陈海凤，李 扬，黄世芹，彭科曼，王 珺

(贵州省贵阳市气象局，贵州 贵阳 550001)

基于自动站观测的贵阳强降水特征分析*

陈海凤，李 扬，黄世芹，彭科曼，王 珺

(贵州省贵阳市气象局，贵州 贵阳 550001)

利用2010年1月—2016年12月贵阳市67个自动站逐时降水资料，采用K-means聚类方法，分析贵阳市强降水的精细化时空分布特征。结果表明：①贵阳市短时强降水以及暴雨呈南多北少，其中短时强降水在清镇南部和花溪南部最为活跃，暴雨在清镇南部最为活跃，大暴雨则在清镇西南部最为活跃。②K-means 聚类方法可清晰地区分贵阳南部强降水活跃区(称为Ⅰ区)与中北部强降水相对不活跃区(称为Ⅱ区)。③贵阳市强降水主要出现在5—8月。在强降水活跃期，中北部强降水频次的月差异较大；而南部的月差异较小。④贵阳市强降水具有明显出现在夜间的特征。中北部强降水出现活跃时间比南部偏早1～2 h，但南部降水强度明显强于中北部。

自动站；强降水；K-means聚类分析；时空分布

1 引言

图1 贵阳市67个自动气象站分布Fig.1 The Distribution of 67 Automatic Weather Stations in Guiyang

贵阳市地处贵州省中部，境内地质构造复杂、中小河流众多，全市境内滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害以及山洪灾害频发。暴雨洪涝是贵州主要气象灾害之一。在一次暴雨过程中，若降水强度大、降水时间集中，就易引起山洪暴发造成洪涝灾害，如果降水持续时间长，或范围较大，则更容易引发严重的洪涝灾害[1]。段莹等[2]指出贵阳市暴雨平均雨量整体呈上升趋势，暴雨日数及总暴雨量总体呈现出下降趋势，本世纪以来贵阳市暴雨强度有所增强，近 30 a的降水极端性及降水强度较强。伍红雨等[3]利用 1960—2005年贵阳站资料，研究指出贵阳站冬季无暴雨出现，6月最多，7月次之。针对贵阳地区的暴雨等强降水天气，许多气象专家学者从不同的角度作了大量研究[4-5]，并取得了一些研究成果。但这些研究大多是利用气象观测站的降水资料，空间分辨率低，或者针对某一次具体天气过程进行分析，缺乏较为系统的精细化分布特征研究。本文拟利用贵阳市59个区域自动站及8个气象观测站(见图1)2010年1月1日—2016年12月31日逐时降水资料，研究贵阳市强降水的空间分布特征，同时采用K-means聚类方法对贵阳市67个自动站强降水进行分区，并在此分区基础上进一步分析贵阳强降水的时间分布特征，为贵阳市今后在暴雨落区预报工作中提供参考。

2 贵阳市强降水的空间分布特征

2.1 短时强降水的分布特征

国家气象中心将雨强≥20 mm/h的降水定义为短时强降水，将24 h降水量≥50 mm或12 h降水量≥30 mm定义为暴雨。陈炯等[6]指出，≥10 mm/h的降水一般是由中小尺度天气系统造成的，而≥50 mm/h的降水主要是由小尺度天气系统导致。为了给出贵阳市不同强度的强降水的分布特征，本文分析了≥10 mm/h、≥20 mm/h、≥30 mm/h、≥40 mm/h、≥50 mm/h共5个级别的短时强降水以及≥50 mm/24h、≥100 mm/24 h共2个级别的暴雨时空分布特征。

图2 贵阳市有效短时强降水频率空间分布(a-e)及短时强降水频率随强度的变化趋势(f)Fig.2 Distribution of effective SDHR frequency in Guiyang(a-e) and Relation between the frequency and intensity of effective SDHR(f)

图2a-2e分别为贵阳市≥10 mm/h、≥20 mm/h、≥30 mm/h、≥40 mm/h、≥50 mm/h的有效短时强降水频率分布。有效短时强降水频率为各观测站1 h降水量大于或等于上述阈值的总时次数除以该测站出现≥0.1 mm/h的有效降水的总时次。总体来看，贵阳市短时强降水分布具有南多北少的特点，在清镇南部和花溪南部为2个高值中心，开阳中部偏西地区则是1个低值中心；随着降水强度增大，其出现频率呈指数降低(图2f)，局地性差异也增大。由图2a看出，≥10 mm/h的贵阳市短时强降水频率有2个高值中心，分别位于东部的孟关以及中部的朱昌，其降水频率均在2.2%以上，而在这两者之间则形成一频率相对较小的短时强降水不活跃带，这一不活跃带在≥30 mm/h的短时强降水频率分布图上表现最为明显。比较图2a-2e还发现，随着降水强度增大，原本位于花溪南部的频率大值中心逐渐减弱，当强度增强至50 mm/h时，在花溪南部形成低值中心，说明该地区强度大的短时强降水并不活跃，而清镇南部一带则是不同强度的短时强降水活跃区。

2.2 暴雨的分布特征

统计研究时段内贵阳市暴雨日数(≥50 mm/24 h)及大暴雨日数(≥100 mm/24 h)发现(图3)，贵阳市暴雨日数在10～37 d之间，高值区位于清镇南部,其空间分布与≥30 mm/h短时强降水频率的分布基本一致。其中92%的暴雨日伴随着≥10 mm/h短时强降水，这表明中小尺度天气系统对贵阳暴雨具有十分重要的作用。贵阳市各地大暴雨日数均在6次或以下，其中西部偏北地区未出现大暴雨，其中93%的大暴雨日伴随着≥20 mm/h的短时强降水，这表明极端日降水几乎都是由短时强降水造成的。

图3 2010年1月1日—2016年12月31日贵阳市暴雨(a)及大暴雨(b)日数分布Fig.3 Total rainstorm(a) and heavy rainstorm(b) days in Guiyang from 2010 to 2016

3 强降水特征的聚类分析

聚类分析[7-8]是研究多要素或多个变量的客观分类方法，在聚类分析中，需要对不同个体(空间点或时间点)进行相似分析，相似的就归为一类。K-means算法是聚类算法中主要算法之一，它是一种基于划分的聚类算法，其算法是：给出一个数据库，用户输入要获得聚类簇的个数K，当整体差异函数收敛时，结束处理过程。

采用K-means 聚类方法将贵阳市67个自动站分为2类(图4)，其中,Ⅰ区有24个站，Ⅱ区有43个站，结合上述分析结果发现，K-means 聚类方法能够清晰地识别出贵阳市南部强降水活跃区(Ⅰ区)与中北部强降水相对不活跃区(Ⅱ区)的差异，分区结果较为合理。

3.1 两区强降水的月变化特征

对贵阳市2010—2016年两区逐级强降水站次百分率的月变化进行分析(图5)，贵阳市强降水百分率月分布总体呈现单峰型分布，强降水主要出现在5—8月；9月—次年4月，贵阳市发生短时强降水的频率很小。

图4 采用K-means 均值聚类方法对贵阳市强降水分区 (▲Ⅰ区，●Ⅱ区)Fig.4 Heavy rain zones in Guiyang Area by using K-means clusters methods

贵阳市Ⅰ区夏半年强降水频率的月差异小，除大暴雨日(≥100 mm/24 h)的月分布具有明显的峰值外，即最大月占比达37.3%，其余各级别的强降水频次的月占比均不足35%。Ⅱ区≥30 mm/h以上强度的短时强降水频率的峰区出现在5月，且降水强度越强，峰值越明显，其中≥50 mm/h的短时强降水，5月出现频率占全年的47.2%；≥10 mm/h、≥20 mm/h短时强降水频率的峰区则出现在6月。6月以后，短时强降水发生频率逐渐减弱，≥50 mm/h的强降水则在8月有所增多，形成次峰。≥50 mm/24 h降水频率的月变化趋势与的≥10 mm/h基本一致，表明≥10 mm/h降水对暴雨形成有重要贡献；且Ⅱ区大暴雨日(≥100 mm/24 h)的月变化具有其独特的特点，单峰型特征更为显著，其增强和减弱均很迅速，在峰区7月大暴雨日占全年大暴雨日的47%以上。Ⅰ区与Ⅱ区相比，其≥30 mm/h、≥40 mm/h强度的短时强降水峰值出现时间较Ⅱ区迟1个月。

图5 贵阳市2010—2016年两区逐级强降水量出现站次百分率月变化Fig.5 Monthly variations of heavy rain frequency in Guiyang Heavy rain zones from 2010 to 2016

3.2 两区强降水日变化特征

图6给出研究时段内贵阳市两区逐级强降水出现频率以及最大小时平均降水量日变化分布。由图6可见，贵阳市Ⅰ区和Ⅱ区≥20 mm/h强降水频次的日变化特征基本相似，≥20 mm/h强降水主要出现在傍晚到夜间(19时—次日07时,北京时间，下同)，午夜为最活跃时段。Ⅰ区≥20 mm/h强降水出现频率小于4%的时段为08—19时，而Ⅱ区则出现在07—18时，即中北部≥20 mm/h强降水出现活跃时间比南部偏早1 h。

相比于≥20 mm/h强降水频率的日变化，贵阳市≥50 mm/h强降水频率以及平均最大小时降水量的日变化的南北差异更为显著。在Ⅰ区，≥50 mm/h强降水的活跃时段较为分散，19时—次日02时为相对活跃时段；在Ⅱ区，≥50 mm/h强降水主要活跃时段为17时—次日04时，占全日的77.8%，其中20时为最活跃时段，出现频率达13.9%。

从降水强度的日变化来看，夜间降水较强，白天较弱。Ⅰ区19时—次日10时平均最大小时降水量均在25 mm以上，其中有12个时次在30 mm以上，最大值出现在午夜01时，达39.4 mm。Ⅱ区强降水增强时间比Ⅰ区偏早2h，17时—次日08时平均最大小时降水量均在24 mm以上，其中仅有5个时次在30 mm以上，最大值出现在午夜00时，为31.4 mm，可见南部降水强度明显强于中北部。

4 结论

①贵阳市短时强降水以及暴雨呈南多北少态势。短时强降水在清镇南部和花溪南部最为活跃，暴雨在清镇南部最为活跃，大暴雨则在清镇西南部最为活跃。随着短时强降水强度增大，其出现频率呈指数降低、局地性差异增大。贵阳市92%以上的暴雨伴随着短时强降水。

图6 贵阳市2010—2016年两区逐级强降水出现站次百分率(%)及平均最大小时降水量(mm)日变化Fig.6 Diurnal variations of heavy rain frequency and average maximum hourly ranfall in Guiyang Heavyrain zones from 2010 to 2016

②K-means 聚类方法可清晰地区分贵阳市南部强降水活跃区(Ⅰ区)与中北部强降水相对不活跃区(Ⅱ区)。

③贵阳市强降水百分率月分布总体呈现单峰型，强降水主要出现在5—8月，在强降水活跃期，中北部强降水频次月差异较大，而南部月差异较小。

④贵阳市傍晚到夜间强降水出现频次大，降水强度强，午夜为强降水最活跃时段；中北部强降水出现活跃时间比南部偏早1～2 h，但南部降水强度明显强于中北部。

[1〗 温克刚，罗宁等.中国气象灾害大典·贵州卷[M]. 北京：气象出版社，2006：66.

[2] 段莹，张东海，胡欣欣,等.贵阳市暴雨变化趋势及短历时暴雨雨型研究[J].贵州气象，2016，44(1)：19-23.

[3] 伍红雨,吴战平,帅士章.贵阳市区强降水成因分析及可能最大降水估算[J].人民长江,2006,37(9):104-107.

[4] 杜小玲,吴磊,杨秀庄,等.梅雨锋西段持续性暴雨的环境场特征及贵阳极端降水成因[J].暴雨灾害，2016，35(5)：416-426.

[5] 古田会,林易,陈百炼.1995年7月7—8日贵阳地区大暴雨过程研究[J].贵州气象，1996，20(1)：16-22.

[6] 陈炯，郑永光,张小玲,等.中国暖季短时强降水分布和日变化特征及其与中尺度对流系统日变化关系分析[J].气象学报，2013，71(3)：367-382.

[7] 黄嘉佑.气象统计分析与预报方法[M].北京:气象出版社,2004:181.

[8] 张建辉.K-means聚类算法研究及应用[D].武汉：武汉理工大学管理学院，2007：5-19.

Characteristic analysis of heavy rainfall in Guiyang based on automaticstation observation

CHEN Haifeng,LI Yang, HUANG Shiqin, PENG Keman, WANG Jun

(Guiyang Meteorological Bureau, Guiyang 550001, China)

The hourly precipitation data from 67 automatic stations in Guiyang from January 2010 to December 2016 was used to analyze the Space-time distribution characteristics of heavy rainfall in Guiyang by K-means clustering method. The results show that: (1) The short-duration heavy rain (here after SDHR) and rainstorm were more in the south and less in the north. The short-duration heavy rain is the most active in the south of Qingzhen and the south of Huaxi. The rainstorm is the most active in the south of Qingzhen and the heavy rainstorm is the most active in the southwest of Qingzhen. (2) By using the K-means clustering method, the heavy rain region of Guiyang is divided into the active part in the south(I) and the relatively inactive part in the central-northern (II). (3) The heavy rainfall in Guiyang mainly occurred from May to August. The difference in the frequency of heavy rainfall of the month is large in the central-northern while it is small in the south in the active period of heavy rain. (4) The heavy rainfal in Guiyang mainly occurred at night, and it can be active 1～2 hours earlier in the central-northern part than in the south part. The rainfall in the south is much stronger than that in the central-northern part.

automatic station; heavy rainfall; K-means clustering analysis; space-time distribution

2017-01-18

陈海凤(1990—)，女，助工，主要从事天气预报服务工作,Email:chf2090@163.com。

贵阳市气象局气象科研基金项目(筑气科合201403号)、中国气象局预报员专项项目(CMAYBY2015-068)和贵州省气象局青年基金项目(QN[2015〗15号)共同资助。

1003-6598(2017)03-0046-05

P426.63+3

B