引言

湖北省地处长江中游副热带季风气候区，大、中、小尺度天气系统密切配合与稳定维持以及冷暖空气持续对峙与交汇常常带来区域性暴雨过程（周小兰等，2006）。相对于分散性暴雨，区域性暴雨过程在空间上表现为移动缓慢或稳定的片状或带状降雨区，在时间上表现为持续1 d或1 d以上过程性强降水。区域性暴雨过程是引发区域性洪涝、中小河流洪水、地质灾害等次生灾害的主要致灾因子（姜海如，2007；於琍等，2018）。长江中下游地区是暴雨洪涝灾害风险较高地区（鲍名，2007；汴洁等，2011）。暴雨洪涝则居湖北省自然灾害之首（姜海如，2007）。对重大灾害过程快速作出灾前、灾中、灾后评估是地方制定防灾应急预案和灾害响应的重要依据。历史上不少损失巨大的洪涝灾害都是由区域性暴雨过程引发的。据《中国气象灾害大典·湖北卷》（姜海如，2007）记载，20世纪以来的1931年、1935年、1954年、1964年、1969年、1980年、1983年、1989年、1991年、1996年、1998年、1999年以及2016年（据《湖北省2016年气候影响评价》）湖北均发生较为严重的洪涝灾害，其中，1931年、1935年、1954年、1998年、2016年还引发了长江流域性特大洪涝灾害；特别是1954年6月3日入梅后的60 d内就发生大范围暴雨过程12次，1983年梅雨期（6月11日—7月23日）出现大范围暴雨天气过程11次，1998年汛期出现区域性暴雨过程16次。

国内学者对区域性暴雨过程的定量评估做了大量卓有成效的研究工作。袁慧敏等（2012）选取区域暴雨站平均降水量、降水强度极值、覆盖范围和持续时间4个指标，对每个指标作正态化转换，再利用分布密度函数的反函数确定重现期概率等级，最后运用权重分析法建立了长江中下游暴雨过程综合强度评估模型。此外，还有研究选取类似评价指标，采用不同统计分析方法建立评价模型（陈艳秋等, 2006, 2007；袭祝香，2008；袭祝香等，2009；郑国等，2012；蔡新玲等，2012；邹燕等，2014；戴泽军等，2015；黄会杰等，2018；伍红雨等，2019；张顺谦等，2019），分别评估了淮河上游流域、东北地区、广东、福建、四川等区域性暴雨过程（事件）。对发生在湖北的区域性暴雨过程的灾害损失预估与发生机理也有一些研究，邵末兰等（2010）采用湖北区域5—9月暴雨、大暴雨和特大暴雨站数定义湖北区域性暴雨过程，建立了区域性暴雨过程强度及其灾情损失值风险预估模型，该模型可用于预估未来符合标准的区域性暴雨过程灾害损失；施望芝等（2008）分析了2007年5月湖北省两次区域性暴雨过程的大气环流、天气尺度系统及中小尺度系统配置特征。为规范全国范围和省级区域性暴雨过程的监测与评估，2019年中国气象局发布了《区域性重要过程监测和评价业务规定》（气预函〔2019〕63号）。为了使上述规定中的省级区域性暴雨过程监测和评价方法适用于湖北省，本文从以下方面对该方法进行了本地化修订研究：一是结合湖北实际，确定了监测湖北区域性暴雨过程的最少暴雨站数（n值）；二是以区域性暴雨过程平均暴雨强度、平均影响范围、持续时间3个基本要素按照不同幂指数权重累乘法建立综合强度评估模型，其中，平均影响范围修订为平均日暴雨站数比，再以百分位法并基于最近气候标准期内区域性暴雨过程强度序列划分过程强度等级。本文以暴雨平均强度为重要影响因子，综合考虑影响范围和持续时间两个因素，其物理意义明确，有利于较准确地监测和快速定量评价暴雨过程的综合强度，也可用于对量化预报的未来区域性暴雨过程强度进行预评估和灾后快速评估。

1 资料与方法 1.1 资料说明

本文使用的资料包括：(1)湖北省1969—2018年国家气象观测站逐日（20-20时，北京时，下同）雨量资料，该资料来源于国家气象信息中心CIMISS数据库；(2)相应年份暴雨灾情数据，该数据来源于《中国气象灾害大典·湖北卷》（姜海如等，2007）及近年湖北省年度气候影响评价报告。

1.2 区域性暴雨过程判定及相邻暴雨站数（n值）的确定方法

中国气象局预报与网络司（2019）将省级范围的区域性暴雨日和区域性暴雨过程规定为：日降水量≥ 50.0 mm的相邻站点（距离≤350 km）≥n站确定为一个区域性暴雨日，n取值由各省结合本地实际自行确定；出现一个或一个以上连续区域性暴雨日，则为一次区域性暴雨过程；区域性暴雨过程起止时间判定方法是：满足区域暴雨过程判定条件的首日即为该过程开始日，区域性暴雨过程开始后，单日监测区内出现不满足区域性暴雨过程判定条件首日的前一日为该过程结束日。已有人提出以省级区域暴雨站数占区域总站数不低于5%构成一个区域性暴雨日（邹燕等，2014；伍红雨等，2019）。对湖北而言，由于各站建立年份不同，国家气象站由1969年的73个逐渐增加到2007年及以后的81个，其空间分布较为均匀，按照5%暴雨站数比界定湖北范围内有4个（n=4）或以上彼此站距小于或等于350 km的国家气象观测站日降水量大于等于50.0 mm为一个区域性暴雨日较为合理。这样界定基于两个原因：（1）防止将空间上分散性暴雨界定为区域性暴雨，如发生在湖北东南西北角的4站暴雨，由于在空间上分布于不同自然地理区域或处于不同流域，只能形成局地灾害，不能形成汇流叠加效应；（2）区域性暴雨属系统性降水，需符合大尺度天气系统的运动演变规律。

1.3 评价与分析方法 1.3.1 评价指标及本地化修订

（1）持续时间（D）。区域性暴雨过程从开始日到结束日的日数（单位：d）。

（2）平均暴雨强度(I_a)。某次区域性暴雨过程中平均每天每个暴雨站点的降水量。其计算式为

$ {I_{\rm{a}}} = \frac{1}{{\sum\limits_{t = 1}^D {{M_t}} }}\sum\limits_{t = 1}^D {\sum\limits_{m = 1}^{{M_t}} {{R_{m, t}}} } $

(1)

其中，t为区域性暴雨日序号，t = 1, 2, ..., D；M_t为第t 个区域性暴雨日的暴雨站数；m 为区域性暴雨日暴雨站序号，m =1, 2, ..., M_t；R_{m, t}为第t 个区域性暴雨日第 m 个暴雨站日降水量（单位：mm）。

（3）平均影响范围(A_a)。以区域性暴雨过程中平均日暴雨站数代表。为便于实时与历史上区域性暴雨过程以及历史上区域性暴雨过程之间进行比较，将其修订为以区域性暴雨过程中平均日暴雨站数比。修订后的计算式为

$ {A_{\rm{a}}} = \frac{1}{D}\sum\limits_{t = 1}^D {\frac{{{M_t}}}{N}} $

(2)

其中，N 为设定区域评估年份国家气象观测站的总站数。

上述3个指标为因子建立湖北区域性暴雨过程综合强度指数(Z)模型，即

$ Z = f\left({{I_{\rm{a}}}, {A_{\rm{a}}}, D} \right) = {I_{\rm{a}}} \times A_{\rm{a}}^{0.5} \times {D^{0.5}} $

(3)

1.3.2 评价等级划分

根据中国气象局预报与网络司（2019）的规定，区域性暴雨过程综合强度评价等级依据区域性暴雨过程综合强度指数（Z）确定，采用极端气候事件的划分法及百分位数法划分强度等级。为此，计算对应气候标准期内所有区域性暴雨过程综合强度指数（Z）值，然后对Z作升序排列，分别计算50%、80%和95%百分位（P）对应的百分位数，以3个百分位数为界定阈值，将区域暴雨过程综合强度划分为4个取值区间，从而确定区域性暴雨过程综合强度等级，其结果见表 1。其中，2010年及以前的百分位数取值气候标准期为1971—2000年，2011—2020年的百分位数取值气候标准期为1981—2010年，2021年以后的百分位数取值气候标准期依此类推。

1.3.3 区域性暴雨过程的气候变化特征与气候重现期分析

利用线性趋势分析法和Morlet小波变换法（陈思等，2017；徐菲菲等，2018），分析湖北近50 a区域性暴雨过程气候变化特征。对于资料年限较长（30 a以上）的序列，分析以年为重现期的周期性气候事件时，宜采用年最大值法，提取50个年最大区域性暴雨过程强度值样本，再利用正态分布函数拟合区域性暴雨过程的重现期（陈艳秋等，2007；魏凤英，2009；袭祝香等，2009）。

2 湖北区域性暴雨过程的气候变化特征 2.1 按站平均的暴雨日时空分布特征

受季风环流和地形条件的影响，湖北国家气象观测站年均暴雨日数地理分布差异很大。年平均暴雨日分布的特点是：南部多于北部，东部多于西部，山地多于平原，迎风坡多于背风坡。武陵山东南侧、幕阜山西北侧、大别山西南侧是湖北省的3个暴雨中心，平均每年有5~6个暴雨日，鄂北、江汉平原北部是少雨中心，平均每年仅2~3个暴雨日（图略）。近50 a湖北地区国家气象站站均暴雨日呈现弱的减少趋势，但不显著。

2.2 区域性暴雨过程的时间变化特征 2.2.1 年际变化

依据本文第1.2节中的区域性暴雨过程判定方法，湖北省1969—2018年共发生区域性暴雨过程723次，年发生9~23次，年均14.5次，其变化趋势不明显（图 1）。从其年代际和年际分布看，1970年代为少发期，1980年代和1990年代为多发期，21世纪前10 a为少发期；1973年、1987年、1998年、2014年区域性暴雨过程数均超过20次；1998年发生最多，达到23次，1971年最少，仅9次。利用Morlet小波变换法分析区域性暴雨过程时频特征表明，湖北区域性暴雨过程存在显著的2~3 a年尺度周期振荡（通过α =0.05的红噪声谱检验）。

2.2.2 月际变化

从1969—2018年湖北区域性暴雨过程的逐月分布看（图 2），其主要发生在4—9月，此期间过程次数占全年总次数的92.1%，其中，6月发生次数最多，占全年的22%。

2.2.3 不同持续时间的区域性暴雨过程次数的年际变化

从每次区域性暴雨过程持续日数看（图 3），近50 a来，持续1~2 d过程为665次，占其总次数的92%；持续3 d及以上过程出现58次，占比为8%；其中两条变化曲线以1990s中期为界呈现反位相变化，1990s中期以前1~2 d过程呈减少趋势，3 d以上过程呈增加趋势，1990s中期以后1~2 d过程呈增加趋势，3 d以上过程呈显著减少趋势。

3 评估结果与灾情验证 3.1 近50 a湖北区域性暴雨过程强度评估

近50 a湖北723次区域性暴雨过程中，特强（Ⅰ级）过程为40次，占其总过程的5.5%，年均0.8次；强（Ⅱ级）过程103次，占14.2%，年均2.1次；较强（Ⅲ级）过程212次，占29.3%，年均4.2次；弱（Ⅳ级）过程368个，占51%，年均7.4次。

按不同世纪分别统计上述不同强度等级的湖北区域性暴雨过程发生频率显示，20世纪31 a中Ⅱ级和Ⅰ级过程发生频率（平均1.53次·a^-1）高于21世纪以来的19 a（平均1.26次·a^-1），1999年及以前有9 a的Ⅱ级以上过程超过5次，2000年以后仅2016年出现5次Ⅱ级以上过程，21世纪以来Ⅱ级以上过程呈减少趋势（图 4）。与此同时，Ⅲ级及以下过程呈增加趋势（图略）。

为了检验上述评估结果的合理性，首先，利用修订后的指标评估湖北近50 a所有区域性暴雨过程的综合强度值；然后，按照综合强度值大小，对其中的10强区域性暴雨过程进行排序，给出各过程实况以及综合强度评估值（等级）和重现期（详见表 2）；最后，利用历史实际灾情数据检验评估结果的合理性。

由表 2可知，湖北10强过程21世纪只有一次，其余均发生在20世纪，这进一步佐证了自21世纪以来强过程次数的减少趋势。其中，1991年6月30日—7月12日区域暴雨过程是湖北近50 a来最强的，该过程持续13 d，168站次出现暴雨，站平均暴雨强度为92.4 mm·d^-1，查阅《中国气象灾害大典·湖北卷》（姜海如，2007），该过程是1991年湖北入梅后首场区域性暴雨过程，也是湖北省“历史罕见的连续暴雨、大暴雨和局地特大暴雨”，部分县市过程总降水量、日降雨强度以及过程中的暴雨、大暴雨日数等突破有气象记录以来极值，强暴雨位于粮棉油主产区和经济发达的江汉平原、武汉市和鄂东地区，造成极为严重的洪涝灾害，暴雨过程面广、量大，产水量近600×10⁸ m³，造成湖北江河湖库水位骤涨，长江宜昌水位日涨1.6 m，长江监利以下全线水位超警戒，14条长江支流接连发生罕见洪水，汉川等5个县城受洪水围困，平原湖区被淹，全省67县市遭灾，其中重灾41个县市、特重灾21个县市，受灾人口2 600万，死亡438人，农作物受灾面积210×10⁴ hm²，绝收55×10⁴ hm²，损失粮食38.5×10⁸ kg，倒塌房屋38.6万间，受灾企业2.5万家，造成湖北直接经济损失105亿元以上。排在第2位的是2016年7月1—6日的过程，主要发生在鄂东、江汉平原地区，《湖北省2016年气候影响评价》显示，该次过程引发了中小河流洪水、城市洪涝灾害以及地质灾害，农业、交通行业受损严重，据民政部门灾情统计，此过程造成湖北83个县（市、区）1 347.55万人受灾，死亡56人、失踪6人，因灾倒塌房屋3万间，不同程度损坏房屋7.9万间，农作物受灾面积1 323.3 khm²，其中绝收371.7 khm²，造成湖北直接经济损失325.6亿元。排在第3位的是1998年7月21—23日发生在湖北中南部的区域暴雨过程，加上过境洪水，长江出现继1954年第二次全流域性大洪水，外洪内涝，全省600多座水库泄洪，50多个民垸漫溃，58个县市受灾，农作物受灾面积140×10⁴ hm²，受灾人口2 070万，因灾死亡94人，倒坍房屋42.8万间，直接经济损失127亿元。另外，排在第4—10位的过程在《中国气象灾害大典·湖北卷》（姜海如，2007）中均可查到相关灾情损失数据，由于缺乏定量化综合灾情评估指标，尚无法进行灾损排位，但评估的10强过程强度等级基本反映了其实际综合灾情，评估结果与实际灾情基本一致。实际灾情数据关联分析表明，本文基于气象要素的区域性暴雨综合强度评估指标能够反映承灾体致灾损失实际，可用于灾后损失的预估和快速量化评估，对新发生的暴雨过程，可与已评估出的历史过程及其灾情进行定量类比预估。

3.2 区域性暴雨过程重现期评估

区域性暴雨过程是导致区域暴雨洪涝甚至流域洪涝、地质灾害、城市内涝的致灾因子，各级政府和防汛抗旱部门不仅关心暴雨过程的雨量大小，也关心暴雨过程出现的可能性大小，究竟是常见事件，还是偶发事件，这涉及事件的重现期。做好重大灾害气象服务特别是决策气象服务，不仅要评估气象灾害事件的强度，还要进行灾害事件重现期评估和确定其历史排位，以便政府制定应对预案和科学决策。

3.2.1 评估指数的正态性检验

气候事件重现期一般和年尺度对应，如30 a一遇、50 a一遇等。本文取1969—2018年逐年最强区域暴雨过程强度指数与50 a的年尺度对应，构成以年为尺度的重现期评估样本序列。

正态分布最适合气候事件重现期评估（袭祝香等，2009），但其是否符合正态分布则需要进行正态性检验。首先，验证50场逐年最强暴雨过程综合强度指数序列是否为来自正态总体的样本，正态分布函数以平均值为对称中心，若样本所属总体为非正态分布，则会产生峰左偏或峰右偏以及峰高过低（平坦峰）或峰高过高（尖锐峰）。峰的偏移采用峰偏度表示，峰的高低采用峰度表示。

随机变量 x 的标准偏度系数(g_s)和峰度系数(g_e)计算式（魏凤英，2009）为

$ {{g_{\rm{s}}} = \sqrt {\frac{1}{{6n}}} \sum\limits_{i = 1}^n {{{\left({\frac{{{x_i} - \bar x}}{s}} \right)}^3}} } $

(4)

$ {{g_{\rm{e}}} = \sqrt {\frac{n}{{24}}} \left[ {\frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {{{\left({\frac{{{x_i} - \bar x}}{s}} \right)}^4}} - 3} \right]} $

(5)

其中，x_i为变量 x 样本序列；n 为样本数；X为序列平均值；s 为样本均方差。

标准偏度系数的意义由 g_s取值符号决定，当 g_s为正时，表明分布图形的顶峰偏左，为正偏度；反之，为负偏度。当 g_s为0时，表明分布图形对称。标准峰度系数的意义为，当 g_e为正时，表明分布图形坡度偏陡；反之，坡度平缓。当 g_e=0时，坡度正好。理论上，若g_s=0、g_e=0时，表明研究的变量为理想正态分布变量。

理论上，可采用偏度和峰度检验暴雨过程指数是否近似遵从正态分布。具体做法是：假设要检验的变量遵从正态分布，给定显著性水平 α =0.05，查正态分布表得到 u_α=1.96，如果 g_s u_α或| g_e|1.96，则拒绝原假设；否则，接受原假设。计算结果表明，湖北年最强暴雨过程指数序列偏度(g_s)为2.99，分布图顶峰偏左，峰度(g_e)为2.02，分布图坡度偏陡，未能通过正态检验。对不遵从正态分布的序列可通过正态化转换使其正态化，从而利用变换后的序列实现异常气候重现期计算，然后再对转换后的序列进行还原，得到原序列各重现期的对应值。对不服从正态分布的年最强暴雨过程指数原序列(x_i)分别进行平方根变换即${x'_i} = \sqrt {{x_i} + 0.5} $和自然对数变换即${x'_i} = \ln \left({{x_i}} \right)$，然后对变换后的序列进行正态检验。结果表明，经转换后的序列均通过了正态检验，且经自然对数转换后的序列更接近正态分布，这说明开展区域性暴雨过程重现期评估时，对于不符合正态分布的年最强暴雨过程强度序列，采用自然对数转换，更易通过正态分布检验。

3.2.2 重现期评估指标

经过上述自然对数转换后的湖北年区域性暴雨过程强度指数序列符合正态分布，查正态分布函数概率分布表或计算正态累积分布函数的反函数得到区域性暴雨重现期指标；再对区域性暴雨过程指数序列作反自然对数还原，从而得到湖北区域性暴雨过程重现期指标值（表 3）。

按照重现期评估指标（表 3），反查湖北近50 a的723次区域性暴雨过程可知，达到5 a一遇的区域性暴雨过程有11次，达到10 a一遇的有6次，达到50 a一遇以上的过程有2次，这2次过程的发生日期分别在1991年6月30日—7月12日和2016年7月1—6日，上述10强区域性暴雨过程的重现期均在5 a以上（表 2），特强（Ⅰ级）过程重现期在2~3 a或以上，对于今后评估出的特强（Ⅰ级）过程（Z≥64.5），还可以根据表 3给出其重现期评估指标和在历史上的大致排位。

4 结论与讨论

本研究及时响应中国气象局（气预函〔2019〕63号）的要求，对中国气象局给出的区域性暴雨过程监测和评价指标进行了适当的本地化修订，并对其加以应用。得到如下几点主要结论：

(1) 湖北1969—2018年共发生区域性暴雨过程723次，年均14.5次，其年变化趋势不明显；过程主要出现在4—9月，6月最多。1990年代中期以来，持续1~ 2 d的过程呈增加趋势，持续3 d以上的过程趋于减少。对湖北而言，按照5%暴雨站数比界定区域性暴雨日的最低暴雨站数 n 的取值(n =4)是符合湖北实际的。

(2) 近50 a湖北723次区域性暴雨过程中，特强过程40次，占其过程总次数的5.5%，平均每年0.8次，强过程103次，占14.2%，年均2.1次；较强过程212次，占29.3%，年均4.2次；弱过程368个，占51%，年均7.4次。达到5 a一遇的过程有11次，达到10 a一遇的有6次，达到50 a一遇以上的有2次。自21世纪以来的特强和强过程趋于减少，较强和弱过程趋于增加。为便于区域性暴雨过程强度的相互比较，对于平均影响范围的评估因子，将过程中平均日暴雨站数修订为平均日暴雨站数比是可行的。重现期评估指标表明，特强(Ⅰ级)过程重现期在2~3 a或以上，对于今后评估出的特强(Ⅰ级)过程，还可根据其强度值(Z值)评估其重现期和在历史上的大致排位。

(3) 近50 a湖北10强区域性暴雨过程，有9次发生在20世纪，21世纪的19 a只发生1次。用各次主要过程的实际灾情数据对其评估结果逐一进行检验可知，评估结果具有一定的合理性；修订的基于气象要素的评价指标可用于灾后损失的预估和快速量化评估。

界定区域性暴雨日的暴雨站数n如果改变，评估的区域性暴雨过程数也会发生改变，n的取值应结合本地化实际，省级一般取不低于5 %的国家气象站数比是可行的；由于我国气象观测站是逐年建立的，过程平均影响范围指标中的日暴雨站数应取相对值，即暴雨站数与区域总站数比，以便实时与历史上区域性暴雨过程以及历史上区域性暴雨过程之间能进行比较和评价。本研究 n 的取值和平均影响范围的本地化修订方法可供其他省市进行本地化修订时参考借鉴。本研究存在的不足及外省开展本地化修订时应注意的问题是：(1)监测指标没有考虑区域性暴雨过程的“间断日”，即允许一次持续的区域性暴雨过程中间存在1 d且达到一定条件的间断日（邹燕等，2013）；(2)对于区域面积较大的省份，一天内可能出现距离大于350 km的2个区域性暴雨过程站组，或当日区域性暴雨站组与前一日区域性暴雨站组相距较远时，是否可计为两次或另一次区域性暴雨过程，还有待进一步探讨。