基于小时降水的湘潭地区精细化降水特征分析

2021-10-18刘二影游枭雄卫曦翔

气象水文海洋仪器 2021年3期

辜倩，刘二影，游枭雄，卫曦翔

(1.气象防灾减灾湖南省重点实验室，长沙 410118；2.湘潭市气象局，湘潭 411100)

0 引言

随着精细化区域自动气象站的全面布网和多年逐小时资料的出现，气象学者开始关注小时时间尺度的降水特征，已有的研究成果表明，小时级的降水量分布存在较大时空差异[1-3]。戴泽军[4]等研究发现湖南夏季降水日变化有显著区域差异，降水双峰值多出现在清晨和午后；李晶[5]等对长株潭城市群体也进行了小时级降水资源分布及变化特征分析，长株潭地区降水日变化呈双峰型分布，但峰值出现时间存在区域差异。前期学者对降水日变化的研究主要集中于汛期，且多利用国家气象观测站资料，空间分辨率低；或者针对某一次具体天气过程进行分析，缺乏较为系统的精细化分布特征研究[6,7]。文章基于湘潭地区82个区域自动气象站近10 a的小时级降水资料，较为系统地分析了湘潭地区降水的精细化特征，对更好地理解本地区降水的时空变化规律、评估区域气候特征和提高防灾减灾能力等具有较为重要的意义，也为本地降水精细化落区预报、短时强降水监测预警等业务工作提供了参考。

湘潭位于湖南省中部、湘江下游，与长沙、株洲一同构成了长株潭城市群。地貌处于长衡丘陵区北沿，总趋势为东南、西北、西南三面较高，向东北部倾斜，中部、东部相对平坦，属亚热带季风湿润气候类型，气候温暖，四季分明，光热充足，雨水丰沛且相对集中，夏秋干旱，全市常年平均降水量1，389.4 mm，降水多集中于春、夏两季，6月份降水最多，12月份最少[8，9]。

1 资料与方法

数据来自湖南省气象信息中心。文章选取2010—2019年湘潭地区110个区域自动气象站逐时降水数据，对2010年以后建站和数据缺测率在5%以上的站点进行剔除，并通过气候极值、时间连续性和空间一致性等检查方法进行数据质量控制，文章中实际参与分析的站点为82个。根据湘潭地区的行政和地理划分，对湘乡市、韶山市、湘潭县和湘潭市区(指2个市辖区雨湖区和岳塘区，后同)4个区域进行精细化降水分析[10]。

降水定义采用中国气象局的业务标准，即降水量≥0.1 mm的时次判定为有降水发生，各站某一时段降水量为该时段的降水累积量，短时强降水标准为1 h降水量≥20 mm。

2 降水空间分布特征

2.1 降水小时数、小时平均降水强度及小时最大降水量空间分布

从2010—2019年湘潭地区年平均降水小时数、年平均降水量、小时平均降水强度和最大降水量基本空间分布态可以看出湘潭地区降水存在明显的空间差异，各降水指标间也有异同：全年降水小时数总体呈南多北少分布，高值区主要分布在湘潭县南部和湘乡东南部地区；年平均降水量有明显的西高东低特征，降水量最多的区域出现在湘乡东南部，湘潭县中东部和市区为相对低值区，湘潭地区的地势以西南、东南和西北三面较高，中部、东部为平原地带，在相同的天气形势下受地势影响，西南暖湿气流在迎风面受地形抬升和辐合作用，降水量较其他区域明显偏多，可见降水小时数和年降水量与地形均有密切联系；小时平均降水强度也呈西高东低趋势，以湘乡中部为中心大值区，湘潭县南部降水强度较低，这与降水小时数的高值区特征相反，故湘潭县南部年降水量少于湘乡；最大小时降水量分布较为分散，大值分布带主要以市区北部和湘乡中部为主，湘潭县最大小时降水量略偏低于其他区域。值得指出的是，湘潭市区降水小时数、年降水量均低于其他地区，但小时最大降水量出现在该区域。

2.2 短时强降水事件频次空间分布

从湘潭地区短时强降水事件发生频次的空间分布可以看出，湘潭地区短时强降水年发生频次空间差异较大，从2.0次至6.7次不等，分布特征也与降水小时数有明显区别，高值区分布较为分散，主要位于湘乡中南部和湘潭县中北部以及市区西部，低值区出现在湘潭县东部和韶山市；湘乡市短时强降水强度明显高于另外3个区域，降水强度普遍大于30 mm/h，湘潭县南部为低值区，为26～28 mm/h，其分布与小时最大降水量分布类似，与降水小时数相反，这说明此区域短时强降水的贡献率较低，以稳定性降水为主。

2.3 季节降水的空间分布

湘潭地区四季降水平均累积量的空间分布既有一致性，又存在一定的差异。从湘潭春季和夏季降水的空间分布格局可以看出，湘乡中部和东南部有双高值中心，而市区和湘潭县中东部降水偏少，和全年的结果也基本一致，这与全年降水主要集中在春夏两季密不可分；夏季降水的空间分布格局与短时强降水强度空间分布格局非常类似，说明夏季降水以短时强降水为主；秋冬季降水量总体较春夏两季明显偏少，高值区分布也有一定差异，总体上仍然呈南多北少分布，湘潭市区降水均较其他区域偏少。

3 小时降水的时间变化特征

3.1 累计降水量、降水频次及降水强度的日变化特征

图1给出了湘潭地区2010—2019年降水强度、降水频次和累积降水量的日变化曲线。降水强度04：00-11：00略高于12：00-16：00，傍晚前后有1次高值时段，最低时段出现在23：00-24：00；而降水频次和累积降水量变化呈典型一峰一谷型，06：00-07：00为降水频次峰值，而谷值出现在23：00-24：00，同降水强度特征一致。

图1 2010—2019年湘潭地区降水强度和累积降水量日变化曲线

为研究湘潭地区各区域降水日变化特征以及城市化对降水的影响，分别选取湘潭市区、湘潭县、湘乡市和韶山市作为研究对象，分析4个区域的日变化曲线(图2)。总体上，湘乡市的降水强度最大，而湘潭县明显低于其他3个区域，各区域均在午后和凌晨有相对低值区，除湘潭县外，各区域在16：00-18：00有明显的高值区；从降水频次和累积降水量来看，各区域均是较明显的一峰一谷型，峰值出现在07：00-08：00，而谷值出现在24：00前后，这与全市平均降水频次和累积降水量趋势一致。

图2 2010—2019年湘潭各区域降水强度、降水频次和累积降水量日变化曲线：(a)湘潭市区；(b)湘潭县；(c)湘乡市；(d)韶山市

3.2 月变化与季变化特征

研究分析湘潭地区各季降水日尺度下各个时间段累积降水量，有助于更全面地分析降水的精细化特征。湘潭地区四季平均降水量统计结果如下：2010-2019年，湘潭降水主要集中在春夏两季，冬季降水最少；从全年降水的日分布看，白天(07：00-18：00)降水整体多于夜间(19：00-次日06：00)，上午时段降水最多；从各季降水量日变化的分布情况看，日变化的分布格局既有一致性，又存在一定差异。春季、秋季和冬季降水最多时段均出现在上午(07：00-12：00)，最少时段出现在下午(13：00-18：00)，而夏季降水最多时段出现在下午，这可能与夏季午后多对流性降水密切相关。

进一步分析小时降水日变化在各月的差异，图3为湘潭地区降水量各月逐时变化,可以看出，湘潭小时平均降水强度月变化差异大，全年呈一峰一谷特征，峰区出现在7月，普遍大于2 mm/h，谷值出现在1月，在0.5 mm/h左右；7月大值区的日变化差异也较大，小时降水强度总体上白天要高于晚上，上午和下午各存在1个峰区。