王君軍，周 林，王 彪

(1.貴州省貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550002；2.貴州省氣象信息中心，貴州 貴陽 550002)

0 引言

短時(shí)強(qiáng)降水常具有突發(fā)性強(qiáng)、降水強(qiáng)度大等特點(diǎn)，其引發(fā)的山洪、地質(zhì)災(zāi)害和城市內(nèi)澇已屢見不鮮，對(duì)人民生命及生產(chǎn)安全造成威脅。近年來，隨著觀測(cè)手段的不斷豐富，小時(shí)降水資料已在業(yè)務(wù)中占據(jù)越來越重要的地位，短時(shí)強(qiáng)降水受到許多氣象工作者的廣泛研究[1-4]。陶詩言[1]指出：我國歷史上多次嚴(yán)重暴雨災(zāi)害中均伴有高強(qiáng)度的短時(shí)強(qiáng)降水。陳炯等[2]研究了國內(nèi)短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)間與空間分布情況，其中短時(shí)強(qiáng)降水最高的區(qū)域?yàn)槿A南地區(qū)。姚莉等[3]分析了中國小時(shí)雨量的時(shí)空分布特征，指出：雨強(qiáng)的日變化具有明顯的地區(qū)差異，其中西南和華南地區(qū)日變化最為明顯。張?zhí)煊畹萚4]指出長(zhǎng)江中下游汛期極端總降水事件發(fā)生頻次的多寡很大程度上影響著汛期總降水量的多少。

貴陽市地處貴州省中部，復(fù)雜的地形、地貌和地質(zhì)特征，在短時(shí)強(qiáng)降水天氣條件下易引發(fā)次生災(zāi)害，因此短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)預(yù)警的準(zhǔn)確率也是防災(zāi)減災(zāi)面臨的重要挑戰(zhàn)之一。近年來許多氣象工作者對(duì)貴陽強(qiáng)降水展開了研究，周明飛等[5]研究指出貴州省短時(shí)強(qiáng)降水呈現(xiàn)出南多北少的空間分布特征。彭芳等[6]利用貴州84站1991—2009年汛期逐小時(shí)降水資料統(tǒng)計(jì)了貴州省短時(shí)降水時(shí)空特征。陳海鳳等[7]指出貴陽市短時(shí)強(qiáng)降水及暴雨呈南多北少的分布特征。段瑩等[8]指出貴陽市暴雨平均雨量整體呈上升趨勢(shì)，暴雨日數(shù)及總暴雨量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。隨著貴陽市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，防災(zāi)減災(zāi)能力的提升也越來越迫切，政府及社會(huì)對(duì)災(zāi)害性天氣的精細(xì)化氣象服務(wù)提出更高的要求。近年來貴陽市氣象觀測(cè)網(wǎng)的迅速發(fā)展，使得利用高密度氣象觀測(cè)資料獲得該地區(qū)更細(xì)致的短時(shí)強(qiáng)降水特征成為可能。本文利用高密度氣象觀測(cè)資料，對(duì)貴陽市短時(shí)強(qiáng)降水特征進(jìn)行分析，以進(jìn)一步提高對(duì)該市短時(shí)強(qiáng)降水特征認(rèn)識(shí)，提升監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)及服務(wù)能力。

1 資料與方法

利用2014—2019年貴陽市加密自動(dòng)氣象觀測(cè)站及國家氣象觀測(cè)站逐小時(shí)降水觀測(cè)資料，采用《全國短時(shí)臨近預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)規(guī)定》短時(shí)強(qiáng)降水定義小時(shí)降水量≥20.0 mm。由于貴陽市氣象觀測(cè)站建站時(shí)間不一致，考慮降水時(shí)間的連續(xù)性及可信性，對(duì)降水資料開展數(shù)據(jù)質(zhì)量控制[9-11]，最終選取8個(gè)國家氣象觀測(cè)站及116個(gè)加密自動(dòng)氣象觀測(cè)站(圖1)。

圖1 貴陽市加密自動(dòng)氣象觀測(cè)站及國家氣象觀測(cè)站分布(●：區(qū)域地面氣象觀測(cè)站；▲：國家級(jí)氣象觀測(cè)站)Fig.1 Distribution map of dense automatic meteorological observation stations and national meteorological observation stations in Guiyang(●：Regional automatic meteorological observation stations; ▲：National meteorological observation stations)

統(tǒng)計(jì)分析2014—2019年短時(shí)強(qiáng)降水樣本發(fā)現(xiàn)，貴陽市短時(shí)強(qiáng)降水最早出現(xiàn)在2月，最晚出現(xiàn)在11月，汛期(4—9月)占總樣本的94.1%。因此本文利用汛期逐時(shí)降水觀測(cè)資料，采用統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)貴陽市汛期短時(shí)強(qiáng)降水的空間、時(shí)間等特征進(jìn)行分析，旨在掌握貴陽市短時(shí)強(qiáng)降水氣候特征，對(duì)于短時(shí)強(qiáng)降水天氣的預(yù)報(bào)以及防災(zāi)減災(zāi)提供參考依據(jù)。

2 短時(shí)強(qiáng)降水的空間分布特征

2.1 汛期短時(shí)強(qiáng)降水的空間分布特征

由貴陽市汛期平均降水量分布可見(圖2a)，貴陽市中南部汛期降水量高于北部，除北部邊緣降水量在800 mm以下外，其余大部在800 mm以上，超過1100 mm以上的大值中心主要有兩個(gè)，一個(gè)位于清鎮(zhèn)市中南部至觀山湖區(qū)一帶，另一個(gè)位于花溪區(qū)東南部邊緣。

由貴陽市汛期短時(shí)強(qiáng)降水量分布可見(圖2b)，汛期平均短時(shí)強(qiáng)降水量總體呈現(xiàn)出中部多于南北的分布特征，其中貴陽市北部邊緣短時(shí)強(qiáng)降水量在100 mm以下，其余大部在100 mm以上，超過200 mm以上的大值中心位于貴陽市中南部，即清鎮(zhèn)市中南部—觀山湖區(qū)—修文縣中南部—白云區(qū)中南部—烏當(dāng)區(qū)西部一帶以及花溪區(qū)東部地區(qū)。

由貴陽市汛期短時(shí)強(qiáng)降水量占總降水量的百分比分布可見(圖2c)：息烽縣北部、開陽縣北部、花溪區(qū)北部及清鎮(zhèn)市北部短時(shí)強(qiáng)降水占比在15%以下，其余地區(qū)在15%以上，≥18%的范圍與汛期降水量以及短時(shí)強(qiáng)降水量分布對(duì)應(yīng)較好，其中≥22%的中心區(qū)域集中在清鎮(zhèn)市中南部—觀山湖區(qū)—白云區(qū)南部一帶。

貴陽市汛期短時(shí)強(qiáng)降水累計(jì)頻次分布(圖2d)與短時(shí)強(qiáng)降水量及短時(shí)強(qiáng)降水量占總降水量的百分比分布相似，其中心位于貴陽市中南部，即清鎮(zhèn)市中南部—觀山湖區(qū)—白云區(qū)—烏當(dāng)區(qū)西部邊緣。從雨強(qiáng)≥50 mm·h-1分布可見(圖2e)，南部發(fā)生頻次高于北部，南部中心位于清鎮(zhèn)市中南部至觀山湖區(qū)一帶，北部中心位于開陽縣中南部。圖2f顯示小時(shí)極值降水量分布不均，大致有3個(gè)中心：清鎮(zhèn)市西部、花溪區(qū)東部以及開陽縣中南部。

圖2 貴陽市2014—2019年汛期降水量(a，單位： mm)、短時(shí)強(qiáng)降水量(b，單位：mm)、同期短時(shí)強(qiáng)降水量占總降水量的百分比(c，單位：%)、短時(shí)強(qiáng)降水累計(jì)頻次(d，單位：站次)、≥50 mm·h-1短時(shí)強(qiáng)降水累計(jì)頻次(e：?jiǎn)挝唬赫敬?及短時(shí)強(qiáng)降水極值(f，單位：mm)空間分布Fig.2 The spatial distribution of the average precipitation(a, unit∶ mm), the average short-term heavy precipitation (b, unit∶ mm), the percentage of short-term heavy precipitation in total precipitation (c, unit∶%), accumulative number of stations of short-term heavy precipitation (d, unit∶ number of stations), accumulative number of stations of short-term heavy precipitation more than or equal to 50 mm·h-1 (e: unit∶number of stations) and the extreme value of short-term heavy precipitation (f, unit∶mm) during the rainy season from 2014 to 2019 in Guiyang

2.2 逐月短時(shí)強(qiáng)降水的空間分布特征

由圖3可見，貴陽市2014—2019年汛期逐月短時(shí)強(qiáng)降水空間分布差異明顯，除4月和9月以分散性短時(shí)強(qiáng)降水為主、中心區(qū)域不明顯外，其余各月中心特征顯著，其中5月中心區(qū)域位于中部一線，即清鎮(zhèn)市中南部—觀山湖區(qū)—白云區(qū)—烏當(dāng)區(qū)—開陽縣南部一帶；6月強(qiáng)降水頻次增加，中心位于貴陽市西南部，即清鎮(zhèn)市中南部—觀山湖區(qū)—白云區(qū)一帶以及花溪區(qū)中西部；7月強(qiáng)降水頻次開始減弱，中心位于清鎮(zhèn)市南部—觀山湖區(qū)—白云區(qū)—烏當(dāng)區(qū)西部、清鎮(zhèn)市北部至修文縣西部以及花溪區(qū)東部邊緣一帶；8月中心區(qū)域位于清鎮(zhèn)市中部、修文縣南部、觀山湖區(qū)北部以及白云區(qū)南部。可見在5—7月短時(shí)強(qiáng)降水中心特征尤為顯著，其大致集中在清鎮(zhèn)市中南部—觀山湖區(qū)—白云區(qū)一帶。

圖3 貴陽市2014—2019年汛期逐月短時(shí)強(qiáng)降水累計(jì)頻次空間分布(a～f：4—9月，單位：站次)Fig.3 The spatial distribution of cumulative number of stations of monthly short term heavy precipitation during the rainy season in Guiyang from 2014 to 2019(a-f: April to September, unit∶ number of stations)

3 短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)間變化特征

3.1 短時(shí)強(qiáng)降水的月變化

通過對(duì)貴陽市2014—2019年汛期短時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分析可知，貴陽市短時(shí)強(qiáng)降水以20.0～29.9 mm為主，占總頻次的65.6%，30.0～49.9 mm占30.4%，≥50.0 mm短時(shí)強(qiáng)降水占4.0%，而≥80 mm短時(shí)強(qiáng)降水僅出現(xiàn)5站次。

圖4為貴陽市2014—2019年汛期短時(shí)強(qiáng)降水逐月頻次變化。分析可知，貴陽市短時(shí)強(qiáng)降水集中在5—8月，占總頻次的87.4%，其中6月峰值顯著(占33.1%)，7月次之(占19.9%)?！?0 mm的短時(shí)強(qiáng)降水峰值出現(xiàn)在6月(占35.1%)，5月次之(占21.7%)；≥50 mm的短時(shí)強(qiáng)降水峰值出現(xiàn)在6月(占35.3%)，5月次之(占22.3%)。

圖4 貴陽市2014—2019年汛期短時(shí)強(qiáng)降水逐月頻數(shù)變化Fig.4 Monthly variation of the number stations of short term heavy precipitation during the rainy season in Guiyang from 2014 to 2019

3.2 短時(shí)強(qiáng)降水的日變化

通過分析貴陽市2014—2019年汛期短時(shí)強(qiáng)降水日變化，揭示不同月份最易發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)段(圖5)。4月最強(qiáng)時(shí)段出現(xiàn)在23時(shí)，其次是20時(shí)；5月份最強(qiáng)時(shí)段出現(xiàn)在00—03時(shí)，其次是19時(shí)；6月最強(qiáng)時(shí)段出現(xiàn)在00—04時(shí)，其次是07—08時(shí)；7月最強(qiáng)時(shí)段出現(xiàn)在03—06時(shí)，其次為16—17時(shí)及21時(shí)前后；8月最強(qiáng)時(shí)段集中在23—00時(shí)，其次是13時(shí)和15—18時(shí)；9月最強(qiáng)時(shí)段出現(xiàn)在02—06時(shí)，其次是21時(shí)。從短時(shí)強(qiáng)降水的頻數(shù)可見，4月最強(qiáng)時(shí)段(23時(shí))頻次為76次；5月最強(qiáng)時(shí)段(00—03時(shí))頻次在100次以上，其中00時(shí)最高(120次)；6月最強(qiáng)時(shí)段(00—04時(shí))在100次以上，其中03時(shí)最高(153次)；7月短時(shí)強(qiáng)降水頻次開始逐漸下降，最強(qiáng)時(shí)段(03—06時(shí))為50～65次；8月最強(qiáng)時(shí)段(23—00時(shí))為50～55次；9月高峰時(shí)段降至25次左右?？梢姡F陽市短時(shí)強(qiáng)降水以夜雨居多，強(qiáng)降水的發(fā)生時(shí)段主要有3個(gè)：23—03時(shí)、07—08時(shí)和20—21時(shí)。但不同月份短時(shí)強(qiáng)降水頻次日變化存在差異，這與文獻(xiàn)[7]研究貴州1 d中3個(gè)高峰時(shí)段為23—02時(shí)、05—08時(shí)和17—20時(shí)的結(jié)論相似。而≥50 mm·h-1短時(shí)強(qiáng)降水集中出現(xiàn)在21—05時(shí)，其峰值出現(xiàn)在05時(shí)，其次是03時(shí)。

圖5 貴陽市2014—2019年汛期逐月短時(shí)強(qiáng)降水日變化(a～f：4—9月)Fig.5 Daily variation of the number stations of monthly short-term heavy precipitation during the rainy season in Guiyang from 2014 to 2019 (a-f: April to September)

采用文獻(xiàn)[12]中將1 d分為6個(gè)時(shí)段：20—23時(shí)(上半夜)，00—03時(shí)(下半夜)、04—07(凌晨)、08—11時(shí)(上午)、12—15時(shí)(下午)和16—19時(shí)(傍晚)，4月短時(shí)強(qiáng)降水最易出現(xiàn)在上半夜；5月、6月最易出現(xiàn)在下半夜；9月最易出現(xiàn)在凌晨；而7月和8月較其他月份夜雨特征相對(duì)不明顯，其中7月多集中在凌晨及傍晚，8月多集中在午后至上半夜。而≥50 mm·h-1短時(shí)強(qiáng)降水最易出現(xiàn)在上半夜至凌晨。

3.3 短時(shí)強(qiáng)降水的持續(xù)時(shí)間

我國降水過程中超過60%的過程屬于持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的降水[13]。結(jié)合貴陽市降水特點(diǎn)，參考李強(qiáng)等[14]研究川渝盆地主汛期短時(shí)強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間的定義，本文根據(jù)小時(shí)降水量≥20 mm具體時(shí)間,以連續(xù)2 h 小時(shí)雨量<5 mm為截?cái)?統(tǒng)計(jì)其前后連續(xù)降水持續(xù)時(shí)間。分析可見(圖6)，76.4%的短時(shí)強(qiáng)降水過程持續(xù)時(shí)間集中在1～3 h，其中1 h的發(fā)生頻率最高為(32.3%)，2 h次之(28.2%)，3 h后，持續(xù)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻率迅速降低，而≥9 h的短時(shí)強(qiáng)降水過程僅占1.4%，但是貴陽市最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間曾達(dá)16 h(出現(xiàn)在2014年7月16日)。從圖6還可以看出，6月和9月以2 h發(fā)生頻率最高?！? h持續(xù)性短時(shí)強(qiáng)降水過程主要集中在5—7月，2～7 h以6月頻率最高，8 h以5月頻率最高，9 h以上持續(xù)性短時(shí)強(qiáng)降水94.6%出現(xiàn)在7月。

圖6 貴陽市2014—2019年汛期短時(shí)強(qiáng)降水過程不同持續(xù)時(shí)間的頻率變化Fig.6 Frequency varation of the different durations for short-term heavy precipitation events during the rainy season in Guiyang from 2014 to 2019

圖7給出貴陽市2014—2019年汛期伴隨短時(shí)強(qiáng)降水的持續(xù)時(shí)間≥3 h降水過程頻次分布，在貴陽市中南部持續(xù)性短時(shí)強(qiáng)降水過程明顯高于北部，高頻區(qū)域集中在清鎮(zhèn)市中南部—觀山湖區(qū)—白云區(qū)南部—烏當(dāng)區(qū)西部一帶，次高頻區(qū)域集中在花溪區(qū)中南部及修文縣南部。

圖7 貴陽市2014—2019年汛期伴隨短時(shí)強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間≥3 h降水過程頻次分布(單位：站次)Fig.7 Frequency distribution of short-term heavy rainfall events lasting more than or equal to 3 hours during the rainy season in Guiyang from 2014 to 2019 (unit∶ number of stations)

4 汛期短時(shí)強(qiáng)降水分類及其時(shí)空分布

表1給出了貴陽市2014—2019年汛期不同范圍短時(shí)強(qiáng)降水過程月分布。分析可見，貴陽市短時(shí)強(qiáng)降水區(qū)域主要在10%以下，占67.35%，10%≤區(qū)域<20%，占14.63%，區(qū)域≥20%占18.02%。區(qū)域范圍在10%以下以8月最多(53次)，其次為7月(38次)；10%≤區(qū)域<20%和區(qū)域≥40%以6月最多(11次和10次)，20%≤區(qū)域<30%以7月和9月最多(3次)，30%≤區(qū)域<40%以6—7月最多(5次)，≥40%的區(qū)域6月出現(xiàn)10次，可見，貴陽市6月最易出現(xiàn)大范圍短時(shí)強(qiáng)降水。

表1 貴陽市2014—2019年汛期不同范圍短時(shí)強(qiáng)降水過程的月分布Tab.1 Monthly variations of short-term heavy precipitation events in different ranges during the rainy season in Guiyang from 2014 to 2019

4.1 區(qū)域范圍≥20%不同類型短時(shí)強(qiáng)降水月分布

根據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)實(shí)踐將區(qū)域范圍≥20%短時(shí)強(qiáng)降水天氣過程定為區(qū)域性短時(shí)強(qiáng)降水，參考《貴州預(yù)報(bào)員手冊(cè)》天氣類型分類，將2014—209年汛期貴陽市區(qū)域范圍≥20%短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例(共53個(gè))歸結(jié)為4種類型：低渦切變型、冷鋒低槽型、梅雨鋒型和兩高切變型。由表2可見：貴陽市短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)最多為低渦切變型，共出現(xiàn)27次，占總樣本的50.9%；其次為冷鋒低槽型(占35.9%)；再次為梅雨鋒型(占9.4%)和兩高切變型(占3.8%)。其中低渦切變型主要集中在5—8月；冷鋒低槽型集中在5—6月以及8—9月，其中9月均為冷鋒低槽型；梅雨鋒型集中在6—7月。

表2 貴陽市2014—2019年汛期不同天氣類型短時(shí)強(qiáng)降水過程(區(qū)域范圍≥20%)的月分布Tab.2 Monthly distribution of short-term heavy precipitation events (regional range more than 20%) of different weather types during the rainy season in Guiyang from 2014 to 2019

4.2 不同類型短時(shí)強(qiáng)降水空間分布

選取占比較大的低渦切變型(50.9%)及冷鋒低槽型(35.8%)短時(shí)強(qiáng)降水進(jìn)行空間特征分析，由圖8可知，低渦切變型短時(shí)強(qiáng)降水落區(qū)整體呈現(xiàn)出中部高于南北的分布特征，大值區(qū)主要集中在清鎮(zhèn)市中南部—觀山湖區(qū)—修文縣南部—白云區(qū)—烏當(dāng)區(qū)中南部一帶，其中≥12 d的區(qū)域集中在清鎮(zhèn)市中南部、觀山湖區(qū)中部至白云區(qū)南部。冷鋒低槽型短時(shí)強(qiáng)降水類型落區(qū)與低渦切變型存在一定差異，除了在清鎮(zhèn)市南部至觀山湖區(qū)和烏當(dāng)區(qū)南部存在大值區(qū)外，在修文縣中西部至息烽縣南部以及開陽縣中北部也存在大值區(qū)。

圖8 貴陽市2014—2019年低渦切變型(a)、冷鋒低槽型(b)短時(shí)強(qiáng)降水空間分布(單位：d)Fig.8 Spatial distribution of short-time heavy precipitation in vortex shear type (a) and cold front trough type (b) in Guiyang from 2014 to 2019(unit∶ days)

5 結(jié)論

利用貴陽市2014—2019年汛期(4—9月)加密自動(dòng)氣象觀測(cè)站及國家氣象觀測(cè)站逐小時(shí)降水觀測(cè)資料，分析短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布特征，并基于天氣學(xué)方法進(jìn)行天氣學(xué)分類，統(tǒng)計(jì)不同類型短時(shí)強(qiáng)降水的空間分布特征，得到以下結(jié)論：

①貴陽市汛期短時(shí)降水量呈現(xiàn)出中部多，南北少的空間分布特征，顯著大值區(qū)集中在清鎮(zhèn)市中南部—觀山湖區(qū)—白云區(qū)一帶，且大值區(qū)域也是短時(shí)強(qiáng)降水貢獻(xiàn)大，發(fā)生頻次高的區(qū)域。

②貴陽市汛期短時(shí)強(qiáng)降水主要集中在5—8月，其中6月峰值顯著，7月次之；逐月空間分布特征差異明顯，其中5—7月中心特征尤為顯著，其中心位于清鎮(zhèn)市中南部—觀山湖區(qū)—白云區(qū)一帶。

③貴陽市汛期短時(shí)強(qiáng)降水以夜雨居多，強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)段主要有3個(gè)：23—03時(shí)、07—08時(shí)和20—21時(shí)。不同月份短時(shí)強(qiáng)降水頻次日變化存在差異，4月最容易出現(xiàn)在上半夜；5月、6月和9月最易出現(xiàn)在后半夜；而7月和8月較其他月份夜雨特征相對(duì)不明顯。

④貴陽市短時(shí)強(qiáng)降水過程持續(xù)時(shí)間集中在1～3 h，其中1 h的發(fā)生頻率最高，2 h次之。各月短時(shí)強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間有所不同，其中6月和9月以2 h發(fā)生頻率最高，9 h以上持續(xù)性短時(shí)強(qiáng)降水94.6%出現(xiàn)在7月。

⑤持續(xù)時(shí)間≥3 h的短時(shí)強(qiáng)降水過程呈現(xiàn)出中南部顯著高于北部的分布特征，其中高頻區(qū)位于清鎮(zhèn)市中南部—觀山湖區(qū)—白云區(qū)—烏當(dāng)區(qū)西部一帶，次高頻區(qū)集中在花溪區(qū)中南部及修文縣南部。

⑥根據(jù)影響系統(tǒng)不同，將區(qū)域≥20%的短時(shí)強(qiáng)降水過程分為4類，其中低渦切變型最多，占50.9%，冷鋒低槽型占35.9%，梅雨鋒型占9.4%，兩高切變型占3.8%。不同類型的短時(shí)強(qiáng)降水空間分布存在差異。