金成 沈杭鋒 高天赤 陳勇明

(杭州市氣象局,浙江 杭州 310051)

0 引 言

短時強降水是一種常見的強對流天氣,常具有突發(fā)性強,小時雨強大等特點,很容易導(dǎo)致城市內(nèi)澇、地質(zhì)災(zāi)害等次生災(zāi)害[1]。近幾年來,由于城市規(guī)模的擴大,短時強降水造成的城市內(nèi)澇往往會給城市帶來巨大的財產(chǎn)損失甚至人員傷亡[2],如2015年6月23日杭州臨安昌化短時強降水引發(fā)山洪,16—19時雨量超過100 mm,小時雨強59 mm,由于降雨急、強度強,造成山洪爆發(fā),直接經(jīng)濟損失7000萬元。因此短時強降水特征一直是氣象學(xué)者們研究的一個重點方向。陳炯等基于全國876個基本基準(zhǔn)氣象站整點逐時降水資料,分析了中國暖季(4—9月)10、20、30、40、50 mm/h短時強降水的時空分布特征[3]。樊李苗等研究了短時強降水、強冰雹、雷暴大風(fēng)以及混合型強對流天氣的環(huán)境參數(shù)特征[4]。隨著觀測資料時空分辨率的提高和數(shù)值預(yù)報模式的進步,陳元昭等對珠江三角洲地區(qū)重大短時強降水的基本環(huán)流類型與環(huán)境參數(shù)特征做了研究[5]。魏曉雯等對上海地區(qū)不同類型短時強降水的大尺度環(huán)流背景特征進行了分析[6]。

杭州市地處我國東部沿海,特殊的地理位置和日益增強的社會影響,學(xué)者們對杭州暴雨等災(zāi)害性天氣的研究逐漸增多。楊詩芳等利用杭州國家站20 a的一小時雨量資料,分析了杭州短時強降水的發(fā)生規(guī)律,包括短時強降水的極值分布、年發(fā)生次數(shù)、月季分布等氣候特征,還分析了短時強降水的天氣系統(tǒng)[7]。沈杭鋒等利用NCEP再分析、華東區(qū)域地面中尺度自動站和多普勒雷達資料,對2013年6月6—7日發(fā)生于杭州地區(qū)的大暴雨進行了多尺度分析[8]。

以上這些研究使人們對多尺度的天氣系統(tǒng)在短時強降水中的作用有了一定的認(rèn)識。但由于資料分辨率有限,對于長時間序列、高分辨率自動氣象觀測的杭州地區(qū)短時強降水研究工作相對比較缺乏。本文對杭州地區(qū)短時強降水時空分布特征及原因進行分析研究,揭示不同天氣系統(tǒng)背景下短時強降水過程的異同點,并對服務(wù)手段進行初步探討,以期為預(yù)報預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)工作提供參考。

1 資料和方法

本文研究區(qū)域為杭州地區(qū),杭州地處長江三角洲南沿和錢塘江流域,地形復(fù)雜多樣。杭州地區(qū)西部屬浙西丘陵地區(qū),主干山脈有天目山等。東部屬浙北平原,地勢低平,河網(wǎng)密布。

本文所用資料為2008—2017年5—9月杭州地區(qū)資料連續(xù)性和穩(wěn)定性較好的155個自動氣象站(如圖1)逐時觀測數(shù)據(jù),還使用了ECMWF水平分辨率為0.5°×0.5°、垂直分辨率為37層的ERA-Interim全球再分析數(shù)據(jù)。

圖1 杭州地區(qū)自動氣象站觀測站點分布

短時強降水采用國家氣象中心業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的小時降水量≥20 mm;首先統(tǒng)計2008—2017年5—9月杭州地區(qū)155個站點的短時強降水次數(shù)(共5958站次),考慮到自動站降水記錄的可靠性,只有當(dāng)該日(20時至次日20時,北京時,下同)有10%(15站)以上的自動站,且每個站至少發(fā)生一次短時強降水才記錄為一個短時強降水日,10a中挑選出短時強降水日117個,然后基于中低層大氣的大尺度環(huán)流特征對117個短時強降水日進行環(huán)流分型研究,最后在分型研究的基礎(chǔ)上針對個例進行服務(wù)方式的探討。

2 杭州地區(qū)短時強降水日的主要氣候特征

2.1 杭州地區(qū)短時強降水日分布特征

圖2a是2008—2017年5—9月杭州地區(qū)短時強降水日累積降水量分布圖。總體而言,杭州地區(qū)短時強降水日雨量北部明顯大于南部,區(qū)域內(nèi)有兩個大值區(qū)分別是杭州主城區(qū)和富陽東南部至蕭山南部一帶。杭州主城區(qū)短時強降水量比其他地區(qū)大,這可能與城市雨島特征有關(guān);富陽東南部至蕭山南部一帶和臨安西部、北部局部雨量大值可能與該區(qū)域海拔地形有一定關(guān)系。圖2b是杭州地區(qū)短時強降水日年均發(fā)生頻次圖,杭州地區(qū)155個自動氣象站年均短時強降水日在1.0～3.9 d之間,并且發(fā)生的頻率與短時強降水日累積降水量分布有著很好的對應(yīng)關(guān)系(即發(fā)生短時強降水次數(shù)多的,降水量大)。杭州主城區(qū)、富陽東南部至蕭山南部、天目山脈仍是短時強降水高發(fā)期。

2.2 杭州地區(qū)短時強降水變化特征

從2008—2017年5—9月杭州地區(qū)短時強降水日的年變化(圖3a)可知,杭州地區(qū)年均短時強降水日約為11.7 d,2011年和2013年最多達14 d,這可能與2011年和2013年梅汛期雨量偏多和2013年臺風(fēng)影響較多有關(guān)(杭州市氣候公報);2009年和2014年最少僅8 d,這可能與2009年和2014年梅汛期雨量偏少,臺風(fēng)影響偏弱有關(guān)(杭州市氣候公報)。從每月分布來看(圖3b),8月發(fā)生次數(shù)最多達37 d,其次是7月32 d、6月31 d,9月9 d,5月最少為8 d,究其原因與杭州地區(qū)6月開始梅汛期降水增多和7—8月熱帶氣旋活動增加有一定關(guān)系。對這117個短時強降水日按照小時統(tǒng)計各觀測站降水頻次,可以得到杭州地區(qū)短時強降水日變化特征(圖3c),杭州地區(qū)短時強降水峰值出現(xiàn)時間為17—19時,這可能與MCS(中尺度對流系統(tǒng))在閩浙丘陵具有非常突出的峰值分布特征有關(guān)[9],另外4—5時和8—9時也是高發(fā)時段,這與陳炯等的研究結(jié)果一致,這兩個高發(fā)時段可能與部分尺度較大的中尺度系統(tǒng)能夠維持1 h以上及低空急流的夜間加強有關(guān)系。而凌晨1—3時和午間12—14時發(fā)生次數(shù)相對較少,這可能與MCS(中尺度對流系統(tǒng))具有不太顯著的夜發(fā)性特征有關(guān)[9]。

圖2 杭州地區(qū)短時強降水日累積雨量(a,單位：mm)與年均發(fā)生頻次(b)分布圖

圖3 杭州地區(qū)短時強降水日變化特征:(a)逐年發(fā)生頻次;(b)逐月發(fā)生頻次;(c)逐時發(fā)生頻次

3 杭州地區(qū)短時強降水過程的主要天氣系統(tǒng)和時空分布特征

3.1 杭州地區(qū)短時強降水過程的主要天氣系統(tǒng)

災(zāi)害性天氣的分型有多種方式,陶詩言提出一般以大尺度環(huán)流特征或影響系統(tǒng)來研究[10]?；诖蟪叨拳h(huán)流的形式特征對杭州地區(qū)117個短時強降水日進行分析,可分為5類:1)西風(fēng)帶低槽型,這個類型是造成杭州地區(qū)短時強降水的主要天氣類型,約占35.9%(42 d),其主要環(huán)流特點是西風(fēng)槽較深,槽后常伴有冷平流,副高呈東西帶狀分布,低層西南或偏南氣流強盛,常伴有低空急流。2)梅雨鋒型,約占總數(shù)的23.1%(27 d),其環(huán)流特點是6—7月間,副熱帶高壓位置略偏東,588 dagpm線基本位于120°E以東,850 hPa一般存在西南或偏南急流,常伴有低空切變。3)熱帶氣旋型,約占總數(shù)的19.7%(23 d),其環(huán)流特點是熱帶氣旋環(huán)流影響杭州地區(qū)或環(huán)流與西風(fēng)帶結(jié)合影響。4)副高邊緣西風(fēng)急流型,約占總數(shù)的13.7%(16 d),其環(huán)流特點是500 hPa,588 dagpm線位于30°N附近,北側(cè)有西風(fēng)槽東移,槽后有較強冷平流輸送,杭州地區(qū)前期受副高控制,溫度較高,有充分熱力條件,當(dāng)北側(cè)西風(fēng)帶短波槽移近,冷空氣侵入,上冷下暖大氣不穩(wěn)定層結(jié)加強。一般副高西南側(cè)等高線密集,700 hPa偏南或偏東氣流強盛。5)局地強對流,約占總數(shù)的7.7%、(9 d),其環(huán)流特點是一般處于副高控制,前期溫度較高,熱力條件好。

3.2 不同天氣系統(tǒng)影響下杭州地區(qū)短時強降水的時空分布特征

不同天氣系統(tǒng)影響下,杭州地區(qū)短時強降水日的時空特征存在明顯差異。圖4是2008—2017年5—9月杭州地區(qū)5種類型短時強降水雨量分布圖,發(fā)現(xiàn)西風(fēng)帶低槽型主要有3個降雨中心主要分布在杭州主城區(qū)附近、淳安南部和臨安淳安交界山區(qū),中間有明顯的雨量低值分割,淳安南部和臨安淳安交界山區(qū)雨量中心與干冷空氣和干冷空氣與暖濕氣流交匯過程中,地形抬升作用有關(guān)[6],發(fā)生時段中上午4—9時和下午17—20時多發(fā),呈雙峰特征(如圖5a)。梅雨鋒型短時強降水分布較均勻,大值區(qū)位于臨安西部、中部至桐廬北部和富陽南部一線,蕭山東部南部降雨明顯偏低,這與梅雨鋒雨帶范圍大,降水強度強和浙江海島、北部平原等地區(qū)暴雨日數(shù)偏少有一定關(guān)系[11],一天中多時段頻發(fā),夜里0—2時發(fā)生概率較小(如圖5b)。熱帶氣旋型短時強降水呈北部多南部少,臨安天目山區(qū)、主城區(qū)南部和富陽南部山區(qū)是3個中心,這與熱帶氣旋3 h暴雨增幅主要發(fā)生在浙江東部沿海地區(qū)、錢塘江口沿岸地區(qū)、浙江西北部天目山區(qū)有關(guān)[12],發(fā)生概率上,在4—5時、15—19時和21—24時多發(fā),上午和中午發(fā)生概率較小(如圖5c)。副高邊緣西風(fēng)急流型短時強降雨中心位于主城區(qū)中北部和余杭臨平區(qū)域,淳安、建德南部明顯偏小,這與城市雨島有一定關(guān)系,一天中8—9時和15—22時多發(fā),0—5時發(fā)生次數(shù)很少(如圖5d)。局地強對流型短時強降水分布較不均勻,主城區(qū)北部、臨安天目山區(qū)、龍崗和建德大洋是降水中心,這與非均勻加熱導(dǎo)致局地垂直環(huán)流有關(guān)[6],一般發(fā)生在15—23時,其余時間基本不會發(fā)生(如圖5e)。

圖4 5種類型短時強降水日的累積雨量分布:(a)西風(fēng)帶低槽型;(b)梅雨鋒型;(c)熱帶氣旋型;(d)副高邊緣型;(e)局地強對流型(單位：mm)

圖5 5種類型短時強降水日發(fā)生次數(shù):(a)西風(fēng)帶低槽型;(b)梅雨鋒型;(c)熱帶氣旋型;(d)副高邊緣型;(e)局地強對流型

4 杭州地區(qū)短時強降水過程服務(wù)思考

由于短時強降水突發(fā)性強,常常造成城市積澇、交通堵塞等[13],因此在服務(wù)過程中,首先應(yīng)考慮城區(qū)等人口密集區(qū)和滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害隱患點的氣象服務(wù),根據(jù)不同天氣類型造成短時強降水的區(qū)域分布特點,雨強分布時段,利用短信、顯示屏、微博、微信等不同媒體開展針對性服務(wù)。

西風(fēng)帶低槽型和副高邊緣型短時強降水一樣具有明顯的人口密集型特點,降水時段也易與城市生活早、晚上下班高峰重合,如2013年9月13日17—23時,受高空槽東移和西太平洋副熱帶高壓邊緣西南暖濕氣流影響,杭州地區(qū)6小時面雨量20.6 mm,單站雨量達129.5 mm,造成杭城多條道路成“澤國”,行道樹被刮倒橫在路邊,交通一度癱瘓,因此在服務(wù)過程中特別要注意時間上的提前量,當(dāng)過程來臨時應(yīng)采用微博、微信和短信等發(fā)布速度快,受眾響應(yīng)快的通訊工具,需要與城管、交通等部門緊密合作。不同的是西風(fēng)帶低槽型還具有山岳型分布特征,淳安南部和臨安淳安交界山區(qū)雨量較集中,因此在服務(wù)中需注意與國土部門銜接,預(yù)防小流域洪澇、山體滑坡、泥石流等次生災(zāi)害。

熱帶氣旋型短時強降水杭州地區(qū)北部多于南部,臨安天目山區(qū)等是重災(zāi)區(qū),短時強降水來臨前,臺風(fēng)路徑預(yù)報和風(fēng)雨預(yù)報往往較早發(fā)布,并且不斷滾動訂正,因此政府部門重視程度相對較高。但對于短時強降水夜間易發(fā)的特點,如2011年8月30日凌晨臺風(fēng)“南瑪都”影響,大風(fēng)加短時強降水造成杭州石橋路工地工棚被掀,30多位民工露宿街頭,路面積水,部分車輛發(fā)生“拋錨”,導(dǎo)致城市交通“間歇性”癱瘓,就需要預(yù)報員、氣象服務(wù)人員留意,在服務(wù)手段上,可采用顯示屏等社會普及率高,社會公眾易見的方式。

梅雨鋒型短時強降水分布較均勻,富陽、桐廬和臨安中部最強,降水時間上一天中多時段頻發(fā),這和梅雨降水持續(xù)時間長有一定關(guān)系,如2013年6月24日,杭州傾盆大雨,城北一片汪洋,暴雨導(dǎo)致路面積水、多處道路交通癱瘓。因此在服務(wù)過程中,可采用滾動預(yù)報、逐漸升級的方式,微博、微信等連續(xù)報道可以收到很好的效果。

局地強對流型短時強降水易發(fā)于午后,是熱力性強對流的一種,往往發(fā)生時間短,災(zāi)害影響大,可預(yù)見時效短,因此在服務(wù)過程中發(fā)現(xiàn)雷達回波生成時宜提前預(yù)警,通過短信、微博等方式開展服務(wù)。

5 結(jié) 語

基于2008—2017年杭州地區(qū)自動氣象觀測站逐時降水資料,按照大尺度的環(huán)流特征,分析了杭州地區(qū)短時強降水日的降水特征,初步得到以下結(jié)論。

1)杭州地區(qū)短時強降水日雨量和發(fā)生頻次呈現(xiàn)北部大于南部,高值區(qū)位于主城區(qū)附近。

2)造成杭州地區(qū)出現(xiàn)短時強降水日的天氣系統(tǒng),依據(jù)其出現(xiàn)頻率,大體可分為西風(fēng)帶低槽型、梅雨鋒型、熱帶氣旋型、副高邊緣西風(fēng)急流型和局地強對流型等5類。

3)不同天氣系統(tǒng)影響時,杭州地區(qū)短時強降水時空分布存在差異:時間分布上西風(fēng)帶低槽和副高邊緣西風(fēng)急流影響時,短時強降水主要發(fā)生在早晨到上午和傍晚到前半夜,熱帶氣旋和局地強對流影響時降水主要集中在午后到夜里,梅雨鋒型降水呈現(xiàn)多時段頻發(fā)的特點;空間分布上西風(fēng)帶低槽型有3個強降雨中心分別位于主城區(qū)、淳安南部和臨安淳安交界山區(qū);梅雨鋒型分布較均勻,大值區(qū)位于臨安中西部至富陽南部;熱帶氣旋型分布呈北多南少,臨安天目山區(qū)、主城區(qū)南部和富陽永安山區(qū)是3個中心;副高邊緣西風(fēng)急流型中心位于主城區(qū)和余杭區(qū);局地強對流型分布不均勻,大值位于臨安天目山區(qū)、建德東南部和主城區(qū)北部。

4)根據(jù)不同類型的短時強降水特征,因西風(fēng)帶低槽型和副高邊緣型與城市生活上下班高峰重疊性較好,所以服務(wù)手段上應(yīng)以受眾接收速度快的短信、微博等手段為主;而熱帶氣旋型和梅雨鋒型短時強降水,因環(huán)流特征較明顯,故可提前預(yù)警,逐步升級開展氣象服務(wù);局地強對流型短時強降水突發(fā)性強,預(yù)報難度高,服務(wù)手段上應(yīng)提前預(yù)警,通過短信、微博等方式開展服務(wù)。

5)由于受地面觀測資料時間序列長度的限制,文章中選取的短時強降水樣本有限,分析的結(jié)果不一定具有氣候?qū)W意義;另外天氣系統(tǒng)造成的短時強降水誘因復(fù)雜,有時并非單一條件引發(fā),因此分析對流尺度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)演變有時更有意義。