重庆短时强降水时空特征分析

陈鹏 周盈颖 冯萍 刘超 蔡博

（1 巫山县气象局，重庆 404700；2 重庆市气象台，重庆 401147）

关键字：短时强降水，西南低涡，地形

0 引言

西南低涡是一种中尺度气旋系统，其生成和移动过程中对沿途的天气和降水都有着重要的影响。徐裕华分析指出4—9月四川省约60 %左右的降雨过程与西南低涡有关。李超等归纳出夏半年2种类型低涡（西南型盆地涡和东北型盆地涡）引起的日降水区域分布的月季变化特征。唐红玉等研究发现云南、贵州、四川、重庆四省市各个地方各季的逐小时降水最大频率在时间分布上都很分散。计晓龙等研究表明，双峰结构在降水量和降水频率的日变化中很明显，主要发生在高原地区的夏季。周秋雪等通过统计发现四川强降水从盆地向山脉过渡的纵向陡峭地形区是四川强降水高发中心。蔡新玲等分析发现，在空间分布上，陕西极端强降水时数及强度变化趋势较一致。柳春等分析表明，明显的区域性是各量级降水日变化的特征，在东亚季风较强的年份，午后是降水出现峰值的时间，弱季风年则主要是早晨。戴泽军等认为降水日变化呈现显著的区域差异在湖南夏季比较明显。王夫常等分析发现西南部降水“夜雨”特征明显，但存在午后次峰值，且区域差异显著。王国荣等归纳发现山前及山前的平原地区是北京短时强降水的主要分布地。何晗等研究发现发展时期的冷涡产生的短时强降水最多。西南低涡背景下的短时强降水降水效率高且局地性强，很容易引发内涝，给人民的生产生活乃至生命都会带来不可逆的破坏。目前对西南低涡背景下的短时强降水天气统计分析方面几乎没有。因此，利用2008—2018年常规地面自动站资料，统计分析重庆短时强降水的时空分布特征，尤其是西南低涡背景下重庆地区短时强降水的各项特征及地形对强降水的影响，为强化西南低涡下短时强降水的研究提供一定依据。

1 短时强降水特征

1.1 所用资料及短时强降水定义

本文所用资料为重庆地区2008—2018年3—10月1960个自动气象站逐小时降水数据，站点包括国家自动气象站和区域自动气象站，站点分布和重庆区域划分如图1，可以看到站点分布基本均衡，仅在重庆主城地区较为密集。

图1 重庆区域站站点分布情况（a）和重庆分区（b）示意图Fig.1 Station distribution (a) and partitioning map (b) in Chongqing

本文沿用中央气象台对短时强降水作出的业务规定，将≥20 mm/h的降水量定义为短时强降水。1个站出现短时强降水，则记为1站次。以20—次日20时作为日界划分，如果有1个站出现短时强降水，则记为1个短时强降水日。

1.2 空间分布特征

从短时强降水频次分布（图2a）可以看出，重庆共有3个高频中心，累计站次均超过50次，较平均站次偏多一倍：一是在重庆西部地区，尤以合川较为集中，其余区县比较分散；二是东北部偏北的开州、巫溪及云阳地区；三是东南部偏南的酉阳、秀山等地。可以发现，高频中心均毗邻陡峭复杂的山脉地形，如西部中心位于华蓥山西麓，东北部中心地处大巴山南麓，且与巫山山脉形成了特殊的喇叭口地形，东南部中心位于大娄山北麓等，受地形抬升和特殊地形影响，降水增幅显著。当然除了受地形影响外，长江与嘉陵江提供的丰富水汽也为重庆地区降水创造了有利条件。

由于20～30 mm/h短时强降水频次分布与总频次基本一致，图略，为更好的凸显较大雨强下频次分布特征，给出了30 mm/h以上大于平均频次（9.1次）的站次分布（图2b），图中15次为全市频次的90百分位，22次为99百分位。可以看出，15次以上的高频区主要分布在重庆西部和东部部分地区，大足、荣昌、永川大于22次的站点较为集中，同合川的高频站点都位于华蓥山附近，说明山脉的阻挡抬升对降水的影响是较为明显的；东北部和大娄山附近的酉阳等地达到90%以上站点虽较多，但强度明显弱于西部，因此，应着重关注西部地区短时强降水的影响。

图2 2008—2018年3—10月短时强降水月份频次分布（a）和30 mm/h以上频次分布（b）Fig.2 Frequency distribution (a) and large than 30 mm/h (b) of short-time strong precipitation from March to October during 2008-2018

1.3 时间分布特征

从2008—2018年短时强降水的站次和时次月变化特征来看（图3），站次和时次较多月份主要集中在6—8月，最频繁的是7月。6—8月年平均1069～1282站次和141～203时次，其中，7、8月若每站仅1次短时强降水，则有60%的站点会出现，当月累计短时强降水时间约8 d，每小时约6站出现短时强降水；6月累计短时强降水时间约5.9 d，每小时约7.6站，说明相对而言，6月短时强降水发生频次虽少，但强度强、覆盖范围大，因6月是大气环流突变月份，经过变动建立了典型的夏季环流形式，季风爆发北推致使重庆地区降水强度加大，短时强降水骤增。其次是5月和9月，累计约3 d，每小时约7站，4月约5.5站，3月、10月仅2站。

图3 2008—2018年短时强降水的站次和时次月际变化特征Fig.3 Monthly variation of the station and times of shorttime strong precipitation during 2008-2018

分析不同强度短时强降水频次的月际变化，以进一步研究重庆短时强降水特征。图4a可以看到20～30 mm/h和30～50 mm/h等级均以7月为高发，6月、8月次之，5月和9月发生频次相仿，3月鲜发；50～100 mm/h主要发生在6—8月，5月、9月频次较少。图4b为各等级占总短时强降水量的百分比，20～30 mm/h和30～50 mm/h等级呈反向变化，前者在3、4月占比较高，到盛夏降到50%左右，后又升至10月的70%，而后者在3月、10月占比较小，约为25%，盛夏占比超过35%，反映出由春入夏至秋，短时强降水强度呈先增后降趋势。50 mm/h以上逐月变化不大，维持在8%左右，仅3月和9月超过10%，或许由于初春和夏末正值季节过渡时期，能量的积聚和释放均较其前后月份较大，造成的对流强度亦大。

大气动力、热力过程对水循环综合影响并最终导致降水发生日变化。图5给出了短时强降水的日变化曲线，从站次演变可以看出，重庆地区短时强降水日内呈现2个高峰时段，主高峰时段为凌晨到早间（00—08时），各小时短时强降水发生站次均达到了2500以上，较小时平均站次偏多近200次，比次高峰峰值站次还高，其中，02—07时超过3000站次，峰值出现在03—05时；次高峰时段为15—18时，达到了2000站次以上。可见，子夜至早晨和傍晚时分为短时强降水高峰期，尤其是夜间时段，峰值和持续时间均明显强于傍晚，符合巴山夜雨的特点，这也与周盈颖等研究结论一致，上下班高峰期处于短时强降水峰值时段内，应时刻关注天气变化，做好防范应对，而中午时段短时强降水少发。平均雨强则呈现单峰变化，峰值时段在傍晚到凌晨，尤以17—18时强度最强，超过30 mm/h，谷底则接近中午。

图4 2008—2018年3—10月各量级短时强降水站次（a）和各月短时强降水量占总的短时强降水量百分比（b）逐月分布Fig. 4 Monthly variation of station (a) and percentage of precipitation of hour rainfall intensity (b) from March to October during 2008-2018

图5 2008—2018年3—10月短时强降水的日变化（黑实线：站次，蓝色实线：平均雨强）Fig.5 Diurnal variation of the station and average rainfall intensity of short-time strong precipitation from March to October during 2008-2018

2 西南低涡背景下短时强降水特征

结合重庆1960个自动站的逐小时降水量资料，通过MICAPS实况资料对2008—2018年3—10月影响重庆的西南低涡暴雨过程进行筛选，共找出41例，由此统计分析西南低涡背景下短时强降水特征。

西南低涡背景下重庆区域内短时强降水站次数占总站次的38.1%，降水量占总降水量的13.5%。从西南低涡背景下短时强降水累积发生频次分布（图6a）可以看出，高频站点主要分布在重庆西部，华蓥山西麓，仍以合川范围最大，其次是东南部酉阳、黔江地区，但频次明显低于重庆西部，其余地区强降水的频次较为均匀，东北部无集中高频区域，说明西南低涡对重庆西部短时强降水的产生作用较大，其次是东南部。

从西南低涡背景下30 mm/h以上短时强降水频次分布（图6b）来看，西部高频中心相较于东部更为明显，全市99百分位以上站点几乎都在西部，尤其是铜梁、大足、永川交界处，这与李强的研究一致，重庆西部为相对高频区，中东部为相对低频区，说明西南低涡对重庆西部短时强降水的影响较大，无论是范围还是强度。

图6 同图2，但为西南低涡背景下Fig.6 Same as Fig. 2，but caused by vortex

图7 同图4，但为西南低涡背景下Fig.7 Same as Fig. 4，but caused by vortex

由2008—2018年西南低涡背景下短时强降水站次和时次月变化特征来看，站次和时次最多月份为6月，平均达719站次，占总站次的1/3，时次平均58小时，其次是7月，平均450站次，平均37时次；5月、8月和9月站次和时次数相仿，平均后分别为250站次和25时次；4月较少，3月鲜发。陈忠明等统计发现，西南低涡的发生具有明显的年、季、月和日变化，其中夏季出现最多，春秋季次之，冬季出现最少；7月出现最多。受西南低涡及其他系统的共同影响，重庆地区的短时强降水在夏季最为频繁，这与陈忠明等研究一致。

同样，将西南低涡背景下短时强降水按照强度分为四个等级进一步分析。图7a表明短时强降水在6月达到峰值，且远大于7月，6月、8月和9月各等级站次相当，对于30～50 mm/h，9月站次略高于8月，因此，西南低涡背景下的6月为短时强降水高发时段，其次是7月和9月，4月以前和10月以后短时强降水概率较小，这与西南低涡活跃的季节和强度变化有关，图中还添加了西南低涡背景下自动站露点温度月际均值曲线，露点温度反映近地层水汽状态，可以看出，平均露点峰值与短时强降水峰值并不重合，强降水峰值所在的6月平均露点仅18.3 ℃，8月超过19 ℃，7月达到了21.8 ℃，说明水汽对西南低涡强降水有一定影响，但非决定性影响，因夏季水汽普遍较为充足，相较而言，抬升触发机制才是区别西南低涡降水与其他系统性降水的主要因素，因此，本文统计的平均露点18 ℃可作为西南低涡降水预报的参考指标，但还需结合其他指标综合分析。从各等级占比来看（图7b），春季20～30 mm/h的占比高于盛夏，而盛夏6—7月30～50 mm/h的占比略高于其他月份，50 mm/h以上发生概率相对较大的则是3月和9月。

从短时强降水的站次日变化曲线（图8）上可以看出，西南低涡背景下，短时强降水日变化呈单峰型，高峰时段在03—06时，站次达到1500以上，其中，05—06时为峰值超过1700站次，后迅速降低，波谷在午后到傍晚时分，最少仅429站次，说明西南低涡背景下，重庆的短时强降水主要集中在子夜到清晨，夜雨特征明显，这可能是由于夜间或清晨云层顶部辐射冷却，造成不稳定使对流加强的缘故，而西南低涡影响时，午后能量不易积聚导致对流性降水较弱或稳定性降水强度不强，未出现次高峰，甚至下滑至低谷阶段，与前文短时强降水日变化并不一致。以上日变化特征与李强对川渝地区西南低涡暴雨下短时强降水特征研究相一致，但峰值时段有细微差别，因西南低涡对四川的影响早于重庆地区，所以川渝平均峰值较重庆略为提前。进一步分析西南低涡背景下各时段平均雨强可以发现，傍晚后的夜间雨强陡增，均超过29 mm/h，20—21时最大能达到30.7 mm/h，且高峰时段平均雨强略强于未分类平均雨强，说明西南低涡下的短时强降水强度对全分类短时强降水有正增幅作用。

图8 同图5，但为西南低涡背景下Fig.8 Same as Fig. 5，but caused by vortex

图9 为西南低涡背景下短时强降水量对总的短时强降水的贡献情况，可以看出，贡献量30 %以下的站点主要分布在东北部、西南部和东南部偏南地区，尤其是东北部城口、巫溪站点较为密集，说明该地区西南低涡造成的短时强降水概率较小；贡献量30%～40%除城口、巫溪和西部地区外其余均匀分布；贡献量40%～50%站点在重庆西部扩展开来，但东北部偏北在逐渐减少；而贡献量50%以上主要集中在西部和主城地区。说明西南低涡背景下，短时强降水对西部和主城影响较大，其次是西南部、中部和东部地区，东北部城口、巫溪和东南部秀山影响最小。

图9 2008—2018年3—10月西南低涡背景下短时强降水量占总的短时强降水的贡献量（a）＜30%；（b）30%～40%；（c）40%～50%；（d）＞50%Fig.9 The different distribution of rainstorm and contribution rate of short-time strong precipitation caused by vortex from March to October during 2008—2018(a) ＜30%; (b) 30%—40%; (c) 40%—50%; (d) ＞50%

3 地形与短时强降水的关系

Chen等利用逐小时降水资料通过气候统计分析表明暴雨过程在山区的迎风坡发生的次数最多。根据前面分析表明强降水高发中心主要集中在陡峭复杂的地形区附近，为了进一步了解强小时雨强的发生与重庆站点海拔的关系，把重庆地区1960个自动站按海拔高低排序，在海拔0～3200 m统计该范围内每间隔200 m所有站点当年发生超过20 mm/h强小时雨强的总频次，并计算其占当年重庆短时强降水总频次的百分比，将它作为该海拔范围内站点对盆地当年总频次的贡献量（简称贡献量）。但该特征量主要反映短时强降水主要集中在某个海拔范围内，特征量的大小与站点数的多少密切相关，所以贡献量并不能充分体现频次随海拔变化的关系。再把每段海拔范围内的短时强降水总频次除以该范围内的站点数，得到平均每站发生短时强降水的频次（简称站均频次）。需要说明的是，图11中横坐标对应的是海拔400 m，则实际表示200～400 m海拔范围内的站点信息，以此类推。

重庆地区的测站主要分布在200～800 m的地区，海拔超过800 m的站数明显减少，特别是海拔超过1400 m以后，测站只有几个，每200 m范围的站次不到两位数，所以海拔超过1400 m的变化特征不作分析。从2008—2018年重庆地区不同海拔站点总频次贡献量和站均频次变化图（图10）可以看出，贡献量主要集中在海拔200～800 m，短时强降水频次占总频次的83%左右，其中贡献量最高的是海拔200～600 m范围达到了69%，之后随着海拔的增加，贡献量明显下降，但贡献量变化特征与站点数密切相关。

站均频次在一定程度上消除了各海拔范围内站点数对强小时雨强频次大小的影响，其特征曲线可以反映强小时雨强集中程度随海拔变化的关系。由图11可知，海拔200～1600 m范围内短时强降水频次随着海拔的升高呈现波动式变化，1600～2400 m范围内频次波动式增大，海拔2000～2400 m最易发生短时强降水。值得注意的是，海拔达到2400 m以上，频次明显降低，这也体现出沿山一带陡峭过渡地形对短时强降水的影响。

图10 2008—2018年重庆地区不同海拔站点总频次贡献量、站均频次变化和站点数Fig.10 Total frequency contribution, average frequency and stations at different elevation sites in Chongqing during 2008-2018

用同样的方法得到2008—2018年重庆地区不同海拔站点雨强极值变化。可看出雨强极值随海拔的变化特征：0～400 m雨强极值逐渐增大，其中200～400 m范围内有雨强最大峰值，达到181 mm/h左右。超过400 m以上随着海拔的升高雨强在波动中逐渐减小，其中1200～2000 m降幅最大，雨强极值降低一半，海拔2000 m以上雨强衰减速率减小。

图11 2008—2018年重庆地区不同海拔站点雨强极值变化Fig.11 The change of extremes of rainfall intensity with altitude

4 结论

本文利用2008—2018年自动站逐小时降水资料得出如下结论：

1）重庆短时强降水有3个高频中心，分布在重庆西部合川，东北部开州、巫溪和云阳，东南部酉阳、秀山地区，均毗邻陡峭山脉，地形抬升和特殊地形对降水有增幅作用。

2）重庆短时强降水主要集中在6—8月，其中，7月为峰值期，6月频次虽略少，但强度强、覆盖范围大。20～30 mm/h和30～50 mm/h站次月际变化呈反位相变化，由春入夏至秋，前者呈先降后增、后者呈先增后降趋势。

3）西南低涡背景下，短时强降水高频中心主要在重庆西部，次中心在东南部酉阳、黔江，但强度明显弱于西部，西南低涡对西部地区短时强降水影响更明显。西南低涡背景下短时强降水高频月份在6月，3月和10月鲜发。

4）西南低涡背景下的短时强降水贡献量，以西部和主城区最大，其次是西南部、中部和东部地区，东北部城口、巫溪和东南部秀山贡献最小。

5）不同海拔短时强降水频次分布与站点数密切相关，海拔200～800 m的短时强降水频次占总频次的83%，其中200～400 m频次占比高达45%，且出现了雨强极值181 mm/h，其后，强降水频次随高度明显下降，雨强极值在波动中逐渐减小。站均频次在1600～2400 m范围内波动增大，出现峰值，陡峭过渡地形对短时强降水有一定影响。