廖勝石，卓健，羅建英，零紹瓏，盧炳夫

(1.廣西壯族自治區(qū)氣候中心，南寧 530022；2.廣西壯族自治區(qū)氣象信息中心，南寧 530022；3.廣西壯族自治區(qū)氣象局，南寧 530022；4.廣西貴港市氣象局，貴港 537100；5.廣西壯族自治區(qū)氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，南寧 530022)

引言

近年來，極端降水天氣多發(fā)(翟盤茂等，2007；鄭小華等，2019)，總體呈現(xiàn)出發(fā)生頻次高、涉及區(qū)域廣、極端性突出、致災(zāi)損失偏重等特點，對人民生命財產(chǎn)安全和經(jīng)濟社會穩(wěn)定發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，極端短時強降水監(jiān)測預(yù)報預(yù)警服務(wù)是氣象防災(zāi)減災(zāi)工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是筑牢第一道防線的重中之重。提高極端短時強降水預(yù)報預(yù)警能力，必須深刻認(rèn)識和把握極端短時強降水的演變規(guī)律和氣候背景。近年來，研究人員對不同地區(qū)的極端短時強降水特征開展了卓有成效的工作。李建等(2013a)利用廣義極值分布法和百分位法兩種閾值方法，對我國不同區(qū)域不同極端程度的小時降水資料進行了分析，發(fā)現(xiàn)百分位法結(jié)果與廣義極值分布法結(jié)果基本一致。李建等(2013b)的研究指出華北地區(qū)、長江中下游地區(qū)、華南沿海地區(qū)和四川盆地西部短時強降水的降水強度閾值遠(yuǎn)大于西北地區(qū)。李建等(2008)、吳翠紅等(2013)、唐傳師等(2018)、王婧羽等(2019)、冷亮等(2021)分別對北京、湖北、江西、河南等地短時強降水開展了研究，得到當(dāng)?shù)氐亩虝r強降水時空分布特征和變化趨勢。侯淑梅等(2020)研究了山東省短時強降水時空變化特征，討論了以第98%、99%、99.5%分位數(shù)作為極端降水閾值的合理性，對99.5%分位數(shù)極端降水閾值在國家站和區(qū)域自動站的分布特征深入研究，發(fā)現(xiàn)全部站(國家站+區(qū)域站)數(shù)據(jù)能更準(zhǔn)確地反映山東省的極端短時強降水的變化特征。

廣西位于亞熱帶季風(fēng)濕潤區(qū)，是全國年降水量最豐富的地區(qū)之一，但降水量時空分布不均，極端降水天氣及其帶來的次生災(zāi)害頻發(fā)。陸虹等(2012)、李建鴻等(2016)、孫桂凱等(2018)的研究發(fā)現(xiàn)廣西極端降水呈增加趨勢，李菁等(2002)、覃衛(wèi)堅等(2014)、李艷蘭等(2020)等從暴雨天氣的大氣環(huán)流特征、變化特征等方面開展了研究，陳明璐(2015)、陳飛盛和孫靖雯(2021)利用日、小時降水資料分析了廣西不同等級強降水的時空分布特征，但尚缺乏利用逐小時降水資料對廣西強降水的極端特征及其氣候背景關(guān)聯(lián)性的研究。本文利用廣西91個國家氣象站小時降水資料對極端短時強降水特征進行研究，并進一步探索其與南海夏季風(fēng)、厄爾尼諾或拉尼娜氣候背景的關(guān)聯(lián)性，以期理解廣西的天氣氣候特征以及極端短時強降水時空變化的形成機制，為提高極端短時強降水預(yù)報準(zhǔn)確率提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

本文所用氣象資料來源于廣西氣象信息中心2005—2021年4—10月廣西91個國家氣象站逐小時降水量數(shù)據(jù)。由于僅針對強降水進行研究，微量降水研究意義不大，因此選取1 mm以上的小時降水量作為統(tǒng)計樣本。

所用同時期的Oceanic Ni?o Index(ONI)數(shù)據(jù)來源于NOAA官方網(wǎng)站(https://origin.cpc.ncep.noaa.gov/products/analysis_monitoring/ensostuff/ONI_v5.php)，該指數(shù)基于ERSSTv5數(shù)據(jù)集，通過標(biāo)準(zhǔn)化的Ni?o3.4區(qū)海表面溫度的3個月滑動區(qū)域平均值求出，用以衡量厄爾尼諾現(xiàn)象的發(fā)展程度。南海夏季風(fēng)爆發(fā)信息取自國家氣候中心公布的東亞季風(fēng)監(jiān)測簡報。

1.2 方法

基于每個測站≥1 mm的小時降水資料，利用百分位法確定該測站的1 h極端強降水閾值。當(dāng)測站1 h降水量超過其1 h極端強降水閾值時，定義為該站出現(xiàn)1次極端短時強降水；將測站極端短時強降水的總次數(shù)定義為極端短時強降水頻次；計算測站所有極端短時強降水的降水量總和，并將其與頻次之比定義為該站極端短時強降水強度。例如，某站極端短時強降水的閾值為40 mm，若某時次該站降水量為50 mm，則該站發(fā)生了1次極端短時強降水，極端短時強降水頻次增加1站次，并將該時次降水量50 mm累加進該站極端短時強降水量。以此類推，對于91個測站分別進行同樣的統(tǒng)計。

參照李建等(2013a)、侯淑梅等(2020)做法，統(tǒng)計了廣西91個測站降水的第95%、98%、99%、99.5%分位數(shù)的降水量值，發(fā)現(xiàn)99.5%分位數(shù)的最小值、最大值和中位數(shù)分別為30.0、61.2和42.8 mm，對應(yīng)的極端短時強降水強度為34.7、76.1和52.1 mm·h-1，與實際工作經(jīng)驗的感受較為接近，而第95%、98%、99%分位數(shù)的閾值較低，代表性不強。因此，本文采用每個測站的第99.5%分位數(shù)的降水量值作為該站極端短時強降水的閾值。

2 極端短時強降水閾值的分布特征

將99.5%分位數(shù)作為每個測站的極端短時強降水閾值，統(tǒng)計得到2005—2021年汛期期間廣西91個站點共發(fā)生1 712次極端短時強降水。由極端短時強降水閾值分布圖(圖1)可見，廣西91個測站的99.5%分位數(shù)閾值分布在30~60 mm之間，＜40 mm和≥50 mm的測站分別有27和9站，≥50 mm的站點主要分布在沿海地區(qū)，最大值為61.2 mm，出現(xiàn)在防城港站。40~50 mm的測站有55站，主要分布在桂東南、桂中和桂西地區(qū)，其中桂東南、桂中大部、桂西中部地區(qū)的閾值為45~50 mm。閾值30~40 mm的站點主要分布在桂東、桂北和桂西南地區(qū)。

圖1 廣西極端短時強降水的閾值(單位:mm)分布圖Fig.1 Distribution of thresholds(unit:mm)of extreme short-time heavy rainfall in Guangxi.

3 極端短時強降水的空間分布特征

由廣西極端短時強降水強度空間分布圖(圖2a)可以看出，降水強度自南向北，由沿海向內(nèi)地遞減。共有77個測站(84.6%)的極端短時強降水強度集中在40~60 mm·h-1，與閾值空間分布相似，40~50 mm·h-1的區(qū)域主要位于桂北、桂東和桂西局部地區(qū)，全區(qū)大部區(qū)域極端短時強降水強度都處于50~60 mm·h-1之間。有3個測站(3.2%)的強度＜40 mm·h-1，主要零星分布在桂東北地區(qū)。超過60 mm·h-1有11個站(12.2%)，分布在沿海地區(qū)和桂東南局部地區(qū)，最大值出現(xiàn)在防城港站(76.1 mm·h-1)。從極端短時強降水的頻次(圖2b)發(fā)現(xiàn)，2005—2021年汛期期間，沿海地區(qū)同樣是頻次最高的區(qū)域，超過了25次，桂東北地區(qū)雖然強度最小，但卻是出現(xiàn)頻次的次高值區(qū)，大多站點的頻次超過了20次，桂西北地區(qū)的強度達(dá)到45~50 mm，大部分站點頻次卻只有15~17次之間，桂西南地區(qū)不僅強度小，出現(xiàn)極端短時強降水的頻次也最少，只有約15次。

圖2 廣西極端短時強降水的強度(a,單位:mm·h-1)和頻次(b)分布圖Fig.2 Distribution of(a)intensity(unit:mm)and(b)frequency of extreme short-time heavy rainfall in Guangxi.

由廣西小時最大降水量分布區(qū)間可見(表1)，97.8%的測站小時最大降水量都超過了50 mm，＜50 mm的測站只有2站，分別為桂東北地區(qū)的灌陽和龍勝站，超過100 mm有12個測站，主要出現(xiàn)在沿海和桂東南地區(qū)(圖略)。小時最大降水量出現(xiàn)次數(shù)最多的為70~80 mm，共有36站，占39.5%，其次是60~70 mm、80~90 mm，分別出現(xiàn)16和15站。全區(qū)的小時最大降水量是140.5 mm，出現(xiàn)在2012年10月29日04時(北京時，下同)的北海站，其次是2016年8月10日08時的梧州市龍圩站的135.2 mm。

表1 廣西小時最大降水量分布區(qū)間(單位:mm)Table 1 Distribution interval of hourly maximum precipitation in Guangxi(unit:mm).

4 極端短時強降水的時間變化特征

4.1 年際變化

圖3給出了2005—2021年廣西極端短時強降水的逐年頻次分布圖?？梢钥闯?，除2009、2011、2018年次數(shù)較少，低于70次外，其他年份的總次數(shù)超過90次，其中2014年(136次)和2015年(141次)超過了130次；從線性趨勢可看出，極端短時強降水頻次有增加趨勢。從2005年到2021年共17 a期間，廣西有10 a每年有60個以上測站會發(fā)生極端短時強降水，最多的為2015年76個測站，最少的為2011年的41個測站。每站每年平均出現(xiàn)極端短時強降水1.1次,最多的為2015年1.5次，最少的為2011年0.6次，每個站每兩年大約會出現(xiàn)1~3次極端短時強降水。

圖3 2005—2021年廣西極端短時強降水頻次和站數(shù)的逐年變化Fig.3 Annual variation of frequencies(unit:number)and stations(unit:station)of extreme short-time heavy rainfall in Guangxi from 2005 to 2021

4.2 逐月變化

由逐月的極端短時強降水頻次圖(圖4a)可見，極端短時強降水有明顯的逐月變化，具有單峰型的特征。極端短時強降水主要集中在5—6月，頻次分別為439、491次，共占所有極端短時強降水頻次的49%。其次是7月的284次和8月份的241次，其余月份頻次很少，均未超過200次，10月份29次最少。其中主汛期5—8月每個月發(fā)生極端短時強降水的測站數(shù)都接近或達(dá)到91站，表明汛期每個月每個站都會發(fā)生極端短時強降水。從逐月降水強度(圖4b)看，除了4月份的49.4 mm·h-1，5—10月極端短時強降水強度均在53~57 mm·h-1之間，差距不大。雖然10月份的極端強降水強度最強，為56.2 mm·h-1，但由于10月份的頻次太少，17年間只有29次，且其中的一部分是在2012年23號臺風(fēng)“山神”影響期間(2012年10月29日)造成沿海地區(qū)大范圍強降水中出現(xiàn)的，使10月份的平均強度提高。

圖4 2005—2021年4—10月廣西極端短時強降水頻次、站數(shù)(a)以及強度(b,單位:mm·h-1)的逐月變化Fig.4 Monthly variation of(a)frequency and number of stations,and(b)intensity(unit:mm·h-1)of extreme short-time heavy rainfall in Guangxi from April to October from 2005 to 2021.

4.3 日變化

由廣西汛期逐時極端短時強降水頻次分布圖(圖5)可見，極端短時強降水呈現(xiàn)雙峰特征,有明顯的日變化，最小值出現(xiàn)在13時，僅有35次，之后逐漸上升，18時達(dá)到第一個峰值區(qū)85次，隨后稍有下降，在21時下降到60次，之后迅速上升，在04—05時，達(dá)到日變化的最高峰101次。極端短時強降水頻次＞90站次的時間集中在02—06時，09—20時期間僅有17、18時超過80次，可見夜間出現(xiàn)極端短時強降水的頻次遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過白天。從站數(shù)的日變化分布來看，也是僅有10—15時低于40個站出現(xiàn)極端短時強降水，其余時次出現(xiàn)極端短時強降水的站數(shù)都超過40個站，從23時到次日08時，有超過50個站出現(xiàn)極端短時強降水，也表現(xiàn)出很明顯的強夜雨特征。不過極端短時強降水強度范圍為50~55 mm·h-1，全天強度變化幅度不大。由此可見，廣西汛期夜間和凌晨時段最容易出現(xiàn)極端短時強降水，但無論是夜雨還是日雨，強度基本一致。

圖5 2005—2021年廣西汛期極端短時強降水頻次、站數(shù)和強度(單位:mm·h-1)的日變化Fig.5 Diurnal variation of frequency,number of stations and intensity(unit:mm·h-1)of extreme short-time heavy rainfall in Guangxi from 2005 to 2021.

以出現(xiàn)頻次最多的5—8月份來看(圖6)，雖然這4個月均為雙峰型，但峰型并不完全一致，前、后汛期的最高峰有所區(qū)別。其中前汛期5、6月份最高峰為04—05時，次峰為22—23時，而后汛期7—8月份的最高峰為17—18時，次高峰為04—05時。無論是前汛期的5、6月份，還是后汛期的7、8月份，夜雨的頻次均遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于日雨。

圖6 廣西2005—2021年5—8月極端短時強降水頻次的日變化Fig.6 Diurnal variation of frequency of extreme short-time heavy rainfall in Guangxi from May to August from 2005 to 2021.

5 相關(guān)性分析

5.1 極端短時強降水和地形的關(guān)系

廣西位于云貴高原東南邊緣(圖7)，整個地勢自西北向東南傾斜，桂西北地勢高峻，高山眾多，桂東北屬南嶺山地西段，桂北地區(qū)的海拔多為1 500~2 000 m。湘桂走廊是南北冷暖氣流進出廣西的主要通道。廣西東部、南部和西南部分別為大桂山、云開大山、大容山、六萬大山、十萬大山等包圍，山體平均海拔在1 000 m以下。中部地勢較低，海拔多在200 m以下，形成“周高中低”的盆地形狀。南面北部灣的海岸線長達(dá)1 600 km(《廣西天氣預(yù)報技術(shù)和方法》編寫組，2012)。

從圖2可知極端短時強降水強度的高值區(qū)主要分布在沿海、桂東南和桂中地區(qū)，低值區(qū)分布在桂北地區(qū)。對比廣西地形圖(圖7)可以發(fā)現(xiàn)，極端短時強降水空間分布特征和地理位置密切相關(guān)。在東興到欽州一帶的沿海地區(qū)，由于西南急流或熱帶系統(tǒng)遇到桂西南地區(qū)的十萬大山時，由于地形抬升，容易形成沿海地區(qū)的極端強降水，十萬大山南麓的東興市是有名的“雨窩”，該區(qū)域的短時強降水強度大，但范圍窄。而桂東南地區(qū)是臺風(fēng)進入廣西的重要通道之一，臺風(fēng)翻越過廣西廣東交界海拔500 m左右的云開大山、大容山和六萬大山后，長驅(qū)直入廣西腹地的平原和盆地，發(fā)生短時強降水的強度就要比其他地區(qū)要高。所以該地區(qū)的極端短時強降水不僅強度大，而且范圍廣。桂東北地區(qū)為南嶺山地，北方冷空氣從東路路徑南下入侵廣西，常在該地區(qū)滯留成靜止鋒，鋒前的暖濕氣流受地形抬升，容易造成該區(qū)域出現(xiàn)對流性強降水，但由于離沿海較遠(yuǎn)，水汽不夠充沛，降水強度不大。雖然憑著高頻次的極端短時強降水，桂東北地區(qū)成為廣西年平均降水量和夏季降水量的4個高值區(qū)之一(《廣西天氣預(yù)報技術(shù)和方法》編寫組，2012)，但該區(qū)域的極端短時強降水強度與年降水量和夏季降水量沒有正相關(guān)關(guān)系。桂西地區(qū)的左江、右江河谷雖然也處于廣西內(nèi)陸，但沿著云貴高原邊緣南下的西路冷空氣一旦和孟加拉灣北上的強盛西南暖濕氣流在該區(qū)域交匯，產(chǎn)生極端短時強降水的強度也比較高，但由于地形的關(guān)系，前汛期的冷空氣南下路徑偏東、西南氣流翻越十萬大山下沉增溫或后汛期的臺風(fēng)能夠影響該區(qū)域的次數(shù)不多，造成該區(qū)域極端短時強降水的頻次是全廣西最低的，該區(qū)域也是廣西最嚴(yán)重的旱區(qū)之一。

圖7 廣西地形高度(填色,單位:m)和國家氣象觀測站點(紅點)分布Fig.7 Distribution of topography(shaded,unit:m)and meteorological stations(red point)in Guangxi.

5.2 極端短時強降水和南海夏季風(fēng)的關(guān)系

進一步分析出現(xiàn)極端短時強降水頻次最多的5—6月份(圖8)發(fā)現(xiàn)，在5月第1候，極端短時強降水頻次不足40次，在5月第6候到6月第3候期間頻次迅速增加，最高的是6月第2候126次。發(fā)生極端短時強降水的測站也是在5月第6候到6月第3候期間從不足50站躍升到50站以上，6月第2候達(dá)到64站，超過半數(shù)的測站均出現(xiàn)極端短時強降水。

圖8 廣西5—6月極端短時強降水頻次、站數(shù)逐侯變化Fig.8 Variation of pentad precipitation frequency and number of stations of extreme short-time heavy rainfall in Guangxi from May to June.

為了揭示南海夏季風(fēng)和廣西極端短時強降水之間的關(guān)系，將南海夏季風(fēng)爆發(fā)時間與5—6月份極端短時強降水頻次最多的時間(均用候來表示)求取相關(guān)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者相關(guān)系數(shù)為0.53，并通過α=0.05的顯著性水平檢驗，極端短時強降水頻次最多的時間比南海夏季風(fēng)爆發(fā)時間平均晚2.4候。可見廣西短時強降水的發(fā)生頻次隨著南海夏季風(fēng)的爆發(fā)迅速增加。每年南海夏季風(fēng)爆發(fā)后，一方面西南急流強盛，熱帶輻合帶北抬，華南地區(qū)的季風(fēng)槽強烈發(fā)展，水汽源源不斷地輸送到廣西；另一方面北方南下鋒面系統(tǒng)依然活躍，實力尚存，冷暖空氣常常在廣西引發(fā)大范圍強降水，造成該時段的極端短時強降水總次數(shù)明顯多于其他時段。

5.3 極端短時強降水與厄爾尼諾/拉尼娜的關(guān)系

為研究厄爾尼諾/拉尼娜事件與廣西汛期極端短時強降水的相關(guān)性，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)在2005—2021年4—10月期間廣西發(fā)生的1 712次極端短時強降水(表2)，其中發(fā)生在厄爾尼諾月份(ONI≥0.5℃)的有315次，占比19%；拉尼娜月份(ONI≤-0.5℃)的有224次，占比12%；正常月份(-0.5℃＜ONI＜0.5℃)的1 173次，占比69%，雖然大部分極端短時強降水是在正常月份發(fā)生，但發(fā)生在厄爾尼諾月份要超過拉尼娜月份。平均每個厄爾尼諾月份發(fā)生13.7次極端短時強降水，拉尼娜月份發(fā)生9.7次，正常月份發(fā)生16.1次。可見，在汛期，厄爾尼諾月份和正常月份比拉尼娜月份廣西更容易產(chǎn)生極端短時降水事件。

表2 厄爾尼諾月份和拉尼娜月份極端短時降水分布Table 2 Distribution of extreme short-time heavy rainfall during El Ni?o and La Nia.

進一步將前一年6月份起逐3個月滑動平均的ONI分別與當(dāng)年的廣西汛期、前汛期、后汛期3個時期極端短時強降水頻次求相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表3?？梢钥闯?，前一年9—11月，10—12月，11—次年1月，12—次年2月，1—3月，2—4月逐3個月滑動平均的ONI和當(dāng)年的汛期極端短時強降水頻次的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.40左右，當(dāng)年3—5月，4—6月逐3個月滑動平均的ONI和當(dāng)年的汛期極端短時強降水頻次的相關(guān)系數(shù)上升到0.50~0.60，并通過α=0.05的顯著性水平檢驗；對于前汛期的極端短時強降水，該信號更加明顯。從前一年9月份起，到當(dāng)年3月份，兩者的相關(guān)系數(shù)超過了0.55，3—5月份的同期相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.64，并都通過α=0.05的顯著性水平檢驗。另外，4—6月、5—7月的ONI與后汛期的極端短時強降水同期相關(guān)系數(shù)也超過0.50，并通過α=0.05的顯著性水平檢驗。表明前一年秋冬季的ONI和當(dāng)年汛期和前汛期的極端短時強降水頻次密切相關(guān)，厄爾尼諾月份更容易產(chǎn)生極端短時降水事件。厄爾尼諾/拉尼娜事件與廣西汛期極端短時強降水密切相關(guān)，海溫變化對廣西汛期特別是前汛期極端短時強降水產(chǎn)生重要影響，前期海溫偏高(偏低)一定程度上導(dǎo)致了汛期的極端短時強降水頻次增多(減少)。

表3 廣西ONI和汛期、前汛期、后汛期極端短時強降水頻次的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficient between ONI index and extreme short-term heavy precipitation frequency of Guangxi in flood season,pre flood season and post flood season.

6 結(jié)論

利用2005—2021年汛期國家氣象站1 mm以上逐小時降水量數(shù)據(jù)，對廣西極端短時強降水的特征進行分析，得出主要結(jié)論如下：

(1)廣西超過80%站點的極端短時強降水強度在40~70 mm·h-1之間，強度和頻次最高均出現(xiàn)在沿海地區(qū)，頻次次高區(qū)域為桂東北地區(qū)，但其強度為全區(qū)最低；桂西北地區(qū)的強度也較高，頻次卻很低；桂西南地區(qū)不僅強度較小，頻次也是最少，這應(yīng)在短時強降水預(yù)報中給予關(guān)注。

(2)每年極端短時強降水呈增多趨勢，每個站每2 a大約會出現(xiàn)1~3次極端短時強降水；每年5、6月份極端短時強降水頻次最高，約占全年1/2，但各個月份強度變化不大，均在55 mm·h-1左右。

(3)每日04—05時、17—18時的極端短時強降水頻次最高，各個時次強度均在50~55 mm之間，差別不大。前汛期最容易出現(xiàn)極端短時強降水的時段是04—05時，而后汛期最容易出現(xiàn)極端短時強降水的時段是17—18時。

(4)廣西極端短時強降水特征不僅與地形密切相關(guān),而且隨著南海夏季風(fēng)的爆發(fā)，從5月第6候起，發(fā)生極端短時強降水的站點和頻次迅速增加。

(5)厄爾尼諾事件與廣西極端短時強降水呈正相關(guān)，海溫變化對廣西汛期特別是前汛期極端短時強降水產(chǎn)生重要影響，前期海溫偏高(偏低)一定程度上導(dǎo)致了汛期的極端短時強降水頻次增多(減少)。前期的ONI可作為汛期或前汛期極端短時強降水預(yù)測的關(guān)鍵因子。

需要指出的是，本文僅選擇了近十幾年廣西區(qū)內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)，由于樣本長度對極端降水背景研究有一定影響，下一步將收集更加完善的更長時間序列的小時降水資料，對廣西極端短時強降水變化特征進行進一步總結(jié)和分析，并加強在廣西短時強降水概率預(yù)報業(yè)務(wù)上的應(yīng)用。