鄂西南地区暴雨过程强降水特征分析

张子莹，李 超

(成都信息工程大学 大气科学学院，成都 610225)

0 引言

湖北省地处华中地区与长江中游，是中国暴雨多发区之一。按照湖北天气气候分区，恩施行政区与宜昌行政区位于鄂西南地区，鄂西南地区是云贵高原与东部低山丘陵的过渡区域，呈东北—西南走向，且地处海拔变化较大的第二阶梯与第三阶梯的交界处，海拔高度变化在1000 m左右。郭英莲[1]等在对湖北几次暴雨过程研究中指出鄂西南地区的地形在暴雨过程中存在增强和强迫作用；吴翠红[2，3]等指出鄂西南地区为强降水过程的重要起始和高发地区；徐双柱[4]等指出湖北西部山区迎风坡是中尺度雨团的源地集中区；唐永兰[5]等指出鄂西南地区是湖北省极端降水高发区。 以上结论是在测站分布不均匀、观测时间分辨率不高的情况下得到的，基于逐小时数据的暴雨过程中对降水、短时强降水与极端强降水的分析较为缺乏。为此，文章在现有研究成果的基础上，使用2008—2017年4—9月湖北省2500多个观测站(鄂西南700多个站)逐小时降水资料，研究湖北省区域性暴雨过程中，鄂西南地区的过程降水、短时强降水与极端降水特征，以期进一步揭示鄂西南地区强降水规律性。

1 鄂西南暴雨过程

1.1 暴雨过程定义

张家国[6]、王春学[7]和牛若芸[8]等基于当地降水特征定义区域性降水过程，在参考前人工作的基础上，利用2008—2017年湖北省国家站和区域站4—9月逐小时降水资料中挑选出的141个区域性暴雨过程。分析挑选的141个个例发现，多个区域性暴雨过程途经鄂西南地区。文章定义的鄂西南地区暴雨过程为：1)存在3站以上小时降雨量大于10 mm；2)存在2站以上小时降雨量大于20 mm；3)暴雨过程持续时间在1 h以上且允许有2 h的降水间断。经统计，2008—2017年鄂西南地区暴雨过程共90个，说明湖北省区域性暴雨过程多数要途经鄂西南地区[9，10]。文章以统计得出的90个暴雨过程为基础进行分析。

1.2 暴雨过程路径分类

根据研究需要将鄂西南地区暴雨过程分为4种路径：1)区域性暴雨全过程均在鄂西南地区，定义为路径d1；2)区域性暴雨在鄂西南地区开始，在地区外结束，定义为路径d2；3)区域性暴雨在鄂西南地区外开始，在地区内结束，定义为路径d3；4)区域性暴雨开始和结束都在鄂西南地区外，但暴雨过程途经鄂西南地区，定义为路径d4。经统计，暴雨过程各个路径长短不同，经历的行政区域多少也不同，造成过程差异很大，路径d1、d2、d3、d4的个例数(比例)分别是20(22.22%)、28(31.11%)、32(35.55%)、10(11.11%)，达到了一定的样本数，其中路径d3的样本数最多。文章进一步分析得出这些样本的雨带移动方向具有一定的规律性，鄂西南地区暴雨过程雨带移动方向可以分为不移动、向东北方向移动、向东南方向移动和向其他方向移动4种情况。

从鄂西南地区暴雨带移动方向上看，不移动个例占总数的22.22%，移动个例占总数的77.78%，发生在6—8月暴雨过程占总数的82.22%，分布与暴雨量情况相似。其中东北和东南移动个例数较多，占移动总数的84.28%，其他移动方向很少。不移动个例的过程都出现于d1路径，大部分(58.33%)东北移动个例以移动路径d3为主，东南移动个例以d2、d3移动路径为主，绝大部分(81.82%)其他移动个例沿路径d2移动，可以看出其他移动个例受起始于鄂西南地区外的区域性暴雨过程影响，东北移动个例与东南移动个例同时受起始于鄂西南地区内外的区域性暴雨过程影响，其中起始于地区内的暴雨过程影响相对较大，可以看出鄂西南地区起始的暴雨过程占57.78%，在鄂西南地区外起始的暴雨过程占42.22%。结合4种路径与4种雨带移动方式，把鄂西南地区暴雨过程分为4种：1)暴雨过程开始到结束均在鄂西南地区内，定义为不移动型，简称Ⅰ型；2)暴雨过程途径鄂西南地区向东北方向移动，定义为东北方向移动型，简称Ⅱ型；3)暴雨过程途径鄂西南地区向东南方向移动，定义为东南方向移动型，简称Ⅲ型；4)暴雨过程途径鄂西南地区向除东北、东南以外的其他方向移动，定义为其他移动型，简称Ⅳ型。

2 暴雨过程特征分析

2.1 持续时间特征分析

通过鄂西南地区暴雨过程持续时间频数分布可以看出，持续时间在1～3 h的暴雨过程占20%，持续时间在4～6 h的暴雨过程占比较多，为45.56%，持续时间在7～9 h的暴雨过程占20%，其他情况较少。可以看出暴雨持续时间以3～9 h为主。

2.2 过程降水量特征分析

2.2.1 过程降水量计算方法

设小时降水量为R1 h(l，i，j，k)(l=1，…，4；i=1，…，W；j=1，…，Ml；k=1，…，TClj)，其中l取1～3代表Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型暴雨过程，取4代表不区分类型；i为站点数；W表示鄂西南的总站点数(W=712)；N表示有过程降水的总站点数(N≤W)；j为个例数；Ml为不同类别下个例数量；k为个例持续时间；TClj表示第l种类型第j个个例的持续时间。利用式(1)计算得到不同类型下过程降水量RlT(l，i，j)：

(1)

式(1)统计的小时降水量均大于1 mm，利用式(2)和式(3)计算不同个例的过程总降水量RlTN(l，j)：

(2)

(3)

式中，order[]表示降序排列函数；在式(2)中取N=1，得到过程单站最大降水量[11]。

2.2.2 过程单站最大降水量分析

文章对2008—2017年暴雨过程的过程单站最大降水量进行统计，结果表明，过程单站最大降水量主要在40～160 mm，占总数的81.11%。将鄂西南地区进一步细分为4个区域：恩施北部(包括利川市、恩施市与建始县)、恩施南部(包括咸丰县、宣恩县、来凤县与鹤峰县)、两省交界(包括五峰土家族自治县、长阳土家族自治县、兴山县与巴东县)和宜昌东部(包括宜昌市、宜都市、安远县、当阳市与枝江市)。按以上分区统计过程单站最大降水量空间分布，过程单站最大降水量多出现在恩施北部地区、恩施南部地区与宜昌东部地区，分别占总数的25.56%、24.44%和33.33%，两省交界地区较少，占总数的16.67%。

文章统计分析了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型暴雨过程单站最大降水量频数分布。分析发现，Ⅰ、Ⅱ型暴雨过程单站最大降水量主要为40～160 mm，均占总数的80%以上；Ⅲ型暴雨过程最大过程降水量主要在40～140 mm，均占总数的65%以上。Ⅰ型暴雨过程多出现在恩施北部地区与宜昌东部地区(均占35%以上)；Ⅱ型暴雨过程多出现在恩施南部地区与宜昌东部地区，恩施北部地区次之(均占25%以上)；Ⅲ型暴雨过程多出现在两省交界地区与宜昌东部地区，恩施北部地区次之(均占20%以上)。

3 短时强降水特征分析

3.1 短时强降水频数空间分布

中国气象局在短临业务工作中规定，当小时累计降水量达到20 mm及以上时认定为1次短时强降水。通过对2008—2017年暴雨过程短时强降水统计得出，出现短时强降水站数为704站，占降水总站数的98.88%(704/712)；短时强降水站点频数最大值为31次，最小值为1次，使用百分位数法，认为站点频数大于第85%分位数(14次)的站点是短时强降水高频数站点，站点频数小于第55%分位数(8次)的站点是短时强降水低频数站点。高频数站点主要分布在4个区域：恩施市-建始县一线，来凤县-宣恩县一线，鹤峰县-五峰土家族自治县一线与宜都市-当阳市一带；低频次站点主要分布在3个区域：利川市附近，恩施市南部-建始县南部-巴东县中南部一线与兴山县-秭归县-长阳土家族自治县一带。章淹[9]指出地形对降水有极为重要的作用，海拔高度变化复杂的恩施地区有大范围的高频数区，宜昌地区虽地势平坦，但位于喇叭口地势与峡谷地势出口处，有一定程度的短时强降水，恩施地区较宜昌地区有较多的短时强降水发生，且主要出现在恩施南部。

3.2 短时强降水日变化特征

图1为2008—2017年暴雨过程短时强降水日变化频数分布，可以看出鄂西南地区暴雨过程日变化特征较为复杂。整个变化过程出现3次峰值，其时间和强度分别是02：00的396次、08：00的394次、16：00的274次，表现为多峰型，主峰出现在01：00—03：00和07：00—09：00；次峰出现在15：00—17：00，即鄂西南地区暴雨过程多发生在01：00—03：00和07：00—09：00。吴翠红认为鄂西南地区白天强降水发生较少，而从文章可以看出鄂西南地区在白天存在1个主峰和1个次峰，说明白天强降水发生的可能性很高。

图1 鄂西南短时强降水量日变化频数分布

4 极端强降水特征分析

4.1 小时最大降水量分布

统计降水站点小时最大降水量，其最小值为11.5 mm，最大值为109.4 mm，其中小时最大降水量大于50 mm站数、大于60 mm站数与大于70 mm站数，依次为247站、107站与39站，分别占降水总站数的34.69%、15.3%与5.48%。对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型暴雨过程最大降水量站数进行统计得到，3种类型小时最大降水量大于70 mm的站点数都超过10站，Ⅰ、Ⅱ型暴雨过程大于30 mm的站点数均达到56%，Ⅲ型暴雨过程大于30 mm的站点数达到44%，由此看出鄂西南强降水的极端性是极为明显的。

通过统计分析其他空间分布得出，在鄂西南地区小时最大降水量空间分布不均匀，小时最大降水量大于50 mm分布与短时强降水站点频数空间分布较为相似。将小时最大降水量大于50 mm区域作为大值区域进行分析，恩施地区西北部利川市-恩施市-建始县-巴东县一线有较为连贯的小型块状高值区，恩施地区的其他区域有分散的小范围大值区，宜昌地区东部以宜昌市为界，宜昌市北部、自宜昌市东部向东延伸至长阳土家族自治县与自宜昌市南部向南延伸至当阳市、枝江市与宜都市有连贯的大范围高值区，在恩施市和宜昌市交界地区存在南北向垂直分布的小值带状区域，总体来说恩施地区高值区较为分散；宜昌地区高值区集中在东部地区。吴翠红对1999—2009年湖北省78站1 h累计降水量的极大值(即最大降水量)进行空间分布分析，认为全省各站1 h降水量极值分布总体上较均衡，无明显地域差异。但从文章分析来看，降水量极值分布无明显地域差异，与各站点间隔较远有关。

4.2 极端强降水分析

为了分析2008—2017年暴雨过程的极端强降水情况，参考Tukey[10]提出的方法，得到鄂西南地区极端强降水阈值及空间分布(图2)。从图2看，第98%分位数的最小值、最大值与中位数分别为10.5 mm、50.8 mm与29.9 mm，根据湖北对强降水定义，用第98%分位数作为强降水阈值明显偏小；第99%分位数的最小值、最大值与中位数分别为11.5 mm、60.9 mm与35.3 mm，这与多站出现大于70 mm的降水事实不符；而第99.5%分位数的最小值、最大值和中位数分别为11.5 mm、78.2 mm和41.5 mm，因此利用第99.5%分位数作为极端短时强降水值阈值更符合强降水实况。从箱线图(图2)可见，第99.5%分位数的分布区间主要集中在34.52～51.9 mm，第99.5%分位数在50 mm以上站点222个(31.53%)，60 mm以上站点90个(12.78%)，70 mm以上站点36个(5.11%)，80 mm以上站点16个(2.2%)，90 mm以上站点7个(0.99%)，说明该地区降水的极端性是存在并且明显的。

图2 鄂西南地区极端强降水阈值特征分析

将阈值大于50 mm站点称为阈值高值站点，集中出现区域称为阈值高值区。恩施地区阈值高值区呈东北—西南走向，利川市-恩施市-建始县一线与来凤县-宣恩县-鹤峰县一线极端降水量较大；宜昌地区阈值高值区集中在东部，以安远县-宜昌市-长阳土家族自治县一线以东为大值区，以西为低值区。分析极端强降水阈值高值区分布发现，阈值大于70 mm站点主要出现在3个地区：恩施西北部山区、恩施东南部山区海拔低于1000 m地区与宜昌山区进入江汉平原过渡地区。阈值大于80 mm站点出现宜昌地区；阈值大于90 mm站点出现恩施地区，可以说恩施地区比宜昌地区降水极端性更明显。

5 结束语

文章利用近10 a的湖北省逐小时降水量，对鄂西南地区暴雨过程进行过程降水、短时强降水与极端强降水特征分析，得到：

1) 2008—2017年鄂西南地区暴雨过程个例共90个，其中本地起源的暴雨过程占半数以上；暴雨过程持续时间以3～9 h为主；最大过程降水量以40～160 mm为主，多出现在恩施北部、恩施南部与宜昌东部地区。

2) 暴雨过程中短时强降水空间分布不均匀；高频数区域出现在恩施北部、恩施南部与宜昌东南部，恩施北部与南部以东西向的带状形式分布，宜昌东南部以大范围块状形式出现；低频数区主要出现在两地区之间过渡带，以南北向的带状形式分布；短时强降水日变化为多峰型，鄂西南地区暴雨过程多发生在01：00—03：00和07：00—09：00。

3)暴雨过程小时最大降水量大于50 mm站数达到34.69%，大于70 mm站数达到5.48%，极端性极为明显；利用第99.5%分位数作为暴雨过程极端强降水阈值，极端降水阈值空间分布不均匀，其分布与1 h最大降水量空间分布一致；阈值大于70 mm站点主要出现在3个地区：恩施西北部山区、恩施东南部山区海拔低于1000 m地区与宜昌山区进入江汉平原过渡地区，恩施地区比宜昌地区降水极端性更为明显。