諶 偉，劉佩廷，徐迎春，張 麗，楊海鵬，曹恒煜

（武漢市氣象局，武漢 430040）

湖北省地處長江中游，西、北、東三面環(huán)山，中部平原向南敞開，長江自西向東橫貫全省，漢江自西北向東南與之交匯于鄂東大城市核心地帶（圖1），強小時雨強在山區(qū)易造成山洪、泥石流、滑坡等次生災害，在人口密集的平原、沿江低洼地帶又易形成嚴重內澇，財產(chǎn)損失、人員傷亡屢見不鮮，且湖北省不同區(qū)域強降水特征差異明顯。因此，利用逐時降水資料研究湖北省小時強降水特征非常重要。

學者們利用小時降水資料進行降水的年際變化、日變化、強度特征、持續(xù)性分析時，大多是對強、弱降水一起進行綜合性分析［1-15］。近年來，部分學者針對強小時雨強特征進行專門研究，郝瑩等［16］通過定義安徽省典型短時強降水過程，總結建立了低槽東移型、西北氣流型、臺風型3類天氣概念模型；司波等［17］認為廣義帕雷托分布（GPD）優(yōu)于廣義極值分布（GEV）對四川盆地小時極端降水的擬合；陳炯等［18］分析認為中國短時強降水頻率、強度日變化有3個峰值，華南、川西強降水頻率最高，不同區(qū)域強降水活躍時段和傳播特征不同；吳翠紅等［19］統(tǒng)計定義了約10年湖北省短時強降水過程，歸納了干侵入型、干混合型、干鋒生型和暖干型4種天氣概念模型；段鶴等［20］統(tǒng)計云南省≥30 mm/h強降水個例，建立低質心弱輻合型、低質心輻合型、高質心3類短時強降水概念模型；王囝囝等［21］分析認為大連市短時強降水的發(fā)生次數(shù)具有明顯的區(qū)域特點，并探討了天氣尺度環(huán)流背景與預報指標等；李燕等［22］研究發(fā)現(xiàn)遼寧省短時強降水的發(fā)生次數(shù)與年降水總量分布對應，且與地形、西南氣流盛行風向密切聯(lián)系；李強等［23］研究顯示川渝盆地小時強降水多發(fā)生于龍山、雅安等山地與平原之間的過渡區(qū)；周秋雪等［24］使用一次線性、二次多項式擬合方法得出四川省短時強降水頻次及雨強極值均隨海拔高度減少，強降水高強小時雨強多發(fā)于從四川盆地向山脈過渡的縱向陡峭地形區(qū)；李強等［25］研究認為四川低渦暴雨過程中的短時強降水事件具有明顯的不對稱性。中國強小時雨強研究多集中于川西地區(qū)，而對湖北省的相關研究較為鮮見，且現(xiàn)有研究資料時長較短，氣候代表性不強，需要進行系統(tǒng)性的深入分析。

本研究利用近35年湖北省夏季（6—8月）逐小時降水資料，分析湖北省小時強降水頻次、強度及持續(xù)性等方面的時空分布特征，以提高對該省復雜地形下小時強降水演變規(guī)律的認識。

1 資料與方法

數(shù)據(jù)源于湖北省信息與技術保障中心提供的1983—2017年湖北省74個國家氣象觀測站的逐小時降水資料集，經(jīng)過質量控制，站點分布相對均勻（圖1）。主要研究≥20、≥30、≥50 mm/h的3種不同等級小時雨強。當1個站點出現(xiàn)≥20 mm/h強降水，強降水開始前、結束后至少2 h內沒有降水發(fā)生，降水持續(xù)時間≤24 h，此降水過程定義為1次強降水事件［23］。強降水事件頻次為統(tǒng)計時段內的事件次數(shù)。強降水頻次為統(tǒng)計時段內出現(xiàn)小時強降水的次數(shù)。

圖1 湖北省氣象觀測站高度及空間分布和地形疊加

2 結果與分析

2.1 不同等級小時雨強年際變化

從湖北省不同等級小時雨強年頻次變化（圖2）可以看出，其不僅具有一致性特征，而且年際變化特征明顯?！?0 mm/h與≥20 mm/h雨強年頻次相關系數(shù)為0.95，≥50 mm/h與≥20 mm/h雨強年頻次相關系數(shù)為0.70，均通過0.01顯著性水平檢驗，相比較而言，≥50 mm/h與≥20 mm/h和≥30 mm/h具有較好的一致性趨勢，同時也存在一定的年際差異，原因可能是所代表的天氣系統(tǒng)尺度不完全相同，≥20 mm/h的降水一般是中小尺度系統(tǒng)造成，而≥50 mm/h的降水主要是小尺度系統(tǒng)導致［18］。從年際變化特征上來看，20世紀80年代低位振蕩，20世紀90年代為增長趨勢，21世紀初期低位振蕩，之后振蕩幅度加大。1983—2017年≥20、≥30 mm/h和≥50 mm/h強降水年平均頻次分別為254、94、16次。不同等級雨強年頻次在主要洪澇年份1998、2016年容易出現(xiàn)極值，≥50、≥30 mm/h年頻次極值出現(xiàn)在1998年，≥20 mm/h年頻次極值出現(xiàn)在2016年。

圖2 湖北省夏季不同等級雨強年頻次變化

2.2 不同等級小時雨強旬變化

由湖北省夏季不同等級雨強頻次的旬變化（圖3）可以看出，3類雨強的旬頻次變化具有較好的一致性，≥20 mm/h與≥30 mm/h、≥20 mm/h與≥50 mm/h雨強旬頻次變化相關系數(shù)分別為0.93、0.77，均通過了0.01顯著性檢驗；旬頻次均從6月中旬開始躍升，8月中旬開始回落，期間高位振蕩。湖北省梅雨期一般6月中旬開始，小時強降水頻次隨之增長，但7月上旬隨著湖北省梅雨期的結束進入盛夏，卻沒有減少，反而在高位振蕩，原因在于梅雨期雖然出現(xiàn)多系統(tǒng)性降水過程，但盛夏期也多發(fā)局地熱對流，而≥50 mm/h雨強旬頻次極值出現(xiàn)在盛夏，則說明充足的熱力條件下更易發(fā)生強小時雨強。

圖3 湖北省夏季不同等級雨強頻次旬變化

2.3 不同等級小時雨強日變化

湖北省夏季不同等級雨強的頻次逐時變化如圖4所示，日變化均具有雙峰型特征?！?0 mm/h和≥30 mm/h雨強的日變化中，一個頻次峰值出現(xiàn)在下午至傍晚時段（17：00—20：00），分別為507、200次，出現(xiàn)在20：00，另一個峰值出現(xiàn)在8：00，分別為447、167次；≥50 mm/h雨強的一個頻次峰值在夜間（20：00），為44次，另一個頻次峰值在早晨（8：00），為47次。湖北省小時雨強的雙峰型日變化特征與林春澤等［12］的研究較為一致，但傍晚前后這個連續(xù)性峰值時段反映更加清楚，形成這種雙峰型降水的原因主要是由青藏高原東移的天氣系統(tǒng)和局地熱力強迫所導致［1，8］。≥20 mm/h與≥30 mm/h、≥20 mm/h與≥50 mm/h雨強頻次的日變化相關系數(shù)分別為0.93、0.77，均通過了0.01顯著性檢驗，表明3類雨強也具有較好的一致性。

圖4 湖北省夏季不同等級雨強頻次日變化

2.4 不同等級小時雨強空間分布

湖北省夏季3類不同等級雨強的強降水頻次空間分布如圖5所示?！?0 mm/h雨強中，≥120次高頻次區(qū)分布在鄂東以及恩施、宜昌局部地區(qū)，最大為麻城站，達186次；而鄂西北強降水頻次較小，最小頻次為十堰站，僅47次?！?0 mm/h雨強中，≥45次高頻次區(qū)較≥20 mm/h雨強略有西擴，最大頻次為紅安站，達77次。≥50 mm/h雨強中，≥5次高頻次站點進一步西擴到鄂西山地，最大頻次為崇陽站，達18次。以上研究表明湖北省的小時強降水主要發(fā)生在鄂東，但隨著小時雨強的增大，高頻次站點隨之向西部擴展。原因在于，湖北省的主水汽通道呈西南—東北走向，水汽由湘北向鄂東發(fā)展的西南低空氣流輸送，同時受大別山阻擋，鄂東夏季水汽條件充足，更有利于小時強降水的發(fā)生，當小時雨強增大，對動力和熱力條件的要求更高，水汽條件作用相對下降，鄂西高頻次站點也隨之增多。

圖5 湖北省夏季不同小時雨強的強降水頻次空間分布

僅從3類雨強的極大頻次（圖5紫色站點）來看，≥20 mm/h與≥30mm/h極為類似，主要出現(xiàn)在大別山西麓南側、幕阜山北側、鄂東沿江地帶（武漢-黃石），而≥50 mm/h極大頻次的增多站點主要出現(xiàn)在鄂西山地與江漢平原的過渡地帶。而夏季，湖北省的大別山與幕阜山之間、大別山南側、鄂西山地到江漢平原的斜坡式過渡地帶存在準常定的地面中尺度輻合線或渦旋［26］。因此，特殊的地形條件也是造成小時強降水極大頻次站點的原因之一。

從湖北省最大小時降水出現(xiàn)的時空分布（圖6）來看，與≥50 mm/h雨強的強降水頻次較類似。時間上，最大小時降水主要出現(xiàn)在后半夜至早晨（3：00—8：00）和午后至傍晚（15：00—20：00）這兩段時間，站次分別為21、26次，分別占站數(shù)的28%和35%，尤其在17：00—20：00這段時間內達21站次，占午后至傍晚出現(xiàn)站數(shù)的28%；空間上，≥100 mm/h主要分布于大別山西麓南側、幕阜山北側、鄂東沿江地帶、鄂西山地到江漢平原之間的斜坡過渡帶，極大值出現(xiàn)在大悟站，達139.8 mm/h。

圖6 極端小時降水量和出現(xiàn)時間分布

2.5 不同持續(xù)時間的強降水事件時間特征

不同持續(xù)時間≥20 mm/h強降水事件的頻次日變化如圖7a所示，存在2個顯著特征，一是下午到傍晚是短歷時強降水事件的高發(fā)期，二是長歷時強降水事件具有“夜發(fā)性”。強降水事件12：00發(fā)生頻次增多，峰值在14：00—20：00，持續(xù)時間多在6 h以內，原因在于湖北省夏季午后至傍晚多發(fā)局地短時強降水；20：00前后，強降水事件發(fā)生頻次開始減少，但長歷時強降水事件在增多，這種現(xiàn)象持續(xù)至凌晨，對應于系統(tǒng)性強降水過程。不同持續(xù)時間強降水事件年變化如圖7b所示，頻次極大值（≥15次）持續(xù)時間基本在1～6 h，偏多年份為1983—1984、1994—2001、2007—2011年，近年已有進入偏多期跡象，持續(xù)6 h以上的頻次減小較快，16～24 h持續(xù)性事件有增多趨勢。不同持續(xù)時間強降水事件年頻次也具有明顯的周期性變化，從持續(xù)3 h（圖8a）、16 h（圖8b）代表的短、長歷時Morlet小波轉換來看，正負值中心交替顯著，短歷時的年代際變化（≥10年）存在1個準12年主振蕩模態(tài)，年代際以下尺度（＜10年）存在準6年和準2年的2個主振蕩模態(tài)；長歷時主要存在1個準6年振蕩模態(tài)。

圖7 不同持續(xù)時間強降水事件日變化（a）和年變化（b）

圖8 持續(xù)3 h（a）、16 h（b）強降水事件年頻次小波變換實部（實線、虛線為正、負值）

2.6 長、短歷時的強降水頻次空間特征

將不同持續(xù)時間的≥20 mm/h強降水事件分為長（＞6 h）、短（≤6 h）歷時2類，分別提取各類事件中的強降水頻次，從站點分布（圖9a、圖9b）可以發(fā)現(xiàn)，①長歷時強降水高頻次站點（≥40次）多集中于鄂東地區(qū)，短歷時強降水高頻次站點分布范圍更廣，原因在于湖北省夏季系統(tǒng)性強降水過程多與西南低空急流有關，西南低空急流在湖北省的主要發(fā)展方向是鄂東地區(qū)，而夏季局地短時強降水的形成要更加多樣化。②短、長歷時強降水極大頻次站點（≥60次）的分布與地形有重要關聯(lián)，多位于湖北省馬蹄狀地形的東、西、北三面近山區(qū)域。短歷時強降水主要位于大別山東麓西側、幕阜山北側、鄂西山地到江漢平原的過渡地帶，這些靠近山區(qū)的地方白天盛行輻合性熱力氣流［8］，夜間存在山地與平原之間的溫度差異強迫［27，28］，還易出現(xiàn)準常定的地面中尺度輻合線或渦旋［26］等；長歷時強降水主要位于大別山西麓南側、鄂東沿江地帶（武漢-黃石），這里是中尺度對流系統(tǒng)（MCSs）東移發(fā)展過程中常發(fā)生準靜止狀態(tài)的地區(qū)，原因在于其產(chǎn)生的雷暴出流易受大別山阻擋形成向后傳播［29-31］。

圖9 短（a）、長（b）歷時小時強降水頻次空間分布（圓點表示頻次）

3 小結與討論

本研究分析了湖北省夏季小時強降水的時空分布特征，主要結論如下。

1）湖北省夏季≥20、≥30、≥50 mm/h的3類小時雨強年頻次具有較好的一致性趨勢，在20世紀80年代低位振蕩，20世紀90年代為增長趨勢，21世紀初期低位振蕩，之后振蕩幅度加大。不同等級雨強年頻次極值出現(xiàn)在主要洪澇年份1998、2016年。

2）湖北省夏季≥20、≥30、≥50 mm/h的3類小時雨強年頻次均從6月中旬躍升，8月中旬回落，期間高位振蕩?！?0 mm/h旬頻次極值出現(xiàn)在盛夏而不是梅雨期，說明充足的熱力條件下更易發(fā)生強小時雨強。

3）湖北省夏季≥20、≥30、≥50 mm/h的3類小時雨強頻次日變化均具有雙峰型特征，分別出現(xiàn)在17：00—20：00和8：00，其中，傍晚前后的連續(xù)性峰值現(xiàn)象形成了一個持續(xù)性活躍強降水時段。

4）湖北省的小時強降水多發(fā)生在鄂東，隨著小時雨強增大，高頻次站點隨之向西部擴展。原因在于夏季鄂東水汽條件更好，但強小時雨強對動力和熱力條件的要求更高。特殊地形條件下的地面中尺度輻合線或渦旋是造成小時強降水極大頻次站點的重要因素。

5）不同持續(xù)時間強降水事件的頻次日變化顯示，下午到傍晚是短歷時強降水事件的高發(fā)期，蘊涵眾多的局地短時強降水，而長歷時強降水事件具有“夜發(fā)性”，對應于系統(tǒng)性強降水過程；年頻次周期性特征顯著，短歷時存在準12年、準6年和準2年的3個主振蕩模態(tài)，長歷時存在1個準6年主振蕩模態(tài)。

6）長、短歷時強降水事件的強降水頻次分布顯示，長歷時高頻次站點多集中于鄂東地區(qū)，與湖北省夏季西南低空急流的發(fā)展方向有關，短歷時高頻次站點分布范圍更廣，在于夏季局地短時強降水的形成更加多樣；長、短歷時強降水極大頻次站點分布與湖北省的馬蹄狀地形有重要關系，短歷時主要位于大別山東麓西側、幕阜山北側、鄂西山地到江漢平原的過渡地帶，長歷時主要位于大別山西麓南側、鄂東沿江地帶（武漢-黃石）。