楊林博 湯晨冰

摘 要：利用商丘市2012—2017年5—9月34個(gè)氣象站的逐小時(shí)降水資料對(duì)商丘市不同等級(jí)短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：2012—2017年，商丘市短時(shí)強(qiáng)降水頻次的年際變化呈線性增加趨勢(shì)，且隨著強(qiáng)降水等級(jí)增加，各等級(jí)降水頻次減小，年際波動(dòng)增大;月變化上（5—9月）平均次數(shù)先增加后減少，各等級(jí)短時(shí)強(qiáng)降水均在7月份出現(xiàn)地最為頻繁，高等級(jí)的短時(shí)強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在7—8月，其他月份較少;日變化上，短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次呈雙峰分布，其中傍晚到夜里是高發(fā)時(shí)段。短時(shí)強(qiáng)降水的總頻次在空間上分布不均，城郊差異比較明顯，其分月變化有明顯的東西向位移規(guī)律;≥20mm/h和≥40mm/h等級(jí)短時(shí)強(qiáng)降水高發(fā)區(qū)的空間分布較為一致，位于商丘市主城區(qū)及其下游。

關(guān)鍵詞：商丘市;短時(shí)強(qiáng)降水;時(shí)空分布;降水頻次

中圖分類(lèi)號(hào)：S161

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190930049

引言

氣候變暖導(dǎo)致暴雨、洪澇、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害的發(fā)生頻率顯著增加，相對(duì)于降水量，這些災(zāi)害與降水強(qiáng)度的關(guān)系更為密切[1]，尤其是短時(shí)強(qiáng)降水事件，有突發(fā)性強(qiáng)、雨勢(shì)猛、降水強(qiáng)度大、致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)，極易誘發(fā)城市內(nèi)澇、山體滑坡、泥石流等災(zāi)害。2010年8月7日，甘肅省舟曲縣發(fā)生特大山洪泥石流災(zāi)害，舟曲縣東山站降水量達(dá)96.3mm，其中22∶00—23∶00 1h降水量達(dá)77.3mm;2016年7月9日，河南省新鄉(xiāng)市遭遇特大暴雨，過(guò)程6h最大降水量為399.1mm，其中關(guān)堤鄉(xiāng)雨量站05∶00—06∶00 1h 降水量高達(dá)132.7mm，均突破新鄉(xiāng)同類(lèi)指標(biāo)歷史極值，引發(fā)了極為嚴(yán)重的城市內(nèi)澇。極端災(zāi)害的頻繁發(fā)生，降水極值的不斷突破，預(yù)示著正面臨越來(lái)越嚴(yán)峻的防災(zāi)減災(zāi)形勢(shì)，因此極端降水事件一直以來(lái)都受到研究者的重點(diǎn)關(guān)注;許多學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了研究并取得了有指導(dǎo)意義的成果[2-5]，但大多數(shù)都是從降水量及其年、月、日時(shí)間尺度上的變化來(lái)進(jìn)行研究，具體到小時(shí)尺度上，從全省范圍內(nèi)進(jìn)行研究的相對(duì)較多[6-8]，地市級(jí)的明顯要少;由于小時(shí)降水資料的獲取和處理相對(duì)日降水資料要麻煩很多，因?yàn)閰^(qū)域雨量站的建設(shè)較晚，降水資料的空間密度不夠高，不足以支撐相對(duì)精細(xì)化的研究?，F(xiàn)如今社會(huì)對(duì)防災(zāi)減災(zāi)的要求越來(lái)越高，提升災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警和評(píng)估的精細(xì)化程度既是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，更是當(dāng)下社會(huì)的迫切需求，故本文對(duì)2012—2017年商丘市短時(shí)強(qiáng)降水的特征進(jìn)行了研究。

1?研究區(qū)和資料

商丘市地處黃淮海平原，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，降水主要集中在夏季，占全年降水量的54%，且暴雨和短時(shí)強(qiáng)降水事件頻發(fā)，其最明顯的影響是城市內(nèi)澇。在對(duì)氣象資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，考慮到資料的連續(xù)性和一致性，選擇2012—2017年商丘市汛期（5—9月）國(guó)家站和區(qū)域站的逐小時(shí)降水資料來(lái)進(jìn)行研究，站點(diǎn)共計(jì)34個(gè)，其中國(guó)家站8個(gè)，區(qū)域站26個(gè)。

短時(shí)強(qiáng)降水是指1h降水量達(dá)到20mm或20mm以上的降水事件，此處根據(jù)每個(gè)小時(shí)內(nèi)降水量的大小，將短時(shí)強(qiáng)降水劃分為20、40、60和≥80mm/h 4個(gè)等級(jí)，其中20mm/h等級(jí)是指小時(shí)降水量大于等于20mm小于40mm的降水，40、60、≥80mm/h等級(jí)別與此類(lèi)似。統(tǒng)計(jì)2012年以來(lái)34個(gè)站點(diǎn)汛期（5—9月）各等級(jí)短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)的次數(shù)，如某站在某個(gè)時(shí)次出現(xiàn)了大于等于20mm/h小于40mm/h雨強(qiáng)的降水，另一時(shí)次也出現(xiàn)了同樣量級(jí)的降水，則次數(shù)累加，最終統(tǒng)計(jì)到的次數(shù)作為20mm/h等級(jí)短時(shí)強(qiáng)降水的總頻次，其他等級(jí)短時(shí)強(qiáng)降水頻次統(tǒng)計(jì)方法與此類(lèi)似。

2?短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)間分布特征分析

2.1?短時(shí)強(qiáng)降水的年變化

統(tǒng)計(jì)每年≥20 mm/h等級(jí)短時(shí)強(qiáng)降水的次數(shù)，可見(jiàn)從2012—2017年短時(shí)強(qiáng)降水的年頻次呈“V”形變化（圖1），2012—2014年逐年減少，2015年略微增加，2016年開(kāi)始明顯增加，其中2014—2015年整體上處于一個(gè)低谷期，短時(shí)強(qiáng)降水頻次相較其他年份明顯偏少， 平均每站只有1～1.5次，2016年開(kāi)始平均每站可達(dá)到3次以上。從線性變化來(lái)看，短時(shí)強(qiáng)降水的頻次有明顯的逐年上升趨勢(shì)。

標(biāo)準(zhǔn)差率可以表征資料中多個(gè)資料值的偏離程度，采用標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)的比值來(lái)計(jì)算，可以考察不同等級(jí)短時(shí)強(qiáng)降水的年際變化情況。表1中列出了商丘市4類(lèi)短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)的平均次數(shù)、次數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差和標(biāo)準(zhǔn)差率。從表中可以看出，商丘市平均每年出現(xiàn)≥20mm/h等級(jí)的短時(shí)強(qiáng)降水80.17次，其中20mm/h等級(jí)66.0次，40mm/h等級(jí)11.5次，60mm/h等級(jí)2.0次，80mm/h以上等級(jí)0.67次;從標(biāo)準(zhǔn)差率來(lái)看，20mm/h等級(jí)最小，40mm/h等級(jí)增加到68.61%，60和80mm/h以上等級(jí)增加到100%以上，說(shuō)明隨著降水等級(jí)增加，相應(yīng)級(jí)別的強(qiáng)降水出現(xiàn)的頻次減小，年際波動(dòng)增大。具體到各站上，平均每站每年汛期出現(xiàn)20mm/h強(qiáng)降水1.94次，40mm/h強(qiáng)降水0.34次，更高等級(jí)的短時(shí)強(qiáng)降水平均每站出現(xiàn)次數(shù)較少。

2.2?短時(shí)強(qiáng)降水的月變化

從2012—2017年汛期各月短時(shí)強(qiáng)降水平均出現(xiàn)次數(shù)來(lái)看（表2），5—9月短時(shí)強(qiáng)降水的頻次先增加后減少，7月最高達(dá)到45.67次，占總次數(shù)的56.8%，遠(yuǎn)大于其他月份的次數(shù)，其次是8月份，占總次數(shù)的27.0%，其他月份相對(duì)較少;這是因?yàn)殡S著副熱帶高壓北抬，7月份商丘市進(jìn)入主汛期，對(duì)流性天氣增多，短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)頻次相應(yīng)增加。從標(biāo)準(zhǔn)差率來(lái)看，5、6和9月的年際波動(dòng)都較大，主汛期7—8月的相對(duì)較小，說(shuō)明商丘市短時(shí)強(qiáng)降水在7—8月出現(xiàn)的更為穩(wěn)定。

統(tǒng)計(jì)不同等級(jí)短時(shí)強(qiáng)降水在各月的分布（表3），可以看出，各等級(jí)短時(shí)強(qiáng)降水的月平均出現(xiàn)次數(shù)均為7月份最多，8月份次之，特別是60mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水，7月份的比例占到了75%;各月短時(shí)強(qiáng)降水均以20mm/h為主，5月份未出現(xiàn)過(guò)40mm/h以上的強(qiáng)降水，6月份未出現(xiàn)過(guò)80mm/h以上的強(qiáng)降水，這是因?yàn)榇藭r(shí)為華南前汛期和江淮梅雨季，雨帶偏南，不太容易出現(xiàn)高級(jí)別的短時(shí)強(qiáng)降水;80mm/h以上的短時(shí)強(qiáng)降水只出現(xiàn)在7月和8月，此時(shí)為華北汛期，副高西側(cè)西南季風(fēng)盛行，水汽充足，在有利的觸發(fā)條件下，易出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水;9月份未出現(xiàn)過(guò)60mm/h以上的強(qiáng)降水，此時(shí)副高南退，雨帶南落，短時(shí)強(qiáng)降水隨即減少。

從7月份各日平均出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的頻次看（圖2），2012—2017年7月份月內(nèi)有3個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水的高發(fā)期，分別是4—8日、15—20日、30—31日，分別對(duì)應(yīng)該月的第2、4、6候;說(shuō)明商丘市7月份在這3個(gè)時(shí)段內(nèi)易出現(xiàn)降水過(guò)程，并伴隨短時(shí)強(qiáng)降水的出現(xiàn)。

2.3?短時(shí)強(qiáng)降水的日變化

統(tǒng)計(jì)1d內(nèi)短時(shí)強(qiáng)降水在各時(shí)次的出現(xiàn)次數(shù)，并計(jì)算其占全天出現(xiàn)的總次數(shù)的比例（圖3），發(fā)現(xiàn)1d內(nèi)各個(gè)時(shí)次均有可能出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。5、6和9月短時(shí)強(qiáng)降水在早上6∶00—8∶00和晚上18∶00—22∶00左右均有1個(gè)小高峰期;7月整體上有2個(gè)高峰期，分別在凌晨到早上（0∶00—8∶00）和傍晚到夜里（17∶00—23∶00）這段時(shí)間，也可理解為當(dāng)天傍晚到第2天早上均為短時(shí)強(qiáng)降水的高峰期，時(shí)間跨度達(dá)到15h;8月份短時(shí)強(qiáng)降水主要發(fā)生時(shí)段為下午到夜里（15∶00—23∶00），時(shí)間跨度8h，較7月份明顯要短;從整個(gè)汛期的分布來(lái)看，短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生時(shí)段呈雙峰分布，分別為6∶00—8∶00和16∶00—23∶00，其中傍晚到夜里（16∶00—23∶00）這段時(shí)間占的比例更高，最高峰出現(xiàn)在20∶00，占全天出現(xiàn)總頻次的8.94%，通常在這段時(shí)間內(nèi)，由于白天升溫高，可累積較多的不穩(wěn)定能量，一旦水汽條件充足，在有利的條件下，易產(chǎn)生伴隨短時(shí)強(qiáng)降水的對(duì)流性天氣;而在6∶00—8∶00，由于凌晨地面降溫比較厲害，而這時(shí)剛剛開(kāi)始升溫，低層容易有逆溫層的存在，在有利的條件下，也容易有強(qiáng)降水天氣產(chǎn)生。

20mm/h和40mm/h等級(jí)短時(shí)強(qiáng)降水的日變化上（圖4），也是呈現(xiàn)出雙峰結(jié)構(gòu)，20mm/h集中出現(xiàn)在5∶00—8∶00和16∶00—23∶00，40mm/h集中出現(xiàn)在6∶00—8∶00和16∶00—21∶00;其中20mm/h最多出現(xiàn)在20∶00，11∶00出現(xiàn)最少;40mm/h最多出現(xiàn)在18∶00，9∶00、10∶00、11∶00未出現(xiàn)過(guò)。60mm/h等級(jí)短時(shí)強(qiáng)降水突發(fā)性較強(qiáng)，在1d內(nèi)多個(gè)時(shí)段均有出現(xiàn);≥80mm/h等級(jí)短時(shí)強(qiáng)降水截至目前共出現(xiàn)4次，其中3∶00、20∶00各1次，19∶00 2次，相對(duì)來(lái)說(shuō)19∶00—20∶00之間發(fā)生的頻率較高。各等級(jí)短時(shí)強(qiáng)降水均在上午9∶00—11∶00之間有一個(gè)低谷期，19∶00—20∶00之間有一個(gè)高峰期。

3?短時(shí)強(qiáng)降水空間分布特征分析

從商丘市2012—2017年汛期各站出現(xiàn)≥20mm/h等級(jí)短時(shí)強(qiáng)降水總次數(shù)的空間分布情況看（圖5），強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在2個(gè)區(qū)域：梁園區(qū)—虞城縣北部—睢陽(yáng)區(qū)東部，各站次數(shù)均在15次以上，其中強(qiáng)降水高發(fā)區(qū)在商丘市主城區(qū)一帶，次數(shù)最多的為商丘國(guó)家基準(zhǔn)站，共計(jì)29次，其次為金世紀(jì)廣場(chǎng)站，共計(jì)24次;夏邑縣東北角-永城市東部，高發(fā)區(qū)位于永城市區(qū)至茴村一帶，次數(shù)最多的為茴村站，共計(jì)20次。整體來(lái)看，中部和東部的短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)次數(shù)明顯較西部多，西部地區(qū)大多站點(diǎn)出現(xiàn)次數(shù)都在12次以下。

≥40mm/h等級(jí)短時(shí)強(qiáng)降水總頻次的空間分布基本與≥20mm/h等級(jí)分布一致，只是整體范圍明顯小了很多;高發(fā)區(qū)域有2個(gè)，商丘市主城區(qū)—虞城縣北部，另一處位于永城市東部，次數(shù)最多的為金世紀(jì)廣場(chǎng)站，共計(jì)8次;民權(quán)縣為≥40mm/h等級(jí)短時(shí)強(qiáng)降水的低發(fā)區(qū)，有3個(gè)站6a內(nèi)未出現(xiàn)過(guò)該等級(jí)的短時(shí)強(qiáng)降水。

結(jié)合實(shí)際城市建成區(qū)分布情況可以發(fā)現(xiàn)，商丘市短時(shí)強(qiáng)降水總頻次的城郊差異比較明顯（圖6），不少研究都已經(jīng)指出城市化對(duì)一個(gè)地區(qū)降水的空間分布有明顯影響[9-11]。城市中建筑物空調(diào)、汽車(chē)尾氣加重了熱量的超常排放，使城市上空形成上升氣流，這些局地氣流的上升有利于對(duì)流性降水的發(fā)生、發(fā)展;城區(qū)空氣中凝結(jié)核多，大核（如硝酸鹽）存在時(shí)有促進(jìn)暖云降水的作用，同時(shí)城市下墊面粗糙度大使降水系統(tǒng)移動(dòng)減慢，延長(zhǎng)了城區(qū)降水時(shí)間。針對(duì)世界各地城市群的研究結(jié)果表明，城市化會(huì)導(dǎo)致城區(qū)及其下風(fēng)方向數(shù)十公里范圍降水的增加[12]。商丘市汛期多受副熱帶高壓影響，降水系統(tǒng)移動(dòng)路徑主要為西北—東南和西南—東北，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)主城區(qū)時(shí)，更容易形成短時(shí)強(qiáng)降水，并對(duì)其下游地區(qū)也產(chǎn)生影響。

從各月≥20mm/h等級(jí)短時(shí)強(qiáng)降水的平均頻次空間分布圖看（圖7），各月特點(diǎn)都比較明顯。5月短時(shí)強(qiáng)降水自西向東分布較為零散，但主要分布在東部永城市;6月空間分布范圍有所擴(kuò)大，高發(fā)區(qū)還是位于東部，此外中部和西部地區(qū)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的站點(diǎn)明顯增多;7月是強(qiáng)降水發(fā)生最廣泛和平均頻次最高的時(shí)段，強(qiáng)降水高發(fā)區(qū)西移到中部梁園區(qū)和睢陽(yáng)區(qū)東部，城市建成區(qū)成為高發(fā)區(qū)，平均達(dá)到2次以上;8月份強(qiáng)降水分布范圍依舊比較廣泛，高發(fā)區(qū)回退到虞城縣北部和永城市，平均頻次相較7月份有所下降;9月份強(qiáng)降水發(fā)生范圍大大縮小，僅在梁園區(qū)和虞城縣北部有小范圍的分布。

綜上，5—7月短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生范圍逐漸擴(kuò)大且高發(fā)區(qū)西移，平均降水頻次逐月增加，8月范圍有所縮小且高發(fā)區(qū)東退，平均頻次下降，9月的分布范圍和平均發(fā)生頻次均大幅下降;根據(jù)不同月份強(qiáng)降水分布差異，可有針對(duì)性的做好相關(guān)高發(fā)區(qū)的強(qiáng)降水及其衍生災(zāi)害的防御工作。

4?結(jié)論

2012—2017年，商丘市≥20mm/h等級(jí)短時(shí)強(qiáng)降水年頻次有明顯的線性上升趨勢(shì);20mm/h等級(jí)的短時(shí)強(qiáng)降水頻次最多，年際波動(dòng)最小;隨著強(qiáng)降水等級(jí)的增加，降水頻次逐漸減小，年際波動(dòng)逐漸增大;月變化上，平均次數(shù)先增加后減少，7月份出現(xiàn)頻次占整個(gè)汛期總頻次的比例最大，其次為8月份;各月短時(shí)強(qiáng)降水均以20mm/h為主;7月份有3個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水的高發(fā)期，分別在第2、4、6候;日變化上，從整個(gè)汛期來(lái)看呈雙峰分布，高峰期分別為6∶00—8∶00和16∶00—23∶00，20和40mm/h等級(jí)的短時(shí)強(qiáng)降水在日變化上也是雙峰分布;隨著強(qiáng)降水等級(jí)增加，降水的突發(fā)性也逐漸增強(qiáng)。

≥20mm/h和≥40mm/h等級(jí)短時(shí)強(qiáng)降水的總頻次空間分布不均，城郊差異比較明顯，高發(fā)區(qū)主要出現(xiàn)在2個(gè)區(qū)域，位于商丘市、永城市主城區(qū)及其下游;5—9月≥20mm/h等級(jí)短時(shí)強(qiáng)降水在空間上的分布有明顯的范圍先擴(kuò)大后減小和東西向位移規(guī)律，7月短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生最廣泛且平均頻次最高，9月范圍最小，5月頻次最低。在不同時(shí)期可有針對(duì)性的做好相關(guān)高發(fā)區(qū)的強(qiáng)降水及其衍生災(zāi)害的防御工作。