貴陽市汛期短時強降水時空分布特征

王君軍，周 林，王 彪

(1.貴州省貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550002；2.貴州省氣象信息中心，貴州 貴陽 550002)

0 引言

短時強降水常具有突發(fā)性強、降水強度大等特點，其引發(fā)的山洪、地質(zhì)災害和城市內(nèi)澇已屢見不鮮，對人民生命及生產(chǎn)安全造成威脅。近年來，隨著觀測手段的不斷豐富，小時降水資料已在業(yè)務中占據(jù)越來越重要的地位，短時強降水受到許多氣象工作者的廣泛研究[1-4]。陶詩言[1]指出：我國歷史上多次嚴重暴雨災害中均伴有高強度的短時強降水。陳炯等[2]研究了國內(nèi)短時強降水的時間與空間分布情況，其中短時強降水最高的區(qū)域為華南地區(qū)。姚莉等[3]分析了中國小時雨量的時空分布特征，指出：雨強的日變化具有明顯的地區(qū)差異，其中西南和華南地區(qū)日變化最為明顯。張?zhí)煊畹萚4]指出長江中下游汛期極端總降水事件發(fā)生頻次的多寡很大程度上影響著汛期總降水量的多少。

貴陽市地處貴州省中部，復雜的地形、地貌和地質(zhì)特征，在短時強降水天氣條件下易引發(fā)次生災害，因此短時強降水預報預警的準確率也是防災減災面臨的重要挑戰(zhàn)之一。近年來許多氣象工作者對貴陽強降水展開了研究，周明飛等[5]研究指出貴州省短時強降水呈現(xiàn)出南多北少的空間分布特征。彭芳等[6]利用貴州84站1991—2009年汛期逐小時降水資料統(tǒng)計了貴州省短時降水時空特征。陳海鳳等[7]指出貴陽市短時強降水及暴雨呈南多北少的分布特征。段瑩等[8]指出貴陽市暴雨平均雨量整體呈上升趨勢，暴雨日數(shù)及總暴雨量呈現(xiàn)下降趨勢。隨著貴陽市經(jīng)濟的快速發(fā)展，防災減災能力的提升也越來越迫切，政府及社會對災害性天氣的精細化氣象服務提出更高的要求。近年來貴陽市氣象觀測網(wǎng)的迅速發(fā)展，使得利用高密度氣象觀測資料獲得該地區(qū)更細致的短時強降水特征成為可能。本文利用高密度氣象觀測資料，對貴陽市短時強降水特征進行分析，以進一步提高對該市短時強降水特征認識，提升監(jiān)測預報及服務能力。

1 資料與方法

利用2014—2019年貴陽市加密自動氣象觀測站及國家氣象觀測站逐小時降水觀測資料，采用《全國短時臨近預報業(yè)務規(guī)定》短時強降水定義小時降水量≥20.0 mm。由于貴陽市氣象觀測站建站時間不一致，考慮降水時間的連續(xù)性及可信性，對降水資料開展數(shù)據(jù)質(zhì)量控制[9-11]，最終選取8個國家氣象觀測站及116個加密自動氣象觀測站(圖1)。

圖1 貴陽市加密自動氣象觀測站及國家氣象觀測站分布(●：區(qū)域地面氣象觀測站；▲：國家級氣象觀測站)Fig.1 Distribution map of dense automatic meteorological observation stations and national meteorological observation stations in Guiyang(●：Regional automatic meteorological observation stations; ▲：National meteorological observation stations)

統(tǒng)計分析2014—2019年短時強降水樣本發(fā)現(xiàn)，貴陽市短時強降水最早出現(xiàn)在2月，最晚出現(xiàn)在11月，汛期(4—9月)占總樣本的94.1%。因此本文利用汛期逐時降水觀測資料，采用統(tǒng)計方法，對貴陽市汛期短時強降水的空間、時間等特征進行分析，旨在掌握貴陽市短時強降水氣候特征，對于短時強降水天氣的預報以及防災減災提供參考依據(jù)。

2 短時強降水的空間分布特征

2.1 汛期短時強降水的空間分布特征

由貴陽市汛期平均降水量分布可見(圖2a)，貴陽市中南部汛期降水量高于北部，除北部邊緣降水量在800 mm以下外，其余大部在800 mm以上，超過1100 mm以上的大值中心主要有兩個，一個位于清鎮(zhèn)市中南部至觀山湖區(qū)一帶，另一個位于花溪區(qū)東南部邊緣。

由貴陽市汛期短時強降水量分布可見(圖2b)，汛期平均短時強降水量總體呈現(xiàn)出中部多于南北的分布特征，其中貴陽市北部邊緣短時強降水量在100 mm以下，其余大部在100 mm以上，超過200 mm以上的大值中心位于貴陽市中南部，即清鎮(zhèn)市中南部—觀山湖區(qū)—修文縣中南部—白云區(qū)中南部—烏當區(qū)西部一帶以及花溪區(qū)東部地區(qū)。

由貴陽市汛期短時強降水量占總降水量的百分比分布可見(圖2c)：息烽縣北部、開陽縣北部、花溪區(qū)北部及清鎮(zhèn)市北部短時強降水占比在15%以下，其余地區(qū)在15%以上，≥18%的范圍與汛期降水量以及短時強降水量分布對應較好，其中≥22%的中心區(qū)域集中在清鎮(zhèn)市中南部—觀山湖區(qū)—白云區(qū)南部一帶。

貴陽市汛期短時強降水累計頻次分布(圖2d)與短時強降水量及短時強降水量占總降水量的百分比分布相似，其中心位于貴陽市中南部，即清鎮(zhèn)市中南部—觀山湖區(qū)—白云區(qū)—烏當區(qū)西部邊緣。從雨強≥50 mm·h-1分布可見(圖2e)，南部發(fā)生頻次高于北部，南部中心位于清鎮(zhèn)市中南部至觀山湖區(qū)一帶，北部中心位于開陽縣中南部。圖2f顯示小時極值降水量分布不均，大致有3個中心：清鎮(zhèn)市西部、花溪區(qū)東部以及開陽縣中南部。

圖2 貴陽市2014—2019年汛期降水量(a，單位： mm)、短時強降水量(b，單位：mm)、同期短時強降水量占總降水量的百分比(c，單位：%)、短時強降水累計頻次(d，單位：站次)、≥50 mm·h-1短時強降水累計頻次(e：單位：站次)及短時強降水極值(f，單位：mm)空間分布Fig.2 The spatial distribution of the average precipitation(a, unit∶ mm), the average short-term heavy precipitation (b, unit∶ mm), the percentage of short-term heavy precipitation in total precipitation (c, unit∶%), accumulative number of stations of short-term heavy precipitation (d, unit∶ number of stations), accumulative number of stations of short-term heavy precipitation more than or equal to 50 mm·h-1 (e: unit∶number of stations) and the extreme value of short-term heavy precipitation (f, unit∶mm) during the rainy season from 2014 to 2019 in Guiyang

2.2 逐月短時強降水的空間分布特征

由圖3可見，貴陽市2014—2019年汛期逐月短時強降水空間分布差異明顯，除4月和9月以分散性短時強降水為主、中心區(qū)域不明顯外，其余各月中心特征顯著，其中5月中心區(qū)域位于中部一線，即清鎮(zhèn)市中南部—觀山湖區(qū)—白云區(qū)—烏當區(qū)—開陽縣南部一帶；6月強降水頻次增加，中心位于貴陽市西南部，即清鎮(zhèn)市中南部—觀山湖區(qū)—白云區(qū)一帶以及花溪區(qū)中西部；7月強降水頻次開始減弱，中心位于清鎮(zhèn)市南部—觀山湖區(qū)—白云區(qū)—烏當區(qū)西部、清鎮(zhèn)市北部至修文縣西部以及花溪區(qū)東部邊緣一帶；8月中心區(qū)域位于清鎮(zhèn)市中部、修文縣南部、觀山湖區(qū)北部以及白云區(qū)南部。可見在5—7月短時強降水中心特征尤為顯著，其大致集中在清鎮(zhèn)市中南部—觀山湖區(qū)—白云區(qū)一帶。

圖3 貴陽市2014—2019年汛期逐月短時強降水累計頻次空間分布(a～f：4—9月，單位：站次)Fig.3 The spatial distribution of cumulative number of stations of monthly short term heavy precipitation during the rainy season in Guiyang from 2014 to 2019(a-f: April to September, unit∶ number of stations)

3 短時強降水的時間變化特征

3.1 短時強降水的月變化

通過對貴陽市2014—2019年汛期短時強降水強度統(tǒng)計分析可知，貴陽市短時強降水以20.0～29.9 mm為主，占總頻次的65.6%，30.0～49.9 mm占30.4%，≥50.0 mm短時強降水占4.0%，而≥80 mm短時強降水僅出現(xiàn)5站次。

圖4為貴陽市2014—2019年汛期短時強降水逐月頻次變化。分析可知，貴陽市短時強降水集中在5—8月，占總頻次的87.4%，其中6月峰值顯著(占33.1%)，7月次之(占19.9%)。≥30 mm的短時強降水峰值出現(xiàn)在6月(占35.1%)，5月次之(占21.7%)；≥50 mm的短時強降水峰值出現(xiàn)在6月(占35.3%)，5月次之(占22.3%)。

圖4 貴陽市2014—2019年汛期短時強降水逐月頻數(shù)變化Fig.4 Monthly variation of the number stations of short term heavy precipitation during the rainy season in Guiyang from 2014 to 2019

3.2 短時強降水的日變化

通過分析貴陽市2014—2019年汛期短時強降水日變化，揭示不同月份最易發(fā)生短時強降水的時段(圖5)。4月最強時段出現(xiàn)在23時，其次是20時；5月份最強時段出現(xiàn)在00—03時，其次是19時；6月最強時段出現(xiàn)在00—04時，其次是07—08時；7月最強時段出現(xiàn)在03—06時，其次為16—17時及21時前后；8月最強時段集中在23—00時，其次是13時和15—18時；9月最強時段出現(xiàn)在02—06時，其次是21時。從短時強降水的頻數(shù)可見，4月最強時段(23時)頻次為76次；5月最強時段(00—03時)頻次在100次以上，其中00時最高(120次)；6月最強時段(00—04時)在100次以上，其中03時最高(153次)；7月短時強降水頻次開始逐漸下降，最強時段(03—06時)為50～65次；8月最強時段(23—00時)為50～55次；9月高峰時段降至25次左右。可見，貴陽市短時強降水以夜雨居多，強降水的發(fā)生時段主要有3個：23—03時、07—08時和20—21時。但不同月份短時強降水頻次日變化存在差異，這與文獻[7]研究貴州1 d中3個高峰時段為23—02時、05—08時和17—20時的結論相似。而≥50 mm·h-1短時強降水集中出現(xiàn)在21—05時，其峰值出現(xiàn)在05時，其次是03時。

圖5 貴陽市2014—2019年汛期逐月短時強降水日變化(a～f：4—9月)Fig.5 Daily variation of the number stations of monthly short-term heavy precipitation during the rainy season in Guiyang from 2014 to 2019 (a-f: April to September)

采用文獻[12]中將1 d分為6個時段：20—23時(上半夜)，00—03時(下半夜)、04—07(凌晨)、08—11時(上午)、12—15時(下午)和16—19時(傍晚)，4月短時強降水最易出現(xiàn)在上半夜；5月、6月最易出現(xiàn)在下半夜；9月最易出現(xiàn)在凌晨；而7月和8月較其他月份夜雨特征相對不明顯，其中7月多集中在凌晨及傍晚，8月多集中在午后至上半夜。而≥50 mm·h-1短時強降水最易出現(xiàn)在上半夜至凌晨。

3.3 短時強降水的持續(xù)時間

我國降水過程中超過60%的過程屬于持續(xù)時間較長的降水[13]。結合貴陽市降水特點，參考李強等[14]研究川渝盆地主汛期短時強降水持續(xù)時間的定義，本文根據(jù)小時降水量≥20 mm具體時間,以連續(xù)2 h 小時雨量<5 mm為截斷,統(tǒng)計其前后連續(xù)降水持續(xù)時間。分析可見(圖6)，76.4%的短時強降水過程持續(xù)時間集中在1～3 h，其中1 h的發(fā)生頻率最高為(32.3%)，2 h次之(28.2%)，3 h后，持續(xù)短時強降水發(fā)生頻率迅速降低，而≥9 h的短時強降水過程僅占1.4%，但是貴陽市最長持續(xù)時間曾達16 h(出現(xiàn)在2014年7月16日)。從圖6還可以看出，6月和9月以2 h發(fā)生頻率最高。≥2 h持續(xù)性短時強降水過程主要集中在5—7月，2～7 h以6月頻率最高，8 h以5月頻率最高，9 h以上持續(xù)性短時強降水94.6%出現(xiàn)在7月。

圖6 貴陽市2014—2019年汛期短時強降水過程不同持續(xù)時間的頻率變化Fig.6 Frequency varation of the different durations for short-term heavy precipitation events during the rainy season in Guiyang from 2014 to 2019

圖7給出貴陽市2014—2019年汛期伴隨短時強降水的持續(xù)時間≥3 h降水過程頻次分布，在貴陽市中南部持續(xù)性短時強降水過程明顯高于北部，高頻區(qū)域集中在清鎮(zhèn)市中南部—觀山湖區(qū)—白云區(qū)南部—烏當區(qū)西部一帶，次高頻區(qū)域集中在花溪區(qū)中南部及修文縣南部。

圖7 貴陽市2014—2019年汛期伴隨短時強降水持續(xù)時間≥3 h降水過程頻次分布(單位：站次)Fig.7 Frequency distribution of short-term heavy rainfall events lasting more than or equal to 3 hours during the rainy season in Guiyang from 2014 to 2019 (unit∶ number of stations)

4 汛期短時強降水分類及其時空分布

表1給出了貴陽市2014—2019年汛期不同范圍短時強降水過程月分布。分析可見，貴陽市短時強降水區(qū)域主要在10%以下，占67.35%，10%≤區(qū)域<20%，占14.63%，區(qū)域≥20%占18.02%。區(qū)域范圍在10%以下以8月最多(53次)，其次為7月(38次)；10%≤區(qū)域<20%和區(qū)域≥40%以6月最多(11次和10次)，20%≤區(qū)域<30%以7月和9月最多(3次)，30%≤區(qū)域<40%以6—7月最多(5次)，≥40%的區(qū)域6月出現(xiàn)10次，可見，貴陽市6月最易出現(xiàn)大范圍短時強降水。

表1 貴陽市2014—2019年汛期不同范圍短時強降水過程的月分布Tab.1 Monthly variations of short-term heavy precipitation events in different ranges during the rainy season in Guiyang from 2014 to 2019

4.1 區(qū)域范圍≥20%不同類型短時強降水月分布

根據(jù)業(yè)務服務實踐將區(qū)域范圍≥20%短時強降水天氣過程定為區(qū)域性短時強降水，參考《貴州預報員手冊》天氣類型分類，將2014—209年汛期貴陽市區(qū)域范圍≥20%短時強降水個例(共53個)歸結為4種類型：低渦切變型、冷鋒低槽型、梅雨鋒型和兩高切變型。由表2可見：貴陽市短時強降水出現(xiàn)最多為低渦切變型，共出現(xiàn)27次，占總樣本的50.9%；其次為冷鋒低槽型(占35.9%)；再次為梅雨鋒型(占9.4%)和兩高切變型(占3.8%)。其中低渦切變型主要集中在5—8月；冷鋒低槽型集中在5—6月以及8—9月，其中9月均為冷鋒低槽型；梅雨鋒型集中在6—7月。

表2 貴陽市2014—2019年汛期不同天氣類型短時強降水過程(區(qū)域范圍≥20%)的月分布Tab.2 Monthly distribution of short-term heavy precipitation events (regional range more than 20%) of different weather types during the rainy season in Guiyang from 2014 to 2019

4.2 不同類型短時強降水空間分布

選取占比較大的低渦切變型(50.9%)及冷鋒低槽型(35.8%)短時強降水進行空間特征分析，由圖8可知，低渦切變型短時強降水落區(qū)整體呈現(xiàn)出中部高于南北的分布特征，大值區(qū)主要集中在清鎮(zhèn)市中南部—觀山湖區(qū)—修文縣南部—白云區(qū)—烏當區(qū)中南部一帶，其中≥12 d的區(qū)域集中在清鎮(zhèn)市中南部、觀山湖區(qū)中部至白云區(qū)南部。冷鋒低槽型短時強降水類型落區(qū)與低渦切變型存在一定差異，除了在清鎮(zhèn)市南部至觀山湖區(qū)和烏當區(qū)南部存在大值區(qū)外，在修文縣中西部至息烽縣南部以及開陽縣中北部也存在大值區(qū)。

圖8 貴陽市2014—2019年低渦切變型(a)、冷鋒低槽型(b)短時強降水空間分布(單位：d)Fig.8 Spatial distribution of short-time heavy precipitation in vortex shear type (a) and cold front trough type (b) in Guiyang from 2014 to 2019(unit∶ days)

5 結論

利用貴陽市2014—2019年汛期(4—9月)加密自動氣象觀測站及國家氣象觀測站逐小時降水觀測資料，分析短時強降水時空分布特征，并基于天氣學方法進行天氣學分類，統(tǒng)計不同類型短時強降水的空間分布特征，得到以下結論：

①貴陽市汛期短時降水量呈現(xiàn)出中部多，南北少的空間分布特征，顯著大值區(qū)集中在清鎮(zhèn)市中南部—觀山湖區(qū)—白云區(qū)一帶，且大值區(qū)域也是短時強降水貢獻大，發(fā)生頻次高的區(qū)域。

②貴陽市汛期短時強降水主要集中在5—8月，其中6月峰值顯著，7月次之；逐月空間分布特征差異明顯，其中5—7月中心特征尤為顯著，其中心位于清鎮(zhèn)市中南部—觀山湖區(qū)—白云區(qū)一帶。

③貴陽市汛期短時強降水以夜雨居多，強降水發(fā)生時段主要有3個：23—03時、07—08時和20—21時。不同月份短時強降水頻次日變化存在差異，4月最容易出現(xiàn)在上半夜；5月、6月和9月最易出現(xiàn)在后半夜；而7月和8月較其他月份夜雨特征相對不明顯。

④貴陽市短時強降水過程持續(xù)時間集中在1～3 h，其中1 h的發(fā)生頻率最高，2 h次之。各月短時強降水持續(xù)時間有所不同，其中6月和9月以2 h發(fā)生頻率最高，9 h以上持續(xù)性短時強降水94.6%出現(xiàn)在7月。

⑤持續(xù)時間≥3 h的短時強降水過程呈現(xiàn)出中南部顯著高于北部的分布特征，其中高頻區(qū)位于清鎮(zhèn)市中南部—觀山湖區(qū)—白云區(qū)—烏當區(qū)西部一帶，次高頻區(qū)集中在花溪區(qū)中南部及修文縣南部。

⑥根據(jù)影響系統(tǒng)不同，將區(qū)域≥20%的短時強降水過程分為4類，其中低渦切變型最多，占50.9%，冷鋒低槽型占35.9%，梅雨鋒型占9.4%，兩高切變型占3.8%。不同類型的短時強降水空間分布存在差異。