俞佩

浙江省气象台，杭州310000

1 引言

短时强降水是指在较短的时间内雨量达到或超过某一量值的天气现象，属于强对流天气的一种，其过程一般由中小尺度系统所产生，突发性强，降水时间集中，常造成城市滞涝、农田被淹等，且极易诱发山洪、泥石流等灾害，给人民生产生活造成重大影响。浙江地处我国东南沿海，属亚热带季风气候，山区占总面积的70.4%，由于地理及地形因素影响，浙江省降水充沛，梅汛期和台汛期降水相对集中，暴雨日数较多，短时强降水频发。例如2019年，受台风“利奇马”影响，浙江沿海地区出现大暴雨局部特大暴雨，局地出现极端降水，其中北雁荡山区、临安西北山区等地6 h雨量200～300 mm，3 h雨量120～200 mm，乐清西门岛1 h雨量98.6 mm，降雨强度超百年一遇。强降水导致浙江多处发生泥石流、塌方、内涝等次生灾害，带来极其严重的影响。

短时强降水往往是中小尺度系统造成的，其发生发展速度快，局地性强，落区、量级及时效的预报预警一直是天气预报的重点和难点之一。研究证实在全球变暖背景下，多数地区极端强降水发生的次数和强度呈增加趋势（Alexander et al., 2006; IPCC,2007）；国内的研究也表明我国长江及长江以南地区极端降水值和降水事件有所增强。（秦大河等,2005; 翟盘茂等, 2007; 王苗等, 2014; 王静等,2015）。充分认识短时强降水的规律和特征是提高预报准确率的前提，目前国内对短时强降水已经开展了不少有针对性的研究（姚莉等, 2009; 张京英等,2010; 郝莹等, 2012; 孙继松等, 2012; 徐双柱等, 2012;陈炯等, 2013; 何晗等, 2015; 韩丰等, 2021），对不同区域短时强降水的气候特征、形成机理、监测预报及物理指标等方面进行较多的研究，取得了许多有价值的成果（韩宁和苗春生, 2012; 邵晨等, 2013;王国荣和王令, 2013; 蔡新玲等, 2014; 吴滨等, 2015;沈伟等, 2017; 姚蓉等, 2020; 朱蒙等, 2020; 苏锦兰等, 2021; 冷亮等, 2021; 杨熠等, 2021）。上述研究成果表明，我国短时强降水具有明显的地域特征，从西北内陆到东南沿海地区差异显著。过去对浙江省短时强降水的研究多以个例分析或仅关注某一地区的统计特征（徐慧燕等, 2016; 王颖等, 2019），且过往的研究数据空间分辨率低，所采用的站点稀疏，无法完全细致地反映浙江短时强降水的区域特征。因此本文基于空间分辨率更高的加密自动站近十年（2010～2019年）逐小时降水资料，对浙江短时强降水的时空分布特征开展系统性分析，重点分析其空间分布特征、多时间尺度的变化特征等，揭示其发生发展规律，为短时强降水的预报提供气候背景，亦为短临预报预警业务提供参考。

2 资料和方法

2.1 资料

文中分析的时间段为2010～2019年。综合考虑资料的连续性和稳定性，选取了全省72个基准气象站和1241个自动气象站的逐小时降水资料，具体站点分布如图1。

图1 浙江省基准气象站和自动气象站的空间分布Fig.1 Spatial distributions of reference meteorological observation stations and automatic meteorological stations in Zhejiang Province

2.2 方法

关于短时强降水的阈值，各地标准不一致。本文对短时强降水的定义采用中央气象台定义的1 h降水量≥20 mm，这与浙江气象实际业务标准一致。在资料使用中，当某站点1 h雨量超过20 mm，则记作该站点发生1次短时强降水；短时强降水的频次是指在某时段内研究区域的所有站点发生短时强降水的总次数。在分析短时强降水日变化部分对不同时刻短时强降水频次进行标准化处理：

其中，F(h)为标准化后的频次，f(h)为h时刻的频次，f(i)为i时刻的频次。

为了细化短时强降水的研究，本文在分析≥20 mm/h短时强降水时空特征的基础上，将短时强降水分为20～30 mm/h、30～50 mm/h以及≥50 mm/h三个等级以区分不同等级强降水的特征。需要指出的是，本文所用资料为整点降水资料，每个整点时次的降水量代表过去60 min到该整点的累积雨量，如此会导致部分连续60 min雨量超过20 mm/h的短时强降水因被划分到两个小时段而无法被识别，因此本文统计的短时强降水频次要低于实际发生频次。若要精确统计实际发生频次，需要更高精度的分钟降水数据。

3 短时强降水概况及空间分布特征

3.1 短时强降水概况

经统计发现：2010～2019年浙江省短时强降水累积发生频次为72601站次，随雨强增大呈指数式衰减，其中20～30 mm/h、30～50 mm/h、≥50 mm/h及≥100 mm/h所占比分别为 68.06%、27.23%、4.71%及0.06%（表1），而雨强大于100 mm/h近10年只出现了46站次，为极端强降水类型，样本量少。后文中为区分不同强度短时强降水，主要按20～30 mm/h、30～50 mm/h、≥50 mm/h三类分析。

表1 2010～2019年不同强度短时强降水发生的比例Table 1 Proportion of short-time heavy rainfall of different intensities during 2010−2019

3.2 短时强降水的空间分布特征

3.2.1 不同强度短时强降水的空间分布

从浙江省不同强度短时强降水的年均频次空间分布（图2）可见，全省的短时强降水空间分布不均匀，不论何种强度的短时强降水均表现为从东南沿海向内陆递减，表明短时强降水整体上沿海地区要比内陆多发。综合而言发生短时强降水频次最高的地区位于温州西南部，这带地区的短时强降水频发是由于当地多受台风影响强降水天气多，且山区地形对降水的增幅作用共同造成。具体而言，短时强降水最多发区域为温州西南部山区，单站年均频次最大可达16次，次活跃区域位于台州、宁波地区，局部地区年均频次可达9～11次，除去这几个地区，浙西地区的强降水频次较高，部分地区年均频次达7～8次。20～30 mm/h量级的降水总体而言分布特征与≥20 mm/h接近，最活跃的仍为温州西南部山区，但次活跃地区除了宁波、台州外增加了衢州西部、丽水西部地区等。30～50 mm/h和≥50 mm/h的短时强降水则主要分布在东南沿海地区，且≥50 mm/h的短时强降水除杭州湾附近外基本集中在东南沿海。此外≥100 mm/h的极端短时强降水近十年共出现46次，主要出现在东南沿海和杭州湾附近，且从时间上看，67.4%（31站次）出现在8～9月的台汛期，推测≥100 mm/h的极端短时强降水大多与台风降水有关。

图2 2010～2019年浙江省不同强度短时强降水年均频次的空间分布：（a）≥20 mm/h；（b）20～30 mm/h；（c）30～50 mm/h；（d）≥50 mm/hFig.2 Spatial distributions of average annual frequency of short-term heavy rainfall of different intensities in Zhejiang Province from 2010 to 2019:(a) ≥20 mm/h; (b) 20-30 mm/h; (c) 30-50 mm/h; (d)≥50 mm/h

3.2.2 短时强降水的逐月空间分布

由于冬半年（11月至次年4月）短时强降水出现频次较低，重点比较分析了夏半年（5～10月）浙江省短时强降水在不同月份的空间分布特征（图3）。5月短时强降水主要出现在浙西南地区，出现频率最高的站位于丽水西南部和衢州西部，最多的为2.1次。6月浙西地区的短时强降水频次显著增加，大部地区达2.5～3次左右，其他地区相比5月也有所增多。7月浙江进入盛夏，短时强降水相比6月有所减少，沿海地区受台风影响在此月相对短时强降水多发，最多的为温州个别站达到2.5次以上，其他地区短时强降水分布较均匀，山区较平原发生频次略高。8月短时强降水的发生与台风降水密切相关，受东风扰动和台风影响，东南沿海地区的短时强降水频次为一年中最大，温州、台州部分站点8月年均出现近5次之多，此外杭州湾和天目山区在8月短时强降水相对高发。9月温州地区仍为短时强降水出现频次最高的地区，最大为4.2次，其次为宁波地区，再次为台州和丽水地区，而其他大部地区都少于0.5次。10月强降水多发地仍为沿海地区，杭州湾周边次之，亦为典型的东风扰动和台风影响降水，但相比8～9月，10月沿海地区降水频次有所减少。

图3 2010～2019年（a）5月、（b）6月、（c）7月、（d）8月、（e）9月、（f）10月浙江省短时强降水年均频次的空间分布Fig.3 Spatial distributions of the average annual frequency of short-time heavy rainfall in Zhejiang Province in (a) May, (b) Jun, (c) Jul, (d) Aug, (e)Sept, and (f) Oct from 2010 to 2019

综上所述，5月浙江短时强降水出现在浙西南地区，主要由副高西北侧的低层西南暖湿气流造成该地区的春季暖区对流过程，因此短时强降水多发。6月副高北抬，浙江进入梅汛期，短时强降水主要位于浙西地区，其他地区降水也有所增多。7月副高进一步北抬，浙江进入盛夏季节，除台风降水外大多以午后分散性阵雨为主，山区相对平原对流性降水更易发。8月开始浙江进入台汛期盛期，短时强降水的分布展现出明显的台风降水特征，东南沿海地区受台风影响短时强降水发生频次最高，其他地区以分散性降水为主。9～10月主要受东风扰动和台风影响，短时强降水亦集中在沿海地区，除杭州湾附近其他大部地区年均发生频次都在0.5次以下。

3.2.3 最大小时雨强的空间分布

最大小时雨强的分布可以一定程度反映当地极端强对流天气的强弱，图4可见全省1 h最大降水量普遍在40 mm以上，其空间特征与≥50 mm/h的短时强降水分布类似，大于 80 mm/h的站点主要位于沿海地区和杭州湾附近，而100 mm/h以上的极端强降水除沿海外其他地市亦有分散出现。近十年全省最大小时雨强出现在2010年8月4日16:00（北京时间，下同）绍兴柯桥稽东站（K4021）出现了小时雨强为163.5 mm/h的极端强降水，为午后对流性降水造成。

图4 2010～2019年浙江省各站点的最大小时雨强Fig.4 Maximum hourly rain intensity at various stations in Zhejiang Province from 2010 to 2019

根据最大小时雨强出现的时段可大致推断造成当地极端强降水的天气系统。根据各代表站近十年最大雨强发生的月份绘制了图5，统计显示没有站点的最大小时雨强发生在12月至次年2月（故图中略去这三个月），4月和11月出现极值的也仅有少数站点。图5可见极值出现在9～10月的站点大多分布在沿海地区，与逐月空间分布得到的特征基本一致，这些地区的极端降水主要由东风扰动和台风带来的降水造成；而极值出现在5～6月的则多为浙西地区的站点，主要由西南暖湿气流和梅汛期西风带系统带来的降水造成；而在盛夏7～8月出现极值的站点相对而言无明显的区域性，考虑造成这些地区的极值可能为盛夏午后强对流天气亦有可能是由台风系统进入内陆或外围影响造成。以上结论与《浙江天气预报手册》（王镇铭等, 2013）中对浙江暴雨气候特征的分析一致，即梅汛期暴雨多出现在浙西山区，而台汛期暴雨多产生在浙东南、浙东和沿海，盛夏7～8月分散性强对流多发。

图5 2010～2019 年最大小时雨强出现在（a）4 月、（b）5 月、（c）6 月、（d）7 月、（e）8 月、（f）9 月、（g）10 月、（h）11 月的站点空间分布Fig.5 Spatial distribution of stations where the maximum hourly rainfall intensity occurred in (a) Apr, (b) May, (c) Jun, (d) Jul, (e) Aug, (f) Sept, (g)Oct, and (h) Nov from 2010 to 2019

综上可见，不同强度的短时强降水空间分布存在一定的差异，但总体而言高强度短时强降水易出现在沿海的温州、台州、宁波等地，这些地区极端短时强降水发生的频次较高，该特征对极端强将水的预报和防御具有一定的参考意义。另外在短时强降水多发的夏半年，随着时间推进和系统演变短时强降水的空间分布亦存在差异。5月受西南暖湿气流影响浙西南地区短时强降水多发，6月梅汛期浙江的短时强降水主要由西风带系统带来，浙西地区短时强降水多发；到了盛夏7月短时强降水主要由午后强对流造成，全省分散分布，无明显的区域集中特征；8～10月随着台汛期到来，浙江短时强降水主要由台风和东风扰动（如热带云团、东风波等）带来，在此期间短时强降水在沿海地区多发。

3.3 短时强降水的多时间尺度变化特征

3.3.1 日变化

图6为2010～2019年浙江短时强降水的日变化特征，图中频次为总的样本数除以1313站即站均频次。由图可知，总体而言短时强降水的日变化分布特征呈明显的单峰型。午后到傍晚（15:00至20:00）为短时强降水最活跃的时段。≥20 mm/h、20～30 mm/h和30～50 mm/h的短时强降水峰值均出现在17:00，而≥50 mm/h和≥100 mm/h的短时强降水峰值，则为16:00。入夜后短时强降水发生频率显著下降。在此基础上将一天分为上半夜（21:00至次日 02:00）、清晨（02:00至 08:00）、上午（08:00至14:00）和午后到傍晚（14:00至20:00）4个时段分别进行统计。由表2可见，不同强度的短时强降水最活跃时段均出现在午后到傍晚，尤其是≥50 mm/h的强降水出现在该时段的比例高达54.6%。次活跃时段出现在上半夜，占比在20%左右，而最不活跃时段则均为清晨。且随着降水的增强午后到傍晚发生短时强降水的比重增大，清晨比重明显减少，表明高强度短时强降水更倾向发生在午后到傍晚时段。

表2 2010～2019年浙江省不同强度短时强降水在一天内4个时段所占比重Table 2 Proportion of short-time heavy rainfall of different intensities during the four periods in one day in Zhejiang Province from 2010 to 2019

图6 2010～2019年浙江省短时强降水发生频次的日变化Fig.6 Diurnal variations of the frequency of short-time heavy rainfall in Zhejiang Province from 2010 to 2019

根据以往的研究，午后到傍晚地面受太阳辐射增强而加热增温明显，在近地层容易形成上冷下暖的绝对不稳定层结，在一定的动力和热力条件作用抬升下，会触发不稳定能量的释放，若配合水汽条件好，将导致短时强降水极易发生在当天的午后至傍晚时段（郑永光等, 2010; 林春泽等, 2016）。

短时强降水在四季的日变化亦存在差异，根据气候分类分为春季（3～5月）、夏季（6～8月）、秋季（9～11月）、冬季（12月至次年 2月）。图7给出了4个不同季节浙江短时强降水的日变化特征。由于冬季短时强降水发生频次比其余三季少得多，样本较少其日变化特征不具有代表性，故本文对冬季的短时强降水特征不作讨论。春季，日变化呈现出多峰型特征，峰值出现在19:00前后，夜间和凌晨出现强降水也相对较多，而中午（10:00至12:00）则为短时强降水出现频率最低的时段。到了夏季则呈现出明显的单峰型特征，午后14:00开始短时强降水发生频率显著增多，到傍晚17:00达到峰值，清晨则为夏季短时强降水发生频率最低的时段。秋季短时强降水的峰值也出现在午后到傍晚，但其日变化曲线与夏季有所差别，短时强降水出现时段更为平均，峰值为18:00，夜间也相对多发，最不活跃时段为正午。

图7 2010～2019年浙江省不同季节短时强降水的日变化特征（MAM、JJA、SON、DJF分别代表春、夏、秋、冬四季）Fig.7 Diurnal variation characteristics of short-time heavy rainfall in different seasons in Zhejiang Province from 2010 to 2019 (MAM, JJA,SON, and DJF represent spring, summer, autumn and winter respectively)

进一步地来讨论短时强降水日变化的逐月演变，图8为标准化后短时强降水日变化的逐月演变，其中冬季因样本过少已在图中舍去。从逐月演变图看其特征与前文得到的不同季节日变化特征基本接近，3月为多峰型，分别在02:00至03:00、21:00、06:00出现频次较高，上午时段出现频次较低；4月与3月基本相似呈多峰型，但午后出现短时强降水频次明显增加；5月的峰值则出现在19:00及午夜00:00左右；以上特征与春季日变化特征基本吻合。从6月开始日变化呈现出明显的单峰型特征，强降水多发时段集中在傍晚，峰值出现在17:00至18:00，夏季该时段为一天中能量积累最大的时段，配合一定的动力和水汽条件，极易发生短时强降水。至10月则呈双峰型日变化，峰值出现在06:00和23:00，与前几个月差异明显；但11月峰值又出现在18:00。

图8 2010～2019年浙江省标准化后短时强降水日变化的逐月演变Fig.8 Monthly evolution of the diurnal variation of short-time heavy rainfall (normalized) in Zhejiang Province from 2010 to 2019

可见不同季节，不同月份浙江省短时强降水的日变化特征有所差异，其中夏秋季节尤其是6～9月呈现显著的单峰型变化特征，短时强降水在午后到傍晚时段最为多发，峰值出现在傍晚的17:00至18:00左右，与这期间副高强盛，午后热力和不稳定条件好，易触发强对流天气有关。春季日变化呈现出多峰型特征，其中夜间和凌晨短时强降水多发阶段，原因可能是由于浙江春季强降水多由西南低空急流带来，而我国东部急流多在夜间和早晨发展加强（王东阡和张耀存, 2012），此时段动力辐合条件和水汽条件好，故强降水多发。

3.3.2 月变化

由图9可知，短时强降水的月变化特征呈现类双峰型分布。短时强降水主要出现在夏半年（5～10月），冬半年（11月至次年4月）总发生频次占比仅为5.6%，且值得注意的是在冬半年近10年间未出现≥100 mm/h的极端短时强降水。而在夏半年中又以8月最为活跃（26.0%），其次为6月和7月。强度20～30 mm/h的短时强降水月变化与≥20 mm/h的短时强降水基本一致，8月为最活跃月份，6月、7月次之。但随着雨强的增大，月变化特征有所改变，对于30～50 mm/h和≥50 mm/h的短时强降水，8月仍为短时强降水最活跃的月份，但9月强降水所占比重增加，且≥50 mm/h 的短时强降水9月发生频次超过6月，另在量级为30～50 mm/h和≥50 mm/h 的短时强降水中8～9月两个月发生频次占比接近全年的50%，分别为46.3%和57.8%，而≥100 mm/h的极端强降水出现在8～9月的占71.7%。

图9 2010～2019年浙江省短时强降水发生频次的逐月变化Fig.9 Monthly variation of the frequency of short-time heavy rainfall(normalized) in Zhejiang Province from 2010 to 2019

以上分析表明不同强度的短时强降水月变化特征存在一定差异，其月变化特征与降水的影响系统密切相关，此前逐月的空间分布差异已有所体现。6月浙江处于梅雨季，短时强降水多发但是雨强在30 mm/h以上的较强降水发生频次并不是很多，这与降水主要由西风带系统带来的持续性降水有关。而7～9月短时强降水多由海上热带低值系统或者午后强对流天气造成，前者因在东南沿海登陆的台风或者台风外围云系携带大量的水汽和能量，促使雨量剧增，而后者在盛夏多晴热高温天气，午后热力对流旺盛，突发性强且降水时段集中，故而7～9月的短时强降水雨强较大。

3.3.3 年际变化

图10为2010～2019年浙江短时强降水的年际变化特征， 可见2010～2019年之间短时强降水的年际分布不均，相对而言2015年以前年际变化幅度较小，短时强降水的发生频次基本在10年平均值5.53次附近。2015年后年际变化幅度增大，其中2016年短时强降水发生频次达6.65次，为最多的一年，而2017年为近10年短时强降水发生频次最低的一年，仅4.25次。20～30 mm/h和30～50 mm/h短时强降水年际变化趋势与≥20 mm/h基本一致。而对≥50 mm/h的极端短时强降水，年平均发生频次仅为0.26次，年际变化幅度相对小，发生频次最高的为2013年0.38次，最少的为2017年0.18次。故短时强降水的年际变化主要是由占比较高的20～30 mm/h和30～50 mm/h的短时强降水所决定的。要探究造成短时强降水年际变化原因，需进一步深入分析造成降水的环流系统的年际变化，包括西风带系统（低空急流、切变线、梅雨锋等）、东风扰动（热带云团、东风波等）以及台风的变化，本文的分析尚不能得到确切结论。

图10 2010～2019年浙江省短时强降水发生频次的年际变化Fig.10 Interannual variation of the frequency of short-time heavy rainfall in Zhejiang Province from 2010 to 2019

4 结论

本文利用2010～2019年浙江省72个基准气象观测站和1241个自动气象站的逐小时降水资料，分析了近10年浙江短时强降水的时空分布特征，在此基础上将短时强降水分为20～30 mm/h、30～50 mm/h以及≥50 mm/h三个等级，分析了不同强度短时强降水的特征。统计发现：

（1）近10年浙江省短时强降水累计发生频次为72601站次，随雨强增大呈指数式衰减，其中强度为20～50 mm/h占95%以上，雨强大于100 mm/h近10年只出现了46站次，为极端强降水类型。

（2）短时强降水空间分布不均匀，总体来看沿海地区要比内陆多发，发生频次最高的地区为温州西南部，此地区在台风降水与山区地形增幅的共同作用下导致强降水多发。不同强度的短时强降水空间分布有所差异。此外，由于不同时段造成短时强降水的天气系统不同，在短时强降水多发的夏半年，随着时间推进短时强降水的空间分布亦存在差异。5～6月短时强降水主要由西南暖湿气流和梅汛期西风带系统带来，因此浙西地区短时强降水多发，到了盛夏7月短时强降水主要由午后强对流造成，全省分散分布，无明显的区域集中特征，8～10月随着台汛期到来，浙江短时强降水主要由台风和东风扰动带来，故在此期间短时强降水在沿海地区多发。

（3）全年来看短时强降水的日变化分布整体特征呈明显的单峰型，峰值出现在17:00。随着雨强增大午后到傍晚发生短时强降水的比重有所增大，而清晨比重明显减少，表明高强度短时强降水更倾向发生在午后到傍晚时段。不同季节、不同月份短时强降水的日变化特征有所差异，其中夏秋季节尤其是6～9月呈现显著的单峰型变化特征，短时强降水在午后到傍晚最为多发，峰值出现在17:00至18:00，这与副高强盛，午后到傍晚热力和不稳定条件好，易触发强对流天气有关；春季日变化呈现出多峰型特征，其中夜间和凌晨亦为短时强降水多发时段，应与低空急流多在夜间和早晨发展加强有关。短时强降水的月变化特征呈现类双峰型分布，8月最为活跃（26.0%）（主要由台风降水造成），其次为6月和7月。不同强度的短时强降水月变化特征存在较明显差异，其月变化特征与降水的影响系统密切相关，20～30 mm/h的短时强降水其月变化与≥20 mm/h基本一致；对于30～50 mm/h和≥50 mm/h的短时强降水，8月仍为短时强降水最活跃的月份，但9月强降水所占比重增加，8～9月两个月发生频次占比近全年的50%。而≥100 mm/h的极端强降水出现在8～9月的占71.7%。2010～2019年之间浙江省短时强降水的年际分布不均，相对而言2015年以前年际变化幅度较小，之后年际变化幅度增大，2016年短时强降水发生频次最高达8728站次，而2017年为近10年短时强降水发生频次最低的一年仅5581站次。