引言

近年来洪水、干旱、暴雨、短时强降水等极端天气事件频发，不仅对基础设施造成严重破坏，而且对人民群众的生命财产也构成极大威胁，而区域性洪涝灾害往往是由短时强降水造成的，因此关于短时强降水的研究一直是我国大气科学重要研究课题之一。目前国内外的许多气象工作者针对短时强降水做了大量的研究工作，特别是在降水频率和强度方面有大量的研究成果。Yu等^[1]分析了中国大陆地区夏季降水日变化特征，发现降水日变化存在显著的区域特征。Yu等^[2]在研究中发现中国东部夏季90%以上的小时降水量小于等于10 mm，但是占总降水量的一半以上。Shouraseni^[3]指出，印度极端小时降水事件大多数出现在高海拔地区，冬季极端降水事件呈减少趋势，夏季则呈增多趋势。翟盘茂等^[4]指出，近50年我国强降水趋于增加，降水日数除西北地区处，其它大部分地区显著减少。彭芳等^[5]利用贵州1991—2009汛期逐小时降水资料，发现了贵州汛期短时降水的一些特征：4— 6月频数逐渐增大，7月维持，8—9月减少，一天中有三个相对较高值时段。

短时强降水往往是中小尺度天气造成的，其发生发展速度快，局地性强，其落区、量级及时效的预报预警一直是预报的难点之一^[6]，而黔西南州初夏短时强降水更具有局地性、突发性，且来势猛、强度大及夜间频发，它会引起山洪、滑坡、泥石流等灾害，给人民生命财产带来巨大的损失，因此对黔西南州初夏短时强降水的研究十分必要。本文利用黔西南2006—2015近10年逐小时降水量，在区分量级的前提下，分析短时强降水的空间特征、多模态特征、年际变化及日变化特征，比较了各个级别的短时强降水异同点。另外，短时强降水在暴雨天气中所占的比例如何？二者有无关联？目前在国内就二者的关系尚无人研究，本文就此问题也在文中进行了初步探讨。

1 资料与方法

根据贵州省预报员手册记载，贵州的初夏大致为西南季风开始盛行至东南季风开始前的时期，平均在5月中旬至7月中旬。武文辉^[7]认为初夏暴雨指每年的5月至6月20日之间的暴雨天气，从多年暴雨统计分析来看，高原暴雨主要分为两个阶段，一个发生在5、6月的初夏，一个发生在7、8月的盛夏。参考以上的文献，本文将每年出现在黔西南5、6月的暴雨定义为初夏暴雨。

短时强降水指短时间内降水强度大、降水量达到或超过某一量值的天气现象，是强对流天气业务预报的重点之一^[8]，目前中国气象局网站（www.nmc.gov.cn）中央气象台定义小时降水量(R_1h)大于等于20 mm作为短时强降水，根据此标准，本文将短时强降水分为4个等级：20 mm ≤R_1h＜30 mm、30 mm ≤R_1h＜40、40 mm≤R_1h＜50 mm、R_1h≥ 50 mm，选取资料记录长度相同的8个气象站2006—2015年逐小时降水资料作为研究对象，台站观测资料由黔西南州气象局整编。对黔西南州8个气象站各个等级的小时强降水强度及频次进行了统计，包括各个站平均值序列、逐年区域平均值序列、区域平均的10年逐年5—6月数据序列、短时强降水的日变化数据、暴雨日数、暴雨强度数据等。短时强降水与暴雨的空间结构有无相似性，是否在地域分布上存在较大异同？针对此问题，本文采用相似系数^[9]来表示短时强降水频次与暴雨日数二者空间分布图的相似程度，采用如下公式：

$ \cos \theta = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^j {{x_i}{y_i}} }}{{\sqrt {\sum\limits_{i = 1}^j {x_i^2} } \sqrt {\sum\limits_{i = 1}^j {y_i^2} } }} $

其中j为站数，x_i、y_i分别指第i站（空间点）的要素值，cos θ =1（-1）表示两幅空间图完全相同（相反），等于0表示完全不相同。

2 初夏短时强降水特征 2.1 初夏短时强降水空间分布特征

图 1给出了2006—2015年黔西南初夏短时强降水累计频次空间分布，从图 1a可以看出，黔西南初夏短时强降水频次呈现“东多北多西南少”的空间分布，发生频次最多的是望谟，共47次，占全州初夏所有短时强降水频次的19.7%，兴义最少，仅有17次。5月短时强降水的空间分布为“东多西少”（图 1b），发生频次最多为望谟，达到15次，占5月短时强降水总频次的20.5%，而兴义近10年5月从未发生过短时强降水。6月短时强降水的空间分布与初夏的空间分布相似，为“东多北多西南少”（图 1c），发生频次最多为望谟，达到32次，占6月短时强降水总频次的19.3%，安龙最少为12次，占7.2%。综合图 1a、b、c比较分析可知，6月的短时强降水累计频次比5月明显偏多，但其空间分布变化小，基本为东多西少，特别是东部的册亨、望谟及北部的晴隆短时强降水明显多于西南部的兴义、安龙。

黔西南地处青藏高原东南段，其初夏短时强降水的空间分布、初夏各月频次的变化等特征与西太平洋副高、冷空气的活动、南支槽、切变线的活动密切相关，5月孟加拉湾偏南气流逐步增强，西南低空急流开始建立，印度西南季风爆发，印缅低槽逐步建立，南支槽对位于青藏高原东南侧的黔西南影响凸显, 且冷空气活动相对较为频繁，黔西南州地形北高、西高、东南低，冷暖空气在我州北部至东南一线交汇，受地形影响，东部短时强降水偏多。而到了6月，西太平洋副高北跳，脊线稳定在20°N附近，江准横切变西段尾部开始影响黔西南，短时强降水明显增加，切变线尾部对黔西南北部至东南部一线影响更大，因此，东部及北部短时强降水明显多于西南部。彭芳等^[5]认为贵州强降水的空间分布与极涡强度、青藏高压及副高关系密切，与地理位置也有关系，认为6月副高北跳，贵州强降水增多，且南部多于北部，东部多于西部，这些研究结果与本文得出的结论较为一致。

分析近10年初夏不同等级短时强降水累计频次的空间分布（图略），可知20~30 mm·h^-1的短时强降水累计频次为131次，其空间特征表现为“东多西少”，发生频次最多的是望谟，共发生过24次，占18.3%，最少的为兴义，仅有9次，占6.9%。30~40 mm·h^-1的总频次为65次，空间特征为“东北多西南少”，发生频次最多的是晴隆，共11次，占16.9%，发生频次最少的为安龙。40~50 mm·h^-1的累计频次为31次，空间特征为明显的“东多西少”，发生频次最多的是望谟，共8次，占25.8%，最少的为普安和贞丰，仅有1次。大于50 mm·h^-1的累计频次为12次，空间特征为“东多西少”，发生频次最多的是望谟，共5次，占全41.7%，兴义、普安、贞丰近10年从未发生过大于50 mm·h^-1的短时强降水。

2.2 年际变化

图 2给出了短时强降水年际变化，从图 2可以看出，近10年初夏短时强降水呈现波动，在2007年达到峰值，为39次，随后迅速下降，2009—2015年维持较为平稳的态势，在2011年达到最低值，为16次。6月的短时强降水频次在2006年、2007年最多，达到了30次，随后随着时间下降，在2013年达到最低值，为7次。5月短时强降水从2006年开始迅速上升，在2008年达到最大值，为18次，随后下降，在2009至2011维持较低的次数，2012、2013年又上升为12次，随后又下降，在2014年达到最低值。6月的短时强降水整体比5月多，10年中有8年频次明显比5月多，仅有2012、2013两年比5月少。

分析不同等级短时强降水累计频次的年际变化可知（图略），20~30 mm·h^-1的短时强降水累计频次明显高于其它级别的短时强降水频次，在2007年达到最高值，为21次，此后迅速下降，在2011年达到最低值，462第5期王芬，等：2006—2015年黔西南初夏短时强降水时空特征分析在2012年之后维持平稳的态势，在10~12次之间。30~40 mm·h^-1的短时强降水从2006年起开始下降，在2010年达到最低值为3次，此后迅速增加，在2012年达到最大值，为10次，2013~2015年维持一个较为平稳的态势。40~50 mm·h^-1的短时强降水在2007年达到峰值，为9次，2009年之后不断降低，在2010年、2013年达到最低值，2009年至2015年维持一个较为平稳的态势。大于50 mm·h^-1的短时强降水每年发生频次最少，在0~4次之间，2006年最多为4次，2009、2011、2012、2014均没有发生过。

2.3 日变化分布

图 3给出了短时强降水发生频次的日变化特征，分析图 3a可知，黔西南初夏短时强降水累计出现频次为239次，夜间189次，占所有短时强降水的79.1%，主要集中时段为20：00—04：00，在23：00—01：00达到峰值，00：00—01：00达到29次，占全天的12.6%，白天为低发时段，累计频次为50次，仅占全天的20.9%。分析图 3b可知，5月累计频次为73次，夜间62次，占84.9%，集中时段为21：00—01：00之间，其中23：00—00：00最多达到11次，占全天的15.1%，白天为低发时段，仅11次，占全天的15.1%。分析图 3c可知，6月累计频次为166次，夜间128次，占全天的75.7%，集中时段为20：00—04：00之间，在00：00—01：00达到峰值，为19次，占全天的11.5%，白天为低发时段，共发生41次，占全天的24.3%。相比5月，6月短时强降水的分布略均匀些，夜间占的比例下降，白天占的比例上升，短时强降水的主要集中时段拉长，约为8 h，而5月的短时强降水主要的集中时段为21：00—01：00，约为4 h。

分析近10 a黔西南初夏不同等级短时强降水的日分布特征（图略），可知20~30 mm·h^-1的短时强降水出现频次为131次，夜间共发生频次为104次，占此级别短时强降水的79.4%，主要集中时段为夜间的20：00至05：00之间，在夜间的23：00—01：00达到峰值。30~ 40 mm·h^-1的短时强降水出现频次为65次，夜间共发生频次为51次，占此级别短时强降水的78.5%，主要集中时段为夜间的21：00—04：00之间，22：00—23：00及00：00—01：00为峰值。40~50 mm·h^-1的短时强降水出现频次为31次，夜间发生频次为24次，占此级别短时强降水的77.4%，00：00—01：00为峰值。大于50 mm·h^-1的短时强降水出现频次为12次，基本出现在夜间，共发生11次，占此级别短时强降水的91.7%，23：00— 00：00为峰值期。综合分析可知，这几个不同等级的短时强降水的日分布均表现为夜间集中、白天低发的特征，且基本是在23：00—01：00达到峰值。

通过以上分析可知，黔西南初夏短时强降水多集中在夜间，这主要是由于其特殊的地形所致，黔西南州地处青藏高原东南侧，境内山恋纵横，立体气候非常显著，白天太阳辐射加热地表，地表再加热空气，但是由于受到山脉的阻挡，山脚接收的太阳辐射相对较少，山顶的空气热，山底的空气冷，大气层结稳定，所以白天不易产生降水，晚上，山顶的气温迅速下降，空气冷却下沉，山脚的暖湿空气被迫抬升，大气层结不稳定，水汽在上升过程中不断冷却，凝结致雨。

2.4 多模态变化特征

对黔西南近10年初夏短时强降水累计频次进行EOF分解，对累积方差贡献率及其特征根进行了统计，采用North等^[10]提出的计算特征值误差范围的方法对前8个模态进行了显著性检验，具体见表 1。

从表 1可知，第一模态方差贡献率为84.7%，前三个模态方差贡献率为93.5%，表明初夏短时强降水频次的空间场分布特征主要由第一模态来表现，累积方差达到90%时最少需要3个主分量，North检验表明前8个模态中的仅有第1个通过了显著性检验（图 4）。

图 5为初夏短时强降水累计频次前三个模态特征向量空间分布，由图 5a可知，第一特征向量场呈现出明显的全州一致同位相分布特征，短时强降水发生频次趋于一致，大值区位于东南部一带，这种全区一致的特征值占总体方差的84.7%，很明显这是受大尺度天气系统影响造成的。第二特征向量场方差贡献率占4.9%，表现为南—北反向变化特征(图 5b)，即当北部短时强降水发生频次异常偏多(少)时，西部异常偏少(多)，这可能是地形原因造成的。第三特征向量场方差贡献率占3.9%，表现为东北—西南反向变化特征(图 5c)，这也可能是受地形原因造成的。

2.5 不同级别的短时强降水比较

图 6给出了初夏、5月、6月各等级的短时强降水发生频次分别占初夏所有短时强降水的比例，分析图 6可知，近10 a初夏20~30 mm·h^-1的短时强降水发生频次最多，占所有初夏短时强降水总频次的54.8%，其次为30~40 mm·h^-1，占27.2%，40~50 mm·h^-1占12.9%，50 mm·h^-1以上的强降水最少，仅发生过12次。其中5月20~30 mm·h^-1发生频次占所有短时强降水累计频次的17.6%，30~40 mm·h^-1占7.5%，40~50 mm·h^-1占3.7%，50小时雨强以上的最少，仅占1.7%。6月20~ 30 mm·h^-1发生频次占37.2%，30~40 mm·h^-1占19.7%，40~50 mm·h^-1占9.2%，50 mm·h^-1以上的最少，仅占3.4%。对比可知，6月短时强降水发生频次占所有初夏短时强降水累计频次的69.5%，5月占30.5%，且无论任何级别的短时强降水6月发生的比例均明显高于5月。

3 短时强降水与暴雨的关系

暴雨天气过程中大多都伴随着短时强降水，而短时强降水也往往会造成暴雨天气^[11]，但是二者的关系究竟如何？目前尚无人研究。本文分别统计了近10年初夏暴雨总日数与短时强降水累计发生频次，发现近10 a初夏黔西南州8县站累计发生169站次暴雨天气过程，其中有125次伴有短时强降水，占74%，44次暴雨过程中无短时强降水发生（小时雨强在20 mm·h^-1以下），其中5月有16次，6月有28次。而近10 a发生的239次短时强降水中，有229次造成了暴雨天气，占95.8%，仅有10次短时强降水没有造成暴雨天气，这10次短时强降水过程均发生在5月，仅占4.2%。对暴雨日数与短时强降水频次求相关系数，发现二者的相关系数为0.64，通过了0.05的显著性检验。暴雨日数与短时强降水的频次二者的空间分布均为“东多西少”，相似系数达到0.9，这表示它们的空间分布特征非常一致（图略）。在年际变化上（图略），其趋势较为一致，2006—2008年短时强降水频次及暴雨日数都偏高，而2009—2015年比较稳定。

计算了暴雨日数与短时强降水累计频次的相关系数，获得二者的空间、时间相关系数分布图（图 7）。图 7a中浅阴影区为相关系数通过0.1 t检验的区域，深阴影区为通过0.05 t检验的区域，白色为未通过显著性检验的区域。可以看到，暴雨日数与短时强降水频次有很好的正相关，望谟的相关系数最高为0.8，册亨最低为0.3，8县中有6个县通过了0.1的显著性检验，占0.67%，普安、册亨未能通过显著性检验，但其相关系数也在0.3以上。此外，逐年计算了暴雨日数与短时强降水频次的相关系数（图 7b），可以看到，空间相关系数随时间呈现波动特征，有7年的相关系数通过了0.1的显著性检验，有3年未能通过0.1的显著性检验，2015年最高为0.94，2012年最低为-0.08。

图 8给出了暴雨量及此次过程中最大小时雨强的散点图，并作了拟合，分析可知，暴雨量与当日最大小时雨强为正相关关系，线性斜率为1.05，二者的相关系数达到0.53, 通过了0.05的显著性检验。在一次暴雨天气过程中，如果最大小时雨强小于20 mm，则累积降水量级多集中在50—80 mm，而累计雨量大于100 mm的大暴雨过程中其最大小时雨强也较大，只有一次最大小时雨强小于20 mm·h^-1，其余均在30 mm·h^-1以上。

4 结论

(1) 黔西南初夏短时强降水呈现“东多北多西南少”的空间分布，发生频次最多的是望谟。5月短时强降水累计频次的空间分布为“东多西少”，6月为“东多北多西南少”，发生频次最多的均为望谟。20~30 mm·h^-1、40~50 mm·h^-1及大于50 mm·h^-1的短时强降水空间特征均表现为“东多西少”，发生频次最多的均是望谟；30~40 mm·h^-1的短时强降水空间特征表现为“东北多西南少”，发生频次最多的是晴隆。6月短时强降水发生频次占所有初夏短时强降水累计频次的69.5%，5月占30.5%，且无论任何级别的短时强降水6月发生的比例均明显高于5月。

(2) 近10年初夏短时强降水呈现波动，在2007年达到峰值，为39次，随后迅速下降，2009—2015年维持较为平稳的态势，在2011年达到最低值。

(3) 短时强降水出现的主要时段在夜间，占所有短时强降水的79.1%，主要集中时段为20：00—04：00，23：00—01：00达到峰值，白天为短时强降水的低发时段，仅占全天的20.9%。5月短时强降水出现的主要时段也是在夜间，集中时段为21：00—01：00。6月短时强降水出现的主要时段也是在夜间，集中时段为20：00—04：00。相比5月，6月短时强降水的分布略均匀些，夜间占的比例下降，白天占的比例上升，短时强降水的主要集中时段拉长，约为8 h，而5月约为4 h。

(4) EOF第一特征向量场呈现出明显的全州一致同位相分布特征，短时强降水发生频次趋于一致；第二特征向量场表现为南—北反向变化特征；第三特征向量场表现为东北—西南反向变化特征。

(5) 短时强降水与暴雨关系密切，近10 a初夏169站次暴雨天气过程中有125次伴有短时强降水，占74%，近10 a发生的239次短时强降水中，有229次造成了暴雨天气，占95.8%。暴雨日数与短时强降水频次相关系数为0.64，暴雨量与当日最大小时降水量的相关系数也达到0.53, 均通过了0.05的显著性检验。