商丘市短时强降水特征分析以2012—2017年例

杨林博 汤晨冰

摘 要：利用商丘市2012—2017年5—9月34个气象站的逐小时降水资料对商丘市不同等级短时强降水的时空分布特征进行了分析。研究结果表明：2012—2017年，商丘市短时强降水频次的年际变化呈线性增加趋势，且随着强降水等级增加，各等级降水频次减小，年际波动增大;月变化上（5—9月）平均次数先增加后减少，各等级短时强降水均在7月份出现地最为频繁，高等级的短时强降水主要出现在7—8月，其他月份较少;日变化上，短时强降水发生频次呈双峰分布，其中傍晚到夜里是高发时段。短时强降水的总频次在空间上分布不均，城郊差异比较明显，其分月变化有明显的东西向位移规律;≥20mm/h和≥40mm/h等级短时强降水高发区的空间分布较为一致，位于商丘市主城区及其下游。

关键词：商丘市;短时强降水;时空分布;降水频次

中图分类号：S161

文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190930049

引言

气候变暖导致暴雨、洪涝、滑坡、泥石流等自然灾害的发生频率显著增加，相对于降水量，这些灾害与降水强度的关系更为密切[1]，尤其是短时强降水事件，有突发性强、雨势猛、降水强度大、致灾风险高等特点，极易诱发城市内涝、山体滑坡、泥石流等灾害。2010年8月7日，甘肃省舟曲县发生特大山洪泥石流灾害，舟曲县东山站降水量达96.3mm，其中22∶00—23∶00 1h降水量达77.3mm;2016年7月9日，河南省新乡市遭遇特大暴雨，过程6h最大降水量为399.1mm，其中关堤乡雨量站05∶00—06∶00 1h 降水量高达132.7mm，均突破新乡同类指标历史极值，引发了极为严重的城市内涝。极端灾害的频繁发生，降水极值的不断突破，预示着正面临越来越严峻的防灾减灾形势，因此极端降水事件一直以来都受到研究者的重点关注;许多学者也对此进行了研究并取得了有指导意义的成果[2-5]，但大多数都是从降水量及其年、月、日时间尺度上的变化来进行研究，具体到小时尺度上，从全省范围内进行研究的相对较多[6-8]，地市级的明显要少;由于小时降水资料的获取和处理相对日降水资料要麻烦很多，因为区域雨量站的建设较晚，降水资料的空间密度不够高，不足以支撑相对精细化的研究。现如今社会对防灾减灾的要求越来越高，提升灾害预报预警和评估的精细化程度既是未来的发展趋势，更是当下社会的迫切需求，故本文对2012—2017年商丘市短时强降水的特征进行了研究。

1 研究区和资料

商丘市地处黄淮海平原，属温带大陆性季风气候，降水主要集中在夏季，占全年降水量的54%，且暴雨和短时强降水事件频发，其最明显的影响是城市内涝。在对气象资料进行统计后，考虑到资料的连续性和一致性，选择2012—2017年商丘市汛期（5—9月）国家站和区域站的逐小时降水资料来进行研究，站点共计34个，其中国家站8个，区域站26个。

短时强降水是指1h降水量达到20mm或20mm以上的降水事件，此处根据每个小时内降水量的大小，将短时强降水划分为20、40、60和≥80mm/h 4个等级，其中20mm/h等级是指小时降水量大于等于20mm小于40mm的降水，40、60、≥80mm/h等级别与此类似。统计2012年以来34个站点汛期（5—9月）各等级短时强降水出现的次数，如某站在某个时次出现了大于等于20mm/h小于40mm/h雨强的降水，另一时次也出现了同样量级的降水，则次数累加，最终统计到的次数作为20mm/h等级短时强降水的总频次，其他等级短时强降水频次统计方法与此类似。

2 短时强降水时间分布特征分析

2.1 短时强降水的年变化

统计每年≥20 mm/h等级短时强降水的次数，可见从2012—2017年短时强降水的年频次呈“V”形变化（图1），2012—2014年逐年减少，2015年略微增加，2016年开始明显增加，其中2014—2015年整体上处于一个低谷期，短时强降水频次相较其他年份明显偏少， 平均每站只有1～1.5次，2016年开始平均每站可达到3次以上。从线性变化来看，短时强降水的频次有明显的逐年上升趋势。

标准差率可以表征资料中多个资料值的偏离程度，采用标准差与平均数的比值来计算，可以考察不同等级短时强降水的年际变化情况。表1中列出了商丘市4类短时强降水出现的平均次数、次数标准差和标准差率。从表中可以看出，商丘市平均每年出现≥20mm/h等级的短时强降水80.17次，其中20mm/h等级66.0次，40mm/h等级11.5次，60mm/h等级2.0次，80mm/h以上等级0.67次;从标准差率来看，20mm/h等级最小，40mm/h等级增加到68.61%，60和80mm/h以上等级增加到100%以上，说明随着降水等级增加，相应级别的强降水出现的频次减小，年际波动增大。具体到各站上，平均每站每年汛期出现20mm/h强降水1.94次，40mm/h强降水0.34次，更高等级的短时强降水平均每站出现次数较少。

2.2 短時强降水的月变化

从2012—2017年汛期各月短时强降水平均出现次数来看（表2），5—9月短时强降水的频次先增加后减少，7月最高达到45.67次，占总次数的56.8%，远大于其他月份的次数，其次是8月份，占总次数的27.0%，其他月份相对较少;这是因为随着副热带高压北抬，7月份商丘市进入主汛期，对流性天气增多，短时强降水出现频次相应增加。从标准差率来看，5、6和9月的年际波动都较大，主汛期7—8月的相对较小，说明商丘市短时强降水在7—8月出现的更为稳定。

统计不同等级短时强降水在各月的分布（表3），可以看出，各等级短时强降水的月平均出现次数均为7月份最多，8月份次之，特别是60mm/h的短时强降水，7月份的比例占到了75%;各月短时强降水均以20mm/h为主，5月份未出现过40mm/h以上的强降水，6月份未出现过80mm/h以上的强降水，这是因为此时为华南前汛期和江淮梅雨季，雨带偏南，不太容易出现高级别的短时强降水;80mm/h以上的短时强降水只出现在7月和8月，此时为华北汛期，副高西侧西南季风盛行，水汽充足，在有利的触发条件下，易出现短时强降水;9月份未出现过60mm/h以上的强降水，此时副高南退，雨带南落，短时强降水随即减少。

从7月份各日平均出现短时强降水的频次看（图2），2012—2017年7月份月内有3个短时强降水的高发期，分别是4—8日、15—20日、30—31日，分别对应该月的第2、4、6候;说明商丘市7月份在这3个时段内易出现降水过程，并伴随短时强降水的出现。

2.3 短时强降水的日变化

统计1d内短时强降水在各时次的出现次数，并计算其占全天出现的总次数的比例（图3），发现1d内各个时次均有可能出现短时强降水。5、6和9月短时强降水在早上6∶00—8∶00和晚上18∶00—22∶00左右均有1个小高峰期;7月整体上有2个高峰期，分别在凌晨到早上（0∶00—8∶00）和傍晚到夜里（17∶00—23∶00）这段时间，也可理解为当天傍晚到第2天早上均为短时强降水的高峰期，时间跨度达到15h;8月份短时强降水主要发生时段为下午到夜里（15∶00—23∶00），时间跨度8h，較7月份明显要短;从整个汛期的分布来看，短时强降水的发生时段呈双峰分布，分别为6∶00—8∶00和16∶00—23∶00，其中傍晚到夜里（16∶00—23∶00）这段时间占的比例更高，最高峰出现在20∶00，占全天出现总频次的8.94%，通常在这段时间内，由于白天升温高，可累积较多的不稳定能量，一旦水汽条件充足，在有利的条件下，易产生伴随短时强降水的对流性天气;而在6∶00—8∶00，由于凌晨地面降温比较厉害，而这时刚刚开始升温，低层容易有逆温层的存在，在有利的条件下，也容易有强降水天气产生。

20mm/h和40mm/h等级短时强降水的日变化上（图4），也是呈现出双峰结构，20mm/h集中出现在5∶00—8∶00和16∶00—23∶00，40mm/h集中出现在6∶00—8∶00和16∶00—21∶00;其中20mm/h最多出现在20∶00，11∶00出现最少;40mm/h最多出现在18∶00，9∶00、10∶00、11∶00未出现过。60mm/h等级短时强降水突发性较强，在1d内多个时段均有出现;≥80mm/h等级短时强降水截至目前共出现4次，其中3∶00、20∶00各1次，19∶00 2次，相对来说19∶00—20∶00之间发生的频率较高。各等级短时强降水均在上午9∶00—11∶00之间有一个低谷期，19∶00—20∶00之间有一个高峰期。

3 短时强降水空间分布特征分析

从商丘市2012—2017年汛期各站出现≥20mm/h等级短时强降水总次数的空间分布情况看（图5），强降水主要出现在2个区域：梁园区—虞城县北部—睢阳区东部，各站次数均在15次以上，其中强降水高发区在商丘市主城区一带，次数最多的为商丘国家基准站，共计29次，其次为金世纪广场站，共计24次;夏邑县东北角-永城市东部，高发区位于永城市区至茴村一带，次数最多的为茴村站，共计20次。整体来看，中部和东部的短时强降水出现次数明显较西部多，西部地区大多站点出现次数都在12次以下。

≥40mm/h等级短时强降水总频次的空间分布基本与≥20mm/h等级分布一致，只是整体范围明显小了很多;高发区域有2个，商丘市主城区—虞城县北部，另一处位于永城市东部，次数最多的为金世纪广场站，共计8次;民权县为≥40mm/h等级短时强降水的低发区，有3个站6a内未出现过该等级的短时强降水。

结合实际城市建成区分布情况可以发现，商丘市短时强降水总频次的城郊差异比较明显（图6），不少研究都已经指出城市化对一个地区降水的空间分布有明显影响[9-11]。城市中建筑物空调、汽车尾气加重了热量的超常排放，使城市上空形成上升气流，这些局地气流的上升有利于对流性降水的发生、发展;城区空气中凝结核多，大核（如硝酸盐）存在时有促进暖云降水的作用，同时城市下垫面粗糙度大使降水系统移动减慢，延长了城区降水时间。针对世界各地城市群的研究结果表明，城市化会导致城区及其下风方向数十公里范围降水的增加[12]。商丘市汛期多受副热带高压影响，降水系统移动路径主要为西北—东南和西南—东北，系统经过主城区时，更容易形成短时强降水，并对其下游地区也产生影响。

从各月≥20mm/h等级短时强降水的平均频次空间分布图看（图7），各月特点都比较明显。5月短时强降水自西向东分布较为零散，但主要分布在东部永城市;6月空间分布范围有所扩大，高发区还是位于东部，此外中部和西部地区出现短时强降水的站点明显增多;7月是强降水发生最广泛和平均频次最高的时段，强降水高发区西移到中部梁园区和睢阳区东部，城市建成区成为高发区，平均达到2次以上;8月份强降水分布范围依旧比较广泛，高发区回退到虞城县北部和永城市，平均频次相较7月份有所下降;9月份强降水发生范围大大缩小，仅在梁园区和虞城县北部有小范围的分布。

综上，5—7月短时强降水发生范围逐渐扩大且高发区西移，平均降水频次逐月增加，8月范围有所缩小且高发区东退，平均频次下降，9月的分布范围和平均发生频次均大幅下降;根据不同月份强降水分布差异，可有针对性的做好相关高发区的强降水及其衍生灾害的防御工作。

4 结论

2012—2017年，商丘市≥20mm/h等级短时强降水年频次有明显的线性上升趋势;20mm/h等级的短时强降水频次最多，年际波动最小;随着强降水等级的增加，降水频次逐渐减小，年际波动逐渐增大;月变化上，平均次数先增加后减少，7月份出现频次占整个汛期总频次的比例最大，其次为8月份;各月短时强降水均以20mm/h为主;7月份有3个短时强降水的高发期，分别在第2、4、6候;日变化上，从整个汛期来看呈双峰分布，高峰期分别为6∶00—8∶00和16∶00—23∶00，20和40mm/h等级的短时强降水在日变化上也是双峰分布;随着强降水等级增加，降水的突发性也逐渐增强。

≥20mm/h和≥40mm/h等级短时强降水的总频次空间分布不均，城郊差异比较明显，高发区主要出现在2个区域，位于商丘市、永城市主城区及其下游;5—9月≥20mm/h等级短时强降水在空间上的分布有明显的范围先扩大后减小和东西向位移规律，7月短时强降水发生最广泛且平均频次最高，9月范围最小，5月频次最低。在不同时期可有针对性的做好相关高发区的强降水及其衍生灾害的防御工作。