2008-2020年成都地區盛夏降水時空分布特征

吳 堯， 肖天貴， 趙 平， 李 勇

(1.成都信息工程大學, 成都 610225;2.中國氣象科學院災害天氣國家重點實驗室, 北京 100081; 3國家氣象中心, 北京,100081)

在全球氣候變暖的背景下，經濟高速發展，導致降水空間分布發生變化，四川地區為降水減少區域[1-3]，從而對研究區域降水的時空分布演變特征是具有十分重要的科學意義。四川盆地降水分布和日變化具有明顯的區域性特性，盆地降水日變化呈現“一峰一谷”型，活躍時段集中在傍晚至凌晨，午夜達到峰值[4-5]，Huang等人[6]通過對青藏高原背風坡降水的研究，發現青藏高原與其背風坡低處之間的螺線形環流有助于降水峰值的日變化并且向下游傳播，降水峰值通常開始于青藏高原東部邊緣的傍晚，隨后向東傳播，在凌晨時分，峰值到達四川盆地及其以東的鄰近地區，胡迪等[7]研究了四川地區5—9月夜雨的時空變化特征，指出四川地區夜雨占日降水量的比例較大，且具有顯著的區域性差異，盆地西南部的夜雨占日降水量的比例最大，而夜雨發生頻次雖然不是很高，但夜雨強度較大。成都地區降水不僅以夜雨為主，而且受地形影響，易出現短時強降水，短時強降水可造成城市內澇，誘發山洪、泥石流等地質災害，造成財產損失及人員傷亡。陳炯等[8]研究發現，中國西南部是僅次于華南地區的短時強降水活躍地帶，且該區域短時強降水日變化呈夜間活躍型的單峰結構。李強等[9]發現四川盆地短時強降水高頻次區分布在盆地西部龍山山脈、雅安及樂山周圍和盆地的過渡區。毛冬艷等[10]分析了西南地區近30 a短時強降水的氣候特征，發現四川盆地西部邊緣地區的小時降水最強，且短時強降水在02時左右發生頻次最多。周秋雪等[11]通過研究四川盆地邊緣山地強降水與海拔的關系，降水量、降水日數隨海拔升高而增加，但降水量顯著增長區集中在200～1 200 m，當海拔超過1 200 m時降水量迅速減少。

成都是中國西部地區重要的中心城市，又是西部大開發戰略的關鍵平臺，位于四川盆地西部、青藏高原的邊緣，具有獨特的地形條件，是盆地暴雨和短時強降水高發中心之一。近十幾年來，成都城市化發展迅速，城市內澇問題也越來越明顯，因此對成都地區降水的特征研究非常重要，不僅避免降水異常造成的重大經濟損失，而且對城市防洪和環境保護提供了支持和幫助。但過去的研究主要使用的區域自動站日降水資料，不管是空間尺度還是時間尺度都明顯不夠精細，本文運用了國家氣象信息中心提供的高時空分辨率衛星融合降水資料分析成都盛夏降水，尤其是小時強降水的時空分布，為成都地區短時強降水的預警和防災減災提供重要參考。

1 研究區域、資料及方法

1.1 研究區概況

成都市位于四川盆地西部，青藏高原東緣(30°—31.2°N，102.5°—104.5°E)，地勢由西北向東南傾斜，西部為龍門山脈，以深丘和山地為主，海拔大多在1 000～3 000 m，龍泉山脈位于成都境內，是成都平原與川中丘陵的自然分界線，呈南北走向，平均海拔在1 000 m，東部為四川盆地盆底平原，是成都平原的腹心地帶，主要由平原和部分低山丘陵組成，海拔高度一般在750 m左右。由于巨大的垂直高差，在市域內形成了平原、丘陵、高山的獨特地貌類型，這種地形無疑是降水時空分布特征最特別的地區之一。該地區屬于典型的季風氣候，成都多年平均降水在1 000 mm左右，雨水集中在7，8兩個月。

為了進一步探究成都市降水的空間分布及其變化特征，以成都市盛夏逐時降水資料為基礎，對其空間進行經驗正交分解(EOF)。根據降水EOF結果—方差貢獻率相對較大的4個模態的空間分布，分別為42.7%，13.6%，7.7%，4.0%，累計方差貢獻率為68%。結合EOF的結果和地形特征將成都市劃分3個區域，西部位于川西高原邊緣，主要以山地為主，中部位于龍泉山西側，代表市中心和人口密集區，東部位于龍泉山東側，以平原、丘陵為主，本文將結合分區和地形來討論成都及其分區的降水特征和區域差異。

1.2 數 據

本文所使用的數據為國家氣象信息中心提供的2008—2020年中國地面與CMORPH融合逐小時降水產品，空間分辨率為0.1°×0.1°，時間分辨率為1 h，用概率密度匹配法(PDF方法)調整樣本數量及其的時空尺度[12]和最優插值法(OI方法)將CMORPH衛星反演降水和CPA(Chinese Precipitation Analyses)二者融合[13]，產生融合降水產品，有效結合了地面觀測降水和衛星反演降水的優勢，產品總體誤差水平在10%以內，對強降水和站點稀疏區的誤差在20%以內，優于國際上同類型產品，該產品能對于定量監測降水過程具有優勢，可滿足強天氣過程監測和服務需求[14-15]。

1.3 方 法

降水資料的統計方法和定義：(1) 降水事件。小時降水量大于等于0.1 mm作為有降水發生，記為一次降水事件。(2) 降水量(Precipitation Amount，簡稱PA，單位：mm/h)。一段時間內，總降水量/總時次，描述單位時間內降水的大小。(3) 降水頻次(Precipitation Frequency，簡稱PF，單位：%)。一段時間內，降水的時次×100/總時次，描述該地區降水事件出現的頻率。(4) 降水強度(PrecipitationIntensity，簡稱PI，單位：mm/h)。一段時間內，總降水量/總的降水時次，描述當發生降水時的平均降水強度。(5) 短時強降水(單位：mm)。每小時降水量≥20 mm的降水。(6) 小時強降水極值(單位：mm)。該區域最大的小時強降水量。(7) 小時強降水頻次(單位：次)。在一段時間內，發生了小時降水量≥20 mm的降水總次數。(8) 經驗正交函數分析方法(empirical orthogonal function，EOF)。對成都盛夏降水進行空間分布研究，得出成都盛夏降水的空間特征。

2 結果與分析

2.1 降水的空間分布

2.1.1 年降水的空間分布 圖1給出了成都地區2008—2020年盛夏平均降水量、降水頻次和降水強度的空間分布特征。總體上，西部平均降水量明顯偏大，中部相對較小，東部明顯偏小，降水量呈西高東低的分布趨勢，并且存在兩個大值中心，一個在都江堰的西部，另一個在邛崍的西部，都在約0.4 mm/h以上，這與李昕翼等[16]利用50 a自動站站點資料統計的降水呈西高東低的結論一樣，但降水大值區較前人研究的更偏向于山區，可能由于西部山區站點稀少的原因。有一個低值中心位于龍泉驛區和簡陽市的交界處，在龍泉山脈的東側，約為0.18 mm/h。降水頻次與地形高度有密切的關系，龍門山脈的降水頻次普遍都超過17%，海拔高度越高，降水也越頻繁，在平原地區的降水頻次相對較低，在成都的東部出現低于10%的低值區。降水強度與降水頻次幾乎是相反的，雖然地勢海拔越高有利于降水的出現，但是海拔越高，降水強度越低，強降水易出現在龍門山脈東部的過渡區，說明地形抬升有利于產生強降水，還有一個降水強度大值區出現在雙流地區的南部。

圖1 成都地區 2008-2020年盛夏平均降水量、降水頻次和降水強度空間分布

2.1.2 逐小時降水的空間分布 從成都盛夏小時降水的空間分布可以看出，成都盛夏時期降水主要以夜間降水為主，在2：00—5：00平均降水量普遍較多，從空間上可以看出雨帶總體隨著時間向東傳遞的特征，西部地區降水的峰值出現在2：00—3：00，12：00為全天最低值，中東部在4：00左右達到峰值，但中部在16：00為全天最低，而東部在19：00達到了全天最低。這也證明了西南地區主要以夜間降水為主，雨帶呈現一致的向東傳遞這一結論。從21：00開始，西部降水開始增強且降水增強區域向東隨時間逐漸擴張；到02：00西部降水持續增強，在都江堰地區出現極值區，隨后西部較強區域向南部和東部擴張；在3：00時刻成都西南部降水達到了最大值；4：00，西部降水強度開始下降，中東部降水達到了峰值；從6：00之后，總體降水量都普遍減少，到12：00時，各個區域的降水量持續減少，大值區位于中部南側，其次是西部，東部一直處于低值區，從14：00—17：00時，在成都的北部出現了降水量較明顯的增強。

2.2 降水的時間分布

2.2.1 降水的年變化特征 從成都2008—2020年各區域盛夏時期平均降水量、降水頻次、降水強度的年際變化特征(圖2)顯示，除了2013年、2018年、2020年盛夏平均降水量異常偏多，其他年的各區域降水量呈現穩定的波動特征，無明顯變化的趨勢；降水頻次總體上都比較平穩，但是2017年降水頻次明顯偏低和2020年降水頻次明顯偏高；而降水強度呈現著上升—下降—上升的趨勢。總體上來看，雖然西部地區的降水量和降水頻次普遍都比其他區域的大，但是在降水強度方面，西部的降水強度只有在2013年、2015年、2017年和2020年這四年比其他區域強；中部地區的降水量和降水頻次大多數都是排在第二位，但降水強度在2010年、2011年、2014年、2018年、2019年都強于其他兩個區域，比西部地區多一年，說明中部地區比西部地區更容易產生強降水；東部地區從平均降水量、降水頻次、降水強度都要低于其他兩個區域。

圖2 2008-2020年成都地區各區域盛夏平均降水量、

2.2.2 降水的日變化特征 圖3是成都2008—2020年各區域盛夏時期平均降水量、降水頻次、降水強度的日變化特征。降水量呈單峰分布，有明顯的日變化，降水主要是以夜雨為主，各區域的峰值主要出現在3：00—4：00，西部地區在3：00達到峰值，而中東部則在4：00達到峰值，峰值出現的時間呈現自西向東的滯后，另外各區域的白天(8：00—20：00)的降水是遠小于夜晚(20：00—8：00)降水；從降水頻次可知，各地區的峰值出現的時間大多數在4：00到5：00，并在8：00達到次峰值，但各區域在其余時間(12：00—22：00)的變化是各有差異的，西部地區最低值出現在12：00，隨后降水頻次開始上升，中部地區在19：00出現了第3個峰值，并和東部地區在22：00時降水頻次為最低值；西部地區的降水強度呈單峰型，而中部和東部的降水強度呈雙峰型，3個地區都在3：00達到峰值，但中部地區在13：00達到次峰值，此時的降水強度遠大于其他兩個地區，東部地區在15：00達到了第2個峰值，這是受到午后局地性對流的影響。

圖3 2008-2020年成都地區各區域盛夏多年平均

2.3 成都地區盛夏小時強降水的時空分布

盛夏時期小時強降水(≥20 mm/h)是最容易發生的時候，強降水容易造成山洪、滑坡、崩塌、泥石流等地質災害，為此，需要進一步對小時強降水的時空分布特征進行深入了解。

2.3.1 時強降水對總降水的貢獻率 圖4給出了成都地區2008—2020年盛夏小時強降水的降水量和降水頻次對盛夏總降水量和降水頻次的貢獻率。小時強降水的降水量和降水頻次的貢獻率在空間上分布基本一致，降水頻次的貢獻率最大值不超過2%，而降水量的貢獻率大值區接近18%，說明盛夏時期空間各點出現小時強降水頻率并不是很高，但對盛夏總降水量貢獻較大。從降水頻次貢獻率可以看出，大邑和邛崍的交界地區是最容易出現小時強降水，其次容易發生小時強降水的地方有都江堰、蒲江地區，最低值區出現在都江堰和彭州的北部和大邑的西部，這些地方的海拔高于3 km，說明高海拔的地區不容易出現小時強降水，其次低值區位于簡陽地區。

圖4 2008-2020年成都地區盛夏平均小時強降水的貢獻率

2.3.2 時強降水的空間分布特征

(1)多年內小時強降水極值和總頻次的空間分布特征。多年內小時強降水最大值(圖5A)的空間差異比較大，變化范圍從20～78 mm/h，簡陽地區小時雨強相對較小，還有都江堰和彭州北部的高海拔地區，崇州、大邑、邛崍的部分地區的小時雨強都基本在40 mm/h以下，在雙流地區的極端小時雨強最大，都是50 mm/h以上，其中有兩個大值區，分別一個在雙流地區的西部，極端小時雨強為72 mm/h左右，另一個在雙流與龍泉的交界處，同時也在龍泉山的西側，達到78 mm/h左右，在成都的西側也存在3個極端小時雨強的極大值區，與圖5B的3個強降水頻次高值區相對應，基本在50～62 mm/h。由圖5B可知，四川≥20 mm/h的降水的次數總體是自西向東逐漸遞減的，其主要存在3個高頻次中心，分別是都江堰地區、大邑和邛崍的交界處、蒲江地區，都是在40次以上，而東部平原地區普遍都是在10次以下，還有兩個低值區在都江堰的北部和大邑的西部。結合小時強降水的極值和頻次兩張圖，總結出高海拔山區是不利于強降水的產生，而山坡地區和山前的平壩區域易出現強降水，并且西部3個50 mm/h以上的極值中心都出現在強降水頻次的高值區，且位于平原向高海拔山區的過渡區域，說明地形抬升是有利于強降水的產生，這與前人得出的結論較為一致[17-18]。

圖5 成都地區2008-2020年盛夏小時強降水空間分布

(2)不同時次小時強降水極值及頻次的空間分布特征。從小時強降水最大雨強和多年總頻次的空間分布日變化來看，夜間(1：00—7：00)為強降水較為活躍的時間段，超過50%的區域出現過強降水，而2：00—4：00為強降水出現的最活躍的時段，超過80%的區域均出現過強降水，而下午(12：00—16：00)為次活躍期，僅有30%的區域出現過強降水，大部分都集中在中部地區。不同時段，小時強降水的出現頻次具有較大的空間差異，從8：00—10：00，17：00—21：00，小時強降水出現的頻次很少且區域較為零散，11：00—16：00中部地區出現了小時強降水，并且區域隨時間由南向北移動，從22：00開始，西部地區開始出現小時強降水，在3：00西部小時強降水頻次較高，特別在都江堰和大邑邛崍地區出現了頻次的極值中心，而中東部地區陸續出現小時強降水，小時強降水的頻次夜間也有明顯的東傳效應。

2.3.3 時強降水的時間分布特征

(1) 時強降水極值及頻次的年變化特征。圖6給出了2008—2020年成都盛夏時期不同區域小時強降水的頻次和極值的年際變化。成都盛夏小時強降水的頻次和最大值呈現年際波動的趨勢，從頻次圖可看出，2008年、2009年、2015年發生強降水的次數明顯比其他年少得多，但2013年、2018年、2020年的小時強降水的次數明顯偏多，這是因為這三年的盛夏時期，副熱帶高壓異常的偏西和偏北，有利于低緯度的暖濕空氣沿副高的邊緣北上，冷暖空氣在四川盆地地區交匯，低層形成了水汽的異常輻合區，南亞高壓較為偏暖、偏東，有利于我國西南地區高層大氣輻散，并有西南氣流輸送阿拉伯海和孟加拉灣的水汽，東南氣流輸送南海和西太平洋的水汽。這種低層輻合、高層輻散，低空急流輸送充足的水汽，是有利于成都地區對流的發展和降水的頻繁產生[19-20]。成都西部地區小時強降水的頻次與其他兩地區相比，強降水的次數是明顯偏多，但每年的降水極值卻經常小于整個地區的極值，特別是2014年、2018年、2019年西部的強降水極值是都小于其他兩個地區。

圖6 2008-2020年成都盛夏時期不同區域小時強降水年變化特征

(2) 時強降水極值及頻次的日變化特征。圖7是2008—2020年成都盛夏時期不同區域小時強降水出現總頻次和最大值的日變化特征。根據強降水出現頻次的日變化可以發現，小時強降水主要還是發生在夜間時段，活躍的時間段主要集中在22：00到次日7：00，在3：00都達到了峰值。

另外成都中部地區在12：00和東部地區在15：00各存在一個日次峰值，這與白天的強對流天氣有關。夜間(20：00—08：00)西部地區出現強降水的次數是遠多于其他地區。從強降水的最大雨強可以了解，強降水的極值呈現多峰分布，但峰值都出現在夜間和午后，夜間時段中東部地區的峰值雖然遲于西部地區，但強降水極值都高于西部地區，午后強降水的最大值區都集中在中部和東部地區，雖然強降水的頻次不高，但是受午后的強對流的影響，容易發生小時強降水。

圖7 2008-2020年成都盛夏時期不同區域降水日變化特征

3 結 論

(1) 成都地區盛夏平均降水量總體呈西高東低的分布趨勢，降水量的大值區主要位于成都的西北部和西南部，低值區位于龍泉山的東側。降水頻次和降水強度與地形高度密切相關，降水頻次與海拔成正比，海拔越高容易出現降水，而降水強度與頻次相反，海拔越高降水強度減少，其大值區發生在龍門山脈東部過渡區。

(2) 成都地區盛夏降水存在明顯的日變化，降水主要以夜間降水為主，雨帶呈現一致的東傳效應。成都西部地區的降水量和降水頻次都大于其他區域，但中部地區降水強度較大，比西部地區更容易產生強降水。西部地區峰值出現在凌晨3：00左右，而中東部地區為4：00左右。中東部分別在13：00，15：00左右還存在一個次峰值，是受到午后局地對流性天氣的影響。

(3) 小時強降水的降水量和降水頻次的貢獻率在空間上分布基本一致，最大值區均位于大邑和邛崍的交界處，次大值區位于都江堰、蒲江、新津和雙流地區，低值區出現在西部高海拔地區和東部簡陽地區，這與盛夏平均降水量的分布較為一致。這說明高海拔山區是不利于強降水的產生，而山坡和山前的平壩區域是易出現強降水。

(4) 成都盛夏小時強降水的頻次和最大值呈現年際波動的趨勢， 2013年、2018年、2020年的成都盛夏小時強降水的次數明顯偏多，這是由于夏季副熱帶高壓異常偏西偏北導致。成都西部地區小時強降水的頻次與其他兩地區相比，強降水的次數是明顯偏多，但每年的降水極值卻經常小于整個地區的極值。短時強降水日變化峰值出現在下午和夜間，但極端強降水更容易在3：00左右出現。

以上基于0.1°×0.1°的格點數據得出了成都地區盛夏時期更加精細的降水時空分布特征，為成都地區的水資源開發利用和自然災害防御工作提供了必要的參考。但是對于成都盛夏降水的影響因子、形成機制和地形關系還需要進行進一步的深入研究。