基于自動(dòng)站觀測(cè)的貴陽(yáng)強(qiáng)降水特征分析*

陳海鳳，李 揚(yáng)，黃世芹，彭科曼，王 珺

(貴州省貴陽(yáng)市氣象局，貴州 貴陽(yáng) 550001)

基于自動(dòng)站觀測(cè)的貴陽(yáng)強(qiáng)降水特征分析*

陳海鳳，李 揚(yáng)，黃世芹，彭科曼，王 珺

(貴州省貴陽(yáng)市氣象局，貴州 貴陽(yáng) 550001)

利用2010年1月—2016年12月貴陽(yáng)市67個(gè)自動(dòng)站逐時(shí)降水資料，采用K-means聚類(lèi)方法，分析貴陽(yáng)市強(qiáng)降水的精細(xì)化時(shí)空分布特征。結(jié)果表明：①貴陽(yáng)市短時(shí)強(qiáng)降水以及暴雨呈南多北少，其中短時(shí)強(qiáng)降水在清鎮(zhèn)南部和花溪南部最為活躍，暴雨在清鎮(zhèn)南部最為活躍，大暴雨則在清鎮(zhèn)西南部最為活躍。②K-means 聚類(lèi)方法可清晰地區(qū)分貴陽(yáng)南部強(qiáng)降水活躍區(qū)(稱為Ⅰ區(qū))與中北部強(qiáng)降水相對(duì)不活躍區(qū)(稱為Ⅱ區(qū))。③貴陽(yáng)市強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在5—8月。在強(qiáng)降水活躍期，中北部強(qiáng)降水頻次的月差異較大；而南部的月差異較小。④貴陽(yáng)市強(qiáng)降水具有明顯出現(xiàn)在夜間的特征。中北部強(qiáng)降水出現(xiàn)活躍時(shí)間比南部偏早1～2 h，但南部降水強(qiáng)度明顯強(qiáng)于中北部。

自動(dòng)站；強(qiáng)降水；K-means聚類(lèi)分析；時(shí)空分布

1 引言

圖1 貴陽(yáng)市67個(gè)自動(dòng)氣象站分布Fig.1 The Distribution of 67 Automatic Weather Stations in Guiyang

貴陽(yáng)市地處貴州省中部，境內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、中小河流眾多，全市境內(nèi)滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害以及山洪災(zāi)害頻發(fā)。暴雨洪澇是貴州主要?dú)庀鬄?zāi)害之一。在一次暴雨過(guò)程中，若降水強(qiáng)度大、降水時(shí)間集中，就易引起山洪暴發(fā)造成洪澇災(zāi)害，如果降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，或范圍較大，則更容易引發(fā)嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害[1]。段瑩等[2]指出貴陽(yáng)市暴雨平均雨量整體呈上升趨勢(shì)，暴雨日數(shù)及總暴雨量總體呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，本世紀(jì)以來(lái)貴陽(yáng)市暴雨強(qiáng)度有所增強(qiáng)，近 30 a的降水極端性及降水強(qiáng)度較強(qiáng)。伍紅雨等[3]利用 1960—2005年貴陽(yáng)站資料，研究指出貴陽(yáng)站冬季無(wú)暴雨出現(xiàn)，6月最多，7月次之。針對(duì)貴陽(yáng)地區(qū)的暴雨等強(qiáng)降水天氣，許多氣象專家學(xué)者從不同的角度作了大量研究[4-5]，并取得了一些研究成果。但這些研究大多是利用氣象觀測(cè)站的降水資料，空間分辨率低，或者針對(duì)某一次具體天氣過(guò)程進(jìn)行分析，缺乏較為系統(tǒng)的精細(xì)化分布特征研究。本文擬利用貴陽(yáng)市59個(gè)區(qū)域自動(dòng)站及8個(gè)氣象觀測(cè)站(見(jiàn)圖1)2010年1月1日—2016年12月31日逐時(shí)降水資料，研究貴陽(yáng)市強(qiáng)降水的空間分布特征，同時(shí)采用K-means聚類(lèi)方法對(duì)貴陽(yáng)市67個(gè)自動(dòng)站強(qiáng)降水進(jìn)行分區(qū)，并在此分區(qū)基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析貴陽(yáng)強(qiáng)降水的時(shí)間分布特征，為貴陽(yáng)市今后在暴雨落區(qū)預(yù)報(bào)工作中提供參考。

2 貴陽(yáng)市強(qiáng)降水的空間分布特征

2.1 短時(shí)強(qiáng)降水的分布特征

國(guó)家氣象中心將雨強(qiáng)≥20 mm/h的降水定義為短時(shí)強(qiáng)降水，將24 h降水量≥50 mm或12 h降水量≥30 mm定義為暴雨。陳炯等[6]指出，≥10 mm/h的降水一般是由中小尺度天氣系統(tǒng)造成的，而≥50 mm/h的降水主要是由小尺度天氣系統(tǒng)導(dǎo)致。為了給出貴陽(yáng)市不同強(qiáng)度的強(qiáng)降水的分布特征，本文分析了≥10 mm/h、≥20 mm/h、≥30 mm/h、≥40 mm/h、≥50 mm/h共5個(gè)級(jí)別的短時(shí)強(qiáng)降水以及≥50 mm/24h、≥100 mm/24 h共2個(gè)級(jí)別的暴雨時(shí)空分布特征。

圖2 貴陽(yáng)市有效短時(shí)強(qiáng)降水頻率空間分布(a-e)及短時(shí)強(qiáng)降水頻率隨強(qiáng)度的變化趨勢(shì)(f)Fig.2 Distribution of effective SDHR frequency in Guiyang(a-e) and Relation between the frequency and intensity of effective SDHR(f)

圖2a-2e分別為貴陽(yáng)市≥10 mm/h、≥20 mm/h、≥30 mm/h、≥40 mm/h、≥50 mm/h的有效短時(shí)強(qiáng)降水頻率分布。有效短時(shí)強(qiáng)降水頻率為各觀測(cè)站1 h降水量大于或等于上述閾值的總時(shí)次數(shù)除以該測(cè)站出現(xiàn)≥0.1 mm/h的有效降水的總時(shí)次。總體來(lái)看，貴陽(yáng)市短時(shí)強(qiáng)降水分布具有南多北少的特點(diǎn)，在清鎮(zhèn)南部和花溪南部為2個(gè)高值中心，開(kāi)陽(yáng)中部偏西地區(qū)則是1個(gè)低值中心；隨著降水強(qiáng)度增大，其出現(xiàn)頻率呈指數(shù)降低(圖2f)，局地性差異也增大。由圖2a看出，≥10 mm/h的貴陽(yáng)市短時(shí)強(qiáng)降水頻率有2個(gè)高值中心，分別位于東部的孟關(guān)以及中部的朱昌，其降水頻率均在2.2%以上，而在這兩者之間則形成一頻率相對(duì)較小的短時(shí)強(qiáng)降水不活躍帶，這一不活躍帶在≥30 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水頻率分布圖上表現(xiàn)最為明顯。比較圖2a-2e還發(fā)現(xiàn)，隨著降水強(qiáng)度增大，原本位于花溪南部的頻率大值中心逐漸減弱，當(dāng)強(qiáng)度增強(qiáng)至50 mm/h時(shí)，在花溪南部形成低值中心，說(shuō)明該地區(qū)強(qiáng)度大的短時(shí)強(qiáng)降水并不活躍，而清鎮(zhèn)南部一帶則是不同強(qiáng)度的短時(shí)強(qiáng)降水活躍區(qū)。

2.2 暴雨的分布特征

統(tǒng)計(jì)研究時(shí)段內(nèi)貴陽(yáng)市暴雨日數(shù)(≥50 mm/24 h)及大暴雨日數(shù)(≥100 mm/24 h)發(fā)現(xiàn)(圖3)，貴陽(yáng)市暴雨日數(shù)在10～37 d之間，高值區(qū)位于清鎮(zhèn)南部,其空間分布與≥30 mm/h短時(shí)強(qiáng)降水頻率的分布基本一致。其中92%的暴雨日伴隨著≥10 mm/h短時(shí)強(qiáng)降水，這表明中小尺度天氣系統(tǒng)對(duì)貴陽(yáng)暴雨具有十分重要的作用。貴陽(yáng)市各地大暴雨日數(shù)均在6次或以下，其中西部偏北地區(qū)未出現(xiàn)大暴雨，其中93%的大暴雨日伴隨著≥20 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水，這表明極端日降水幾乎都是由短時(shí)強(qiáng)降水造成的。

圖3 2010年1月1日—2016年12月31日貴陽(yáng)市暴雨(a)及大暴雨(b)日數(shù)分布Fig.3 Total rainstorm(a) and heavy rainstorm(b) days in Guiyang from 2010 to 2016

3 強(qiáng)降水特征的聚類(lèi)分析

聚類(lèi)分析[7-8]是研究多要素或多個(gè)變量的客觀分類(lèi)方法，在聚類(lèi)分析中，需要對(duì)不同個(gè)體(空間點(diǎn)或時(shí)間點(diǎn))進(jìn)行相似分析，相似的就歸為一類(lèi)。K-means算法是聚類(lèi)算法中主要算法之一，它是一種基于劃分的聚類(lèi)算法，其算法是：給出一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶輸入要獲得聚類(lèi)簇的個(gè)數(shù)K，當(dāng)整體差異函數(shù)收斂時(shí)，結(jié)束處理過(guò)程。

采用K-means 聚類(lèi)方法將貴陽(yáng)市67個(gè)自動(dòng)站分為2類(lèi)(圖4)，其中,Ⅰ區(qū)有24個(gè)站，Ⅱ區(qū)有43個(gè)站，結(jié)合上述分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，K-means 聚類(lèi)方法能夠清晰地識(shí)別出貴陽(yáng)市南部強(qiáng)降水活躍區(qū)(Ⅰ區(qū))與中北部強(qiáng)降水相對(duì)不活躍區(qū)(Ⅱ區(qū))的差異，分區(qū)結(jié)果較為合理。

3.1 兩區(qū)強(qiáng)降水的月變化特征

對(duì)貴陽(yáng)市2010—2016年兩區(qū)逐級(jí)強(qiáng)降水站次百分率的月變化進(jìn)行分析(圖5)，貴陽(yáng)市強(qiáng)降水百分率月分布總體呈現(xiàn)單峰型分布，強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在5—8月；9月—次年4月，貴陽(yáng)市發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水的頻率很小。

圖4 采用K-means 均值聚類(lèi)方法對(duì)貴陽(yáng)市強(qiáng)降水分區(qū) (▲Ⅰ區(qū)，●Ⅱ區(qū))Fig.4 Heavy rain zones in Guiyang Area by using K-means clusters methods

貴陽(yáng)市Ⅰ區(qū)夏半年強(qiáng)降水頻率的月差異小，除大暴雨日(≥100 mm/24 h)的月分布具有明顯的峰值外，即最大月占比達(dá)37.3%，其余各級(jí)別的強(qiáng)降水頻次的月占比均不足35%。Ⅱ區(qū)≥30 mm/h以上強(qiáng)度的短時(shí)強(qiáng)降水頻率的峰區(qū)出現(xiàn)在5月，且降水強(qiáng)度越強(qiáng)，峰值越明顯，其中≥50 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水，5月出現(xiàn)頻率占全年的47.2%；≥10 mm/h、≥20 mm/h短時(shí)強(qiáng)降水頻率的峰區(qū)則出現(xiàn)在6月。6月以后，短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻率逐漸減弱，≥50 mm/h的強(qiáng)降水則在8月有所增多，形成次峰。≥50 mm/24 h降水頻率的月變化趨勢(shì)與的≥10 mm/h基本一致，表明≥10 mm/h降水對(duì)暴雨形成有重要貢獻(xiàn)；且Ⅱ區(qū)大暴雨日(≥100 mm/24 h)的月變化具有其獨(dú)特的特點(diǎn)，單峰型特征更為顯著，其增強(qiáng)和減弱均很迅速，在峰區(qū)7月大暴雨日占全年大暴雨日的47%以上。Ⅰ區(qū)與Ⅱ區(qū)相比，其≥30 mm/h、≥40 mm/h強(qiáng)度的短時(shí)強(qiáng)降水峰值出現(xiàn)時(shí)間較Ⅱ區(qū)遲1個(gè)月。

圖5 貴陽(yáng)市2010—2016年兩區(qū)逐級(jí)強(qiáng)降水量出現(xiàn)站次百分率月變化Fig.5 Monthly variations of heavy rain frequency in Guiyang Heavy rain zones from 2010 to 2016

3.2 兩區(qū)強(qiáng)降水日變化特征

圖6給出研究時(shí)段內(nèi)貴陽(yáng)市兩區(qū)逐級(jí)強(qiáng)降水出現(xiàn)頻率以及最大小時(shí)平均降水量日變化分布。由圖6可見(jiàn)，貴陽(yáng)市Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)≥20 mm/h強(qiáng)降水頻次的日變化特征基本相似，≥20 mm/h強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在傍晚到夜間(19時(shí)—次日07時(shí),北京時(shí)間，下同)，午夜為最活躍時(shí)段。Ⅰ區(qū)≥20 mm/h強(qiáng)降水出現(xiàn)頻率小于4%的時(shí)段為08—19時(shí)，而Ⅱ區(qū)則出現(xiàn)在07—18時(shí)，即中北部≥20 mm/h強(qiáng)降水出現(xiàn)活躍時(shí)間比南部偏早1 h。

相比于≥20 mm/h強(qiáng)降水頻率的日變化，貴陽(yáng)市≥50 mm/h強(qiáng)降水頻率以及平均最大小時(shí)降水量的日變化的南北差異更為顯著。在Ⅰ區(qū)，≥50 mm/h強(qiáng)降水的活躍時(shí)段較為分散，19時(shí)—次日02時(shí)為相對(duì)活躍時(shí)段；在Ⅱ區(qū)，≥50 mm/h強(qiáng)降水主要活躍時(shí)段為17時(shí)—次日04時(shí)，占全日的77.8%，其中20時(shí)為最活躍時(shí)段，出現(xiàn)頻率達(dá)13.9%。

從降水強(qiáng)度的日變化來(lái)看，夜間降水較強(qiáng)，白天較弱。Ⅰ區(qū)19時(shí)—次日10時(shí)平均最大小時(shí)降水量均在25 mm以上，其中有12個(gè)時(shí)次在30 mm以上，最大值出現(xiàn)在午夜01時(shí)，達(dá)39.4 mm。Ⅱ區(qū)強(qiáng)降水增強(qiáng)時(shí)間比Ⅰ區(qū)偏早2h，17時(shí)—次日08時(shí)平均最大小時(shí)降水量均在24 mm以上，其中僅有5個(gè)時(shí)次在30 mm以上，最大值出現(xiàn)在午夜00時(shí)，為31.4 mm，可見(jiàn)南部降水強(qiáng)度明顯強(qiáng)于中北部。

4 結(jié)論

①貴陽(yáng)市短時(shí)強(qiáng)降水以及暴雨呈南多北少態(tài)勢(shì)。短時(shí)強(qiáng)降水在清鎮(zhèn)南部和花溪南部最為活躍，暴雨在清鎮(zhèn)南部最為活躍，大暴雨則在清鎮(zhèn)西南部最為活躍。隨著短時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)度增大，其出現(xiàn)頻率呈指數(shù)降低、局地性差異增大。貴陽(yáng)市92%以上的暴雨伴隨著短時(shí)強(qiáng)降水。

圖6 貴陽(yáng)市2010—2016年兩區(qū)逐級(jí)強(qiáng)降水出現(xiàn)站次百分率(%)及平均最大小時(shí)降水量(mm)日變化Fig.6 Diurnal variations of heavy rain frequency and average maximum hourly ranfall in Guiyang Heavyrain zones from 2010 to 2016

②K-means 聚類(lèi)方法可清晰地區(qū)分貴陽(yáng)市南部強(qiáng)降水活躍區(qū)(Ⅰ區(qū))與中北部強(qiáng)降水相對(duì)不活躍區(qū)(Ⅱ區(qū))。

③貴陽(yáng)市強(qiáng)降水百分率月分布總體呈現(xiàn)單峰型，強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在5—8月，在強(qiáng)降水活躍期，中北部強(qiáng)降水頻次月差異較大，而南部月差異較小。

④貴陽(yáng)市傍晚到夜間強(qiáng)降水出現(xiàn)頻次大，降水強(qiáng)度強(qiáng)，午夜為強(qiáng)降水最活躍時(shí)段；中北部強(qiáng)降水出現(xiàn)活躍時(shí)間比南部偏早1～2 h，但南部降水強(qiáng)度明顯強(qiáng)于中北部。

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Characteristic analysis of heavy rainfall in Guiyang based on automaticstation observation

CHEN Haifeng,LI Yang, HUANG Shiqin, PENG Keman, WANG Jun

(Guiyang Meteorological Bureau, Guiyang 550001, China)

The hourly precipitation data from 67 automatic stations in Guiyang from January 2010 to December 2016 was used to analyze the Space-time distribution characteristics of heavy rainfall in Guiyang by K-means clustering method. The results show that: (1) The short-duration heavy rain (here after SDHR) and rainstorm were more in the south and less in the north. The short-duration heavy rain is the most active in the south of Qingzhen and the south of Huaxi. The rainstorm is the most active in the south of Qingzhen and the heavy rainstorm is the most active in the southwest of Qingzhen. (2) By using the K-means clustering method, the heavy rain region of Guiyang is divided into the active part in the south(I) and the relatively inactive part in the central-northern (II). (3) The heavy rainfall in Guiyang mainly occurred from May to August. The difference in the frequency of heavy rainfall of the month is large in the central-northern while it is small in the south in the active period of heavy rain. (4) The heavy rainfal in Guiyang mainly occurred at night, and it can be active 1～2 hours earlier in the central-northern part than in the south part. The rainfall in the south is much stronger than that in the central-northern part.

automatic station; heavy rainfall; K-means clustering analysis; space-time distribution

2017-01-18

陳海鳳(1990—)，女，助工，主要從事天氣預(yù)報(bào)服務(wù)工作,Email:chf2090@163.com。

貴陽(yáng)市氣象局氣象科研基金項(xiàng)目(筑氣科合201403號(hào))、中國(guó)氣象局預(yù)報(bào)員專項(xiàng)項(xiàng)目(CMAYBY2015-068)和貴州省氣象局青年基金項(xiàng)目(QN[2015〗15號(hào))共同資助。

1003-6598(2017)03-0046-05

P426.63+3

B