石阡縣近10 a暴雨天氣特征和“三個叫應(yīng)”閾值研究

安承德，郎貴英，杜小玲，蘭世敏

(1.貴州省石阡縣氣象局,貴州 石阡 555100；2.貴州省思南縣氣象局,貴州 思南 565100；3.貴州省氣象臺,貴州 貴陽 550002)

0 引言

石阡縣位于貴州省東北部，銅仁市西南部，地處湘西丘陵向云貴高原過渡的梯級大斜坡地帶，武陵山脈西南緣。由于地形地貌復(fù)雜，高差較大，特殊地形使得暴雨洪澇頻繁，常常對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、基礎(chǔ)設(shè)施和人民群眾生命財產(chǎn)造成不同程度的損害。特別是2014年6月3日、2015年6月2日石阡縣2場特大暴雨，造成縣城大街小巷出現(xiàn)嚴(yán)重積水，低洼地帶出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)澇，據(jù)縣民政局統(tǒng)計，僅上述2次強(qiáng)降雨天氣就造成直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)30余億元，給石阡縣經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展造成了嚴(yán)重影響。

研究暴雨天氣特征和致災(zāi)閾值，能有效提升氣象服務(wù)能力、降低暴雨災(zāi)害損失。林建等[1]研究表明21世紀(jì)以來南方地區(qū)暴雨過程明顯增多，以短持續(xù)性強(qiáng)降水過程為主。姚莉等[2]指出，雨強(qiáng)的日變化具有明顯的地區(qū)差異,其中西南和華南地區(qū)日變化最為明顯。彭芳等[3]通過分析貴州省汛期短時降水時空特征發(fā)現(xiàn)，小時降水量的閾值分布有西南部和東北部2個相對強(qiáng)的閾值中心，最強(qiáng)中心為望謨，西北部閾值最低。楊群等[4]對石阡罕見的大暴雨天氣過程進(jìn)行分析得出，石阡暴雨集中出現(xiàn)在地形低洼地帶及迎風(fēng)坡站點(diǎn)；低層偏東風(fēng)、中高層偏西南風(fēng)的垂直分布，形成近地面低層輻合、邊界層輻散的垂直環(huán)流結(jié)構(gòu)，這是造成石阡局地暴雨增強(qiáng)的重要原因；在遵義北部或西部生成的低渦切變線是造成石阡暴雨的主要影響系統(tǒng)。代瑞華等[5]、夏兆林等[6]、楊平會等[7]分別對印江縣、余慶縣、荔波縣暴雨致災(zāi)閾值進(jìn)行了研究，得到適合本地的“三個叫應(yīng)”服務(wù)指標(biāo)。然而，目前還無人對石阡縣暴雨致災(zāi)閾值進(jìn)行研究，為此，利用石阡國家站和鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)自動氣象站近10 a的降水資料，分析石阡縣暴雨天氣特征，結(jié)合暴雨災(zāi)情信息，探討暴雨致災(zāi)閾值，以期為石阡縣氣象服務(wù)提供一些基礎(chǔ)依據(jù)。

1 資料和方法

降雨資料來自經(jīng)貴州省氣象信息中心質(zhì)控后的石阡國家氣象站和(街道)自動氣象站2011—2020年逐日小時降雨量A文件。主要采用統(tǒng)計分析方法進(jìn)行研究；利用百分位方法研究暴雨致災(zāi)閾值，并制定“三個叫應(yīng)”劃分標(biāo)準(zhǔn)。縣城(湯山街道、泉都街道)降水量為石阡國家站資料，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)降水量為其集鎮(zhèn)附近以該鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)命名的站點(diǎn)資料。

定義：1個暴雨日為國家站和鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)自動氣象站中任意一個及以上臺站24 h(20時—次日20時)累計降雨量≥50 mm；夜間暴雨指出現(xiàn)在夜間(20時—次日08時)累計雨量≥50 mm；白天暴雨指出現(xiàn)在白天(08—20時)累計雨量≥50 mm。

2 暴雨時間變化特征

2.1 暴雨年分布特征

統(tǒng)計近10 a各年暴雨情況，共出現(xiàn)暴雨114 d 515站，平均每年51.5站暴雨，平均每年暴雨日數(shù)11.4 d。從暴雨站次來看(圖1a)，2014年出現(xiàn)的站數(shù)最多，達(dá)119站，2011年最少，僅28站，其余年份出現(xiàn)的站數(shù)集中在31～63站之間。從暴雨日數(shù)來看(圖1a)，最多出現(xiàn)在2015年，達(dá)23 d，其次是2014年的21 d，最少出現(xiàn)在2011年僅6 d，大多在7～13 d之間。另外，從晝夜出現(xiàn)的暴雨來看(圖1b)，除2017年白天暴雨偏多外，其余年份夜間暴雨明顯高于白天暴雨，夜間暴雨占比達(dá)44.66%，白天暴雨為14.95%，夜間和白天同時出現(xiàn)暴雨比例僅為3.11%，還有超過1/3的暴雨則是由1 d內(nèi)累計降水達(dá)到50 mm以上造成的，占比達(dá)到37.28%。

圖1 石阡縣近10 a各年暴雨分布Fig.1 Annual rainstorm distribution in Shiqian County in last 10 years

2.2 暴雨月分布特征

近10年石阡縣暴雨主要出現(xiàn)在5—9月(見圖2a)，但3—4月以及10—11月也有暴雨出現(xiàn)，出現(xiàn)最早時間為2016年3月9日坪山站57.3 mm，最晚時間為2014年11月24日國榮站64.4 mm。月暴雨日數(shù)呈單峰型分布，峰頂在5月為27 d，占比23.68%，6月次之為23 d，占比20.18%。暴雨站次呈弱雙峰型，6月暴雨站次最多為128站，占比24.85%，7月次之108站，占比20.97%。不同月份夜間暴雨和白天暴雨的比例不同(見圖2b)，5月夜間暴雨占絕對優(yōu)勢，占比達(dá)76.29%；6月白天暴雨明顯增加，比例接近夜間暴雨；7月夜間暴雨和白天暴雨均明顯減少，但24 h內(nèi)降水量達(dá)到暴雨的則顯著增加；8月暴雨站次是主汛期中最少的月份；9月夜間暴雨和白天暴雨的站次已經(jīng)明顯降低，但24 h內(nèi)累計降水出現(xiàn)暴雨的站次或比例與7月一致同樣較大。7月和9月分別有50%和60%的暴雨是由于雨強(qiáng)偏弱但持續(xù)時間較長的降水引起的。

圖2 石阡縣近10 a各月暴雨分布Fig.2 Distribution of monthly rainstorm in Shiqian County in last 10 years

2.3 暴雨天氣集中降水時段特征

圖3統(tǒng)計了石阡縣近10 a暴雨天氣中雨強(qiáng)≥20 mm·h-1的短時強(qiáng)降水的日變化特征及最大雨強(qiáng)分布，短時強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在21時—次日09時之間，達(dá)81.95%，特別是05—07時出現(xiàn)的次數(shù)最明顯，達(dá)31.95%；10—20時短時強(qiáng)降水明顯偏少，各時次均在10次以下。最大雨強(qiáng)逐時變化顯示，除08—09時、11時、13時、19時未出現(xiàn)過50 mm·h-1雨強(qiáng)外，其他時次最大雨強(qiáng)普遍為50～80 mm·h-1，最大雨強(qiáng)出現(xiàn)在2014年6月4日02—03時龍井站為110.5 mm·h-1。

圖3 石阡縣近10 a各時次暴雨集中降水時段分布Fig.3 Distribution of concentrated precipitation time of each rainstorm in Shiqian County in last 10 years

3 暴雨時空分布特征

3.1 暴雨及伴隨短時強(qiáng)降水天數(shù)時空分布

從圖4a可看出，石阡縣各地近10 a暴雨天數(shù)存在時空分布不均，東部明顯大于西部。暴雨天數(shù)高值區(qū)主要分布在花橋、石固、青陽、國榮、甘溪和龍?zhí)粒?2 d以上，花橋天數(shù)最多為36 d；而西部河壩、本莊分別僅為17 d、19 d。近10 a石阡縣各地伴隨短時強(qiáng)降水的暴雨天數(shù)也呈東部明顯大于西部的特點(diǎn)，主要分布在國榮、縣城、楓香、花橋、石固和龍?zhí)粒?8 d以上，國榮、石固天數(shù)最多達(dá)22 d；而西部本莊、河壩分別僅為9 d、10 d(圖4b)。

圖4 石阡縣各地近10 a暴雨天數(shù)(a)及其伴隨短時強(qiáng)降水天數(shù)(b)分布Fig.4 Distribution of rainstorm days and days associated with short-term heavy precipitation in Shiqian County in last 10 years

3.2 暴雨天氣最大日降水量和小時雨強(qiáng)時空分布

從圖5a可看出，石阡縣各地近10 a均出現(xiàn)過100 mm以上的日降水，南部小于北部，日最大降水量高值區(qū)在白沙、縣城、花橋、楓香，均超過200 mm，2014年6月4日縣城294.6 mm日降水量為近10 a該縣各地之最。從圖5b可知，石阡縣各地近10 a最大小時雨強(qiáng)均在45 mm以上，高值區(qū)主要分布在白沙、龍井、縣城、花橋、楓香一帶，均超過80 mm，2014年6月4日02—03時龍井站最大小時雨強(qiáng)達(dá)110.5 mm。

圖5 石阡縣各地近10 a暴雨天氣最大日降雨量(a)和最大小時雨強(qiáng)(b)分布Fig.5 Distribution of maximum daily rainfall and maximum hourly rainfall in Shiqian County in last 10 years

4 “三個叫應(yīng)”閾值研究和標(biāo)準(zhǔn)劃分

根據(jù)石阡縣民政局和應(yīng)急管理局提供的2011—2020年災(zāi)情資料，近10 a因降雨引發(fā)的洪澇災(zāi)害達(dá)18次，且每次災(zāi)害性天氣過程的日降雨量均達(dá)暴雨級別以上，出現(xiàn)在3月、5—8月，6月最多達(dá)8次，占洪澇災(zāi)害總次數(shù)的44.44%，與月最大暴雨日數(shù)略有不同，但與月最多暴雨站次一致。從災(zāi)害出現(xiàn)的主要降雨時段看，持續(xù)2 d及以上暴雨引發(fā)的災(zāi)害僅4次，其余均為單日出現(xiàn)暴雨造成的洪澇災(zāi)害，且均為局地性暴雨或大范圍暴雨造成的災(zāi)害，無單站暴雨誘發(fā)災(zāi)害情況。

4.1 “三個叫應(yīng)”閾值研究

分析石阡縣近10 a暴雨天氣特點(diǎn)和發(fā)生的18次洪澇災(zāi)情信息可知，該縣出現(xiàn)暴雨時不一定有災(zāi)情發(fā)生，而因降雨引發(fā)災(zāi)情時降雨量則均達(dá)到暴雨量級以上，找出每次出災(zāi)暴雨天氣過程時1 h、3 h、6 h和12 h的最大雨量并進(jìn)行研究，能更好地發(fā)揮“三個叫應(yīng)”氣象服務(wù)作用。從低到高分別對1 h、3 h、6 h和12 h不同時段的最大雨量進(jìn)行排列，運(yùn)用百分位數(shù)方法，按照通常25%、75%和90%分位數(shù)的劃分標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計致災(zāi)雨量，以此作為探討“三個叫應(yīng)”不同叫應(yīng)級別的參考雨量，即得到25%分位1 h、3 h、6 h、12 h累計降雨量分別為35.6 mm、69.2 mm、90.5 mm、103.8 mm；75%分位1 h、3 h、6 h、12 h累計降雨量分別為58.2 mm、111.2 mm、138.7 mm、160.1 mm；90%分位1 h、3 h、6 h、12 h累計降雨量分別為79.7 mm、151.1 mm、194.1 mm、200.7 mm，其箱線圖見圖6。

圖6 石阡縣近10 a暴雨災(zāi)害性天氣過程雨量特征Fig.6 Rainfall characteristics in the process of rainstorm disaster in Shiqian County in last 10 years

4.2 “三個叫應(yīng)”標(biāo)準(zhǔn)劃分

根據(jù)上述百分位分析結(jié)果，將25%、75%及90%分位的統(tǒng)計結(jié)果去對應(yīng)3個不同級別的叫應(yīng)級別。按照暴雨可能引發(fā)的災(zāi)害輕重程度，由輕到重將叫應(yīng)級別劃分為3級，即可能出現(xiàn)災(zāi)害時為較低級別(Ⅲ)、可能出現(xiàn)較大災(zāi)害時為較高級別(Ⅱ)和可能出現(xiàn)重大及以上災(zāi)害時為重大級別(Ⅰ)。當(dāng)災(zāi)害為Ⅲ級時，選用25%分位1 h、3 h、6 h致災(zāi)雨量作為叫應(yīng)閾值；當(dāng)災(zāi)害為Ⅱ級時，選用75%分位1 h、3 h、6 h致災(zāi)雨量作為叫應(yīng)閾值；當(dāng)災(zāi)害為Ⅰ級時，選用90%分位1 h、3 h、6 h致災(zāi)雨量作為叫應(yīng)閾值，具體“三個叫應(yīng)”標(biāo)準(zhǔn)劃分如下：

較低級別(Ⅲ)叫應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)轄區(qū)內(nèi)自動站雨量1 h達(dá)35 mm、3 h達(dá)70 mm、6 h達(dá)90 mm，且降雨可能持續(xù)時，值班人員應(yīng)電話叫應(yīng)縣應(yīng)急管理、自然資源、水務(wù)等重點(diǎn)責(zé)任單位及降水發(fā)生地鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)政府值班室。

較高級別(Ⅱ)叫應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)轄區(qū)內(nèi)自動站雨量1 h達(dá)60 mm、3 h達(dá)110 mm、6 h達(dá)140 mm，且降雨可能持續(xù)時，值班領(lǐng)導(dǎo)應(yīng)電話叫應(yīng)縣應(yīng)急管理、自然資源、水務(wù)等重點(diǎn)責(zé)任單位及降水發(fā)生地鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)政府值班領(lǐng)導(dǎo)。

重大級別(Ⅰ)叫應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)轄區(qū)內(nèi)自動站雨量1 h達(dá)80 mm、3 h達(dá)150 mm、6 h達(dá)195 mm，且降雨可能持續(xù)時，值班領(lǐng)導(dǎo)應(yīng)電話叫應(yīng)縣應(yīng)急管理、自然資源、水務(wù)等重點(diǎn)責(zé)任單位及降水發(fā)生地鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)政府主要領(lǐng)導(dǎo)，主要領(lǐng)導(dǎo)向縣政府分管領(lǐng)導(dǎo)、縣長和縣委書記報告。

5 結(jié)論

①石阡縣近10 a年均暴雨站次51.5站，年均暴雨日數(shù)11.4 d，暴雨最多年出現(xiàn)在2014年為23 d，最少年在2011年僅6 d。暴雨主要出現(xiàn)在5—9月，但3—4月以及10—11月也有暴雨出現(xiàn)，最早為2016年3月9日坪山站57.3 mm，最晚為2014年11月24日國榮站64.4 mm。月暴雨日數(shù)呈單峰型分布，峰頂在5月為27 d，6月次之為23 d。暴雨站次呈弱雙峰型，6月暴雨站次最多為128站，7月次之108站。5月夜間暴雨占絕對優(yōu)勢，占比達(dá)76.29%，6月白天暴雨明顯增加，比例接近夜間暴雨，7月夜間暴雨和白天暴雨均明顯減少，但24 h內(nèi)降水量達(dá)到暴雨的則顯著增加，8月暴雨站次是主汛期中最少的月份，9月夜間暴雨和白天暴雨的站數(shù)已經(jīng)明顯降低，但24 h內(nèi)累計降水出現(xiàn)暴雨的站次或比例與7月一致同樣較大。短時強(qiáng)降水時段多發(fā)生在21—次日09時達(dá)81.95%，特別是05—07時出現(xiàn)的次數(shù)最明顯達(dá)31.95%，11—14時不易出現(xiàn)短時強(qiáng)降水。

②暴雨及伴隨短時強(qiáng)降水日數(shù)均存在時空分布不均的特點(diǎn)，東部明顯大于西部；最大日降雨量高值區(qū)主要在縣城、楓香、花橋一帶和白沙，均超過200 mm，最大雨強(qiáng)均在45 mm·h-1以上，高值區(qū)主要分布在白沙、龍井、縣城、花橋、楓香一帶，與最大日降雨量高值區(qū)大體一致。

③暴雨洪澇災(zāi)害多發(fā)生在暴雨集中期的5—8月，當(dāng)轄區(qū)內(nèi)自動站雨量1 h達(dá)35 mm、3 h達(dá)70 mm或6 h達(dá)90 mm及以上，且降雨可能持續(xù)時，可能發(fā)生災(zāi)害，須及時開展“三個叫應(yīng)”氣象服務(wù)工作。