周玉都 許敏 趙瑋 劉艷杰 李娜

(河北省廊坊市氣象局， 廊坊 065000)

引言

全球氣候變暖已成為人類的共識(shí)(IPCC，2014)，氣溫上升使得大氣中水汽含量增加，大氣的持水能力加強(qiáng)，有利于降水量的增加[1-2]。但是，全國總降水量呈微弱減少趨勢[3]，并且具有較明顯的區(qū)域性差異，在中國東南和西北地區(qū)呈增加趨勢，中部、東北和華北呈減小趨勢。要更深刻理解降水的過程演變特性，除降水量外，還應(yīng)認(rèn)識(shí)降水頻次和強(qiáng)度的日變化特征[4]。國內(nèi)外有很多這方面的研究成果。如，按季節(jié)劃分：冬季，全國日降水強(qiáng)度及強(qiáng)降水日數(shù)都有不同程度的增加,西北地區(qū)的變化相對(duì)顯著[5]；夏季，長江流域降水頻率增加、降水強(qiáng)度增大導(dǎo)致長江流域降水增加，而華北地區(qū)降水減少主要是降水頻率減少的結(jié)果[6]。按量級(jí)劃分，四川省年均暴雨日數(shù)從西到東呈現(xiàn)“增—減—增”的總體變化趨勢，大雨日數(shù)變化趨勢與之接近[7]，而石家莊年總降水日數(shù)和不同量級(jí)降水日數(shù)呈現(xiàn)自西北、東南向中部地區(qū)逐漸減少的趨勢[8]。以上研究主要是針對(duì)日尺度降水進(jìn)行分析，采用小時(shí)尺度降水替代日降水資料可更好地反映強(qiáng)度等實(shí)際降水的變化，減小取樣的誤差[9]，比如，研究夏末(7—8月)小時(shí)降雨特征發(fā)現(xiàn)，長江流域(華北)中下游的降雨數(shù)量和頻率明顯增加(減少)，但降雨強(qiáng)度卻有所降低(增加)[10]。這與以往基于日數(shù)據(jù)得到的長江流域每日降雨量增加的結(jié)果不同，其每小時(shí)降雨強(qiáng)度是降低的。此外，宇如聰[11-12]利用小時(shí)降水資料分析我國大陸地區(qū)夏季降水日變化特征發(fā)現(xiàn)，青藏高原及其東部地區(qū)在午夜達(dá)到降水極值，長江中游地區(qū)的最大降水量出現(xiàn)在清晨，而江淮、黃淮地區(qū)則呈現(xiàn)出清晨、午后雙峰并存的特征。周天軍[13]等基于小時(shí)降水資料與衛(wèi)星觀測資料分析我國夏季降水頻率和強(qiáng)度的日變化特征，得出相似的結(jié)論。

近年來隨著氣象事業(yè)的高速發(fā)展，高分辨率觀測資料日益增加，國內(nèi)外開展了一系列關(guān)于小時(shí)降水的研究[14-16]，李小峰[17]發(fā)現(xiàn)最高的平均和最高每小時(shí)降水強(qiáng)度值主要位于大陸而不是海洋之上。殷水清[18]利用次日降水和風(fēng)觀測資料研究北京地區(qū)夏季降水的日變化提出，位于平原地區(qū)的氣象站表現(xiàn)出典型的夜間降雨高峰，而位于山區(qū)的氣象站則表現(xiàn)出明顯的午后降雨峰值。董旭光[19]分析濟(jì)南地區(qū)小時(shí)強(qiáng)降水時(shí)發(fā)現(xiàn)，小時(shí)強(qiáng)降水日變化呈雙峰-雙谷特征，11:00 和 23:00前后為強(qiáng)降水最少時(shí)段，04:00—05:00 和 14:00—21:00 是強(qiáng)降水較多時(shí)段。章毅之[20]分析江西省小時(shí)降水時(shí)發(fā)現(xiàn)，近40年贛北東部小時(shí)降水事件頻次和累計(jì)降水量增加趨勢顯著。吳興洋[21]發(fā)現(xiàn)，貴州強(qiáng)降雨具有明顯的夜發(fā)性特征，出現(xiàn)時(shí)間集中于午夜前后02:00左右，前半夜多于后半夜，午間時(shí)間是出現(xiàn)最少時(shí)段。

河北省地處華北平原，內(nèi)環(huán)京津, 地勢西北高、東南低，是中國唯一兼有高原、山地、丘陵、平原、湖泊和海濱的省份，隨著城市不斷建設(shè)發(fā)展，小時(shí)強(qiáng)降水造成城市內(nèi)澇愈發(fā)嚴(yán)重[22]，如2012年7月21日河北大部分地區(qū)遭遇的建國以來最強(qiáng)暴雨洪澇災(zāi)害，這就需要我們?cè)谔接懺摰貐^(qū)氣候變化趨勢的同時(shí)，了解和掌握該地區(qū)的極端降水分布特征和變化趨勢，尤其是逐時(shí)高分辨率降水變化特征，從而更精確地反映實(shí)際降水的演變過程和降水強(qiáng)度信息，這對(duì)于城市合理規(guī)劃和城市氣象災(zāi)害防御等都具有重要意義。目前，雖然已有學(xué)者對(duì)京津冀地區(qū)的極端降水的時(shí)間變化特征做了深入分析[23-25]，但在河北省小時(shí)降水的研究仍然較少[26]，特別是關(guān)于小時(shí)降水日變化的空間分布的研究是空白的，因此，本文利用2005—2019年河北省40個(gè)國家氣象觀測站逐時(shí)降水資料，探討汛期(5—9月，下同)小時(shí)降水和小時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征，為進(jìn)一步改進(jìn)數(shù)值預(yù)報(bào)模式中與降水有關(guān)的本地化參數(shù)提供必要依據(jù)，為降水強(qiáng)度精細(xì)化預(yù)報(bào)、城市規(guī)劃發(fā)展等提供參考。

1 資料及方法

采用河北省2005—2019年汛期(5—9月)國家氣象觀測站的逐小時(shí)降水量，時(shí)間序列較為完整、空間分布相對(duì)均勻的40個(gè)國家氣象觀測站的資料。

小時(shí)降水量大于或等于0.1 mm，該時(shí)次為有降水的時(shí)次，記做一次降水事件；小時(shí)降水量大于或等于20 mm，該時(shí)次為小時(shí)強(qiáng)降水時(shí)次，記做一次小時(shí)強(qiáng)降水事件；為了更好地分析小時(shí)降水的特征，參照文獻(xiàn)[27]，引入小時(shí)降水量、降水頻次、降水強(qiáng)度、小時(shí)強(qiáng)降水最大值、小時(shí)強(qiáng)降水頻次，具體定義如下：①小時(shí)降水量，指統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，總降水量/總時(shí)次，該量用以描述單位時(shí)間內(nèi)降水的多少，用來分析時(shí)間序列或空間上單位時(shí)間平均降水量的差異。②降水頻率，指統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，有降水的時(shí)次×100%/總時(shí)次，可以用來表示小時(shí)降水事件出現(xiàn)的頻率。③降水強(qiáng)度，指統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，總降水量/總的有降水的時(shí)次，可以用來表示實(shí)際有降水發(fā)生時(shí)小時(shí)降水的平均強(qiáng)度。④小時(shí)強(qiáng)降水最大值，指該區(qū)域或該時(shí)段內(nèi)小時(shí)強(qiáng)降水的最大值。⑤小時(shí)強(qiáng)降水頻次，指該區(qū)域或該時(shí)段內(nèi)小時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)的次數(shù)。

2 小時(shí)降水的時(shí)空分布

2.1 小時(shí)降水的時(shí)間分布特征

2.1.1 汛期小時(shí)降水的年際變化

河北省年小時(shí)降水量分布在0.09～0.15 mm之間，有4～5年的周期性變化(圖1)；2012年降水頻率達(dá)到最高5.54%，之后呈明顯下降趨勢，每年下降幅度為0.22%，趨勢線通過了α=0.05的F顯著性檢驗(yàn)；而降水強(qiáng)度呈現(xiàn)波動(dòng)變化，但是沒有明顯的變化趨勢，近年來河北省的降水頻率有所減少，降水強(qiáng)度變化趨勢并不明顯。

圖1 2005—2019年河北省小時(shí)降水量、降水頻率、降水強(qiáng)度變化

2.1.2 汛期小時(shí)降水的月際變化

5—9月，小時(shí)降水量、降水頻率和降水強(qiáng)度均呈單峰型分布(圖2)，7月達(dá)到峰值，分別為0.20 mm、5.87%、3.32 mm/h。這是因?yàn)?、8月受副高北上影響，河北地區(qū)進(jìn)入主汛期，降水較多，并且以對(duì)流性降水為主，因此小時(shí)降水量、降水頻率和降水強(qiáng)度的峰值多集中在7月或8月。

圖2 2005—2019年5—9月河北省小時(shí)降水量、降水頻率和降水強(qiáng)度

2.1.3 汛期小時(shí)降水日變化

小時(shí)降水量、降水頻率、降水強(qiáng)度有明顯的日變化特征(圖3)，降水主要集中在傍晚到夜間，上午時(shí)段降水量較小，13:00(北京時(shí)，下同)達(dá)到谷值，14:00開始明顯增加，17:00達(dá)到峰值0.15 mm，16:00—20:00維持在較高的水平。降水頻率與小時(shí)降水量日變化相似，而降水強(qiáng)度的谷值較前兩者有明顯的提前，08:00前后出現(xiàn)谷值，16:00—04:00前后降水強(qiáng)度維持在較高水平，這是因?yàn)槲绾蟮孛鏈囟壬吆?，?qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的概率增加，降水強(qiáng)度增加。午后到傍晚地面溫度增高，導(dǎo)致層結(jié)不穩(wěn)定加劇，多發(fā)對(duì)流性降水，另外，有時(shí)華北地區(qū)受東北冷渦的日變化影響，傍晚多發(fā)對(duì)流性天氣。

圖3 2005—2019年河北省小時(shí)降水量、降水頻率、降水強(qiáng)度的日變化特征

2.2 小時(shí)降水的空間分布特征

2.2.1 汛期多年小時(shí)降水的空間分布

河北省多年小時(shí)降水量、降水頻率、降水強(qiáng)度均有明顯的區(qū)域差異(圖4)。小時(shí)降水量(圖4a)呈現(xiàn)兩高兩低的分布趨勢，第一個(gè)大值區(qū)位于是河北東北部的唐山、秦皇島、承德東南部、滄州東部一帶，另一個(gè)大值區(qū)位于石家莊西北部、保定西南部一帶；兩個(gè)低值中心位于河北西北部地區(qū)以及保定、石家莊、衡水、邢臺(tái)交界處；總體而言，河北中北部地區(qū)從東部沿海到西部山區(qū)、壩上地區(qū)小時(shí)降水量呈逐漸減小的趨勢，而河北南部地區(qū)與之相反。另外，降水頻率(圖4b)是呈現(xiàn)兩高一低的分布趨勢，兩個(gè)大值中心分別位于河北北部和中西部，這說明地形有利于降水的出現(xiàn)，在海拔較高的區(qū)域降水出現(xiàn)的頻次高，但結(jié)合降水強(qiáng)度(圖4c)可知，降水強(qiáng)度與降水頻率的分布大致呈反相關(guān)，強(qiáng)度大值區(qū)更容易出現(xiàn)在河北東部地區(qū)，因?yàn)樵搮^(qū)域是東南風(fēng)與地形相互作用的迎風(fēng)坡地帶，說明地形抬升是河北強(qiáng)降水產(chǎn)生的一個(gè)重要原因。

圖4 2005—2019年河北省年均小時(shí)降水量(a)、降水頻率(b)、降水強(qiáng)度(c)空間分布

2.2.2 汛期5—9月的空間分布

從圖5可以看出,5月小時(shí)降水量在河北南部和東北部最大，大值中心分別位于邢臺(tái)、青龍附近，保定、廊坊、滄州交界一帶存在一低值中心。6月中北部降水量增加，在東北部地區(qū)存在大值中心，南部降水量變化不大，且存在低值中心。7、8月為主要降水月份，與其他月份相比東北部和東部地區(qū)降水量增加明顯，7月大值區(qū)位于東北部，而石家莊、邯鄲、滄州交界存在低值中心，8月大值中心移至東部沿海一帶。這是因?yàn)?、8月副熱帶高壓西伸、北抬，東部地區(qū)處于副熱帶高壓外圍的暖濕氣流輸送帶中，而此時(shí)高空短波槽和東北冷渦活動(dòng)頻繁，易出對(duì)流性降水。9月降水量迅速減小，河北東部、東北部減小最為明顯，在秦皇島、唐山、滄州沿海一帶形成低值區(qū)。

圖5 2005—2019年河北省5—9月小時(shí)降水量(mm)、降水頻率(%)、降水強(qiáng)度(mm/h)空間分布

降水頻率的大值區(qū)5、6月位于河北北部，7月河北中南部的西部山區(qū)降水頻率明顯增加，形成一個(gè)新的大值中心，8月北部的大值區(qū)東移南壓至東北部和東部的沿海一帶。9月河北中東部降水頻率迅速減小，而中南部西部山區(qū)的大值區(qū)中心范圍和大小均有所增加。降水強(qiáng)度隨著時(shí)間的推移先從東南向西北加強(qiáng)，之后再從西北向東南減弱，東部沿海及東北部更容易出現(xiàn)強(qiáng)度峰值中心。

2.2.3 汛期小時(shí)降水日變化的空間分布

河北降水主要出現(xiàn)在傍晚到夜間，且雨帶在空間上隨時(shí)間的推移表現(xiàn)為自西向東推移的特征，降水峰值的出現(xiàn)時(shí)間自西向東有所延遲。西北部地區(qū)小時(shí)降水量較長時(shí)間處于較低水平，西部和南部次之，東北部地區(qū)小時(shí)降水量最大，東部和中部次之。從00:00開始雨帶逐漸自西向東推移，西北和南部降水量迅速減小，東北部地區(qū)增加明顯，且降水量大值區(qū)范圍收縮明顯，東北部達(dá)到峰值。07:00—15:00全省小時(shí)降水量進(jìn)入低值區(qū)，之后自北向南小時(shí)降水量逐漸增加，16:00—19:00北部和南部小時(shí)降水量達(dá)到峰值，之后雨區(qū)東移且降水量減小。

從小時(shí)降水頻率日變化的空間分布來看(圖6)，下午到夜間為降水高發(fā)時(shí)段，尤其是傍晚到前半夜(16:00—21:00)，該時(shí)段內(nèi)降水頻率較大的區(qū)域位于河北北部的張家口、承德以及西部山區(qū)，入夜之后北部、西北降水頻率迅速降低，而中東部地區(qū)逐漸增加，至次日06:00前后東北部地區(qū)到達(dá)到峰值，之后河北南部有一定程度的上升，10:00—13:00是降水頻率最低的時(shí)段，低值中心位于中東部地區(qū)。

圖6 2005—2019年河北省逐小時(shí)降水頻率空間分布

不同區(qū)域小時(shí)降水強(qiáng)度日變化具有一定的差異(圖7)，北部和東北部日變化呈一高一低分布，17:00—19:00達(dá)到峰值；東北部呈兩高分布，00:00—05:00、15:00—21:00達(dá)到峰值；中東部在00:00—05:00達(dá)到峰值，而南部和西南部峰值時(shí)間為17:00—21:00。

圖7 2005—2019年河北省逐小時(shí)降水強(qiáng)度空間分布

綜合來看，河北北部張家口、承德一帶午后到傍晚(16:00—19:00)小時(shí)降水量最大，此時(shí)該區(qū)域降水頻率達(dá)到峰值，降水量與之較為一致，而降水強(qiáng)度則是維持在較低水平，因此，河北北部、西部山區(qū)及南部的降水量主要來源于降水頻率，而降水強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較小，這是因?yàn)楸辈康貐^(qū)更容易受到西來短波槽、高空冷渦日變化的影響而產(chǎn)生降水，但是高海拔限制了小時(shí)降水的強(qiáng)度。河北東北部的唐山、秦皇島15:00—17:00存在一個(gè)降水量大值中心，而此時(shí)降水強(qiáng)度的大值中心與之基本一致，而降水頻率處于較低水平，河北東北部的降水主要來源于降水強(qiáng)度。河北中東部、東北部降水量、降水頻率和降水強(qiáng)度后半夜(00:00—05:00)處于峰值區(qū)域內(nèi)，該時(shí)段的降水量是由降水頻率和降水強(qiáng)度共同影響造成的。

3 小時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布

分析了河北省小時(shí)降水的氣候分布特征，但汛期小時(shí)強(qiáng)降水(≥20 mm/h,下同)往往才是造成災(zāi)害的重要原因，強(qiáng)降水容易造成城市和農(nóng)田內(nèi)澇、小流域山洪以及地質(zhì)災(zāi)害等，因此，進(jìn)一步對(duì)小時(shí)強(qiáng)降水和小時(shí)降水極值的時(shí)空分布特征做深入的認(rèn)知是非常必要的。

3.1 汛期小時(shí)強(qiáng)降水的貢獻(xiàn)率

從2005—2019年河北省小時(shí)強(qiáng)降水量對(duì)總降水量(圖 8a)和小時(shí)強(qiáng)降水頻次(圖 8b)對(duì)總降水頻次的貢獻(xiàn)率分布來看，降水頻次與降水量的貢獻(xiàn)率相差接近一個(gè)量級(jí)，降水頻次的貢獻(xiàn)率不到3%，而降水量貢獻(xiàn)率的大值區(qū)接近27%，雖然小時(shí)強(qiáng)降水頻次貢獻(xiàn)率不高，但是降水強(qiáng)度大，對(duì)總降水的貢獻(xiàn)率也大。在河北省東部的唐山、秦皇島、滄州地區(qū)小時(shí)強(qiáng)降水頻次貢獻(xiàn)率最大，其次是廊坊和衡水東部，而在河北西北部海拔較高的地方小時(shí)強(qiáng)降水頻次貢獻(xiàn)率不足1%，說明高海拔不易出現(xiàn)小時(shí)強(qiáng)降水，海拔越高小時(shí)強(qiáng)降水量的貢獻(xiàn)越低，小時(shí)強(qiáng)降水頻次越少。

圖8 2005—2019年河北省小時(shí)強(qiáng)降水降水量(a),降水頻次(b)的貢獻(xiàn)率

3.2 汛期小時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)間變化特征

3.2.1 小時(shí)強(qiáng)降水極值及頻次的年變化

直接分析小時(shí)強(qiáng)降水極值及頻次的逐年變化無法得到明顯的變化趨勢，定義某年小時(shí)強(qiáng)降水頻次與前后兩年頻次差值的絕對(duì)值的和為頻次幅度，表示小時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生次數(shù)的年差異化；同樣定義極值幅度，表示小時(shí)強(qiáng)降水極值的年差異化；定義某年小時(shí)強(qiáng)降水極值與前后兩年極值的平均數(shù)為極值平均，表示小時(shí)強(qiáng)降水極值3年平均態(tài)的逐年變化。圖9是頻次幅度、極值幅度和極值平均的散點(diǎn)分布圖以及它們的趨勢線，趨勢線均通過了α=0.05的F顯著性檢驗(yàn)。頻次幅度隨時(shí)間是增大的，其趨勢線R2接近0.68，相關(guān)性比較好，頻次總體呈年差異化變大趨勢，小時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生次數(shù)逐年增加或減少更加明顯，小時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次逐年“忽多忽少”加劇，使得洪澇災(zāi)害和干旱頻發(fā)。極值幅度隨時(shí)間是減小的，其趨勢線R2接近0.52，相關(guān)性比較好，小時(shí)強(qiáng)降水的極值呈年差異化變小趨勢；極值平均具有相同的變化趨勢，其趨勢線R2接近0.49，具有一定的相關(guān)性，小時(shí)強(qiáng)降水的3年平均態(tài)極值呈逐年降低的趨勢。

圖9 2006—2018年河北省小時(shí)強(qiáng)降水頻次幅度、極值幅度和極值平均

3.2.2 小時(shí)強(qiáng)降水極值及頻次的月際變化

圖10給出了河北省2005—2019年汛期小時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)頻次和最大值的月變化，小時(shí)強(qiáng)降水頻次呈單峰型分布，7月出現(xiàn)頻次最多，而小時(shí)強(qiáng)降水最大值則出現(xiàn)在8月，這是受副熱帶高壓第3次北跳的影響，華北地區(qū)水汽與能量條件更為充足，小時(shí)強(qiáng)降水的頻次和強(qiáng)度都明顯增加。另外，5月雖然降水頻次最少，但降水強(qiáng)度超過了6月和9月，這是因?yàn)?月多發(fā)中尺度對(duì)流天氣。

圖10 2005—2019年河北省5—9月小時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)頻次和降水量最大值

3.2.3 小時(shí)強(qiáng)降水極值及頻次的日變化

從圖11可以看出,小時(shí)強(qiáng)降水頻次日變化呈“雙峰雙谷”型分布，15:00—21:00、00:00—05:00兩個(gè)時(shí)間段為小時(shí)強(qiáng)降水多發(fā)期，強(qiáng)降水極值的分布與頻次較為相似，多出現(xiàn)在午后到傍晚，最大值為121.9 mm，出現(xiàn)在2008年8月11日12:00—13:00的曹妃甸。

圖11 2005—2019年河北省小時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)頻次和最大降水量的日變化

3.3 汛期小時(shí)強(qiáng)降水的空間分布特征

3.3.1 小時(shí)強(qiáng)降水極值及頻次總體分布

從2005—2019年河北省小時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)的最大值和頻次(圖12)來看,小時(shí)強(qiáng)降水存在明顯的區(qū)域性差異。頻次總體呈現(xiàn)東部高、西北部低，其余地區(qū)為過渡區(qū)。小時(shí)強(qiáng)降水最大值整體表現(xiàn)為兩高兩低的區(qū)域分布，兩個(gè)高值區(qū)域分別是東北部和西南部，兩個(gè)低值區(qū)域是西北部和東南部。總的來說，河北東部受副高外圍偏南暖濕氣流的影響，且受燕山地形影響，易發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣，小時(shí)降水強(qiáng)度較大，而西北部地區(qū)海拔較高的壩上平原反而不利于強(qiáng)對(duì)流天氣的產(chǎn)生。除此以外，石家莊西部、邢臺(tái)西部山區(qū)都處于降水頻次和降水量最大值的大值區(qū)，說明地形的抬升有利于強(qiáng)降水的形成。

圖12 2005—2019年河北省小時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)頻次(a)和最大值(b)的空間分布

3.3.2 5—9月小時(shí)強(qiáng)降水極值及頻次分布

河北省汛期小時(shí)強(qiáng)降水集中在7、8月(圖13)，極值多位于中部、南部和東北部，上述地區(qū)處于副熱帶高壓外圍偏南風(fēng)暖濕氣流輸送帶上，降水雨強(qiáng)較大，迎風(fēng)坡地形也是造成雨強(qiáng)較大的主要原因之一。5月張家口大部分地區(qū)、承德西部強(qiáng)降水頻次為0，其余地區(qū)1～4次不等；6月以局地強(qiáng)對(duì)流降水為主，多出現(xiàn)在平原和山區(qū)的過渡地帶，受地形的影響較為明顯；7、8月小時(shí)強(qiáng)降水頻次增加明顯，主要集中在東部沿海和南部地區(qū)，9月短時(shí)強(qiáng)降水頻次迅速減小，但也有超過50 mm的小時(shí)強(qiáng)降水極值存在。

圖13 2005—2019年河北省5—9月小時(shí)降水量最大值及小時(shí)強(qiáng)降水頻次空間分布

3.3.3 小時(shí)強(qiáng)降水最大值及頻次日變化空間分布

小時(shí)強(qiáng)降水最大值(圖14)和頻次(圖略)的空間分布均有較大差異，它們有兩個(gè)相同的高峰時(shí)段，一是傍晚17:00前后，二是夜間段。夜間段降水量最大值有從西部山區(qū)向東移的趨勢，特別是00:00—06:00；從空間上來看，降水頻次具有南高于北、東高于西的分布特征，西北部是小時(shí)強(qiáng)降水低發(fā)區(qū)域；另外，時(shí)間上，下午至夜間是小時(shí)強(qiáng)降水的活躍期，特別是傍晚17:00—18:00，而00:00—06:00頻次大值區(qū)與降水最大值相同，具有從西部山區(qū)向東移的趨勢。上午時(shí)段是小時(shí)強(qiáng)降水的低發(fā)時(shí)段，小時(shí)強(qiáng)降水的強(qiáng)度也較弱。

圖14 2005—2019年河北省逐小時(shí)降水量最大值的空間分布

4 降水成因初步分析

4.1 天氣學(xué)特征

降水出現(xiàn)的概率和降水的強(qiáng)度受天氣形勢的影響(表1)，分析小時(shí)強(qiáng)降水、一般小時(shí)降水的天氣形勢發(fā)現(xiàn)，高壓底部、低壓、高壓后部在出地面形勢中排名前3，小時(shí)強(qiáng)降水的地面形勢與之相似，但是確定的天氣形勢下出現(xiàn)降水時(shí)，倒槽、鞍型場、高壓后部更容易產(chǎn)生小時(shí)強(qiáng)降水。一般小時(shí)降水和小時(shí)強(qiáng)降水的高空形勢(500 hPa)，平直西風(fēng)環(huán)流和西南氣流占比最高，小時(shí)強(qiáng)降水高空西南氣流占比超出一般小時(shí)降水接近15個(gè)百分點(diǎn)，小時(shí)強(qiáng)降水西北氣流占比是一般小時(shí)降水的3倍以上，確定的天氣形勢下出降水時(shí)，西南氣流、低渦和西北氣流更容易出現(xiàn)小時(shí)強(qiáng)降水。整體而言，高空的經(jīng)向度加深、地面偏東風(fēng)或低壓輻合場都有利于降水產(chǎn)生，同時(shí)也是有利于小時(shí)強(qiáng)降水產(chǎn)生的條件，并且在一些特定的天氣形勢下，比如地面倒槽、鞍型場、高空低渦、西北氣流，小時(shí)強(qiáng)降水在該天氣形勢下降水時(shí)次的比例有明顯的提高。

表1 出現(xiàn)小時(shí)降水對(duì)應(yīng)的高低空天氣形勢

4.2 小時(shí)強(qiáng)降水物理量

統(tǒng)計(jì)物理量(表2)發(fā)現(xiàn)700 hPa比濕平均數(shù)達(dá)到了7.42 g/kg，850 hPa接近12 g/kg，表明中低層有深厚的濕層；另外，小時(shí)強(qiáng)降水的層結(jié)不穩(wěn)定強(qiáng)度(K指數(shù))達(dá)到河北省強(qiáng)對(duì)流天氣的指標(biāo)(28 ℃)，CAPE值超過了447 J/kg，具有一定的能量條件，0～6 km垂直風(fēng)切變較弱。分析表明，小時(shí)強(qiáng)降水對(duì)水汽條件要求較高，特別是對(duì)流層中低層有較為深厚的濕層，由于小時(shí)強(qiáng)降水過程中雨滴的拖曳作用會(huì)加強(qiáng)下沉氣流，因此它對(duì)層結(jié)不穩(wěn)定強(qiáng)度和垂直風(fēng)切變強(qiáng)度要求比干對(duì)流低。

表2 小時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的物理量特征

5 結(jié)論

(1)河北省小時(shí)降水頻率近年來是降低的，而小時(shí)強(qiáng)降水頻次沒有明顯的變化趨勢，小時(shí)降水量、降水頻率、降水強(qiáng)度以及小時(shí)強(qiáng)降水頻次的月變化均呈單峰型分布，峰值出現(xiàn)在7月或8月，這與對(duì)流性降水有關(guān)。小時(shí)強(qiáng)降水頻次逐年增加或減少更加明顯，使得小時(shí)強(qiáng)降水事件發(fā)生的極端性更突出，而小時(shí)降水強(qiáng)度維持在較高水平。

(2)河北省降水主要集中在傍晚到夜間，上午時(shí)段小時(shí)降水量較小，受午后局地對(duì)流天氣的影響，峰值多出現(xiàn)在17：00前后，小時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次較高。

(3)年小時(shí)降水量大值中心主要位于河北東北部和西南部地區(qū)，降水頻次和降水強(qiáng)度受地形影響較為明顯，降水頻次兩個(gè)大值中心分別位于海拔較高的北部和中西部，而平原降水頻率較低，但是降水強(qiáng)度大值區(qū)位于東北部，這是受副熱帶高壓和地形作用共同影響造成的，并且降水頻率高和降水強(qiáng)度大導(dǎo)致該區(qū)域小時(shí)平均降水量較大。

(4)河北省南部5—7月降水量主要源于降水強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，9月主要來源于降水頻率的貢獻(xiàn)；北部、西部山區(qū)和西北部壩上地區(qū)降水量更主要的是受降水頻率的影響；東北部降水量則是降水頻率和降水強(qiáng)度的共同影響造成的。小時(shí)降水量、降水頻率和降水強(qiáng)度在下午至夜間的時(shí)段內(nèi)大值區(qū)有東移北抬的趨勢。

(5)小時(shí)強(qiáng)降水對(duì)總降水量和降水頻次的貢獻(xiàn)率相差接近一個(gè)量級(jí)，降水頻次的貢獻(xiàn)率不到3%，而降水量貢獻(xiàn)率的大值區(qū)接近27%。小時(shí)強(qiáng)降水的高發(fā)期是7—8月，主要集中在河北東部和南部，其最大值出現(xiàn)在東北部和石家莊一帶。

(6)高空的經(jīng)向度加深、地面偏東風(fēng)或低壓輻合場都有利于降水產(chǎn)生，同時(shí)也是有利于小時(shí)強(qiáng)降水產(chǎn)生的條件，并且小時(shí)強(qiáng)降水在一定的天氣形勢下降水時(shí)次的比例有明顯的提高。

(7)小時(shí)強(qiáng)降水對(duì)水汽條件要求較高，特別是對(duì)流層中低層有較為深厚的濕層，而對(duì)層結(jié)不穩(wěn)定強(qiáng)度和垂直風(fēng)切變強(qiáng)度的要求較低。