云南雨季和干季小时降水的时空特性分析

李耀孙 ,原韦华 ,孙绩华 ,马文倩 ,陈小华 ,连 钰

（1.云南省气象台，昆明 650034；2.中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室，北京 100029）

引言

云南位于青藏高原的东南侧，属于低纬高原，地形复杂。同时，云南地区位于东亚夏季风和南亚季风的交汇地带，靠近孟加拉湾和中国南海两个热带海洋，降水影响系统复杂，演变规律独特，降水季节特征差异明显。云南干季一般为11月～次年4月，因为降水量远小于同期蒸发量，导致普遍干旱缺水[1]；雨季为5～10月[2−4]，降水集中且容易出现多单点或区域性大到暴雨，有着“无灾不成年”之说[5−6]。因此，分析云南地区干、雨季降水的精细化时空分布特征，对干季的区域水资源利用和雨季的暴雨洪涝灾害防御具有重要的现实意义。

诸多研究基于不同时间分辨率降水产品，对云南地区降水时空演变特征进行了深入分析。基于日降水产品的研究结果表明：云南年降水强度大值中心位于南部，降水频次大值中心在西北部[7]，雨季降水西南、东南多西北少，干季降水东多西少，西北部存在春汛[8]；强降水的空间分布与年降水量分布类似，高发地位于滇西、滇西南和滇东地区[9]。近年来，精细化天气预报和高时空数值模式评估均对降水精细化特征的认识提出了新要求[10]，为满足这一需要，利用逐小时台站观测资料揭示云南及周边地区小时尺度降水分布和演变特征成为研究重点。云南地区降水量峰值多出现在午后，主要是降水强度贡献为主，且日变化振幅明显，尤其是在夏季[11～12]。而云南短时强降水高发时段则在傍晚至夜间[13]。大理苍山等典型区域的降水局地性显著，与地形关系十分密切[14−15]。

已有研究[16−18]表明，综合利用密度更高的区域站小时尺度降水资料，可以加强对复杂地形区域降水精细化演变特征的认识和理解。但目前针对云南地区的此类研究并不多见。因此，本文拟利用高时空分辨率的国家级和区域自动站逐小时降水数据，对比分析云南雨季和干季的降水量、降水频次和降水强度的空间分布特征以及关键区域的降水日变化演变特征，以期为加深对云南降水精细化演变特征的认识和提升高分辨率模式的精细化检验水平提供科技支撑。

1 资料和方法

1.1 资料

研究所用资料为位于云南省内的2325个国家级台站和区域自动站逐小时降水资料，时间长度为2014～2018年。上述台站每年缺测数据均少于30d。所有逐时降水数据均由云南省气象信息中心进行质量控制，对降水孤点、单站降水明显大于周边以及小时降水强度超过50mm的观测数据，通过雷达回波、卫星云图或者询问区域站所处附近的居民等方式进行核实，如观测有误，做剔除处理。

1.2 方法

本文采用的降水统计方法和标准：（1）当小时累计雨量≥0.1mm时则认为该小时发生降水；（2）短时强降水标准为7mm/h（对2014～2018年云南地区2325站逐时降水数据进行统计得出95百分位降水强度为7mm/h）；（3）年降水量指年内所有时次降水量的总和，年降水频次是指年内发生降水时次数的总和，年降水强度则是年降水量/年降水频次，降水量、降水频次和降水强度的日峰值时间是指累计量最大值出现的时次；（4）标准化为各物理量除以日均值；（5）云南干季为11月～次年4月，雨季为5～10月[2−4]。

云南降水空间分布复杂，与地形、地理位置等紧密相关，局地性强。为了更好地分析降水的局地性特征，本文综合考虑了降水量、降水频次和降水强度的空间分布（图1），挑选出区域内降水分布特征一致但与相邻地区有明显差别的6个关键区（见图1中黑色框体，下同）：区域1位于昭通东部地区，代表乌蒙山东侧，降水频次高但强度小；区域2位于大理东部和楚雄西部，代表苍山东侧，降水量较小；区域3位于云南南部边缘，代表元江河谷，降水量大且夜雨特征明显；区域4位于普洱南部和西双版纳，代表哀牢山西侧，降水量大且午后降水峰值突出；区域5位于保山德宏，代表高黎贡山西侧，降水量大且为上午降水峰值；区域6位于云南西北部，代表怒江河谷，降水频次高但强度小。

图1 2014～2018年云南年平均降水空间分布（a.降水量，单位：mm；b.降水频次，单位：次；c.降水强度，单位：mm/h)

2 结果与分析

2.1 降水平均特征

如图1a所示，云南年均降水量地区差异明显，整体上西部和南部高、西北部和中部低、东部降水量居中。具体来看，西北部年均降水量最小，尤其是迪庆北部部分地区不足200mm；西南部的红河南部边缘、普洱东南部、临沧南部和德宏西部地区年均降水量最大，超过2000mm，与老挝接壤的云南最南缘和云南西北缘怒江河谷地区年均降水量次之，超过1500mm。如图1b所示，云南西部、南部和东部年均降水频次大多在750次以上，云南中部和西北部南侧年均降水频次少于750次，丽江大理东部和楚雄西部年均降水频次少于500次。如图1c所示，云南降水强度与降水频次的空间分布差别较大，降水频次较高的云南西北部和东北部地区降水强度弱，而降水量较少和降水频次较低的中部地区降水强度却与云南南部相当。

进一步分析6个关键区，发现其降水量与降水频次、降水强度的关系存在显著差异。区域5和3同为云南降水量大值区域，且两个区域的降水频次和降水强度均较高；其中区域5是云南降水最多的地区，昔马站和苏典站年均降水量超过3400mm；区域3的地形南高北低，受冬季冷空气回流以及雨季中南半岛强对流向北发展频繁影响。与区域3紧邻的区域4是云南降水量较大的区域，仅次于区域5和3，这一地区降水频次少但降水强度大，是云南降水强度最强的地区。区域6和1的降水量虽然小于区域3、4、5，却是云南降水频次最大的区域，较大的降水量主要由降水频次贡献，降水强度较弱，这两个区域的降水强度与东北部迪庆等年均降水量不足200mm的地区相当；区域6每年2～4月受“桃花汛”影响，是全国雨季开始最早的区域，也是云南唯一的降水量年变化呈双峰型（峰值在2～4月和7～8月）的地区[2−3]；区域1地处乌蒙山的东侧，常年受到冷空气影响，降水频次较高。区域2是云南年均降水量最小、降水频次最少的地区，干季干旱最为明显，但这一地区的降水强度明显强于降水量较大的区域6和1。

云南雨季受西南季风气流控制降水充沛，而干季则受干暖的偏西气流控制降水稀少。如图2a所示，云南雨季降水分布特征与全年类似，雨季降水量占全年的80%左右，其大值和低值区域与年平均相同，但东、中和西部降水量差异较年平均更小；在关键区中，区域3、4、5降水量最大，区域1和6次之，区域2最少。如图2b所示，云南大部分地区干季降水量仅占全年的20%左右；但区域6受2～4月滇西地区“桃花汛”的影响，降水量明显偏多；同时，区域3受南部天气系统影响，也存在一个明显的降水中心；除区域6外，干季降水量自北向南逐渐增多，西北部最少，南部边缘最多。如图2c所示，雨季降水频次的分布特征与全年相近，不再赘述。如图2d所示，除区域3和6外，云南东部还存在降水高频区（区域1），这一地区多受乌蒙山东侧昆明准静止锋影响，易产生降水天气。如图2e所示，云南雨季降水强度为0.6～3mm/h，西北部最少（<1mm/h），南部和西南部最大（>1.8mm/h）。如图2f所示，云南干季降水强度最小值在东北部的区域1，该地多受静止锋影响而多小雨天气；区域3和4降水强度大，主要原因是上述地区干季降水多出现于南支槽影响时段，气温高、水汽条件好，降水强度相对更大。

图2 2014～2018年云南雨季（左）和干季（右）降水空间分布（a、b.降水量，单位：mm；c、d.降水频次，单位：次；e、f.降水强度，单位：mm/h)

各关键区雨季降水量与降水频次、降水强度的关系与全年平均的较为一致，这是云南雨季降水在全年降水中占主要贡献决定的。但是各关键区干季降水量与降水频次、降水强度的关系与全年平均的并不完全一致。例如，雨季区域6的降水强度较云南南部明显偏弱，但干季该区域的降水强度与云南南部相当；雨季区域5的降水量、频次和强度与区域3相当，而干季区域5的降水量和频次明显小于区域3，降水强度却相当。

2.2 雨季和干季降水日变化特征

2.2.1 日降水峰值时间的空间分布

此前研究[19]表明，除了四川盆地全年夜间降水峰值外，我国东部大部分地区暖季（5～10月）降水量午后峰值较多，冷季（11～次年4月）降水峰值主要出现在夜间至清晨。受复杂地形以及不同环流系统影响，云南降水日变化特征区域差异显著。图3给出了云南雨季和干季降水量、降水频次和小时降水强度日变化峰值时间的空间分布。

如图3a所示，在雨季，云南的河谷和冷空气影响频繁地区降水量日变化峰值均出现在夜间，其余地区降水量峰值多出现在午后。雨季的金沙江河谷、怒江河谷（区域6）、元江河谷（区域3）、澜沧江河谷地区降水量日变化峰值出现在凌晨05～08点；与四川相邻的或受冷空气影响频繁的地区如云南北部（区域1）和东部降水量日变化峰值出现在夜间或凌晨，与四川盆地的夜雨类似；降水量日变化峰值出现在上午的区域极少，仅在区域5以及各河谷中有少量分布；云南其余大部地区降水量日变化峰值均出现在午后，尤其是云南最南部的普洱地区（区域4）。如图3c所示，与降水量不同，云南大部分地区雨季降水频次日变化峰值出现在02～08时，午后峰值主要分布在苍山东部、高黎贡山东部和哀牢山东部地区，即西南盛行风背风坡上。如图3e所示，云南大部分地区雨季降水强度日变化峰值出现在午后，仅区域3和6的降水强度峰值出现在夜间，而区域5的降水强度峰值出现在上午。

如图3b所示，在103°E以东，云南干季降水量日变化峰值出现时间与降水频次日变化峰值更接近，均为夜间峰值，且峰值时间较雨季提前，多为23时～次日02时；在103°E以西，降水量峰值出现时间与降水强度峰值更接近。如图3d所示，云南干季降水频次日变化峰值时间与雨季有较大差异，降水频次峰值出现在上午的台站大幅增多，约增加457站；午后降水频次峰值则集中出现在云南中部地区（区域2），该地区午后降水频次峰值范围较雨季更大，且午后峰值时间较雨季推迟约3h；云南东部和东北部地区（区域1）仍为夜间降水频次峰值，但峰值时间较雨季提前约3h。如图3f所示，云南干季降水强度日变化峰值时间与雨季差别不大，主要体现在雨季清晨的降水强度峰值提前至干季凌晨（区域6），而雨季上午的降水强度峰值推迟至干季午后（区域5）。

2.2.2 关键区域降水日变化特征

图4给出了雨季6个关键区降水量、降水频次和降水强度的日变化特征。整体来说，区域1、3、6的降水主要发生在夜间或清晨，以夜雨为主；区域2、4、5的降水主要发生在上午或午后，以昼雨为主；各关键区降水量和降水频次的日变化振幅较大，降水强度日变化振幅相对较小。其中，位于云南南部边缘的区域3和怒江河谷的区域6是典型的清晨降水峰值区，这两个地区雨季的降水量峰值均出现在05时(图4a)，降水频次峰值均出现在6时（图4c），降水强度峰值均不明显，降水量日变化主要由降水频次决定。值得注意的是，区域3的降水量和降水强度在午后存在次峰值，该区域的降水主峰值（凌晨）主要由降水频次贡献，而降水次峰值（午后）则主要由降水强度贡献，这可能与局地热力状况有关。区域1位于云南东北部，其降水量在22时前后逐渐增大，降水量大值一直维持到06时前后，降水量日变化主要由降水频次决定，降水强度峰值出现在午后17时。

从雨季降水量日变化峰值的空间分布（图3a）上看，区域4和2为几乎全区域一致的午后峰值。但从区域平均的降水量日变化特征（图4b）看，区域4和2却同为凌晨和午后双峰，区域4和2的降水量主峰值分别出现在17时和16时，谷值时间分别出现在11时和12时；这两个区域降水量的凌晨次峰值主要由降水频次贡献（图4d），而降水强度为午后单峰（图4f）。地处云南西部的区域5是云南唯一的降水峰值出现在上午的地区，其特点是降水量（图4b）、降水频次（图4d）和降水强度（图4f）在上午08～12时均为较高值，三要素的峰值时间均为08时，说明区域5的降水多集中出现在上午。

图3 2014～2018年云南雨季（左）和干季（右）日降水峰值时间的空间分布（a、b.降水量，c、d.降水频次，e、f.小时降水强度)

图4 不同关键区雨季标准化降水量（a、b）、降水频次（c、d）和降水强度（e、f）的日变化特征

图5为干季6个关键区降水量、降水频次和降水强度的日变化特征。区域1的干季降水量日变化特征（图5a）与雨季相似，均是峰值出现在前半夜的单峰型；其降水频次日变化（图5c）峰值较雨季提前，集中出现在23时～次日03时，波谷出现在16时；其降水强度日变化（图5e）峰值集中出现在下午。同雨季相比，区域3和6的干季降水量日变化（图5a）和降水频次日变化（图5c）的主峰值也出现在凌晨，变化不大，但日变化曲线更加平滑，说明干季降水时段更加分散；其降水强度日变化特征（图5e）同雨季一样，波动不大。

根据上文的分析，区域4和5的雨季降水量主峰值出现在午后，与干季降水日变化存在较大差异，这可能与雨季、干季的热力状况不同有关。以区域4为例，其干季降水量日变化(图5b)是从午后降水为主转变为凌晨和午后降水相当，出现在夜间的降水量次峰值主要由降水强度（图5f）贡献；其干季降水频次日变化（图5d）主峰值出现在凌晨，午后降水频次大幅减少。位于云南中部的区域2较为特殊，该区域干季的午后峰值更为突出，而清晨降水频次较雨季反而大幅减小。

图5 同图4，但为干季

2.3 雨季和干季不同强度降水分布特征

由于强降水通常会带来更为严重的影响，有必要进一步揭示不同强度降水的分布特征。图6给出了雨季和干季强降水（小时雨强≥7mm）和弱降水（小时雨强<7mm）出现频次的空间分布。在雨季，云南强降水出现频次（图6a）明显少于弱降水（图6c），强降水出现频次为5～100次，弱降水出现频次均在200次以上；降水量较小的德钦北部强降水出现次数最少，但这一区域弱降水频次与其他地区大致相当；区域3、4、5强降水频次最高；而区域6虽然雨季降水量较大，但强降水发生概率较其他降水量大值区域低。在干季，云南强降水出现频次（图6b）仅为0～25次，大体上随纬度减小而增加；弱降水（图6d）多高发于区域1、3和6，其中区域1的弱降水可能与昆明准静止锋的影响有关，区域6的弱降水则与该区域春季“桃花汛”密切相关。

图6 2014～2018年云南雨季（左）和干季（右）不同强度降水发生频次的空间分布（a、b.强降水，c、d.弱降水，单位：次/a）

从不同强度降水量的空间分布（图略）来看，云南雨季强降水累计雨量为10～500mm，区域差异较大；西北部由于海拔高度高，水汽条件差，是云南雨季强降水出现最少的地方，累计雨量少于100mm；云南东部、南部和西南部边缘迎风坡（区域3、4和5）是雨季强降水出现最多的地区，上述地区水汽充足且地形有利于风场辐合抬升，容易产生强降水，累计雨量超过500mm。在干季，强降水明显偏少，云南北部和中部的部分台站更是没有强降水发生；强降水主要集中在南部边缘地区（区域3和4），累计雨量超过50mm。云南雨季弱降水累计雨量略多于强降水，多为200～800mm，局地超过800mm，呈东西部多而中部少的分布特征，弱降水量的区域差异比强降水小。云南干季弱降水累计雨量明显多于强降水，为10～500mm，说明温度较低的干季以弱降水为主；元江河谷（区域3）和怒江河谷（区域6）以及昭通东部（区域1）弱降水量较大，而云南中部地区（区域2）即使在干季弱降水也很少发生。

3 结论和讨论

本文利用云南省2325个国家级台站和区域自动观测站逐小时降水数据，对比分析了2014～2018年云南雨季和干季的降水量、降水频次和降水强度的空间分布特征以及6个关键区域的降水日变化演变特征，主要结论如下：

（1）受复杂地形和不同天气系统影响，云南省降水分布不均，区域特征明显。年均降水量大体呈西南高、西北低分布，西部边缘、南部边缘降水量最大。雨季年均降水量占到全年80%左右，干季降水较雨季明显偏少，干季降水高发区域主要位于云南西北怒江河谷（受“桃花汛”的影响）、云南东部（受昆明准静止锋影响）和终年温度较高的元江河谷地带。

（2）虽然云南西部和南部边缘地区的年均降水量均超过600mm（区域3～6），但各区域降水性质不同。对于怒江河谷地区（区域6），干雨季降水均为夜间峰值，且降水频次高但强度较弱。对于99°E以西的保山德宏地区（区域5），极端降水量为云南最高，其降水量、降水频次和降水强度的日变化峰值多出现在上午。位于23°N以南的普洱和元江河谷地区，虽然雨季的降水量相当，但干季元江河谷降水频次明显多于普洱地区；元江河谷区域干季和雨季的降水峰值均出现在夜间至清晨；普洱地区仅干季的降水频次峰值出现在清晨至上午，雨季的降水峰值出现在午后。云南中部地区降水量较周边地区明显偏小，但与其他区域不同的是，该地区雨季的降水频次主要在清晨出现峰值，而在干季却多在午后出现峰值。

（3）云南强降水降水频次明显少于弱降水，强降水的累计降水量略小于弱降水。雨季强降水出现频次和累积量明显多于干季，且迎风坡区域强降水明显较其他地区偏多。

已有研究表明：陆地地区多为午后的降水峰值，陆地上清晨或夜间降水峰值多位于大地形的下游地区[20−21]；通常在雨季，陆地地区降水的午后峰值更为突出，而干季则是清晨时段发生的降水比例相对较高[20]。然而，云南一些地区的降水却表现出较为独特的日变化特征。比如，在云南最西端的保山德宏地区（区域5），降水在干季和雨季均主要表现为上午时段的峰值；而在云南较为干旱的大理东部和楚雄西部地区（区域2），雨季降水在清晨时段更高发，在干季却表现为午后降水峰值；在相邻的区域3和4，虽然从降水量主峰值上看，两区域分别为凌晨和下午峰值，差异较大，但在夜间影响区域3的环流系统可能在区域4也形成了降水，使得区域4在夜间也存在降水频次峰值，但此类系统在夜间产生的降水强度相对较小，使得降水量值并不突出。上述区域的降水系统以及环流的演变特征，值得进一步分析。