四川省近10年极端小时降水时空分布特征

邓 彪 , 王春学 , 孙 蕊 , 王顺久

（四川省气候中心/高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室, 成都 610072）

引言

四川省处于我国第一到第二阶梯的地势过渡地带，地理位置特殊，西部是高山高原，东部为四川盆地，气候类型多样[1-3]。21 世纪以来，在气候变暖背景下，四川地区极端降水事件呈增多增强的趋势，导致短时强降水对总降水的贡献也相应增加。例如，2013年7月7～10日盆地西部出现持续强降水事件，共有39个县（市）出现暴雨，其中有18个县（市）降了大暴雨；都江堰本站24 h 降雨量达415.9 mm，大邑24 h 降雨量279.2 mm，均打破其历史极值；此次过程多地1 h 雨量达到90～120 mm，其中都江堰幸福镇9日03 时小时雨量为125.3 mm。2020年8月10～13日，盆地多地出现极端降水事件，芦山站日降水量达429.2 mm，10日18时小时雨量为134.6 mm。可见，由于特殊的地理环境和地质地貌条件[4]，四川地区强降水及其引发的山洪、泥石流等地质灾害频发，可造成严重的人员伤亡和财产损失，深入开展区域强降水事件的发生规律及物理机制研究具有重要的科学意义和应用价值。

已有研究[5]表明，区域极端降水时空分布极不均匀，使用日降水资料会高估长时间连续性弱降水的强度，低估短时间强降水的强度，使用次日尺度的降水资料可以更加准确地反映极端降水强度及其时空变化特征。近年来，随着小时降水资料的逐步完善，基于小时降水资料在四川省天气气候业务中的应用研究越来越多。周秋雪等[6]利用2008～2012年四川地区气象观站逐时降水资料，根据1 h 雨量的不同，把强小时雨强划分为三个等级（20、30、50 mm/h），分析了每年汛期出现上述三类强小时雨强的频次变化和1h最大降水量的变化特征。王彬雁等[7]选取2010～2016年5～9月四川省157个国家自动气象站小时降水资料，采用皮尔逊Ⅲ型概率分布模型对四川全省小时降水进行拟合，给出超过不同阈值的降水累积概率空间分布，计算了最大小时降水量的概率分布和重现期极值。毛冬艳等[8]选取1981～2010年西南地区国家级地面气象站逐小时降水数据，以小时降水量＞20 mm 为标准，定义了西南地区短时强降水，分析指出四川盆地西南部为短时强降水高发区，尤其是盆地西部边缘地区小时降水最强，超过80 mm/h，极端小时降水达123.1 mm/h。可见，针对四川地区短时强降水事件的研究已取得丰富成果，并在业务工作中广泛应用。但需要注意的是，由于川西高原、攀西山地和盆地区域地貌特征明显，降水区域差异大，极端降水阈值的选取需要考虑本地的降水特点，仅采用绝对阈值法不能完全反映出高原山地区短时强降水的时空特征。因此，本文将利用百分位法确定各地相对的极端小时降水阈值，分区域讨论极端降水强度、频次、贡献率、月变化及日变化特征，重点分析盆地和攀西地区50 mm/h以上以及川西高原25 mm/h 以上的小时强降水事件，期望进一步了解四川省极端小时降水的时空演变规律，为气象防灾减灾及决策气象服务提供科学参考。

1 资料与方法

1.1 数据来源

本文选取2012～2020年四川省156个国家气象站逐小时降水资料，按北京时整点统计，即每个整点时次测得的降水量为之前1 h 累计降水量。该资料来自于四川省气象探测数据中心CIMISS 气象数据源，经过严格的质量控制。按气候类型特点，将四川地区分3个区域：川西高原（包括甘孜州和阿坝州的31个县站）、攀西地区（指凉山州和攀枝花市的21个县站）和四川盆地（省内其余17 市的104个县站）。

1.2 研究方法

本文采用百分位法定义极端小时降水阈值[9-11]，统计出四川省各区域的极端小时降水样本数[12]，分析并确定各地相应的极端小时降水特征指标。百分位法适用于各种分布类型的非参数方法，计算公式如下：

式中：Q(p)为第p百分位对应的百分位数，Xj为升序排列后的样本序列的第j个值，n为样本数，γ为p、n的函数。其中，j与γ的计算公式如下：

参照气象业务标准，以≥20 mm/h 定义小时强降水，以≥50 mm/h 定义暴雨日[12]，对比分析第90、95、99 百分位数的统计结果，评判这三种常用百分位数作为四川省极端小时降水阈值的相对适宜性。表1给出了四川省各站2012～2020年第90、95、99 百分位数的小时降水特征及相应满足阈值条件的样本站点百分比。分析可知：最小站点阈值均＜20 mm/h，没有百分位数满足所有站点阈值≥20 mm/h 的降水定义；对于第90 百分位数，没有站点阈值达到50 mm/h，极端降水事件强度指标减弱；第99 百分位数样本占比最大，但站点阈值几乎就是近10 a 四川地区的小时降水极大值，客观上导致极端降水事件指标的统计样本数减少；第95 百分位数有83.3%站点阈值满足≥20 mm/h，部分站点阈值超过50 mm/h，可以较好地反映四川省高原、山地和盆地极端小时降水的统计特征。根据上述结果，结合国家标准《极端降水监测指标GB/T33669-2017》[13]，本文选取第95 百分位小时降水阈值作为四川省极端小时降水阈值。

表1 2012～2020年四川省不同百分位极端小时降水阈值及站点百分比

本文用于分析极端小时降水特征的指标[12]包括：小时降水极大值、极端小时降水频次、极端小时降水强度和极端小时降水贡献率。小时降水极大值为近10 a 各站最大小时降水量；极端小时降水频次为某一时段内超过极端小时降水阈值的小时数；极端小时降水强度为某一时段内超过降水阈值的降水量之和除以相应的降水频次；极端小时降水贡献率为某一时段内超过降水阈值的降水量之和除以总降水量。采用克里金插值法对极端小时降水处理结果进行空间插值处理。各区域平均值是该区域内站点指标值的算术平均。

2 结果与分析

2.1 空间分布特征

图1a 给出了2012～2020年四川省各站极端小时降水阈值的空间分布。如图所示，四川省各站极端小时降水阈值的平均值为35.4 mm/h，四川盆地、攀西地区大部以及阿坝州北部的若尔盖、红原在20 mm/h 以上，其中盆地多地极端降水阈值在50 mm/h 以上，彭州、盐亭、叙州和丹棱分别为59.2 mm/h、58.1 mm/h、57.0 mm/h 和56.9 mm/h。川西高原大部地区极端降水阈值相对较低，一般在20 mm/h 以下，康定等地低至9.2 mm/h。

图1 2012～2020年四川省极端小时降水阈值（a）和小时降水极大值（b）的空间分布（单位：mm/h）

图1b 给出了2012～2020年四川省年各站小时降水极大值空间分布。如图所示，四川盆地是主要大值区，多地小时极大值超过50 mm/h；盆地中部、西南部及南部的小时降水极大值超过80 mm/h，芦山站多达134.6mm/h；甘孜州小时极大值一般在30 mm/h 以下，康定站为11 mm/h；阿坝州和攀西大部地区介于30～50 mm/h。

图2a给出了2012～2020年四川省3大区域极端小时降水站均频次。如图所示，四川盆地和攀西地区极端降水发生频繁，极端小时降水频次分别为5.8 次/站、4.6 次/站，川西高原发生相对较少为4.2 次/站。从各站年均频次空间分布（图2b）来看，四川盆地大部和攀西地区南部为高值区，多地年均极端小时降水频率在0.6 次/年以上；盆地中部、西南部和南部为极大值中心，平均每年要出现一次极端强降水，蒲江年均极端小时降水频率高达1.1 次/年，芦山、大邑、蓬溪、遂宁和纳溪等地均达0.9 次/年；川西高原和攀西地区北部为低值区，年均极端小时降水频率介于0.3～0.4 次/年。

图2 2012～2020年四川省不同区域极端小时降水站均频次（a）和各站年均频次空间分布（b）

如图3a 所示，在四川省3 大区域中，四川盆地极端小时降水平均强度最大（50.8 mm/h），攀西地区次之（37.2 mm/h），川西高原最小（19.6 mm/h）。图3b 给出了四川省极端小时降水平均强度空间分布。如图所示，盆地大部为高值区，盆地中部、西南部和南部极大值中心，极端小时降水平均强度高于70 mm/h，最大值出现在盐亭（75.1 mm/h），其原因可能是盆地及盆周迎风坡效应对极端小时降水有显著的增幅作用；攀西地区介于30～50 mm/h，川西高原强度相对较弱，一般低于30 mm/h，甘孜州部分地方甚至不足10 mm/h。

2012～2020年四川省3 大区域极端小时降水贡献率的平均值依次为四川盆地（2.9%）、攀西地区（2.0%）和川西高原（1.4%）（图4a）。盆地贡献率最高，多地极端小时降水贡献率高于2%，其中盆地中部、西南部及南部高值中心高达4%～5%；攀西地区南高北低；川西高原贡献率最低，甘孜州部分地方不足1%（图4b）。

图4 同图2，但为极端小时降水贡献率

综上可知，2012～2020年四川省各站极端小时降水阈值的空间分布与小时极大值分布一致。四川盆地为大值区，多地出现极端强降水中心，攀西地区为次大值区，川西高原为小值区；各区域因地形地势的差异，极端小时降水的年均频次、平均强度、贡献率的高值区均集中在盆地和攀西地区南部，这种分布反映了极端强降水既与区域地形环流背景有关，也受局地环境差异和小尺度强对流天气影响。

2.2 月变化特征

图5 给出了2012～2020年四川省极端小时降水频次的月变化特征。如图所示，近10 a 四川省出现极端小时降水事件834 次，汛期（5～9月）共计797 次；7月极端小时降水频次最高（282 次），8月次之（262 次），11月～次年3月出现最少（不足10 次）。从不同区域（图5b～d）来看，四川盆地出现极端小时降水事件最多（608 次），川西高原次之（130 次），攀西地区最少（96 次）；盆地月变化特征与全省最为接近，汛期多，冬春季少；川西高原和攀西地区雨季特征更为明显，川西高原6月最多（44 次），12月发生极端小时降水仅1 次；攀西地区8月最多（28 次），6月次之（27 次），1月仅有1 次。

针对四川盆地和攀西地区≥50 mm/h 以及川西高原≥25 mm/h 的小时强降水事件，统计分析了近10 a的月变化特征（图5）。近10 a 四川省出现小时强降水事件286 次，7月和8月最为集中，多达200 次，占比同期极端小时降水频次36.8%；四川盆地出现小时强降水事件274 次，月变化特征与全省相似，8月最多（107 次）；攀西地区出现小时强降水事件12 次，6月最多（6 次）；川西高原出现小时强降水事件19 次，7月最多（7 次）。

图5 2012～2020年四川省极端小时降水和小时强降水发生频次的月变化特征（a. 全省，b. 四川盆地，c. 川西高原，d. 攀西地区）

综上可知，四川省汛期（5～9月）极端小时降水事件频发，7月、8月最为集中，其中小时强降水事件占比超过1/3。分区域看，四川盆地发生极端小时降水频次占全省的72.9%；四川盆地、川西高原和攀西地区发生极端小时降水频次最多月份依次为7月、6月、8月，而小时强降水事件分别是8月、7月、6月发生频次最高。

2.3 日变化特征

图6a 给出了2012～2020年四川省极端小时降水发生频次的日变化特征。如图6a 所示，四川省近10 a在19 时～次日5 时发生极端小时降水66 次，02 时发生频次最高，06～18 时发生13 次，14 时发生频次最低。分区域（图6b～d）来看，四川盆地在白天发生极端小时降水频次相对较低，夜间相对较高，日变化与全省特征相似，这与盆地常年多夜雨特征相符；川西高原由于海拔高且昼夜温差大，午后易发生局地降水事件，极端小时降水高发时段在16～23 时；攀西地区在白天发生极端小时降水频次相对较低，夜间相对较高，高发时段分别在03 时和23 时，具有山地夜发性特征。

同样，针对四川盆地和攀西地区≥50 mm/h 以及川西高原≥25 mm/h 的小时强降水事件，统计分析近10 a 的日变化特征（图6）可知：四川省在19 时～次日05 时发生小时强降水事件183 次，白天为105 次，夜间占比达63.5%；小时强降水事件峰值分别出现在23 时、02 时和05 时；四川盆地发生小时强降水事件峰值时点与全省一致；川西高原小时强降水事件主要集中在17～22 时；攀西地区在00 时、06 时和10 时发生小时强降水事件可能性较大。

图6 同图5，但为日变化特征

综上可知，四川省出现极端小时降水频次的日变化具有单峰特征，夜间发生特点明显。盆地5 时发生频次最高，川西高原主峰出现在21 时，攀西地区高频次发生在02 时。全省夜间发生小时强降水事件占比达63.5%，各区域小时强降水事件高峰时段差异大。

3 结论

本文选取2012～2020年四川省156个国家气象观测站小时降水资料，在利用百分位法确定极端小时降水阈值的基础上，统计分析了全省极端小时降水的时空分布特征，得到以下主要结论：

（1）2012～2020年四川省极端小时降水阈值的平均值为35.4 mm/h，其空间分布与小时极大值分布一致。四川盆地为大值区，多地出现极端强降水中心，极端小时降水阈值在50 mm/h 以上，极大值超过80 mm/h，芦山站高达134.6mm/h；攀西地区为次大值区；川西高原极端小时降水阈值相对较小。近10 a 极端小时降水的年均频次、平均强度、贡献率的高值区均主要集中在四川盆地和攀西地区南部。

（2）四川省汛期（5～9月）极端小时降水事件频发，7月、8月最为集中，小时强降水事件占比超过1/3。四川盆地、川西高原和攀西地区极端小时降水发生频次分别在7月、6月和8月达到最高，而小时强降水事件分别在8月、7月、6月发生频次最高。

（3）四川省发生极端小时降水频次的日变化具有单峰特征，夜发特点明显。四川盆地在05 时发生频次最高，川西高原峰值出现在21 时，攀西地区峰值出现在02 时。四川省夜间发生小时强降水事件占比达63.5%，各区域峰值出现时段差异显著。