引言

在全球气候变暖背景下，近年来极端降水事件不断增多，已引起国内外众多学者关注(郑永光等，2008; 李建等，2013; Stevenson and Schumacher, 2014; Zhang et al.，2017;郑小华等，2019)。由于传统的日降水资料在表征降水强度时难以分辨连续性弱降水和短时强降水的差异，学者们主要是利用小时降水资料开展相关研究，并取得较多成果，成果多体现在两者的主要天气背景类型、季节与日变化气候特征、与城市化关系等方面。Luo等(2016)分析了中国大陆2011—2015年极端小时降水，全面讨论了热带气旋、地面锋面、低涡或切变线以及弱天气尺度强迫四种类型极端小时降水的分布特征。中国大陆极端小时降水日变化特征，不同区域因下垫面和受大尺度环流条件等因素影响不同，其区域差异显著(Zhang and Zhai, 2011)。Li等(2013)研究发现，我国极端小时降水事件最早始于华南的4月份，且随纬度增高，其出现时间渐晚; 长江中下游和东南沿海极端小时降水维持时间较长(> 12h)，华北较短(< 6h)，地形起伏较大的山区比平原更易出现极端小时降水。近年来，有研究表明，城市化与极端小时降水发生的频次、强度和降水量级存在一定关系(Liang and wang, 2017; Wu et al.，2019)，且通过数值模拟还发现弱天气尺度强迫对下午时段极端降水频次的影响最为明显(Zhong et al.，2017)。吴梦雯和罗亚丽(2019)总结近10 a中国极端小时降水指出，其降水阈值总体呈“南强北弱、东强西弱”的空间分布。当前针对华中区域极端降水也有一些研究，这些研究中使用的资料尺度以日以上为主(陈波等，2010; 孙杰等，2010; 吴翠红等，2013; 柯丹和管兆勇，2014)，尚缺乏小时资料的应用与探索。国内外学者在相关研究中确认极端小时降水事件时主要采用百分位阈值和拟合经验函数，这虽然有利于分析气候背景下极端小时降水的空间分布，但不利于分析逐年序列极端小时降水的时间演变。为此，本文以华中区域各气象观测站每年最大小时降水表征该站年极端小时降水，分析该区域逐年极端小时降水的时空变化特征，以便进一步揭示该区域极端小时降水特征，从而更好地认识该区域降水气候变化规律。

1 资料与方法

本文使用的资料为1981—2017年近37 a华中区域298个气象观测站最大小时降水数据，该资料由武汉区域气候中心提供，站点数据资料分别来源于湖南、湖北和河南三省气象档案馆。考虑到数据的连续性和完整性，本文最终采用了241站的资料，其中河南78站、湖北69站、湖南94站(图 1)。所用数据使用气候极值检验等方法对其进行了质量控制。考虑到华中区域地处我国中部、黄河中下游和长江中游，西部多山，中东部多平原、盆地和丘陵，整体呈西高东低，在选取气象观测站点时兼顾了其分布的均勻性。另外，本文以每站每年小时降水量最大值表征为该站年极端小时降水。

有研究表明(陈炯等，2013)，不同阈值小时强降水表现为不同尺度天气系统特征。本文将年极端小时降水分为三种阈值(30~ < 40mm.h^-1、40~ < 50mm.h^-1、> 50 mm · h^-1)进行统计对比分析。另外，本文将平均年极端小时降水定义为区域内所有站点年极端小时降水量的平均值，年极端小时降水频次定义为统计时段内不同阈值发生极端小时降水的总次数(年)，年极端小时降水平均强度定义为年极端小时降水总量与统计时段的比值。

本文在分析华中区域年极端小时降水时间变化特征时，米用了气候倾向率、Mann-Kendal检验(以下简称M-K检验)等方法; 同时使用Morlet小波方法分析其周期演变的多尺度特征。

2.1 不同阈值年极端小时降水频次的空间分布

图 2给出华中区域241站1981—2017年上述三种阈值的年极端小时降水频次的空间分布。从中看到，30~＜40 mm·h^-1阈值年极端小时降水频次(图 2a)，≥12次的年极端小时降水区主要分布在湖南、湖北中东部与河南局部，最高频次出现在湖北当阳站，达22次；而河南和湖北西部局部年极端小时降水发生频次较低，最低出现在河南的开封和禹州站，均仅为4次。40~＜50 mm·h^-1阈值年极端小时降水频次(图 2b)，≥9次的年极端小时降水集中分布在河南和湖北中东部以及湖南中部一带，相比30~＜40 mm·h^-1阈值，该阈值下≥12次的年极端小时降水高频区已大幅减小；最高频次出现在湖北的咸宁和湖南的南岳站，均达14次，湖南的花垣站频次最低，仅1次。≥50 mm·h^-1阈值年极端小时降水(图 2c)，≥9次的年极端小时降水高频区主要位于河南和湖北中东部以及湖南南部局部，河南的太康站频次最高，达18次。

综上表明，华中区域三种阈值的年极端小时降水频次空间分布存在明显差异:阈值为30 ~ < 40 mm·h^-1的年极端小时降水频次总体由北向南递增; 相对于30 ~ < 40 mm · h^-1阈值年极端小时降水频次, 40 ~ < 50 mm · h^-1阈值的年极端小时降水高频区明显缩小；≥50 mm-h^-1阈值的年极端小时降水高频区进一步缩小，仅限于河南和湖北中东部，其中河南中东部最高，总体自北向南递减。整体看，河南和湖北中东部三种阈值的年极端小时降水频次均较高，而湖南随着强降水阈值增大，年极端小时降水频次随之降低。究其原因，这种分布特征可能与该区域中尺度对流系统(MCSs)的活动有关，年极端小时降水高频区往往也是MCSs的活跃区(曾波等, 2013)。2.2不同时段年极端小时降水频次的空间分布

2.2 不同时段年极端小时降水频次的空间分布

为揭示一天中不同时段华中区域各站年极端小时降水发生次数的空间分布差异，将一天划分为前半夜至凌晨(21:00—02:00，北京时，下同)、后半夜至早晨(03:00—08:00)、上午至午后(09:00—14:00)、午后至傍晚(15:00—20:00)四个时间段。图 3给出241站≥30 mm·h^-1年极端小时降水频次的空间分布。从中看到，21:00—02:00 (图 3a)，≥9次的年极端小时降水高频区主要分布在河南中东部、湖北中东部和西南部、湖南北部，湖北宜昌站频次最高，达17次；03:00—08:00 (图 3b)，上述高频区西缩小至鄂西南恩施一带，中东部收缩至河南东南部和湖北东部，此时段湖北宣恩站频次最高，达15次；09:00—14:00 (图 3c)，上述年极端小时降水高频区再次明显缩小，仅存于河南和湖北东南部、湖南南部局部，此时段年极端小时降水发生频次最低；15:00—20:00 (图 3d)，年极端小时降水高频区比上一时段显著扩大，除湖北和河南西部及湖南北部部分地区外，几乎遍布整个华中区域，高频中心主要位于河南东部、湖北东南部以及湖南南部。

综上分析表明:华中区域年极端小时降水频次的日变化特征较为明显，午后至傍晚发生最高，前半夜至凌晨次之，后半夜至早晨、上午至午后两个时段明显降低。

2.3 年极端小时降水的平均强度与最大强度的时空分布

图 4为1981—2017年华中区域各站年极端小时降水平均强度与最大强度及其出现时间的空间分布。从中可见，各站年极端小时降水平均强度(图 4a)，仅河南西北部有2站、湖北西北部有1站、湖南西南部有1站低于30 mm·h^-1，其余各站均在30 mm·h^-1以上；其平均强度≥40 mm·h^-1的站点主要集中在河南和湖北的中东部地区，湖南较少且分散，河南的太康站平均强度最大达50.4 mm·h^-1。另从各站年极端小时降水最大强度的分布时段看(图 4b)，最强年极端小时降水主要发生在午后至傍晚(15:00—20:00)和后半夜至早晨(03:00—08:00)，这两个时段出现的最强年极端小时降水分别为79、65站次，占其出现总站次的33%和27%；≥100 mm·h^-1的最强年极端小时降水区与平均强度≥40 mm·h^-1的年极端小时降水区分布基本一致，其中在湖北的分布特征较为明显，主要是沿江汉平原的边缘分布。

华中区域≥40 mm·h^-1的年极端小时降水频次主要发生在夏季（6—8月），约占80%（图略），且平均强度≥40 mm·h^-1的站点多集中在河南和湖北中东部地区，其可能原因有二:一是与天气系统因素有关，夏季海洋暖气团势力加强、大陆冷气团势力减弱，冷暖气团交汇并伴随辐合区随之北移，导致较强极端小时降水更易发生在华中区域中北部；二是与地形因素有关，华中区域西部多为山地，从北至南有秦岭、大巴山、武陵山等，华中区域西部正好处于西风气流的背风坡，不利于强降水发生。湖北≥100 mm·h^-1的最强年极端小时降水区主要位于江汉平原的边缘，也是与湖北的马蹄形地形有关，即在山地与平原的过渡带，由于山地局部加热、地形抬升、回流受阻等因素，更有利于强降水发生。

另外，对华中区域各站≥30 mm·h^-1的年极端小时降水频次日峰值出现的时间分布(图 5)的分析可知，日峰值也主要出现在午后至傍晚(15:00—20:00)和前半夜至凌晨(21:00—02:00)，这两个时段出现的日峰值分别为101、66站次，分别占日峰值总站次的42%和27%，其中，湖北的长阳站(22时)、咸宁站(17时)、浠水站(16时)和湖南的炎陵站(08时)的年极端小时降水频次最高达7次。年极端小时降水频次日峰值出现时间的区域性差异较为明显，河南以午后至傍晚和前半夜至凌晨为主，主要分布在该省中部，其东部则较少出现在后半夜至早晨(03:00—08:00)；湖北主要出现在午后至傍晚和前半夜至凌晨，不同的是后半夜至早晨在湖北南部和东部出现也较多，上午至午后(09:00—14:00)出现较少；湖南北部以后半夜至早晨、前半夜至凌晨出现较多，南部则主要出现在午后至傍晚、上午至午后。

2.4 年极端小时降水的年际和日变化特征 2.4.1 不同阈值年极端小时降水频次的年际和日变化

图 6是1981—2017年华中区域阈值分别为30~＜40 mm·h^-1，40~＜50 mm·h^-1，≥50 mm·h^-1的年极端小时降水频次的年际变化。从中看到，不同阈值的年极端小时降水频次均表现出明显的年际和年代际变化特征，1980年代主要呈波动减小趋势，1990年代呈波动增加趋势，21世纪初期则为低频波动变化，之后波动变化加大。不同的是，阈值≥50 mm·h^-1的年极端小时降水频次相对于阈值30~＜40 mm·h^-1和40~＜50 mm·h^-1，其变化幅度较大，尤以1980年代变化为大，其中1981年为39次，1982年为65次，平均47次·a^-1；1990年代降水频次主要表现为增多趋势，其中1995、1996年分别为59、65次，1998年最高，达到了80次；21世纪初期，除2000年仅次于1998年为78次外，2006年以前其年变化不大，此后变化有所加大，如2003年为45次，2007年为64次，2010年则高达69次。阈值为40~＜50 mm·h^-1和≥50 mm·h^-1的年极端小时降水的前三高频次均出现在1998、2000、2010年，而这3 a阈值为30~＜40 mm·h^-1的降水频次则较低。1981— 2017年上述三种阈值的年极端小时降水平均频次分别为74、51、50次·a^-1。

将华中区域阈值分别为30~＜40 mm·h^-1、40~＜50 mm·h^-1和≥50 mm·h^-1的年极端小时降水频次进行Morlet小波变换，得到小波变换实部(图 7，其中实线为正或零等值线，虚线为负等值线)。从中看到，华中区域各阈值年极端小时降水频次周期变化明显，高低交替显著，10 a以上年代际变化主要存在1个主要振荡模态，周期为10~12 a；10 a以下尺度存在2个主要振荡模态，中心周期分别2~3 a和准6 a。不同的是，阈值为30~＜40 mm·h^-1和40~＜50 mm·h^-1的年极端小时降水频次(图 7a、b)周期相对于≥50 mm·h^-1阈值(图 7c)表现更显著和稳定。10~12 a年代际周期变化，年极端小时降水频次大致经历了1983—1985、1996— 1999、2006—2009、2015—2017年4个偏多期。准6 a年际变化尺度，年极端小时降水频次经历了1983— 1984、1996—1999、2006—2007、2010—2011、2015— 2016年5个偏多期。

另外，图 8给出近37 a华中区域不同阈值的年极端小时降水频次日变化。从中看到，各阈值的极端小时降水频次的日变化均表现为明显的单峰型特征。阈值为30~＜40 mm·h^-1的年极端小时降水频次峰值(187次)出现在17:00，而阈值为40~＜50 mm·h^-1和≥50 mm·h^-1的年极端小时降水频次峰值分别为125、122次，均出现在18:00。华中区域年极端小时降水频次日变化具有明显的单峰型特征，这与Zhang和Zhai等(2011)研究中国东部暖季极端小时降水时空变化特征得到的“极端小时降水频次日峰值出现在傍晚17:00前后”的结论一致。究其原因，这主要是由局地热力强迫所致(Yu et al., 2007)，而来自天气尺度强迫的连续混合性降水造成年极端小时频次相对偏少；白天低层大气稳定度降低和对流有效位能增大有利于下午至傍晚热对流发展(赵玉春等，2012)，造成年极端小时降水频次谷值出现在上午至中午前后，09:00—13:00为年极端小时降水的低频时段。

进一步分析图 8可知，华中区域年极端小时降水频次从下午开始逐渐增加，下午至傍晚达到峰值，而后逐渐减少，后半夜至早晨再缓慢回升，次日上午再次快速降低至最少，这也印证了上文分析得到的该区域年极端小时降水下午至傍晚最活跃、上午最不活跃的结果(图 3)。同时，统计结果表明，阈值为30~＜40 mm·h^-1的逐时年极端小时降水频次分别与阈值为40~＜50 mm·h^-1、≥50 mm·h^-1的年极端小时降水频次的相关系数为0.93、0.85，并均通过0.01的显著性水平检验，从而说明上述三种阈值的年极端小时降水频次日变化具有很好的一致性。

2.4.2 平均年极端小时降水的年际变化

图 9是1981—2017年华中区域各站平均年极端小时降水逐年变化图。从中可见，近37 a华中区域年极端小时降水以-0.01 mm· (10 a)^-1的气候倾向率减小，气候趋势系数为-0.09未通过0.05的显著性水平检验，表明其减少趋势不显著。经M-K突变分析可知，U_F与U_B曲线虽然多次相交，也无突变发生（图略)。近37 a平均年极端小时降水约为40 mm, 但极端小时降水年际变化差异较大，20世纪前期(1994年以前)相对较小，20世纪中后期快速増大，21世纪初期再次减小，之后有所増大。其最大值(45.6 mm)出现在1998年，2000年次之(44.9 mm), 2016年再次之(43.8 mm)。其最小值出现在1989年和2014年，均为35.3 mm，与其最大值(45.6 mm)相比相差10.3 mm。

3 结论与讨论

本文主要利用1981—2017年近37 a华中区域241站逐年最大小时降水资料，分析了该区域年极端小时降水的时空分布特征。主要结论如下：

(1) 分别统计阈值为30~ < 40 mm·h^-1、40~ < 50 mm · h^-1和≥ 50 mm · h^-1的年极端小时降水频次的空间分布表明，河南和湖北中东部三种阈值的年极端小时降水发生频次均较高，而湖南随其阈值増大而发生频次降低，这可能与该区域中尺度对流系统(MCS)活跃度有关。另外，华中区域年极端小时降水频次的日变化特征较为明显，午后至傍晚发生最多，前半夜至凌晨次之，后半夜至早晨、上午至午后两个时段明显减少。

(2) 可能受行星尺度天气系统北抬和西风气流背风坡因素的影响，华中区域年极端小时降水平均强度大值区多集中在河南和湖北两省的中东部地区。湖北≥100 mm.h^-1最强年极端小时降水大值区主要位于沿江汉平原边缘地带，即平原与山地之间的过渡带。

(3) 年极端小时降水频次日峰值出现时间的区域性差异较为明显，河南以午后至傍晚和前半夜至凌晨为主，主要分布在该省中部，其东部则较少出现在后半夜至早晨; 湖北主要出现在午后至傍晚和前半夜至凌晨，不同的是后半夜至早晨在湖北南部和东部出现也较多，上午至午后出现较少；湖南北部以后半夜至早晨、前半夜至凌晨出现较多，南部则主要出现在午后至傍晚、上午至午后。

(4) 不同阈值的年极端小时降水频次均表现出明显的年际和年代际变化特征, 1980年代主要呈波动减小趋势，1990年代呈波动増加趋势，21世纪初期则为低频波动变化，之后波动加大。华中区域各阈值年极端小时降水频次周期变化明显，10 a以上的年代际变化主要存在1个主要振荡模态，周期为10~12 a; 10 a以下尺度存在2个主要的振荡模态，中心周期分别2~ 3 a和准6 a。各阈值的极端小时降水频次日变化均表现为明显的单峰型特征，峰值出现在17时前后。

本文通过对华中区域年极端小时降水的分析，揭示了其时空分布的部分特征，对这些特征形成的原因，空间上粗略认为可能与行星尺度天气系统北抬和西风气流背风坡因素有关，时间上大致与中尺度对流系统(MCS)的活跃度有关。该区域地处南北气候过渡带，影响其年极端小时降水的天气系统种类多、相互作用机制复杂，在年降水量日数空间分布呈南多北少的背景下，不同阈值的年极端小时降水频次分布则表现为北多南少，高频区位于河南和湖北中东部，湖南则是随年极端小时降水阈值増大而频次减少，其原因还有待于进一步探讨。