黔西南短时强降水时空特征分析

王 芬，王文勇，李 阳

（1.黔西南州气象局，贵州 兴义562400；2.贵州省山地气候与资源重点实验室，贵州 贵阳550002）

21世纪以来，极端天气事件频发，其中由短时强降水及暴雨过程所引发的山洪、泥石流等灾害造成的损失日益严重，而弄清楚短时强降水与暴雨的关系，对提高预报监测能力具有非常重要的意义。Yu等[1-2]分析了中国大陆的夏季降水日变化特征和降水持续时间的关系；Li等[3]分析了中国南方降水日变化的季节变化特征；白爱娟[4]发现青藏高原中部降水最大值集中在傍晚前后；李建[5]指出北京市夏季降水日变化在降水量和频次上均以午后至次日清晨为高值区，在中午前后为最低值；姚莉[6]发现4 mm·h-1以上雨强在南部沿海出现最多，且雨强出现频数的日变化在各地区不相同；周璇[7]认为短时强降水对总降水量的贡献率远大于其发生率，最活跃的区域位于华南沿海、海南岛，华南沿海和海南地区短时强降水的降水贡献率偏大更多是依赖于短时强降水的频发而不是其平均强度，而黄淮平原短时强降水的降水贡献率高的因素主要来自降水强度，暴雨日发生短时强降水的概率远高于雨日，平均有超过60% 的短时强降水事件发生在暴雨日。曾勇[8]认为新疆短时强降水主要发生在14—04时，7月最多。常煜[9]认为呼伦贝尔强降水阈值、事件及雨强均有自西向东偏南递增的分布，最强中心与地形关系密切。毛列尼·阿依提看[10]看把新疆的短时强降水分成3类：对流层高低层干而中层湿度大型、对流层中层干燥型、对流层整层湿度显著型。彭芳等[11]利用贵州1991—2009年汛期逐小时降水资料，发4—6月频数逐渐增大，7月维持，8—9月减少，一天中有3个相对较高时段。王芬等[12]研究表明贵州省黔西南州望谟县短时强降水逐月变化呈现明显的单峰型结构，6月是短时强降水最频繁发生的月份；短时强降水日变化呈三峰型结构，夜间是强降水集中发生时间，09—20时未出现短时强降水。

黔西南州地处贵州西南，属于亚热带湿润季风气候，位于云贵高原东侧，极端天气事件频发，其中因短时强降水及暴雨而诱发的洪涝灾害对人民生命财产造成非常严重的损失，因此对短时强降水和暴雨的研究十分必要。本文利用黔西南2006—2016年逐小时降水量，在区分量级的前提下，分析短时强降水的空间特征、多模态特征及日变化特征，比较了各个级别的短时强降水异同点，并就短时强降水与暴雨的关系也进行了初步探讨。

1 资料与方法

本文的研究对象为贵州省黔西南州地面气候降水资料数据集，选取贵州省黔西南区域资料完整的8个气象台站2006—2016年共11 a的逐小时降水资料，图1给出了8个台站的位置及海拔高度。

图1 黔西南8个台站位置分布

中央气象台将1 h降水量≥20 mm记为短时强降水[13]，根据此标准，本文将短时强降水分为3个等级：20 mm≤小时降水量<40 mm，40 mm≤小时降水量<60 mm，小时降水量≥60 mm。对黔西南州8个县级气象站各个等级的逐小时强降水强度及频次进行了统计，采用相似系数来表示短时强降水频次与暴雨日数二者空间分布图的相似程度[14]。

2 短时强降水时空分布特征

2.1 空间分布特征

图2给出了黔西南州近11 a短时强降水累计频次空间分布，从图2a可以看出，黔西南短时强降水呈现“东多西少”的空间特征，全州8县市共发生过569次短时强降水，发生频次最多的是望谟91次，占全州初夏所有短时强降水频次的16% ，其次为册亨，达到85次，占15% ，贞丰最少59次。20～40 mm/h频次的空间特征为“东多西北多西南少”（图2b），共发生过494次，发生频次最多为册亨76次，占所有该级别短时强降水总频次的15% ，其次为望谟、晴隆，70次，占14% ，兴义最少，仅有49次，占10% 。40～60 mm/h频次的空间特征为“东多西少”（图2c），共发生过70次，最多为望谟，达到20次，占该级别总频次的28.5% ，其次为晴隆13次，占18.5% ，普安最少为2次。60 mm/h以上频次发生几率很少，近11a来仅发生过8次（图2d），发生最多的为册亨及晴隆，但也仅有2次，而兴仁、贞丰近11 a来从未发生过大于60 mm/h的短时强降水。

图2 短时强降水累计频次空间分布

综合图2比较分析可知，黔西南州的短时强降水主要集中在20～40 mm/h，占所有累积频次的87% ，20～40 mm/h、40～60 mm/h及总频次的空间基本特征均为“东多西少”，东部的册亨、望谟及北部的晴隆这三个区域的短时强降水明显多于西部及西南部的兴义、安龙、普安。

图3给出了春季、夏季、秋季的20 mm/h以上短时强降水累积频次的空间分布，由图3a可以看出，春季短时强降水频次呈现“东多西少”的特征，区域平均13次，东部的册亨、望谟最多21次，兴义最少仅有2次。夏季短时强降水频次明显增多（图3b），区域平均50次，大值区集中在东北部的望谟、晴隆，其中晴隆最多64次，安龙最少39次。秋季短时强降水明显减少，平均8次，大值区集中在南部的册亨14次（图3c）。

2.2 月和季节变化特征

按月对短时强降水频次进行统计可知，全年3—11月均会出现短时强降水，但主要出现在5—8月，共发生过535次，占短时强降水总频数的94% ，6月最多，占全年短时强降水频次的33% ，其次为7月，占20% ，5月和8月接近，分别为16% 和16.8% 。20～40 mm/h级别的短时强降水呈现单峰结构，在6月达到峰值（155次），7月次之（100次）。40～60 mm/h级别的主要出现在5—9月，其中最多的是6月（31次），5月次之（16次），即此级别的短时强降水在初夏发生最多，占所有该级别短时强降水的67% 。60 mm/h以上的短时强降水出现在6—9月，6月、7月最多，为3次，此级别的短时强降水主要发生在夏季，共发生了7次，占该级别的87.5% 。黔西南州短时强降水都是在6月到达峰值，频发时段在夏季及春末，冬季没有发生过短时强降水。

分析春季、夏季、秋季的3个级别短时强降水的累积频次可知，夏季短时强降水最多，共出现398次，占所有短时强降水的70% ，春季次之，冬季没有出现过短时强降水。3个级别的短时强降水都是在夏季最多，20～40 mm/h级别的短时强降水发生频次明显大于其它级别的，＞60 mm/h的短时强降水只在夏季出现过。

2.3 日变化特征

图4给出了短时强降水累积发生频次的日变化特征，黔西南近11 a短时强降水累计出现569次，出现的主要时段在夜间，夜间出现400次，占70% ，主要集中时段为20时—次日04时（北京时，下同），在01—02时达到峰值，发生 53次，占9.3% ，其次为00—01时，达到51次，占9% （图4a）。白天为短时强降水的低发时段，共发生过169次，占30% 。分析图5b可知，20～40 mm/h短时强降水累计出现频次为494次，出现的主要时段也是在夜间，为344次，占70% ，主要集中时段为20—04时，在00—02时达到峰值，发生 42次，占8.5% ，其次为23—00时，共40次，占8.1% 。白天为短时强降水的低发时段，发生的累计频次为150次，仅占30% 。分析可知，40～60 mm/h短时强降水累计出现频次迅速下降，仅为70次，出现的主要时段也是在夜间，共56次，占该级别所有短时强降水的80% ，主要集中时段为22—次日02时，在夜间的01—02时达到峰值，发生10次，占14.3% ，其次为00—01时，达到9次，占12.8% 。白天为短时强降水的低发时段，共发生14次，占20% 。60 mm/h以上短时强降水共出现8次，夜间出现5次，主要时段为20—01时，占63% ，白天3次，其中19—20时出现最多为2次。

图3 不同季节短时强降水频次空间分布

把一天分为4个时次，上午（08—14时）、午后（14—20时）、前半夜（20—02时）、后半夜（02—08时），统计发现前半夜短时强降水出现次数最多，达到260次，占所有短时强降水的46% ，后半夜次之，出现过140次，占25% ，下午出现过137次，占24% ，上午出现的最少，仅占5% 。分析图4b发现，20～40 mm/h级别的短时强降水在一天中任何时次都会出现，前半夜最多，午后及后半夜次之，上午最少，40～60 mm/h的在午后至后半夜均会出现，前半夜最多，而＞60 mm/h的短时强降水在前半夜出现最多，在后半夜没有出现过。

2.4 多模态特征

图4 近10 a初夏短时强降水频次日变化

对黔西南近11 a短时强降水累计频次进行EOF分解，对累积方差贡献率及其特征根进行了统计，采用North等[15-17]提出的计算特征值误差范围的方法对前8个模态进行了显著性检验，第一模态方差贡献率为90.6% ，前3个模态方差贡献率为96.1% ，表明黔西南短时强降水频次的空间分布特征主要由第一模态来表现，累积方差达到90% 时最少需要1个主分量，North检验表明前8个模态中的仅有第1个通过了显著性检验。图5为短时强降水累计频次前3个模态特征向量空间分布。由图5a可知，第一特征向量场呈现出明显的全州一致同位相分布特征，短时强降水发生频次趋于一致，大值区位于东南部一带，这种全区一致的特征值占总体方差的90.6% ，很明显这是受大尺度天气系统影响造成的。第二特征向量场方差贡献率占2.9% ，表现为中部到东北一线与其余地方反向变化特征（图5b），即当中部到东北一线短时强降水发生频次异常偏多（少）时，其余地区异常偏少（多），这可能是地形原因造成的。第三特征向量场方差贡献率占2.6% ，表现为东北—西南反向变化特征（图5c），这也可能是受地形原因造成的。

3 暴雨与短时强降水的关系

3.1 短时强降水对暴雨的贡献

统计近11 a暴雨站次与短时强降水发生频次发现（图6），近11 a黔西南州8县站累计发生351站次暴雨天气过程，其中有238次暴雨过程伴有短时强降水，占68% ，112次暴雨过程没有短时强降水发生，占32% 。这238站次暴雨过程中累计发生短时强降水319次，169次暴雨过程中仅伴有1次短时强降水，占所有暴雨过程的48% ，58次暴雨过程中有2次短时强降水，占17% ，10次暴雨过程伴有3次短时强降水，仅1次暴雨过程中伴有4次短时强降水。

图5 近10 a初夏短时强降水累计频次前3个模态时空变化

3.2 空间相关性

黔西南近11 a发生的351站次暴雨过程中，有239次伴随有短时强降水，累计出现319次（表1），对8县站暴雨日数与短时强降水累积频次求相关系数，发现二者的相关系数为0.94，通过了0.05的显著性水平检验。

表1 8县站暴雨日数与短时强降水出现的频次

暴雨日数与暴雨过程中出现的短时强降水累计频次相关系数的空间分布见图7，阴影区为相关系数通过0.05显著性水平检验的区域。暴雨日数与短时强降水频次有很好的正相关，8个县站均通过了0.05的显著性检验，其中兴义、望谟的相关系数最高为0.9，普安、贞丰最低为0.6，这充分说明全州各县的暴雨与短时强降水关系非常密切，二者为显著的正相关关系。

图6 暴雨站次与其中伴有短时强降水出现的次数的对比

分析近11 a所有短时强降水累积频次空间分布、暴雨总日数及暴雨过程中出现的短时强降水总频次的空间分布发现（图8），三者的空间分布基本特征均为“东多西少”，其中短时强降水累积频次与暴雨日数的空间相似系数为0.7，与暴雨过程中出现的短时强降水频次空间分布相似系数达到0.9，这表示它们的空间分布特征基本一致。

3.3 暴雨量与对应最大雨强的关系

图9给出了暴雨量及当日最大雨强的散点图，并作了拟合，分析可知，二者为正相关关系，线性斜率为0.20，解释方差为0.28，二者的相关系数为0.53，通过了0.05的显著性水平检验。近11 a来黔西南共发生过351站次暴雨天气过程，其中有239次伴有短时强降水，这239次中有180次最大雨强为20～40 mm/h，55次最大雨强为40～60 mm/h，4次最大雨强在60 mm/h以上。当最大雨强为20～40 mm/h时，降水量多集中在100 mm/h以下，而＞100 mm的大暴雨过程中其最大雨强也较大，有15次大暴雨在20～40 mm/h之间，17次在40～60 mm/h之间，而5次伴有60 mm/h以上的短时强降水中有4次造成了大暴雨天气，一次特大暴雨天气。

图7 暴雨日数与短时强降水的相关系数

图8 短时强降水频次与暴雨日数时空分布对比

图9 暴雨量与最大雨强的散点图

4 结论

（1）近11 a黔西南短时强降水集中在20～40 mm/h，占所有频次的87% ，20～40 mm/h、40～60 mm/h及总频次的空间基本特征为“东多西少”。夏季短时强降水最多（达50次），其次为春季13次，秋季最少。

（2）短时强降水主要出现在5—8月，3个级别的短时强降水都是在6月或夏季到达峰值。20～40 mm/h级别的短时强降水出现的频次最多，＞60 mm/h的短时强降水只在夏季出现过。70% 的短时强降水出现在夜间，主要集中时段为20—04时：前半夜短时强降水出现次数最多，占所有短时强降水的46% ，后半夜次之，占25% ，上午出现的次数最少，且3个级别的短时强降水都是在前半夜出现最多。

（3）EOF分解表明短时强降水第一特征向量场呈现出明显的全州一致同位相分布特征，第二特征向量场表现为中部到东北一线与其余地方反向变化特征，第三特征向量场表现为东北～西南反向变化特征。

（4）近11 a黔西南州68% 暴雨天气中都伴有短时强降水，短时强降水出现的次数在1～4次之间，大部分暴雨过程中仅伴有1～2次短时强降水，有10次暴雨过程伴有3次短时强降水，仅1次暴雨过程中伴有4次短时强降水。短时强降水累积频次、暴雨日数与暴雨过程中出现的短时强降水的频次三者的空间分布基本特征均为“东多西少”，其中短时强降水频次与暴雨日数的空间相似系数为0.7，暴雨日数与暴雨过程中出现的短时强降水频次空间分布相似系数为0.9。暴雨量与当日最大小时降水量为显著正相关关系，239次伴有短时强降水的暴雨过程中180次最大雨强为20～40 mm/h，55次为40～60 mm/h，有4次最大雨强在60 mm/h以上；当最大雨强为20～40 mm时，其降水多集中在100 mm以下，而＞100 mm的大暴雨过程中其最大小时雨强也较大，有15次大暴雨在20～40 mm/h之间，17次在40～60 mm/h之间。

黔西南短时强降水成因复杂，特别是在贵州复杂的地形条件下，其影响因子更多，本文仅分析了短时强降水的多尺度特征，其发生发展的机理将是下一步的研究方向。