蘇錦蘭，宋金梅

(1.大理國家氣候觀象臺，大理 671003；2. 中國氣象局大理山地氣象野外科學試驗基地，大理 671003；3.大理機場氣象臺，大理 671003)

引言

縱向嶺谷地區(qū)位于我國西南，地處青藏高原與云貴高原結合部，包括與青藏高原隆升直接相關聯(lián)的橫斷山區(qū)和毗鄰的南北走向山系河谷區(qū)域，是我國西南與東南亞極為重要的生態(tài)廊道?？v向嶺谷地區(qū)中最著名的是云南省內(nèi)的橫斷山系區(qū)域，該區(qū)域自西向東分布著高黎貢山、怒山、云嶺等大型南北走向山系，形成舉世聞名的怒江、瀾滄江、金沙江三江并流，擁有怒江大峽谷、虎跳峽等世界地理奇觀，是世界上生物多樣性最豐富的地區(qū)之一，有關該區(qū)域的氣候[1-5]、生態(tài)[6-8]、地理[9-11]、水文[12-13]等多方面的研究一直是學者普遍關注的前言科學問題。

隨著全球氣候變化大背景下洪澇、干旱、暴雨、低溫、高溫等極端氣候事件的發(fā)生頻率和危害程度增加，一些學者開始關注橫斷山脈縱向嶺谷地區(qū)(簡稱縱谷區(qū)，下同)極端天氣、氣候特征，尤其是與降水相關聯(lián)的災害事件。李斌等[14]利用日降水資料分析不同量級日降水變化趨勢指出瀾滄江流域極端降水頻率增加態(tài)勢明顯；于文金等[15]利用日降水量分析瀾滄江區(qū)域極端災害變化指出該區(qū)域未來極端天氣災害主要是干旱災害；袁文德[16]等基于西南地區(qū)逐日降水數(shù)據(jù),采用百分位閾值法定義極端降水事件,得到1日最大降水量從東部的103～118mm減少到西部的25.4～46.7mm，極端降水比率從東部的39%～43%減少到西部的23%～25%。這些研究大多只精細到日降水資料，很少有專門針對小時降水數(shù)據(jù)的深入系統(tǒng)分析。

隨著經(jīng)濟生活水平的提升，人民群眾對天氣預報的需求越來越偏向于小時尺度，加上降水尤其是短時強降水在山地地區(qū)的落區(qū)和實效預報準確率低，雖然近幾年有關短時強降水的研究逐漸增多[17-19]，但專門針對縱谷區(qū)的系統(tǒng)性、精細化分析仍然缺乏。本文立足于云南省內(nèi)怒江州、迪慶州、大理州、保山市、麗江市等典型橫斷山脈縱向嶺谷區(qū)域，采用國家級自動氣象站1h降水量觀測資料，分析縱谷區(qū)短時強降水發(fā)生的年、月、候、日變化和空間分布特征，以期為山地地區(qū)極端天氣事件預報預警提供依據(jù)，為建立區(qū)域預報模型奠定基礎。

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文縱谷區(qū)包括云南省怒江州、迪慶州、大理州、保山市、麗江市范圍。研究中使用的降水資料是云南省氣象信息中心提供的上述區(qū)域28個國家級地面氣象觀測站(圖1)2005～2019年逐日逐小時自動觀測數(shù)據(jù)，觀測儀器為雙翻斗雨量傳感器，對降水數(shù)據(jù)先后在設備級、臺站級、省級、國家級進行氣候學界限值、時間一致性、空間一致性及內(nèi)部一致性質量控制檢查。研究中使用的地形資料是地理空間數(shù)據(jù)云的GDEMDEM 30m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)。

文中為描述方便，根據(jù)山系北西北-南東南走向，簡要將縱谷區(qū)劃分為上段、中段、下段，但無細致區(qū)域劃分。

1.2 研究方法

(1)本文采用中央氣象臺短時強降水標準，定義1h降水量達到或超過20mm的降水為短時強降水。若某小時的降水量達到或超過20mm，表示該小時發(fā)生短時強降水，相應時次的短時強降水發(fā)生頻率(次數(shù))增加1次。

(2)用振幅來表征短時強降水發(fā)生頻率日變化的強弱。日變化振幅有兩種，一種是絕對日變化振幅，即日較差，但絕對振幅容易受降水氣候態(tài)特征影響；另一種是相對日變化振幅，定義為標準化最大小時發(fā)生頻率與日平均發(fā)生頻率之比，用百分比表示，相對振幅可以有效減小降水氣候態(tài)差異對日變化振幅的影響。本文使用相對日變化振幅。

(3)線性傾向率。任何要素x的線性變化趨勢可用一次直線方程來描述，即xi=a+bti(i=1,2,…,n,n為樣本量)，用ti表示xi所對應的時間，b即為線性傾向率。

2 結果分析

2.1 降水總體特征

圖2給出縱谷區(qū)年平均降水量和短時強降水量比例、發(fā)生頻率的總體空間分布結果。由年平均降水量的空間分布(圖2a)可知，縱谷區(qū)年平均降水量在498～1876mm之間，大體上呈自西向東遞減的梯次分布，西部高黎貢山區(qū)域和怒江流域年降水豐富，尤其是山系上段和怒江下游以西區(qū)域(1350mm以上)，其次是怒山主體和瀾滄江流域，云嶺區(qū)域和金沙江流域降水量普遍偏少(900mm以下)，但云嶺余脈點蒼山周邊和金沙江下游流域出現(xiàn)相對大值區(qū)，降水量能達1000mm左右。這種年降水量的空間經(jīng)向分布特點，一方面是因為縱谷區(qū)多受西南氣流和冷空氣影響產(chǎn)生降水，另一方面是西南水汽輸送過程中受縱向嶺谷南北通道地形的阻隔、抬升作用影響。

由圖2b可知，縱谷區(qū)各地降水性質差異明顯，短時強降水量在當?shù)亟邓恐械恼急瘸首晕鞅毕驏|、向南逐漸增加的特點，區(qū)域上游短時強降水量占比最小(2%以下)，沿著山系從北向南、向東南走向，區(qū)域下游短時強降水量的占比增大(6%以上)，其中金沙江下游為占比最大值區(qū)(最大可達17%)，怒江下游為次大值區(qū)(可達10%)。從短時強降水年平均發(fā)生頻率的空間分布(圖2c)上也可以看出，短時強降水年平均發(fā)生頻率與橫斷山脈縱向嶺谷的海拔走向密切相關，隨著海拔高度降低，短時強降水發(fā)生頻率增大。發(fā)生頻率極小值區(qū)主要分布于縱谷區(qū)上游，年均發(fā)生普遍不足0.5次/年，其中最小值出現(xiàn)在高黎貢山上段的貢山站，縱谷區(qū)下段出現(xiàn)兩個發(fā)生頻率的極大值中心區(qū)，集中分布在怒江下游周邊和金沙江下游區(qū)域，年均發(fā)生普遍在3次/年以上，其中怒江下游以西龍陵站達6.7次/年，金沙江下游華坪站達6.3次/年，這2個區(qū)域也是云南省著名的典型暴雨區(qū)。

2.2 短時強降水年分布特征

圖3給出縱谷區(qū)短時強降水年發(fā)生頻率在2005～2019年間的逐年演變，由此可知，縱谷地區(qū)短時強降水每年發(fā)生次數(shù)均有差別，逐年變化顯著，總體來說具有增加趨勢(0.022次/年)。2005～2014年間變化劇烈，2016年起變化趨于緩和，其中，2007年發(fā)生次數(shù)最少，區(qū)域平均只有1.3次/年，2019年發(fā)生次數(shù)最多，達2.2次/年。值得關注的是2008年發(fā)生次數(shù)達2次/年，明顯多于2005～2007年，2013年發(fā)生次數(shù)為2.1次/年，明顯多于2009～2012年，這種短時強降水的年際變化特征與旱澇轉換的氣候背景直接相關。2004～2007年、2009～2012年云南省處于連續(xù)數(shù)年干旱氣候背景，2008年云南省大部降水偏多，2013年起云南省氣候干旱背景轉變，大部區(qū)域降水逐漸轉入略多至偏多，說明縱谷區(qū)短時強降水事件與該區(qū)域的旱澇氣候背景密切相關，由旱轉澇年的短時強降水發(fā)生頻率明顯大于前旱期。但是，2010年雖然處于持續(xù)干旱期，但短時強降水發(fā)生次數(shù)達2.0次/年，這可能是因為2010年云南初夏干旱明顯，南亞夏季風較晚建立，但建立后的強度更強更易帶來短時劇烈降水。

2.3 短時強降水月分布特征

圖4給出區(qū)域平均的短時強降水月發(fā)生頻率的逐月演變，由此可知，縱谷區(qū)短時強降水發(fā)生頻率的月分布呈現(xiàn)顯著單峰型特征，干濕季區(qū)別明顯，12月至次年3月整個區(qū)域無短時強降水發(fā)生，7～8月是短時強降水最頻繁發(fā)生的月份(0.53次/月)，9月次之(0.35次/月)，其次是6月(0.25次/月)，10月為0.08次，5月只有0.06次，4月和11月更少。另外，4～11月發(fā)生頻率具有增加緩慢、減少迅速的不對稱月變化特征，尤其是10月較9月減少0.28次，而7月較6月增加0.27次、6月較5月只增加0.19次，這主要是因為縱谷區(qū)地處典型的季風氣候區(qū)，降水尤其是短時強降水受南亞季風的季節(jié)變化影響最為顯著，南亞季風一般于5月中下旬開始建立，7月底8月初達到最強，9月迅速南退，10月基本消失。

關注4～11月短時強降水月發(fā)生頻率在縱谷區(qū)的空間分布(圖5)，由結果可知，4月短時強降水發(fā)生次數(shù)只在0.2次/月以下，且發(fā)生區(qū)域主要分布在高黎貢山沿線和怒江、瀾滄江、金沙江下游，怒山和云嶺等大范圍山系的中上段幾乎未出現(xiàn)過短時強降水；5月短時強降水發(fā)生區(qū)域較4月有較大變化，除怒山及其西側的怒江流域中上游外，縱谷區(qū)均有可能發(fā)生短時強降水，但頻率不高，基本在0.2次/月以下，但怒江下游以西區(qū)域可達0.4次/月；6月發(fā)生頻率大幅增加，總體表現(xiàn)出自西向東逐漸增加的特點，高黎貢山、怒山、云嶺等山系下段和金沙江流域普遍在0.2次/月以上，最大值出現(xiàn)在金沙江下游，達1.2次/月，次大值出現(xiàn)在高黎貢山末端，達1次/月；7月發(fā)生頻率在0～2.0次/月，沿著山系的北西北-南東南走向短時強降水頻率逐漸增加，最大值區(qū)域出現(xiàn)在金沙江下游流域，在0.8～2.0次/月，次大值流域發(fā)生在高黎貢山末端，在0.8～1.4次/月，而縱谷區(qū)上段高海拔區(qū)域則不足0.2次/月；8月短時強降水發(fā)生頻率的空間分布和7月類似，發(fā)生次數(shù)在0～2.3次/月，不足0.2次/月的小值范圍較7月擴大至高黎貢山、怒山、云嶺等山系中段，最大值主要分布在高黎貢山和怒山下段區(qū)域，在0.8～2.3次/月，次大值分布在金沙江下游，值在0.8～1.4次/月；9月短時強降水發(fā)生次數(shù)開始減少，縱谷區(qū)上、中段普遍低于0.2次/月，下段在0.2～1.6次/月，其中最大值出位于金沙江下游，次大值位于高黎貢山末端周邊區(qū)域；10月短時強降水頻率大幅減少，縱谷區(qū)大部分區(qū)域均在0.2次/月以下，尤其是怒山、云嶺上中段常年均未發(fā)生短時強降水；11月偶有年份發(fā)生短時強降水的區(qū)域主要出現(xiàn)在高黎貢山沿線及金沙江下游干熱河谷。

2.4 短時強降水候分布特征

圖6給出區(qū)域平均短時強降水候發(fā)生頻率的逐候演變結果，可以看出，縱谷區(qū)短時強降水從19候開始出現(xiàn)，終止于62候，持續(xù)時間長達44候；短時強降水主要集中出現(xiàn)在36～51候，其中存在4個顯著季節(jié)性峰值，分別為36候、39～44候、47候和51候，并以39～44候為出現(xiàn)次數(shù)最多的時段；而26～36候內(nèi)發(fā)生頻率呈緩慢增加趨勢，線性傾向為0.006次/候，51～57候則呈迅速下降，線性傾向為-0.01次/候，這也說明了縱谷區(qū)短時強降水發(fā)生頻率具有增加緩慢而減少迅速的季節(jié)變化特征。

圖7給出各站點首次達到候發(fā)生次數(shù)最大值的出現(xiàn)時間統(tǒng)計結果，可以看出，縱谷區(qū)一般在28～51候之間達到短時強降水發(fā)生頻率高峰，但是，各地出現(xiàn)時間的空間差異很大，總體呈現(xiàn)東北早、西南晚的空間分布特點，縱谷區(qū)上段及金沙江流域大部在31～38候達頻率高峰，其余縱谷區(qū)中、下段除了云嶺余脈點蒼山周邊局部地區(qū)出現(xiàn)時間較早外，高黎貢山、怒山、云嶺中下段大部分區(qū)域在40～51候達頻率高峰。

2.5 短時強降水日變化特征

圖8給出區(qū)域平均短時強降水發(fā)生頻率的逐小時演變特征，由此可知，縱谷區(qū)短時強降水發(fā)生頻率的逐小時分布呈現(xiàn)出顯著雙峰雙谷特征，凌晨03～05時為主峰值時段(0.12次/小時)，傍晚18～20時為次峰值時段(0.11次/小時)，10～13時處于最不活躍期，另外，在午后16時至清晨07時的短時強降水高發(fā)時段內(nèi)，子夜前22～24時表現(xiàn)出相對不活躍期。由圖還可知，短時強降水小時發(fā)生次數(shù)的最大值出現(xiàn)在05時(0.14次/小時)，次大值出現(xiàn)在18時(0.13次/小時)，最小值在11時、12時(0.02次/小時)發(fā)生。與陳炯等[20]指出我國總體平均的短時強降水發(fā)生頻率主峰出現(xiàn)在午后16～17時、次峰發(fā)生在午夜后01～02時和早晨07～08時不同，縱谷區(qū)更容易在子夜后、清晨前的后半夜時段發(fā)生極端短時強降水事件，這可能與縱谷區(qū)降水以夜發(fā)性特征為主有關。

由上可知縱谷區(qū)短時強降水發(fā)生頻率的日分布表現(xiàn)出夜間和白天的不同，還具有精細到小時尺度的差異。圖9給出縱谷區(qū)日尺度內(nèi)逐4小時短時強降水累積發(fā)生頻率的空間分布，總體而言，縱谷區(qū)短時強降水發(fā)生頻率夜間高于白天，凌晨02～05時發(fā)生最頻繁，上午10～13時發(fā)生次數(shù)最少。子夜前后、凌晨和清晨3個時段短時強降水發(fā)生頻率的空間分布形態(tài)類似，呈縱谷區(qū)上段少、下段多的特點，且空間差異很大，其中，子夜前后22～01時，縱谷區(qū)發(fā)生頻率普遍在0.0～0.6次/4h，只在金沙江下游局部和怒江下游局部出現(xiàn)1.2次/4h的大值中心；凌晨02～05時，縱谷區(qū)發(fā)生頻率較上一時段有所增加，普遍在0.1～1.0次/4h，在金沙江和怒江下游末端出現(xiàn)達2.2次/4h的大值中心；清晨06～09時，縱谷區(qū)發(fā)生頻率較凌晨有所下降，變化范圍以0.0～0.5次/4h為主，此時，金沙江下游局部地區(qū)的大值中心達1.6次/4h，而怒江下游的次大值中心只有0.9次/4h。上午10～13時縱谷區(qū)發(fā)生頻率普遍只在0.0～0.2次/4h，即偶有年份會在上午某個時次出現(xiàn)短時強降水，此時金沙江下游的大值中心減小到0.5次/4h，而怒江下游的次大值中心減至0.4次/4h。午后至傍晚時段縱谷區(qū)短時強降水發(fā)生頻率的空間分布與夜間不同，全區(qū)一致性較好，主要呈南部和東部略多于西部的特點，其中，午后14～17時發(fā)生頻率普遍在0.5次/4h以下，大值中心出現(xiàn)在怒江下游和金沙江中游，達1次/4h，而金沙江下游只有0.1次/4h；傍晚18～21時頻率較午后增加，普遍在0.9次/4h以下，大值中心出現(xiàn)在金沙江中游，可達1.3次/4h。

為進一步揭示縱谷區(qū)短時強降水發(fā)生頻率日變化強度、峰值出現(xiàn)時間的空間差異，圖10給出短時強降水發(fā)生頻率夜間(21至次日08時)與白天(09～20時)的比值大小及日變化相對振幅大小的空間分布。由圖10a可知，縱谷區(qū)大部短時強降水發(fā)生頻率夜間高于白天，包括高黎貢山和怒山區(qū)域、瀾滄江下游周邊、金沙江下游流域及云嶺南側局部，這些區(qū)域的頻率夜晝比均大于1.0(即夜間頻率高于白天)，并以高黎貢山和怒山中下段、金沙江下游的比值最大，可達2.0以上；但是，云嶺主脈及金沙江中上游大部的夜晝比基本在0.5～1.0之間(即白天頻率高于夜間)。由圖10b可以看出，縱谷區(qū)短時強降水發(fā)生頻率的相對日變化振幅空間差異很大，值在174%～1100%之間，總體表現(xiàn)出沿著山系北西北-南東南走向，縱谷區(qū)上游日變化幅度大、下游日變化幅度小的特點，高黎貢山、怒山、云嶺上段及金沙江上游的日變化最突出(相對振幅普遍在800%～1100%)，并以高黎貢山東側站點的日變化強度最強，而縱谷區(qū)下游大部分區(qū)域的日變化較弱(相對振幅大都在600%以下)，其中，縱谷區(qū)下游的保山、大理南部、麗江局部最弱(相對振幅在300%左右)。總的來說，縱谷區(qū)中上段短時強降水發(fā)生頻率的日變化幅度很大，中上段西部區(qū)域多在夜間至清晨出現(xiàn)夜發(fā)性短時強降水，而白天很少發(fā)生，中上段東部的云嶺主脈及金沙江流域則以午后至傍晚的短時強降水為主，而夜間發(fā)生頻率較低；隨著海拔高度的降低，縱谷區(qū)下段區(qū)域短時強降水頻率日變化幅度明顯減小，即午后至凌晨都有可能發(fā)生短時強降水事件，但仍多以夜間發(fā)生次數(shù)為多。

3 結論和討論

本文選取橫斷山脈縱向嶺谷典型區(qū)域范圍內(nèi)的地面氣象觀測站小時降水數(shù)據(jù)，分析縱向嶺谷地區(qū)短時強降水發(fā)生頻率的時間變化規(guī)律和空間分布特征，得到如下結論：

(1) 由于西南水汽輸送受縱向嶺谷地形影響，縱谷區(qū)年降水量自西向東逐漸減少，但是，短時強降水量對年降水量的貢獻則沿山系走向從北向南、向東南逐漸增加。縱谷區(qū)短時強降水年發(fā)生頻率的空間差異很大，在0.1～6.7次/年之間，縱谷區(qū)上段為極小值分布區(qū)，下段區(qū)域在怒江和金沙江下游周邊流域出現(xiàn)2個極大值中心。

(2) 2005～2019年間縱谷區(qū)短時強降水年發(fā)生頻率具有0.022次/年的增加趨勢，頻率逐年變化在2005～2014年間顯著，2016年后趨于緩和。短時強降水事件與區(qū)域旱澇氣候背景密切相關，由旱轉澇年的發(fā)生頻率明顯大于前旱期。

(3) 縱谷區(qū)短時強降水發(fā)生頻率月變化表現(xiàn)出單峰型特征，12月至次年3月整個區(qū)域無短時強降水發(fā)生，峰值出現(xiàn)在7～8月，金沙江下游流域和高黎貢山、怒山下段的2個季節(jié)性大值中心在6～9月均很明顯。

(4) 縱谷區(qū)短時強降水發(fā)生于19～62候，持續(xù)時間長，多峰值特點突出，先后在36候、39～44候、47候和51候出現(xiàn)4個高峰，而26～36候以0.006次/候的傾向緩慢增加，51～57候則以-0.01次/候的傾向快速減少。另外，縱谷區(qū)短時強降水候頻率高峰到達時間表現(xiàn)出東北早、西南晚的特點。

(5) 縱谷區(qū)短時強降水發(fā)生頻率日變化總體具有雙峰雙谷特征，主峰值出現(xiàn)在凌晨02～05時，另一峰值在傍晚18～21時，10～14時為最不活躍期，子夜前22～24時為相對不活躍期；而且，子夜前后、凌晨、清晨三個時段發(fā)生頻率的空間分布形態(tài)類似，均呈自北向南、向東南增加，均存在怒江和金沙江下游的兩個大值中心，而午后和傍晚的空間差異較小?？v谷區(qū)中上段短時強降水發(fā)生頻率的日變化幅度很大，中上段西部的高黎貢山和怒山多在夜間至清晨出現(xiàn)夜發(fā)性短時強降水，而白天很少發(fā)生，中上段東部的云嶺主脈及金沙江流域則以午后至傍晚的短時強降水為主，其夜間發(fā)生頻率較低；隨著海拔高度的降低，縱谷區(qū)下段短時強降水頻率日變化幅度明顯減小，午后至凌晨都有可能發(fā)生，但仍多以夜間發(fā)生次數(shù)為多。

上述結論均基于橫斷山脈縱向嶺谷區(qū)域范圍內(nèi)國家級地面氣象觀測站數(shù)據(jù)分析而得，數(shù)據(jù)質量可靠，但氣象站點分布較稀疏，且多位于山谷或山腰，在后續(xù)研究中應多關注鄉(xiāng)鎮(zhèn)自動氣象站資料的質量控制和數(shù)據(jù)引入，并加強機理分析和預報模型研究。