FAST周邊2010—2020年暴雨特征分析

茍 楊，宋彥棠，謝亞玲,顧 欣

(1.貴州省黔南布依族苗族自治州氣象局，貴州 都勻 558000；2.貴州省黔東南苗族侗族自治州氣象局，貴州 凱里 556000)

0 引言

世界最大單口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡“中國天眼”(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，以下簡稱FAST)坐落在貴州省黔南州平塘縣克度鎮(zhèn)一處喀斯特洼地中，是世界上規(guī)模最大、最靈敏的巨型射電望遠(yuǎn)鏡，已被列入中國九大科技基礎(chǔ)設(shè)施之一。FAST肩負(fù)著搜尋與發(fā)現(xiàn)射電脈沖星、巡視宇宙中的中性氫、探測星際分子、搜尋星際通訊信號(hào)等科學(xué)目標(biāo)[1-2]。自投入運(yùn)行以來，F(xiàn)AST附近發(fā)生過多起由暴雨引起的山體崩塌。FAST一帶為典型的喀斯特地貌，山體高聳直立，有很多大于60°～70°的陡峻山坡,暴雨之后山體高處的巖塊較易發(fā)生突然崩塌。FAST核心區(qū)與周圍山體距離不到10 m，暴雨衍生的巖崩對(duì)FAST的安全運(yùn)行構(gòu)成一定威脅，故本文對(duì)FAST周邊暴雨的發(fā)生時(shí)間和強(qiáng)度等特征進(jìn)行基本分析，以期為FAST的暴雨氣象保障服務(wù)提供初步的科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

采用2010—2020年FAST周邊最近的克度、塘邊、董架3個(gè)區(qū)域自動(dòng)站的降水量資料，主要包括20—20時(shí)降水量、08—08時(shí)降水量、逐小時(shí)降水量。資料來自CIMISS數(shù)據(jù)庫，并經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制。利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析FAST周邊暴雨的發(fā)生規(guī)律，其中20時(shí)或08時(shí)統(tǒng)計(jì)出暴雨的，計(jì)為當(dāng)日發(fā)生暴雨，20時(shí)和08時(shí)均統(tǒng)計(jì)出暴雨的，按雨量較大者計(jì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 FAST周邊暴雨概述

逐一分析2010—2020年FAST周邊克度、塘邊、董架(以下分析中3站均指按此順序排列)3個(gè)區(qū)域自動(dòng)站的日降水量，統(tǒng)計(jì)得出2010—2020年FAST周邊各站共發(fā)生暴雨43～47次，發(fā)生大暴雨5～7次，3站同天發(fā)生暴雨20次，每年發(fā)生1～4次，平均每年發(fā)生2次左右。其中，3站在2014年7月3日同天發(fā)生大暴雨1次，雨量分別為205.1 mm、167.7 mm、139.9 mm。3站平均雨量達(dá)100 mm的情況有6次，分別發(fā)生在2011年5月11日、2014年5月21日、2014年7月4日、2019年6月6日、2020年6月8日、2020年9月17日(表1)。

單獨(dú)分析克度、塘邊、董架3站的暴雨過程可以發(fā)現(xiàn)(表2)，2010—2020年FAST周邊3站年平均每年發(fā)生暴雨4次左右，以東南面的董架最多。對(duì)同一個(gè)地方，多次暴雨發(fā)生時(shí)間間隔越短，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性越大，統(tǒng)計(jì)FAST周邊各站2次暴雨的間隔時(shí)間發(fā)現(xiàn)，各站2次暴雨間隔時(shí)間在7 d以內(nèi)的情況并不頻發(fā)，每年發(fā)生0.5～0.6次。各站2次暴雨發(fā)生的間隔時(shí)間最短為1～2 d，最短間隔的2次暴雨累計(jì)雨量為110.6～150.2 mm，1周內(nèi)2次暴雨累計(jì)雨量最大為212.9～308.5 mm。各站連續(xù)3次暴雨發(fā)生的最短時(shí)間在11～13 d，近11 a 1個(gè)月內(nèi)發(fā)生3次暴雨4～6次。各站1 d最大雨量為149.0～205.1 mm。

表1 2010—2020年FAST周邊3站同天發(fā)生暴雨過程統(tǒng)計(jì)表(單位：mm)Tab.1 Statistics of heavy rains occurring in the same day at three stations around FAST from 2010 to 2020(unit:mm)

表2 2010—2020年FAST周邊3站暴雨統(tǒng)計(jì)表Tab.2 The rainstorm statistics of three stations around FAST from 2010 to 2020

FAST周邊暴雨雨量在50.9～205.1 mm之間，從周邊3站2010—2020年暴雨雨量分布圖(圖略)可以看出，F(xiàn)AST周邊最易發(fā)生的暴雨雨量是50.0～99.9 mm，占86.7%。大暴雨以上降水(≥100 mm)發(fā)生的概率為13.3%，發(fā)生了18站次，其中100.0～149.9 mm占11.1%，150.0～199.9 mm占1.5%，特大暴雨(≥200 mm)發(fā)生1次，占0.7%，發(fā)生在2014年7月4日FAST東北面克度站。

2.2 FAST周邊暴雨月際分布

從2010—2020年FAST周邊暴雨次數(shù)的月際分布圖(圖1)可以看出，F(xiàn)AST周邊暴雨主要發(fā)生在夏秋季，但在不易發(fā)生暴雨的冬季也有過暴雨發(fā)生(2019年1月8日克度站)。逐月發(fā)生頻次呈雙峰型分布，在6月達(dá)到峰值，在9月有1個(gè)小峰值。其中，F(xiàn)AST周邊暴雨最易發(fā)生的月份是6月，其次是7月和9月。此外，F(xiàn)AST周邊大暴雨主要發(fā)生在5月、6月，分別發(fā)生8站次、6站次大暴雨，特大暴雨發(fā)生在7月(圖略)。

圖1 2010—2020年FAST周邊暴雨次數(shù)的月際分布圖Fig.1 Inter-monthly distribution of heavy rain around FAST from 2010 to 2020

2.3 FAST周邊暴雨小時(shí)分布

一般情況下，我們將每小時(shí)降水量≥20 mm的降水現(xiàn)象定義為短時(shí)強(qiáng)降水。FAST周邊各站暴雨中出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的過程有32～34次，占70%～74%。研究發(fā)現(xiàn)，采用20 mm·h-1標(biāo)準(zhǔn)來統(tǒng)計(jì)FAST周邊暴雨的發(fā)生時(shí)間有些不妥。以克度站為例，2020年9月16日04—08時(shí)中，05時(shí)降水量為13 mm，其余各時(shí)次降雨量>20 mm，若只統(tǒng)計(jì)20 mm·h-1以上小時(shí)降水，則會(huì)認(rèn)為05時(shí)暴雨有間斷，與事實(shí)不符。2014年7月3日，凌晨以后較強(qiáng)降水從02時(shí)一直持續(xù)到06時(shí)，若用20 mm·h-1統(tǒng)計(jì)，則會(huì)認(rèn)為較強(qiáng)降水是從03時(shí)持續(xù)到05時(shí)。外加FAST臺(tái)站對(duì)10 mm·h-1以上小時(shí)降水有氣象決策服務(wù)需求。所以，本文將≥10 mm·h-1的降水作為FAST暴雨發(fā)生的主要貢獻(xiàn)者。統(tǒng)計(jì)分析2010—2020年FAST周邊各站各次暴雨過程中逐小時(shí)雨量發(fā)現(xiàn)，主要貢獻(xiàn)者易出現(xiàn)在22—次日06時(shí)。23時(shí)出現(xiàn)27次，00時(shí)、01時(shí)、02時(shí)、03時(shí)、04時(shí)、05時(shí)出現(xiàn)24～25次，22時(shí)、06時(shí)出現(xiàn)15～18次，10—20時(shí)出現(xiàn)0～6次，其余時(shí)段出現(xiàn)9～14次(見表3)。

表3 FAST周邊暴雨過程小時(shí)雨強(qiáng)≥10 mm時(shí)間分布(單位：次)Tab.3 Time distribution of hourly rain intensity ≥10 mm during heavy rain around FAST(unit:times)

總的來說，F(xiàn)AST周邊暴雨在夜間至清晨(22—06時(shí))最易發(fā)生，在上午至午后(07—13時(shí))和傍晚至剛?cè)胍?18—21時(shí))較易發(fā)生，下午(14—17時(shí))不易發(fā)生。這是由于FAST周邊的暴雨主要有2個(gè)水汽源地，一個(gè)是孟加拉灣，另一個(gè)是南海和東海，其中以越過中南半島、經(jīng)云南到達(dá)的西南暖濕氣流輸送最為重要，在暴雨發(fā)生前12 h或24 h西南低空急流開始建立，夜間急流加強(qiáng)，輸送的低層水汽和不穩(wěn)定能量加強(qiáng)，所以FAST周邊暴雨的發(fā)生更易出現(xiàn)在夜間。

大多數(shù)情況下，F(xiàn)AST周邊1次暴雨天氣過程總會(huì)有主要貢獻(xiàn)者，這樣的情況占近11 a暴雨總數(shù)的88.2%，即FAST周邊大多數(shù)情況下暴雨是對(duì)流性或混合性降雨。68%的情況下，1次暴雨過程有1～2個(gè)主要貢獻(xiàn)者，這其中又以2個(gè)主要貢獻(xiàn)者的情況最多，占46%。28%的暴雨過程有3～4個(gè)主要貢獻(xiàn)者，有5個(gè)以上主要貢獻(xiàn)者的情況有6次。塘邊暴雨的主要貢獻(xiàn)者最多為6個(gè)，出現(xiàn)了1次；董架暴雨的主要貢獻(xiàn)者最多為5個(gè)，出現(xiàn)了1次；克度暴雨的主要貢獻(xiàn)者最多為7個(gè)，出現(xiàn)了2次。

擁有2個(gè)主要貢獻(xiàn)者的暴雨過程中，76%的過程主要貢獻(xiàn)者是連續(xù)出現(xiàn)的。擁有3個(gè)主要貢獻(xiàn)者的暴雨過程中，59%的過程主要貢獻(xiàn)者是連續(xù)出現(xiàn)的。擁有4個(gè)主要貢獻(xiàn)者的暴雨過程中，42%的過程主要貢獻(xiàn)者是連續(xù)出現(xiàn)的。所有擁有5個(gè)及以上主要貢獻(xiàn)者的暴雨過程中，主要貢獻(xiàn)者都是間斷出現(xiàn)的，但最長連續(xù)出現(xiàn)的時(shí)間有5 h，出現(xiàn)在2014年7月3日和2020年9月16日克度站、 2019年6月9日塘邊站。有間斷出現(xiàn)的31次暴雨過程中，27次過程間斷1次，間隔時(shí)間為1～17 h，4次過程間斷2次，間隔時(shí)間為1～6 h。

主要貢獻(xiàn)者的小時(shí)雨強(qiáng)在10～66.1 mm之間，51%在10.0～19.9 mm，23%在20.0～29.9 mm，13%在30.0～39.9 mm，6%在40.0～49.9 mm，4%在50.0～59.9 mm，2%在60 mm及以上。1 h降暴雨的情況有17站次，雨急量大，總降水量多在80 mm以上。60 mm以上的6次分別出現(xiàn)在2015年5月20日00時(shí)塘邊62.8 mm和01時(shí)克度61.5 mm、2012年4月28日00時(shí)克度62.2 mm、2010年7月30日00時(shí)董架66.1 mm、2014年5月21日03時(shí)董架65 mm、2018年5月12日03時(shí)董架64.6 mm。這6次擁有60 mm以上雨強(qiáng)的暴雨過程中，2015年5月20日持續(xù)1 h，2010年7月30日、2014年5月21日持續(xù)4 h，其余2次持續(xù)了2 h。

表4 FAST周邊暴雨發(fā)生時(shí)段統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistics of heavy rain occurrence period around FAST

綜合以上分析，F(xiàn)AST周邊暴雨持續(xù)時(shí)間總體較短，多數(shù)情況為1～2 h，但也有長達(dá)7 h的暴雨發(fā)生，且一般持續(xù)時(shí)間越長，降水量越大，暴雨雨量和暴雨發(fā)生時(shí)長呈相關(guān)系數(shù)為0.836的正相關(guān)關(guān)系。這個(gè)結(jié)論和暴雨發(fā)生條件是吻合的。暴雨發(fā)生條件中，除了較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)和水汽輸送外，還有一點(diǎn)是較長的持續(xù)時(shí)間，而持續(xù)幾個(gè)小時(shí)的較強(qiáng)降水，通常情況下都有“列車效應(yīng)”伴隨，不斷有對(duì)流云團(tuán)生成并經(jīng)過暴雨區(qū)[3]。FAST周邊最長連續(xù)較強(qiáng)降水時(shí)間為5 h，所有擁有5個(gè)及以上主要貢獻(xiàn)者的暴雨過程都是間斷出現(xiàn)的。

3 結(jié)論與討論

① 2010—2020年FAST周邊3站平均每年各發(fā)生暴雨4次左右、發(fā)生大暴雨1次左右，平均每年同天發(fā)生暴雨2次左右。各站2次暴雨發(fā)生的間隔時(shí)間最短為1～2 d，最短間隔的2次暴雨累計(jì)雨量為110.6～150.2 mm，1周內(nèi)2次暴雨累計(jì)雨量最大為212.9～308.5 mm。

②FAST周邊最易發(fā)生的暴雨雨量是50～100 mm，占86.7%。近11 a最大的雨量為2014年7月4日FAST東北面克度站205.1 mm。

③FAST周邊暴雨主要發(fā)生在夏秋季，在不易發(fā)生暴雨的冬季也有過暴雨發(fā)生(2019年1月8日克度站)。最易發(fā)生的月份是6月，最易發(fā)生的時(shí)段是夜間至清晨(22時(shí)—06時(shí))。

④FAST周邊暴雨持續(xù)時(shí)間總體較短，多數(shù)情況為1～2 h，但也有長達(dá)7 h的暴雨發(fā)生，1 h降暴雨的情況有17站次，雨急量大，總降水量多在80 mm以上。

由于降水在空間上是不連續(xù)的，本文使用包圍著FAST距離最近的3個(gè)站點(diǎn)的降水資料，與FAST臺(tái)址點(diǎn)的降雨存在一定差異，若在FAST臺(tái)址設(shè)立了自動(dòng)站，可利用單站資料再次進(jìn)一步研究。