广西汛期极端短时强降水特征分析

廖胜石，卓健，罗建英，零绍珑，卢炳夫

(1.广西壮族自治区气候中心，南宁 530022；2.广西壮族自治区气象信息中心，南宁 530022；3.广西壮族自治区气象局，南宁 530022；4.广西贵港市气象局，贵港 537100；5.广西壮族自治区气象灾害防御技术中心，南宁 530022)

引言

近年来，极端降水天气多发(翟盘茂等，2007；郑小华等，2019)，总体呈现出发生频次高、涉及区域广、极端性突出、致灾损失偏重等特点，对人民生命财产安全和经济社会稳定发展构成严重威胁。因此，极端短时强降水监测预报预警服务是气象防灾减灾工作的关键环节，也是筑牢第一道防线的重中之重。提高极端短时强降水预报预警能力，必须深刻认识和把握极端短时强降水的演变规律和气候背景。近年来，研究人员对不同地区的极端短时强降水特征开展了卓有成效的工作。李建等(2013a)利用广义极值分布法和百分位法两种阈值方法，对我国不同区域不同极端程度的小时降水资料进行了分析，发现百分位法结果与广义极值分布法结果基本一致。李建等(2013b)的研究指出华北地区、长江中下游地区、华南沿海地区和四川盆地西部短时强降水的降水强度阈值远大于西北地区。李建等(2008)、吴翠红等(2013)、唐传师等(2018)、王婧羽等(2019)、冷亮等(2021)分别对北京、湖北、江西、河南等地短时强降水开展了研究，得到当地的短时强降水时空分布特征和变化趋势。侯淑梅等(2020)研究了山东省短时强降水时空变化特征，讨论了以第98%、99%、99.5%分位数作为极端降水阈值的合理性，对99.5%分位数极端降水阈值在国家站和区域自动站的分布特征深入研究，发现全部站(国家站+区域站)数据能更准确地反映山东省的极端短时强降水的变化特征。

广西位于亚热带季风湿润区，是全国年降水量最丰富的地区之一，但降水量时空分布不均，极端降水天气及其带来的次生灾害频发。陆虹等(2012)、李建鸿等(2016)、孙桂凯等(2018)的研究发现广西极端降水呈增加趋势，李菁等(2002)、覃卫坚等(2014)、李艳兰等(2020)等从暴雨天气的大气环流特征、变化特征等方面开展了研究，陈明璐(2015)、陈飞盛和孙靖雯(2021)利用日、小时降水资料分析了广西不同等级强降水的时空分布特征，但尚缺乏利用逐小时降水资料对广西强降水的极端特征及其气候背景关联性的研究。本文利用广西91个国家气象站小时降水资料对极端短时强降水特征进行研究，并进一步探索其与南海夏季风、厄尔尼诺或拉尼娜气候背景的关联性，以期理解广西的天气气候特征以及极端短时强降水时空变化的形成机制，为提高极端短时强降水预报准确率提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 资料

本文所用气象资料来源于广西气象信息中心2005—2021年4—10月广西91个国家气象站逐小时降水量数据。由于仅针对强降水进行研究，微量降水研究意义不大，因此选取1 mm以上的小时降水量作为统计样本。

所用同时期的Oceanic Niño Index(ONI)数据来源于NOAA官方网站(https://origin.cpc.ncep.noaa.gov/products/analysis_monitoring/ensostuff/ONI_v5.php)，该指数基于ERSSTv5数据集，通过标准化的Niño3.4区海表面温度的3个月滑动区域平均值求出，用以衡量厄尔尼诺现象的发展程度。南海夏季风爆发信息取自国家气候中心公布的东亚季风监测简报。

1.2 方法

基于每个测站≥1 mm的小时降水资料，利用百分位法确定该测站的1 h极端强降水阈值。当测站1 h降水量超过其1 h极端强降水阈值时，定义为该站出现1次极端短时强降水；将测站极端短时强降水的总次数定义为极端短时强降水频次；计算测站所有极端短时强降水的降水量总和，并将其与频次之比定义为该站极端短时强降水强度。例如，某站极端短时强降水的阈值为40 mm，若某时次该站降水量为50 mm，则该站发生了1次极端短时强降水，极端短时强降水频次增加1站次，并将该时次降水量50 mm累加进该站极端短时强降水量。以此类推，对于91个测站分别进行同样的统计。

参照李建等(2013a)、侯淑梅等(2020)做法，统计了广西91个测站降水的第95%、98%、99%、99.5%分位数的降水量值，发现99.5%分位数的最小值、最大值和中位数分别为30.0、61.2和42.8 mm，对应的极端短时强降水强度为34.7、76.1和52.1 mm·h-1，与实际工作经验的感受较为接近，而第95%、98%、99%分位数的阈值较低，代表性不强。因此，本文采用每个测站的第99.5%分位数的降水量值作为该站极端短时强降水的阈值。

2 极端短时强降水阈值的分布特征

将99.5%分位数作为每个测站的极端短时强降水阈值，统计得到2005—2021年汛期期间广西91个站点共发生1 712次极端短时强降水。由极端短时强降水阈值分布图(图1)可见，广西91个测站的99.5%分位数阈值分布在30~60 mm之间，＜40 mm和≥50 mm的测站分别有27和9站，≥50 mm的站点主要分布在沿海地区，最大值为61.2 mm，出现在防城港站。40~50 mm的测站有55站，主要分布在桂东南、桂中和桂西地区，其中桂东南、桂中大部、桂西中部地区的阈值为45~50 mm。阈值30~40 mm的站点主要分布在桂东、桂北和桂西南地区。

图1 广西极端短时强降水的阈值(单位:mm)分布图Fig.1 Distribution of thresholds(unit:mm)of extreme short-time heavy rainfall in Guangxi.

3 极端短时强降水的空间分布特征

由广西极端短时强降水强度空间分布图(图2a)可以看出，降水强度自南向北，由沿海向内地递减。共有77个测站(84.6%)的极端短时强降水强度集中在40~60 mm·h-1，与阈值空间分布相似，40~50 mm·h-1的区域主要位于桂北、桂东和桂西局部地区，全区大部区域极端短时强降水强度都处于50~60 mm·h-1之间。有3个测站(3.2%)的强度＜40 mm·h-1，主要零星分布在桂东北地区。超过60 mm·h-1有11个站(12.2%)，分布在沿海地区和桂东南局部地区，最大值出现在防城港站(76.1 mm·h-1)。从极端短时强降水的频次(图2b)发现，2005—2021年汛期期间，沿海地区同样是频次最高的区域，超过了25次，桂东北地区虽然强度最小，但却是出现频次的次高值区，大多站点的频次超过了20次，桂西北地区的强度达到45~50 mm，大部分站点频次却只有15~17次之间，桂西南地区不仅强度小，出现极端短时强降水的频次也最少，只有约15次。

图2 广西极端短时强降水的强度(a,单位:mm·h-1)和频次(b)分布图Fig.2 Distribution of(a)intensity(unit:mm)and(b)frequency of extreme short-time heavy rainfall in Guangxi.

由广西小时最大降水量分布区间可见(表1)，97.8%的测站小时最大降水量都超过了50 mm，＜50 mm的测站只有2站，分别为桂东北地区的灌阳和龙胜站，超过100 mm有12个测站，主要出现在沿海和桂东南地区(图略)。小时最大降水量出现次数最多的为70~80 mm，共有36站，占39.5%，其次是60~70 mm、80~90 mm，分别出现16和15站。全区的小时最大降水量是140.5 mm，出现在2012年10月29日04时(北京时，下同)的北海站，其次是2016年8月10日08时的梧州市龙圩站的135.2 mm。

表1 广西小时最大降水量分布区间(单位:mm)Table 1 Distribution interval of hourly maximum precipitation in Guangxi(unit:mm).

4 极端短时强降水的时间变化特征

4.1 年际变化

图3给出了2005—2021年广西极端短时强降水的逐年频次分布图。可以看出，除2009、2011、2018年次数较少，低于70次外，其他年份的总次数超过90次，其中2014年(136次)和2015年(141次)超过了130次；从线性趋势可看出，极端短时强降水频次有增加趋势。从2005年到2021年共17 a期间，广西有10 a每年有60个以上测站会发生极端短时强降水，最多的为2015年76个测站，最少的为2011年的41个测站。每站每年平均出现极端短时强降水1.1次,最多的为2015年1.5次，最少的为2011年0.6次，每个站每两年大约会出现1~3次极端短时强降水。

图3 2005—2021年广西极端短时强降水频次和站数的逐年变化Fig.3 Annual variation of frequencies(unit:number)and stations(unit:station)of extreme short-time heavy rainfall in Guangxi from 2005 to 2021

4.2 逐月变化

由逐月的极端短时强降水频次图(图4a)可见，极端短时强降水有明显的逐月变化，具有单峰型的特征。极端短时强降水主要集中在5—6月，频次分别为439、491次，共占所有极端短时强降水频次的49%。其次是7月的284次和8月份的241次，其余月份频次很少，均未超过200次，10月份29次最少。其中主汛期5—8月每个月发生极端短时强降水的测站数都接近或达到91站，表明汛期每个月每个站都会发生极端短时强降水。从逐月降水强度(图4b)看，除了4月份的49.4 mm·h-1，5—10月极端短时强降水强度均在53~57 mm·h-1之间，差距不大。虽然10月份的极端强降水强度最强，为56.2 mm·h-1，但由于10月份的频次太少，17年间只有29次，且其中的一部分是在2012年23号台风“山神”影响期间(2012年10月29日)造成沿海地区大范围强降水中出现的，使10月份的平均强度提高。

图4 2005—2021年4—10月广西极端短时强降水频次、站数(a)以及强度(b,单位:mm·h-1)的逐月变化Fig.4 Monthly variation of(a)frequency and number of stations,and(b)intensity(unit:mm·h-1)of extreme short-time heavy rainfall in Guangxi from April to October from 2005 to 2021.

4.3 日变化

由广西汛期逐时极端短时强降水频次分布图(图5)可见，极端短时强降水呈现双峰特征,有明显的日变化，最小值出现在13时，仅有35次，之后逐渐上升，18时达到第一个峰值区85次，随后稍有下降，在21时下降到60次，之后迅速上升，在04—05时，达到日变化的最高峰101次。极端短时强降水频次＞90站次的时间集中在02—06时，09—20时期间仅有17、18时超过80次，可见夜间出现极端短时强降水的频次远远超过白天。从站数的日变化分布来看，也是仅有10—15时低于40个站出现极端短时强降水，其余时次出现极端短时强降水的站数都超过40个站，从23时到次日08时，有超过50个站出现极端短时强降水，也表现出很明显的强夜雨特征。不过极端短时强降水强度范围为50~55 mm·h-1，全天强度变化幅度不大。由此可见，广西汛期夜间和凌晨时段最容易出现极端短时强降水，但无论是夜雨还是日雨，强度基本一致。

图5 2005—2021年广西汛期极端短时强降水频次、站数和强度(单位:mm·h-1)的日变化Fig.5 Diurnal variation of frequency,number of stations and intensity(unit:mm·h-1)of extreme short-time heavy rainfall in Guangxi from 2005 to 2021.

以出现频次最多的5—8月份来看(图6)，虽然这4个月均为双峰型，但峰型并不完全一致，前、后汛期的最高峰有所区别。其中前汛期5、6月份最高峰为04—05时，次峰为22—23时，而后汛期7—8月份的最高峰为17—18时，次高峰为04—05时。无论是前汛期的5、6月份，还是后汛期的7、8月份，夜雨的频次均远远多于日雨。

图6 广西2005—2021年5—8月极端短时强降水频次的日变化Fig.6 Diurnal variation of frequency of extreme short-time heavy rainfall in Guangxi from May to August from 2005 to 2021.

5 相关性分析

5.1 极端短时强降水和地形的关系

广西位于云贵高原东南边缘(图7)，整个地势自西北向东南倾斜，桂西北地势高峻，高山众多，桂东北属南岭山地西段，桂北地区的海拔多为1 500~2 000 m。湘桂走廊是南北冷暖气流进出广西的主要通道。广西东部、南部和西南部分别为大桂山、云开大山、大容山、六万大山、十万大山等包围，山体平均海拔在1 000 m以下。中部地势较低，海拔多在200 m以下，形成“周高中低”的盆地形状。南面北部湾的海岸线长达1 600 km(《广西天气预报技术和方法》编写组，2012)。

从图2可知极端短时强降水强度的高值区主要分布在沿海、桂东南和桂中地区，低值区分布在桂北地区。对比广西地形图(图7)可以发现，极端短时强降水空间分布特征和地理位置密切相关。在东兴到钦州一带的沿海地区，由于西南急流或热带系统遇到桂西南地区的十万大山时，由于地形抬升，容易形成沿海地区的极端强降水，十万大山南麓的东兴市是有名的“雨窝”，该区域的短时强降水强度大，但范围窄。而桂东南地区是台风进入广西的重要通道之一，台风翻越过广西广东交界海拔500 m左右的云开大山、大容山和六万大山后，长驱直入广西腹地的平原和盆地，发生短时强降水的强度就要比其他地区要高。所以该地区的极端短时强降水不仅强度大，而且范围广。桂东北地区为南岭山地，北方冷空气从东路路径南下入侵广西，常在该地区滞留成静止锋，锋前的暖湿气流受地形抬升，容易造成该区域出现对流性强降水，但由于离沿海较远，水汽不够充沛，降水强度不大。虽然凭着高频次的极端短时强降水，桂东北地区成为广西年平均降水量和夏季降水量的4个高值区之一(《广西天气预报技术和方法》编写组，2012)，但该区域的极端短时强降水强度与年降水量和夏季降水量没有正相关关系。桂西地区的左江、右江河谷虽然也处于广西内陆，但沿着云贵高原边缘南下的西路冷空气一旦和孟加拉湾北上的强盛西南暖湿气流在该区域交汇，产生极端短时强降水的强度也比较高，但由于地形的关系，前汛期的冷空气南下路径偏东、西南气流翻越十万大山下沉增温或后汛期的台风能够影响该区域的次数不多，造成该区域极端短时强降水的频次是全广西最低的，该区域也是广西最严重的旱区之一。

图7 广西地形高度(填色,单位:m)和国家气象观测站点(红点)分布Fig.7 Distribution of topography(shaded,unit:m)and meteorological stations(red point)in Guangxi.

5.2 极端短时强降水和南海夏季风的关系

进一步分析出现极端短时强降水频次最多的5—6月份(图8)发现，在5月第1候，极端短时强降水频次不足40次，在5月第6候到6月第3候期间频次迅速增加，最高的是6月第2候126次。发生极端短时强降水的测站也是在5月第6候到6月第3候期间从不足50站跃升到50站以上，6月第2候达到64站，超过半数的测站均出现极端短时强降水。

图8 广西5—6月极端短时强降水频次、站数逐侯变化Fig.8 Variation of pentad precipitation frequency and number of stations of extreme short-time heavy rainfall in Guangxi from May to June.

为了揭示南海夏季风和广西极端短时强降水之间的关系，将南海夏季风爆发时间与5—6月份极端短时强降水频次最多的时间(均用候来表示)求取相关，结果发现两者相关系数为0.53，并通过α=0.05的显著性水平检验，极端短时强降水频次最多的时间比南海夏季风爆发时间平均晚2.4候。可见广西短时强降水的发生频次随着南海夏季风的爆发迅速增加。每年南海夏季风爆发后，一方面西南急流强盛，热带辐合带北抬，华南地区的季风槽强烈发展，水汽源源不断地输送到广西；另一方面北方南下锋面系统依然活跃，实力尚存，冷暖空气常常在广西引发大范围强降水，造成该时段的极端短时强降水总次数明显多于其他时段。

5.3 极端短时强降水与厄尔尼诺/拉尼娜的关系

为研究厄尔尼诺/拉尼娜事件与广西汛期极端短时强降水的相关性，统计发现在2005—2021年4—10月期间广西发生的1 712次极端短时强降水(表2)，其中发生在厄尔尼诺月份(ONI≥0.5℃)的有315次，占比19%；拉尼娜月份(ONI≤-0.5℃)的有224次，占比12%；正常月份(-0.5℃＜ONI＜0.5℃)的1 173次，占比69%，虽然大部分极端短时强降水是在正常月份发生，但发生在厄尔尼诺月份要超过拉尼娜月份。平均每个厄尔尼诺月份发生13.7次极端短时强降水，拉尼娜月份发生9.7次，正常月份发生16.1次。可见，在汛期，厄尔尼诺月份和正常月份比拉尼娜月份广西更容易产生极端短时降水事件。

表2 厄尔尼诺月份和拉尼娜月份极端短时降水分布Table 2 Distribution of extreme short-time heavy rainfall during El Niño and La Nia.

进一步将前一年6月份起逐3个月滑动平均的ONI分别与当年的广西汛期、前汛期、后汛期3个时期极端短时强降水频次求相关系数，结果见表3。可以看出，前一年9—11月，10—12月，11—次年1月，12—次年2月，1—3月，2—4月逐3个月滑动平均的ONI和当年的汛期极端短时强降水频次的相关系数达到0.40左右，当年3—5月，4—6月逐3个月滑动平均的ONI和当年的汛期极端短时强降水频次的相关系数上升到0.50~0.60，并通过α=0.05的显著性水平检验；对于前汛期的极端短时强降水，该信号更加明显。从前一年9月份起，到当年3月份，两者的相关系数超过了0.55，3—5月份的同期相关系数达到0.64，并都通过α=0.05的显著性水平检验。另外，4—6月、5—7月的ONI与后汛期的极端短时强降水同期相关系数也超过0.50，并通过α=0.05的显著性水平检验。表明前一年秋冬季的ONI和当年汛期和前汛期的极端短时强降水频次密切相关，厄尔尼诺月份更容易产生极端短时降水事件。厄尔尼诺/拉尼娜事件与广西汛期极端短时强降水密切相关，海温变化对广西汛期特别是前汛期极端短时强降水产生重要影响，前期海温偏高(偏低)一定程度上导致了汛期的极端短时强降水频次增多(减少)。

表3 广西ONI和汛期、前汛期、后汛期极端短时强降水频次的相关系数Table 3 Correlation coefficient between ONI index and extreme short-term heavy precipitation frequency of Guangxi in flood season,pre flood season and post flood season.

6 结论

利用2005—2021年汛期国家气象站1 mm以上逐小时降水量数据，对广西极端短时强降水的特征进行分析，得出主要结论如下：

(1)广西超过80%站点的极端短时强降水强度在40~70 mm·h-1之间，强度和频次最高均出现在沿海地区，频次次高区域为桂东北地区，但其强度为全区最低；桂西北地区的强度也较高，频次却很低；桂西南地区不仅强度较小，频次也是最少，这应在短时强降水预报中给予关注。

(2)每年极端短时强降水呈增多趋势，每个站每2 a大约会出现1~3次极端短时强降水；每年5、6月份极端短时强降水频次最高，约占全年1/2，但各个月份强度变化不大，均在55 mm·h-1左右。

(3)每日04—05时、17—18时的极端短时强降水频次最高，各个时次强度均在50~55 mm之间，差别不大。前汛期最容易出现极端短时强降水的时段是04—05时，而后汛期最容易出现极端短时强降水的时段是17—18时。

(4)广西极端短时强降水特征不仅与地形密切相关,而且随着南海夏季风的爆发，从5月第6候起，发生极端短时强降水的站点和频次迅速增加。

(5)厄尔尼诺事件与广西极端短时强降水呈正相关，海温变化对广西汛期特别是前汛期极端短时强降水产生重要影响，前期海温偏高(偏低)一定程度上导致了汛期的极端短时强降水频次增多(减少)。前期的ONI可作为汛期或前汛期极端短时强降水预测的关键因子。

需要指出的是，本文仅选择了近十几年广西区内的观测数据，由于样本长度对极端降水背景研究有一定影响，下一步将收集更加完善的更长时间序列的小时降水资料，对广西极端短时强降水变化特征进行进一步总结和分析，并加强在广西短时强降水概率预报业务上的应用。