第1章 西南山地突发性暴雨的统计特征
我国西南地区地形复杂，区域内高原、山地、丘陵、盆地等多种地形交错分布(图1.1)。受到复杂地形影响，强降水事件尤其是次日尺度的突发性降水事件常给该地区带来严重的滑坡、泥石流等次生灾害(Piciullo et al.，2018；Hu et al.，2010)。因此，了解该地区这些突发性暴雨事件的特征是做好该地区强降水及其次生灾害预报预警的重要前提。为此，本书首先定义了山地突发性暴雨事件(abrupt heavy rainfall event，AHRE)的标准：①水平尺度小于200km；②3小时累计降雨量≥50mm，且3小时中至少有1小时的降雨量≥20mm；③同一降水事件内至多只有1小时降雨量＜0.1mm。
在识别突发性暴雨事件时，本书所用的降水资料是中国气象局国家气象信息中心提供的1981～2017年西南地区468个站点(图1.1中的蓝点)的小时降水数据。该套资料在生成过程中经过了严格的质量控制，质控内容包括气候学限值检验、台站极值检验和内部一致性检验等方面。目前，该套资料已成功用于中国短时强降水和极端小时降水事件特征的研究中(Zheng et al.，2016；Luo et al.，2016)。
图1.1 西南地区468个国家*地面站(黑点)的空间分布
注：阴影表示地形高度(km)。
1.1 西南山地突发性暴雨的空间分布
1981～2017年，西南地区454个站点[图1.2(a)中的彩色圆点]共录得15023个AHRE，各站*大频次为134次，出现在广西北部[图1.2(a)中的黑色五角星处]。西南山地突发性暴雨的发生频次有明显的空间差异，其中，四川盆地(SR-A)、贵州南部—广西北部(SR-B)和湖南西部(SR-C)是三个高发区[图1.2(a)]。从AHRE发生频次的统计结果来看，分析区域内发生频次中位数为32次，有95%的站点在分析时段内共记录了6～78次。相比于SR-A和SR-C，SR-B内发生频次的中位数*大(61次)，几乎是整个西南地区的两倍，表明该区域*易发生山地突发性暴雨[图1.2(b)]。
图1.2 各站AHRE发生频次的空间分布(a)和西南地区3个高频子区域(SR-A、SR-B和SR-C)内AHRE发生频次的盒须图(b)
注：(a)中彩色圆点表示在分析期间发生AHRE的站点，灰色圆点表示在分析期间没有发生AHRE的站点，黑色五角星表示AHRE发生频次*大的站点。区域A、B和C表示3个AHRE高频子区域，灰色阴影表示地形。(b)中横线和星号分别表示发生频次的中位数和平均值，底部和顶部的水平线分别表示第5和第95百分位数，盒须图的分析不包括没有发生AHRE的站点。
山地突发性暴雨事件的强降水区域(＞100mm)呈带状分布，出现在四川盆地北部到湖南西部。此外，四川盆地西部边界和广西东北部的一些站点也具有较高的平均降雨量。相比之下，分析区域内西南和东北角AHRE具有较低的平均降雨量(＜80mm)。在3个高发子区域内，SR-B的降雨量*少，但其AHRE发生频次较高(图1.2)；相比之下，尽管SR-C中AHRE发生频次*低(图1.2)，但其降雨量*大；对SR-A而言，该地区西南部(东北部)AHRE的平均降雨量较低(较高)，但发生频次较高(较低)。对于西南山地突发性暴雨，平均降雨量的空间分布与平均持续时间的空间分布相似，但与平均强度的空间分布截然相反，这说明西南地区山地突发性暴雨的降雨量主要由事件持续时间决定。具体来说，SR-C和SR-A东北部站点的AHRE平均降雨量大，且平均持续时间长(11～15h)，但是平均强度小(6～7mm h?1)。相反，SR-B和SR-A西南部站点的平均降雨量较小，平均持续时间也短(9～11h)，但是平均强度大(7～8mm h?1)。各站点*大降水强度的空间分布与平均强度的分布类似。持续时间较长的事件往往具有较低的平均强度和*大强度，而持续时间较短的事件则容易具有较高的平均强度和*大强度。这种现象的出现可能与水汽输送造成水汽汇集和降水导致水汽流失这两个过程之间的平衡有关。对某一个降水事件而言，较高的降水强度会造成较严重的水汽流失，若水汽输送带来的水汽汇集无法弥补上述流失，就会打破这种平衡，使该事件结束，事件持续时间缩短。对于西南地区，在SR-B和SR-A的西南部容易出现较强的上升运动，可造成较大的降水强度，因此这些区域内的降水事件持续时间较短；而SR-C和SR-A东北部地区的上升运动较弱，导致降水强度也相对较弱，使得这些区域内AHRE的持续时间相对较长。而这种上升运动速度的差异可能与西南地区的地形分布有关，SR-B和SR-A的西南部分的地形坡度较大，更有利于上升运动的发生。
1.2 西南山地突发性暴雨的月变化
对AHRE发生频次的季节变化分析表明，AHRE大部分(约86.8%)出现在暖季(5～8月)，从4月开始增加，在7月达到峰值，然后开始降低，但峰值月存在区域差异，SR-A的峰值出现在盛夏，SR-B和SR-C的峰值出现在初夏(图1.3)。3个高发子区域内，AHRE发生频次峰值出现的月份不同，这种差异与东亚夏季季风的建立、推进和撤退有关(Ding and Chan，2005；Ding，2007；Zhou et al.，2009)。具体来说，SR-B内AHRE发生频次从4月开始迅速增加，在6月达到峰值，这与我国第一个季风雨季华南前汛期的降水变化特征吻合(Luo et al.，2017)。随着东亚夏季风的第一次推进，季风雨带在6月中旬至7月初北跳至长江流域，造成SR-C地区AHRE发生频次的峰值，相对地，SR-B的AHRE发生频次在7月后急剧下降。此后，随着东亚夏季风的第二次北跳，季风雨带在7月底至8月初转向华北，使得SR-C内AHRE发生频次在8月明显减少。就SR-A而言，其AHRE发生频次在7月明显增加，这也与东亚夏季风的推进有关。但该地区降水除了受东亚夏季风影响外，还受高原季风的影响。高原季风通常在7～8月达到鼎盛(Tao and Ding，1981；Ding，2007)，使得该地区AHRE在8月仍然维持较高的发生频次。
图1.3 西南地区(黑色折线)和3个AHRE高频子区域(彩色柱状)内AHRE发生相对频率(即占总发生频次的比例)的月变化
从山地突发性暴雨的平均降雨量、平均强度和平均持续时间(图1.4)的月变化特征可知，与发生频次不同，西南地区AHRE的平均降雨量和平均持续时间除了7月的主峰值以外，还在9月存在一个次峰值。该降雨量次峰值与9～10月的华西秋雨有关。该时段内的山地突发性暴雨通常具有较长的持续时间[图1.4(e)]，这也与华西秋雨期间多连续阴雨天的特点一致(Zhang F L et al.，2019)。此外，在季节尺度上，我们也发现AHRE平均雨强的变化与平均降雨量和平均持续时间的变化之间存在负相关，这再次说明西南地区AHRE降雨量的变化主要由其持续时间决定。
图1.4 4～9月西南地区、SR-A、SR-B和SR-C地区AHRE的平均降雨量(a)(b)、平均雨强(c)(d)和平均持续时间(e)(f)的盒须图
注：每个方框中的横线和点分别表示对应分析量的中位数和平均值，底部和顶部的水平线分别表示第10和第90百分位数。
1.3 西南山地突发性暴雨的日变化
本节计算了AHRE开始时间和AHRE*大小时降雨量出现时间的日变化特征(图1.5)。总的来说，西南地区AHRE*倾向于在午夜前后的时段{即2100～0300 LST[2100即21:00，0300即03:00，LST为当地标准时间(local standard time)，后同]，图1.5(b)中黑线}开始出现，而在上午至午后时段(0900～1500 LST)开始出现的可能性*小。*大小时降雨量*常出现在0000～0300 LST时段[图1.5(c)]，比AHRE开始时间平均推迟了约3.4小时。这种日变化特征与低空急流(low level jet，LLJ)的日变化特征密切相关。LLJ通常在夜间*强，可增强该地区夜间的大气不稳定性和风垂直切变，有利于AHRE的发生。此外，AHRE发生频次的日变化特征还呈现出明显的区域差异。就AHRE开始出现时间而言，SR-A和SR-B内AHRE倾向于在午夜前三小时[2100～0000 LST；图1.5(b)]开始出现；相比之下，SR-C的内AHRE在1800～0300 LST[图1.5(b)]都容易出现，其倾向性不如SR-A和SR-B明显[图1.5(a)]。此外，这3个高频子区域内AHRE*大小时降雨量出现的时间也不同，SR-C内AHRE的*大小时降雨多在清晨(0300～0600 LST)出现，比SR-A和SR-B内AHRE的*大小时降雨出现时间滞后约3小时[图1.5(c)]。
图1.5 各站AHRE*容易开始出现的时间(LST)(a)、AHRE开始出现时间(b)和*大小时降雨量出现时间的日变化情况(c)
注：(a)中彩色箭头代表AHRE*容易开始出现的时间，黑点代表各站AHRE的总发生频次，A、B、C区是图1.2(a)中标记的3个AHRE高频子区域。灰度阴影表示地形。(b)和(c)中的黑线和蓝、红、绿三色柱分别代表西南地区和高频子区域A、B、C内AHRE发生相对频率的变化
SR-C和SR-A、SR-B区域内AHRE发生频次日变化特征的这些差异主要与两个机制有关。机制一是高原、山地和平原之间的热力差异造成的大气环流日变化特征(Bao et al.，2011；Jin et al.，2012)。SR-A和SR-B内AHRE的发生与高原及其附近地区之间的热力差异密切相关。在夜间，青藏高原和云贵高原比这两个子区域更冷，导致下坡风在高原东坡发展并在SR-A和SR-B上空辐合，造成这两个子区域的夜间降雨量出现峰值。在白天，热力环流逆转，使得SR-A和SR-B的降雨被抑制。类似地，由云贵高原、武陵山脉和SR-C之间热力差异造成的大气环流可以使SR-C内一些站点的降雨量在夜间达到峰值。但是，SR-C的降雨还受到SR-C内部高地及其东部平原形成的其他热力环流的影响，使SR-C内一些站点的降雨量峰值出现在傍晚。因此，SR-C内AHRE发生峰值的时间跨度比SR-A和SR-B长。另一个机制是对流的传播(Wang et al.，2004；Chen et al.，2013；Qian et al.，2015)，下午和傍晚在青藏高原和云贵高原上空形成的对流系统向东或东南移动，在午夜到达SR-A和SR-B，使得这两个地区的降雨量在0000～0300 LST达到峰值。随着对流系统在清晨进一步向东移动至SR-C，SR-C的降雨量峰值出现在0300～0600 LST。
以往的研究表明，降雨的日变化特征与降雨事件的持续时间密切相关(Yu et al.，2007；Li，2017)。为了进一步研究西南地区AHRE发生频次的日变化特征与其持续时间的关系，我们根据其持续时间，将所有AHRE分为6类。图1.6给出了持续时间分别为1～3h、3~6h、6～12h、12～24h、24～48h和＞48h的AHRE相比于所有AHRE的相对发生频次。总的来说，超过90%的AHRE都是日内尺度的降水事件，其持续时间都不到24h，其中，46.78%的AHRE持续时间在6～12h。图1.7(a)给出了不同持续时间AHRE开始时间的日变化特征。持续时间较短的AHRE(1～3h)通常发生在下午(1500～1800 LST)，而持续时间较长的AHRE(＞6h)*容易发生在午夜(2100～0000 LST)。另一方面，下午开始的AHRE持续时间的10分位数和90分位数均明显低于午夜开始的AHRE的持续时间[图1.7(b)]，这与前人对青藏高原降水事件的研究结果相似(Li，2017)。这种差异可能与造成不同持续时间AH
