基于自动站资料的梧州市短时强降水时空特征分析

孙靖雯，王建东，卢伟萍，谭胜寒，宁晨阳

（1.梧州市气象局，广西 梧州 543000；2.来宾市气象局，广西 来宾 546100；3.广西壮族自治区气象科学研究所，南宁 530022；4.藤县气象局，广西 藤县 543300）

短时强降水是发生频率最高的气象灾害之一，致灾性强，次生灾害多，会造成城市内涝、给交通出行带来严峻考验，同时也与滑坡、泥石流、洪涝等灾害密切相关［1-4］。许多学者对短时强降水开展诸多研究。冉津江等［5］利用四川盆地2011—2020 年1 688站逐时降水观测资料，研究四川盆地短时强降水时空变化特征，并指出其与地质灾害的发生呈现高度正相关。肖蕾等［6］采用统计诊断分析方法发现贵州省的短时强降水高发区出现在西南部“喇叭口”地形和东南部雷公山南侧“喇叭口”地形与河谷地形重叠区域。李宏华等［7］研究表明云南境内的短时强降水频次年际差异较大且具有明显的日变化特征。蔡晶等［8］基于广东省国家级自动站和区域中尺度气象站小时降水资料，发现广东省短时强降水多发生在河谷、湖泊和喇叭口地形区且日变化表现为明显的双峰型，主峰在午后至傍晚时段，次峰在早晨前后［1］。廖胜石等［9］研究表明广西极端短时强降水特征不仅与地形密切相关，而且随着南海夏季风的爆发，从5 月第6 候起，发生极端短时强降水的站点和频次迅速增加。李建鸿等［10］研究发现广西极端连续降水空间分布情况与广西地形地貌空间分布有较好的吻合性，表明广西极端连续降水主要受地理环境和大气环流的影响。

梧州市地处西江干流，位于桂江和浔江交汇处，是全国的重点防洪城市之一，同时也是全国少有的受地质灾害威胁较严重的城市之一［11］。梧州市短时强降水频发，容易诱发地质灾害，导致城市内涝、交通瘫痪等，同时也给水库防汛等带来严峻考验。因此，利用梧州市高密度的自动气象站资料，对梧州市短时强降水时空变化特征进行研究，加深了解该区域内短时强降水发生规律，为梧州市相关部门预防灾害提供决策依据，也为精细化预报预警、农业区划、水资源利用、城市建设等提供一定的参考。

1 资料与方法

梧州市自动气象监测网络从2003 年1 月开始逐步布设，如今已经基本覆盖梧州市各个乡镇，并积累大量的降水资料。为了数据时间序列能够统一，本研究挑选梧州市2013 年前建站且分布较为均匀的153 个自动气象站（包括5 个国家观测站和148 个区域观测站）逐时降水资料。梧州市具有四周高、中间低的地形特点，多山地丘陵地貌，南北被大瑶山、大桂山、云开大山包围，山脉皆呈东北-西南走向，山体平均海拔在1 200 m 以下［12］。

当某站点1 h 雨量超过20 mm 时，则记作该站点发生1 次短时强降水，当多个站点出现短时强降水时，则站次累加。本文主要运用统计分析方法计算梧州市短时强降水时空分布特征。

2 结果与分析

2.1 时间分布特征

2.1.1 年分布特征

2013—2022 年，梧州市共发生15 625 次短时强降水事件，年平均每站出现10.2 次；年发生频次（图1a）呈现“W”式波动变化，最多频次出现在2016年，出现1975 站次，平均每站出现12.91 次，最大出现在藤县大黎站、东荣大带站以及蒙山县陈塘村站，出现28 次；其次是2014 年，出现1 855 站次，平均每站出现12.12 次；2018 年和2021 年出现短时强降水的频次异常偏少，可能是由于这两年夏季西太平洋副热带高压位置异常偏北［13-14］造成水汽输送至梧州地区比常年同期偏弱所致。

图1 梧州市短时强降水频次逐年（a）、逐月（b）、逐时（c）分布图

2.1.2 月分布特征

梧州市全年都可能出现短时强降水（图1b），3—9 月是梧州市短时强降水事件出现最多的月份，共出现14 967 站次，占总频次的95.8%，月际分布呈现双峰结构，主峰出现在5—6 月，出现3 289 站次，次峰出现在8 月，出现2 709 站次，12 月—次年1 月出现的较少，过去10 a 间仅出现4 站次。从梧州上空大气演变的气候特征分析，3—4 月，大陆性冷高压变弱，锋面活动变多［15］，冷暖空气容易在梧州上空交绥，易出现短时强降水天气；5—6 月是南海夏季风强盛时期，从海上来的暖湿气流配合高空槽、低空切变线等斜压性天气系统［16］，是导致梧州市短时强降水频发的主要系统和配置；7 月，西北太平洋副热带高压北跳，梧州受副热带高压控制，以炎热少雨天气为主，故而短时强降水频次相对减少；8 月之后，西北太平洋副热带高压再次北跳，梧州容易受到东风波、热带气旋等系统的影响［17］，出现短时强降水的频次再次增加；9 月后，梧州稳定受副高脊控制，大气垂直层结稳定［17］，短时强降水发生频次迅速减少。

2.1.3 日分布特征

从短时强降水日变化特征（图1c）可以看出，13:00—20:00 是梧州市短时强降水的高发时段，共出现7 608 站次，占总频次的48.7%，午后太阳辐射增加，有较好的热力条件使得梧州市在午后到傍晚时段内短时强降水事件频发［18］；00:00—01:00 是出现短时强降水概率最低的时段，仅出现2.24%。

2.2 空间分布特征

2.2.1 站次空间分布特征

2013—2022 年梧州市共计出现15 625 站次的短时强降水，站均出现102.1 次；蒙山119.5 次、藤县98.1 次、苍梧107.3 次、梧州89.8 次、岑溪107.8 次，发生频次在区域上呈现出南北高中部低的特点。使用传统排序法，将梧州县（市、区）的短时强降水极值进行排序得到不同分位数不同区域所对应的小时雨量阈值（表1），可以看出，过去10 a 间梧州市1 h 降水量极值出现在2016 年8 月10 日梧州市区的龙圩站（135.2 mm）。通过表1 不同分位数所对应的小时雨量阈值分析，可以发现岑溪不同分位数对应的小时雨量阈值远高于全市平均值，蒙山域紧随其后；仅在99.5%分位数略低于全市平均值，其余分位数均高于平均值。全市在50%、75%分位数时对应的小时雨量阈值相差不大，但在95%、99%、99.5%时出现较大差异。相差值最大达到11.5 mm。表明梧州的降雨空间分布上非常不均匀，对于当地相关决策部门来说，暴雨、山洪、泥石流防御是比较大的考验。

表1 2013—2022 年梧州市短时强降水极大值分布及百分位阈值

以全市短时强降水排序在50%、75%、95%、99%、99.5%分位数所对应的小时雨量为阈值，分析梧州市2013—2022 年不同雨强的短时强降水发生总次数以及1h 最大降水量分布，可以看出，高于50百分位（26.2 mm）共计出现7 824 次，其中高频发区位于藤县大黎气象观测站，共出现87 次1 h 降水量≥26.2 mm 过程，其次为蒙山夏宜六洛气象观测站（82 次），两站点位于梧州市的西北角接近大瑶山。次高频率区域为苍梧县东北区域以及岑溪区域，出现频次较少的区域集中在藤县-梧州一带的平原地区。高于75 百分位（32.5 mm）共计出现3 924 次，高频次区域仍然集中于蒙山及藤县东北部，最高出现在藤县大黎气象观测站（49 次），低频区域继续扩大呈现出片状。高于90 百分位（48.4 mm）785 次，在分布上呈现出与前两个阈值基本一致格局。高频区域继续下降，低频区域扩散到藤县北部、苍梧大部、岑溪北部，高频地区仅集中在藤县大黎镇（16 次）、岑溪梨木镇（12 次）、苍梧石桥镇（11 次）等少数区域；高于99 百分位（65.4 mm）共计出现158 次，高频区域出现在苍梧石桥（6 次）、蒙山黄村（5 次）、岑溪梨木、岑溪归义、蒙山陈塘、岑溪南渡、藤县古龙田心（4 次），以上站点共计出现35 次占全市的22%。高于99.5 百分位（72.0 mm）梧州共计出现79 次；岑溪南渡出现4 次、苍梧石桥、岑溪归义、岑溪大业均出现3 次；剩余66 个站点发生1～2 次；剩余97 个站点未发生。梧州有94.1%的站点1 h 降水量极大值介于50 和100 mm 之间，有4 个站点出现1 h 降雨量≥100 mm，分别是龙圩站（135.2 mm）、蒙山长坪站（103.4 mm）、苍梧石桥站（103.3 mm）以及岑溪糯垌（101.4 mm），有较强的极端性，更易引发灾害，因此，在梧州市短时临近天气业务预报中，要加强对这几个站点的监测。

2.2.2 年平均频次空间分布特征

图2（a）是梧州市短时强降水年平均频次空间分布图，可以明显看出，梧州市短时强降水空间分布极不均匀，有多个频发相对集中区。蒙山县南部的夏宜乡、汉豪乡以及藤县北部的大黎镇、宁康乡是最容易发生短时强降水事件的区域，年平均出现14.2～15.6 次；苍梧县北部的六堡镇以及岑溪市的糯垌镇、马路镇、南渡镇等地也是短时强降水频发中心。藤县的南部和梧州城区则是短时强降水事件相对低频区域。对比梧州市地形，可以发现，短时强降水的高频发区与地形有很好相关性，主要分布在大瑶山、大桂山以及云开大山附近，气流沿山坡抬升，使得山脉迎风坡处短时强降水多发。与梧州市年平均暴雨日数（图2b）相比可以发现，短时强降水高频发区与暴雨中心，以及低频发区与出现暴雨较少的区域均有很好的对应关系，说明短时强降水对梧州市暴雨贡献较大。

图2 梧州市年平均短时强降水频次（a，单位：次）和年平均暴雨日数（b，单位：d）空间分布

2.2.3 汛期频次空间分布特征

许多学者对华南地区汛期降雨特征的研究［19-21］表明，前汛期（4—6 月）和后汛期（7—9 月）的降雨具有完全不同的性质，图3 是梧州市前汛期和后汛期短时强降水事件发生频次的空间分布图，总体而言，前汛期发生短时强降水频次要高于后汛期，且空间分布有较大差异性。前汛期短时强降水高频发区在大瑶山附近的蒙山县南部和藤县北部以及位于大桂山附近的苍梧县北部区域，受地形阻挡和抬升作用，从北方的弱冷空气与暖湿气流容易在这两处区域交汇，容易触发短时强降水等强对流天气。到了后汛期，午后太阳辐射增温强于前汛期［18］，此时台风、东风波等热带系统进入活跃期，受地形强迫抬升作用影响［21］，偏东南暖湿气流容易在云开大山东侧迎风坡处辐合抬升，导致梧州市南部的短时强降水事件频发。

图3 梧州市2013—2022 年前汛期（a）和后汛期（b）短时强降水发生总次数空间分布（单位：次）

2.2.4 日变化频次空间分布特征

参考石娟等［22］的方法将一天分为上午（05:00—13:00）、午后（13:00—21:00）和夜间（21:00—05:00），分别统计三个时段内梧州市各站点的短时强降水频次（图4），可以明显的看出，不同时段的空间差异较为显著。夜间，短时强降水的高频发区位于梧州市北部的蒙山县、苍梧县以及藤县的北部乡镇；上午时段发生短时强降水频次较夜间总体偏多，高频发区域有所收缩，仅仅出现在蒙山县南部以及藤县北部。午后发生短时强降水的频次进一步增多，且高频发区域较夜间和上午时段有较大的差异，主要出现在梧州市的南部地区。

图4 不同时段内梧州市短时强降水发生总次数空间分布图（单位：次）

4 结论

本文根据2013—2022 年梧州市153 个加密自动站逐小时降水观测资料，分析梧州市短时强降水分布特征，主要得到以下结论:

（1）梧州市短时强降水年发生频次呈现“W”式波动变化，最多频次出现在2016 年。受夏季西太平洋副热带高压位置异常偏北影响，2018 年和2021年出现短时强降水的频次异常偏少；3—9 月是梧州市短时强降水事件出现最多的月份，月际分布总体呈现双峰结构，主峰出现在5—6 月，次峰出现在8月；梧州市短时强降水发生频次有明显的日变化特征，高频发时段出现在13—20 时。

（2）梧州市短时强降水50%、75%、95%、99%、99.5%百分位数对应阈值分别是26.2 mm、32.5 mm、48.4 mm、65.4 mm、72.0 mm。过去10 a 间梧州市1 h 降水量最大值出现在2016 年8 月10 日的龙圩站（135.2 mm），大部站点1 h 降水量极大值介于50 和100 mm 之间。

（3）梧州市短时强降水频次呈现南北多中部少的特征，跟地形分布高度相关，主要分布在大瑶山、大桂山以及云开大山附近；短时强降水高频发区与暴雨中心也有很好的对应关系，说明短时强降水对梧州市暴雨贡献较大。

（4）梧州市前汛期发生短时强降水频次要高于后汛期，且空间分布有较大差异性。前汛期短时强降水高频发区在大瑶山附近的蒙山县南部和藤县北部以及位于大桂山附近的苍梧县北部区域，后汛期，高频发区出现在梧州市南部云开大山附近区域。

（5）梧州市日内不同时段短时强降水发生频次空间差异较显著，夜间短时强降水的高频发区位于梧州市北部区域。上午时段出现在蒙山县南部以及藤县北部。午后高频区域主要出现在梧州市的南部地区。