基于分钟降水数据的长沙市场次降水事件特征分析

段丽洁，曾向红，蒋元华，贺卫宁，陈世洋，郭凌曜

（1.气象防灾减灾湖南重点实验室，长沙410118；2.湖南省气候中心，长沙410118；3.中机国际工程设计研究院有限责任公司，长沙410007）

引言

湖南省位于欧亚大陆东南部，中国中南部、长江中游以南，南岭以北，东南西三面环山，向北开口，构成独特的“马蹄”形地形格局，地貌形态复杂多样,属于典型的亚热带季风气候区，湖南省年平均降水量为1 403.1 mm，位居全国各省(区、市)前列，降水的时空分布不均，造成了湖南省旱涝灾害频发，已有很多学者开展了关于湖南省降水特征的研究(张剑明等，2009；邝美娟等，2013；戴泽军等，2015；周莉等，2018)。长沙位于湖南省东部偏北，年平均降水量为1 428.1 mm，作为湖南省的省会城市，强降水引发的城市内涝造成的影响尤为突出。张剑明等(2007)利用线性回归、小波分析和M-K突变分析等方法分析了近50 a来长沙降水的变化；邱庆栋等(2016)开展了基于Morlet小波的长沙降水周期分析；蔡海潮和马琴(2018)对1951—2017年长沙汛期降水气候特征进行了分析。

以上对于湖南省及长沙市降水特征的分析均是基于以20∶00作为的日分界的日降水资料，因日降水资料有获取方便、处理简单等优势而被广泛使用，但是以20∶00作为日分界，比较强的降水事件可能被人为地分割为强度级别较弱的日降水，从而低估致灾因子的危险性，而小时数据、分钟数据与日降水资料相比，更能够呈现精细的降水特征。基于小时数据开展降水特征分析的研究也有很多，如姚莉等(2009)开展了中国1 h雨强的时空分布特征，殷水清等(2012)分析了淮河流域夏季逐时降水变化趋势，宇如聪等(2014)完成了中国大陆降水日变化研究进展。在分钟数据的应用方面，叶焕娥等(2009)采用不同时段降水资料开展了东莞降水强度的演变及趋势分析，王光明等(2017)基于分钟数据推求了湖南主要市州的暴雨雨型，沈永生等(2019)开展了福建省分钟级雨强特征分析及区划。

场次降水事件是指基于小时或分钟数据统计的不受人为划定的日界限制的降水过程。对场次降水事件的研究，间歇时间的确定是关键，不同的间歇时间会造成场次降水的划分出现较大的差异，已有研究均是在给定的间歇时间下开展的，使用的间歇时间也不同，如李建等(2013)采用的降水间歇时间为2 h，刘思敏等(2016)采用的间歇时间为5 h，王文婷等(2018)研究中采用的间歇时间为6 h。如何客观、有效确立降水间歇时间，目前尚未见到确定的方法，也未见到对不同降水量阈值场次降水事件的持续时间、起止时间等方面的系统分析。

本文拟采用长沙市1980—2017年的分钟降水数据，通过开展降水场次与间歇时间的敏感性分析，客观确立间歇时间，在此基础上建立关键期的降水特征矩阵，从降水场次与过程降水量、开始时间、结束时间、持续时间及间歇时间等5个方面开展长沙市场次降水事件的特征分析。

1 资料与分析方法

长沙市内有两个国家地面气象观测站，分别是马坡岭国家一般气象站和长沙国家基本气象站，分钟数据集制作由湖南省气象信息中心处理完成，分为四个步骤：数据源准备、异构数据提取、数据集质量控制、数据集实体文件生成。根据马坡岭和长沙站资料缺测率统计发现，马坡岭站分钟数据缺测率较高，全年缺测率高达27.7%。而长沙站资料完整、缺测较少，全年缺测率仅为3.6%。因此本文采用1980—2017年长沙站的逐分钟降水资料来开展统计分析。冬季(12—2月)，为了防止因低温而造成仪器故障，自记雨量计停止使用，因而其缺测率达到14.5%，3—11月的数据缺测率均在0.1%以下。

统计分析长沙1981—2010年共30 a的降水资料，发现3—11月的降水量占全年总降水量的84.8%，强降水也主要集中在3—11月。王遵娅和丁一汇(2008)对中国雨季进行了划分，指出中国雨季具有明显的区域性和阶段性。湖南3月开始雨量显著增加，3—6月湖南降水主要受西风带天气系统即西南低涡、两湖波动等影响，西南低涡东移发展造成长江中下游地区强烈的对流性降水，两湖波动形成前后湖南常出现暴雨或强对流天气；而7—9月西太平洋副热带高压（以下简称副高）是影响湖南的主要天气系统，副高的强弱与进退，与该时段湖南的雨带位置、雨季结束、台风影响以及高温、暴雨、雷雨大风等灾害性天气关系密切(陈庚福等，1987；于来山等，2009)，而且通过统计发现，7—9月降水量的相对变率显著增大(常国刚等，2018)，因此，本文将研究时段分为3—11月、3—6月及7—9月等三个时段。

2 场次降水事件特征分析

场次降水事件的确定首先是确定降水间歇时间，降水间歇时间是指两场降水间隔的时间，即如果两次降水事件之间的间歇时间大于给定的间歇时间，则定义为两场降水事件。本文通过开展场次降水事件对间歇时间的敏感性分析，确定场次降水事件间歇时间。在此基础上，统计3—11、3—6及7—9月3个时段的降水特征矩阵，开展场次降水事件的特征分析。

2.1 场次降水事件对间歇时间的敏感性分析

首先基于分钟数据，分析分钟降水数据的基本特征，在此基础上开展降水场次随间歇时间变化的敏感性分析，最终确定间歇时间。

2.1.1 分钟降水数据基本特征

间歇时间设计为1 min，统计3—11月的降水特征矩阵，结果表明：长沙站1980—2017年3—11月共出现155 811次降水事件，最长持续时间为1 323 min(北京时间1999年06月30日21时01分—1999年07月01日19时03分，过程降水量为58.47 mm)，最大降水量为182.85 mm(1997年06月07日02时52分—1997年06月07日11时52分，持续时间为541 min)，最大间歇时间54 576 min(2013年07月12日19时55分—2013年08月19日17时30分)。96.0%的降水事件持续时间在20 min以下，98.9%的降水事件累计降水量在5 mm以下，79.2%的降水事件间歇时间在10 min以下。

图1为长沙站3—11月不同持续时间(20 min以上)降水事件场次分布图，可以看出随着持续时间的增加，降水场次呈减少趋势，前140 min减少趋势明显。

图1长沙站3—11月不同持续时间(20 min以上)降水事件场次分布图Fig.1 Distribution of precipitation eventswith different durations(more than 20 minutes)from March to November at Changshastation.

图2 为长沙站3—11月不同累计降水量(5 mm以上)降水事件场次分布图，可以看出，随着降水量的增加，降水场次呈减少趋势，40 mm以下减少趋势明显。

图2 长沙站3—11月不同累计降水量(5 mm以上)降水事件场次分布图Fig.2 Distribution of precipitation eventswith different cumulativerainfall(above5 mm)from March to November at Changshastation.

图3为长沙站3—11月不同间歇时间(10 min以上)降水事件场次分布图，可以看出，随着间歇时间增加，降水场次呈减少趋势，在60 min以前趋势明显，在间歇时间在240 min左右降水场次降至100次以下，不足总次数的0.1%。

2.1.2 降水场次随间歇时间变化的敏感性分析

用长沙站3—11月的分钟降水数据，以10—240 min(步长选取10 min)以及240 min以上为降水间歇时间(选取240 min为上限是同时结合图3的分析结果，间歇时间小于等于给定的阈值视为同一次降水过程)；以5～300 mm为过程降水量阈值，步长选取5 mm，进行降水场次对间歇时间的敏感性分析。

图3 长沙站3—11月不同间歇时间(10 min以上)降水事件场次分布图Fig.3 Distribution of precipitation eventswith different break intervals(more than 10 minutes)from March to November at Changshastation.

图4为长沙站3—11月不同间歇时间降水事件场次及平均降水量分布图。从图4a可以看出，对于所有的降水事件呈现随着降水间歇时间的增加，降水事件场次减少，60 min间歇内减少趋势较为明显，过程降水量上升；从图4b可以看出，对于过程降水量在10 mm以上的降水事件前60 min呈现随着降水间歇时间的增加，降水事件场次增加，之后略趋于下降，过程降水量上升；从图4c、4d可以看出，对于过程降水量在20 mm及30 mm以上的降水事件呈现随着降水间歇时间的增加，降水事件场次增加，过程降水量上升。

图4 长沙站3—11月不同间歇时间降水事件场次及平均降水量分布图(a.为所有事件；b.10 mm以上；c.20 mm以上；d.30 mm以上事件)Fig.4 Distribution of precipitation eventsand averageprecipitation with different break intervalsfrom March to November at Changshastation(a)all events,(b)over 10 mm,(c)over 20 mm,and(d)over 30 mm.

根据上述分析60 min之后降水事件场次及平均降水量变化均趋于平缓，因此，选取120 min、180 min及240 min间歇对不同阈值降水事件场次进行比较，图5给出的是长沙站3—11月3个间歇时间不同降水量阈值降水事件场次比较，可以看出，对于3个不同的间歇时间，过程降水量在10 mm以下的降水事件场次差异较大，但对于造成较大影响的强降水过程间歇时间的影响不大，因此，在长沙市选取240 min作为场次降水事件的间歇时间。

图5 长沙站3—11月3个间歇时间不同降水量阈值降水事件场次比较Fig.5 Comparison of precipitation eventswith threedifferent thresholds from March to November at Changshastation.

2.2 场次降水事件特征分析

根据前面分析，选取240 min为长沙市场次降水事件的间歇时间，分别统计出长沙站3—11月、3—6、7—9月3个时段的降水特征矩阵，从降水场次与过程降水量、开始时间、结束时间、持续时间和间歇时间等5个方面开展长沙市场次降水事件的特征分析。

2.2.1 降水场次与过程降水量

长沙站3—11月共出现4 594次降水事件，最大过程降水量为362.80 mm(2017年06月29日10时21分—2017年07月02日03时58分，持续时间为3 938 min)，表1给出了不同阈值降水量降水事件场次占总次数的百分比，可以看出，过程降水量在5 mm以下的最多，为62.2%，50 mm以上的占4.4%；3—6月共出现2 567次降水事件，其中过程降水量在5 mm以下的为58.9%，50 mm以上的占4.6%，最大过程降水量同3—11月；7—9月共出现1 233次降水事件，其中过程降水量在5 mm以下为65%，50 mm以上的占4.7%，最大过程降水量为209.80 mm(2016年07月02日05时10分—2016年07月04日17时05分，持续时间为3 596 min)。

表1 不同阈值降水量降水事件场次占总次数的百分比Table1 Percentageof precipitation eventswith different thresholds.

表2为长沙站1980—2017年平均及最大不同阈值降水量降水事件场次，可以看出：长沙站年平均3—11月出现120.9次降水事件，最大158次(1985年)；25 mm以上的有15.1次，最大21次(1981年)；50 mm以上的有5.3次，最大11次(1999年)。3—6月出现67.6次降水事件，最大83次(2002年)；25 mm以上的有9.4次，最大14次(1981年)；50 mm以上的有3.1次，最大6次(1990年)。7—9月出现32.4次降水事件，最大51次(1984年)；25 mm以上的有3.9次，最大11次(1999年)；50 mm以上的有1.5次，最大6次(1999年)。

表2 长沙站1980—2017年不同阈值降水量降水事件平均及最大场次Table2 Averageand maximumprecipitation eventswith different thresholdsat Changshastation from1980 to2017.

对于场次降水事件(图6)，3月出现频次最多，其次是4月，分别为18.4次、17.9次，最少的是9月，为9.7次；而对于25 mm及50 mm以上的降水事件，6月频次最多，分别为3.0次、1.4次，其次为5月，分别2.4次、0.9次，最少为10月。

图6 长沙站3—11月逐月不同量级雨量平均降水事件场次Fig.6 Theaverageprecipitation eventswith diffrent order of magnitude at Changshastation from March to November.

2.2.2 开始时间

表3为长沙站不同开始时间降水事件场次，可以看出，3—11月降水事件开始时间，19时开始的最多，为230次；其次为23时开始的为227次；13时开始的最少，为142次，9—13时为相对较少时段。3—6月降水事件开始时间，07时开始的最多，为132次；其次为23时开始的为130次；11时开始的最少，为84次；9—18时为相对较少时段。7—9月降水事件开始时间，16时和19时开始的最多，为73次；其次为17时开始的为72次；12时开始的最少，为30次；14—19时为相对较多时段。

表3 长沙站不同开始时间降水事件场次Table3 Precipitation eventsat different start timesat Changshastation.

25 mm以上的降水事件开始时间，3—11月22时开始的最多，为40次；其次为21时开始的为34次；11时开始的最少，为11次；8—15时为相对较少时段。3—6月21时开始的最多，为26次；其次为22点开始的为25次；15时开始的最少，为7次；9—16时为相对较少时段。7—9月16时开始的最多，为17次；其次为04点开始的为11次；11时、12时开始的最少，为1次；10—12时为相对较少时段。

2.2.3 结束时间

表4为长沙站不同结束时间降水事件场次，可以看出，长沙站3—11月的降水事件结束时间，18时结束的最多，为314次；其次为19时结束的为292次，21时结束的最少，为135次；20时至06时为相对较少时段。3—6月的降水事件结束时间，18时结束的最多，为164次；其次为上午8点结束的为159次；20时结束的最少，为73次；20—06时为相对较少时段。7—9月降水事件的结束时间，18时结束的最多，为104次；其次为19时结束的为95次；04时结束的最少，为30次；21—06时为相对较少时段。

表4 长沙站不同结束时间降水事件场次Table4 Precipitation eventsat different end timesat Changshastation.

长沙站3—11月25 mm以上的降水事件结束时间，18时结束的最多，为51次；其次为19时结束的为38次；06时结束的最少，为12次；20—08时为相对较少时段。3—6月18时结束的最多，为27次，其次为17时结束的为24次；06时结束的最少，为8次；夜间为相对较少时段。7—9月18时结束的最多，为17次；其次为19时结束的为12次；12时结束的最少，夜间为相对较少时段。

2.2.4 持续时间

3—11月降水事件，最长持续时间为6 986 min(于开始1981年11月03日22时48分—开始1981年11月08日19时13分，结束过程降水量为69.96 mm)，降水持续时间长，但总雨量不大。表5给出了不同持续时间降水事件场次占总次数的百分比，可以看出，持续时间在1 h的降水事件最多，占27.8%，降水事件持续时间主要集中在12 h以下，占76.2%，超过24 h的降水事件占8.5%；3—6月降水事件，最长持续时间为5 879 min(2012年05月22日11时13分—2012年05月26日13时11分，过程降水量为134.20 mm)。持续时间在1 h的降水事件最多，占25.6%，降水事件持续时间主要集中在12 h以下，占74.2%，超过24 h的降水事件占9.2%；7—9月降水事件，最长持续时间为4 838 min(1993年07月02日09时11分—1993年07月05日17时48分，过程降水量为178.79 mm)。持续时间在1 h的降水事件最多，占34.3%，降水事件持续时间主要集中在12 h以下，占82.9%，超过24 h的降水事件占5.9%。

表5 不同持续时间降水事件场次占总次数的百分比Table5 Percentageof precipitation eventswith different duration.

2.2.5 间歇时间

表6给出了不同间歇时间降水事件场次占总次数的百分比，可以看出，3—11月降水事件，最长间歇时间为54 576 min(2013年07月12日19时55分—2013年08月19日17时30分)，间歇时间在4～5 h的，占12.3%，间歇时间在12 h以下的为45.8%，超过24 h的降水事件占39.1%；3—6月降水事件，最长间歇时间为21 697 min(1985年06月13日19时21分—1985年06月28日20时57分)，间歇时间在4～5 h的，占12.3%，间歇时间在12 h以下的为46.3%，超过24 h的降水事件占37.6%；7—9月降水事件，最长间歇时间同3—11月，间歇时间在4～5 h的，占11.0%，间歇时间在12 h以下的为42.7%，超过24 h的降水事件占42.7%。

表6 不同间歇时间降水事件场次占总次数的百分比Table6 Percentageof precipitation events with different intervals.

3 结论

对分钟降水数据基本特征进行统计，并开展降水场次对间歇时间的敏感性分析，客观确立了长沙市场次降水事件的间歇时间为240 min，在此基础上，建立3—11、3—6、7—9月3个关键期的降水特征矩阵，进行特征分析。主要结论如下：

(1)3—11月分钟降水数据过程持续时间主要在20 min以内，过程累计降水量5 mm以下最多，降水事件间歇时间在10 min以内最多。

(2)对于所有降水事件随着降水间歇时间的增加，降水事件场次减少，过程降水量上升；10 mm以上降水事件前60 min呈现随着降水间歇时间的增加，降水事件场次增加，之后略趋下降，过程降水量上升；20 mm及30 mm以上降水事件呈现随着降水间歇时间的增加，降水事件场次增加，过程降水量上升；120 min、180 min及240 min3个间歇时间下，过程降水量在10mm以下的降水事件场次，差异较大。

(3)基于确立的间歇时间统计分析可知，1980—2017年年平均3—11月出现121次降水事件，3—6月出现68次降水事件，7—9月出现32次降水事件；降水事件开始时间与结束时间随不同季节及降水量阈值呈现不同的日变化特征；降水持续时间在1 h以内的最多，多数集中在12 h以下，占76%，超过24 h的降水事件占9%，间歇时间在4～5 h的，占12%，间歇时间在12 h以下的为46%，超过24 h的降水事件占39%。