摘 要：選取2017—2018年汛期（6—8月）內蒙古108例引發(fā)暴雨洪澇災害的降水事件，對其雨強持續(xù)性、最大值、日變化等特征進行分析，通過雙重e指數(shù)函數(shù)和百分位相結合方法，確定降水事件閾值。結果表明：（1） 降水事件高發(fā)區(qū)在大興安嶺東部，最高可達 5～6次，持續(xù)時間最長為10 d，降水事件次高發(fā)區(qū)在陰山山脈以南；（2） 降水事件雨強最大值和最小值均出現(xiàn)在東部地區(qū)，極差最大值達70.4 mm·h -1 ，西部和中部地區(qū)雨強最大值較接近，中部地區(qū)雨強極差最小，為16.0 mm·h -1 ，但降水事件平均雨強最大值出現(xiàn)在西部地區(qū)，最小值出現(xiàn)在中部地區(qū)；（3） 降水事件雨強日變化特征具有地域性差異，西部地區(qū)雨強（平均雨強）最大值出現(xiàn)時間具有分散不集中且差異較大的特點，易出現(xiàn)在凌晨、早晨、中午和傍晚，中部和東部地區(qū)易出現(xiàn)在中午和下午；（4） 西部、中部和東部地區(qū)降水事件閾值分別為13.8 mm·h -1 、10.0 mm·h -1 和14.2 mm·h -1 。

關鍵詞：降水事件；洪澇災害；雨強特征；雙重e指數(shù)函數(shù)；百分位方法

中圖法分類號：P466 文獻標志碼：A DOI：10.12406/byzh.2021-224

Analysis of rainfall intensity characteristics of precipitation events causing rainstorm and flood disaster in flood season in Inner Mongolia

CHANG Yu 1 ， JI Gang 2 ， GAO Shaoxin 1 ， LIU Jing 1

（1. Inner MongoliaHulun Buir Meteorological Bureau， Hulun Buir 021008; 2. Inner Mongolia Xilin Gol League Meteorological Bureau， Xilin Gol League 012600）

Abstract： Based on 108 precipitation events caused by heavy rain and flood disaster （DPE） from 2017 to 2018 during flood season （from June to August）in Inner Mongolia，the characteristics about duration， maximum value and diurnal variation of the precipitation intensity were analyzed，and DPE threshold was determined by double e-exponential function and percentage method. The results show that： （1） There is an area with high incidence of DPE in the east of the Greater Khingan Mountains. It can occur up to five or six times， and the longest duration is close to 10 days. The second highest incidence area of DPE occurs in the south of Yinshan Mountain.（2） The maximum and minimum value of precipitation intensity of DPE appear in eastern regions and the maximum range reaching 70.4 mm·h -1 . The maximum value of precipitation intensity in the western and central regions is close， while the minimum range of precipitation intensity in the central region is 16.0 mm·h -1 .While the maximum value of average precipitation intensity of DPE happen in western regions， the minimum value is in the central regions.（3）The diurnal variation characteristics of precipitation intensity of DPE have regional differences. Especially， the characteristics of the occur?rence time about the maximum value of precipitation intensity （average precipitation intensity） are dispersion， non-concentration and great dif?ference in the western regions. It tends to appear in the early morning， morning， noon and evening. But in other regions it tends to occur at noon and afternoon；（4） The thresholds of DPE in western， central and eastern regionsare 13.8mm·h -1 ， 10.0mm·h -1 and 14.2mm·h -1 ，respectively.

Key words： precipitation events; flood disaster; precipitation intensity characteristics;doublee- exponential function; percentile method

引 言

易致災的降水可分為兩類：一類是短時強降水，另一類是長時間持續(xù)的暴雨、低溫連陰雨和凍雨等（于文勇等，2012）。短時強降水或持續(xù)性暴雨易造成洪澇、山體滑坡、泥石流等災害，對國民經濟建設和人民生命財產安全構成極大威脅，尤其是持續(xù)降水過程中的短時強降水造成的災害和經濟損失會更加嚴重（陶局等，2021；蘇愛芳等，2021）。在氣候變暖背景下，研究強降水天氣氣候變化趨勢及成因，加強極端降水事件的監(jiān)測、預警能力建設，防范和應對強降水引發(fā)的洪澇災害和城市漬澇等氣象災害，具有科學實際應用意義（翟盤茂和劉靜，2012；李建等，2013）。研究指出，在氣候變暖背景下降水持續(xù)性特征在全球范圍內表現(xiàn)出區(qū)域上不一致，中國南方地區(qū)持續(xù)性降水過程及其產生的降水量呈現(xiàn)增多趨勢，但北方地區(qū)呈現(xiàn)減少趨勢（翟盤茂等，2017）；中國大陸夏季降水日變化區(qū)域特征明顯，下午峰值區(qū)主要出現(xiàn)在華北至東北山區(qū)、東南內陸地區(qū)，夜間峰值區(qū)主要出現(xiàn)在四川盆地西部至云貴高原東部、華北平原西部貼近山地的區(qū)域（宇如聰?shù)龋?016），且降水開始至達到峰值的時間較峰值發(fā)生后至降水結束的時間明顯偏短，在強降水中更加明顯（宇如聰?shù)龋?013）。

內蒙古地處中國北部邊疆，從東向西干旱程度逐漸增加，汛期（6—8月）降水占年總降水量的60%～75%（顧潤源等，2012；高紹鑫等，2022），汛期強降水由于突發(fā)性強，加上該地區(qū)大部分為沙壤土，地質疏松，植被稀疏，地表裸露，在高強度降水的沖刷下，常形成泥石流和山洪災害，給農牧業(yè)生產及人民生命安全造成嚴重威脅（李喜倉等，2012；李海英等，2019；王維坤等，2022）。如2018年8月9日15∶00—17∶00 （北京時，下同）內蒙古阿拉善右旗持續(xù)3 h的降水事件中，最大小時降水量達到12.5mm，造成經濟損失9萬元；2018年8月12日18∶00—23∶00內蒙古鄂爾多斯市準格爾旗持續(xù)6 h的降水事件中最大小時降水量達40.1 mm，其中45個自動氣象站中有4個站小時降水量超過20mm，造成房屋進水、農田被淹和公路橋洞受損等災害。關于內蒙古強降水的研究表明，強降水集中出現(xiàn)在7月中旬到8月上旬（常煜，2015）；內蒙古強降水過程持續(xù)時間短，持續(xù)時間在4～6 h和7～12 h的強降水過程增加顯著，1～3 h強降水過程明顯減少，但發(fā)生頻次最高，強降水過程持續(xù)時間越短，降水量峰值出現(xiàn)前降水強度越大（常煜等，2019）。

目前在氣象服務更加規(guī)范化、精細化前提下，關于內蒙古由強降水引發(fā)的暴雨洪澇災害小時降水量持續(xù)性、最大值、日變化等特征，以及小時降水量達到多大量級易引發(fā)暴雨洪澇災害的研究還比較薄弱。本研究以引發(fā)內蒙古汛期暴雨洪澇災害的降水事件小時降水量特征為研究主線，將東西狹長的內蒙古劃分為西部地區(qū)、中部地區(qū)、東部地區(qū)，揭示各地區(qū)引發(fā)暴雨洪澇災害的降水事件小時降水量特征，獲得引發(fā)暴雨洪澇災害的降水事件閾值，以期為內蒙古暴雨預報預警提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

內蒙古地貌以高原為主體，大興安嶺、陰山山脈構成了高原地貌的脊梁，且其大小河流眾多，一級河流有黃河和額爾古納河（圖1a）。內蒙古橫跨我國西北、華北和東北廣闊區(qū)域，下轄9個地級市和3個盟，共12個盟（市），包含縣級市（旗、縣、市轄區(qū)）共101個（圖1b）。其中鄂爾多斯市、包頭市、巴彥淖爾市、烏海市和阿拉善盟屬于內蒙古西部地區(qū)，錫林郭勒盟、呼和浩特市和烏蘭察布市屬于內蒙古中部地區(qū)，呼倫貝爾市、興安盟、通遼市和赤峰市屬于內蒙古東部地區(qū)。內蒙古西部、中部和東部地區(qū)縣級市（旗、縣、市轄區(qū)）分別為30、32、39個，研究站點數(shù)分別為289、236、661站。

2 資料與方法

2.1 資料說明

使用的資料為：2017—2018年內蒙古自治區(qū)氣象局綜合信息網災情上報的暴雨洪澇災情實況；CIMISS氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)一服務接口提取的 2017—2018 年汛期（6—8月）內蒙古國家站和區(qū)域站小時降水量資料。

2.2 研究方法

參考Yu等（2015）方法來定義引發(fā)暴雨洪澇災害的降水事件

P x，t =max（P i，t ） （i=1，2，...，N） （1）

其中， P x，t 代表 t 時刻引發(fā)暴雨洪澇災害的降水事件（以下簡稱降水事件）小時降水量， P i，t 表示第 i 個站點在 t時刻小時降水量， P x，t ≥0.1 mm·h -1 的時次為有降水時次。在連續(xù)3 h及以上無降水時次后，第一個有降水時次為降水事件的開始時間，連續(xù)3 h及以上無降水時次前的最后一個有降水時次為降水事件的結束時間。

利用雙重e指數(shù)函數(shù)和百分位方法研究降水事件閾值，其中雙重e指數(shù)函數(shù)方法擬合降水事件小時降水量（Yu and Li，2012）的方法如下

R（I）=A r e-B r I（2）

Ln[R（I）]=LnA r -B r I （3）

其中， I 代表小時降水量， R（I） 為累積降水量， A r 和B r 為待定系數(shù)，兩者不同的大小組合表征不同的降水強度結構。小時降水量小于 1/B r 為較弱降水事件，大于等于 1/B r 且小于 2/B r 為強降水事件，大于 2/B r 定義為極端降水。

本文將降水事件小時降水量定義為雨強；降水事件中有降水時次的站點平均降水量定義為平均雨強；降水事件結束時間與開始時間持續(xù)的小時數(shù)定義為降水事件持續(xù)時間。

3 降水事件的空間分布特征

2017—2018年內蒙古汛期共發(fā)生108例降水事件，其中東部地區(qū)71例，中部地區(qū)12例，西部地區(qū)25例。東部地區(qū)的赤峰市降水事件發(fā)生頻次最多，達31例，中部地區(qū)的呼和浩特市最少，僅為1例。圖2為2017—2018年內蒙古汛期降水事件發(fā)生頻次空間分布，從中可見，東部地區(qū)大興安嶺東側是降水事件高發(fā)區(qū)，最高達 5～6次；西部地區(qū)的東南部和中部地區(qū)陰山山脈以南為次高發(fā)區(qū)，達3～4次；在大興安嶺以西和陰山山脈以北地區(qū)以及西部地區(qū)的西部發(fā)生頻次最少，低于2次。這與李喜倉等（2012）的研究結論“呼倫貝爾市嶺東、興安盟南部、通遼市南部、鄂爾多斯市東部以及呼和浩特市和包頭市城區(qū)是發(fā)生洪澇災害風險最大區(qū)域”基本一致。已有研究指出，內蒙古降水受地形影響顯著，地形加強了暖濕氣流外界強迫動力抬升機制，致使大興安嶺東部和陰山以南地區(qū)的暴雨發(fā)生頻次、持續(xù)時間均明顯高于內蒙古其余地區(qū)（常煜等，2012，2018）。

4 降水事件的持續(xù)性

持續(xù)時間是衡量降水變化的一個重要指標（江志紅等，2013），降水事件持續(xù)時間的長短本身就可以決定其致災能力（翟盤茂等，2017）。圖3為2017—2018年內蒙古汛期降水事件持續(xù)時間箱線圖，從中可見，東部地區(qū)呼倫貝爾市降水事件持續(xù)時間箱體區(qū)間較寬，接近4 d；其余地區(qū)降水事件持續(xù)時間箱體區(qū)間較窄，普遍在3 d內。另外，降水事件持續(xù)時間最大值出現(xiàn)在東部地區(qū)的赤峰市，其次為東部地區(qū)的呼倫貝爾市，再次為中部地區(qū)的錫林郭勒盟，持續(xù)時間最大值分別為246 h（近10 d）、212 h（近9 d）、138 h （近6 d）。持續(xù)時間246 h降水事件開始時間為2018年8月25日00∶00，結束時間為 9月4日05∶00，期間在27日08∶00—28日08∶00 日赤峰市阿魯科爾沁旗天山口鎮(zhèn)、天山鎮(zhèn)、巴拉奇如德草業(yè)、紹根鎮(zhèn)降水量分別為47.3 mm、22.2 mm、52.6 mm、29.6 mm，28 日 02∶00和04∶00，巴拉奇如德雨強分別為15.6 mm·h -1 和 14.3 mm·h -1 ，導致蘇木鄉(xiāng)鎮(zhèn)部分地區(qū)遭受不同程度的洪澇災害；持續(xù)時間212 h的降水事件發(fā)生在呼倫貝爾市的莫力達瓦達斡爾族自治旗，起止時間為2018年6月12日11∶00—21日06∶00，遭受暴雨洪澇災害時間為6月15日20∶00—16日10∶00，在16日08∶00—10∶00，奎勒河雨強分別為18.0 mm·h -1 、18.2 mm·h -1 、15.9 mm·h -1 ，造成當?shù)?18 294 人受災，農作物受災面積 5 176 hm 2 ；持續(xù)時間 138 h 的降水事件發(fā)生在錫林郭勒盟東烏珠穆沁旗，起止時間為2017年8月4日16∶00—10日09∶00，災情出現(xiàn)在8月5日14∶00—20∶00，東烏珠穆沁旗烏里雅斯太鎮(zhèn)出現(xiàn)強降水，累積降水量達51.9 mm，其中15∶00的雨強達33.8 mm·h -1 。

圖4為2017—2018年內蒙古汛期降水事件持續(xù)時間空間分布，因有些區(qū)域僅發(fā)生1次降水事件（持續(xù)時間僅有一個值），為了更清楚看到降水事件持續(xù)時間最小值和最大值特征，本文對發(fā)生 1 次和 2次或以上的降水事件分別進行研究。從圖中可見，內蒙古降水事件出現(xiàn)2次或以上的站點主要分布在陰山以南和大興安嶺以東地區(qū)（圖 4a、b），降水事件持續(xù)時間最小值在3～46 h （圖4a），持續(xù)時間最大值在10～246 h （圖4b）；發(fā)生1次的降水事件主要集中在中部地區(qū)和東部地區(qū)（圖4c），持續(xù)時間在7～138 h。另外，陰山山脈以南降水事件持續(xù)時間最大值可達 63 h，特別是在大興安嶺東側降水事件持續(xù)時間最大值高達246 h。陰山以南和大興安嶺以東降水事件出現(xiàn)頻次相比于山脈的背風坡偏多，持續(xù)時間長，雨強大。

5 降水事件的雨強特征

5.1 雨強最小值和最大值

降水事件中雨強最大值和最小值差稱為極差，極差反映了降水量的波動程度（鄧興旺和蔡靜菲，1997）。表1給出2017—2018年內蒙古汛期降水事件雨強極差在各盟（市）的分布，從中可見，雨強極差最大值出現(xiàn)在東部地區(qū)，其中興安盟雨強極差達70.4 mm·h -1 ，另外西部地區(qū)的包頭市雨強極差也較大，達60.6 mm·h -1 ；雨強極差最小值主要集中在西部地區(qū)和中部地區(qū)，其中錫林郭勒盟雨強極差最小，僅為16.0 mm·h -1 。

內蒙古汛期降水事件雨強最大值和最小值對比可見，雨強最大值高值區(qū)出現(xiàn)在東部地區(qū)，最大值區(qū)間為61.5～87.7 mm，最大值平均為75.0 mm，低值區(qū)出現(xiàn)在中部地區(qū)，最大值區(qū)間為26.2～44.4 mm，最大值平均為35.9 mm；雨強最小值高值區(qū)出現(xiàn)在中部地區(qū)，最小值區(qū)間為13.4～26.2 mm，最小值平均為20.2 mm，低值區(qū)出現(xiàn)在東部地區(qū)，最小值區(qū)間為15.6～17.3 mm，最小值平均為16.4 mm。另外，雨強最大值極值出現(xiàn)在東部地區(qū)的興安盟，為87.7 mm·h -1 。內蒙古東部地區(qū)降水事件極差較大，可能與該地區(qū)比西部地區(qū)和中部地區(qū)的降水事件持續(xù)時間長有關。

圖5為2017—2018年內蒙古汛期降水事件雨強最大值和雨強最大值出現(xiàn)時間箱線圖，從中可見，東部地區(qū)多數(shù)降水事件雨強最大值箱體區(qū)間在 20～60 mm·h -1 ，雨強最大值在一天內均可出現(xiàn)，更集中出現(xiàn)08∶00—20∶00，在14∶00—18∶00最明顯；中部地區(qū)雨強最大值箱體區(qū)間多集中在10～30 mm·h -1 ，雨強最大值易出現(xiàn)在12∶00—18∶00，在17∶00更明顯；西部地區(qū)雨強最大值箱體區(qū)間在10～40 mm·h -1 ，阿拉善盟、巴彥淖爾市和鄂爾多斯市雨強最大值出現(xiàn)時間在08∶00—18∶00，其中阿拉善盟和巴彥淖爾市在13∶00最明顯，鄂爾多斯市在17∶00最明顯，烏海和包頭市的雨強最大值分別易出現(xiàn)在05∶00和02∶00—08∶00，其中包頭市在08∶00最明顯。

5.2 平均雨強最大值

圖6為2017—2018年內蒙古汛期降水事件平均雨強最大值和平均雨強最大值出現(xiàn)時間箱線圖，從中可見，平均雨強最大值與雨強最大值表現(xiàn)特征完全不同。西部地區(qū)除了鄂爾多斯市平均雨強最大值中位數(shù)在5 mm·h -1 左右，其余地區(qū)中位數(shù)在10～15 mm·h -1 ，是降水事件平均雨強高值區(qū)；東部地區(qū)平均雨強最大值中位數(shù)基本在8～12 mm·h -1 ，低于西部地區(qū)；中部地區(qū)平均雨強最大值最小，基本小于10 mm·h -1 （圖6a）。東部地區(qū)平均雨強最大值易出現(xiàn)在白天，更易集中在12：00—17：00；中部地區(qū)平均雨強最大值主要集中在16：00—17：00；西部地區(qū)平均雨強最大值出現(xiàn)時間同雨強最大值出現(xiàn)時間相似，具有分散、不集中，差異較大的特點，例如，烏海市和包頭市分別易出現(xiàn)在05：00和08∶00，阿拉善盟和巴彥淖爾市易出現(xiàn)在11∶00—12∶00，鄂爾多斯市平均雨強最大值與中部地區(qū)出現(xiàn)時間較接近，易出現(xiàn)在17∶00 （圖6b）。

可見，內蒙古汛期降水事件雨強最大值和平均雨強最大值日變化特征基本一致，即中部和東部地區(qū)雨強（平均雨強）最大值易出現(xiàn)在中午（12∶00）和下午（13∶00—18∶00），但西部地區(qū)易出現(xiàn)在凌晨（05∶00）、早晨（08∶00）、中午（11∶00—13∶00）和傍晚（17∶00），表明內蒙古汛期降水事件雨強日變化特征具有地域性差異。已有研究表明，中國大陸不同區(qū)域的短時強降水日變化具有單峰型、雙峰型和持續(xù)活躍型等特征，但不同下墊面區(qū)域短時強降水日變化的峰值時段、持續(xù)時間顯著不同（陳炯等，2013）；華北地區(qū)夏季短時降水量日峰值出現(xiàn)在傍晚，而長時降水量日峰值出現(xiàn)在凌晨（韓函等，2017）；內蒙古中部偏南地區(qū)和東部地區(qū)的短時強降水易出現(xiàn)在下午（常煜，2015）。白天地表受到加熱，大氣不穩(wěn)定性增加，對流性天氣活動增多，引發(fā)短時降水的增加（Yu et al.，2007a），而凌晨降水日峰值主要是持續(xù)性降水引起的（Yu et al.，2007b）。這可能是內蒙古西部、中部和東部地區(qū)雨強最大值出現(xiàn)時間存在差異的主要原因。

6 降水事件的閾值

圖7為2017—2018年內蒙古西部、中部和東部地區(qū)降水事件累積降水量和時數(shù)與雨強雙重 e 指數(shù)函數(shù)擬合結果，分析可知，中部地區(qū)擬合較好，西部地區(qū)和東部地區(qū)雨強低于30 mm·h -1 擬合較好，但超過30 mm·h -1 偏離程度開始增大，說明西部和東部地區(qū)超過30 mm·h -1 的降水事件發(fā)生頻次明顯高于中部地區(qū)（圖7a 1 、b 1 、c 1 ）。內蒙古西部、中部和東部地區(qū)的降水事件發(fā)生時數(shù)與雨強擬合結果和累積降水量表現(xiàn)特征基本一致（圖7a 2 、b 2 、c 2 ）。通過內蒙古各地區(qū)降水事件累積降水量擬合方程，西部、中部和東部地區(qū)達到降水事件閾值分別為 19.6 mm·h -1 、13.2 mm·h -1 和16.6 mm·h -1 。

同時，對內蒙古西部、中部和東部地區(qū)降水事件雨強采用百分位方法計算閾值，得到95百分位閾值分別為13.8 mm·h -1 、10.0 mm·h -1 、14.2 mm·h -1 ，結合上述研究結論可知，95百分位閾值比雙重e指數(shù)方法計算的閾值更接近內蒙古降水事件雨強特征。

7 結論與討論

本文分析了2017—2018年內蒙古汛期108例引發(fā)暴雨洪澇災害的降水事件雨強持續(xù)性、最大值、日變化等特征，確定了降水事件閾值，得出主要結論如下：

（1） 降水事件高發(fā)區(qū)在大興安嶺東部，最高達 5～6次，其次是陰山山脈以南地區(qū)，達3～4次；降水事件在東部地區(qū)持續(xù)時間最長，其次是中部地區(qū)，降水事件持續(xù)時間最大值出現(xiàn)在東部地區(qū)的赤峰市，達246 h。

（2） 降水事件雨強最大值和最小值均出現(xiàn)在東部地區(qū)，極差最高可達 70.4 mm·h -1 ，西部和中部地區(qū)雨強最大值較接近，且中部地區(qū)雨強極差最小，為16.0 mm·h -1 ；降水事件平均雨強最大值出現(xiàn)在西部地區(qū)，最小值出現(xiàn)在中部地區(qū)。

（3） 降水事件日變化特征具有地域性差異，特別是西部地區(qū)雨強（平均雨強）最大值出現(xiàn)時間具有分散、不集中、差異較大的特點，且易出現(xiàn)在凌晨、早晨、中午和傍晚，中部和東部地區(qū)易出現(xiàn)在中午和下午。

（4） 利用雙重e指數(shù)函數(shù)擬合與百分位方法計算結果對比分析得出，西部、中部和東部地區(qū)降水事件閾值分別為13.8 mm·h -1 、10.0 mm·h -1 和14.2 mm·h -1 。

本文得到2017—2018年內蒙古汛期108例引發(fā)暴雨洪澇災害的降水事件雨強持續(xù)性、日變化等特征，但關于造成降水事件天氣尺度、中小尺度影響系統(tǒng)配置以及不同影響系統(tǒng)與怎樣的環(huán)境因素（下墊面、地形等）易形成洪澇災害，以及如何利用高分辨率監(jiān)測資料提高暴雨預報準確率與預警時間提前量，尚有待研究。

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（責任編輯 唐永蘭）