周雅清，胡桃花，王 弢，趙酉龍

（1.晉中市氣象局，山西 晉中030600；2.朔州市氣象局，山西 朔州036000）

在全球氣候變化背景下，極端強(qiáng)降水事件頻發(fā)，對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成嚴(yán)重危害[1]。有研究指出，中國短歷時暴雨量和暴雨日占總暴雨量和暴雨日數(shù)的75%以上，且短歷時暴雨對總暴雨的貢獻(xiàn)率呈增加趨勢[2]。因此，分析短歷時強(qiáng)降水的變化規(guī)律，對防災(zāi)減災(zāi)、提高氣候適應(yīng)性有重要意義。

眾多學(xué)者對短歷時強(qiáng)降水事件的研究，已經(jīng)開展了很多工作，得到了一些有指導(dǎo)意義的結(jié)論[3-6]。Chen等[7]采用中國876個自動氣象站小時雨量資料，分析了短歷時強(qiáng)降水的時空分布，發(fā)現(xiàn)中國不同地區(qū)短時強(qiáng)降水有不同的日變化類型，不同下墊面、強(qiáng)降水的周期和持續(xù)時間也存在很大差異。殷水清等[8]發(fā)現(xiàn)海河流域1961—2004年短歷時降水量呈減少趨勢，但短歷時降水量占總降水量的比重呈增加趨勢。毛冬艷等[9]發(fā)現(xiàn)西南地區(qū)1981—2010年短時強(qiáng)降水頻次增加、強(qiáng)度增強(qiáng)。以上研究多采用國家級臺站降水資料，難以捕捉短時強(qiáng)降水過程細(xì)致的時空結(jié)構(gòu)特征。近年來，隨著高密度區(qū)域自動站的布設(shè)，大量高時空分辨率的降水觀測資料積累，為研究短歷時強(qiáng)降水的精細(xì)化特征提供了數(shù)據(jù)支撐。王國榮等[10]和李琛等[11]采用北京人工觀測站和自動氣象站資料，發(fā)現(xiàn)北京西山前的平原地區(qū)是強(qiáng)降水高發(fā)區(qū)域，短時強(qiáng)降水主要發(fā)生在午后到前半夜。張超等[12]根據(jù)烏魯木齊6個國家站和31個區(qū)域自動站資料，分析了不同區(qū)域短時強(qiáng)降水特征，發(fā)現(xiàn)短時強(qiáng)降水淺山區(qū)多、平原和高山區(qū)少。

有研究表明，強(qiáng)降水在一定程度上受到城市化的影響[13]。但由于受數(shù)據(jù)限制，降水的城市化影響研究以月、季、年時間尺度為主，對小時尺度降水影響分析較少。鐘時[14]通過對京津冀一次夏季強(qiáng)降水事件的集合模擬發(fā)現(xiàn)，城市化導(dǎo)致城區(qū)降水強(qiáng)度增加，持續(xù)時間延長。吳息等[15]利用北京城、郊自動氣象站小時降水資料對比分析后發(fā)現(xiàn)，城市效應(yīng)在下風(fēng)區(qū)短時降水雨量，市中心短時暴雨發(fā)生頻率和強(qiáng)度的增加方面效果最明顯。Yang等[16]研究表明，北京城區(qū)短歷時降水與城市熱島強(qiáng)度有很好的相關(guān)性。陳圣稢等[17]和沈澄等[18]利用南京加密自動氣象站小時資料，發(fā)現(xiàn)南京短時強(qiáng)降水空間分布具有明顯的城郊差異。這些研究主要集中在特大城市群，對發(fā)展程度相對較低的中小城市，其強(qiáng)降水受城市化影響的程度和時空結(jié)構(gòu)較少涉及。

山西省地形復(fù)雜，夏季降水集中，短時強(qiáng)降水易引發(fā)洪澇災(zāi)害[19]。目前關(guān)于山西短時強(qiáng)降水的分析很少。本文根據(jù)山西省自動氣象站小時降水資料，結(jié)合華北區(qū)域大的氣候背景以及山西省本地業(yè)務(wù)規(guī)范，選取了符合本地氣候特點和氣象服務(wù)需求的短時強(qiáng)降水標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上，分析了山西省汛期短歷時強(qiáng)降水的時空變化特征，并通過對比太原市城鄉(xiāng)臺站強(qiáng)降水結(jié)構(gòu)差異，定量分析了城市化對不同等級短時強(qiáng)降水的影響，以期為山西省致災(zāi)暴雨的精細(xì)化短時臨近預(yù)警預(yù)報提供參考依據(jù)。

1 研究方法

選取山西省2011—2016年汛期（5—9月）290個國家和區(qū)域自動站逐小時降水觀測資料，其中國家站單站小時資料缺測不超過0.5%，區(qū)域自動站不超過6%。對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了界限值檢查以及時間、空間一致性檢查的質(zhì)量控制[20]，共檢測出錯誤數(shù)據(jù)508個，占總數(shù)據(jù)量的0.08%，錯誤數(shù)據(jù)按缺測處理。

根據(jù)氣象臺站位置和周邊環(huán)境將上述290個臺站分為城市站和鄉(xiāng)村站，位置描述為“鄉(xiāng)村”或“山頂”；以臺站為中心，半徑2 km內(nèi)建成區(qū)面積在1/3以內(nèi)的臺站作為鄉(xiāng)村站（217個），代表氣候背景變化；其余臺站則定義為城市站（73個）（圖1）。

圖1 自動氣象站分布

為了定量評價城市化建設(shè)對強(qiáng)降水的影響，參照周雅清等[21]定義，城市化影響是指由于城市熱島效應(yīng)等因素引起的城市站與鄉(xiāng)村站氣象要素值的差異（△Xur）。設(shè)△Xu為城市站氣象要素的值，△Xr為鄉(xiāng)村站氣象要素的值，則△Xur可簡單的表達(dá)為△Xu與△Xr之差，當(dāng)△Xur值越大，表明城市化影響越顯著。

短時強(qiáng)降水有多種定義標(biāo)準(zhǔn)[7，9]，根據(jù)華北地區(qū)內(nèi)陸城市降水特征，結(jié)合《山西省城市內(nèi)澇氣象風(fēng)險預(yù)警業(yè)務(wù)規(guī)定》，定義某臺站出現(xiàn)一次1 h降水量≥15 mm的降水過程，即為一個短時強(qiáng)降水日，同時根據(jù)小時降水強(qiáng)度，將短時強(qiáng)降水分為4個等級，具體標(biāo)準(zhǔn)見表1。其中Ⅳ級和Ⅲ級強(qiáng)降水為一般性強(qiáng)降水，Ⅱ級和Ⅰ級強(qiáng)降水為特強(qiáng)降水。

表1 山西省短歷時強(qiáng)降水等級標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果分析

2.1 各級強(qiáng)降水空間分布特征

圖2是2011—2016年汛期平均各級別累計強(qiáng)降水量空間圖。Ⅳ級年平均累計降水量大致呈南多北少，只有2個站沒有出現(xiàn)過該量級的降水，累計降水＞30 mm的大值區(qū)主要分布在山西省中南部的東部地區(qū)；Ⅲ級累計降水量明顯呈南多北少，有7個站沒有出現(xiàn)過該量級的降水，累計降水＞30 mm的大值區(qū)主要分布在南部；Ⅱ級累計降水量主要分布在中南部，有近一半臺站沒有出現(xiàn)過該量級的降水；I級累計降水量大值中心主要分布在山西省東南角。

圖2 山西省2011—2016年汛期多年平均不同等級累計降水量（單位：mm）分布

4個等級強(qiáng)降水的累計降水小時數(shù)與累計降水量的空間分布形態(tài)相似。Ⅳ級降水年平均累計小時數(shù)為0～3.2 h，1.8 h以上區(qū)域主要分布在山西省東部太行山區(qū)；Ⅲ級降水累計小時數(shù)為0～2.2 h，1.3 h以上的大值區(qū)集中在山西省中南部；Ⅱ級降水較少發(fā)生；Ⅰ級降水累計小時數(shù)為0～1.5 h，主要在山西省東南部。

總體上，山西省強(qiáng)降水北少南多，高緯區(qū)少于中低緯區(qū)；各級強(qiáng)降水的累計降水量和累計降水小時數(shù)的大值區(qū)沿太行山脈和呂梁山脈分布。

廖菲等[22]研究得出，中小尺度地形通常對降水中心的落區(qū)有著顯著的影響。范廣洲等[23]研究發(fā)現(xiàn)，華北地區(qū)西部和北部的高地形有利于區(qū)域夏季降水，其影響主要表現(xiàn)在動力作用方面。山西省特殊的地形對強(qiáng)降水的形成、發(fā)展同樣有重要作用。山西夏季對流層底層盛行西南風(fēng)，天氣系統(tǒng)多自西向東移動。當(dāng)產(chǎn)生強(qiáng)降水的天氣系統(tǒng)（低渦、西風(fēng)槽、切變線等）過境時，遇呂梁山或太行山迎風(fēng)面強(qiáng)迫抬升，并且暖濕氣流在迎風(fēng)坡形成氣旋性輻合，對降水有明顯增幅作用，因此在太行山和呂梁山區(qū)強(qiáng)降水的降水量和降水小時數(shù)明顯多于其他區(qū)域。

2.2 各級強(qiáng)降水日變化特征

對各級降水的累計強(qiáng)降水量、強(qiáng)降水小時數(shù)以及強(qiáng)降水強(qiáng)度的日變化進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，累計強(qiáng)降水量和小時數(shù)的日變化高度重合，而強(qiáng)降水強(qiáng)度則沒有明顯的日變化規(guī)律。計算各級強(qiáng)降水逐時降水小時數(shù)占全天降水小時數(shù)的比值后，得到降水頻率。圖3給出了降水頻率日變化。Ⅳ級降水（圖3a）15—23時（北京時，下同）為高發(fā)時段，最大峰值在15—18時，谷值在03—04時；Ⅲ級降水（圖3b）在15—18時和22—23時為高發(fā)時段，06時最不易發(fā)；Ⅱ級降水（圖3c）在16—18時和03時為高發(fā)時段，12時沒有發(fā)生過該等級降水；Ⅰ級降水（圖3d）在午后到前半夜易發(fā)，尤其15—18時發(fā)生頻率累計近35%，04—14時不易發(fā)，11個時次累計發(fā)生頻率僅17%。Ⅳ級和Ⅲ級強(qiáng)降水日內(nèi)變化相對平緩，而Ⅱ級和Ⅰ級強(qiáng)降水變化振幅更大。

圖3 山西省汛期降水頻率日變化

2.3 各級強(qiáng)降水季節(jié)內(nèi)變化特征

從5月1日起，汛期共計30候，為了解強(qiáng)降水季節(jié)內(nèi)變化特征，計算逐候累計強(qiáng)降水小時數(shù)的逐時變化（圖4）。山西省強(qiáng)降水主要集中在12—24候（7—8月）。Ⅳ級降水多出現(xiàn)在整個汛期午后到傍晚，7月在上午還存在一個高發(fā)時段；Ⅲ級降水季內(nèi)變化與Ⅳ級相似；Ⅱ級降水在7月夜間和8月午后高發(fā)；Ⅰ級降水在7、8月都在午后和夜間出現(xiàn)兩個高發(fā)。午后到傍晚的強(qiáng)降水日峰值是由于太陽輻射變化引起的，白天地表受到太陽輻射加熱，大氣不穩(wěn)定性增加，導(dǎo)致對流性強(qiáng)降水增多；而一般性強(qiáng)降水上午時段的日峰值則與大尺度天氣系統(tǒng)導(dǎo)致的區(qū)域性持續(xù)強(qiáng)降水有關(guān)。

圖4 山西省汛期各級強(qiáng)降水逐侯累計降水小時數(shù)日變化（單位：h）

2.4 城市化對強(qiáng)降水的影響分析

除了地形和緯度的因素，強(qiáng)降水還可能受到城市化的影響[15-19]。根據(jù)2011—2016年217個城市站和73個鄉(xiāng)村站小時氣溫差值，繪制了山西省汛期城市熱島強(qiáng)度的日變化曲線，與強(qiáng)降水發(fā)生頻率日變化進(jìn)行對比分析（圖5）。城市熱島強(qiáng)度日變化呈單峰型，09—14時處于谷值，之后逐漸增強(qiáng)，19—01時達(dá)熱島高峰，并在05時前維持較高水平。對比城市熱島和強(qiáng)降水的日變化曲線發(fā)現(xiàn)，15—18時是各級短歷時強(qiáng)降水的高發(fā)時段，此時城市熱島不斷增強(qiáng)，為對流性強(qiáng)降水提供了熱力不穩(wěn)定的有利條件[24]。到了夜間（20—23時），各級降水出現(xiàn)第二峰值，而這時正是熱島效應(yīng)最強(qiáng)的時候，城區(qū)由于熱島效應(yīng)大氣層結(jié)不穩(wěn)定，有利于對流性天氣發(fā)生發(fā)展和產(chǎn)生強(qiáng)降水。各級強(qiáng)降水一般在城市熱島增強(qiáng)時段易發(fā)，而熱島強(qiáng)度較弱時，強(qiáng)降水發(fā)生率一般是最低的。

圖5 山西省2011—2016年汛期城市熱島強(qiáng)度和強(qiáng)降水頻率日變化

定量描述城市發(fā)展對強(qiáng)降水的影響，選取太原市13個城市站和7個鄉(xiāng)村站，對比分析各級強(qiáng)降水的城鄉(xiāng)差異。在選站時，考慮到地形因素對降水量值的影響，選擇的兩類臺站都位于太原市中南部的河谷平原，高度差異在50 m內(nèi)。分別統(tǒng)計兩類臺站平均的各級強(qiáng)降水的累計降水量和降水小時數(shù)（表2），Ⅳ級和Ⅲ級降水中，城市站的累計降水量、降水小時數(shù)都比鄉(xiāng)村站偏多偏大；而Ⅱ級和Ⅰ級降水反之。Ⅲ級降水量和Ⅳ級降水小時數(shù)受到城市化影響最顯著。城市由于熱島效應(yīng)，使大氣層結(jié)不穩(wěn)定，當(dāng)城市中水汽充足，在有利于對流性天氣發(fā)生發(fā)展的天氣系統(tǒng)控制下，容易形成對流性降水[24]。影響降水的主要還是地形以及大氣環(huán)流背景等因素，作為高能區(qū)的城區(qū)，在一定的天氣形勢和熱力、動力的合適條件下，可能對降水產(chǎn)生誘導(dǎo)或增幅作用。特強(qiáng)降水（Ⅱ級和Ⅰ級）是在強(qiáng)大的環(huán)流背景和水汽輸送配合下產(chǎn)生的，城市化影響的作用不明顯。根據(jù)李書嚴(yán)等[25]的研究，北京地區(qū)也存在相似的特征，即在大尺度降水系統(tǒng)較弱或局地降水系統(tǒng)影響時，城區(qū)和下風(fēng)側(cè)降水偏多，而在大尺度天氣系統(tǒng)較強(qiáng)時，城市效應(yīng)基本沒有作用。

表2 太原市汛期短歷時強(qiáng)降水城鄉(xiāng)對比

3 結(jié)論

根據(jù)高時空分辨率的自動站降水觀測資料，分析了山西省2011—2016年汛期短歷時強(qiáng)降水的時空分布特征，同時分析了城市化對不同等級短時強(qiáng)降水的可能影響，得到以下主要結(jié)論：

（1）山西省短歷時強(qiáng)降水的空間分布主要受地形影響，北少南多，且各級降水的累計降水量和降水小時數(shù)的大值區(qū)沿太行山脈和呂梁山脈。

（2）各級短歷時強(qiáng)降水在午后（15—18時）為高發(fā)時段，夜間（20—23時）各級強(qiáng)降水出現(xiàn)第二峰值，上午到正午時段不易發(fā)；降水日變化振幅與降水強(qiáng)度呈正相關(guān)。

（3）從季內(nèi)變化看，山西省強(qiáng)降水主要集中在12—24候（7—8月）。各級強(qiáng)降水在午后到夜間多發(fā)，一般性強(qiáng)降水在7月上午時段還存在峰值。午后到傍晚的強(qiáng)降水日峰值主要是由于太陽輻射變化引起的，而一般性強(qiáng)降水上午時段的日峰值則與大尺度天氣系統(tǒng)導(dǎo)致的區(qū)域性持續(xù)強(qiáng)降水有關(guān)。

（4）山西省強(qiáng)降水與城市化因素影響有關(guān)。各級強(qiáng)降水在城市熱島增強(qiáng)時段易發(fā)，而熱島在負(fù)位相時，強(qiáng)降水發(fā)生率一般是最低的。從太原市的情況看，城市站一般性強(qiáng)降水比鄉(xiāng)村站發(fā)生頻率高且降水量大，表明城市作為高能區(qū)有利于強(qiáng)降水的發(fā)生；而特強(qiáng)的強(qiáng)降水則沒有這個規(guī)律，特強(qiáng)降水需要強(qiáng)大的環(huán)流背景和水汽輸送的配合，此時城市化影響作用不顯著。

本文利用近6 a高密度小時降水資料對山西省汛期短歷時強(qiáng)降水特征進(jìn)行了統(tǒng)計分析，得到了更細(xì)致的強(qiáng)降水日變化、季內(nèi)變化及空間變化等特征，并對強(qiáng)降水的成因初步進(jìn)行了討論，但對地形等因

素造成短歷時強(qiáng)降水增強(qiáng)的物理機(jī)制還有待于深入分析。另外區(qū)域自動站資料長度有限，無法對比城鄉(xiāng)臺站降水趨勢差異，后續(xù)需要積累更長序列資料，對強(qiáng)降水的城市化影響開展進(jìn)一步的研究。