華南丘陵區(qū)馬貴河小流域暴雨山洪災(zāi)害強降水特征

諶 蕓，曾智琳，王協(xié)康，李晟祺，徐 輝，李 青，李 輝

(1.國家氣象中心，北京 100081；2.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海），廣東 珠海 519082；3.中山大學 大氣科學學院，廣東 珠海 519082；4.四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065；5.南京信息工程大學 大氣物理學院，江蘇 南京 210044；6.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

山洪災(zāi)害具有強局地性、突發(fā)性特點[1-3]。受降水強度及持續(xù)時間、地表類型及坡度、植被條件、人類活動等多因素作用，山洪災(zāi)害可靠預(yù)報預(yù)警技術(shù)依然有限。降水因子是誘發(fā)局地山洪災(zāi)害的關(guān)鍵因子之一，諸如降水的強度、范圍與持續(xù)時間等因素均可成為山洪災(zāi)害是否暴發(fā)的條件。經(jīng)驗預(yù)報法、水文模擬法及山洪臨界雨量法（FFG）是當前普遍采用的山洪預(yù)報預(yù)警方法[4-6]。早期風險研究主要關(guān)注山洪致災(zāi)因子的危險性[7-8]。近年來，也有學者按成災(zāi)形式分區(qū)并結(jié)合不同暴雨山洪洪水預(yù)警方法計算山洪災(zāi)害預(yù)警指標[9-10]。研究山洪災(zāi)害多發(fā)區(qū)的基本降水特征，特別是誘發(fā)山洪災(zāi)害的降水強度閾值特征是全面認識山洪致災(zāi)因子的關(guān)鍵，也是提升山洪預(yù)報能力的前提，可為山洪預(yù)警研究工作的開展提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

華南丘陵區(qū)地形地貌復雜，有眾多海拔數(shù)百米的低山丘陵，孕育了眾多中小河流。華南所處緯度較低，瀕臨熱帶海洋，大氣環(huán)境水汽充足，受熱帶天氣系統(tǒng)和西風帶系統(tǒng)影響，是中國汛期最長[11-12]、降水量最充沛[13]、發(fā)生暴雨最頻繁的地區(qū)[14-16]。該地區(qū)在高溫高濕條件下極易產(chǎn)生的暖區(qū)暴雨是預(yù)報中的難點[17-18]。受華南地區(qū)復雜地形地貌及下墊面影響，該區(qū)域易發(fā)局地洪澇、滑坡、泥石流及山洪等強降水誘發(fā)的次生災(zāi)害。例如：廣東西部馬貴河小流域是華南丘陵區(qū)山洪災(zāi)害頻發(fā)的典型代表，2010年，“凡亞比”臺風減弱后的殘余低壓造成了馬貴河小流域“9·21”特大山洪災(zāi)害；2016年，受低渦切變線影響，馬貴河小流域上游發(fā)生破紀錄特大暴雨[19]。眾多研究者從暴雨致洪因子、崩塌滑坡、歷史災(zāi)害等角度探討了馬貴河小流域2010年“9·21”特大山洪災(zāi)害過程[20-22]，但對該區(qū)域誘發(fā)山洪災(zāi)害降水變化規(guī)律仍缺乏系統(tǒng)研究。Doswell[23]、Davis[24]等的研究表明，暴洪事件取決于降水強度與持續(xù)時間?，F(xiàn)在，以數(shù)值預(yù)報為基礎(chǔ)的現(xiàn)代天氣預(yù)報有了很大的發(fā)展[25]，人工智能、大數(shù)據(jù)等在預(yù)報中也有了應(yīng)用[26]。目前，氣象部門對暴雨過程特別是持續(xù)性暴雨降水過程預(yù)報效果總體較好，但對于短時間內(nèi)產(chǎn)生高強度降水（即短時強降水，降水量≥20 mm/h）往往難以把握。短時強降水和暴雨過程是有區(qū)別的[27]，而這正是突發(fā)山洪災(zāi)害的關(guān)鍵所在[19,28]。因此，短時強降水氣候態(tài)時空特征和短時強降水事件發(fā)生前大氣環(huán)境場對山洪災(zāi)害的作用也日益受到關(guān)注[29-32]。本文擬以華南丘陵區(qū)馬貴河小流域為例，基于多年氣象區(qū)域自動站逐小時降水量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)研究該流域及周邊地區(qū)的降水基本特征，并重點從短時強降水的角度分析山洪成災(zāi)的降水因子變化規(guī)律。

1 數(shù)據(jù)與資料

數(shù)據(jù)資料主要包括站點觀測降水數(shù)據(jù)與高空常規(guī)觀測數(shù)據(jù)兩個部分。站點觀測降水數(shù)據(jù)涵蓋2010年1月1日至2018年12月31日全國（不含港澳臺）2 418個國家級氣象自動觀測站（含基準站、基本站和一般站）和60 536個區(qū)域氣象自動站的逐日降水量數(shù)據(jù)（北京時間08時至次日08時）、逐小時降水量數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)主要用于降水特征統(tǒng)計分析。高空常規(guī)觀測數(shù)據(jù)由固定每天兩次施放氣象探空氣球獲得，用于構(gòu)建天氣學概念模型。上述數(shù)據(jù)由國家氣象中心（中央氣象臺）提供，并進行嚴格的質(zhì)量控制。

2 華南丘陵區(qū)山洪的多尺度降水特征分析

華南丘陵區(qū)海拔整體不高，中小尺度丘陵分布多且廣，地形復雜（圖1），馬貴河小流域位于廣東西部云霧山（主峰1 704 m）南麓，面向南海，流域海拔自南向北增加，地形有利于來自南海的暖濕偏南氣流沿流域北高南低的地形抬升。

圖1 華南丘陵區(qū)（109.5°E～114°E，20°N～24°N）Fig.1 Topography of hill region in South China (109.5°E～114°E, 20°N～24°N)

2.1 多尺度降水空間分布特征

華南丘陵地區(qū)年降水分布如圖2所示。

圖2 華南丘陵地區(qū)年降水分布Fig.2 Annual precipitation distribution of hills region in South China

馬貴河小流域（圖2中藍圈）并非當?shù)啬昶骄邓颗c年平均暴雨量的高值中心。由圖2（a）可見，馬貴河小流域年平均降水量在1 700～1 800 mm之間；由圖2（b）可見，年平均暴雨量在600 mm左右。年平均暴雨量高低值中心與年平均降水量基本重合，暴雨量占年平均降水量的比例并不受地形因素影響。由圖2（c）、（d）可知，暴雨平均強度和年平均暴雨日數(shù)的分布特征與前述兩種空間分布相似。整體而言，暴雨平均強度、年平均暴雨日數(shù)呈由北向南遞增的分布特征；馬貴河小流域暴雨平均強度約為80 mm，年均暴雨日數(shù)為7.5 d，不屬于高值中心，因此該流域山洪災(zāi)害頻發(fā)可能與時間尺度更短強降水有關(guān)。

圖3為馬貴河小流域所在的華南丘陵區(qū)短時強降水（≥20 mm/h）分布。

圖3 華南丘陵地區(qū)短時強降水分布Fig.3 Short duration heavy rainfall distribution of hill region in South China

從圖3中可看出：年平均短時強降水量高低值中心與年平均暴雨分布基本重合，馬貴河小流域（圖3中藍圈）在高低值中心過渡地區(qū)，年平均短時強降水量為450～500 mm。云霧山、云開大山南麓為短時強降水平均強度較高的中心，短時強降水平均強度超過32 mm/h，位于馬貴河小流域附近，表明該地區(qū)容易出現(xiàn)強度較大的短時強降水，可能與該區(qū)域地形有關(guān)。

2.2 多尺度降水的時間分布特征

圖4（a）為不同等級短時強降水頻次的月分布，分析發(fā)現(xiàn)馬貴河小流域附近的短時強降水在年內(nèi)存在兩個峰值，分別在5月和8月，對應(yīng)華南丘陵地區(qū)前汛期（4—6月）與后汛期（7—9月）的降水峰值。前者是由于冷暖空氣交綏頻繁，加之南海夏季風爆發(fā)后帶來充沛的暖濕水汽造成的，后者更多的是由熱帶氣旋等熱帶天氣系統(tǒng)帶來的。不同等級短時強降水在5月與8月的頻次大致相當，但≥50 mm/h的極端短時強降水變化特征不明顯，可能與極端短時強降水的發(fā)生概率低、局地性強等原因有關(guān)。短時強降水的日變化特征（圖4（b））反映不同等級短時強降水均具有單峰型特征，峰值時間在16—17時，這與午后地表熱力條件較好，具有較強的熱力抬升條件有關(guān)。

圖4 馬貴河小流域地區(qū)不同等級短時強降水的月變化及日變化Fig.4 Diurnal and monthly variation of different levels of short time heavy rainfall in Magui Watershed

圖5為馬貴河小流域附近短時強降水在華南丘陵地區(qū)前、后汛期的變化特征及日變化關(guān)系統(tǒng)計。由圖5可見：華南丘陵地區(qū)前汛期和后汛期是短時強降水的集中時段，但不同等級短時強降水均以午后—傍晚出現(xiàn)頻次最多，在日變化上，后汛期較高頻次的峰值略滯后于前汛期。5月份短時強降水白天頻次均較高，與南海夏季風爆發(fā)前后來自印度洋的水汽通道的建立相關(guān)。

圖5 馬貴河小流域地區(qū)不同等級短時強降水年均頻次時間分布Fig.5 Annual frequency distribution of different levels of short time heavy rainfall in Magui Watershed

2.3 誘發(fā)山洪的短時強降水特征

華南丘陵地區(qū)短時強降水對年降水及暴雨貢獻率如圖6所示。

圖6 華南丘陵地區(qū)短時強降水對年降水及暴雨貢獻率Fig.6 Contribution rates of short duration heavy rainfall to annual precipitation and torrential rain in hill region in South China

由圖6可知：短時強降水占年平均降水量的20%以上，與前述的各類特征分布有明顯差異，馬貴河小流域（圖6中藍圈）短時強降水對年降水的貢獻比例較高；此外，短時強降水對暴雨的貢獻比例更高，馬貴河小流域附近短時強降水對暴雨的貢獻比例超過40%，表明暴雨中有相當高的比例是短時強降水所貢獻的，反映其降水的對流性明顯。綜合來看，馬貴河小流域非年降水高值中心，非暴雨多發(fā)中心，但短時強降水對降水貢獻比例較高，故歷時短、強度大降水是造成該流域山洪災(zāi)害多發(fā)的重要氣象因子。

3 華南丘陵區(qū)山洪的降水分類及概念模型

基于2010—2018年區(qū)域自動站小時降水觀測資料，將馬貴河小流域所在的華南丘陵區(qū)至少20個站出現(xiàn)短時強降水且持續(xù)時間≥3 h的過程，定義為一次典型短時強降水過程。統(tǒng)計結(jié)果共篩選出18個典型短時強降水過程。根據(jù)垂直系統(tǒng)配置與基本環(huán)流形勢，可分為冷式切變型（6例）、低空低渦型（2例）、偏南急流型（4例）和熱帶氣旋型（6例）。冷式切變型、低空低渦型和偏南急流型全部發(fā)生在華南丘陵地區(qū)前汛期，其共同特征是上游地區(qū)有較明顯的西風槽活動，槽前具備天氣尺度抬升與較好的暖濕環(huán)境條件。熱帶氣旋型全部發(fā)生在華南丘陵地區(qū)后汛期，受到登陸熱帶氣旋環(huán)流本體的直接影響?？傮w來講，受中小尺度天氣系統(tǒng)和局部地形條件等因素影響，馬貴河小流域所在的華南丘陵區(qū)短時強降水過程可歸納為不同的天氣學概念模型圖，如圖7所示，不同類型的具體特征表現(xiàn)為：

圖7 華南丘陵地區(qū)4類典型短時強降水過程的天氣學概念模型圖Fig.7 Synoptic conceptual diagrams for four types of short duration heavy rainfall in hill region in South China

1）冷式切變型（圖7（a））。馬貴河小流域上游地區(qū)有西風槽活動，槽底較深，并有較明顯的冷槽配合，槽前低層切變線在華南中部，切變線南側(cè)為西南風場控制，具備高溫高濕的特征。

2）低空低渦型（圖7（b））。馬貴河小流域上游地區(qū)有西風槽活動（多為高原下滑的短波槽與中緯度西風槽疊加），槽前低層在廣西有較明顯的氣旋性輻合（低渦），馬貴河小流域處在低渦東南側(cè)，環(huán)境場條件與冷式切變型相當。

3）偏南急流型（圖7（c））。馬貴河小流域上游地區(qū)有深厚的西風槽活動，槽前低層的低渦或切變線在長江沿江附近，華南地區(qū)受一致的西南（偏南）風場控制，無明顯的天氣尺度強迫條件，大氣溫濕條件及對流不穩(wěn)定條件較冷式切變型和低空低渦型更好。

4）熱帶氣旋型（圖7（d））。馬貴河小流域直接受熱帶氣旋本體環(huán)流影響，此類熱帶氣旋多為西行型登陸廣東的熱帶氣旋，短時強降水多發(fā)生在熱帶氣旋位于馬貴河小流域附近或進入廣西之后。

4 結(jié) 論

以稠密氣象觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)分析了華南丘陵地區(qū)山洪災(zāi)害多發(fā)地馬貴河小流域及周邊降水特征，篩選華南丘陵區(qū)短時強降水過程，建立了該區(qū)天氣學概念模型。結(jié)論如下：

馬貴河小流域年平均降水介于1 700～1 800 mm之間，暴雨平均強度為80 mm/d左右，年均暴雨日數(shù)為7.5 d，但馬貴河小流域并非華南丘陵地區(qū)的年降水、暴雨高頻中心。馬貴河小流域年平均短時強降水頻次在16次左右，年平均短時強降水強度較大。馬貴河小流域附近短時強降水對年降水量、年暴雨量的貢獻率分別超過20%和40%，對流性降水比重高，易發(fā)歷時短、強度大的降水。馬貴河小流域的山洪災(zāi)害頻發(fā)與時間尺度更短的短時強降水關(guān)系更為密切，而非普遍關(guān)注的暴雨。

馬貴河小流域附近地區(qū)典型短時強降水過程的環(huán)流形勢可分為4種基本類型：冷式切變型、低空低渦型、偏南急流型和熱帶氣旋型。歸納總結(jié)不同類型短時強降水的關(guān)鍵特征與發(fā)生條件，可為當?shù)囟虝r強降水及提前預(yù)警山洪提供基本的預(yù)報著眼點。