基于小時(shí)降水的湘潭地區(qū)精細(xì)化降水特征分析

辜 倩，劉二影，游梟雄，衛(wèi)曦翔

(1.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410118；2.湘潭市氣象局，湘潭 411100)

0 引言

隨著精細(xì)化區(qū)域自動(dòng)氣象站的全面布網(wǎng)和多年逐小時(shí)資料的出現(xiàn)，氣象學(xué)者開始關(guān)注小時(shí)時(shí)間尺度的降水特征，已有的研究成果表明，小時(shí)級(jí)的降水量分布存在較大時(shí)空差異[1-3]。戴澤軍[4]等研究發(fā)現(xiàn)湖南夏季降水日變化有顯著區(qū)域差異，降水雙峰值多出現(xiàn)在清晨和午后；李晶[5]等對(duì)長(zhǎng)株潭城市群體也進(jìn)行了小時(shí)級(jí)降水資源分布及變化特征分析，長(zhǎng)株潭地區(qū)降水日變化呈雙峰型分布，但峰值出現(xiàn)時(shí)間存在區(qū)域差異。前期學(xué)者對(duì)降水日變化的研究主要集中于汛期，且多利用國(guó)家氣象觀測(cè)站資料，空間分辨率低；或者針對(duì)某一次具體天氣過程進(jìn)行分析，缺乏較為系統(tǒng)的精細(xì)化分布特征研究[6,7]。文章基于湘潭地區(qū)82個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站近10 a的小時(shí)級(jí)降水資料，較為系統(tǒng)地分析了湘潭地區(qū)降水的精細(xì)化特征，對(duì)更好地理解本地區(qū)降水的時(shí)空變化規(guī)律、評(píng)估區(qū)域氣候特征和提高防災(zāi)減災(zāi)能力等具有較為重要的意義，也為本地降水精細(xì)化落區(qū)預(yù)報(bào)、短時(shí)強(qiáng)降水監(jiān)測(cè)預(yù)警等業(yè)務(wù)工作提供了參考。

湘潭位于湖南省中部、湘江下游，與長(zhǎng)沙、株洲一同構(gòu)成了長(zhǎng)株潭城市群。地貌處于長(zhǎng)衡丘陵區(qū)北沿，總趨勢(shì)為東南、西北、西南三面較高，向東北部?jī)A斜，中部、東部相對(duì)平坦，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候類型，氣候溫暖，四季分明，光熱充足，雨水豐沛且相對(duì)集中，夏秋干旱，全市常年平均降水量1，389.4 mm，降水多集中于春、夏兩季，6月份降水最多，12月份最少[8，9]。

1 資料與方法

數(shù)據(jù)來自湖南省氣象信息中心。文章選取2010—2019年湘潭地區(qū)110個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站逐時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)2010年以后建站和數(shù)據(jù)缺測(cè)率在5%以上的站點(diǎn)進(jìn)行剔除，并通過氣候極值、時(shí)間連續(xù)性和空間一致性等檢查方法進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，文章中實(shí)際參與分析的站點(diǎn)為82個(gè)。根據(jù)湘潭地區(qū)的行政和地理劃分，對(duì)湘鄉(xiāng)市、韶山市、湘潭縣和湘潭市區(qū)(指2個(gè)市轄區(qū)雨湖區(qū)和岳塘區(qū)，后同)4個(gè)區(qū)域進(jìn)行精細(xì)化降水分析[10]。

降水定義采用中國(guó)氣象局的業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，即降水量≥0.1 mm的時(shí)次判定為有降水發(fā)生，各站某一時(shí)段降水量為該時(shí)段的降水累積量，短時(shí)強(qiáng)降水標(biāo)準(zhǔn)為1 h降水量≥20 mm。

2 降水空間分布特征

2.1 降水小時(shí)數(shù)、小時(shí)平均降水強(qiáng)度及小時(shí)最大降水量空間分布

從2010—2019年湘潭地區(qū)年平均降水小時(shí)數(shù)、年平均降水量、小時(shí)平均降水強(qiáng)度和最大降水量基本空間分布態(tài)可以看出湘潭地區(qū)降水存在明顯的空間差異，各降水指標(biāo)間也有異同：全年降水小時(shí)數(shù)總體呈南多北少分布，高值區(qū)主要分布在湘潭縣南部和湘鄉(xiāng)東南部地區(qū)；年平均降水量有明顯的西高東低特征，降水量最多的區(qū)域出現(xiàn)在湘鄉(xiāng)東南部，湘潭縣中東部和市區(qū)為相對(duì)低值區(qū)，湘潭地區(qū)的地勢(shì)以西南、東南和西北三面較高，中部、東部為平原地帶，在相同的天氣形勢(shì)下受地勢(shì)影響，西南暖濕氣流在迎風(fēng)面受地形抬升和輻合作用，降水量較其他區(qū)域明顯偏多，可見降水小時(shí)數(shù)和年降水量與地形均有密切聯(lián)系；小時(shí)平均降水強(qiáng)度也呈西高東低趨勢(shì)，以湘鄉(xiāng)中部為中心大值區(qū)，湘潭縣南部降水強(qiáng)度較低，這與降水小時(shí)數(shù)的高值區(qū)特征相反，故湘潭縣南部年降水量少于湘鄉(xiāng)；最大小時(shí)降水量分布較為分散，大值分布帶主要以市區(qū)北部和湘鄉(xiāng)中部為主，湘潭縣最大小時(shí)降水量略偏低于其他區(qū)域。值得指出的是，湘潭市區(qū)降水小時(shí)數(shù)、年降水量均低于其他地區(qū)，但小時(shí)最大降水量出現(xiàn)在該區(qū)域。

2.2 短時(shí)強(qiáng)降水事件頻次空間分布

從湘潭地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水事件發(fā)生頻次的空間分布可以看出，湘潭地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水年發(fā)生頻次空間差異較大，從2.0次至6.7次不等，分布特征也與降水小時(shí)數(shù)有明顯區(qū)別，高值區(qū)分布較為分散，主要位于湘鄉(xiāng)中南部和湘潭縣中北部以及市區(qū)西部，低值區(qū)出現(xiàn)在湘潭縣東部和韶山市；湘鄉(xiāng)市短時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)度明顯高于另外3個(gè)區(qū)域，降水強(qiáng)度普遍大于30 mm/h，湘潭縣南部為低值區(qū)，為26～28 mm/h，其分布與小時(shí)最大降水量分布類似，與降水小時(shí)數(shù)相反，這說明此區(qū)域短時(shí)強(qiáng)降水的貢獻(xiàn)率較低，以穩(wěn)定性降水為主。

2.3 季節(jié)降水的空間分布

湘潭地區(qū)四季降水平均累積量的空間分布既有一致性，又存在一定的差異。從湘潭春季和夏季降水的空間分布格局可以看出，湘鄉(xiāng)中部和東南部有雙高值中心，而市區(qū)和湘潭縣中東部降水偏少，和全年的結(jié)果也基本一致，這與全年降水主要集中在春夏兩季密不可分；夏季降水的空間分布格局與短時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)度空間分布格局非常類似，說明夏季降水以短時(shí)強(qiáng)降水為主；秋冬季降水量總體較春夏兩季明顯偏少，高值區(qū)分布也有一定差異，總體上仍然呈南多北少分布，湘潭市區(qū)降水均較其他區(qū)域偏少。

3 小時(shí)降水的時(shí)間變化特征

3.1 累計(jì)降水量、降水頻次及降水強(qiáng)度的日變化特征

圖1給出了湘潭地區(qū)2010—2019年降水強(qiáng)度、降水頻次和累積降水量的日變化曲線。降水強(qiáng)度04：00-11：00略高于12：00-16：00，傍晚前后有1次高值時(shí)段，最低時(shí)段出現(xiàn)在23：00-24：00；而降水頻次和累積降水量變化呈典型一峰一谷型，06：00-07：00為降水頻次峰值，而谷值出現(xiàn)在23：00-24：00，同降水強(qiáng)度特征一致。

圖1 2010—2019年湘潭地區(qū)降水強(qiáng)度和累積降水量日變化曲線

為研究湘潭地區(qū)各區(qū)域降水日變化特征以及城市化對(duì)降水的影響，分別選取湘潭市區(qū)、湘潭縣、湘鄉(xiāng)市和韶山市作為研究對(duì)象，分析4個(gè)區(qū)域的日變化曲線(圖2)。總體上，湘鄉(xiāng)市的降水強(qiáng)度最大，而湘潭縣明顯低于其他3個(gè)區(qū)域，各區(qū)域均在午后和凌晨有相對(duì)低值區(qū)，除湘潭縣外，各區(qū)域在16：00-18：00有明顯的高值區(qū)；從降水頻次和累積降水量來看，各區(qū)域均是較明顯的一峰一谷型，峰值出現(xiàn)在07：00-08：00，而谷值出現(xiàn)在24：00前后，這與全市平均降水頻次和累積降水量趨勢(shì)一致。

圖2 2010—2019年湘潭各區(qū)域降水強(qiáng)度、降水頻次和累積降水量日變化曲線：(a)湘潭市區(qū)；(b)湘潭縣；(c)湘鄉(xiāng)市；(d)韶山市

3.2 月變化與季變化特征

研究分析湘潭地區(qū)各季降水日尺度下各個(gè)時(shí)間段累積降水量，有助于更全面地分析降水的精細(xì)化特征。湘潭地區(qū)四季平均降水量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下：2010-2019年，湘潭降水主要集中在春夏兩季，冬季降水最少；從全年降水的日分布看，白天(07：00-18：00)降水整體多于夜間(19：00-次日06：00)，上午時(shí)段降水最多；從各季降水量日變化的分布情況看，日變化的分布格局既有一致性，又存在一定差異。春季、秋季和冬季降水最多時(shí)段均出現(xiàn)在上午(07：00-12：00)，最少時(shí)段出現(xiàn)在下午(13：00-18：00)，而夏季降水最多時(shí)段出現(xiàn)在下午，這可能與夏季午后多對(duì)流性降水密切相關(guān)。

進(jìn)一步分析小時(shí)降水日變化在各月的差異，圖3為湘潭地區(qū)降水量各月逐時(shí)變化,可以看出，湘潭小時(shí)平均降水強(qiáng)度月變化差異大，全年呈一峰一谷特征，峰區(qū)出現(xiàn)在7月，普遍大于2 mm/h，谷值出現(xiàn)在1月，在0.5 mm/h左右；7月大值區(qū)的日變化差異也較大，小時(shí)降水強(qiáng)度總體上白天要高于晚上，上午和下午各存在1個(gè)峰區(qū)。

圖3 湘潭地區(qū)降水量各月逐時(shí)變化圖

4 結(jié)束語(yǔ)

文章基于2010—2019年湘潭地區(qū)82個(gè)自動(dòng)氣象站的逐時(shí)降水資料，分析了湘潭地區(qū)小時(shí)降水的基本時(shí)空分布特征，并對(duì)比了不同季節(jié)、不同區(qū)域降水的空間差異和日變化特征。相關(guān)研究結(jié)果為進(jìn)一步研究湘潭地區(qū)精細(xì)化降水奠定了基礎(chǔ)。