浙江暖季短时强降水特征分析

2010浙江暖季短时强降水特征分析

沈晓玲黄海迅章丽娜(1浙江省绍兴市气象局，绍兴312000;2中国气象局干部培训学院，北京100081)引言短时强降水是指短时间内降水强度较大，降雨量达到或超过某一量值的天气现象，与暴雨相比，更具有突发性强、来势猛、降水时间集中等特点，且可预报时效短，常常会造成城市积涝、山体滑坡等气象衍生灾害，因此许多专家学者对短时强降水开展了一系列研究[1-3]。在气候变暖背景下，全球日极端降水呈现增加趋势[4-6]，且极端降水容易发生在更短的时间内，正逐渐成为主要的气象灾害风险之一[7-8]。极端小时降水最强阈值位于华南沿海、海南岛、台湾岛和华北平原，次大值位于四川盆地和长江中下游地区，极端小时降水事件具有不对称性，维持时间在东南沿海、长江中下游一带较长，而在中国北方普遍较短[9-11]。李建等[12]利用中国1954—2010年575站逐时降水资料和广义极值分布客观合理地确定了小时降水强度阈值，为各地区定义小时尺度的极端降水事件提供了较客观的依据和标准，并指出极端降水事件的发生具有明显的季节性。梁苏洁等[13]利用京津冀地区1970—2015年暖季国家自动站逐日和逐时降水资料，分析了该地区暖季及其各月降水量的变化趋势与逐时降水的日变化特征。付超等[14]利用2010—2016年5—9月江西国家站和区域自动站逐日、逐时资料，分析暖季短时强降水时空分布特征，认为短时强降水的发生与地形动力作用和热力作用有关，时间上大致与江南雨季大尺度环流背景相联系。吕劲文等[15]利用浙江省2012—2016年6—9月自动气象站逐小时资料，分析了浙江省午后短时强降水时空分布特征，并探讨了其发生的环流背景及局地热力条件、地形辐合等触发因子的特点。杨诗芳[16]等利用杭州市1988—2008年(缺1993、1994年)19年的小时雨量资料，分析了杭州短时强降水的发生规律。前者研究是针对浙江省午后短时强降水，后者研究的是杭州市全年短时强降水，针对浙江省暖季短时强降水的研究相对较少。浙江省位于我国东南沿海，地势由西南向东北倾斜，地形复杂，属于亚热带季风气候，除西风带、东风带系统外，还受局地小气候、地形等诸多因素影响，短时强降水、雷雨大风、冰雹等对流性天气多发。2020年6月30日03:00—06:00，浙江省新昌县突降暴雨到大暴雨，3h平均面雨量达70.7mm，最大寨岭村113.2mm，小时雨量最大长沼林场64.6mm，短时强降水导致新昌县南明街道九间廊村发生山体滑坡，10户16间房屋倒塌，9户13间房屋严重损毁。可见，如何在大尺度环流背景有利于产生强降水的情况下，准确预报短时强降水仍是当前的一个预报难点。本文利用2010—2019年浙江省暖季小时降水资料分析短时强降水和极端短时强降水的时空分布特征，以期为短时强降水的预报提供气候学背景，同时分析了区域性短时强降水事件发生的环流背景，以期为此类事件的预报提供一定的参考。1资料与方法1.1资料本文采用浙江省气象信息中心提供的2010—2019年暖季(5—9月)经过质量控制后的102个国家站和1324个区域站小时雨量数据(精确到0.1mm)，图1为浙江省地形和站点分布图，可以看到，浙江地形自西南向东北呈阶梯状倾斜，西南以山地为主，中部以丘陵为主，东北部为平原。为防止资料数据可能存在的偏差，做了进一步质量控制，即将逐时降水资料与同站逐日降水资料进行比对，如果逐时资料累积日降水量偏差大于逐日降水资料中降水量的10%，则该日资料舍弃[17]。某小时雨量代表过去60min的累计雨量。对区域性短时强降水过程的环流形势分析，采用水平分辨率为1°×1°的NCEP逐日4个时次再分析资料，时段同样为2010—2019年5—9月。台风路径数据也来源于浙江省气象信息中心。图1浙江省地形和站点分布(红色为国家站，黑色为区域站)1.2定义定义小时雨量≥0.1mm为一个降水样本，1h雨量≥20mm或3h雨量≥50mm为一个短时强降水样本，1h雨量≥50mm或3h雨量≥100mm为一个极端短时强降水样本[18]。降水强度为降水总量与降水时数的比值。根据NCEP逐日4个时次再分析资料的时间间隔，将一天分为上午(08:00—14:00)、午后(15:00—20:00)、上半夜(21:00—02:00)、清晨(03:00—08:00)4个时段[19]，同时《浙江省预报员手册》中将浙江省分为浙北平原、浙西中山丘陵、浙东丘陵、中部金衢盆地、浙南山地、东南沿海平原及滨海岛屿6个地形区域，当某一时段任意地形区域内有≥10个站出现短时强降水时，定义为一次区域性短时强降水事件。2短时强降水时空分布特征2.1降水频次逐年变化图2是2010—2019年浙江暖季短时强降水频次的逐年变化，可以看到，近10年短时强降水年平均频次为6915次，最少为2013年4807次，最多为2018年8797次，降水频次的年变化呈增多趋势。而降水强度的年变化趋势则较为平稳，平均年降水强度为29.4mm/h，其中2013年虽然年降水频次最少，但降水强度达到最大，为30.8mm/h，最小为2016年、2017年29.1mm/h。图22010—2019年浙江短时强降水频次、强度逐年变化2.2降水频次逐月变化从图3可以看到，降水频次年变化为单峰型特征，5月降水频次最少，6、7月快速增加，8月达到峰值，为20673次，9月又迅速下降。总体为迅速增加，迅速下降的特点。降水频次的月变化可能与东亚夏季风活动特点密切相关，东亚夏季风5月中旬前后建立，7月底达到鼎盛，9月迅速南撤[20]。图32010—2019年浙江短时强降水频次、强度逐月变化降水强度呈逐月增强趋势，9月达31.1mm/h，这与夏季风、江淮梅雨和副热带高压密切相关[20]。特别是9月，虽然降水频次明显减弱，但降水强度增强，这可能是由于9月西太平洋副热带高压逐步东退至海上，中国大陆东部40°N以南地区，受极地变性高压的反气旋控制，因此短时强降水发生频率迅速减弱，但由于此季节热带辐合带达到最北的位置，因此经常有台风、东风波等热带天气系统给华东地区带来短时强降水天气[21]，另一方面，9月起北方冷空气逐渐频繁影响浙江，由冷暖气流交汇引发的强对流天气增多，也是导致短时强降水增多的原因之一。2.3降水频次逐旬变化分析图4可以看到，降水频次呈多峰型变化。5月中旬达到一个峰值，与东亚夏季风在5月中旬建立的时间一致。5月下旬、6月上旬降水频次有所减少，北方冷空气回退[22]，冷暖气流交汇减少，对流性天气也减少。6月中旬至7月上旬降水频次逐步增多，这与浙江省出入梅时间恰好吻合(常年入梅时间为6月10日，出梅时间为7月10日)，梅汛期东亚夏季风北抬至长江流域，使长江中下游地区冷暖气流频繁交汇，暴雨、大暴雨过程增多。7月中旬副高北跳至25°N以北，浙江省梅汛期结束，受副高控制，盛行晴热高温天气，因此7月中、下旬降水频次再次减少。8月上旬降水频次显著增多，出现主峰，达8262次，8月中、下旬又显著减少，此时雨带位于华北，江淮地区盛行副高南侧偏东气流，副高边缘常出现暖区降水[23]，同时热带天气系统(台风、东风波等)也会给浙江省沿海及内陆带来短时强降水天气。9月东亚夏季风迅速南撤，降水频次逐步减少。图42010—2019年浙江短时强降水频次、强度逐旬变化降水强度的逐旬变化与降水频次有显著差异。5月上旬至6月下旬降水强度基本稳定在26～28mm/h，7月上旬开始降水强度增强，7月下旬至9月下旬增强并稳定在30mm/h以上，最大为9月中旬31.4mm/h。可见不同天气系统引发的短时强降水强度有所不同，热带系统和副高边缘及内部的对流性降水强度强于梅汛期的降水强度。2.4降水频次日变化降水频次的日变化(图5)呈单峰型分布，12:00前分布均匀，13:00逐渐增加，峰值出现在16:00—19:00，最大17:00为5996次，20:00后迅速减少。这种分布不仅与天气系统有关，与午后对流性降水也密切相关，午后到傍晚地面受太阳辐射而强烈加热，常在近地层形成绝对不稳定层结，容易发生对流天气，当水汽充沛时，午后到傍晚易出现短时强降水[24]。图52010—2019年浙江短时强降水频次、强度日变化降水强度的日变化趋势与降水频次较为相似，但出现16:00、20:00这2个峰值，强度均为30.7mm/h。另外14:00至次日00:00时降水强度均在29mm/h以上，这可能与不同汛期短时强降水发生的时段有关，梅汛期短时强降水容易发生在下半夜到凌晨时段及下午到傍晚时段，台汛期短时强降水容易发生在凌晨到上午时段及傍晚到上半夜时段，前汛期降水多发生在夜间[16]。2.5降水频次空间分布短时强降水频次的空间分布(图6a)为沿海多于内陆，最多为温州泰顺141次。结合地形条件分析，短时强降水高频区均为山脉分布区，温州为雁荡山，宁波为四明山，台州为天台山，而舟山虽然地处浙江沿海，但境内没有山脉分布，降水频次较少。湖州西部为天目山，衢州西部多丘陵低山，为次高频区，浙北平原降水频次最少。可见短时强降水的发生与地形密切相关，更容易产生在沿海地区的山脉分布处，盆地和平原地形不利于产生短时强降水。从逐月的空间分布(图6b～f)来看，5月降水频次西部略多于南部和北部，降水频次均在20次以下。6月短时强降水频次增多，但分布不均匀，西部多于东部，特别是衢州和杭州西部天目山一带，最大为衢州开化26次。李国平等[25]分析了1954—2014年间5—10月西南涡统计特征，指出夏半年发生西南涡的平均年次数为43次，以6月最为强盛，8月最弱，西南涡的3条活动路径中，以偏东路径沿长江流域东移入海为主，另一方面，受天目山地形阻挡，西南涡往往进入浙江后在东移过程中减弱，可见6月短时强降水频次的空间分布与西南涡及地形均密切相关。7月短时强降水频次略有减弱，且空间分布相对较均匀，沿海略多于内陆，这种均匀分布与7月出梅后，浙江受副高控制，多晴热高温天气相关，但沿海地区受地形、海陆风等影响容易引发短时强降水，因此频次略多于内陆。8月短时强降水频次明显增多，除浙北平原北部以外，空间分布与整个暖季的空间分布基本一致，表明8月短时强降水频次分布在整个暖季短时强降水分布中占主要贡献，由于8月东南沿海多登陆台风或远距离台风外围云系携带大量水汽和能量，促使雨量剧增，沿海地区短时强降水容易多发[19]。9月短时强降水频次迅速减少，沿海地区为短时强降水高发区，这种分布与秋台风密切相关，一方面，进入9月，由于太阳直射点由北向南移动导致海温偏暖，能提供给台风更多的能量，秋季更容易出现超强台风影响浙江，另一方面，9月影响台风路径的副高开始东退南移，秋台风登陆地点更偏南，主要集中在浙江以南地区，最多为广东和海南，受台风低压倒槽外围偏东或东南气流影响，并与北方冷空气结合，在浙江沿海容易产生短时强降水。图62010—2019年浙江短时强降水频次空间分布:(a)5—9月,(b)5月,(c)6月,(d)7月,(e)8月,(f)9月2.6降水强度空间分布图7a为短时强降水强度的空间分布，可以看到沿海地区包括杭州湾两岸的降水强度明显大于内陆，与降水频次不同的是，浙西山地降水强度不强，可见降水强度不仅与地形相关，可能还与海陆风有关。海陆风是海陆热力差异引起的大气中尺度环流，在一定天气背景下能对降水起到触发和加强作用，它与一定的海岸线形状相结合，常形成强辐合中心，这些中心也正是浙江沿海地区大暴雨发生的地方[26-27]。图72010—2019年浙江短时强降水强度空间分布:(a)5—9月,(b)5月,(c)6月,(d)7月,(e)8月,(f)9月从逐月分布看，5—9月降水强度分布较为均匀，其中9月内陆地区降水强度大值区呈分散性分布，而沿海地区成片分布，这可能也与秋台风密切相关，此处不再赘述。3极端短时强降水时空分布特征3.1降水频次逐年变化从2010—2019年暖季极端短时强降水频次的年变化(图8)可以看到，平均年降水频次为346次，年际变化较大，最大为2018年505次，最少为2012年256次，但年变化趋势相对平稳。降水强度的年变化趋势也较为平稳，基本稳定在60～63mm/h之间，其中，最大为2013年63.2mm/h，最小为2012年59.8mm/h。图82010—2019年浙江极端短时强降水频次、强度逐年变化3.2降水频次逐月变化极端短时强降水频次、强度变化趋势与短时强降水均类似。5—7月降水频次逐月增多，8月达到峰值，为1227次，9月迅速减少。降水强度除5月外，均在60mm/h以上，最大为9月63.7mm/h。可见夏末秋初的极端短时强降水虽然频次减少，但强度高于梅汛期和盛夏的极端短时强降水(图9)。图92010—2019年浙江极端短时强降水频次、强度逐月变化3.3降水频次逐旬变化从图10可以看到，极端短时强降水频次旬分布呈增多趋势，7月上旬达到次峰，8月下旬达到主峰，为431次，9月上旬快速减少，但9月中旬和下旬仍维持在310次以上，比梅汛期降水频次明显偏多。图102010—2019年浙江极端短时强降水频次(单位：次)、强度(单位：mm/h)逐旬变化降水强度在7月下旬、8月中旬分别达到次峰，9月中下旬达到最大，分别为64.6mm/h、64.2mm/h。这一方面与台风强度有关，秋台风强度和范围往往比夏台风更强更大，而且影响期间经常与冷空气结合，产生强降水，统计2010—2019年9月影响浙江的秋台风，共有5次(1010号台风“莫兰蒂”、1416号台风“凤凰”、1521号台风“杜鹃”、1617号台风“鲇鱼”、1614号台风“莫兰蒂”)在浙闽沿海登陆并在浙江产生强降水，有3次台风(1616号台风“马勒卡”、1717号台风“古超”、1718号台风“泰利”)在浙江沿海北上并产生强降水。另一方面与冷空气强度有关，在同样的暖湿气流条件下，冷空气越强，产生的对流天气可能也越强，降水强度也越强，夏末秋初北方南下的冷空气强度逐渐加强，浙江省常年平均在9月末入秋，这也是9月中下旬极端短时强降水频次较高的原因之一。3.4降水频次日变化分析极端短时强降水日变化(图11)，降水频次与短时强降水变化基本一致。14:00起降水频次逐渐增加，16:00达到峰值，为371次，主峰时间比短时强降水提前了1h，20:00后降水频次迅速减少。图112010—2019年浙江极端短时强降水频次、强度日变化而降水强度呈多峰型分布，变化幅度也比短时强降水大。最大出现在12:00，为68.3mm/h，最小出现在06:00，为58.9mm/h。值得注意的是13:00—22:00，降水强度减弱并稳定维持，但23:00又突然增大至65.1mm/h，分析23:00产生极端短时强降水的影响系统，发现主要由副高边缘对流性降水和台风降水引发，表明这两种系统都可以产生高强度的极端短时强降水，此外，后半夜到早晨极端短时强降水的形成与夜间到清晨云顶辐射冷却造成不稳定层结的增强以及早晨前后低空西南季风气流增强有关。3.5降水频次空间分布分析图12a可以发现，极端短时强降水频次的空间分布也与地形密切相关，沿海明显多于内陆，其中又以温州最多，台州次之，最大温州平阳13次。5月降水频次均在2次以下，分布较为分散，总体浙南多于浙北。6月明显增多，除浙东北外，分布较为均匀，可见西南涡东移过程中易产生短时强降水，但产生极端短时强降水的可能性小。7、8月降水频次沿海多于内陆，特别是8月杭州湾两岸明显增多，这可能与该处地形有关，中小尺度地形通过强迫抬升和喇叭口地形的辐合作用使降水大为增强[26]。据统计8月影响浙江的东风系统增多，杭州湾地区为喇叭口形状，其地形为北面高、西面和南面低，由于其特殊地形，偏东气流影响时，有时杭州湾内站点的风速会增大，气流在迎风坡爬升，风速增强，喇叭口地形的收缩辐合作用使气流抬升，造成浙北强降水，杭州湾南侧为南北向四明山系，偏东气流进入后，地形使其辐合增强，造成强降水[27]。9月降水频次迅速减少，且分布特征与短时强降水类似。图122010—2019年浙江极端短时强降水频次空间分布:(a)5—9月，(b)5月，(c)6月，(d)7月，(e)8月，(f)9月3.6降水强度空间分布极端短时强降水强度的空间分布比较均匀，浙北略大于浙中南，可见与地形相关性不大。5月降水强度均在100mm/h以下，浙西南相对较大，最大为丽水松阳92.8mm/h。6—9月降水强度有所增强，全省分布总体均匀，其中8月杭州湾两岸的降水强度略大于浙中南，这一方面可能与杭州湾地形有关，另一方面可能与副高有关，7月末至8月初，副高跨越30°N，到达一年中最北位置，华北、东北进入雨季，但受东、西风带系统影响，副高将南北摆动，浙北地处30°N附近，当副高南退或北抬时，受其边缘影响，易出现午后强对流天气(图13)。图132010—2019年浙江极端短时强降水强度空间分布:(a)5—9月,(b)5月,(c)6月,(d)7月,(e)8月,(f)9月4区域性短时强降水事件分型根据定义，共筛选出48次区域性短时强降水事件，分析其发生时850、500hPa环流形势，并结合《浙江省天气预报手册》中暴雨分型，将区域性短时强降水事件分为5种类型：冷切型、暖切型、热带气旋型、高空槽型、副高控制型。划分标准如下：冷切型：850hPa有冷切变南压或低涡后部的冷切变东移影响浙江，切变线南侧一般有西南急流，短时强降水多发生在冷切南侧。暖切型：850hPa有暖式切变线北抬或低涡前部的暖切变东伸影响浙江，暖切变多为西南风与东南风形成的中尺度切变，短时强降水多发生在暖切变以南的西南暖湿气流内。热带气旋型：台风或热带气旋登陆浙江或在浙江沿海北上。高空槽型：850hPa有低槽东移影响浙江，槽前有西南气流(不一定达到急流强度)，短时强降水多发生在槽前。副高控制型：浙江省为西太平洋副热带高压控制，短时强降水多发生在副高内部的暖区内。从表1可以看到，冷切型发生次数最多，为15次，热带气旋型和暖切型次之，高空槽型最少，其中又以8月的热带气旋型最多。副高控制型为2次，仅占4%，且均为午后热对流性质降水，因此该型不作具体分析。表12010—2019年各类型区域性短时强降水事件发生次数4.1冷切型冷切型区域性短时强降水事件主要出现在6—9月，多发生在午后到上半夜。500hPa我国东北或华北地区为冷涡或高压脊控制，冷涡后部或脊前的西北气流引导冷空气南下，副高位于华东沿海及以南地区，35°N以南华东沿海上空有短波或长波槽东移，浙江省处在槽前及副高西侧的西南气流中，850hPa浙江有冷切变南压或低涡后部的冷切变东移。降水落区主要位于浙江中部地区，高频区呈东西向带状分布。图14a为一次典型的冷切型区域性短时强降水过程(2011年6月19日20:00)环流形势场，500hPa东北和华北均为强大的高压脊控制，冷空气沿脊前西北气流南下，江浙一带有低槽东移，浙中北处于槽前西南气流中，副高位置偏西，588线位于东海以东的西太平洋上，850hPa浙江中北部地区为东西向分布的冷切变，冷切变南压过程中产生短时强降水，降水落区与冷切变走向一致。4.2暖切型暖切型区域性短时强降水事件5—9月均有发生，8月最多，多发生在午后。发生时500hPa中高纬地区多两槽一脊型，我国东北到鄂霍次克海地区为低槽或冷涡，位置均较冷切型偏东，副高南撤到华南或华东沿海，在30°N以南100°～115°E之间有南支槽发展，长江中下游地区处在南支槽前西南气流中，850hPa浙江省上空为暖切变或低涡前部的暖切变。降水落区多位于浙东北杭州湾沿岸地区，高频区为块状分布。图14b为典型的暖切型区域性短时强降水过程(2012年6月17日08:00)，500hPa东北地区为冷涡控制，西北到华北为高压脊区，30°N以南华西地区为宽广的南支槽，副高东退到东海及以东地区，浙江省处于南支槽前及副高西侧的西南气流中，850hPa浙中北包括杭州湾南岸处于偏南风与东南风形成的暖切变中，低槽东移过程中产生短时强降水。图14各天气型典型个例500hPa高度场(单位：dagpm)和850hPa风场:(a)冷切型，2011年6月19日20:00,(b)暖切型，2012年6月17日08:00,(c)热带气旋型，2019年8月10日08:00,(d)高空槽型，2015年5月18日08:004.3热带气旋型热带气旋型区域性短时强降水事件发生在8—9月，8月为8次，是9月的2倍，且各个时段均有发生。降水落区、降水强度与热带气旋的强度和路径密切相关，统计发现，引发区域性短时强降水事件的热带气旋全部为登陆型，在浙江中部及以北登陆的热带气旋登陆后多西北行，降水落区多位于浙中北地区，降水多为台风本体降水，而浙南距离热带气旋较远，因此以分散型短时强降水为主，不易产生区域性短时强降水事件。在福建中部登陆的热带气旋降水落区多位于浙中南地区，同样多为台风本体降水，登陆后西行的热带气旋距离浙中北地区较远，短时强降水也以分散型为主，而登陆后北上的热带气旋，受地形等因素影响，强度迅速减弱，如果不与北方冷空气结合，在浙中北地区产生区域性短时强降水事件的可能性大大减少。总体而言，高频区位于沿海。图14c为1909号台风“利奇马”环流形势图(2019年8月10日08：00)，“利奇马”于10日01：45分在台州温岭登陆，登陆后向北偏西方向移动，穿过浙中北地区进入江苏，强降水为台风本体降水