湖北省夏季小时强降水时空分布特征

谌 伟，刘佩廷，徐迎春，张 丽，杨海鹏，曹恒煜

（武汉市气象局，武汉 430040）

湖北省地处长江中游，西、北、东三面环山，中部平原向南敞开，长江自西向东横贯全省，汉江自西北向东南与之交汇于鄂东大城市核心地带（图1），强小时雨强在山区易造成山洪、泥石流、滑坡等次生灾害，在人口密集的平原、沿江低洼地带又易形成严重内涝，财产损失、人员伤亡屡见不鲜，且湖北省不同区域强降水特征差异明显。因此，利用逐时降水资料研究湖北省小时强降水特征非常重要。

学者们利用小时降水资料进行降水的年际变化、日变化、强度特征、持续性分析时，大多是对强、弱降水一起进行综合性分析［1-15］。近年来，部分学者针对强小时雨强特征进行专门研究，郝莹等［16］通过定义安徽省典型短时强降水过程，总结建立了低槽东移型、西北气流型、台风型3类天气概念模型；司波等［17］认为广义帕雷托分布（GPD）优于广义极值分布（GEV）对四川盆地小时极端降水的拟合；陈炯等［18］分析认为中国短时强降水频率、强度日变化有3个峰值，华南、川西强降水频率最高，不同区域强降水活跃时段和传播特征不同；吴翠红等［19］统计定义了约10年湖北省短时强降水过程，归纳了干侵入型、干混合型、干锋生型和暖干型4种天气概念模型；段鹤等［20］统计云南省≥30 mm/h强降水个例，建立低质心弱辐合型、低质心辐合型、高质心3类短时强降水概念模型；王囝囝等［21］分析认为大连市短时强降水的发生次数具有明显的区域特点，并探讨了天气尺度环流背景与预报指标等；李燕等［22］研究发现辽宁省短时强降水的发生次数与年降水总量分布对应，且与地形、西南气流盛行风向密切联系；李强等［23］研究显示川渝盆地小时强降水多发生于龙山、雅安等山地与平原之间的过渡区；周秋雪等［24］使用一次线性、二次多项式拟合方法得出四川省短时强降水频次及雨强极值均随海拔高度减少，强降水高强小时雨强多发于从四川盆地向山脉过渡的纵向陡峭地形区；李强等［25］研究认为四川低涡暴雨过程中的短时强降水事件具有明显的不对称性。中国强小时雨强研究多集中于川西地区，而对湖北省的相关研究较为鲜见，且现有研究资料时长较短，气候代表性不强，需要进行系统性的深入分析。

本研究利用近35年湖北省夏季（6—8月）逐小时降水资料，分析湖北省小时强降水频次、强度及持续性等方面的时空分布特征，以提高对该省复杂地形下小时强降水演变规律的认识。

1 资料与方法

数据源于湖北省信息与技术保障中心提供的1983—2017年湖北省74个国家气象观测站的逐小时降水资料集，经过质量控制，站点分布相对均匀（图1）。主要研究≥20、≥30、≥50 mm/h的3种不同等级小时雨强。当1个站点出现≥20 mm/h强降水，强降水开始前、结束后至少2 h内没有降水发生，降水持续时间≤24 h，此降水过程定义为1次强降水事件［23］。强降水事件频次为统计时段内的事件次数。强降水频次为统计时段内出现小时强降水的次数。

图1 湖北省气象观测站高度及空间分布和地形叠加

2 结果与分析

2.1 不同等级小时雨强年际变化

从湖北省不同等级小时雨强年频次变化（图2）可以看出，其不仅具有一致性特征，而且年际变化特征明显。≥30 mm/h与≥20 mm/h雨强年频次相关系数为0.95，≥50 mm/h与≥20 mm/h雨强年频次相关系数为0.70，均通过0.01显著性水平检验，相比较而言，≥50 mm/h与≥20 mm/h和≥30 mm/h具有较好的一致性趋势，同时也存在一定的年际差异，原因可能是所代表的天气系统尺度不完全相同，≥20 mm/h的降水一般是中小尺度系统造成，而≥50 mm/h的降水主要是小尺度系统导致［18］。从年际变化特征上来看，20世纪80年代低位振荡，20世纪90年代为增长趋势，21世纪初期低位振荡，之后振荡幅度加大。1983—2017年≥20、≥30 mm/h和≥50 mm/h强降水年平均频次分别为254、94、16次。不同等级雨强年频次在主要洪涝年份1998、2016年容易出现极值，≥50、≥30 mm/h年频次极值出现在1998年，≥20 mm/h年频次极值出现在2016年。

图2 湖北省夏季不同等级雨强年频次变化

2.2 不同等级小时雨强旬变化

由湖北省夏季不同等级雨强频次的旬变化（图3）可以看出，3类雨强的旬频次变化具有较好的一致性，≥20 mm/h与≥30 mm/h、≥20 mm/h与≥50 mm/h雨强旬频次变化相关系数分别为0.93、0.77，均通过了0.01显著性检验；旬频次均从6月中旬开始跃升，8月中旬开始回落，期间高位振荡。湖北省梅雨期一般6月中旬开始，小时强降水频次随之增长，但7月上旬随着湖北省梅雨期的结束进入盛夏，却没有减少，反而在高位振荡，原因在于梅雨期虽然出现多系统性降水过程，但盛夏期也多发局地热对流，而≥50 mm/h雨强旬频次极值出现在盛夏，则说明充足的热力条件下更易发生强小时雨强。

图3 湖北省夏季不同等级雨强频次旬变化

2.3 不同等级小时雨强日变化

湖北省夏季不同等级雨强的频次逐时变化如图4所示，日变化均具有双峰型特征。≥20 mm/h和≥30 mm/h雨强的日变化中，一个频次峰值出现在下午至傍晚时段（17：00—20：00），分别为507、200次，出现在20：00，另一个峰值出现在8：00，分别为447、167次；≥50 mm/h雨强的一个频次峰值在夜间（20：00），为44次，另一个频次峰值在早晨（8：00），为47次。湖北省小时雨强的双峰型日变化特征与林春泽等［12］的研究较为一致，但傍晚前后这个连续性峰值时段反映更加清楚，形成这种双峰型降水的原因主要是由青藏高原东移的天气系统和局地热力强迫所导致［1，8］。≥20 mm/h与≥30 mm/h、≥20 mm/h与≥50 mm/h雨强频次的日变化相关系数分别为0.93、0.77，均通过了0.01显著性检验，表明3类雨强也具有较好的一致性。

图4 湖北省夏季不同等级雨强频次日变化

2.4 不同等级小时雨强空间分布

湖北省夏季3类不同等级雨强的强降水频次空间分布如图5所示。≥20 mm/h雨强中，≥120次高频次区分布在鄂东以及恩施、宜昌局部地区，最大为麻城站，达186次；而鄂西北强降水频次较小，最小频次为十堰站，仅47次。≥30 mm/h雨强中，≥45次高频次区较≥20 mm/h雨强略有西扩，最大频次为红安站，达77次。≥50 mm/h雨强中，≥5次高频次站点进一步西扩到鄂西山地，最大频次为崇阳站，达18次。以上研究表明湖北省的小时强降水主要发生在鄂东，但随着小时雨强的增大，高频次站点随之向西部扩展。原因在于，湖北省的主水汽通道呈西南—东北走向，水汽由湘北向鄂东发展的西南低空气流输送，同时受大别山阻挡，鄂东夏季水汽条件充足，更有利于小时强降水的发生，当小时雨强增大，对动力和热力条件的要求更高，水汽条件作用相对下降，鄂西高频次站点也随之增多。

图5 湖北省夏季不同小时雨强的强降水频次空间分布

仅从3类雨强的极大频次（图5紫色站点）来看，≥20 mm/h与≥30mm/h极为类似，主要出现在大别山西麓南侧、幕阜山北侧、鄂东沿江地带（武汉-黄石），而≥50 mm/h极大频次的增多站点主要出现在鄂西山地与江汉平原的过渡地带。而夏季，湖北省的大别山与幕阜山之间、大别山南侧、鄂西山地到江汉平原的斜坡式过渡地带存在准常定的地面中尺度辐合线或涡旋［26］。因此，特殊的地形条件也是造成小时强降水极大频次站点的原因之一。

从湖北省最大小时降水出现的时空分布（图6）来看，与≥50 mm/h雨强的强降水频次较类似。时间上，最大小时降水主要出现在后半夜至早晨（3：00—8：00）和午后至傍晚（15：00—20：00）这两段时间，站次分别为21、26次，分别占站数的28%和35%，尤其在17：00—20：00这段时间内达21站次，占午后至傍晚出现站数的28%；空间上，≥100 mm/h主要分布于大别山西麓南侧、幕阜山北侧、鄂东沿江地带、鄂西山地到江汉平原之间的斜坡过渡带，极大值出现在大悟站，达139.8 mm/h。

图6 极端小时降水量和出现时间分布

2.5 不同持续时间的强降水事件时间特征

不同持续时间≥20 mm/h强降水事件的频次日变化如图7a所示，存在2个显著特征，一是下午到傍晚是短历时强降水事件的高发期，二是长历时强降水事件具有“夜发性”。强降水事件12：00发生频次增多，峰值在14：00—20：00，持续时间多在6 h以内，原因在于湖北省夏季午后至傍晚多发局地短时强降水；20：00前后，强降水事件发生频次开始减少，但长历时强降水事件在增多，这种现象持续至凌晨，对应于系统性强降水过程。不同持续时间强降水事件年变化如图7b所示，频次极大值（≥15次）持续时间基本在1～6 h，偏多年份为1983—1984、1994—2001、2007—2011年，近年已有进入偏多期迹象，持续6 h以上的频次减小较快，16～24 h持续性事件有增多趋势。不同持续时间强降水事件年频次也具有明显的周期性变化，从持续3 h（图8a）、16 h（图8b）代表的短、长历时Morlet小波转换来看，正负值中心交替显著，短历时的年代际变化（≥10年）存在1个准12年主振荡模态，年代际以下尺度（＜10年）存在准6年和准2年的2个主振荡模态；长历时主要存在1个准6年振荡模态。

图7 不同持续时间强降水事件日变化（a）和年变化（b）

图8 持续3 h（a）、16 h（b）强降水事件年频次小波变换实部（实线、虚线为正、负值）

2.6 长、短历时的强降水频次空间特征

将不同持续时间的≥20 mm/h强降水事件分为长（＞6 h）、短（≤6 h）历时2类，分别提取各类事件中的强降水频次，从站点分布（图9a、图9b）可以发现，①长历时强降水高频次站点（≥40次）多集中于鄂东地区，短历时强降水高频次站点分布范围更广，原因在于湖北省夏季系统性强降水过程多与西南低空急流有关，西南低空急流在湖北省的主要发展方向是鄂东地区，而夏季局地短时强降水的形成要更加多样化。②短、长历时强降水极大频次站点（≥60次）的分布与地形有重要关联，多位于湖北省马蹄状地形的东、西、北三面近山区域。短历时强降水主要位于大别山东麓西侧、幕阜山北侧、鄂西山地到江汉平原的过渡地带，这些靠近山区的地方白天盛行辐合性热力气流［8］，夜间存在山地与平原之间的温度差异强迫［27，28］，还易出现准常定的地面中尺度辐合线或涡旋［26］等；长历时强降水主要位于大别山西麓南侧、鄂东沿江地带（武汉-黄石），这里是中尺度对流系统（MCSs）东移发展过程中常发生准静止状态的地区，原因在于其产生的雷暴出流易受大别山阻挡形成向后传播［29-31］。

图9 短（a）、长（b）历时小时强降水频次空间分布（圆点表示频次）

3 小结与讨论

本研究分析了湖北省夏季小时强降水的时空分布特征，主要结论如下。

1）湖北省夏季≥20、≥30、≥50 mm/h的3类小时雨强年频次具有较好的一致性趋势，在20世纪80年代低位振荡，20世纪90年代为增长趋势，21世纪初期低位振荡，之后振荡幅度加大。不同等级雨强年频次极值出现在主要洪涝年份1998、2016年。

2）湖北省夏季≥20、≥30、≥50 mm/h的3类小时雨强年频次均从6月中旬跃升，8月中旬回落，期间高位振荡。≥50 mm/h旬频次极值出现在盛夏而不是梅雨期，说明充足的热力条件下更易发生强小时雨强。

3）湖北省夏季≥20、≥30、≥50 mm/h的3类小时雨强频次日变化均具有双峰型特征，分别出现在17：00—20：00和8：00，其中，傍晚前后的连续性峰值现象形成了一个持续性活跃强降水时段。

4）湖北省的小时强降水多发生在鄂东，随着小时雨强增大，高频次站点随之向西部扩展。原因在于夏季鄂东水汽条件更好，但强小时雨强对动力和热力条件的要求更高。特殊地形条件下的地面中尺度辐合线或涡旋是造成小时强降水极大频次站点的重要因素。

5）不同持续时间强降水事件的频次日变化显示，下午到傍晚是短历时强降水事件的高发期，蕴涵众多的局地短时强降水，而长历时强降水事件具有“夜发性”，对应于系统性强降水过程；年频次周期性特征显著，短历时存在准12年、准6年和准2年的3个主振荡模态，长历时存在1个准6年主振荡模态。

6）长、短历时强降水事件的强降水频次分布显示，长历时高频次站点多集中于鄂东地区，与湖北省夏季西南低空急流的发展方向有关，短历时高频次站点分布范围更广，在于夏季局地短时强降水的形成更加多样；长、短历时强降水极大频次站点分布与湖北省的马蹄状地形有重要关系，短历时主要位于大别山东麓西侧、幕阜山北侧、鄂西山地到江汉平原的过渡地带，长历时主要位于大别山西麓南侧、鄂东沿江地带（武汉-黄石）。