鄧 彪 , 王春學(xué) , 孫 蕊 , 王順久

（四川省氣候中心/高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點實驗室, 成都 610072）

引言

四川省處于我國第一到第二階梯的地勢過渡地帶，地理位置特殊，西部是高山高原，東部為四川盆地，氣候類型多樣[1-3]。21 世紀以來，在氣候變暖背景下，四川地區(qū)極端降水事件呈增多增強的趨勢，導(dǎo)致短時強降水對總降水的貢獻也相應(yīng)增加。例如，2013年7月7～10日盆地西部出現(xiàn)持續(xù)強降水事件，共有39個縣（市）出現(xiàn)暴雨，其中有18個縣（市）降了大暴雨；都江堰本站24 h 降雨量達415.9 mm，大邑24 h 降雨量279.2 mm，均打破其歷史極值；此次過程多地1 h 雨量達到90～120 mm，其中都江堰幸福鎮(zhèn)9日03 時小時雨量為125.3 mm。2020年8月10～13日，盆地多地出現(xiàn)極端降水事件，蘆山站日降水量達429.2 mm，10日18時小時雨量為134.6 mm?？梢姡捎谔厥獾牡乩憝h(huán)境和地質(zhì)地貌條件[4]，四川地區(qū)強降水及其引發(fā)的山洪、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，可造成嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失，深入開展區(qū)域強降水事件的發(fā)生規(guī)律及物理機制研究具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

已有研究[5]表明，區(qū)域極端降水時空分布極不均勻，使用日降水資料會高估長時間連續(xù)性弱降水的強度，低估短時間強降水的強度，使用次日尺度的降水資料可以更加準確地反映極端降水強度及其時空變化特征。近年來，隨著小時降水資料的逐步完善，基于小時降水資料在四川省天氣氣候業(yè)務(wù)中的應(yīng)用研究越來越多。周秋雪等[6]利用2008～2012年四川地區(qū)氣象觀站逐時降水資料，根據(jù)1 h 雨量的不同，把強小時雨強劃分為三個等級（20、30、50 mm/h），分析了每年汛期出現(xiàn)上述三類強小時雨強的頻次變化和1h最大降水量的變化特征。王彬雁等[7]選取2010～2016年5～9月四川省157個國家自動氣象站小時降水資料，采用皮爾遜Ⅲ型概率分布模型對四川全省小時降水進行擬合，給出超過不同閾值的降水累積概率空間分布，計算了最大小時降水量的概率分布和重現(xiàn)期極值。毛冬艷等[8]選取1981～2010年西南地區(qū)國家級地面氣象站逐小時降水數(shù)據(jù)，以小時降水量＞20 mm 為標準，定義了西南地區(qū)短時強降水，分析指出四川盆地西南部為短時強降水高發(fā)區(qū)，尤其是盆地西部邊緣地區(qū)小時降水最強，超過80 mm/h，極端小時降水達123.1 mm/h。可見，針對四川地區(qū)短時強降水事件的研究已取得豐富成果，并在業(yè)務(wù)工作中廣泛應(yīng)用。但需要注意的是，由于川西高原、攀西山地和盆地區(qū)域地貌特征明顯，降水區(qū)域差異大，極端降水閾值的選取需要考慮本地的降水特點，僅采用絕對閾值法不能完全反映出高原山地區(qū)短時強降水的時空特征。因此，本文將利用百分位法確定各地相對的極端小時降水閾值，分區(qū)域討論極端降水強度、頻次、貢獻率、月變化及日變化特征，重點分析盆地和攀西地區(qū)50 mm/h以上以及川西高原25 mm/h 以上的小時強降水事件，期望進一步了解四川省極端小時降水的時空演變規(guī)律，為氣象防災(zāi)減災(zāi)及決策氣象服務(wù)提供科學(xué)參考。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文選取2012～2020年四川省156個國家氣象站逐小時降水資料，按北京時整點統(tǒng)計，即每個整點時次測得的降水量為之前1 h 累計降水量。該資料來自于四川省氣象探測數(shù)據(jù)中心CIMISS 氣象數(shù)據(jù)源，經(jīng)過嚴格的質(zhì)量控制。按氣候類型特點，將四川地區(qū)分3個區(qū)域：川西高原（包括甘孜州和阿壩州的31個縣站）、攀西地區(qū)（指涼山州和攀枝花市的21個縣站）和四川盆地（省內(nèi)其余17 市的104個縣站）。

1.2 研究方法

本文采用百分位法定義極端小時降水閾值[9-11]，統(tǒng)計出四川省各區(qū)域的極端小時降水樣本數(shù)[12]，分析并確定各地相應(yīng)的極端小時降水特征指標。百分位法適用于各種分布類型的非參數(shù)方法，計算公式如下：

式中：Q(p)為第p百分位對應(yīng)的百分位數(shù)，Xj為升序排列后的樣本序列的第j個值，n為樣本數(shù)，γ為p、n的函數(shù)。其中，j與γ的計算公式如下：

參照氣象業(yè)務(wù)標準，以≥20 mm/h 定義小時強降水，以≥50 mm/h 定義暴雨日[12]，對比分析第90、95、99 百分位數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果，評判這三種常用百分位數(shù)作為四川省極端小時降水閾值的相對適宜性。表1給出了四川省各站2012～2020年第90、95、99 百分位數(shù)的小時降水特征及相應(yīng)滿足閾值條件的樣本站點百分比。分析可知：最小站點閾值均＜20 mm/h，沒有百分位數(shù)滿足所有站點閾值≥20 mm/h 的降水定義；對于第90 百分位數(shù)，沒有站點閾值達到50 mm/h，極端降水事件強度指標減弱；第99 百分位數(shù)樣本占比最大，但站點閾值幾乎就是近10 a 四川地區(qū)的小時降水極大值，客觀上導(dǎo)致極端降水事件指標的統(tǒng)計樣本數(shù)減少；第95 百分位數(shù)有83.3%站點閾值滿足≥20 mm/h，部分站點閾值超過50 mm/h，可以較好地反映四川省高原、山地和盆地極端小時降水的統(tǒng)計特征。根據(jù)上述結(jié)果，結(jié)合國家標準《極端降水監(jiān)測指標GB/T33669-2017》[13]，本文選取第95 百分位小時降水閾值作為四川省極端小時降水閾值。

表1 2012～2020年四川省不同百分位極端小時降水閾值及站點百分比

本文用于分析極端小時降水特征的指標[12]包括：小時降水極大值、極端小時降水頻次、極端小時降水強度和極端小時降水貢獻率。小時降水極大值為近10 a 各站最大小時降水量；極端小時降水頻次為某一時段內(nèi)超過極端小時降水閾值的小時數(shù)；極端小時降水強度為某一時段內(nèi)超過降水閾值的降水量之和除以相應(yīng)的降水頻次；極端小時降水貢獻率為某一時段內(nèi)超過降水閾值的降水量之和除以總降水量。采用克里金插值法對極端小時降水處理結(jié)果進行空間插值處理。各區(qū)域平均值是該區(qū)域內(nèi)站點指標值的算術(shù)平均。

2 結(jié)果與分析

2.1 空間分布特征

圖1a 給出了2012～2020年四川省各站極端小時降水閾值的空間分布。如圖所示，四川省各站極端小時降水閾值的平均值為35.4 mm/h，四川盆地、攀西地區(qū)大部以及阿壩州北部的若爾蓋、紅原在20 mm/h 以上，其中盆地多地極端降水閾值在50 mm/h 以上，彭州、鹽亭、敘州和丹棱分別為59.2 mm/h、58.1 mm/h、57.0 mm/h 和56.9 mm/h。川西高原大部地區(qū)極端降水閾值相對較低，一般在20 mm/h 以下，康定等地低至9.2 mm/h。

圖1 2012～2020年四川省極端小時降水閾值（a）和小時降水極大值（b）的空間分布（單位：mm/h）

圖1b 給出了2012～2020年四川省年各站小時降水極大值空間分布。如圖所示，四川盆地是主要大值區(qū)，多地小時極大值超過50 mm/h；盆地中部、西南部及南部的小時降水極大值超過80 mm/h，蘆山站多達134.6mm/h；甘孜州小時極大值一般在30 mm/h 以下，康定站為11 mm/h；阿壩州和攀西大部地區(qū)介于30～50 mm/h。

圖2a給出了2012～2020年四川省3大區(qū)域極端小時降水站均頻次。如圖所示，四川盆地和攀西地區(qū)極端降水發(fā)生頻繁，極端小時降水頻次分別為5.8 次/站、4.6 次/站，川西高原發(fā)生相對較少為4.2 次/站。從各站年均頻次空間分布（圖2b）來看，四川盆地大部和攀西地區(qū)南部為高值區(qū)，多地年均極端小時降水頻率在0.6 次/年以上；盆地中部、西南部和南部為極大值中心，平均每年要出現(xiàn)一次極端強降水，蒲江年均極端小時降水頻率高達1.1 次/年，蘆山、大邑、蓬溪、遂寧和納溪等地均達0.9 次/年；川西高原和攀西地區(qū)北部為低值區(qū)，年均極端小時降水頻率介于0.3～0.4 次/年。

圖2 2012～2020年四川省不同區(qū)域極端小時降水站均頻次（a）和各站年均頻次空間分布（b）

如圖3a 所示，在四川省3 大區(qū)域中，四川盆地極端小時降水平均強度最大（50.8 mm/h），攀西地區(qū)次之（37.2 mm/h），川西高原最小（19.6 mm/h）。圖3b 給出了四川省極端小時降水平均強度空間分布。如圖所示，盆地大部為高值區(qū)，盆地中部、西南部和南部極大值中心，極端小時降水平均強度高于70 mm/h，最大值出現(xiàn)在鹽亭（75.1 mm/h），其原因可能是盆地及盆周迎風(fēng)坡效應(yīng)對極端小時降水有顯著的增幅作用；攀西地區(qū)介于30～50 mm/h，川西高原強度相對較弱，一般低于30 mm/h，甘孜州部分地方甚至不足10 mm/h。

2012～2020年四川省3 大區(qū)域極端小時降水貢獻率的平均值依次為四川盆地（2.9%）、攀西地區(qū)（2.0%）和川西高原（1.4%）（圖4a）。盆地貢獻率最高，多地極端小時降水貢獻率高于2%，其中盆地中部、西南部及南部高值中心高達4%～5%；攀西地區(qū)南高北低；川西高原貢獻率最低，甘孜州部分地方不足1%（圖4b）。

圖4 同圖2，但為極端小時降水貢獻率

綜上可知，2012～2020年四川省各站極端小時降水閾值的空間分布與小時極大值分布一致。四川盆地為大值區(qū)，多地出現(xiàn)極端強降水中心，攀西地區(qū)為次大值區(qū)，川西高原為小值區(qū)；各區(qū)域因地形地勢的差異，極端小時降水的年均頻次、平均強度、貢獻率的高值區(qū)均集中在盆地和攀西地區(qū)南部，這種分布反映了極端強降水既與區(qū)域地形環(huán)流背景有關(guān)，也受局地環(huán)境差異和小尺度強對流天氣影響。

2.2 月變化特征

圖5 給出了2012～2020年四川省極端小時降水頻次的月變化特征。如圖所示，近10 a 四川省出現(xiàn)極端小時降水事件834 次，汛期（5～9月）共計797 次；7月極端小時降水頻次最高（282 次），8月次之（262 次），11月～次年3月出現(xiàn)最少（不足10 次）。從不同區(qū)域（圖5b～d）來看，四川盆地出現(xiàn)極端小時降水事件最多（608 次），川西高原次之（130 次），攀西地區(qū)最少（96 次）；盆地月變化特征與全省最為接近，汛期多，冬春季少；川西高原和攀西地區(qū)雨季特征更為明顯，川西高原6月最多（44 次），12月發(fā)生極端小時降水僅1 次；攀西地區(qū)8月最多（28 次），6月次之（27 次），1月僅有1 次。

針對四川盆地和攀西地區(qū)≥50 mm/h 以及川西高原≥25 mm/h 的小時強降水事件，統(tǒng)計分析了近10 a的月變化特征（圖5）。近10 a 四川省出現(xiàn)小時強降水事件286 次，7月和8月最為集中，多達200 次，占比同期極端小時降水頻次36.8%；四川盆地出現(xiàn)小時強降水事件274 次，月變化特征與全省相似，8月最多（107 次）；攀西地區(qū)出現(xiàn)小時強降水事件12 次，6月最多（6 次）；川西高原出現(xiàn)小時強降水事件19 次，7月最多（7 次）。

圖5 2012～2020年四川省極端小時降水和小時強降水發(fā)生頻次的月變化特征（a. 全省，b. 四川盆地，c. 川西高原，d. 攀西地區(qū)）

綜上可知，四川省汛期（5～9月）極端小時降水事件頻發(fā)，7月、8月最為集中，其中小時強降水事件占比超過1/3。分區(qū)域看，四川盆地發(fā)生極端小時降水頻次占全省的72.9%；四川盆地、川西高原和攀西地區(qū)發(fā)生極端小時降水頻次最多月份依次為7月、6月、8月，而小時強降水事件分別是8月、7月、6月發(fā)生頻次最高。

2.3 日變化特征

圖6a 給出了2012～2020年四川省極端小時降水發(fā)生頻次的日變化特征。如圖6a 所示，四川省近10 a在19 時～次日5 時發(fā)生極端小時降水66 次，02 時發(fā)生頻次最高，06～18 時發(fā)生13 次，14 時發(fā)生頻次最低。分區(qū)域（圖6b～d）來看，四川盆地在白天發(fā)生極端小時降水頻次相對較低，夜間相對較高，日變化與全省特征相似，這與盆地常年多夜雨特征相符；川西高原由于海拔高且晝夜溫差大，午后易發(fā)生局地降水事件，極端小時降水高發(fā)時段在16～23 時；攀西地區(qū)在白天發(fā)生極端小時降水頻次相對較低，夜間相對較高，高發(fā)時段分別在03 時和23 時，具有山地夜發(fā)性特征。

同樣，針對四川盆地和攀西地區(qū)≥50 mm/h 以及川西高原≥25 mm/h 的小時強降水事件，統(tǒng)計分析近10 a 的日變化特征（圖6）可知：四川省在19 時～次日05 時發(fā)生小時強降水事件183 次，白天為105 次，夜間占比達63.5%；小時強降水事件峰值分別出現(xiàn)在23 時、02 時和05 時；四川盆地發(fā)生小時強降水事件峰值時點與全省一致；川西高原小時強降水事件主要集中在17～22 時；攀西地區(qū)在00 時、06 時和10 時發(fā)生小時強降水事件可能性較大。

圖6 同圖5，但為日變化特征

綜上可知，四川省出現(xiàn)極端小時降水頻次的日變化具有單峰特征，夜間發(fā)生特點明顯。盆地5 時發(fā)生頻次最高，川西高原主峰出現(xiàn)在21 時，攀西地區(qū)高頻次發(fā)生在02 時。全省夜間發(fā)生小時強降水事件占比達63.5%，各區(qū)域小時強降水事件高峰時段差異大。

3 結(jié)論

本文選取2012～2020年四川省156個國家氣象觀測站小時降水資料，在利用百分位法確定極端小時降水閾值的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計分析了全省極端小時降水的時空分布特征，得到以下主要結(jié)論：

（1）2012～2020年四川省極端小時降水閾值的平均值為35.4 mm/h，其空間分布與小時極大值分布一致。四川盆地為大值區(qū)，多地出現(xiàn)極端強降水中心，極端小時降水閾值在50 mm/h 以上，極大值超過80 mm/h，蘆山站高達134.6mm/h；攀西地區(qū)為次大值區(qū)；川西高原極端小時降水閾值相對較小。近10 a 極端小時降水的年均頻次、平均強度、貢獻率的高值區(qū)均主要集中在四川盆地和攀西地區(qū)南部。

（2）四川省汛期（5～9月）極端小時降水事件頻發(fā)，7月、8月最為集中，小時強降水事件占比超過1/3。四川盆地、川西高原和攀西地區(qū)極端小時降水發(fā)生頻次分別在7月、6月和8月達到最高，而小時強降水事件分別在8月、7月、6月發(fā)生頻次最高。

（3）四川省發(fā)生極端小時降水頻次的日變化具有單峰特征，夜發(fā)特點明顯。四川盆地在05 時發(fā)生頻次最高，川西高原峰值出現(xiàn)在21 時，攀西地區(qū)峰值出現(xiàn)在02 時。四川省夜間發(fā)生小時強降水事件占比達63.5%，各區(qū)域峰值出現(xiàn)時段差異顯著。