山西省汛期短历时强降水特征

周雅清，胡桃花，王 弢，赵酉龙

（1.晋中市气象局，山西 晋中030600；2.朔州市气象局，山西 朔州036000）

在全球气候变化背景下，极端强降水事件频发，对社会经济发展造成严重危害[1]。有研究指出，中国短历时暴雨量和暴雨日占总暴雨量和暴雨日数的75%以上，且短历时暴雨对总暴雨的贡献率呈增加趋势[2]。因此，分析短历时强降水的变化规律，对防灾减灾、提高气候适应性有重要意义。

众多学者对短历时强降水事件的研究，已经开展了很多工作，得到了一些有指导意义的结论[3-6]。Chen等[7]采用中国876个自动气象站小时雨量资料，分析了短历时强降水的时空分布，发现中国不同地区短时强降水有不同的日变化类型，不同下垫面、强降水的周期和持续时间也存在很大差异。殷水清等[8]发现海河流域1961—2004年短历时降水量呈减少趋势，但短历时降水量占总降水量的比重呈增加趋势。毛冬艳等[9]发现西南地区1981—2010年短时强降水频次增加、强度增强。以上研究多采用国家级台站降水资料，难以捕捉短时强降水过程细致的时空结构特征。近年来，随着高密度区域自动站的布设，大量高时空分辨率的降水观测资料积累，为研究短历时强降水的精细化特征提供了数据支撑。王国荣等[10]和李琛等[11]采用北京人工观测站和自动气象站资料，发现北京西山前的平原地区是强降水高发区域，短时强降水主要发生在午后到前半夜。张超等[12]根据乌鲁木齐6个国家站和31个区域自动站资料，分析了不同区域短时强降水特征，发现短时强降水浅山区多、平原和高山区少。

有研究表明，强降水在一定程度上受到城市化的影响[13]。但由于受数据限制，降水的城市化影响研究以月、季、年时间尺度为主，对小时尺度降水影响分析较少。钟时[14]通过对京津冀一次夏季强降水事件的集合模拟发现，城市化导致城区降水强度增加，持续时间延长。吴息等[15]利用北京城、郊自动气象站小时降水资料对比分析后发现，城市效应在下风区短时降水雨量，市中心短时暴雨发生频率和强度的增加方面效果最明显。Yang等[16]研究表明，北京城区短历时降水与城市热岛强度有很好的相关性。陈圣稢等[17]和沈澄等[18]利用南京加密自动气象站小时资料，发现南京短时强降水空间分布具有明显的城郊差异。这些研究主要集中在特大城市群，对发展程度相对较低的中小城市，其强降水受城市化影响的程度和时空结构较少涉及。

山西省地形复杂，夏季降水集中，短时强降水易引发洪涝灾害[19]。目前关于山西短时强降水的分析很少。本文根据山西省自动气象站小时降水资料，结合华北区域大的气候背景以及山西省本地业务规范，选取了符合本地气候特点和气象服务需求的短时强降水标准，在此基础上，分析了山西省汛期短历时强降水的时空变化特征，并通过对比太原市城乡台站强降水结构差异，定量分析了城市化对不同等级短时强降水的影响，以期为山西省致灾暴雨的精细化短时临近预警预报提供参考依据。

1 研究方法

选取山西省2011—2016年汛期（5—9月）290个国家和区域自动站逐小时降水观测资料，其中国家站单站小时资料缺测不超过0.5%，区域自动站不超过6%。对观测数据进行了界限值检查以及时间、空间一致性检查的质量控制[20]，共检测出错误数据508个，占总数据量的0.08%，错误数据按缺测处理。

根据气象台站位置和周边环境将上述290个台站分为城市站和乡村站，位置描述为“乡村”或“山顶”；以台站为中心，半径2 km内建成区面积在1/3以内的台站作为乡村站（217个），代表气候背景变化；其余台站则定义为城市站（73个）（图1）。

图1 自动气象站分布

为了定量评价城市化建设对强降水的影响，参照周雅清等[21]定义，城市化影响是指由于城市热岛效应等因素引起的城市站与乡村站气象要素值的差异（△Xur）。设△Xu为城市站气象要素的值，△Xr为乡村站气象要素的值，则△Xur可简单的表达为△Xu与△Xr之差，当△Xur值越大，表明城市化影响越显著。

短时强降水有多种定义标准[7，9]，根据华北地区内陆城市降水特征，结合《山西省城市内涝气象风险预警业务规定》，定义某台站出现一次1 h降水量≥15 mm的降水过程，即为一个短时强降水日，同时根据小时降水强度，将短时强降水分为4个等级，具体标准见表1。其中Ⅳ级和Ⅲ级强降水为一般性强降水，Ⅱ级和Ⅰ级强降水为特强降水。

表1 山西省短历时强降水等级标准

2 结果分析

2.1 各级强降水空间分布特征

图2是2011—2016年汛期平均各级别累计强降水量空间图。Ⅳ级年平均累计降水量大致呈南多北少，只有2个站没有出现过该量级的降水，累计降水＞30 mm的大值区主要分布在山西省中南部的东部地区；Ⅲ级累计降水量明显呈南多北少，有7个站没有出现过该量级的降水，累计降水＞30 mm的大值区主要分布在南部；Ⅱ级累计降水量主要分布在中南部，有近一半台站没有出现过该量级的降水；I级累计降水量大值中心主要分布在山西省东南角。

图2 山西省2011—2016年汛期多年平均不同等级累计降水量（单位：mm）分布

4个等级强降水的累计降水小时数与累计降水量的空间分布形态相似。Ⅳ级降水年平均累计小时数为0～3.2 h，1.8 h以上区域主要分布在山西省东部太行山区；Ⅲ级降水累计小时数为0～2.2 h，1.3 h以上的大值区集中在山西省中南部；Ⅱ级降水较少发生；Ⅰ级降水累计小时数为0～1.5 h，主要在山西省东南部。

总体上，山西省强降水北少南多，高纬区少于中低纬区；各级强降水的累计降水量和累计降水小时数的大值区沿太行山脉和吕梁山脉分布。

廖菲等[22]研究得出，中小尺度地形通常对降水中心的落区有着显著的影响。范广洲等[23]研究发现，华北地区西部和北部的高地形有利于区域夏季降水，其影响主要表现在动力作用方面。山西省特殊的地形对强降水的形成、发展同样有重要作用。山西夏季对流层底层盛行西南风，天气系统多自西向东移动。当产生强降水的天气系统（低涡、西风槽、切变线等）过境时，遇吕梁山或太行山迎风面强迫抬升，并且暖湿气流在迎风坡形成气旋性辐合，对降水有明显增幅作用，因此在太行山和吕梁山区强降水的降水量和降水小时数明显多于其他区域。

2.2 各级强降水日变化特征

对各级降水的累计强降水量、强降水小时数以及强降水强度的日变化进行分析后发现，累计强降水量和小时数的日变化高度重合，而强降水强度则没有明显的日变化规律。计算各级强降水逐时降水小时数占全天降水小时数的比值后，得到降水频率。图3给出了降水频率日变化。Ⅳ级降水（图3a）15—23时（北京时，下同）为高发时段，最大峰值在15—18时，谷值在03—04时；Ⅲ级降水（图3b）在15—18时和22—23时为高发时段，06时最不易发；Ⅱ级降水（图3c）在16—18时和03时为高发时段，12时没有发生过该等级降水；Ⅰ级降水（图3d）在午后到前半夜易发，尤其15—18时发生频率累计近35%，04—14时不易发，11个时次累计发生频率仅17%。Ⅳ级和Ⅲ级强降水日内变化相对平缓，而Ⅱ级和Ⅰ级强降水变化振幅更大。

图3 山西省汛期降水频率日变化

2.3 各级强降水季节内变化特征

从5月1日起，汛期共计30候，为了解强降水季节内变化特征，计算逐候累计强降水小时数的逐时变化（图4）。山西省强降水主要集中在12—24候（7—8月）。Ⅳ级降水多出现在整个汛期午后到傍晚，7月在上午还存在一个高发时段；Ⅲ级降水季内变化与Ⅳ级相似；Ⅱ级降水在7月夜间和8月午后高发；Ⅰ级降水在7、8月都在午后和夜间出现两个高发。午后到傍晚的强降水日峰值是由于太阳辐射变化引起的，白天地表受到太阳辐射加热，大气不稳定性增加，导致对流性强降水增多；而一般性强降水上午时段的日峰值则与大尺度天气系统导致的区域性持续强降水有关。

图4 山西省汛期各级强降水逐侯累计降水小时数日变化（单位：h）

2.4 城市化对强降水的影响分析

除了地形和纬度的因素，强降水还可能受到城市化的影响[15-19]。根据2011—2016年217个城市站和73个乡村站小时气温差值，绘制了山西省汛期城市热岛强度的日变化曲线，与强降水发生频率日变化进行对比分析（图5）。城市热岛强度日变化呈单峰型，09—14时处于谷值，之后逐渐增强，19—01时达热岛高峰，并在05时前维持较高水平。对比城市热岛和强降水的日变化曲线发现，15—18时是各级短历时强降水的高发时段，此时城市热岛不断增强，为对流性强降水提供了热力不稳定的有利条件[24]。到了夜间（20—23时），各级降水出现第二峰值，而这时正是热岛效应最强的时候，城区由于热岛效应大气层结不稳定，有利于对流性天气发生发展和产生强降水。各级强降水一般在城市热岛增强时段易发，而热岛强度较弱时，强降水发生率一般是最低的。

图5 山西省2011—2016年汛期城市热岛强度和强降水频率日变化

定量描述城市发展对强降水的影响，选取太原市13个城市站和7个乡村站，对比分析各级强降水的城乡差异。在选站时，考虑到地形因素对降水量值的影响，选择的两类台站都位于太原市中南部的河谷平原，高度差异在50 m内。分别统计两类台站平均的各级强降水的累计降水量和降水小时数（表2），Ⅳ级和Ⅲ级降水中，城市站的累计降水量、降水小时数都比乡村站偏多偏大；而Ⅱ级和Ⅰ级降水反之。Ⅲ级降水量和Ⅳ级降水小时数受到城市化影响最显著。城市由于热岛效应，使大气层结不稳定，当城市中水汽充足，在有利于对流性天气发生发展的天气系统控制下，容易形成对流性降水[24]。影响降水的主要还是地形以及大气环流背景等因素，作为高能区的城区，在一定的天气形势和热力、动力的合适条件下，可能对降水产生诱导或增幅作用。特强降水（Ⅱ级和Ⅰ级）是在强大的环流背景和水汽输送配合下产生的，城市化影响的作用不明显。根据李书严等[25]的研究，北京地区也存在相似的特征，即在大尺度降水系统较弱或局地降水系统影响时，城区和下风侧降水偏多，而在大尺度天气系统较强时，城市效应基本没有作用。

表2 太原市汛期短历时强降水城乡对比

3 结论

根据高时空分辨率的自动站降水观测资料，分析了山西省2011—2016年汛期短历时强降水的时空分布特征，同时分析了城市化对不同等级短时强降水的可能影响，得到以下主要结论：

（1）山西省短历时强降水的空间分布主要受地形影响，北少南多，且各级降水的累计降水量和降水小时数的大值区沿太行山脉和吕梁山脉。

（2）各级短历时强降水在午后（15—18时）为高发时段，夜间（20—23时）各级强降水出现第二峰值，上午到正午时段不易发；降水日变化振幅与降水强度呈正相关。

（3）从季内变化看，山西省强降水主要集中在12—24候（7—8月）。各级强降水在午后到夜间多发，一般性强降水在7月上午时段还存在峰值。午后到傍晚的强降水日峰值主要是由于太阳辐射变化引起的，而一般性强降水上午时段的日峰值则与大尺度天气系统导致的区域性持续强降水有关。

（4）山西省强降水与城市化因素影响有关。各级强降水在城市热岛增强时段易发，而热岛在负位相时，强降水发生率一般是最低的。从太原市的情况看，城市站一般性强降水比乡村站发生频率高且降水量大，表明城市作为高能区有利于强降水的发生；而特强的强降水则没有这个规律，特强降水需要强大的环流背景和水汽输送的配合，此时城市化影响作用不显著。

本文利用近6 a高密度小时降水资料对山西省汛期短历时强降水特征进行了统计分析，得到了更细致的强降水日变化、季内变化及空间变化等特征，并对强降水的成因初步进行了讨论，但对地形等因

素造成短历时强降水增强的物理机制还有待于深入分析。另外区域自动站资料长度有限，无法对比城乡台站降水趋势差异，后续需要积累更长序列资料，对强降水的城市化影响开展进一步的研究。