湖北省夏季小時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布特征

諶 偉，劉佩廷，徐迎春，張 麗，楊海鵬，曹恒煜

（武漢市氣象局，武漢 430040）

湖北省地處長江中游，西、北、東三面環(huán)山，中部平原向南敞開，長江自西向東橫貫全省，漢江自西北向東南與之交匯于鄂東大城市核心地帶（圖1），強(qiáng)小時(shí)雨強(qiáng)在山區(qū)易造成山洪、泥石流、滑坡等次生災(zāi)害，在人口密集的平原、沿江低洼地帶又易形成嚴(yán)重內(nèi)澇，財(cái)產(chǎn)損失、人員傷亡屢見不鮮，且湖北省不同區(qū)域強(qiáng)降水特征差異明顯。因此，利用逐時(shí)降水資料研究湖北省小時(shí)強(qiáng)降水特征非常重要。

學(xué)者們利用小時(shí)降水資料進(jìn)行降水的年際變化、日變化、強(qiáng)度特征、持續(xù)性分析時(shí)，大多是對(duì)強(qiáng)、弱降水一起進(jìn)行綜合性分析［1-15］。近年來，部分學(xué)者針對(duì)強(qiáng)小時(shí)雨強(qiáng)特征進(jìn)行專門研究，郝瑩等［16］通過定義安徽省典型短時(shí)強(qiáng)降水過程，總結(jié)建立了低槽東移型、西北氣流型、臺(tái)風(fēng)型3類天氣概念模型；司波等［17］認(rèn)為廣義帕雷托分布（GPD）優(yōu)于廣義極值分布（GEV）對(duì)四川盆地小時(shí)極端降水的擬合；陳炯等［18］分析認(rèn)為中國短時(shí)強(qiáng)降水頻率、強(qiáng)度日變化有3個(gè)峰值，華南、川西強(qiáng)降水頻率最高，不同區(qū)域強(qiáng)降水活躍時(shí)段和傳播特征不同；吳翠紅等［19］統(tǒng)計(jì)定義了約10年湖北省短時(shí)強(qiáng)降水過程，歸納了干侵入型、干混合型、干鋒生型和暖干型4種天氣概念模型；段鶴等［20］統(tǒng)計(jì)云南省≥30 mm/h強(qiáng)降水個(gè)例，建立低質(zhì)心弱輻合型、低質(zhì)心輻合型、高質(zhì)心3類短時(shí)強(qiáng)降水概念模型；王囝囝等［21］分析認(rèn)為大連市短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生次數(shù)具有明顯的區(qū)域特點(diǎn)，并探討了天氣尺度環(huán)流背景與預(yù)報(bào)指標(biāo)等；李燕等［22］研究發(fā)現(xiàn)遼寧省短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生次數(shù)與年降水總量分布對(duì)應(yīng)，且與地形、西南氣流盛行風(fēng)向密切聯(lián)系；李強(qiáng)等［23］研究顯示川渝盆地小時(shí)強(qiáng)降水多發(fā)生于龍山、雅安等山地與平原之間的過渡區(qū)；周秋雪等［24］使用一次線性、二次多項(xiàng)式擬合方法得出四川省短時(shí)強(qiáng)降水頻次及雨強(qiáng)極值均隨海拔高度減少，強(qiáng)降水高強(qiáng)小時(shí)雨強(qiáng)多發(fā)于從四川盆地向山脈過渡的縱向陡峭地形區(qū)；李強(qiáng)等［25］研究認(rèn)為四川低渦暴雨過程中的短時(shí)強(qiáng)降水事件具有明顯的不對(duì)稱性。中國強(qiáng)小時(shí)雨強(qiáng)研究多集中于川西地區(qū)，而對(duì)湖北省的相關(guān)研究較為鮮見，且現(xiàn)有研究資料時(shí)長較短，氣候代表性不強(qiáng)，需要進(jìn)行系統(tǒng)性的深入分析。

本研究利用近35年湖北省夏季（6—8月）逐小時(shí)降水資料，分析湖北省小時(shí)強(qiáng)降水頻次、強(qiáng)度及持續(xù)性等方面的時(shí)空分布特征，以提高對(duì)該省復(fù)雜地形下小時(shí)強(qiáng)降水演變規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

1 資料與方法

數(shù)據(jù)源于湖北省信息與技術(shù)保障中心提供的1983—2017年湖北省74個(gè)國家氣象觀測站的逐小時(shí)降水資料集，經(jīng)過質(zhì)量控制，站點(diǎn)分布相對(duì)均勻（圖1）。主要研究≥20、≥30、≥50 mm/h的3種不同等級(jí)小時(shí)雨強(qiáng)。當(dāng)1個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)≥20 mm/h強(qiáng)降水，強(qiáng)降水開始前、結(jié)束后至少2 h內(nèi)沒有降水發(fā)生，降水持續(xù)時(shí)間≤24 h，此降水過程定義為1次強(qiáng)降水事件［23］。強(qiáng)降水事件頻次為統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)的事件次數(shù)。強(qiáng)降水頻次為統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)小時(shí)強(qiáng)降水的次數(shù)。

圖1 湖北省氣象觀測站高度及空間分布和地形疊加

2 結(jié)果與分析

2.1 不同等級(jí)小時(shí)雨強(qiáng)年際變化

從湖北省不同等級(jí)小時(shí)雨強(qiáng)年頻次變化（圖2）可以看出，其不僅具有一致性特征，而且年際變化特征明顯。≥30 mm/h與≥20 mm/h雨強(qiáng)年頻次相關(guān)系數(shù)為0.95，≥50 mm/h與≥20 mm/h雨強(qiáng)年頻次相關(guān)系數(shù)為0.70，均通過0.01顯著性水平檢驗(yàn)，相比較而言，≥50 mm/h與≥20 mm/h和≥30 mm/h具有較好的一致性趨勢，同時(shí)也存在一定的年際差異，原因可能是所代表的天氣系統(tǒng)尺度不完全相同，≥20 mm/h的降水一般是中小尺度系統(tǒng)造成，而≥50 mm/h的降水主要是小尺度系統(tǒng)導(dǎo)致［18］。從年際變化特征上來看，20世紀(jì)80年代低位振蕩，20世紀(jì)90年代為增長趨勢，21世紀(jì)初期低位振蕩，之后振蕩幅度加大。1983—2017年≥20、≥30 mm/h和≥50 mm/h強(qiáng)降水年平均頻次分別為254、94、16次。不同等級(jí)雨強(qiáng)年頻次在主要洪澇年份1998、2016年容易出現(xiàn)極值，≥50、≥30 mm/h年頻次極值出現(xiàn)在1998年，≥20 mm/h年頻次極值出現(xiàn)在2016年。

圖2 湖北省夏季不同等級(jí)雨強(qiáng)年頻次變化

2.2 不同等級(jí)小時(shí)雨強(qiáng)旬變化

由湖北省夏季不同等級(jí)雨強(qiáng)頻次的旬變化（圖3）可以看出，3類雨強(qiáng)的旬頻次變化具有較好的一致性，≥20 mm/h與≥30 mm/h、≥20 mm/h與≥50 mm/h雨強(qiáng)旬頻次變化相關(guān)系數(shù)分別為0.93、0.77，均通過了0.01顯著性檢驗(yàn)；旬頻次均從6月中旬開始躍升，8月中旬開始回落，期間高位振蕩。湖北省梅雨期一般6月中旬開始，小時(shí)強(qiáng)降水頻次隨之增長，但7月上旬隨著湖北省梅雨期的結(jié)束進(jìn)入盛夏，卻沒有減少，反而在高位振蕩，原因在于梅雨期雖然出現(xiàn)多系統(tǒng)性降水過程，但盛夏期也多發(fā)局地?zé)釋?duì)流，而≥50 mm/h雨強(qiáng)旬頻次極值出現(xiàn)在盛夏，則說明充足的熱力條件下更易發(fā)生強(qiáng)小時(shí)雨強(qiáng)。

圖3 湖北省夏季不同等級(jí)雨強(qiáng)頻次旬變化

2.3 不同等級(jí)小時(shí)雨強(qiáng)日變化

湖北省夏季不同等級(jí)雨強(qiáng)的頻次逐時(shí)變化如圖4所示，日變化均具有雙峰型特征?！?0 mm/h和≥30 mm/h雨強(qiáng)的日變化中，一個(gè)頻次峰值出現(xiàn)在下午至傍晚時(shí)段（17：00—20：00），分別為507、200次，出現(xiàn)在20：00，另一個(gè)峰值出現(xiàn)在8：00，分別為447、167次；≥50 mm/h雨強(qiáng)的一個(gè)頻次峰值在夜間（20：00），為44次，另一個(gè)頻次峰值在早晨（8：00），為47次。湖北省小時(shí)雨強(qiáng)的雙峰型日變化特征與林春澤等［12］的研究較為一致，但傍晚前后這個(gè)連續(xù)性峰值時(shí)段反映更加清楚，形成這種雙峰型降水的原因主要是由青藏高原東移的天氣系統(tǒng)和局地?zé)崃?qiáng)迫所導(dǎo)致［1，8］。≥20 mm/h與≥30 mm/h、≥20 mm/h與≥50 mm/h雨強(qiáng)頻次的日變化相關(guān)系數(shù)分別為0.93、0.77，均通過了0.01顯著性檢驗(yàn)，表明3類雨強(qiáng)也具有較好的一致性。

圖4 湖北省夏季不同等級(jí)雨強(qiáng)頻次日變化

2.4 不同等級(jí)小時(shí)雨強(qiáng)空間分布

湖北省夏季3類不同等級(jí)雨強(qiáng)的強(qiáng)降水頻次空間分布如圖5所示。≥20 mm/h雨強(qiáng)中，≥120次高頻次區(qū)分布在鄂東以及恩施、宜昌局部地區(qū)，最大為麻城站，達(dá)186次；而鄂西北強(qiáng)降水頻次較小，最小頻次為十堰站，僅47次。≥30 mm/h雨強(qiáng)中，≥45次高頻次區(qū)較≥20 mm/h雨強(qiáng)略有西擴(kuò)，最大頻次為紅安站，達(dá)77次。≥50 mm/h雨強(qiáng)中，≥5次高頻次站點(diǎn)進(jìn)一步西擴(kuò)到鄂西山地，最大頻次為崇陽站，達(dá)18次。以上研究表明湖北省的小時(shí)強(qiáng)降水主要發(fā)生在鄂東，但隨著小時(shí)雨強(qiáng)的增大，高頻次站點(diǎn)隨之向西部擴(kuò)展。原因在于，湖北省的主水汽通道呈西南—東北走向，水汽由湘北向鄂東發(fā)展的西南低空氣流輸送，同時(shí)受大別山阻擋，鄂東夏季水汽條件充足，更有利于小時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生，當(dāng)小時(shí)雨強(qiáng)增大，對(duì)動(dòng)力和熱力條件的要求更高，水汽條件作用相對(duì)下降，鄂西高頻次站點(diǎn)也隨之增多。

圖5 湖北省夏季不同小時(shí)雨強(qiáng)的強(qiáng)降水頻次空間分布

僅從3類雨強(qiáng)的極大頻次（圖5紫色站點(diǎn)）來看，≥20 mm/h與≥30mm/h極為類似，主要出現(xiàn)在大別山西麓南側(cè)、幕阜山北側(cè)、鄂東沿江地帶（武漢-黃石），而≥50 mm/h極大頻次的增多站點(diǎn)主要出現(xiàn)在鄂西山地與江漢平原的過渡地帶。而夏季，湖北省的大別山與幕阜山之間、大別山南側(cè)、鄂西山地到江漢平原的斜坡式過渡地帶存在準(zhǔn)常定的地面中尺度輻合線或渦旋［26］。因此，特殊的地形條件也是造成小時(shí)強(qiáng)降水極大頻次站點(diǎn)的原因之一。

從湖北省最大小時(shí)降水出現(xiàn)的時(shí)空分布（圖6）來看，與≥50 mm/h雨強(qiáng)的強(qiáng)降水頻次較類似。時(shí)間上，最大小時(shí)降水主要出現(xiàn)在后半夜至早晨（3：00—8：00）和午后至傍晚（15：00—20：00）這兩段時(shí)間，站次分別為21、26次，分別占站數(shù)的28%和35%，尤其在17：00—20：00這段時(shí)間內(nèi)達(dá)21站次，占午后至傍晚出現(xiàn)站數(shù)的28%；空間上，≥100 mm/h主要分布于大別山西麓南側(cè)、幕阜山北側(cè)、鄂東沿江地帶、鄂西山地到江漢平原之間的斜坡過渡帶，極大值出現(xiàn)在大悟站，達(dá)139.8 mm/h。

圖6 極端小時(shí)降水量和出現(xiàn)時(shí)間分布

2.5 不同持續(xù)時(shí)間的強(qiáng)降水事件時(shí)間特征

不同持續(xù)時(shí)間≥20 mm/h強(qiáng)降水事件的頻次日變化如圖7a所示，存在2個(gè)顯著特征，一是下午到傍晚是短歷時(shí)強(qiáng)降水事件的高發(fā)期，二是長歷時(shí)強(qiáng)降水事件具有“夜發(fā)性”。強(qiáng)降水事件12：00發(fā)生頻次增多，峰值在14：00—20：00，持續(xù)時(shí)間多在6 h以內(nèi)，原因在于湖北省夏季午后至傍晚多發(fā)局地短時(shí)強(qiáng)降水；20：00前后，強(qiáng)降水事件發(fā)生頻次開始減少，但長歷時(shí)強(qiáng)降水事件在增多，這種現(xiàn)象持續(xù)至凌晨，對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)性強(qiáng)降水過程。不同持續(xù)時(shí)間強(qiáng)降水事件年變化如圖7b所示，頻次極大值（≥15次）持續(xù)時(shí)間基本在1～6 h，偏多年份為1983—1984、1994—2001、2007—2011年，近年已有進(jìn)入偏多期跡象，持續(xù)6 h以上的頻次減小較快，16～24 h持續(xù)性事件有增多趨勢。不同持續(xù)時(shí)間強(qiáng)降水事件年頻次也具有明顯的周期性變化，從持續(xù)3 h（圖8a）、16 h（圖8b）代表的短、長歷時(shí)Morlet小波轉(zhuǎn)換來看，正負(fù)值中心交替顯著，短歷時(shí)的年代際變化（≥10年）存在1個(gè)準(zhǔn)12年主振蕩模態(tài)，年代際以下尺度（＜10年）存在準(zhǔn)6年和準(zhǔn)2年的2個(gè)主振蕩模態(tài)；長歷時(shí)主要存在1個(gè)準(zhǔn)6年振蕩模態(tài)。

圖7 不同持續(xù)時(shí)間強(qiáng)降水事件日變化（a）和年變化（b）

圖8 持續(xù)3 h（a）、16 h（b）強(qiáng)降水事件年頻次小波變換實(shí)部（實(shí)線、虛線為正、負(fù)值）

2.6 長、短歷時(shí)的強(qiáng)降水頻次空間特征

將不同持續(xù)時(shí)間的≥20 mm/h強(qiáng)降水事件分為長（＞6 h）、短（≤6 h）歷時(shí)2類，分別提取各類事件中的強(qiáng)降水頻次，從站點(diǎn)分布（圖9a、圖9b）可以發(fā)現(xiàn)，①長歷時(shí)強(qiáng)降水高頻次站點(diǎn)（≥40次）多集中于鄂東地區(qū)，短歷時(shí)強(qiáng)降水高頻次站點(diǎn)分布范圍更廣，原因在于湖北省夏季系統(tǒng)性強(qiáng)降水過程多與西南低空急流有關(guān)，西南低空急流在湖北省的主要發(fā)展方向是鄂東地區(qū)，而夏季局地短時(shí)強(qiáng)降水的形成要更加多樣化。②短、長歷時(shí)強(qiáng)降水極大頻次站點(diǎn)（≥60次）的分布與地形有重要關(guān)聯(lián)，多位于湖北省馬蹄狀地形的東、西、北三面近山區(qū)域。短歷時(shí)強(qiáng)降水主要位于大別山東麓西側(cè)、幕阜山北側(cè)、鄂西山地到江漢平原的過渡地帶，這些靠近山區(qū)的地方白天盛行輻合性熱力氣流［8］，夜間存在山地與平原之間的溫度差異強(qiáng)迫［27，28］，還易出現(xiàn)準(zhǔn)常定的地面中尺度輻合線或渦旋［26］等；長歷時(shí)強(qiáng)降水主要位于大別山西麓南側(cè)、鄂東沿江地帶（武漢-黃石），這里是中尺度對(duì)流系統(tǒng)（MCSs）東移發(fā)展過程中常發(fā)生準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)的地區(qū)，原因在于其產(chǎn)生的雷暴出流易受大別山阻擋形成向后傳播［29-31］。

圖9 短（a）、長（b）歷時(shí)小時(shí)強(qiáng)降水頻次空間分布（圓點(diǎn)表示頻次）

3 小結(jié)與討論

本研究分析了湖北省夏季小時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征，主要結(jié)論如下。

1）湖北省夏季≥20、≥30、≥50 mm/h的3類小時(shí)雨強(qiáng)年頻次具有較好的一致性趨勢，在20世紀(jì)80年代低位振蕩，20世紀(jì)90年代為增長趨勢，21世紀(jì)初期低位振蕩，之后振蕩幅度加大。不同等級(jí)雨強(qiáng)年頻次極值出現(xiàn)在主要洪澇年份1998、2016年。

2）湖北省夏季≥20、≥30、≥50 mm/h的3類小時(shí)雨強(qiáng)年頻次均從6月中旬躍升，8月中旬回落，期間高位振蕩?！?0 mm/h旬頻次極值出現(xiàn)在盛夏而不是梅雨期，說明充足的熱力條件下更易發(fā)生強(qiáng)小時(shí)雨強(qiáng)。

3）湖北省夏季≥20、≥30、≥50 mm/h的3類小時(shí)雨強(qiáng)頻次日變化均具有雙峰型特征，分別出現(xiàn)在17：00—20：00和8：00，其中，傍晚前后的連續(xù)性峰值現(xiàn)象形成了一個(gè)持續(xù)性活躍強(qiáng)降水時(shí)段。

4）湖北省的小時(shí)強(qiáng)降水多發(fā)生在鄂東，隨著小時(shí)雨強(qiáng)增大，高頻次站點(diǎn)隨之向西部擴(kuò)展。原因在于夏季鄂東水汽條件更好，但強(qiáng)小時(shí)雨強(qiáng)對(duì)動(dòng)力和熱力條件的要求更高。特殊地形條件下的地面中尺度輻合線或渦旋是造成小時(shí)強(qiáng)降水極大頻次站點(diǎn)的重要因素。

5）不同持續(xù)時(shí)間強(qiáng)降水事件的頻次日變化顯示，下午到傍晚是短歷時(shí)強(qiáng)降水事件的高發(fā)期，蘊(yùn)涵眾多的局地短時(shí)強(qiáng)降水，而長歷時(shí)強(qiáng)降水事件具有“夜發(fā)性”，對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)性強(qiáng)降水過程；年頻次周期性特征顯著，短歷時(shí)存在準(zhǔn)12年、準(zhǔn)6年和準(zhǔn)2年的3個(gè)主振蕩模態(tài)，長歷時(shí)存在1個(gè)準(zhǔn)6年主振蕩模態(tài)。

6）長、短歷時(shí)強(qiáng)降水事件的強(qiáng)降水頻次分布顯示，長歷時(shí)高頻次站點(diǎn)多集中于鄂東地區(qū)，與湖北省夏季西南低空急流的發(fā)展方向有關(guān)，短歷時(shí)高頻次站點(diǎn)分布范圍更廣，在于夏季局地短時(shí)強(qiáng)降水的形成更加多樣；長、短歷時(shí)強(qiáng)降水極大頻次站點(diǎn)分布與湖北省的馬蹄狀地形有重要關(guān)系，短歷時(shí)主要位于大別山東麓西側(cè)、幕阜山北側(cè)、鄂西山地到江漢平原的過渡地帶，長歷時(shí)主要位于大別山西麓南側(cè)、鄂東沿江地帶（武漢-黃石）。