1961-2017年中國中東部暖季小時強降水時空變化特征

張志富， 希 爽

(1.國家氣象信息中心，北京 100081； 2.中國氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預報中心，北京 100081)

引 言

短時強降水引起的暴雨洪澇是中國夏季最主要的災害之一[1]。短時強降水在短時間內(nèi)可以引發(fā)嚴重的洪澇、城市內(nèi)澇等災害，甚至可以引發(fā)泥石流和山洪等地質(zhì)災害，從而易導致重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。如1975年8月上旬河南的大暴雨，在淮河中上游造成了空前的洪水災害[2]，水庫垮壩，經(jīng)濟損失達到幾億元。1991年5-7月江淮地區(qū)出現(xiàn)嚴重的暴雨和洪澇[3]，造成了600億元的直接經(jīng)濟損失。2004年7月10日北京城區(qū)突發(fā)暴雨，城區(qū)內(nèi)兩小時降水達到70 mm以上，造成城區(qū)大面積積水，公路交通多處擁堵，局部癱瘓。2005年6月10日12時至15時，黑龍江寧安市沙蘭鎮(zhèn)發(fā)生了200年一遇的特大暴雨過程，3小時降雨量達120 mm，造成117人死亡，其中小學生有105人。2012年“7·21”北京特大暴雨，雨量歷史罕見，全市受災人口達190萬人，79人遇難，經(jīng)濟損失近百億元。因此，深入研究短時強降水的時空分布特征，對于我國的防災減災有非常重要的意義[4]。

一直以來，短時強降水的發(fā)生機理、數(shù)值模擬、預報方法及氣候特征分析等，都是我國氣象科學研究的重要方向之一。從20世紀70年代起，陶詩言[2,5]和丁一匯[3，6]等就對我國暴雨進行了系統(tǒng)性研究，研究主要集中在我國20世紀暴雨的氣候分布、成因分析，指出我國大暴雨主要發(fā)生在華北、江淮和華南三個緯度帶上。翟盤茂等[7-9]研究了我國極端降水的變化趨勢，以及極端降水與降水總量的關系，指出我國西部和長江中下游到華南地區(qū)的極端降水事件趨于增多，華北和四川盆地地區(qū)呈顯著減少趨勢，極端降水與平均降水趨勢一致。鮑名[10-11]和黃榮輝[12]等對我國暴雨的變化特征研究表明，我國夏季暴雨發(fā)生頻率具有明顯的年代際變化，局地持續(xù)性暴雨事件主要發(fā)生在江南和華南地區(qū)，東部季風區(qū)夏季暴雨與洪澇的關系非常密切。宇如聰[13-16]和李建[17]等研究了我國大陸降水日變化特征，揭示了中國大陸夏季降水存在顯著的日變化，且區(qū)域特征鮮明，提出降水過程的不對稱性，不同季節(jié)不同區(qū)域的短時降水和持續(xù)性降水的峰值時間有差異。

由于小時降水觀測數(shù)據(jù)的限制，關于短時強降水的研究大部分局限于基于日或月平均數(shù)據(jù)所得到的夏季中國中東部或局部城市區(qū)域降水的時空演變或持續(xù)性變化特征等[18-26]，而對于中國大范圍小時尺度的短時強降水的時空分布研究相對較少。本文將利用臺站小時降水觀測數(shù)據(jù)，從小時尺度降水的時空分布、區(qū)域特征等方向入手，分析研究中國中東部地區(qū)暖季小時尺度降水的發(fā)生規(guī)律和變化特征。

1 數(shù)據(jù)和方法

本文所用的數(shù)據(jù)為基于降水自記紙數(shù)字化形成的全國1951-2017年中國大陸2400多個氣象觀測站的逐小時降水數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)經(jīng)過國家氣象信息中心對人工、自記紙、自動站不同來源的數(shù)據(jù)進行的整合，通過了細致的質(zhì)量控制，包含氣候界限值檢查、區(qū)域界限值檢查、時間一致性檢查、空間一致性檢查等。在稱重式雨量計業(yè)務應用之前，我國臺站雨量計測量的小時降水均為非固態(tài)降水，南方地區(qū)的臺站全年有小時降水觀測記錄，北方地區(qū)的臺站在冷季一般無小時降水觀測，大多觀測于5月開始，到9-10月結(jié)束，這與我國暖季降水出現(xiàn)時間一致。為保證全國不同地區(qū)降水數(shù)據(jù)的一致性和可比性，本文選取有35年以上小時降水觀測的2097站(圖略)1961-2017年5月1日到9月30日的小時降水觀測數(shù)據(jù)，對小時降水超過20 mm(我國強對流天氣預報業(yè)務中一般定義的短時強降水[27])的強降水，通過極端、平均、區(qū)域平均時間序列分析等[28-30]方法，對我國小時強降水的時空變化特征進行分析。

中國降水有明顯的區(qū)域特征，有必要對降水進行分區(qū)域研究和分析。利用各站小時降水量，建立各站歷年極端小時降水量序列，對該序列進行EOF分解，其中前2個特征值所對應的典型場描述精度超過了86%(圖略)。典型場顯示，中國極端小時降水量有明顯的東南-西北向的分布趨勢。根據(jù)典型場的分布，將中國中東部劃分為5個區(qū)域(表1)：中北部地區(qū)、東北地區(qū)、東部沿海、中部地區(qū)、華南地區(qū)，分區(qū)研究中國短時強降水的氣候特征。在進行區(qū)域平均分析時，為避免我國不同區(qū)域站點分布不均造成的差異，采用Jones等[31]提出的經(jīng)緯度網(wǎng)格面積加權平均方法，先進行網(wǎng)格化處理，將區(qū)域劃分為2.5°×2.5°網(wǎng)格，計算區(qū)域內(nèi)每個網(wǎng)格的平均值，再將區(qū)域內(nèi)所有非空網(wǎng)格值進行算術平均，得出區(qū)域平均值。

表1 中國中東部劃分區(qū)域范圍

2 結(jié)果與分析

2.1 空間變化特征

2.1.1 極端小時降水

在1961-2017年5-9月極端小時降水量的空間分布上(圖略)，超過100 mm/h的站點主要分布在東部沿海和華南地區(qū)，部分站點在中部地區(qū)；80～100 mm/h的站點分布與100 mm/h以上的臺站分布類似，但東北地區(qū)部分站點出現(xiàn)80～100 mm/h的過程；50～80 mm/h的站點除在華南地區(qū)、中北部地區(qū)分布較少外，其他區(qū)域均有較多站點出現(xiàn)此級別的強降水過程，說明華南地區(qū)大部分站點出現(xiàn)超過80 mm/h的強降水過程；20～50 mm/h的站點主要分布在中北部地區(qū)，在中部地區(qū)西北部及東北地區(qū)有零散分布。

極端小時降水發(fā)生月份有明顯的自南向北逐漸推進的特征(圖略)，華南地區(qū)的極端小時降水發(fā)生月份以5月、6月和9月為主，7月和8月較少；中部地區(qū)以6-8月為主；中北部地區(qū)、東部沿海和東北地區(qū)都以7-8月為主，這與我國雨帶自南向北推進的走勢相一致。極端小時降水發(fā)生時次相對分散(圖略)，華南地區(qū)的極端小時降水發(fā)生時次大部分在凌晨和晚間(00-05時和18-23時)，白天相對較少，但下午(12-17時)發(fā)生站點比上午(06-11時)的多；中部地區(qū)以凌晨和上午(00-05時和06-11時)為主；中北部地區(qū)以下午和傍晚(12-17時和18-23時)為主；東部沿海地區(qū)發(fā)生時次相對分散；東北地區(qū)以下午和傍晚(12-17時和18-23時)為主。

2.1.2 平均小時降水

年平均小時強降水發(fā)生時次數(shù)空間分布有明顯的東南-西北分布特征(圖略)。我國內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏、青海、新疆、西藏，山西、陜西西北部、四川、云南西北部、黑龍江、吉林東部地區(qū)的平均小時強降水發(fā)生時次數(shù)少于1次，東三省大部分、京津冀、山東、河南、湖北、湖南、重慶、貴州、云南、山西、陜西東南部、長江三角洲地區(qū)發(fā)生時次數(shù)為2～4次，江蘇、安徽、江西、福建、廣東、廣西發(fā)生時次數(shù)為5～10次，超過10次的區(qū)域主要分布在兩廣的沿海和海南地區(qū)。極大小時強降水發(fā)生時次數(shù)也是東南-西北的分布特征(圖略)，我國內(nèi)蒙古、山西、陜西、寧夏、甘肅、青海、新疆、西藏、四川、云南西部地區(qū)、黑龍江、吉林東部地區(qū)的極大小時強降水發(fā)生時次數(shù)少于5次，極大小時強降水發(fā)生時次為5～10次的主要分布東三省大部分、京津冀、河南、湖北、湖南、重慶、浙江、貴州和云南地區(qū)，極大小時強降水發(fā)生時次為10～20次的主要分布在江蘇、安徽、江西、福建、廣東、廣西和四川東部，極大小時強降水發(fā)生時次數(shù)超過20次的除了在兩廣的沿海和海南地區(qū)外，在福建、江西、湖南、湖北也有零散分布。從極大小時強降水發(fā)生時次數(shù)與平均發(fā)生時次數(shù)的差異上看，我國黑龍江、吉林、內(nèi)蒙古、山西、陜西、寧夏、甘肅、青海、新疆、西藏、云南、河北北部、四川西部地區(qū)差異值較小，說明發(fā)生強降水的年分布相對平穩(wěn)，我國遼東半島、山東半島、中部、東南沿海等大部分地區(qū)的差異值相對較大，差異值超過15次的區(qū)域分布在廣東、廣西沿海和海南地區(qū)，這些區(qū)域強降水發(fā)生次數(shù)的平均和極大值均較多，江蘇、河南、湖北、江西、福建等地區(qū)也有個別站差異值超過15次，說明這些地區(qū)出現(xiàn)過強降水發(fā)生次數(shù)極端增多的年份。

在平均小時強降水發(fā)生月份比率分區(qū)分布上(圖1)，中北部地區(qū)5月發(fā)生比率最少，不到3%，9月的次之，不到5%，6月發(fā)生比率略增加，約12%，主要集中在7月和8月，分別占45%和35%。東北地區(qū)和中北部地區(qū)分布相似，主要集中在7月和8月，分別占46%和33%，其次是6月，占14%，5月和9月的較少，分別占1%和6%。東部沿海地區(qū)，較北部兩個區(qū)域，5月、6月和9月占比率略提高，分別占8%、19%和9%，7月和8月略下降，分別占35%和29%。中部地區(qū)與東部沿海地區(qū)分布相似，7月和8月分別占34%和29%，5月、6月和9月占比率分別占11%、18%和8%。華南地區(qū)分布比率各月差異相對較少，除9月占12%外，5-8月各月均在22%左右，其中6月的最大，占25%。

圖1 1961-2017年5-9月中國區(qū)域平均小時強降水

在小時強降水發(fā)生時次比率分布上(圖2)，中北部地區(qū)的發(fā)生時次的單峰值趨勢明顯，比率超過5%的峰值在14-21時，累計占比超過51%，比率在2%左右的低值在09-11時。東北地區(qū)的發(fā)生時次分布與中北部的相似，峰值(比率超過5%)發(fā)生時次略有提前，在13-19時，累計占比超過43%，低值(比率2%左右)在07-09時。東部沿海地區(qū)的發(fā)生時次分布存在兩個峰值，第一個峰值點(比率超過5%)在14-19時，累計占比超過34%，第二個峰值點(比率超過3.8%)在05-07時，兩個低值分布在23時-次日02時和10-11時。中部地區(qū)的發(fā)生時次是單峰值趨勢，峰值(比率超過5%)主要集中在23時-次日04時，累計占比超過33%，低值(比率2.5%左右)

圖2 1961-2017年中國區(qū)域平均小時強降水發(fā)生時次比率分區(qū)特征

在10-14時。華南地區(qū)的發(fā)生時次分布與東部沿海相似，第一個峰值(比率超過5%)在14-18時，第二個峰值(比率超過3.9%)在04-06時，兩個低值分布在22-23時和09-11時。

2.2 時間變化特征

圖3給出了1961-2017年逐年區(qū)域平均小時強降水發(fā)生日數(shù)的逐月分布，中北部地區(qū)小時強降水發(fā)生日數(shù)相對較少，20世紀60年代末小時強降水發(fā)生日數(shù)出現(xiàn)第一次活躍期，之后進入逐年變動趨勢，分別在20世紀80年代末到90年代初、21世紀10年代出現(xiàn)第二次和第三次活躍期，活躍期有20～30年的周期性變化特征及周期縮短趨勢。東北地區(qū)強降水發(fā)生日數(shù)相對中北部地區(qū)有所增加，從20世紀80年代末開始，小時強降水發(fā)生日數(shù)從不活躍期轉(zhuǎn)變?yōu)榛钴S期。東部沿海和中部地區(qū)小時強降水一直為逐年波動的變化趨勢，無明顯活躍期轉(zhuǎn)變。華南地區(qū)小時強降水發(fā)生日數(shù)相對最多，20世紀70年代初小時強降水發(fā)生日數(shù)出現(xiàn)第一次活躍期，之后進入逐年變動趨勢，在21世紀00年代出現(xiàn)第二次活躍期，活躍期有30年左右的周期性變化特征。在逐年區(qū)域平均小時強降水發(fā)生時次數(shù)的逐時分布上(圖4)，中北部地區(qū)小時強降水發(fā)生時次數(shù)相對較少，20世紀60年代末小時強降水發(fā)生時次數(shù)出現(xiàn)第一次活躍期，之后進入逐年變動趨勢，分別在20世紀90年代末、21世紀10年代出現(xiàn)第二次和第三次活躍期，活躍期有20～30年的周期性變化特征及周期縮短趨勢。東北地區(qū)強降水發(fā)生時次數(shù)相對

圖3 1961-2017年5-9月中國逐年區(qū)域平均小時強降水發(fā)生日數(shù)的逐月分布圖

中北部地區(qū)有所增加，分別在20世紀80年代中期和90年代中期存在兩個活躍期。東部沿海和中部地區(qū)小時強降水發(fā)生時次數(shù)一直為逐年波動的變化趨勢，無明顯活躍期的轉(zhuǎn)變。華南地區(qū)小時強降水發(fā)生時次數(shù)相對最多，20世紀70年代初小時強降水出現(xiàn)第一次活躍期，之后進入相對非活躍期，在21世紀00年代后出現(xiàn)第二次活躍期，活躍期有30年左右的周期性變化特征。

圖4 1961-2017年5-9月中國逐年區(qū)域平均小時強降水發(fā)生時次數(shù)的逐時分布圖

在5個區(qū)域的區(qū)域平均小時強降水發(fā)生日數(shù)(圖5a)上，年變化均有線性增長趨勢，均未通過0.05的顯著性檢驗。中北部地區(qū)、東北地區(qū)、東部沿海、中部地區(qū)、華南地區(qū)的線性增長率分別為0.43天/10a、0.83天/10a、0.81天/10a、0.46天/10a、1.96天/10a。東部沿海和華南地區(qū)還存在二階變化趨勢，東部沿海二階趨勢較華南地區(qū)的更明顯，但都是在1980-1990年存在一個小時強降水發(fā)生日數(shù)的低值。區(qū)域平均小時強降水發(fā)生時次數(shù)(圖5b)與發(fā)生日數(shù)的變化趨勢相似，各區(qū)域均有線性增長趨勢，均未通過0.05的顯著性檢驗。中北部地區(qū)、東北地區(qū)、東部沿海、中部地區(qū)、華南地區(qū)的線性增長率分別為0.36次/10a、0.80次/10a、0.91次/10a、0.41次/10a、2.26次/10a。發(fā)生時次的增長率在東部沿海和華南地區(qū)較日數(shù)增長率略有增加，其他區(qū)域均略有減少。同樣，東部沿海和華南地區(qū)還存在二階變化趨勢，東部沿海小時強降水發(fā)生時次數(shù)的低值較日數(shù)低值略有提前，華南地區(qū)低值仍然在1980-1990年。

綜上，在強降水發(fā)生日數(shù)上，中北部地區(qū)活躍期有20～30年的周期性變化特征及周期縮短趨勢，東北地區(qū)20世紀80年代末開始從不活躍期轉(zhuǎn)變?yōu)榛钴S期，東部沿海和中部地區(qū)無明顯活躍期轉(zhuǎn)變，華南地區(qū)活躍期有30年左右的周期性變化特征。在強降水發(fā)生次數(shù)上，中北部地區(qū)活躍期有20～30年的周期性變化特征及周期縮短趨勢，東北地區(qū)在20世紀80年代中期和90年代中期存在兩個活躍期，東部沿海和中部地區(qū)無明顯活躍期轉(zhuǎn)變，華南地區(qū)活躍期有30年左右的周期性變化特征。

所有區(qū)域的年變化均有線性增長趨勢，均未通過0.05的顯著性檢驗。華南地區(qū)的線性增長率最大，分別達到1.96天/10a和2.26次/10a，東部沿海和華南地區(qū)存在二階變化趨勢，在1980-1990年存在日數(shù)和時次數(shù)的低值。

圖5 1961-2017年5-9月中國不同區(qū)域平均小時強降水發(fā)生日數(shù)(a)和時次數(shù)(b)的年變化趨勢

3 結(jié) 論

(1)在極端小時降水量的空間分布上，超過100 mm/h的站點主要分布在東部沿海和華南地區(qū)，華南地區(qū)大部分站點出現(xiàn)超過80 mm/h的強降水過程，東部沿海大部分站點出現(xiàn)超過50 mm/h的強降水過程，中部地區(qū)有部分站點出現(xiàn)100 mm/h以上的過程，大部分為50～80 mm/h；東北地區(qū)部分站點出現(xiàn)80～100 mm/h的過程，大部分為50～80 mm/h；中北部地區(qū)大部分站點出現(xiàn)20～50 mm/h的強降水過程。

(2)極端小時降水發(fā)生月份有明顯自南向北逐漸后推特征，華南地區(qū)以5月、6月和9月為主，中部地區(qū)以6-8月為主，中北部地區(qū)、東部沿海和東北地區(qū)以7-8月為主。極端小時降水發(fā)生時次相對分散，華南地區(qū)大部分在凌晨和晚間，東部沿海無明顯集中時次，中部地區(qū)以凌晨和上午為主，東北地區(qū)和中北部地區(qū)以下午和傍晚為主。

(3)小時強降水年平均、極大小時強降水發(fā)生時次數(shù)均有明顯的東南-西北分布特征，我國西北六省、內(nèi)蒙古、山西、四川、云南等地區(qū)的年平均時次少于1次、極大時次少于5次，東三省、京津冀、河南、湖北、湖南、重慶、貴州、云南等地區(qū)年平均時次數(shù)為2～4次、極大時次數(shù)為5～10次，江蘇、安徽、江西、福建、廣東、廣西等地區(qū)發(fā)生時次為5～10次、極大時次為10～20次，平均超過10次、極大超過20次的區(qū)域主要分布在兩廣的沿海和海南地區(qū)。

(4)在平均小時強降水發(fā)生月份的比率分布上，華南地區(qū)小時強降水各月分布差異相對較小，6月的最大，其他區(qū)域的小時強降水主要集中在7月和8月。在小時強降水發(fā)生時次的比率分布上，中北部和東北地區(qū)的發(fā)生時間主要集中在13-21時，07-11時發(fā)生概率較小，中部地區(qū)的發(fā)生時間主要集中在23時-次日04時，10-14時發(fā)生的概率較小，東部沿海和華南地區(qū)的發(fā)生時間都主要集中在14-19時和04-07時，22時-次日02時和09-11時發(fā)生概率較小。

(5)在強降水發(fā)生日數(shù)和次數(shù)上，中北部地區(qū)活躍期有20～30年的周期性變化特征及周期縮短趨勢，東北地區(qū)在20世紀80年代開始有活躍期變化，東部沿海和中部地區(qū)無明顯活躍期轉(zhuǎn)變，華南地區(qū)活躍期有30年左右的周期性變化特征。所有區(qū)域的年變化均有線性增長趨勢，均未通過0.05的顯著性檢驗，華南地區(qū)的線性增長率最大，分別達到1.96天/10a和2.26次/10a，東部沿海和華南地區(qū)存在二階變化趨勢，在1980-1990年存在日數(shù)和時次數(shù)的低值。