云南雨季和干季小時降水的時空特性分析

李耀孫 ,原韋華 ,孫績華 ,馬文倩 ,陳小華 ,連 鈺

（1.云南省氣象臺，昆明 650034；2.中國科學院大氣物理研究所大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室，北京 100029）

引言

云南位于青藏高原的東南側，屬于低緯高原，地形復雜。同時，云南地區位于東亞夏季風和南亞季風的交匯地帶，靠近孟加拉灣和中國南海兩個熱帶海洋，降水影響系統復雜，演變規律獨特，降水季節特征差異明顯。云南干季一般為11月～次年4月，因為降水量遠小于同期蒸發量，導致普遍干旱缺水[1]；雨季為5～10月[2?4]，降水集中且容易出現多單點或區域性大到暴雨，有著“無災不成年”之說[5?6]。因此，分析云南地區干、雨季降水的精細化時空分布特征，對干季的區域水資源利用和雨季的暴雨洪澇災害防御具有重要的現實意義。

諸多研究基于不同時間分辨率降水產品，對云南地區降水時空演變特征進行了深入分析。基于日降水產品的研究結果表明：云南年降水強度大值中心位于南部，降水頻次大值中心在西北部[7]，雨季降水西南、東南多西北少，干季降水東多西少，西北部存在春汛[8]；強降水的空間分布與年降水量分布類似，高發地位于滇西、滇西南和滇東地區[9]。近年來，精細化天氣預報和高時空數值模式評估均對降水精細化特征的認識提出了新要求[10]，為滿足這一需要，利用逐小時臺站觀測資料揭示云南及周邊地區小時尺度降水分布和演變特征成為研究重點。云南地區降水量峰值多出現在午后，主要是降水強度貢獻為主，且日變化振幅明顯，尤其是在夏季[11～12]。而云南短時強降水高發時段則在傍晚至夜間[13]。大理蒼山等典型區域的降水局地性顯著，與地形關系十分密切[14?15]。

已有研究[16?18]表明，綜合利用密度更高的區域站小時尺度降水資料，可以加強對復雜地形區域降水精細化演變特征的認識和理解。但目前針對云南地區的此類研究并不多見。因此，本文擬利用高時空分辨率的國家級和區域自動站逐小時降水數據，對比分析云南雨季和干季的降水量、降水頻次和降水強度的空間分布特征以及關鍵區域的降水日變化演變特征，以期為加深對云南降水精細化演變特征的認識和提升高分辨率模式的精細化檢驗水平提供科技支撐。

1 資料和方法

1.1 資料

研究所用資料為位于云南省內的2325個國家級臺站和區域自動站逐小時降水資料，時間長度為2014～2018年。上述臺站每年缺測數據均少于30d。所有逐時降水數據均由云南省氣象信息中心進行質量控制，對降水孤點、單站降水明顯大于周邊以及小時降水強度超過50mm的觀測數據，通過雷達回波、衛星云圖或者詢問區域站所處附近的居民等方式進行核實，如觀測有誤，做剔除處理。

1.2 方法

本文采用的降水統計方法和標準：（1）當小時累計雨量≥0.1mm時則認為該小時發生降水；（2）短時強降水標準為7mm/h（對2014～2018年云南地區2325站逐時降水數據進行統計得出95百分位降水強度為7mm/h）；（3）年降水量指年內所有時次降水量的總和，年降水頻次是指年內發生降水時次數的總和，年降水強度則是年降水量/年降水頻次，降水量、降水頻次和降水強度的日峰值時間是指累計量最大值出現的時次；（4）標準化為各物理量除以日均值；（5）云南干季為11月～次年4月，雨季為5～10月[2?4]。

云南降水空間分布復雜，與地形、地理位置等緊密相關，局地性強。為了更好地分析降水的局地性特征，本文綜合考慮了降水量、降水頻次和降水強度的空間分布（圖1），挑選出區域內降水分布特征一致但與相鄰地區有明顯差別的6個關鍵區（見圖1中黑色框體，下同）：區域1位于昭通東部地區，代表烏蒙山東側，降水頻次高但強度小；區域2位于大理東部和楚雄西部，代表蒼山東側，降水量較小；區域3位于云南南部邊緣，代表元江河谷，降水量大且夜雨特征明顯；區域4位于普洱南部和西雙版納，代表哀牢山西側，降水量大且午后降水峰值突出；區域5位于保山德宏，代表高黎貢山西側，降水量大且為上午降水峰值；區域6位于云南西北部，代表怒江河谷，降水頻次高但強度小。

圖1 2014～2018年云南年平均降水空間分布（a.降水量，單位：mm；b.降水頻次，單位：次；c.降水強度，單位：mm/h)

2 結果與分析

2.1 降水平均特征

如圖1a所示，云南年均降水量地區差異明顯，整體上西部和南部高、西北部和中部低、東部降水量居中。具體來看，西北部年均降水量最小，尤其是迪慶北部部分地區不足200mm；西南部的紅河南部邊緣、普洱東南部、臨滄南部和德宏西部地區年均降水量最大，超過2000mm，與老撾接壤的云南最南緣和云南西北緣怒江河谷地區年均降水量次之，超過1500mm。如圖1b所示，云南西部、南部和東部年均降水頻次大多在750次以上，云南中部和西北部南側年均降水頻次少于750次，麗江大理東部和楚雄西部年均降水頻次少于500次。如圖1c所示，云南降水強度與降水頻次的空間分布差別較大，降水頻次較高的云南西北部和東北部地區降水強度弱，而降水量較少和降水頻次較低的中部地區降水強度卻與云南南部相當。

進一步分析6個關鍵區，發現其降水量與降水頻次、降水強度的關系存在顯著差異。區域5和3同為云南降水量大值區域，且兩個區域的降水頻次和降水強度均較高；其中區域5是云南降水最多的地區，昔馬站和蘇典站年均降水量超過3400mm；區域3的地形南高北低，受冬季冷空氣回流以及雨季中南半島強對流向北發展頻繁影響。與區域3緊鄰的區域4是云南降水量較大的區域，僅次于區域5和3，這一地區降水頻次少但降水強度大，是云南降水強度最強的地區。區域6和1的降水量雖然小于區域3、4、5，卻是云南降水頻次最大的區域，較大的降水量主要由降水頻次貢獻，降水強度較弱，這兩個區域的降水強度與東北部迪慶等年均降水量不足200mm的地區相當；區域6每年2～4月受“桃花汛”影響，是全國雨季開始最早的區域，也是云南唯一的降水量年變化呈雙峰型（峰值在2～4月和7～8月）的地區[2?3]；區域1地處烏蒙山的東側，常年受到冷空氣影響，降水頻次較高。區域2是云南年均降水量最小、降水頻次最少的地區，干季干旱最為明顯，但這一地區的降水強度明顯強于降水量較大的區域6和1。

云南雨季受西南季風氣流控制降水充沛，而干季則受干暖的偏西氣流控制降水稀少。如圖2a所示，云南雨季降水分布特征與全年類似，雨季降水量占全年的80%左右，其大值和低值區域與年平均相同，但東、中和西部降水量差異較年平均更小；在關鍵區中，區域3、4、5降水量最大，區域1和6次之，區域2最少。如圖2b所示，云南大部分地區干季降水量僅占全年的20%左右；但區域6受2～4月滇西地區“桃花汛”的影響，降水量明顯偏多；同時，區域3受南部天氣系統影響，也存在一個明顯的降水中心；除區域6外，干季降水量自北向南逐漸增多，西北部最少，南部邊緣最多。如圖2c所示，雨季降水頻次的分布特征與全年相近，不再贅述。如圖2d所示，除區域3和6外，云南東部還存在降水高頻區（區域1），這一地區多受烏蒙山東側昆明準靜止鋒影響，易產生降水天氣。如圖2e所示，云南雨季降水強度為0.6～3mm/h，西北部最少（<1mm/h），南部和西南部最大（>1.8mm/h）。如圖2f所示，云南干季降水強度最小值在東北部的區域1，該地多受靜止鋒影響而多小雨天氣；區域3和4降水強度大，主要原因是上述地區干季降水多出現于南支槽影響時段，氣溫高、水汽條件好，降水強度相對更大。

圖2 2014～2018年云南雨季（左）和干季（右）降水空間分布（a、b.降水量，單位：mm；c、d.降水頻次，單位：次；e、f.降水強度，單位：mm/h)

各關鍵區雨季降水量與降水頻次、降水強度的關系與全年平均的較為一致，這是云南雨季降水在全年降水中占主要貢獻決定的。但是各關鍵區干季降水量與降水頻次、降水強度的關系與全年平均的并不完全一致。例如，雨季區域6的降水強度較云南南部明顯偏弱，但干季該區域的降水強度與云南南部相當；雨季區域5的降水量、頻次和強度與區域3相當，而干季區域5的降水量和頻次明顯小于區域3，降水強度卻相當。

2.2 雨季和干季降水日變化特征

2.2.1 日降水峰值時間的空間分布

此前研究[19]表明，除了四川盆地全年夜間降水峰值外，我國東部大部分地區暖季（5～10月）降水量午后峰值較多，冷季（11～次年4月）降水峰值主要出現在夜間至清晨。受復雜地形以及不同環流系統影響，云南降水日變化特征區域差異顯著。圖3給出了云南雨季和干季降水量、降水頻次和小時降水強度日變化峰值時間的空間分布。

如圖3a所示，在雨季，云南的河谷和冷空氣影響頻繁地區降水量日變化峰值均出現在夜間，其余地區降水量峰值多出現在午后。雨季的金沙江河谷、怒江河谷（區域6）、元江河谷（區域3）、瀾滄江河谷地區降水量日變化峰值出現在凌晨05～08點；與四川相鄰的或受冷空氣影響頻繁的地區如云南北部（區域1）和東部降水量日變化峰值出現在夜間或凌晨，與四川盆地的夜雨類似；降水量日變化峰值出現在上午的區域極少，僅在區域5以及各河谷中有少量分布；云南其余大部地區降水量日變化峰值均出現在午后，尤其是云南最南部的普洱地區（區域4）。如圖3c所示，與降水量不同，云南大部分地區雨季降水頻次日變化峰值出現在02～08時，午后峰值主要分布在蒼山東部、高黎貢山東部和哀牢山東部地區，即西南盛行風背風坡上。如圖3e所示，云南大部分地區雨季降水強度日變化峰值出現在午后，僅區域3和6的降水強度峰值出現在夜間，而區域5的降水強度峰值出現在上午。

如圖3b所示，在103°E以東，云南干季降水量日變化峰值出現時間與降水頻次日變化峰值更接近，均為夜間峰值，且峰值時間較雨季提前，多為23時～次日02時；在103°E以西，降水量峰值出現時間與降水強度峰值更接近。如圖3d所示，云南干季降水頻次日變化峰值時間與雨季有較大差異，降水頻次峰值出現在上午的臺站大幅增多，約增加457站；午后降水頻次峰值則集中出現在云南中部地區（區域2），該地區午后降水頻次峰值范圍較雨季更大，且午后峰值時間較雨季推遲約3h；云南東部和東北部地區（區域1）仍為夜間降水頻次峰值，但峰值時間較雨季提前約3h。如圖3f所示，云南干季降水強度日變化峰值時間與雨季差別不大，主要體現在雨季清晨的降水強度峰值提前至干季凌晨（區域6），而雨季上午的降水強度峰值推遲至干季午后（區域5）。

2.2.2 關鍵區域降水日變化特征

圖4給出了雨季6個關鍵區降水量、降水頻次和降水強度的日變化特征。整體來說，區域1、3、6的降水主要發生在夜間或清晨，以夜雨為主；區域2、4、5的降水主要發生在上午或午后，以晝雨為主；各關鍵區降水量和降水頻次的日變化振幅較大，降水強度日變化振幅相對較小。其中，位于云南南部邊緣的區域3和怒江河谷的區域6是典型的清晨降水峰值區，這兩個地區雨季的降水量峰值均出現在05時(圖4a)，降水頻次峰值均出現在6時（圖4c），降水強度峰值均不明顯，降水量日變化主要由降水頻次決定。值得注意的是，區域3的降水量和降水強度在午后存在次峰值，該區域的降水主峰值（凌晨）主要由降水頻次貢獻，而降水次峰值（午后）則主要由降水強度貢獻，這可能與局地熱力狀況有關。區域1位于云南東北部，其降水量在22時前后逐漸增大，降水量大值一直維持到06時前后，降水量日變化主要由降水頻次決定，降水強度峰值出現在午后17時。

從雨季降水量日變化峰值的空間分布（圖3a）上看，區域4和2為幾乎全區域一致的午后峰值。但從區域平均的降水量日變化特征（圖4b）看，區域4和2卻同為凌晨和午后雙峰，區域4和2的降水量主峰值分別出現在17時和16時，谷值時間分別出現在11時和12時；這兩個區域降水量的凌晨次峰值主要由降水頻次貢獻（圖4d），而降水強度為午后單峰（圖4f）。地處云南西部的區域5是云南唯一的降水峰值出現在上午的地區，其特點是降水量（圖4b）、降水頻次（圖4d）和降水強度（圖4f）在上午08～12時均為較高值，三要素的峰值時間均為08時，說明區域5的降水多集中出現在上午。

圖3 2014～2018年云南雨季（左）和干季（右）日降水峰值時間的空間分布（a、b.降水量，c、d.降水頻次，e、f.小時降水強度)

圖4 不同關鍵區雨季標準化降水量（a、b）、降水頻次（c、d）和降水強度（e、f）的日變化特征

圖5為干季6個關鍵區降水量、降水頻次和降水強度的日變化特征。區域1的干季降水量日變化特征（圖5a）與雨季相似，均是峰值出現在前半夜的單峰型；其降水頻次日變化（圖5c）峰值較雨季提前，集中出現在23時～次日03時，波谷出現在16時；其降水強度日變化（圖5e）峰值集中出現在下午。同雨季相比，區域3和6的干季降水量日變化（圖5a）和降水頻次日變化（圖5c）的主峰值也出現在凌晨，變化不大，但日變化曲線更加平滑，說明干季降水時段更加分散；其降水強度日變化特征（圖5e）同雨季一樣，波動不大。

根據上文的分析，區域4和5的雨季降水量主峰值出現在午后，與干季降水日變化存在較大差異，這可能與雨季、干季的熱力狀況不同有關。以區域4為例，其干季降水量日變化(圖5b)是從午后降水為主轉變為凌晨和午后降水相當，出現在夜間的降水量次峰值主要由降水強度（圖5f）貢獻；其干季降水頻次日變化（圖5d）主峰值出現在凌晨，午后降水頻次大幅減少。位于云南中部的區域2較為特殊，該區域干季的午后峰值更為突出，而清晨降水頻次較雨季反而大幅減小。

圖5 同圖4，但為干季

2.3 雨季和干季不同強度降水分布特征

由于強降水通常會帶來更為嚴重的影響，有必要進一步揭示不同強度降水的分布特征。圖6給出了雨季和干季強降水（小時雨強≥7mm）和弱降水（小時雨強<7mm）出現頻次的空間分布。在雨季，云南強降水出現頻次（圖6a）明顯少于弱降水（圖6c），強降水出現頻次為5～100次，弱降水出現頻次均在200次以上；降水量較小的德欽北部強降水出現次數最少，但這一區域弱降水頻次與其他地區大致相當；區域3、4、5強降水頻次最高；而區域6雖然雨季降水量較大，但強降水發生概率較其他降水量大值區域低。在干季，云南強降水出現頻次（圖6b）僅為0～25次，大體上隨緯度減小而增加；弱降水（圖6d）多高發于區域1、3和6，其中區域1的弱降水可能與昆明準靜止鋒的影響有關，區域6的弱降水則與該區域春季“桃花汛”密切相關。

圖6 2014～2018年云南雨季（左）和干季（右）不同強度降水發生頻次的空間分布（a、b.強降水，c、d.弱降水，單位：次/a）

從不同強度降水量的空間分布（圖略）來看，云南雨季強降水累計雨量為10～500mm，區域差異較大；西北部由于海拔高度高，水汽條件差，是云南雨季強降水出現最少的地方，累計雨量少于100mm；云南東部、南部和西南部邊緣迎風坡（區域3、4和5）是雨季強降水出現最多的地區，上述地區水汽充足且地形有利于風場輻合抬升，容易產生強降水，累計雨量超過500mm。在干季，強降水明顯偏少，云南北部和中部的部分臺站更是沒有強降水發生；強降水主要集中在南部邊緣地區（區域3和4），累計雨量超過50mm。云南雨季弱降水累計雨量略多于強降水，多為200～800mm，局地超過800mm，呈東西部多而中部少的分布特征，弱降水量的區域差異比強降水小。云南干季弱降水累計雨量明顯多于強降水，為10～500mm，說明溫度較低的干季以弱降水為主；元江河谷（區域3）和怒江河谷（區域6）以及昭通東部（區域1）弱降水量較大，而云南中部地區（區域2）即使在干季弱降水也很少發生。

3 結論和討論

本文利用云南省2325個國家級臺站和區域自動觀測站逐小時降水數據，對比分析了2014～2018年云南雨季和干季的降水量、降水頻次和降水強度的空間分布特征以及6個關鍵區域的降水日變化演變特征，主要結論如下：

（1）受復雜地形和不同天氣系統影響，云南省降水分布不均，區域特征明顯。年均降水量大體呈西南高、西北低分布，西部邊緣、南部邊緣降水量最大。雨季年均降水量占到全年80%左右，干季降水較雨季明顯偏少，干季降水高發區域主要位于云南西北怒江河谷（受“桃花汛”的影響）、云南東部（受昆明準靜止鋒影響）和終年溫度較高的元江河谷地帶。

（2）雖然云南西部和南部邊緣地區的年均降水量均超過600mm（區域3～6），但各區域降水性質不同。對于怒江河谷地區（區域6），干雨季降水均為夜間峰值，且降水頻次高但強度較弱。對于99°E以西的保山德宏地區（區域5），極端降水量為云南最高，其降水量、降水頻次和降水強度的日變化峰值多出現在上午。位于23°N以南的普洱和元江河谷地區，雖然雨季的降水量相當，但干季元江河谷降水頻次明顯多于普洱地區；元江河谷區域干季和雨季的降水峰值均出現在夜間至清晨；普洱地區僅干季的降水頻次峰值出現在清晨至上午，雨季的降水峰值出現在午后。云南中部地區降水量較周邊地區明顯偏小，但與其他區域不同的是，該地區雨季的降水頻次主要在清晨出現峰值，而在干季卻多在午后出現峰值。

（3）云南強降水降水頻次明顯少于弱降水，強降水的累計降水量略小于弱降水。雨季強降水出現頻次和累積量明顯多于干季，且迎風坡區域強降水明顯較其他地區偏多。

已有研究表明：陸地地區多為午后的降水峰值，陸地上清晨或夜間降水峰值多位于大地形的下游地區[20?21]；通常在雨季，陸地地區降水的午后峰值更為突出，而干季則是清晨時段發生的降水比例相對較高[20]。然而，云南一些地區的降水卻表現出較為獨特的日變化特征。比如，在云南最西端的保山德宏地區（區域5），降水在干季和雨季均主要表現為上午時段的峰值；而在云南較為干旱的大理東部和楚雄西部地區（區域2），雨季降水在清晨時段更高發，在干季卻表現為午后降水峰值；在相鄰的區域3和4，雖然從降水量主峰值上看，兩區域分別為凌晨和下午峰值，差異較大，但在夜間影響區域3的環流系統可能在區域4也形成了降水，使得區域4在夜間也存在降水頻次峰值，但此類系統在夜間產生的降水強度相對較小，使得降水量值并不突出。上述區域的降水系統以及環流的演變特征，值得進一步分析。