黔西南短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空特征分析

王 芬，王文勇，李 陽(yáng)

（1.黔西南州氣象局，貴州 興義562400；2.貴州省山地氣候與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng)550002）

21世紀(jì)以來(lái)，極端天氣事件頻發(fā)，其中由短時(shí)強(qiáng)降水及暴雨過(guò)程所引發(fā)的山洪、泥石流等災(zāi)害造成的損失日益嚴(yán)重，而弄清楚短時(shí)強(qiáng)降水與暴雨的關(guān)系，對(duì)提高預(yù)報(bào)監(jiān)測(cè)能力具有非常重要的意義。Yu等[1-2]分析了中國(guó)大陸的夏季降水日變化特征和降水持續(xù)時(shí)間的關(guān)系；Li等[3]分析了中國(guó)南方降水日變化的季節(jié)變化特征；白愛(ài)娟[4]發(fā)現(xiàn)青藏高原中部降水最大值集中在傍晚前后；李建[5]指出北京市夏季降水日變化在降水量和頻次上均以午后至次日清晨為高值區(qū)，在中午前后為最低值；姚莉[6]發(fā)現(xiàn)4 mm·h-1以上雨強(qiáng)在南部沿海出現(xiàn)最多，且雨強(qiáng)出現(xiàn)頻數(shù)的日變化在各地區(qū)不相同；周璇[7]認(rèn)為短時(shí)強(qiáng)降水對(duì)總降水量的貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)大于其發(fā)生率，最活躍的區(qū)域位于華南沿海、海南島，華南沿海和海南地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水的降水貢獻(xiàn)率偏大更多是依賴(lài)于短時(shí)強(qiáng)降水的頻發(fā)而不是其平均強(qiáng)度，而黃淮平原短時(shí)強(qiáng)降水的降水貢獻(xiàn)率高的因素主要來(lái)自降水強(qiáng)度，暴雨日發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水的概率遠(yuǎn)高于雨日，平均有超過(guò)60% 的短時(shí)強(qiáng)降水事件發(fā)生在暴雨日。曾勇[8]認(rèn)為新疆短時(shí)強(qiáng)降水主要發(fā)生在14—04時(shí)，7月最多。常煜[9]認(rèn)為呼倫貝爾強(qiáng)降水閾值、事件及雨強(qiáng)均有自西向東偏南遞增的分布，最強(qiáng)中心與地形關(guān)系密切。毛列尼·阿依提看[10]看把新疆的短時(shí)強(qiáng)降水分成3類(lèi)：對(duì)流層高低層干而中層濕度大型、對(duì)流層中層干燥型、對(duì)流層整層濕度顯著型。彭芳等[11]利用貴州1991—2009年汛期逐小時(shí)降水資料，發(fā)4—6月頻數(shù)逐漸增大，7月維持，8—9月減少，一天中有3個(gè)相對(duì)較高時(shí)段。王芬等[12]研究表明貴州省黔西南州望謨縣短時(shí)強(qiáng)降水逐月變化呈現(xiàn)明顯的單峰型結(jié)構(gòu)，6月是短時(shí)強(qiáng)降水最頻繁發(fā)生的月份；短時(shí)強(qiáng)降水日變化呈三峰型結(jié)構(gòu)，夜間是強(qiáng)降水集中發(fā)生時(shí)間，09—20時(shí)未出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。

黔西南州地處貴州西南，屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，位于云貴高原東側(cè)，極端天氣事件頻發(fā)，其中因短時(shí)強(qiáng)降水及暴雨而誘發(fā)的洪澇災(zāi)害對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)造成非常嚴(yán)重的損失，因此對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水和暴雨的研究十分必要。本文利用黔西南2006—2016年逐小時(shí)降水量，在區(qū)分量級(jí)的前提下，分析短時(shí)強(qiáng)降水的空間特征、多模態(tài)特征及日變化特征，比較了各個(gè)級(jí)別的短時(shí)強(qiáng)降水異同點(diǎn)，并就短時(shí)強(qiáng)降水與暴雨的關(guān)系也進(jìn)行了初步探討。

1 資料與方法

本文的研究對(duì)象為貴州省黔西南州地面氣候降水資料數(shù)據(jù)集，選取貴州省黔西南區(qū)域資料完整的8個(gè)氣象臺(tái)站2006—2016年共11 a的逐小時(shí)降水資料，圖1給出了8個(gè)臺(tái)站的位置及海拔高度。

圖1 黔西南8個(gè)臺(tái)站位置分布

中央氣象臺(tái)將1 h降水量≥20 mm記為短時(shí)強(qiáng)降水[13]，根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，本文將短時(shí)強(qiáng)降水分為3個(gè)等級(jí)：20 mm≤小時(shí)降水量<40 mm，40 mm≤小時(shí)降水量<60 mm，小時(shí)降水量≥60 mm。對(duì)黔西南州8個(gè)縣級(jí)氣象站各個(gè)等級(jí)的逐小時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)度及頻次進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，采用相似系數(shù)來(lái)表示短時(shí)強(qiáng)降水頻次與暴雨日數(shù)二者空間分布圖的相似程度[14]。

2 短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布特征

2.1 空間分布特征

圖2給出了黔西南州近11 a短時(shí)強(qiáng)降水累計(jì)頻次空間分布，從圖2a可以看出，黔西南短時(shí)強(qiáng)降水呈現(xiàn)“東多西少”的空間特征，全州8縣市共發(fā)生過(guò)569次短時(shí)強(qiáng)降水，發(fā)生頻次最多的是望謨91次，占全州初夏所有短時(shí)強(qiáng)降水頻次的16% ，其次為冊(cè)亨，達(dá)到85次，占15% ，貞豐最少59次。20～40 mm/h頻次的空間特征為“東多西北多西南少”（圖2b），共發(fā)生過(guò)494次，發(fā)生頻次最多為冊(cè)亨76次，占所有該級(jí)別短時(shí)強(qiáng)降水總頻次的15% ，其次為望謨、晴隆，70次，占14% ，興義最少，僅有49次，占10% 。40～60 mm/h頻次的空間特征為“東多西少”（圖2c），共發(fā)生過(guò)70次，最多為望謨，達(dá)到20次，占該級(jí)別總頻次的28.5% ，其次為晴隆13次，占18.5% ，普安最少為2次。60 mm/h以上頻次發(fā)生幾率很少，近11a來(lái)僅發(fā)生過(guò)8次（圖2d），發(fā)生最多的為冊(cè)亨及晴隆，但也僅有2次，而興仁、貞豐近11 a來(lái)從未發(fā)生過(guò)大于60 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水。

圖2 短時(shí)強(qiáng)降水累計(jì)頻次空間分布

綜合圖2比較分析可知，黔西南州的短時(shí)強(qiáng)降水主要集中在20～40 mm/h，占所有累積頻次的87% ，20～40 mm/h、40～60 mm/h及總頻次的空間基本特征均為“東多西少”，東部的冊(cè)亨、望謨及北部的晴隆這三個(gè)區(qū)域的短時(shí)強(qiáng)降水明顯多于西部及西南部的興義、安龍、普安。

圖3給出了春季、夏季、秋季的20 mm/h以上短時(shí)強(qiáng)降水累積頻次的空間分布，由圖3a可以看出，春季短時(shí)強(qiáng)降水頻次呈現(xiàn)“東多西少”的特征，區(qū)域平均13次，東部的冊(cè)亨、望謨最多21次，興義最少僅有2次。夏季短時(shí)強(qiáng)降水頻次明顯增多（圖3b），區(qū)域平均50次，大值區(qū)集中在東北部的望謨、晴隆，其中晴隆最多64次，安龍最少39次。秋季短時(shí)強(qiáng)降水明顯減少，平均8次，大值區(qū)集中在南部的冊(cè)亨14次（圖3c）。

2.2 月和季節(jié)變化特征

按月對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知，全年3—11月均會(huì)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，但主要出現(xiàn)在5—8月，共發(fā)生過(guò)535次，占短時(shí)強(qiáng)降水總頻數(shù)的94% ，6月最多，占全年短時(shí)強(qiáng)降水頻次的33% ，其次為7月，占20% ，5月和8月接近，分別為16% 和16.8% 。20～40 mm/h級(jí)別的短時(shí)強(qiáng)降水呈現(xiàn)單峰結(jié)構(gòu)，在6月達(dá)到峰值（155次），7月次之（100次）。40～60 mm/h級(jí)別的主要出現(xiàn)在5—9月，其中最多的是6月（31次），5月次之（16次），即此級(jí)別的短時(shí)強(qiáng)降水在初夏發(fā)生最多，占所有該級(jí)別短時(shí)強(qiáng)降水的67% 。60 mm/h以上的短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)在6—9月，6月、7月最多，為3次，此級(jí)別的短時(shí)強(qiáng)降水主要發(fā)生在夏季，共發(fā)生了7次，占該級(jí)別的87.5% 。黔西南州短時(shí)強(qiáng)降水都是在6月到達(dá)峰值，頻發(fā)時(shí)段在夏季及春末，冬季沒(méi)有發(fā)生過(guò)短時(shí)強(qiáng)降水。

分析春季、夏季、秋季的3個(gè)級(jí)別短時(shí)強(qiáng)降水的累積頻次可知，夏季短時(shí)強(qiáng)降水最多，共出現(xiàn)398次，占所有短時(shí)強(qiáng)降水的70% ，春季次之，冬季沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)短時(shí)強(qiáng)降水。3個(gè)級(jí)別的短時(shí)強(qiáng)降水都是在夏季最多，20～40 mm/h級(jí)別的短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次明顯大于其它級(jí)別的，＞60 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水只在夏季出現(xiàn)過(guò)。

2.3 日變化特征

圖4給出了短時(shí)強(qiáng)降水累積發(fā)生頻次的日變化特征，黔西南近11 a短時(shí)強(qiáng)降水累計(jì)出現(xiàn)569次，出現(xiàn)的主要時(shí)段在夜間，夜間出現(xiàn)400次，占70% ，主要集中時(shí)段為20時(shí)—次日04時(shí)（北京時(shí)，下同），在01—02時(shí)達(dá)到峰值，發(fā)生 53次，占9.3% ，其次為00—01時(shí)，達(dá)到51次，占9% （圖4a）。白天為短時(shí)強(qiáng)降水的低發(fā)時(shí)段，共發(fā)生過(guò)169次，占30% 。分析圖5b可知，20～40 mm/h短時(shí)強(qiáng)降水累計(jì)出現(xiàn)頻次為494次，出現(xiàn)的主要時(shí)段也是在夜間，為344次，占70% ，主要集中時(shí)段為20—04時(shí)，在00—02時(shí)達(dá)到峰值，發(fā)生 42次，占8.5% ，其次為23—00時(shí)，共40次，占8.1% 。白天為短時(shí)強(qiáng)降水的低發(fā)時(shí)段，發(fā)生的累計(jì)頻次為150次，僅占30% 。分析可知，40～60 mm/h短時(shí)強(qiáng)降水累計(jì)出現(xiàn)頻次迅速下降，僅為70次，出現(xiàn)的主要時(shí)段也是在夜間，共56次，占該級(jí)別所有短時(shí)強(qiáng)降水的80% ，主要集中時(shí)段為22—次日02時(shí)，在夜間的01—02時(shí)達(dá)到峰值，發(fā)生10次，占14.3% ，其次為00—01時(shí)，達(dá)到9次，占12.8% 。白天為短時(shí)強(qiáng)降水的低發(fā)時(shí)段，共發(fā)生14次，占20% 。60 mm/h以上短時(shí)強(qiáng)降水共出現(xiàn)8次，夜間出現(xiàn)5次，主要時(shí)段為20—01時(shí)，占63% ，白天3次，其中19—20時(shí)出現(xiàn)最多為2次。

圖3 不同季節(jié)短時(shí)強(qiáng)降水頻次空間分布

把一天分為4個(gè)時(shí)次，上午（08—14時(shí)）、午后（14—20時(shí)）、前半夜（20—02時(shí)）、后半夜（02—08時(shí)），統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)前半夜短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)次數(shù)最多，達(dá)到260次，占所有短時(shí)強(qiáng)降水的46% ，后半夜次之，出現(xiàn)過(guò)140次，占25% ，下午出現(xiàn)過(guò)137次，占24% ，上午出現(xiàn)的最少，僅占5% 。分析圖4b發(fā)現(xiàn)，20～40 mm/h級(jí)別的短時(shí)強(qiáng)降水在一天中任何時(shí)次都會(huì)出現(xiàn)，前半夜最多，午后及后半夜次之，上午最少，40～60 mm/h的在午后至后半夜均會(huì)出現(xiàn)，前半夜最多，而＞60 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水在前半夜出現(xiàn)最多，在后半夜沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)。

2.4 多模態(tài)特征

圖4 近10 a初夏短時(shí)強(qiáng)降水頻次日變化

對(duì)黔西南近11 a短時(shí)強(qiáng)降水累計(jì)頻次進(jìn)行EOF分解，對(duì)累積方差貢獻(xiàn)率及其特征根進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，采用North等[15-17]提出的計(jì)算特征值誤差范圍的方法對(duì)前8個(gè)模態(tài)進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)，第一模態(tài)方差貢獻(xiàn)率為90.6% ，前3個(gè)模態(tài)方差貢獻(xiàn)率為96.1% ，表明黔西南短時(shí)強(qiáng)降水頻次的空間分布特征主要由第一模態(tài)來(lái)表現(xiàn)，累積方差達(dá)到90% 時(shí)最少需要1個(gè)主分量，North檢驗(yàn)表明前8個(gè)模態(tài)中的僅有第1個(gè)通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)。圖5為短時(shí)強(qiáng)降水累計(jì)頻次前3個(gè)模態(tài)特征向量空間分布。由圖5a可知，第一特征向量場(chǎng)呈現(xiàn)出明顯的全州一致同位相分布特征，短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次趨于一致，大值區(qū)位于東南部一帶，這種全區(qū)一致的特征值占總體方差的90.6% ，很明顯這是受大尺度天氣系統(tǒng)影響造成的。第二特征向量場(chǎng)方差貢獻(xiàn)率占2.9% ，表現(xiàn)為中部到東北一線與其余地方反向變化特征（圖5b），即當(dāng)中部到東北一線短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次異常偏多（少）時(shí)，其余地區(qū)異常偏少（多），這可能是地形原因造成的。第三特征向量場(chǎng)方差貢獻(xiàn)率占2.6% ，表現(xiàn)為東北—西南反向變化特征（圖5c），這也可能是受地形原因造成的。

3 暴雨與短時(shí)強(qiáng)降水的關(guān)系

3.1 短時(shí)強(qiáng)降水對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)

統(tǒng)計(jì)近11 a暴雨站次與短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次發(fā)現(xiàn)（圖6），近11 a黔西南州8縣站累計(jì)發(fā)生351站次暴雨天氣過(guò)程，其中有238次暴雨過(guò)程伴有短時(shí)強(qiáng)降水，占68% ，112次暴雨過(guò)程沒(méi)有短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生，占32% 。這238站次暴雨過(guò)程中累計(jì)發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水319次，169次暴雨過(guò)程中僅伴有1次短時(shí)強(qiáng)降水，占所有暴雨過(guò)程的48% ，58次暴雨過(guò)程中有2次短時(shí)強(qiáng)降水，占17% ，10次暴雨過(guò)程伴有3次短時(shí)強(qiáng)降水，僅1次暴雨過(guò)程中伴有4次短時(shí)強(qiáng)降水。

圖5 近10 a初夏短時(shí)強(qiáng)降水累計(jì)頻次前3個(gè)模態(tài)時(shí)空變化

3.2 空間相關(guān)性

黔西南近11 a發(fā)生的351站次暴雨過(guò)程中，有239次伴隨有短時(shí)強(qiáng)降水，累計(jì)出現(xiàn)319次（表1），對(duì)8縣站暴雨日數(shù)與短時(shí)強(qiáng)降水累積頻次求相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)二者的相關(guān)系數(shù)為0.94，通過(guò)了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。

表1 8縣站暴雨日數(shù)與短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)的頻次

暴雨日數(shù)與暴雨過(guò)程中出現(xiàn)的短時(shí)強(qiáng)降水累計(jì)頻次相關(guān)系數(shù)的空間分布見(jiàn)圖7，陰影區(qū)為相關(guān)系數(shù)通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn)的區(qū)域。暴雨日數(shù)與短時(shí)強(qiáng)降水頻次有很好的正相關(guān)，8個(gè)縣站均通過(guò)了0.05的顯著性檢驗(yàn)，其中興義、望謨的相關(guān)系數(shù)最高為0.9，普安、貞豐最低為0.6，這充分說(shuō)明全州各縣的暴雨與短時(shí)強(qiáng)降水關(guān)系非常密切，二者為顯著的正相關(guān)關(guān)系。

圖6 暴雨站次與其中伴有短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)的次數(shù)的對(duì)比

分析近11 a所有短時(shí)強(qiáng)降水累積頻次空間分布、暴雨總?cè)諗?shù)及暴雨過(guò)程中出現(xiàn)的短時(shí)強(qiáng)降水總頻次的空間分布發(fā)現(xiàn)（圖8），三者的空間分布基本特征均為“東多西少”，其中短時(shí)強(qiáng)降水累積頻次與暴雨日數(shù)的空間相似系數(shù)為0.7，與暴雨過(guò)程中出現(xiàn)的短時(shí)強(qiáng)降水頻次空間分布相似系數(shù)達(dá)到0.9，這表示它們的空間分布特征基本一致。

3.3 暴雨量與對(duì)應(yīng)最大雨強(qiáng)的關(guān)系

圖9給出了暴雨量及當(dāng)日最大雨強(qiáng)的散點(diǎn)圖，并作了擬合，分析可知，二者為正相關(guān)關(guān)系，線性斜率為0.20，解釋方差為0.28，二者的相關(guān)系數(shù)為0.53，通過(guò)了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。近11 a來(lái)黔西南共發(fā)生過(guò)351站次暴雨天氣過(guò)程，其中有239次伴有短時(shí)強(qiáng)降水，這239次中有180次最大雨強(qiáng)為20～40 mm/h，55次最大雨強(qiáng)為40～60 mm/h，4次最大雨強(qiáng)在60 mm/h以上。當(dāng)最大雨強(qiáng)為20～40 mm/h時(shí)，降水量多集中在100 mm/h以下，而＞100 mm的大暴雨過(guò)程中其最大雨強(qiáng)也較大，有15次大暴雨在20～40 mm/h之間，17次在40～60 mm/h之間，而5次伴有60 mm/h以上的短時(shí)強(qiáng)降水中有4次造成了大暴雨天氣，一次特大暴雨天氣。

圖7 暴雨日數(shù)與短時(shí)強(qiáng)降水的相關(guān)系數(shù)

圖8 短時(shí)強(qiáng)降水頻次與暴雨日數(shù)時(shí)空分布對(duì)比

圖9 暴雨量與最大雨強(qiáng)的散點(diǎn)圖

4 結(jié)論

（1）近11 a黔西南短時(shí)強(qiáng)降水集中在20～40 mm/h，占所有頻次的87% ，20～40 mm/h、40～60 mm/h及總頻次的空間基本特征為“東多西少”。夏季短時(shí)強(qiáng)降水最多（達(dá)50次），其次為春季13次，秋季最少。

（2）短時(shí)強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在5—8月，3個(gè)級(jí)別的短時(shí)強(qiáng)降水都是在6月或夏季到達(dá)峰值。20～40 mm/h級(jí)別的短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)的頻次最多，＞60 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水只在夏季出現(xiàn)過(guò)。70% 的短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)在夜間，主要集中時(shí)段為20—04時(shí)：前半夜短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)次數(shù)最多，占所有短時(shí)強(qiáng)降水的46% ，后半夜次之，占25% ，上午出現(xiàn)的次數(shù)最少，且3個(gè)級(jí)別的短時(shí)強(qiáng)降水都是在前半夜出現(xiàn)最多。

（3）EOF分解表明短時(shí)強(qiáng)降水第一特征向量場(chǎng)呈現(xiàn)出明顯的全州一致同位相分布特征，第二特征向量場(chǎng)表現(xiàn)為中部到東北一線與其余地方反向變化特征，第三特征向量場(chǎng)表現(xiàn)為東北～西南反向變化特征。

（4）近11 a黔西南州68% 暴雨天氣中都伴有短時(shí)強(qiáng)降水，短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)的次數(shù)在1～4次之間，大部分暴雨過(guò)程中僅伴有1～2次短時(shí)強(qiáng)降水，有10次暴雨過(guò)程伴有3次短時(shí)強(qiáng)降水，僅1次暴雨過(guò)程中伴有4次短時(shí)強(qiáng)降水。短時(shí)強(qiáng)降水累積頻次、暴雨日數(shù)與暴雨過(guò)程中出現(xiàn)的短時(shí)強(qiáng)降水的頻次三者的空間分布基本特征均為“東多西少”，其中短時(shí)強(qiáng)降水頻次與暴雨日數(shù)的空間相似系數(shù)為0.7，暴雨日數(shù)與暴雨過(guò)程中出現(xiàn)的短時(shí)強(qiáng)降水頻次空間分布相似系數(shù)為0.9。暴雨量與當(dāng)日最大小時(shí)降水量為顯著正相關(guān)關(guān)系，239次伴有短時(shí)強(qiáng)降水的暴雨過(guò)程中180次最大雨強(qiáng)為20～40 mm/h，55次為40～60 mm/h，有4次最大雨強(qiáng)在60 mm/h以上；當(dāng)最大雨強(qiáng)為20～40 mm時(shí)，其降水多集中在100 mm以下，而＞100 mm的大暴雨過(guò)程中其最大小時(shí)雨強(qiáng)也較大，有15次大暴雨在20～40 mm/h之間，17次在40～60 mm/h之間。

黔西南短時(shí)強(qiáng)降水成因復(fù)雜，特別是在貴州復(fù)雜的地形條件下，其影響因子更多，本文僅分析了短時(shí)強(qiáng)降水的多尺度特征，其發(fā)生發(fā)展的機(jī)理將是下一步的研究方向。