云南不同强度短时强降水和大风时空分布特征研究

邹灵宇 , 于 璐 , 杨 柯 , 杨芳园 , 刘 彬*

（1.云南省昆明市气象局, 昆明 650500；2.昆明市官渡区气象局，昆明 650000）

引言

近年来，高影响天气及其诱发的极端暴雨、局地洪涝、风灾等气象灾害及次生灾害频发，尤其是短时强降水和大风等强对流天气，严重影响社会经济和人民生产生活。

短时强降水作为我国强对流天气[1-2]的主要类型之一，受到国内研究者的持续关注。毛冬艳等[3]、顾问等[4]、李华宏等[5]研究了不同地区短时强降水时空分布特征，并对其出现的频次进行分型。董旭光等[6]、谢五三等[7]、李强等[8]着重分析极端强降水的小时变化和日变化特征，并对不同开始时间的强降水进行比对。朱莉等[9]、张腾飞等[10]、胡娟等[11]对多个云南极端短时强降雨典型天气案例开展成因分析和雷达资料判别。何钰等[12]基于“配料法”提出云南短时强降水预报概念模型。灾害性大风天气在我国影响范围较广，也是气象学者关注的问题之一。李耀辉等[13]、孔锋等[14]、方翀等[15]研究了近地表大风日数时空分布特征，指出季节性大风与地形有着密切关系。杨新林等[16]、费海燕等[17]详细分析对流性天气下的雷暴大风产生的环境条件和云图特征。徐蜜蜜等[18]对我国近海四季大风的影响进行了数值模拟研究。

云南地处低纬高原地区，处于东亚季风和南压季风交汇区域，冷暖气流交汇频繁，四季均有强对流天气发生，其中风雹和洪涝灾害的影响最大，占云南气象类灾害的40%左右[19-20]。目前，针对云南不同强度的短时强降水和大风的研究主要以天气个例为主，而利用逐时观测数据系统研究其日变化特征的工作较少。本文利用2013～2019年云南省逐小时气象数据，研究云南不同等级短时强降水和大风（包含雷暴大风）等灾害性天气的时空分布特征，以期为提高灾害性天气分级预警的靶向性和精细化网格预报模型的精准度提供参考，同时也为科学防灾减灾提供依据。

1 资料和方法

1.1 资料来源

研究选取了2013～2019年云南125个国家气象站逐小时降水量、极大风风速资料，以及重要天气报的雷暴数据和地面闪电定位仪正负地闪数据。

1.2 分级计算方法

采用功率谱分析法，从出现频次的月变化、日变化以及空间分布等方面对不同强度短时强降水、大风、雷暴大风（对流性）进行分析。具体划分标准为：

（1）短时强降水按照强度划分为 20～29.9 mm·h-1、30～49.9 mm·h-1和≥50 mm·h-1共3个强度等级。根据该标准，共统计出2922个短时强降水样本。

（2）大风划分为 6级风（10.8 m·s-1≤风速≤13.8 m·s-1）、7 级风（13.9 m·s-1≤风速≤17.1 m·s-1）、8 级及以上风 (风速≥17.2 m·s-1)共3个强度等级。根据该标准，共统计出大风样本317777个。

（3）为具体分析对流性雷暴大风个例，结合闪电定位和重要天气报的雷暴观测数据，同时匹配对应时刻≥17 m·s-1的极大风风速资料，共统计出雷暴大风样本2158个。

2 短时强降水时空分布特征

2.1 短时强降水时间分布特征

如图1a所示，云南短时强降水频次高值主要出现在每年的5～10月汛期，呈单峰型分布。其中20～29.9 mm·h-1短时强降水频次峰值（0.67）出现在主汛期的8月，次峰值（0.6）出现在7月，谷值出现在冬季12月～次年 2月；30～49.9 mm·h-1短时强降水频次波峰较平，出现在6～8月；≥50 mm·h-1短时强降水出现频次较少，依然集中在主汛期。从短时强降水频次日变化（图1b）来看，20～29.9 mm·h-1短时强降水主要出现在15时～次日08时，其中15～21时出现频次更高，峰值出现在18时左右，可见短时强降水频次日变化高发时段为午后到前半夜；30～49.9 mm·h-1、≥50 mm·h-1短时强降水频次峰值分别出现在04时、19时左右。

图1 2013～2019年云南不同强度短时强降水频次时间分布（a.月变化，b.日变化）

2.2 短时强降水空间分布特征

图2a为20～29.9 mm·h-1短时强降水频次空间分布。如图2a所示，频次为4.0以上的区域主要集中在普洱南部、红河南部、文山西南部、西双版纳、保山龙陵、曲靖罗平、丽江华坪和德宏陇川，频次较高的站点有红河金平（10.0次）、普洱江城（8.4次）和红河河口（7.6 次）。如图2b 所示，30～49.9 mm·h-1短时强降水较高频次出现区域与20～29.9 mm·h-1类似，2次以上高频区域主要在滇南、滇西南、滇东、滇东北边缘地区及丽江华坪。如图2c所示，≥50 mm·h-1短时强降水高频次出现的站点和范围较其他强度减小，主要出现在临沧南部、西双版纳南部、红河东南部、文山和曲靖南部等区域，频次最高值为红河河口（1.3次），其次是文山富宁（0.7次）。

图2 2013～2019 年云南不同强度短时强降水频次空间分布（a.20～29.9 mm·h-1，b.30～49.9 mm·h-1，c.≥50 mm·h-1，单位：次）

2.3 短时强降水极大值分布特征

分析短时强降水极大值时空分布特征（图略）发现，其空间特征差异显著，同一区域出现降水极端值的时间差异也较大。其中，滇东南、滇西南边缘以及滇中局部地区超过80 mm·h-1，滇西北最小为30 mm·h-1以下，其他大部分地区为40～50 mm·h-1，最大小时降水量出现在2018年9月27日昆明嵩明（106.6 mm·h-1）。经统计，云南出现极端小时降水量站点较多的时次为23时，其次是01时、07时、19～21时，符合云南短时强降水多在夜间出现的特征。

3 大风时空分布特征

3.1 大风时间分布特征

大风主要出现在每年11月～次年5月的干季，3月各强度大风出现次数最多，汛期7～10月大风出现次数最少（图3a）。日变化中，大风主要集中在10～19时，峰值出现在14～16时，02～08时大风出现频次较低（图3b）。

图3 2013～2019年云南不同强度大风频次时间分布（a.月变化，b.日变化）

3.2 大风空间分布特征

如图4所示，大风极大值区主要分布在滇西北横断山脉至滇南哀牢山以东的区域。其中，6级大风年平均频次超过400.0次的区域主要出现在曲靖、昆明、玉溪、楚雄、大理、丽江、红河北部等地，大风频次超过700.0次的大值中心出现在曲靖会泽、红河个旧、楚雄大姚、丽江宁蒗、丽江市区、大理祥云、昆明东川，频次最高值（1113.9次）出现在昆明市郊的高山站太华山站（图4a）。7级大风频次超过200.0次的高值区主要位于楚雄西部、曲靖东部和北部以及丽江东北部（图4b）。8级及以上大风中心主要位于曲靖富源、会泽、大理、丽江宁蒗，其频次均超过80.0次（图4c）。

图4 2013～2019年云南不同强度大风频次空间分布（a.6级，b.7级，c.8级及以上，单位：次）和多年平均的2月700 hPa风场分布（d，单位：m·s-1）

由于云南地处低纬度高海拔地区，冬春季是大风天气发生的集中时段。分析多年平均的2月700 hPa风场空间分布（图4d）可知，冬春季，南支西风在云南上空强盛，对流层中低层（700 hPa）云南上空常存在一个干燥的低空西风急流区，白天近地面层空气增热而产生乱流扰动，在干燥西风带中强而宽广的急流带上动量下传和地面热低压发展、气压梯度增大的共同作用下，引起地面风速增大，造成地面大范围大风天气。此外山脉走向、山区以及半山区的迎风坡、隘口、河谷、狭管效应等都与季节性大风的产生和强弱有关。

3.3 大风极大值分布特征

分析大风极大值时空分布特征（图略）发现，大部分区域大风极值在24 m·s-1左右，普洱北部、楚雄、玉溪南部、曲靖东部和红河西部等区域大风极值超过28 m·s-1，最大风速（44.1 m·s-1）出现在 2015 年 9 月 2日普洱景谷；大风出现极值最多时段为17～18时，其次是14～16时，而04～09时较少出现，这与云南大风日变化趋势是一致的。

3.4 雷暴大风时空分布特征

雷暴大风主要集中出现在2～8月，呈现双峰型分布；其中3～5月春季是雷暴大风集中期，频次峰值（约111.0次）出现在4月，约占总数的36.1%；次峰出现在8月，仅占总数的7.9%，频次较春季各月明显偏少（图5a）。

从雷暴大风出现频次日变化（图5b）可知， 12～22时是雷暴大风密集出现时段，共发生258.0次，占总数的83.6%，其中14～20时为高峰期，极值出现在16～17时，占总数的27.8%，07～10时是一天中出现最少的时段。

统计雷暴大风风速大小（图5c）表明，超过50%风速值集中在 17～18.9 m·s-1，25 m·s-1以上的强雷暴大风只占4.8%；另外按风力等级来看，8级风最多，占总数的68.9%。

图5 2013～2019年云南雷暴大风出现频次月分布(a)、日分布(b)和风速分布(c)

由雷暴大风年平均频次空间分布（图6a）可知，52.8%的站点频次为2.0以上，4.0以上站点主要集中在玉龙雪山和苍山以东、哀牢山以及无量山附近区域，其中大理、丽江宁蒗的频次高达9.0以上，极端强雷暴大风出现在2016年4月19日红河建水，风速达39.4 m·s-1。春季雷暴大风占比为67.9%，其空间分布形态与年平均分布类似（图6b）。夏季雷暴大风占比为19.5%，大值区主要分布在丽江东部的金沙江河谷、昆明东北部小江河谷以及普洱中东部（图6c）。

图6 2013～2019年云南雷暴大风多年平均的年（a）、春季（b）和夏季（c）频次空间分布（单位：次）

4 结论与讨论

4.1 结论

本文利用2013～2019年云南省逐小时气象数据，研究云南不同等级短时强降水和大风（包含雷暴大风）等灾害性天气的时空分布特征，得出如下主要结论：

(1) 云南20～29.9 mm·h-1、30～49.9 mm·h-1和≥50 mm·h-1等级的短时强降水所占比例分别为72.4%、25.1%和2.5%；其月变化呈单峰型分布，主要集中在每年5～10月，7～8月为峰值，15时～次日08时是出现短时强降水的主要时段。短时强降水高发区主要分布在滇南、滇西南和滇东边缘以及丽江以东金沙江河谷地区，短时强降水极大值分布差异显著，同一区域出现降水极端值的时间差异也较大。

(2) 云南6级、7级和8级以上大风占比分别为77%、19.3%和3.7%，每年11月～次年6月为大风多发期，3月最多，9月最少。10～19时为大风频次较高时段，峰值出现在15时，02～08时大风较少出现。 大风高发区主要分布在滇西北横断山脉至滇南哀牢山以东的区域。冬春季，在云南上空干燥西风带中强而宽广的急流带上，动量下传、地面热低压发展和气压梯度增大引起地面风速增大，是造成地面大范围大风天气的主要天气背景。

(3)云南雷暴大风主要集中出现在2～8月，呈现双峰型分布，春季雷暴大风多于夏季；超过8级以上的强雷暴大风只占4.8%；14～20时易出现雷暴大风，日峰值出现在16～17时。雷暴大风主要出现在玉龙雪山和苍山以东以及哀牢山、无量山附近等区域。

4.2 讨论

（1）短时强降水频次与文献[19]中云南各月年平均降水量变化趋势是一致的；另外侯淑梅等[21]研究表明极端短时强降水强度与年降水量和夏季降水量呈正相关关系，也说明短时强降水对累计降水量的贡献较大。短时强降水频次日变化与李华宏等[5]利用1981～2015年地面测站逐时降水自记观测资料对云南短时强降水日变化研究得出的结论一致。

（2）气候态中云南易出现大风（含对流性大风）的2～5月也可能是雷暴大风较多出现的时间段，但限于本文的资料长度有限，有待于今后长时间序列资料加以验证。而8月份出现频次较春季各月明显偏小，这与孙继松等[2]研究指出西南地区单站平均雷暴大风日4～5月峰值高于8月的结论有相似之处。

（3）云南雷暴大风日变化与我国其他一些地区有相似分布特征[15-17,22]，这可能由于午后到傍晚是一天中热力条件和不稳定条件最佳的时段，最有利于雷暴大风的形成和发展[23]，加之不同海拔高度梯度变化造成局地环流触发对流发展在午后到傍晚更容易[24]。

（4）云南雷暴大风年平均频次空间分布表明，雷暴大风的空间分布与影响云南天气系统和地形有密切的关系。由于云南春、夏季南支槽、昆明准静止锋、孟加拉湾风暴以及低涡切变系统等影响频繁[25-26]，使得冷暖空气在山脉附近交汇，加之地形抬升作用使得雷暴大风出现概率加大。另外云南山脉、河谷、湖泊众多，一些特殊地形，如大理受苍山和洱海的影响[27-28]，可能存在着山谷风和湖陆风两者叠加效应引起的局地环流；丽江东部和四川攀枝花交界区域受金沙江干热河谷地形坡度影响，导致闪电活动较多，也为雷暴大风天气发生提供了较为有利的条件[29-30]。因此，在今后的相关研究中除了考虑天气系统的影响以外，还需重点考虑地形条件对天气过程的影响，这同时也对云南本地的区域天气模式研发提出了更高的要求。