6～15站次之間，東部的瓊海和南部的保亭地區有少數站點短時強降水的站次在15次以上。

圖3 2017—2021年海南島各月短時強降水次數

2.2 時間分布

2.2.1 汛期短時強降水站次時間分布特征

統計2017—2021年海南島汛期短時強降水站次年際變化，如圖4所示，短時強降水逐年站次在4862～6928站次，其中2020年站次較少，2018年和2021年站次分別為6928次和6081次，年均站次5865站次。從2017—2021年海南島各月出現短時強降水站點次數來看，海南島短時強降水各月站次在254～1397站次，占比(短時強降水單月站次與汛期總月數短時強降水站次的比值)在5%～28%波動，集中的時間段主要是5月和8月，分布高達1383站和1397站，說明5月、8月發生短時強降水天氣時，影響區域范圍較大；其次是7月和9月，分別為746站和822站，4月最少，為254站。

(a)2017—2021年海南島汛期短時強降水逐年站次變化 (b)2017—2021年海南島汛期短時強降水逐月站次變化

從2017—2021年海南島汛期短時強降水年均短時強降水日分布來看(圖5)，短時強降水的時間段呈現明顯的單峰結構，主要時間段在14—19時，這是因為午后海南島西北部海岸和大尺度陸風(偏西風)同向，受大尺度陸風的強迫，西北部形成了更強的海風入侵形式(即形成強的海風鋒)，有利于當地出現短時強降水等強對流天氣，之后，受大尺度下沉氣流的抑制，局地輻合消失[14]，降水隨之減弱。從各月份一日中出現短時強降水站次來看， 7月、8月、9月短時強降水站次最多，01∶00—09∶00短時強降水的頻次比其他月份多。

圖5 2017—2021年海南島汛期短時強降水年均短時強降水日分布

2.2.2 汛期短時強降水雨強時間分布特征

統計2017—2021年海南島各測站出現的短時強降水資料，對各測站短時強降水的逐時數據采用概率密度統計分析方法，由圖6可見，4月份強降水峰值區主峰在13∶00—17∶00(北京時，下同)，次峰在凌晨05∶00—06∶00;5月強降水峰值區主峰在14∶00—19∶00，4月和6月強降水量級偏小，箱線圖平均值分別為30.54mm/h和31.17mm/h， 7—9月的強降水峰值區在15∶00—18∶00時，與短時強降水的站次日分布規律基本一致。從海南島年平均小時雨強逐月變化箱線圖可以看出，5月和9月的平均雨強比其他月份偏大。5月和9月的平均雨強箱線圖平均值分別是32.83mm/h和32.98mm/h(圖7)。

圖6 2017—2021年海南島各月小時雨強日變化特征

圖7 2017—2021年海南島年均小時雨強逐月變化箱線圖

2.2.3 汛期短時強降水高頻次地區時間分布特征

由前文分析可知，Ⅰ區和Ⅱ區分別為海南島汛期短時強降水的頻發區，因此本文選取Ⅰ區的海口和Ⅱ區的瓊海作為代表站，統計了其2017—2021年4—9月短時強降水的年均站次和1h極大雨強，和前文得出的結論基本一致，5月和8月是短時強降水的活躍期，海口地區比萬寧地區短時強降水站次更多。海口的極大小時雨強在5月、6月和8月比東部的瓊海強度大，分別為106.5mm/h、65.1mm/h和 91mm/h(圖8)。

(a)2017—2021年海口、萬寧地區短時強降水年均站次 (b)1h極大雨強時間分布(柱狀)

3 結論

基于2017—2021年海南島地面自動站逐小時降水數據，從年變化，月變化和日變化三個方面，對島內短時強降水的時空分布特征進行了分析，結論如下：

①短時強降水的空間分布總體呈現北多、南少特征，高發區在海南島西北部的海口、臨高、澄邁、儋州、白沙、定安地區，多數站點汛期短時強降水次數在80～100次，中部的瓊中和東部的瓊海地區次之，其余地區是短時強降水低發區，汛期短時強降水站點次數在30～40次。

②海南島汛期的短時強降水年際變化明顯，2020年站次較少，2018年和2021年站次分別為6928次和6081次，年均站次5865站次；高發期在5月和8月，分別為1383站次和1397站次。

③汛期短時強降水的小時雨強各月分布不均，5月和9月的量級比其他月份偏大。5月的短時強降水主水汽通量散度8時為正值，14時轉為負值，這是此二型上午少有短時強降雨，而午后短時強降雨迅速發展的原因之一。而西南氣流型8時和14時底層水汽通量散度都為負值，所以相對而言西南氣流型上午就出現了一定比例的強降雨，午后發生率的增長也比較平緩。