引言

短时强降水是我国常见强对流天气类型之一，相对于区域性持续暴雨，短时强降水主要由中小尺度天气系统造成，具有尺度小、突发性强、生命史短、预测难度大、致灾严重等特点。暴雨洪涝灾害是所有相关气象灾害中发生最频繁、造成伤亡人数最多的灾害^[1]，其短时间内还可能引起严重次生灾害，如山洪、城市内涝、泥石流、滑坡等，如2010年8月8日发生在甘肃省舟曲的泥石流事故中最大小时降水量为77.3 mm^[2]，2012年“7.21”北京大暴雨最大小时雨量达100.3 mm^[3]，1975年河南“75·8”极端暴雨过程其最大小时雨量高达189.5 mm^[4]，其中个别站点连续出现4 h雨强大于100 mm·h^-1的降水^[5]。极端短时强降水(≥50 mm·h^-1)^[1]带来的暴雨洪涝或次生灾害，往往会给人民生命财产安全造成严重威胁。周旋^[6]和陈炯等^[2]的研究表明，我国短时强降水(20~40 mm·h^-1)主要有以下特征:发生频率的空间分布与暴雨(≥50 mm·d^-1)分布非常相似，区域差异明显，总体呈由东南向西北递减趋势；我国短时强降水主要发生在夏季，与东亚夏季风北进南撤、西太平洋副热带高压(以下简称副高)北跳南退较为一致；其日变化多峰特征明显，大部分地区短时强降水都是夜间多发；短时强降水量级一般都很大，对总降水量的贡献率远大于其发生率。

位于我国中部的河南省地跨黄淮流域，地处黄淮西部地貌过渡区，其北部西邻太行山，南部位于淮河流域上游，西部有海拔约1 000 m左右、西北-东南走向的伏牛山，而东部位于华北平原南缘(图 1)。河南省不仅地貌较为复杂，其南北覆盖区域(31°-37°N)正好位于我国暖温带半湿润区与北亚热带气候过渡带中^[7]。目前，针对河南地区降水和暴雨的统计研究^[8-14]显示:该地区降水呈现出明显的极端化，大到暴雨对全年总降水量的贡献呈明显上升趋势；暴雨的季节性显著，多出现在降水频发的5-9月并集中在6-8月，季风对其影响较大；暴雨空间分布总体上自西向东逐渐增加，南多北少，区域差异明显，且区域特征与地形分布关系密切。上述河南地区暴雨时空分布不仅与气候带关系密切，还受天气系统和地形影响。苏爱芳等^[8]利用卫星反演的云顶黑体亮温(TBB)对该区域深对流活动的研究结果进一步表明:河南夏季上空深对流活跃，其中淮河流域是深对流活动最频发区域，豫北和豫西山区是深对流次高发区。由于根据TBB统计得到的深对流活动是所有强对流天气发生发展的综合反映，其中不仅包含了短时强降水还包含有雷暴、冰雹等其他强对流天气，因此有必要对河南地区短时强降水特征进行单独研究。陈炯等^[2]利用国家基准、基本气象站资料对全国短时强降水的统计结果显示，由于站点分辨率低，降水的极端性会被低估。而近年来随着我国区域自气象动站网迅速发展，河南省已建成稠密地面观测网(图 1)。这使得利用高密度地面降水观测资料获得该地区更细致、更精准的短时强降水时空分布、日变化等统计特征成为可能，从而有望提高对该地区短时强降水分布特征及天气规律的认识，提升本地短时强降水监测预报能力。

1 资料与方法

本文使用资料为2010-2015年河南省2 929个地面加密自动观测站(图 1)雨季(5-9月)降水资料，该资料由中国气象科学研究院气象资料分析与应用中心“我国南方致洪暴雨监测与预测的理论和方法研究项目资料组”收集处理并经质量控制得到，其时间分辨率为1 h。上述地面自动站点平均间距约8.5 km，其密度较大、空间分布较均匀，这使得不论在河南西部山区还是东部平原地区均可有效捕捉到时空分辨率小的短时强降水(flash heavy rain, FHR)过程。针对各站资料时间连续性的排查发现，由于建站时间不一致等因素，2010-2015年5-9月小时降水资料存在4 a以上缺测的站点有385个，约占所有站点的13%，其缺测率较低，表明利用该资料得到的FHR统计结果是可信的。

本文将小时雨量(R_1h)大于等于20 mm作为短时强降水的标准^{[1, 6, 15]}。据此，首先，统计分析上述6 a河南FHR累积频次、雨季年平均累积降水量、降水贡献率的时空分布；然后，根据降水发生的具体时间分析其日变化特征；最后，在该标准确保了降水强度的基础上，根据R_1h≥20 mm降水发生的具体时间，确定其前后连续3 h的降水量至少超过30 mm，且将R_1h≤5 mm作为截断，得到伴随FHR的过程的持续时间^{[6, 16-17]}，即可了解河南省这6 a中雨季伴随FHR的降水过程的持续特征。

2 结果与分析 2.1 河南短时强降水的时空分布特征

图 2给出河南省2010-2015年雨季(5-9月，下同) FHR频次的逐年逐月分布。从中看到，这6 a雨季FHR频次累计达到近2万次，其中2012、2013、2015年FHR频次明显偏多，2012年最多，2011年最少，前者是后者的1.7倍(图 2a)；7月FHR频次最多，8月次之，5月最少，夏季7-8月FHR频次占比高达74% (图 2b)。

从河南省2010-2015年雨季年平均降水量分布图上(图 3a)可见，南部降水量较北部明显偏大；豫西山区和河南中东部小范围区域在200 mm以下，其余大部分地区在200 mm以上，大于300 mm的区域主要集中在河南中南部和黄河以北部分地区；超过500 mm以上的极大值中心则多出现在豫西豫南山区。

根据河南省各站R_1h≥20 mm的降水累积, 得到雨季年均FHR量的空间分布(图 3b), 从中看到, 其总体上有别于累积降水量南多北少的分布特征, 但存在4个显著FHR量大值区(40 mm以上), 即黄河以北太行山东侧(Ⅰ区), 华北平原南部商丘地区(Ⅱ区), 伏牛山南坡及其以南、以东和南阳盆地(Ⅲ区), 沿淮及其以北地区与豫南信阳地区南缘和东缘(Ⅳ区), 且其中超过80 mm的FHR极大值中心多与地形分布相关, 尤其是南部的Ⅲ、Ⅳ两区, 如Ⅲ区西南部伏牛山南部山区及其以南山前坡地, Ⅳ区西北部桐柏山东坡以及其南部大别山北坡和其以北地区, 与总降水量超过500 mm (图 3a)的极大值中心较为一致, 即地形较复杂山区和地形陡峭处有助于FHR发生, 对降水的增幅作用显著。同时, FHR的局地性特征明显, 虽然Ⅲ、Ⅳ区FHR量大值中心(40 mm以上)与总降水量大值区(300 mm以上)分布较为一致, 但在区域Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的西部FHR量大值区内总降水量并不突出(图 3a)。

河南省2010-2015年雨季FHR量占其总降水量的百分比分布图(图 3c)显示，河南中西部伏牛山以北的三门峡，洛阳以东的平顶山、许昌，河南东部开封、周口、驻马店等部分地区，FHR占比在10%以下，其余地区则在10%以上；占比(即贡献率)超过10%的范围与4个FHR量大值区(图 3b)对应较好，只是其覆盖范围略大。而河南FHR高发(累积次数超过5次)区覆盖范围(图 3d)则与上述4个FHR大值区的一致性最好，与地形密切相关的FHR量极大值中心(图 3b)同样对应FHR高频中心，即地形对降水的增幅作用主要是通过FHR频次增加实现的。

加入高分辨率的区域站地面观测降水资料后，能更细致反映河南省雨季FHR空间分布特征:从南至北共存在4个FHR量大值区，对应FHR高频和高降水贡献率，其中南部两个区域(Ⅲ、Ⅳ区)降水量更大、降水频次更高，而北部两个区域(Ⅰ、Ⅱ区)则降水贡献率更大。可见，河南西、南部地形复杂区十分有利于FHR频发，地形对降水的增幅作用显著。

统计河南省各站2010-2015年雨季R_1h极大值表明，雨强超过50 mm·h^-1的站点共计898个，其时间分布特征(图略)与FHR发生频次的时间分布特征(图 2)较一致。从图 3e中看到，雨强极值大于等于50 mm·h^-1的站点分布较为均匀，仅黄河以北太行山东侧较稠密，与FHR的4个频发区不存在显著一致性。雨强极值超过100 mm·h^-1的站点共计47个(其中44站为区域站)，其局地性极强，河南中北部、南阳盆地、河南南缘及沿淮地区的雨强极值站点稍显密集，出现位置明显具有随机性。

根据前文所述，河南全省FHR发生频次各月差异较大，而与该地区强降水密切相关的环流形势如副热带高压的位置、强度等同样也有较明显的月差异^{[7, 11]}。因此，本文重点关注FHR空间分布的月际特征。

根据图 3中4个量即年均降水量(x₁)、年均短时强降水量(x₂)、短时强降水量占降水量比例(x₃)和短时强降水频次(x₄)，针对河南省2 932个站点，定量计算出场相似系数(表 1，均通过0.01显著性水平检验^[18])。

从表 1中看到: (1)整个雨季(5-9月)及其各月年均FHR量与FHR的降水贡献空间相关性最高，其场相似系数(r_x2-x3)高达0.90以上；(2) 6-9月各月年均FHR量与FHR频次的空间相似性也较明显，其场相似系数(r_x2-x4)大于等于0.72；(3)夏季7、8月份年均降水量与年均FHR量、FHR量占降水量比例的相关性均较高，其场相似系数(r_x1-x2、r_x1-x3)均在0.70或以上，即这两个月FHR对河南省降水的贡献较高，其中7月在整个雨季中FHR与降水的场相似度最高，其场相似系数为0.84。

河南省雨季(5-9月)年均月降水量变化图(图 4a₁-图 4a₅)显示，降水量逐月明显增多，降水大值区从东南向西北显著增加。5月(图 4a₁)，仅在黄河以南存在月降水量为50~80 mm的零散区；6月(图 4a₂)，位于豫南淮河流域的驻马店、信阳地区月降水量均在60 mm以上，即江淮梅雨已能影响豫南地区^[8]；7月(图 4a₃)，月降水量超过60 mm的大值区已向北推进至河南中南部南阳盆地以及黄河北部，全省仅在伏牛山北侧降水偏少，其南北型降水分布明显，这与7月副高北抬西进以及副高与西风带系统的相互作用密切相关^[12]。8-9月(图 4a₄、图 4a₅)，全省月降水量都超过50 mm，9月降水显著北推且超过100 mm的范围也明显大于8月，其中8月降水量超过100 mm的大值区主要集中在伏牛山以东及沿淮地区，而9月则多出现在河南中、西部大部分地区，这与8-9月副高东退、整个河南地区易受东移低槽和东风波系统影响且仍具有较高不稳定能量相关^{[8, 19]}。

上述分析表明, 各月短时强降水量与总降水量的空间分布差异则较大, 5、6、9月(图 4b₁、图 4b₂、图 4b₅), 伴随零星分散的局地FHR大值区, 全省大部分地区年均月FHR量在5 mm以下, 仅在6月受江淮梅雨影响, 豫东南信阳东部出现超过15 mm的区域(图 4b₂)。7-8月(图 4b₃、图 4b₄), 全省大部分地区FHR量超过10 mm, 7月其范围主要集中在4个FHR频发区, 8月则范围更广。这两个月FHR分布差异的形成主要是, 超过15 mm(以及30 mm)的FHR大值区范围7月仍集中在4个强降水频发区, 而8月其范围明显偏小, 主要出现在黄河以北太行山东坡新乡鹤壁西部、伏牛山东坡南阳东北部以及沿淮地区。

河南各月FHR量占其总降水量的百分比空间分布表明，5、6、9月(图 4c₁、图 4c₂、图 4c₅)河南整体FHR的降水贡献(占比)均较低，其中5月只在豫中、豫南局部地区有贡献率超过5%的区域，6月贡献率超过5%的区域明显北推且范围增大，9月虽然年均降水量大(图 4a₅)，但FHR的贡献率最低，除沿淮地区外，其余大部分地区贡献率都在5%以下。7月FHR的贡献率最大，全省大部分地区在20%以上，在区域Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ甚至达到40%以上(图 4c₃)。8月全省FHR的贡献率多在5%~20%之间，只在4个FHR多发区局地才达到20%~40%(图 4c₄)。

另外，从河南2010-2015年6 a雨季各月FHR累积频次空间分布图上可见，其逐月分布与年均月FHR量分布相近，但其与相应的降水贡献率的分布差异较大。5、6、9月(图 4d₁、图 4d₂、图 4d₅)，FHR频次除局地较高外，多为1~2次。其中，9月出现过FHR的较大区域(图 4d₅)，但也仅在豫南边界有超过3次的局地高频区。7月(图 4d₃)，高于3次的FHR发生区集中在上述4个FHR高发区内，但在伏牛山以北三门峡、洛阳、平顶山、郑州及开封等地，其频次较低，仅1~2次，而降水贡献率却超过20%(图 4c₃)，即7月FHR少发的主要原因是伏牛山背风坡(北部及东北侧)降水量较少。8月(图 4d₄)，FHR超过3次的地区仍位于4个FHR高发区，但相比7月其范围明显偏小，且高频中心极值也明显偏弱。

综上可知，河南2010-2015年雨季(5-9月)FHR时空分布差异明显，其中7、8月FHR量大、降水贡献高、发生频次多，且大值区都分布在4个FHR高发区中。但存在如下差异：全省范围7月FHR对这5个月FHR空间分布特征的影响最大；在区域Ⅳ内，淮河以南地区的FHR主要出现在7月，而沿淮地区则主要发生在8月。逐月差异也进一步显示在河南除天气系统外，地形对降水的增幅作用显著，且主要是通过对地形复杂区FHR频次增加实现的，如区域Ⅰ太行山东坡、区域Ⅲ伏牛山迎风坡便是如此。

2.2 短时强降水的日变化特征

图 5a为河南全省2010-2015年雨季不同强度FHR频次的日变化，从中看到，其日变化呈明显的双峰型结构，雨强大于等于20 mm·h^-1的FHR频次峰值出现在午后17-19时(北京时，下同)，次峰值出现在凌晨01时；正午12时其发生频次最少，仅约为午后峰值的1/4和凌晨次峰值的1/2；其夜发性明显，主要集中在傍晚17时至凌晨01时的前半夜；雨强大于等于50 mm·h^-1的FHR频次较低，仅为雨强大于等于20 mm·h^-1的FHR频次的1/10，但两者日变化趋势相近，不同的是，前者发生在凌晨的峰值幅度明显高于傍晚，傍晚峰值区间较窄，与凌晨至清晨后半夜相比，前半夜频次幅度更高，夜发性更明显，谷值位于清晨07时。

对比上述河南省4个FHR频发区其频次日变化特征可知: (1) FHR频次南北差异明显，位置偏北的Ⅰ、Ⅱ区(图 5b、c)，其频次峰值出现在下午至夜间，而位置偏南的Ⅲ、Ⅳ区(图 5d、e)，其频次峰值则出现在凌晨至清晨。(2)各区FHR频次日变化特征也不尽相同: 1)位于豫北的Ⅰ区，其日变化明显呈单峰型，峰值出现在傍晚17时，该区36%的FHR发生在傍晚17时至夜间21时；2)位于华北平原南部的Ⅱ区，其日变化波动较大，FHR频次主峰值出现在夜间23时，次峰值出现在傍晚18时，下午16时至凌晨01时是该区FHR发生最多的时段，上午10时至午后14时为次多时段(其中正午12-13时为第三峰值时间)，究其原因，这可能与平原夏季午后热对流多发有关，而早上09时和下午15时该区FHR发生较少；3)位于伏牛山以南的Ⅲ区，其日变化明显呈双峰型，峰值出现在凌晨01时，随后其频次减少，到正午12时降到最低，从正午至傍晚迅速增加，19时出现次峰值，FHR夜间出现的频次明显高于白天；4)位于淮河流域的Ⅳ区，其FHR频次日变化也呈双峰型，峰值出现在清晨04-06时，次峰值出现在下午15-17时，凌晨至清晨后半夜FHR频次明显高于傍晚至凌晨前半夜，但相对于其他3区，该区FHR频次日变化幅度明显偏小、峰值区间明显较宽。

从河南省各站FHR频次及强度日变化峰值出现的具体时间(图 6)分布图上可见，FHR频次日变化峰值出现在凌晨的站点更多(图 6a、c)，全省约46%的站点日变化高频峰值出现在凌晨00-06时，且主要集中在沿淮、伏牛山东南-河南中东部平原地区以及豫西北太行山东坡，约27%的站点FHR日变化高频峰值出现在白天午后12-18时，以伏牛山以北以及太行山下游豫东北地区为主要集中区域。另外，FHR强度日变化峰值出现时间(图 6b、c)与上述频次分布明显不同，峰值出现在午后的站点更多，全省约64%的站点强度峰值出现在12-23时，且集中在午后12-18时的有35%。除河南西北缘、伏牛山以南南阳盆地、伏牛山以东平顶山东部、淮河沿岸地区的站点降水强度峰值更易集中出现在凌晨外，全省其余地区降水强度峰值则多出现在午后至傍晚。

虽然河南省FHR频次和降水强度日变化峰值出现的具体时间的空间分布差异较大，但在黄河以北太行山东侧下游新乡北部、伏牛山东部下游平顶山与漯河交界处、伏牛山南以及沿淮等地区，两者出现时间都集中在凌晨，这也与河南省雨季年平均FHR量(图 3b)的大值区域较匹配，即该地区高频、高强度的夜发性FHR对整个FHR的贡献很大。

2.3 伴随短时强降水的持续降水过程的特征

一般我国降水过程中有超过60%的过程属于持续时间较长的降水事件^[13]，FHR发生前后也多伴有连续降水，时间上并不孤立。本文根据已确保降水强度(≥20 mm·h^-1)具体时间，将其前后连续3 h的累积降水量大于等于30 mm作为基础标准、R_1h≤5 mm作为截断，统计得到伴随FHR的降水过程的持续时间。结果显示，符合上述标准的FHR过程有近万次，持续时间的频率分布见图 7。从中看到，最长持续时间达16 h，但81.6%的持续时间都集中在1~3 h，其中2 h的发生频率最高，占40.1%，1 h的频率仅略高于3 h，这是因为上述标准对累积降水量和降水连续性均有要求，故1 h的过程中会排除大量出现时间不连续的1 h短时强降水(约6 500次)。超过3 h后，随着持续时间变长，持续时间较长的过程出现频率迅速降低，≥9 h的过程仅占0.8%。

从图 7中还可看到，7-8月仍是持续性FHR过程的主要贡献月，其持续时间的频率分布与上述总体情况一致；而在5、6、9月虽然2 h的频率仍最高，但3 h的频率明显高于1 h，且持续时间在2~8 h的降水过程发生频率的差距缩小；相比7-8月，其余3个月持续时间较长的过程在本月内发生频率更高。

基于上述分析结果，以各站持续时间大于等于3 h的强降水发生频次为标准，确定具有显著持续性的过程。图 8给出河南省2010-2015年雨季各站伴随FHR的持续时间大于等于3 h的过程发生频次分布，从中看到，整体上从南到北显著持续性过程发生的频次逐渐降低，并存在2个相对集中的高频区域，一是河南中南部伏牛山以东平顶山东南部、南阳东北缘以及漯河地区，造成该地区持续性过程频发的可能原因，一是该区域处于伏牛山支脉交界的喇叭口地形中，若近地层东风分量增强，此类地形能对引起FHR的对流系统的维持和增强起重要作用^{[13, 20-23]}；二是豫南淮河流域沿淮及信阳东南部地区，该地区暖季不仅深对流频率在全省最高，又因受活跃热对流和天气系统的共同影响，其对流持续时间更长^[8]，继而导致该地区显著持续性FHR过程发生频率在全省范围内最高。上述两个高频区域，都处于地形较复杂的区域，如伏牛山以东喇叭口地形、沿淮山中地形陡峭处以及信阳东南部山前平地，故伴随FHR的持续降水过程的发生和维持同地形密切相关。

3 结论与讨论

根据较高时空分辨率的地面降水观测资料，统计得到河南2010-2015年雨季(5-9月) FHR时空分布特征。主要结论如下：

(1) 2010-2015年雨季河南FHR在2012年发生次数最多，夏季7-8月为集中发生期，其中7月最多。

(2) 在雨季全省年均降水量呈南多北少特征；年均FHR量空间分布明显不同，局地差异更明显，存在豫北黄河以北、豫东商丘地区、伏牛山以南以东与豫南沿淮及其以南地区4个显著大值区，且这4个区域同样也是FHR贡献大、发生频次高的区域。

(3) 7-8月FHR的空间分布决定了上述4个FHR高发区的存在，其中区域Ⅰ-Ⅲ受7月FHR的影响更大，区域Ⅳ淮南地区主要受7月FHR影响而沿淮地区则受8月FHR影响。天气系统和地形都是河南FHR的主要影响因素，其中地形对降水的增幅作用显著且主要通过FHR发生频次的增加来实现。

(4) 全省FHR频次日变化为明显的双峰型，峰值出现在傍晚17时。夜雨特征显著，傍晚至凌晨的前半夜是显著的频发时段。4个FHR频发区日变化特征差异较大，尤其南北两个区域:区域Ⅰ呈单峰型且日变化幅度大，峰值在傍晚17时；而区域Ⅳ呈持续活跃型且日变化幅度最小，峰值主要出现在清晨04-06时。全省各站FHR频次和强度日变化峰值的时空分布差异也较大:站点频次峰值多出现在00-06时，强度峰值则多出现在12-23时。

(5) 伴随FHR的降水过程的持续时间主要为1~8 h，其中2 h的过程最多。持续时间大于等于3 h的过程在河南南部发生频率更高，存在两个高频集中区，豫中南伏牛山以东支脉的喇叭口地形区和豫南沿淮及其以南地区，且与地形关系密切。

本文利用河南省高密度小时地面降水观测资料对近6 a雨季FHR特征进行了初步统计分析，从一定程度上得到了较先前更细致的河南雨季FHR量、降水频次的时空、日变化和持续性等特征，但对造成其特征的原因还有待于进一步分析，如近6 a FHR极大值大于等于100 mm·h^-1的站点为何多分布在北部地区、各月该地区地形与天气形势究竟哪一因素对FHR空间分布影响更大、造成不同FHR频发区日变化特征何以存在差异、FHR日变化特征与降水日变化特征异同及其形成机制是什么等。

另外，本文研究采用的是逐时地面降水观测资料，而整点小时雨量资料会存在对非整点时段内连续FHR的截断，统计得到的FHR频次要比实际发生频次小；河南稠密区域自动站中包括风、温度、气压和湿度的6要素站所占比例不足10%，这对充分揭示FHR发生机理仍嫌资料精度不够。因此，下一步可结合已有的雷达观测、区域站观测以及数值模拟结果，针对上述悬而未决的问题开展深入研究。

中国气象科学研究院气象资料分析与应用中心“我国南方致洪暴雨监测与预测的理论和方法研究项目资料组”以及武汉暴雨研究所李红莉副研究员针对河南省2010-2015年所有地面降水观测资料及其应用给予了技术指导，在此一并致谢！