引言

短时强降水(Flash Heavy Rain，简称FHR)是短时间内降水量级达到或超过一定阈值的天气现象，具有尺度小、突发性强、生命史短、预测难度大等特征，其短时间内还可能引起城市内涝、泥石流、山体滑坡等严重次生灾害。20世纪以来，在全球变暖和城市化进程加剧的大背景下，全球大部分地区短时强降水事件的发生频次和强度均呈显著上升的趋势(秦大河等，2008；王芬，2018)。短时强降水的监测和预报一直是气象科研和业务工作中的重点和难点，掌握短时强降水的时空分布特征，对于短时强降水的预报及其产生的次生灾害的预警均具有重要意义。

湖北省地处长江中下游地区，位于中国地势第二级阶梯向第三级阶梯、亚热带气候向暖温带气候转变的过渡地带，西、北、东三面地势高，中部为向南敞开的平原地带，呈由西北向东南倾斜的马蹄形分布。全省多年平均降水量可达1 194 mm，降水量存在明显的南北差异性，南部降水多，北部降水少。湖北每年均有多次区域性或局地性的短时强降水过程发生，如1998年7月21—22日鄂东连日特大暴雨，汉口国家地面自动气象观测站(以下简称为国家站)小时降水达88.4 mm (胡伯威等，2001)；2013年发生在鄂东的大范围暴雨过程，有34个区域地面自动气象观测站(以下简称为区域站)的最大小时降水量超过50 mm (祁海霞等，2018)；2020年7月4日到7日湖北省出现了历史上少有的持续性强暴雨过程，导致多地出现城乡内涝和山洪、滑坡等地质灾害，其中荆州燕窝站最大小时降水量66.2 mm，江夏乌龙泉站最大小时降水量88.6 mm，两站雨量均打破建站以来历史记录。短时强降水的突发性和局地性很强，对人民生命财产造成重大损失。

近年来，有多位气象工作者对国内的短时强降水分布特征进行过分析。付超等(2019)利用江西省2010—2016年5—9月1 597个观测站逐小时降水数据对江西省短时强降水进行统计分析，指出短时强降水高频区主要分布在山地及河谷附近。童金等(2017)分析了安徽省不同地形条件下汛期短时强降水和极端短时强降水的时空分布特征，指出安徽短时强降水有皖南山区、大别山区和中东部丘陵等3个高发区，极端短时强降水分布零散，没有明显的高发区。王靖羽(2019)根据河南省2 929个地面观测站2010—2015年5—9月逐时降水量数据进行统计，指出河南省短时强降水集中发生在7、8月，地形对降水的增幅作用显著，主要存在4个大值区，即豫北黄河以北地区、豫东商丘地区、豫西南伏牛山以南以东地区、豫南沿淮及其以南地区。李强等(2017)利用四川和重庆123个气象观测站1980—2012年小时降水数据，分析川渝地区主汛期5—9月强降水时空分布特征和持续性特征，指出不同持续时间小时强降水事件具有双峰型结构，午后为第一个降水峰值，晚八点到翌日七点对应第二个强降水峰值。不同区域受气候背景、下垫面因素等影响，短时强降水表现出一定的时空分布规律。湖北省的短时强降水分布特征分析研究相对较少，吴翠红等(2013)利用78个国家站小时雨量数据分析了1999—2009年湖北省208例强降水过程的时空分布，指出湖北省强降水中心主要是在鄂西山区和江汉平原南部地区。毛以伟(2013)使用国家站和区域站小时雨量数据分析了2011年梅雨期4次短时强降水过程的时空分布特征，指出短时强降水出现时间集中在夜间，且后半夜居多。林春泽等(2016)利用2001—2014年77个国家站小时雨量数据分析了湖北省夏季降水日变化特征，指出鄂东的短时强降水的发生概率大于鄂西的，平原的大于山区的，峰值出现在17时，谷值出现在12时。

以上气象工作者在分析不同地区降水的日变化、年际变化、强度特征等方面均取得了非常重要的成果，但是地面自动气象站记录的小时降水数据是整点之间的累积雨量，有些短时强降水事件被划分到两个时段而被漏掉。很多研究仅使用了站点非常稀疏的国家站(比如2015年位于湖北省的国家站仅89个，而区域站有2 322个)的小时降水数据，这对时空分布和强度分布非常不均匀的短时强降水来说是不具有代表性的。另外，翟盘茂等(2007)、杨艳娟和李明财(2014)研究表明，近50 a来我国多数地区极端降水量在总降水量中的比重有所增加，极端降水强度增强，极端降水的区域性和局地性明显。极端短时强降水也有类似的特征，Zhang和Zhai (2011)分析1961—2000年地面小时雨量数据发现，极端短时强降水发生频次在长江中下游地区呈现增长的趋势，且在夜间的增长速率比白天的显著。因此，本文利用2010—2015年湖北省非常稠密的国家站及区域站分钟降水数据，研究短时强降水和极端短时强降水的时空分布和强度信息的统计特征，从而提高对该地区短时强降水发生、发展规律的认识，以期为湖北短时强降水临近预警及防灾减灾提供参考依据。

1 资料与方法 1.1 湖北地形及分区

湖北地区有鄂西山地、鄂中江汉平原、鄂东丘陵等地貌(图 1a)。按照武汉中心气象台的降水预报区域并综合考虑地形将湖北分为6个区域：Ⅰ. 武汉，主要是武汉行政区；Ⅱ. 鄂西北，主要以山地为主；Ⅲ. 鄂西南，主要以山地为主；Ⅳ. 江汉平原，主要以平原为主；Ⅴ. 鄂东北，主要以丘陵为主；Ⅵ. 鄂东南，主要以丘陵为主。

1.2 资料说明

本文所用数据包括湖北省2010—2015年的国家站和区域站的分钟雨量数据。2010—2015年湖北的国家站和区域站均有新建站点，导致每年的国家站站数和区域站站数均不一样(图 1b)。图 1b中五角星代表国家站，2010年有84站，2011年新增3站，2012年新增1站，2014年新增1站；实心圆代表区域站，2010年有1 199站(黑色)，2011年新增135站(蓝色)，2012年新增767站(绿色)，2013年新增162站(黄色)，2014年新增26站(红色)，2015年新增31站(紫色)。2015年国家站合计89站，区域站合计2 322站，总站点数为2411站，其中武汉、鄂西北、鄂西南、江汉平原、鄂东南和鄂东北的总站点数分别为123、594、691、313、286和404，在湖北地区形成了高时空分辨率的自动站观测网络，综合国家站和区域站的分钟降水数据可以更精细更真实地描述湖北地区短时强降水的时空分布特征。

1.3 数据质控

本文使用数据是由湖北省气象信息保障中心收集的省内国家站和区域自动站分钟降水数据。根据站点的经纬度信息生成德洛内(Delaunay)三角剖分法(林娜和李晓靖，2013)关系网(是一系列相连的但不重叠的三角形的集合, 这些三角形的外接圆不包含这个面域的其它任何点)，某站点的邻近站点就是以该站点为一顶点的所有三角形的另外2个顶点的集合，如图 2所示。图 2a是国家站的，平均站间距为49 km，图 2b图为国家站和区域站的，平均站间距为7 km。7 km的空间分辨率对短时强降水过程，尤其是局地强对流单体过程的降水监测更可靠。

区域站是无人值守的站点且部分站点不参加业务考核，因此需要对区域站分钟降水数据进行严格的质量控制，包括以下4个步骤：

(1) 无效站点检查。统计发现有些区域站数据长时间存在无效0值和连续异常大值的情况，对于这些区域站直接剔除，未被剔除的站点则为有效站点。

(2) 气候学界限值检验。将分钟数据累计为整点小时雨量，参考湖北省气候服务手册中的气候统计小时雨量极值(131.5 mm)，但为了避免将大于131.5 mm的雨量数值剔除，且还有其他质控步骤，将小时雨量超过200 mm标记为异常，不参加统计。

(3) 时间连续性检查。对于超过3 mm的分钟雨量，其前后5个1 min均有雨量数据的才被确认为正常，否则认为是可疑数据；对于6 mm以上的分钟雨量，如前后3 min无雨量，则被剔除。

(4) 空间连续性检查。对整点小时雨量超过30 mm的站点，检查所有邻近站点的雨量与该站的差值，如果所有差值均大于30 mm，则认为该站点数据可疑，不参加统计。

经过数据质控之后，本文得到的有效站点数和数据量如表 1所示。经过质控步骤1，所有国家站未被剔除，有效区域站比例超过93.1%。经过步骤2—4的质控后，国家站的有效分钟数据时次占比均大于93.5%，区域站的占比均大于88.3%，国家站的数据质量总体要优于区域站。经过质控后的雨量数据可以更真实地描述湖北地区的短时强降水时空分布特征。

1.4 短时强降水事件、日数和频次定义

参考短时强降水的标准(俞小鼎，2013)，本文将短时强降水事件定义为滑动累积小时雨量大于等于20 mm的事件。滑动累积不是从整点开始累积，而是从逐分钟滑动累积1 h雨量，只要1 h雨量满足20 mm，则记为一次短时强降水事件，然后跳到下一小时继续判断。滑动累积避免了整点截断的影响，统计的短时强降水事件更为准确。

短时强降水事件日数变化和频次变化是研究短时强降水事件必须关注的两个特征。研究表明中国近50 a的总降水量无明显变化，但降水日数明显减少，降水强度有增加的趋势(翟盘茂等，2007)，而降水强度的增加又会影响短时强降水的频次。短时强降水日数可用于分析短时强降水的季节变化特征，短时强降水频次可描述短时强降水日变化特征。下面定义几个强降水事件日数和频次参量。

单站短时强降水日数定义为统计时间段内(比如一季和一年)某站点出现短时强降水的日数，一个站点24 h内出现1次及以上的短时强降水事件就记该站点有1个短时强降水日数。单站短时强降水年均日数定义为统计年内某站点短时强降水总日数除以统计年数。短时强降水站均日数定义为统计区域内所有单站短时强降水日数的平均。单站短时强降水频次定义为统计时间段内(比如一天、一月和一年)某站点出现短时强降水事件的次数。短时强降水时站均频次定义为统计区域内1 h所有单站短时强降水总频次的平均。

2 结果分析 2.1 短时强降水日数时空分布特征

统计了2010—2015年湖北省短时强降水年均日数的空间分布，如图 3所示。由于各站建站时间不一致，为了分析方便，图中填色使用短时强降水年均日数。湖北短时强降水年均日数的高值中心主要位于马蹄形边缘与山地过渡带，即东南幕阜山北侧和东北大别山南侧附近，该区域是北方冷空气与西南暖湿气流的交汇处，由于大别山和幕阜山的抬升阻挡作用，降水在大别山西南侧和幕阜山北侧加强、停滞，造成这两地降水增强，位于两山之间的鄂东南地区、武汉地区和鄂东北东部地区成为短时强降水的集中地。对比国家站统计结果(图 3a)、国家站和区域站统计结果(图 3b)，发现二者的高值区域大致相同，但是图 3b的空间分辨率更高且强降水中心的局地性更明显。例如在图 3a中，由于鄂西南的国家站稀疏，插值处理后出现了大面积的强降水中心，而图 3b中的强降水中心则局限于个别区域；图 3b中的年均日数极大值为10.7次，高于图 3a中的8.3次。说明了短时强降水天气的发生具有明显的局地性特征，高密度的区域站观测对于短时强降水的监测更为有效。

湖北省2010—2015年不同区域短时强降水发生日数的月变化特征如图 4所示。短时强降水站均日数的月变化总体上呈显著单峰型特征(7月)。这种单峰型分布与中国大陆短时强降水发生频率的分布一致，是典型的季风气候，其中7月的最高峰值出现在武汉。除7月外，6月和8月也是湖北省汛期短时强降水集中出现的时段，但不同区域有所不同，武汉、江汉平原、鄂东南和鄂东北6月短时强降水发生日数较多，鄂西北、鄂西南则8月较多。

2.2 短时强降水频次分布特征

一个短时强降水日中可能发生多个短时强降水事件，统计所有的短时强降水事件的频次可以显示湖北短时强降水的最大强度分布特征和日变化特征。图 5箱线图给出了湖北全省及单个区域内所有站点短时强降水事件的雨量分布情况，包括最大值、最小值(20 mm)、25th位值(25百分位值)、中位值、75th位值(75百分位值)、95th位值(95百分位值)以及平均值。2010—2015年全省短时强降水发生频次为48 552，其中鄂西南地区最多，武汉地区最少，鄂西南地区约为武汉地区的3倍，但鄂西南地区的观测站点数(691)是武汉地区(123) 的约6倍，相对而言，武汉地区更容易发生短时强降水。不同地区的短时强降水样本的平均值基本在29.8~31.8 mm之间，用该值乘以短时强降水频次，可以估算不同区域的短时强降水雨量总量。不同地区的短时强降水事件的25th位值在22 mm左右，中位值均在27 mm左右，75th位值在34 mm左右，说明大多数短时强降水事件的降水强度集中在20~35 mm。全省约5%的样本小时降水量在53 mm以上，根据Wu等(2019)定义95th位值为极端短时强降水阈值，则湖北省极端短时强降水的阈值为53 mm。俞小鼎(2013)将1 h雨量大于等于50 mm或3 h雨量大于等于100 mm的降水事件称为极端短时强降水，与本文极端短时强降水阈值基本一致。下面具体分析极端短时强降水的时空分布特征。

图 6统计了六个预报区域的短时强降水站均频次的月变化和日变化特征。从月变化上看，江汉平原、鄂东南6—7月呈双月峰值分布(图 6d₁，f₁)，武汉和鄂东北地区的主峰在7月、次峰在6月(图 6a₁，e₁)，鄂西北和鄂西南地区的主峰在7月、次峰在8月(图 6b₁，c₁)。短时强降水频次的月变化与短时强降水日的月变化大体一致，但江汉平原地区短时强降水频次的月变化(6月和7月双峰)与短时强降水日的月变化(7月单峰)略有不同，说明6月江汉平原在一个短时强降水日更容易发生多次短时强降水事件。武汉7月的频次显著高于其它月份，相当于6月次峰值的两倍。

从日变化上看，鄂东北、鄂东南、鄂西北、鄂西南呈双峰分布，峰值的时间不太一样。其中鄂东北为08时(北京时，下同)和16时(图 6e₃)，鄂东南为07时和16时(图 6f₃)，鄂西北出现峰值的时间为04时和19时(图 6b₃)，鄂西南为01时和17时(图 6c₃)。江汉平原呈单峰分布，峰值出现在07时(图 6d₃)。武汉地区呈多峰分布，峰值在07—14时均有出现(图 6a₃)。根据丁一汇(2015)研究结果，鄂西山区短时强降水在凌晨多发与西南低空急流一般在凌晨达到最大值有关，而且凌晨03—04时的地面气压是一天中的次低值，地面气压的降低使辐合增强，也有利于短时强降水的发生发展，这也与高原东侧地区“夜雨”多发类似(胡迪和李跃清，2015)。鄂东南和江汉平原上午的峰值则与中尺度对流系统有关，中尺度对流系统强度一般在午夜之后最大(Yu，2010)，鄂东南和江汉平原是西南水汽的汇源地，经过几个小时的水汽积累，对流单体不断发展，降水强度逐渐增大，发展为短时强降水。鄂西北、鄂西南、鄂东南16时和19时的峰值与太阳辐射有关，午后到傍晚地面因日照加热，在近地层形成不稳定层结，有利于对流发展(Li and Zhou, 2008)。武汉在7月的站均频次出现多个峰值(07—14时)，峰值约为0.2次/时/月，这可能与城市热岛效应有一定关系。08—13时，在太阳辐射的作用下，城市的近地面气温上升较快，热岛效应缓慢增强，短时强降水的发生次数缓慢递增，在14时达到最多。14—16时，近地面湍流交换作用导致城市近地面气温有所下降，热岛效应随之减弱，这与沈澄等(2015)关于南京短时强降水的日变化研究相似。

2.3 极端短时强降水分布特征

图 7统计了湖北2 241站各站小时极大强降水的雨量、出现季节、出现时间的空间分布，分析可知，雨量最大值出现在鄂东南地区的大冶老站(124.8 mm，海拔约39.7 m)，最小值出现在鄂西北的神农架机场站(23.1 mm，海拔约2 593 m)。根据图 5统计结果，以53 mm作为湖北省极端小时强降水的阈值，全省约有一半的站点(1 042)未观测到极端短时强降水，其中鄂西山地有一半的站点(黑色圆点)未观测到极端短时强降水，而江汉平原、武汉和鄂东地区仅有少量站点未观测到极端短时强降水。短时强降水极大值的低阈值区位于鄂西山区较多，短时强降水极大值的高阈值区位于作为湖北省极端小时强降水的阈值，全省约有一半的站点(1 042)未观测到极端短时强降水，其中鄂西山地有一半的站点(黑色圆点)未观测到极端短时强降水，而江汉平原、武汉和鄂东地区仅有少量站点未观测到极端短时强降水。短时强降水极大值的低阈值区位于鄂西山区较多，短时强降水极大值的高阈值区位于

以53 mm作为湖北省极端小时强降水的阈值，初步分析极端短时强降水的分布特征。图 8为极端短时强降水发生频次的箱线图，可以看出湖北极端短时强降水出现范围为53~124.8 mm。全省共发生极端短时强降水事件2 430次，其中武汉地区200次，鄂西北地区516次，鄂西南地区526次，江汉平原地区328次，鄂东北地区504次，鄂东南地区354次。考虑到不同地区的站点数不同，相对而言，武汉地区观测到极端短时强降水的可能性最大，其次是江汉平原，然后是鄂东北和鄂东南，鄂西南和鄂西北最小。江汉平原地区的极端短时强降水的平均强度最大，鄂西南地区最小。

全省范围极端短时强降水的时间分布特征如图 9所示，分别为月变化和日变化。由图可知，极端短时强降水的时间变化有一定的统计规律，7月发生频次最多，其次是6月和8月，再次是4月、5月和9月，其他月份几乎没有极端短时强降水发生，6—8月出现极端短时强降水的概率约为80%，与短时强降水的月变化较为一致。极端短时强降水的日变化有明显的夜发性特征，主要集中在午后15时至凌晨01时的前半夜，峰值出现在15—16时和22时，次峰值出现在凌晨01时，上午10时附近出现频次最少，这与短时强降水的日变化特征有所差异。究其原因，这可能是由于鄂西地区站点比较多，观测的短时极端强降水样本量也比较多，使日变化特征与鄂西地区的短时强降水日变化比较类似，夜间多发。另外6—8月极端短时强降水占的比重比较大，夏季午后热对流多发，午后的极端强降水事件也比较多。

3 结论与讨论

利用湖北89个国家级自动站和2 322个区域级自动站2010—2015年逐分钟降水观测数据，分析了湖北地区短时强降水时空分布特征。主要结论如下：

(1) 从日数分布上看，短时强降水年均日数有明显的局地特征，其中地形对短时强降水的增幅作用显著，强降水中心主要集中在鄂东南、鄂东北、武汉、鄂西南等区域，最大值在鄂东南、鄂东北地区，约10.7个日数。短时强降水的日数的月变化呈显著单峰型特征，峰值在7月，6—8月对短时强降水的贡献最大，这是典型的季风气候特征。

(2) 短时强降水的频次分布也具有明显的月变化和日变化特征。从月变化上看，江汉平原、鄂东南6—7月呈双月峰值分布，武汉和鄂东北地区的主峰在7月、次峰在6月，而鄂西北和鄂西南地区的主峰在7月、次峰在8月。从日变化上看，鄂东北(08时和16时)、鄂东南(07时和16时)、鄂西北(04时和19时)、鄂西南(01时和17时)呈双峰分布。江汉平原呈单峰分布，峰值出现在07时。武汉呈多峰分布，峰值在早晨到午后(07—14时)。

(3) 短时强降水极值与短时强降水高发区之间有一定的对应关系，但大于100 mm的极值在全省均有可能发生，在鄂西北也有出现。湖北省极端短时强降水阈值范围为53~124.8 mm，武汉地区观测到极端短时强降水的可能性最大，其次是江汉平原，然后是鄂东北和鄂东南，鄂西南和鄂西北最小。极端短时强降水有一定的时间规律，月变化呈单峰特征(7月)，日变化的峰值在午后15时到凌晨01时。

本文利用湖北省高密度的区域站及国家站观测的分钟地面降水数据对2010—2015年短时强降水特征进行了初步统计分析，相比江西(付超等，2019)、安徽(童金等，2017)、河南(王靖羽等，2019)、四川(李强等，2017)等地研究成果，短时强降水分布特征有相似之处，但也有差异：各省地形及气候特征不一致，造成了空间分布也有差异，安徽短时强降水集中在山区，而湖北除鄂东南、鄂西南之外江汉平原也易发短时强降水；短时强降水日变化具有双峰结构，峰值出现时间稍有不同；月变化峰值集中在6—7月，早于河南7—8月出现峰值，这是地理不同造成气候差异所致；湖北极端短时强降水分布零散，没有明显的高发区，采用高密度的区域站统计及滑动累积的小时雨量后，统计的极端短时强降水的阈值为53 mm，稠密的区域站、滑动累积小时雨量对统计短时强降水的意义很大。区域自动站多为4要素，包括温、压、湿、风的6要素站较少，这对研究短时强降水发生机理的造成一定困难，下一步可结合天气雷达观测展开更深入的研究。