呼伦贝尔市汛期短时强降水时空分布特征

高绍鑫，刘 静，常 煜，隋沆锐

(1.呼伦贝尔市气象局，内蒙古 呼伦贝尔 021008；2.呼伦贝尔市海拉尔区气象局，内蒙古 呼伦贝尔 021008)

1 引言

我国汛期雷暴大风、冰雹和短时强降水等强对流天气频发[1, 2]，其中短时强降水发生次数最多[3]。《全国短时临近预报业务规定》中定义短时强降水为1 h降雨量大于等于20 mm的降水，且降水总时间不超过6 h，其过程具有突发性强、降水时间集中、降水量大、局地性强及预报难度大等特点，大多数强对流天气的预警提前量通常不超过1 h[4]。这些特点使得短时强降水容易致灾，对农业、交通、建筑等都易造成严重影响。

国内一些学者对不同地区短时强降水的时空分布特征开展了研究。朱平等[5]分析了青海高原致灾性对流天气的时空分布特征与地形的关系。袁晨等[6]分析了四川都江堰地区短时强降水的时空分布特征，发现都江堰小时降水极值多出现在高海拔地区且夜雨特征突出。吕劲文等[7]分析2012～2016年6～9月浙江省午后短时强降水的时空分布，并探讨其环流背景和触发因子。沈伟等[8]详细分析了江苏短时强降水的时空分布特征。汪翔等[9]分析了近45年蚌埠市汛期短时强降水的气候特征。王婧羽等[10]利用高时空分辨率的地面降水观测资料，统计分析了河南2010～2015年预计短时强降水时空分布特征。韩宁等[11]对陕甘宁三省不同强度短时强降水时空分布特征、天气学概念模型以及物理量特征进行研究。王芬等[12]分析了黔西南短时强降水特征及其与暴雨的关系。刘增基等[13]通过分析福建省前汛期短时强降水气候特征，发现地形对降水的影响十分显著。张宁等[14]分析了兰州市短时强降水的时空分布特征，并探讨短时强降水频次与地形的关系。李琛[15]分析总结了北京市短历时强降雨的时空分布。王国荣等[16]统计分析了北京地区夏季短时强降水的时空分布特征。杨春等[17]分析了重庆时空地区近25年的小时降水时空分布特征。郭凌曜等[18]和姚蓉等[19]分别对湖南省短时强降水气候特征和时空分布进行分析。常煜等[20]对2012～2015年内蒙古夏季37例典型短时强降水事件的天气尺度流型和小尺度影响系统进行分析。

北方强降水具有次数少、强度大、降水时间集中、年际变化大、历时短且范围小的气候特征[21]。常煜[22]利用1991～2013年呼伦贝尔市汛期(6～8月份)16站逐小时降水资料，揭示了呼伦贝尔市短时强降水变化特征。但该研究采用的站点稀疏，空间分辨率低。本文在次此基础上采用国家站和区域站在内的241个气象站点，补充分析2005～2018年呼伦贝尔市的短时强降水时空分布特征。本研究旨在为本地强降水预报提供气候背景参考，也对提高城市防灾减灾能力有借鉴意义。

2 资料选取和定义

本研究中短时强降水定义为1 h降雨量大于等于20 mm的降水。呼伦贝尔市4月和10月份为季节转换月份，5～9月份进入主汛期降水相态为雨，因此本文选取2005～2018年间5～9月份呼伦贝尔市241个区域自动站和国家站的小时降水资料，剔除异常值后，提取小时降水量大于等于20 mm的降水过程记为一次短时强降水。位于我国北方的呼伦贝尔市地处东经115°31′～126°04′，北纬47°05′～53°20′。大兴安岭以东北—西南走向纵贯呼伦贝尔市中部，西部为呼伦贝尔大草原，东部为大兴安岭东麓，东北平原—松嫩平原边缘。如图1所示，地形总体特点为西高东低。

图1 研究区地形分布

3 空间分布

统计2005～2018年呼伦贝尔市所有站点出现短时强降水的次数，总计有193个站出现共1062次。短时强降水发生频次的空间分布如图2所示，其中162个站点出现短时强降水的次数少于9次，27个站点发生短时强降水频次10～20次，4个站点发生短时强降水频次大于20次。

图2显示，阿荣旗、扎兰屯市的成吉思汗站、大河湾站和鄂温克族自治旗的辉苏木站出现短时强降水的次数最多，超过20次。由此可知，呼伦贝尔市14年间短时强降水高发区主要分为两个地区：第一个主要集中在东南部地区，为农区平原地带，即扎兰屯市东部和阿荣旗南部。该地区是东南水汽输送的必经之路，也是东北冷涡的经由地，因此该地水汽充足且常有动力抬升作用配合，容易产生短时强降水等对流天气。同时该地区位于大兴安岭东麓海拔高度自东向西逐渐增加，偏东风和偏南风经过此地向西爬升时被迫做抬升运动，即地形作用是该地短时强降水的发生的有利条件。第二个高发地区是鄂温克族自治旗西南部，由于西部地区监测站点较少，目前只有辉苏木的短时强降水发生次数最多。该站位于呼伦贝尔草原南部，常有东南暖湿气流途径此地向西输送，使得该地在动力条件满足时有充足的水汽条件。

3.1 不同时段短时强降水频次空间分布

统计分析不同发生时段短时强降水的空间分布情况，如图3所示。由图3可知，短时强降水各时段发生都是集中在东部地区，且单站出现短时强降水的次数大多数是1～5次。02：00～08：00总计有84个站发生158次短时强降水，其中只有大河湾站出现次数最多为7次，其余站点出现次数都在1～5次之间。08：00～14：00总计有108个站点发生共227次短时强降水，其中上库力六队、西瓦尔图和西瓦尔图镇东向阳分别出现6次，辉苏木出现22次，其余站点出现次数均在5次以内。14：00～20：00总计157个站点出现468次短时强降水，有145个站出现1～5次，10个站出现6～10次，成吉思汗站出现14次，辉苏木出现25次。20：00～02：00总计有112个站共出现209次，其中阿荣旗、辉苏木和大河湾三站分别出现6次、7次和8次，其余站点出现次数均为1～5次。由此可知，出现短时强降水最多是时段是14：00～20：00，该时段内对流发展最为旺盛，是强对流天气的高发时段。次高峰是08～14时，该时段内气温逐渐升高，大气能量不断积累，当受到一定扰动时可触发对流。

图2 2005～2018年研究区短时强降水空间分布

3.2 不同量级短时强降水频次空间分布

统计分析不同量级短时强降水的空间分布情况，如图4所示。图4中显示，各量级的短时强降水大多集中在东部地区发生，单站各量级短时强降水出现的次数都是以1～5次居多。20～30 mm的短时强降水总计187个站出现共805次，138个站出现1～5次，37个站出现6～11次，8个站出现11～15次，出现15次以上的站共3个，分别是大河湾、阿荣旗和辉苏木。同时，从图4中也可看出20～30 mm量级的短时强降水出现次数越高的站点，其分布位置越偏东。30～40 mm量级的短时强降水总计有101个站出现，共计191次，其中98个站出现次数为1～5次，阿尔拉和成吉思汗两个站均出现6次，辉苏木出现17次。40～50 mm量级短时强降水总计34个站点出现共38次，各站点出现次数为1次或2次。50 mm以上量级短时强降水总计27个站出现共28次，坤密尔提出现两次，其余站点均出现一次。由此可见，短时强降水出现的站点数和次数随降水量级的增加而减少，出现极端强降水的站点多集中在东部地区。此外，就特定量级降水而言，东部地区出现的次数大多高于其它地区，即东部地区是全市短时强降水的高发地区。

图3 2005～2018年各时段研究区短时强降水发生频次

图4 2005～2018年各量级研究区短时强降水空间分布

4 多时间尺度特征

4.1 年际变化

统计2005～2018年呼伦贝尔市的短时强降水年际变化如图5所示。2013年发生短时强降水次数最多，总计为217次；超过100次的有2014年(100次)、2016年(152次)、2017年(136次)；而2005、2006、2007年发生短时强降水的次数均小于10次。由此可见，2012年之前短时强降水次数逐年上升，但总体较少，2012年以后除2015年(41次)小于100次以外，其余年份均保持在100次以上。

图5中显示，呼伦贝尔市发生短时强降水时的小时降水量大多集中在20～30 mm，占发生总频次的76%，其中2013年和2018年出现次数最多，2016年和2017年次之。小时降水量30～40 mm共出现191次，占总数的18%，2013年出现次数最多，其次是2016年、2017年和2018年。小时降水量达到40～50 mm的短时强降水频次为38次，占总数4%，2013年最高，其次是2018年和2014年。小时降水量超过50 mm的短时强降水共出现28次，仅占总数的2%，2013年出现频次最多，其次是2018年。

图5 研究区短时强降水年际变化

4.2 年内变化

2005～2018年呼伦贝尔市短时强降水次数逐月呈单峰式分布，峰值出现在7月份，占总数的40%，8月份次之，占总数30%，其次为6月份，占总数20%，分布特征与呼伦贝尔市主汛期时间吻合。6～8月份东北冷涡活动频繁，东移南下的冷空气与暖气团交汇触发不稳定能量释放，冷涡对应的地面气旋前后易产生对流性天气，产生短时强降水。随着副热带高压北抬，华北东北进入雨季，也为呼伦贝尔市短时强降水的发生提供了环境条件。

此外，从图6中也可看出，各量级小时降水量年变化与短时强降水事件年变化一致，即7月份频次最高，8月份次之，其次为6月份，5月份和9月份最少。同时，各月份短时强降水发生时，出现频次最高的小时降水量均为20～30 mm，30～40 mm次之，其次为40～50 mm，小时强降水量达到50 mm以上的短时强降水事件出现的最少。

月份 图6 研究区短时强降水年内变化

4.3 日变化

呼伦贝尔市短时强降水发生次数的日变化呈双峰型分布(图7)，其中14：00～19：00即午后到傍晚是第一个峰值，也是呼伦贝尔市短时强降水最易发生的时段。最高出现频次是17时共92次，占总数的8.6%。午后地面积累大量太阳短波辐射，近地面温度快速升高。07时出现短时强降水35次，占总数的3.3%，夜间地面发射长波辐射，净辐射能减少，近地面气温逐渐降温。日出后太阳短波辐射不断加热大气和地面，大气层自上而下逐步升温，当高层温度高于底层形成逆温，若有扰动出现会触发逆温层聚集的能量，产生局地对流，如果伴随较高的水汽条件则容易产生短时强降水。8：00～10：00是一天中出现短时强降水最少的时段。各小时降水量量级的日变化和短时强降水发生的日变化规律一致，各量级出现都是在14：00～19：00出现的频次最多，8:00～10:00最少。

图7 研究区短时强降水日变化

5 结论

本文利用呼伦贝尔市全部气象观测站的逐小时降水量数据，统计并分析了呼伦贝尔市2005～2018年短时强降水过程的时空分布特征。结果表明：

(1)呼伦贝尔市短时强降水高发区主要在东部，大兴安岭南麓。高发时段为14：00～20：00，其次为08：00～14：00。短时强降水出现的站点数和次数随量级的增加而减少，出现50 mm以上降水的站点多集中在东部地区。此外，就特定量级降水而言，东部地区出现的次数大多高于其他地区，即东部地区是全市短时强降水高发地区。

(2)短时强降水发生频次有逐年递增趋势，2013年出现次数最多。其中7月份出现短时强降水次数最多，8月份次之，5月份和9月份最少。一天中午后到傍晚15：00～17：00为短时强降水高发时段。小时降水量的各降水量级的时间变化表现为与短时强降水发生频次的时间变化一致。