鄂西南地區(qū)暴雨過程強(qiáng)降水特征分析

張子瑩，李 超

(成都信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院，成都 610225)

0 引言

湖北省地處華中地區(qū)與長江中游，是中國暴雨多發(fā)區(qū)之一。按照湖北天氣氣候分區(qū)，恩施行政區(qū)與宜昌行政區(qū)位于鄂西南地區(qū)，鄂西南地區(qū)是云貴高原與東部低山丘陵的過渡區(qū)域，呈東北—西南走向，且地處海拔變化較大的第二階梯與第三階梯的交界處，海拔高度變化在1000 m左右。郭英蓮[1]等在對湖北幾次暴雨過程研究中指出鄂西南地區(qū)的地形在暴雨過程中存在增強(qiáng)和強(qiáng)迫作用；吳翠紅[2，3]等指出鄂西南地區(qū)為強(qiáng)降水過程的重要起始和高發(fā)地區(qū)；徐雙柱[4]等指出湖北西部山區(qū)迎風(fēng)坡是中尺度雨團(tuán)的源地集中區(qū)；唐永蘭[5]等指出鄂西南地區(qū)是湖北省極端降水高發(fā)區(qū)。 以上結(jié)論是在測站分布不均勻、觀測時(shí)間分辨率不高的情況下得到的，基于逐小時(shí)數(shù)據(jù)的暴雨過程中對降水、短時(shí)強(qiáng)降水與極端強(qiáng)降水的分析較為缺乏。為此，文章在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，使用2008—2017年4—9月湖北省2500多個(gè)觀測站(鄂西南700多個(gè)站)逐小時(shí)降水資料，研究湖北省區(qū)域性暴雨過程中，鄂西南地區(qū)的過程降水、短時(shí)強(qiáng)降水與極端降水特征，以期進(jìn)一步揭示鄂西南地區(qū)強(qiáng)降水規(guī)律性。

1 鄂西南暴雨過程

1.1 暴雨過程定義

張家國[6]、王春學(xué)[7]和牛若蕓[8]等基于當(dāng)?shù)亟邓卣鞫x區(qū)域性降水過程，在參考前人工作的基礎(chǔ)上，利用2008—2017年湖北省國家站和區(qū)域站4—9月逐小時(shí)降水資料中挑選出的141個(gè)區(qū)域性暴雨過程。分析挑選的141個(gè)個(gè)例發(fā)現(xiàn)，多個(gè)區(qū)域性暴雨過程途經(jīng)鄂西南地區(qū)。文章定義的鄂西南地區(qū)暴雨過程為：1)存在3站以上小時(shí)降雨量大于10 mm；2)存在2站以上小時(shí)降雨量大于20 mm；3)暴雨過程持續(xù)時(shí)間在1 h以上且允許有2 h的降水間斷。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2008—2017年鄂西南地區(qū)暴雨過程共90個(gè)，說明湖北省區(qū)域性暴雨過程多數(shù)要途經(jīng)鄂西南地區(qū)[9，10]。文章以統(tǒng)計(jì)得出的90個(gè)暴雨過程為基礎(chǔ)進(jìn)行分析。

1.2 暴雨過程路徑分類

根據(jù)研究需要將鄂西南地區(qū)暴雨過程分為4種路徑：1)區(qū)域性暴雨全過程均在鄂西南地區(qū)，定義為路徑d1；2)區(qū)域性暴雨在鄂西南地區(qū)開始，在地區(qū)外結(jié)束，定義為路徑d2；3)區(qū)域性暴雨在鄂西南地區(qū)外開始，在地區(qū)內(nèi)結(jié)束，定義為路徑d3；4)區(qū)域性暴雨開始和結(jié)束都在鄂西南地區(qū)外，但暴雨過程途經(jīng)鄂西南地區(qū)，定義為路徑d4。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，暴雨過程各個(gè)路徑長短不同，經(jīng)歷的行政區(qū)域多少也不同，造成過程差異很大，路徑d1、d2、d3、d4的個(gè)例數(shù)(比例)分別是20(22.22%)、28(31.11%)、32(35.55%)、10(11.11%)，達(dá)到了一定的樣本數(shù)，其中路徑d3的樣本數(shù)最多。文章進(jìn)一步分析得出這些樣本的雨帶移動(dòng)方向具有一定的規(guī)律性，鄂西南地區(qū)暴雨過程雨帶移動(dòng)方向可以分為不移動(dòng)、向東北方向移動(dòng)、向東南方向移動(dòng)和向其他方向移動(dòng)4種情況。

從鄂西南地區(qū)暴雨帶移動(dòng)方向上看，不移動(dòng)個(gè)例占總數(shù)的22.22%，移動(dòng)個(gè)例占總數(shù)的77.78%，發(fā)生在6—8月暴雨過程占總數(shù)的82.22%，分布與暴雨量情況相似。其中東北和東南移動(dòng)個(gè)例數(shù)較多，占移動(dòng)總數(shù)的84.28%，其他移動(dòng)方向很少。不移動(dòng)個(gè)例的過程都出現(xiàn)于d1路徑，大部分(58.33%)東北移動(dòng)個(gè)例以移動(dòng)路徑d3為主，東南移動(dòng)個(gè)例以d2、d3移動(dòng)路徑為主，絕大部分(81.82%)其他移動(dòng)個(gè)例沿路徑d2移動(dòng)，可以看出其他移動(dòng)個(gè)例受起始于鄂西南地區(qū)外的區(qū)域性暴雨過程影響，東北移動(dòng)個(gè)例與東南移動(dòng)個(gè)例同時(shí)受起始于鄂西南地區(qū)內(nèi)外的區(qū)域性暴雨過程影響，其中起始于地區(qū)內(nèi)的暴雨過程影響相對較大，可以看出鄂西南地區(qū)起始的暴雨過程占57.78%，在鄂西南地區(qū)外起始的暴雨過程占42.22%。結(jié)合4種路徑與4種雨帶移動(dòng)方式，把鄂西南地區(qū)暴雨過程分為4種：1)暴雨過程開始到結(jié)束均在鄂西南地區(qū)內(nèi)，定義為不移動(dòng)型，簡稱Ⅰ型；2)暴雨過程途徑鄂西南地區(qū)向東北方向移動(dòng)，定義為東北方向移動(dòng)型，簡稱Ⅱ型；3)暴雨過程途徑鄂西南地區(qū)向東南方向移動(dòng)，定義為東南方向移動(dòng)型，簡稱Ⅲ型；4)暴雨過程途徑鄂西南地區(qū)向除東北、東南以外的其他方向移動(dòng)，定義為其他移動(dòng)型，簡稱Ⅳ型。

2 暴雨過程特征分析

2.1 持續(xù)時(shí)間特征分析

通過鄂西南地區(qū)暴雨過程持續(xù)時(shí)間頻數(shù)分布可以看出，持續(xù)時(shí)間在1～3 h的暴雨過程占20%，持續(xù)時(shí)間在4～6 h的暴雨過程占比較多，為45.56%，持續(xù)時(shí)間在7～9 h的暴雨過程占20%，其他情況較少?？梢钥闯霰┯瓿掷m(xù)時(shí)間以3～9 h為主。

2.2 過程降水量特征分析

2.2.1 過程降水量計(jì)算方法

設(shè)小時(shí)降水量為R1 h(l，i，j，k)(l=1，…，4；i=1，…，W；j=1，…，Ml；k=1，…，TClj)，其中l(wèi)取1～3代表Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型暴雨過程，取4代表不區(qū)分類型；i為站點(diǎn)數(shù)；W表示鄂西南的總站點(diǎn)數(shù)(W=712)；N表示有過程降水的總站點(diǎn)數(shù)(N≤W)；j為個(gè)例數(shù)；Ml為不同類別下個(gè)例數(shù)量；k為個(gè)例持續(xù)時(shí)間；TClj表示第l種類型第j個(gè)個(gè)例的持續(xù)時(shí)間。利用式(1)計(jì)算得到不同類型下過程降水量RlT(l，i，j)：

(1)

式(1)統(tǒng)計(jì)的小時(shí)降水量均大于1 mm，利用式(2)和式(3)計(jì)算不同個(gè)例的過程總降水量RlTN(l，j)：

(2)

(3)

式中，order[]表示降序排列函數(shù)；在式(2)中取N=1，得到過程單站最大降水量[11]。

2.2.2 過程單站最大降水量分析

文章對2008—2017年暴雨過程的過程單站最大降水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明，過程單站最大降水量主要在40～160 mm，占總數(shù)的81.11%。將鄂西南地區(qū)進(jìn)一步細(xì)分為4個(gè)區(qū)域：恩施北部(包括利川市、恩施市與建始縣)、恩施南部(包括咸豐縣、宣恩縣、來鳳縣與鶴峰縣)、兩省交界(包括五峰土家族自治縣、長陽土家族自治縣、興山縣與巴東縣)和宜昌東部(包括宜昌市、宜都市、安遠(yuǎn)縣、當(dāng)陽市與枝江市)。按以上分區(qū)統(tǒng)計(jì)過程單站最大降水量空間分布，過程單站最大降水量多出現(xiàn)在恩施北部地區(qū)、恩施南部地區(qū)與宜昌東部地區(qū)，分別占總數(shù)的25.56%、24.44%和33.33%，兩省交界地區(qū)較少，占總數(shù)的16.67%。

文章統(tǒng)計(jì)分析了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型暴雨過程單站最大降水量頻數(shù)分布。分析發(fā)現(xiàn)，Ⅰ、Ⅱ型暴雨過程單站最大降水量主要為40～160 mm，均占總數(shù)的80%以上；Ⅲ型暴雨過程最大過程降水量主要在40～140 mm，均占總數(shù)的65%以上。Ⅰ型暴雨過程多出現(xiàn)在恩施北部地區(qū)與宜昌東部地區(qū)(均占35%以上)；Ⅱ型暴雨過程多出現(xiàn)在恩施南部地區(qū)與宜昌東部地區(qū)，恩施北部地區(qū)次之(均占25%以上)；Ⅲ型暴雨過程多出現(xiàn)在兩省交界地區(qū)與宜昌東部地區(qū)，恩施北部地區(qū)次之(均占20%以上)。

3 短時(shí)強(qiáng)降水特征分析

3.1 短時(shí)強(qiáng)降水頻數(shù)空間分布

中國氣象局在短臨業(yè)務(wù)工作中規(guī)定，當(dāng)小時(shí)累計(jì)降水量達(dá)到20 mm及以上時(shí)認(rèn)定為1次短時(shí)強(qiáng)降水。通過對2008—2017年暴雨過程短時(shí)強(qiáng)降水統(tǒng)計(jì)得出，出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水站數(shù)為704站，占降水總站數(shù)的98.88%(704/712)；短時(shí)強(qiáng)降水站點(diǎn)頻數(shù)最大值為31次，最小值為1次，使用百分位數(shù)法，認(rèn)為站點(diǎn)頻數(shù)大于第85%分位數(shù)(14次)的站點(diǎn)是短時(shí)強(qiáng)降水高頻數(shù)站點(diǎn)，站點(diǎn)頻數(shù)小于第55%分位數(shù)(8次)的站點(diǎn)是短時(shí)強(qiáng)降水低頻數(shù)站點(diǎn)。高頻數(shù)站點(diǎn)主要分布在4個(gè)區(qū)域：恩施市-建始縣一線，來鳳縣-宣恩縣一線，鶴峰縣-五峰土家族自治縣一線與宜都市-當(dāng)陽市一帶；低頻次站點(diǎn)主要分布在3個(gè)區(qū)域：利川市附近，恩施市南部-建始縣南部-巴東縣中南部一線與興山縣-秭歸縣-長陽土家族自治縣一帶。章淹[9]指出地形對降水有極為重要的作用，海拔高度變化復(fù)雜的恩施地區(qū)有大范圍的高頻數(shù)區(qū)，宜昌地區(qū)雖地勢平坦，但位于喇叭口地勢與峽谷地勢出口處，有一定程度的短時(shí)強(qiáng)降水，恩施地區(qū)較宜昌地區(qū)有較多的短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生，且主要出現(xiàn)在恩施南部。

3.2 短時(shí)強(qiáng)降水日變化特征

圖1為2008—2017年暴雨過程短時(shí)強(qiáng)降水日變化頻數(shù)分布，可以看出鄂西南地區(qū)暴雨過程日變化特征較為復(fù)雜。整個(gè)變化過程出現(xiàn)3次峰值，其時(shí)間和強(qiáng)度分別是02：00的396次、08：00的394次、16：00的274次，表現(xiàn)為多峰型，主峰出現(xiàn)在01：00—03：00和07：00—09：00；次峰出現(xiàn)在15：00—17：00，即鄂西南地區(qū)暴雨過程多發(fā)生在01：00—03：00和07：00—09：00。吳翠紅認(rèn)為鄂西南地區(qū)白天強(qiáng)降水發(fā)生較少，而從文章可以看出鄂西南地區(qū)在白天存在1個(gè)主峰和1個(gè)次峰，說明白天強(qiáng)降水發(fā)生的可能性很高。

圖1 鄂西南短時(shí)強(qiáng)降水量日變化頻數(shù)分布

4 極端強(qiáng)降水特征分析

4.1 小時(shí)最大降水量分布

統(tǒng)計(jì)降水站點(diǎn)小時(shí)最大降水量，其最小值為11.5 mm，最大值為109.4 mm，其中小時(shí)最大降水量大于50 mm站數(shù)、大于60 mm站數(shù)與大于70 mm站數(shù)，依次為247站、107站與39站，分別占降水總站數(shù)的34.69%、15.3%與5.48%。對Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型暴雨過程最大降水量站數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到，3種類型小時(shí)最大降水量大于70 mm的站點(diǎn)數(shù)都超過10站，Ⅰ、Ⅱ型暴雨過程大于30 mm的站點(diǎn)數(shù)均達(dá)到56%，Ⅲ型暴雨過程大于30 mm的站點(diǎn)數(shù)達(dá)到44%，由此看出鄂西南強(qiáng)降水的極端性是極為明顯的。

通過統(tǒng)計(jì)分析其他空間分布得出，在鄂西南地區(qū)小時(shí)最大降水量空間分布不均勻，小時(shí)最大降水量大于50 mm分布與短時(shí)強(qiáng)降水站點(diǎn)頻數(shù)空間分布較為相似。將小時(shí)最大降水量大于50 mm區(qū)域作為大值區(qū)域進(jìn)行分析，恩施地區(qū)西北部利川市-恩施市-建始縣-巴東縣一線有較為連貫的小型塊狀高值區(qū)，恩施地區(qū)的其他區(qū)域有分散的小范圍大值區(qū)，宜昌地區(qū)東部以宜昌市為界，宜昌市北部、自宜昌市東部向東延伸至長陽土家族自治縣與自宜昌市南部向南延伸至當(dāng)陽市、枝江市與宜都市有連貫的大范圍高值區(qū)，在恩施市和宜昌市交界地區(qū)存在南北向垂直分布的小值帶狀區(qū)域，總體來說恩施地區(qū)高值區(qū)較為分散；宜昌地區(qū)高值區(qū)集中在東部地區(qū)。吳翠紅對1999—2009年湖北省78站1 h累計(jì)降水量的極大值(即最大降水量)進(jìn)行空間分布分析，認(rèn)為全省各站1 h降水量極值分布總體上較均衡，無明顯地域差異。但從文章分析來看，降水量極值分布無明顯地域差異，與各站點(diǎn)間隔較遠(yuǎn)有關(guān)。

4.2 極端強(qiáng)降水分析

為了分析2008—2017年暴雨過程的極端強(qiáng)降水情況，參考Tukey[10]提出的方法，得到鄂西南地區(qū)極端強(qiáng)降水閾值及空間分布(圖2)。從圖2看，第98%分位數(shù)的最小值、最大值與中位數(shù)分別為10.5 mm、50.8 mm與29.9 mm，根據(jù)湖北對強(qiáng)降水定義，用第98%分位數(shù)作為強(qiáng)降水閾值明顯偏??；第99%分位數(shù)的最小值、最大值與中位數(shù)分別為11.5 mm、60.9 mm與35.3 mm，這與多站出現(xiàn)大于70 mm的降水事實(shí)不符；而第99.5%分位數(shù)的最小值、最大值和中位數(shù)分別為11.5 mm、78.2 mm和41.5 mm，因此利用第99.5%分位數(shù)作為極端短時(shí)強(qiáng)降水值閾值更符合強(qiáng)降水實(shí)況。從箱線圖(圖2)可見，第99.5%分位數(shù)的分布區(qū)間主要集中在34.52～51.9 mm，第99.5%分位數(shù)在50 mm以上站點(diǎn)222個(gè)(31.53%)，60 mm以上站點(diǎn)90個(gè)(12.78%)，70 mm以上站點(diǎn)36個(gè)(5.11%)，80 mm以上站點(diǎn)16個(gè)(2.2%)，90 mm以上站點(diǎn)7個(gè)(0.99%)，說明該地區(qū)降水的極端性是存在并且明顯的。

圖2 鄂西南地區(qū)極端強(qiáng)降水閾值特征分析

將閾值大于50 mm站點(diǎn)稱為閾值高值站點(diǎn)，集中出現(xiàn)區(qū)域稱為閾值高值區(qū)。恩施地區(qū)閾值高值區(qū)呈東北—西南走向，利川市-恩施市-建始縣一線與來鳳縣-宣恩縣-鶴峰縣一線極端降水量較大；宜昌地區(qū)閾值高值區(qū)集中在東部，以安遠(yuǎn)縣-宜昌市-長陽土家族自治縣一線以東為大值區(qū)，以西為低值區(qū)。分析極端強(qiáng)降水閾值高值區(qū)分布發(fā)現(xiàn)，閾值大于70 mm站點(diǎn)主要出現(xiàn)在3個(gè)地區(qū)：恩施西北部山區(qū)、恩施東南部山區(qū)海拔低于1000 m地區(qū)與宜昌山區(qū)進(jìn)入江漢平原過渡地區(qū)。閾值大于80 mm站點(diǎn)出現(xiàn)宜昌地區(qū)；閾值大于90 mm站點(diǎn)出現(xiàn)恩施地區(qū)，可以說恩施地區(qū)比宜昌地區(qū)降水極端性更明顯。

5 結(jié)束語

文章利用近10 a的湖北省逐小時(shí)降水量，對鄂西南地區(qū)暴雨過程進(jìn)行過程降水、短時(shí)強(qiáng)降水與極端強(qiáng)降水特征分析，得到：

1) 2008—2017年鄂西南地區(qū)暴雨過程個(gè)例共90個(gè)，其中本地起源的暴雨過程占半數(shù)以上；暴雨過程持續(xù)時(shí)間以3～9 h為主；最大過程降水量以40～160 mm為主，多出現(xiàn)在恩施北部、恩施南部與宜昌東部地區(qū)。

2) 暴雨過程中短時(shí)強(qiáng)降水空間分布不均勻；高頻數(shù)區(qū)域出現(xiàn)在恩施北部、恩施南部與宜昌東南部，恩施北部與南部以東西向的帶狀形式分布，宜昌東南部以大范圍塊狀形式出現(xiàn)；低頻數(shù)區(qū)主要出現(xiàn)在兩地區(qū)之間過渡帶，以南北向的帶狀形式分布；短時(shí)強(qiáng)降水日變化為多峰型，鄂西南地區(qū)暴雨過程多發(fā)生在01：00—03：00和07：00—09：00。

3)暴雨過程小時(shí)最大降水量大于50 mm站數(shù)達(dá)到34.69%，大于70 mm站數(shù)達(dá)到5.48%，極端性極為明顯；利用第99.5%分位數(shù)作為暴雨過程極端強(qiáng)降水閾值，極端降水閾值空間分布不均勻，其分布與1 h最大降水量空間分布一致；閾值大于70 mm站點(diǎn)主要出現(xiàn)在3個(gè)地區(qū)：恩施西北部山區(qū)、恩施東南部山區(qū)海拔低于1000 m地區(qū)與宜昌山區(qū)進(jìn)入江漢平原過渡地區(qū)，恩施地區(qū)比宜昌地區(qū)降水極端性更為明顯。