2005—2018年陜西短時強降水時空分布特征

李萍云，趙 強，王 楠，屈麗瑋

(陜西省氣象臺，西安 710014)

短時強降水是一種典型的強對流天氣現(xiàn)象，由空氣強烈的垂直運動造成，常伴隨有雷電、大風、冰雹等天氣，易造成明顯的城市內澇、中小河流水位暴漲、甚至是地質災害等氣象災害及其衍生災害，對人民生命財產安全構成重大威脅。此類天氣具有歷時短、雨強大、局地性強等特點，很多學者利用小時降水量資料分析其時間、空間分布特征。如：2012年彭芳[1]等利用貴州區(qū)域84測站1991—2009年汛期(4—9月)逐小時降水資料統(tǒng)計了貴州省短時強降水時空特征；2015年魯俊[2]利用安徽省1995—2010年逐小時降水量數(shù)據(jù)得到了安徽省短時強降水的高分辨率時空分布特征；楊學斌等[3]利用山東2006—2015年5—9月123個國家級氣象觀測站10年逐小時降水量資料，統(tǒng)計分析了山東短時強降水的時空分布特征。對于陜西短時強降水的時空分布也有研究，2014年蔡新玲等[4]利用1961—2011年陜西省23個氣象站的逐時降水量資料，分析了汛期(5—9月)降水時數(shù)、小時雨強、極端強降水時數(shù)和極端降水強度的時空變化，指出短時強降水時數(shù)和強度具有階段性的特點。此研究優(yōu)點是數(shù)據(jù)序列較長，缺點是站數(shù)較少，代表性相對較差。本文利用陜西省99個國家級氣象站逐小時降水量資料，分析陜西汛期短時強降水(以降雨強度≥20 mm/h為標準)時空分布特征，旨在為陜西短時強降水短臨預警及防災減災提供參考依據(jù)。

1 資料和方法

參照中國氣象局《全國短時、臨近預報業(yè)務規(guī)定》，定義短時強降水為1 h≥20 mm的降水，選取資料為陜西2005—2018年99個國家級氣象臺站小時雨強數(shù)據(jù)，提取大于等于20 mm/h數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。此分析不對災害類型進行分類、不對天氣現(xiàn)象種類進行劃分，純粹只對降水現(xiàn)象進行統(tǒng)計。

為方便統(tǒng)計分析，定義：某站1 h降水量大于等于20 mm，記為該站1次短時強降水；以某時段內所有站點出現(xiàn)短時強降水次數(shù)的總和(單位為站次)記為短時強降水頻次，以短時強降水頻次分析陜西短時強降水的年、月、日時間變化特征；以某站1 d出現(xiàn)1次及以上短時強降水計該站為1個短時強降水日，以短時強降水日統(tǒng)計分析短時強降水的空間分布特征；以某站某時段內小時雨強的最大值記為該站極值雨強(單位mm/h)，以某時段內全省所有站點中極值雨強最大值分析陜西極值雨強的年、月、日時間變化特征，以各站極值雨強分析極值雨強的空間分布特征。

2 全省短時強降水的時間變化特征

2.1 短時強降水頻次和極值雨強的年變化

2005—2018年，陜西短時強降水出現(xiàn)頻次共1 668站次，年平均119站次。由圖1可知：陜西短時強降水年發(fā)生頻次維持較為穩(wěn)定的趨勢，每3 a出現(xiàn)一次峰值，2014年最少為71站次，2010年最多為194站次。14 a 間陜西短時強降水極值雨強呈波動變化趨勢，4～5 a為一個峰值，峰值振蕩減小，振蕩范圍為48.6～101.5 mm/h，最大值出現(xiàn)在2006年，最小值出現(xiàn)在2005年。

可見，近14 a陜西短時強降水年累計頻次維持較為穩(wěn)定的趨勢，而極值雨強在振蕩中有減小趨勢。蔡新玲[4]指出：1961—2011年陜西區(qū)域平均降水時數(shù)長期趨勢變化不明顯，而降水強度呈明顯增強趨勢，本文結論有出入，這是由于本文研究時間范圍短，顯示的特征說明近14 a極值雨強處于減弱階段。印證了極值雨強階段性特征明顯。

圖1 2005—2018年陜西短時強降水年累積頻次和全省極值雨強的年變化曲線

2.2 短時強降水頻次和極值雨強的月變化

陜西短時強降水發(fā)生在5—10月(圖2)，且強降水累積頻次變化呈現(xiàn)明顯單峰型：5月為52站次，6月增大到183站次，7月達到峰值760站次，8月減少為583站次，9月迅速減小為82站次，10月最少，僅2站次。7—8月出現(xiàn)頻次占總頻次的比例高達80.5%。全省極值雨強月變化也呈單峰型：5月為36 mm/h，6月增大到58.5 mm/h，7月繼續(xù)增大到78.7 mm/h，8月達到最大值101.5 mm/h，隨后開始減小。

圖2 2005—2018年陜西短時強降水頻次和全省極值雨強的月變化

可見，陜西短時強降水在7—8月最為活躍，其次是6月、9月。短時強降水累計頻次和全省極值雨強均呈單峰分布。7月出現(xiàn)的強降水累計頻次最多，而8月極值雨強最大。這是因為：7—8月，亞洲大陸受熱低壓控制，位于其東北部的陜西受偏南偏東氣流影響。同期，高空北支西風急流北撤減弱，副熱帶高壓西進北抬。副熱帶高壓西側的偏南暖濕氣流與西北侵入的冷空氣不斷在陜西交匯，且不斷有中小尺度系統(tǒng)發(fā)展，所以短時強降水在7—8月顯著增多[5-6]。8月，副熱帶高壓位置偏西偏北，陜西受副高控制，短時強降水頻次少于7月。然而8月不穩(wěn)定能量和大氣可降水量達到一年中的峰值，當有弱冷空氣或中尺度輻合線觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放時，易出現(xiàn)強度更大的短時強降水。

2.3 強降水頻次和極值雨強的日變化

陜西短時強降水日變化趨勢顯示(圖3)：陜西短時強降水頻次和全省極值雨強日變化呈單峰型；對于短時強降水頻次來說，12時發(fā)生頻次最少，總共出現(xiàn)22站次，午后迅速增加，19時達到峰值，124站次，隨后又緩慢減少；極值雨強變化趨勢類似，雨強最小值出現(xiàn)在12時，為36 mm/h，雨強最大值出現(xiàn)在22時，為101.5 mm/h?？梢?，短時強降水頻次和極值雨強的日變化趨勢較為一致，低值均出現(xiàn)在12時，峰值時間不同，前者在19—00時，后者在22—00時。

圖3 2005—2018年陜西短歷時強降水頻次和最大雨強的日變化特征

陜西短時強降水易發(fā)時段是下午到傍晚，這是因為陜西下墊面差異明顯，下午到傍晚局地熱對流旺盛，容易出現(xiàn)短時強降水。陜西降水強度表現(xiàn)為上午雨勢減小，中午降水最少，入夜降雨增強[6]。這可能原因是由于夜間摩擦力減小，超地轉低空急流的形成[7]，加強了西南氣流，使得入夜后的雨強增強。

3 短時強降水空間分布特征

3.1 短時強降水年平均日數(shù)和年極值雨強

陜西南北狹長，地處青藏高原東北側，秦嶺山脈貫穿其中南部，北部為黃土高原，中部為關中盆地，南部為秦巴山區(qū)。由于下墊面差異較大，短時強降水的空間分布有較大差異。2005—2018年的14 a間，陜西年平均短時強降水日空間分布自南向北呈兩高兩低狀(圖4)，短時強降水日為0.4～2.7 d/a。位于秦嶺以南的陜南地區(qū)，短時強降水日最多，大部地區(qū)超過1.2 d/a，其中商南為全省之冠，為2.7 d/a；關中盆地是強降水日的低值區(qū)，為0.4～0.8 d/a；位于黃土高原的陜北南部到盆地北部強降水日又復增多，為0.8～1.6 d/a；位于風沙灘地的陜北北部強降水日較少，其中府谷是全省強降水日最少的縣區(qū)，小于0.4 d/a。極值雨強空間分布自南向北呈三高兩低分布：陜南鎮(zhèn)巴、平利為極值雨強大值區(qū)，極值雨量70～90 mm/h；安康北部、寶雞南部為極值雨強低值區(qū)，極值雨量30～50 mm/h；關中盆地為極值雨強大值區(qū)，50～101.5 mm/h，其中武功為全省極值雨強之最；陜北極值雨強西低東高，陜北東部的吳堡、清澗、延長一帶的極值雨強較大，極值雨量60～70 mm/h；安塞、吳起為極值雨強的低值區(qū)，30～40 mm/h。

圖4 陜西2005—2018年短時強降水空間分布特征(陰影為年平均短時強降水日數(shù)，單位為d/a；等值線為年極值雨強，單位為mm/h)

可見，陜西短時強降水日空間分布不均，陜北北部、關中中部強降水日最少，陜北南部、關中北部次之，陜南最大，其中商南為全省之冠。與姚靜[8]短時強降水空間分布結論相似。全省雨強分布不均，陜北雨強最小，其中西部小于東部；陜南次之；關中最大。此結論與李亞麗[9]的陜西短歷時降水極值特征較為一致。說明陜南為全省短時強降水高發(fā)區(qū)，極值雨強可達40～80 mm/h,鎮(zhèn)巴、平利雨強可達90 mm/h。榆林北部特別是西北部短時強降水頻次低，極值雨強小，最大不超過50 mm/h。關中平原地區(qū)短時強降水頻次低，但極值強，最大可達101.5 mm/h。

3.2 短時強降水月平均日數(shù)和月極值雨強

根據(jù)前文所述，陜西全省短時強降水發(fā)生頻次各月差異較大，而與該地區(qū)強降水密切相關的環(huán)流形勢如西風槽、冷渦、副熱帶高壓的位置等同樣也有較明顯的月差異。因此本文重點關注短時強降水日空間分布的月際特征。

5月陜西出現(xiàn)短時強降水的站點達39站，占全省總站點的三分之一。這些站點主要位于延安東部、關中東部、陜南大部(圖略)。這些站出現(xiàn)強降水日較少，平均不到0.1 d/a；空間上呈西少東多、北少南多的分布特點；短時強降水日大值區(qū)主要位于陜南東部，其中商南最多，年平均0.3 d/a。極值雨強范圍20～36 mm/h，發(fā)生強降水的站點平均極值雨強為25.7 mm/h；空間上呈北低南高，西低東高分布特點；超過30 mm/h的區(qū)域主要出現(xiàn)在陜南南部的寧強、漢濱區(qū)、平利縣和陜南東部的商南、丹鳳，最大中心為商南。陜南西部偏南地區(qū)短時強降水日偏少，但極值雨強較大。

6月陜西出現(xiàn)短時強降水的站點超過全省總站點的一半，達76站。這些站點主要位于陜北南部偏西地區(qū)、關中及陜南(圖5)。短時強降水日較5月有所增加，平均0.17 d/a；空間上呈陜北西部、陜南偏多，陜北東部、關中偏少的特點；短時強降水日大值區(qū)位于延安西部、陜南，其中志丹、寧強、漢臺區(qū)、佛坪、石泉、平利、山陽短時強降水平均日數(shù)最多，年平均0.3 d。極值雨強范圍20～58.5 mm/h，發(fā)生強降水的站點平均極值雨強30.5 mm/h；該月極值雨強空間分布與強降水日空間分布一致；極值雨強大值區(qū)分別位于延安西北部的志丹、關中中南部的周至和華陰、漢中南部的寧強、安康南部的紫陽和嵐皋、商洛東部柞水和丹鳳，其中最大中心位于丹鳳。關中周至和華陰短時強降水日較少但極值雨強較大。

圖5 陜西2005—2018年逐月短時強降水空間分布特征(陰影為月平均短時強降水日，單位為d/a；等值線為月極值雨強，單位為mm/h)

7月全省14 a間僅太白、臨渭區(qū)未出現(xiàn)短時強降水。短時強降水日迅速增多，平均0.55 d/a。強降水日空間分布同年平均強降水日分布特征(圖5)，分布特點為：陜北西部、關中中部少于陜北東部、關中北部和陜南，其中陜南最大；最大中心位于鎮(zhèn)巴、平利和商南，多年平均超過1.2 d/a。極值雨強范圍20～78.7 mm/h，發(fā)生強降水的站點平均極值雨強44 mm/h；空間分布呈西低東高的分布特點；超過70 mm/h的區(qū)域主要位于關中中東部的藍田—華州區(qū)一帶和陜南南部的鎮(zhèn)巴，最大中心位于藍田。關中中東部的短時強降水日較少但極值雨強較大。

8月全省14 a間僅府谷、吳起2站未出現(xiàn)短時強降水。短時強降水日較7月有所減少，平均0.43 d/a。短時強降水日空間上呈西少東多的分布特點(圖5)；大值區(qū)位于關中東部的韓城和陜南的佛坪、商南，年平均接近1 d/a。極值雨強范圍23～101.5 mm/h，發(fā)生強降水的站點平均極值雨強47 mm/h；分布呈北部地區(qū)西低東高，中南部地區(qū)中西部偏高的特點；極值雨強大值區(qū)主要位于關中中部，最大中心位于武功。極值雨強大值區(qū)與強降水日大值區(qū)位置并不對應。

9月陜西出現(xiàn)短時強降水的站點接近全省總站點的一半，為48站。短時強降水日繼續(xù)減小，多年站點平均0.12 d/a?？臻g分布呈北少南多、西多東少的分布特點(圖5)；年平均短時強降水日大值區(qū)位于陜南中西部，最大中心位于南鄭區(qū)和鎮(zhèn)坪，多年平均0.3 d。極值雨強范圍20～52.8 mm/h，發(fā)生強降水的站點平均極值雨強為30 mm/h；空間分布呈西低東高分布；極值雨強大值中心位于陜南東部的山陽。極值雨強最大中心與短時強降水日數(shù)大值中心不對應。

10月陜西出現(xiàn)短時強降水的站點僅2站(圖略)，分別位于寶塔區(qū)和南鄭區(qū)。雨強為27.4～29.9 mm/h。

上述分析表明，5—10月陜西各地區(qū)短時強降水日、極值雨強有明顯月際差異，7—8月短時強降水出現(xiàn)的范圍廣，日數(shù)多，強度大；5月、6月和9月范圍、日數(shù)及強度均較小。短時強降水全省大部易出現(xiàn)在7月，黃龍、韓城、佛坪易出現(xiàn)在8月。5—6月極值雨強大值區(qū)與短時強降水日大值區(qū)較為一致。7—9月極值雨強大值區(qū)與短時強降水日大值區(qū)存在較大差異。7—8月最大雨強出現(xiàn)在關中地區(qū)，其中7月出現(xiàn)在關中中東部的藍田，8月出現(xiàn)在關中中西部的武功；5月、6月和9月極值雨強均為與陜南東部的商洛地區(qū)，5月位于商南、6月位于丹鳳、9月位于山陽。

3.3 短時強降水頻次和極值雨強日變化的區(qū)域分布特征

分析發(fā)現(xiàn)，陜西各地短時強降水日變化特征不同，陜北西部和陜北東部、關中西部和關中東部差異較大，而陜南各地各不相同，因此在此基礎上利用全省99個國家氣象站數(shù)據(jù)，將陜西落區(qū)分為陜北西部、陜北東部、關中西部、關中東部、漢中、安康、商洛等7個區(qū)，分別分析各區(qū)強降水頻次及極值雨強出現(xiàn)頻次的日變化特征，旨在得到不同區(qū)域強降水和極值雨強出現(xiàn)的主要時段。

陜西7個區(qū)短時強降水頻次日變化分布顯示(圖6)：從北到南，短時強降水出現(xiàn)的時間逐漸增多。各區(qū)域出現(xiàn)短時強降水的時段分別為：陜北為15—22時，關中為16—次日02時，陜南為16—次日09時。各區(qū)域強降水頻次日變化特征不同，陜北西部、關中西部呈單峰型，峰值分別為15—22時和18—02時。陜北東部、關中東部雙峰明顯，主峰值時段均出現(xiàn)在15—22時，次峰時段分別出現(xiàn)在03—06時、00—02時。陜南日變化均相對較?。簼h中19—21時、07—09時出現(xiàn)頻次相對較高，09—16時相對較低；安康19—次日02時、03—07時出現(xiàn)頻次相對較高，09—16時相對較低；商洛16—次日00時、01—03時相對較高，03—16時相對較低。各區(qū)域強降水頻次自北向南逐漸增加，這與強降水頻次的空間分布特征相對應。

圖6 2005—2018年陜西短時強降水頻次(陰影；單位為站次)和極值雨強出現(xiàn)頻次日變化特征(等值線；單位為站次)

分析陜西各站點極值雨強發(fā)生頻次可知，陜西區(qū)域極值雨強主要出現(xiàn)在17—23時。各區(qū)域又存在一定差別，陜北西部在17—18時，關中西部在22時左右，關中東部、漢中、安康、商洛在18—20時。從出現(xiàn)頻次的量級大小可以看出，極值雨強出現(xiàn)頻次最大值是關中東部和安康的19時，商洛的18時，頻次最大中心達0.25次，說明這些區(qū)域出現(xiàn)極值雨強的時間較為集中；延安東部出現(xiàn)頻次值均小于0.15，說明該區(qū)域出現(xiàn)極值雨強的時間較為分散。

4 結論與討論

陜西氣候特點和地形變化復雜，其短時強降水頻次及極值雨強的時空分布也有獨特性，主要結論如下：

(1)2005—2018年陜西極值雨強呈振蕩減小趨勢；陜西短時強降水在7—8月最為活躍，其次是6月、9月；7月出現(xiàn)的強降水累計頻次最多，而8月極值雨強最大；短時強降水主要發(fā)生在午后到夜間，日變化呈單峰分布，強降水頻次峰值出現(xiàn)在17—00時，但極值雨強易出現(xiàn)在22—00時，低值均出現(xiàn)在12時。

(2)陜南為全省短時強降水高發(fā)區(qū)，極值雨強達40～80 mm/h,鎮(zhèn)巴、平利雨強可達90 mm/h；榆林北部特別是西北部短時強降水日偏少，極值雨強小，最大不超過50 mm/h；關中平原地區(qū)短時強降水日偏少，但極值強，最大達101.5 mm/h。5—10月陜西各地區(qū)短時強降水日、極值雨強有明顯月際差異，7—8月短時強降水出現(xiàn)的范圍廣，日數(shù)多，強度大，5月、6月和9月范圍、日數(shù)及強度均較小。全省大部短時強降水易出現(xiàn)在7月，黃龍、韓城、佛坪短時強降水易出現(xiàn)在8月。最大雨強7—8月易出現(xiàn)在關中地區(qū)，5月、6月、9月易出現(xiàn)在陜南東部地區(qū)。

(3)陜西各區(qū)域出現(xiàn)短時強降水時段不同：陜北為15—22時，關中16—次日02時，陜南16—次日09時。陜西各區(qū)域短時強降水日變化差異明顯：陜北西部、關中西部呈單峰型，陜北東部、關中東部雙峰明顯，陜南日變化相對較小。陜西極值雨強主要出現(xiàn)在17—23時，關中東部、安康極值雨強多出現(xiàn)在19時，商洛極值雨強多出現(xiàn)在18時。