呼倫貝爾市汛期短時強降水時空分布特征

高紹鑫，劉 靜，常 煜，隋沆銳

(1.呼倫貝爾市氣象局，內蒙古 呼倫貝爾 021008；2.呼倫貝爾市海拉爾區氣象局，內蒙古 呼倫貝爾 021008)

1 引言

我國汛期雷暴大風、冰雹和短時強降水等強對流天氣頻發[1, 2]，其中短時強降水發生次數最多[3]。《全國短時臨近預報業務規定》中定義短時強降水為1 h降雨量大于等于20 mm的降水，且降水總時間不超過6 h，其過程具有突發性強、降水時間集中、降水量大、局地性強及預報難度大等特點，大多數強對流天氣的預警提前量通常不超過1 h[4]。這些特點使得短時強降水容易致災，對農業、交通、建筑等都易造成嚴重影響。

國內一些學者對不同地區短時強降水的時空分布特征開展了研究。朱平等[5]分析了青海高原致災性對流天氣的時空分布特征與地形的關系。袁晨等[6]分析了四川都江堰地區短時強降水的時空分布特征，發現都江堰小時降水極值多出現在高海拔地區且夜雨特征突出。呂勁文等[7]分析2012～2016年6～9月浙江省午后短時強降水的時空分布，并探討其環流背景和觸發因子。沈偉等[8]詳細分析了江蘇短時強降水的時空分布特征。汪翔等[9]分析了近45年蚌埠市汛期短時強降水的氣候特征。王婧羽等[10]利用高時空分辨率的地面降水觀測資料，統計分析了河南2010～2015年預計短時強降水時空分布特征。韓寧等[11]對陜甘寧三省不同強度短時強降水時空分布特征、天氣學概念模型以及物理量特征進行研究。王芬等[12]分析了黔西南短時強降水特征及其與暴雨的關系。劉增基等[13]通過分析福建省前汛期短時強降水氣候特征，發現地形對降水的影響十分顯著。張寧等[14]分析了蘭州市短時強降水的時空分布特征，并探討短時強降水頻次與地形的關系。李琛[15]分析總結了北京市短歷時強降雨的時空分布。王國榮等[16]統計分析了北京地區夏季短時強降水的時空分布特征。楊春等[17]分析了重慶時空地區近25年的小時降水時空分布特征。郭凌曜等[18]和姚蓉等[19]分別對湖南省短時強降水氣候特征和時空分布進行分析。常煜等[20]對2012～2015年內蒙古夏季37例典型短時強降水事件的天氣尺度流型和小尺度影響系統進行分析。

北方強降水具有次數少、強度大、降水時間集中、年際變化大、歷時短且范圍小的氣候特征[21]。常煜[22]利用1991～2013年呼倫貝爾市汛期(6～8月份)16站逐小時降水資料，揭示了呼倫貝爾市短時強降水變化特征。但該研究采用的站點稀疏，空間分辨率低。本文在次此基礎上采用國家站和區域站在內的241個氣象站點，補充分析2005～2018年呼倫貝爾市的短時強降水時空分布特征。本研究旨在為本地強降水預報提供氣候背景參考，也對提高城市防災減災能力有借鑒意義。

2 資料選取和定義

本研究中短時強降水定義為1 h降雨量大于等于20 mm的降水。呼倫貝爾市4月和10月份為季節轉換月份，5～9月份進入主汛期降水相態為雨，因此本文選取2005～2018年間5～9月份呼倫貝爾市241個區域自動站和國家站的小時降水資料，剔除異常值后，提取小時降水量大于等于20 mm的降水過程記為一次短時強降水。位于我國北方的呼倫貝爾市地處東經115°31′～126°04′，北緯47°05′～53°20′。大興安嶺以東北—西南走向縱貫呼倫貝爾市中部，西部為呼倫貝爾大草原，東部為大興安嶺東麓，東北平原—松嫩平原邊緣。如圖1所示，地形總體特點為西高東低。

圖1 研究區地形分布

3 空間分布

統計2005～2018年呼倫貝爾市所有站點出現短時強降水的次數，總計有193個站出現共1062次。短時強降水發生頻次的空間分布如圖2所示，其中162個站點出現短時強降水的次數少于9次，27個站點發生短時強降水頻次10～20次，4個站點發生短時強降水頻次大于20次。

圖2顯示，阿榮旗、扎蘭屯市的成吉思汗站、大河灣站和鄂溫克族自治旗的輝蘇木站出現短時強降水的次數最多，超過20次。由此可知，呼倫貝爾市14年間短時強降水高發區主要分為兩個地區：第一個主要集中在東南部地區，為農區平原地帶，即扎蘭屯市東部和阿榮旗南部。該地區是東南水汽輸送的必經之路，也是東北冷渦的經由地，因此該地水汽充足且常有動力抬升作用配合，容易產生短時強降水等對流天氣。同時該地區位于大興安嶺東麓海拔高度自東向西逐漸增加，偏東風和偏南風經過此地向西爬升時被迫做抬升運動，即地形作用是該地短時強降水的發生的有利條件。第二個高發地區是鄂溫克族自治旗西南部，由于西部地區監測站點較少，目前只有輝蘇木的短時強降水發生次數最多。該站位于呼倫貝爾草原南部，常有東南暖濕氣流途徑此地向西輸送，使得該地在動力條件滿足時有充足的水汽條件。

3.1 不同時段短時強降水頻次空間分布

統計分析不同發生時段短時強降水的空間分布情況，如圖3所示。由圖3可知，短時強降水各時段發生都是集中在東部地區，且單站出現短時強降水的次數大多數是1～5次。02：00～08：00總計有84個站發生158次短時強降水，其中只有大河灣站出現次數最多為7次，其余站點出現次數都在1～5次之間。08：00～14：00總計有108個站點發生共227次短時強降水，其中上庫力六隊、西瓦爾圖和西瓦爾圖鎮東向陽分別出現6次，輝蘇木出現22次，其余站點出現次數均在5次以內。14：00～20：00總計157個站點出現468次短時強降水，有145個站出現1～5次，10個站出現6～10次，成吉思汗站出現14次，輝蘇木出現25次。20：00～02：00總計有112個站共出現209次，其中阿榮旗、輝蘇木和大河灣三站分別出現6次、7次和8次，其余站點出現次數均為1～5次。由此可知，出現短時強降水最多是時段是14：00～20：00，該時段內對流發展最為旺盛，是強對流天氣的高發時段。次高峰是08～14時，該時段內氣溫逐漸升高，大氣能量不斷積累，當受到一定擾動時可觸發對流。

圖2 2005～2018年研究區短時強降水空間分布

3.2 不同量級短時強降水頻次空間分布

統計分析不同量級短時強降水的空間分布情況，如圖4所示。圖4中顯示，各量級的短時強降水大多集中在東部地區發生，單站各量級短時強降水出現的次數都是以1～5次居多。20～30 mm的短時強降水總計187個站出現共805次，138個站出現1～5次，37個站出現6～11次，8個站出現11～15次，出現15次以上的站共3個，分別是大河灣、阿榮旗和輝蘇木。同時，從圖4中也可看出20～30 mm量級的短時強降水出現次數越高的站點，其分布位置越偏東。30～40 mm量級的短時強降水總計有101個站出現，共計191次，其中98個站出現次數為1～5次，阿爾拉和成吉思汗兩個站均出現6次，輝蘇木出現17次。40～50 mm量級短時強降水總計34個站點出現共38次，各站點出現次數為1次或2次。50 mm以上量級短時強降水總計27個站出現共28次，坤密爾提出現兩次，其余站點均出現一次。由此可見，短時強降水出現的站點數和次數隨降水量級的增加而減少，出現極端強降水的站點多集中在東部地區。此外，就特定量級降水而言，東部地區出現的次數大多高于其它地區，即東部地區是全市短時強降水的高發地區。

圖3 2005～2018年各時段研究區短時強降水發生頻次

圖4 2005～2018年各量級研究區短時強降水空間分布

4 多時間尺度特征

4.1 年際變化

統計2005～2018年呼倫貝爾市的短時強降水年際變化如圖5所示。2013年發生短時強降水次數最多，總計為217次；超過100次的有2014年(100次)、2016年(152次)、2017年(136次)；而2005、2006、2007年發生短時強降水的次數均小于10次。由此可見，2012年之前短時強降水次數逐年上升，但總體較少，2012年以后除2015年(41次)小于100次以外，其余年份均保持在100次以上。

圖5中顯示，呼倫貝爾市發生短時強降水時的小時降水量大多集中在20～30 mm，占發生總頻次的76%，其中2013年和2018年出現次數最多，2016年和2017年次之。小時降水量30～40 mm共出現191次，占總數的18%，2013年出現次數最多，其次是2016年、2017年和2018年。小時降水量達到40～50 mm的短時強降水頻次為38次，占總數4%，2013年最高，其次是2018年和2014年。小時降水量超過50 mm的短時強降水共出現28次，僅占總數的2%，2013年出現頻次最多，其次是2018年。

圖5 研究區短時強降水年際變化

4.2 年內變化

2005～2018年呼倫貝爾市短時強降水次數逐月呈單峰式分布，峰值出現在7月份，占總數的40%，8月份次之，占總數30%，其次為6月份，占總數20%，分布特征與呼倫貝爾市主汛期時間吻合。6～8月份東北冷渦活動頻繁，東移南下的冷空氣與暖氣團交匯觸發不穩定能量釋放，冷渦對應的地面氣旋前后易產生對流性天氣，產生短時強降水。隨著副熱帶高壓北抬，華北東北進入雨季，也為呼倫貝爾市短時強降水的發生提供了環境條件。

此外，從圖6中也可看出，各量級小時降水量年變化與短時強降水事件年變化一致，即7月份頻次最高，8月份次之，其次為6月份，5月份和9月份最少。同時，各月份短時強降水發生時，出現頻次最高的小時降水量均為20～30 mm，30～40 mm次之，其次為40～50 mm，小時強降水量達到50 mm以上的短時強降水事件出現的最少。

月份 圖6 研究區短時強降水年內變化

4.3 日變化

呼倫貝爾市短時強降水發生次數的日變化呈雙峰型分布(圖7)，其中14：00～19：00即午后到傍晚是第一個峰值，也是呼倫貝爾市短時強降水最易發生的時段。最高出現頻次是17時共92次，占總數的8.6%。午后地面積累大量太陽短波輻射，近地面溫度快速升高。07時出現短時強降水35次，占總數的3.3%，夜間地面發射長波輻射，凈輻射能減少，近地面氣溫逐漸降溫。日出后太陽短波輻射不斷加熱大氣和地面，大氣層自上而下逐步升溫，當高層溫度高于底層形成逆溫，若有擾動出現會觸發逆溫層聚集的能量，產生局地對流，如果伴隨較高的水汽條件則容易產生短時強降水。8：00～10：00是一天中出現短時強降水最少的時段。各小時降水量量級的日變化和短時強降水發生的日變化規律一致，各量級出現都是在14：00～19：00出現的頻次最多，8:00～10:00最少。

圖7 研究區短時強降水日變化

5 結論

本文利用呼倫貝爾市全部氣象觀測站的逐小時降水量數據，統計并分析了呼倫貝爾市2005～2018年短時強降水過程的時空分布特征。結果表明：

(1)呼倫貝爾市短時強降水高發區主要在東部，大興安嶺南麓。高發時段為14：00～20：00，其次為08：00～14：00。短時強降水出現的站點數和次數隨量級的增加而減少，出現50 mm以上降水的站點多集中在東部地區。此外，就特定量級降水而言，東部地區出現的次數大多高于其他地區，即東部地區是全市短時強降水高發地區。

(2)短時強降水發生頻次有逐年遞增趨勢，2013年出現次數最多。其中7月份出現短時強降水次數最多，8月份次之，5月份和9月份最少。一天中午后到傍晚15：00～17：00為短時強降水高發時段。小時降水量的各降水量級的時間變化表現為與短時強降水發生頻次的時間變化一致。