云南不同強(qiáng)度短時(shí)強(qiáng)降水和大風(fēng)時(shí)空分布特征研究

鄒靈宇 , 于 璐 , 楊 柯 , 楊芳園 , 劉 彬*

（1.云南省昆明市氣象局, 昆明 650500；2.昆明市官渡區(qū)氣象局，昆明 650000）

引言

近年來，高影響天氣及其誘發(fā)的極端暴雨、局地洪澇、風(fēng)災(zāi)等氣象災(zāi)害及次生災(zāi)害頻發(fā)，尤其是短時(shí)強(qiáng)降水和大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣，嚴(yán)重影響社會經(jīng)濟(jì)和人民生產(chǎn)生活。

短時(shí)強(qiáng)降水作為我國強(qiáng)對流天氣[1-2]的主要類型之一，受到國內(nèi)研究者的持續(xù)關(guān)注。毛冬艷等[3]、顧問等[4]、李華宏等[5]研究了不同地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布特征，并對其出現(xiàn)的頻次進(jìn)行分型。董旭光等[6]、謝五三等[7]、李強(qiáng)等[8]著重分析極端強(qiáng)降水的小時(shí)變化和日變化特征，并對不同開始時(shí)間的強(qiáng)降水進(jìn)行比對。朱莉等[9]、張騰飛等[10]、胡娟等[11]對多個(gè)云南極端短時(shí)強(qiáng)降雨典型天氣案例開展成因分析和雷達(dá)資料判別。何鈺等[12]基于“配料法”提出云南短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)概念模型。災(zāi)害性大風(fēng)天氣在我國影響范圍較廣，也是氣象學(xué)者關(guān)注的問題之一。李耀輝等[13]、孔鋒等[14]、方翀等[15]研究了近地表大風(fēng)日數(shù)時(shí)空分布特征，指出季節(jié)性大風(fēng)與地形有著密切關(guān)系。楊新林等[16]、費(fèi)海燕等[17]詳細(xì)分析對流性天氣下的雷暴大風(fēng)產(chǎn)生的環(huán)境條件和云圖特征。徐蜜蜜等[18]對我國近海四季大風(fēng)的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

云南地處低緯高原地區(qū)，處于東亞季風(fēng)和南壓季風(fēng)交匯區(qū)域，冷暖氣流交匯頻繁，四季均有強(qiáng)對流天氣發(fā)生，其中風(fēng)雹和洪澇災(zāi)害的影響最大，占云南氣象類災(zāi)害的40%左右[19-20]。目前，針對云南不同強(qiáng)度的短時(shí)強(qiáng)降水和大風(fēng)的研究主要以天氣個(gè)例為主，而利用逐時(shí)觀測數(shù)據(jù)系統(tǒng)研究其日變化特征的工作較少。本文利用2013～2019年云南省逐小時(shí)氣象數(shù)據(jù)，研究云南不同等級短時(shí)強(qiáng)降水和大風(fēng)（包含雷暴大風(fēng)）等災(zāi)害性天氣的時(shí)空分布特征，以期為提高災(zāi)害性天氣分級預(yù)警的靶向性和精細(xì)化網(wǎng)格預(yù)報(bào)模型的精準(zhǔn)度提供參考，同時(shí)也為科學(xué)防災(zāi)減災(zāi)提供依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料來源

研究選取了2013～2019年云南125個(gè)國家氣象站逐小時(shí)降水量、極大風(fēng)風(fēng)速資料，以及重要天氣報(bào)的雷暴數(shù)據(jù)和地面閃電定位儀正負(fù)地閃數(shù)據(jù)。

1.2 分級計(jì)算方法

采用功率譜分析法，從出現(xiàn)頻次的月變化、日變化以及空間分布等方面對不同強(qiáng)度短時(shí)強(qiáng)降水、大風(fēng)、雷暴大風(fēng)（對流性）進(jìn)行分析。具體劃分標(biāo)準(zhǔn)為：

（1）短時(shí)強(qiáng)降水按照強(qiáng)度劃分為 20～29.9 mm·h-1、30～49.9 mm·h-1和≥50 mm·h-1共3個(gè)強(qiáng)度等級。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，共統(tǒng)計(jì)出2922個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水樣本。

（2）大風(fēng)劃分為 6級風(fēng)（10.8 m·s-1≤風(fēng)速≤13.8 m·s-1）、7 級風(fēng)（13.9 m·s-1≤風(fēng)速≤17.1 m·s-1）、8 級及以上風(fēng) (風(fēng)速≥17.2 m·s-1)共3個(gè)強(qiáng)度等級。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，共統(tǒng)計(jì)出大風(fēng)樣本317777個(gè)。

（3）為具體分析對流性雷暴大風(fēng)個(gè)例，結(jié)合閃電定位和重要天氣報(bào)的雷暴觀測數(shù)據(jù)，同時(shí)匹配對應(yīng)時(shí)刻≥17 m·s-1的極大風(fēng)風(fēng)速資料，共統(tǒng)計(jì)出雷暴大風(fēng)樣本2158個(gè)。

2 短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布特征

2.1 短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)間分布特征

如圖1a所示，云南短時(shí)強(qiáng)降水頻次高值主要出現(xiàn)在每年的5～10月汛期，呈單峰型分布。其中20～29.9 mm·h-1短時(shí)強(qiáng)降水頻次峰值（0.67）出現(xiàn)在主汛期的8月，次峰值（0.6）出現(xiàn)在7月，谷值出現(xiàn)在冬季12月～次年 2月；30～49.9 mm·h-1短時(shí)強(qiáng)降水頻次波峰較平，出現(xiàn)在6～8月；≥50 mm·h-1短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)頻次較少，依然集中在主汛期。從短時(shí)強(qiáng)降水頻次日變化（圖1b）來看，20～29.9 mm·h-1短時(shí)強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在15時(shí)～次日08時(shí)，其中15～21時(shí)出現(xiàn)頻次更高，峰值出現(xiàn)在18時(shí)左右，可見短時(shí)強(qiáng)降水頻次日變化高發(fā)時(shí)段為午后到前半夜；30～49.9 mm·h-1、≥50 mm·h-1短時(shí)強(qiáng)降水頻次峰值分別出現(xiàn)在04時(shí)、19時(shí)左右。

圖1 2013～2019年云南不同強(qiáng)度短時(shí)強(qiáng)降水頻次時(shí)間分布（a.月變化，b.日變化）

2.2 短時(shí)強(qiáng)降水空間分布特征

圖2a為20～29.9 mm·h-1短時(shí)強(qiáng)降水頻次空間分布。如圖2a所示，頻次為4.0以上的區(qū)域主要集中在普洱南部、紅河南部、文山西南部、西雙版納、保山龍陵、曲靖羅平、麗江華坪和德宏隴川，頻次較高的站點(diǎn)有紅河金平（10.0次）、普洱江城（8.4次）和紅河河口（7.6 次）。如圖2b 所示，30～49.9 mm·h-1短時(shí)強(qiáng)降水較高頻次出現(xiàn)區(qū)域與20～29.9 mm·h-1類似，2次以上高頻區(qū)域主要在滇南、滇西南、滇東、滇東北邊緣地區(qū)及麗江華坪。如圖2c所示，≥50 mm·h-1短時(shí)強(qiáng)降水高頻次出現(xiàn)的站點(diǎn)和范圍較其他強(qiáng)度減小，主要出現(xiàn)在臨滄南部、西雙版納南部、紅河?xùn)|南部、文山和曲靖南部等區(qū)域，頻次最高值為紅河河口（1.3次），其次是文山富寧（0.7次）。

圖2 2013～2019 年云南不同強(qiáng)度短時(shí)強(qiáng)降水頻次空間分布（a.20～29.9 mm·h-1，b.30～49.9 mm·h-1，c.≥50 mm·h-1，單位：次）

2.3 短時(shí)強(qiáng)降水極大值分布特征

分析短時(shí)強(qiáng)降水極大值時(shí)空分布特征（圖略）發(fā)現(xiàn)，其空間特征差異顯著，同一區(qū)域出現(xiàn)降水極端值的時(shí)間差異也較大。其中，滇東南、滇西南邊緣以及滇中局部地區(qū)超過80 mm·h-1，滇西北最小為30 mm·h-1以下，其他大部分地區(qū)為40～50 mm·h-1，最大小時(shí)降水量出現(xiàn)在2018年9月27日昆明嵩明（106.6 mm·h-1）。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，云南出現(xiàn)極端小時(shí)降水量站點(diǎn)較多的時(shí)次為23時(shí)，其次是01時(shí)、07時(shí)、19～21時(shí)，符合云南短時(shí)強(qiáng)降水多在夜間出現(xiàn)的特征。

3 大風(fēng)時(shí)空分布特征

3.1 大風(fēng)時(shí)間分布特征

大風(fēng)主要出現(xiàn)在每年11月～次年5月的干季，3月各強(qiáng)度大風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)最多，汛期7～10月大風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)最少（圖3a）。日變化中，大風(fēng)主要集中在10～19時(shí)，峰值出現(xiàn)在14～16時(shí)，02～08時(shí)大風(fēng)出現(xiàn)頻次較低（圖3b）。

圖3 2013～2019年云南不同強(qiáng)度大風(fēng)頻次時(shí)間分布（a.月變化，b.日變化）

3.2 大風(fēng)空間分布特征

如圖4所示，大風(fēng)極大值區(qū)主要分布在滇西北橫斷山脈至滇南哀牢山以東的區(qū)域。其中，6級大風(fēng)年平均頻次超過400.0次的區(qū)域主要出現(xiàn)在曲靖、昆明、玉溪、楚雄、大理、麗江、紅河北部等地，大風(fēng)頻次超過700.0次的大值中心出現(xiàn)在曲靖會澤、紅河個(gè)舊、楚雄大姚、麗江寧蒗、麗江市區(qū)、大理祥云、昆明東川，頻次最高值（1113.9次）出現(xiàn)在昆明市郊的高山站太華山站（圖4a）。7級大風(fēng)頻次超過200.0次的高值區(qū)主要位于楚雄西部、曲靖東部和北部以及麗江東北部（圖4b）。8級及以上大風(fēng)中心主要位于曲靖富源、會澤、大理、麗江寧蒗，其頻次均超過80.0次（圖4c）。

圖4 2013～2019年云南不同強(qiáng)度大風(fēng)頻次空間分布（a.6級，b.7級，c.8級及以上，單位：次）和多年平均的2月700 hPa風(fēng)場分布（d，單位：m·s-1）

由于云南地處低緯度高海拔地區(qū)，冬春季是大風(fēng)天氣發(fā)生的集中時(shí)段。分析多年平均的2月700 hPa風(fēng)場空間分布（圖4d）可知，冬春季，南支西風(fēng)在云南上空強(qiáng)盛，對流層中低層（700 hPa）云南上空常存在一個(gè)干燥的低空西風(fēng)急流區(qū)，白天近地面層空氣增熱而產(chǎn)生亂流擾動，在干燥西風(fēng)帶中強(qiáng)而寬廣的急流帶上動量下傳和地面熱低壓發(fā)展、氣壓梯度增大的共同作用下，引起地面風(fēng)速增大，造成地面大范圍大風(fēng)天氣。此外山脈走向、山區(qū)以及半山區(qū)的迎風(fēng)坡、隘口、河谷、狹管效應(yīng)等都與季節(jié)性大風(fēng)的產(chǎn)生和強(qiáng)弱有關(guān)。

3.3 大風(fēng)極大值分布特征

分析大風(fēng)極大值時(shí)空分布特征（圖略）發(fā)現(xiàn)，大部分區(qū)域大風(fēng)極值在24 m·s-1左右，普洱北部、楚雄、玉溪南部、曲靖東部和紅河西部等區(qū)域大風(fēng)極值超過28 m·s-1，最大風(fēng)速（44.1 m·s-1）出現(xiàn)在 2015 年 9 月 2日普洱景谷；大風(fēng)出現(xiàn)極值最多時(shí)段為17～18時(shí)，其次是14～16時(shí)，而04～09時(shí)較少出現(xiàn)，這與云南大風(fēng)日變化趨勢是一致的。

3.4 雷暴大風(fēng)時(shí)空分布特征

雷暴大風(fēng)主要集中出現(xiàn)在2～8月，呈現(xiàn)雙峰型分布；其中3～5月春季是雷暴大風(fēng)集中期，頻次峰值（約111.0次）出現(xiàn)在4月，約占總數(shù)的36.1%；次峰出現(xiàn)在8月，僅占總數(shù)的7.9%，頻次較春季各月明顯偏少（圖5a）。

從雷暴大風(fēng)出現(xiàn)頻次日變化（圖5b）可知， 12～22時(shí)是雷暴大風(fēng)密集出現(xiàn)時(shí)段，共發(fā)生258.0次，占總數(shù)的83.6%，其中14～20時(shí)為高峰期，極值出現(xiàn)在16～17時(shí)，占總數(shù)的27.8%，07～10時(shí)是一天中出現(xiàn)最少的時(shí)段。

統(tǒng)計(jì)雷暴大風(fēng)風(fēng)速大?。▓D5c）表明，超過50%風(fēng)速值集中在 17～18.9 m·s-1，25 m·s-1以上的強(qiáng)雷暴大風(fēng)只占4.8%；另外按風(fēng)力等級來看，8級風(fēng)最多，占總數(shù)的68.9%。

圖5 2013～2019年云南雷暴大風(fēng)出現(xiàn)頻次月分布(a)、日分布(b)和風(fēng)速分布(c)

由雷暴大風(fēng)年平均頻次空間分布（圖6a）可知，52.8%的站點(diǎn)頻次為2.0以上，4.0以上站點(diǎn)主要集中在玉龍雪山和蒼山以東、哀牢山以及無量山附近區(qū)域，其中大理、麗江寧蒗的頻次高達(dá)9.0以上，極端強(qiáng)雷暴大風(fēng)出現(xiàn)在2016年4月19日紅河建水，風(fēng)速達(dá)39.4 m·s-1。春季雷暴大風(fēng)占比為67.9%，其空間分布形態(tài)與年平均分布類似（圖6b）。夏季雷暴大風(fēng)占比為19.5%，大值區(qū)主要分布在麗江東部的金沙江河谷、昆明東北部小江河谷以及普洱中東部（圖6c）。

圖6 2013～2019年云南雷暴大風(fēng)多年平均的年（a）、春季（b）和夏季（c）頻次空間分布（單位：次）

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本文利用2013～2019年云南省逐小時(shí)氣象數(shù)據(jù)，研究云南不同等級短時(shí)強(qiáng)降水和大風(fēng)（包含雷暴大風(fēng)）等災(zāi)害性天氣的時(shí)空分布特征，得出如下主要結(jié)論：

(1) 云南20～29.9 mm·h-1、30～49.9 mm·h-1和≥50 mm·h-1等級的短時(shí)強(qiáng)降水所占比例分別為72.4%、25.1%和2.5%；其月變化呈單峰型分布，主要集中在每年5～10月，7～8月為峰值，15時(shí)～次日08時(shí)是出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的主要時(shí)段。短時(shí)強(qiáng)降水高發(fā)區(qū)主要分布在滇南、滇西南和滇東邊緣以及麗江以東金沙江河谷地區(qū)，短時(shí)強(qiáng)降水極大值分布差異顯著，同一區(qū)域出現(xiàn)降水極端值的時(shí)間差異也較大。

(2) 云南6級、7級和8級以上大風(fēng)占比分別為77%、19.3%和3.7%，每年11月～次年6月為大風(fēng)多發(fā)期，3月最多，9月最少。10～19時(shí)為大風(fēng)頻次較高時(shí)段，峰值出現(xiàn)在15時(shí)，02～08時(shí)大風(fēng)較少出現(xiàn)。 大風(fēng)高發(fā)區(qū)主要分布在滇西北橫斷山脈至滇南哀牢山以東的區(qū)域。冬春季，在云南上空干燥西風(fēng)帶中強(qiáng)而寬廣的急流帶上，動量下傳、地面熱低壓發(fā)展和氣壓梯度增大引起地面風(fēng)速增大，是造成地面大范圍大風(fēng)天氣的主要天氣背景。

(3)云南雷暴大風(fēng)主要集中出現(xiàn)在2～8月，呈現(xiàn)雙峰型分布，春季雷暴大風(fēng)多于夏季；超過8級以上的強(qiáng)雷暴大風(fēng)只占4.8%；14～20時(shí)易出現(xiàn)雷暴大風(fēng)，日峰值出現(xiàn)在16～17時(shí)。雷暴大風(fēng)主要出現(xiàn)在玉龍雪山和蒼山以東以及哀牢山、無量山附近等區(qū)域。

4.2 討論

（1）短時(shí)強(qiáng)降水頻次與文獻(xiàn)[19]中云南各月年平均降水量變化趨勢是一致的；另外侯淑梅等[21]研究表明極端短時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)度與年降水量和夏季降水量呈正相關(guān)關(guān)系，也說明短時(shí)強(qiáng)降水對累計(jì)降水量的貢獻(xiàn)較大。短時(shí)強(qiáng)降水頻次日變化與李華宏等[5]利用1981～2015年地面測站逐時(shí)降水自記觀測資料對云南短時(shí)強(qiáng)降水日變化研究得出的結(jié)論一致。

（2）氣候態(tài)中云南易出現(xiàn)大風(fēng)（含對流性大風(fēng)）的2～5月也可能是雷暴大風(fēng)較多出現(xiàn)的時(shí)間段，但限于本文的資料長度有限，有待于今后長時(shí)間序列資料加以驗(yàn)證。而8月份出現(xiàn)頻次較春季各月明顯偏小，這與孫繼松等[2]研究指出西南地區(qū)單站平均雷暴大風(fēng)日4～5月峰值高于8月的結(jié)論有相似之處。

（3）云南雷暴大風(fēng)日變化與我國其他一些地區(qū)有相似分布特征[15-17,22]，這可能由于午后到傍晚是一天中熱力條件和不穩(wěn)定條件最佳的時(shí)段，最有利于雷暴大風(fēng)的形成和發(fā)展[23]，加之不同海拔高度梯度變化造成局地環(huán)流觸發(fā)對流發(fā)展在午后到傍晚更容易[24]。

（4）云南雷暴大風(fēng)年平均頻次空間分布表明，雷暴大風(fēng)的空間分布與影響云南天氣系統(tǒng)和地形有密切的關(guān)系。由于云南春、夏季南支槽、昆明準(zhǔn)靜止鋒、孟加拉灣風(fēng)暴以及低渦切變系統(tǒng)等影響頻繁[25-26]，使得冷暖空氣在山脈附近交匯，加之地形抬升作用使得雷暴大風(fēng)出現(xiàn)概率加大。另外云南山脈、河谷、湖泊眾多，一些特殊地形，如大理受蒼山和洱海的影響[27-28]，可能存在著山谷風(fēng)和湖陸風(fēng)兩者疊加效應(yīng)引起的局地環(huán)流；麗江東部和四川攀枝花交界區(qū)域受金沙江干熱河谷地形坡度影響，導(dǎo)致閃電活動較多，也為雷暴大風(fēng)天氣發(fā)生提供了較為有利的條件[29-30]。因此，在今后的相關(guān)研究中除了考慮天氣系統(tǒng)的影響以外，還需重點(diǎn)考慮地形條件對天氣過程的影響，這同時(shí)也對云南本地的區(qū)域天氣模式研發(fā)提出了更高的要求。