杭州地区短时强降水特征与服务思考

金成 沈杭锋 高天赤 陈勇明

(杭州市气象局,浙江 杭州 310051)

0 引 言

短时强降水是一种常见的强对流天气,常具有突发性强,小时雨强大等特点,很容易导致城市内涝、地质灾害等次生灾害[1]。近几年来,由于城市规模的扩大,短时强降水造成的城市内涝往往会给城市带来巨大的财产损失甚至人员伤亡[2],如2015年6月23日杭州临安昌化短时强降水引发山洪,16—19时雨量超过100 mm,小时雨强59 mm,由于降雨急、强度强,造成山洪爆发,直接经济损失7000万元。因此短时强降水特征一直是气象学者们研究的一个重点方向。陈炯等基于全国876个基本基准气象站整点逐时降水资料,分析了中国暖季(4—9月)10、20、30、40、50 mm/h短时强降水的时空分布特征[3]。樊李苗等研究了短时强降水、强冰雹、雷暴大风以及混合型强对流天气的环境参数特征[4]。随着观测资料时空分辨率的提高和数值预报模式的进步,陈元昭等对珠江三角洲地区重大短时强降水的基本环流类型与环境参数特征做了研究[5]。魏晓雯等对上海地区不同类型短时强降水的大尺度环流背景特征进行了分析[6]。

杭州市地处我国东部沿海,特殊的地理位置和日益增强的社会影响,学者们对杭州暴雨等灾害性天气的研究逐渐增多。杨诗芳等利用杭州国家站20 a的一小时雨量资料,分析了杭州短时强降水的发生规律,包括短时强降水的极值分布、年发生次数、月季分布等气候特征,还分析了短时强降水的天气系统[7]。沈杭锋等利用NCEP再分析、华东区域地面中尺度自动站和多普勒雷达资料,对2013年6月6—7日发生于杭州地区的大暴雨进行了多尺度分析[8]。

以上这些研究使人们对多尺度的天气系统在短时强降水中的作用有了一定的认识。但由于资料分辨率有限,对于长时间序列、高分辨率自动气象观测的杭州地区短时强降水研究工作相对比较缺乏。本文对杭州地区短时强降水时空分布特征及原因进行分析研究,揭示不同天气系统背景下短时强降水过程的异同点,并对服务手段进行初步探讨,以期为预报预警和防灾减灾工作提供参考。

1 资料和方法

本文研究区域为杭州地区,杭州地处长江三角洲南沿和钱塘江流域,地形复杂多样。杭州地区西部属浙西丘陵地区,主干山脉有天目山等。东部属浙北平原,地势低平,河网密布。

本文所用资料为2008—2017年5—9月杭州地区资料连续性和稳定性较好的155个自动气象站(如图1)逐时观测数据,还使用了ECMWF水平分辨率为0.5°×0.5°、垂直分辨率为37层的ERA-Interim全球再分析数据。

图1 杭州地区自动气象站观测站点分布

短时强降水采用国家气象中心业务标准的小时降水量≥20 mm;首先统计2008—2017年5—9月杭州地区155个站点的短时强降水次数(共5958站次),考虑到自动站降水记录的可靠性,只有当该日(20时至次日20时,北京时,下同)有10%(15站)以上的自动站,且每个站至少发生一次短时强降水才记录为一个短时强降水日,10a中挑选出短时强降水日117个,然后基于中低层大气的大尺度环流特征对117个短时强降水日进行环流分型研究,最后在分型研究的基础上针对个例进行服务方式的探讨。

2 杭州地区短时强降水日的主要气候特征

2.1 杭州地区短时强降水日分布特征

图2a是2008—2017年5—9月杭州地区短时强降水日累积降水量分布图。总体而言,杭州地区短时强降水日雨量北部明显大于南部,区域内有两个大值区分别是杭州主城区和富阳东南部至萧山南部一带。杭州主城区短时强降水量比其他地区大,这可能与城市雨岛特征有关;富阳东南部至萧山南部一带和临安西部、北部局部雨量大值可能与该区域海拔地形有一定关系。图2b是杭州地区短时强降水日年均发生频次图,杭州地区155个自动气象站年均短时强降水日在1.0～3.9 d之间,并且发生的频率与短时强降水日累积降水量分布有着很好的对应关系(即发生短时强降水次数多的,降水量大)。杭州主城区、富阳东南部至萧山南部、天目山脉仍是短时强降水高发期。

2.2 杭州地区短时强降水变化特征

从2008—2017年5—9月杭州地区短时强降水日的年变化(图3a)可知,杭州地区年均短时强降水日约为11.7 d,2011年和2013年最多达14 d,这可能与2011年和2013年梅汛期雨量偏多和2013年台风影响较多有关(杭州市气候公报);2009年和2014年最少仅8 d,这可能与2009年和2014年梅汛期雨量偏少,台风影响偏弱有关(杭州市气候公报)。从每月分布来看(图3b),8月发生次数最多达37 d,其次是7月32 d、6月31 d,9月9 d,5月最少为8 d,究其原因与杭州地区6月开始梅汛期降水增多和7—8月热带气旋活动增加有一定关系。对这117个短时强降水日按照小时统计各观测站降水频次,可以得到杭州地区短时强降水日变化特征(图3c),杭州地区短时强降水峰值出现时间为17—19时,这可能与MCS(中尺度对流系统)在闽浙丘陵具有非常突出的峰值分布特征有关[9],另外4—5时和8—9时也是高发时段,这与陈炯等的研究结果一致,这两个高发时段可能与部分尺度较大的中尺度系统能够维持1 h以上及低空急流的夜间加强有关系。而凌晨1—3时和午间12—14时发生次数相对较少,这可能与MCS(中尺度对流系统)具有不太显著的夜发性特征有关[9]。

图2 杭州地区短时强降水日累积雨量(a,单位：mm)与年均发生频次(b)分布图

图3 杭州地区短时强降水日变化特征:(a)逐年发生频次;(b)逐月发生频次;(c)逐时发生频次

3 杭州地区短时强降水过程的主要天气系统和时空分布特征

3.1 杭州地区短时强降水过程的主要天气系统

灾害性天气的分型有多种方式,陶诗言提出一般以大尺度环流特征或影响系统来研究[10]。基于大尺度环流的形式特征对杭州地区117个短时强降水日进行分析,可分为5类:1)西风带低槽型,这个类型是造成杭州地区短时强降水的主要天气类型,约占35.9%(42 d),其主要环流特点是西风槽较深,槽后常伴有冷平流,副高呈东西带状分布,低层西南或偏南气流强盛,常伴有低空急流。2)梅雨锋型,约占总数的23.1%(27 d),其环流特点是6—7月间,副热带高压位置略偏东,588 dagpm线基本位于120°E以东,850 hPa一般存在西南或偏南急流,常伴有低空切变。3)热带气旋型,约占总数的19.7%(23 d),其环流特点是热带气旋环流影响杭州地区或环流与西风带结合影响。4)副高边缘西风急流型,约占总数的13.7%(16 d),其环流特点是500 hPa,588 dagpm线位于30°N附近,北侧有西风槽东移,槽后有较强冷平流输送,杭州地区前期受副高控制,温度较高,有充分热力条件,当北侧西风带短波槽移近,冷空气侵入,上冷下暖大气不稳定层结加强。一般副高西南侧等高线密集,700 hPa偏南或偏东气流强盛。5)局地强对流,约占总数的7.7%、(9 d),其环流特点是一般处于副高控制,前期温度较高,热力条件好。

3.2 不同天气系统影响下杭州地区短时强降水的时空分布特征

不同天气系统影响下,杭州地区短时强降水日的时空特征存在明显差异。图4是2008—2017年5—9月杭州地区5种类型短时强降水雨量分布图,发现西风带低槽型主要有3个降雨中心主要分布在杭州主城区附近、淳安南部和临安淳安交界山区,中间有明显的雨量低值分割,淳安南部和临安淳安交界山区雨量中心与干冷空气和干冷空气与暖湿气流交汇过程中,地形抬升作用有关[6],发生时段中上午4—9时和下午17—20时多发,呈双峰特征(如图5a)。梅雨锋型短时强降水分布较均匀,大值区位于临安西部、中部至桐庐北部和富阳南部一线,萧山东部南部降雨明显偏低,这与梅雨锋雨带范围大,降水强度强和浙江海岛、北部平原等地区暴雨日数偏少有一定关系[11],一天中多时段频发,夜里0—2时发生概率较小(如图5b)。热带气旋型短时强降水呈北部多南部少,临安天目山区、主城区南部和富阳南部山区是3个中心,这与热带气旋3 h暴雨增幅主要发生在浙江东部沿海地区、钱塘江口沿岸地区、浙江西北部天目山区有关[12],发生概率上,在4—5时、15—19时和21—24时多发,上午和中午发生概率较小(如图5c)。副高边缘西风急流型短时强降雨中心位于主城区中北部和余杭临平区域,淳安、建德南部明显偏小,这与城市雨岛有一定关系,一天中8—9时和15—22时多发,0—5时发生次数很少(如图5d)。局地强对流型短时强降水分布较不均匀,主城区北部、临安天目山区、龙岗和建德大洋是降水中心,这与非均匀加热导致局地垂直环流有关[6],一般发生在15—23时,其余时间基本不会发生(如图5e)。

图4 5种类型短时强降水日的累积雨量分布:(a)西风带低槽型;(b)梅雨锋型;(c)热带气旋型;(d)副高边缘型;(e)局地强对流型(单位：mm)

图5 5种类型短时强降水日发生次数:(a)西风带低槽型;(b)梅雨锋型;(c)热带气旋型;(d)副高边缘型;(e)局地强对流型

4 杭州地区短时强降水过程服务思考

由于短时强降水突发性强,常常造成城市积涝、交通堵塞等[13],因此在服务过程中,首先应考虑城区等人口密集区和滑坡、泥石流等地质灾害隐患点的气象服务,根据不同天气类型造成短时强降水的区域分布特点,雨强分布时段,利用短信、显示屏、微博、微信等不同媒体开展针对性服务。

西风带低槽型和副高边缘型短时强降水一样具有明显的人口密集型特点,降水时段也易与城市生活早、晚上下班高峰重合,如2013年9月13日17—23时,受高空槽东移和西太平洋副热带高压边缘西南暖湿气流影响,杭州地区6小时面雨量20.6 mm,单站雨量达129.5 mm,造成杭城多条道路成“泽国”,行道树被刮倒横在路边,交通一度瘫痪,因此在服务过程中特别要注意时间上的提前量,当过程来临时应采用微博、微信和短信等发布速度快,受众响应快的通讯工具,需要与城管、交通等部门紧密合作。不同的是西风带低槽型还具有山岳型分布特征,淳安南部和临安淳安交界山区雨量较集中,因此在服务中需注意与国土部门衔接,预防小流域洪涝、山体滑坡、泥石流等次生灾害。

热带气旋型短时强降水杭州地区北部多于南部,临安天目山区等是重灾区,短时强降水来临前,台风路径预报和风雨预报往往较早发布,并且不断滚动订正,因此政府部门重视程度相对较高。但对于短时强降水夜间易发的特点,如2011年8月30日凌晨台风“南玛都”影响,大风加短时强降水造成杭州石桥路工地工棚被掀,30多位民工露宿街头,路面积水,部分车辆发生“抛锚”,导致城市交通“间歇性”瘫痪,就需要预报员、气象服务人员留意,在服务手段上,可采用显示屏等社会普及率高,社会公众易见的方式。

梅雨锋型短时强降水分布较均匀,富阳、桐庐和临安中部最强,降水时间上一天中多时段频发,这和梅雨降水持续时间长有一定关系,如2013年6月24日,杭州倾盆大雨,城北一片汪洋,暴雨导致路面积水、多处道路交通瘫痪。因此在服务过程中,可采用滚动预报、逐渐升级的方式,微博、微信等连续报道可以收到很好的效果。

局地强对流型短时强降水易发于午后,是热力性强对流的一种,往往发生时间短,灾害影响大,可预见时效短,因此在服务过程中发现雷达回波生成时宜提前预警,通过短信、微博等方式开展服务。

5 结 语

基于2008—2017年杭州地区自动气象观测站逐时降水资料,按照大尺度的环流特征,分析了杭州地区短时强降水日的降水特征,初步得到以下结论。

1)杭州地区短时强降水日雨量和发生频次呈现北部大于南部,高值区位于主城区附近。

2)造成杭州地区出现短时强降水日的天气系统,依据其出现频率,大体可分为西风带低槽型、梅雨锋型、热带气旋型、副高边缘西风急流型和局地强对流型等5类。

3)不同天气系统影响时,杭州地区短时强降水时空分布存在差异:时间分布上西风带低槽和副高边缘西风急流影响时,短时强降水主要发生在早晨到上午和傍晚到前半夜,热带气旋和局地强对流影响时降水主要集中在午后到夜里,梅雨锋型降水呈现多时段频发的特点;空间分布上西风带低槽型有3个强降雨中心分别位于主城区、淳安南部和临安淳安交界山区;梅雨锋型分布较均匀,大值区位于临安中西部至富阳南部;热带气旋型分布呈北多南少,临安天目山区、主城区南部和富阳永安山区是3个中心;副高边缘西风急流型中心位于主城区和余杭区;局地强对流型分布不均匀,大值位于临安天目山区、建德东南部和主城区北部。

4)根据不同类型的短时强降水特征,因西风带低槽型和副高边缘型与城市生活上下班高峰重叠性较好,所以服务手段上应以受众接收速度快的短信、微博等手段为主;而热带气旋型和梅雨锋型短时强降水,因环流特征较明显,故可提前预警,逐步升级开展气象服务;局地强对流型短时强降水突发性强,预报难度高,服务手段上应提前预警,通过短信、微博等方式开展服务。

5)由于受地面观测资料时间序列长度的限制,文章中选取的短时强降水样本有限,分析的结果不一定具有气候学意义;另外天气系统造成的短时强降水诱因复杂,有时并非单一条件引发,因此分析对流尺度系统的结构演变有时更有意义。