贵州省区域性重要过程监测与评价指标阈值确定

张东海，周文钰，段 莹，严小冬

(1.贵州省气候中心,贵州 贵阳 550002;2.贵州省气象台,贵州 贵阳 550002;3.贵州省生态气象和卫星遥感中心,贵州 550002)

0 引言

我国幅员辽阔，地理气候条件复杂，自然灾害具有种类多且发生频繁、区域性特征明显、季节性和阶段性特征突出、灾害共生性和伴生性显著等特点，而气象灾害占比达到70%以上[1]，其中暴雨、高温、干旱等灾害又是我国最重要的几种气象灾害。1988 年长江流域大洪水[2]、2003年南方高温热浪[3-4]、2009—2010年西南秋冬春连旱、2011和2013年贵州省严重夏旱[5]等对人民生活、社会经济发展等产生了巨大影响。因此，开展区域性重要过程的监测与评价是气候业务服务的迫切需要。

邹燕等[6]、吴慧等[7]分别对福建和海南的区域性暴雨过程进行客观识别，采用百分位数法和相关系数法基于4项暴雨过程指标构建了综合强度评估模型和等级划分标准。贵州省地方标准[8]规定贵州境内有6个及以上国家站(或6%及以上区域站)日降水量达到暴雨标准则为一次区域性暴雨过程。中央气象台业务规定[9]，单站连续3d以上出现高温天气，区域内某日有2成以上站点成片出现高温天气，则一次区域性高温天气过程开始；王国复等[10]规定相邻高温站点(站点间距≤250 km)组群内高温站数≥3%、当日与前一日的高温站点重合率≥50%且至少持续5 d则为一次区域性高温过程。袭祝香等[11]规定吉林省区域内单日10站及以上K指数≥0.6且持续7 d以上为一次区域性干旱事件。

为做好区域性重要天气气候过程的监测与评价工作，建立国家级和省级相对统一的指标体系，2019年12月16日，中国气象局预报与网络司《关于印发〈区域性重要过程监测和评价业务规定〉的通知》(气预函〔2019〕63号)(以下简称“规定”)，中明确了区域性暴雨、高温、干旱和沙尘过程监测与评价技术，本文将结合贵州省气候特征对区域性暴雨、高温、干旱过程监测与评价指标涉及到的相关阈值进行确定，为贵州省开展相关区域性重要过程监测与评价提供支撑。

1 资料和方法

1.1 资料

本文所用资料为贵州省气象信息中心及国家气候中心提供的境内85个国家气象观测站1981年或建站至2010年的日降水量、日最高气温、MCI指数，贵州境内全部站(国家站和区域站，以下简称“全部站”)2009年4月—2020年8月日降水量。特别说明，白云为1982年建站，汇川为2005年建站。

1.2 方法

按照“规定”中对区域性暴雨、高温、干旱过程的相邻站点距离、空间范围(区域性过程日)、持续天数等某个或几个指标阈值进行确定，同时高温和干旱还需考虑过程中当日与前一日事件发生的站点重合率。为方便指标确定，先假定贵州省境内各站点发生相关事件时相邻站点距离和过程事件重合率均满足各过程要求，然后再根据确定区域过程日空间范围站数要求回算相邻站点距离和过程事件重合率是否满足要求或确定其阈值。

采用概率统计方法计算各项指标在不同阈值范围的概率，结合现行监测指标阈值或相关经验确定区域性重要过程监测与评价指标阈值。

2 区域性暴雨过程指标确定

2.1 区域性暴雨日

统计1981—2010年贵州省境内85站逐日暴雨(日降水量≥50 mm)站数，然后挑选日暴雨站数≥2站作为统计样本(图1)，样本最多暴雨站数为51站，以暴雨站数=1站为步长，统计2～51分段频率和累积频率。统计结果表明，99%的样本日暴雨站数≤30站，日暴雨站数在5～10站及其以上的频率分别为50.6%、42.1%、35.3%、29.3%、24.3%、21.5%。

图1 日暴雨站数≥2站统计样本分段及累积频率(%)

结合贵州省现有区域性暴雨监测指标，最终确定区域性暴雨日阈值为6站，即贵州省境内日降水量≥50 mm的相邻站点数≥6站确定为一个区域性暴雨日。

2.2 相邻暴雨站点距离

统计1981—2010年逐日暴雨站点数≥2站相邻暴雨站点距离，结果表明当日有且仅有1个暴雨站点与相邻暴雨站点距离超过350 km共计32 d(3.3%)，且暴雨站数介于2～7站之间，对应日数分别为17 d、5 d、6 d、1 d、2 d、1 d，6站及以上仅3 d。因此，在确定区域性暴雨日的空间范围阈值时可以忽略相邻暴雨站点距离≤350 km的指标。

2.3 基于区域站的区域性暴雨日

对于区域性暴雨过程的监测社会公众和领导决策关注更加精细化的监测结果，贵州省区域自动气象站自2009年开始建设，目前有区域自动气象站约3 000个，为满足监测精细化的气象业务服务需求，有必要基于全部站开展区域性暴雨过程监测。

按照2.1节基于国家站确定的区域性暴雨日阈值，统计2009年4月—2020年8月国家站区域性暴雨日对应的全部站中暴雨站数的占比作为统计样本(图略)，样本总计200条，全部站的暴雨站数的占比介于2.6%～34.4%之间，99%的样本暴雨站数百分比≥3%，全部站暴雨站数百分比在3%～10%及其以上的频率分别为99.0%、96.0%、89.4%、81.4%、70.4%、62.3%、54.8%、47.2%，选取6%作为全部站区域性暴雨日阈值。

统计2009年4月—2020年8月全部站日暴雨站数百分比≥6%对应国家站日暴雨站数(图略)，结果表明，有188 d满足统计条件，其中有26 d国家站日暴雨站数在1站或3～5站，其对应日数为3 d、6 d、2 d、15 d，这可能与站点分布不均有关。因此，在确定全部站区域性暴雨日阈值时，如果仅考虑暴雨站数百分比≥6%，具有一定的局限性，可以考虑结合国家站暴雨站数确定，结合前文分析结果，将全部站暴雨站数百分比≥6%且国家站日暴雨站数不少于5站作为全部站的区域性暴雨日指标。

3 区域性高温过程

3.1 不同阶段高温站点

统计不同阶段贵州省各站点是否出现高温情况(图2、图3)，主要包括1981—2010年、建站—2019年和建站至今(截至2020年5月31日)3个时段，各时段分别有61站、63站、70站出现过高温天气，前两个统计时段发生的高温范围基本一致，主要分布在省北部、东部及南部，省中西部及局地高海拔地区未出现过高温。建站至今的高温范围明显较前两个统计时段增加，主要是因为2020年5月上旬全省25站日最高气温达到或突破本站有气象记录以来历史极值，主要集中在省中西部地区(图4b)，其中省中西部的花溪、龙里、镇宁、普定、六枝、黔西、纳雍等7站为建站以来首次出现高温天气。

图2 贵州省1981—2010年(a)和建站—2019年(b)各站是否出现高温分布

图3 贵州省建站至今各站是否出现高温(a)及2020年5月上旬日最高气温破纪录站点分布(b)

统计1961至今历年发生高温的站数变化(图4)来看，历年高温站数年际差异较大，但整体呈上升趋势，1993年高温站数最少16站，1988年、2019年和2020年高温站数最多53站。

图4 贵州省1961至今历年高温站数变化(截至2020年5月31日)

计算历史上曾经出现过35 ℃以上高温的70个站点的相邻高温站点距离，其值介于6.2～72.2 km，满足“规定”中相邻站点的距离≤250 km的要求，可以将全省假定为一个区域性高温监测的组群。

3.2 指标确定

3.2.1 区域性高温日 统计1981—2010年贵州省境内85站逐日高温(日最高气温≥35 ℃)站数，然后挑选日高温站数≥2站作为统计样本(图5)，样本最多高温站数为47站，以高温站数=1站为步长，统计2～47分段频率和累积频率。统计结果表明，99%的样本日高温站数≤22站，日高温站数5～10站及其以上的频率分别为55.7%、49.0%、44.2%、39.8%、36.7%、34.5%。

图5 日高温站数≥2站统计样本分段及累积频率(%)

选取日高温站数10站作为区域性高温日阈值，即占比为10/85≈12%，也即将贵州省境内日最高气温≥35 ℃的相邻站点数占有效监测站数的百分比≥12%确定为一个区域性高温日。

3.2.2 相邻高温站点距离 统计1981—2010年逐日高温站点数≥2站当日相邻高温站点距离，结果表明当日存在相邻高温站点距离>250 km有358 d(占总样本数的27.3%)，且高温站数介于2～25站之间(图6)。将这358 d作为统计样本，进一步分析这些样本相邻高温站点距离超过250 km的站点组合发现，每天仅存在1个或2个相邻站点组合，其中当天存在2个组合仅11 d且对应站数为3～5站和13站；其余347 d中当天仅有1个相邻高温站点组合距离超过250 km，且当日高温站数在10站以内的样本有292 d，余下55 d日高温站数在10站及以上，且这55 d中有52 d包含赤水，表明赤水发生高温当日与其相邻的贵州境内250 km以内的其他气象站点均未发生高温，由于赤水特殊的地理位置导致其高温多发成为贵州境内一个高温中心[12]。因此，确定我省区域性高温日可以忽略相邻站点距离指标，将贵州全省范围作为一个区域性高温过程监测与评估的组群。

图6 贵州省1981—2010年高温日相邻高温站数距离>250 km不同站数样本统计

3.2.3 区域性高温过程 按照3.2.1节确定的区域性高温日，统计1981—2010年贵州省全省85站连续高温过程日数，然后挑选持续日数≥1 d作为统计样本(图7)，样本最长连续过程日数为15 d，以持续日数=1站为步长，统计1～15分段频率和累积频率。统计结果表明，99%的过程持续日数≤13 d，过程持续日数3～5 d及以上的频率分别为42.9%、27.9%、18.6%。

图7 区域性高温日数≥1 d统计样本分段及累积频率(%)

选取过程持续日数≥3 d作为区域性高温过程阈值，即贵州省境内区域性高温日持续日数M≥3 d，则判定其为一次区域性高温过程。

3.2.4 高温站点重合率 “规定”中要求“某日某区域性组群内至少有50%的站点与前一日某区域性组群内站点重合，则判定该区域性组群持续；否则判定该组群结束”，通过对上述阈值确定的区域性高温过程及其重合率统计，结果表明，全部过程仅6次过程中间存在1 d重合率<50%的情况，但该日重合率均>40%。因此，贵州省区域性高温过程指标阈值确定时可以不再考虑过程日重合率≥50%的条件。

4 区域性干旱过程

4.1 区域性干旱日

统计1981—2010年贵州省境内84站(不含汇川)逐日中旱及其以上(MCI≤-1.0)站数，挑选站数≥2站作为统计样本(图8)，样本最多站数为80站，以站数=1站为步长，统计2～80分段频率和累积频率。统计结果表明，99%的样本日干旱站数≤68站，干旱站数在10站、13站、18站、22站及其以上的频率分别为50.3%、41.5%、30.7%、24.9%、36.7%、34.5%。

图8 日干旱站数≥2站统计样本分段及累积频率(%)

选取中旱及其以上强度干旱站数10站作为区域性干旱日阈值，占比为10/84≈12%，即某日贵州省境内出现中度及其以上(MCI≤-1.0)强度干旱的相邻监测站点数占有效监测站数(站点不缺测)的百分比≥12%，则定义当日为1个区域性干旱日。

4.2 相邻干旱站点距离

统计1981—2010年逐日中旱及其以上站点数≥2站当日相邻干旱站点距离，结果表明当日存在相邻干旱站点距离>200 km有937 d(占总样本数的14.6%)，且干旱站数介于2～51站之间，其中不足10站的有801 d、10站及以上的有136 d(占总区域性干旱日3 230 d的1.1%)。进一步分析10站及以上的136 d站点组合样本发现，其中有7 d存在2个站点与临近干旱站点距离超过200 km，其余129 d仅1个站点与临近干旱站点距离超过200 km，这些干旱站点主要分布在临近贵州省行政边界的区域范围内共计30个站点，其中赫章和赤水出现次数较多，分别有22 d和34 d，其余28个站点均未超过10 d且多在5 d以内。结合前文已经确定区域性干旱日阈值为10站，因此，在确定贵州省区域性干旱日时可以不再考虑相邻干旱站点距离200 km以内的限制条件。

4.3 干旱站点重合率

基于上述区域性干旱日阈值，挑选1981—2010年贵州省全省84站逐日中旱及其以上站数比例≥12%的区域性干旱日并计算其与前一日干旱站点的重合率作为统计样本(图9)，样本重合率范围为22.2%～100%，以重合率=10%为步长，统计20～100分段频率。统计结果表明，重合率≥50%的样本为99.4%，仅0.6%的样本重合率<50%，参照国家级重合率推荐阈值50%执行即可。

图9 区域性干旱日当日与前一日干旱站数重合率样本分段频率(%)

4.4 区域性干旱过程

统计结果表明，过程持续日数5 d、10 d、15 d、20 d、25 d、30 d及其以上的频率分别为51.2%、33.6%、21.7%、18.9%、15.7%、11.1%。

参照国家级推荐阈值，选取过程持续日数15 d作为区域性干旱过程开始阈值，即区域性干旱日持续时间≥15 d，则定义为一个区域性干旱过程开始。

按照4.1节和4.3节确定的区域性干旱日条件取反定义为非区域性干旱日，即非区域性干旱日中旱及其以上站数百分比<12%或当日与前一日区域性干旱站点重合率<50%。统计1981—2010年贵州省84站非区域干旱过程持续日数，然后挑选持续日数≥1 d作为统计样本(图10)，样本最长连续过程日数为309 d，以持续日数=1站为步长，统计1～309分段频率和累积频率。统计结果表明，过程持续日数在5 d、10 d、15 d、20 d、25 d、30 d及其以上的频率分别为62.8%、47.7%、41.7%、38.5%、36.7%、36.2%。

图10 连续干旱过程1～50 d统计样本分段及累积频率(%)

参照国家级推荐阈值，选取过程持续日数≥5 d作为区域性干旱过程结束阈值，即某次区域性干旱过程开始后，当连续5 d出现中旱或以上强度干旱的站点数占监测总站数的百分比<12%或当日与前一干旱日的站点数重合率<50%该次干旱过程结束。

5 小结

利用贵州省85个国家气象观测站1981—2010年日降水量、日最高气温、MCI指数资料，确定了区域性暴雨、高温、干旱相关监测与评价指标阈值，初步得出以下结果：

①某日，贵州境内日降水量≥50 mm的国家站站点数≥6站(或国家站≥5站且全部站站数比例≥6%)确定为一个区域性暴雨日，持续出现1 d或以上则为一次区域性暴雨过程。

②全省范围内日最高气温≥35 ℃的站点数占全省监测站数的百分比≥12%确定为一个区域性高温日，持续出现3 d及以上则判断其为一次区域性高温过程。

③全省范围内出现中度及其以上强度干旱的站点数占全省监测站数的百分比≥12%确定为一个区域性干旱日，当某日与前一日区域性干旱站点的重合率≥50%，且持续时间≥15 d，则定义为一个区域性干旱过程开始，满足一次区域性干旱过程判定条件的首日为该次区域性干旱过程开始日。区域性干旱过程开始后，当连续5 d出现中旱或以上强度的站点数占全省监测站数的百分比<12%或者与前一干旱日的站点数重合率<50%，即表示该次干旱过程结束，则将前一天确定为该次区域性干旱过程的结束日。

④对于贵州全省范围内区域性暴雨、高温、干旱过程指标确定，可以不再考虑相邻站点距离以及高温过程站点重合率≥50%的要求，从而简化指标计算流程。