鄂西南地區(qū)暴雨過(guò)程強(qiáng)降水特征分析

張子瑩，李 超

(成都信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院，成都 610225)

0 引言

湖北省地處華中地區(qū)與長(zhǎng)江中游，是中國(guó)暴雨多發(fā)區(qū)之一。按照湖北天氣氣候分區(qū)，恩施行政區(qū)與宜昌行政區(qū)位于鄂西南地區(qū)，鄂西南地區(qū)是云貴高原與東部低山丘陵的過(guò)渡區(qū)域，呈東北—西南走向，且地處海拔變化較大的第二階梯與第三階梯的交界處，海拔高度變化在1000 m左右。郭英蓮[1]等在對(duì)湖北幾次暴雨過(guò)程研究中指出鄂西南地區(qū)的地形在暴雨過(guò)程中存在增強(qiáng)和強(qiáng)迫作用；吳翠紅[2，3]等指出鄂西南地區(qū)為強(qiáng)降水過(guò)程的重要起始和高發(fā)地區(qū)；徐雙柱[4]等指出湖北西部山區(qū)迎風(fēng)坡是中尺度雨團(tuán)的源地集中區(qū)；唐永蘭[5]等指出鄂西南地區(qū)是湖北省極端降水高發(fā)區(qū)。 以上結(jié)論是在測(cè)站分布不均勻、觀測(cè)時(shí)間分辨率不高的情況下得到的，基于逐小時(shí)數(shù)據(jù)的暴雨過(guò)程中對(duì)降水、短時(shí)強(qiáng)降水與極端強(qiáng)降水的分析較為缺乏。為此，文章在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，使用2008—2017年4—9月湖北省2500多個(gè)觀測(cè)站(鄂西南700多個(gè)站)逐小時(shí)降水資料，研究湖北省區(qū)域性暴雨過(guò)程中，鄂西南地區(qū)的過(guò)程降水、短時(shí)強(qiáng)降水與極端降水特征，以期進(jìn)一步揭示鄂西南地區(qū)強(qiáng)降水規(guī)律性。

1 鄂西南暴雨過(guò)程

1.1 暴雨過(guò)程定義

張家國(guó)[6]、王春學(xué)[7]和牛若蕓[8]等基于當(dāng)?shù)亟邓卣鞫x區(qū)域性降水過(guò)程，在參考前人工作的基礎(chǔ)上，利用2008—2017年湖北省國(guó)家站和區(qū)域站4—9月逐小時(shí)降水資料中挑選出的141個(gè)區(qū)域性暴雨過(guò)程。分析挑選的141個(gè)個(gè)例發(fā)現(xiàn)，多個(gè)區(qū)域性暴雨過(guò)程途經(jīng)鄂西南地區(qū)。文章定義的鄂西南地區(qū)暴雨過(guò)程為：1)存在3站以上小時(shí)降雨量大于10 mm；2)存在2站以上小時(shí)降雨量大于20 mm；3)暴雨過(guò)程持續(xù)時(shí)間在1 h以上且允許有2 h的降水間斷。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2008—2017年鄂西南地區(qū)暴雨過(guò)程共90個(gè)，說(shuō)明湖北省區(qū)域性暴雨過(guò)程多數(shù)要途經(jīng)鄂西南地區(qū)[9，10]。文章以統(tǒng)計(jì)得出的90個(gè)暴雨過(guò)程為基礎(chǔ)進(jìn)行分析。

1.2 暴雨過(guò)程路徑分類

根據(jù)研究需要將鄂西南地區(qū)暴雨過(guò)程分為4種路徑：1)區(qū)域性暴雨全過(guò)程均在鄂西南地區(qū)，定義為路徑d1；2)區(qū)域性暴雨在鄂西南地區(qū)開始，在地區(qū)外結(jié)束，定義為路徑d2；3)區(qū)域性暴雨在鄂西南地區(qū)外開始，在地區(qū)內(nèi)結(jié)束，定義為路徑d3；4)區(qū)域性暴雨開始和結(jié)束都在鄂西南地區(qū)外，但暴雨過(guò)程途經(jīng)鄂西南地區(qū)，定義為路徑d4。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，暴雨過(guò)程各個(gè)路徑長(zhǎng)短不同，經(jīng)歷的行政區(qū)域多少也不同，造成過(guò)程差異很大，路徑d1、d2、d3、d4的個(gè)例數(shù)(比例)分別是20(22.22%)、28(31.11%)、32(35.55%)、10(11.11%)，達(dá)到了一定的樣本數(shù)，其中路徑d3的樣本數(shù)最多。文章進(jìn)一步分析得出這些樣本的雨帶移動(dòng)方向具有一定的規(guī)律性，鄂西南地區(qū)暴雨過(guò)程雨帶移動(dòng)方向可以分為不移動(dòng)、向東北方向移動(dòng)、向東南方向移動(dòng)和向其他方向移動(dòng)4種情況。

從鄂西南地區(qū)暴雨帶移動(dòng)方向上看，不移動(dòng)個(gè)例占總數(shù)的22.22%，移動(dòng)個(gè)例占總數(shù)的77.78%，發(fā)生在6—8月暴雨過(guò)程占總數(shù)的82.22%，分布與暴雨量情況相似。其中東北和東南移動(dòng)個(gè)例數(shù)較多，占移動(dòng)總數(shù)的84.28%，其他移動(dòng)方向很少。不移動(dòng)個(gè)例的過(guò)程都出現(xiàn)于d1路徑，大部分(58.33%)東北移動(dòng)個(gè)例以移動(dòng)路徑d3為主，東南移動(dòng)個(gè)例以d2、d3移動(dòng)路徑為主，絕大部分(81.82%)其他移動(dòng)個(gè)例沿路徑d2移動(dòng)，可以看出其他移動(dòng)個(gè)例受起始于鄂西南地區(qū)外的區(qū)域性暴雨過(guò)程影響，東北移動(dòng)個(gè)例與東南移動(dòng)個(gè)例同時(shí)受起始于鄂西南地區(qū)內(nèi)外的區(qū)域性暴雨過(guò)程影響，其中起始于地區(qū)內(nèi)的暴雨過(guò)程影響相對(duì)較大，可以看出鄂西南地區(qū)起始的暴雨過(guò)程占57.78%，在鄂西南地區(qū)外起始的暴雨過(guò)程占42.22%。結(jié)合4種路徑與4種雨帶移動(dòng)方式，把鄂西南地區(qū)暴雨過(guò)程分為4種：1)暴雨過(guò)程開始到結(jié)束均在鄂西南地區(qū)內(nèi)，定義為不移動(dòng)型，簡(jiǎn)稱Ⅰ型；2)暴雨過(guò)程途徑鄂西南地區(qū)向東北方向移動(dòng)，定義為東北方向移動(dòng)型，簡(jiǎn)稱Ⅱ型；3)暴雨過(guò)程途徑鄂西南地區(qū)向東南方向移動(dòng)，定義為東南方向移動(dòng)型，簡(jiǎn)稱Ⅲ型；4)暴雨過(guò)程途徑鄂西南地區(qū)向除東北、東南以外的其他方向移動(dòng)，定義為其他移動(dòng)型，簡(jiǎn)稱Ⅳ型。

2 暴雨過(guò)程特征分析

2.1 持續(xù)時(shí)間特征分析

通過(guò)鄂西南地區(qū)暴雨過(guò)程持續(xù)時(shí)間頻數(shù)分布可以看出，持續(xù)時(shí)間在1～3 h的暴雨過(guò)程占20%，持續(xù)時(shí)間在4～6 h的暴雨過(guò)程占比較多，為45.56%，持續(xù)時(shí)間在7～9 h的暴雨過(guò)程占20%，其他情況較少。可以看出暴雨持續(xù)時(shí)間以3～9 h為主。

2.2 過(guò)程降水量特征分析

2.2.1 過(guò)程降水量計(jì)算方法

設(shè)小時(shí)降水量為R1 h(l，i，j，k)(l=1，…，4；i=1，…，W；j=1，…，Ml；k=1，…，TClj)，其中l(wèi)取1～3代表Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型暴雨過(guò)程，取4代表不區(qū)分類型；i為站點(diǎn)數(shù)；W表示鄂西南的總站點(diǎn)數(shù)(W=712)；N表示有過(guò)程降水的總站點(diǎn)數(shù)(N≤W)；j為個(gè)例數(shù)；Ml為不同類別下個(gè)例數(shù)量；k為個(gè)例持續(xù)時(shí)間；TClj表示第l種類型第j個(gè)個(gè)例的持續(xù)時(shí)間。利用式(1)計(jì)算得到不同類型下過(guò)程降水量RlT(l，i，j)：

(1)

式(1)統(tǒng)計(jì)的小時(shí)降水量均大于1 mm，利用式(2)和式(3)計(jì)算不同個(gè)例的過(guò)程總降水量RlTN(l，j)：

(2)

(3)

式中，order[]表示降序排列函數(shù)；在式(2)中取N=1，得到過(guò)程單站最大降水量[11]。

2.2.2 過(guò)程單站最大降水量分析

文章對(duì)2008—2017年暴雨過(guò)程的過(guò)程單站最大降水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明，過(guò)程單站最大降水量主要在40～160 mm，占總數(shù)的81.11%。將鄂西南地區(qū)進(jìn)一步細(xì)分為4個(gè)區(qū)域：恩施北部(包括利川市、恩施市與建始縣)、恩施南部(包括咸豐縣、宣恩縣、來(lái)鳳縣與鶴峰縣)、兩省交界(包括五峰土家族自治縣、長(zhǎng)陽(yáng)土家族自治縣、興山縣與巴東縣)和宜昌東部(包括宜昌市、宜都市、安遠(yuǎn)縣、當(dāng)陽(yáng)市與枝江市)。按以上分區(qū)統(tǒng)計(jì)過(guò)程單站最大降水量空間分布，過(guò)程單站最大降水量多出現(xiàn)在恩施北部地區(qū)、恩施南部地區(qū)與宜昌東部地區(qū)，分別占總數(shù)的25.56%、24.44%和33.33%，兩省交界地區(qū)較少，占總數(shù)的16.67%。

文章統(tǒng)計(jì)分析了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型暴雨過(guò)程單站最大降水量頻數(shù)分布。分析發(fā)現(xiàn)，Ⅰ、Ⅱ型暴雨過(guò)程單站最大降水量主要為40～160 mm，均占總數(shù)的80%以上；Ⅲ型暴雨過(guò)程最大過(guò)程降水量主要在40～140 mm，均占總數(shù)的65%以上。Ⅰ型暴雨過(guò)程多出現(xiàn)在恩施北部地區(qū)與宜昌東部地區(qū)(均占35%以上)；Ⅱ型暴雨過(guò)程多出現(xiàn)在恩施南部地區(qū)與宜昌東部地區(qū)，恩施北部地區(qū)次之(均占25%以上)；Ⅲ型暴雨過(guò)程多出現(xiàn)在兩省交界地區(qū)與宜昌東部地區(qū)，恩施北部地區(qū)次之(均占20%以上)。

3 短時(shí)強(qiáng)降水特征分析

3.1 短時(shí)強(qiáng)降水頻數(shù)空間分布

中國(guó)氣象局在短臨業(yè)務(wù)工作中規(guī)定，當(dāng)小時(shí)累計(jì)降水量達(dá)到20 mm及以上時(shí)認(rèn)定為1次短時(shí)強(qiáng)降水。通過(guò)對(duì)2008—2017年暴雨過(guò)程短時(shí)強(qiáng)降水統(tǒng)計(jì)得出，出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水站數(shù)為704站，占降水總站數(shù)的98.88%(704/712)；短時(shí)強(qiáng)降水站點(diǎn)頻數(shù)最大值為31次，最小值為1次，使用百分位數(shù)法，認(rèn)為站點(diǎn)頻數(shù)大于第85%分位數(shù)(14次)的站點(diǎn)是短時(shí)強(qiáng)降水高頻數(shù)站點(diǎn)，站點(diǎn)頻數(shù)小于第55%分位數(shù)(8次)的站點(diǎn)是短時(shí)強(qiáng)降水低頻數(shù)站點(diǎn)。高頻數(shù)站點(diǎn)主要分布在4個(gè)區(qū)域：恩施市-建始縣一線，來(lái)鳳縣-宣恩縣一線，鶴峰縣-五峰土家族自治縣一線與宜都市-當(dāng)陽(yáng)市一帶；低頻次站點(diǎn)主要分布在3個(gè)區(qū)域：利川市附近，恩施市南部-建始縣南部-巴東縣中南部一線與興山縣-秭歸縣-長(zhǎng)陽(yáng)土家族自治縣一帶。章淹[9]指出地形對(duì)降水有極為重要的作用，海拔高度變化復(fù)雜的恩施地區(qū)有大范圍的高頻數(shù)區(qū)，宜昌地區(qū)雖地勢(shì)平坦，但位于喇叭口地勢(shì)與峽谷地勢(shì)出口處，有一定程度的短時(shí)強(qiáng)降水，恩施地區(qū)較宜昌地區(qū)有較多的短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生，且主要出現(xiàn)在恩施南部。

3.2 短時(shí)強(qiáng)降水日變化特征

圖1為2008—2017年暴雨過(guò)程短時(shí)強(qiáng)降水日變化頻數(shù)分布，可以看出鄂西南地區(qū)暴雨過(guò)程日變化特征較為復(fù)雜。整個(gè)變化過(guò)程出現(xiàn)3次峰值，其時(shí)間和強(qiáng)度分別是02：00的396次、08：00的394次、16：00的274次，表現(xiàn)為多峰型，主峰出現(xiàn)在01：00—03：00和07：00—09：00；次峰出現(xiàn)在15：00—17：00，即鄂西南地區(qū)暴雨過(guò)程多發(fā)生在01：00—03：00和07：00—09：00。吳翠紅認(rèn)為鄂西南地區(qū)白天強(qiáng)降水發(fā)生較少，而從文章可以看出鄂西南地區(qū)在白天存在1個(gè)主峰和1個(gè)次峰，說(shuō)明白天強(qiáng)降水發(fā)生的可能性很高。

圖1 鄂西南短時(shí)強(qiáng)降水量日變化頻數(shù)分布

4 極端強(qiáng)降水特征分析

4.1 小時(shí)最大降水量分布

統(tǒng)計(jì)降水站點(diǎn)小時(shí)最大降水量，其最小值為11.5 mm，最大值為109.4 mm，其中小時(shí)最大降水量大于50 mm站數(shù)、大于60 mm站數(shù)與大于70 mm站數(shù)，依次為247站、107站與39站，分別占降水總站數(shù)的34.69%、15.3%與5.48%。對(duì)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型暴雨過(guò)程最大降水量站數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到，3種類型小時(shí)最大降水量大于70 mm的站點(diǎn)數(shù)都超過(guò)10站，Ⅰ、Ⅱ型暴雨過(guò)程大于30 mm的站點(diǎn)數(shù)均達(dá)到56%，Ⅲ型暴雨過(guò)程大于30 mm的站點(diǎn)數(shù)達(dá)到44%，由此看出鄂西南強(qiáng)降水的極端性是極為明顯的。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析其他空間分布得出，在鄂西南地區(qū)小時(shí)最大降水量空間分布不均勻，小時(shí)最大降水量大于50 mm分布與短時(shí)強(qiáng)降水站點(diǎn)頻數(shù)空間分布較為相似。將小時(shí)最大降水量大于50 mm區(qū)域作為大值區(qū)域進(jìn)行分析，恩施地區(qū)西北部利川市-恩施市-建始縣-巴東縣一線有較為連貫的小型塊狀高值區(qū)，恩施地區(qū)的其他區(qū)域有分散的小范圍大值區(qū)，宜昌地區(qū)東部以宜昌市為界，宜昌市北部、自宜昌市東部向東延伸至長(zhǎng)陽(yáng)土家族自治縣與自宜昌市南部向南延伸至當(dāng)陽(yáng)市、枝江市與宜都市有連貫的大范圍高值區(qū)，在恩施市和宜昌市交界地區(qū)存在南北向垂直分布的小值帶狀區(qū)域，總體來(lái)說(shuō)恩施地區(qū)高值區(qū)較為分散；宜昌地區(qū)高值區(qū)集中在東部地區(qū)。吳翠紅對(duì)1999—2009年湖北省78站1 h累計(jì)降水量的極大值(即最大降水量)進(jìn)行空間分布分析，認(rèn)為全省各站1 h降水量極值分布總體上較均衡，無(wú)明顯地域差異。但從文章分析來(lái)看，降水量極值分布無(wú)明顯地域差異，與各站點(diǎn)間隔較遠(yuǎn)有關(guān)。

4.2 極端強(qiáng)降水分析

為了分析2008—2017年暴雨過(guò)程的極端強(qiáng)降水情況，參考Tukey[10]提出的方法，得到鄂西南地區(qū)極端強(qiáng)降水閾值及空間分布(圖2)。從圖2看，第98%分位數(shù)的最小值、最大值與中位數(shù)分別為10.5 mm、50.8 mm與29.9 mm，根據(jù)湖北對(duì)強(qiáng)降水定義，用第98%分位數(shù)作為強(qiáng)降水閾值明顯偏小；第99%分位數(shù)的最小值、最大值與中位數(shù)分別為11.5 mm、60.9 mm與35.3 mm，這與多站出現(xiàn)大于70 mm的降水事實(shí)不符；而第99.5%分位數(shù)的最小值、最大值和中位數(shù)分別為11.5 mm、78.2 mm和41.5 mm，因此利用第99.5%分位數(shù)作為極端短時(shí)強(qiáng)降水值閾值更符合強(qiáng)降水實(shí)況。從箱線圖(圖2)可見(jiàn)，第99.5%分位數(shù)的分布區(qū)間主要集中在34.52～51.9 mm，第99.5%分位數(shù)在50 mm以上站點(diǎn)222個(gè)(31.53%)，60 mm以上站點(diǎn)90個(gè)(12.78%)，70 mm以上站點(diǎn)36個(gè)(5.11%)，80 mm以上站點(diǎn)16個(gè)(2.2%)，90 mm以上站點(diǎn)7個(gè)(0.99%)，說(shuō)明該地區(qū)降水的極端性是存在并且明顯的。

圖2 鄂西南地區(qū)極端強(qiáng)降水閾值特征分析

將閾值大于50 mm站點(diǎn)稱為閾值高值站點(diǎn)，集中出現(xiàn)區(qū)域稱為閾值高值區(qū)。恩施地區(qū)閾值高值區(qū)呈東北—西南走向，利川市-恩施市-建始縣一線與來(lái)鳳縣-宣恩縣-鶴峰縣一線極端降水量較大；宜昌地區(qū)閾值高值區(qū)集中在東部，以安遠(yuǎn)縣-宜昌市-長(zhǎng)陽(yáng)土家族自治縣一線以東為大值區(qū)，以西為低值區(qū)。分析極端強(qiáng)降水閾值高值區(qū)分布發(fā)現(xiàn)，閾值大于70 mm站點(diǎn)主要出現(xiàn)在3個(gè)地區(qū)：恩施西北部山區(qū)、恩施東南部山區(qū)海拔低于1000 m地區(qū)與宜昌山區(qū)進(jìn)入江漢平原過(guò)渡地區(qū)。閾值大于80 mm站點(diǎn)出現(xiàn)宜昌地區(qū)；閾值大于90 mm站點(diǎn)出現(xiàn)恩施地區(qū)，可以說(shuō)恩施地區(qū)比宜昌地區(qū)降水極端性更明顯。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章利用近10 a的湖北省逐小時(shí)降水量，對(duì)鄂西南地區(qū)暴雨過(guò)程進(jìn)行過(guò)程降水、短時(shí)強(qiáng)降水與極端強(qiáng)降水特征分析，得到：

1) 2008—2017年鄂西南地區(qū)暴雨過(guò)程個(gè)例共90個(gè)，其中本地起源的暴雨過(guò)程占半數(shù)以上；暴雨過(guò)程持續(xù)時(shí)間以3～9 h為主；最大過(guò)程降水量以40～160 mm為主，多出現(xiàn)在恩施北部、恩施南部與宜昌東部地區(qū)。

2) 暴雨過(guò)程中短時(shí)強(qiáng)降水空間分布不均勻；高頻數(shù)區(qū)域出現(xiàn)在恩施北部、恩施南部與宜昌東南部，恩施北部與南部以東西向的帶狀形式分布，宜昌東南部以大范圍塊狀形式出現(xiàn)；低頻數(shù)區(qū)主要出現(xiàn)在兩地區(qū)之間過(guò)渡帶，以南北向的帶狀形式分布；短時(shí)強(qiáng)降水日變化為多峰型，鄂西南地區(qū)暴雨過(guò)程多發(fā)生在01：00—03：00和07：00—09：00。

3)暴雨過(guò)程小時(shí)最大降水量大于50 mm站數(shù)達(dá)到34.69%，大于70 mm站數(shù)達(dá)到5.48%，極端性極為明顯；利用第99.5%分位數(shù)作為暴雨過(guò)程極端強(qiáng)降水閾值，極端降水閾值空間分布不均勻，其分布與1 h最大降水量空間分布一致；閾值大于70 mm站點(diǎn)主要出現(xiàn)在3個(gè)地區(qū)：恩施西北部山區(qū)、恩施東南部山區(qū)海拔低于1000 m地區(qū)與宜昌山區(qū)進(jìn)入江漢平原過(guò)渡地區(qū)，恩施地區(qū)比宜昌地區(qū)降水極端性更為明顯。