乐山地区短时强降水时空分布及变化特征研究

邹槟骏 , 吕晓莉 , 王 筱 , 江 南 , 陈 贝

（1.四川省乐山市气象局， 乐山 614000；2.四川省雅安市气象局，雅安 625000）

引言

随着全球气候变暖的加剧，强降水事件也呈现出向极端化发展的趋势[1]。20世纪以来，全球降水量和极端降水有增加趋势，尤其在北半球中高纬度地区，极端降水频率和强度显著增加[2]。多项研究[3-10]表明，我国西南地区夏季降水总天数呈减少趋势，四川盆地大部分地区累计降水量呈减少趋势，但小时降水量却越来越大，盆地中部是极端降水的频发区。短时强降水是短时间内造成滑坡、泥石流、中小河流洪水及山洪等灾害的主要灾害性天气，具有持续时间短、强度大、突发性强、可预测性低的特点，对生命财产安全和经济社会发展带来诸多不利影响，特别是近年来在大力推进的暴雨、山洪及地质灾害防御工作中，越发凸显出短时强降水分布的重要性[11-13]。如2012年“7.21”北京强降水事件，小时降雨量超过70 mm的站数多达20个，降水最大值为100.3 mm，短时雨强大，城区形成大面积积水，经济损失超过百亿元[14]。

乐山位于四川盆地西南部，西藏高原的东南外缘，其特殊的地理位置和复杂的地形，使其成为我国西部一个比较稳定的雨量高值中心，全市大部分地区年降雨量在1000 mm以上，境内峨眉山市为全市乃至全省的多雨中心，峨眉山金顶年降雨量可达1600 mm以上。2020年“8.11～8.18”乐山地区发生连续强降水事件，全市11～18日累计雨量超过250 mm的站点多达187个，累计雨量最大为625.8 mm，最大小时雨强为85.0 mm，暴雨落区多次重叠，加之三江上游同时出现持续性强降雨，导致乐山青衣江出现百年一遇洪水，岷江出现50年一遇洪水，过程造成全市72.9万人受灾，直接经济损失216.2亿元。乐山作为世界历史文化旅游圣地，在短时强降水事件呈现出向极端化发展的趋势下，加强区域降水气候特征研究，特别是短时强降水等极端天气变化特征的研究很有必要。本文利用乐山地区2013～2020年145个区域自动站和国家站逐小时降水观测资料，深入细致分析短时强降水时空分布及变化趋势特征，在此基础上辅以数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）地理信息，绘制了乐山地区短时强降水的精细化分布图，进而探讨短时强降水落区与地形的关系，以期为进一步认识乐山地区降水气候特征、提高短时强降水预报预警水平、有效应对区域气候变化及其影响、增强旅游气象服务能力以及保障地方经济社会发展提供科技支撑。

1 资料与方法

由于区域站为无人值守观测站，数据可靠性相对较低，以尽可能利用一切可用数据为前提，对全市所有自动站逐时降水观测资料的完整性、准确性和可靠性进行评估，根据降水连续性和强度差异对降水数据进行异值剔除，通过降水极值检测、时间和空间一致性检验等质控方法对逐时降水资料进行质控诊断，最终形成9个国家气象站和136个区域气象站2013～2020年逐小时降水观测资料集，利用该数据集对乐山地区短时强降水时空分布及变化特征进行精细化分析。该资料由全国综合气象信息共享系统（CIMISS）的统一服务接口获得，时间均为北京时，乐山地区地形特征和自动气象站分布见图1。地理信息数据为乐山地区1:25000 DEM数据，利用ArcGIS软件的Spatial Analysis模块提取坡向、坡度、经度、纬度数据。

图1 站点分布

中国气象局2017年发布的《短时临近天气业务规定》（气办发〔2017〕32号）中，将短时强降水定义为1 h降水量≥20 mm的降水。本文所研究的短时强降水频次为单站小时雨量≥20 mm以上的降水发生次数，平均值为单站或区域内各站点小时雨量≥20 mm以上降水总量除以总频次，极值为各站点发生的小时雨量最大值。

采用一次线性趋势拟合研究变化趋势[15]，具体公式如下：

式中：a1=dYt/dt，a0为常数。定义气候倾向率b=a1×10。当b＞0时，说明气候要素随时间t呈上升趋势；b＜0时，说明气候要素随时间t呈下降趋势。R是气象要素时间序列与自然数数列之间的相关系数，它是反映两个变量间是否存在相关以及这种相关关系密切程度的统计量。根据显著性水平，这里选取0.1、0.05、0.01、0.001共4种信度进行检验。

普通克里金插值（OK Kriging）法基于广义线性回归，不仅考虑了样本点与插值点位置的相关关系，同时还利用半变异理论模型得到样本点与插值点之间的空间相关关系，是在有限区域内对区域化变量进行无偏优化的一种方法[16]，它通过引进以距离为自变量的变差函数来计算权值，变差函数同时可以反映变量的空间结构和随机分布特性，克服了反距离权重（Inverse Distance Weighted，IDW）插值结果的不稳定性，且OK Kriging法对受大气平流作用影响的气象要素插值较为有效。变异系数（Cv）能够表征变量的空间离散程度，一般认为Cv＜0.1为弱变异性，0.1≤Cv≤1.0为中等变异性，Cv＞1.0为强变异性。

2 短时强降水时间变化特征

2.1 年变化特征

2013～2020 年乐山地区145个站发生短时强降水单站总次数达6778次，全市单站年平均频次为5.8次（表1）。金口河2013年、2015年和2016年单站发生短时强降水频次最少，单站年平均频次不足1次。峨眉2018年发生短时强降水最多，单站年平均频次达17.3次。就整个乐山地区而言，2015年短时强降水发生频次最少，单站平均频次为2.6次；2018年降水异常偏多，短时强降水、暴雨事件创历史之最，平均单站短时强降水频次达10.7次。从各区、市、县短时强降水年平均频次看，金口河年平均频次最少（1.4次），峨边、井研、马边、犍为、市中区、五通、沐川、沙湾、峨眉和夹江依次增多，夹江短时强降水年平均频次为全市最多（8.1次）。全市短时强降水分布差异较大，年均频次最多的夹江约为金口河的6倍，且从各区县短时强降水年频次和极值趋势来看，乐山地区短时强降水频次和极端值均存在两级分化的特点。

如图2所示，2013～2020年乐山地区短时强降水单站年平均频次呈现增加的趋势，以4.95次/10 a的速率递增，递增率为8.6%，相关系数0.49，未通过0.1水平的显著性检验。从短时强降水年均频次的特征量统计结果得出，乐山地区短时强降水单站年平均频次为5.8次，标准差平均为2.31，变异系数平均为0.40，呈中等程度变异，表明乐山地区短时强降水频次存在一定的变率。

图2 乐山地区单站短时强降水年平均频次变化趋势

2013～2020 年乐山地区短时强降水年极值主要集中在市中区、沐川、沙湾、峨眉和夹江，以夹江出现的年份偏多，2020年8月24日01时在夹江木城永兴10队出现小时降水量最大值（130.3 mm）。如图3所示，短时强降水年极值呈弱增加的趋势，增速为68.35 mm/10 a，递增率为6.7%，相关系数0.74，通过0.05水平的显著性检验；乐山地区短时强降水年平均值（强度）较为稳定，数值介于29.5～33.1 mm/h，线性变化趋势不明显。从乐山地区短时强降水年极值和年平均值（强度）的特征量统计结果可知：年极值平均为102.2 mm/h，标准差平均为21.15，变异系数平均为0.21，呈中等程度变异，表明年极值存在一定的变率；年平均值（强度）为31.3 mm/次，标准差平均为1.06，变异系数平均为0.03，呈弱变异。总的来说，2013～2020年乐山地区短时强降水频次和极值各站点虽有显著差异，且频次和极值呈增加趋势，但整个乐山地区短时强降水年平均值（强度）较为稳定，变率不大。

图3 乐山地区短时强降水年极值和年平均值变化趋势

2.2 月、旬变化特征

乐山地区短时强降水最早出现在3月26日，最晚可至10月27日。短时强降水在3～10月均有发生，11月～次年2月无短时强降水发生。8月发生频次最多，达400次；3月最少，仅为2.3次。如图4所示，短时强降水频次月分布呈单峰型特征，集中发生在7～8月，达658.4次，占全年的77.7%；最大小时雨强月分布呈双峰型特征，8月为主峰值（130.3 mm/h），6月为次峰值（126.2 mm/h），其中 5～8 月均在 100 mm/h以上；短时强降水强度的月分布也呈双峰型特征，5月强度最大（33.8 mm/h），8 月次之（31.7 mm/h），其中5～9月短时强降水强度均在30 mm/h以上。尽管短时强降水频次集中出现在7～8月，但3～4月最大雨强仍分别达到49.3 mm/h和64.4 mm/h。因此，在3～4月刚入汛时便需对强对流天气提高警惕。

图4 乐山地区短时强降水频次、强度和极值逐月分布

由于乐山地区短时强降水发生频次集中在7～8月，因此，进一步统计了该时段的逐旬分布（图5）。如图所示，短时强降水发生时段主要集中在7月下旬～8月上旬，7月上旬发生短时强降水站次最少，7月中旬次之，8月上旬发生频次最高。7月下旬～8月上旬发生的短时强降水频次占这2个月总量的49.8%，这正好验证了“七下八上”多雨时段的说法。整体来看，除7月上中旬短时强降水站次偏少外，其余时段的比重均较大，是乐山地区短时强降水预报需要重点关注的时段。

图5 乐山地区短时强降水频次7～8月逐旬分布

2.3 日变化特征

从2013～2020年乐山地区短时强降水发生频次、强度和极值的逐时分布（图6）可知，发生频次日变化呈单峰单谷结构，在01时达到最大值（678站次），之后随着时间变化逐渐减少，于16时达最小值（63站次），然后又逐渐增加，午夜时分短时强降水频次又回到最大值。夜间发生频次明显大于白天，夜雨特征突出，与西南地区降水日变化特征一致[17-20]。短时强降水频次从谷值到峰值的增长速率明显大于从峰值到谷值的衰减速率。本节以峰、谷值出现的时间为界，把降水量分为01～16时衰减和16时～次日01时增长两个时段，讨论其变化趋势。分析表明，短时强降水发生频次日变化衰减、增长变化均十分明显，都通过了0.001水平的显著性检验，且增长速率明显大于衰减速率（表2）。

表2 乐山地区短时强降水频次分时段变化特征

图6 乐山地区短时强降水逐时分布

乐山地区短时强降水主要集中出现在20时～次日05时，平均频次在503站次以上，01时达最大（678站次），其中22时～次日04时是高发时段。短时强降水最大小时雨强峰值主要出现在夜间和下午，是灾害发生的主要时段，01时达最大（130.3 mm/h）。需要注意的是，虽然13时和16时短时强降水发生频次较少，但其最大小时雨强明显偏大，分别达126.2 mm/h和113.4 mm/h，仅次于夜间峰值，故而也应当引起预报员的重视。

3 短时强降水空间变化特征

为宏观描述乐山地区短时强降水频次、强度和极值的空间分布特征，本节利用ArcGIS软件，以站点气象数据为基础，辅以经度、纬度、高程等地理信息，计算各站点短时强降水频次、强度、极值与经度、纬度、海拔之间的残差，构建统计模型，利用空间分析中栅格运算获得乐山地区短时强降水频次、强度和极值的空间分布（图7）。

如图所示，短时强降水频次空间分布不均，与地形关系密切，总体呈西南部和东北部少、西北部-中部-东南部多的特征，各地短时强降水年平均频次差异较大；高值中心主要分布在夹江、峨眉、市中区、五通、沙湾和沐川一线江河流域的河谷地带，单站短时强降水年均频次高于8次；低值中心主要分布在西南部的金口河、峨边和马边的山区地带、东北部的井研和犍为的丘陵地区，单站短时强降水年均频次低于5次（图7a）。短时强降水强度分布呈东北部强、西南部弱的特征，高值区主要分布在夹江、峨眉、井研、市中区、五通、沙湾和沐川一线江河流域的河谷地带，低值区主要位于马边、峨边、金口河的西南山区（图7b）。短时强降水极值分布总体呈东北部强、西南部弱的特征，大值中心主要位于夹江、峨眉、市中区、五通、沙湾和沐川一线江河流域的河谷地带，小时极值在70 mm/h以上；低值中心主要位于马边、峨边、金口河的山区，极值在50 mm/h以下（图7c）。总体上看，乐山地区短时强降水年均频次、强度和极值分布较为一致，大值区主要分布在夹江、峨眉、市中区、五通、沙湾和沐川一线江河流域的河谷地带，低值区主要位于马边、峨边、金口河的西南山区。

图7 乐山地区短时强降水频次（a）、强度（b）和极值（c）空间分布

4 短时强降水与地形的关系

根据上节研究可知，乐山地区短时强降水与地理位置、地形之间存在一定的关系。因此，以乐山地区145个站点短时强降水年平均频次为目标变量，以经度、纬度和海拔高度等地理位置因素为解释变量，探讨这些因素对短时强降水的影响。

4.1 短时强降水频次随地形因子变化特征

根据相关分析可知，乐山地区短时强降水频次随经度自西往东（102°50′～104°30′E）整体呈增加趋势，相关系数为0.126，未通过0.1水平的显著性检验（表3）。分段来看，从山区到河谷（102°50′～103°40′E）这一过渡段短时强降水频次呈显著的增加趋势，相关系数为0.830，通过0.001水平的显著性检验；从河谷到丘陵山区（103°40′～104°30′E）这一过渡段短时强降水频次呈减少趋势，相关系数为0.498，通过0.001水平的显著性检验（表4）。

表4 乐山地区短时强降水频次随经度、海拔高度分段变化特征统计量

乐山地区短时强降水频次随纬度自南往北（28°25′～30°20′N）整体呈增加趋势，以 0.18 次/度的速率递增，递增率为3.0%，相关系数为0.337，通过0.001水平的显著性检验，表明短时强降水频次自南向北增加趋势非常显著，这与乐山西南高、东北低的地形特征有密切关系（表3）。

表3 乐山地区短时强降水频次随地形因子变化特征统计量

乐山地区短时强降水频次随海拔高度（300～2000 m）整体呈减少趋势，相关系数为0.143，通过0.1水平的显著性检验，表明短时强降水频次随海拔升高而明显减少（表3）。分段来看，短时强降水频次在海拔300～1000 m随高度升高而增加，相关系数为0.067，未通过0.1水平的显著性检验；短时强降水频次在海拔1000～2000 m随高度增加而显著减少，相关系数为0.754，通过0.001水平的显著性检验，表明短时强降水频次在这一高度段随海拔升高而显著减少（表4）。

4.2 地形对乐山地区短时强降水的影响

廖菲等[21]详细分析了地形的动力、热力效应引起的降水和云物理变化，得到迎风坡、背风坡、山谷风等地形效应产生大降水的原理。根据这一理论，结合前文分析，将乐山地区短时强降水频次与地形、河流及城镇分布进行对比，总结出短时强降水高发区的4种地形或下垫面特征：

（1）山谷喇叭口地形：主要位于乐山地区西北部的夹江、峨眉一带，为东北-西南向邛崃山系和西北-东南向峨嵋山形成中尺度喇叭口地形，中低层西南暖湿气流流入喇叭口后，遇两侧高山阻挡会突然收缩，在山前堆积，水平辐合明显加大，空气辐合强迫抬升，进而加大积云对流作用，导致短时强降水频次偏多[22-25]。山谷喇叭口地形对降水的贡献，是短时强降水高发区主要集中在夹江-峨眉一带的主要原因之一。

（2）狭管效应地形：乐山地处四川盆地西南部，盆地中部成都平原东侧龙泉山脉横亘其间，由此乐山地区北部在邛崃山脉和龙泉山脉之间，皆为东北-西南走向。两山之间形成狭长山间管道，气流由开阔地带流入山谷时，由于空气无法大量堆积，加速穿境而过，强风常造成乱流涡旋和升降气流，增强垂直运动，有利于形成地形降水。

（3）岷江流域的河谷地区：主要位于岷江-大渡河-青衣江流域的河谷地带，山谷风环流是造成乐山地区多夜雨的主要原因，白天晴朗，能量快速增加，加之河谷地带本身丰富的水汽，夜间山顶降温较快，山谷降温较慢，冷空气沿山坡流向河谷，在河谷辐合上升，形成强对流，进而产生降水，导致低洼河谷地区短时强降水频次偏多。

（4）城市热岛效应：主要对应市中区、峨眉市、沙湾区、五通桥区等城市建筑与人口密集地，城市热岛效应显著。在夏季晴空天气下，中午前后的城市热力强迫有利于城市中尺度低空风场辐合线形成，并使城区中心边界层风场的垂直切变加强，易产生持续的对流性短时强降水[26]。

综上所述，地形效应在乐山地区短时强降水中发挥的作用不容忽视。对比乐山地区地形和短时强降水次数的空间分布可知，短时强降水集中区域在喇叭口地形处，有非常明显地形的抬升和汇流作用，同时相对西风系统有明显背风坡作用，相对东风系统有明显迎风坡作用。夹江、峨眉的小地形狭管效应和山谷风也非常明显，这一区域短时强降水也比较集中。

5 结论与讨论

本文选取2013～2020年乐山地区9个国家自动站和136个区域自动站逐小时降水资料，系统分析了该地区短时强降水的时空演变特征，探讨了短时强降水与地形因子的关系，得到如下主要结论：

（1）2013～2020年乐山地区短时强降水年均频次和极值均呈增加趋势，强度较为稳定，变率不大。

（2）2013～2020 年乐山地区短时强降水在 3～10月均有发生，频次月分布呈现出单峰型的特征，集中发生在7～8月，占全年的77.7%，7月下旬～8月上旬的发生频次又占7～8月总量的49.8%。短时强降水频次日变化呈单峰单谷结构，22时～次日04时是高发时段。

（3）乐山地区短时强降水空间分布差异较大，存在两级分化的特点，与地形关系密切，总体呈西南部和东北部少、西北部-中部-东南部多的分布特征。

（4）受海拔高度、风向以及山脉、河谷等地形因素影响，乐山地区短时强降水高发区可分为山谷喇叭口地形、狭管效应地形、岷江流域的河谷地形和城市热岛效应共4种类型。

目前，乐山高寒山区除了峨眉山气象站外，在海拔2000 m以上还无气象观测站，导致利用观测分析方法研究地形降水特征十分困难，对于降水机制以及气候垂直响应特征的进一步研究更是难上加难。因此，研究只能从稀疏的现有台站资料得到关于地形对降水影响的初步结论。2021年开始，乐山地区气象部门已经着手开展高寒山区气象观测站的选址建设工作，相信在不久的将来，随着观测网络的拓展、观测手段的不断提高和计算方法的改进，能够更进一步地认识乐山地区降水气候垂直响应特征及与地形的关系。