張東海，周文鈺，段 瑩，嚴(yán)小冬

(1.貴州省氣候中心,貴州 貴陽 550002;2.貴州省氣象臺(tái),貴州 貴陽 550002;3.貴州省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心,貴州 550002)

0 引言

我國(guó)幅員遼闊，地理氣候條件復(fù)雜，自然災(zāi)害具有種類多且發(fā)生頻繁、區(qū)域性特征明顯、季節(jié)性和階段性特征突出、災(zāi)害共生性和伴生性顯著等特點(diǎn)，而氣象災(zāi)害占比達(dá)到70%以上[1]，其中暴雨、高溫、干旱等災(zāi)害又是我國(guó)最重要的幾種氣象災(zāi)害。1988 年長(zhǎng)江流域大洪水[2]、2003年南方高溫?zé)崂薣3-4]、2009—2010年西南秋冬春連旱、2011和2013年貴州省嚴(yán)重夏旱[5]等對(duì)人民生活、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等產(chǎn)生了巨大影響。因此，開展區(qū)域性重要過程的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)是氣候業(yè)務(wù)服務(wù)的迫切需要。

鄒燕等[6]、吳慧等[7]分別對(duì)福建和海南的區(qū)域性暴雨過程進(jìn)行客觀識(shí)別，采用百分位數(shù)法和相關(guān)系數(shù)法基于4項(xiàng)暴雨過程指標(biāo)構(gòu)建了綜合強(qiáng)度評(píng)估模型和等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)。貴州省地方標(biāo)準(zhǔn)[8]規(guī)定貴州境內(nèi)有6個(gè)及以上國(guó)家站(或6%及以上區(qū)域站)日降水量達(dá)到暴雨標(biāo)準(zhǔn)則為一次區(qū)域性暴雨過程。中央氣象臺(tái)業(yè)務(wù)規(guī)定[9]，單站連續(xù)3d以上出現(xiàn)高溫天氣，區(qū)域內(nèi)某日有2成以上站點(diǎn)成片出現(xiàn)高溫天氣，則一次區(qū)域性高溫天氣過程開始；王國(guó)復(fù)等[10]規(guī)定相鄰高溫站點(diǎn)(站點(diǎn)間距≤250 km)組群內(nèi)高溫站數(shù)≥3%、當(dāng)日與前一日的高溫站點(diǎn)重合率≥50%且至少持續(xù)5 d則為一次區(qū)域性高溫過程。襲祝香等[11]規(guī)定吉林省區(qū)域內(nèi)單日10站及以上K指數(shù)≥0.6且持續(xù)7 d以上為一次區(qū)域性干旱事件。

為做好區(qū)域性重要天氣氣候過程的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)工作，建立國(guó)家級(jí)和省級(jí)相對(duì)統(tǒng)一的指標(biāo)體系，2019年12月16日，中國(guó)氣象局預(yù)報(bào)與網(wǎng)絡(luò)司《關(guān)于印發(fā)〈區(qū)域性重要過程監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)業(yè)務(wù)規(guī)定〉的通知》(氣預(yù)函〔2019〕63號(hào))(以下簡(jiǎn)稱“規(guī)定”)，中明確了區(qū)域性暴雨、高溫、干旱和沙塵過程監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)，本文將結(jié)合貴州省氣候特征對(duì)區(qū)域性暴雨、高溫、干旱過程監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)指標(biāo)涉及到的相關(guān)閾值進(jìn)行確定，為貴州省開展相關(guān)區(qū)域性重要過程監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)提供支撐。

1 資料和方法

1.1 資料

本文所用資料為貴州省氣象信息中心及國(guó)家氣候中心提供的境內(nèi)85個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站1981年或建站至2010年的日降水量、日最高氣溫、MCI指數(shù)，貴州境內(nèi)全部站(國(guó)家站和區(qū)域站，以下簡(jiǎn)稱“全部站”)2009年4月—2020年8月日降水量。特別說明，白云為1982年建站，匯川為2005年建站。

1.2 方法

按照“規(guī)定”中對(duì)區(qū)域性暴雨、高溫、干旱過程的相鄰站點(diǎn)距離、空間范圍(區(qū)域性過程日)、持續(xù)天數(shù)等某個(gè)或幾個(gè)指標(biāo)閾值進(jìn)行確定，同時(shí)高溫和干旱還需考慮過程中當(dāng)日與前一日事件發(fā)生的站點(diǎn)重合率。為方便指標(biāo)確定，先假定貴州省境內(nèi)各站點(diǎn)發(fā)生相關(guān)事件時(shí)相鄰站點(diǎn)距離和過程事件重合率均滿足各過程要求，然后再根據(jù)確定區(qū)域過程日空間范圍站數(shù)要求回算相鄰站點(diǎn)距離和過程事件重合率是否滿足要求或確定其閾值。

采用概率統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)在不同閾值范圍的概率，結(jié)合現(xiàn)行監(jiān)測(cè)指標(biāo)閾值或相關(guān)經(jīng)驗(yàn)確定區(qū)域性重要過程監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)指標(biāo)閾值。

2 區(qū)域性暴雨過程指標(biāo)確定

2.1 區(qū)域性暴雨日

統(tǒng)計(jì)1981—2010年貴州省境內(nèi)85站逐日暴雨(日降水量≥50 mm)站數(shù)，然后挑選日暴雨站數(shù)≥2站作為統(tǒng)計(jì)樣本(圖1)，樣本最多暴雨站數(shù)為51站，以暴雨站數(shù)=1站為步長(zhǎng)，統(tǒng)計(jì)2～51分段頻率和累積頻率。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，99%的樣本日暴雨站數(shù)≤30站，日暴雨站數(shù)在5～10站及其以上的頻率分別為50.6%、42.1%、35.3%、29.3%、24.3%、21.5%。

圖1 日暴雨站數(shù)≥2站統(tǒng)計(jì)樣本分段及累積頻率(%)

結(jié)合貴州省現(xiàn)有區(qū)域性暴雨監(jiān)測(cè)指標(biāo)，最終確定區(qū)域性暴雨日閾值為6站，即貴州省境內(nèi)日降水量≥50 mm的相鄰站點(diǎn)數(shù)≥6站確定為一個(gè)區(qū)域性暴雨日。

2.2 相鄰暴雨站點(diǎn)距離

統(tǒng)計(jì)1981—2010年逐日暴雨站點(diǎn)數(shù)≥2站相鄰暴雨站點(diǎn)距離，結(jié)果表明當(dāng)日有且僅有1個(gè)暴雨站點(diǎn)與相鄰暴雨站點(diǎn)距離超過350 km共計(jì)32 d(3.3%)，且暴雨站數(shù)介于2～7站之間，對(duì)應(yīng)日數(shù)分別為17 d、5 d、6 d、1 d、2 d、1 d，6站及以上僅3 d。因此，在確定區(qū)域性暴雨日的空間范圍閾值時(shí)可以忽略相鄰暴雨站點(diǎn)距離≤350 km的指標(biāo)。

2.3 基于區(qū)域站的區(qū)域性暴雨日

對(duì)于區(qū)域性暴雨過程的監(jiān)測(cè)社會(huì)公眾和領(lǐng)導(dǎo)決策關(guān)注更加精細(xì)化的監(jiān)測(cè)結(jié)果，貴州省區(qū)域自動(dòng)氣象站自2009年開始建設(shè)，目前有區(qū)域自動(dòng)氣象站約3 000個(gè)，為滿足監(jiān)測(cè)精細(xì)化的氣象業(yè)務(wù)服務(wù)需求，有必要基于全部站開展區(qū)域性暴雨過程監(jiān)測(cè)。

按照2.1節(jié)基于國(guó)家站確定的區(qū)域性暴雨日閾值，統(tǒng)計(jì)2009年4月—2020年8月國(guó)家站區(qū)域性暴雨日對(duì)應(yīng)的全部站中暴雨站數(shù)的占比作為統(tǒng)計(jì)樣本(圖略)，樣本總計(jì)200條，全部站的暴雨站數(shù)的占比介于2.6%～34.4%之間，99%的樣本暴雨站數(shù)百分比≥3%，全部站暴雨站數(shù)百分比在3%～10%及其以上的頻率分別為99.0%、96.0%、89.4%、81.4%、70.4%、62.3%、54.8%、47.2%，選取6%作為全部站區(qū)域性暴雨日閾值。

統(tǒng)計(jì)2009年4月—2020年8月全部站日暴雨站數(shù)百分比≥6%對(duì)應(yīng)國(guó)家站日暴雨站數(shù)(圖略)，結(jié)果表明，有188 d滿足統(tǒng)計(jì)條件，其中有26 d國(guó)家站日暴雨站數(shù)在1站或3～5站，其對(duì)應(yīng)日數(shù)為3 d、6 d、2 d、15 d，這可能與站點(diǎn)分布不均有關(guān)。因此，在確定全部站區(qū)域性暴雨日閾值時(shí)，如果僅考慮暴雨站數(shù)百分比≥6%，具有一定的局限性，可以考慮結(jié)合國(guó)家站暴雨站數(shù)確定，結(jié)合前文分析結(jié)果，將全部站暴雨站數(shù)百分比≥6%且國(guó)家站日暴雨站數(shù)不少于5站作為全部站的區(qū)域性暴雨日指標(biāo)。

3 區(qū)域性高溫過程

3.1 不同階段高溫站點(diǎn)

統(tǒng)計(jì)不同階段貴州省各站點(diǎn)是否出現(xiàn)高溫情況(圖2、圖3)，主要包括1981—2010年、建站—2019年和建站至今(截至2020年5月31日)3個(gè)時(shí)段，各時(shí)段分別有61站、63站、70站出現(xiàn)過高溫天氣，前兩個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)段發(fā)生的高溫范圍基本一致，主要分布在省北部、東部及南部，省中西部及局地高海拔地區(qū)未出現(xiàn)過高溫。建站至今的高溫范圍明顯較前兩個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)段增加，主要是因?yàn)?020年5月上旬全省25站日最高氣溫達(dá)到或突破本站有氣象記錄以來歷史極值，主要集中在省中西部地區(qū)(圖4b)，其中省中西部的花溪、龍里、鎮(zhèn)寧、普定、六枝、黔西、納雍等7站為建站以來首次出現(xiàn)高溫天氣。

圖2 貴州省1981—2010年(a)和建站—2019年(b)各站是否出現(xiàn)高溫分布

圖3 貴州省建站至今各站是否出現(xiàn)高溫(a)及2020年5月上旬日最高氣溫破紀(jì)錄站點(diǎn)分布(b)

統(tǒng)計(jì)1961至今歷年發(fā)生高溫的站數(shù)變化(圖4)來看，歷年高溫站數(shù)年際差異較大，但整體呈上升趨勢(shì)，1993年高溫站數(shù)最少16站，1988年、2019年和2020年高溫站數(shù)最多53站。

圖4 貴州省1961至今歷年高溫站數(shù)變化(截至2020年5月31日)

計(jì)算歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)過35 ℃以上高溫的70個(gè)站點(diǎn)的相鄰高溫站點(diǎn)距離，其值介于6.2～72.2 km，滿足“規(guī)定”中相鄰站點(diǎn)的距離≤250 km的要求，可以將全省假定為一個(gè)區(qū)域性高溫監(jiān)測(cè)的組群。

3.2 指標(biāo)確定

3.2.1 區(qū)域性高溫日 統(tǒng)計(jì)1981—2010年貴州省境內(nèi)85站逐日高溫(日最高氣溫≥35 ℃)站數(shù)，然后挑選日高溫站數(shù)≥2站作為統(tǒng)計(jì)樣本(圖5)，樣本最多高溫站數(shù)為47站，以高溫站數(shù)=1站為步長(zhǎng)，統(tǒng)計(jì)2～47分段頻率和累積頻率。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，99%的樣本日高溫站數(shù)≤22站，日高溫站數(shù)5～10站及其以上的頻率分別為55.7%、49.0%、44.2%、39.8%、36.7%、34.5%。

圖5 日高溫站數(shù)≥2站統(tǒng)計(jì)樣本分段及累積頻率(%)

選取日高溫站數(shù)10站作為區(qū)域性高溫日閾值，即占比為10/85≈12%，也即將貴州省境內(nèi)日最高氣溫≥35 ℃的相鄰站點(diǎn)數(shù)占有效監(jiān)測(cè)站數(shù)的百分比≥12%確定為一個(gè)區(qū)域性高溫日。

3.2.2 相鄰高溫站點(diǎn)距離 統(tǒng)計(jì)1981—2010年逐日高溫站點(diǎn)數(shù)≥2站當(dāng)日相鄰高溫站點(diǎn)距離，結(jié)果表明當(dāng)日存在相鄰高溫站點(diǎn)距離>250 km有358 d(占總樣本數(shù)的27.3%)，且高溫站數(shù)介于2～25站之間(圖6)。將這358 d作為統(tǒng)計(jì)樣本，進(jìn)一步分析這些樣本相鄰高溫站點(diǎn)距離超過250 km的站點(diǎn)組合發(fā)現(xiàn)，每天僅存在1個(gè)或2個(gè)相鄰站點(diǎn)組合，其中當(dāng)天存在2個(gè)組合僅11 d且對(duì)應(yīng)站數(shù)為3～5站和13站；其余347 d中當(dāng)天僅有1個(gè)相鄰高溫站點(diǎn)組合距離超過250 km，且當(dāng)日高溫站數(shù)在10站以內(nèi)的樣本有292 d，余下55 d日高溫站數(shù)在10站及以上，且這55 d中有52 d包含赤水，表明赤水發(fā)生高溫當(dāng)日與其相鄰的貴州境內(nèi)250 km以內(nèi)的其他氣象站點(diǎn)均未發(fā)生高溫，由于赤水特殊的地理位置導(dǎo)致其高溫多發(fā)成為貴州境內(nèi)一個(gè)高溫中心[12]。因此，確定我省區(qū)域性高溫日可以忽略相鄰站點(diǎn)距離指標(biāo)，將貴州全省范圍作為一個(gè)區(qū)域性高溫過程監(jiān)測(cè)與評(píng)估的組群。

圖6 貴州省1981—2010年高溫日相鄰高溫站數(shù)距離>250 km不同站數(shù)樣本統(tǒng)計(jì)

3.2.3 區(qū)域性高溫過程 按照3.2.1節(jié)確定的區(qū)域性高溫日，統(tǒng)計(jì)1981—2010年貴州省全省85站連續(xù)高溫過程日數(shù)，然后挑選持續(xù)日數(shù)≥1 d作為統(tǒng)計(jì)樣本(圖7)，樣本最長(zhǎng)連續(xù)過程日數(shù)為15 d，以持續(xù)日數(shù)=1站為步長(zhǎng)，統(tǒng)計(jì)1～15分段頻率和累積頻率。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，99%的過程持續(xù)日數(shù)≤13 d，過程持續(xù)日數(shù)3～5 d及以上的頻率分別為42.9%、27.9%、18.6%。

圖7 區(qū)域性高溫日數(shù)≥1 d統(tǒng)計(jì)樣本分段及累積頻率(%)

選取過程持續(xù)日數(shù)≥3 d作為區(qū)域性高溫過程閾值，即貴州省境內(nèi)區(qū)域性高溫日持續(xù)日數(shù)M≥3 d，則判定其為一次區(qū)域性高溫過程。

3.2.4 高溫站點(diǎn)重合率 “規(guī)定”中要求“某日某區(qū)域性組群內(nèi)至少有50%的站點(diǎn)與前一日某區(qū)域性組群內(nèi)站點(diǎn)重合，則判定該區(qū)域性組群持續(xù)；否則判定該組群結(jié)束”，通過對(duì)上述閾值確定的區(qū)域性高溫過程及其重合率統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明，全部過程僅6次過程中間存在1 d重合率<50%的情況，但該日重合率均>40%。因此，貴州省區(qū)域性高溫過程指標(biāo)閾值確定時(shí)可以不再考慮過程日重合率≥50%的條件。

4 區(qū)域性干旱過程

4.1 區(qū)域性干旱日

統(tǒng)計(jì)1981—2010年貴州省境內(nèi)84站(不含匯川)逐日中旱及其以上(MCI≤-1.0)站數(shù)，挑選站數(shù)≥2站作為統(tǒng)計(jì)樣本(圖8)，樣本最多站數(shù)為80站，以站數(shù)=1站為步長(zhǎng)，統(tǒng)計(jì)2～80分段頻率和累積頻率。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，99%的樣本日干旱站數(shù)≤68站，干旱站數(shù)在10站、13站、18站、22站及其以上的頻率分別為50.3%、41.5%、30.7%、24.9%、36.7%、34.5%。

圖8 日干旱站數(shù)≥2站統(tǒng)計(jì)樣本分段及累積頻率(%)

選取中旱及其以上強(qiáng)度干旱站數(shù)10站作為區(qū)域性干旱日閾值，占比為10/84≈12%，即某日貴州省境內(nèi)出現(xiàn)中度及其以上(MCI≤-1.0)強(qiáng)度干旱的相鄰監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)占有效監(jiān)測(cè)站數(shù)(站點(diǎn)不缺測(cè))的百分比≥12%，則定義當(dāng)日為1個(gè)區(qū)域性干旱日。

4.2 相鄰干旱站點(diǎn)距離

統(tǒng)計(jì)1981—2010年逐日中旱及其以上站點(diǎn)數(shù)≥2站當(dāng)日相鄰干旱站點(diǎn)距離，結(jié)果表明當(dāng)日存在相鄰干旱站點(diǎn)距離>200 km有937 d(占總樣本數(shù)的14.6%)，且干旱站數(shù)介于2～51站之間，其中不足10站的有801 d、10站及以上的有136 d(占總區(qū)域性干旱日3 230 d的1.1%)。進(jìn)一步分析10站及以上的136 d站點(diǎn)組合樣本發(fā)現(xiàn)，其中有7 d存在2個(gè)站點(diǎn)與臨近干旱站點(diǎn)距離超過200 km，其余129 d僅1個(gè)站點(diǎn)與臨近干旱站點(diǎn)距離超過200 km，這些干旱站點(diǎn)主要分布在臨近貴州省行政邊界的區(qū)域范圍內(nèi)共計(jì)30個(gè)站點(diǎn)，其中赫章和赤水出現(xiàn)次數(shù)較多，分別有22 d和34 d，其余28個(gè)站點(diǎn)均未超過10 d且多在5 d以內(nèi)。結(jié)合前文已經(jīng)確定區(qū)域性干旱日閾值為10站，因此，在確定貴州省區(qū)域性干旱日時(shí)可以不再考慮相鄰干旱站點(diǎn)距離200 km以內(nèi)的限制條件。

4.3 干旱站點(diǎn)重合率

基于上述區(qū)域性干旱日閾值，挑選1981—2010年貴州省全省84站逐日中旱及其以上站數(shù)比例≥12%的區(qū)域性干旱日并計(jì)算其與前一日干旱站點(diǎn)的重合率作為統(tǒng)計(jì)樣本(圖9)，樣本重合率范圍為22.2%～100%，以重合率=10%為步長(zhǎng)，統(tǒng)計(jì)20～100分段頻率。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，重合率≥50%的樣本為99.4%，僅0.6%的樣本重合率<50%，參照國(guó)家級(jí)重合率推薦閾值50%執(zhí)行即可。

圖9 區(qū)域性干旱日當(dāng)日與前一日干旱站數(shù)重合率樣本分段頻率(%)

4.4 區(qū)域性干旱過程

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，過程持續(xù)日數(shù)5 d、10 d、15 d、20 d、25 d、30 d及其以上的頻率分別為51.2%、33.6%、21.7%、18.9%、15.7%、11.1%。

參照國(guó)家級(jí)推薦閾值，選取過程持續(xù)日數(shù)15 d作為區(qū)域性干旱過程開始閾值，即區(qū)域性干旱日持續(xù)時(shí)間≥15 d，則定義為一個(gè)區(qū)域性干旱過程開始。

按照4.1節(jié)和4.3節(jié)確定的區(qū)域性干旱日條件取反定義為非區(qū)域性干旱日，即非區(qū)域性干旱日中旱及其以上站數(shù)百分比<12%或當(dāng)日與前一日區(qū)域性干旱站點(diǎn)重合率<50%。統(tǒng)計(jì)1981—2010年貴州省84站非區(qū)域干旱過程持續(xù)日數(shù)，然后挑選持續(xù)日數(shù)≥1 d作為統(tǒng)計(jì)樣本(圖10)，樣本最長(zhǎng)連續(xù)過程日數(shù)為309 d，以持續(xù)日數(shù)=1站為步長(zhǎng)，統(tǒng)計(jì)1～309分段頻率和累積頻率。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，過程持續(xù)日數(shù)在5 d、10 d、15 d、20 d、25 d、30 d及其以上的頻率分別為62.8%、47.7%、41.7%、38.5%、36.7%、36.2%。

圖10 連續(xù)干旱過程1～50 d統(tǒng)計(jì)樣本分段及累積頻率(%)

參照國(guó)家級(jí)推薦閾值，選取過程持續(xù)日數(shù)≥5 d作為區(qū)域性干旱過程結(jié)束閾值，即某次區(qū)域性干旱過程開始后，當(dāng)連續(xù)5 d出現(xiàn)中旱或以上強(qiáng)度干旱的站點(diǎn)數(shù)占監(jiān)測(cè)總站數(shù)的百分比<12%或當(dāng)日與前一干旱日的站點(diǎn)數(shù)重合率<50%該次干旱過程結(jié)束。

5 小結(jié)

利用貴州省85個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站1981—2010年日降水量、日最高氣溫、MCI指數(shù)資料，確定了區(qū)域性暴雨、高溫、干旱相關(guān)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)指標(biāo)閾值，初步得出以下結(jié)果：

①某日，貴州境內(nèi)日降水量≥50 mm的國(guó)家站站點(diǎn)數(shù)≥6站(或國(guó)家站≥5站且全部站站數(shù)比例≥6%)確定為一個(gè)區(qū)域性暴雨日，持續(xù)出現(xiàn)1 d或以上則為一次區(qū)域性暴雨過程。

②全省范圍內(nèi)日最高氣溫≥35 ℃的站點(diǎn)數(shù)占全省監(jiān)測(cè)站數(shù)的百分比≥12%確定為一個(gè)區(qū)域性高溫日，持續(xù)出現(xiàn)3 d及以上則判斷其為一次區(qū)域性高溫過程。

③全省范圍內(nèi)出現(xiàn)中度及其以上強(qiáng)度干旱的站點(diǎn)數(shù)占全省監(jiān)測(cè)站數(shù)的百分比≥12%確定為一個(gè)區(qū)域性干旱日，當(dāng)某日與前一日區(qū)域性干旱站點(diǎn)的重合率≥50%，且持續(xù)時(shí)間≥15 d，則定義為一個(gè)區(qū)域性干旱過程開始，滿足一次區(qū)域性干旱過程判定條件的首日為該次區(qū)域性干旱過程開始日。區(qū)域性干旱過程開始后，當(dāng)連續(xù)5 d出現(xiàn)中旱或以上強(qiáng)度的站點(diǎn)數(shù)占全省監(jiān)測(cè)站數(shù)的百分比<12%或者與前一干旱日的站點(diǎn)數(shù)重合率<50%，即表示該次干旱過程結(jié)束，則將前一天確定為該次區(qū)域性干旱過程的結(jié)束日。

④對(duì)于貴州全省范圍內(nèi)區(qū)域性暴雨、高溫、干旱過程指標(biāo)確定，可以不再考慮相鄰站點(diǎn)距離以及高溫過程站點(diǎn)重合率≥50%的要求，從而簡(jiǎn)化指標(biāo)計(jì)算流程。