重慶短時強降水時空特征分析

陳鵬 周盈穎 馮萍 劉超 蔡博

（1 巫山縣氣象局，重慶 404700；2 重慶市氣象臺，重慶 401147）

關(guān)鍵字：短時強降水，西南低渦，地形

0 引言

西南低渦是一種中尺度氣旋系統(tǒng)，其生成和移動過程中對沿途的天氣和降水都有著重要的影響。徐裕華分析指出4—9月四川省約60 %左右的降雨過程與西南低渦有關(guān)。李超等歸納出夏半年2種類型低渦（西南型盆地渦和東北型盆地渦）引起的日降水區(qū)域分布的月季變化特征。唐紅玉等研究發(fā)現(xiàn)云南、貴州、四川、重慶四省市各個地方各季的逐小時降水最大頻率在時間分布上都很分散。計曉龍等研究表明，雙峰結(jié)構(gòu)在降水量和降水頻率的日變化中很明顯，主要發(fā)生在高原地區(qū)的夏季。周秋雪等通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)四川強降水從盆地向山脈過渡的縱向陡峭地形區(qū)是四川強降水高發(fā)中心。蔡新玲等分析發(fā)現(xiàn)，在空間分布上，陜西極端強降水時數(shù)及強度變化趨勢較一致。柳春等分析表明，明顯的區(qū)域性是各量級降水日變化的特征，在東亞季風(fēng)較強的年份，午后是降水出現(xiàn)峰值的時間，弱季風(fēng)年則主要是早晨。戴澤軍等認為降水日變化呈現(xiàn)顯著的區(qū)域差異在湖南夏季比較明顯。王夫常等分析發(fā)現(xiàn)西南部降水“夜雨”特征明顯，但存在午后次峰值，且區(qū)域差異顯著。王國榮等歸納發(fā)現(xiàn)山前及山前的平原地區(qū)是北京短時強降水的主要分布地。何晗等研究發(fā)現(xiàn)發(fā)展時期的冷渦產(chǎn)生的短時強降水最多。西南低渦背景下的短時強降水降水效率高且局地性強，很容易引發(fā)內(nèi)澇，給人民的生產(chǎn)生活乃至生命都會帶來不可逆的破壞。目前對西南低渦背景下的短時強降水天氣統(tǒng)計分析方面幾乎沒有。因此，利用2008—2018年常規(guī)地面自動站資料，統(tǒng)計分析重慶短時強降水的時空分布特征，尤其是西南低渦背景下重慶地區(qū)短時強降水的各項特征及地形對強降水的影響，為強化西南低渦下短時強降水的研究提供一定依據(jù)。

1 短時強降水特征

1.1 所用資料及短時強降水定義

本文所用資料為重慶地區(qū)2008—2018年3—10月1960個自動氣象站逐小時降水數(shù)據(jù)，站點包括國家自動氣象站和區(qū)域自動氣象站，站點分布和重慶區(qū)域劃分如圖1，可以看到站點分布基本均衡，僅在重慶主城地區(qū)較為密集。

圖1 重慶區(qū)域站站點分布情況（a）和重慶分區(qū)（b）示意圖Fig.1 Station distribution (a) and partitioning map (b) in Chongqing

本文沿用中央氣象臺對短時強降水作出的業(yè)務(wù)規(guī)定，將≥20 mm/h的降水量定義為短時強降水。1個站出現(xiàn)短時強降水，則記為1站次。以20—次日20時作為日界劃分，如果有1個站出現(xiàn)短時強降水，則記為1個短時強降水日。

1.2 空間分布特征

從短時強降水頻次分布（圖2a）可以看出，重慶共有3個高頻中心，累計站次均超過50次，較平均站次偏多一倍：一是在重慶西部地區(qū)，尤以合川較為集中，其余區(qū)縣比較分散；二是東北部偏北的開州、巫溪及云陽地區(qū)；三是東南部偏南的酉陽、秀山等地?？梢园l(fā)現(xiàn)，高頻中心均毗鄰陡峭復(fù)雜的山脈地形，如西部中心位于華鎣山西麓，東北部中心地處大巴山南麓，且與巫山山脈形成了特殊的喇叭口地形，東南部中心位于大婁山北麓等，受地形抬升和特殊地形影響，降水增幅顯著。當然除了受地形影響外，長江與嘉陵江提供的豐富水汽也為重慶地區(qū)降水創(chuàng)造了有利條件。

由于20～30 mm/h短時強降水頻次分布與總頻次基本一致，圖略，為更好的凸顯較大雨強下頻次分布特征，給出了30 mm/h以上大于平均頻次（9.1次）的站次分布（圖2b），圖中15次為全市頻次的90百分位，22次為99百分位?？梢钥闯觯?5次以上的高頻區(qū)主要分布在重慶西部和東部部分地區(qū)，大足、榮昌、永川大于22次的站點較為集中，同合川的高頻站點都位于華鎣山附近，說明山脈的阻擋抬升對降水的影響是較為明顯的；東北部和大婁山附近的酉陽等地達到90%以上站點雖較多，但強度明顯弱于西部，因此，應(yīng)著重關(guān)注西部地區(qū)短時強降水的影響。

圖2 2008—2018年3—10月短時強降水月份頻次分布（a）和30 mm/h以上頻次分布（b）Fig.2 Frequency distribution (a) and large than 30 mm/h (b) of short-time strong precipitation from March to October during 2008-2018

1.3 時間分布特征

從2008—2018年短時強降水的站次和時次月變化特征來看（圖3），站次和時次較多月份主要集中在6—8月，最頻繁的是7月。6—8月年平均1069～1282站次和141～203時次，其中，7、8月若每站僅1次短時強降水，則有60%的站點會出現(xiàn)，當月累計短時強降水時間約8 d，每小時約6站出現(xiàn)短時強降水；6月累計短時強降水時間約5.9 d，每小時約7.6站，說明相對而言，6月短時強降水發(fā)生頻次雖少，但強度強、覆蓋范圍大，因6月是大氣環(huán)流突變月份，經(jīng)過變動建立了典型的夏季環(huán)流形式，季風(fēng)爆發(fā)北推致使重慶地區(qū)降水強度加大，短時強降水驟增。其次是5月和9月，累計約3 d，每小時約7站，4月約5.5站，3月、10月僅2站。

圖3 2008—2018年短時強降水的站次和時次月際變化特征Fig.3 Monthly variation of the station and times of shorttime strong precipitation during 2008-2018

分析不同強度短時強降水頻次的月際變化，以進一步研究重慶短時強降水特征。圖4a可以看到20～30 mm/h和30～50 mm/h等級均以7月為高發(fā)，6月、8月次之，5月和9月發(fā)生頻次相仿，3月鮮發(fā)；50～100 mm/h主要發(fā)生在6—8月，5月、9月頻次較少。圖4b為各等級占總短時強降水量的百分比，20～30 mm/h和30～50 mm/h等級呈反向變化，前者在3、4月占比較高，到盛夏降到50%左右，后又升至10月的70%，而后者在3月、10月占比較小，約為25%，盛夏占比超過35%，反映出由春入夏至秋，短時強降水強度呈先增后降趨勢。50 mm/h以上逐月變化不大，維持在8%左右，僅3月和9月超過10%，或許由于初春和夏末正值季節(jié)過渡時期，能量的積聚和釋放均較其前后月份較大，造成的對流強度亦大。

大氣動力、熱力過程對水循環(huán)綜合影響并最終導(dǎo)致降水發(fā)生日變化。圖5給出了短時強降水的日變化曲線，從站次演變可以看出，重慶地區(qū)短時強降水日內(nèi)呈現(xiàn)2個高峰時段，主高峰時段為凌晨到早間（00—08時），各小時短時強降水發(fā)生站次均達到了2500以上，較小時平均站次偏多近200次，比次高峰峰值站次還高，其中，02—07時超過3000站次，峰值出現(xiàn)在03—05時；次高峰時段為15—18時，達到了2000站次以上?？梢?，子夜至早晨和傍晚時分為短時強降水高峰期，尤其是夜間時段，峰值和持續(xù)時間均明顯強于傍晚，符合巴山夜雨的特點，這也與周盈穎等研究結(jié)論一致，上下班高峰期處于短時強降水峰值時段內(nèi)，應(yīng)時刻關(guān)注天氣變化，做好防范應(yīng)對，而中午時段短時強降水少發(fā)。平均雨強則呈現(xiàn)單峰變化，峰值時段在傍晚到凌晨，尤以17—18時強度最強，超過30 mm/h，谷底則接近中午。

圖4 2008—2018年3—10月各量級短時強降水站次（a）和各月短時強降水量占總的短時強降水量百分比（b）逐月分布Fig. 4 Monthly variation of station (a) and percentage of precipitation of hour rainfall intensity (b) from March to October during 2008-2018

圖5 2008—2018年3—10月短時強降水的日變化（黑實線：站次，藍色實線：平均雨強）Fig.5 Diurnal variation of the station and average rainfall intensity of short-time strong precipitation from March to October during 2008-2018

2 西南低渦背景下短時強降水特征

結(jié)合重慶1960個自動站的逐小時降水量資料，通過MICAPS實況資料對2008—2018年3—10月影響重慶的西南低渦暴雨過程進行篩選，共找出41例，由此統(tǒng)計分析西南低渦背景下短時強降水特征。

西南低渦背景下重慶區(qū)域內(nèi)短時強降水站次數(shù)占總站次的38.1%，降水量占總降水量的13.5%。從西南低渦背景下短時強降水累積發(fā)生頻次分布（圖6a）可以看出，高頻站點主要分布在重慶西部，華鎣山西麓，仍以合川范圍最大，其次是東南部酉陽、黔江地區(qū)，但頻次明顯低于重慶西部，其余地區(qū)強降水的頻次較為均勻，東北部無集中高頻區(qū)域，說明西南低渦對重慶西部短時強降水的產(chǎn)生作用較大，其次是東南部。

從西南低渦背景下30 mm/h以上短時強降水頻次分布（圖6b）來看，西部高頻中心相較于東部更為明顯，全市99百分位以上站點幾乎都在西部，尤其是銅梁、大足、永川交界處，這與李強的研究一致，重慶西部為相對高頻區(qū)，中東部為相對低頻區(qū)，說明西南低渦對重慶西部短時強降水的影響較大，無論是范圍還是強度。

圖6 同圖2，但為西南低渦背景下Fig.6 Same as Fig. 2，but caused by vortex

圖7 同圖4，但為西南低渦背景下Fig.7 Same as Fig. 4，but caused by vortex

由2008—2018年西南低渦背景下短時強降水站次和時次月變化特征來看，站次和時次最多月份為6月，平均達719站次，占總站次的1/3，時次平均58小時，其次是7月，平均450站次，平均37時次；5月、8月和9月站次和時次數(shù)相仿，平均后分別為250站次和25時次；4月較少，3月鮮發(fā)。陳忠明等統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，西南低渦的發(fā)生具有明顯的年、季、月和日變化，其中夏季出現(xiàn)最多，春秋季次之，冬季出現(xiàn)最少；7月出現(xiàn)最多。受西南低渦及其他系統(tǒng)的共同影響，重慶地區(qū)的短時強降水在夏季最為頻繁，這與陳忠明等研究一致。

同樣，將西南低渦背景下短時強降水按照強度分為四個等級進一步分析。圖7a表明短時強降水在6月達到峰值，且遠大于7月，6月、8月和9月各等級站次相當，對于30～50 mm/h，9月站次略高于8月，因此，西南低渦背景下的6月為短時強降水高發(fā)時段，其次是7月和9月，4月以前和10月以后短時強降水概率較小，這與西南低渦活躍的季節(jié)和強度變化有關(guān)，圖中還添加了西南低渦背景下自動站露點溫度月際均值曲線，露點溫度反映近地層水汽狀態(tài)，可以看出，平均露點峰值與短時強降水峰值并不重合，強降水峰值所在的6月平均露點僅18.3 ℃，8月超過19 ℃，7月達到了21.8 ℃，說明水汽對西南低渦強降水有一定影響，但非決定性影響，因夏季水汽普遍較為充足，相較而言，抬升觸發(fā)機制才是區(qū)別西南低渦降水與其他系統(tǒng)性降水的主要因素，因此，本文統(tǒng)計的平均露點18 ℃可作為西南低渦降水預(yù)報的參考指標，但還需結(jié)合其他指標綜合分析。從各等級占比來看（圖7b），春季20～30 mm/h的占比高于盛夏，而盛夏6—7月30～50 mm/h的占比略高于其他月份，50 mm/h以上發(fā)生概率相對較大的則是3月和9月。

從短時強降水的站次日變化曲線（圖8）上可以看出，西南低渦背景下，短時強降水日變化呈單峰型，高峰時段在03—06時，站次達到1500以上，其中，05—06時為峰值超過1700站次，后迅速降低，波谷在午后到傍晚時分，最少僅429站次，說明西南低渦背景下，重慶的短時強降水主要集中在子夜到清晨，夜雨特征明顯，這可能是由于夜間或清晨云層頂部輻射冷卻，造成不穩(wěn)定使對流加強的緣故，而西南低渦影響時，午后能量不易積聚導(dǎo)致對流性降水較弱或穩(wěn)定性降水強度不強，未出現(xiàn)次高峰，甚至下滑至低谷階段，與前文短時強降水日變化并不一致。以上日變化特征與李強對川渝地區(qū)西南低渦暴雨下短時強降水特征研究相一致，但峰值時段有細微差別，因西南低渦對四川的影響早于重慶地區(qū)，所以川渝平均峰值較重慶略為提前。進一步分析西南低渦背景下各時段平均雨強可以發(fā)現(xiàn)，傍晚后的夜間雨強陡增，均超過29 mm/h，20—21時最大能達到30.7 mm/h，且高峰時段平均雨強略強于未分類平均雨強，說明西南低渦下的短時強降水強度對全分類短時強降水有正增幅作用。

圖8 同圖5，但為西南低渦背景下Fig.8 Same as Fig. 5，but caused by vortex

圖9 為西南低渦背景下短時強降水量對總的短時強降水的貢獻情況，可以看出，貢獻量30 %以下的站點主要分布在東北部、西南部和東南部偏南地區(qū)，尤其是東北部城口、巫溪站點較為密集，說明該地區(qū)西南低渦造成的短時強降水概率較?。回暙I量30%～40%除城口、巫溪和西部地區(qū)外其余均勻分布；貢獻量40%～50%站點在重慶西部擴展開來，但東北部偏北在逐漸減少；而貢獻量50%以上主要集中在西部和主城地區(qū)。說明西南低渦背景下，短時強降水對西部和主城影響較大，其次是西南部、中部和東部地區(qū)，東北部城口、巫溪和東南部秀山影響最小。

圖9 2008—2018年3—10月西南低渦背景下短時強降水量占總的短時強降水的貢獻量（a）＜30%；（b）30%～40%；（c）40%～50%；（d）＞50%Fig.9 The different distribution of rainstorm and contribution rate of short-time strong precipitation caused by vortex from March to October during 2008—2018(a) ＜30%; (b) 30%—40%; (c) 40%—50%; (d) ＞50%

3 地形與短時強降水的關(guān)系

Chen等利用逐小時降水資料通過氣候統(tǒng)計分析表明暴雨過程在山區(qū)的迎風(fēng)坡發(fā)生的次數(shù)最多。根據(jù)前面分析表明強降水高發(fā)中心主要集中在陡峭復(fù)雜的地形區(qū)附近，為了進一步了解強小時雨強的發(fā)生與重慶站點海拔的關(guān)系，把重慶地區(qū)1960個自動站按海拔高低排序，在海拔0～3200 m統(tǒng)計該范圍內(nèi)每間隔200 m所有站點當年發(fā)生超過20 mm/h強小時雨強的總頻次，并計算其占當年重慶短時強降水總頻次的百分比，將它作為該海拔范圍內(nèi)站點對盆地當年總頻次的貢獻量（簡稱貢獻量）。但該特征量主要反映短時強降水主要集中在某個海拔范圍內(nèi)，特征量的大小與站點數(shù)的多少密切相關(guān)，所以貢獻量并不能充分體現(xiàn)頻次隨海拔變化的關(guān)系。再把每段海拔范圍內(nèi)的短時強降水總頻次除以該范圍內(nèi)的站點數(shù)，得到平均每站發(fā)生短時強降水的頻次（簡稱站均頻次）。需要說明的是，圖11中橫坐標對應(yīng)的是海拔400 m，則實際表示200～400 m海拔范圍內(nèi)的站點信息，以此類推。

重慶地區(qū)的測站主要分布在200～800 m的地區(qū)，海拔超過800 m的站數(shù)明顯減少，特別是海拔超過1400 m以后，測站只有幾個，每200 m范圍的站次不到兩位數(shù)，所以海拔超過1400 m的變化特征不作分析。從2008—2018年重慶地區(qū)不同海拔站點總頻次貢獻量和站均頻次變化圖（圖10）可以看出，貢獻量主要集中在海拔200～800 m，短時強降水頻次占總頻次的83%左右，其中貢獻量最高的是海拔200～600 m范圍達到了69%，之后隨著海拔的增加，貢獻量明顯下降，但貢獻量變化特征與站點數(shù)密切相關(guān)。

站均頻次在一定程度上消除了各海拔范圍內(nèi)站點數(shù)對強小時雨強頻次大小的影響，其特征曲線可以反映強小時雨強集中程度隨海拔變化的關(guān)系。由圖11可知，海拔200～1600 m范圍內(nèi)短時強降水頻次隨著海拔的升高呈現(xiàn)波動式變化，1600～2400 m范圍內(nèi)頻次波動式增大，海拔2000～2400 m最易發(fā)生短時強降水。值得注意的是，海拔達到2400 m以上，頻次明顯降低，這也體現(xiàn)出沿山一帶陡峭過渡地形對短時強降水的影響。

圖10 2008—2018年重慶地區(qū)不同海拔站點總頻次貢獻量、站均頻次變化和站點數(shù)Fig.10 Total frequency contribution, average frequency and stations at different elevation sites in Chongqing during 2008-2018

用同樣的方法得到2008—2018年重慶地區(qū)不同海拔站點雨強極值變化?？煽闯鲇陱姌O值隨海拔的變化特征：0～400 m雨強極值逐漸增大，其中200～400 m范圍內(nèi)有雨強最大峰值，達到181 mm/h左右。超過400 m以上隨著海拔的升高雨強在波動中逐漸減小，其中1200～2000 m降幅最大，雨強極值降低一半，海拔2000 m以上雨強衰減速率減小。

圖11 2008—2018年重慶地區(qū)不同海拔站點雨強極值變化Fig.11 The change of extremes of rainfall intensity with altitude

4 結(jié)論

本文利用2008—2018年自動站逐小時降水資料得出如下結(jié)論：

1）重慶短時強降水有3個高頻中心，分布在重慶西部合川，東北部開州、巫溪和云陽，東南部酉陽、秀山地區(qū)，均毗鄰陡峭山脈，地形抬升和特殊地形對降水有增幅作用。

2）重慶短時強降水主要集中在6—8月，其中，7月為峰值期，6月頻次雖略少，但強度強、覆蓋范圍大。20～30 mm/h和30～50 mm/h站次月際變化呈反位相變化，由春入夏至秋，前者呈先降后增、后者呈先增后降趨勢。

3）西南低渦背景下，短時強降水高頻中心主要在重慶西部，次中心在東南部酉陽、黔江，但強度明顯弱于西部，西南低渦對西部地區(qū)短時強降水影響更明顯。西南低渦背景下短時強降水高頻月份在6月，3月和10月鮮發(fā)。

4）西南低渦背景下的短時強降水貢獻量，以西部和主城區(qū)最大，其次是西南部、中部和東部地區(qū)，東北部城口、巫溪和東南部秀山貢獻最小。

5）不同海拔短時強降水頻次分布與站點數(shù)密切相關(guān)，海拔200～800 m的短時強降水頻次占總頻次的83%，其中200～400 m頻次占比高達45%，且出現(xiàn)了雨強極值181 mm/h，其后，強降水頻次隨高度明顯下降，雨強極值在波動中逐漸減小。站均頻次在1600～2400 m范圍內(nèi)波動增大，出現(xiàn)峰值，陡峭過渡地形對短時強降水有一定影響。