基于自動(dòng)站資料的梧州市短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空特征分析

孫靖雯，王建東，盧偉萍，譚勝寒，寧晨陽(yáng)

（1.梧州市氣象局，廣西 梧州 543000；2.來(lái)賓市氣象局，廣西 來(lái)賓 546100；3.廣西壯族自治區(qū)氣象科學(xué)研究所，南寧 530022；4.藤縣氣象局，廣西 藤縣 543300）

短時(shí)強(qiáng)降水是發(fā)生頻率最高的氣象災(zāi)害之一，致災(zāi)性強(qiáng)，次生災(zāi)害多，會(huì)造成城市內(nèi)澇、給交通出行帶來(lái)嚴(yán)峻考驗(yàn)，同時(shí)也與滑坡、泥石流、洪澇等災(zāi)害密切相關(guān)［1-4］。許多學(xué)者對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水開展諸多研究。冉津江等［5］利用四川盆地2011—2020 年1 688站逐時(shí)降水觀測(cè)資料，研究四川盆地短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空變化特征，并指出其與地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生呈現(xiàn)高度正相關(guān)。肖蕾等［6］采用統(tǒng)計(jì)診斷分析方法發(fā)現(xiàn)貴州省的短時(shí)強(qiáng)降水高發(fā)區(qū)出現(xiàn)在西南部“喇叭口”地形和東南部雷公山南側(cè)“喇叭口”地形與河谷地形重疊區(qū)域。李宏華等［7］研究表明云南境內(nèi)的短時(shí)強(qiáng)降水頻次年際差異較大且具有明顯的日變化特征。蔡晶等［8］基于廣東省國(guó)家級(jí)自動(dòng)站和區(qū)域中尺度氣象站小時(shí)降水資料，發(fā)現(xiàn)廣東省短時(shí)強(qiáng)降水多發(fā)生在河谷、湖泊和喇叭口地形區(qū)且日變化表現(xiàn)為明顯的雙峰型，主峰在午后至傍晚時(shí)段，次峰在早晨前后［1］。廖勝石等［9］研究表明廣西極端短時(shí)強(qiáng)降水特征不僅與地形密切相關(guān)，而且隨著南海夏季風(fēng)的爆發(fā)，從5 月第6 候起，發(fā)生極端短時(shí)強(qiáng)降水的站點(diǎn)和頻次迅速增加。李建鴻等［10］研究發(fā)現(xiàn)廣西極端連續(xù)降水空間分布情況與廣西地形地貌空間分布有較好的吻合性，表明廣西極端連續(xù)降水主要受地理環(huán)境和大氣環(huán)流的影響。

梧州市地處西江干流，位于桂江和潯江交匯處，是全國(guó)的重點(diǎn)防洪城市之一，同時(shí)也是全國(guó)少有的受地質(zhì)災(zāi)害威脅較嚴(yán)重的城市之一［11］。梧州市短時(shí)強(qiáng)降水頻發(fā)，容易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，導(dǎo)致城市內(nèi)澇、交通癱瘓等，同時(shí)也給水庫(kù)防汛等帶來(lái)嚴(yán)峻考驗(yàn)。因此，利用梧州市高密度的自動(dòng)氣象站資料，對(duì)梧州市短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空變化特征進(jìn)行研究，加深了解該區(qū)域內(nèi)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生規(guī)律，為梧州市相關(guān)部門預(yù)防災(zāi)害提供決策依據(jù)，也為精細(xì)化預(yù)報(bào)預(yù)警、農(nóng)業(yè)區(qū)劃、水資源利用、城市建設(shè)等提供一定的參考。

1 資料與方法

梧州市自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)從2003 年1 月開始逐步布設(shè)，如今已經(jīng)基本覆蓋梧州市各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，并積累大量的降水資料。為了數(shù)據(jù)時(shí)間序列能夠統(tǒng)一，本研究挑選梧州市2013 年前建站且分布較為均勻的153 個(gè)自動(dòng)氣象站（包括5 個(gè)國(guó)家觀測(cè)站和148 個(gè)區(qū)域觀測(cè)站）逐時(shí)降水資料。梧州市具有四周高、中間低的地形特點(diǎn)，多山地丘陵地貌，南北被大瑤山、大桂山、云開大山包圍，山脈皆呈東北-西南走向，山體平均海拔在1 200 m 以下［12］。

當(dāng)某站點(diǎn)1 h 雨量超過(guò)20 mm 時(shí)，則記作該站點(diǎn)發(fā)生1 次短時(shí)強(qiáng)降水，當(dāng)多個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)，則站次累加。本文主要運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法計(jì)算梧州市短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 時(shí)間分布特征

2.1.1 年分布特征

2013—2022 年，梧州市共發(fā)生15 625 次短時(shí)強(qiáng)降水事件，年平均每站出現(xiàn)10.2 次；年發(fā)生頻次（圖1a）呈現(xiàn)“W”式波動(dòng)變化，最多頻次出現(xiàn)在2016年，出現(xiàn)1975 站次，平均每站出現(xiàn)12.91 次，最大出現(xiàn)在藤縣大黎站、東榮大帶站以及蒙山縣陳塘村站，出現(xiàn)28 次；其次是2014 年，出現(xiàn)1 855 站次，平均每站出現(xiàn)12.12 次；2018 年和2021 年出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的頻次異常偏少，可能是由于這兩年夏季西太平洋副熱帶高壓位置異常偏北［13-14］造成水汽輸送至梧州地區(qū)比常年同期偏弱所致。

圖1 梧州市短時(shí)強(qiáng)降水頻次逐年（a）、逐月（b）、逐時(shí)（c）分布圖

2.1.2 月分布特征

梧州市全年都可能出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水（圖1b），3—9 月是梧州市短時(shí)強(qiáng)降水事件出現(xiàn)最多的月份，共出現(xiàn)14 967 站次，占總頻次的95.8%，月際分布呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，主峰出現(xiàn)在5—6 月，出現(xiàn)3 289 站次，次峰出現(xiàn)在8 月，出現(xiàn)2 709 站次，12 月—次年1 月出現(xiàn)的較少，過(guò)去10 a 間僅出現(xiàn)4 站次。從梧州上空大氣演變的氣候特征分析，3—4 月，大陸性冷高壓變?nèi)?，鋒面活動(dòng)變多［15］，冷暖空氣容易在梧州上空交綏，易出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣；5—6 月是南海夏季風(fēng)強(qiáng)盛時(shí)期，從海上來(lái)的暖濕氣流配合高空槽、低空切變線等斜壓性天氣系統(tǒng)［16］，是導(dǎo)致梧州市短時(shí)強(qiáng)降水頻發(fā)的主要系統(tǒng)和配置；7 月，西北太平洋副熱帶高壓北跳，梧州受副熱帶高壓控制，以炎熱少雨天氣為主，故而短時(shí)強(qiáng)降水頻次相對(duì)減少；8 月之后，西北太平洋副熱帶高壓再次北跳，梧州容易受到東風(fēng)波、熱帶氣旋等系統(tǒng)的影響［17］，出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的頻次再次增加；9 月后，梧州穩(wěn)定受副高脊控制，大氣垂直層結(jié)穩(wěn)定［17］，短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次迅速減少。

2.1.3 日分布特征

從短時(shí)強(qiáng)降水日變化特征（圖1c）可以看出，13:00—20:00 是梧州市短時(shí)強(qiáng)降水的高發(fā)時(shí)段，共出現(xiàn)7 608 站次，占總頻次的48.7%，午后太陽(yáng)輻射增加，有較好的熱力條件使得梧州市在午后到傍晚時(shí)段內(nèi)短時(shí)強(qiáng)降水事件頻發(fā)［18］；00:00—01:00 是出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水概率最低的時(shí)段，僅出現(xiàn)2.24%。

2.2 空間分布特征

2.2.1 站次空間分布特征

2013—2022 年梧州市共計(jì)出現(xiàn)15 625 站次的短時(shí)強(qiáng)降水，站均出現(xiàn)102.1 次；蒙山119.5 次、藤縣98.1 次、蒼梧107.3 次、梧州89.8 次、岑溪107.8 次，發(fā)生頻次在區(qū)域上呈現(xiàn)出南北高中部低的特點(diǎn)。使用傳統(tǒng)排序法，將梧州縣（市、區(qū)）的短時(shí)強(qiáng)降水極值進(jìn)行排序得到不同分位數(shù)不同區(qū)域所對(duì)應(yīng)的小時(shí)雨量閾值（表1），可以看出，過(guò)去10 a 間梧州市1 h 降水量極值出現(xiàn)在2016 年8 月10 日梧州市區(qū)的龍圩站（135.2 mm）。通過(guò)表1 不同分位數(shù)所對(duì)應(yīng)的小時(shí)雨量閾值分析，可以發(fā)現(xiàn)岑溪不同分位數(shù)對(duì)應(yīng)的小時(shí)雨量閾值遠(yuǎn)高于全市平均值，蒙山域緊隨其后；僅在99.5%分位數(shù)略低于全市平均值，其余分位數(shù)均高于平均值。全市在50%、75%分位數(shù)時(shí)對(duì)應(yīng)的小時(shí)雨量閾值相差不大，但在95%、99%、99.5%時(shí)出現(xiàn)較大差異。相差值最大達(dá)到11.5 mm。表明梧州的降雨空間分布上非常不均勻，對(duì)于當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)決策部門來(lái)說(shuō)，暴雨、山洪、泥石流防御是比較大的考驗(yàn)。

表1 2013—2022 年梧州市短時(shí)強(qiáng)降水極大值分布及百分位閾值

以全市短時(shí)強(qiáng)降水排序在50%、75%、95%、99%、99.5%分位數(shù)所對(duì)應(yīng)的小時(shí)雨量為閾值，分析梧州市2013—2022 年不同雨強(qiáng)的短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生總次數(shù)以及1h 最大降水量分布，可以看出，高于50百分位（26.2 mm）共計(jì)出現(xiàn)7 824 次，其中高頻發(fā)區(qū)位于藤縣大黎氣象觀測(cè)站，共出現(xiàn)87 次1 h 降水量≥26.2 mm 過(guò)程，其次為蒙山夏宜六洛氣象觀測(cè)站（82 次），兩站點(diǎn)位于梧州市的西北角接近大瑤山。次高頻率區(qū)域?yàn)樯n梧縣東北區(qū)域以及岑溪區(qū)域，出現(xiàn)頻次較少的區(qū)域集中在藤縣-梧州一帶的平原地區(qū)。高于75 百分位（32.5 mm）共計(jì)出現(xiàn)3 924 次，高頻次區(qū)域仍然集中于蒙山及藤縣東北部，最高出現(xiàn)在藤縣大黎氣象觀測(cè)站（49 次），低頻區(qū)域繼續(xù)擴(kuò)大呈現(xiàn)出片狀。高于90 百分位（48.4 mm）785 次，在分布上呈現(xiàn)出與前兩個(gè)閾值基本一致格局。高頻區(qū)域繼續(xù)下降，低頻區(qū)域擴(kuò)散到藤縣北部、蒼梧大部、岑溪北部，高頻地區(qū)僅集中在藤縣大黎鎮(zhèn)（16 次）、岑溪梨木鎮(zhèn)（12 次）、蒼梧石橋鎮(zhèn)（11 次）等少數(shù)區(qū)域；高于99 百分位（65.4 mm）共計(jì)出現(xiàn)158 次，高頻區(qū)域出現(xiàn)在蒼梧石橋（6 次）、蒙山黃村（5 次）、岑溪梨木、岑溪?dú)w義、蒙山陳塘、岑溪南渡、藤縣古龍?zhí)镄模? 次），以上站點(diǎn)共計(jì)出現(xiàn)35 次占全市的22%。高于99.5 百分位（72.0 mm）梧州共計(jì)出現(xiàn)79 次；岑溪南渡出現(xiàn)4 次、蒼梧石橋、岑溪?dú)w義、岑溪大業(yè)均出現(xiàn)3 次；剩余66 個(gè)站點(diǎn)發(fā)生1～2 次；剩余97 個(gè)站點(diǎn)未發(fā)生。梧州有94.1%的站點(diǎn)1 h 降水量極大值介于50 和100 mm 之間，有4 個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)1 h 降雨量≥100 mm，分別是龍圩站（135.2 mm）、蒙山長(zhǎng)坪站（103.4 mm）、蒼梧石橋站（103.3 mm）以及岑溪糯垌（101.4 mm），有較強(qiáng)的極端性，更易引發(fā)災(zāi)害，因此，在梧州市短時(shí)臨近天氣業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中，要加強(qiáng)對(duì)這幾個(gè)站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)。

2.2.2 年平均頻次空間分布特征

圖2（a）是梧州市短時(shí)強(qiáng)降水年平均頻次空間分布圖，可以明顯看出，梧州市短時(shí)強(qiáng)降水空間分布極不均勻，有多個(gè)頻發(fā)相對(duì)集中區(qū)。蒙山縣南部的夏宜鄉(xiāng)、漢豪鄉(xiāng)以及藤縣北部的大黎鎮(zhèn)、寧康鄉(xiāng)是最容易發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水事件的區(qū)域，年平均出現(xiàn)14.2～15.6 次；蒼梧縣北部的六堡鎮(zhèn)以及岑溪市的糯垌鎮(zhèn)、馬路鎮(zhèn)、南渡鎮(zhèn)等地也是短時(shí)強(qiáng)降水頻發(fā)中心。藤縣的南部和梧州城區(qū)則是短時(shí)強(qiáng)降水事件相對(duì)低頻區(qū)域。對(duì)比梧州市地形，可以發(fā)現(xiàn)，短時(shí)強(qiáng)降水的高頻發(fā)區(qū)與地形有很好相關(guān)性，主要分布在大瑤山、大桂山以及云開大山附近，氣流沿山坡抬升，使得山脈迎風(fēng)坡處短時(shí)強(qiáng)降水多發(fā)。與梧州市年平均暴雨日數(shù)（圖2b）相比可以發(fā)現(xiàn)，短時(shí)強(qiáng)降水高頻發(fā)區(qū)與暴雨中心，以及低頻發(fā)區(qū)與出現(xiàn)暴雨較少的區(qū)域均有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說(shuō)明短時(shí)強(qiáng)降水對(duì)梧州市暴雨貢獻(xiàn)較大。

圖2 梧州市年平均短時(shí)強(qiáng)降水頻次（a，單位：次）和年平均暴雨日數(shù)（b，單位：d）空間分布

2.2.3 汛期頻次空間分布特征

許多學(xué)者對(duì)華南地區(qū)汛期降雨特征的研究［19-21］表明，前汛期（4—6 月）和后汛期（7—9 月）的降雨具有完全不同的性質(zhì)，圖3 是梧州市前汛期和后汛期短時(shí)強(qiáng)降水事件發(fā)生頻次的空間分布圖，總體而言，前汛期發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水頻次要高于后汛期，且空間分布有較大差異性。前汛期短時(shí)強(qiáng)降水高頻發(fā)區(qū)在大瑤山附近的蒙山縣南部和藤縣北部以及位于大桂山附近的蒼梧縣北部區(qū)域，受地形阻擋和抬升作用，從北方的弱冷空氣與暖濕氣流容易在這兩處區(qū)域交匯，容易觸發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣。到了后汛期，午后太陽(yáng)輻射增溫強(qiáng)于前汛期［18］，此時(shí)臺(tái)風(fēng)、東風(fēng)波等熱帶系統(tǒng)進(jìn)入活躍期，受地形強(qiáng)迫抬升作用影響［21］，偏東南暖濕氣流容易在云開大山東側(cè)迎風(fēng)坡處輻合抬升，導(dǎo)致梧州市南部的短時(shí)強(qiáng)降水事件頻發(fā)。

圖3 梧州市2013—2022 年前汛期（a）和后汛期（b）短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生總次數(shù)空間分布（單位：次）

2.2.4 日變化頻次空間分布特征

參考石娟等［22］的方法將一天分為上午（05:00—13:00）、午后（13:00—21:00）和夜間（21:00—05:00），分別統(tǒng)計(jì)三個(gè)時(shí)段內(nèi)梧州市各站點(diǎn)的短時(shí)強(qiáng)降水頻次（圖4），可以明顯的看出，不同時(shí)段的空間差異較為顯著。夜間，短時(shí)強(qiáng)降水的高頻發(fā)區(qū)位于梧州市北部的蒙山縣、蒼梧縣以及藤縣的北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)；上午時(shí)段發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水頻次較夜間總體偏多，高頻發(fā)區(qū)域有所收縮，僅僅出現(xiàn)在蒙山縣南部以及藤縣北部。午后發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水的頻次進(jìn)一步增多，且高頻發(fā)區(qū)域較夜間和上午時(shí)段有較大的差異，主要出現(xiàn)在梧州市的南部地區(qū)。

圖4 不同時(shí)段內(nèi)梧州市短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生總次數(shù)空間分布圖（單位：次）

4 結(jié)論

本文根據(jù)2013—2022 年梧州市153 個(gè)加密自動(dòng)站逐小時(shí)降水觀測(cè)資料，分析梧州市短時(shí)強(qiáng)降水分布特征，主要得到以下結(jié)論:

（1）梧州市短時(shí)強(qiáng)降水年發(fā)生頻次呈現(xiàn)“W”式波動(dòng)變化，最多頻次出現(xiàn)在2016 年。受夏季西太平洋副熱帶高壓位置異常偏北影響，2018 年和2021年出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的頻次異常偏少；3—9 月是梧州市短時(shí)強(qiáng)降水事件出現(xiàn)最多的月份，月際分布總體呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，主峰出現(xiàn)在5—6 月，次峰出現(xiàn)在8月；梧州市短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次有明顯的日變化特征，高頻發(fā)時(shí)段出現(xiàn)在13—20 時(shí)。

（2）梧州市短時(shí)強(qiáng)降水50%、75%、95%、99%、99.5%百分位數(shù)對(duì)應(yīng)閾值分別是26.2 mm、32.5 mm、48.4 mm、65.4 mm、72.0 mm。過(guò)去10 a 間梧州市1 h 降水量最大值出現(xiàn)在2016 年8 月10 日的龍圩站（135.2 mm），大部站點(diǎn)1 h 降水量極大值介于50 和100 mm 之間。

（3）梧州市短時(shí)強(qiáng)降水頻次呈現(xiàn)南北多中部少的特征，跟地形分布高度相關(guān)，主要分布在大瑤山、大桂山以及云開大山附近；短時(shí)強(qiáng)降水高頻發(fā)區(qū)與暴雨中心也有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說(shuō)明短時(shí)強(qiáng)降水對(duì)梧州市暴雨貢獻(xiàn)較大。

（4）梧州市前汛期發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水頻次要高于后汛期，且空間分布有較大差異性。前汛期短時(shí)強(qiáng)降水高頻發(fā)區(qū)在大瑤山附近的蒙山縣南部和藤縣北部以及位于大桂山附近的蒼梧縣北部區(qū)域，后汛期，高頻發(fā)區(qū)出現(xiàn)在梧州市南部云開大山附近區(qū)域。

（5）梧州市日內(nèi)不同時(shí)段短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次空間差異較顯著，夜間短時(shí)強(qiáng)降水的高頻發(fā)區(qū)位于梧州市北部區(qū)域。上午時(shí)段出現(xiàn)在蒙山縣南部以及藤縣北部。午后高頻區(qū)域主要出現(xiàn)在梧州市的南部地區(qū)。