鄒靈宇 , 于 璐 , 楊 柯 , 楊芳園 , 劉 彬*

（1.云南省昆明市氣象局, 昆明 650500；2.昆明市官渡區(qū)氣象局，昆明 650000）

引言

近年來，高影響天氣及其誘發(fā)的極端暴雨、局地洪澇、風災等氣象災害及次生災害頻發(fā)，尤其是短時強降水和大風等強對流天氣，嚴重影響社會經(jīng)濟和人民生產(chǎn)生活。

短時強降水作為我國強對流天氣[1-2]的主要類型之一，受到國內(nèi)研究者的持續(xù)關注。毛冬艷等[3]、顧問等[4]、李華宏等[5]研究了不同地區(qū)短時強降水時空分布特征，并對其出現(xiàn)的頻次進行分型。董旭光等[6]、謝五三等[7]、李強等[8]著重分析極端強降水的小時變化和日變化特征，并對不同開始時間的強降水進行比對。朱莉等[9]、張騰飛等[10]、胡娟等[11]對多個云南極端短時強降雨典型天氣案例開展成因分析和雷達資料判別。何鈺等[12]基于“配料法”提出云南短時強降水預報概念模型。災害性大風天氣在我國影響范圍較廣，也是氣象學者關注的問題之一。李耀輝等[13]、孔鋒等[14]、方翀等[15]研究了近地表大風日數(shù)時空分布特征，指出季節(jié)性大風與地形有著密切關系。楊新林等[16]、費海燕等[17]詳細分析對流性天氣下的雷暴大風產(chǎn)生的環(huán)境條件和云圖特征。徐蜜蜜等[18]對我國近海四季大風的影響進行了數(shù)值模擬研究。

云南地處低緯高原地區(qū)，處于東亞季風和南壓季風交匯區(qū)域，冷暖氣流交匯頻繁，四季均有強對流天氣發(fā)生，其中風雹和洪澇災害的影響最大，占云南氣象類災害的40%左右[19-20]。目前，針對云南不同強度的短時強降水和大風的研究主要以天氣個例為主，而利用逐時觀測數(shù)據(jù)系統(tǒng)研究其日變化特征的工作較少。本文利用2013～2019年云南省逐小時氣象數(shù)據(jù)，研究云南不同等級短時強降水和大風（包含雷暴大風）等災害性天氣的時空分布特征，以期為提高災害性天氣分級預警的靶向性和精細化網(wǎng)格預報模型的精準度提供參考，同時也為科學防災減災提供依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料來源

研究選取了2013～2019年云南125個國家氣象站逐小時降水量、極大風風速資料，以及重要天氣報的雷暴數(shù)據(jù)和地面閃電定位儀正負地閃數(shù)據(jù)。

1.2 分級計算方法

采用功率譜分析法，從出現(xiàn)頻次的月變化、日變化以及空間分布等方面對不同強度短時強降水、大風、雷暴大風（對流性）進行分析。具體劃分標準為：

（1）短時強降水按照強度劃分為 20～29.9 mm·h-1、30～49.9 mm·h-1和≥50 mm·h-1共3個強度等級。根據(jù)該標準，共統(tǒng)計出2922個短時強降水樣本。

（2）大風劃分為 6級風（10.8 m·s-1≤風速≤13.8 m·s-1）、7 級風（13.9 m·s-1≤風速≤17.1 m·s-1）、8 級及以上風 (風速≥17.2 m·s-1)共3個強度等級。根據(jù)該標準，共統(tǒng)計出大風樣本317777個。

（3）為具體分析對流性雷暴大風個例，結(jié)合閃電定位和重要天氣報的雷暴觀測數(shù)據(jù)，同時匹配對應時刻≥17 m·s-1的極大風風速資料，共統(tǒng)計出雷暴大風樣本2158個。

2 短時強降水時空分布特征

2.1 短時強降水時間分布特征

如圖1a所示，云南短時強降水頻次高值主要出現(xiàn)在每年的5～10月汛期，呈單峰型分布。其中20～29.9 mm·h-1短時強降水頻次峰值（0.67）出現(xiàn)在主汛期的8月，次峰值（0.6）出現(xiàn)在7月，谷值出現(xiàn)在冬季12月～次年 2月；30～49.9 mm·h-1短時強降水頻次波峰較平，出現(xiàn)在6～8月；≥50 mm·h-1短時強降水出現(xiàn)頻次較少，依然集中在主汛期。從短時強降水頻次日變化（圖1b）來看，20～29.9 mm·h-1短時強降水主要出現(xiàn)在15時～次日08時，其中15～21時出現(xiàn)頻次更高，峰值出現(xiàn)在18時左右，可見短時強降水頻次日變化高發(fā)時段為午后到前半夜；30～49.9 mm·h-1、≥50 mm·h-1短時強降水頻次峰值分別出現(xiàn)在04時、19時左右。

圖1 2013～2019年云南不同強度短時強降水頻次時間分布（a.月變化，b.日變化）

2.2 短時強降水空間分布特征

圖2a為20～29.9 mm·h-1短時強降水頻次空間分布。如圖2a所示，頻次為4.0以上的區(qū)域主要集中在普洱南部、紅河南部、文山西南部、西雙版納、保山龍陵、曲靖羅平、麗江華坪和德宏隴川，頻次較高的站點有紅河金平（10.0次）、普洱江城（8.4次）和紅河河口（7.6 次）。如圖2b 所示，30～49.9 mm·h-1短時強降水較高頻次出現(xiàn)區(qū)域與20～29.9 mm·h-1類似，2次以上高頻區(qū)域主要在滇南、滇西南、滇東、滇東北邊緣地區(qū)及麗江華坪。如圖2c所示，≥50 mm·h-1短時強降水高頻次出現(xiàn)的站點和范圍較其他強度減小，主要出現(xiàn)在臨滄南部、西雙版納南部、紅河東南部、文山和曲靖南部等區(qū)域，頻次最高值為紅河河口（1.3次），其次是文山富寧（0.7次）。

圖2 2013～2019 年云南不同強度短時強降水頻次空間分布（a.20～29.9 mm·h-1，b.30～49.9 mm·h-1，c.≥50 mm·h-1，單位：次）

2.3 短時強降水極大值分布特征

分析短時強降水極大值時空分布特征（圖略）發(fā)現(xiàn)，其空間特征差異顯著，同一區(qū)域出現(xiàn)降水極端值的時間差異也較大。其中，滇東南、滇西南邊緣以及滇中局部地區(qū)超過80 mm·h-1，滇西北最小為30 mm·h-1以下，其他大部分地區(qū)為40～50 mm·h-1，最大小時降水量出現(xiàn)在2018年9月27日昆明嵩明（106.6 mm·h-1）。經(jīng)統(tǒng)計，云南出現(xiàn)極端小時降水量站點較多的時次為23時，其次是01時、07時、19～21時，符合云南短時強降水多在夜間出現(xiàn)的特征。

3 大風時空分布特征

3.1 大風時間分布特征

大風主要出現(xiàn)在每年11月～次年5月的干季，3月各強度大風出現(xiàn)次數(shù)最多，汛期7～10月大風出現(xiàn)次數(shù)最少（圖3a）。日變化中，大風主要集中在10～19時，峰值出現(xiàn)在14～16時，02～08時大風出現(xiàn)頻次較低（圖3b）。

圖3 2013～2019年云南不同強度大風頻次時間分布（a.月變化，b.日變化）

3.2 大風空間分布特征

如圖4所示，大風極大值區(qū)主要分布在滇西北橫斷山脈至滇南哀牢山以東的區(qū)域。其中，6級大風年平均頻次超過400.0次的區(qū)域主要出現(xiàn)在曲靖、昆明、玉溪、楚雄、大理、麗江、紅河北部等地，大風頻次超過700.0次的大值中心出現(xiàn)在曲靖會澤、紅河個舊、楚雄大姚、麗江寧蒗、麗江市區(qū)、大理祥云、昆明東川，頻次最高值（1113.9次）出現(xiàn)在昆明市郊的高山站太華山站（圖4a）。7級大風頻次超過200.0次的高值區(qū)主要位于楚雄西部、曲靖東部和北部以及麗江東北部（圖4b）。8級及以上大風中心主要位于曲靖富源、會澤、大理、麗江寧蒗，其頻次均超過80.0次（圖4c）。

圖4 2013～2019年云南不同強度大風頻次空間分布（a.6級，b.7級，c.8級及以上，單位：次）和多年平均的2月700 hPa風場分布（d，單位：m·s-1）

由于云南地處低緯度高海拔地區(qū)，冬春季是大風天氣發(fā)生的集中時段。分析多年平均的2月700 hPa風場空間分布（圖4d）可知，冬春季，南支西風在云南上空強盛，對流層中低層（700 hPa）云南上空常存在一個干燥的低空西風急流區(qū)，白天近地面層空氣增熱而產(chǎn)生亂流擾動，在干燥西風帶中強而寬廣的急流帶上動量下傳和地面熱低壓發(fā)展、氣壓梯度增大的共同作用下，引起地面風速增大，造成地面大范圍大風天氣。此外山脈走向、山區(qū)以及半山區(qū)的迎風坡、隘口、河谷、狹管效應等都與季節(jié)性大風的產(chǎn)生和強弱有關。

3.3 大風極大值分布特征

分析大風極大值時空分布特征（圖略）發(fā)現(xiàn)，大部分區(qū)域大風極值在24 m·s-1左右，普洱北部、楚雄、玉溪南部、曲靖東部和紅河西部等區(qū)域大風極值超過28 m·s-1，最大風速（44.1 m·s-1）出現(xiàn)在 2015 年 9 月 2日普洱景谷；大風出現(xiàn)極值最多時段為17～18時，其次是14～16時，而04～09時較少出現(xiàn)，這與云南大風日變化趨勢是一致的。

3.4 雷暴大風時空分布特征

雷暴大風主要集中出現(xiàn)在2～8月，呈現(xiàn)雙峰型分布；其中3～5月春季是雷暴大風集中期，頻次峰值（約111.0次）出現(xiàn)在4月，約占總數(shù)的36.1%；次峰出現(xiàn)在8月，僅占總數(shù)的7.9%，頻次較春季各月明顯偏少（圖5a）。

從雷暴大風出現(xiàn)頻次日變化（圖5b）可知， 12～22時是雷暴大風密集出現(xiàn)時段，共發(fā)生258.0次，占總數(shù)的83.6%，其中14～20時為高峰期，極值出現(xiàn)在16～17時，占總數(shù)的27.8%，07～10時是一天中出現(xiàn)最少的時段。

統(tǒng)計雷暴大風風速大?。▓D5c）表明，超過50%風速值集中在 17～18.9 m·s-1，25 m·s-1以上的強雷暴大風只占4.8%；另外按風力等級來看，8級風最多，占總數(shù)的68.9%。

圖5 2013～2019年云南雷暴大風出現(xiàn)頻次月分布(a)、日分布(b)和風速分布(c)

由雷暴大風年平均頻次空間分布（圖6a）可知，52.8%的站點頻次為2.0以上，4.0以上站點主要集中在玉龍雪山和蒼山以東、哀牢山以及無量山附近區(qū)域，其中大理、麗江寧蒗的頻次高達9.0以上，極端強雷暴大風出現(xiàn)在2016年4月19日紅河建水，風速達39.4 m·s-1。春季雷暴大風占比為67.9%，其空間分布形態(tài)與年平均分布類似（圖6b）。夏季雷暴大風占比為19.5%，大值區(qū)主要分布在麗江東部的金沙江河谷、昆明東北部小江河谷以及普洱中東部（圖6c）。

圖6 2013～2019年云南雷暴大風多年平均的年（a）、春季（b）和夏季（c）頻次空間分布（單位：次）

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本文利用2013～2019年云南省逐小時氣象數(shù)據(jù)，研究云南不同等級短時強降水和大風（包含雷暴大風）等災害性天氣的時空分布特征，得出如下主要結(jié)論：

(1) 云南20～29.9 mm·h-1、30～49.9 mm·h-1和≥50 mm·h-1等級的短時強降水所占比例分別為72.4%、25.1%和2.5%；其月變化呈單峰型分布，主要集中在每年5～10月，7～8月為峰值，15時～次日08時是出現(xiàn)短時強降水的主要時段。短時強降水高發(fā)區(qū)主要分布在滇南、滇西南和滇東邊緣以及麗江以東金沙江河谷地區(qū)，短時強降水極大值分布差異顯著，同一區(qū)域出現(xiàn)降水極端值的時間差異也較大。

(2) 云南6級、7級和8級以上大風占比分別為77%、19.3%和3.7%，每年11月～次年6月為大風多發(fā)期，3月最多，9月最少。10～19時為大風頻次較高時段，峰值出現(xiàn)在15時，02～08時大風較少出現(xiàn)。 大風高發(fā)區(qū)主要分布在滇西北橫斷山脈至滇南哀牢山以東的區(qū)域。冬春季，在云南上空干燥西風帶中強而寬廣的急流帶上，動量下傳、地面熱低壓發(fā)展和氣壓梯度增大引起地面風速增大，是造成地面大范圍大風天氣的主要天氣背景。

(3)云南雷暴大風主要集中出現(xiàn)在2～8月，呈現(xiàn)雙峰型分布，春季雷暴大風多于夏季；超過8級以上的強雷暴大風只占4.8%；14～20時易出現(xiàn)雷暴大風，日峰值出現(xiàn)在16～17時。雷暴大風主要出現(xiàn)在玉龍雪山和蒼山以東以及哀牢山、無量山附近等區(qū)域。

4.2 討論

（1）短時強降水頻次與文獻[19]中云南各月年平均降水量變化趨勢是一致的；另外侯淑梅等[21]研究表明極端短時強降水強度與年降水量和夏季降水量呈正相關關系，也說明短時強降水對累計降水量的貢獻較大。短時強降水頻次日變化與李華宏等[5]利用1981～2015年地面測站逐時降水自記觀測資料對云南短時強降水日變化研究得出的結(jié)論一致。

（2）氣候態(tài)中云南易出現(xiàn)大風（含對流性大風）的2～5月也可能是雷暴大風較多出現(xiàn)的時間段，但限于本文的資料長度有限，有待于今后長時間序列資料加以驗證。而8月份出現(xiàn)頻次較春季各月明顯偏小，這與孫繼松等[2]研究指出西南地區(qū)單站平均雷暴大風日4～5月峰值高于8月的結(jié)論有相似之處。

（3）云南雷暴大風日變化與我國其他一些地區(qū)有相似分布特征[15-17,22]，這可能由于午后到傍晚是一天中熱力條件和不穩(wěn)定條件最佳的時段，最有利于雷暴大風的形成和發(fā)展[23]，加之不同海拔高度梯度變化造成局地環(huán)流觸發(fā)對流發(fā)展在午后到傍晚更容易[24]。

（4）云南雷暴大風年平均頻次空間分布表明，雷暴大風的空間分布與影響云南天氣系統(tǒng)和地形有密切的關系。由于云南春、夏季南支槽、昆明準靜止鋒、孟加拉灣風暴以及低渦切變系統(tǒng)等影響頻繁[25-26]，使得冷暖空氣在山脈附近交匯，加之地形抬升作用使得雷暴大風出現(xiàn)概率加大。另外云南山脈、河谷、湖泊眾多，一些特殊地形，如大理受蒼山和洱海的影響[27-28]，可能存在著山谷風和湖陸風兩者疊加效應引起的局地環(huán)流；麗江東部和四川攀枝花交界區(qū)域受金沙江干熱河谷地形坡度影響，導致閃電活動較多，也為雷暴大風天氣發(fā)生提供了較為有利的條件[29-30]。因此，在今后的相關研究中除了考慮天氣系統(tǒng)的影響以外，還需重點考慮地形條件對天氣過程的影響，這同時也對云南本地的區(qū)域天氣模式研發(fā)提出了更高的要求。