朔州市短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布

徐衛(wèi)麗 等

劉瑞蘭? 賈曉霞? 杜佩德? 田粉平

摘要：利用朔州市1971—2020年6個(gè)國家級(jí)觀測(cè)站逐小時(shí)降水資料，分析朔州市短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次的空間分布，年際變化特征，以及月、日發(fā)生次數(shù)分布和歷史極值，結(jié)果表明：朔州市短時(shí)強(qiáng)降水日呈西南-東北帶狀分布，北部、西部山區(qū)為高發(fā)生區(qū)，盆地平川區(qū)為少發(fā)生區(qū)。強(qiáng)降水次數(shù)年際變化有線性上升趨勢(shì)，0.27次·10a-1；20世紀(jì)80、90年代連片強(qiáng)降水過程較多，最近10年強(qiáng)降水次數(shù)增多，但基本是單站出現(xiàn)。月分布主要發(fā)生在5～9月份，呈單峰分布，7～8月份最多，占總次數(shù)的84%。日變化北京時(shí)間14：00～18：00為高時(shí)段，上午為少發(fā)時(shí)段。強(qiáng)降水有開始日提前和結(jié)束日退后的趨勢(shì)，雨強(qiáng)極值大部分出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代和最近10年。

關(guān)鍵詞：國家級(jí)觀測(cè)站；短時(shí)強(qiáng)降水；時(shí)空分布；雨強(qiáng)極值朔州市夏季暴雨，特別是短歷時(shí)暴雨（短時(shí)強(qiáng)降水）常形成洪澇災(zāi)害，不僅引起嚴(yán)重的水土流失，破壞土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)減產(chǎn)，還對(duì)廠礦、公路、鐵路、交通運(yùn)輸，以及人民生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大損失[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、人口要素日益密集，短歷時(shí)強(qiáng)降水造成的洪澇災(zāi)害也日益嚴(yán)重[2]。例如，2012年7月21日，北京特大暴雨過程，該過程在短時(shí)間內(nèi)造成市區(qū)嚴(yán)重內(nèi)澇，郊區(qū)山洪暴發(fā)，給社會(huì)運(yùn)行和人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。2021年，河南鄭州“7.20”特大暴雨，鄭州市16～17時(shí)小時(shí)雨量達(dá)201.9 mm，刷新歷史極值，地鐵5號(hào)線04502次列車因極端降水遭遇澇水灌入，失電迫停，致14人死亡。2023年8月7日凌晨，朔州城區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水，致立交橋下積水深度達(dá)1.8 m，誤駛?cè)朕I車被淹沒，1人溺亡。短時(shí)強(qiáng)降水的研究一直是國內(nèi)外氣象學(xué)者的研究重點(diǎn)之一，同時(shí)也是難點(diǎn)之一[3-4]，為提高對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水形成的洪澇災(zāi)害及其防控的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)災(zāi)害減災(zāi)的有效性和針對(duì)性，不少學(xué)者對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布和氣候特征進(jìn)行了分析，殷水清等[5]利用海河流域的逐時(shí)降水資料對(duì)海河流域的逐時(shí)降水研究表明：短時(shí)強(qiáng)降水的頻次和強(qiáng)度都呈增加趨勢(shì)，充分認(rèn)識(shí)和理解短歷時(shí)暴雨洪澇災(zāi)害的時(shí)空分布特征及影響，分析其成因，對(duì)防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃、保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[6]。我國不同地區(qū)極端強(qiáng)降水和降水日變化特征存在明顯的地域性[7-9]，關(guān)于本區(qū)域短時(shí)強(qiáng)降水氣候特征的研究目前還是空白，近年來隨著市、縣各級(jí)政府不斷加強(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)能力建設(shè)，對(duì)氣象預(yù)報(bào)預(yù)警有精準(zhǔn)細(xì)致的需求，本文通過研究朔州市6個(gè)國家級(jí)測(cè)站降水觀測(cè)數(shù)據(jù)，得出強(qiáng)降水時(shí)空分布和年代變化，有助于市政府城市規(guī)劃、道路設(shè)施布局、山區(qū)山洪泥石流災(zāi)害治理做決策依據(jù)。

1 短時(shí)強(qiáng)降水定義和資料的選取統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)分析使用資料為1971—2020年間5～9月份朔州市6個(gè)國家級(jí)觀測(cè)站降水日資料，以20時(shí)（北京時(shí)下同）為日界，降水量統(tǒng)計(jì)時(shí)間分辨率為1h，資料來自山西省氣象信息中心，資料經(jīng)過質(zhì)檢，質(zhì)量和完整性高。根據(jù)中國氣象局《全國短時(shí)臨近預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)規(guī)定》[10]，結(jié)合本地降水氣候特征，本文“短時(shí)強(qiáng)降水”定義為1 h降水量≥20 mm的降水，國家級(jí)測(cè)站1d中出現(xiàn)1次短時(shí)強(qiáng)降水，則記該測(cè)站為1個(gè)強(qiáng)降水日，多次出現(xiàn)，累計(jì)統(tǒng)計(jì)；1 d中有1個(gè)或以上測(cè)站出現(xiàn)強(qiáng)降水，記為1次強(qiáng)降水；相鄰2站或以上，同時(shí)或先后出現(xiàn)強(qiáng)降水，記為1次區(qū)域性強(qiáng)降水。

2 分析結(jié)果

2.1 朔州市地理概況和短時(shí)強(qiáng)降水日空間分布

朔州市地處我國北方黃土高原，地形起伏較大，西部和南部是山區(qū)，中部和東北部為大同盆地西南端的平川區(qū)（圖1）。境內(nèi)海拔在970～2 335 m，西部是呂梁山脈最北段的洪濤山、管涔山，南部是恒山的西段，組成西部和南部海拔1300 m以上的丘陵山區(qū)。丘陵山區(qū)包括右玉、平魯兩縣、朔城區(qū)的西部和南部、懷仁縣西部、山陰縣西北部和南、應(yīng)縣的南部，面積占全市面積的64.3%。

統(tǒng)計(jì)朔州市1971—2020年5～9月份6個(gè)國家級(jí)測(cè)站短時(shí)強(qiáng)降水日數(shù)，具有明顯地理特征（圖2），等值線呈東北-西南帶狀分布，西部為高發(fā)區(qū)，中部、東部為低發(fā)區(qū)。強(qiáng)降水日數(shù)首先從平川區(qū)向西北、東南山區(qū)遞增，高發(fā)區(qū)在北端右玉縣35d。其次為平魯區(qū)28d，朔城區(qū)24d，懷仁市20d，中部盆地山陰、應(yīng)縣最少18d，全市平均23.8d，單站年平均0.36d·a-1-0.70d·a-1，

這對(duì)多山丘溝壑的地區(qū)來說是個(gè)低概率高影響氣象事件。

▲代表6個(gè)國家級(jí)觀測(cè)站

2.2 月分布特征

朔州市短時(shí)強(qiáng)降水50年總計(jì)出現(xiàn)143d，5～9月份都有出現(xiàn)，月發(fā)生次數(shù)呈單峰分布，5月份、9月份出現(xiàn)最少分別為2d、8d，6月次之12d，短時(shí)強(qiáng)降水日主要集中在7、8月份分別為70d、51d，占總?cè)諗?shù)的85%（圖3）。7月下旬，日平均氣溫達(dá)到年內(nèi)最高，大氣熱力不穩(wěn)定增強(qiáng)，強(qiáng)對(duì)流天氣顯著增多，7、8月旬平均強(qiáng)降水日20d，這一旬就出現(xiàn)了28d。7月21日或22日是“大暑”節(jié)氣，本地出現(xiàn)降水的概率非常高，要特別關(guān)注這個(gè)時(shí)間段的雨強(qiáng)。

2.3 日變化

朔州市6區(qū)縣日間短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)，呈雙峰型分布（圖4），強(qiáng)峰為午后14：00～19：00，

15：00-16：00發(fā)生次數(shù)最多，19：00后明顯下降，

20：00～21：00出現(xiàn)的強(qiáng)降水是當(dāng)日午后對(duì)流天氣過程降水造成的；夜間強(qiáng)降水（弱峰）出現(xiàn)在00：00～08：00，

小時(shí)分布起伏不大；上午為少發(fā)時(shí)段，09：00～10：00沒有出現(xiàn)過強(qiáng)降水。1d中按20：00～08：00定義為夜間，6個(gè)國家級(jí)觀測(cè)站5～6月份、9月份夜間降水雨強(qiáng)小，小時(shí)雨量沒有超過20 mm。夜間強(qiáng)降水均出現(xiàn)在7、8月份；山陰縣、朔城區(qū)與西部山區(qū)夜間強(qiáng)降水占比無太大差別，占該站的30%左右，東部應(yīng)縣、懷仁夜間強(qiáng)降水僅占20%以下。1個(gè)強(qiáng)降水日（1次強(qiáng)降水過程）平川區(qū)僅有1個(gè)時(shí)次降水量≥20 mm，50年中山區(qū)縣有4次強(qiáng)降水過程出現(xiàn)了2個(gè)時(shí)次強(qiáng)降水，山區(qū)由于海拔落差大，地形匯聚作用，強(qiáng)降水形成的短時(shí)洪水危害更大。

年際變化及年代際線性趨勢(shì)

2.4 年際變化趨勢(shì)及年代際特點(diǎn)

1d中有1站以上出現(xiàn)強(qiáng)降水，記為1次強(qiáng)降水。1971—2020年朔州市短時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)時(shí)間序列如圖5，其中有6年沒出現(xiàn)強(qiáng)降水，2017年最多有7次，70年代中后期、1990—2000年期間和2000-2010年期間相對(duì)較少，50年間總共出現(xiàn)119次，年平均2.4次/6站。年際序列與強(qiáng)降水次數(shù)相關(guān)性及線性趨勢(shì)分析，相關(guān)系數(shù)0.22，兩者相關(guān)性達(dá)90%，顯著相關(guān)，年強(qiáng)降水次數(shù)呈線性增加趨勢(shì)，0.27次·10a-1。

50年間119次強(qiáng)降水天氣，絕大多數(shù)過程只有1站出現(xiàn)強(qiáng)降水，區(qū)域性強(qiáng)降水只有12次，占總次數(shù)的10%。20世紀(jì)80年代到90年代前期，區(qū)域性短歷時(shí)暴雨較多，最多達(dá)3站，1991年有11個(gè)強(qiáng)降水日，僅有6次強(qiáng)降水過程；最近10a強(qiáng)降水次數(shù)在增多，2017年就有7次，但沒有出現(xiàn)區(qū)域性強(qiáng)降水，強(qiáng)降水局地性更強(qiáng)，這客觀上增加了強(qiáng)降水預(yù)警、落區(qū)預(yù)報(bào)難度。

2.5 短時(shí)強(qiáng)降水極值

朔州全市6個(gè)國家級(jí)觀測(cè)站1971—2021年間，各站短時(shí)強(qiáng)降水最大雨強(qiáng)朔城區(qū)50.3 m·h-1（2005.7.30），其他依次為山陰49.1 mm·h-1（2017.7.21），右玉縣48.7 mm·h-1（2016.7.24），懷仁40.2 mm·h-1（1992.7.10），平魯38.0 mm·h-1（1991.7.18），應(yīng)縣37.5 mm·h-1（1993.6.18）都出現(xiàn)在一日中15：00～20：00間。雨強(qiáng)極值大部分出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代和最近10年（2022年8月13日右玉縣白頭里鄉(xiāng)72.0 mm·h-1又刷新了歷史數(shù)據(jù)）。朔州市短時(shí)強(qiáng)降水最早出現(xiàn)在5月27日（2004年右玉縣），最晚結(jié)束于9月21日（2017年應(yīng)縣）；強(qiáng)降水開始時(shí)間年代際變化提早1d·10a-1，結(jié)束日推遲2d·10a-1，與本地平均氣溫以0.285℃·10a-1 [11]結(jié)論一致。

3 結(jié)論

（1）50年間降水資料統(tǒng)計(jì)，朔州市短時(shí)強(qiáng)降水日數(shù)具有明顯的地理分布特征，山區(qū)出現(xiàn)最多，平川區(qū)最少，全市平均23.8d，單站年平均0.36d·a-1～0.70d·a-1，對(duì)本地來說是個(gè)低概率高影響氣象事件。

（2）5～9月份，都有短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生，但主要集中在7～8月份，占總?cè)諗?shù)的85%，特別是7月下旬出現(xiàn)的概率最高，要特別關(guān)注“大暑”節(jié)氣的降水。一日之中14：00～18：00為高發(fā)生時(shí)段，上午出現(xiàn)的概率最低；7～8月份夜間也會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)降水，中西部比東部?jī)煽h出現(xiàn)的日數(shù)多10%。

（3）年強(qiáng)降水次數(shù)變化明顯，但總體呈線性增加趨勢(shì)，0.27次·10a-1。一次強(qiáng)降水過程絕大多數(shù)只有

1站出現(xiàn)，20世紀(jì)80年代～90年代前期，區(qū)域性短強(qiáng)降水較多，最近10a年均為單站出現(xiàn)，但年強(qiáng)降水次數(shù)在增多，強(qiáng)降水局地性更強(qiáng)，這客觀上增加了強(qiáng)降水落區(qū)預(yù)報(bào)預(yù)警難度。

（4）各站強(qiáng)降水極值大部分出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代和最近10年，最大雨強(qiáng)50.3 mm·h-1，該值2022年又被刷新；年代際分析強(qiáng)降水開始出現(xiàn)日期在提早，結(jié)束日在推后。

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基金項(xiàng)目：山西省氣象局面上項(xiàng)目“朔州市短時(shí)強(qiáng)降水分布特征及預(yù)警指標(biāo)研究”（SXKMSTQ20226310）