楊林博 湯晨冰

摘 要：利用商丘市2012—2017年5—9月34個氣象站的逐小時降水資料對商丘市不同等級短時強降水的時空分布特征進行了分析。研究結果表明：2012—2017年，商丘市短時強降水頻次的年際變化呈線性增加趨勢，且隨著強降水等級增加，各等級降水頻次減小，年際波動增大;月變化上（5—9月）平均次數(shù)先增加后減少，各等級短時強降水均在7月份出現(xiàn)地最為頻繁，高等級的短時強降水主要出現(xiàn)在7—8月，其他月份較少;日變化上，短時強降水發(fā)生頻次呈雙峰分布，其中傍晚到夜里是高發(fā)時段。短時強降水的總頻次在空間上分布不均，城郊差異比較明顯，其分月變化有明顯的東西向位移規(guī)律;≥20mm/h和≥40mm/h等級短時強降水高發(fā)區(qū)的空間分布較為一致，位于商丘市主城區(qū)及其下游。

關鍵詞：商丘市;短時強降水;時空分布;降水頻次

中圖分類號：S161

文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190930049

引言

氣候變暖導致暴雨、洪澇、滑坡、泥石流等自然災害的發(fā)生頻率顯著增加，相對于降水量，這些災害與降水強度的關系更為密切[1]，尤其是短時強降水事件，有突發(fā)性強、雨勢猛、降水強度大、致災風險高等特點，極易誘發(fā)城市內(nèi)澇、山體滑坡、泥石流等災害。2010年8月7日，甘肅省舟曲縣發(fā)生特大山洪泥石流災害，舟曲縣東山站降水量達96.3mm，其中22∶00—23∶00 1h降水量達77.3mm;2016年7月9日，河南省新鄉(xiāng)市遭遇特大暴雨，過程6h最大降水量為399.1mm，其中關堤鄉(xiāng)雨量站05∶00—06∶00 1h 降水量高達132.7mm，均突破新鄉(xiāng)同類指標歷史極值，引發(fā)了極為嚴重的城市內(nèi)澇。極端災害的頻繁發(fā)生，降水極值的不斷突破，預示著正面臨越來越嚴峻的防災減災形勢，因此極端降水事件一直以來都受到研究者的重點關注;許多學者也對此進行了研究并取得了有指導意義的成果[2-5]，但大多數(shù)都是從降水量及其年、月、日時間尺度上的變化來進行研究，具體到小時尺度上，從全省范圍內(nèi)進行研究的相對較多[6-8]，地市級的明顯要少;由于小時降水資料的獲取和處理相對日降水資料要麻煩很多，因為區(qū)域雨量站的建設較晚，降水資料的空間密度不夠高，不足以支撐相對精細化的研究?，F(xiàn)如今社會對防災減災的要求越來越高，提升災害預報預警和評估的精細化程度既是未來的發(fā)展趨勢，更是當下社會的迫切需求，故本文對2012—2017年商丘市短時強降水的特征進行了研究。

1?研究區(qū)和資料

商丘市地處黃淮海平原，屬溫帶大陸性季風氣候，降水主要集中在夏季，占全年降水量的54%，且暴雨和短時強降水事件頻發(fā)，其最明顯的影響是城市內(nèi)澇。在對氣象資料進行統(tǒng)計后，考慮到資料的連續(xù)性和一致性，選擇2012—2017年商丘市汛期（5—9月）國家站和區(qū)域站的逐小時降水資料來進行研究，站點共計34個，其中國家站8個，區(qū)域站26個。

短時強降水是指1h降水量達到20mm或20mm以上的降水事件，此處根據(jù)每個小時內(nèi)降水量的大小，將短時強降水劃分為20、40、60和≥80mm/h 4個等級，其中20mm/h等級是指小時降水量大于等于20mm小于40mm的降水，40、60、≥80mm/h等級別與此類似。統(tǒng)計2012年以來34個站點汛期（5—9月）各等級短時強降水出現(xiàn)的次數(shù)，如某站在某個時次出現(xiàn)了大于等于20mm/h小于40mm/h雨強的降水，另一時次也出現(xiàn)了同樣量級的降水，則次數(shù)累加，最終統(tǒng)計到的次數(shù)作為20mm/h等級短時強降水的總頻次，其他等級短時強降水頻次統(tǒng)計方法與此類似。

2?短時強降水時間分布特征分析

2.1?短時強降水的年變化

統(tǒng)計每年≥20 mm/h等級短時強降水的次數(shù)，可見從2012—2017年短時強降水的年頻次呈“V”形變化（圖1），2012—2014年逐年減少，2015年略微增加，2016年開始明顯增加，其中2014—2015年整體上處于一個低谷期，短時強降水頻次相較其他年份明顯偏少， 平均每站只有1～1.5次，2016年開始平均每站可達到3次以上。從線性變化來看，短時強降水的頻次有明顯的逐年上升趨勢。

標準差率可以表征資料中多個資料值的偏離程度，采用標準差與平均數(shù)的比值來計算，可以考察不同等級短時強降水的年際變化情況。表1中列出了商丘市4類短時強降水出現(xiàn)的平均次數(shù)、次數(shù)標準差和標準差率。從表中可以看出，商丘市平均每年出現(xiàn)≥20mm/h等級的短時強降水80.17次，其中20mm/h等級66.0次，40mm/h等級11.5次，60mm/h等級2.0次，80mm/h以上等級0.67次;從標準差率來看，20mm/h等級最小，40mm/h等級增加到68.61%，60和80mm/h以上等級增加到100%以上，說明隨著降水等級增加，相應級別的強降水出現(xiàn)的頻次減小，年際波動增大。具體到各站上，平均每站每年汛期出現(xiàn)20mm/h強降水1.94次，40mm/h強降水0.34次，更高等級的短時強降水平均每站出現(xiàn)次數(shù)較少。

2.2?短時強降水的月變化

從2012—2017年汛期各月短時強降水平均出現(xiàn)次數(shù)來看（表2），5—9月短時強降水的頻次先增加后減少，7月最高達到45.67次，占總次數(shù)的56.8%，遠大于其他月份的次數(shù)，其次是8月份，占總次數(shù)的27.0%，其他月份相對較少;這是因為隨著副熱帶高壓北抬，7月份商丘市進入主汛期，對流性天氣增多，短時強降水出現(xiàn)頻次相應增加。從標準差率來看，5、6和9月的年際波動都較大，主汛期7—8月的相對較小，說明商丘市短時強降水在7—8月出現(xiàn)的更為穩(wěn)定。

統(tǒng)計不同等級短時強降水在各月的分布（表3），可以看出，各等級短時強降水的月平均出現(xiàn)次數(shù)均為7月份最多，8月份次之，特別是60mm/h的短時強降水，7月份的比例占到了75%;各月短時強降水均以20mm/h為主，5月份未出現(xiàn)過40mm/h以上的強降水，6月份未出現(xiàn)過80mm/h以上的強降水，這是因為此時為華南前汛期和江淮梅雨季，雨帶偏南，不太容易出現(xiàn)高級別的短時強降水;80mm/h以上的短時強降水只出現(xiàn)在7月和8月，此時為華北汛期，副高西側西南季風盛行，水汽充足，在有利的觸發(fā)條件下，易出現(xiàn)短時強降水;9月份未出現(xiàn)過60mm/h以上的強降水，此時副高南退，雨帶南落，短時強降水隨即減少。

從7月份各日平均出現(xiàn)短時強降水的頻次看（圖2），2012—2017年7月份月內(nèi)有3個短時強降水的高發(fā)期，分別是4—8日、15—20日、30—31日，分別對應該月的第2、4、6候;說明商丘市7月份在這3個時段內(nèi)易出現(xiàn)降水過程，并伴隨短時強降水的出現(xiàn)。

2.3?短時強降水的日變化

統(tǒng)計1d內(nèi)短時強降水在各時次的出現(xiàn)次數(shù)，并計算其占全天出現(xiàn)的總次數(shù)的比例（圖3），發(fā)現(xiàn)1d內(nèi)各個時次均有可能出現(xiàn)短時強降水。5、6和9月短時強降水在早上6∶00—8∶00和晚上18∶00—22∶00左右均有1個小高峰期;7月整體上有2個高峰期，分別在凌晨到早上（0∶00—8∶00）和傍晚到夜里（17∶00—23∶00）這段時間，也可理解為當天傍晚到第2天早上均為短時強降水的高峰期，時間跨度達到15h;8月份短時強降水主要發(fā)生時段為下午到夜里（15∶00—23∶00），時間跨度8h，較7月份明顯要短;從整個汛期的分布來看，短時強降水的發(fā)生時段呈雙峰分布，分別為6∶00—8∶00和16∶00—23∶00，其中傍晚到夜里（16∶00—23∶00）這段時間占的比例更高，最高峰出現(xiàn)在20∶00，占全天出現(xiàn)總頻次的8.94%，通常在這段時間內(nèi)，由于白天升溫高，可累積較多的不穩(wěn)定能量，一旦水汽條件充足，在有利的條件下，易產(chǎn)生伴隨短時強降水的對流性天氣;而在6∶00—8∶00，由于凌晨地面降溫比較厲害，而這時剛剛開始升溫，低層容易有逆溫層的存在，在有利的條件下，也容易有強降水天氣產(chǎn)生。

20mm/h和40mm/h等級短時強降水的日變化上（圖4），也是呈現(xiàn)出雙峰結構，20mm/h集中出現(xiàn)在5∶00—8∶00和16∶00—23∶00，40mm/h集中出現(xiàn)在6∶00—8∶00和16∶00—21∶00;其中20mm/h最多出現(xiàn)在20∶00，11∶00出現(xiàn)最少;40mm/h最多出現(xiàn)在18∶00，9∶00、10∶00、11∶00未出現(xiàn)過。60mm/h等級短時強降水突發(fā)性較強，在1d內(nèi)多個時段均有出現(xiàn);≥80mm/h等級短時強降水截至目前共出現(xiàn)4次，其中3∶00、20∶00各1次，19∶00 2次，相對來說19∶00—20∶00之間發(fā)生的頻率較高。各等級短時強降水均在上午9∶00—11∶00之間有一個低谷期，19∶00—20∶00之間有一個高峰期。

3?短時強降水空間分布特征分析

從商丘市2012—2017年汛期各站出現(xiàn)≥20mm/h等級短時強降水總次數(shù)的空間分布情況看（圖5），強降水主要出現(xiàn)在2個區(qū)域：梁園區(qū)—虞城縣北部—睢陽區(qū)東部，各站次數(shù)均在15次以上，其中強降水高發(fā)區(qū)在商丘市主城區(qū)一帶，次數(shù)最多的為商丘國家基準站，共計29次，其次為金世紀廣場站，共計24次;夏邑縣東北角-永城市東部，高發(fā)區(qū)位于永城市區(qū)至茴村一帶，次數(shù)最多的為茴村站，共計20次。整體來看，中部和東部的短時強降水出現(xiàn)次數(shù)明顯較西部多，西部地區(qū)大多站點出現(xiàn)次數(shù)都在12次以下。

≥40mm/h等級短時強降水總頻次的空間分布基本與≥20mm/h等級分布一致，只是整體范圍明顯小了很多;高發(fā)區(qū)域有2個，商丘市主城區(qū)—虞城縣北部，另一處位于永城市東部，次數(shù)最多的為金世紀廣場站，共計8次;民權縣為≥40mm/h等級短時強降水的低發(fā)區(qū)，有3個站6a內(nèi)未出現(xiàn)過該等級的短時強降水。

結合實際城市建成區(qū)分布情況可以發(fā)現(xiàn)，商丘市短時強降水總頻次的城郊差異比較明顯（圖6），不少研究都已經(jīng)指出城市化對一個地區(qū)降水的空間分布有明顯影響[9-11]。城市中建筑物空調(diào)、汽車尾氣加重了熱量的超常排放，使城市上空形成上升氣流，這些局地氣流的上升有利于對流性降水的發(fā)生、發(fā)展;城區(qū)空氣中凝結核多，大核（如硝酸鹽）存在時有促進暖云降水的作用，同時城市下墊面粗糙度大使降水系統(tǒng)移動減慢，延長了城區(qū)降水時間。針對世界各地城市群的研究結果表明，城市化會導致城區(qū)及其下風方向數(shù)十公里范圍降水的增加[12]。商丘市汛期多受副熱帶高壓影響，降水系統(tǒng)移動路徑主要為西北—東南和西南—東北，系統(tǒng)經(jīng)過主城區(qū)時，更容易形成短時強降水，并對其下游地區(qū)也產(chǎn)生影響。

從各月≥20mm/h等級短時強降水的平均頻次空間分布圖看（圖7），各月特點都比較明顯。5月短時強降水自西向東分布較為零散，但主要分布在東部永城市;6月空間分布范圍有所擴大，高發(fā)區(qū)還是位于東部，此外中部和西部地區(qū)出現(xiàn)短時強降水的站點明顯增多;7月是強降水發(fā)生最廣泛和平均頻次最高的時段，強降水高發(fā)區(qū)西移到中部梁園區(qū)和睢陽區(qū)東部，城市建成區(qū)成為高發(fā)區(qū)，平均達到2次以上;8月份強降水分布范圍依舊比較廣泛，高發(fā)區(qū)回退到虞城縣北部和永城市，平均頻次相較7月份有所下降;9月份強降水發(fā)生范圍大大縮小，僅在梁園區(qū)和虞城縣北部有小范圍的分布。

綜上，5—7月短時強降水發(fā)生范圍逐漸擴大且高發(fā)區(qū)西移，平均降水頻次逐月增加，8月范圍有所縮小且高發(fā)區(qū)東退，平均頻次下降，9月的分布范圍和平均發(fā)生頻次均大幅下降;根據(jù)不同月份強降水分布差異，可有針對性的做好相關高發(fā)區(qū)的強降水及其衍生災害的防御工作。

4?結論

2012—2017年，商丘市≥20mm/h等級短時強降水年頻次有明顯的線性上升趨勢;20mm/h等級的短時強降水頻次最多，年際波動最小;隨著強降水等級的增加，降水頻次逐漸減小，年際波動逐漸增大;月變化上，平均次數(shù)先增加后減少，7月份出現(xiàn)頻次占整個汛期總頻次的比例最大，其次為8月份;各月短時強降水均以20mm/h為主;7月份有3個短時強降水的高發(fā)期，分別在第2、4、6候;日變化上，從整個汛期來看呈雙峰分布，高峰期分別為6∶00—8∶00和16∶00—23∶00，20和40mm/h等級的短時強降水在日變化上也是雙峰分布;隨著強降水等級增加，降水的突發(fā)性也逐漸增強。

≥20mm/h和≥40mm/h等級短時強降水的總頻次空間分布不均，城郊差異比較明顯，高發(fā)區(qū)主要出現(xiàn)在2個區(qū)域，位于商丘市、永城市主城區(qū)及其下游;5—9月≥20mm/h等級短時強降水在空間上的分布有明顯的范圍先擴大后減小和東西向位移規(guī)律，7月短時強降水發(fā)生最廣泛且平均頻次最高，9月范圍最小，5月頻次最低。在不同時期可有針對性的做好相關高發(fā)區(qū)的強降水及其衍生災害的防御工作。