2005—2019年河北省小时降水时空分布特征

周玉都 许敏 赵玮 刘艳杰 李娜

(河北省廊坊市气象局， 廊坊 065000)

引言

全球气候变暖已成为人类的共识(IPCC，2014)，气温上升使得大气中水汽含量增加，大气的持水能力加强，有利于降水量的增加[1-2]。但是，全国总降水量呈微弱减少趋势[3]，并且具有较明显的区域性差异，在中国东南和西北地区呈增加趋势，中部、东北和华北呈减小趋势。要更深刻理解降水的过程演变特性，除降水量外，还应认识降水频次和强度的日变化特征[4]。国内外有很多这方面的研究成果。如，按季节划分：冬季，全国日降水强度及强降水日数都有不同程度的增加,西北地区的变化相对显著[5]；夏季，长江流域降水频率增加、降水强度增大导致长江流域降水增加，而华北地区降水减少主要是降水频率减少的结果[6]。按量级划分，四川省年均暴雨日数从西到东呈现“增—减—增”的总体变化趋势，大雨日数变化趋势与之接近[7]，而石家庄年总降水日数和不同量级降水日数呈现自西北、东南向中部地区逐渐减少的趋势[8]。以上研究主要是针对日尺度降水进行分析，采用小时尺度降水替代日降水资料可更好地反映强度等实际降水的变化，减小取样的误差[9]，比如，研究夏末(7—8月)小时降雨特征发现，长江流域(华北)中下游的降雨数量和频率明显增加(减少)，但降雨强度却有所降低(增加)[10]。这与以往基于日数据得到的长江流域每日降雨量增加的结果不同，其每小时降雨强度是降低的。此外，宇如聪[11-12]利用小时降水资料分析我国大陆地区夏季降水日变化特征发现，青藏高原及其东部地区在午夜达到降水极值，长江中游地区的最大降水量出现在清晨，而江淮、黄淮地区则呈现出清晨、午后双峰并存的特征。周天军[13]等基于小时降水资料与卫星观测资料分析我国夏季降水频率和强度的日变化特征，得出相似的结论。

近年来随着气象事业的高速发展，高分辨率观测资料日益增加，国内外开展了一系列关于小时降水的研究[14-16]，李小峰[17]发现最高的平均和最高每小时降水强度值主要位于大陆而不是海洋之上。殷水清[18]利用次日降水和风观测资料研究北京地区夏季降水的日变化提出，位于平原地区的气象站表现出典型的夜间降雨高峰，而位于山区的气象站则表现出明显的午后降雨峰值。董旭光[19]分析济南地区小时强降水时发现，小时强降水日变化呈双峰-双谷特征，11:00 和 23:00前后为强降水最少时段，04:00—05:00 和 14:00—21:00 是强降水较多时段。章毅之[20]分析江西省小时降水时发现，近40年赣北东部小时降水事件频次和累计降水量增加趋势显著。吴兴洋[21]发现，贵州强降雨具有明显的夜发性特征，出现时间集中于午夜前后02:00左右，前半夜多于后半夜，午间时间是出现最少时段。

河北省地处华北平原，内环京津, 地势西北高、东南低，是中国唯一兼有高原、山地、丘陵、平原、湖泊和海滨的省份，随着城市不断建设发展，小时强降水造成城市内涝愈发严重[22]，如2012年7月21日河北大部分地区遭遇的建国以来最强暴雨洪涝灾害，这就需要我们在探讨该地区气候变化趋势的同时，了解和掌握该地区的极端降水分布特征和变化趋势，尤其是逐时高分辨率降水变化特征，从而更精确地反映实际降水的演变过程和降水强度信息，这对于城市合理规划和城市气象灾害防御等都具有重要意义。目前，虽然已有学者对京津冀地区的极端降水的时间变化特征做了深入分析[23-25]，但在河北省小时降水的研究仍然较少[26]，特别是关于小时降水日变化的空间分布的研究是空白的，因此，本文利用2005—2019年河北省40个国家气象观测站逐时降水资料，探讨汛期(5—9月，下同)小时降水和小时强降水的时空分布特征，为进一步改进数值预报模式中与降水有关的本地化参数提供必要依据，为降水强度精细化预报、城市规划发展等提供参考。

1 资料及方法

采用河北省2005—2019年汛期(5—9月)国家气象观测站的逐小时降水量，时间序列较为完整、空间分布相对均匀的40个国家气象观测站的资料。

小时降水量大于或等于0.1 mm，该时次为有降水的时次，记做一次降水事件；小时降水量大于或等于20 mm，该时次为小时强降水时次，记做一次小时强降水事件；为了更好地分析小时降水的特征，参照文献[27]，引入小时降水量、降水频次、降水强度、小时强降水最大值、小时强降水频次，具体定义如下：①小时降水量，指统计时段内，总降水量/总时次，该量用以描述单位时间内降水的多少，用来分析时间序列或空间上单位时间平均降水量的差异。②降水频率，指统计时段内，有降水的时次×100%/总时次，可以用来表示小时降水事件出现的频率。③降水强度，指统计时段内，总降水量/总的有降水的时次，可以用来表示实际有降水发生时小时降水的平均强度。④小时强降水最大值，指该区域或该时段内小时强降水的最大值。⑤小时强降水频次，指该区域或该时段内小时强降水出现的次数。

2 小时降水的时空分布

2.1 小时降水的时间分布特征

2.1.1 汛期小时降水的年际变化

河北省年小时降水量分布在0.09～0.15 mm之间，有4～5年的周期性变化(图1)；2012年降水频率达到最高5.54%，之后呈明显下降趋势，每年下降幅度为0.22%，趋势线通过了α=0.05的F显著性检验；而降水强度呈现波动变化，但是没有明显的变化趋势，近年来河北省的降水频率有所减少，降水强度变化趋势并不明显。

图1 2005—2019年河北省小时降水量、降水频率、降水强度变化

2.1.2 汛期小时降水的月际变化

5—9月，小时降水量、降水频率和降水强度均呈单峰型分布(图2)，7月达到峰值，分别为0.20 mm、5.87%、3.32 mm/h。这是因为7、8月受副高北上影响，河北地区进入主汛期，降水较多，并且以对流性降水为主，因此小时降水量、降水频率和降水强度的峰值多集中在7月或8月。

图2 2005—2019年5—9月河北省小时降水量、降水频率和降水强度

2.1.3 汛期小时降水日变化

小时降水量、降水频率、降水强度有明显的日变化特征(图3)，降水主要集中在傍晚到夜间，上午时段降水量较小，13:00(北京时，下同)达到谷值，14:00开始明显增加，17:00达到峰值0.15 mm，16:00—20:00维持在较高的水平。降水频率与小时降水量日变化相似，而降水强度的谷值较前两者有明显的提前，08:00前后出现谷值，16:00—04:00前后降水强度维持在较高水平，这是因为午后地面温度升高后，强对流天气发生的概率增加，降水强度增加。午后到傍晚地面温度增高，导致层结不稳定加剧，多发对流性降水，另外，有时华北地区受东北冷涡的日变化影响，傍晚多发对流性天气。

图3 2005—2019年河北省小时降水量、降水频率、降水强度的日变化特征

2.2 小时降水的空间分布特征

2.2.1 汛期多年小时降水的空间分布

河北省多年小时降水量、降水频率、降水强度均有明显的区域差异(图4)。小时降水量(图4a)呈现两高两低的分布趋势，第一个大值区位于是河北东北部的唐山、秦皇岛、承德东南部、沧州东部一带，另一个大值区位于石家庄西北部、保定西南部一带；两个低值中心位于河北西北部地区以及保定、石家庄、衡水、邢台交界处；总体而言，河北中北部地区从东部沿海到西部山区、坝上地区小时降水量呈逐渐减小的趋势，而河北南部地区与之相反。另外，降水频率(图4b)是呈现两高一低的分布趋势，两个大值中心分别位于河北北部和中西部，这说明地形有利于降水的出现，在海拔较高的区域降水出现的频次高，但结合降水强度(图4c)可知，降水强度与降水频率的分布大致呈反相关，强度大值区更容易出现在河北东部地区，因为该区域是东南风与地形相互作用的迎风坡地带，说明地形抬升是河北强降水产生的一个重要原因。

图4 2005—2019年河北省年均小时降水量(a)、降水频率(b)、降水强度(c)空间分布

2.2.2 汛期5—9月的空间分布

从图5可以看出,5月小时降水量在河北南部和东北部最大，大值中心分别位于邢台、青龙附近，保定、廊坊、沧州交界一带存在一低值中心。6月中北部降水量增加，在东北部地区存在大值中心，南部降水量变化不大，且存在低值中心。7、8月为主要降水月份，与其他月份相比东北部和东部地区降水量增加明显，7月大值区位于东北部，而石家庄、邯郸、沧州交界存在低值中心，8月大值中心移至东部沿海一带。这是因为7、8月副热带高压西伸、北抬，东部地区处于副热带高压外围的暖湿气流输送带中，而此时高空短波槽和东北冷涡活动频繁，易出对流性降水。9月降水量迅速减小，河北东部、东北部减小最为明显，在秦皇岛、唐山、沧州沿海一带形成低值区。

图5 2005—2019年河北省5—9月小时降水量(mm)、降水频率(%)、降水强度(mm/h)空间分布

降水频率的大值区5、6月位于河北北部，7月河北中南部的西部山区降水频率明显增加，形成一个新的大值中心，8月北部的大值区东移南压至东北部和东部的沿海一带。9月河北中东部降水频率迅速减小，而中南部西部山区的大值区中心范围和大小均有所增加。降水强度随着时间的推移先从东南向西北加强，之后再从西北向东南减弱，东部沿海及东北部更容易出现强度峰值中心。

2.2.3 汛期小时降水日变化的空间分布

河北降水主要出现在傍晚到夜间，且雨带在空间上随时间的推移表现为自西向东推移的特征，降水峰值的出现时间自西向东有所延迟。西北部地区小时降水量较长时间处于较低水平，西部和南部次之，东北部地区小时降水量最大，东部和中部次之。从00:00开始雨带逐渐自西向东推移，西北和南部降水量迅速减小，东北部地区增加明显，且降水量大值区范围收缩明显，东北部达到峰值。07:00—15:00全省小时降水量进入低值区，之后自北向南小时降水量逐渐增加，16:00—19:00北部和南部小时降水量达到峰值，之后雨区东移且降水量减小。

从小时降水频率日变化的空间分布来看(图6)，下午到夜间为降水高发时段，尤其是傍晚到前半夜(16:00—21:00)，该时段内降水频率较大的区域位于河北北部的张家口、承德以及西部山区，入夜之后北部、西北降水频率迅速降低，而中东部地区逐渐增加，至次日06:00前后东北部地区到达到峰值，之后河北南部有一定程度的上升，10:00—13:00是降水频率最低的时段，低值中心位于中东部地区。

图6 2005—2019年河北省逐小时降水频率空间分布

不同区域小时降水强度日变化具有一定的差异(图7)，北部和东北部日变化呈一高一低分布，17:00—19:00达到峰值；东北部呈两高分布，00:00—05:00、15:00—21:00达到峰值；中东部在00:00—05:00达到峰值，而南部和西南部峰值时间为17:00—21:00。

图7 2005—2019年河北省逐小时降水强度空间分布

综合来看，河北北部张家口、承德一带午后到傍晚(16:00—19:00)小时降水量最大，此时该区域降水频率达到峰值，降水量与之较为一致，而降水强度则是维持在较低水平，因此，河北北部、西部山区及南部的降水量主要来源于降水频率，而降水强度的贡献较小，这是因为北部地区更容易受到西来短波槽、高空冷涡日变化的影响而产生降水，但是高海拔限制了小时降水的强度。河北东北部的唐山、秦皇岛15:00—17:00存在一个降水量大值中心，而此时降水强度的大值中心与之基本一致，而降水频率处于较低水平，河北东北部的降水主要来源于降水强度。河北中东部、东北部降水量、降水频率和降水强度后半夜(00:00—05:00)处于峰值区域内，该时段的降水量是由降水频率和降水强度共同影响造成的。

3 小时强降水的时空分布

分析了河北省小时降水的气候分布特征，但汛期小时强降水(≥20 mm/h,下同)往往才是造成灾害的重要原因，强降水容易造成城市和农田内涝、小流域山洪以及地质灾害等，因此，进一步对小时强降水和小时降水极值的时空分布特征做深入的认知是非常必要的。

3.1 汛期小时强降水的贡献率

从2005—2019年河北省小时强降水量对总降水量(图 8a)和小时强降水频次(图 8b)对总降水频次的贡献率分布来看，降水频次与降水量的贡献率相差接近一个量级，降水频次的贡献率不到3%，而降水量贡献率的大值区接近27%，虽然小时强降水频次贡献率不高，但是降水强度大，对总降水的贡献率也大。在河北省东部的唐山、秦皇岛、沧州地区小时强降水频次贡献率最大，其次是廊坊和衡水东部，而在河北西北部海拔较高的地方小时强降水频次贡献率不足1%，说明高海拔不易出现小时强降水，海拔越高小时强降水量的贡献越低，小时强降水频次越少。

图8 2005—2019年河北省小时强降水降水量(a),降水频次(b)的贡献率

3.2 汛期小时强降水的时间变化特征

3.2.1 小时强降水极值及频次的年变化

直接分析小时强降水极值及频次的逐年变化无法得到明显的变化趋势，定义某年小时强降水频次与前后两年频次差值的绝对值的和为频次幅度，表示小时强降水发生次数的年差异化；同样定义极值幅度，表示小时强降水极值的年差异化；定义某年小时强降水极值与前后两年极值的平均数为极值平均，表示小时强降水极值3年平均态的逐年变化。图9是频次幅度、极值幅度和极值平均的散点分布图以及它们的趋势线，趋势线均通过了α=0.05的F显著性检验。频次幅度随时间是增大的，其趋势线R2接近0.68，相关性比较好，频次总体呈年差异化变大趋势，小时强降水发生次数逐年增加或减少更加明显，小时强降水发生频次逐年“忽多忽少”加剧，使得洪涝灾害和干旱频发。极值幅度随时间是减小的，其趋势线R2接近0.52，相关性比较好，小时强降水的极值呈年差异化变小趋势；极值平均具有相同的变化趋势，其趋势线R2接近0.49，具有一定的相关性，小时强降水的3年平均态极值呈逐年降低的趋势。

图9 2006—2018年河北省小时强降水频次幅度、极值幅度和极值平均

3.2.2 小时强降水极值及频次的月际变化

图10给出了河北省2005—2019年汛期小时强降水出现频次和最大值的月变化，小时强降水频次呈单峰型分布，7月出现频次最多，而小时强降水最大值则出现在8月，这是受副热带高压第3次北跳的影响，华北地区水汽与能量条件更为充足，小时强降水的频次和强度都明显增加。另外，5月虽然降水频次最少，但降水强度超过了6月和9月，这是因为5月多发中尺度对流天气。

图10 2005—2019年河北省5—9月小时强降水出现频次和降水量最大值

3.2.3 小时强降水极值及频次的日变化

从图11可以看出,小时强降水频次日变化呈“双峰双谷”型分布，15:00—21:00、00:00—05:00两个时间段为小时强降水多发期，强降水极值的分布与频次较为相似，多出现在午后到傍晚，最大值为121.9 mm，出现在2008年8月11日12:00—13:00的曹妃甸。

图11 2005—2019年河北省小时强降水出现频次和最大降水量的日变化

3.3 汛期小时强降水的空间分布特征

3.3.1 小时强降水极值及频次总体分布

从2005—2019年河北省小时强降水出现的最大值和频次(图12)来看,小时强降水存在明显的区域性差异。频次总体呈现东部高、西北部低，其余地区为过渡区。小时强降水最大值整体表现为两高两低的区域分布，两个高值区域分别是东北部和西南部，两个低值区域是西北部和东南部。总的来说，河北东部受副高外围偏南暖湿气流的影响，且受燕山地形影响，易发生强对流天气，小时降水强度较大，而西北部地区海拔较高的坝上平原反而不利于强对流天气的产生。除此以外，石家庄西部、邢台西部山区都处于降水频次和降水量最大值的大值区，说明地形的抬升有利于强降水的形成。

图12 2005—2019年河北省小时强降水出现频次(a)和最大值(b)的空间分布

3.3.2 5—9月小时强降水极值及频次分布

河北省汛期小时强降水集中在7、8月(图13)，极值多位于中部、南部和东北部，上述地区处于副热带高压外围偏南风暖湿气流输送带上，降水雨强较大，迎风坡地形也是造成雨强较大的主要原因之一。5月张家口大部分地区、承德西部强降水频次为0，其余地区1～4次不等；6月以局地强对流降水为主，多出现在平原和山区的过渡地带，受地形的影响较为明显；7、8月小时强降水频次增加明显，主要集中在东部沿海和南部地区，9月短时强降水频次迅速减小，但也有超过50 mm的小时强降水极值存在。

图13 2005—2019年河北省5—9月小时降水量最大值及小时强降水频次空间分布

3.3.3 小时强降水最大值及频次日变化空间分布

小时强降水最大值(图14)和频次(图略)的空间分布均有较大差异，它们有两个相同的高峰时段，一是傍晚17:00前后，二是夜间段。夜间段降水量最大值有从西部山区向东移的趋势，特别是00:00—06:00；从空间上来看，降水频次具有南高于北、东高于西的分布特征，西北部是小时强降水低发区域；另外，时间上，下午至夜间是小时强降水的活跃期，特别是傍晚17:00—18:00，而00:00—06:00频次大值区与降水最大值相同，具有从西部山区向东移的趋势。上午时段是小时强降水的低发时段，小时强降水的强度也较弱。

图14 2005—2019年河北省逐小时降水量最大值的空间分布

4 降水成因初步分析

4.1 天气学特征

降水出现的概率和降水的强度受天气形势的影响(表1)，分析小时强降水、一般小时降水的天气形势发现，高压底部、低压、高压后部在出地面形势中排名前3，小时强降水的地面形势与之相似，但是确定的天气形势下出现降水时，倒槽、鞍型场、高压后部更容易产生小时强降水。一般小时降水和小时强降水的高空形势(500 hPa)，平直西风环流和西南气流占比最高，小时强降水高空西南气流占比超出一般小时降水接近15个百分点，小时强降水西北气流占比是一般小时降水的3倍以上，确定的天气形势下出降水时，西南气流、低涡和西北气流更容易出现小时强降水。整体而言，高空的经向度加深、地面偏东风或低压辐合场都有利于降水产生，同时也是有利于小时强降水产生的条件，并且在一些特定的天气形势下，比如地面倒槽、鞍型场、高空低涡、西北气流，小时强降水在该天气形势下降水时次的比例有明显的提高。

表1 出现小时降水对应的高低空天气形势

4.2 小时强降水物理量

统计物理量(表2)发现700 hPa比湿平均数达到了7.42 g/kg，850 hPa接近12 g/kg，表明中低层有深厚的湿层；另外，小时强降水的层结不稳定强度(K指数)达到河北省强对流天气的指标(28 ℃)，CAPE值超过了447 J/kg，具有一定的能量条件，0～6 km垂直风切变较弱。分析表明，小时强降水对水汽条件要求较高，特别是对流层中低层有较为深厚的湿层，由于小时强降水过程中雨滴的拖曳作用会加强下沉气流，因此它对层结不稳定强度和垂直风切变强度要求比干对流低。

表2 小时强降水出现对应的物理量特征

5 结论

(1)河北省小时降水频率近年来是降低的，而小时强降水频次没有明显的变化趋势，小时降水量、降水频率、降水强度以及小时强降水频次的月变化均呈单峰型分布，峰值出现在7月或8月，这与对流性降水有关。小时强降水频次逐年增加或减少更加明显，使得小时强降水事件发生的极端性更突出，而小时降水强度维持在较高水平。

(2)河北省降水主要集中在傍晚到夜间，上午时段小时降水量较小，受午后局地对流天气的影响，峰值多出现在17：00前后，小时强降水发生频次较高。

(3)年小时降水量大值中心主要位于河北东北部和西南部地区，降水频次和降水强度受地形影响较为明显，降水频次两个大值中心分别位于海拔较高的北部和中西部，而平原降水频率较低，但是降水强度大值区位于东北部，这是受副热带高压和地形作用共同影响造成的，并且降水频率高和降水强度大导致该区域小时平均降水量较大。

(4)河北省南部5—7月降水量主要源于降水强度的贡献，9月主要来源于降水频率的贡献；北部、西部山区和西北部坝上地区降水量更主要的是受降水频率的影响；东北部降水量则是降水频率和降水强度的共同影响造成的。小时降水量、降水频率和降水强度在下午至夜间的时段内大值区有东移北抬的趋势。

(5)小时强降水对总降水量和降水频次的贡献率相差接近一个量级，降水频次的贡献率不到3%，而降水量贡献率的大值区接近27%。小时强降水的高发期是7—8月，主要集中在河北东部和南部，其最大值出现在东北部和石家庄一带。

(6)高空的经向度加深、地面偏东风或低压辐合场都有利于降水产生，同时也是有利于小时强降水产生的条件，并且小时强降水在一定的天气形势下降水时次的比例有明显的提高。

(7)小时强降水对水汽条件要求较高，特别是对流层中低层有较为深厚的湿层，而对层结不稳定强度和垂直风切变强度的要求较低。