基于分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)的長沙市場次降水事件特征分析

段麗潔，曾向紅，蔣元華，賀衛(wèi)寧，陳世洋，郭凌曜

（1.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南重點實驗室，長沙410118；2.湖南省氣候中心，長沙410118；3.中機國際工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，長沙410007）

引言

湖南省位于歐亞大陸東南部，中國中南部、長江中游以南，南嶺以北，東南西三面環(huán)山，向北開口，構(gòu)成獨特的“馬蹄”形地形格局，地貌形態(tài)復(fù)雜多樣,屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，湖南省年平均降水量為1 403.1 mm，位居全國各省(區(qū)、市)前列，降水的時空分布不均，造成了湖南省旱澇災(zāi)害頻發(fā)，已有很多學(xué)者開展了關(guān)于湖南省降水特征的研究(張劍明等，2009；鄺美娟等，2013；戴澤軍等，2015；周莉等，2018)。長沙位于湖南省東部偏北，年平均降水量為1 428.1 mm，作為湖南省的省會城市，強降水引發(fā)的城市內(nèi)澇造成的影響尤為突出。張劍明等(2007)利用線性回歸、小波分析和M-K突變分析等方法分析了近50 a來長沙降水的變化；邱慶棟等(2016)開展了基于Morlet小波的長沙降水周期分析；蔡海潮和馬琴(2018)對1951—2017年長沙汛期降水氣候特征進(jìn)行了分析。

以上對于湖南省及長沙市降水特征的分析均是基于以20∶00作為的日分界的日降水資料，因日降水資料有獲取方便、處理簡單等優(yōu)勢而被廣泛使用，但是以20∶00作為日分界，比較強的降水事件可能被人為地分割為強度級別較弱的日降水，從而低估致災(zāi)因子的危險性，而小時數(shù)據(jù)、分鐘數(shù)據(jù)與日降水資料相比，更能夠呈現(xiàn)精細(xì)的降水特征?；谛r數(shù)據(jù)開展降水特征分析的研究也有很多，如姚莉等(2009)開展了中國1 h雨強的時空分布特征，殷水清等(2012)分析了淮河流域夏季逐時降水變化趨勢，宇如聰?shù)?2014)完成了中國大陸降水日變化研究進(jìn)展。在分鐘數(shù)據(jù)的應(yīng)用方面，葉煥娥等(2009)采用不同時段降水資料開展了東莞降水強度的演變及趨勢分析，王光明等(2017)基于分鐘數(shù)據(jù)推求了湖南主要市州的暴雨雨型，沈永生等(2019)開展了福建省分鐘級雨強特征分析及區(qū)劃。

場次降水事件是指基于小時或分鐘數(shù)據(jù)統(tǒng)計的不受人為劃定的日界限制的降水過程。對場次降水事件的研究，間歇時間的確定是關(guān)鍵，不同的間歇時間會造成場次降水的劃分出現(xiàn)較大的差異，已有研究均是在給定的間歇時間下開展的，使用的間歇時間也不同，如李建等(2013)采用的降水間歇時間為2 h，劉思敏等(2016)采用的間歇時間為5 h，王文婷等(2018)研究中采用的間歇時間為6 h。如何客觀、有效確立降水間歇時間，目前尚未見到確定的方法，也未見到對不同降水量閾值場次降水事件的持續(xù)時間、起止時間等方面的系統(tǒng)分析。

本文擬采用長沙市1980—2017年的分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)，通過開展降水場次與間歇時間的敏感性分析，客觀確立間歇時間，在此基礎(chǔ)上建立關(guān)鍵期的降水特征矩陣，從降水場次與過程降水量、開始時間、結(jié)束時間、持續(xù)時間及間歇時間等5個方面開展長沙市場次降水事件的特征分析。

1 資料與分析方法

長沙市內(nèi)有兩個國家地面氣象觀測站，分別是馬坡嶺國家一般氣象站和長沙國家基本氣象站，分鐘數(shù)據(jù)集制作由湖南省氣象信息中心處理完成，分為四個步驟：數(shù)據(jù)源準(zhǔn)備、異構(gòu)數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)集質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)集實體文件生成。根據(jù)馬坡嶺和長沙站資料缺測率統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，馬坡嶺站分鐘數(shù)據(jù)缺測率較高，全年缺測率高達(dá)27.7%。而長沙站資料完整、缺測較少，全年缺測率僅為3.6%。因此本文采用1980—2017年長沙站的逐分鐘降水資料來開展統(tǒng)計分析。冬季(12—2月)，為了防止因低溫而造成儀器故障，自記雨量計停止使用，因而其缺測率達(dá)到14.5%，3—11月的數(shù)據(jù)缺測率均在0.1%以下。

統(tǒng)計分析長沙1981—2010年共30 a的降水資料，發(fā)現(xiàn)3—11月的降水量占全年總降水量的84.8%，強降水也主要集中在3—11月。王遵婭和丁一匯(2008)對中國雨季進(jìn)行了劃分，指出中國雨季具有明顯的區(qū)域性和階段性。湖南3月開始雨量顯著增加，3—6月湖南降水主要受西風(fēng)帶天氣系統(tǒng)即西南低渦、兩湖波動等影響，西南低渦東移發(fā)展造成長江中下游地區(qū)強烈的對流性降水，兩湖波動形成前后湖南常出現(xiàn)暴雨或強對流天氣；而7—9月西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱副高）是影響湖南的主要天氣系統(tǒng)，副高的強弱與進(jìn)退，與該時段湖南的雨帶位置、雨季結(jié)束、臺風(fēng)影響以及高溫、暴雨、雷雨大風(fēng)等災(zāi)害性天氣關(guān)系密切(陳庚福等，1987；于來山等，2009)，而且通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，7—9月降水量的相對變率顯著增大(常國剛等，2018)，因此，本文將研究時段分為3—11月、3—6月及7—9月等三個時段。

2 場次降水事件特征分析

場次降水事件的確定首先是確定降水間歇時間，降水間歇時間是指兩場降水間隔的時間，即如果兩次降水事件之間的間歇時間大于給定的間歇時間，則定義為兩場降水事件。本文通過開展場次降水事件對間歇時間的敏感性分析，確定場次降水事件間歇時間。在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計3—11、3—6及7—9月3個時段的降水特征矩陣，開展場次降水事件的特征分析。

2.1 場次降水事件對間歇時間的敏感性分析

首先基于分鐘數(shù)據(jù)，分析分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)的基本特征，在此基礎(chǔ)上開展降水場次隨間歇時間變化的敏感性分析，最終確定間歇時間。

2.1.1 分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)基本特征

間歇時間設(shè)計為1 min，統(tǒng)計3—11月的降水特征矩陣，結(jié)果表明：長沙站1980—2017年3—11月共出現(xiàn)155 811次降水事件，最長持續(xù)時間為1 323 min(北京時間1999年06月30日21時01分—1999年07月01日19時03分，過程降水量為58.47 mm)，最大降水量為182.85 mm(1997年06月07日02時52分—1997年06月07日11時52分，持續(xù)時間為541 min)，最大間歇時間54 576 min(2013年07月12日19時55分—2013年08月19日17時30分)。96.0%的降水事件持續(xù)時間在20 min以下，98.9%的降水事件累計降水量在5 mm以下，79.2%的降水事件間歇時間在10 min以下。

圖1為長沙站3—11月不同持續(xù)時間(20 min以上)降水事件場次分布圖，可以看出隨著持續(xù)時間的增加，降水場次呈減少趨勢，前140 min減少趨勢明顯。

圖1長沙站3—11月不同持續(xù)時間(20 min以上)降水事件場次分布圖Fig.1 Distribution of precipitation eventswith different durations(more than 20 minutes)from March to November at Changshastation.

圖2 為長沙站3—11月不同累計降水量(5 mm以上)降水事件場次分布圖，可以看出，隨著降水量的增加，降水場次呈減少趨勢，40 mm以下減少趨勢明顯。

圖2 長沙站3—11月不同累計降水量(5 mm以上)降水事件場次分布圖Fig.2 Distribution of precipitation eventswith different cumulativerainfall(above5 mm)from March to November at Changshastation.

圖3為長沙站3—11月不同間歇時間(10 min以上)降水事件場次分布圖，可以看出，隨著間歇時間增加，降水場次呈減少趨勢，在60 min以前趨勢明顯，在間歇時間在240 min左右降水場次降至100次以下，不足總次數(shù)的0.1%。

2.1.2 降水場次隨間歇時間變化的敏感性分析

用長沙站3—11月的分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)，以10—240 min(步長選取10 min)以及240 min以上為降水間歇時間(選取240 min為上限是同時結(jié)合圖3的分析結(jié)果，間歇時間小于等于給定的閾值視為同一次降水過程)；以5～300 mm為過程降水量閾值，步長選取5 mm，進(jìn)行降水場次對間歇時間的敏感性分析。

圖3 長沙站3—11月不同間歇時間(10 min以上)降水事件場次分布圖Fig.3 Distribution of precipitation eventswith different break intervals(more than 10 minutes)from March to November at Changshastation.

圖4為長沙站3—11月不同間歇時間降水事件場次及平均降水量分布圖。從圖4a可以看出，對于所有的降水事件呈現(xiàn)隨著降水間歇時間的增加，降水事件場次減少，60 min間歇內(nèi)減少趨勢較為明顯，過程降水量上升；從圖4b可以看出，對于過程降水量在10 mm以上的降水事件前60 min呈現(xiàn)隨著降水間歇時間的增加，降水事件場次增加，之后略趨于下降，過程降水量上升；從圖4c、4d可以看出，對于過程降水量在20 mm及30 mm以上的降水事件呈現(xiàn)隨著降水間歇時間的增加，降水事件場次增加，過程降水量上升。

圖4 長沙站3—11月不同間歇時間降水事件場次及平均降水量分布圖(a.為所有事件；b.10 mm以上；c.20 mm以上；d.30 mm以上事件)Fig.4 Distribution of precipitation eventsand averageprecipitation with different break intervalsfrom March to November at Changshastation(a)all events,(b)over 10 mm,(c)over 20 mm,and(d)over 30 mm.

根據(jù)上述分析60 min之后降水事件場次及平均降水量變化均趨于平緩，因此，選取120 min、180 min及240 min間歇對不同閾值降水事件場次進(jìn)行比較，圖5給出的是長沙站3—11月3個間歇時間不同降水量閾值降水事件場次比較，可以看出，對于3個不同的間歇時間，過程降水量在10 mm以下的降水事件場次差異較大，但對于造成較大影響的強降水過程間歇時間的影響不大，因此，在長沙市選取240 min作為場次降水事件的間歇時間。

圖5 長沙站3—11月3個間歇時間不同降水量閾值降水事件場次比較Fig.5 Comparison of precipitation eventswith threedifferent thresholds from March to November at Changshastation.

2.2 場次降水事件特征分析

根據(jù)前面分析，選取240 min為長沙市場次降水事件的間歇時間，分別統(tǒng)計出長沙站3—11月、3—6、7—9月3個時段的降水特征矩陣，從降水場次與過程降水量、開始時間、結(jié)束時間、持續(xù)時間和間歇時間等5個方面開展長沙市場次降水事件的特征分析。

2.2.1 降水場次與過程降水量

長沙站3—11月共出現(xiàn)4 594次降水事件，最大過程降水量為362.80 mm(2017年06月29日10時21分—2017年07月02日03時58分，持續(xù)時間為3 938 min)，表1給出了不同閾值降水量降水事件場次占總次數(shù)的百分比，可以看出，過程降水量在5 mm以下的最多，為62.2%，50 mm以上的占4.4%；3—6月共出現(xiàn)2 567次降水事件，其中過程降水量在5 mm以下的為58.9%，50 mm以上的占4.6%，最大過程降水量同3—11月；7—9月共出現(xiàn)1 233次降水事件，其中過程降水量在5 mm以下為65%，50 mm以上的占4.7%，最大過程降水量為209.80 mm(2016年07月02日05時10分—2016年07月04日17時05分，持續(xù)時間為3 596 min)。

表1 不同閾值降水量降水事件場次占總次數(shù)的百分比Table1 Percentageof precipitation eventswith different thresholds.

表2為長沙站1980—2017年平均及最大不同閾值降水量降水事件場次，可以看出：長沙站年平均3—11月出現(xiàn)120.9次降水事件，最大158次(1985年)；25 mm以上的有15.1次，最大21次(1981年)；50 mm以上的有5.3次，最大11次(1999年)。3—6月出現(xiàn)67.6次降水事件，最大83次(2002年)；25 mm以上的有9.4次，最大14次(1981年)；50 mm以上的有3.1次，最大6次(1990年)。7—9月出現(xiàn)32.4次降水事件，最大51次(1984年)；25 mm以上的有3.9次，最大11次(1999年)；50 mm以上的有1.5次，最大6次(1999年)。

表2 長沙站1980—2017年不同閾值降水量降水事件平均及最大場次Table2 Averageand maximumprecipitation eventswith different thresholdsat Changshastation from1980 to2017.

對于場次降水事件(圖6)，3月出現(xiàn)頻次最多，其次是4月，分別為18.4次、17.9次，最少的是9月，為9.7次；而對于25 mm及50 mm以上的降水事件，6月頻次最多，分別為3.0次、1.4次，其次為5月，分別2.4次、0.9次，最少為10月。

圖6 長沙站3—11月逐月不同量級雨量平均降水事件場次Fig.6 Theaverageprecipitation eventswith diffrent order of magnitude at Changshastation from March to November.

2.2.2 開始時間

表3為長沙站不同開始時間降水事件場次，可以看出，3—11月降水事件開始時間，19時開始的最多，為230次；其次為23時開始的為227次；13時開始的最少，為142次，9—13時為相對較少時段。3—6月降水事件開始時間，07時開始的最多，為132次；其次為23時開始的為130次；11時開始的最少，為84次；9—18時為相對較少時段。7—9月降水事件開始時間，16時和19時開始的最多，為73次；其次為17時開始的為72次；12時開始的最少，為30次；14—19時為相對較多時段。

表3 長沙站不同開始時間降水事件場次Table3 Precipitation eventsat different start timesat Changshastation.

25 mm以上的降水事件開始時間，3—11月22時開始的最多，為40次；其次為21時開始的為34次；11時開始的最少，為11次；8—15時為相對較少時段。3—6月21時開始的最多，為26次；其次為22點開始的為25次；15時開始的最少，為7次；9—16時為相對較少時段。7—9月16時開始的最多，為17次；其次為04點開始的為11次；11時、12時開始的最少，為1次；10—12時為相對較少時段。

2.2.3 結(jié)束時間

表4為長沙站不同結(jié)束時間降水事件場次，可以看出，長沙站3—11月的降水事件結(jié)束時間，18時結(jié)束的最多，為314次；其次為19時結(jié)束的為292次，21時結(jié)束的最少，為135次；20時至06時為相對較少時段。3—6月的降水事件結(jié)束時間，18時結(jié)束的最多，為164次；其次為上午8點結(jié)束的為159次；20時結(jié)束的最少，為73次；20—06時為相對較少時段。7—9月降水事件的結(jié)束時間，18時結(jié)束的最多，為104次；其次為19時結(jié)束的為95次；04時結(jié)束的最少，為30次；21—06時為相對較少時段。

表4 長沙站不同結(jié)束時間降水事件場次Table4 Precipitation eventsat different end timesat Changshastation.

長沙站3—11月25 mm以上的降水事件結(jié)束時間，18時結(jié)束的最多，為51次；其次為19時結(jié)束的為38次；06時結(jié)束的最少，為12次；20—08時為相對較少時段。3—6月18時結(jié)束的最多，為27次，其次為17時結(jié)束的為24次；06時結(jié)束的最少，為8次；夜間為相對較少時段。7—9月18時結(jié)束的最多，為17次；其次為19時結(jié)束的為12次；12時結(jié)束的最少，夜間為相對較少時段。

2.2.4 持續(xù)時間

3—11月降水事件，最長持續(xù)時間為6 986 min(于開始1981年11月03日22時48分—開始1981年11月08日19時13分，結(jié)束過程降水量為69.96 mm)，降水持續(xù)時間長，但總雨量不大。表5給出了不同持續(xù)時間降水事件場次占總次數(shù)的百分比，可以看出，持續(xù)時間在1 h的降水事件最多，占27.8%，降水事件持續(xù)時間主要集中在12 h以下，占76.2%，超過24 h的降水事件占8.5%；3—6月降水事件，最長持續(xù)時間為5 879 min(2012年05月22日11時13分—2012年05月26日13時11分，過程降水量為134.20 mm)。持續(xù)時間在1 h的降水事件最多，占25.6%，降水事件持續(xù)時間主要集中在12 h以下，占74.2%，超過24 h的降水事件占9.2%；7—9月降水事件，最長持續(xù)時間為4 838 min(1993年07月02日09時11分—1993年07月05日17時48分，過程降水量為178.79 mm)。持續(xù)時間在1 h的降水事件最多，占34.3%，降水事件持續(xù)時間主要集中在12 h以下，占82.9%，超過24 h的降水事件占5.9%。

表5 不同持續(xù)時間降水事件場次占總次數(shù)的百分比Table5 Percentageof precipitation eventswith different duration.

2.2.5 間歇時間

表6給出了不同間歇時間降水事件場次占總次數(shù)的百分比，可以看出，3—11月降水事件，最長間歇時間為54 576 min(2013年07月12日19時55分—2013年08月19日17時30分)，間歇時間在4～5 h的，占12.3%，間歇時間在12 h以下的為45.8%，超過24 h的降水事件占39.1%；3—6月降水事件，最長間歇時間為21 697 min(1985年06月13日19時21分—1985年06月28日20時57分)，間歇時間在4～5 h的，占12.3%，間歇時間在12 h以下的為46.3%，超過24 h的降水事件占37.6%；7—9月降水事件，最長間歇時間同3—11月，間歇時間在4～5 h的，占11.0%，間歇時間在12 h以下的為42.7%，超過24 h的降水事件占42.7%。

表6 不同間歇時間降水事件場次占總次數(shù)的百分比Table6 Percentageof precipitation events with different intervals.

3 結(jié)論

對分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)基本特征進(jìn)行統(tǒng)計，并開展降水場次對間歇時間的敏感性分析，客觀確立了長沙市場次降水事件的間歇時間為240 min，在此基礎(chǔ)上，建立3—11、3—6、7—9月3個關(guān)鍵期的降水特征矩陣，進(jìn)行特征分析。主要結(jié)論如下：

(1)3—11月分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)過程持續(xù)時間主要在20 min以內(nèi)，過程累計降水量5 mm以下最多，降水事件間歇時間在10 min以內(nèi)最多。

(2)對于所有降水事件隨著降水間歇時間的增加，降水事件場次減少，過程降水量上升；10 mm以上降水事件前60 min呈現(xiàn)隨著降水間歇時間的增加，降水事件場次增加，之后略趨下降，過程降水量上升；20 mm及30 mm以上降水事件呈現(xiàn)隨著降水間歇時間的增加，降水事件場次增加，過程降水量上升；120 min、180 min及240 min3個間歇時間下，過程降水量在10mm以下的降水事件場次，差異較大。

(3)基于確立的間歇時間統(tǒng)計分析可知，1980—2017年年平均3—11月出現(xiàn)121次降水事件，3—6月出現(xiàn)68次降水事件，7—9月出現(xiàn)32次降水事件；降水事件開始時間與結(jié)束時間隨不同季節(jié)及降水量閾值呈現(xiàn)不同的日變化特征；降水持續(xù)時間在1 h以內(nèi)的最多，多數(shù)集中在12 h以下，占76%，超過24 h的降水事件占9%，間歇時間在4～5 h的，占12%，間歇時間在12 h以下的為46%，超過24 h的降水事件占39%。