云南短時強(qiáng)降水時空分布特征分析*

李華宏, 胡 娟，閔 穎，王 曼

(1.云南省氣象臺，云南 昆明 650034；2.云南省氣象科學(xué)研究所，云南 昆明 650034)

云南短時強(qiáng)降水時空分布特征分析*

李華宏1, 胡 娟1，閔 穎1，王 曼2

(1.云南省氣象臺，云南 昆明 650034；2.云南省氣象科學(xué)研究所，云南 昆明 650034)

利用云南1981-2015年125個測站逐時降水觀測資料，分析了云南短時強(qiáng)降水時空分布特征。結(jié)果表明：云南境內(nèi)的短時強(qiáng)降水發(fā)生頻率空間分布極不均勻，自東南向西北呈迅速遞減趨勢。南部和東部邊緣的短時強(qiáng)降水特征最為突出，西北部特別是怒江北部區(qū)域盡管年降水量較大，但短時強(qiáng)降水特征并不明顯。云南大部地區(qū)的短時強(qiáng)降水主要發(fā)生在5-10月份，其中7、8月份達(dá)到高發(fā)峰值。但不同區(qū)域之間存在一定的差異，滇東南、滇西南區(qū)域短時強(qiáng)降水出現(xiàn)的時間比較早(3月)、結(jié)束的時間也較晚(11月)。短時強(qiáng)降水還具有明顯的日變化特征，傍晚至夜間為高發(fā)時段。其中，滇東北區(qū)域短時強(qiáng)降水在前半夜時段為高發(fā)期、滇西南區(qū)域在后半夜短時段為高發(fā)期。云南境內(nèi)的短時強(qiáng)降水頻次線性變化、年代際變化趨勢不明顯，但年際差異較大。呈現(xiàn)出1997年后為上升趨勢，2006年后轉(zhuǎn)為下降趨勢，2013年至今為上升趨勢的特點。

短時強(qiáng)降水；空間分布；日內(nèi)變化；云南

短時強(qiáng)降水由于其具有歷時短、強(qiáng)度大等特點，可以在短時間內(nèi)迅速形成暴洪，引發(fā)滑坡、泥石流、城市內(nèi)澇等災(zāi)害，常常造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。另一方面，由于其突發(fā)性強(qiáng)、時空尺度較小，一直是氣象預(yù)報業(yè)務(wù)的難點[1-2]。與我國東部大多地區(qū)相比，云南暴雨范圍、日雨量總體偏小，但短時強(qiáng)降水的特征卻非常明顯[3-4]。例如2008年7月2日凌晨，昆明出現(xiàn)特大暴雨，12 h累計雨量達(dá)113.2 mm，僅04:00的1 h雨量達(dá)到51.3 mm,短時強(qiáng)降水引發(fā)了嚴(yán)重的城市內(nèi)澇，許多參加中考的考生無法按時到達(dá)考場，昆明機(jī)場臨時關(guān)閉，造成極大的社會影響。因此，加強(qiáng)短時強(qiáng)降水特征和發(fā)生機(jī)理研究具有非常重要的現(xiàn)實意義。

近年來，國內(nèi)外的學(xué)者們?yōu)榱松罨瘜^(qū)域性短時強(qiáng)降水演變規(guī)律的認(rèn)識開展了許多研究工作。隨著觀測資料的豐富，研究內(nèi)容也從年、季氣候特征逐漸向日變化特征深入。Harold對美國地區(qū)3h時間尺度以內(nèi)的強(qiáng)降水過程分析表明，短時強(qiáng)降水的分布與美國地區(qū)暴洪的分布關(guān)系密切，逐小時降水資料對評估暴洪發(fā)生的氣候概率很有幫助[5]。Chen利用逐小時降水觀測資料對臺灣地區(qū)的強(qiáng)降水事件進(jìn)行了統(tǒng)計分析，結(jié)果表明山區(qū)的迎風(fēng)坡是暴雨過程的高發(fā)區(qū)[6]。符嬌蘭[7]、姚莉等[8]分別對我國雨日和1h雨強(qiáng)的時空分布特征進(jìn)行了研究，指出西南地區(qū)和華南地區(qū)小時雨強(qiáng)的日變化最為明顯。王夫常等[9-11]對西南地區(qū)的降水日變化特征進(jìn)行了統(tǒng)計分析，指出西南地區(qū)總體存在“夜雨”特征和午后次峰值，但區(qū)域差異非常明顯?？傮w而言，對一個區(qū)域短時強(qiáng)降水時空分布特征的深入研究有助于科學(xué)認(rèn)識相關(guān)災(zāi)害的時空演變規(guī)律[12-13]，為防范相關(guān)災(zāi)害提供可靠的決策依據(jù)。目前針對云南區(qū)域的降水特征統(tǒng)計分析研究主要集中在雨日、長時間累計雨量的特征分析及氣候變化[14-18]。而針對降水特征的日內(nèi)變化及短時強(qiáng)降水時空分布特征的研究較為缺乏。因此本文將進(jìn)行短時強(qiáng)降水時空分布及日內(nèi)變化規(guī)律分析研究，旨在為這類災(zāi)害性天氣的預(yù)報、預(yù)警提供技術(shù)支撐。

1 資料和方法

所使用的資料為1981年1月1日至2015年12月31日云南境內(nèi)125個地面測站逐時降水自記觀測、逐日累計降水量資料。短時強(qiáng)降水是指短時間內(nèi)降水強(qiáng)度較大，其降水量達(dá)到或超過某一量值的天氣現(xiàn)象，按照現(xiàn)行的氣象業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)取20 mm/h作為臨界值進(jìn)行短時強(qiáng)降水頻次、空間分布等特征統(tǒng)計。日雨量是指前1 d 20時至當(dāng)日20時累計雨量，某小時雨量為前一整點到該小時整點的累計雨量，所有資料觀測時間均使用北京時間。從資料收集情況看，參與統(tǒng)計測站的逐時降水資料在冬半年有少部分缺測，主要分布在滇東北、滇中東部、滇西北邊緣地區(qū)。由于云南每年的11月至次年4月為干季，降水量很少(僅占全年的5%～15%)，而且滇東北、滇中東部、滇西北邊緣地區(qū)在冬半年的降水多以小雨或降雪天氣出現(xiàn)，發(fā)生短時強(qiáng)降水天氣的概率非常小，因此逐時降水資料缺測對統(tǒng)計數(shù)據(jù)的影響較小，統(tǒng)計結(jié)果總體可靠。

2 短時強(qiáng)降水頻次時空分布

2.1 空間分布特征

分析云南境內(nèi)的短時強(qiáng)降水多年平均頻次空間分布(圖1a)可以看出，短時強(qiáng)降水發(fā)生頻率最高的區(qū)域位于云南南部，其次是東部邊緣地區(qū)。其中位于南部邊緣的江城是全省的最大值中心，年均發(fā)生短時強(qiáng)降水11.5次。另外河口、金平站年均發(fā)生短時強(qiáng)降水分別為11.3、11.1次。云南境內(nèi)的年平均短時強(qiáng)降水事件自東南向西北呈迅速遞減趨勢，云南中部大多數(shù)站點為3次左右，滇西北區(qū)域則普遍低于1次。僅僅只有處于麗江東部的華坪出現(xiàn)了相對大值中心，達(dá)到5.6次。與多年平均年降水量空間分布(圖1b)對比可以發(fā)現(xiàn)，云南年平均短時強(qiáng)降水頻次空間分布與年降水量總體特征相似，即南部區(qū)域發(fā)生頻率高，年降水量也很大，西北部的德欽很少出現(xiàn)短時強(qiáng)降水事件，年降水量也較小。但局部地區(qū)也存在明顯差異：云南西部邊緣是年降水量的次大值中心，但卻是全省短時強(qiáng)降水的低值中心。如貢山站的年降水量近1 800 mm,但短時強(qiáng)降水發(fā)生的頻次比中部年降水量不到1 000 mm的楚雄還要少得多，每年平均不到1次。由此反映出云南西部特別是怒江流域的降水以持續(xù)性降水為主，短時強(qiáng)降水特征不明顯。云南南部和東部邊緣的短時強(qiáng)降水特征則較為突出。

2.2 逐月分布特征

鑒于云南境內(nèi)短時強(qiáng)降水頻次空間分布極不均勻的現(xiàn)狀，為了更為詳細(xì)地揭示不同區(qū)域的短時強(qiáng)降水時間分布特征，綜合考慮云南不同區(qū)域主要強(qiáng)降水影響系統(tǒng)差異及預(yù)報業(yè)務(wù)中傳統(tǒng)的氣候分區(qū)經(jīng)驗，將云南劃分為滇東北、滇東南、滇中、滇西北、滇西南五個區(qū)域(圖2)進(jìn)行短時強(qiáng)降水逐月、逐時等分布特征對比分析。

圖1 短時強(qiáng)降水年平均次數(shù)和年平均降水量空間分布

圖2 云南省分區(qū)統(tǒng)計站點分布圖

分析多年平均短時強(qiáng)降水頻次逐月分布圖(圖3)可以看出：云南境內(nèi)的短時強(qiáng)降水主要發(fā)生在5-10月份，其次是4月和11月，其它月份發(fā)生的頻次較少。這一特征與云南雨季的時間分布趨勢一致。其中每年的7-8月份為全省大部地區(qū)高發(fā)峰值，與云南主汛期時段同步(圖3a)。但不同區(qū)域短時強(qiáng)降水的具體發(fā)生時段還是有一定的差異：滇東北區(qū)域短時強(qiáng)降水頻次逐月分布與全省趨勢總體一致，只是短時強(qiáng)降水更加集中出現(xiàn)在5至10月份，7月份達(dá)到峰值(圖3b)。滇東南區(qū)域短時強(qiáng)降水出現(xiàn)的月份較早，4月份就有一定數(shù)量的短時強(qiáng)降水發(fā)生。高峰期為6-8月，時間較長但峰值不突出(圖3c)。滇中區(qū)域與滇東南區(qū)域類似，只是短時強(qiáng)降水出現(xiàn)的時間較晚，5月份才有少量出現(xiàn)(圖3d)。滇西北區(qū)域短時強(qiáng)降水事件的頻次最少且出現(xiàn)的月份較晚、結(jié)束較早，主要集中出現(xiàn)在6至9月份。其他時段盡管降水量比較大，如2至4月份的“桃花汛”，但主要以持續(xù)性降水為主，短時強(qiáng)降水特征不明顯(圖3e)。滇西南區(qū)域短時強(qiáng)降水特征頻次最高且出現(xiàn)的月份較早、結(jié)束較晚，5至10月份為高發(fā)期，在8月份達(dá)到峰值。11月至次年的4月份也會有少量的短時強(qiáng)降水出現(xiàn)(圖3f)。

2.3 日內(nèi)分布特征

從全省降水量和短時強(qiáng)降水頻次的逐時分布(圖4a)可以看出：云南境內(nèi)的短時強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在17時至次日08時期間，波峰出現(xiàn)在17時、20時和08時；09時至16時則為明顯的低谷期，波谷出現(xiàn)在11時。這充分反映了云南傍晚至夜里對流性天氣多發(fā)的氣候特征。對比分析降水量與短時強(qiáng)降水日內(nèi)變化曲線還可以看出，兩者的變化趨勢基本相似，在09時至16時期間同樣存在明顯的少雨時段、17時出現(xiàn)峰值，說明短時強(qiáng)降水對各地區(qū)的雨量貢獻(xiàn)還是比較大的。但降雨量逐時分布曲線在03時至08時附近的降水峰值表現(xiàn)得更明顯，說明在凌晨時段屬于云南多雨時段，其它

圖4 年平均降雨量和短時強(qiáng)降水頻次日內(nèi)變化

小量級的降水也比較容易發(fā)生。對比不同區(qū)域短時強(qiáng)降水逐時演變圖發(fā)現(xiàn)，不同區(qū)域的降水出現(xiàn)時間有較大差異。滇東北區(qū)域在17時至次日02時為短時強(qiáng)降水高發(fā)區(qū)間，03時至09時有一定數(shù)量的短時強(qiáng)降水出現(xiàn)，但呈明顯減弱趨勢。短時強(qiáng)降水的高發(fā)期主要是前半夜，其余大部分時段均為相對低谷期(圖4b)。滇東南區(qū)域在15時明顯增多，午后對流發(fā)展較早，17時和08時的峰值更為明顯，傍晚和早晨短時強(qiáng)降水天氣多發(fā)的特征明顯(圖4c)。滇中區(qū)域短時強(qiáng)降水的峰值出現(xiàn)在20時，17時、02時、08時為次峰值(圖4d)。滇西北區(qū)域短時強(qiáng)降水的峰值出現(xiàn)在19時和08時，10時至15時為寬廣的低谷區(qū)，峰值不突出、波谷也不明顯(圖4e)。滇西南區(qū)域短時強(qiáng)降水的峰值出現(xiàn)在17時、04時和08時，03時至08時期間為明顯高發(fā)期。傍晚和后半夜短時強(qiáng)降水天氣多發(fā)的特征更為突出(圖4f)。

3 短時強(qiáng)降水極值時空分布

從短時強(qiáng)降水極大值空間分布圖(圖5a)看，云南境內(nèi)的短時強(qiáng)降水極大值在云南中部以東以南地區(qū)普遍在60 mm以上，其中楚雄在2003年6月17日02時出現(xiàn)了全省最大的小時降水極值153 mm。其次是勐臘127 mm、江城113 mm。在云南西部除了位于麗江東部的寧蒗站出現(xiàn)了79 mm的降水極值中心外，大部分地區(qū)極大值降水低于60 mm,西北部的維西等站極大值均在40 mm以下。從降水極值出現(xiàn)的時間分布(圖5b)看，不同區(qū)域出現(xiàn)極大值降水的時間差異較大，云南南部邊緣短時強(qiáng)降水極值主要出現(xiàn)在08時附近，東北部主要出現(xiàn)在后半夜期間，西北部邊緣區(qū)域則主要出現(xiàn)在傍晚至前半夜；東部、中部、西部等地區(qū)，除了符合多在傍晚至夜里發(fā)生的特點外，沒有明顯的區(qū)域分布規(guī)律。

圖5 短時強(qiáng)降水極大值和出現(xiàn)時間空間分布

4 短時強(qiáng)降水頻次變化趨勢

運用一元線性回歸模型分析云南全省及各區(qū)域短時強(qiáng)降水頻次在1981-2015年期間的變化趨勢，結(jié)果表明：全省的短時強(qiáng)降水頻次呈現(xiàn)弱的上升趨勢，滇東北區(qū)域呈下降趨勢、滇西南呈上升趨勢。但全省及各區(qū)域逐年短時強(qiáng)降水頻次的線性趨勢都沒有通過信度水平為0.05的顯著性檢驗，線性變化趨勢不明顯(圖略)。

運用累積距平法分析云南全省及各區(qū)域短時強(qiáng)降水頻次在1981-2015年期間的變化趨勢發(fā)現(xiàn)：全省及各區(qū)域短時強(qiáng)降水頻次年代際變化不明顯，但年際差異較大。全省短時強(qiáng)降水頻次在1997年后呈上升趨勢，2006年后呈下降趨勢，2013年至今為上升趨勢(圖6a)。滇東北、滇東南、滇西北區(qū)域短時強(qiáng)降水頻次在前期波動較多、趨勢不明顯，在后期總體呈現(xiàn)出2006年后為下降趨勢，2013年以后為上升趨勢。并且滇東北(圖6b)和滇西北(圖6c)區(qū)域通過了信度水平為0.05的顯著性檢驗。滇中區(qū)域短時強(qiáng)降水頻次在1993年至2004年間都為上升趨勢，2004年后呈下降趨勢，2013年至今為上升趨勢(圖略)。滇西南區(qū)域在1985年后呈波動下降趨勢，1998年后整體呈現(xiàn)上升趨勢(圖略)。

圖6 短時強(qiáng)降水頻次距平和累積距平逐年分布

5 結(jié)果與討論

(1)云南境內(nèi)的短時強(qiáng)降水發(fā)生頻率空間分布極不均勻，自東南向西北呈迅速遞減趨勢。短時強(qiáng)降水發(fā)生頻率最高的區(qū)域位于云南南部，江城、河口是全省短時強(qiáng)降水的大值中心。云南西北部區(qū)域短時強(qiáng)降水發(fā)生頻率最低，盡管怒江北部為年降水量大值中心，但短時強(qiáng)降水特征并不明顯。

(2)從逐月分布看，云南大部地區(qū)的短時強(qiáng)降水主要發(fā)生在5-10月份。但不同區(qū)域之間存在一定的差異：滇東南、滇西南區(qū)域短時強(qiáng)降水出現(xiàn)的時間比較早，3月就有一定數(shù)量的短時強(qiáng)降水出現(xiàn)，結(jié)束的時間偏晚，11月份也有可能出現(xiàn)。滇東北、滇中、滇西北區(qū)域則出現(xiàn)的時段相對集中，11-4月份期間幾乎不可能發(fā)生短時強(qiáng)降水。

(3)從日內(nèi)分布看，云南境內(nèi)的短時強(qiáng)降水具有在傍晚至夜里多發(fā)的特征，11時附近為明顯低谷期。不同區(qū)域間短時強(qiáng)降水日內(nèi)變化特征存在一定差異，滇東北區(qū)域短時強(qiáng)降水在前半夜高發(fā)、滇西南區(qū)域在后半夜高發(fā)的特征更為突出。

(4)短時強(qiáng)降水極大值中心主要分布在云南中部及以南地區(qū)，楚雄、勐臘、江城均出現(xiàn)了100mm以上的極大值。極大值的出現(xiàn)時段符合在傍晚至夜里發(fā)生的特點，但具體發(fā)生時間局地性比較強(qiáng)，沒有明顯的區(qū)域分布規(guī)律。

(5)云南境內(nèi)短時強(qiáng)降水頻次的線性變化、年代際變化趨勢不明顯，但年際差異較大。總體呈現(xiàn)出1997年后為上升趨勢，2006年后轉(zhuǎn)為下降趨勢，2013年至今為上升趨勢的特點。

由于云南境內(nèi)短時強(qiáng)降水頻次空間分布極不均勻，不同站點的短時強(qiáng)降水事件時間演變也存在差異，通過氣候分區(qū)研究不同區(qū)域短時強(qiáng)降水特征對深入了解云南強(qiáng)降水精細(xì)化特征有很好的幫助。但本研究中的氣候分區(qū)更多是借鑒了云南氣象前輩們積累下來的分區(qū)方法，帶有一定經(jīng)驗成分，對分析結(jié)論有一定的影響。在今后研究中將嘗試更為客觀的分區(qū)方法。另外，本研究為了突出分析短時強(qiáng)降水的日內(nèi)變化氣候特征及長時間演變趨勢，鑒于觀測資料長度參差不齊，僅僅使用了縣級臺站逐時觀測資料，在后續(xù)的機(jī)理研究中將引入鄉(xiāng)鎮(zhèn)站逐時觀測資料來進(jìn)行區(qū)域性短時強(qiáng)降水預(yù)報指標(biāo)分析。

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The Analysis of Short-time Heavy Rainfall Spatio-temporalCharacteristics in Yunnan

LI Huahong1, HU Juan1, MIN Ying1and Wang Man2

(1.MeteorologicalObservatoryofYunanProvince,Kunming650034,China;2.YunnanInstituteofMeteorology,Kunming650034,China)

Basedonthehourlyprecipitationdataof125weatherstationsinYunanProvincefrom1981to2015,thespatio-temporalcharacteristicsofshort-timeheavyrainfallareinvestigated.Theresultsindicatethatthemeanannualfrequencyofshort-timeheavyrainfallisnothomogeneousdistributioninYunan,itshowsadroptrendfromsoutheastregiontonorthwestregion.Asthecentersofmeanannualprecipitation,thereareobvioustorrentialraincharacteristicsintheeastregionandsouthverge,butitisdistinctnessinthenorthregionofNujiang.Theshort-timeheavyrainfallcommonlyhappensbetweenMayandOctober,furthermorethereisahighestfrequencyinJulyandAugust.ButitmaybehappensearlyinMarchanddisappearslateinNovemberinwestandsouthregion.Ontheotherhandthefrequencyofshort-timeheavyrainfallshowsaparticularhourlychangeline,whichalwaysgetsapeakatevenfallandnight.Thereisanespecialperiodthattheshort-timeheavyrainfallcontinuallyoccurs,itisfromnightfalltomidnightinthenortheastregion,andlatterhalfofthenightinthesouthwestregion.Thelinearvariationandinterdecadalvariationtrendofshort-timeheavyrainfallfrequencyarenotobviousinYunan,buttheinterannualvariationtrendisnoticeable,whichshowsauptrendfrom1997,turntoadowntrendat2006,andthenturntoauptrendat2013.

short-timeheavyrainfall;spatialdistribution;hourlychange;YunanProvince

2016-11-16

2017-01-11

國家自然科學(xué)基金項目(41565004)；云南省科技惠民專項(2016RA096)

李華宏(1978-)，男，云南尋甸人，博士，主要從事中尺度數(shù)值模式應(yīng)用、強(qiáng)降水預(yù)報預(yù)警技術(shù)研究. E-mail:lihuahong08@163.com

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.03.011.]

X43；P466；S161.6

A

1000-811X(2017)03-0057-06

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.03.011

李華宏, 胡娟，閔穎，等. 云南短時強(qiáng)降水時空分布特征分析[J]. 災(zāi)害學(xué)，2017，32(3)：57-62. [LI Huahong, HU Juan, MIN Ying,et al. The Analysis of Short-time Hheavy Rainfall Spatio-temporal Characteristics in Yunnan[J]. Journal of Catastrophology，2017，32(3)：57-62.