基于区域自动站的东莞极端短时强降水特征

时间：2024-07-28

蔡奕萍，尹淑娴，姜晓岑，李婵珠

（东莞市气象局，广东东莞 523000）

近年来，随着气候变化，由极端强降水造成的重大灾难性事件频繁发生［1-2］，给人类社会和经济发展带来巨大影响［3］，如在2012年7月21日北京出现的特大暴雨［4］、2017年5月7日发生在广州的极端强降水［2］。由于极端强降水突发性强、空间尺度小，一直以来都是预报业务的一大难题。国内外许多气象工作者针对极端强降水开展了大量研究工作，取得了一定的研究成果，陆虹等［5］、伍红雨等［6］分别对华南、广东地区的极端降水时空分布特征进行研究；符娇兰［7］研究了极端强降水的成因；靳振华等［8］分析了极端短时强降水发生之前2 h各气象要素场的变化规律；李崇银等［9］发现大气环流的组合性异常在极端天气气候事件的发生中起着极其重要的作用，这些研究成果都为极端强降水的预报预警提供了启发性的线索。

东莞地处华南沿海、珠江口东岸，受台风、季风、热带云团、锋面等系统和地形共同影响［10］，几乎每年都会发生强度大、时间及范围集中的极端强降水天气。特别是在大暴雨或特大暴雨过程中，成片出现大于等于50 mm／h的极端短时强降水时，往往由于雨势猛、雨量集中，更易导致严重内涝灾害。因此，本研究通过对2008—2019年东莞地区出现的极端短时强降水事件进行统计分析，从时空分布、雨量和年极值等方面对极端短时强降水气候特征进行分析，期望为东莞地区极端短时强降水精细化预报预警提供参考，以及为预报服务和防灾减灾提供科学依据。

1 资料和方法

东莞地区自2005年开始建设区域自动站气象网，到2008年，全市97个区域气象站的监测网已建成［11］，平均间隔密度为5 km×5 km，站点分布如图1a所示。本研究选取2008—2019年共12年的24 h（20：00—20：00（北京时，下同））逐小时降水观测资料。

定义1 h雨量≥50 mm为极端短时强降水。由于本研究使用的降水资料为逐小时降水观测资料，会导致统计的极端短时强降水站次数和降水量低于实际1 h滑动值［12］。

空间统计分为站点统计和片区统计。根据地理特征，把东莞分水乡、沿海、城区、丘陵、埔田、山区共6个片区进行统计，片区分布如图1b所示。

图1 2008—2019年东莞站点极端短时强降水年平均次数空间分布

各站点出现极端短时强降水的年平均次数为NS，则i片区内站点年平均次数DNS为

其中，i为片区名；m为该片区内的自动站个数。

2 空间分布

图1a为2008—2019年东莞极端短时强降水站点年平均次数（NS）分布，由图1a可见，NS总体呈中西部多、东部少的特征。出现极端短时强降水最多的站点是位于城区的万江街道和莞城街道，NS分别为2.1和1.9次，其次是水乡片的横沥镇、城区的东城街道及沿海片的厚街镇，NS均为1.8次。大部分自动站出现极端短时强降水年平均次数在1.5次以下。

从片区站点年平均站次（DNS）分布（图1b）来看，出现极端短时强降水的次数最多的片区出现在西北部的城区和水乡片，DNS分别为1.32和1.18次，其次是中部的丘陵片1.05次，DNS最少的是东南部的山区片，仅有0.64次。

由站点和片区的分布特征可以看出，城区是极端短时强降水的易发区域。陈元昭等［12］对深圳大暴雨的统计也表明，繁华的城区是大暴雨的高发区，说明在发生强降水时，城市作用造成雨量增加，在城区最显著［13］。这可能是因为城市建筑物高低不同，地标建筑、超高层建筑的出现，使得地表粗糙程度比附近郊区大，这不仅能引起湍流，而且对稳定滞缓的降水系统有阻碍效应，使其移动速度减慢，在城区滞留的时间加长，从而导致城区的降水强度增大、降水时长加长［14］。

3 时间分布特征

3.1 年变化

从2008—2019年东莞极端短时强降水统计（图2）来看，全市极端短时强降水年变化总体呈现“一年多两年少”的波动上升趋势。近12年间共出现1 180站次极端短时强降水，平均每年98站次；2010年出现极端短时强降水的站次最多，达169站次；2011年出现站次最少，仅为41站次；除2011和2014年以外，其余10年极端短时强降水均在80站次以上。

图2 2008—2019年东莞全市极端短时强降水年变化

从2008—2019年东莞各片区站次年变化特征极端短时强降水特征（图略）可以看出，水乡片、山区片、城区片出现极端短时强降水站次呈波动上升趋势，其中水乡片、山区片呈“一年少两年多”的变化规律，而城区片则有“一年多一年少”的变化特征；埔田片、沿海片总体呈波动下降趋势，并有“一年多两年少”的规律；丘陵片同样有“一年多两年少”的变化特征，但年变化趋势不明显。

3.2 月分布

2008—2019年东莞极端短时强降水的月变化（图略）显示，极端短时强降水主要集中在主汛期（4—9月），占总站次数的94%（1 113站次），且在5—6、8月呈“双峰”特征，与华南前后汛期的主要降雨分布时段一致。进入前汛期，冷空气势力明显减弱，中低层开始盛行偏南风（西南季风和东南季风），华南多锋面低槽和季风降水；后汛期转为副高南侧热带系统控制，多受热带气旋和东风波等的影响［1］。出现极端短时强降水的次数最多的月份为5月份，占全年的27.5%；11月—次年2月份出现极端短时强降水的次数非常少，在统计的年份内，1、2月各出现1次，分别为2012年1月28日、2010年2月7日；12月份出现2次，为2009年12月21日、2010年12月25日；11月份在统计时段内没有出现过极端短时强降水。

各片区极端短时强降水的月变化（图3）大致呈现出前汛期的峰值高于后汛期的特征，其中，水乡片、沿海片5—6月份出现极端短时强降水的次数远远多于8月份，这可能是因为这两个片区位于东莞西部、珠江口东侧，受西风系统和喇叭口地形辐合影响较明显；东南部山区片则呈现出后汛期的峰值高于前汛期的特点，即最高值出现在8月份，这可能跟山区片纬度偏南，更易受低纬度的热带系统影响有关，同时山地的迎风坡对降水也有一定增幅作用［1］。

图3 2008—2019年东莞各片区极端短时强降水频次的月变化

3.3 日分布

1）频次日变化。

从东莞地区极端短时强降水的日变化特征（图略）可知，东莞地区极端短时强降水日变化高峰主要集中在13：00—19：00，共496站次，占总数的42%，其中17：00出现极端短时强降水次数最多，共87站次，其次为18：00共86站次；次高峰主要集中在01：00—06：00，占总数的28%。由此可以看出，午后到傍晚、凌晨到早晨是极端短时强降水的易发时段。07：00—12：00以及20：00—00：00是低值时段，降水站次数最少的时段为23：00，仅出现过13站次。

2）站次日变化。

由于主汛期（4—9月）出现极端短时强降水站次数占总站次数的94%，而在此期间各月份造成强降水的天气系统不同，出现极端短时强降水的站次差异较大，不同月份的同一时次极端短时强降水出现次数难以进行比较。因此，对主汛期的极端短时强降水站次采用z-score标准化方法进行标准化处理，使各指标处于同一数量级，消除站次差异的影响［15］。

z-score标准化转换函数为

其中，x是1 d 24 h内逐时极端短时强降水站次；μ为24 h内逐时短时强降水站次的平均值；σ为标准差，按月统计每个时次出现极端短时强降水的总站次。

从极端短时强降水逐月日变化（图4）可以看出：

图4 2008—2019年东莞极端短时强降水逐月日变化

（1）4月极端短时强降水易出现在中午和傍晚，20：00—次日10：00不易发生，其中22：00—次日02：00、07：00—10：00在统计时段内未出现极端短时强降水。

（2）5月日变化呈“双峰”型，01：00—02：00、13：00分别为极端短时强降水的高峰和次高峰，说明5月极端短时强降水易发生在凌晨和午后，夜雨特征明显。

（3）6月日变化呈波动式上升，从14：00开始极端短时强降水明显趋于增多，17：00—18：00达到峰值，01：00—05：00、09：00—13：00不易发生极端短时强降水，02：00未出现。

（4）7月日变化与5月相似，但最高峰出现的时间较5月稍晚，极端短时强降水最易发生在05：00，其次是13：00—19：00；20：00—次日04：00和07：00—12：00不易发生，其中20：00、09：00—10：00未出现。

（5）8月极端短时强降水易发时段更集中在早晨时段，04：00—06：00最易发生，即同样具有明显的夜雨特征，11：00—20：00呈弱波动上升趋势，21：00—03：00、07：00—10：00不易发生。

（6）9月日变化较大，白天振荡频率较大，峰值出现在08：00—09：00，21：00、07：00和12：00在统计时段内没有发生过极端短时强降水。

4 雨量及年极值分布

4.1 雨量分布

从2008—2019年东莞极端短时强降水雨量统计表（表略）可知，小时雨量在50～59.9 mm范围内出现的次数最多，共665站次，占比超过1／2（56.4%）；其次是60～69.9 mm，占23.4%。小时雨量在100 mm以上出现过28次，分别为2010年23次、2013年4次、2017年1次，其中2010年仅5月7日就出现了20次。

4.2 年极值

1）分布。

表1为2008—2019年东莞极端短时强降水年极值统计表，由表1可知，2010年5月7日01：00石排镇出现了2008—2019年期间极端最强短时强降水，达到了143 mm，其次为2013年5月22日14：00出现在高埗镇的短时强降水，达到了118.4 mm。5—6月出现年极值次数最多，达到了7次；其余月份中，8月出现了2次；3、7、9月各出现1次，4月在统计时段内未出现过年极值。从年极值的片区分布来看，埔田片和沿海片最多，各出现3次；山区片和水乡片各2次；城区片和丘陵片各1次。

表1 2008—2019年东莞极端短时强降水年极值统计

2）天气流型配置。

极端短时强降水一般都发生在有利的环流背景下［1］。分析东莞地区2008—2019年期间极端短时强降水年极值的主要影响系统，发现其对应的天气流型配置主要有西南气流型、冷空气切变型、季风低压型和东风波型4种［12］，每种类型占比分别为41%、25%、17%和17%。从不同天气流型发生时段来看，发生在前汛期极端短时强降水年极值的主要影响系统为西南气流型和冷空气切变型，发生在后汛期的则为季风低压型和东风波型。

值得一提的是，有学者研究表明台风型天气流型配置是造成珠江三角洲地区极端短时强降水的主要系统之一［16］，本研究统计发生在东莞地区的区域性极端短时强降水（3个或以上站点同时录得小时雨量≥50 mm）时也发现，由台风型引起的区域性极端短时强降水在天气流型配置中约占14%，但在统计时段内并未出现过因台风型引起的极端短时强降水年极值事件。另外，除2013年外，其余年份的极端短时强降水年极值事件均发生在区域性极端短时强降水过程中。