梅州短時強降水時空分布特征及地形影響

黃浩明，陳金星，姚秋芳，趙立，魏偉曉，謝龍生

（1.五華縣氣象局，廣東五華 514400；2.大埔縣氣象局，廣東大埔 514200；3.梅州市氣象局，廣東梅州 514000）

短時強降水具有發(fā)展迅速、雨強大、局地性強、可預(yù)測性低等特點，極易引發(fā)城市內(nèi)澇、山體滑坡和泥石流等災(zāi)害。隨著全球變暖，我國極端降水平均強度和極端降水事件發(fā)生概率都有增大的趨勢［1］。許多學(xué)者研究了廣東極端強降水的特征及影響因素，伍紅雨等［2］研究發(fā)現(xiàn)廣東極端強降水頻次區(qū)域差異明顯，地形和環(huán)流等可能是極端強降水頻次中心形成的重要因素；蔣鵬等［3］從水汽輻合的角度出發(fā)，發(fā)現(xiàn)廣東省極端降水與極端水汽輻合對應(yīng)關(guān)系良好；丁麗佳等［4］研究了潮州市極端短時強降水的分布特征，并總結(jié)出3類短時強降水高發(fā)的下墊面地形；陳芳麗等［5］通過對個例的研究，指出地形增幅對珠三角北部暖區(qū)強降水具有重要作用。

梅州地處低緯亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，雨量充沛，全年超70%的雨量出現(xiàn)在汛期（4—9月）。梅州市總體地勢由閩粵贛邊境逐漸下降到梅江、興寧盆地等后又重新高起，再逐漸下降到潮汕平原。地貌以山地、丘陵為主，山系以西南－東北向山脈為主。梅州五華是廣東少雨中心之一，梅州是廣東極端降水敏感區(qū)高值中心之一［6］，同時具有氣流閉塞和易旱易澇等山區(qū)小地形氣候特點，地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險系數(shù)高，需重視短時強降水的監(jiān)測、預(yù)報和預(yù)警。梅州的降水研究不少［7－10］，但缺乏對短時極端降水以及地形影響方面的研究。本研究利用梅州逐小時雨量資料，探究短時強降水的分布特征及地形影響，以期深入了解其演變特征，為精細(xì)化預(yù)報預(yù)警服務(wù)提供參考。

1 資料和方法

本研究使用梅州市2010—2020年逐小時降水觀測資料。為確保資料的代表性和可靠性，篩除建站時間晚或者有長時間缺測的站點，挑選出106個區(qū)域自動站再加上7個國家站作為研究站點。逐時降水資料使用極值檢驗、一致性檢驗等方法進(jìn)行了質(zhì)量控制。

本研究定義1 h雨量≥20 mm的降水為短時強降水。極端短時強降水的一般定義為1 h雨量≥50 mm的降水，考慮到此種極端短時降水發(fā)生頻率低，主要由中小尺度天氣系統(tǒng)造成，并且梅州山區(qū)地形影響明顯，極端降水隨機性較大，因此本研究定義某時段內(nèi)最大時次小時雨量的平均值為極端小時雨強，用以描述極端短時降水的強度和極端性。

2 年變化特征

經(jīng)統(tǒng)計，2010—2020年間梅州市共出現(xiàn)8 870站次短時強降水，每站年均出現(xiàn)7.14次。從年均頻次分布（圖略）來看，梅州短時強降水年變化總體呈增多或減少趨勢，在5.17到9.54次范圍內(nèi)呈現(xiàn)3年左右的波動起伏。對年均降水頻次進(jìn)行連續(xù)功率譜分析，白噪聲譜也檢驗出降水頻次存在3年的短周期特征。

從短時強降水年均頻次空間分布（圖1）來看，梅州市短時強降水年均頻次在3～12次之間，頻次南北大中間小。北部大值區(qū)以平遠(yuǎn)縣上舉鎮(zhèn)為中心，中心頻次10.8次；南部大值區(qū)主要分布在豐順縣，其中也有南北兩個中心，南邊中心最大值達(dá)到全市最大的11.7次，此地處于很明顯的迎風(fēng)坡喇叭口地形。低值主要分布在山脈背風(fēng)坡的一些平原低地、盆地處。

圖1 2010—2020年梅州市氣象站點與短時強降水年均頻次分布

3 月變化特征

3.1 時間變化

由梅州2010—2020年所有站點頻次之和的逐月變化與最大極端小時雨強的逐月變化（圖略）可知，短時強降水頻次主要集中在汛期（4—9月），11年間共出現(xiàn)8 399站次，約占全年頻次的95%，并且呈現(xiàn)5和8月“雙峰”、7月低谷的分布特征，與廣東短時強降水次數(shù)逐月分布大體一致［11］。頻次最多的3個月依次為5、6和8月，分別占全年的20%、18%和18%。極端小時雨強分布也類似短時強降水頻次的雙峰分布，但低谷在6月。

進(jìn)入前汛期，冷空氣雖然勢力減弱但仍不斷南侵梅州，遇上偏南暖濕氣流時強降水多發(fā)；5月中旬左右南海季風(fēng)開始爆發(fā)［12］，大氣環(huán)流顯著調(diào)整，西太副高北抬，偏南季風(fēng)漸漸盛行，冷暖交匯加上南支槽活躍，導(dǎo)致5月的短時強降水頻次快速增長。6月的短時強降水頻次和極端小時雨強相比5月均變小。進(jìn)入7月，在北跳加強的副高影響下，大范圍降水活動導(dǎo)致的短時強降水頻次進(jìn)一步變小；但局地?zé)崂子旰蜔釒到y(tǒng)外圍環(huán)流影響趨于明顯，容易導(dǎo)致極端強降水，極端小時雨強反而增大，即短時強降水發(fā)生概率變小了但極端性增大了。8月是第2個峰期，熱帶氣旋、東風(fēng)波等熱帶天氣系統(tǒng)活動頻繁，短時強降水頻次增多強度增大。9、10月后局地?zé)釋α鳒p弱，熱帶系統(tǒng)外圍影響也減弱，因此頻次和雨強漸漸衰減。

3.2 空間分布

由于汛期的短時強降水占全年短時強降水的95%，因此選取4—9月短時強降水頻次作空間分布圖（圖2）。

圖2 梅州市逐月短時強降水頻次分布

4月份短時強降水五華縣較明顯。5月份短時強降水主要分布在平遠(yuǎn)、蕉嶺、興寧北部和梅縣北部，30次以上的站點有5個，其中最多的達(dá)到了32次。6、7月中北部的分布與5月類似，但強度逐月減弱。6到9月，豐順縣境內(nèi)均出現(xiàn)頻次大值區(qū)。梅州后汛期主要受熱帶氣旋外圍環(huán)流、熱帶輻合帶和東風(fēng)波等系統(tǒng)影響，這兩處都是東南向的迎風(fēng)坡喇叭口地形，利于氣流輻合上升產(chǎn)生強降水。8月幾乎全市都在10次以上，只有背風(fēng)坡以及一些河谷低于10次；頻次高值區(qū)各地都有分布，符合8月局地?zé)崂子甓喟l(fā)的特征?？偟膩砜?，前汛期短時強降水主要分布在平遠(yuǎn)蕉嶺以及興寧的北部，以西南季風(fēng)影響為主，后汛期主要分布在豐順縣，以熱帶天氣系統(tǒng)影響為主。

4 日變化特征

4.1 時間變化

梅州地形復(fù)雜且前后汛期主要影響的天氣系統(tǒng)不同，因此分全年、前汛期和后汛期來研究短時強降水的日變化特征。

圖3是梅州2010—2020年所有站點強降水頻次之和的日變化與最大極端小時雨強的日變化分布圖。從全年來看，短時強降水頻次高峰主要出現(xiàn)在下午，17：00（北京時，下同）附近達(dá)到最大；另外02：00和08：00出現(xiàn)次峰。極端小時雨強的分布基本與頻次分布對應(yīng)，但最大峰值出現(xiàn)在19：00，達(dá)到了79.5 mm，比頻次主峰時間遲1到2 h，與預(yù)報員“梅州經(jīng)常傍晚以后起雷雨強回波”的經(jīng)驗相符合，強雷雨回波更容易產(chǎn)生大雨強的極端短時強降水。

圖3 2010—2020年梅州市短時強降水逐時分布

從前汛期來看，頻次分布與全年相似。極端小時雨強范圍在45～65 mm，全天分布差別較小。02：00、08：00也出現(xiàn)頻次次峰（后汛期無此特征），說明凌晨到早上產(chǎn)生的短時強降水更易出現(xiàn)在這兩個時刻前后。前汛期08：00—09：00短時強降水頻次占全年同時次頻次的78%，說明凌晨到早上的短時強降水主要是由前汛期貢獻(xiàn)的。

從后汛期來看，頻次逐時分布呈單峰型。午后頻次快速增加，18：00附近達(dá)到峰值497次，之后減少至次日上午。凌晨到上午（00：00—12：00）頻次幾乎都在100次以下。極端小時雨強高峰同樣有所延后，出現(xiàn)在19：00。

4.2 空間分布

從前汛期頻次空間分布的日變化（圖4）來看，下午至傍晚（15：00—20：00）頻次最多，分布范圍最廣；上午至中午（09：00—14：00）主要分布在西北部，其余地區(qū)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，其余地區(qū)分布很小?？偟膩碚f，前汛期短時強降水主要分布在下午至傍晚（15：00—20：00），北部地區(qū)相比其他地區(qū)夜間更易發(fā)短時強降水。

圖4 梅州前汛期不同時段短時強降水頻次分布

從后汛期短時強降水頻次空間分布日變化來看（圖略），下午至傍晚（15：00—20：00）是主要的短時強降水時段，豐順兩個小喇叭口地形是主要分布區(qū)，大值中心達(dá)到了35次以上；另外五華西部、梅縣西部和北部也有比較明顯的頻次分布。

5 短時強降水與地形的關(guān)系

由第2－4章可知，梅州地形降水的發(fā)生與迎風(fēng)坡喇叭口地形密切相關(guān)。

頻次低值區(qū)主要位于蓮花山脈西北側(cè)的平原低地和鳳凰山北側(cè)背風(fēng)坡，前汛期盛行風(fēng)向與西南－東北走向的山脈大致平行，后汛期則處于背風(fēng)坡位置，均不利于產(chǎn)生強降水。高發(fā)區(qū)均分布在迎風(fēng)坡喇叭口地形處，并且前汛期主要分布在北部的平遠(yuǎn)蕉嶺，后汛期則基本分布在豐順縣。平遠(yuǎn)蕉嶺中北部的丘陵山地是西南迎風(fēng)坡，前汛期西南季風(fēng)盛行，利于小范圍氣流上升運動，利于產(chǎn)生降水。豐順南部“八鄉(xiāng)山－湯坑盆地－釋迦崠－歸湖盆地－鳳凰山”自西南向東北分布，更南部是廣闊的潮汕平原，因此分隔出兩處迎風(fēng)坡喇叭口地形，后汛期東南風(fēng)控制時，因地形收縮使氣流輻合加強，進(jìn)而加大上升運動，利于產(chǎn)生強降水。

地形降水受多種因素影響。地形的迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡效應(yīng)通過影響氣流運動從而影響降水分布［13］。熱力效應(yīng)主要是由于不同高度地表接受太陽輻射和氣流抬升釋放潛熱引起的，低層層結(jié)不穩(wěn)定時，潛熱釋放和垂直環(huán)流發(fā)展存在正反饋關(guān)系，最終導(dǎo)致地形對降水的強烈增幅［14］。除了動力和熱力作用外，地形降水還受水汽、中尺度系統(tǒng)和微物理過程等影響［15］。地形降水是一個復(fù)雜的非線性過程，蓮花山脈附近地形降水還有待更進(jìn)一步的研究。

6 結(jié)論

1）梅州短時強降水年均頻次無明顯增多或減少趨勢，存在3年左右短周期波動，空間分布總體為南北大、中間小。

2）梅州短時強降水基本發(fā)生在4—9月，呈5、8月雙峰，7月低谷分布。前汛期主要分布在平遠(yuǎn)蕉嶺、后汛期分布在豐順，主要影響系統(tǒng)分別為西南季風(fēng)和熱帶天氣系統(tǒng)。

3）從日變化來看，梅州短時強降水高發(fā)時段在下午到傍晚，但極端雨強出現(xiàn)時段比高發(fā)時段推遲1～2 h；前汛期北部存在一定的夜雨特征。

4）梅州短時強降水高發(fā)區(qū)主要分布于迎風(fēng)坡喇叭口地形處，低值區(qū)分布于山脈背風(fēng)坡的平原低地、盆地處。