四川地区短时强降水事件时空演变特征研究

李昱锐 ,陈朝平 ,陈权亮 ,罗 伟 ,李 强 ,刘 秀,段修荣

（1.四川省自贡市气象局，自贡 643000；2.成都信息工程大学大气科学学院，成都 610225；3.四川省气象台，成都 610072）

引言

四川地区地处长江中下游平原与青藏高原之间的第二级向第三级的过渡地带[1−4]，具有西高东低的地势特征，境内的海拔高差超过7300m[5]（最高点：贡嘎山7556m，最低点：广安邻水御临河道出省处184m），是我国海拔高差最大的省份[6]，地形地貌极其复杂（山地、高原、丘陵约占全省土地面积的97.46%），西部地区多为山地和高原，东部地区多为丘陵、盆地。四川盆地地处亚热带湿润气候区，年均降水量很大，且5～9月极易出现短时强降水[7−8]，尤其是在全球变暖的背景之下[9]，绝大多数区域降水强度增强[10]，强降水事件发生频次逐渐增多[11]。随着强降水事件的增多，城市防汛系统受到了严重的影响，导致城市内涝灾害频发，对人们的生命和财产造成了严重威胁。因此，该地区短时强降水事件的发生发展规律、成因研究以及落区、强度的预报预警一直是气象工作者的关注重点。

陈炯等[12]通过分析中国暖季短时强降水的时空分布特征，指出四川地区的短时强降水发生频率较高。常娜等[13]通过分析强降水量、强降水次数和强度的时空分布特征，揭示了四川地区强降水次数呈西南―东北带状分布，其强度的分布特征为自西向东逐渐增大，年际变化总体呈明显的下降趋势。赵衍斌等[14]也对该区域短时强降水事件的时空分布特征进行了研究，发现四川盆地是强降水的主要落区，强降水的次数和强度较四川其他地区偏多和偏强，且集中在夏季，其次是秋季、春季和冬季。周春花等[15]统计分析了21世纪以来四川地区强降水的区域分布和逐月分布特征，结果表明：盆地为强降水的主要落区，发生时段集中在夜间，且强降水天气主要发生5～9月。毛冬艳等[16]对西南地区强降水的时空演变特征进行了分析，发现四川盆地的西南部是强降水事件的高发区，盆周边缘地区西部的小时降水最强，且具有“夜雨”特征，02时为发生频次的峰值时刻。周秋雪等[17−18]详细分析了四川盆地的降水特征与海拔高度的变化关系，发现强降水主要发生在四川盆地地区，同时也集中在攀西地区南部，而且盆地到山脉之间的纵向陡峭地形区是强降水的高发区。陈朝平等[19]利用分钟级的雨量资料分析了四川盆地一次暴雨过程的短时强降水特征，得出了不同雨量量级的分布特征规律。王佳津等[20−21]也使用了分钟级的降水资料，同时结合了地形高程数据，统计分析了四川地区短时强降水在暴雨过程中的时空分布特征。李强等[22−23]通过气象观测站的小时降水资料，分析了川渝地区主汛期的短时强降水的强度、频次等物理量的时空演变特征。

近年来，随着政府及公众防灾减灾需求的不断提升，短时强降水的相关研究也持续受到预报从业人员的关注和重视。由于短时强降水一般由中小尺度的系统生成，因此降水资料的精细度很大程度上决定了短时强降水时空分布特征的准确度[24−28]。本文拟利用四川省气象台提供的2010～2019年5～9月四川地区自动站逐小时降水观测资料，在分析短时强降水事件24h累计降水量、频次和强度的日变化特征的基础上，研究短时强降水事件的时空分布特征以及事件频次、极值分布与地形海拔高度的关系等，以期为提高四川地区短时强降水事件的监测和预报能力提供科技支撑。

1 资料与方法

1.1 资料

研究资料是四川省2010～2019年157个自动站（图1）的逐小时降水资料，由四川省气象局提供，时间长度为2010年1月1日～2019年12月31日。中央气象台对短时强降水的定义是小时降水量≥20mm，小时强水降阈值的不同，其对应的天气尺度系统特征也不同[2]。本研究主要针对小时雨强≥20mm/h的强降水事件。

图1 四川地区小时降水资料站点分布（填色表示海拔高度，单位：m）

1.2 方法

利用逐小时降水，对四川地区每个站24h内的降水数据进行普查。一次短时强降水事件的定义：当一次降水过程有超过20mm/h的小时强降水发生，至少2h前没有降水发生才可判定为一次强降水过程的开始时间；判定一次强降水过程的结束时间，需降水开始后连续2h没有降水发生；一次强降水持续时间是指一次强降水过程开始到结束之间间隔的小时数。降水的阈值为0.1mm/h，即定义当1h降水量超过0.1mm为有降水发生，0.1mm/h降水时间开始与结束的定义与短时强降水相同。

将统计时间段内的有效强降水事件发生次数定义为强降水事件的频次，将统计时段发生的强降水事件累计雨量定义为降水总量，将统计时段的累计雨量与有效降水时数的比值定义为降水强度(RIH)。具体公式如下：

式中，h为预报时间，Arain(h)为统计时段内h时刻的累计降水量，Nrain(h)为统计时段内h时刻的有效降水时数（降水量≥0.1mm/h）。

毛冬艳等[16]研究发现，四川地区短时强降水主要集中在5～9月，也就是汛期。因此本文主要研究5～9月的短时强降水时空分布，文中的汛期均指各年5月1日～9月30日。

2 分析结果

2.1 24h累计降水量

从四川地区近10年5～9月平均24h累计降水分布（图2）可知，大雨以上量级降水在全省均有分布，其中达到大暴雨量级（>100mm）中心主要分布于盆周山区、阿坝州、甘孜州东部和凉山州北部的局部地方，最大值位于广安，超过175mm；24h累计降水分布与地形走向存在相似特征，总体呈从盆地周边向盆地中部逐渐减少的特征，盆中24h累计降水量普遍在75～100mm，这与盆周山区地形影响有关，地形强迫抬升有利于强降水的产生和持续；甘孜州和攀西地区南部24h累计降水量相对较少，普遍在25～100mm，主要呈自东北向西南减少的趋势，最小值位于金沙江河谷一带，大多不足50mm。

图2 2010～2019年5～9月平均24h累计降水量空间分布（单位：mm）

从四川地区近10年5～9月平均降水频次分布（图3）可知，四川盆地和阿坝州的降水频次普遍在60次以上，其中盆地降水频次大值区同样主要分布在盆周山区，呈从盆周山区向盆地中部逐渐减少的趋势，盆中平均降水频次普遍在60～100次，而超过100次区域主要位于盆地东北部、西南部和南部，最大值出现在雅安、眉山、乐山一带，超过140次，与当地喇叭口地形存在密切联系；甘孜州和攀西地区南部平均降水频次相对较少，多为80次以下，最小值也位于金沙江河谷一带，普遍不足40次，在川西高原及攀西地区的5～9月平均降水频次也呈自东北向西南减少的趋势。

图3 2010～2019年5～9月平均降水频次空间分布（单位：次）

从四川地区近10年5～9月平均降水强度分布（图4）可知，四川盆地和攀西地区降水强度相对较大，普遍在0.75mm/h以上，并呈从西北向东南逐渐减少的趋势；其中盆地的降水强度大值区主要分布在盆地北部，盆地中部、南部，降水强度普遍在0.6～0.9mm/h；与累计降水量和降水频次分布特征不同，降水强度在盆地南部雅安、乐山、宜宾一带出现了极小值，为0.45～0.6mm/h，表明这些地区的降水效率相对不高，但存在降水出现频次多且降水量累计较大的特征；攀西地区降水强度与盆地中部相当，为0.6～0.9mm/h，局部有0.9mm/h的雨强；川西高原降水强度相对较小，多为0.75mm/h以下，最小值位于甘孜州西南部，不足0.45mm/h。

图4 2010～2019年5～9月平均降水强度空间分布（单位：mm/h）

2.2 短时强降水时间分布特征

2.2.1 逐年强降水频次时序

据统计（图5），2010年、2013年和2018年为近10年短时强降水频次的极大值年，2018年发生短时强降水次数最多（约900次）；2011年和2015年是短时强降水频次的极小值年，2015年发生短时强降水次数最少（约350次）。

图5 2010～2019年四川地区5～9月短时强降水发生频次（单位：次）

2.2.2 短时强降水事件日变化

图6给出了四川地区不同开始时间下（00～23时）不同持续时间短时强降水事件的日变化特征。如图所示，短时强降水在夜间时段较强；00～10时，强降水降水频次逐渐减小，其中00～02时发生了持续5～20h的强降水；17～23时，强降水维持时间呈增大趋势，持续5～22h的强降水均有发生。

图6 四川地区不同开始时间下不同持续时间短时强降水的日变化特征（阴影表示161测站平均累计降水量，单位：mm；等值线表示发生频次，单位：次）

图7是四川地区00～23时强降水事件的极值分布（为了统一比较，降水量、降水频次和降水强度做了标准化处理）。03时，降水量和降水频次同时达到峰值；而15时，降水量和降水频次同时达到谷值；两者变化趋势皆呈单峰型结构，对应四川地区降水的“夜雨”特征。与降水量和降水频次的变化趋势不同，降水强度呈现不明显的双峰结构，分别在03时和14时达到谷值，在13时和18时达到峰值，日变化呈“增-减-增-减”的特征。

图7 不同时间出现短时强降水事件的极值分布

2.3 短时强降水与地形的关系

2.3.1 短时强降水年均频次与地形的关系

图8给出了2010～2019年平均5～9月及汛期四川地区短时强降水发生频次空间分布。5、6月份，短时强降水最活跃的区域位于四川盆地中部地区，次活跃的区域位于盆周山区。7月最活跃的区域位于四川盆地周边的龙门山脉（广元至雅安一带），沿着龙门山走向呈带状分布，该区域年均短时强降水发生频次基本大于20次。8月份盆地西南部大值站点基本集中在雅安喇叭口地形区及峨眉山附近，年均短时强降水发生频次超过30次，其次是盆周西北部和西南部的山脉地区。9月，最活跃的区域依然位于四川盆地。整个汛期（5～9月）与8月分布基本相似，四川盆地西部边缘雅安、峨眉附近存在一个大值中心，年均短时强降水发生频次可达80次以上，雅安有世界著名的“天漏”之称，其北侧具有特殊的喇叭口地形，雨量大且雨日多，降水量受地形影响显著；其次是盆周西北部山脉地区，年均短时强降水发生频次61～80次；盆地东北部大值站点较为分散。

图8 2010～2019年平均5～9月及汛期四川地区短时强降水发生频次空间分布（a.5月，b.6月，c.7月，d.8月，e.9月，f.汛期；圆点表示短时强降水发生频次，单位：次；填色表示海拔高度，单位：m）

表1给出了2010～2019年5～9月四川地区短时强降水发生频次前10的站点及其发生频次。从表中可以看出，四川地区短时强降水事件发生的高峰期集中在7月和8月；整个汛期，峨眉站短时强降水发生频次最高（年均104次），雅安站次之（年均98次），名山站和北川站再次（分别为年均86次和80次）；发生频次前10的站点中，峨眉站、洪雅站位于四川盆地的西南边缘，雅安站、名山站位于四川盆地西缘，北川站、安县站位于四川盆地西北部，都江堰站、大邑站分别位于成都平原的西北边和北部，只有南江站、剑阁站位于四川盆地的北部。由此可知，四川盆地西部尤其是西部边缘更容易发生强降水事件。

表1 2010～2019年5～9月四川地区短时强降水频次

2.3.2 最大小时雨强与地形的关系

最大小时雨强能反映强对流天气的强弱。图9给出了2010～2019年平均5～9月及汛期四川地区最大小时雨强空间分布。5月，四川地区有4个站点最大小时雨强>80mm/h。6月，只有什邡站最大小时雨强超过100mm/h，达157mm/h。5、6月份，四川境内短时强降水极大值多出现在四川盆地，其次为盆地西缘。7月，四川盆地东北部存在2个站点最大小时雨强达80mm/h以上，位于盆地西部的龙门山脉一带站点最大小时雨强为41～80mm/h。8月，四川盆地西南部边缘的乐山、宜宾、自贡一带存在一个大值区，有7个站点的最大小时雨强>80mm/h。9月，射洪站最大小时雨强超过100mm/h，达110.9mm/h。整个汛期，有15个站点最大小时雨强超过80mm/h，多位于盆地西部，在西南部和西北部各存在一个极大值中心；最大小时雨强超过60mm/h的站点聚集在龙门山脉一带。

图9 同图8，但为最大小时雨强

表2给出了2010～2019年5～9月四川地区最大小时雨强前10的站点及其最大小时雨强值。从表中可以看出，整个四川地区有3个站点最大小时雨强>90mm/h，绵竹站在2010年8月出现了最大小时雨强（96.1mm/h），峨眉站在2012年8月出现了最大小时雨强（93.7mm/h），犍为站在2013年8月出现最大小时雨强（92.5mm/h）；共9个站点最大小时雨强为80mm～90mm/h，从大到小依次是2015年7月苍溪站（86.7mm/h）、2013年8月自贡站（85.6mm/h）、2018年8月荣县站（85.3mm/h）、2010年7月万源站（84.2mm/h）、2017年8月乐山站（83.8mm/h）、2017年8月宜宾县站（83.8mm/h）、2019年7月宜宾县站（80.5mm/h）、2011年7月三台站（80.1mm/h）和2016年6月长宁站（80mm/h）。

表2 2010～2019年5～9月四川地区最大小时雨强站点

2.4 短时强降水与海拔高度的关系

四川地区东部存在低海拔的丘陵盆地，西部则是高海拔的高原山地，东西部的降水特征存在较大差异[11]。从不同海拔高度站点的短时强降水发生频次（图10）来看，近10年以来短时强降水主要集中在海拔较低的四川东部地区，共计3300余次。随着海拔升高，短时强降水发生频次明显减少，盆地较其他地区短时强降水发生频次偏多。

图10 2010～2019年四川地区不同海拔高度站点的短时强降水发生频次

图11是雨量监测站的分布情况。如图所示，四川地区建在1500m以下的雨量测站占总测站数的75%，其中66%都建在海拔1000m以下，而四川2/3的区域海拔高度在1000m 以上，说明四川地区的测站大部分都集中于盆地地区，而位于盆周山区和川西高原的站点稀少。

图11 四川自动监测站随海拔高度分布情况（灰柱表示站数，黑柱表示累计站数，红点表示累计站数百分比）

图12是四川地区157个自动站2010～2019年汛期强降水变化与海拔高度关系。如图所示，随着海拔高度的增加，发生强降水的日数整体减少了，在海拔高度达到1000m时强降水发生的日数明显减少，达到2000m时基本无强降水发生日出现(峨眉山气象站例外)。由于四川地区66%的雨量监测站建在海拔1000m以下，高海拔地区站点数较少，对得出强降水频次与海拔高度的变化特征存在较大影响。

图12 2010～2019年5～9月各站累计强降水发生日数（横坐标为站点随海拔高度排列的序号，红色线表示强降水发生日数，黑色线表示海拔高度）

3 结论

本文利用四川省气象台提供的2010～2019年5～9月四川地区自动站逐小时降水观测资料，在分析短时强降水事件24h累计降水量、频次和强度的日变化特征的基础上，研究了短时强降水事件的时空分布特征以及事件频次、极值分布与地形海拔高度的关系等，主要结论如下：

（1）四川地区降水主要集中在四川盆地，盆地中降水大值区主要集中在盆周山区，川西高原和攀西地区降水相对较少。24h累计降水大多在75mm以上的地区为四川盆地和阿坝州，其中达到大暴雨量级（>100mm）的24h累计降水大值中心主要分布于盆周山区、阿坝州以及甘孜州东部、凉山州北部的局部地方。而甘孜州和攀西地区南部24h累计降水量级相对较小，多为大雨到暴雨量级（25～100mm）。四川盆地和阿坝州的降水频次普遍在60次以上，盆地的降水频次大值区同样主要分布在盆周山区。甘孜州和攀西地区南部平均降水频次相对较少，多为80次以下。四川盆地和攀西地区的降水强度相对较大，普遍在0.75mm/h以上，其中盆地的降水强度大值区主要分布在盆地北部。川西高原的降水强度相对较小，多为0.75mm/h以下。

（2）短时强降水在夜间时段较强；00～10时，强降水降水频次逐渐减小，其中00～02时发生了持续5～20h的强降水；17～23时，强降水维持时间呈增大趋势，持续5～22h的强降水均有发生。03时，降水量和降水频次同时达到峰值；而15时，降水量和降水频次同时达到谷值；两者变化趋势皆呈单峰型结构，对应四川地区降水的“夜雨”特征。与降水量和降水频次的变化趋势不同，降水强度呈现不明显的双峰结构，分别在03时和14时达到谷值，在13时和18时达到峰值，日变化呈“增-减-增-减”的特征。

（3）整个汛期，四川盆地西部边缘雅安、峨眉附近存在一个大值中心，年均短时强降水发生频次可达80次以上，雅安有世界著名的“天漏”之称，其北侧具有特殊的喇叭口地形，雨量大且雨日多，降水量受地形影响显著；其次是盆周西北部山脉地区，年均短时强降水发生频次61～80次；盆地东北部大值站点较为分散。整个汛期，有15个站点最大小时雨强超过80mm/h，多位于盆地西部，在西南部和西北部各存在一个极大值中心；最大小时雨强超过60mm/h的站点聚集在龙门山脉一带。

（4）近10年以来短时强降水主要集中在海拔较低的四川东部地区，共计3300余次。随着海拔升高，短时强降水发生频次明显减少，盆地较其他地区短时强降水发生频次偏多。四川地区的测站大部分都集中于盆地地区，而位于盆周山区和川西高原的站点稀少。随着海拔高度的增加，发生强降水的日数整体减少了，在海拔高度达到1000m时强降水发生的日数明显减少，达到2000m时基本无强降水发生日出现（峨眉山气象站例外）。