李華宏, 胡 娟，閔 穎，王 曼

(1.云南省氣象臺，云南 昆明 650034；2.云南省氣象科學研究所，云南 昆明 650034)

云南短時強降水時空分布特征分析*

李華宏1, 胡 娟1，閔 穎1，王 曼2

(1.云南省氣象臺，云南 昆明 650034；2.云南省氣象科學研究所，云南 昆明 650034)

利用云南1981-2015年125個測站逐時降水觀測資料，分析了云南短時強降水時空分布特征。結果表明：云南境內(nèi)的短時強降水發(fā)生頻率空間分布極不均勻，自東南向西北呈迅速遞減趨勢。南部和東部邊緣的短時強降水特征最為突出，西北部特別是怒江北部區(qū)域盡管年降水量較大，但短時強降水特征并不明顯。云南大部地區(qū)的短時強降水主要發(fā)生在5-10月份，其中7、8月份達到高發(fā)峰值。但不同區(qū)域之間存在一定的差異，滇東南、滇西南區(qū)域短時強降水出現(xiàn)的時間比較早(3月)、結束的時間也較晚(11月)。短時強降水還具有明顯的日變化特征，傍晚至夜間為高發(fā)時段。其中，滇東北區(qū)域短時強降水在前半夜時段為高發(fā)期、滇西南區(qū)域在后半夜短時段為高發(fā)期。云南境內(nèi)的短時強降水頻次線性變化、年代際變化趨勢不明顯，但年際差異較大。呈現(xiàn)出1997年后為上升趨勢，2006年后轉為下降趨勢，2013年至今為上升趨勢的特點。

短時強降水；空間分布；日內(nèi)變化；云南

短時強降水由于其具有歷時短、強度大等特點，可以在短時間內(nèi)迅速形成暴洪，引發(fā)滑坡、泥石流、城市內(nèi)澇等災害，常常造成重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。另一方面，由于其突發(fā)性強、時空尺度較小，一直是氣象預報業(yè)務的難點[1-2]。與我國東部大多地區(qū)相比，云南暴雨范圍、日雨量總體偏小，但短時強降水的特征卻非常明顯[3-4]。例如2008年7月2日凌晨，昆明出現(xiàn)特大暴雨，12 h累計雨量達113.2 mm，僅04:00的1 h雨量達到51.3 mm,短時強降水引發(fā)了嚴重的城市內(nèi)澇，許多參加中考的考生無法按時到達考場，昆明機場臨時關閉，造成極大的社會影響。因此，加強短時強降水特征和發(fā)生機理研究具有非常重要的現(xiàn)實意義。

近年來，國內(nèi)外的學者們?yōu)榱松罨瘜^(qū)域性短時強降水演變規(guī)律的認識開展了許多研究工作。隨著觀測資料的豐富，研究內(nèi)容也從年、季氣候特征逐漸向日變化特征深入。Harold對美國地區(qū)3h時間尺度以內(nèi)的強降水過程分析表明，短時強降水的分布與美國地區(qū)暴洪的分布關系密切，逐小時降水資料對評估暴洪發(fā)生的氣候概率很有幫助[5]。Chen利用逐小時降水觀測資料對臺灣地區(qū)的強降水事件進行了統(tǒng)計分析，結果表明山區(qū)的迎風坡是暴雨過程的高發(fā)區(qū)[6]。符嬌蘭[7]、姚莉等[8]分別對我國雨日和1h雨強的時空分布特征進行了研究，指出西南地區(qū)和華南地區(qū)小時雨強的日變化最為明顯。王夫常等[9-11]對西南地區(qū)的降水日變化特征進行了統(tǒng)計分析，指出西南地區(qū)總體存在“夜雨”特征和午后次峰值，但區(qū)域差異非常明顯。總體而言，對一個區(qū)域短時強降水時空分布特征的深入研究有助于科學認識相關災害的時空演變規(guī)律[12-13]，為防范相關災害提供可靠的決策依據(jù)。目前針對云南區(qū)域的降水特征統(tǒng)計分析研究主要集中在雨日、長時間累計雨量的特征分析及氣候變化[14-18]。而針對降水特征的日內(nèi)變化及短時強降水時空分布特征的研究較為缺乏。因此本文將進行短時強降水時空分布及日內(nèi)變化規(guī)律分析研究，旨在為這類災害性天氣的預報、預警提供技術支撐。

1 資料和方法

所使用的資料為1981年1月1日至2015年12月31日云南境內(nèi)125個地面測站逐時降水自記觀測、逐日累計降水量資料。短時強降水是指短時間內(nèi)降水強度較大，其降水量達到或超過某一量值的天氣現(xiàn)象，按照現(xiàn)行的氣象業(yè)務標準取20 mm/h作為臨界值進行短時強降水頻次、空間分布等特征統(tǒng)計。日雨量是指前1 d 20時至當日20時累計雨量，某小時雨量為前一整點到該小時整點的累計雨量，所有資料觀測時間均使用北京時間。從資料收集情況看，參與統(tǒng)計測站的逐時降水資料在冬半年有少部分缺測，主要分布在滇東北、滇中東部、滇西北邊緣地區(qū)。由于云南每年的11月至次年4月為干季，降水量很少(僅占全年的5%～15%)，而且滇東北、滇中東部、滇西北邊緣地區(qū)在冬半年的降水多以小雨或降雪天氣出現(xiàn)，發(fā)生短時強降水天氣的概率非常小，因此逐時降水資料缺測對統(tǒng)計數(shù)據(jù)的影響較小，統(tǒng)計結果總體可靠。

2 短時強降水頻次時空分布

2.1 空間分布特征

分析云南境內(nèi)的短時強降水多年平均頻次空間分布(圖1a)可以看出，短時強降水發(fā)生頻率最高的區(qū)域位于云南南部，其次是東部邊緣地區(qū)。其中位于南部邊緣的江城是全省的最大值中心，年均發(fā)生短時強降水11.5次。另外河口、金平站年均發(fā)生短時強降水分別為11.3、11.1次。云南境內(nèi)的年平均短時強降水事件自東南向西北呈迅速遞減趨勢，云南中部大多數(shù)站點為3次左右，滇西北區(qū)域則普遍低于1次。僅僅只有處于麗江東部的華坪出現(xiàn)了相對大值中心，達到5.6次。與多年平均年降水量空間分布(圖1b)對比可以發(fā)現(xiàn)，云南年平均短時強降水頻次空間分布與年降水量總體特征相似，即南部區(qū)域發(fā)生頻率高，年降水量也很大，西北部的德欽很少出現(xiàn)短時強降水事件，年降水量也較小。但局部地區(qū)也存在明顯差異：云南西部邊緣是年降水量的次大值中心，但卻是全省短時強降水的低值中心。如貢山站的年降水量近1 800 mm,但短時強降水發(fā)生的頻次比中部年降水量不到1 000 mm的楚雄還要少得多，每年平均不到1次。由此反映出云南西部特別是怒江流域的降水以持續(xù)性降水為主，短時強降水特征不明顯。云南南部和東部邊緣的短時強降水特征則較為突出。

2.2 逐月分布特征

鑒于云南境內(nèi)短時強降水頻次空間分布極不均勻的現(xiàn)狀，為了更為詳細地揭示不同區(qū)域的短時強降水時間分布特征，綜合考慮云南不同區(qū)域主要強降水影響系統(tǒng)差異及預報業(yè)務中傳統(tǒng)的氣候分區(qū)經(jīng)驗，將云南劃分為滇東北、滇東南、滇中、滇西北、滇西南五個區(qū)域(圖2)進行短時強降水逐月、逐時等分布特征對比分析。

圖1 短時強降水年平均次數(shù)和年平均降水量空間分布

圖2 云南省分區(qū)統(tǒng)計站點分布圖

分析多年平均短時強降水頻次逐月分布圖(圖3)可以看出：云南境內(nèi)的短時強降水主要發(fā)生在5-10月份，其次是4月和11月，其它月份發(fā)生的頻次較少。這一特征與云南雨季的時間分布趨勢一致。其中每年的7-8月份為全省大部地區(qū)高發(fā)峰值，與云南主汛期時段同步(圖3a)。但不同區(qū)域短時強降水的具體發(fā)生時段還是有一定的差異：滇東北區(qū)域短時強降水頻次逐月分布與全省趨勢總體一致，只是短時強降水更加集中出現(xiàn)在5至10月份，7月份達到峰值(圖3b)。滇東南區(qū)域短時強降水出現(xiàn)的月份較早，4月份就有一定數(shù)量的短時強降水發(fā)生。高峰期為6-8月，時間較長但峰值不突出(圖3c)。滇中區(qū)域與滇東南區(qū)域類似，只是短時強降水出現(xiàn)的時間較晚，5月份才有少量出現(xiàn)(圖3d)。滇西北區(qū)域短時強降水事件的頻次最少且出現(xiàn)的月份較晚、結束較早，主要集中出現(xiàn)在6至9月份。其他時段盡管降水量比較大，如2至4月份的“桃花汛”，但主要以持續(xù)性降水為主，短時強降水特征不明顯(圖3e)。滇西南區(qū)域短時強降水特征頻次最高且出現(xiàn)的月份較早、結束較晚，5至10月份為高發(fā)期，在8月份達到峰值。11月至次年的4月份也會有少量的短時強降水出現(xiàn)(圖3f)。

2.3 日內(nèi)分布特征

從全省降水量和短時強降水頻次的逐時分布(圖4a)可以看出：云南境內(nèi)的短時強降水主要出現(xiàn)在17時至次日08時期間，波峰出現(xiàn)在17時、20時和08時；09時至16時則為明顯的低谷期，波谷出現(xiàn)在11時。這充分反映了云南傍晚至夜里對流性天氣多發(fā)的氣候特征。對比分析降水量與短時強降水日內(nèi)變化曲線還可以看出，兩者的變化趨勢基本相似，在09時至16時期間同樣存在明顯的少雨時段、17時出現(xiàn)峰值，說明短時強降水對各地區(qū)的雨量貢獻還是比較大的。但降雨量逐時分布曲線在03時至08時附近的降水峰值表現(xiàn)得更明顯，說明在凌晨時段屬于云南多雨時段，其它

圖4 年平均降雨量和短時強降水頻次日內(nèi)變化

小量級的降水也比較容易發(fā)生。對比不同區(qū)域短時強降水逐時演變圖發(fā)現(xiàn)，不同區(qū)域的降水出現(xiàn)時間有較大差異。滇東北區(qū)域在17時至次日02時為短時強降水高發(fā)區(qū)間，03時至09時有一定數(shù)量的短時強降水出現(xiàn)，但呈明顯減弱趨勢。短時強降水的高發(fā)期主要是前半夜，其余大部分時段均為相對低谷期(圖4b)。滇東南區(qū)域在15時明顯增多，午后對流發(fā)展較早，17時和08時的峰值更為明顯，傍晚和早晨短時強降水天氣多發(fā)的特征明顯(圖4c)。滇中區(qū)域短時強降水的峰值出現(xiàn)在20時，17時、02時、08時為次峰值(圖4d)。滇西北區(qū)域短時強降水的峰值出現(xiàn)在19時和08時，10時至15時為寬廣的低谷區(qū)，峰值不突出、波谷也不明顯(圖4e)。滇西南區(qū)域短時強降水的峰值出現(xiàn)在17時、04時和08時，03時至08時期間為明顯高發(fā)期。傍晚和后半夜短時強降水天氣多發(fā)的特征更為突出(圖4f)。

3 短時強降水極值時空分布

從短時強降水極大值空間分布圖(圖5a)看，云南境內(nèi)的短時強降水極大值在云南中部以東以南地區(qū)普遍在60 mm以上，其中楚雄在2003年6月17日02時出現(xiàn)了全省最大的小時降水極值153 mm。其次是勐臘127 mm、江城113 mm。在云南西部除了位于麗江東部的寧蒗站出現(xiàn)了79 mm的降水極值中心外，大部分地區(qū)極大值降水低于60 mm,西北部的維西等站極大值均在40 mm以下。從降水極值出現(xiàn)的時間分布(圖5b)看，不同區(qū)域出現(xiàn)極大值降水的時間差異較大，云南南部邊緣短時強降水極值主要出現(xiàn)在08時附近，東北部主要出現(xiàn)在后半夜期間，西北部邊緣區(qū)域則主要出現(xiàn)在傍晚至前半夜；東部、中部、西部等地區(qū)，除了符合多在傍晚至夜里發(fā)生的特點外，沒有明顯的區(qū)域分布規(guī)律。

圖5 短時強降水極大值和出現(xiàn)時間空間分布

4 短時強降水頻次變化趨勢

運用一元線性回歸模型分析云南全省及各區(qū)域短時強降水頻次在1981-2015年期間的變化趨勢，結果表明：全省的短時強降水頻次呈現(xiàn)弱的上升趨勢，滇東北區(qū)域呈下降趨勢、滇西南呈上升趨勢。但全省及各區(qū)域逐年短時強降水頻次的線性趨勢都沒有通過信度水平為0.05的顯著性檢驗，線性變化趨勢不明顯(圖略)。

運用累積距平法分析云南全省及各區(qū)域短時強降水頻次在1981-2015年期間的變化趨勢發(fā)現(xiàn)：全省及各區(qū)域短時強降水頻次年代際變化不明顯，但年際差異較大。全省短時強降水頻次在1997年后呈上升趨勢，2006年后呈下降趨勢，2013年至今為上升趨勢(圖6a)。滇東北、滇東南、滇西北區(qū)域短時強降水頻次在前期波動較多、趨勢不明顯，在后期總體呈現(xiàn)出2006年后為下降趨勢，2013年以后為上升趨勢。并且滇東北(圖6b)和滇西北(圖6c)區(qū)域通過了信度水平為0.05的顯著性檢驗。滇中區(qū)域短時強降水頻次在1993年至2004年間都為上升趨勢，2004年后呈下降趨勢，2013年至今為上升趨勢(圖略)。滇西南區(qū)域在1985年后呈波動下降趨勢，1998年后整體呈現(xiàn)上升趨勢(圖略)。

圖6 短時強降水頻次距平和累積距平逐年分布

5 結果與討論

(1)云南境內(nèi)的短時強降水發(fā)生頻率空間分布極不均勻，自東南向西北呈迅速遞減趨勢。短時強降水發(fā)生頻率最高的區(qū)域位于云南南部，江城、河口是全省短時強降水的大值中心。云南西北部區(qū)域短時強降水發(fā)生頻率最低，盡管怒江北部為年降水量大值中心，但短時強降水特征并不明顯。

(2)從逐月分布看，云南大部地區(qū)的短時強降水主要發(fā)生在5-10月份。但不同區(qū)域之間存在一定的差異：滇東南、滇西南區(qū)域短時強降水出現(xiàn)的時間比較早，3月就有一定數(shù)量的短時強降水出現(xiàn)，結束的時間偏晚，11月份也有可能出現(xiàn)。滇東北、滇中、滇西北區(qū)域則出現(xiàn)的時段相對集中，11-4月份期間幾乎不可能發(fā)生短時強降水。

(3)從日內(nèi)分布看，云南境內(nèi)的短時強降水具有在傍晚至夜里多發(fā)的特征，11時附近為明顯低谷期。不同區(qū)域間短時強降水日內(nèi)變化特征存在一定差異，滇東北區(qū)域短時強降水在前半夜高發(fā)、滇西南區(qū)域在后半夜高發(fā)的特征更為突出。

(4)短時強降水極大值中心主要分布在云南中部及以南地區(qū)，楚雄、勐臘、江城均出現(xiàn)了100mm以上的極大值。極大值的出現(xiàn)時段符合在傍晚至夜里發(fā)生的特點，但具體發(fā)生時間局地性比較強，沒有明顯的區(qū)域分布規(guī)律。

(5)云南境內(nèi)短時強降水頻次的線性變化、年代際變化趨勢不明顯，但年際差異較大?？傮w呈現(xiàn)出1997年后為上升趨勢，2006年后轉為下降趨勢，2013年至今為上升趨勢的特點。

由于云南境內(nèi)短時強降水頻次空間分布極不均勻，不同站點的短時強降水事件時間演變也存在差異，通過氣候分區(qū)研究不同區(qū)域短時強降水特征對深入了解云南強降水精細化特征有很好的幫助。但本研究中的氣候分區(qū)更多是借鑒了云南氣象前輩們積累下來的分區(qū)方法，帶有一定經(jīng)驗成分，對分析結論有一定的影響。在今后研究中將嘗試更為客觀的分區(qū)方法。另外，本研究為了突出分析短時強降水的日內(nèi)變化氣候特征及長時間演變趨勢，鑒于觀測資料長度參差不齊，僅僅使用了縣級臺站逐時觀測資料，在后續(xù)的機理研究中將引入鄉(xiāng)鎮(zhèn)站逐時觀測資料來進行區(qū)域性短時強降水預報指標分析。

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The Analysis of Short-time Heavy Rainfall Spatio-temporalCharacteristics in Yunnan

LI Huahong1, HU Juan1, MIN Ying1and Wang Man2

(1.MeteorologicalObservatoryofYunanProvince,Kunming650034,China;2.YunnanInstituteofMeteorology,Kunming650034,China)

Basedonthehourlyprecipitationdataof125weatherstationsinYunanProvincefrom1981to2015,thespatio-temporalcharacteristicsofshort-timeheavyrainfallareinvestigated.Theresultsindicatethatthemeanannualfrequencyofshort-timeheavyrainfallisnothomogeneousdistributioninYunan,itshowsadroptrendfromsoutheastregiontonorthwestregion.Asthecentersofmeanannualprecipitation,thereareobvioustorrentialraincharacteristicsintheeastregionandsouthverge,butitisdistinctnessinthenorthregionofNujiang.Theshort-timeheavyrainfallcommonlyhappensbetweenMayandOctober,furthermorethereisahighestfrequencyinJulyandAugust.ButitmaybehappensearlyinMarchanddisappearslateinNovemberinwestandsouthregion.Ontheotherhandthefrequencyofshort-timeheavyrainfallshowsaparticularhourlychangeline,whichalwaysgetsapeakatevenfallandnight.Thereisanespecialperiodthattheshort-timeheavyrainfallcontinuallyoccurs,itisfromnightfalltomidnightinthenortheastregion,andlatterhalfofthenightinthesouthwestregion.Thelinearvariationandinterdecadalvariationtrendofshort-timeheavyrainfallfrequencyarenotobviousinYunan,buttheinterannualvariationtrendisnoticeable,whichshowsauptrendfrom1997,turntoadowntrendat2006,andthenturntoauptrendat2013.

short-timeheavyrainfall;spatialdistribution;hourlychange;YunanProvince

2016-11-16

2017-01-11

國家自然科學基金項目(41565004)；云南省科技惠民專項(2016RA096)

李華宏(1978-)，男，云南尋甸人，博士，主要從事中尺度數(shù)值模式應用、強降水預報預警技術研究. E-mail:lihuahong08@163.com

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.03.011.]

X43；P466；S161.6

A

1000-811X(2017)03-0057-06

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.03.011

李華宏, 胡娟，閔穎，等. 云南短時強降水時空分布特征分析[J]. 災害學，2017，32(3)：57-62. [LI Huahong, HU Juan, MIN Ying,et al. The Analysis of Short-time Hheavy Rainfall Spatio-temporal Characteristics in Yunnan[J]. Journal of Catastrophology，2017，32(3)：57-62.