横断山脉纵向岭谷地区短时强降水时空分布特征

苏锦兰，宋金梅

(1.大理国家气候观象台，大理 671003；2. 中国气象局大理山地气象野外科学试验基地，大理 671003；3.大理机场气象台，大理 671003)

引言

纵向岭谷地区位于我国西南，地处青藏高原与云贵高原结合部，包括与青藏高原隆升直接相关联的横断山区和毗邻的南北走向山系河谷区域，是我国西南与东南亚极为重要的生态廊道。纵向岭谷地区中最著名的是云南省内的横断山系区域，该区域自西向东分布着高黎贡山、怒山、云岭等大型南北走向山系，形成举世闻名的怒江、澜沧江、金沙江三江并流，拥有怒江大峡谷、虎跳峡等世界地理奇观，是世界上生物多样性最丰富的地区之一，有关该区域的气候[1-5]、生态[6-8]、地理[9-11]、水文[12-13]等多方面的研究一直是学者普遍关注的前言科学问题。

随着全球气候变化大背景下洪涝、干旱、暴雨、低温、高温等极端气候事件的发生频率和危害程度增加，一些学者开始关注横断山脉纵向岭谷地区(简称纵谷区，下同)极端天气、气候特征，尤其是与降水相关联的灾害事件。李斌等[14]利用日降水资料分析不同量级日降水变化趋势指出澜沧江流域极端降水频率增加态势明显；于文金等[15]利用日降水量分析澜沧江区域极端灾害变化指出该区域未来极端天气灾害主要是干旱灾害；袁文德[16]等基于西南地区逐日降水数据,采用百分位阈值法定义极端降水事件,得到1日最大降水量从东部的103～118mm减少到西部的25.4～46.7mm，极端降水比率从东部的39%～43%减少到西部的23%～25%。这些研究大多只精细到日降水资料，很少有专门针对小时降水数据的深入系统分析。

随着经济生活水平的提升，人民群众对天气预报的需求越来越偏向于小时尺度，加上降水尤其是短时强降水在山地地区的落区和实效预报准确率低，虽然近几年有关短时强降水的研究逐渐增多[17-19]，但专门针对纵谷区的系统性、精细化分析仍然缺乏。本文立足于云南省内怒江州、迪庆州、大理州、保山市、丽江市等典型横断山脉纵向岭谷区域，采用国家级自动气象站1h降水量观测资料，分析纵谷区短时强降水发生的年、月、候、日变化和空间分布特征，以期为山地地区极端天气事件预报预警提供依据，为建立区域预报模型奠定基础。

1 数据来源和研究方法

1.1 数据来源

本文纵谷区包括云南省怒江州、迪庆州、大理州、保山市、丽江市范围。研究中使用的降水资料是云南省气象信息中心提供的上述区域28个国家级地面气象观测站(图1)2005～2019年逐日逐小时自动观测数据，观测仪器为双翻斗雨量传感器，对降水数据先后在设备级、台站级、省级、国家级进行气候学界限值、时间一致性、空间一致性及内部一致性质量控制检查。研究中使用的地形资料是地理空间数据云的GDEMDEM 30m分辨率数字高程数据。

文中为描述方便，根据山系北西北-南东南走向，简要将纵谷区划分为上段、中段、下段，但无细致区域划分。

1.2 研究方法

(1)本文采用中央气象台短时强降水标准，定义1h降水量达到或超过20mm的降水为短时强降水。若某小时的降水量达到或超过20mm，表示该小时发生短时强降水，相应时次的短时强降水发生频率(次数)增加1次。

(2)用振幅来表征短时强降水发生频率日变化的强弱。日变化振幅有两种，一种是绝对日变化振幅，即日较差，但绝对振幅容易受降水气候态特征影响；另一种是相对日变化振幅，定义为标准化最大小时发生频率与日平均发生频率之比，用百分比表示，相对振幅可以有效减小降水气候态差异对日变化振幅的影响。本文使用相对日变化振幅。

(3)线性倾向率。任何要素x的线性变化趋势可用一次直线方程来描述，即xi=a+bti(i=1,2,…,n,n为样本量)，用ti表示xi所对应的时间，b即为线性倾向率。

2 结果分析

2.1 降水总体特征

图2给出纵谷区年平均降水量和短时强降水量比例、发生频率的总体空间分布结果。由年平均降水量的空间分布(图2a)可知，纵谷区年平均降水量在498～1876mm之间，大体上呈自西向东递减的梯次分布，西部高黎贡山区域和怒江流域年降水丰富，尤其是山系上段和怒江下游以西区域(1350mm以上)，其次是怒山主体和澜沧江流域，云岭区域和金沙江流域降水量普遍偏少(900mm以下)，但云岭余脉点苍山周边和金沙江下游流域出现相对大值区，降水量能达1000mm左右。这种年降水量的空间经向分布特点，一方面是因为纵谷区多受西南气流和冷空气影响产生降水，另一方面是西南水汽输送过程中受纵向岭谷南北通道地形的阻隔、抬升作用影响。

由图2b可知，纵谷区各地降水性质差异明显，短时强降水量在当地降水量中的占比呈自西北向东、向南逐渐增加的特点，区域上游短时强降水量占比最小(2%以下)，沿着山系从北向南、向东南走向，区域下游短时强降水量的占比增大(6%以上)，其中金沙江下游为占比最大值区(最大可达17%)，怒江下游为次大值区(可达10%)。从短时强降水年平均发生频率的空间分布(图2c)上也可以看出，短时强降水年平均发生频率与横断山脉纵向岭谷的海拔走向密切相关，随着海拔高度降低，短时强降水发生频率增大。发生频率极小值区主要分布于纵谷区上游，年均发生普遍不足0.5次/年，其中最小值出现在高黎贡山上段的贡山站，纵谷区下段出现两个发生频率的极大值中心区，集中分布在怒江下游周边和金沙江下游区域，年均发生普遍在3次/年以上，其中怒江下游以西龙陵站达6.7次/年，金沙江下游华坪站达6.3次/年，这2个区域也是云南省著名的典型暴雨区。

2.2 短时强降水年分布特征

图3给出纵谷区短时强降水年发生频率在2005～2019年间的逐年演变，由此可知，纵谷地区短时强降水每年发生次数均有差别，逐年变化显著，总体来说具有增加趋势(0.022次/年)。2005～2014年间变化剧烈，2016年起变化趋于缓和，其中，2007年发生次数最少，区域平均只有1.3次/年，2019年发生次数最多，达2.2次/年。值得关注的是2008年发生次数达2次/年，明显多于2005～2007年，2013年发生次数为2.1次/年，明显多于2009～2012年，这种短时强降水的年际变化特征与旱涝转换的气候背景直接相关。2004～2007年、2009～2012年云南省处于连续数年干旱气候背景，2008年云南省大部降水偏多，2013年起云南省气候干旱背景转变，大部区域降水逐渐转入略多至偏多，说明纵谷区短时强降水事件与该区域的旱涝气候背景密切相关，由旱转涝年的短时强降水发生频率明显大于前旱期。但是，2010年虽然处于持续干旱期，但短时强降水发生次数达2.0次/年，这可能是因为2010年云南初夏干旱明显，南亚夏季风较晚建立，但建立后的强度更强更易带来短时剧烈降水。

2.3 短时强降水月分布特征

图4给出区域平均的短时强降水月发生频率的逐月演变，由此可知，纵谷区短时强降水发生频率的月分布呈现显著单峰型特征，干湿季区别明显，12月至次年3月整个区域无短时强降水发生，7～8月是短时强降水最频繁发生的月份(0.53次/月)，9月次之(0.35次/月)，其次是6月(0.25次/月)，10月为0.08次，5月只有0.06次，4月和11月更少。另外，4～11月发生频率具有增加缓慢、减少迅速的不对称月变化特征，尤其是10月较9月减少0.28次，而7月较6月增加0.27次、6月较5月只增加0.19次，这主要是因为纵谷区地处典型的季风气候区，降水尤其是短时强降水受南亚季风的季节变化影响最为显著，南亚季风一般于5月中下旬开始建立，7月底8月初达到最强，9月迅速南退，10月基本消失。

关注4～11月短时强降水月发生频率在纵谷区的空间分布(图5)，由结果可知，4月短时强降水发生次数只在0.2次/月以下，且发生区域主要分布在高黎贡山沿线和怒江、澜沧江、金沙江下游，怒山和云岭等大范围山系的中上段几乎未出现过短时强降水；5月短时强降水发生区域较4月有较大变化，除怒山及其西侧的怒江流域中上游外，纵谷区均有可能发生短时强降水，但频率不高，基本在0.2次/月以下，但怒江下游以西区域可达0.4次/月；6月发生频率大幅增加，总体表现出自西向东逐渐增加的特点，高黎贡山、怒山、云岭等山系下段和金沙江流域普遍在0.2次/月以上，最大值出现在金沙江下游，达1.2次/月，次大值出现在高黎贡山末端，达1次/月；7月发生频率在0～2.0次/月，沿着山系的北西北-南东南走向短时强降水频率逐渐增加，最大值区域出现在金沙江下游流域，在0.8～2.0次/月，次大值流域发生在高黎贡山末端，在0.8～1.4次/月，而纵谷区上段高海拔区域则不足0.2次/月；8月短时强降水发生频率的空间分布和7月类似，发生次数在0～2.3次/月，不足0.2次/月的小值范围较7月扩大至高黎贡山、怒山、云岭等山系中段，最大值主要分布在高黎贡山和怒山下段区域，在0.8～2.3次/月，次大值分布在金沙江下游，值在0.8～1.4次/月；9月短时强降水发生次数开始减少，纵谷区上、中段普遍低于0.2次/月，下段在0.2～1.6次/月，其中最大值出位于金沙江下游，次大值位于高黎贡山末端周边区域；10月短时强降水频率大幅减少，纵谷区大部分区域均在0.2次/月以下，尤其是怒山、云岭上中段常年均未发生短时强降水；11月偶有年份发生短时强降水的区域主要出现在高黎贡山沿线及金沙江下游干热河谷。

2.4 短时强降水候分布特征

图6给出区域平均短时强降水候发生频率的逐候演变结果，可以看出，纵谷区短时强降水从19候开始出现，终止于62候，持续时间长达44候；短时强降水主要集中出现在36～51候，其中存在4个显著季节性峰值，分别为36候、39～44候、47候和51候，并以39～44候为出现次数最多的时段；而26～36候内发生频率呈缓慢增加趋势，线性倾向为0.006次/候，51～57候则呈迅速下降，线性倾向为-0.01次/候，这也说明了纵谷区短时强降水发生频率具有增加缓慢而减少迅速的季节变化特征。

图7给出各站点首次达到候发生次数最大值的出现时间统计结果，可以看出，纵谷区一般在28～51候之间达到短时强降水发生频率高峰，但是，各地出现时间的空间差异很大，总体呈现东北早、西南晚的空间分布特点，纵谷区上段及金沙江流域大部在31～38候达频率高峰，其余纵谷区中、下段除了云岭余脉点苍山周边局部地区出现时间较早外，高黎贡山、怒山、云岭中下段大部分区域在40～51候达频率高峰。

2.5 短时强降水日变化特征

图8给出区域平均短时强降水发生频率的逐小时演变特征，由此可知，纵谷区短时强降水发生频率的逐小时分布呈现出显著双峰双谷特征，凌晨03～05时为主峰值时段(0.12次/小时)，傍晚18～20时为次峰值时段(0.11次/小时)，10～13时处于最不活跃期，另外，在午后16时至清晨07时的短时强降水高发时段内，子夜前22～24时表现出相对不活跃期。由图还可知，短时强降水小时发生次数的最大值出现在05时(0.14次/小时)，次大值出现在18时(0.13次/小时)，最小值在11时、12时(0.02次/小时)发生。与陈炯等[20]指出我国总体平均的短时强降水发生频率主峰出现在午后16～17时、次峰发生在午夜后01～02时和早晨07～08时不同，纵谷区更容易在子夜后、清晨前的后半夜时段发生极端短时强降水事件，这可能与纵谷区降水以夜发性特征为主有关。

由上可知纵谷区短时强降水发生频率的日分布表现出夜间和白天的不同，还具有精细到小时尺度的差异。图9给出纵谷区日尺度内逐4小时短时强降水累积发生频率的空间分布，总体而言，纵谷区短时强降水发生频率夜间高于白天，凌晨02～05时发生最频繁，上午10～13时发生次数最少。子夜前后、凌晨和清晨3个时段短时强降水发生频率的空间分布形态类似，呈纵谷区上段少、下段多的特点，且空间差异很大，其中，子夜前后22～01时，纵谷区发生频率普遍在0.0～0.6次/4h，只在金沙江下游局部和怒江下游局部出现1.2次/4h的大值中心；凌晨02～05时，纵谷区发生频率较上一时段有所增加，普遍在0.1～1.0次/4h，在金沙江和怒江下游末端出现达2.2次/4h的大值中心；清晨06～09时，纵谷区发生频率较凌晨有所下降，变化范围以0.0～0.5次/4h为主，此时，金沙江下游局部地区的大值中心达1.6次/4h，而怒江下游的次大值中心只有0.9次/4h。上午10～13时纵谷区发生频率普遍只在0.0～0.2次/4h，即偶有年份会在上午某个时次出现短时强降水，此时金沙江下游的大值中心减小到0.5次/4h，而怒江下游的次大值中心减至0.4次/4h。午后至傍晚时段纵谷区短时强降水发生频率的空间分布与夜间不同，全区一致性较好，主要呈南部和东部略多于西部的特点，其中，午后14～17时发生频率普遍在0.5次/4h以下，大值中心出现在怒江下游和金沙江中游，达1次/4h，而金沙江下游只有0.1次/4h；傍晚18～21时频率较午后增加，普遍在0.9次/4h以下，大值中心出现在金沙江中游，可达1.3次/4h。

为进一步揭示纵谷区短时强降水发生频率日变化强度、峰值出现时间的空间差异，图10给出短时强降水发生频率夜间(21至次日08时)与白天(09～20时)的比值大小及日变化相对振幅大小的空间分布。由图10a可知，纵谷区大部短时强降水发生频率夜间高于白天，包括高黎贡山和怒山区域、澜沧江下游周边、金沙江下游流域及云岭南侧局部，这些区域的频率夜昼比均大于1.0(即夜间频率高于白天)，并以高黎贡山和怒山中下段、金沙江下游的比值最大，可达2.0以上；但是，云岭主脉及金沙江中上游大部的夜昼比基本在0.5～1.0之间(即白天频率高于夜间)。由图10b可以看出，纵谷区短时强降水发生频率的相对日变化振幅空间差异很大，值在174%～1100%之间，总体表现出沿着山系北西北-南东南走向，纵谷区上游日变化幅度大、下游日变化幅度小的特点，高黎贡山、怒山、云岭上段及金沙江上游的日变化最突出(相对振幅普遍在800%～1100%)，并以高黎贡山东侧站点的日变化强度最强，而纵谷区下游大部分区域的日变化较弱(相对振幅大都在600%以下)，其中，纵谷区下游的保山、大理南部、丽江局部最弱(相对振幅在300%左右)。总的来说，纵谷区中上段短时强降水发生频率的日变化幅度很大，中上段西部区域多在夜间至清晨出现夜发性短时强降水，而白天很少发生，中上段东部的云岭主脉及金沙江流域则以午后至傍晚的短时强降水为主，而夜间发生频率较低；随着海拔高度的降低，纵谷区下段区域短时强降水频率日变化幅度明显减小，即午后至凌晨都有可能发生短时强降水事件，但仍多以夜间发生次数为多。

3 结论和讨论

本文选取横断山脉纵向岭谷典型区域范围内的地面气象观测站小时降水数据，分析纵向岭谷地区短时强降水发生频率的时间变化规律和空间分布特征，得到如下结论：

(1) 由于西南水汽输送受纵向岭谷地形影响，纵谷区年降水量自西向东逐渐减少，但是，短时强降水量对年降水量的贡献则沿山系走向从北向南、向东南逐渐增加。纵谷区短时强降水年发生频率的空间差异很大，在0.1～6.7次/年之间，纵谷区上段为极小值分布区，下段区域在怒江和金沙江下游周边流域出现2个极大值中心。

(2) 2005～2019年间纵谷区短时强降水年发生频率具有0.022次/年的增加趋势，频率逐年变化在2005～2014年间显著，2016年后趋于缓和。短时强降水事件与区域旱涝气候背景密切相关，由旱转涝年的发生频率明显大于前旱期。

(3) 纵谷区短时强降水发生频率月变化表现出单峰型特征，12月至次年3月整个区域无短时强降水发生，峰值出现在7～8月，金沙江下游流域和高黎贡山、怒山下段的2个季节性大值中心在6～9月均很明显。

(4) 纵谷区短时强降水发生于19～62候，持续时间长，多峰值特点突出，先后在36候、39～44候、47候和51候出现4个高峰，而26～36候以0.006次/候的倾向缓慢增加，51～57候则以-0.01次/候的倾向快速减少。另外，纵谷区短时强降水候频率高峰到达时间表现出东北早、西南晚的特点。

(5) 纵谷区短时强降水发生频率日变化总体具有双峰双谷特征，主峰值出现在凌晨02～05时，另一峰值在傍晚18～21时，10～14时为最不活跃期，子夜前22～24时为相对不活跃期；而且，子夜前后、凌晨、清晨三个时段发生频率的空间分布形态类似，均呈自北向南、向东南增加，均存在怒江和金沙江下游的两个大值中心，而午后和傍晚的空间差异较小。纵谷区中上段短时强降水发生频率的日变化幅度很大，中上段西部的高黎贡山和怒山多在夜间至清晨出现夜发性短时强降水，而白天很少发生，中上段东部的云岭主脉及金沙江流域则以午后至傍晚的短时强降水为主，其夜间发生频率较低；随着海拔高度的降低，纵谷区下段短时强降水频率日变化幅度明显减小，午后至凌晨都有可能发生，但仍多以夜间发生次数为多。

上述结论均基于横断山脉纵向岭谷区域范围内国家级地面气象观测站数据分析而得，数据质量可靠，但气象站点分布较稀疏，且多位于山谷或山腰，在后续研究中应多关注乡镇自动气象站资料的质量控制和数据引入，并加强机理分析和预报模型研究。