黑龙江省短历时降水时空分布特征研究

徐永清,王承伟,刘春生,蒋慧亮,魏 磊

（1.黑龙江省气候中心，黑龙江 哈尔滨 150030；2.黑龙江省气象台，黑龙江 哈尔滨 150030）

1 引言

中国暴雨洪涝灾害频发，造成严重经济损失，对国家经济发展及建设带来巨大挑战。 观测统计研究和气候预估研究均表明， 全球变化背景下， 降水在时、空双维度上变化均呈现显著非均匀性，小时降水极值的增长速度远超预期，气候预估显示，未来降水的时空分布非均匀性和极端性将更为突出， 致灾风险加剧［1-3］。近年来，对短历时强降水的时空分布特征研究逐渐增多［4-8］。 左璇等［9］选取郑州气象站不同短历时强降水资料，采用频率分析、小波分析和极值分析等方法，揭示了郑州短历时强降水的演变规律，并对各短历时强降水进行了分布拟合检验和重现期估算。 郭渠等［10］利用重庆地区逐分钟降水资料，对当地各短历时强降水空间分布特征进行了探讨并分区。马京津等［11］根据北京市强降雨的时空变化特征进行分区，并进行了不同历时降雨量重现期的估算。 唐传师等［12］通过分析江西省短历时降水的时空分布特征，对当地短历时降水与暴雨的关系进行了探讨。陆婷婷等［13］对北京2012 年“7.21” 和2016 年“7.20”特大暴雨过程开展观测对比研究， 分析两次过程的环流形势、 降水分布与变化、 对流系统等方面的差异，并借助区域自动站分钟级降水观测数据， 提取和对比分析两次过程短历时降水事件特征上的异同， 尽管“7·21”和“7·20”两次特大暴雨过程降水总量相当（均超过了400 mm），但灾害程度却显著不同，“7·21”过程历时更短、雨势更强，全市平均最大小时雨强明显大于“7·20”过程，致灾性更强。

黑龙江省暴雨具有短历时、突发性、局地性等特点［14-15］，暴雨落区与强度是预报中的重点和难点，本文使用黑龙江省国家气象观测站逐时降水资料，研究短历时强降水的时空分布特征， 为防灾减灾和暴雨预报预警提供依据。

2 资料与方法

2.1 资料说明

使用国家气象信息中心 “中国国家级地面气象站逐小时降水数据集”中黑龙江省84 个国家级气象观测站(图1)的数据，该数据统计了1991-2020 年共30 a 夏季1 h、3 h、6 h、12 h 所有≥0.1 mm 的降水及出现时间，均按升序排列，其中3 h、6 h、12 h 均为逐小时滚动累计降水，时间精度为1 h。

图1 黑龙江省84 个国家气象观测站分布

2.2 研究方法

2.2.1 百分位法

各站各时效降水量阈值按照百分位法进行统计，具体如下：

按照升序排列的1 h、3 h、6 h、12 h 降水量序列X1，X2，…，Xm， …，Xn，某个值小于或等于Xm的概率

式中：m 为Xm的序号，n 为该时效降水序列中样本个数。 如果序列中有300 个值（即n = 300），则第99 百分位上的值为排序后X297(P=98.8%)和X298(P=99.1%)的线性插值［16-17］。

由此得到各时效升序降水量序列中不同百分位等级（如90、95、99 等）对应的降水量值。

2.2.2 空间插值使用反距离权重插值法对84 个气象观测站各短历时（1 h、3 h、6 h、12 h）的极值、99%分位、95%分位和90%分位值在黑龙江省范围内进行空间插值，按自然段点法将各历时、分位降水量分为5 级，由低到高分别为低值区、较低值区、中间值区、较高值区和高值区。

3 短历时降水空间分布特征

3.1 夏季平均降水空间分布特征

由图2 可见， 黑龙江省夏季30 a 年平均降雨量呈现中部多，四周少的特点：中部地区的小兴安岭地区和张广才岭西部地区降雨量均在380 mm 以上，伊春、鹤岗、铁力、尚志等站点400 mm 以上，为降雨中心［18］。 以此为中心雨量向周边逐渐减少，其中北部和松嫩平原南部等个别站点雨量在270-300 mm，为黑龙江省夏季降水最少的地方， 其它地区基本在300-380 mm 之间。

图2 黑龙江省30 a 年平均夏季降雨量空间分布

3.2 1 h 短历时降水空间分布特征

由图3 可见，黑龙江省1 h 降水极值空间差异较大，在34-88 mm 间，最大值和最小值间相差50 mm，60 mm 以上主要分布在松嫩平原西南部和北部、小兴安岭、 东南部山区和三江平原地区等地也有零散的分布；东南部山区和大兴安岭北部为低值区，均在44 mm 以下；较高值区域分布在高值区的外围；较低值区域主要分布在大兴安岭和三江平原地区； 雨量分布呈现较明显的西南高，向东向北逐渐降低。 这一特点在99%、95%、90%几个分位上也表现得更加明显和连续，但同时可以看到，在99%分位的小时雨量值区间在7.5-17.2 mm，95%、90%不足10 mm， 下降得非常迅速。

图3 黑龙江省1 h（a)降水极值,(b)99%分位,(c)95%分位,(d)90%分位降水量分布图

3.3 3 h 短历时降水空间分布特征

黑龙江省3 h 降水极值在43-126 mm 之间 （图4），松嫩平原大部、小兴安岭和三江平原东部较高，其它分布与1 h 接近，最低的区域在大兴安岭和张广才岭东北部、 三江平原西部， 基本在60 mm 以下。90%分位、95%分位、99%分位的降水高值区均在松嫩平原地区，向东向北逐渐减少，低值区域是大兴安岭和东部偏南地区。 与3 h 降水极值相比，各百分位区间降雨量同样下降得非常迅速。

图4 黑龙江省3 h（a)降水极值,(b)99%分位,(c)95%分位,(d)90%分位降水量分布图

3.4 6 h 短历时降水空间分布特征

由图5 可见， 黑龙江省6 h 降水极值在52-170 mm，东南和西北低，其它地区相对较高，最高值区主要分布松嫩平原西部，在松嫩平原东部、小兴安岭等地呈不连续点状分布，在100 mm 以上，较高值区分布在松嫩平原东部和小兴安岭南部， 降水在97-106 mm，低值区分布在大兴安岭北部和东部地区，降水在52-75 mm。 降水90%分位、95%分位、99%分位均是西部松嫩平原地区高， 北部大兴安岭地区和东南部山区低， 黑龙江省中部和东部地区降水量居于中间。

图5 黑龙江省6 h（a)降水极值,(b)99%分位,(c)95%分位,(d)90%分位降水量分布图

3.5 12 h 短历时降水空间分布特征

12 h 降水极值在65-198 mm（图6），高值区在松嫩平原的西部和小兴安岭东部， 降水在130-198 mm； 较高值区在松嫩平原南部和小兴安岭的南部；低值区在大兴安岭北部和东部大部， 降水量在90 mm 以下， 较低值区在东南山区西部和三江平原地区。降水90%分位、95%分位、99%分位均是西部松嫩平原地区高， 降水分别在14 mm、21 mm、41 mm 以上， 北部大兴安岭地区低， 降水分别在12 mm、15 mm、33 mm 以下,黑龙江省中部和东部地区降水量居于中间。

图6 黑龙江省12 h（a)降水极值,(b)99%分位,(c)95%分位,(d)90%分位降水量分布图

3.6 短历时降水空间分布特征分析

由以上分析可见， 黑龙江省各短历时降水极值及90%分位以上降水均呈现明显的西南地区强、向东向北减弱的趋势， 这与夏季年平均降水量分布并不一致，尤其是西南部地区，平均降雨量较小，但不同短历时降雨的大值区均出现在这一区域， 说明该地区降雨较其它地区更具有短历时的特征，时间短、突发性强。 从短历时降水极值来看，在小兴安岭及张广才岭等地还有不连续的极值点出现， 说明在复杂地形下，也有出现更强短历时降雨的可能。 另外，由以上分析还可以看到， 不同百分位的雨量下降得特别快，这也说明对于黑龙江而言，短历时强降雨频次相对较少。

4 短历时降水时间分布特征

根据黑龙江省84 个气象观测站各短历时降水年极值和年极值均值， 分析短历时降水极端性的时间变化特征。 其中极值为当年84 个站中该历时降水最大值， 均值则为当年各站该历时最大值累计后的平均值。

4.1 1 h 短历时降水时间变化特征

由图7 可见， 黑龙江省1 h 降水极值和均值年际变化较大， 总体略有增加，极值增幅（0.5 mm/ a）＞平均值（0.03 mm/ a）。 从极值变化来看， 30 a 有6 a出现明显峰值， 有3 次峰值出现在2011 年后， 共有4 a 降水极值＞80 mm，2011 年后3 a 达75%，而且是降水最大的3 a。 但均值在2001-2010 年间最大，30 a 间共有4 a 超过30 mm，均出现在这10 a 间。 因此，从1 h 降水来看，最大降水极值与均值并不同步，2011 年以后1 h 降水极端性有所增强。1 h 降水极值和均值的最小值均出现在2004 年， 分别为43.5 mm和27 mm。

图7 黑龙江省1 h 降水极值和均值曲线图

4.2 3 h 短历时降水时间变化特征

黑龙江省3 h 降水极值和均值的年际变化趋势基本一致（图8），均值年际变化较小，极值年际变化加大,增加趋势比较明显（0.7 mm/ a）。3 h 降水极值和均值在2011-2020 年间均明显高于其他年代， 极值最高出现在2013 年，达到126.7 mm，其次为2001 和2016 年，降水分别为121.9 mm 和119.3 mm。 3 h 降水极值和均值的最小值也出现在2004 年， 分别为60.2 mm 和43.9 mm。

图8 黑龙江省3 h 降水极值和均值曲线图

4.3 6 h 短历时降水时间变化特征

由图9 可见，黑龙江省6 h 降水极值和均值具有相同的年际变化趋势， 峰值和谷值出现时间基本一致，均值与极值的年际波动明显较1 h 和3 h 小。 6 h降水均值年际变化较小， 极值年际增加趋势比较明显 （0.7 mm/ a)。 6 h 降水极值在2011-2020 年间最高，其中2020 年最高，达到170.3 mm，远大于次高年份的2010 年(132.2 mm）,均值在1991-2000 年最高。

图9 黑龙江省6 h 降水极值和均值曲线图

4.4 12 h 短历时降水时间变化特征

黑龙江省12 h 降水极值和均值具有相同的年际变化趋势（图10），且与6 h 降水的变化趋势基本相同，均值呈微弱地增加趋势（0.06 mm/ a），极值增加相对明显（0.5 mm/ a）。 12 h 降水极值最高值出现在2020 年， 达到198.7 mm， 远大于次高年份1998 年（167.5 mm），年际变化较大，最低值在85 mm 左右。各站12 h 年降水最大值的平均值， 在2011-2020 年最高，其它年代降水相差不大。

图10 黑龙江省12 h 降水极值和均值曲线图

4.5 分析

黑龙江省各短历时降水的极值和均值年际变化趋势基本一致，历时越长，一致性越高。 1 h、12 h 降水均值呈微弱的增加趋势，3 h、6 h 均值略呈下降趋势，各短历时的极值均呈增加趋势，相对来说历时越短增加越明显。 各短历时降水均是在2011-2020 年间最高，极值的峰值均位于最近10 a，但最大降水均值并不同步，说明近10 a 的降水的极端性有所增强。另外，2020 年6 h、12 h 降水极值远超其它年份，分析认为与台风“美莎克”影响有关，“美莎克”影响黑龙江省时，虽然1 h、3 h 降水未出现极值，但小时雨强较大的持续时间较长，所以累计雨量大。

5 结论与讨论

（1）黑龙江省短历时降水分布趋势与夏季降水量分布趋势差异较大，基本上1 h、3 h、6 h、12 h 降水极值在西部松嫩平原地区最高，大、小兴安岭较低，东南山区最低，1 h、3 h、6 h、12 h 降水99%分位、95%和90%分位，在西部松嫩平原地区最高，东南山区较低，大、小兴安岭最低。 黑龙江省短历时降水极值较高，但99%分位降水值迅速减小，较极值降低4倍左右，95%分位降水值较99%分位降低2 倍左右，90%分位降水值约占95%分位的60%， 黑龙江省短历时降水高值在总降水样本中出现比例较小。

（2）黑龙江省各短历时降水的极值和均值年际变化趋势基本一致， 1 h、12 h 降水均值呈微弱的增加趋势，3 h、6 h 均值略呈下降趋势， 各短历时的极值均呈明显增加趋势，历时越短增加越明显。 各短历时降水均是在2011-2020 年间最高， 近10 a 降水极值明显增强。

考虑到资料的长序列和可靠性， 本文没有应用区域自动站观测资料，仅用84 个国家气象观测站资料进行分析。 另外，对于时间分布特征，仅考虑到降水最大值的极值与均值， 对于极值的时间分布特征未做详细分析， 这些工作将在未来的研究中进一步开展。