四川盆地边缘山地强降水与海拔的关系

四川是我国自然灾害多发省份，主要的自然灾害有干旱、洪涝、大雾、霜冻、泥石流等，并且与降水有着密切的关系。任国玉等(2000)、左洪超等(2004)和陈隆勋等(2004)研究指出，四川省近50年平均降水量是减少的，而且陈文秀和郝克俊(2001)、周长艳等(2006)分析发现四川西部高原与东部盆地的降水变化存在明显差异，其中盆地东部、中部和西部的降水变化具有不同的变化特征。另外，雨日的气候变化表现出与降水量变化既有密切关系，又有一定差异。王颖等(2006)分析了中国雨日的气候变化特征，发现整个中国年雨日明显减少，尤其是西南地区。其中位于西南地区的四川盆地各量级雨日在盆地不同位置也表现出不同的变化趋势(周长艳等，2011)。这些研究提高了对四川盆地降水变化的认识。值得注意的是，相关研究均是针对日降水量、月降水量及年降水量的分析。

受复杂地形影响，四川不仅年平均降水量大，且易出现短时强降水(中国气象局规定小时雨量超过20 mm即为短时强降水)，特别是高原与盆地过渡地带。短时强降水易造成城市内涝，诱发山洪、泥石流等次生灾害，造成财产损失及人员伤亡。因此，应用小时雨量资料对四川盆地小时雨量特征进行研究是非常必要的。早期有国外学者(Gray and Jacobson, 1977；Kousky，1980)应用小时降水资料，揭示了降水日变化具有显著的海陆差异，随后Yu et al(2007a；2007b)，李建等(2008)，戴泽军等(2009)，Chen et al(2010)，Li et al(2010)，王夫常等(2011)，毛冬艳等(2018)发现我国不同区域的短时强降水日变化特征有较大差异。王夫常等(2011)研究发现我国西南部降水“夜雨”特征明显，但存在午后次峰值，且区域差异显著。毛冬艳等(2018)分析了西南地区近30年短时强降水的气候特征，发现四川盆地西部边缘地区的小时降水最强，且短时强降水在02时左右发生频次最多。而位于四川盆地西南部具有“天漏”之称的雅安，其降水量及降水频次日变化则是呈单峰单谷结构(周秋雪等，2016)，峰值出现在00时，谷值出现在15—16时，且峰值出现时间有向前半夜移动的变化特征。但是，由于所用地面降水资料为国家站数据，相关研究较为初步，且研究范围有较大局限性。之后，随着降水资料的日趋丰富，对降水日循环的研究也逐步深入(姚莉等，2009；司波等，2012)，特别是近几年，气象学者通过加密站小时雨量资料与雷达、卫星、数值模式等资料相结合，对环流形势和诱发暴雨的中尺度系统特征方面进行描述和分析(张京英等，2010；郝莹等，2012)。但是针对于四川地区的相关研究较少，特别是对于短时强降水与地形的关系研究较为缺乏。周秋雪等(2015)利用四川省1052个站点2008—2012年逐小时降水资料分析了四川省短时强降水发生频次时空分布特征，发现高频区主要位于盆地周边山区，盆地内短时强降水频次及雨强极值随海拔高度升高而减少。但是站点数量较少，对盆周山区短时强降水的相关特征不能详细描述。

综上所述，利用尽量多的加密自动站小时降水资料对短时强降水特征变化进行深入研究有利于预报员掌握强小时雨强的发生及发展规律，进一步提高针对短时强降水及暴雨的预报能力，对四川省及西南地区乃至我国东部发达地区的防灾减灾具有重要意义。本文选取了较高空间密度的逐小时雨量资料，并且叠加了高精度的地形海拔高度数据，详细分析了短时强降水频次、雨强极值、短时强降水日变化及短时强降水首次出现时间与海拔高度之间的关系。

本文数据取自MICAPS第四类格式的西南地区高精度海拔高度资料，格点分辨率为0.00833°×0.00833°，以及经过质量控制后得到的四川省盆地地区2011—2015年4—10月共1666站的逐小时降水数据，时间为北京时。其中1666个站中包含盆地地区104个基本站和1562个区域自动站。由于区域自动站每年均有新建，且部分区域自动站降水数据误差较大，为了固定数据分析的样本数，首先选出四川省盆地地区2011—2015年均有降水资料的所有站点，然后从这些站点中挑选出每年缺测少于一个月的站点，最后根据四川省气象台值班记录以及卫星云图及雷达图对逐小时数据进行校正，对有问题的降雨量数据用缺测值代替。例如，某站某时的小时雨量为50 mm，但是值班记录本上明确指出该测站这个时刻的雨量值为错误，或者同时刻的红外云图显示该测站上空无对流云团，雷达反射率因子也未超过40 dBz，该小时雨量就用缺测值替代，最后得到1666个站点的降雨量样本数据。需要说明的是，由于本文所用资料为整点资料，这可能导致部分连续1 h超过指定阈值的强小时雨强事件被划分到两个时段而未达到本文的统计标准，因此实际发生强小时雨强的频率可能更高。

本文中，小时降雨量大于或等于0.1 mm的被判定为有降水发生。四川省气象局业务规定，汛期四川省盆地地区小时雨量超过30 mm须向当地防汛部门传真实况雨量资料，小时雨量超过50 mm即达到暴雨的标准，所以本文短时强降水划分为三个等级：20、30、50 mm，分别研究其频次随海拔高度的变化特征。地区分类说明:盆地地区包括了盆中低海拔地区及盆地周边较高海拔地区，是指四川省除甘孜州、阿坝州、凉山州及攀枝花之外的其余市(县)。

为研究降水与地形高度的关系，按100 m的间距，分别统计盆地内1666个站点在各个海拔高度区间范围内的站点数分布。盆地内有1225个站点海拔高度在200~600 m，占总数的73.5%；海拔高度超过600 m以后，台站数迅速减少，超过1600 m的站仅有14个。考虑研究的代表性，这里仅分析海拔高度在200~1500 m范围内所有站点2011—2015年4—10月(后简称汛期)的小时降水特征，并且以100 m间隔来做统计分析。在所有图中，海拔高度1000代表 900~1000 m范围内所有站点的统计结果，以此类推。其中降雨量、雨日及短时强降水频次为所有站点的平均值，而雨强极值则是所有站点的最大值。

图 1为2011—2015年汛期降雨量、夜雨量、昼雨量随海拔高度的变化。如图所示，通过一次线性拟合后发现，总雨量、夜雨量及昼雨量均随海拔高度升高而增多，其中夜雨量增长最显著，昼雨量增长趋势最弱。通过二次多项式拟合后发现，总雨量、夜雨量及昼雨量随海拔高度的变化并不是呈现单一的增长趋势，而是先随着海拔高度升高而增多，然后再随海拔高度升高而减少，其中昼雨量随海拔高度的这种变化特征最明显。根据雨量随着海拔高度的这种分布特征，可将总降水量随海拔高度的变化分为三个区域：200~600 m盆中区、600~1200 m过渡区、1200~1500 m高海拔区。其中盆中区总降雨量最少，平均值为859.8 mm；过渡区总降雨量平均值达到了987.3 mm，为三个区域之最，且较盆中区有个跃增的特征；高海拔区总降雨量平均值为907.5 mm，较过渡区明显减少。

图 2为2011—2015年汛期总雨日、小雨日、中雨日、大雨日及暴雨日随海拔高度的变化。如图所示，不论是一次拟合还是二次拟合，总雨日均随海拔高度升高而增多。说明在四川盆地，海拔高度越高雨日越多。小雨日、中雨日与总雨日变化趋势较为一致，说明小雨及中雨日对总雨日贡献最大，基本影响了总雨日的变化趋势。大雨日随着海拔高度变化并不明显，但是当海拔超过1200 m时大雨日突然减少，在1200~1500 m范围内又显著增加。一次拟合显示暴雨日随海拔高度升高逐渐减少，且同样是当海拔超过1200 m时突然减少，在1200~1500 m范围内又显著增加。对比发现，大雨及暴雨日在1200~1500 m范围内的变化特征与总雨量随海拔高度的变化特征类似，说明大雨日与暴雨日产生的雨量对总雨量的贡献较大，影响了总雨量的变化。进一步分析发现，汛期大雨以上量级的累积雨量占汛期总雨量百分比随着海拔高度升高缓慢减少，但是在1200~1500 m范围内呈明显增加的趋势(图略)。

图 1a显示汛期总雨量、夜雨量、昼雨量均在海拔1100~1500 m范围内呈“凹”字型分布，图 3a、3b、3c为1100~1200、1200~1400、1400~1500 m的站点分布图。如图 3a所示，盆周山区地势复杂，盆地西北部、西南部及东北部的山脉走向、陡峭程度及站点坡向均有较大差异，这三个地区也是汛期总雨量的大值区(图 3d)。但是受地形影响，大值区分布特征存在明显差异：盆地西北部雨量大值站点几乎沿着龙门山走向呈带状分布，且密集度高、梯度大；盆地西南部大值站点基本集中在雅安喇叭口地形区附近及峨眉山附近，雨量分布梯度大；盆地东北部大值站点最为分散。对比分析发现，1100~1500 m范围内雨量呈“凹”字型分布与站点的地理位置有密切关系：1100~1200 m范围内共29站，大多位于盆周雨量大值区，其中有14站雨量超过了1000 mm，最大雨量达到了1927.3 mm；1200~1400 m范围内共28站，位于雨量大值区的站点数明显减少，超过1000 mm仅9站，最大雨量为1336.8 mm；1400~1500 m范围仅11站，但是有5站雨量超过1000 mm，最大雨量为1388 mm，其中7站位于雅安，雅安有世界著名的“天漏”之称，其北侧具有特殊的喇叭口地形，雨量大，雨日多，降水量受地形影响显著。

暴雨预报是四川降雨预报的难点，由于四川地形复杂，暴雨的强度预报、落区预报会受到较大影响。图 4a为2011—2015年盆地1666站次年平均暴雨日数统计，图 4a中横坐标1是指发生暴雨数1.0~1.9 d，以此类推。如图 4a所示，随着暴雨日数增加，站点数先增加后减少，四川盆地平均每年汛期发生暴雨日数最多为3 d，超过5 d一共有180个站点，占总站数10.8%。暴雨的标准是24 h累积降雨量超过50 mm，有可能这24 h中发生降水的小时数少，但一个或几个小时的强小时雨强贡献即达到暴雨标准；也有可能小时雨量只有几毫米，但是持续时间长，最后达到暴雨标准，前者更容易造成次生灾害。为了进一步了解四川盆地的暴雨日特征，统计盆地1666站所有暴雨日中出现了短时强降水的暴雨日，并逐站求出后者占总暴雨日的百分比(后称占比)。结果如图 4b所示，随着百分比增加，站点数先增加后减少，呈正态分布，其中占比50%~60%站点最多，达到总站次50%，说明在四川盆地，大多地区一半以上暴雨日均有短时强降水发生。所有暴雨日均有短时强降水发生的情况也存在，但其总暴雨日只有1~2 d，代表性不强。

图 5为暴雨日达5 d以上及有短时强降水发生的暴雨日占比超过60%的站点分布。如图所示，暴雨日超过5 d的站点主要分布在盆地东北部，其次是盆地西南部及盆地西北部。盆地西北部80%以上站点的占比超过了60%，西南部50%左右站点的占比超过60%，而东北部只有10%左右站点的占比超过60%，说明盆地西北部、西南部沿山一带暴雨日主要有短时强降水贡献，而盆地东北部的暴雨日则是因为持续性降水造成的。根据本地预报员平时积累的预报经验，盆地东北部有呈南北走向的山脉，东移的降水系统会受其阻挡，移动缓慢，造成较大的累积降水，该地区稳定且持续的混合型降水云团也不容忽视。

图 6为短时强降水频次及雨强极值随海拔高度的变化。如图所示，两种拟合结果显示三类短时强降水频次及雨强极值均随海拔高度升高而减少。与周秋雪等(2015)得出的结论有所差异的是，在盆周山区过渡地带频次及雨强极值的波动幅度较大，呈多峰结构，最大峰值出现的海拔高度也与其得出的结论不同。这是因为盆周山区站点数显著增多，所以对该地区的降水变化特征描述也更详细。进一步分析发现，三类短时强降水及雨强极值峰值区正好对应短时强降水的三个高发地区(图略)：盆地西北部沿龙门山脉一线，盆地西南部喇叭口附近，盆地中部的遂宁虽然海拔较低，地势平坦，但也是强小时雨强多发地之一。青泉等(2015)对四川盆地内初始回波生成地及其移动演变的特点进行了研究，发现在850 hPa风和地形的相互作用下，初始回波主要在盆地周边山区边缘附近生成，根据承载层风向及回波的移动发展建立了盆地西部、北部、中部、南部的强降雨概念模型，基本能够解释为什么雨强大的站点集中出现在上述三个地区。

图 7为不同海拔对应的小时雨量及短时强降水频次日变化峰值出现时间。如图所示，两者的峰值均出现在夜间，且随着海拔高度升高而提前。在海拔较低的盆中地区，峰值出现在02—06时，到了盆周高海拔地区，峰值出现时间提前至前一日23时至01时。另外, 小时雨量及短时强降水频次谷值出现时间也随海拔升高而提前(图略)。说明地形对降水的日变化也有较为显著的影响。

汛期盆地内不同站点短时强降水的开始、结束时间及持续时间均有较大差异。统计分析发现，最早开始出现短时强降水在4月上旬，最晚结束在10月中旬。某些站点短时强降水出现时间跨度最长可达20旬，最短只有1旬。图 8为短时强降水首次出现在4—7月的站点占总站数比重(后简称占比)随海拔高度的变化。如图所示，短时强降水首次出现时间与站点海拔也有一定的关系，总体来讲，不论在哪个海拔高度，短时强降水首次出现均有可能在4、5、6这3个月。通过拟合后发现，4、5月占比随着海拔高度升高逐渐减少，6、7月占比则是随着海拔高度升高逐渐增多。说明随着海拔高度的增加，短时强降水首次出现时间有逐渐推迟的变化特征。

本文首次运用空间分辨率较高的站点小时雨量资料及海拔高度资料，对四川盆地2011—2015年4—10月雨量、雨日、小时雨强等多个降水特征与海拔高度的变化关系进行详细分析，得出以下结论：

(1) 汛期总降雨量、夜雨量及昼雨量均随着海拔高度升高先增加再减少。汛期总雨日、小雨日、中雨日随着海拔高度升高而增加，暴雨日则随着海拔高度升高而减少，且减少趋势主要发生在海拔1200 m以上地区。

(2) 暴雨日高值区主要集中在盆地西北部龙门山东侧、盆地西南部夹金山东侧和小相岭东北侧及盆地东北部大巴山南侧。进一步分析发现，盆地西北部、西南部沿山一带的暴雨日主要由短时强降水贡献，而盆地东北部的暴雨日主要是由持续性降水造成的。

(3) 三类短时强降水频次及雨强极值均随海拔高度升高而减少，其中在600~800、900~1000 m范围内最容易出现短时强降水，而900~1000 m范围内出现的雨强极值明显大于其余地区。

(4) 四川盆地复杂地形对降水的日变化也有较为显著的影响，小时雨量及短时强降水频次峰值出现时间均随着海拔高度升高而缓慢提前。进一步分析发现，短时强降水首次出现时间随海拔高度升高逐渐推迟。

本文使用的资料时间长度只有5 a，不能准确展示有些气候态的统计特征。由于盆周山区站点数较少，雨量、雨日及小时雨量等与海拔高度的变化特征分析还不够深入。另外，本文只是从统计学方面揭示了一些特征现象，而对于相关机理方面的研究较为缺乏。例如盆地西部山区的坡向及对流层低层的风向夹角与强降水的关系；盆地西南部、西北部、东北部降水量大值站点分布特征差异的原因等等。这些问题还需要进一步深入分析。