楊軍勇，蘇愛(ài)芳

（1.鄭州大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，鄭州450001；2.河南省氣象臺(tái)，鄭州450007）

引 言

短時(shí)強(qiáng)降水具有尺度小、發(fā)展快、易致災(zāi)的特點(diǎn)，尤其是極端短時(shí)強(qiáng)降水，造成的災(zāi)害更為嚴(yán)重。近年來(lái)，我國(guó)極端短時(shí)強(qiáng)降水所帶來(lái)的暴雨洪澇或次生災(zāi)害頻發(fā)，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成極大威脅。如2012年7月21—22日北京發(fā)生的高強(qiáng)度、長(zhǎng)時(shí)間、大范圍極端降水事件，1 h雨量普遍達(dá)40～80 mm，最大小時(shí)雨量達(dá)100.3 mm(孔鋒等，2018a)。再如2016年7月18—21日華北地區(qū)發(fā)生的極端暴雨，多數(shù)地區(qū)24 h累積降水量超過(guò)350 mm，造成嚴(yán)重人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失(雷蕾等，2017)。因此，對(duì)于中國(guó)極端降水的研究長(zhǎng)期以來(lái)備受氣象學(xué)者的關(guān)注。

以往國(guó)內(nèi)一些氣象學(xué)者利用日降水資料研究了我國(guó)極端降水的時(shí)空分布特征與變化趨勢(shì)。Zhai 等(2005)和翟盤茂等(2007)利用1953—2003 年逐日降水資料，以第95百分位定義當(dāng)?shù)亻撝捣治隽宋覈?guó)極端降水的時(shí)空分布特征及變化特點(diǎn)，指出在氣候變暖的背景下，我國(guó)極端降水事件的發(fā)生頻次增多，降水強(qiáng)度增加，且極端降水事件對(duì)總降水量具有十分重要的貢獻(xiàn)。由于極端降水時(shí)空分布極不均勻，使用日降水資料會(huì)高估長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)性弱降水的強(qiáng)度，低估短時(shí)間強(qiáng)降水的強(qiáng)度(董旭光等，2017)，使用次日尺度的降水資料可以更加準(zhǔn)確地反映極端降水強(qiáng)度及其時(shí)空變化變化特征。近年來(lái)，隨著高精度小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)集的建立，越來(lái)越多的研究人員基于小時(shí)降水資料作了較多研究。Yu 等(2007a，2007b)利用逐時(shí)降水資料分析了我國(guó)夏季降水特征，指出在不同大尺度環(huán)流和下墊面特征等因素影響下，我國(guó)夏季小時(shí)極端降水日變化特征呈現(xiàn)明顯區(qū)域性，其頻次峰值貴州和四川盆地出現(xiàn)在清晨，云南、華南、華北和東北地區(qū)出現(xiàn)在傍晚，青藏高原地區(qū)出現(xiàn)在21：00(北京時(shí)，下同)前后。Luo等(2016)利用1981—2015年全國(guó)小時(shí)降水資料分析我國(guó)不同地區(qū)小時(shí)極端降水特點(diǎn)表明，東部平原地區(qū)(包括四川盆地)小時(shí)極端降水強(qiáng)度明顯高于西部山地地區(qū)。隨著我國(guó)城市化程度的提高，城市化無(wú)疑成為影響極端降水的因素之一，孫繼松和楊波(2008)、韓文堂等(2016)、孔 鋒 等(2018b)、吳 夢(mèng) 雯 和 羅 亞 麗(2019)、Zhang(2020)分析了城市化對(duì)小時(shí)極端降水的影響，指出在城市熱力環(huán)流及下墊面的作用下，更有利于β中尺度系統(tǒng)維系，從而更易形成極端降水，且城市化效應(yīng)使得極端降水閾值、頻次提高。

河南省作為我國(guó)人口大省和農(nóng)業(yè)大省，地跨黃淮海流域，地處黃淮西部地貌過(guò)渡區(qū)，地勢(shì)西高東低，北、西、南三面有太行山、伏牛山、桐柏山、大別山四大山脈環(huán)繞，間有陷落盆地，中部和東部為遼闊的黃淮海沖擊大平原。由于受地形地貌特征差異的影響，河南省降水時(shí)空分布差異明顯，旱澇等多種氣象災(zāi)害頻發(fā)，且明顯受到下墊面影響(蘇愛(ài)芳等，2019)。目前，有關(guān)對(duì)河南省極端降水和暴雨的統(tǒng)計(jì)研究表明(侯春梅等，2008；余衛(wèi)東等，2008；朱業(yè)玉等，2009；王新偉等，2018)：河南省暴雨區(qū)域性差異明顯，整體上表現(xiàn)為南多北少，自西向東逐漸增大，但極端降水頻次(使用第95分位為閾值)則南少北多，表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性，主要集中在7—8月份。王婧羽等(2019)利用高密度地面自動(dòng)站逐時(shí)降水觀測(cè)資料，采用絕對(duì)閾值法研究了河南省短時(shí)強(qiáng)降水(≥20 mm·h-1)和極端短時(shí)強(qiáng)降水(≥50 mm·h-1)變化，結(jié)果也表明河南省復(fù)雜的地形對(duì)于短時(shí)強(qiáng)降水具有顯著增幅作用，且主要是通過(guò)增加降水頻次而實(shí)現(xiàn)。由于河南省降水具有很強(qiáng)的空間不均勻性，極端降水閾值的選取需要考慮數(shù)據(jù)獲取地的氣候背景，故宜采用相對(duì)閾值法選取河南省極端降水閾值(李健等，2013)。另外，以往關(guān)于河南省極端降水的研究，缺乏對(duì)小時(shí)降水80 mm以上的超強(qiáng)對(duì)流天氣(QX/T416—2018)的統(tǒng)計(jì)分析。因此，本文將利用百分位法確定小時(shí)極端降水閾值，并統(tǒng)計(jì)出80 mm·h-1以上的極端降水事件，從極端降水強(qiáng)度、頻次、貢獻(xiàn)率、日變化特征以及不同下墊面差異等方面，對(duì)河南省小時(shí)極端降水進(jìn)行詳細(xì)分析，期望進(jìn)一步了解河南省小時(shí)極端降水規(guī)律，為提高河南省短時(shí)強(qiáng)降水臨近預(yù)報(bào)能力提供有價(jià)值的參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所選的降水資料為河南省2010—2018 年暖季(5—9月，下同)371個(gè)氣象站(含122個(gè)國(guó)家站和249個(gè)骨干區(qū)域站，圖1a)逐時(shí)降水資料，該資料來(lái)自河南省氣象檔案館，且經(jīng)過(guò)界限值、內(nèi)部一致性、時(shí)間一致性的質(zhì)量控制。

由于部分站點(diǎn)存在不同程度的缺測(cè)現(xiàn)象，本文利用臨近站點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)缺測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。根據(jù)夜間燈光數(shù)據(jù)能夠探測(cè)出城市地區(qū)的低強(qiáng)度燈光，因此本文將其作為城市化發(fā)展水平的表征指標(biāo)(圖1b)。本文使用的夜間燈光數(shù)據(jù)取自美國(guó)軍事氣象衛(wèi)星計(jì)劃/線性掃描業(yè)務(wù)系統(tǒng)(Defense Meteorological Satelite Program/Operational Linescan System, DMSP/OLS)，衛(wèi)星資料的空間分辨率為1 km×1 km，燈光強(qiáng)度為2013 年的年均值。

1.2 研究方法

圖1 河南省地形與氣象觀測(cè)站點(diǎn)分布(a)及2013年平均夜間燈光強(qiáng)度(DN)分布(b)Fig.1(a)Distribution of meteorological observation stations and the topographical altitude(color-filled areas,unit:m)over Henan and(b)annual averaged night light intensity map in 2013.

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)界更多使用相對(duì)閾值定義極端降水。相對(duì)閾值法包括百分位法和擬合經(jīng)驗(yàn)函數(shù)(吳夢(mèng)雯，2019)。百分位法是適用于各種分布類型的非參數(shù)方法，因此本文采用百分位法定義小時(shí)極端降水閾值。具體做法是：將某一站點(diǎn)大于等于0.1 mm的小時(shí)降水量按升序排列X1,X2,X3,…,Xn，樣本第x百分位數(shù)px為閾值(李健等，2013)。本文分析河南省2010—2018 年暖季第95、99、99.9 百分位小時(shí)降水的閾值特征(表1)。我國(guó)氣象業(yè)務(wù)上常用大于20 mm·h-1降水定義小時(shí)強(qiáng)降水，用大于50 mm·h-1定義極端短時(shí)強(qiáng)降水(陳炯等，2013；俞小鼎，2013)。由河南省2010—2018 年暖季不同百分位小時(shí)極端強(qiáng)降水閾值(表1)可知，只有第99.9百分位小時(shí)降水閾值滿足所有站點(diǎn)閾值大于20 mm·h-1，且部分站點(diǎn)閾值超過(guò)50 mm·h-1。因此，本文選取第99.9百分位小時(shí)降水閾值作為河南省小時(shí)極端降水閾值，并分析其時(shí)空分布特征。

表1 河南省2010—2018年暖季不同百分位小時(shí)極端強(qiáng)降水閉值Table 1 Thresholds of the different percentiles of hourly extreme rainfall in Henan in the warm season from 2010 to 2018.

本文用于分析小時(shí)極端降水特征的指標(biāo)包括：小時(shí)極端降水頻次、小時(shí)極端降水強(qiáng)度、小時(shí)極端降水貢獻(xiàn)率。小時(shí)極端降水頻次為某一時(shí)段內(nèi)超過(guò)小時(shí)極端降水閾值的小時(shí)數(shù)；小時(shí)極端降水強(qiáng)度為某一時(shí)段內(nèi)超過(guò)降水閾值的降水量之和除相應(yīng)的降水頻次；小時(shí)極端降水貢獻(xiàn)率為某一時(shí)段內(nèi)超過(guò)降水閾值的降水量之和除以總降水量(董旭光等，2017)。將24 h內(nèi)相鄰三個(gè)地市有10 站1 h 降水達(dá)到20 mm·h-1及以上、其中有3 站出現(xiàn)極端短時(shí)強(qiáng)降水定義為區(qū)域性極端強(qiáng)降水事件。根據(jù)地形特征、城市化程度，將河南省劃分成4種不同類型的下墊面，即：海拔500 m以上的地區(qū)定義為山地下墊面，該下墊面氣象站共有48個(gè)；200～500 m 的地區(qū)定義為丘陵下墊面，共有73 個(gè)氣象站；200 m以下的地區(qū)為平原地區(qū)，由于河南省平原地區(qū)城市化水平較高，存在大城市群，將河南省平原地區(qū)劃分為城市下墊面地區(qū)和非城市下墊面地區(qū)分別進(jìn)行研究。平原地區(qū)中，夜間燈光強(qiáng)度高于50的區(qū)域定義為城市下墊面(孔鋒等，2018b)，共有57 個(gè)氣象站；其余區(qū)域則為平原非城市下墊面(以下簡(jiǎn)稱平原下墊面)，共有193個(gè)氣象站。為了分析河南省小時(shí)極端降水指標(biāo)的空間分布特征，采用反距離權(quán)重法(inverse distance weighted, IDW)對(duì)小時(shí)極端降水各項(xiàng)指標(biāo)的分析結(jié)果進(jìn)行空間插值(董旭光等，2017)。

2 結(jié)果與分析

2.1 小時(shí)極端降水的基本特征

2.1.1 小時(shí)極端降水的空間分布

圖2a 給出河南省2010—2018 年暖季第99.9 百分位小時(shí)極端降水閾值的空間分布。從中看到，伏牛山以北的洛陽(yáng)、以西的三門峽，南陽(yáng)的西南部以及黃淮平原西部地區(qū)的閾值較低，低于40.3 mm·h-1，低值中心位于三門峽盧氏縣，為21.3 mm·h-1。伏牛山南部、黃淮平原東部的商丘以及信陽(yáng)的西南部閾值較高，高于46.7 mm·h-1，其中洛陽(yáng)南部的欒川縣的閾值高達(dá)73.1 mm·h-1，為高值中心。

圖2 河南省2010—2018年暖季小時(shí)極端降水的閾值(a,單位:mm·h-1)、頻率(b,單位:次·a-1)、平均強(qiáng)度(c,單位:mm·h-1)、貢獻(xiàn)率(d,單位:%)、80 mm·h-1以上降水頻次(e)及小時(shí)雨量極大值(f,單位:mm·h-1)的空間分布Fig.2 Spatial distribution of(a)thresholds(unit:mm·h-1),(b)frequency,(c)averaged precipitation intensity(unit:mm·h-1),(d)contribution rate(unit:%),(e)frequency of accumulated precipitation above 80 mm·h-1 and(f)maximum hourly rainfall(unit:mm·h-1)of hourly extreme rainfall in Henan in the warm season from 2010 to 2018.

從河南省2010—2018 年暖季小時(shí)極端降水年均頻率空間分布圖上可見(jiàn)(圖2b)，淮河流域、豫西山區(qū)西南部和南陽(yáng)北部地區(qū)的降水頻率明顯偏大，其中信陽(yáng)羅山為極值中心，年均小時(shí)極端降水頻率為0.67次·a-1；黃淮平原中東部以及河南省東北部降水頻率偏小，年均不足0.30 次，南陽(yáng)盆地及信陽(yáng)也存在零散降水頻率偏低站點(diǎn)，其余大部分地區(qū)年均小時(shí)極端降水頻率在0.30～0.50次·a-1之間。

河南省小時(shí)極端降水平均強(qiáng)度的空間分布(圖2c)與其閾值的空間分布類似，伏牛山南部、黃淮平原東部的商丘、豫北太行山東部以及信陽(yáng)西南部降水強(qiáng)度較大，普遍高于57.8 mm·h-1，尤其是伏牛山南部山區(qū)及山前迎風(fēng)坡地區(qū)，小時(shí)極端降水平均強(qiáng)度高達(dá)67.3 mm·h-1，表明復(fù)雜地形和迎風(fēng)坡效應(yīng)可能對(duì)小時(shí)極端降水具有顯著的增幅作用；豫西山區(qū)西北部、黃淮平原中部和信陽(yáng)東部的小時(shí)極端降水平均強(qiáng)度偏小，低于43.0 mm·h-1。

圖2d 給出河南省2010—2018 年暖季小時(shí)極端降水量占總降水量比率(即貢獻(xiàn)率)的空間分布，從中可見(jiàn)，河南省西部的三門峽，中部的平頂山、漯河、焦作，北部的新鄉(xiāng)、安陽(yáng)、濮陽(yáng)東部，信陽(yáng)東南部以及西南部的南陽(yáng)盆地小時(shí)極端降水貢獻(xiàn)率較低，不足2.3%；伏牛山及其南部，黃淮平原東部的商丘以及淮河流域東部的小時(shí)極端降水貢獻(xiàn)率較高，高于5.0%，其中欒川為高值中心，高達(dá)8.3%。

河南省2010—2018年暖季降水強(qiáng)度超過(guò)80 mm·h-1的站點(diǎn)共105個(gè)，圖2e是統(tǒng)計(jì)其發(fā)生次數(shù)得到降水強(qiáng)度超過(guò)80 mm·h-1站點(diǎn)的空間分布，從中可見(jiàn)，其累計(jì)發(fā)生1次的站點(diǎn)分布表現(xiàn)為“東多西少”，豫西山地北部和南陽(yáng)盆地南部出現(xiàn)降水強(qiáng)度達(dá)到80 mm·h-1以上的站點(diǎn)最少；伏牛山及其南部和淮河流域西南部出現(xiàn)降水強(qiáng)度80 mm·h-1的范圍較大，且部分站點(diǎn)累計(jì)達(dá)到5次，為80 mm·h-1以上強(qiáng)降水高發(fā)區(qū)域。

圖2f 為河南省2010—2018 年暖季小時(shí)雨量極大值空間分布，從中看到，伏牛山以南、黃河以北太行山東部、淮河流域西部以及黃淮平原東部的商丘為大值區(qū)，小時(shí)雨量極大值普遍超過(guò)70 mm·h-1，其極值中心位于伏牛山南部，小時(shí)雨量極大值超過(guò)130 mm·h-1；黃淮平原中西部和豫西山地北部小時(shí)雨量極大值最小，普遍低于50 mm·h-1。

綜上分析可知，河南省2010—2018年暖季小時(shí)極端降水(以第99.9百分位為閾值)的空間分布與以第95百分位為閾值的極端降水存在明顯差異(朱業(yè)玉等，2009)，小時(shí)極端降水的頻次、強(qiáng)度、貢獻(xiàn)率高值區(qū)集中在伏牛山南部、淮河流域西南部以及黃淮平原東部的商丘。這種較為零散的分布反映了高強(qiáng)度極端降水可能與其天氣尺度較小有關(guān)，或受當(dāng)?shù)氐匦斡绊懹嘘P(guān)。

2.1.2 小時(shí)極端降水的逐月變化

圖3 給出河南省2010—2018 年暖季小時(shí)極端降水頻次和區(qū)域性極端強(qiáng)降水頻次占極端降水總頻次的比率(簡(jiǎn)稱區(qū)域性極端強(qiáng)降水頻次占比)逐月變化，從中可見(jiàn)，河南省累計(jì)出現(xiàn)小時(shí)極端降水事件860次，7 月小時(shí)極端降水頻次最高，達(dá)385 次；8 月次之，為284次；9月最少，僅37次。這些小時(shí)極端降水事件中包括了局地性極端強(qiáng)降水事件和區(qū)域性極端強(qiáng)降水事件，區(qū)域性極端降水往往會(huì)造成大范圍洪澇。7、8月是河南區(qū)域性極端強(qiáng)降水頻次占比最高的兩個(gè)月，其中7月最高，占比34.1%。5月區(qū)域性極端強(qiáng)降水頻次占比最低，僅5%。

圖3 河南省2010—2018年5—9月小時(shí)極端降水頻次和區(qū)域性極端強(qiáng)降水頻次占極端降水總頻次比率(單位:%)的月變化Fig.3 Monthly variation of hourly extreme rainfall frequency and the ratio(unit:%)of the regional extreme severe precipitation frequency to the total frequency of extreme rainfall in Henan between May and September from 2010 to 2018.

綜上可知，7、8 月是河南省2010—2018 年暖季小時(shí)極端降水事件高發(fā)期，且區(qū)域性極端強(qiáng)降水事件占比超過(guò)1/4；9 月小時(shí)極端降水事件發(fā)生次數(shù)最少，但其區(qū)域性極端強(qiáng)降水事件占比高于5月和6月。

2.1.3 小時(shí)極端降水的日變化

圖4 給出河南省2010—2018 年暖季第99.9 百分位小時(shí)極端降水和80 mm·h-1以上小時(shí)極端降水頻次日變化。從中可見(jiàn)，河南省暖季小時(shí)極端降水日變化具有明顯的雙峰型結(jié)構(gòu)，主峰出現(xiàn)在傍晚17時(shí)前后，次峰出現(xiàn)在凌晨01時(shí)，次峰值雖與主峰值接近，但其峰值區(qū)間明顯窄于主峰；清晨07時(shí)至中午12時(shí)是小時(shí)極端降水發(fā)生的低頻時(shí)段，其中中午12時(shí)發(fā)生頻次最少，僅為午后峰值的1/4。另外，80 mm·h-1以上小時(shí)極端降水發(fā)生頻次較低，僅為小時(shí)極端降水頻次的1/5，且其變化趨勢(shì)也存在明顯差異。80 mm·h-1以上小時(shí)極端降水主要集中發(fā)生在凌晨01時(shí)，午后15時(shí)和20時(shí)對(duì)應(yīng)兩個(gè)較低的次峰值，其夜發(fā)性特征明顯。

圖4 河南省2010—2018年暖季第99.9百分位小時(shí)極端降水(R99.9)與80 mm·h-1以上小時(shí)極端降水(R80)的頻次日變化Fig.4 Diurnal variation of the accumulated frequency of the 99.9th percentile of hourly extreme rainfall(R99.9)and the hourly extreme rainfall(R80)above 80 mm·h-1 in Henan in the warm season from 2010 to 2018.

2.2 不同下墊面小時(shí)極端降水特征分析

高強(qiáng)度的降水往往由中小尺度系統(tǒng)直接產(chǎn)生，中小尺度系統(tǒng)的形成、發(fā)展受不同類型下墊面影響，因此降水強(qiáng)度在很大程度上會(huì)受到下墊面特征的影響(吳正華等，2000；張朝林等，2005；俞小鼎，2013；孫繼松，2017；鄭永光等，2017)。河南省處于我國(guó)第二到第三階梯的地勢(shì)過(guò)渡帶，其西部、南部為山地丘陵，東部為平原，且人口密集、城市化發(fā)展不平衡，復(fù)雜的下墊面可能是導(dǎo)致河南省小時(shí)極端降水空間分布局地差異明顯、高值區(qū)分散等特征的主要原因。為了揭示不同類型下墊面對(duì)極端降水的影響，對(duì)河南省2010—2018年暖季4種不同下墊面小時(shí)極端降水的特征與差異分析如下。

2.2.1 小時(shí)極端降水指標(biāo)的差異

從河南省平原、丘陵、山地、城市4 種下墊面的小時(shí)極端降水強(qiáng)度對(duì)比看(圖5a)，城市小時(shí)極端降水強(qiáng)度最高，為55.3 mm·h-1，平原小時(shí)極端降水強(qiáng)度次之，為54.0 mm·h-1，山地小時(shí)極端降水強(qiáng)度最低，為44.6 mm·h-1。另從4種下墊面小時(shí)極端降水年均頻次對(duì)比看(圖5b)，年均頻次與降水強(qiáng)度呈現(xiàn)的結(jié)果相反，山地小時(shí)極端降水頻次最高，為3.94 次·站-1，丘陵次之，為3.86 次·站-1，城市小時(shí)極端降水頻次最低，僅3.22 次·站-1。不同下墊面小時(shí)極端降水對(duì)整個(gè)小時(shí)極端降水量的貢獻(xiàn)率也存在明顯差異(圖5c)，丘陵小時(shí)極端降水貢獻(xiàn)率最高，為3.93%，平原次之，為3.87%，城市小時(shí)極端降水貢獻(xiàn)率最低，僅3.47%。

圖5 河南省2010—2018年暖季4種下墊面區(qū)域的小時(shí)極端降水強(qiáng)度(a,單位:mm·h-1)、年均頻次(b,單位：次·站-1)與貢獻(xiàn)率(c,單位:%)Fig.5 (a)Extreme hourly rainfall intensity(unit:mm·h-1),(b)annual averaged frequency(times per station)and(c)contribution rate(unit:%)under the four underlying surfaces in Henan in the warm season from 2010 to 2018.

綜上表明，城市地區(qū)小時(shí)極端降水強(qiáng)度最大、發(fā)生頻次最低，山地地區(qū)小時(shí)極端降水強(qiáng)度最小、發(fā)生頻次最高。究其原因，河南省城市化程度高的地區(qū)位置偏北，這可能導(dǎo)致城市地區(qū)小時(shí)極端降水頻次低，而城市熱島效應(yīng)和地面粗糙度加強(qiáng)了城市上空大氣低層輻合、高層輻散(吳夢(mèng)雯和羅亞麗，2019)，從而有利于城市對(duì)流發(fā)展、雨強(qiáng)增大；豫西山區(qū)和豫北山區(qū)則是深對(duì)流活動(dòng)的高發(fā)區(qū)(蘇愛(ài)芳等，2013)，容易產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水，但由于來(lái)自北方的冷空氣和西南方的暖氣氣流受西部山地的阻礙(侯春梅等，2008)，不利于降水強(qiáng)度的進(jìn)一步加強(qiáng)。

2.2.2 小時(shí)極端降水日變化的差異

圖6 給出河南省2010—2018 年暖季平原、丘陵、山地、城市4種下墊面小時(shí)極端降水頻次的日變化，從中可見(jiàn)：(1)平原地區(qū)，與其小時(shí)極端降水量日變化類似，小時(shí)極端降水頻次日變化也呈現(xiàn)明顯的雙峰結(jié)構(gòu)，午后小時(shí)極端降水頻次逐漸增多，在傍晚17時(shí)達(dá)到峰值。究其原因，這可能與平原夏季午后熱對(duì)流多發(fā)有關(guān)。其次峰位于凌晨01時(shí)，且峰值幅度、區(qū)間寬度明顯小于主峰。(2)丘陵地區(qū)，小時(shí)極端降水頻次日變化曲線的主峰在凌晨01時(shí)，兩個(gè)次峰分別在午后15時(shí)和19時(shí)，同時(shí)也進(jìn)一步印證了小時(shí)極端降水明顯的夜發(fā)性特征。(3)山地，小時(shí)極端降水頻次日變化呈雙峰型，峰值出現(xiàn)在凌晨01時(shí)，隨后頻次急速減少，清晨07時(shí)達(dá)到最低，08—12 時(shí)又緩慢增加，正午12 時(shí)后則迅速增加，午后15時(shí)出現(xiàn)次峰；(4)城市，小時(shí)極端降水頻次日變化特征與其小時(shí)極端降水量日變化特征相似，具有明顯的雙峰結(jié)構(gòu)，且次峰也出現(xiàn)在凌晨01 時(shí)，但其主峰出現(xiàn)在平原小時(shí)極端降水頻次主峰之后，即傍晚18—20時(shí)，且隨后小時(shí)極端降水頻次迅速下降。

圖6 河南省2010—2018年暖季4種下墊面區(qū)域的小時(shí)極端降水頻次日變化Fig.6 Diurnal variation of the extreme hourly rainfall frequency in the four underlying surfaces in Henan over the warm season from 2010 to 2018.

綜上分析結(jié)果認(rèn)為，河南省不同下墊面影響小時(shí)極端降水頻次的日變化，山地、丘陵、平原、城市這四種下墊面的日變化均為雙峰特征，但存在明顯的差異，山地的主峰值出現(xiàn)在凌晨01 時(shí)，午后15 時(shí)為次峰值；丘陵的夜間峰值與傍晚峰值并存，兩個(gè)峰值強(qiáng)度接近，但午后的降水頻次波動(dòng)明顯；在平原以及城市地區(qū)，以午后峰值為主，夜間峰值較弱，城市地區(qū)的午后峰值更強(qiáng)，且滯后于平原地區(qū)。這些差異中，山地、丘陵下墊面區(qū)別于平原、城市下墊面的原因可能和華北地區(qū)暖季山區(qū)的山谷風(fēng)熱力環(huán)流有關(guān)(He and Zhang,2010)，夜間山谷風(fēng)環(huán)流的上升支有利于山地、丘陵地區(qū)的局地強(qiáng)降水的形成和加強(qiáng)(宇如聰?shù)龋?014)，從而導(dǎo)致山地、丘陵地區(qū)的小時(shí)極端降水的夜發(fā)性更強(qiáng)；城市下墊面與平原地區(qū)下墊面小時(shí)極端降水的日變化差異可能是由于城市的熱島效應(yīng)使得該地區(qū)午后地面溫度下降較慢，導(dǎo)致城市地區(qū)的午后峰值滯后于平原地區(qū)；此外，熱島效應(yīng)和地面粗糙度加強(qiáng)了城市上空大氣低層輻合和高層輻散(吳夢(mèng)雯和羅亞麗，2019)，使城市地區(qū)的午后峰值更強(qiáng)。

3 結(jié)論與討論

本文利用2010—2018 年河南省371 個(gè)氣象站(含122 個(gè)國(guó)家站和249 個(gè)骨干區(qū)域站)逐時(shí)降水資料等，以第99.9 百分位數(shù)為閾值，分析了極端降水強(qiáng)度、頻次、貢獻(xiàn)率、日變化特征以及不同下墊面極端降水特征的差異，得到如下主要結(jié)論：

(1)河南省2010—2018年暖季第99.9百分位小時(shí)極端降水閾值與強(qiáng)度具有相似的空間分布，高值區(qū)主要位于伏牛山南部、黃淮平原東部以及淮河流域西南部，且這3個(gè)區(qū)域同時(shí)也是小時(shí)極端降水頻次、貢獻(xiàn)率的高值區(qū)。

(2)河南省小時(shí)極端降水事件主要發(fā)生在7、8月，其中7 月最多，8 月次之，且有超過(guò)1/4 的小時(shí)極端降水為區(qū)域性極端降水事件。全省小時(shí)極端降水頻次日變化表現(xiàn)為明顯的雙峰型特征，峰值出現(xiàn)在17 時(shí)，次峰值出現(xiàn)在凌晨01 時(shí)；80 mm·h-1以上小時(shí)極端降水頻次日變化特征則呈現(xiàn)多峰型，主峰在凌晨01 時(shí)，其夜發(fā)性更突出。

(3)河南省不同下墊面的小時(shí)極端降水特征存在差異，城市小時(shí)極端降水強(qiáng)度最大、頻次最低、貢獻(xiàn)率最低，山地小時(shí)極端降水強(qiáng)度最低而頻次最高，丘陵小時(shí)極端降水占總降水量比率(貢獻(xiàn)率)最高。

(4)四類下墊面小時(shí)極端降水日變化雖都呈現(xiàn)雙峰特征但也存在明顯差異。山地，夜間峰值為主，午后峰值為輔；丘陵地區(qū)，夜間峰值與傍晚峰值并存，兩個(gè)峰值強(qiáng)度差不多；平原以及城市地區(qū)，以午后峰值為主，伴隨弱的夜間峰值，但城市地區(qū)的午后峰值更強(qiáng)，且滯后于平原地區(qū)。

本文利用小時(shí)降水資料統(tǒng)計(jì)分析了河南省暖季小時(shí)極端降水特征，揭示了更細(xì)致的小時(shí)極端降水時(shí)空分布特征，并針對(duì)河南省4類下墊面，進(jìn)一步探討了不同下墊面小時(shí)極端降水特征，但下墊面分布與其地理位置有關(guān)，本文未結(jié)合其地理因素進(jìn)行更詳細(xì)的劃分，故后續(xù)關(guān)于河南省小極端降水不同區(qū)域特征可結(jié)合下墊面、地理位置等因素，開(kāi)展更細(xì)致的研究；另外，對(duì)造成河南省暖季小時(shí)極端降水特征的物理機(jī)制，特別是局地下墊面與天氣形勢(shì)究竟哪種因素對(duì)小尺度、高強(qiáng)度小時(shí)極端降水影響更大，尚需深入研究。因此，下一步將對(duì)河南省暖季小時(shí)極端降水的多尺度作用機(jī)理進(jìn)行重點(diǎn)研究，具體包括地形、大城市群的協(xié)同影響機(jī)制以及不同天氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和作用等。