张志富， 希 爽

(1.国家气象信息中心，北京 100081； 2.中国气象局地球系统数值预报中心，北京 100081)

引 言

短时强降水引起的暴雨洪涝是中国夏季最主要的灾害之一[1]。短时强降水在短时间内可以引发严重的洪涝、城市内涝等灾害，甚至可以引发泥石流和山洪等地质灾害，从而易导致重大经济损失和人员伤亡。如1975年8月上旬河南的大暴雨，在淮河中上游造成了空前的洪水灾害[2]，水库垮坝，经济损失达到几亿元。1991年5-7月江淮地区出现严重的暴雨和洪涝[3]，造成了600亿元的直接经济损失。2004年7月10日北京城区突发暴雨，城区内两小时降水达到70 mm以上，造成城区大面积积水，公路交通多处拥堵，局部瘫痪。2005年6月10日12时至15时，黑龙江宁安市沙兰镇发生了200年一遇的特大暴雨过程，3小时降雨量达120 mm，造成117人死亡，其中小学生有105人。2012年“7·21”北京特大暴雨，雨量历史罕见，全市受灾人口达190万人，79人遇难，经济损失近百亿元。因此，深入研究短时强降水的时空分布特征，对于我国的防灾减灾有非常重要的意义[4]。

一直以来，短时强降水的发生机理、数值模拟、预报方法及气候特征分析等，都是我国气象科学研究的重要方向之一。从20世纪70年代起，陶诗言[2,5]和丁一汇[3，6]等就对我国暴雨进行了系统性研究，研究主要集中在我国20世纪暴雨的气候分布、成因分析，指出我国大暴雨主要发生在华北、江淮和华南三个纬度带上。翟盘茂等[7-9]研究了我国极端降水的变化趋势，以及极端降水与降水总量的关系，指出我国西部和长江中下游到华南地区的极端降水事件趋于增多，华北和四川盆地地区呈显著减少趋势，极端降水与平均降水趋势一致。鲍名[10-11]和黄荣辉[12]等对我国暴雨的变化特征研究表明，我国夏季暴雨发生频率具有明显的年代际变化，局地持续性暴雨事件主要发生在江南和华南地区，东部季风区夏季暴雨与洪涝的关系非常密切。宇如聪[13-16]和李建[17]等研究了我国大陆降水日变化特征，揭示了中国大陆夏季降水存在显著的日变化，且区域特征鲜明，提出降水过程的不对称性，不同季节不同区域的短时降水和持续性降水的峰值时间有差异。

由于小时降水观测数据的限制，关于短时强降水的研究大部分局限于基于日或月平均数据所得到的夏季中国中东部或局部城市区域降水的时空演变或持续性变化特征等[18-26]，而对于中国大范围小时尺度的短时强降水的时空分布研究相对较少。本文将利用台站小时降水观测数据，从小时尺度降水的时空分布、区域特征等方向入手，分析研究中国中东部地区暖季小时尺度降水的发生规律和变化特征。

1 数据和方法

本文所用的数据为基于降水自记纸数字化形成的全国1951-2017年中国大陆2400多个气象观测站的逐小时降水数据。该数据经过国家气象信息中心对人工、自记纸、自动站不同来源的数据进行的整合，通过了细致的质量控制，包含气候界限值检查、区域界限值检查、时间一致性检查、空间一致性检查等。在称重式雨量计业务应用之前，我国台站雨量计测量的小时降水均为非固态降水，南方地区的台站全年有小时降水观测记录，北方地区的台站在冷季一般无小时降水观测，大多观测于5月开始，到9-10月结束，这与我国暖季降水出现时间一致。为保证全国不同地区降水数据的一致性和可比性，本文选取有35年以上小时降水观测的2097站(图略)1961-2017年5月1日到9月30日的小时降水观测数据，对小时降水超过20 mm(我国强对流天气预报业务中一般定义的短时强降水[27])的强降水，通过极端、平均、区域平均时间序列分析等[28-30]方法，对我国小时强降水的时空变化特征进行分析。

中国降水有明显的区域特征，有必要对降水进行分区域研究和分析。利用各站小时降水量，建立各站历年极端小时降水量序列，对该序列进行EOF分解，其中前2个特征值所对应的典型场描述精度超过了86%(图略)。典型场显示，中国极端小时降水量有明显的东南-西北向的分布趋势。根据典型场的分布，将中国中东部划分为5个区域(表1)：中北部地区、东北地区、东部沿海、中部地区、华南地区，分区研究中国短时强降水的气候特征。在进行区域平均分析时，为避免我国不同区域站点分布不均造成的差异，采用Jones等[31]提出的经纬度网格面积加权平均方法，先进行网格化处理，将区域划分为2.5°×2.5°网格，计算区域内每个网格的平均值，再将区域内所有非空网格值进行算术平均，得出区域平均值。

表1 中国中东部划分区域范围

2 结果与分析

2.1 空间变化特征

2.1.1 极端小时降水

在1961-2017年5-9月极端小时降水量的空间分布上(图略)，超过100 mm/h的站点主要分布在东部沿海和华南地区，部分站点在中部地区；80～100 mm/h的站点分布与100 mm/h以上的台站分布类似，但东北地区部分站点出现80～100 mm/h的过程；50～80 mm/h的站点除在华南地区、中北部地区分布较少外，其他区域均有较多站点出现此级别的强降水过程，说明华南地区大部分站点出现超过80 mm/h的强降水过程；20～50 mm/h的站点主要分布在中北部地区，在中部地区西北部及东北地区有零散分布。

极端小时降水发生月份有明显的自南向北逐渐推进的特征(图略)，华南地区的极端小时降水发生月份以5月、6月和9月为主，7月和8月较少；中部地区以6-8月为主；中北部地区、东部沿海和东北地区都以7-8月为主，这与我国雨带自南向北推进的走势相一致。极端小时降水发生时次相对分散(图略)，华南地区的极端小时降水发生时次大部分在凌晨和晚间(00-05时和18-23时)，白天相对较少，但下午(12-17时)发生站点比上午(06-11时)的多；中部地区以凌晨和上午(00-05时和06-11时)为主；中北部地区以下午和傍晚(12-17时和18-23时)为主；东部沿海地区发生时次相对分散；东北地区以下午和傍晚(12-17时和18-23时)为主。

2.1.2 平均小时降水

年平均小时强降水发生时次数空间分布有明显的东南-西北分布特征(图略)。我国内蒙古、甘肃、宁夏、青海、新疆、西藏，山西、陕西西北部、四川、云南西北部、黑龙江、吉林东部地区的平均小时强降水发生时次数少于1次，东三省大部分、京津冀、山东、河南、湖北、湖南、重庆、贵州、云南、山西、陕西东南部、长江三角洲地区发生时次数为2～4次，江苏、安徽、江西、福建、广东、广西发生时次数为5～10次，超过10次的区域主要分布在两广的沿海和海南地区。极大小时强降水发生时次数也是东南-西北的分布特征(图略)，我国内蒙古、山西、陕西、宁夏、甘肃、青海、新疆、西藏、四川、云南西部地区、黑龙江、吉林东部地区的极大小时强降水发生时次数少于5次，极大小时强降水发生时次为5～10次的主要分布东三省大部分、京津冀、河南、湖北、湖南、重庆、浙江、贵州和云南地区，极大小时强降水发生时次为10～20次的主要分布在江苏、安徽、江西、福建、广东、广西和四川东部，极大小时强降水发生时次数超过20次的除了在两广的沿海和海南地区外，在福建、江西、湖南、湖北也有零散分布。从极大小时强降水发生时次数与平均发生时次数的差异上看，我国黑龙江、吉林、内蒙古、山西、陕西、宁夏、甘肃、青海、新疆、西藏、云南、河北北部、四川西部地区差异值较小，说明发生强降水的年分布相对平稳，我国辽东半岛、山东半岛、中部、东南沿海等大部分地区的差异值相对较大，差异值超过15次的区域分布在广东、广西沿海和海南地区，这些区域强降水发生次数的平均和极大值均较多，江苏、河南、湖北、江西、福建等地区也有个别站差异值超过15次，说明这些地区出现过强降水发生次数极端增多的年份。

在平均小时强降水发生月份比率分区分布上(图1)，中北部地区5月发生比率最少，不到3%，9月的次之，不到5%，6月发生比率略增加，约12%，主要集中在7月和8月，分别占45%和35%。东北地区和中北部地区分布相似，主要集中在7月和8月，分别占46%和33%，其次是6月，占14%，5月和9月的较少，分别占1%和6%。东部沿海地区，较北部两个区域，5月、6月和9月占比率略提高，分别占8%、19%和9%，7月和8月略下降，分别占35%和29%。中部地区与东部沿海地区分布相似，7月和8月分别占34%和29%，5月、6月和9月占比率分别占11%、18%和8%。华南地区分布比率各月差异相对较少，除9月占12%外，5-8月各月均在22%左右，其中6月的最大，占25%。

图1 1961-2017年5-9月中国区域平均小时强降水

在小时强降水发生时次比率分布上(图2)，中北部地区的发生时次的单峰值趋势明显，比率超过5%的峰值在14-21时，累计占比超过51%，比率在2%左右的低值在09-11时。东北地区的发生时次分布与中北部的相似，峰值(比率超过5%)发生时次略有提前，在13-19时，累计占比超过43%，低值(比率2%左右)在07-09时。东部沿海地区的发生时次分布存在两个峰值，第一个峰值点(比率超过5%)在14-19时，累计占比超过34%，第二个峰值点(比率超过3.8%)在05-07时，两个低值分布在23时-次日02时和10-11时。中部地区的发生时次是单峰值趋势，峰值(比率超过5%)主要集中在23时-次日04时，累计占比超过33%，低值(比率2.5%左右)

图2 1961-2017年中国区域平均小时强降水发生时次比率分区特征

在10-14时。华南地区的发生时次分布与东部沿海相似，第一个峰值(比率超过5%)在14-18时，第二个峰值(比率超过3.9%)在04-06时，两个低值分布在22-23时和09-11时。

2.2 时间变化特征

图3给出了1961-2017年逐年区域平均小时强降水发生日数的逐月分布，中北部地区小时强降水发生日数相对较少，20世纪60年代末小时强降水发生日数出现第一次活跃期，之后进入逐年变动趋势，分别在20世纪80年代末到90年代初、21世纪10年代出现第二次和第三次活跃期，活跃期有20～30年的周期性变化特征及周期缩短趋势。东北地区强降水发生日数相对中北部地区有所增加，从20世纪80年代末开始，小时强降水发生日数从不活跃期转变为活跃期。东部沿海和中部地区小时强降水一直为逐年波动的变化趋势，无明显活跃期转变。华南地区小时强降水发生日数相对最多，20世纪70年代初小时强降水发生日数出现第一次活跃期，之后进入逐年变动趋势，在21世纪00年代出现第二次活跃期，活跃期有30年左右的周期性变化特征。在逐年区域平均小时强降水发生时次数的逐时分布上(图4)，中北部地区小时强降水发生时次数相对较少，20世纪60年代末小时强降水发生时次数出现第一次活跃期，之后进入逐年变动趋势，分别在20世纪90年代末、21世纪10年代出现第二次和第三次活跃期，活跃期有20～30年的周期性变化特征及周期缩短趋势。东北地区强降水发生时次数相对

图3 1961-2017年5-9月中国逐年区域平均小时强降水发生日数的逐月分布图

中北部地区有所增加，分别在20世纪80年代中期和90年代中期存在两个活跃期。东部沿海和中部地区小时强降水发生时次数一直为逐年波动的变化趋势，无明显活跃期的转变。华南地区小时强降水发生时次数相对最多，20世纪70年代初小时强降水出现第一次活跃期，之后进入相对非活跃期，在21世纪00年代后出现第二次活跃期，活跃期有30年左右的周期性变化特征。

图4 1961-2017年5-9月中国逐年区域平均小时强降水发生时次数的逐时分布图

在5个区域的区域平均小时强降水发生日数(图5a)上，年变化均有线性增长趋势，均未通过0.05的显著性检验。中北部地区、东北地区、东部沿海、中部地区、华南地区的线性增长率分别为0.43天/10a、0.83天/10a、0.81天/10a、0.46天/10a、1.96天/10a。东部沿海和华南地区还存在二阶变化趋势，东部沿海二阶趋势较华南地区的更明显，但都是在1980-1990年存在一个小时强降水发生日数的低值。区域平均小时强降水发生时次数(图5b)与发生日数的变化趋势相似，各区域均有线性增长趋势，均未通过0.05的显著性检验。中北部地区、东北地区、东部沿海、中部地区、华南地区的线性增长率分别为0.36次/10a、0.80次/10a、0.91次/10a、0.41次/10a、2.26次/10a。发生时次的增长率在东部沿海和华南地区较日数增长率略有增加，其他区域均略有减少。同样，东部沿海和华南地区还存在二阶变化趋势，东部沿海小时强降水发生时次数的低值较日数低值略有提前，华南地区低值仍然在1980-1990年。

综上，在强降水发生日数上，中北部地区活跃期有20～30年的周期性变化特征及周期缩短趋势，东北地区20世纪80年代末开始从不活跃期转变为活跃期，东部沿海和中部地区无明显活跃期转变，华南地区活跃期有30年左右的周期性变化特征。在强降水发生次数上，中北部地区活跃期有20～30年的周期性变化特征及周期缩短趋势，东北地区在20世纪80年代中期和90年代中期存在两个活跃期，东部沿海和中部地区无明显活跃期转变，华南地区活跃期有30年左右的周期性变化特征。

所有区域的年变化均有线性增长趋势，均未通过0.05的显著性检验。华南地区的线性增长率最大，分别达到1.96天/10a和2.26次/10a，东部沿海和华南地区存在二阶变化趋势，在1980-1990年存在日数和时次数的低值。

图5 1961-2017年5-9月中国不同区域平均小时强降水发生日数(a)和时次数(b)的年变化趋势

3 结 论

(1)在极端小时降水量的空间分布上，超过100 mm/h的站点主要分布在东部沿海和华南地区，华南地区大部分站点出现超过80 mm/h的强降水过程，东部沿海大部分站点出现超过50 mm/h的强降水过程，中部地区有部分站点出现100 mm/h以上的过程，大部分为50～80 mm/h；东北地区部分站点出现80～100 mm/h的过程，大部分为50～80 mm/h；中北部地区大部分站点出现20～50 mm/h的强降水过程。

(2)极端小时降水发生月份有明显自南向北逐渐后推特征，华南地区以5月、6月和9月为主，中部地区以6-8月为主，中北部地区、东部沿海和东北地区以7-8月为主。极端小时降水发生时次相对分散，华南地区大部分在凌晨和晚间，东部沿海无明显集中时次，中部地区以凌晨和上午为主，东北地区和中北部地区以下午和傍晚为主。

(3)小时强降水年平均、极大小时强降水发生时次数均有明显的东南-西北分布特征，我国西北六省、内蒙古、山西、四川、云南等地区的年平均时次少于1次、极大时次少于5次，东三省、京津冀、河南、湖北、湖南、重庆、贵州、云南等地区年平均时次数为2～4次、极大时次数为5～10次，江苏、安徽、江西、福建、广东、广西等地区发生时次为5～10次、极大时次为10～20次，平均超过10次、极大超过20次的区域主要分布在两广的沿海和海南地区。

(4)在平均小时强降水发生月份的比率分布上，华南地区小时强降水各月分布差异相对较小，6月的最大，其他区域的小时强降水主要集中在7月和8月。在小时强降水发生时次的比率分布上，中北部和东北地区的发生时间主要集中在13-21时，07-11时发生概率较小，中部地区的发生时间主要集中在23时-次日04时，10-14时发生的概率较小，东部沿海和华南地区的发生时间都主要集中在14-19时和04-07时，22时-次日02时和09-11时发生概率较小。

(5)在强降水发生日数和次数上，中北部地区活跃期有20～30年的周期性变化特征及周期缩短趋势，东北地区在20世纪80年代开始有活跃期变化，东部沿海和中部地区无明显活跃期转变，华南地区活跃期有30年左右的周期性变化特征。所有区域的年变化均有线性增长趋势，均未通过0.05的显著性检验，华南地区的线性增长率最大，分别达到1.96天/10a和2.26次/10a，东部沿海和华南地区存在二阶变化趋势，在1980-1990年存在日数和时次数的低值。