摘要: 利用雷公山北坡不同海拔高度上的3个梯度气象观测站及雷公山山顶国家无人值守站2018年7月1日~2021年6月30日的逐月气温、降水资料，分析了雷公山气温、降水的演变特征。结果表明：雷公山山顶年最高气温为35.7℃，年最低气温为−7.1℃，山顶年平均气温为10.6℃，从山底到山顶随着海拔高度的增加年平均气温以−0.48℃/100 m趋势下降；从山底到山顶，不同历时暴雨频次总体随着海拔高度的增加呈上升趋势，又以山顶7月份1 h发生的暴雨频次最多，整体走势呈单峰形，且振幅明显；随着全球气候变暖的趋势，水资源匮乏的大背景下，短历时强降水呈增多趋势，最大小时雨强出现在山顶，为62.8 mm/h，出现在午后15时；而整个雷公山北坡一日当中有3个降水峰值时段，分别为清晨01~02时、白天10~15时和夜间21~22时，其中又以清晨01~02时表现最为突出。
Abstract: Based on the monthly temperature and precipitation data of three gradient meteorological observation stations at different altitudes on the northern slope of Leigong Mountain and the national unattended station at the top of Leigong Mountain from July 1, 2019 to June 30, 2020, the evolution characteristics of temperature and precipitation in Leigong Mountain are analyzed. The results show that the annual maximum temperature is 35.7˚C, the annual minimum temperature is −7.1˚C, and the annual average temperature is 10.6˚C. With the increase of altitude from the bottom of the mountain to the top of the mountain, the annual average temperature decreases with −0.48 ˚C/100 M; From the bottom of the mountain to the top of the mountain, the frequency of Rainstorm in different durations generally increased with the increase of altitude, and the rainstorm frequency occurred in 1 hour of July on the top of the mountain was the most, and the overall trend was single peak, and the amplitude was obvious; with the trend of global warming and the background of water shortage, the short duration heavy rainfall showed an increasing trend, and the maximum hourly rainfall intensity appeared at the top of the mountain, 8 mm/h, which appeared at 15:00 p.m., while there were three peak periods of precipitation on the northern slope of Leigong Mountain in a day, which were 01~02 a.m., 10~15 a.m. and 21~22 p.m., among which the most prominent was at 01~02 a.m.
1. 引言
近年来全球气候变暖现象引发了社会各界的广泛关注，同时全球变暖也使得人们对极端事件的变化特征变得敏感起来。IPCC第四次报告指出，近百年来全球地表气温的线性变化趋势为0.74℃，为近千年来气温增长幅度最大的一时段。极端气候事件的频率和强度将有可能随着地表温度的上升而增加。极端气候事件干旱、暴雨、大风、低温凝冻、高温等频繁发生和加剧，已经成为当今社会和科学界愈来愈关注的焦点。长期以来，气象学者从多方面对暴雨气候特征进行了研究，而针对短历时强降水研究较少，这主要是基础资料不完善。随着气象探测手段的提高及历时降水资料信息化处理工作的开展，可获得更长序列的短历时降水资料，为开展短历时降水的研究奠定了基础。彭芳[1]等分别定义贵州各站点的小时降水量的强降水阈值。张玉琴[2]等人研究表明短时强降水过程具有非常强的局地性，单站过程高达80%，且雨强越大局地性越强。李明华[3]等人研究表明强降水较多，但时空分布不均匀，强降水90%以上出现在汛期，全球变暖背景下强降水日呈增多趋势。林新彬等[4]研究前汛期短历时强降水统计特征，表明在不同环境下短历时强降水的不同特征。
雷山地处云贵高原湘，桂丘陵盆地过渡的斜坡地带，地势东北高，西南低，境内山峦起伏，河谷纵深，地形破碎，切割深厚，河流下切冲刷强烈，地形复杂。雷公山复式背斜组成区域构造的主体，由若干次级背斜及向斜组成，自东向西有迪气背斜、雷公坪向斜及新寨背斜等。雷公山地形高耸，山势脉络清晰，地势西北高、东南低，主山脊自东北向西南呈“S”形状延伸，主峰海拔2178.8米，主脊带山峰一般大于1800米，两侧山岭海拔一般小于1500米。位于雷公山东侧的小丹江谷地海拔650米，是本区最低的地带。该区河流强烈切割，地形高差一般大于1000米。雷公山脉长江水系与珠江水系分水岭。境内地形地貌复杂，地层岩性抗风化能力弱，岩石结构破碎疏松，降水量充沛，根据贵州省地质灾害调查与区划实施细则[1]划分，雷山县为地质灾害高发区，每年受季风和冷暖气流的影响，易发暴雨、干旱等气象灾害。因此摸清雷公山整个梯度观测气温和降水的特征，有针对性地做好气象服务，为防灾减灾、提前有效应对灾害天气具有重要意义。
2. 资料来源与处理方法
2.1. 资料来源
本文统计气温、降水变化特征，采用雷公山梯度气象观测系统2018年7月1日~2021年6月30日4个代表观测站经质量控制的逐日气温、降水资料。雷公山自东北向西南呈“S”形状延伸，梯度气象观测系统主要分布在雷公山北坡，具体选择了数据较少缺测、质量较好的3个梯度观测站，分别为黄里、排里、雀鸟，海拔高度分别为黄里897 m、排里1368 m、雀鸟1430 m，以及雷公山国家无人值守站海拔2129 m (以下简称雷公山)。其中3个梯度观测的气象观测记录始于2018年11月，而雷公山的观测记录稍长。为了保证所用资料的准确性和完整性，4个站的气温、降水资料的时段统一为2018年7月1日~2021年6月30日，各站资料均通过缺测处理、异常值检测等方法进行了质量控制，从而保证了得到雷公山梯度的气温、降水资料是可靠的。资料由雷山县气象台提供。
2.2. 研究及方法
2.2.1. 线性趋势法
采用线性趋势法，为了解气象要素 长期趋势变化，计算时间序列
与自然数数列
(1, 2, …, n)之间的相关系数，称为趋势系数[7]，即：
(i = 1, 2, …,n) (1)
2.2.2. 暴雨标准
暴雨标准采用气象部门的规定，即暴雨为24 h雨量大于50 mm，大暴雨大于等于100 mm。对于某一时段如1~2 h或者更短时间内暴雨标准，本文采用G. 伍索夫(Wussow)提出的各历时的暴雨的临界值r (t)来定义。公式如下：
r (t) =
(2)
当一定降水历时t (单位：min)内的降水R ≥ r (t)时称为暴雨。由于数据有限，暴雨仅仅研究1 h ≥ 17.3 mm的暴雨降水或12 h ≥ 30 mm及24 h ≥ 50 mm的暴雨降水量。如对1 h降水，将逐分钟的降水量计算60 min的合计值，如达到暴雨标准，则记录一个频次。
3. 气温、降水变化特征
3.1. 气温年变化特征
从图1分析得出，年平均气温最高的为海拔最低897 m的黄里站，年平均气温为15.7℃，而年平均最低的为海拔最高的2129 m山顶雷公山站，年平均气温仅为10.6℃，从山底到山顶随着海拔高度的增加年平均气温以−0.48℃/100 m趋势下降。从年最高最低气温分析，不难得出，山底黄里站年最高气温为2019年8月13日36.2℃，年最低气温为2019年12月8日−3.2℃。山腰雀鸟站年最高气温为2019年7月16日38.1℃，年最低气温为2020年1月27日−4.1℃。而山顶雷公山年最高气温为2019年7月10日35.7℃，年最低气温为2021年1月27日的−8.1℃。
Figure 1. Average annual temperature at Leigongshan Gradient Station (Unit: ˚C)
图1. 雷公山梯度站年平均气温(单位：℃)
从图1不难看出，整个雷公山梯度气象观测系统的气温分布，年最高气温出现在山腰，而山底和山顶呈两头低的态势。年最低气温出现在山顶，并随着海拔高度的增加，气温呈走低的趋势。
3.2. 月变化特征
为了研究方便，对雷公山梯度气象观测系统1~12月份各月的平均气温分别进行统计分析，见表1。
从表1不难看出，雷公山北坡的月平均气温最高出现在8月份，为20.9℃，7月次之，月平均气温最低出现在1月份，为4.4℃，12月次之，整体走势呈单峰形。
Table 1. Average monthly temperature in Leigongshan Gradient Station from January to December (Unit: ˚C)
表1. 雷公山梯度站1~12月份月平均气温(单位：℃)
站点 |
1月 |
2月 |
3月 |
4月 |
5月 |
6月 |
7月 |
8月 |
9月 |
10月 |
11月 |
12月 |
黄里 |
6.0 |
10.2 |
14.3 |
15.4 |
20.2 |
22.3 |
23.4 |
23.4 |
20.0 |
16.4 |
11.1 |
6.1 |
排里 |
4.4 |
8.6 |
12.0 |
14.4 |
18.3 |
21.4 |
21.3 |
22.4 |
19.8 |
15.3 |
9.9 |
6.5 |
雀鸟 |
3.8 |
6.7 |
9.6 |
11.2 |
17.2 |
19.7 |
20.3 |
21.4 |
18.5 |
14.2 |
8.9 |
5.4 |
雷公
山 |
3.6 |
4.3 |
7.7 |
10.8 |
14.1 |
17.5 |
17.1 |
17.2 |
14.3 |
11.3 |
6.9 |
3.3 |
平均 |
4.4 |
7.1 |
10.7 |
13.1 |
17.3 |
20.0 |
20.4 |
20.9 |
18.0 |
14.2 |
9.2 |
5.3 |
从各站点来分析，山坡黄里站月平均气温最高出现在7和8月份，为23.4℃，月平均气温最低出现在1月份，为6.0℃，呈单峰形。山腰排里、雀鸟月平均气温最高都出现在8月份，月平均气温最低均出现在1月份。而山顶雷公山月平均气温最高出现在6月份，为17.5℃、8月份次之，为17.2℃，呈双峰形。
3.3. 雷公山梯度站暴雨频次月分布特征
图1为4个代表站不同历时暴雨的月频次分布特征，分析可知，其雷公山梯度站，各历时暴雨主要其中在发生在5~9月，以7月份发生的频次最多，6月次之，其余月份发生较少，峰值在7月；各历时降水大多数为系统降水，这与夏季暖湿气流旺盛，对流性天气相对多发，易引起强降水有关。7月份各历时月频次总共为24次，其次6月份各历时月频次总共为23次，占全年的一半以上。
Figure 2. Monthly frequency of heavy rain in different duration at four stations: Huangli (a), Paili (b), Queniao (c) and Leigong Mountain (d)
图2. 黄里(a)、排里(b)、雀鸟(c)、雷公山(d) 4个站点不同历时暴雨月频次
同样为了研究方便，把雷公山梯度观测系统分为山底、山腰、山顶来分析。见雷公山山底黄里站(图2(a))各历时暴雨曲线呈双峰型，不难看出各历时强降水主要集中在5~8月，峰值在5月和8月，次峰在6月。其中又以1 h短时强降水发生的频次最多，共13次，12 h强降水发生的频次次之，为5次。山腰的发生各历时(见图2(b) (c))暴雨曲线呈单峰型，曲线相对平滑，振幅不是很明显，各历时暴雨主要集中在5~10月，峰值在6月。而山顶暴雨的各历时月频次分布特征，(见图2(e))不难分析得出，主要为1 h和12 h分布最多。而1 h的短时强降水又以7月份的4次最多，6月和8月次之，振幅很明显，呈单峰形。这与黔东南雷公山的特殊地理条件西高南低立体垂直差异导致，同时与黄艳等人研究的结果表明黔东南的暴雨中心是雷公山是相吻合的[5]。这说明，近几年，随着全球气候变暖的趋势，水资源匮乏的大背景下，短历时强降水呈增多趋势。
3.4. 雷公山梯度站暴雨频次日变化特征
雷公山总体走势呈西高南低，立体垂直分明，由于特殊的地理条件差异导致，历史降水观测资料统计显示，雷公山是黔东南的暴雨中心[6]。
从逐时最大雨强变化(见图3)，不难看出，最大小时雨强出现在山顶雷公山站，为62.8 mm/h，出现时间为午后15时。一日当中有3个降水峰值时段，分别为清晨01~02时、白天10~15时和夜间21~22时，清晨雨量峰值主要由该时段降水频次较高所致，以01~02时段表现最为突出。而白天与夜间雨量峰值主要与该时段降水强度较大有关。从整体来分析，山顶雷公山站与山底黄里站降水量差异主要体现在白天10~15时和夜间21~22时。山腰排里站和雀鸟站短时强降水表现得较为分散。
Figure 3. Hourly maximum rainfall changes of Leigong Mountain gradient observation system (Unit: mm)
图3. 雷公山梯度观测系统逐时最大降雨量变化(单位：mm)
4. 结论与讨论
(1) 雷公山山顶年最高气温为35.7℃，年最低气温为−8.1℃，山顶年平均气温为10.6℃，从山底到山顶随着海拔高度的增加年平均气温以−0.48℃/100 m趋势下降。
(2) 从山底到山顶，不同历时暴雨频次总体随着海拔高度的增加呈上升趋势，又以山顶7月份1 h发生的暴雨频次最多，整体走势呈单峰形，且振幅明显。
(3) 随着全球气候变暖的趋势，水资源匮乏的大背景下，短历时强降水呈增多趋势，最大小时雨强出现在山顶，为62.8 mm/h，出现在午后15时，而整个雷公山北坡一日当中有3个降水峰值时段，分别为清晨01~02时、白天10~15时和夜间21~22时，其中又以清晨01~02时表现最为突出。由于气象资料使用的年限有限，本文采用统计的方法，对其雷公山北坡的气温和降水进行了统计分析，对科学合理利用雷公山气候资源，统一调度有一定的实用价值。