基于小時降水的湘潭地區精細化降水特征分析

辜 倩，劉二影，游梟雄，衛曦翔

(1.氣象防災減災湖南省重點實驗室，長沙 410118；2.湘潭市氣象局，湘潭 411100)

0 引言

隨著精細化區域自動氣象站的全面布網和多年逐小時資料的出現，氣象學者開始關注小時時間尺度的降水特征，已有的研究成果表明，小時級的降水量分布存在較大時空差異[1-3]。戴澤軍[4]等研究發現湖南夏季降水日變化有顯著區域差異，降水雙峰值多出現在清晨和午后；李晶[5]等對長株潭城市群體也進行了小時級降水資源分布及變化特征分析，長株潭地區降水日變化呈雙峰型分布，但峰值出現時間存在區域差異。前期學者對降水日變化的研究主要集中于汛期，且多利用國家氣象觀測站資料，空間分辨率低；或者針對某一次具體天氣過程進行分析，缺乏較為系統的精細化分布特征研究[6,7]。文章基于湘潭地區82個區域自動氣象站近10 a的小時級降水資料，較為系統地分析了湘潭地區降水的精細化特征，對更好地理解本地區降水的時空變化規律、評估區域氣候特征和提高防災減災能力等具有較為重要的意義，也為本地降水精細化落區預報、短時強降水監測預警等業務工作提供了參考。

湘潭位于湖南省中部、湘江下游，與長沙、株洲一同構成了長株潭城市群。地貌處于長衡丘陵區北沿，總趨勢為東南、西北、西南三面較高，向東北部傾斜，中部、東部相對平坦，屬亞熱帶季風濕潤氣候類型，氣候溫暖，四季分明，光熱充足，雨水豐沛且相對集中，夏秋干旱，全市常年平均降水量1，389.4 mm，降水多集中于春、夏兩季，6月份降水最多，12月份最少[8，9]。

1 資料與方法

數據來自湖南省氣象信息中心。文章選取2010—2019年湘潭地區110個區域自動氣象站逐時降水數據，對2010年以后建站和數據缺測率在5%以上的站點進行剔除，并通過氣候極值、時間連續性和空間一致性等檢查方法進行數據質量控制，文章中實際參與分析的站點為82個。根據湘潭地區的行政和地理劃分，對湘鄉市、韶山市、湘潭縣和湘潭市區(指2個市轄區雨湖區和岳塘區，后同)4個區域進行精細化降水分析[10]。

降水定義采用中國氣象局的業務標準，即降水量≥0.1 mm的時次判定為有降水發生，各站某一時段降水量為該時段的降水累積量，短時強降水標準為1 h降水量≥20 mm。

2 降水空間分布特征

2.1 降水小時數、小時平均降水強度及小時最大降水量空間分布

從2010—2019年湘潭地區年平均降水小時數、年平均降水量、小時平均降水強度和最大降水量基本空間分布態可以看出湘潭地區降水存在明顯的空間差異，各降水指標間也有異同：全年降水小時數總體呈南多北少分布，高值區主要分布在湘潭縣南部和湘鄉東南部地區；年平均降水量有明顯的西高東低特征，降水量最多的區域出現在湘鄉東南部，湘潭縣中東部和市區為相對低值區，湘潭地區的地勢以西南、東南和西北三面較高，中部、東部為平原地帶，在相同的天氣形勢下受地勢影響，西南暖濕氣流在迎風面受地形抬升和輻合作用，降水量較其他區域明顯偏多，可見降水小時數和年降水量與地形均有密切聯系；小時平均降水強度也呈西高東低趨勢，以湘鄉中部為中心大值區，湘潭縣南部降水強度較低，這與降水小時數的高值區特征相反，故湘潭縣南部年降水量少于湘鄉；最大小時降水量分布較為分散，大值分布帶主要以市區北部和湘鄉中部為主，湘潭縣最大小時降水量略偏低于其他區域。值得指出的是，湘潭市區降水小時數、年降水量均低于其他地區，但小時最大降水量出現在該區域。

2.2 短時強降水事件頻次空間分布

從湘潭地區短時強降水事件發生頻次的空間分布可以看出，湘潭地區短時強降水年發生頻次空間差異較大，從2.0次至6.7次不等，分布特征也與降水小時數有明顯區別，高值區分布較為分散，主要位于湘鄉中南部和湘潭縣中北部以及市區西部，低值區出現在湘潭縣東部和韶山市；湘鄉市短時強降水強度明顯高于另外3個區域，降水強度普遍大于30 mm/h，湘潭縣南部為低值區，為26～28 mm/h，其分布與小時最大降水量分布類似，與降水小時數相反，這說明此區域短時強降水的貢獻率較低，以穩定性降水為主。

2.3 季節降水的空間分布

湘潭地區四季降水平均累積量的空間分布既有一致性，又存在一定的差異。從湘潭春季和夏季降水的空間分布格局可以看出，湘鄉中部和東南部有雙高值中心，而市區和湘潭縣中東部降水偏少，和全年的結果也基本一致，這與全年降水主要集中在春夏兩季密不可分；夏季降水的空間分布格局與短時強降水強度空間分布格局非常類似，說明夏季降水以短時強降水為主；秋冬季降水量總體較春夏兩季明顯偏少，高值區分布也有一定差異，總體上仍然呈南多北少分布，湘潭市區降水均較其他區域偏少。

3 小時降水的時間變化特征

3.1 累計降水量、降水頻次及降水強度的日變化特征

圖1給出了湘潭地區2010—2019年降水強度、降水頻次和累積降水量的日變化曲線。降水強度04：00-11：00略高于12：00-16：00，傍晚前后有1次高值時段，最低時段出現在23：00-24：00；而降水頻次和累積降水量變化呈典型一峰一谷型，06：00-07：00為降水頻次峰值，而谷值出現在23：00-24：00，同降水強度特征一致。

圖1 2010—2019年湘潭地區降水強度和累積降水量日變化曲線

為研究湘潭地區各區域降水日變化特征以及城市化對降水的影響，分別選取湘潭市區、湘潭縣、湘鄉市和韶山市作為研究對象，分析4個區域的日變化曲線(圖2)。總體上，湘鄉市的降水強度最大，而湘潭縣明顯低于其他3個區域，各區域均在午后和凌晨有相對低值區，除湘潭縣外，各區域在16：00-18：00有明顯的高值區；從降水頻次和累積降水量來看，各區域均是較明顯的一峰一谷型，峰值出現在07：00-08：00，而谷值出現在24：00前后，這與全市平均降水頻次和累積降水量趨勢一致。

圖2 2010—2019年湘潭各區域降水強度、降水頻次和累積降水量日變化曲線：(a)湘潭市區；(b)湘潭縣；(c)湘鄉市；(d)韶山市

3.2 月變化與季變化特征

研究分析湘潭地區各季降水日尺度下各個時間段累積降水量，有助于更全面地分析降水的精細化特征。湘潭地區四季平均降水量統計結果如下：2010-2019年，湘潭降水主要集中在春夏兩季，冬季降水最少；從全年降水的日分布看，白天(07：00-18：00)降水整體多于夜間(19：00-次日06：00)，上午時段降水最多；從各季降水量日變化的分布情況看，日變化的分布格局既有一致性，又存在一定差異。春季、秋季和冬季降水最多時段均出現在上午(07：00-12：00)，最少時段出現在下午(13：00-18：00)，而夏季降水最多時段出現在下午，這可能與夏季午后多對流性降水密切相關。

進一步分析小時降水日變化在各月的差異，圖3為湘潭地區降水量各月逐時變化,可以看出，湘潭小時平均降水強度月變化差異大，全年呈一峰一谷特征，峰區出現在7月，普遍大于2 mm/h，谷值出現在1月，在0.5 mm/h左右；7月大值區的日變化差異也較大，小時降水強度總體上白天要高于晚上，上午和下午各存在1個峰區。

圖3 湘潭地區降水量各月逐時變化圖

4 結束語

文章基于2010—2019年湘潭地區82個自動氣象站的逐時降水資料，分析了湘潭地區小時降水的基本時空分布特征，并對比了不同季節、不同區域降水的空間差異和日變化特征。相關研究結果為進一步研究湘潭地區精細化降水奠定了基礎。