西南地區(qū)東部大官山山地降水梯度變化特征分析

何澤能 , 王順久 , 陳志軍* , 趙興炳 , 杜 欽 , 高陽(yáng)華 , 蘭永軒

（1.重慶市氣象科學(xué)研究所, 重慶 401147；2.四川省氣候中心, 成都 610072；3.中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所, 成都 610072；4.四川省邛崍市氣象局，邛崍 611530）

引言

降水作為氣候和水文的重要要素之一，對(duì)一個(gè)地區(qū)的氣候、植被和水資源等生態(tài)環(huán)境狀況具有重要影響，降水變化及分布不均是氣象災(zāi)害和其次生災(zāi)害發(fā)生的原因之一。海拔高度等地形參數(shù)是影響山地地區(qū)降水的重要因子。相關(guān)降水觀測(cè)研究表明，受大氣環(huán)流、地形等多種因素的影響，山地降水的時(shí)空差異顯著，具有區(qū)域性和局地性的雙重特征[1-5]。

自然區(qū)劃概念下的中國(guó)西南地區(qū)，主要由四川盆地、云貴高原、青藏高原南部和兩廣丘陵西部等地形單元構(gòu)成，大致包括重慶、四川、貴州、云南和西藏，地形地貌復(fù)雜多樣，高程差異大，海拔高度、坡度和坡向等局地因子對(duì)山地降水的影響顯著，氣候復(fù)雜多變，天氣氣候特征既多樣又獨(dú)特[6-10]。該區(qū)域既有低海拔丘陵、河谷地帶，又有高海拔山區(qū)，受高原季風(fēng)影響，夏季旱澇災(zāi)害頻發(fā)，常給當(dāng)?shù)卦斐蓢?yán)重災(zāi)害，特別是山地突發(fā)性暴雨是我國(guó)重大自然災(zāi)害之一[11-14]。西南地區(qū)東部既有重慶等山地大城市，又有我國(guó)最大的河道型水庫(kù)-三峽水庫(kù)，還是我國(guó)重要的生態(tài)屏障區(qū)域之一。因此，觀測(cè)和研究西南地區(qū)特別是西南東部山地的降水變化特征及影響，了解降水隨海拔高度的梯度變化特征，對(duì)西南東部山地區(qū)的精細(xì)化天氣預(yù)報(bào)、氣候區(qū)劃、農(nóng)業(yè)區(qū)劃等區(qū)域經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)和防災(zāi)減災(zāi)都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

魯春霞等[1]對(duì)青藏高原降水的梯度效應(yīng)及其空間分布模擬研究表明，降水的海拔梯度效應(yīng)由于地形和水汽來(lái)源的影響而頗為復(fù)雜，大部分東亞季風(fēng)影響區(qū)降水隨海拔上升而增大，而大部分印度季風(fēng)區(qū)降水隨海拔增高而下降。謝健等[2]對(duì)于高原、山地地區(qū)的降水梯度觀測(cè)研究表明，在念青唐古拉山南坡，夏季的高、低海拔降水日過(guò)程差異顯著，降水的海拔梯度效應(yīng)明顯，最大降水高度位于山坡上部5100 m附近。辛惠娟等[3]研究玉龍雪山東坡降水梯度年內(nèi)變化，指出該區(qū)雨季月降水梯度隨海拔升高呈“正-負(fù)-正”的變化特征。對(duì)于西南地區(qū)降水，國(guó)內(nèi)學(xué)者已在降水變化特征、成因及影響等方面開(kāi)展了多項(xiàng)研究[15-18]，取得了一系列的成果。但所用資料主要是氣象臺(tái)站歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)，雖然時(shí)間積累長(zhǎng)，但是大多位于海拔相對(duì)較低的縣城周邊地區(qū)，針對(duì)高海拔山區(qū)的氣象觀測(cè)資料極其匱乏，難以全面反映高山地區(qū)的真實(shí)狀況。鑒于山地梯度觀測(cè)的重要性，重慶市氣象科學(xué)研究所聯(lián)合有關(guān)單位在西南地區(qū)東部重慶巫溪大官山南坡開(kāi)展了氣象梯度觀測(cè)，由10個(gè)6要素自動(dòng)氣象站組成，分布在海拔409～2550 m。本文利用該氣象梯度觀測(cè)站2019年1月～2020年12月降水觀測(cè)數(shù)據(jù)，揭示降水的梯度變化特征，以期為西南地區(qū)東部天氣氣候業(yè)務(wù)、生態(tài)安全及防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)參考。

1 資料與方法

氣象梯度觀測(cè)站位于重慶市巫溪縣大官山南坡（圖1），由10個(gè)6要素自動(dòng)氣象觀測(cè)站組成，依次分布在海拔409～2550 m，相應(yīng)站名、經(jīng)緯度及海拔高度見(jiàn)表1。

表1 氣象梯度觀測(cè)站信息

圖1 氣象梯度觀測(cè)站站點(diǎn)分布位置

本文所使用氣象梯度觀測(cè)資料中的降水?dāng)?shù)據(jù)為小時(shí)降水量，數(shù)據(jù)時(shí)段為2019年1月1日～2020年12月31日，根據(jù)質(zhì)量控制相關(guān)方法[19]，通過(guò)界限值檢查、時(shí)間一致性檢查、鄰近站點(diǎn)間一致性檢查等對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行初步質(zhì)量控制，剔除質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的降水?dāng)?shù)據(jù)，最后統(tǒng)計(jì)出月降水量。在此基礎(chǔ)上，利用常規(guī)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，分析降水量的時(shí)間變化特征、隨海拔高度的梯度變化特征以及天氣過(guò)程雨量的變化特征。

2 山地降水變化特征

2.1 月降水量變化

西南地區(qū)東部山區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨，各月降水量差異較大，對(duì)大官山降水梯度觀測(cè)資料按月進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以初步了解該地區(qū)降水的基本變化規(guī)律。

圖2為2019年和2020年氣象梯度觀測(cè)站降水量逐月變化特征（個(gè)別氣象觀測(cè)站的月降水量數(shù)據(jù)質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，未在圖中展示）。如圖所示，各站月降水量的年變化規(guī)律基本一致，總體呈夏半年高、冬半年低的分布特征。夏季，6、7月降水量相對(duì)較高，8月降水量相對(duì)較低；冬季，12月降水量相對(duì)較低。2019年，10月降水量最高，7月次之；2月最低，1、11、12月次之。2020年，6月和7月降水量最高，10月次之，較6月和7月大幅降低；12月降水量最低，其余月份降水量波動(dòng)不大。對(duì)比2019年和2020年，個(gè)別月份降水量波動(dòng)較大，其中10月降水量差別最大，約為150 mm。

圖2 氣象梯度觀測(cè)站2019年（a）和2020年（b）降水量逐月變化

2.2 降水量梯度變化

降水量梯度變化數(shù)據(jù)在山地氣象災(zāi)害區(qū)劃、農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃及生態(tài)區(qū)劃中是重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一。由于山地降水受海拔高度等地形因子的影響，為了解降水量隨海拔高度的梯度變化情況，對(duì)各站點(diǎn)降水隨海拔高度的變化情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

2.2.1 降水量年平均梯度變化

由于各月降水量差異較大，為了反映全年降水的梯度變化情況，本文以各站點(diǎn)降水量與各高度平均降水量間的偏差率隨海拔高度變化的多年平均值來(lái)表示降水量的年平均梯度變化情況。圖3為各觀測(cè)站降水量偏差率隨海拔高度的變化，其中個(gè)別站點(diǎn)個(gè)別時(shí)段的降水?dāng)?shù)據(jù)質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，不納入月降水統(tǒng)計(jì)分析。2019年，隨著海拔高度的升高，降水量偏差率先是迅速升高，至海拔1900 m左右達(dá)到最高值，隨后降低再回升，總體呈升高趨勢(shì)，變化率為1.34%/100 m。2020年，隨著海拔高度的升高，降水量偏差率先是略有降低，至1000 m左右又逐步升高，至海拔1900 m左右達(dá)到最高值，隨后略有降低，總體呈升高趨勢(shì)，隨海拔高度的變化率為1.30%/100 m。雖然2019年和2020年降水量偏差率隨海拔高度變化的分布有所差異，但總體趨勢(shì)是一致的，并且上升率非常接近，兩年平均上升率為1.32%/100 m，最大降水高度均位于海拔1900 m左右，這與陳淑全等[20]研究指出四川盆地東北部大巴山區(qū)最大降水高度在海拔1800 m左右的結(jié)論基本一致。

圖3 2019年（a）和2020年（b）降水量偏差率隨高度變化

2.2.2 月降水量梯度變化

從前文分析中可知，各月降水量差異較大，梯度觀測(cè)站間降水量在各月差異也有所不同。因此，本節(jié)計(jì)算了2019年和2020年各月降水量梯度變化率的逐月變化情況，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 降水量梯度變化率的逐月變化

2019年，降水量梯度變化率8月最高（4.76 mm/100 m），7月次高（3.69 mm/100 m）；3月和4月最低，呈略微下降的趨勢(shì)，分別為-0.18 mm/100 m和-0.41 mm/100 m；總體上，夏季變化率高，秋季次之，春季和冬季低。2020年，降水量梯度變化率7月最高（6.42 mm/100 m），6月次高（3.26 mm/100 m）；8月和11月最低，分別為0.06 mm/100 m和0.21 mm/100 m；總體上，夏季變化率最高，春、秋季變化率次高。

2019年和2020年平均的降水量梯度變化率7月最高，達(dá)5.06 mm/100 m，1月和11月最低，分別為0.23 mm/100 m和0.29 mm/100 m；夏季平均變化率為 3.31 mm/100 m，秋季為 1.39 mm/100 m，冬季為0.50 mm/100 m，春季為0.67 mm/100 m；總體呈夏、秋季變化率高而冬、春季變化率低的態(tài)勢(shì)。

2.3 降水日數(shù)梯度變化

圖5為2019～2020年大官山年平均降水日數(shù)梯度變化分布。由圖5可知，隨著海拔高度的升高，降水日數(shù)也逐漸升高，619 m低海拔站點(diǎn)最少（148.5 d），2550 m高海拔站點(diǎn)最多（202.5 d），兩者相差54 d；降水日數(shù)隨高度的線性傾向變化較明顯，平均上升率為2.86 d/100 m。在各量級(jí)降水中，小雨（含冬季降雪）日數(shù)隨高度的線性傾向變化最明顯，平均上升率為2.56 d/100 m，619 m低海拔站點(diǎn)年平均小雨日數(shù)104 d，2550 m高海拔站為153 d，高、低海拔兩站之間小雨日數(shù)相差49 d。中雨、大雨、暴雨日數(shù)隨高度變化的線性變化趨勢(shì)逐漸變差，但總趨勢(shì)均是高海拔降水日數(shù)多于低海拔。其中，中雨日數(shù)呈“升-降-升-降”的波動(dòng)特征，在海拔2200 m左右最大；大雨日數(shù)先緩慢升高，至1900 m左右達(dá)到最大，隨后逐漸降低；暴雨日數(shù)先降低，在1400 m左右達(dá)到最低，隨后逐漸升高，在2550 m處達(dá)到最大。

圖5 降水日數(shù)隨海拔高度的變化特征（a.總降水日數(shù)和小雨日數(shù)，b.中雨日數(shù)和大雨日數(shù)，c.暴雨日數(shù)）

2.4 山地降水日變化特征

圖6為2019～2020年大官山年平均降水的日變化特征。按照海拔高度≤1000 m、1000 m＜海拔高度≤1500 m、海拔高度＞1500 m的標(biāo)準(zhǔn)，將梯度觀測(cè)數(shù)據(jù)分為低海拔、中海拔和高海拔共3類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。如圖6a所示，大官山各海拔高度降水量的日變化分布基本一致，降水量最大時(shí)段主要集中在06～09時(shí)，高海拔地區(qū)在13～15時(shí)存在次高峰；對(duì)于不同海拔高度，降水量在11～17時(shí)差異最大，其余時(shí)段差異較小。如圖6b所示，降水頻率在高海拔最大，12～19時(shí)存在一個(gè)明顯的高值區(qū)間，并在15時(shí)左右達(dá)到最高，降水頻率為22.6%；降水頻率在中海拔次之，8時(shí)和14時(shí)左右達(dá)到最高值；降水頻率在低海拔最小，呈上午高、下午低的分布特征。如圖6c所示，降水強(qiáng)度和降水量的日變化特征較為類似，在06～09時(shí)存在一個(gè)高值區(qū)間。

圖6 不同海拔高度降水量（a）、降水頻率（b）和降水強(qiáng)度（c）日變化特征

2.5 天氣過(guò)程降水量梯度變化

山地降水隨海拔高度的變化情況還與天氣過(guò)程密切相關(guān)，本節(jié)選擇持續(xù)陰雨天氣、暴雨天氣和局地陣雨共3類具有一定區(qū)域代表性的降水天氣過(guò)程個(gè)例，分析其降水的梯度變化。

2.5.1 持續(xù)陰雨天氣過(guò)程

持續(xù)陰雨天氣過(guò)程（連續(xù)3 d及以上出現(xiàn)降雨）的影響范圍大，降水較穩(wěn)定，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，可由多種大型天氣系統(tǒng)引發(fā)。由于持續(xù)陰雨天氣過(guò)程的降水時(shí)斷時(shí)續(xù)，持續(xù)時(shí)間、降水量及時(shí)間分散程度差異都很大，為簡(jiǎn)化降水梯度分析，選取了4次較為典型的持續(xù)陰雨天氣過(guò)程，對(duì)每次過(guò)程中各站同期最有代表性的24 h降水量的梯度變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析（圖7）。如圖所示，4次過(guò)程中，有2次降水量隨海拔的升高呈緩慢減小的趨勢(shì)，其余2次降水量隨海拔的升高呈緩慢增加的趨勢(shì)?？傮w上看，持續(xù)陰雨天氣的降水量梯度變化較為平緩，其主要原因可能是持續(xù)陰雨天氣過(guò)程與大尺度天氣系統(tǒng)聯(lián)系密切，降水范圍較大，降水局地效應(yīng)相對(duì)較弱，降水梯度變化也相對(duì)偏小。

圖7 持續(xù)陰雨天氣典型過(guò)程24 h降水量梯度變化

2.5.2 暴雨天氣過(guò)程

研究時(shí)段內(nèi)，巫溪大官山有5次暴雨天氣過(guò)程，其中1次由于觀測(cè)資料有個(gè)別時(shí)次的缺測(cè)，不用于分析。圖8分別給出了4次暴雨天氣過(guò)程降水量隨海拔高度的梯度變化。

圖8 暴雨天氣過(guò)程降水量梯度變化

2019年7月30 日暴雨天氣過(guò)程中，降水主要集中在04～09時(shí)，平均單站過(guò)程降水量為74.75 mm，峰值出現(xiàn)在07時(shí)左右，有兩個(gè)梯度觀測(cè)站小時(shí)降水量超過(guò)了50 mm，分別為52.2 mm和51.7 mm。隨著海拔高度升高，降水量先升后降，在海拔1700 m左右最低，隨后又逐漸升高，呈“高-低-高”的分布特征，總體呈升高趨勢(shì)。

2019年10月4 ～5日暴雨天氣過(guò)程中，降水多集中在4日19時(shí)～5日14時(shí)，梯度觀測(cè)站過(guò)程降水量均超過(guò)了120 mm，平均單站過(guò)程降水量為125.54 mm，位于海拔1930 m處的梯度觀測(cè)站最大，達(dá)131.8 mm。降水峰值出現(xiàn)在5日03～04時(shí)和8時(shí)左右，呈雙峰分布。降水量隨著海拔高度的升高也呈雙峰分布，在海拔600 m和1900 m左右各有一個(gè)小峰值，小時(shí)降水量約為15 mm；海拔600～1900 m降水量較為接近，在1900 m達(dá)到峰值后又逐漸減小?？傮w上看，降水量隨海拔變化波動(dòng)不大，呈微弱升高的趨勢(shì)。

2020年6月11 ～12日暴雨天氣過(guò)程中，降水主要集中在11日17時(shí)～12日13時(shí)，除一個(gè)梯度站降水量略低于100 mm外，其余站點(diǎn)降水量均超過(guò)100 mm，平均單站降水量為105.5 mm，最大單站降水量116.9 mm。該次降水過(guò)程由兩個(gè)降水峰值時(shí)段組成，平均小時(shí)降水量最大為22.2 mm。隨著海拔高度的升高，該次過(guò)程降水量先下降，在840 m左右形成一個(gè)低值，然后又緩慢升高，至1900 m后又下降?？傮w上看，降水量隨海拔變化呈“降-升-降”的波動(dòng)特征。

2020年6月20 日暴雨平均單站過(guò)程降水量為64.7 mm，該次過(guò)程降水量隨著海拔高度的升高，先迅速升高，在海拔600 m以上略有降低，隨后呈緩慢升高的特征。總體上看，降水量隨海拔變化呈緩慢升高的趨勢(shì)。

在上述4次暴雨天氣過(guò)程中，隨海拔升高有3次過(guò)程降水量呈升高趨勢(shì)。由此可知，暴雨天氣過(guò)程降水量總體是隨海拔的升高而升高，海拔高度越高，降水量越大。同時(shí)，也可以看出每次暴雨過(guò)程降水量隨海拔的波動(dòng)規(guī)律不完全一致，這反映出暴雨天氣過(guò)程降水量不僅受海拔高度的影響，還受天氣系統(tǒng)過(guò)程類型等多種因素的影響，其變化情況較為復(fù)雜。

2.5.3 局地陣雨天氣過(guò)程

陣雨一般降自積雨云中，空間尺度較小，雨時(shí)短促，開(kāi)始和終止都很突然，降水強(qiáng)度變化很大，但雨量一般不易達(dá)到暴雨量級(jí)。在山區(qū)，陣雨受地形影響，局地差異較大，這類天氣可稱為局地陣雨天氣過(guò)程。本節(jié)選取較為典型的4次局地陣雨天氣過(guò)程，分析其降水量隨海拔高度的變化（圖9）。如圖所示，各次局地陣雨過(guò)程降水量隨海拔高度的變化規(guī)律都不一樣，差異較大，表明局地陣雨過(guò)程降水量與海拔高度無(wú)明顯的相關(guān)性。單次局地陣雨過(guò)程降水最大值往往集中在某一海拔高度，其他海拔高度降水少甚至無(wú)降水。究其原因，可能是局地陣雨空間尺度較小，降水范圍和最大降水強(qiáng)度具有較高的隨機(jī)性。

圖9 局地陣雨過(guò)程降水量梯度變化

3 結(jié)論

本文利用西南地區(qū)東部重慶巫溪大官山氣象梯度觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了降水隨地形海拔高度的變化規(guī)律及其在不同降水天氣過(guò)程的差別，得到以下幾點(diǎn)主要結(jié)論：

（1）西南地區(qū)東部大官山降水量總體隨海拔的升高而增大。2019年和2020年降水量隨海拔高度的分布有一定差別，但降水量偏差率隨海拔高度的變化特征較為接近，其平均變化率為1.32%/100 m，最大降水高度在海拔1900 m左右。

（2）降水量隨海拔高度的平均變化率在夏、秋季高，冬、春季低。各季節(jié)降水變化率中，夏季為3.31 mm/100 m，秋季為1.39 mm/100 m，冬季為0.50 mm/100 m，春季為0.67 mm/100 m。各月降水變化率中，7月最高，達(dá)5.06 mm/100 m，1月和11月最低，分別為0.23 mm/100 m和0.29 mm/100 m。

（3）總降水日數(shù)和小雨日數(shù)隨高度的線性變化趨勢(shì)較顯著，上升率分別為2.86 d/100 m和2.56 d/100m。中雨、大雨、暴雨日數(shù)隨高度變化均呈升高趨勢(shì)，但日數(shù)最大值的高度各不相同，中雨日數(shù)約在海拔2200 m，大雨日數(shù)約在海拔1900 m，暴雨日數(shù)約在海拔2500 m。

（4）降水量日變化分布在不同海拔高度基本一致，最大降水量多集中在06～09時(shí)，其中，高海拔地區(qū)在13～15時(shí)存在次高峰。降水強(qiáng)度高值時(shí)段多集中在06～09時(shí)。降水頻率隨海拔高度的升高而增大，高海拔降水頻率在15時(shí)左右達(dá)到最高，為22.6%。

（5）降水隨海拔高度的變化與天氣過(guò)程密切相關(guān)。持續(xù)陰雨天氣過(guò)程降水量隨海拔高度的變化比較穩(wěn)定，總體呈逐步升高的趨勢(shì)；暴雨天氣過(guò)程降水量總體隨海拔的升高而升高，但每次暴雨天氣過(guò)程降水量梯度變化差異較大；局地陣雨過(guò)程的局地性最強(qiáng)、最分散，其降水量與海拔高度相關(guān)性不明顯。

限于所用研究資料的時(shí)間序列較短，本文對(duì)大官山降水隨海拔高度變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)還較為初步。在未來(lái)的工作中，可通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)西南地區(qū)東部山地降水梯度變化特征的影響機(jī)制做更深入的研究。