基于自動站資料的梧州市短時強降水時空特征分析

孫靖雯，王建東，盧偉萍，譚勝寒，寧晨陽

（1.梧州市氣象局，廣西 梧州 543000；2.來賓市氣象局，廣西 來賓 546100；3.廣西壯族自治區氣象科學研究所，南寧 530022；4.藤縣氣象局，廣西 藤縣 543300）

短時強降水是發生頻率最高的氣象災害之一，致災性強，次生災害多，會造成城市內澇、給交通出行帶來嚴峻考驗，同時也與滑坡、泥石流、洪澇等災害密切相關［1-4］。許多學者對短時強降水開展諸多研究。冉津江等［5］利用四川盆地2011—2020 年1 688站逐時降水觀測資料，研究四川盆地短時強降水時空變化特征，并指出其與地質災害的發生呈現高度正相關。肖蕾等［6］采用統計診斷分析方法發現貴州省的短時強降水高發區出現在西南部“喇叭口”地形和東南部雷公山南側“喇叭口”地形與河谷地形重疊區域。李宏華等［7］研究表明云南境內的短時強降水頻次年際差異較大且具有明顯的日變化特征。蔡晶等［8］基于廣東省國家級自動站和區域中尺度氣象站小時降水資料，發現廣東省短時強降水多發生在河谷、湖泊和喇叭口地形區且日變化表現為明顯的雙峰型，主峰在午后至傍晚時段，次峰在早晨前后［1］。廖勝石等［9］研究表明廣西極端短時強降水特征不僅與地形密切相關，而且隨著南海夏季風的爆發，從5 月第6 候起，發生極端短時強降水的站點和頻次迅速增加。李建鴻等［10］研究發現廣西極端連續降水空間分布情況與廣西地形地貌空間分布有較好的吻合性，表明廣西極端連續降水主要受地理環境和大氣環流的影響。

梧州市地處西江干流，位于桂江和潯江交匯處，是全國的重點防洪城市之一，同時也是全國少有的受地質災害威脅較嚴重的城市之一［11］。梧州市短時強降水頻發，容易誘發地質災害，導致城市內澇、交通癱瘓等，同時也給水庫防汛等帶來嚴峻考驗。因此，利用梧州市高密度的自動氣象站資料，對梧州市短時強降水時空變化特征進行研究，加深了解該區域內短時強降水發生規律，為梧州市相關部門預防災害提供決策依據，也為精細化預報預警、農業區劃、水資源利用、城市建設等提供一定的參考。

1 資料與方法

梧州市自動氣象監測網絡從2003 年1 月開始逐步布設，如今已經基本覆蓋梧州市各個鄉鎮，并積累大量的降水資料。為了數據時間序列能夠統一，本研究挑選梧州市2013 年前建站且分布較為均勻的153 個自動氣象站（包括5 個國家觀測站和148 個區域觀測站）逐時降水資料。梧州市具有四周高、中間低的地形特點，多山地丘陵地貌，南北被大瑤山、大桂山、云開大山包圍，山脈皆呈東北-西南走向，山體平均海拔在1 200 m 以下［12］。

當某站點1 h 雨量超過20 mm 時，則記作該站點發生1 次短時強降水，當多個站點出現短時強降水時，則站次累加。本文主要運用統計分析方法計算梧州市短時強降水時空分布特征。

2 結果與分析

2.1 時間分布特征

2.1.1 年分布特征

2013—2022 年，梧州市共發生15 625 次短時強降水事件，年平均每站出現10.2 次；年發生頻次（圖1a）呈現“W”式波動變化，最多頻次出現在2016年，出現1975 站次，平均每站出現12.91 次，最大出現在藤縣大黎站、東榮大帶站以及蒙山縣陳塘村站，出現28 次；其次是2014 年，出現1 855 站次，平均每站出現12.12 次；2018 年和2021 年出現短時強降水的頻次異常偏少，可能是由于這兩年夏季西太平洋副熱帶高壓位置異常偏北［13-14］造成水汽輸送至梧州地區比常年同期偏弱所致。

圖1 梧州市短時強降水頻次逐年（a）、逐月（b）、逐時（c）分布圖

2.1.2 月分布特征

梧州市全年都可能出現短時強降水（圖1b），3—9 月是梧州市短時強降水事件出現最多的月份，共出現14 967 站次，占總頻次的95.8%，月際分布呈現雙峰結構，主峰出現在5—6 月，出現3 289 站次，次峰出現在8 月，出現2 709 站次，12 月—次年1 月出現的較少，過去10 a 間僅出現4 站次。從梧州上空大氣演變的氣候特征分析，3—4 月，大陸性冷高壓變弱，鋒面活動變多［15］，冷暖空氣容易在梧州上空交綏，易出現短時強降水天氣；5—6 月是南海夏季風強盛時期，從海上來的暖濕氣流配合高空槽、低空切變線等斜壓性天氣系統［16］，是導致梧州市短時強降水頻發的主要系統和配置；7 月，西北太平洋副熱帶高壓北跳，梧州受副熱帶高壓控制，以炎熱少雨天氣為主，故而短時強降水頻次相對減少；8 月之后，西北太平洋副熱帶高壓再次北跳，梧州容易受到東風波、熱帶氣旋等系統的影響［17］，出現短時強降水的頻次再次增加；9 月后，梧州穩定受副高脊控制，大氣垂直層結穩定［17］，短時強降水發生頻次迅速減少。

2.1.3 日分布特征

從短時強降水日變化特征（圖1c）可以看出，13:00—20:00 是梧州市短時強降水的高發時段，共出現7 608 站次，占總頻次的48.7%，午后太陽輻射增加，有較好的熱力條件使得梧州市在午后到傍晚時段內短時強降水事件頻發［18］；00:00—01:00 是出現短時強降水概率最低的時段，僅出現2.24%。

2.2 空間分布特征

2.2.1 站次空間分布特征

2013—2022 年梧州市共計出現15 625 站次的短時強降水，站均出現102.1 次；蒙山119.5 次、藤縣98.1 次、蒼梧107.3 次、梧州89.8 次、岑溪107.8 次，發生頻次在區域上呈現出南北高中部低的特點。使用傳統排序法，將梧州縣（市、區）的短時強降水極值進行排序得到不同分位數不同區域所對應的小時雨量閾值（表1），可以看出，過去10 a 間梧州市1 h 降水量極值出現在2016 年8 月10 日梧州市區的龍圩站（135.2 mm）。通過表1 不同分位數所對應的小時雨量閾值分析，可以發現岑溪不同分位數對應的小時雨量閾值遠高于全市平均值，蒙山域緊隨其后；僅在99.5%分位數略低于全市平均值，其余分位數均高于平均值。全市在50%、75%分位數時對應的小時雨量閾值相差不大，但在95%、99%、99.5%時出現較大差異。相差值最大達到11.5 mm。表明梧州的降雨空間分布上非常不均勻，對于當地相關決策部門來說，暴雨、山洪、泥石流防御是比較大的考驗。

表1 2013—2022 年梧州市短時強降水極大值分布及百分位閾值

以全市短時強降水排序在50%、75%、95%、99%、99.5%分位數所對應的小時雨量為閾值，分析梧州市2013—2022 年不同雨強的短時強降水發生總次數以及1h 最大降水量分布，可以看出，高于50百分位（26.2 mm）共計出現7 824 次，其中高頻發區位于藤縣大黎氣象觀測站，共出現87 次1 h 降水量≥26.2 mm 過程，其次為蒙山夏宜六洛氣象觀測站（82 次），兩站點位于梧州市的西北角接近大瑤山。次高頻率區域為蒼梧縣東北區域以及岑溪區域，出現頻次較少的區域集中在藤縣-梧州一帶的平原地區。高于75 百分位（32.5 mm）共計出現3 924 次，高頻次區域仍然集中于蒙山及藤縣東北部，最高出現在藤縣大黎氣象觀測站（49 次），低頻區域繼續擴大呈現出片狀。高于90 百分位（48.4 mm）785 次，在分布上呈現出與前兩個閾值基本一致格局。高頻區域繼續下降，低頻區域擴散到藤縣北部、蒼梧大部、岑溪北部，高頻地區僅集中在藤縣大黎鎮（16 次）、岑溪梨木鎮（12 次）、蒼梧石橋鎮（11 次）等少數區域；高于99 百分位（65.4 mm）共計出現158 次，高頻區域出現在蒼梧石橋（6 次）、蒙山黃村（5 次）、岑溪梨木、岑溪歸義、蒙山陳塘、岑溪南渡、藤縣古龍田心（4 次），以上站點共計出現35 次占全市的22%。高于99.5 百分位（72.0 mm）梧州共計出現79 次；岑溪南渡出現4 次、蒼梧石橋、岑溪歸義、岑溪大業均出現3 次；剩余66 個站點發生1～2 次；剩余97 個站點未發生。梧州有94.1%的站點1 h 降水量極大值介于50 和100 mm 之間，有4 個站點出現1 h 降雨量≥100 mm，分別是龍圩站（135.2 mm）、蒙山長坪站（103.4 mm）、蒼梧石橋站（103.3 mm）以及岑溪糯垌（101.4 mm），有較強的極端性，更易引發災害，因此，在梧州市短時臨近天氣業務預報中，要加強對這幾個站點的監測。

2.2.2 年平均頻次空間分布特征

圖2（a）是梧州市短時強降水年平均頻次空間分布圖，可以明顯看出，梧州市短時強降水空間分布極不均勻，有多個頻發相對集中區。蒙山縣南部的夏宜鄉、漢豪鄉以及藤縣北部的大黎鎮、寧康鄉是最容易發生短時強降水事件的區域，年平均出現14.2～15.6 次；蒼梧縣北部的六堡鎮以及岑溪市的糯垌鎮、馬路鎮、南渡鎮等地也是短時強降水頻發中心。藤縣的南部和梧州城區則是短時強降水事件相對低頻區域。對比梧州市地形，可以發現，短時強降水的高頻發區與地形有很好相關性，主要分布在大瑤山、大桂山以及云開大山附近，氣流沿山坡抬升，使得山脈迎風坡處短時強降水多發。與梧州市年平均暴雨日數（圖2b）相比可以發現，短時強降水高頻發區與暴雨中心，以及低頻發區與出現暴雨較少的區域均有很好的對應關系，說明短時強降水對梧州市暴雨貢獻較大。

圖2 梧州市年平均短時強降水頻次（a，單位：次）和年平均暴雨日數（b，單位：d）空間分布

2.2.3 汛期頻次空間分布特征

許多學者對華南地區汛期降雨特征的研究［19-21］表明，前汛期（4—6 月）和后汛期（7—9 月）的降雨具有完全不同的性質，圖3 是梧州市前汛期和后汛期短時強降水事件發生頻次的空間分布圖，總體而言，前汛期發生短時強降水頻次要高于后汛期，且空間分布有較大差異性。前汛期短時強降水高頻發區在大瑤山附近的蒙山縣南部和藤縣北部以及位于大桂山附近的蒼梧縣北部區域，受地形阻擋和抬升作用，從北方的弱冷空氣與暖濕氣流容易在這兩處區域交匯，容易觸發短時強降水等強對流天氣。到了后汛期，午后太陽輻射增溫強于前汛期［18］，此時臺風、東風波等熱帶系統進入活躍期，受地形強迫抬升作用影響［21］，偏東南暖濕氣流容易在云開大山東側迎風坡處輻合抬升，導致梧州市南部的短時強降水事件頻發。

圖3 梧州市2013—2022 年前汛期（a）和后汛期（b）短時強降水發生總次數空間分布（單位：次）

2.2.4 日變化頻次空間分布特征

參考石娟等［22］的方法將一天分為上午（05:00—13:00）、午后（13:00—21:00）和夜間（21:00—05:00），分別統計三個時段內梧州市各站點的短時強降水頻次（圖4），可以明顯的看出，不同時段的空間差異較為顯著。夜間，短時強降水的高頻發區位于梧州市北部的蒙山縣、蒼梧縣以及藤縣的北部鄉鎮；上午時段發生短時強降水頻次較夜間總體偏多，高頻發區域有所收縮，僅僅出現在蒙山縣南部以及藤縣北部。午后發生短時強降水的頻次進一步增多，且高頻發區域較夜間和上午時段有較大的差異，主要出現在梧州市的南部地區。

圖4 不同時段內梧州市短時強降水發生總次數空間分布圖（單位：次）

4 結論

本文根據2013—2022 年梧州市153 個加密自動站逐小時降水觀測資料，分析梧州市短時強降水分布特征，主要得到以下結論:

（1）梧州市短時強降水年發生頻次呈現“W”式波動變化，最多頻次出現在2016 年。受夏季西太平洋副熱帶高壓位置異常偏北影響，2018 年和2021年出現短時強降水的頻次異常偏少；3—9 月是梧州市短時強降水事件出現最多的月份，月際分布總體呈現雙峰結構，主峰出現在5—6 月，次峰出現在8月；梧州市短時強降水發生頻次有明顯的日變化特征，高頻發時段出現在13—20 時。

（2）梧州市短時強降水50%、75%、95%、99%、99.5%百分位數對應閾值分別是26.2 mm、32.5 mm、48.4 mm、65.4 mm、72.0 mm。過去10 a 間梧州市1 h 降水量最大值出現在2016 年8 月10 日的龍圩站（135.2 mm），大部站點1 h 降水量極大值介于50 和100 mm 之間。

（3）梧州市短時強降水頻次呈現南北多中部少的特征，跟地形分布高度相關，主要分布在大瑤山、大桂山以及云開大山附近；短時強降水高頻發區與暴雨中心也有很好的對應關系，說明短時強降水對梧州市暴雨貢獻較大。

（4）梧州市前汛期發生短時強降水頻次要高于后汛期，且空間分布有較大差異性。前汛期短時強降水高頻發區在大瑤山附近的蒙山縣南部和藤縣北部以及位于大桂山附近的蒼梧縣北部區域，后汛期，高頻發區出現在梧州市南部云開大山附近區域。

（5）梧州市日內不同時段短時強降水發生頻次空間差異較顯著，夜間短時強降水的高頻發區位于梧州市北部區域。上午時段出現在蒙山縣南部以及藤縣北部。午后高頻區域主要出現在梧州市的南部地區。