李昱銳 ,陳朝平 ,陳權亮 ,羅 偉 ,李 強 ,劉 秀,段修榮

（1.四川省自貢市氣象局，自貢 643000；2.成都信息工程大學大氣科學學院，成都 610225；3.四川省氣象臺，成都 610072）

引言

四川地區(qū)地處長江中下游平原與青藏高原之間的第二級向第三級的過渡地帶[1?4]，具有西高東低的地勢特征，境內的海拔高差超過7300m[5]（最高點：貢嘎山7556m，最低點：廣安鄰水御臨河道出省處184m），是我國海拔高差最大的省份[6]，地形地貌極其復雜（山地、高原、丘陵約占全省土地面積的97.46%），西部地區(qū)多為山地和高原，東部地區(qū)多為丘陵、盆地。四川盆地地處亞熱帶濕潤氣候區(qū)，年均降水量很大，且5～9月極易出現(xiàn)短時強降水[7?8]，尤其是在全球變暖的背景之下[9]，絕大多數(shù)區(qū)域降水強度增強[10]，強降水事件發(fā)生頻次逐漸增多[11]。隨著強降水事件的增多，城市防汛系統(tǒng)受到了嚴重的影響，導致城市內澇災害頻發(fā)，對人們的生命和財產造成了嚴重威脅。因此，該地區(qū)短時強降水事件的發(fā)生發(fā)展規(guī)律、成因研究以及落區(qū)、強度的預報預警一直是氣象工作者的關注重點。

陳炯等[12]通過分析中國暖季短時強降水的時空分布特征，指出四川地區(qū)的短時強降水發(fā)生頻率較高。常娜等[13]通過分析強降水量、強降水次數(shù)和強度的時空分布特征，揭示了四川地區(qū)強降水次數(shù)呈西南―東北帶狀分布，其強度的分布特征為自西向東逐漸增大，年際變化總體呈明顯的下降趨勢。趙衍斌等[14]也對該區(qū)域短時強降水事件的時空分布特征進行了研究，發(fā)現(xiàn)四川盆地是強降水的主要落區(qū)，強降水的次數(shù)和強度較四川其他地區(qū)偏多和偏強，且集中在夏季，其次是秋季、春季和冬季。周春花等[15]統(tǒng)計分析了21世紀以來四川地區(qū)強降水的區(qū)域分布和逐月分布特征，結果表明：盆地為強降水的主要落區(qū)，發(fā)生時段集中在夜間，且強降水天氣主要發(fā)生5～9月。毛冬艷等[16]對西南地區(qū)強降水的時空演變特征進行了分析，發(fā)現(xiàn)四川盆地的西南部是強降水事件的高發(fā)區(qū)，盆周邊緣地區(qū)西部的小時降水最強，且具有“夜雨”特征，02時為發(fā)生頻次的峰值時刻。周秋雪等[17?18]詳細分析了四川盆地的降水特征與海拔高度的變化關系，發(fā)現(xiàn)強降水主要發(fā)生在四川盆地地區(qū)，同時也集中在攀西地區(qū)南部，而且盆地到山脈之間的縱向陡峭地形區(qū)是強降水的高發(fā)區(qū)。陳朝平等[19]利用分鐘級的雨量資料分析了四川盆地一次暴雨過程的短時強降水特征，得出了不同雨量量級的分布特征規(guī)律。王佳津等[20?21]也使用了分鐘級的降水資料，同時結合了地形高程數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析了四川地區(qū)短時強降水在暴雨過程中的時空分布特征。李強等[22?23]通過氣象觀測站的小時降水資料，分析了川渝地區(qū)主汛期的短時強降水的強度、頻次等物理量的時空演變特征。

近年來，隨著政府及公眾防災減災需求的不斷提升，短時強降水的相關研究也持續(xù)受到預報從業(yè)人員的關注和重視。由于短時強降水一般由中小尺度的系統(tǒng)生成，因此降水資料的精細度很大程度上決定了短時強降水時空分布特征的準確度[24?28]。本文擬利用四川省氣象臺提供的2010～2019年5～9月四川地區(qū)自動站逐小時降水觀測資料，在分析短時強降水事件24h累計降水量、頻次和強度的日變化特征的基礎上，研究短時強降水事件的時空分布特征以及事件頻次、極值分布與地形海拔高度的關系等，以期為提高四川地區(qū)短時強降水事件的監(jiān)測和預報能力提供科技支撐。

1 資料與方法

1.1 資料

研究資料是四川省2010～2019年157個自動站（圖1）的逐小時降水資料，由四川省氣象局提供，時間長度為2010年1月1日～2019年12月31日。中央氣象臺對短時強降水的定義是小時降水量≥20mm，小時強水降閾值的不同，其對應的天氣尺度系統(tǒng)特征也不同[2]。本研究主要針對小時雨強≥20mm/h的強降水事件。

圖1 四川地區(qū)小時降水資料站點分布（填色表示海拔高度，單位：m）

1.2 方法

利用逐小時降水，對四川地區(qū)每個站24h內的降水數(shù)據(jù)進行普查。一次短時強降水事件的定義：當一次降水過程有超過20mm/h的小時強降水發(fā)生，至少2h前沒有降水發(fā)生才可判定為一次強降水過程的開始時間；判定一次強降水過程的結束時間，需降水開始后連續(xù)2h沒有降水發(fā)生；一次強降水持續(xù)時間是指一次強降水過程開始到結束之間間隔的小時數(shù)。降水的閾值為0.1mm/h，即定義當1h降水量超過0.1mm為有降水發(fā)生，0.1mm/h降水時間開始與結束的定義與短時強降水相同。

將統(tǒng)計時間段內的有效強降水事件發(fā)生次數(shù)定義為強降水事件的頻次，將統(tǒng)計時段發(fā)生的強降水事件累計雨量定義為降水總量，將統(tǒng)計時段的累計雨量與有效降水時數(shù)的比值定義為降水強度(RIH)。具體公式如下：

式中，h為預報時間，Arain(h)為統(tǒng)計時段內h時刻的累計降水量，Nrain(h)為統(tǒng)計時段內h時刻的有效降水時數(shù)（降水量≥0.1mm/h）。

毛冬艷等[16]研究發(fā)現(xiàn)，四川地區(qū)短時強降水主要集中在5～9月，也就是汛期。因此本文主要研究5～9月的短時強降水時空分布，文中的汛期均指各年5月1日～9月30日。

2 分析結果

2.1 24h累計降水量

從四川地區(qū)近10年5～9月平均24h累計降水分布（圖2）可知，大雨以上量級降水在全省均有分布，其中達到大暴雨量級（>100mm）中心主要分布于盆周山區(qū)、阿壩州、甘孜州東部和涼山州北部的局部地方，最大值位于廣安，超過175mm；24h累計降水分布與地形走向存在相似特征，總體呈從盆地周邊向盆地中部逐漸減少的特征，盆中24h累計降水量普遍在75～100mm，這與盆周山區(qū)地形影響有關，地形強迫抬升有利于強降水的產生和持續(xù)；甘孜州和攀西地區(qū)南部24h累計降水量相對較少，普遍在25～100mm，主要呈自東北向西南減少的趨勢，最小值位于金沙江河谷一帶，大多不足50mm。

圖2 2010～2019年5～9月平均24h累計降水量空間分布（單位：mm）

從四川地區(qū)近10年5～9月平均降水頻次分布（圖3）可知，四川盆地和阿壩州的降水頻次普遍在60次以上，其中盆地降水頻次大值區(qū)同樣主要分布在盆周山區(qū)，呈從盆周山區(qū)向盆地中部逐漸減少的趨勢，盆中平均降水頻次普遍在60～100次，而超過100次區(qū)域主要位于盆地東北部、西南部和南部，最大值出現(xiàn)在雅安、眉山、樂山一帶，超過140次，與當?shù)乩瓤诘匦未嬖诿芮新?lián)系；甘孜州和攀西地區(qū)南部平均降水頻次相對較少，多為80次以下，最小值也位于金沙江河谷一帶，普遍不足40次，在川西高原及攀西地區(qū)的5～9月平均降水頻次也呈自東北向西南減少的趨勢。

圖3 2010～2019年5～9月平均降水頻次空間分布（單位：次）

從四川地區(qū)近10年5～9月平均降水強度分布（圖4）可知，四川盆地和攀西地區(qū)降水強度相對較大，普遍在0.75mm/h以上，并呈從西北向東南逐漸減少的趨勢；其中盆地的降水強度大值區(qū)主要分布在盆地北部，盆地中部、南部，降水強度普遍在0.6～0.9mm/h；與累計降水量和降水頻次分布特征不同，降水強度在盆地南部雅安、樂山、宜賓一帶出現(xiàn)了極小值，為0.45～0.6mm/h，表明這些地區(qū)的降水效率相對不高，但存在降水出現(xiàn)頻次多且降水量累計較大的特征；攀西地區(qū)降水強度與盆地中部相當，為0.6～0.9mm/h，局部有0.9mm/h的雨強；川西高原降水強度相對較小，多為0.75mm/h以下，最小值位于甘孜州西南部，不足0.45mm/h。

圖4 2010～2019年5～9月平均降水強度空間分布（單位：mm/h）

2.2 短時強降水時間分布特征

2.2.1 逐年強降水頻次時序

據(jù)統(tǒng)計（圖5），2010年、2013年和2018年為近10年短時強降水頻次的極大值年，2018年發(fā)生短時強降水次數(shù)最多（約900次）；2011年和2015年是短時強降水頻次的極小值年，2015年發(fā)生短時強降水次數(shù)最少（約350次）。

圖5 2010～2019年四川地區(qū)5～9月短時強降水發(fā)生頻次（單位：次）

2.2.2 短時強降水事件日變化

圖6給出了四川地區(qū)不同開始時間下（00～23時）不同持續(xù)時間短時強降水事件的日變化特征。如圖所示，短時強降水在夜間時段較強；00～10時，強降水降水頻次逐漸減小，其中00～02時發(fā)生了持續(xù)5～20h的強降水；17～23時，強降水維持時間呈增大趨勢，持續(xù)5～22h的強降水均有發(fā)生。

圖6 四川地區(qū)不同開始時間下不同持續(xù)時間短時強降水的日變化特征（陰影表示161測站平均累計降水量，單位：mm；等值線表示發(fā)生頻次，單位：次）

圖7是四川地區(qū)00～23時強降水事件的極值分布（為了統(tǒng)一比較，降水量、降水頻次和降水強度做了標準化處理）。03時，降水量和降水頻次同時達到峰值；而15時，降水量和降水頻次同時達到谷值；兩者變化趨勢皆呈單峰型結構，對應四川地區(qū)降水的“夜雨”特征。與降水量和降水頻次的變化趨勢不同，降水強度呈現(xiàn)不明顯的雙峰結構，分別在03時和14時達到谷值，在13時和18時達到峰值，日變化呈“增-減-增-減”的特征。

圖7 不同時間出現(xiàn)短時強降水事件的極值分布

2.3 短時強降水與地形的關系

2.3.1 短時強降水年均頻次與地形的關系

圖8給出了2010～2019年平均5～9月及汛期四川地區(qū)短時強降水發(fā)生頻次空間分布。5、6月份，短時強降水最活躍的區(qū)域位于四川盆地中部地區(qū)，次活躍的區(qū)域位于盆周山區(qū)。7月最活躍的區(qū)域位于四川盆地周邊的龍門山脈（廣元至雅安一帶），沿著龍門山走向呈帶狀分布，該區(qū)域年均短時強降水發(fā)生頻次基本大于20次。8月份盆地西南部大值站點基本集中在雅安喇叭口地形區(qū)及峨眉山附近，年均短時強降水發(fā)生頻次超過30次，其次是盆周西北部和西南部的山脈地區(qū)。9月，最活躍的區(qū)域依然位于四川盆地。整個汛期（5～9月）與8月分布基本相似，四川盆地西部邊緣雅安、峨眉附近存在一個大值中心，年均短時強降水發(fā)生頻次可達80次以上，雅安有世界著名的“天漏”之稱，其北側具有特殊的喇叭口地形，雨量大且雨日多，降水量受地形影響顯著；其次是盆周西北部山脈地區(qū)，年均短時強降水發(fā)生頻次61～80次；盆地東北部大值站點較為分散。

圖8 2010～2019年平均5～9月及汛期四川地區(qū)短時強降水發(fā)生頻次空間分布（a.5月，b.6月，c.7月，d.8月，e.9月，f.汛期；圓點表示短時強降水發(fā)生頻次，單位：次；填色表示海拔高度，單位：m）

表1給出了2010～2019年5～9月四川地區(qū)短時強降水發(fā)生頻次前10的站點及其發(fā)生頻次。從表中可以看出，四川地區(qū)短時強降水事件發(fā)生的高峰期集中在7月和8月；整個汛期，峨眉站短時強降水發(fā)生頻次最高（年均104次），雅安站次之（年均98次），名山站和北川站再次（分別為年均86次和80次）；發(fā)生頻次前10的站點中，峨眉站、洪雅站位于四川盆地的西南邊緣，雅安站、名山站位于四川盆地西緣，北川站、安縣站位于四川盆地西北部，都江堰站、大邑站分別位于成都平原的西北邊和北部，只有南江站、劍閣站位于四川盆地的北部。由此可知，四川盆地西部尤其是西部邊緣更容易發(fā)生強降水事件。

表1 2010～2019年5～9月四川地區(qū)短時強降水頻次

2.3.2 最大小時雨強與地形的關系

最大小時雨強能反映強對流天氣的強弱。圖9給出了2010～2019年平均5～9月及汛期四川地區(qū)最大小時雨強空間分布。5月，四川地區(qū)有4個站點最大小時雨強>80mm/h。6月，只有什邡站最大小時雨強超過100mm/h，達157mm/h。5、6月份，四川境內短時強降水極大值多出現(xiàn)在四川盆地，其次為盆地西緣。7月，四川盆地東北部存在2個站點最大小時雨強達80mm/h以上，位于盆地西部的龍門山脈一帶站點最大小時雨強為41～80mm/h。8月，四川盆地西南部邊緣的樂山、宜賓、自貢一帶存在一個大值區(qū)，有7個站點的最大小時雨強>80mm/h。9月，射洪站最大小時雨強超過100mm/h，達110.9mm/h。整個汛期，有15個站點最大小時雨強超過80mm/h，多位于盆地西部，在西南部和西北部各存在一個極大值中心；最大小時雨強超過60mm/h的站點聚集在龍門山脈一帶。

圖9 同圖8，但為最大小時雨強

表2給出了2010～2019年5～9月四川地區(qū)最大小時雨強前10的站點及其最大小時雨強值。從表中可以看出，整個四川地區(qū)有3個站點最大小時雨強>90mm/h，綿竹站在2010年8月出現(xiàn)了最大小時雨強（96.1mm/h），峨眉站在2012年8月出現(xiàn)了最大小時雨強（93.7mm/h），犍為站在2013年8月出現(xiàn)最大小時雨強（92.5mm/h）；共9個站點最大小時雨強為80mm～90mm/h，從大到小依次是2015年7月蒼溪站（86.7mm/h）、2013年8月自貢站（85.6mm/h）、2018年8月榮縣站（85.3mm/h）、2010年7月萬源站（84.2mm/h）、2017年8月樂山站（83.8mm/h）、2017年8月宜賓縣站（83.8mm/h）、2019年7月宜賓縣站（80.5mm/h）、2011年7月三臺站（80.1mm/h）和2016年6月長寧站（80mm/h）。

表2 2010～2019年5～9月四川地區(qū)最大小時雨強站點

2.4 短時強降水與海拔高度的關系

四川地區(qū)東部存在低海拔的丘陵盆地，西部則是高海拔的高原山地，東西部的降水特征存在較大差異[11]。從不同海拔高度站點的短時強降水發(fā)生頻次（圖10）來看，近10年以來短時強降水主要集中在海拔較低的四川東部地區(qū)，共計3300余次。隨著海拔升高，短時強降水發(fā)生頻次明顯減少，盆地較其他地區(qū)短時強降水發(fā)生頻次偏多。

圖10 2010～2019年四川地區(qū)不同海拔高度站點的短時強降水發(fā)生頻次

圖11是雨量監(jiān)測站的分布情況。如圖所示，四川地區(qū)建在1500m以下的雨量測站占總測站數(shù)的75%，其中66%都建在海拔1000m以下，而四川2/3的區(qū)域海拔高度在1000m 以上，說明四川地區(qū)的測站大部分都集中于盆地地區(qū)，而位于盆周山區(qū)和川西高原的站點稀少。

圖11 四川自動監(jiān)測站隨海拔高度分布情況（灰柱表示站數(shù)，黑柱表示累計站數(shù)，紅點表示累計站數(shù)百分比）

圖12是四川地區(qū)157個自動站2010～2019年汛期強降水變化與海拔高度關系。如圖所示，隨著海拔高度的增加，發(fā)生強降水的日數(shù)整體減少了，在海拔高度達到1000m時強降水發(fā)生的日數(shù)明顯減少，達到2000m時基本無強降水發(fā)生日出現(xiàn)(峨眉山氣象站例外)。由于四川地區(qū)66%的雨量監(jiān)測站建在海拔1000m以下，高海拔地區(qū)站點數(shù)較少，對得出強降水頻次與海拔高度的變化特征存在較大影響。

圖12 2010～2019年5～9月各站累計強降水發(fā)生日數(shù)（橫坐標為站點隨海拔高度排列的序號，紅色線表示強降水發(fā)生日數(shù)，黑色線表示海拔高度）

3 結論

本文利用四川省氣象臺提供的2010～2019年5～9月四川地區(qū)自動站逐小時降水觀測資料，在分析短時強降水事件24h累計降水量、頻次和強度的日變化特征的基礎上，研究了短時強降水事件的時空分布特征以及事件頻次、極值分布與地形海拔高度的關系等，主要結論如下：

（1）四川地區(qū)降水主要集中在四川盆地，盆地中降水大值區(qū)主要集中在盆周山區(qū)，川西高原和攀西地區(qū)降水相對較少。24h累計降水大多在75mm以上的地區(qū)為四川盆地和阿壩州，其中達到大暴雨量級（>100mm）的24h累計降水大值中心主要分布于盆周山區(qū)、阿壩州以及甘孜州東部、涼山州北部的局部地方。而甘孜州和攀西地區(qū)南部24h累計降水量級相對較小，多為大雨到暴雨量級（25～100mm）。四川盆地和阿壩州的降水頻次普遍在60次以上，盆地的降水頻次大值區(qū)同樣主要分布在盆周山區(qū)。甘孜州和攀西地區(qū)南部平均降水頻次相對較少，多為80次以下。四川盆地和攀西地區(qū)的降水強度相對較大，普遍在0.75mm/h以上，其中盆地的降水強度大值區(qū)主要分布在盆地北部。川西高原的降水強度相對較小，多為0.75mm/h以下。

（2）短時強降水在夜間時段較強；00～10時，強降水降水頻次逐漸減小，其中00～02時發(fā)生了持續(xù)5～20h的強降水；17～23時，強降水維持時間呈增大趨勢，持續(xù)5～22h的強降水均有發(fā)生。03時，降水量和降水頻次同時達到峰值；而15時，降水量和降水頻次同時達到谷值；兩者變化趨勢皆呈單峰型結構，對應四川地區(qū)降水的“夜雨”特征。與降水量和降水頻次的變化趨勢不同，降水強度呈現(xiàn)不明顯的雙峰結構，分別在03時和14時達到谷值，在13時和18時達到峰值，日變化呈“增-減-增-減”的特征。

（3）整個汛期，四川盆地西部邊緣雅安、峨眉附近存在一個大值中心，年均短時強降水發(fā)生頻次可達80次以上，雅安有世界著名的“天漏”之稱，其北側具有特殊的喇叭口地形，雨量大且雨日多，降水量受地形影響顯著；其次是盆周西北部山脈地區(qū)，年均短時強降水發(fā)生頻次61～80次；盆地東北部大值站點較為分散。整個汛期，有15個站點最大小時雨強超過80mm/h，多位于盆地西部，在西南部和西北部各存在一個極大值中心；最大小時雨強超過60mm/h的站點聚集在龍門山脈一帶。

（4）近10年以來短時強降水主要集中在海拔較低的四川東部地區(qū)，共計3300余次。隨著海拔升高，短時強降水發(fā)生頻次明顯減少，盆地較其他地區(qū)短時強降水發(fā)生頻次偏多。四川地區(qū)的測站大部分都集中于盆地地區(qū)，而位于盆周山區(qū)和川西高原的站點稀少。隨著海拔高度的增加，發(fā)生強降水的日數(shù)整體減少了，在海拔高度達到1000m時強降水發(fā)生的日數(shù)明顯減少，達到2000m時基本無強降水發(fā)生日出現(xiàn)（峨眉山氣象站例外）。