基于地面分鐘雨量數(shù)據(jù)的湖北省短時強(qiáng)降水時空分布特征分析

冷亮，周伶俐，肖艷姣，王玨，吳棟橋

(1.中國氣象局武漢暴雨研究所，暴雨監(jiān)測預(yù)警湖北省重點實驗室，武漢430205；2.武漢區(qū)域氣候中心，武漢430074)

引 言

短時強(qiáng)降水(Flash Heavy Rain，簡稱FHR)是短時間內(nèi)降水量級達(dá)到或超過一定閾值的天氣現(xiàn)象，具有尺度小、突發(fā)性強(qiáng)、生命史短、預(yù)測難度大等特征，其短時間內(nèi)還可能引起城市內(nèi)澇、泥石流、山體滑坡等嚴(yán)重次生災(zāi)害。20世紀(jì)以來，在全球變暖和城市化進(jìn)程加劇的大背景下，全球大部分地區(qū)短時強(qiáng)降水事件的發(fā)生頻次和強(qiáng)度均呈顯著上升的趨勢(秦大河等，2008；王芬，2018)。短時強(qiáng)降水的監(jiān)測和預(yù)報一直是氣象科研和業(yè)務(wù)工作中的重點和難點，掌握短時強(qiáng)降水的時空分布特征，對于短時強(qiáng)降水的預(yù)報及其產(chǎn)生的次生災(zāi)害的預(yù)警均具有重要意義。

湖北省地處長江中下游地區(qū)，位于中國地勢第二級階梯向第三級階梯、亞熱帶氣候向暖溫帶氣候轉(zhuǎn)變的過渡地帶，西、北、東三面地勢高，中部為向南敞開的平原地帶，呈由西北向東南傾斜的馬蹄形分布。全省多年平均降水量可達(dá)1194 mm，降水量存在明顯的南北差異性，南部降水多，北部降水少。湖北每年均有多次區(qū)域性或局地性的短時強(qiáng)降水過程發(fā)生，如1998年7月21—22日鄂東連日特大暴雨，漢口國家地面自動氣象觀測站(以下簡稱為國家站)小時降水達(dá)88.4 mm(胡伯威等，2001)；2013年發(fā)生在鄂東的大范圍暴雨過程，有34個區(qū)域地面自動氣象觀測站(以下簡稱為區(qū)域站)的最大小時降水量超過50 mm (祁海霞等，2018)；2020年7月4日到7日湖北省出現(xiàn)了歷史上少有的持續(xù)性強(qiáng)暴雨過程，導(dǎo)致多地出現(xiàn)城鄉(xiāng)內(nèi)澇和山洪、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，其中荊州燕窩站最大小時降水量66.2 mm，江夏烏龍泉站最大小時降水量88.6 mm，兩站雨量均打破建站以來歷史記錄。短時強(qiáng)降水的突發(fā)性和局地性很強(qiáng)，對人民生命財產(chǎn)造成重大損失。

近年來，有多位氣象工作者對國內(nèi)的短時強(qiáng)降水分布特征進(jìn)行過分析。付超等(2019)利用江西省2010—2016年5—9月1597個觀測站逐小時降水?dāng)?shù)據(jù)對江西省短時強(qiáng)降水進(jìn)行統(tǒng)計分析，指出短時強(qiáng)降水高頻區(qū)主要分布在山地及河谷附近。童金等(2017)分析了安徽省不同地形條件下汛期短時強(qiáng)降水和極端短時強(qiáng)降水的時空分布特征，指出安徽短時強(qiáng)降水有皖南山區(qū)、大別山區(qū)和中東部丘陵等3個高發(fā)區(qū)，極端短時強(qiáng)降水分布零散，沒有明顯的高發(fā)區(qū)。王靖羽(2019)根據(jù)河南省2929個地面觀測站2010—2015年5—9月逐時降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，指出河南省短時強(qiáng)降水集中發(fā)生在7、8月，地形對降水的增幅作用顯著，主要存在4個大值區(qū)，即豫北黃河以北地區(qū)、豫東商丘地區(qū)、豫西南伏牛山以南以東地區(qū)、豫南沿淮及其以南地區(qū)。李強(qiáng)等(2017)利用四川和重慶123個氣象觀測站1980—2012年小時降水?dāng)?shù)據(jù)，分析川渝地區(qū)主汛期5—9月強(qiáng)降水時空分布特征和持續(xù)性特征，指出不同持續(xù)時間小時強(qiáng)降水事件具有雙峰型結(jié)構(gòu)，午后為第一個降水峰值，晚八點到翌日七點對應(yīng)第二個強(qiáng)降水峰值。不同區(qū)域受氣候背景、下墊面因素等影響，短時強(qiáng)降水表現(xiàn)出一定的時空分布規(guī)律。湖北省的短時強(qiáng)降水分布特征分析研究相對較少，吳翠紅等(2013)利用78個國家站小時雨量數(shù)據(jù)分析了1999—2009年湖北省208例強(qiáng)降水過程的時空分布，指出湖北省強(qiáng)降水中心主要是在鄂西山區(qū)和江漢平原南部地區(qū)。毛以偉(2013)使用國家站和區(qū)域站小時雨量數(shù)據(jù)分析了2011年梅雨期4 次短時強(qiáng)降水過程的時空分布特征，指出短時強(qiáng)降水出現(xiàn)時間集中在夜間，且后半夜居多。林春澤等(2016)利用2001—2014年77個國家站小時雨量數(shù)據(jù)分析了湖北省夏季降水日變化特征，指出鄂東的短時強(qiáng)降水的發(fā)生概率大于鄂西的，平原的大于山區(qū)的，峰值出現(xiàn)在17時，谷值出現(xiàn)在12時。

以上氣象工作者在分析不同地區(qū)降水的日變化、年際變化、強(qiáng)度特征等方面均取得了非常重要的成果，但是地面自動氣象站記錄的小時降水?dāng)?shù)據(jù)是整點之間的累積雨量，有些短時強(qiáng)降水事件被劃分到兩個時段而被漏掉。很多研究僅使用了站點非常稀疏的國家站(比如2015年位于湖北省的國家站僅89個，而區(qū)域站有2322個)的小時降水?dāng)?shù)據(jù)，這對時空分布和強(qiáng)度分布非常不均勻的短時強(qiáng)降水來說是不具有代表性的。另外，翟盤茂等(2007)、楊艷娟和李明財(2014)研究表明，近50 a 來我國多數(shù)地區(qū)極端降水量在總降水量中的比重有所增加，極端降水強(qiáng)度增強(qiáng)，極端降水的區(qū)域性和局地性明顯。極端短時強(qiáng)降水也有類似的特征，Zhang 和Zhai (2011)分析1961—2000年地面小時雨量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，極端短時強(qiáng)降水發(fā)生頻次在長江中下游地區(qū)呈現(xiàn)增長的趨勢，且在夜間的增長速率比白天的顯著。因此，本文利用2010—2015年湖北省非常稠密的國家站及區(qū)域站分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)，研究短時強(qiáng)降水和極端短時強(qiáng)降水的時空分布和強(qiáng)度信息的統(tǒng)計特征，從而提高對該地區(qū)短時強(qiáng)降水發(fā)生、發(fā)展規(guī)律的認(rèn)識，以期為湖北短時強(qiáng)降水臨近預(yù)警及防災(zāi)減災(zāi)提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 湖北地形及分區(qū)

湖北地區(qū)有鄂西山地、鄂中江漢平原、鄂東丘陵等地貌(圖1a)。按照武漢中心氣象臺的降水預(yù)報區(qū)域并綜合考慮地形將湖北分為6個區(qū)域：I. 武漢，主要是武漢行政區(qū)；II.鄂西北，主要以山地為主；III.鄂西南，主要以山地為主；IV.江漢平原，主要以平原為主；V.鄂東北，主要以丘陵為主；VI.鄂東南，主要以丘陵為主。

1.2 資料說明

本文所用數(shù)據(jù)包括湖北省2010—2015年的國家站和區(qū)域站的分鐘雨量數(shù)據(jù)。2010—2015年湖北的國家站和區(qū)域站均有新建站點，導(dǎo)致每年的國家站站數(shù)和區(qū)域站站數(shù)均不一樣(圖1b)。圖1b 中五角星代表國家站，2010年有84站，2011年新增3站，2012年新增1 站，2014年新增1 站；實心圓代表區(qū)域站，2010年有1199站(黑色)，2011年新增135站(藍(lán)色)，2012年新增767站(綠色)，2013年新增162站(黃色)，2014年新增26 站(紅色)，2015年新增31 站(紫色)。2015年國家站合計89站，區(qū)域站合計2322站，總站點數(shù)為2411站，其中武漢、鄂西北、鄂西南、江漢平原、鄂東南和鄂東北的總站點數(shù)分別為123、594、691、313、286和404，在湖北地區(qū)形成了高時空分辨率的自動站觀測網(wǎng)絡(luò)，綜合國家站和區(qū)域站的分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)可以更精細(xì)更真實地描述湖北地區(qū)短時強(qiáng)降水的時空分布特征。

圖1 湖北省地形(a)和自動氣象站點分布(b)(其中2011—2015年當(dāng)年新增站點用不同的顏色表示)Fig.1 (a)Topography and(b)distribution of automatic weather stations in Hubei Province(The new sites in 2011-2015 are represented by different colors).

1.3 數(shù)據(jù)質(zhì)控

本文使用數(shù)據(jù)是由湖北省氣象信息保障中心收集的省內(nèi)國家站和區(qū)域自動站分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)。根據(jù)站點的經(jīng)緯度信息生成德洛內(nèi)(Delaunay)三角剖分法(林娜和李曉靖，2013)關(guān)系網(wǎng)(是一系列相連的但不重疊的三角形的集合,這些三角形的外接圓不包含這個面域的其它任何點)，某站點的鄰近站點就是以該站點為一頂點的所有三角形的另外2個頂點的集合，如圖2所示。圖2a 是國家站的，平均站間距為49 km，圖2b圖為國家站和區(qū)域站的，平均站間距為7 km。7 km的空間分辨率對短時強(qiáng)降水過程，尤其是局地強(qiáng)對流單體過程的降水監(jiān)測更可靠。

區(qū)域站是無人值守的站點且部分站點不參加業(yè)務(wù)考核，因此需要對區(qū)域站分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，包括以下4個步驟：

(1)無效站點檢查。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)有些區(qū)域站數(shù)據(jù)長時間存在無效0 值和連續(xù)異常大值的情況，對于這些區(qū)域站直接剔除，未被剔除的站點則為有效站點。

(2)氣候?qū)W界限值檢驗。將分鐘數(shù)據(jù)累計為整點小時雨量，參考湖北省氣候服務(wù)手冊中的氣候統(tǒng)計小時雨量極值(131.5 mm)，但為了避免將大于131.5 mm的雨量數(shù)值剔除，且還有其他質(zhì)控步驟，將小時雨量超過200 mm標(biāo)記為異常，不參加統(tǒng)計。

(3) 時間連續(xù)性檢查。對于超過3 mm 的分鐘雨量，其前后5個1 min 均有雨量數(shù)據(jù)的才被確認(rèn)為正常，否則認(rèn)為是可疑數(shù)據(jù)；對于6 mm 以上的分鐘雨量，如前后3 min無雨量，則被剔除。

(4)空間連續(xù)性檢查。對整點小時雨量超過30 mm的站點，檢查所有鄰近站點的雨量與該站的差值，如果所有差值均大于30 mm，則認(rèn)為該站點數(shù)據(jù)可疑，不參加統(tǒng)計。

經(jīng)過數(shù)據(jù)質(zhì)控之后，本文得到的有效站點數(shù)和數(shù)據(jù)量如表1所示。經(jīng)過質(zhì)控步驟1，所有國家站未被剔除，有效區(qū)域站比例超過93.1%。經(jīng)過步驟2—4的質(zhì)控后，國家站的有效分鐘數(shù)據(jù)時次占比均大于93.5%，區(qū)域站的占比均大于88.3%，國家站的數(shù)據(jù)質(zhì)量總體要優(yōu)于區(qū)域站。經(jīng)過質(zhì)控后的雨量數(shù)據(jù)可以更真實地描述湖北地區(qū)的短時強(qiáng)降水時空分布特征。

圖2 自動氣象站三角剖分法關(guān)系網(wǎng)(a.國家站;b.國家站和區(qū)域站）Fig.2 Relational network of automatic weather stations using Delaunay triangulation(a.national station,b.national station and regional station).

表1 自動站數(shù)據(jù)和有效數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of data quantity and proportion of automatic station data used.

1.4 短時強(qiáng)降水事件、日數(shù)和頻次定義

參考短時強(qiáng)降水的標(biāo)準(zhǔn)(俞小鼎，2013)，本文將短時強(qiáng)降水事件定義為滑動累積小時雨量大于等于20 mm的事件。滑動累積不是從整點開始累積，而是從逐分鐘滑動累積1 h雨量，只要1 h雨量滿足20 mm，則記為一次短時強(qiáng)降水事件，然后跳到下一小時繼續(xù)判斷。滑動累積避免了整點截斷的影響，統(tǒng)計的短時強(qiáng)降水事件更為準(zhǔn)確。

短時強(qiáng)降水事件日數(shù)變化和頻次變化是研究短時強(qiáng)降水事件必須關(guān)注的兩個特征。研究表明中國近50 a 的總降水量無明顯變化，但降水日數(shù)明顯減少，降水強(qiáng)度有增加的趨勢(翟盤茂等，2007)，而降水強(qiáng)度的增加又會影響短時強(qiáng)降水的頻次。短時強(qiáng)降水日數(shù)可用于分析短時強(qiáng)降水的季節(jié)變化特征，短時強(qiáng)降水頻次可描述短時強(qiáng)降水日變化特征。下面定義幾個強(qiáng)降水事件日數(shù)和頻次參量。

單站短時強(qiáng)降水日數(shù)定義為統(tǒng)計時間段內(nèi)(比如一季和一年)某站點出現(xiàn)短時強(qiáng)降水的日數(shù)，一個站點24 h內(nèi)出現(xiàn)1次及以上的短時強(qiáng)降水事件就記該站點有1個短時強(qiáng)降水日數(shù)。單站短時強(qiáng)降水年均日數(shù)定義為統(tǒng)計年內(nèi)某站點短時強(qiáng)降水總?cè)諗?shù)除以統(tǒng)計年數(shù)。短時強(qiáng)降水站均日數(shù)定義為統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)所有單站短時強(qiáng)降水日數(shù)的平均。單站短時強(qiáng)降水頻次定義為統(tǒng)計時間段內(nèi)(比如一天、一月和一年)某站點出現(xiàn)短時強(qiáng)降水事件的次數(shù)。短時強(qiáng)降水時站均頻次定義為統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)1 h所有單站短時強(qiáng)降水總頻次的平均。

2 結(jié)果分析

2.1 短時強(qiáng)降水日數(shù)時空分布特征

統(tǒng)計了2010—2015年湖北省短時強(qiáng)降水年均日數(shù)的空間分布，如圖3 所示。由于各站建站時間不一致，為了分析方便，圖中填色使用短時強(qiáng)降水年均日數(shù)。湖北短時強(qiáng)降水年均日數(shù)的高值中心主要位于馬蹄形邊緣與山地過渡帶，即東南幕阜山北側(cè)和東北大別山南側(cè)附近，該區(qū)域是北方冷空氣與西南暖濕氣流的交匯處，由于大別山和幕阜山的抬升阻擋作用，降水在大別山西南側(cè)和幕阜山北側(cè)加強(qiáng)、停滯，造成這兩地降水增強(qiáng)，位于兩山之間的鄂東南地區(qū)、武漢地區(qū)和鄂東北東部地區(qū)成為短時強(qiáng)降水的集中地。對比國家站統(tǒng)計結(jié)果(圖3a)、國家站和區(qū)域站統(tǒng)計結(jié)果(圖3b)，發(fā)現(xiàn)二者的高值區(qū)域大致相同，但是圖3b的空間分辨率更高且強(qiáng)降水中心的局地性更明顯。例如在圖3a 中，由于鄂西南的國家站稀疏，插值處理后出現(xiàn)了大面積的強(qiáng)降水中心，而圖3b中的強(qiáng)降水中心則局限于個別區(qū)域；圖3b 中的年均日數(shù)極大值為10.7 次，高于圖3a 中的8.3 次。說明了短時強(qiáng)降水天氣的發(fā)生具有明顯的局地性特征，高密度的區(qū)域站觀測對于短時強(qiáng)降水的監(jiān)測更為有效。

圖3 2010—2015年短時強(qiáng)降水年均日數(shù)的空間分布圖(單位：d)(a.國家站；b.國家站和區(qū)域站，最大值在鄂東南黑色方框標(biāo)示處)Fig.3 Spatial distribution of annual FHR Days in 2010-2015(unit:d,a.national station,b.national station and regional station and maximum value is marked with black square at southeastern Hubei).

湖北省2010—2015年不同區(qū)域短時強(qiáng)降水發(fā)生日數(shù)的月變化特征如圖4所示。短時強(qiáng)降水站均日數(shù)的月變化總體上呈顯著單峰型特征(7月)。這種單峰型分布與中國大陸短時強(qiáng)降水發(fā)生頻率的分布一致，是典型的季風(fēng)氣候，其中7月的最高峰值出現(xiàn)在武漢。除7月外，6月和8月也是湖北省汛期短時強(qiáng)降水集中出現(xiàn)的時段，但不同區(qū)域有所不同，武漢、江漢平原、鄂東南和鄂東北6月短時強(qiáng)降水發(fā)生日數(shù)較多，鄂西北、鄂西南則8月較多。

圖4 不同地區(qū)短時強(qiáng)降水(FHR)站均日數(shù)月變化(單位:d)Fig.4 Monthly variations of mean FHR days averaged by stations in different regions(unit:d).

2.2 短時強(qiáng)降水頻次分布特征

一個短時強(qiáng)降水日中可能發(fā)生多個短時強(qiáng)降水事件，統(tǒng)計所有的短時強(qiáng)降水事件的頻次可以顯示湖北短時強(qiáng)降水的最大強(qiáng)度分布特征和日變化特征。圖5箱線圖給出了湖北全省及單個區(qū)域內(nèi)所有站點短時強(qiáng)降水事件的雨量分布情況，包括最大值、最小值(20 mm)、25th 位值(25 百分位值)、中位值、75th 位值(75 百分位值)、95th 位值(95 百分位值)以及平均值。2010—2015年全省短時強(qiáng)降水發(fā)生頻次為48552，其中鄂西南地區(qū)最多，武漢地區(qū)最少，鄂西南地區(qū)約為武漢地區(qū)的3倍，但鄂西南地區(qū)的觀測站點數(shù)(691)是武漢地區(qū)(123)的約6 倍，相對而言，武漢地區(qū)更容易發(fā)生短時強(qiáng)降水。不同地區(qū)的短時強(qiáng)降水樣本的平均值基本在29.8～31.8 mm之間，用該值乘以短時強(qiáng)降水頻次，可以估算不同區(qū)域的短時強(qiáng)降水雨量總量。不同地區(qū)的短時強(qiáng)降水事件的25th位值在22 mm左右，中位值均在27 mm左右，75th位值在34 mm左右，說明大多數(shù)短時強(qiáng)降水事件的降水強(qiáng)度集中在20～35 mm。全省約5%的樣本小時降水量在53 mm以上，根據(jù)Wu等(2019)定義95th位值為極端短時強(qiáng)降水閾值，則湖北省極端短時強(qiáng)降水的閾值為53 mm。俞小鼎(2013)將1 h雨量大于等于50 mm或3 h雨量大于等于100 mm的降水事件稱為極端短時強(qiáng)降水，與本文極端短時強(qiáng)降水閾值基本一致。下面具體分析極端短時強(qiáng)降水的時空分布特征。

圖5 2010—2015年不同地區(qū)的短時強(qiáng)降水雨量的百分位分布Fig.5 Distribution of FHR values in different areas from 2010 to 2015.

圖6統(tǒng)計了六個預(yù)報區(qū)域的短時強(qiáng)降水站均頻次的月變化和日變化特征。從月變化上看，江漢平原、鄂東南6—7月呈雙月峰值分布(圖6d1，f1)，武漢和鄂東北地區(qū)的主峰在7月、次峰在6月(圖6a1，e1)，鄂西北和鄂西南地區(qū)的主峰在7月、次峰在8月(圖6b1，c1)。短時強(qiáng)降水頻次的月變化與短時強(qiáng)降水日的月變化大體一致，但江漢平原地區(qū)短時強(qiáng)降水頻次的月變化(6月和7月雙峰)與短時強(qiáng)降水日的月變化(7月單峰)略有不同，說明6月江漢平原在一個短時強(qiáng)降水日更容易發(fā)生多次短時強(qiáng)降水事件。武漢7月的頻次顯著高于其它月份，相當(dāng)于6月次峰值的兩倍。

從日變化上看，鄂東北、鄂東南、鄂西北、鄂西南呈雙峰分布，峰值的時間不太一樣。其中鄂東北為08時(北京時，下同)和16 時(圖6e3)，鄂東南為07 時和16時(圖6f3)，鄂西北出現(xiàn)峰值的時間為04 時和19 時(圖6b3)，鄂西南為01 時和17 時(圖6c3)。江漢平原呈單峰分布，峰值出現(xiàn)在07 時(圖6d3)。武漢地區(qū)呈多峰分布，峰值在07—14 時均有出現(xiàn)(圖6a3)。根據(jù)丁一匯(2015)研究結(jié)果，鄂西山區(qū)短時強(qiáng)降水在凌晨多發(fā)與西南低空急流一般在凌晨達(dá)到最大值有關(guān)，而且凌晨03—04時的地面氣壓是一天中的次低值，地面氣壓的降低使輻合增強(qiáng)，也有利于短時強(qiáng)降水的發(fā)生發(fā)展，這也與高原東側(cè)地區(qū)“夜雨”多發(fā)類似(胡迪和李躍清，2015)。鄂東南和江漢平原上午的峰值則與中尺度對流系統(tǒng)有關(guān)，中尺度對流系統(tǒng)強(qiáng)度一般在午夜之后最大(Yu，2010)，鄂東南和江漢平原是西南水汽的匯源地，經(jīng)過幾個小時的水汽積累，對流單體不斷發(fā)展，降水強(qiáng)度逐漸增大，發(fā)展為短時強(qiáng)降水。鄂西北、鄂西南、鄂東南16 時和19時的峰值與太陽輻射有關(guān)，午后到傍晚地面因日照加熱，在近地層形成不穩(wěn)定層結(jié)，有利于對流發(fā)展(Li and Zhou，2008)。武漢在7月的站均頻次出現(xiàn)多個峰值(07—14時)，峰值約為0.2次/時/月，這可能與城市熱島效應(yīng)有一定關(guān)系。08—13時，在太陽輻射的作用下，城市的近地面氣溫上升較快，熱島效應(yīng)緩慢增強(qiáng)，短時強(qiáng)降水的發(fā)生次數(shù)緩慢遞增，在14時達(dá)到最多。14—16時，近地面湍流交換作用導(dǎo)致城市近地面氣溫有所下降，熱島效應(yīng)隨之減弱，這與沈澄等(2015)關(guān)于南京短時強(qiáng)降水的日變化研究相似。

圖6 2010—2015年不同地區(qū)的站均頻次的月變化和日變化分布(a—f分別為武漢、鄂西北、鄂西南、江漢平原、鄂東北和鄂東南地區(qū)的統(tǒng)計結(jié)果，又分為1,2,3三個子圖，分別代表站均頻次的月變化、月日二維分布和日變化)Fig.6 Monthly and diurnal distribution of mean frequency averaged over stations in different areas from 2010 to 2015(a-f are statistical results for Wuhan,northwestern Hubei,southwestern Hubei,Jianghan Plain,northeastern Hubei and southeastern Hubei,which are further divided into 1,2,3 sub-graphs representing monthly,monthly and diurnal,diurnal variations of mean frequency of stations).

2.3 極端短時強(qiáng)降水分布特征

圖7 統(tǒng)計了湖北2241 站各站小時極大強(qiáng)降水的雨量、出現(xiàn)季節(jié)、出現(xiàn)時間的空間分布，分析可知，雨量最大值出現(xiàn)在鄂東南地區(qū)的大冶老站(124.8 mm，海拔約39.7 m)，最小值出現(xiàn)在鄂西北的神農(nóng)架機(jī)場站(23.1 mm，海拔約2593 m)。根據(jù)圖5統(tǒng)計結(jié)果，以53 mm作為湖北省極端小時強(qiáng)降水的閾值，全省約有一半的站點(1042)未觀測到極端短時強(qiáng)降水，其中鄂西山地有一半的站點(黑色圓點)未觀測到極端短時強(qiáng)降水，而江漢平原、武漢和鄂東地區(qū)僅有少量站點未觀測到極端短時強(qiáng)降水。短時強(qiáng)降水極大值的低閾值區(qū)位于鄂西山區(qū)較多，短時強(qiáng)降水極大值的高閾值區(qū)位于江漢平原、武漢和鄂東地區(qū)較多，說明短時強(qiáng)降水極大值與短時強(qiáng)降水高發(fā)區(qū)之間有一定的對應(yīng)關(guān)系，這與唐永蘭(2018)和陳炯(2013)研究結(jié)果一致，但在鄂西北地區(qū)也有高于100 mm 的極大值中心，說明短時強(qiáng)降水極大值的空間分布較零散，出現(xiàn)的偶然性較大，難以防范。湖北省處于亞熱帶過渡型氣候，地形地貌復(fù)雜，更增加了極端降水局地性的特點。

圖7 短時強(qiáng)降水極大值的空間分布(不同顏色的點表示單個站點的雨量極大值所處范圍，范圍對應(yīng)圖5短時強(qiáng)降水小時雨量百分位分布，即小于95%,95%～99%,99%～99.5%，99.5%～99.9%及大于99.9%極值雨量百分位，N代表樣本數(shù))Fig.7 Spatial distribution of FHR extreme value(Points with different colors indicate the FHR extreme value range at each single gauge,and the range corresponding to the percentile distribution of hourly rainfall of short-term heavy rainfall,which are less than 95%,95%～99%,99%～99.5%,99.5%～99.9% and more than 99.9% in Fig.5,and N represents the number of samples in each range).

以53 mm作為湖北省極端小時強(qiáng)降水的閾值，初步分析極端短時強(qiáng)降水的分布特征。圖8為極端短時強(qiáng)降水發(fā)生頻次的箱線圖，可以看出湖北極端短時強(qiáng)降水出現(xiàn)范圍為53～124.8 mm。全省共發(fā)生極端短時強(qiáng)降水事件2430次，其中武漢地區(qū)200次，鄂西北地區(qū)516次，鄂西南地區(qū)526次，江漢平原地區(qū)328次，鄂東北地區(qū)504次，鄂東南地區(qū)354次?？紤]到不同地區(qū)的站點數(shù)不同，相對而言，武漢地區(qū)觀測到極端短時強(qiáng)降水的可能性最大，其次是江漢平原，然后是鄂東北和鄂東南，鄂西南和鄂西北最小。江漢平原地區(qū)的極端短時強(qiáng)降水的平均強(qiáng)度最大，鄂西南地區(qū)最小。

圖8 2010—2015年不同地區(qū)的極端短時強(qiáng)降水雨量的百分位分布情況Fig.8 Distribution of extreme FHR values in different areas from 2010 to 2015.

全省范圍極端短時強(qiáng)降水的時間分布特征如圖9所示，分別為月變化和日變化。由圖可知，極端短時強(qiáng)降水的時間變化有一定的統(tǒng)計規(guī)律，7月發(fā)生頻次最多，其次是6月和8月，再次是4月、5月和9月，其他月份幾乎沒有極端短時強(qiáng)降水發(fā)生，6—8月出現(xiàn)極端短時強(qiáng)降水的概率約為80%，與短時強(qiáng)降水的月變化較為一致。極端短時強(qiáng)降水的日變化有明顯的夜發(fā)性特征，主要集中在午后15時至凌晨01時的前半夜，峰值出現(xiàn)在15—16 時和22 時，次峰值出現(xiàn)在凌晨01時，上午10 時附近出現(xiàn)頻次最少，這與短時強(qiáng)降水的日變化特征有所差異。究其原因，這可能是由于鄂西地區(qū)站點比較多，觀測的短時極端強(qiáng)降水樣本量也比較多，使日變化特征與鄂西地區(qū)的短時強(qiáng)降水日變化比較類似，夜間多發(fā)。另外6—8月極端短時強(qiáng)降水占的比重比較大，夏季午后熱對流多發(fā)，午后的極端強(qiáng)降水事件也比較多。

圖9 2010—2015年湖北省極端短時強(qiáng)降水站均頻次的月變化和日變化以及月、日二維分布Fig.9 Monthly and diurnal distribution of extreme FHR mean frequency averaged over stations in Hubei Province from 2010 to 2015.

3 結(jié)論與討論

利用湖北89個國家級自動站和2322個區(qū)域級自動站2010—2015年逐分鐘降水觀測數(shù)據(jù)，分析了湖北地區(qū)短時強(qiáng)降水時空分布特征。主要結(jié)論如下：

(1)從日數(shù)分布上看，短時強(qiáng)降水年均日數(shù)有明顯的局地特征，其中地形對短時強(qiáng)降水的增幅作用顯著，強(qiáng)降水中心主要集中在鄂東南、鄂東北、武漢、鄂西南等區(qū)域，最大值在鄂東南、鄂東北地區(qū)，約10.7個日數(shù)。短時強(qiáng)降水的日數(shù)的月變化呈顯著單峰型特征，峰值在7月，6—8月對短時強(qiáng)降水的貢獻(xiàn)最大，這是典型的季風(fēng)氣候特征。

(2)短時強(qiáng)降水的頻次分布也具有明顯的月變化和日變化特征。從月變化上看，江漢平原、鄂東南6—7月呈雙月峰值分布，武漢和鄂東北地區(qū)的主峰在7月、次峰在6月，而鄂西北和鄂西南地區(qū)的主峰在7月、次峰在8月。從日變化上看，鄂東北(08 時和16時)、鄂東南(07時和16時)、鄂西北(04時和19時)、鄂西南(01時和17時)呈雙峰分布。江漢平原呈單峰分布，峰值出現(xiàn)在07時。武漢呈多峰分布，峰值在早晨到午后(07—14時)。

(3)短時強(qiáng)降水極值與短時強(qiáng)降水高發(fā)區(qū)之間有一定的對應(yīng)關(guān)系，但大于100 mm 的極值在全省均有可能發(fā)生，在鄂西北也有出現(xiàn)。湖北省極端短時強(qiáng)降水閾值范圍為53～124.8 mm，武漢地區(qū)觀測到極端短時強(qiáng)降水的可能性最大，其次是江漢平原，然后是鄂東北和鄂東南，鄂西南和鄂西北最小。極端短時強(qiáng)降水有一定的時間規(guī)律，月變化呈單峰特征(7月)，日變化的峰值在午后15時到凌晨01時。

本文利用湖北省高密度的區(qū)域站及國家站觀測的分鐘地面降水?dāng)?shù)據(jù)對2010—2015年短時強(qiáng)降水特征進(jìn)行了初步統(tǒng)計分析，相比江西(付超等，2019)、安徽(童金等，2017)、河南(王靖羽等，2019)、四川(李強(qiáng)等，2017)等地研究成果，短時強(qiáng)降水分布特征有相似之處，但也有差異：各省地形及氣候特征不一致，造成了空間分布也有差異，安徽短時強(qiáng)降水集中在山區(qū)，而湖北除鄂東南、鄂西南之外江漢平原也易發(fā)短時強(qiáng)降水；短時強(qiáng)降水日變化具有雙峰結(jié)構(gòu)，峰值出現(xiàn)時間稍有不同；月變化峰值集中在6—7月，早于河南7—8月出現(xiàn)峰值，這是地理不同造成氣候差異所致；湖北極端短時強(qiáng)降水分布零散，沒有明顯的高發(fā)區(qū)，采用高密度的區(qū)域站統(tǒng)計及滑動累積的小時雨量后，統(tǒng)計的極端短時強(qiáng)降水的閾值為53 mm，稠密的區(qū)域站、滑動累積小時雨量對統(tǒng)計短時強(qiáng)降水的意義很大。區(qū)域自動站多為4要素，包括溫、壓、濕、風(fēng)的6要素站較少，這對研究短時強(qiáng)降水發(fā)生機(jī)理的造成一定困難，下一步可結(jié)合天氣雷達(dá)觀測展開更深入的研究。