文山州防洪城市短時強降水時空變化特征

王 酈，鄭 芬，王興剛

(1.文山州氣象局，云南 文山 663000；2.廣南縣氣象局，云南 廣南 663300)

0 引言

短時強降水(小時雨量≥20 mm)是文山州最多發(fā)的災害性天氣之一，短時強降水就是意味著歷時短、雨強大[1]以及局地性強，大量的降水在相對短的時間內發(fā)生，嚴重影響了城市生活以及交通等問題，特別是幾個防洪城市，短時強降水極易引發(fā)城市內澇、山洪、滑坡泥石流等災害。例如2018年6月24日凌晨文山市城區(qū)出現大暴雨天氣，24小時累計雨量為112.5 mm，最大小時雨量為40.4 mm，文山市城區(qū)多處發(fā)生內澇，其中位于環(huán)東路上的文山雪佛蘭4S店受災比較嚴重，近30輛車被泡在了水中，災害造成直接經濟損失2 488.79萬元；2018年9月2日麻栗坡縣猛硐出現特大滑坡泥石流災害，24小時累計降雨量212.2 mm，2日04時小時降雨量達97.4 mm；2019年7月23日20時文山市城北片區(qū)1小時降雨量達46 mm，導致文山市城北片區(qū)出現較為嚴重的城市內澇，很多車輛被沖。這些災害都是短時強降雨導致的，影響極大。因此，對短時強降水時空分布特征及其發(fā)生機理的研究具有非常重要的意義。

隨著經濟的迅速增長和人類活動的影響，城市規(guī)模不斷擴大，對城市氣候也產生明顯的影響[2，3]。城市的發(fā)展影響著對流層大氣水分和熱量的分布[4]，進而影響降水的時空分布。同時，隨著全球氣候變暖的加劇，強降水事件也呈現出極端化發(fā)展的趨勢[5]。近年來，國內外學者在降雨時間分布特征研究中取得了一系列研究成果，尤其是為了深化對區(qū)域性短時強降水演變規(guī)律的認識開展了許多研究工作。隨著觀測資料的豐富，研究內容也從年、季氣候特征逐漸向日變化特征深入。Harold對美國地區(qū)3 h時間尺度以內的強降水過程分析表明，短時強降水的分布與美國地區(qū)暴洪的分布關系密切，逐小時降水資料對評估暴洪發(fā)生的氣候概率很有幫助[6，7]。長期以來，氣象工作者在氣候變化和極端強降水方面做了大量的研究，也取得了很多有意義的成果。但以往的研究多側重于對氣溫和年降水量的氣候變化趨勢研究以及單次極端降水天氣的成因分析，缺乏對短時強降水的日變化特征做分析研究，特別是對文山州引發(fā)洪澇、滑坡、泥石流災害的短時強降雨的日變化特征方面的研究還未見到。

因此本文將對文山州3個防洪城市的短時強降水時空分布及日內變化規(guī)律分析研究，旨在通過掌握這些規(guī)律，為這類災害性天氣的預報預警提供技術支撐，同時也為3個防洪城市的防災減災提供依據。

1 資料與方法

云南省文山州區(qū)域自動站氣象觀測資料，自2012年后才比較穩(wěn)定。因此本文選取2012年1月1日～2019年12月31日文山州文山市、富寧縣和麻栗坡縣3個防洪城市3個基本觀測站(縣城)和43個區(qū)域自動觀測站共46個站點8年的逐小時降水資料。數據來源于云南省信息中心氣象數據庫，經信息中心統(tǒng)一質量控制，可靠性和數據連續(xù)性較好。篩選去除可疑降水記錄(如連續(xù)幾小時逐小時降雨量都比較大；或者周圍都無雨僅一個站出現較強降水等情況給予剔除)，分析3個防洪城市區(qū)域短時強降水特征。

短時強降水屬于強對流天氣的一種，在文山州境內，其發(fā)生概率相對較小，但如果發(fā)生，極易造成洪澇、城市內澇或山體滑坡等嚴重的氣象災害。中央氣象臺定義短時強降水指1h降水量≥20 mm，結合Zhang等[8]的定義方法，本研究主要針對降水量≥20 mm/h的強降水事件。為進一步加深對短時強降水日變化的認識，文中對不同等級降水的頻率分別給出了空間分布，并將不同等級降水的雨量和頻次序列進行標準化，分析各量級降水的日變化規(guī)律。

2 結果分析

2.1 短時強降水空間分布特征

從圖1可以看出，2012～2019年這8年中，強降水出現次數最多的是東部的富寧縣，有673次，年平均達84.1次；南部的麻栗坡縣有463次，年平均達57.9次；西部的文山市最少，有421次，年平均達52.6次。小時雨量在20～30 mm之間累計次數最多，最多的是東部的富寧縣，年平均56.6次；其次是南部的麻栗坡縣，年平均41.9次；西部的文山市最少，年平均37.4次。小時雨量在30～40 mm之間的最多的也是東部的富寧縣，年平均18.1次；其次是麻栗坡縣，年平均11.3次；同樣是文山市最少，年平均僅有10.5次。小時雨量達40 mm以上(注：40 mm以上包括了所有小時雨量大于40 mm的強降水)的強降水，最多的是南部的麻栗坡縣，年平均9.4次；文山市和富寧縣一樣多，年平均都是4.8次。最大小時雨量出現在2018年9月2日04時麻栗坡縣猛硐97.4 mm。

圖1 各縣(市)不同量級小時降雨量累計次數分布(左)和小時雨量達20 mm以上總次數分布(右)

分析3個防洪城市的短時強降水多年平均頻次空間分布(圖2)可以看出，短時強降水發(fā)生頻率最高的區(qū)域位于富寧縣東部和富寧縣南部，其次是麻栗坡縣的南部。其中富寧縣東部邊緣的者桑為最大值中心，年均發(fā)生短時強降水8.6次。富寧縣西南角、麻栗坡縣西北部以及文山大部出現短時強降水的頻率都較低，短時強降水頻率最低的是文山西部的薄竹，年均發(fā)生短時強降水1.5次，比年均降水量最少的文山市西北部地區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)頻率都小。由此看出，短時強降水多出現在邊界地區(qū)。與多年平均年降水量空間分布(圖3)對比可以發(fā)現，3縣(市)年平均短時降水頻次空間分布與年降水量總體特征大體相似，即麻栗坡縣和富寧縣短時強降水發(fā)生頻率高，年降水量也相對較大，文山市短時強降水發(fā)生頻率小，年降水量也較小。各縣的短時強降水發(fā)生頻率和年降水量也幾乎成正比關系：文山市南部地區(qū)短時強降水頻率最高，文山市南部地區(qū)年均降雨量也最大；麻栗坡縣西北部和東部短時強降水頻率小，年均降雨量也??；富寧縣短時強降水頻率最高的東部，年降水量相對較小，富縣寧南部年降水量與短時強降水發(fā)生頻率成正比。

(a)各縣(市)短時強降水年平均次數

2.2 短時強降水年際變化特征

從短時強降水逐年分布圖上(圖3)可看出，這幾年內3個防洪城市短時強降水年均總次數呈上升趨勢，各縣年均次數文山市和富寧縣也是呈逐年增加的趨勢，而麻栗坡是呈逐年減少的趨勢。

圖3 3縣(市)短時強降水總次數和分縣次數逐年分布

2.3 短時強降水月變化特征

各縣(市)短時強降水逐月分布圖(圖4左)，短時強降水高峰月主要集中在夏季(6～8月)，春末(5月)和秋初(9月)次之，秋末到冬季很少有短時強降水出現。5～10月短時強降水出現最多的是東部的富寧縣，其次是麻栗坡縣，文山市出現次數最少；3～4月出現最多的是南部的麻栗坡縣，其次是富寧縣，同樣是文山市最少，1月和2月幾乎不會出現短時強降水，11月和12月也僅有文山市出現過，富寧和麻栗坡沒有出現過。

圖4 各縣(市)短時強降水逐月分布(左)、短時強降水不同量級逐月分布(右)

圖4右圖為短時強降水不同量級逐月分布情況：40 mm以上強降水出現頻率最大的是6月，其次是7月，再次是8月，5月和9月頻率相當，這幾年中，1～3月沒出現過40 mm以上短時強降水，但10～12月出現過。30 mm以上短時強降水頻率最大的出現在6月和8月，5月、7月、9月頻率相當，4月和10月相對較少，3月和11月偶爾出現幾次，1月、2月和12月沒出現過。20 mm以上短時強降水頻率最大的是8月，6月、7月次之，再次是5月和9月，3月、4月和10月出現20～50次不等，1月、2月、11月、12月偶爾出現。

由此可見，短時強降水頻率最高的是夏初(6月)和夏末(8月)，夏中次之，春末秋初出現頻率也相對較高，冬季很少出現。且州邊緣地區(qū)出現概率更高。

2.4 短時強降水日變化特征

從3個縣(市)的短時強降水逐小時分布圖(圖5)上看出：文山市短時強降水高峰期出現在13時～21時，低峰期出現在0時、04～05時、07～08時；麻栗坡縣有兩個高峰期，一個是夜間23時～06時，一個是15～19時，低峰期出現在12時；富寧縣高峰期出現在15-21時，低峰期出現在上午10時。由此可見：文山市和富寧縣是在午后至傍晚比較容易出現短時強降水，而麻栗坡縣有兩個時段較易出現短時強降水，一個時段是午后至傍晚，另一個時段是夜間至凌晨。

圖5 各縣短時強降水逐小時分布

2.5 短時強降水峰值時間

文山市出現短時強降水極值時間出現在傍晚20時，小時雨量達81.1 mm，極值出現時間與文山市短時強降水高峰期(午后至傍晚)對應；麻栗坡縣極值時間出現在凌晨04時，小時雨量達97.4 mm，極值出現時間與麻栗坡縣短時強降水高峰期(夜間至凌晨)對應；富寧縣極值時間出現在下午17時，小時雨量達80.9 mm，極值出現時間與富寧縣短時強降水高峰期(午后至傍晚)對應。由此可見，3個防洪城市短時強降水極值時間都出現在其相對應的高峰期內。

3 結論

短時強降水頻率最高的是東部的富寧縣，頻率最低的是西部的文山市。

40 mm以上短時強降水出現頻率最高的是南部的麻栗坡縣，40 mm以下出現頻率最高的是東部的富寧縣。

短時強降水頻率最大的地方和年降雨量最多的地方成正比，均出現在州邊緣地帶，即南部邊緣及東部邊緣地帶。

短時強降水累計總次數呈逐年增加的趨勢，文山市和富寧縣年均次數也呈增加趨勢，麻栗坡縣呈減少趨勢。

短時強降水頻率最高的是夏初(6月)和夏末(8月)，40 mm以上短時強降水頻率最大的是6月。

文山市和富寧縣是在午后至傍晚比較容易出現短時強降水，而麻栗坡縣有兩個時段較易出現短時強降水，一個時段是午后至傍晚，另一個時段是夜間至凌晨；3個防洪城市極值出現時間與各縣(市)短時強降水高峰期相對應。