四川地區(qū)短時強(qiáng)降水事件時空演變特征研究

李昱銳 ,陳朝平 ,陳權(quán)亮 ,羅 偉 ,李 強(qiáng) ,劉 秀,段修榮

（1.四川省自貢市氣象局，自貢 643000；2.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，成都 610225；3.四川省氣象臺，成都 610072）

引言

四川地區(qū)地處長江中下游平原與青藏高原之間的第二級向第三級的過渡地帶[1?4]，具有西高東低的地勢特征，境內(nèi)的海拔高差超過7300m[5]（最高點(diǎn)：貢嘎山7556m，最低點(diǎn)：廣安鄰水御臨河道出省處184m），是我國海拔高差最大的省份[6]，地形地貌極其復(fù)雜（山地、高原、丘陵約占全省土地面積的97.46%），西部地區(qū)多為山地和高原，東部地區(qū)多為丘陵、盆地。四川盆地地處亞熱帶濕潤氣候區(qū)，年均降水量很大，且5～9月極易出現(xiàn)短時強(qiáng)降水[7?8]，尤其是在全球變暖的背景之下[9]，絕大多數(shù)區(qū)域降水強(qiáng)度增強(qiáng)[10]，強(qiáng)降水事件發(fā)生頻次逐漸增多[11]。隨著強(qiáng)降水事件的增多，城市防汛系統(tǒng)受到了嚴(yán)重的影響，導(dǎo)致城市內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)，對人們的生命和財產(chǎn)造成了嚴(yán)重威脅。因此，該地區(qū)短時強(qiáng)降水事件的發(fā)生發(fā)展規(guī)律、成因研究以及落區(qū)、強(qiáng)度的預(yù)報預(yù)警一直是氣象工作者的關(guān)注重點(diǎn)。

陳炯等[12]通過分析中國暖季短時強(qiáng)降水的時空分布特征，指出四川地區(qū)的短時強(qiáng)降水發(fā)生頻率較高。常娜等[13]通過分析強(qiáng)降水量、強(qiáng)降水次數(shù)和強(qiáng)度的時空分布特征，揭示了四川地區(qū)強(qiáng)降水次數(shù)呈西南―東北帶狀分布，其強(qiáng)度的分布特征為自西向東逐漸增大，年際變化總體呈明顯的下降趨勢。趙衍斌等[14]也對該區(qū)域短時強(qiáng)降水事件的時空分布特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)四川盆地是強(qiáng)降水的主要落區(qū)，強(qiáng)降水的次數(shù)和強(qiáng)度較四川其他地區(qū)偏多和偏強(qiáng)，且集中在夏季，其次是秋季、春季和冬季。周春花等[15]統(tǒng)計分析了21世紀(jì)以來四川地區(qū)強(qiáng)降水的區(qū)域分布和逐月分布特征，結(jié)果表明：盆地為強(qiáng)降水的主要落區(qū)，發(fā)生時段集中在夜間，且強(qiáng)降水天氣主要發(fā)生5～9月。毛冬艷等[16]對西南地區(qū)強(qiáng)降水的時空演變特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)四川盆地的西南部是強(qiáng)降水事件的高發(fā)區(qū)，盆周邊緣地區(qū)西部的小時降水最強(qiáng)，且具有“夜雨”特征，02時為發(fā)生頻次的峰值時刻。周秋雪等[17?18]詳細(xì)分析了四川盆地的降水特征與海拔高度的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)降水主要發(fā)生在四川盆地地區(qū)，同時也集中在攀西地區(qū)南部，而且盆地到山脈之間的縱向陡峭地形區(qū)是強(qiáng)降水的高發(fā)區(qū)。陳朝平等[19]利用分鐘級的雨量資料分析了四川盆地一次暴雨過程的短時強(qiáng)降水特征，得出了不同雨量量級的分布特征規(guī)律。王佳津等[20?21]也使用了分鐘級的降水資料，同時結(jié)合了地形高程數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析了四川地區(qū)短時強(qiáng)降水在暴雨過程中的時空分布特征。李強(qiáng)等[22?23]通過氣象觀測站的小時降水資料，分析了川渝地區(qū)主汛期的短時強(qiáng)降水的強(qiáng)度、頻次等物理量的時空演變特征。

近年來，隨著政府及公眾防災(zāi)減災(zāi)需求的不斷提升，短時強(qiáng)降水的相關(guān)研究也持續(xù)受到預(yù)報從業(yè)人員的關(guān)注和重視。由于短時強(qiáng)降水一般由中小尺度的系統(tǒng)生成，因此降水資料的精細(xì)度很大程度上決定了短時強(qiáng)降水時空分布特征的準(zhǔn)確度[24?28]。本文擬利用四川省氣象臺提供的2010～2019年5～9月四川地區(qū)自動站逐小時降水觀測資料，在分析短時強(qiáng)降水事件24h累計降水量、頻次和強(qiáng)度的日變化特征的基礎(chǔ)上，研究短時強(qiáng)降水事件的時空分布特征以及事件頻次、極值分布與地形海拔高度的關(guān)系等，以期為提高四川地區(qū)短時強(qiáng)降水事件的監(jiān)測和預(yù)報能力提供科技支撐。

1 資料與方法

1.1 資料

研究資料是四川省2010～2019年157個自動站（圖1）的逐小時降水資料，由四川省氣象局提供，時間長度為2010年1月1日～2019年12月31日。中央氣象臺對短時強(qiáng)降水的定義是小時降水量≥20mm，小時強(qiáng)水降閾值的不同，其對應(yīng)的天氣尺度系統(tǒng)特征也不同[2]。本研究主要針對小時雨強(qiáng)≥20mm/h的強(qiáng)降水事件。

圖1 四川地區(qū)小時降水資料站點(diǎn)分布（填色表示海拔高度，單位：m）

1.2 方法

利用逐小時降水，對四川地區(qū)每個站24h內(nèi)的降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行普查。一次短時強(qiáng)降水事件的定義：當(dāng)一次降水過程有超過20mm/h的小時強(qiáng)降水發(fā)生，至少2h前沒有降水發(fā)生才可判定為一次強(qiáng)降水過程的開始時間；判定一次強(qiáng)降水過程的結(jié)束時間，需降水開始后連續(xù)2h沒有降水發(fā)生；一次強(qiáng)降水持續(xù)時間是指一次強(qiáng)降水過程開始到結(jié)束之間間隔的小時數(shù)。降水的閾值為0.1mm/h，即定義當(dāng)1h降水量超過0.1mm為有降水發(fā)生，0.1mm/h降水時間開始與結(jié)束的定義與短時強(qiáng)降水相同。

將統(tǒng)計時間段內(nèi)的有效強(qiáng)降水事件發(fā)生次數(shù)定義為強(qiáng)降水事件的頻次，將統(tǒng)計時段發(fā)生的強(qiáng)降水事件累計雨量定義為降水總量，將統(tǒng)計時段的累計雨量與有效降水時數(shù)的比值定義為降水強(qiáng)度(RIH)。具體公式如下：

式中，h為預(yù)報時間，Arain(h)為統(tǒng)計時段內(nèi)h時刻的累計降水量，Nrain(h)為統(tǒng)計時段內(nèi)h時刻的有效降水時數(shù)（降水量≥0.1mm/h）。

毛冬艷等[16]研究發(fā)現(xiàn)，四川地區(qū)短時強(qiáng)降水主要集中在5～9月，也就是汛期。因此本文主要研究5～9月的短時強(qiáng)降水時空分布，文中的汛期均指各年5月1日～9月30日。

2 分析結(jié)果

2.1 24h累計降水量

從四川地區(qū)近10年5～9月平均24h累計降水分布（圖2）可知，大雨以上量級降水在全省均有分布，其中達(dá)到大暴雨量級（>100mm）中心主要分布于盆周山區(qū)、阿壩州、甘孜州東部和涼山州北部的局部地方，最大值位于廣安，超過175mm；24h累計降水分布與地形走向存在相似特征，總體呈從盆地周邊向盆地中部逐漸減少的特征，盆中24h累計降水量普遍在75～100mm，這與盆周山區(qū)地形影響有關(guān)，地形強(qiáng)迫抬升有利于強(qiáng)降水的產(chǎn)生和持續(xù)；甘孜州和攀西地區(qū)南部24h累計降水量相對較少，普遍在25～100mm，主要呈自東北向西南減少的趨勢，最小值位于金沙江河谷一帶，大多不足50mm。

圖2 2010～2019年5～9月平均24h累計降水量空間分布（單位：mm）

從四川地區(qū)近10年5～9月平均降水頻次分布（圖3）可知，四川盆地和阿壩州的降水頻次普遍在60次以上，其中盆地降水頻次大值區(qū)同樣主要分布在盆周山區(qū)，呈從盆周山區(qū)向盆地中部逐漸減少的趨勢，盆中平均降水頻次普遍在60～100次，而超過100次區(qū)域主要位于盆地東北部、西南部和南部，最大值出現(xiàn)在雅安、眉山、樂山一帶，超過140次，與當(dāng)?shù)乩瓤诘匦未嬖诿芮新?lián)系；甘孜州和攀西地區(qū)南部平均降水頻次相對較少，多為80次以下，最小值也位于金沙江河谷一帶，普遍不足40次，在川西高原及攀西地區(qū)的5～9月平均降水頻次也呈自東北向西南減少的趨勢。

圖3 2010～2019年5～9月平均降水頻次空間分布（單位：次）

從四川地區(qū)近10年5～9月平均降水強(qiáng)度分布（圖4）可知，四川盆地和攀西地區(qū)降水強(qiáng)度相對較大，普遍在0.75mm/h以上，并呈從西北向東南逐漸減少的趨勢；其中盆地的降水強(qiáng)度大值區(qū)主要分布在盆地北部，盆地中部、南部，降水強(qiáng)度普遍在0.6～0.9mm/h；與累計降水量和降水頻次分布特征不同，降水強(qiáng)度在盆地南部雅安、樂山、宜賓一帶出現(xiàn)了極小值，為0.45～0.6mm/h，表明這些地區(qū)的降水效率相對不高，但存在降水出現(xiàn)頻次多且降水量累計較大的特征；攀西地區(qū)降水強(qiáng)度與盆地中部相當(dāng)，為0.6～0.9mm/h，局部有0.9mm/h的雨強(qiáng)；川西高原降水強(qiáng)度相對較小，多為0.75mm/h以下，最小值位于甘孜州西南部，不足0.45mm/h。

圖4 2010～2019年5～9月平均降水強(qiáng)度空間分布（單位：mm/h）

2.2 短時強(qiáng)降水時間分布特征

2.2.1 逐年強(qiáng)降水頻次時序

據(jù)統(tǒng)計（圖5），2010年、2013年和2018年為近10年短時強(qiáng)降水頻次的極大值年，2018年發(fā)生短時強(qiáng)降水次數(shù)最多（約900次）；2011年和2015年是短時強(qiáng)降水頻次的極小值年，2015年發(fā)生短時強(qiáng)降水次數(shù)最少（約350次）。

圖5 2010～2019年四川地區(qū)5～9月短時強(qiáng)降水發(fā)生頻次（單位：次）

2.2.2 短時強(qiáng)降水事件日變化

圖6給出了四川地區(qū)不同開始時間下（00～23時）不同持續(xù)時間短時強(qiáng)降水事件的日變化特征。如圖所示，短時強(qiáng)降水在夜間時段較強(qiáng)；00～10時，強(qiáng)降水降水頻次逐漸減小，其中00～02時發(fā)生了持續(xù)5～20h的強(qiáng)降水；17～23時，強(qiáng)降水維持時間呈增大趨勢，持續(xù)5～22h的強(qiáng)降水均有發(fā)生。

圖6 四川地區(qū)不同開始時間下不同持續(xù)時間短時強(qiáng)降水的日變化特征（陰影表示161測站平均累計降水量，單位：mm；等值線表示發(fā)生頻次，單位：次）

圖7是四川地區(qū)00～23時強(qiáng)降水事件的極值分布（為了統(tǒng)一比較，降水量、降水頻次和降水強(qiáng)度做了標(biāo)準(zhǔn)化處理）。03時，降水量和降水頻次同時達(dá)到峰值；而15時，降水量和降水頻次同時達(dá)到谷值；兩者變化趨勢皆呈單峰型結(jié)構(gòu)，對應(yīng)四川地區(qū)降水的“夜雨”特征。與降水量和降水頻次的變化趨勢不同，降水強(qiáng)度呈現(xiàn)不明顯的雙峰結(jié)構(gòu)，分別在03時和14時達(dá)到谷值，在13時和18時達(dá)到峰值，日變化呈“增-減-增-減”的特征。

圖7 不同時間出現(xiàn)短時強(qiáng)降水事件的極值分布

2.3 短時強(qiáng)降水與地形的關(guān)系

2.3.1 短時強(qiáng)降水年均頻次與地形的關(guān)系

圖8給出了2010～2019年平均5～9月及汛期四川地區(qū)短時強(qiáng)降水發(fā)生頻次空間分布。5、6月份，短時強(qiáng)降水最活躍的區(qū)域位于四川盆地中部地區(qū)，次活躍的區(qū)域位于盆周山區(qū)。7月最活躍的區(qū)域位于四川盆地周邊的龍門山脈（廣元至雅安一帶），沿著龍門山走向呈帶狀分布，該區(qū)域年均短時強(qiáng)降水發(fā)生頻次基本大于20次。8月份盆地西南部大值站點(diǎn)基本集中在雅安喇叭口地形區(qū)及峨眉山附近，年均短時強(qiáng)降水發(fā)生頻次超過30次，其次是盆周西北部和西南部的山脈地區(qū)。9月，最活躍的區(qū)域依然位于四川盆地。整個汛期（5～9月）與8月分布基本相似，四川盆地西部邊緣雅安、峨眉附近存在一個大值中心，年均短時強(qiáng)降水發(fā)生頻次可達(dá)80次以上，雅安有世界著名的“天漏”之稱，其北側(cè)具有特殊的喇叭口地形，雨量大且雨日多，降水量受地形影響顯著；其次是盆周西北部山脈地區(qū)，年均短時強(qiáng)降水發(fā)生頻次61～80次；盆地東北部大值站點(diǎn)較為分散。

圖8 2010～2019年平均5～9月及汛期四川地區(qū)短時強(qiáng)降水發(fā)生頻次空間分布（a.5月，b.6月，c.7月，d.8月，e.9月，f.汛期；圓點(diǎn)表示短時強(qiáng)降水發(fā)生頻次，單位：次；填色表示海拔高度，單位：m）

表1給出了2010～2019年5～9月四川地區(qū)短時強(qiáng)降水發(fā)生頻次前10的站點(diǎn)及其發(fā)生頻次。從表中可以看出，四川地區(qū)短時強(qiáng)降水事件發(fā)生的高峰期集中在7月和8月；整個汛期，峨眉站短時強(qiáng)降水發(fā)生頻次最高（年均104次），雅安站次之（年均98次），名山站和北川站再次（分別為年均86次和80次）；發(fā)生頻次前10的站點(diǎn)中，峨眉站、洪雅站位于四川盆地的西南邊緣，雅安站、名山站位于四川盆地西緣，北川站、安縣站位于四川盆地西北部，都江堰站、大邑站分別位于成都平原的西北邊和北部，只有南江站、劍閣站位于四川盆地的北部。由此可知，四川盆地西部尤其是西部邊緣更容易發(fā)生強(qiáng)降水事件。

表1 2010～2019年5～9月四川地區(qū)短時強(qiáng)降水頻次

2.3.2 最大小時雨強(qiáng)與地形的關(guān)系

最大小時雨強(qiáng)能反映強(qiáng)對流天氣的強(qiáng)弱。圖9給出了2010～2019年平均5～9月及汛期四川地區(qū)最大小時雨強(qiáng)空間分布。5月，四川地區(qū)有4個站點(diǎn)最大小時雨強(qiáng)>80mm/h。6月，只有什邡站最大小時雨強(qiáng)超過100mm/h，達(dá)157mm/h。5、6月份，四川境內(nèi)短時強(qiáng)降水極大值多出現(xiàn)在四川盆地，其次為盆地西緣。7月，四川盆地東北部存在2個站點(diǎn)最大小時雨強(qiáng)達(dá)80mm/h以上，位于盆地西部的龍門山脈一帶站點(diǎn)最大小時雨強(qiáng)為41～80mm/h。8月，四川盆地西南部邊緣的樂山、宜賓、自貢一帶存在一個大值區(qū)，有7個站點(diǎn)的最大小時雨強(qiáng)>80mm/h。9月，射洪站最大小時雨強(qiáng)超過100mm/h，達(dá)110.9mm/h。整個汛期，有15個站點(diǎn)最大小時雨強(qiáng)超過80mm/h，多位于盆地西部，在西南部和西北部各存在一個極大值中心；最大小時雨強(qiáng)超過60mm/h的站點(diǎn)聚集在龍門山脈一帶。

圖9 同圖8，但為最大小時雨強(qiáng)

表2給出了2010～2019年5～9月四川地區(qū)最大小時雨強(qiáng)前10的站點(diǎn)及其最大小時雨強(qiáng)值。從表中可以看出，整個四川地區(qū)有3個站點(diǎn)最大小時雨強(qiáng)>90mm/h，綿竹站在2010年8月出現(xiàn)了最大小時雨強(qiáng)（96.1mm/h），峨眉站在2012年8月出現(xiàn)了最大小時雨強(qiáng)（93.7mm/h），犍為站在2013年8月出現(xiàn)最大小時雨強(qiáng)（92.5mm/h）；共9個站點(diǎn)最大小時雨強(qiáng)為80mm～90mm/h，從大到小依次是2015年7月蒼溪站（86.7mm/h）、2013年8月自貢站（85.6mm/h）、2018年8月榮縣站（85.3mm/h）、2010年7月萬源站（84.2mm/h）、2017年8月樂山站（83.8mm/h）、2017年8月宜賓縣站（83.8mm/h）、2019年7月宜賓縣站（80.5mm/h）、2011年7月三臺站（80.1mm/h）和2016年6月長寧站（80mm/h）。

表2 2010～2019年5～9月四川地區(qū)最大小時雨強(qiáng)站點(diǎn)

2.4 短時強(qiáng)降水與海拔高度的關(guān)系

四川地區(qū)東部存在低海拔的丘陵盆地，西部則是高海拔的高原山地，東西部的降水特征存在較大差異[11]。從不同海拔高度站點(diǎn)的短時強(qiáng)降水發(fā)生頻次（圖10）來看，近10年以來短時強(qiáng)降水主要集中在海拔較低的四川東部地區(qū)，共計3300余次。隨著海拔升高，短時強(qiáng)降水發(fā)生頻次明顯減少，盆地較其他地區(qū)短時強(qiáng)降水發(fā)生頻次偏多。

圖10 2010～2019年四川地區(qū)不同海拔高度站點(diǎn)的短時強(qiáng)降水發(fā)生頻次

圖11是雨量監(jiān)測站的分布情況。如圖所示，四川地區(qū)建在1500m以下的雨量測站占總測站數(shù)的75%，其中66%都建在海拔1000m以下，而四川2/3的區(qū)域海拔高度在1000m 以上，說明四川地區(qū)的測站大部分都集中于盆地地區(qū)，而位于盆周山區(qū)和川西高原的站點(diǎn)稀少。

圖11 四川自動監(jiān)測站隨海拔高度分布情況（灰柱表示站數(shù)，黑柱表示累計站數(shù)，紅點(diǎn)表示累計站數(shù)百分比）

圖12是四川地區(qū)157個自動站2010～2019年汛期強(qiáng)降水變化與海拔高度關(guān)系。如圖所示，隨著海拔高度的增加，發(fā)生強(qiáng)降水的日數(shù)整體減少了，在海拔高度達(dá)到1000m時強(qiáng)降水發(fā)生的日數(shù)明顯減少，達(dá)到2000m時基本無強(qiáng)降水發(fā)生日出現(xiàn)(峨眉山氣象站例外)。由于四川地區(qū)66%的雨量監(jiān)測站建在海拔1000m以下，高海拔地區(qū)站點(diǎn)數(shù)較少，對得出強(qiáng)降水頻次與海拔高度的變化特征存在較大影響。

圖12 2010～2019年5～9月各站累計強(qiáng)降水發(fā)生日數(shù)（橫坐標(biāo)為站點(diǎn)隨海拔高度排列的序號，紅色線表示強(qiáng)降水發(fā)生日數(shù)，黑色線表示海拔高度）

3 結(jié)論

本文利用四川省氣象臺提供的2010～2019年5～9月四川地區(qū)自動站逐小時降水觀測資料，在分析短時強(qiáng)降水事件24h累計降水量、頻次和強(qiáng)度的日變化特征的基礎(chǔ)上，研究了短時強(qiáng)降水事件的時空分布特征以及事件頻次、極值分布與地形海拔高度的關(guān)系等，主要結(jié)論如下：

（1）四川地區(qū)降水主要集中在四川盆地，盆地中降水大值區(qū)主要集中在盆周山區(qū)，川西高原和攀西地區(qū)降水相對較少。24h累計降水大多在75mm以上的地區(qū)為四川盆地和阿壩州，其中達(dá)到大暴雨量級（>100mm）的24h累計降水大值中心主要分布于盆周山區(qū)、阿壩州以及甘孜州東部、涼山州北部的局部地方。而甘孜州和攀西地區(qū)南部24h累計降水量級相對較小，多為大雨到暴雨量級（25～100mm）。四川盆地和阿壩州的降水頻次普遍在60次以上，盆地的降水頻次大值區(qū)同樣主要分布在盆周山區(qū)。甘孜州和攀西地區(qū)南部平均降水頻次相對較少，多為80次以下。四川盆地和攀西地區(qū)的降水強(qiáng)度相對較大，普遍在0.75mm/h以上，其中盆地的降水強(qiáng)度大值區(qū)主要分布在盆地北部。川西高原的降水強(qiáng)度相對較小，多為0.75mm/h以下。

（2）短時強(qiáng)降水在夜間時段較強(qiáng)；00～10時，強(qiáng)降水降水頻次逐漸減小，其中00～02時發(fā)生了持續(xù)5～20h的強(qiáng)降水；17～23時，強(qiáng)降水維持時間呈增大趨勢，持續(xù)5～22h的強(qiáng)降水均有發(fā)生。03時，降水量和降水頻次同時達(dá)到峰值；而15時，降水量和降水頻次同時達(dá)到谷值；兩者變化趨勢皆呈單峰型結(jié)構(gòu)，對應(yīng)四川地區(qū)降水的“夜雨”特征。與降水量和降水頻次的變化趨勢不同，降水強(qiáng)度呈現(xiàn)不明顯的雙峰結(jié)構(gòu)，分別在03時和14時達(dá)到谷值，在13時和18時達(dá)到峰值，日變化呈“增-減-增-減”的特征。

（3）整個汛期，四川盆地西部邊緣雅安、峨眉附近存在一個大值中心，年均短時強(qiáng)降水發(fā)生頻次可達(dá)80次以上，雅安有世界著名的“天漏”之稱，其北側(cè)具有特殊的喇叭口地形，雨量大且雨日多，降水量受地形影響顯著；其次是盆周西北部山脈地區(qū)，年均短時強(qiáng)降水發(fā)生頻次61～80次；盆地東北部大值站點(diǎn)較為分散。整個汛期，有15個站點(diǎn)最大小時雨強(qiáng)超過80mm/h，多位于盆地西部，在西南部和西北部各存在一個極大值中心；最大小時雨強(qiáng)超過60mm/h的站點(diǎn)聚集在龍門山脈一帶。

（4）近10年以來短時強(qiáng)降水主要集中在海拔較低的四川東部地區(qū)，共計3300余次。隨著海拔升高，短時強(qiáng)降水發(fā)生頻次明顯減少，盆地較其他地區(qū)短時強(qiáng)降水發(fā)生頻次偏多。四川地區(qū)的測站大部分都集中于盆地地區(qū)，而位于盆周山區(qū)和川西高原的站點(diǎn)稀少。隨著海拔高度的增加，發(fā)生強(qiáng)降水的日數(shù)整體減少了，在海拔高度達(dá)到1000m時強(qiáng)降水發(fā)生的日數(shù)明顯減少，達(dá)到2000m時基本無強(qiáng)降水發(fā)生日出現(xiàn)（峨眉山氣象站例外）。