四川省近10年極端小時(shí)降水時(shí)空分布特征

鄧 彪 , 王春學(xué) , 孫 蕊 , 王順久

（四川省氣候中心/高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610072）

引言

四川省處于我國第一到第二階梯的地勢(shì)過渡地帶，地理位置特殊，西部是高山高原，東部為四川盆地，氣候類型多樣[1-3]。21 世紀(jì)以來，在氣候變暖背景下，四川地區(qū)極端降水事件呈增多增強(qiáng)的趨勢(shì)，導(dǎo)致短時(shí)強(qiáng)降水對(duì)總降水的貢獻(xiàn)也相應(yīng)增加。例如，2013年7月7～10日盆地西部出現(xiàn)持續(xù)強(qiáng)降水事件，共有39個(gè)縣（市）出現(xiàn)暴雨，其中有18個(gè)縣（市）降了大暴雨；都江堰本站24 h 降雨量達(dá)415.9 mm，大邑24 h 降雨量279.2 mm，均打破其歷史極值；此次過程多地1 h 雨量達(dá)到90～120 mm，其中都江堰幸福鎮(zhèn)9日03 時(shí)小時(shí)雨量為125.3 mm。2020年8月10～13日，盆地多地出現(xiàn)極端降水事件，蘆山站日降水量達(dá)429.2 mm，10日18時(shí)小時(shí)雨量為134.6 mm?？梢姡捎谔厥獾牡乩憝h(huán)境和地質(zhì)地貌條件[4]，四川地區(qū)強(qiáng)降水及其引發(fā)的山洪、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，可造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，深入開展區(qū)域強(qiáng)降水事件的發(fā)生規(guī)律及物理機(jī)制研究具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

已有研究[5]表明，區(qū)域極端降水時(shí)空分布極不均勻，使用日降水資料會(huì)高估長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)性弱降水的強(qiáng)度，低估短時(shí)間強(qiáng)降水的強(qiáng)度，使用次日尺度的降水資料可以更加準(zhǔn)確地反映極端降水強(qiáng)度及其時(shí)空變化特征。近年來，隨著小時(shí)降水資料的逐步完善，基于小時(shí)降水資料在四川省天氣氣候業(yè)務(wù)中的應(yīng)用研究越來越多。周秋雪等[6]利用2008～2012年四川地區(qū)氣象觀站逐時(shí)降水資料，根據(jù)1 h 雨量的不同，把強(qiáng)小時(shí)雨強(qiáng)劃分為三個(gè)等級(jí)（20、30、50 mm/h），分析了每年汛期出現(xiàn)上述三類強(qiáng)小時(shí)雨強(qiáng)的頻次變化和1h最大降水量的變化特征。王彬雁等[7]選取2010～2016年5～9月四川省157個(gè)國家自動(dòng)氣象站小時(shí)降水資料，采用皮爾遜Ⅲ型概率分布模型對(duì)四川全省小時(shí)降水進(jìn)行擬合，給出超過不同閾值的降水累積概率空間分布，計(jì)算了最大小時(shí)降水量的概率分布和重現(xiàn)期極值。毛冬艷等[8]選取1981～2010年西南地區(qū)國家級(jí)地面氣象站逐小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)，以小時(shí)降水量＞20 mm 為標(biāo)準(zhǔn)，定義了西南地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水，分析指出四川盆地西南部為短時(shí)強(qiáng)降水高發(fā)區(qū)，尤其是盆地西部邊緣地區(qū)小時(shí)降水最強(qiáng)，超過80 mm/h，極端小時(shí)降水達(dá)123.1 mm/h?？梢?，針對(duì)四川地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水事件的研究已取得豐富成果，并在業(yè)務(wù)工作中廣泛應(yīng)用。但需要注意的是，由于川西高原、攀西山地和盆地區(qū)域地貌特征明顯，降水區(qū)域差異大，極端降水閾值的選取需要考慮本地的降水特點(diǎn)，僅采用絕對(duì)閾值法不能完全反映出高原山地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空特征。因此，本文將利用百分位法確定各地相對(duì)的極端小時(shí)降水閾值，分區(qū)域討論極端降水強(qiáng)度、頻次、貢獻(xiàn)率、月變化及日變化特征，重點(diǎn)分析盆地和攀西地區(qū)50 mm/h以上以及川西高原25 mm/h 以上的小時(shí)強(qiáng)降水事件，期望進(jìn)一步了解四川省極端小時(shí)降水的時(shí)空演變規(guī)律，為氣象防災(zāi)減災(zāi)及決策氣象服務(wù)提供科學(xué)參考。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文選取2012～2020年四川省156個(gè)國家氣象站逐小時(shí)降水資料，按北京時(shí)整點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，即每個(gè)整點(diǎn)時(shí)次測(cè)得的降水量為之前1 h 累計(jì)降水量。該資料來自于四川省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心CIMISS 氣象數(shù)據(jù)源，經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制。按氣候類型特點(diǎn)，將四川地區(qū)分3個(gè)區(qū)域：川西高原（包括甘孜州和阿壩州的31個(gè)縣站）、攀西地區(qū)（指涼山州和攀枝花市的21個(gè)縣站）和四川盆地（省內(nèi)其余17 市的104個(gè)縣站）。

1.2 研究方法

本文采用百分位法定義極端小時(shí)降水閾值[9-11]，統(tǒng)計(jì)出四川省各區(qū)域的極端小時(shí)降水樣本數(shù)[12]，分析并確定各地相應(yīng)的極端小時(shí)降水特征指標(biāo)。百分位法適用于各種分布類型的非參數(shù)方法，計(jì)算公式如下：

式中：Q(p)為第p百分位對(duì)應(yīng)的百分位數(shù)，Xj為升序排列后的樣本序列的第j個(gè)值，n為樣本數(shù)，γ為p、n的函數(shù)。其中，j與γ的計(jì)算公式如下：

參照氣象業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，以≥20 mm/h 定義小時(shí)強(qiáng)降水，以≥50 mm/h 定義暴雨日[12]，對(duì)比分析第90、95、99 百分位數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，評(píng)判這三種常用百分位數(shù)作為四川省極端小時(shí)降水閾值的相對(duì)適宜性。表1給出了四川省各站2012～2020年第90、95、99 百分位數(shù)的小時(shí)降水特征及相應(yīng)滿足閾值條件的樣本站點(diǎn)百分比。分析可知：最小站點(diǎn)閾值均＜20 mm/h，沒有百分位數(shù)滿足所有站點(diǎn)閾值≥20 mm/h 的降水定義；對(duì)于第90 百分位數(shù)，沒有站點(diǎn)閾值達(dá)到50 mm/h，極端降水事件強(qiáng)度指標(biāo)減弱；第99 百分位數(shù)樣本占比最大，但站點(diǎn)閾值幾乎就是近10 a 四川地區(qū)的小時(shí)降水極大值，客觀上導(dǎo)致極端降水事件指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)減少；第95 百分位數(shù)有83.3%站點(diǎn)閾值滿足≥20 mm/h，部分站點(diǎn)閾值超過50 mm/h，可以較好地反映四川省高原、山地和盆地極端小時(shí)降水的統(tǒng)計(jì)特征。根據(jù)上述結(jié)果，結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)《極端降水監(jiān)測(cè)指標(biāo)GB/T33669-2017》[13]，本文選取第95 百分位小時(shí)降水閾值作為四川省極端小時(shí)降水閾值。

表1 2012～2020年四川省不同百分位極端小時(shí)降水閾值及站點(diǎn)百分比

本文用于分析極端小時(shí)降水特征的指標(biāo)[12]包括：小時(shí)降水極大值、極端小時(shí)降水頻次、極端小時(shí)降水強(qiáng)度和極端小時(shí)降水貢獻(xiàn)率。小時(shí)降水極大值為近10 a 各站最大小時(shí)降水量；極端小時(shí)降水頻次為某一時(shí)段內(nèi)超過極端小時(shí)降水閾值的小時(shí)數(shù)；極端小時(shí)降水強(qiáng)度為某一時(shí)段內(nèi)超過降水閾值的降水量之和除以相應(yīng)的降水頻次；極端小時(shí)降水貢獻(xiàn)率為某一時(shí)段內(nèi)超過降水閾值的降水量之和除以總降水量。采用克里金插值法對(duì)極端小時(shí)降水處理結(jié)果進(jìn)行空間插值處理。各區(qū)域平均值是該區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)指標(biāo)值的算術(shù)平均。

2 結(jié)果與分析

2.1 空間分布特征

圖1a 給出了2012～2020年四川省各站極端小時(shí)降水閾值的空間分布。如圖所示，四川省各站極端小時(shí)降水閾值的平均值為35.4 mm/h，四川盆地、攀西地區(qū)大部以及阿壩州北部的若爾蓋、紅原在20 mm/h 以上，其中盆地多地極端降水閾值在50 mm/h 以上，彭州、鹽亭、敘州和丹棱分別為59.2 mm/h、58.1 mm/h、57.0 mm/h 和56.9 mm/h。川西高原大部地區(qū)極端降水閾值相對(duì)較低，一般在20 mm/h 以下，康定等地低至9.2 mm/h。

圖1 2012～2020年四川省極端小時(shí)降水閾值（a）和小時(shí)降水極大值（b）的空間分布（單位：mm/h）

圖1b 給出了2012～2020年四川省年各站小時(shí)降水極大值空間分布。如圖所示，四川盆地是主要大值區(qū)，多地小時(shí)極大值超過50 mm/h；盆地中部、西南部及南部的小時(shí)降水極大值超過80 mm/h，蘆山站多達(dá)134.6mm/h；甘孜州小時(shí)極大值一般在30 mm/h 以下，康定站為11 mm/h；阿壩州和攀西大部地區(qū)介于30～50 mm/h。

圖2a給出了2012～2020年四川省3大區(qū)域極端小時(shí)降水站均頻次。如圖所示，四川盆地和攀西地區(qū)極端降水發(fā)生頻繁，極端小時(shí)降水頻次分別為5.8 次/站、4.6 次/站，川西高原發(fā)生相對(duì)較少為4.2 次/站。從各站年均頻次空間分布（圖2b）來看，四川盆地大部和攀西地區(qū)南部為高值區(qū)，多地年均極端小時(shí)降水頻率在0.6 次/年以上；盆地中部、西南部和南部為極大值中心，平均每年要出現(xiàn)一次極端強(qiáng)降水，蒲江年均極端小時(shí)降水頻率高達(dá)1.1 次/年，蘆山、大邑、蓬溪、遂寧和納溪等地均達(dá)0.9 次/年；川西高原和攀西地區(qū)北部為低值區(qū)，年均極端小時(shí)降水頻率介于0.3～0.4 次/年。

圖2 2012～2020年四川省不同區(qū)域極端小時(shí)降水站均頻次（a）和各站年均頻次空間分布（b）

如圖3a 所示，在四川省3 大區(qū)域中，四川盆地極端小時(shí)降水平均強(qiáng)度最大（50.8 mm/h），攀西地區(qū)次之（37.2 mm/h），川西高原最?。?9.6 mm/h）。圖3b 給出了四川省極端小時(shí)降水平均強(qiáng)度空間分布。如圖所示，盆地大部為高值區(qū)，盆地中部、西南部和南部極大值中心，極端小時(shí)降水平均強(qiáng)度高于70 mm/h，最大值出現(xiàn)在鹽亭（75.1 mm/h），其原因可能是盆地及盆周迎風(fēng)坡效應(yīng)對(duì)極端小時(shí)降水有顯著的增幅作用；攀西地區(qū)介于30～50 mm/h，川西高原強(qiáng)度相對(duì)較弱，一般低于30 mm/h，甘孜州部分地方甚至不足10 mm/h。

2012～2020年四川省3 大區(qū)域極端小時(shí)降水貢獻(xiàn)率的平均值依次為四川盆地（2.9%）、攀西地區(qū)（2.0%）和川西高原（1.4%）（圖4a）。盆地貢獻(xiàn)率最高，多地極端小時(shí)降水貢獻(xiàn)率高于2%，其中盆地中部、西南部及南部高值中心高達(dá)4%～5%；攀西地區(qū)南高北低；川西高原貢獻(xiàn)率最低，甘孜州部分地方不足1%（圖4b）。

圖4 同圖2，但為極端小時(shí)降水貢獻(xiàn)率

綜上可知，2012～2020年四川省各站極端小時(shí)降水閾值的空間分布與小時(shí)極大值分布一致。四川盆地為大值區(qū)，多地出現(xiàn)極端強(qiáng)降水中心，攀西地區(qū)為次大值區(qū)，川西高原為小值區(qū)；各區(qū)域因地形地勢(shì)的差異，極端小時(shí)降水的年均頻次、平均強(qiáng)度、貢獻(xiàn)率的高值區(qū)均集中在盆地和攀西地區(qū)南部，這種分布反映了極端強(qiáng)降水既與區(qū)域地形環(huán)流背景有關(guān)，也受局地環(huán)境差異和小尺度強(qiáng)對(duì)流天氣影響。

2.2 月變化特征

圖5 給出了2012～2020年四川省極端小時(shí)降水頻次的月變化特征。如圖所示，近10 a 四川省出現(xiàn)極端小時(shí)降水事件834 次，汛期（5～9月）共計(jì)797 次；7月極端小時(shí)降水頻次最高（282 次），8月次之（262 次），11月～次年3月出現(xiàn)最少（不足10 次）。從不同區(qū)域（圖5b～d）來看，四川盆地出現(xiàn)極端小時(shí)降水事件最多（608 次），川西高原次之（130 次），攀西地區(qū)最少（96 次）；盆地月變化特征與全省最為接近，汛期多，冬春季少；川西高原和攀西地區(qū)雨季特征更為明顯，川西高原6月最多（44 次），12月發(fā)生極端小時(shí)降水僅1 次；攀西地區(qū)8月最多（28 次），6月次之（27 次），1月僅有1 次。

針對(duì)四川盆地和攀西地區(qū)≥50 mm/h 以及川西高原≥25 mm/h 的小時(shí)強(qiáng)降水事件，統(tǒng)計(jì)分析了近10 a的月變化特征（圖5）。近10 a 四川省出現(xiàn)小時(shí)強(qiáng)降水事件286 次，7月和8月最為集中，多達(dá)200 次，占比同期極端小時(shí)降水頻次36.8%；四川盆地出現(xiàn)小時(shí)強(qiáng)降水事件274 次，月變化特征與全省相似，8月最多（107 次）；攀西地區(qū)出現(xiàn)小時(shí)強(qiáng)降水事件12 次，6月最多（6 次）；川西高原出現(xiàn)小時(shí)強(qiáng)降水事件19 次，7月最多（7 次）。

圖5 2012～2020年四川省極端小時(shí)降水和小時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次的月變化特征（a. 全省，b. 四川盆地，c. 川西高原，d. 攀西地區(qū)）

綜上可知，四川省汛期（5～9月）極端小時(shí)降水事件頻發(fā)，7月、8月最為集中，其中小時(shí)強(qiáng)降水事件占比超過1/3。分區(qū)域看，四川盆地發(fā)生極端小時(shí)降水頻次占全省的72.9%；四川盆地、川西高原和攀西地區(qū)發(fā)生極端小時(shí)降水頻次最多月份依次為7月、6月、8月，而小時(shí)強(qiáng)降水事件分別是8月、7月、6月發(fā)生頻次最高。

2.3 日變化特征

圖6a 給出了2012～2020年四川省極端小時(shí)降水發(fā)生頻次的日變化特征。如圖6a 所示，四川省近10 a在19 時(shí)～次日5 時(shí)發(fā)生極端小時(shí)降水66 次，02 時(shí)發(fā)生頻次最高，06～18 時(shí)發(fā)生13 次，14 時(shí)發(fā)生頻次最低。分區(qū)域（圖6b～d）來看，四川盆地在白天發(fā)生極端小時(shí)降水頻次相對(duì)較低，夜間相對(duì)較高，日變化與全省特征相似，這與盆地常年多夜雨特征相符；川西高原由于海拔高且晝夜溫差大，午后易發(fā)生局地降水事件，極端小時(shí)降水高發(fā)時(shí)段在16～23 時(shí)；攀西地區(qū)在白天發(fā)生極端小時(shí)降水頻次相對(duì)較低，夜間相對(duì)較高，高發(fā)時(shí)段分別在03 時(shí)和23 時(shí)，具有山地夜發(fā)性特征。

同樣，針對(duì)四川盆地和攀西地區(qū)≥50 mm/h 以及川西高原≥25 mm/h 的小時(shí)強(qiáng)降水事件，統(tǒng)計(jì)分析近10 a 的日變化特征（圖6）可知：四川省在19 時(shí)～次日05 時(shí)發(fā)生小時(shí)強(qiáng)降水事件183 次，白天為105 次，夜間占比達(dá)63.5%；小時(shí)強(qiáng)降水事件峰值分別出現(xiàn)在23 時(shí)、02 時(shí)和05 時(shí)；四川盆地發(fā)生小時(shí)強(qiáng)降水事件峰值時(shí)點(diǎn)與全省一致；川西高原小時(shí)強(qiáng)降水事件主要集中在17～22 時(shí)；攀西地區(qū)在00 時(shí)、06 時(shí)和10 時(shí)發(fā)生小時(shí)強(qiáng)降水事件可能性較大。

圖6 同圖5，但為日變化特征

綜上可知，四川省出現(xiàn)極端小時(shí)降水頻次的日變化具有單峰特征，夜間發(fā)生特點(diǎn)明顯。盆地5 時(shí)發(fā)生頻次最高，川西高原主峰出現(xiàn)在21 時(shí)，攀西地區(qū)高頻次發(fā)生在02 時(shí)。全省夜間發(fā)生小時(shí)強(qiáng)降水事件占比達(dá)63.5%，各區(qū)域小時(shí)強(qiáng)降水事件高峰時(shí)段差異大。

3 結(jié)論

本文選取2012～2020年四川省156個(gè)國家氣象觀測(cè)站小時(shí)降水資料，在利用百分位法確定極端小時(shí)降水閾值的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)分析了全省極端小時(shí)降水的時(shí)空分布特征，得到以下主要結(jié)論：

（1）2012～2020年四川省極端小時(shí)降水閾值的平均值為35.4 mm/h，其空間分布與小時(shí)極大值分布一致。四川盆地為大值區(qū)，多地出現(xiàn)極端強(qiáng)降水中心，極端小時(shí)降水閾值在50 mm/h 以上，極大值超過80 mm/h，蘆山站高達(dá)134.6mm/h；攀西地區(qū)為次大值區(qū)；川西高原極端小時(shí)降水閾值相對(duì)較小。近10 a 極端小時(shí)降水的年均頻次、平均強(qiáng)度、貢獻(xiàn)率的高值區(qū)均主要集中在四川盆地和攀西地區(qū)南部。

（2）四川省汛期（5～9月）極端小時(shí)降水事件頻發(fā)，7月、8月最為集中，小時(shí)強(qiáng)降水事件占比超過1/3。四川盆地、川西高原和攀西地區(qū)極端小時(shí)降水發(fā)生頻次分別在7月、6月和8月達(dá)到最高，而小時(shí)強(qiáng)降水事件分別在8月、7月、6月發(fā)生頻次最高。

（3）四川省發(fā)生極端小時(shí)降水頻次的日變化具有單峰特征，夜發(fā)特點(diǎn)明顯。四川盆地在05 時(shí)發(fā)生頻次最高，川西高原峰值出現(xiàn)在21 時(shí)，攀西地區(qū)峰值出現(xiàn)在02 時(shí)。四川省夜間發(fā)生小時(shí)強(qiáng)降水事件占比達(dá)63.5%，各區(qū)域峰值出現(xiàn)時(shí)段差異顯著。