基于小時降水資料的貴州降水精細(xì)特征分析

羅乃興，周 林，李 楊，倪 雷

（貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550002）

研究區(qū)域性降水的時空特征，是探尋氣候的區(qū)域特征的重要一環(huán)[1-3]。貴州省位于我國低緯度云貴高原的東部，是中國第一與第三階梯的過渡地帶，受東亞季風(fēng)與西南季風(fēng)的共同影響[4]。貴州具有獨特的天氣、氣候特征，其降水時空分布受氣候變化引起的季風(fēng)變化影響明顯[5-6]。副熱帶高壓、850 hPa 緯向風(fēng)、熱帶氣旋、靜止鋒等是影響貴州降水的主要天氣系統(tǒng)[7-10]。

由于境內(nèi)東西海拔變化大，貴州高原降水空間分布不均，呈現(xiàn)東多西少的特點，存在3 個多雨中心和1 個少雨帶，降水重心在貴陽市與黔南州交界地帶。貴州暴雨及降水主要出現(xiàn)在5—9 月，且月際變化大[11-12]，其地域分布受地形影響顯著[13]。貴州年降水日數(shù)在145～213 d，其中小雨日數(shù)對總降水日數(shù)的貢獻(xiàn)最大，暴雨日數(shù)與年總降水量關(guān)系密切，冬季北部平均凍雨日在3～9 d[14-15]。姚莉等[16]在分析我國小時雨強的時空分布特征后指出貴州地區(qū)百年一遇的小時雨強達(dá)60～80 mm/h。肖蕾等[17]利用84 個國家觀測站數(shù)據(jù)探討了貴州短時強降水的時空分布特征，并指出其整體上主要發(fā)生在夜間。日內(nèi)降水方面，夜雨和夜間暴雨現(xiàn)象同樣顯著，夜雨率均值高達(dá)62%[18-19]。

近年來，隨著區(qū)域自動觀測站的全面布網(wǎng)，小時尺度的高密度降水資料得以獲取，更多的細(xì)節(jié)特征也日益被學(xué)者所關(guān)注[20-22]，但目前研究多集中在短時強降水（小時雨強≥20 mm/h）的時空分布特征[23-24]。在貴州地區(qū)，谷曉平等[25]對2020 年的汛期降水特征分析后指出，高密度區(qū)域站數(shù)據(jù)能更好地反映降水細(xì)節(jié)特征，而降水?dāng)?shù)據(jù)小時化后暴雨的時間特征被進(jìn)一步細(xì)化。王芬等[26]討論了黔西南短時強降水的特征，指出短時強降水和暴雨有著同樣的空間分布特征，該州68%暴雨天氣中都伴有短時強降水，而且其夜雨現(xiàn)象同樣明顯。

目前降水的時長特征主要用以分析高風(fēng)險性降水（暴雨和短時強降水等）持續(xù)時間，而熊明明等[27]在分析天津小時降水特征時將總降水時數(shù)視為總降水樣本數(shù)，進(jìn)而得到小時平均雨強，兩者相結(jié)合可以很好地解釋短時強降水的分布情況。為此，選取近10 年來貴州區(qū)域站的小時降水資料，將降水時長和降水量結(jié)合起來，通過分析貴州雨量、降水時長特征，以及平均雨量和短時強降水的關(guān)系，揭示貴州不同季節(jié)降水的精細(xì)化特征，以及降水的日內(nèi)變化和傳播特點。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

貴州地處中國地勢的第二階梯、云貴高原的東斜坡地帶，位于103°31′～109°30′E，24°30′～29°13′N，山地和丘陵占92.5%。貴州地勢西高東低，海拔高度為147.8～2 900.6 m，平均海拔約1 100 m。貴州總體可以分為3 個階梯，第一級階梯為平均海拔1 500 m以上的貴州西部，主要為畢節(jié)和六盤水、黔西南西側(cè)地區(qū)，以高原和山地為主；第三級階梯為平均海拔800 m 以下，主要包括銅仁和黔東南大部分地區(qū)，其中在低山丘陵間屹立著苗嶺山脈主峰雷公山和武陵山脈主峰梵凈山，兩地較周圍地區(qū)高1 000 m 以上；其余地區(qū)為第二級階梯，呈現(xiàn)中部高、南北低的分布。

資料選用經(jīng)過篩選的2010—2019 年貴州省區(qū)域自動站的逐小時水量觀測資料。所有數(shù)據(jù)通過貴州省數(shù)據(jù)中心質(zhì)量控制及均一性檢驗和信息化處理（時間均為北京時）。對于小時降水量＞60 mm/h 的數(shù)據(jù)，運用周邊站點降雨情況及本站降雨序列圖等多方對照核實后使用。并對觀測站點進(jìn)行了篩選，步驟如下：（1）站點數(shù)據(jù)的時間長度應(yīng)＞5 a；（2）連續(xù)時段內(nèi)缺測率在5%以內(nèi)。按上述質(zhì)量控制后，實際參與分析的站點共有2 683 個（圖1）。

圖1 研究區(qū)域地形及區(qū)域觀測站點分布（Δ代表國家站的位置，●代表區(qū)域自動站的位置）

降水定義采用中國氣象局的業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，即1 h降水量≥0.1 mm 定義為一次降水事件，達(dá)到20 mm稱為一次短時強降水事件。區(qū)域平均雨強定義為1 h內(nèi)所有降水事件的累計降水量與總降水站數(shù)之比，單位：mm/h。區(qū)域性小時降水事件定義為1 h 內(nèi)發(fā)生降水站次≥100 站次。為了方便討論貴州降水的日內(nèi)變化特征，將1 d 分為6 個時段：上半夜（20—23 時）、下半夜（00—03 時）、凌晨（04—07 時）、上午（08—11 時）、下午（12—15 時）和傍晚（16—19 時）。將全年分為汛期（4—9 月）和非汛期（10 月—次年3月）。

2 結(jié)果與分析

2.1 年平均降水量的總體分布特征

2010—2019年貴州年降水量在800～1 600 mm，呈現(xiàn)西北少東南多（圖2a）的分布特點。雖然南部降水普遍比北部多，但同一緯度上，普遍存在著東多西少的特征。多雨區(qū)（≥1 200 mm）主要位于貴州海拔最低的第三級階梯，其中三處峰值分布于該區(qū)域的兩處高峰（雷公山和梵凈山）周圍和海拔最低的貴州東南邊緣的河谷地帶，地形迎風(fēng)坡效應(yīng)明顯。少雨區(qū)主要位于烏蒙山脈的主體及其背風(fēng)坡，具體為貴州最西部的威寧（貴州海拔最高的區(qū)域）至遵義南部，該區(qū)域年降水量最小，均值在900 mm 左右，其中威寧最低。另一處稍弱的少雨帶為望謨和紫云以西的北盤江河谷地帶，該地帶呈西北—東南走向，與春夏盛行于850 hPa 的西南氣流近乎垂直。

圖2 2010—2019 年貴州省年平均降水量（a，單位：mm）和年平均降水時長（b，單位：h）

年平均降水時長在1 000 h 左右，分布呈現(xiàn)東多西少的特點（圖2b），東部最多（＞1 100 h），西部（畢節(jié)、黔西南、六盤水）為900 h 左右。降水時數(shù)最短地區(qū)為黔西南，總時長<800 h；而高值區(qū)與降水量高值區(qū)有所重疊，但貴州北部則僅是降水時長高值區(qū)。結(jié)合年降水量分布圖可以發(fā)現(xiàn)，貴州大部分地區(qū)兩者呈正位相分布，但兩個地區(qū)呈反位相：黔西南地區(qū)年降水量稍多但時長最短，表明當(dāng)?shù)亟邓螖?shù)偏少但平均強度偏強；遵義地區(qū)年降水量偏少，但時長最長，表明降水次數(shù)偏多但平均強度偏弱。

2.2 月際降水特征

貴州的降水呈現(xiàn)以6 月為峰值（227 mm）的近似正態(tài)分布（圖3），最小值出現(xiàn)在2 月（24.3 mm），其中4—9 月是主要的降水時段，貢獻(xiàn)了全年76.1%的降水，是貴州的汛期。與之相比，月際降水時長變化幅度較小，谷值出現(xiàn)在冬季的2 月（66.5 h），峰值出現(xiàn)在6 月（123.5 h），汛期降水時長最短月為夏季副熱帶高壓控制的8 月（76.5 h）。

圖3 2010—2019 年貴州平均的月降水量和月降水時長

月際降水強度方面，以月平均雨強1 mm/h 為界分為兩部分，即10 月—次年3 月，降水量偏小，降水量明顯小于降水時長，平均雨強為0.47 mm/h，以層狀云降水為主；4—9 月，降水量開始超過降水時長（尤其是夏季），平均雨強為1.61 mm/h，對流降水占主導(dǎo)，其對應(yīng)的短時強降水發(fā)生概率為0.4%，即為3.5 次左右，這與貴州全年短時強降水發(fā)生次數(shù)基本相當(dāng)，是貴州短時強降水發(fā)生的主要時期。

汛期區(qū)域性小時降水（降水站數(shù)＞100 站）事件中，區(qū)域平均雨強的累計分布（圖4a）呈近似對數(shù)分布，累計比重為前期快速增長，中后期增速逐漸變慢。中位數(shù)是0.8 mm/h，75%概率對應(yīng)1.7 mm/h，說明一般情況下，降水強度期望為0.8 mm/h，而大多數(shù)情況降水強度<1.7 mm/h，只有1%的雨強＞5.1 mm/h。

圖4 汛期（4—9 月）區(qū)域性小時降水事件中，不同量級的小時平均雨量的累計出現(xiàn)概率（a）及短時強降水（＞20 mm/h）的出現(xiàn)概率（b）

短時強降水（小時雨強≥20 mm/h）站點的出現(xiàn)概率（圖4b）呈近似二次函數(shù)分布，前期緩慢增長，后期近似線性增長，需要特別指出的2 個點：1‰對應(yīng)的1 mm/h 和1%對應(yīng)的2.1 mm/h，這是因為貴州一次區(qū)域性降水多在102～103站次，因此1‰（對應(yīng)雨強1 mm/h）處短時強降水可能出現(xiàn)，而1%處（對應(yīng)雨強2.1 mm/h）短時強降水一般情況下可以出現(xiàn)。

依照這一標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合圖2a 可以發(fā)現(xiàn)，在區(qū)域性降水事件中，即使是在汛期，由于大部分降水事件（59%）的區(qū)域平均雨量<1 mm/h 而較難出現(xiàn)短時強降水，22.6%有可能出現(xiàn)短時強降水（1～2.1 mm/h），僅有18.4%的區(qū)域性降水事件中有較大可能出現(xiàn)短時強降水（雨強≥2.1 mm/h）。擴展到月季降水，夏季由于平均雨強＞1.8 mm/h，其對應(yīng)的出現(xiàn)概率（6‰）遠(yuǎn)超其余月，是汛期短時強降水主要發(fā)生時期；而非汛期（10 月—次年3 月）由于平均雨強僅為0.5 mm/h，對應(yīng)短時強降水站點的出現(xiàn)概率為0.2‰，難以出現(xiàn)短時強降水，僅在3 和10 月零星出現(xiàn)。

3 四季降水的分布特征

貴州四季的平均降水時長相差不大，除冬季為240 h 左右，其余季節(jié)為260 h 左右，但分布型各季明顯不同。冬季降水時長主要受云貴靜止鋒影響，由于常出現(xiàn)降水量低于觀測閾值（0.1 mm/h）而被忽略的現(xiàn)象，降水時長略低于其他三季。

各季降水時長的大值區(qū)（300 h 以上）即降水的多發(fā)地區(qū)與當(dāng)季主要降水系統(tǒng)的位置基本一致。春夏兩季主要位于副熱帶高壓的西側(cè)；秋季副熱帶高壓南退，貴州的北部地區(qū)更易受冷空氣影響而進(jìn)入降水多發(fā)區(qū)；冬季降水時長主要受云貴靜止鋒影響，其大值區(qū)位于靜止鋒錨點附近。冬季貴州西側(cè)的黔西南和威寧地區(qū)由于群山阻隔而難以影響，降水時長最少，局地<100 h。黔東南州黎平縣東部和南側(cè)由于受山脈阻隔，四季降水時長偏短。

與降水時長不同，降水系統(tǒng)和地形作用共同決定了降水量分布，因而海拔較高水汽偏少的畢節(jié)地區(qū)四季降水皆少，海拔偏低的黔南和黔東南四季降水皆多，年降水量的3 個峰值地區(qū)也皆為四季峰值。黔西南州望謨縣以西的北盤江河谷地區(qū)的少雨帶是由于其軸向與汛期850 hPa 盛行的西南暖濕氣流相垂直而降水偏少，其余季節(jié)則由于兩側(cè)群山對靜止鋒等系統(tǒng)的影響有所削弱。

圖5 為四季平均雨強分布。與降水時長和降水量都不同的是，四季的平均雨強表現(xiàn)出和地形的高度相關(guān)，四季均呈現(xiàn)從西北向東南增多的分布，僅強度有所不同。夏季地域偏差最大，各地的降水強度達(dá)到最大，雨強均在1.2 mm/h 以上，其中3 個降水量峰值地區(qū)為強中心（2.1 mm/h 以上），局地最大可達(dá)2.3 mm/h，短時強降水的發(fā)生幾率較大；春季和夏季較為相似，雨強減弱，全省大部分地區(qū)降至0.9～1.5 mm/h，除畢節(jié)地區(qū)外短時強降水開始出現(xiàn)；秋季降水強度進(jìn)一步減弱，地域偏差減小，平均強度降至0.6～1.2 mm/h，短時強降水局限在中部偏南；冬季是一年中降水強度最低，地域偏差最小的季節(jié)，南部降至0.6～0.9 mm/h，西北部和北部降至0.6 mm/h 以下。

近年來貴州四季緯向平均的小時雨強的日變化特征見圖6，總體呈兩種截然不同的類型——冬季型和夏季型。

圖6 四季緯向平均小時雨強的日變化特征（a 為春季，b 為夏季，c 為秋季，d 為冬季；單位：mm/h）

冬季（12 月—次年2 月），貴州降水強度一年中最小，呈西弱東強的特征，各地全天雨強均在0.6 mm/h以下，峰值在中西部，主要出現(xiàn)在下午，東部在下半夜。由于全天降水強度均<1 mm/h，短時強降水在冬季一般不可能出現(xiàn)。夏季，貴州的水汽和能量條件達(dá)到最佳，降水強度達(dá)全年最大，除西部地區(qū)外，其余地區(qū)24 h 降水強度均達(dá)到1 mm/h 以上，中心強度增加到2.1 mm/h，貴州全天均可能出現(xiàn)短時強降水。強降水中心（1.8 mm/h 以上）自西向東明顯存在時間上的滯后——西部地區(qū)出現(xiàn)在傍晚到下半夜，中部地區(qū)推遲到凌晨，東部則進(jìn)一步延后至上午，表明了強降水雨團向東傳播的特征。

春季降水強度開始增強，開始出現(xiàn)1 mm/h 以上的降水（除極西的威寧外），且主要出現(xiàn)在夜間，夜間是降水最強的時刻。強降水中心（1.2 mm/h 以上）出現(xiàn)時段與夏季相似，具有明顯向東傳播的特征。秋季貴州多由大陸氣流控制，水汽和能量條件較春季差，平均小時雨強只有東部地區(qū)略＞1 mm/h，秋季只有東部地區(qū)有可能出現(xiàn)短時強降水，出現(xiàn)時間在下半夜到凌晨。

貴州地區(qū)四季緯向平均的日內(nèi)逐時降水概率，在貴州全年均存在著明顯的夜雨現(xiàn)象，降水最易發(fā)生在下半夜到凌晨（00—06 時），其平均發(fā)生概率為10%左右；午后到傍晚是降水發(fā)生概率最低的時段，其平均發(fā)生概率為4%，不到下半夜的一半。

冬季是一年中降水發(fā)生概率最低的季節(jié)，西部地區(qū)全天降水均發(fā)生較少，中東部的中心在00—06時，中心強度較弱，僅在東部地區(qū)達(dá)到10%。這是因為冬季降水主要是由靜止鋒引起的弱降水，靜止鋒普遍在夜間增強，其強度普遍較弱難以影響西北部的威寧地區(qū)。

春季隨著能量和水汽條件轉(zhuǎn)好，降水發(fā)生增多，降水概率在10%以上的大概率區(qū)在經(jīng)向范圍和時間范圍上均明顯增大，中心強度進(jìn)一步增強到12%。各地夜雨現(xiàn)象明顯，且中心自西向東存在時間上的滯后，這也驗證了降水西向傳播的特征。需要指出的是極西的威寧地區(qū)存在分裂的中心，說明威寧的降水有一部分并不向東傳播。

夏季由于能量和水汽達(dá)到全年最大，降水的日內(nèi)集中度下降，全天降水都在6%以上，中心僅在威寧附近達(dá)到12%。經(jīng)向分布上，降水自西向東傳播的現(xiàn)象仍然存在，但中東部地區(qū)的中心推遲到凌晨。

秋季與春季相似，夜雨是最主要的特點，但降水集中度有所增加，降水雖然中心強度為10%，午后降水概率下降到4%左右；西部威寧和貴州的降水開始出現(xiàn)斷裂的情況，威寧地區(qū)出現(xiàn)獨立的大值中心（10%），表明威寧和其東部地區(qū)的聯(lián)系減弱。

4 結(jié)論

本文通過選用高密度的區(qū)域站小時雨量數(shù)據(jù)，結(jié)合地形特征分析貴州降水總體時空特征，進(jìn)一步從平均雨強和降水概率方面研究了貴州各季日內(nèi)（尤其是夜間）降水的精細(xì)化特征，主要得出以下結(jié)論：

（1）貴州年降水量和年降水時長分布有所不同，貴州第三級階梯上的兩處高峰——梵凈山和雷公山的周圍和海拔最低的東南部邊緣是降水量和降水時長的高值區(qū)，而位于大婁山脈北側(cè)的遵義習(xí)水地區(qū)則僅僅是降水時長的高值區(qū)但累計雨量偏少，黔西南北盤江峽谷及其周圍則降水量偏多但降水時長偏短。

（2）貴州四季降水時長的高值區(qū)與當(dāng)季主要降水系統(tǒng)的位置基本一致。四季平均雨強分布則兼受地形的影響，偏向于山脈的南麓。在日內(nèi)分布上，貴州夜雨現(xiàn)象明顯，后半夜到凌晨（00—06 時）在四季均為峰值，而午后降水概率最小。夜間是一天中降水強度最大的時段，強降水中心呈現(xiàn)出自西向東時間上逐漸推后的現(xiàn)象，反映了主要降水多自西向東傳播的特點。

（3）以區(qū)域性降水的平均雨強1 mm/h（短時強降水發(fā)生概率1‰）為界，全年降水分為兩部分：非汛期（10 月—次年3 月）平均雨強為0.52 mm/h，以強度偏弱的穩(wěn)定性降水為主，短時強降水難以出現(xiàn)；汛期（4—9 月）平均雨強為1.61 mm/h，是對流降水發(fā)生的主要時段，全省平均為3.5 次左右。

（4）短時強降水的日內(nèi)分布，后半夜到凌晨是短時強降水的主要發(fā)生時間，因為該時段降水發(fā)生概率多在10%以上，降水事件多發(fā)；該時段降水平均強度最大，短時強降水在總降水事件中的出現(xiàn)概率遠(yuǎn)高于其他時段。夏季中東部地區(qū)其余時段降水強度也可以＞1 mm/h，但降水的發(fā)生概率較小，不是主要的短時強降水發(fā)生時段。