黑龍江省短歷時降水時空分布特征研究

徐永清,王承偉,劉春生,蔣慧亮,魏 磊

（1.黑龍江省氣候中心，黑龍江 哈爾濱 150030；2.黑龍江省氣象臺，黑龍江 哈爾濱 150030）

1 引言

中國暴雨洪澇災害頻發，造成嚴重經濟損失，對國家經濟發展及建設帶來巨大挑戰。 觀測統計研究和氣候預估研究均表明， 全球變化背景下， 降水在時、空雙維度上變化均呈現顯著非均勻性，小時降水極值的增長速度遠超預期，氣候預估顯示，未來降水的時空分布非均勻性和極端性將更為突出， 致災風險加劇［1-3］。近年來，對短歷時強降水的時空分布特征研究逐漸增多［4-8］。 左璇等［9］選取鄭州氣象站不同短歷時強降水資料，采用頻率分析、小波分析和極值分析等方法，揭示了鄭州短歷時強降水的演變規律，并對各短歷時強降水進行了分布擬合檢驗和重現期估算。 郭渠等［10］利用重慶地區逐分鐘降水資料，對當地各短歷時強降水空間分布特征進行了探討并分區。馬京津等［11］根據北京市強降雨的時空變化特征進行分區，并進行了不同歷時降雨量重現期的估算。 唐傳師等［12］通過分析江西省短歷時降水的時空分布特征，對當地短歷時降水與暴雨的關系進行了探討。陸婷婷等［13］對北京2012 年“7.21” 和2016 年“7.20”特大暴雨過程開展觀測對比研究， 分析兩次過程的環流形勢、 降水分布與變化、 對流系統等方面的差異，并借助區域自動站分鐘級降水觀測數據， 提取和對比分析兩次過程短歷時降水事件特征上的異同， 盡管“7·21”和“7·20”兩次特大暴雨過程降水總量相當（均超過了400 mm），但災害程度卻顯著不同，“7·21”過程歷時更短、雨勢更強，全市平均最大小時雨強明顯大于“7·20”過程，致災性更強。

黑龍江省暴雨具有短歷時、突發性、局地性等特點［14-15］，暴雨落區與強度是預報中的重點和難點，本文使用黑龍江省國家氣象觀測站逐時降水資料，研究短歷時強降水的時空分布特征， 為防災減災和暴雨預報預警提供依據。

2 資料與方法

2.1 資料說明

使用國家氣象信息中心 “中國國家級地面氣象站逐小時降水數據集”中黑龍江省84 個國家級氣象觀測站(圖1)的數據，該數據統計了1991-2020 年共30 a 夏季1 h、3 h、6 h、12 h 所有≥0.1 mm 的降水及出現時間，均按升序排列，其中3 h、6 h、12 h 均為逐小時滾動累計降水，時間精度為1 h。

圖1 黑龍江省84 個國家氣象觀測站分布

2.2 研究方法

2.2.1 百分位法

各站各時效降水量閾值按照百分位法進行統計，具體如下：

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

式中：m 為Xm的序號，n 為該時效降水序列中樣本個數。 如果序列中有300 個值（即n = 300），則第99 百分位上的值為排序后X297(P=98.8%)和X298(P=99.1%)的線性插值［16-17］。

由此得到各時效升序降水量序列中不同百分位等級（如90、95、99 等）對應的降水量值。

2.2.2 空間插值使用反距離權重插值法對84 個氣象觀測站各短歷時（1 h、3 h、6 h、12 h）的極值、99%分位、95%分位和90%分位值在黑龍江省范圍內進行空間插值，按自然段點法將各歷時、分位降水量分為5 級，由低到高分別為低值區、較低值區、中間值區、較高值區和高值區。

3 短歷時降水空間分布特征

3.1 夏季平均降水空間分布特征

由圖2 可見， 黑龍江省夏季30 a 年平均降雨量呈現中部多，四周少的特點：中部地區的小興安嶺地區和張廣才嶺西部地區降雨量均在380 mm 以上，伊春、鶴崗、鐵力、尚志等站點400 mm 以上，為降雨中心［18］。 以此為中心雨量向周邊逐漸減少，其中北部和松嫩平原南部等個別站點雨量在270-300 mm，為黑龍江省夏季降水最少的地方， 其它地區基本在300-380 mm 之間。

圖2 黑龍江省30 a 年平均夏季降雨量空間分布

3.2 1 h 短歷時降水空間分布特征

由圖3 可見，黑龍江省1 h 降水極值空間差異較大，在34-88 mm 間，最大值和最小值間相差50 mm，60 mm 以上主要分布在松嫩平原西南部和北部、小興安嶺、 東南部山區和三江平原地區等地也有零散的分布；東南部山區和大興安嶺北部為低值區，均在44 mm 以下；較高值區域分布在高值區的外圍；較低值區域主要分布在大興安嶺和三江平原地區； 雨量分布呈現較明顯的西南高，向東向北逐漸降低。 這一特點在99%、95%、90%幾個分位上也表現得更加明顯和連續，但同時可以看到，在99%分位的小時雨量值區間在7.5-17.2 mm，95%、90%不足10 mm， 下降得非常迅速。

圖3 黑龍江省1 h（a)降水極值,(b)99%分位,(c)95%分位,(d)90%分位降水量分布圖

3.3 3 h 短歷時降水空間分布特征

黑龍江省3 h 降水極值在43-126 mm 之間 （圖4），松嫩平原大部、小興安嶺和三江平原東部較高，其它分布與1 h 接近，最低的區域在大興安嶺和張廣才嶺東北部、 三江平原西部， 基本在60 mm 以下。90%分位、95%分位、99%分位的降水高值區均在松嫩平原地區，向東向北逐漸減少，低值區域是大興安嶺和東部偏南地區。 與3 h 降水極值相比，各百分位區間降雨量同樣下降得非常迅速。

圖4 黑龍江省3 h（a)降水極值,(b)99%分位,(c)95%分位,(d)90%分位降水量分布圖

3.4 6 h 短歷時降水空間分布特征

由圖5 可見， 黑龍江省6 h 降水極值在52-170 mm，東南和西北低，其它地區相對較高，最高值區主要分布松嫩平原西部，在松嫩平原東部、小興安嶺等地呈不連續點狀分布，在100 mm 以上，較高值區分布在松嫩平原東部和小興安嶺南部， 降水在97-106 mm，低值區分布在大興安嶺北部和東部地區，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區高， 北部大興安嶺地區和東南部山區低， 黑龍江省中部和東部地區降水量居于中間。

圖5 黑龍江省6 h（a)降水極值,(b)99%分位,(c)95%分位,(d)90%分位降水量分布圖

3.5 12 h 短歷時降水空間分布特征

12 h 降水極值在65-198 mm（圖6），高值區在松嫩平原的西部和小興安嶺東部， 降水在130-198 mm； 較高值區在松嫩平原南部和小興安嶺的南部；低值區在大興安嶺北部和東部大部， 降水量在90 mm 以下， 較低值區在東南山區西部和三江平原地區。降水90%分位、95%分位、99%分位均是西部松嫩平原地區高， 降水分別在14 mm、21 mm、41 mm 以上， 北部大興安嶺地區低， 降水分別在12 mm、15 mm、33 mm 以下,黑龍江省中部和東部地區降水量居于中間。

圖6 黑龍江省12 h（a)降水極值,(b)99%分位,(c)95%分位,(d)90%分位降水量分布圖

3.6 短歷時降水空間分布特征分析

由以上分析可見， 黑龍江省各短歷時降水極值及90%分位以上降水均呈現明顯的西南地區強、向東向北減弱的趨勢， 這與夏季年平均降水量分布并不一致，尤其是西南部地區，平均降雨量較小，但不同短歷時降雨的大值區均出現在這一區域， 說明該地區降雨較其它地區更具有短歷時的特征，時間短、突發性強。 從短歷時降水極值來看，在小興安嶺及張廣才嶺等地還有不連續的極值點出現， 說明在復雜地形下，也有出現更強短歷時降雨的可能。 另外，由以上分析還可以看到， 不同百分位的雨量下降得特別快，這也說明對于黑龍江而言，短歷時強降雨頻次相對較少。

4 短歷時降水時間分布特征

根據黑龍江省84 個氣象觀測站各短歷時降水年極值和年極值均值， 分析短歷時降水極端性的時間變化特征。 其中極值為當年84 個站中該歷時降水最大值， 均值則為當年各站該歷時最大值累計后的平均值。

4.1 1 h 短歷時降水時間變化特征

由圖7 可見， 黑龍江省1 h 降水極值和均值年際變化較大， 總體略有增加，極值增幅（0.5 mm/ a）＞平均值（0.03 mm/ a）。 從極值變化來看， 30 a 有6 a出現明顯峰值， 有3 次峰值出現在2011 年后， 共有4 a 降水極值＞80 mm，2011 年后3 a 達75%，而且是降水最大的3 a。 但均值在2001-2010 年間最大，30 a 間共有4 a 超過30 mm，均出現在這10 a 間。 因此，從1 h 降水來看，最大降水極值與均值并不同步，2011 年以后1 h 降水極端性有所增強。1 h 降水極值和均值的最小值均出現在2004 年， 分別為43.5 mm和27 mm。

圖7 黑龍江省1 h 降水極值和均值曲線圖

4.2 3 h 短歷時降水時間變化特征

黑龍江省3 h 降水極值和均值的年際變化趨勢基本一致（圖8），均值年際變化較小，極值年際變化加大,增加趨勢比較明顯（0.7 mm/ a）。3 h 降水極值和均值在2011-2020 年間均明顯高于其他年代， 極值最高出現在2013 年，達到126.7 mm，其次為2001 和2016 年，降水分別為121.9 mm 和119.3 mm。 3 h 降水極值和均值的最小值也出現在2004 年， 分別為60.2 mm 和43.9 mm。

圖8 黑龍江省3 h 降水極值和均值曲線圖

4.3 6 h 短歷時降水時間變化特征

由圖9 可見，黑龍江省6 h 降水極值和均值具有相同的年際變化趨勢， 峰值和谷值出現時間基本一致，均值與極值的年際波動明顯較1 h 和3 h 小。 6 h降水均值年際變化較小， 極值年際增加趨勢比較明顯 （0.7 mm/ a)。 6 h 降水極值在2011-2020 年間最高，其中2020 年最高，達到170.3 mm，遠大于次高年份的2010 年(132.2 mm）,均值在1991-2000 年最高。

圖9 黑龍江省6 h 降水極值和均值曲線圖

4.4 12 h 短歷時降水時間變化特征

黑龍江省12 h 降水極值和均值具有相同的年際變化趨勢（圖10），且與6 h 降水的變化趨勢基本相同，均值呈微弱地增加趨勢（0.06 mm/ a），極值增加相對明顯（0.5 mm/ a）。 12 h 降水極值最高值出現在2020 年， 達到198.7 mm， 遠大于次高年份1998 年（167.5 mm），年際變化較大，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。

圖10 黑龍江省12 h 降水極值和均值曲線圖

4.5 分析

黑龍江省各短歷時降水的極值和均值年際變化趨勢基本一致，歷時越長，一致性越高。 1 h、12 h 降水均值呈微弱的增加趨勢，3 h、6 h 均值略呈下降趨勢，各短歷時的極值均呈增加趨勢，相對來說歷時越短增加越明顯。 各短歷時降水均是在2011-2020 年間最高，極值的峰值均位于最近10 a，但最大降水均值并不同步，說明近10 a 的降水的極端性有所增強。另外，2020 年6 h、12 h 降水極值遠超其它年份，分析認為與臺風“美莎克”影響有關，“美莎克”影響黑龍江省時，雖然1 h、3 h 降水未出現極值，但小時雨強較大的持續時間較長，所以累計雨量大。

5 結論與討論

（1）黑龍江省短歷時降水分布趨勢與夏季降水量分布趨勢差異較大，基本上1 h、3 h、6 h、12 h 降水極值在西部松嫩平原地區最高，大、小興安嶺較低，東南山區最低，1 h、3 h、6 h、12 h 降水99%分位、95%和90%分位，在西部松嫩平原地區最高，東南山區較低，大、小興安嶺最低。 黑龍江省短歷時降水極值較高，但99%分位降水值迅速減小，較極值降低4倍左右，95%分位降水值較99%分位降低2 倍左右，90%分位降水值約占95%分位的60%， 黑龍江省短歷時降水高值在總降水樣本中出現比例較小。

（2）黑龍江省各短歷時降水的極值和均值年際變化趨勢基本一致， 1 h、12 h 降水均值呈微弱的增加趨勢，3 h、6 h 均值略呈下降趨勢， 各短歷時的極值均呈明顯增加趨勢，歷時越短增加越明顯。 各短歷時降水均是在2011-2020 年間最高， 近10 a 降水極值明顯增強。

考慮到資料的長序列和可靠性， 本文沒有應用區域自動站觀測資料，僅用84 個國家氣象觀測站資料進行分析。 另外，對于時間分布特征，僅考慮到降水最大值的極值與均值， 對于極值的時間分布特征未做詳細分析， 這些工作將在未來的研究中進一步開展。