文山州防洪城市短时强降水时空变化特征

2022-05-10王兴刚

云南地理环境研究 2022年1期

王郦，郑芬，王兴刚

(1.文山州气象局，云南文山 663000；2.广南县气象局，云南广南 663300)

0 引言

短时强降水(小时雨量≥20 mm)是文山州最多发的灾害性天气之一，短时强降水就是意味着历时短、雨强大[1]以及局地性强，大量的降水在相对短的时间内发生，严重影响了城市生活以及交通等问题，特别是几个防洪城市，短时强降水极易引发城市内涝、山洪、滑坡泥石流等灾害。例如2018年6月24日凌晨文山市城区出现大暴雨天气，24小时累计雨量为112.5 mm，最大小时雨量为40.4 mm，文山市城区多处发生内涝，其中位于环东路上的文山雪佛兰4S店受灾比较严重，近30辆车被泡在了水中，灾害造成直接经济损失2 488.79万元；2018年9月2日麻栗坡县猛硐出现特大滑坡泥石流灾害，24小时累计降雨量212.2 mm，2日04时小时降雨量达97.4 mm；2019年7月23日20时文山市城北片区1小时降雨量达46 mm，导致文山市城北片区出现较为严重的城市内涝，很多车辆被冲。这些灾害都是短时强降雨导致的，影响极大。因此，对短时强降水时空分布特征及其发生机理的研究具有非常重要的意义。

随着经济的迅速增长和人类活动的影响，城市规模不断扩大，对城市气候也产生明显的影响[2，3]。城市的发展影响着对流层大气水分和热量的分布[4]，进而影响降水的时空分布。同时，随着全球气候变暖的加剧，强降水事件也呈现出极端化发展的趋势[5]。近年来，国内外学者在降雨时间分布特征研究中取得了一系列研究成果，尤其是为了深化对区域性短时强降水演变规律的认识开展了许多研究工作。随着观测资料的丰富，研究内容也从年、季气候特征逐渐向日变化特征深入。Harold对美国地区3 h时间尺度以内的强降水过程分析表明，短时强降水的分布与美国地区暴洪的分布关系密切，逐小时降水资料对评估暴洪发生的气候概率很有帮助[6，7]。长期以来，气象工作者在气候变化和极端强降水方面做了大量的研究，也取得了很多有意义的成果。但以往的研究多侧重于对气温和年降水量的气候变化趋势研究以及单次极端降水天气的成因分析，缺乏对短时强降水的日变化特征做分析研究，特别是对文山州引发洪涝、滑坡、泥石流灾害的短时强降雨的日变化特征方面的研究还未见到。

因此本文将对文山州3个防洪城市的短时强降水时空分布及日内变化规律分析研究，旨在通过掌握这些规律，为这类灾害性天气的预报预警提供技术支撑，同时也为3个防洪城市的防灾减灾提供依据。

1 资料与方法

云南省文山州区域自动站气象观测资料，自2012年后才比较稳定。因此本文选取2012年1月1日～2019年12月31日文山州文山市、富宁县和麻栗坡县3个防洪城市3个基本观测站(县城)和43个区域自动观测站共46个站点8年的逐小时降水资料。数据来源于云南省信息中心气象数据库，经信息中心统一质量控制，可靠性和数据连续性较好。筛选去除可疑降水记录(如连续几小时逐小时降雨量都比较大；或者周围都无雨仅一个站出现较强降水等情况给予剔除)，分析3个防洪城市区域短时强降水特征。

短时强降水属于强对流天气的一种，在文山州境内，其发生概率相对较小，但如果发生，极易造成洪涝、城市内涝或山体滑坡等严重的气象灾害。中央气象台定义短时强降水指1h降水量≥20 mm，结合Zhang等[8]的定义方法，本研究主要针对降水量≥20 mm/h的强降水事件。为进一步加深对短时强降水日变化的认识，文中对不同等级降水的频率分别给出了空间分布，并将不同等级降水的雨量和频次序列进行标准化，分析各量级降水的日变化规律。

2 结果分析

2.1 短时强降水空间分布特征

从图1可以看出，2012～2019年这8年中，强降水出现次数最多的是东部的富宁县，有673次，年平均达84.1次；南部的麻栗坡县有463次，年平均达57.9次；西部的文山市最少，有421次，年平均达52.6次。小时雨量在20～30 mm之间累计次数最多，最多的是东部的富宁县，年平均56.6次；其次是南部的麻栗坡县，年平均41.9次；西部的文山市最少，年平均37.4次。小时雨量在30～40 mm之间的最多的也是东部的富宁县，年平均18.1次；其次是麻栗坡县，年平均11.3次；同样是文山市最少，年平均仅有10.5次。小时雨量达40 mm以上(注：40 mm以上包括了所有小时雨量大于40 mm的强降水)的强降水，最多的是南部的麻栗坡县，年平均9.4次；文山市和富宁县一样多，年平均都是4.8次。最大小时雨量出现在2018年9月2日04时麻栗坡县猛硐97.4 mm。

图1 各县(市)不同量级小时降雨量累计次数分布(左)和小时雨量达20 mm以上总次数分布(右)

分析3个防洪城市的短时强降水多年平均频次空间分布(图2)可以看出，短时强降水发生频率最高的区域位于富宁县东部和富宁县南部，其次是麻栗坡县的南部。其中富宁县东部边缘的者桑为最大值中心，年均发生短时强降水8.6次。富宁县西南角、麻栗坡县西北部以及文山大部出现短时强降水的频率都较低，短时强降水频率最低的是文山西部的薄竹，年均发生短时强降水1.5次，比年均降水量最少的文山市西北部地区的乡镇频率都小。由此看出，短时强降水多出现在边界地区。与多年平均年降水量空间分布(图3)对比可以发现，3县(市)年平均短时降水频次空间分布与年降水量总体特征大体相似，即麻栗坡县和富宁县短时强降水发生频率高，年降水量也相对较大，文山市短时强降水发生频率小，年降水量也较小。各县的短时强降水发生频率和年降水量也几乎成正比关系：文山市南部地区短时强降水频率最高，文山市南部地区年均降雨量也最大；麻栗坡县西北部和东部短时强降水频率小，年均降雨量也小；富宁县短时强降水频率最高的东部，年降水量相对较小，富县宁南部年降水量与短时强降水发生频率成正比。

(a)各县(市)短时强降水年平均次数

2.2 短时强降水年际变化特征

从短时强降水逐年分布图上(图3)可看出，这几年内3个防洪城市短时强降水年均总次数呈上升趋势，各县年均次数文山市和富宁县也是呈逐年增加的趋势，而麻栗坡是呈逐年减少的趋势。

图3 3县(市)短时强降水总次数和分县次数逐年分布

2.3 短时强降水月变化特征

各县(市)短时强降水逐月分布图(图4左)，短时强降水高峰月主要集中在夏季(6～8月)，春末(5月)和秋初(9月)次之，秋末到冬季很少有短时强降水出现。5～10月短时强降水出现最多的是东部的富宁县，其次是麻栗坡县，文山市出现次数最少；3～4月出现最多的是南部的麻栗坡县，其次是富宁县，同样是文山市最少，1月和2月几乎不会出现短时强降水，11月和12月也仅有文山市出现过，富宁和麻栗坡没有出现过。

图4 各县(市)短时强降水逐月分布(左)、短时强降水不同量级逐月分布(右)

图4右图为短时强降水不同量级逐月分布情况：40 mm以上强降水出现频率最大的是6月，其次是7月，再次是8月，5月和9月频率相当，这几年中，1～3月没出现过40 mm以上短时强降水，但10～12月出现过。30 mm以上短时强降水频率最大的出现在6月和8月，5月、7月、9月频率相当，4月和10月相对较少，3月和11月偶尔出现几次，1月、2月和12月没出现过。20 mm以上短时强降水频率最大的是8月，6月、7月次之，再次是5月和9月，3月、4月和10月出现20～50次不等，1月、2月、11月、12月偶尔出现。

由此可见，短时强降水频率最高的是夏初(6月)和夏末(8月)，夏中次之，春末秋初出现频率也相对较高，冬季很少出现。且州边缘地区出现概率更高。

2.4 短时强降水日变化特征

从3个县(市)的短时强降水逐小时分布图(图5)上看出：文山市短时强降水高峰期出现在13时～21时，低峰期出现在0时、04～05时、07～08时；麻栗坡县有两个高峰期，一个是夜间23时～06时，一个是15～19时，低峰期出现在12时；富宁县高峰期出现在15-21时，低峰期出现在上午10时。由此可见：文山市和富宁县是在午后至傍晚比较容易出现短时强降水，而麻栗坡县有两个时段较易出现短时强降水，一个时段是午后至傍晚，另一个时段是夜间至凌晨。

图5 各县短时强降水逐小时分布

2.5 短时强降水峰值时间

文山市出现短时强降水极值时间出现在傍晚20时，小时雨量达81.1 mm，极值出现时间与文山市短时强降水高峰期(午后至傍晚)对应；麻栗坡县极值时间出现在凌晨04时，小时雨量达97.4 mm，极值出现时间与麻栗坡县短时强降水高峰期(夜间至凌晨)对应；富宁县极值时间出现在下午17时，小时雨量达80.9 mm，极值出现时间与富宁县短时强降水高峰期(午后至傍晚)对应。由此可见，3个防洪城市短时强降水极值时间都出现在其相对应的高峰期内。