引言

短时强降水是指短时间内产生的降水强度较大的降水，中央气象台定义为1 h雨量达20 mm或3 h雨量达50 mm的降水事件。短时强降水属于强对流天气类型的一种，是目前业务预报的重点与难点(段鹤等，2014；高洁和漆梁波，2015)，由于突发性强、历时短、易造成洪涝灾害而备受关注，如2017年广州“5·7”极端降水事件，部分站点出现小时雨量184.4 mm，3 h雨量超过380 mm，短时强降水持续时间最长达9 h，造成严重城市内涝，并引起了广泛的社会关注(田付友等，2018；伍志方等，2018；傅佩玲等，2018)。

从气候角度对中国降水日变化特征以及降水持续时长等的统计研究已有不少成果(李建等，2008；Zhou et al，2008；宇如聪等，2014)，而短时强降水的日变化具有明显的区域性差异，如四川盆地多发于00—04时(北京时，下同)(陈贝等，2016)，西北地区东部主要集中在22时至次日01时(白晓平，2014)，冷涡背景下的华北、东北等地的短时强降水则多发于午后至傍晚(何晗等，2015)。整体而言，我国南方短时强降水日变化表现出双峰特征，即早晨、午后到傍晚各有一个峰值。短时强降水空间具有很强的区域性特征，总的来看短时强降水高发区多为山前迎风坡、向风敞开的狭窄河谷或“喇叭口”处(韩宁和苗春生，2012；王国荣和王令，2013；陈炯等，2013)。不同强度的短时强降水的发生频率差异较大，但气候统计表明我国中东部地区≥50 mm·h^-1的短时强降水重现期一般为5 a左右，发生频率较低(Zhang and Zhai, 2011；李建等，2013；Chen et al，2013；Zheng et al，2016)，可归类为极端强对流天气(Doswell Ⅲ，2001；俞小鼎等，2012)。由于短时强降水一般由中小尺度对流系统直接造成的，所以具有短时强降水的小时雨强越大、出现概率越低、持续时间也越短的普遍特征(郑永光等，2017)。

短时强降水是暖季多发的强对流天气，但由于地域差异，不同地区的短时强降水在时空分布、日变化特征及持续时长等会有很大的差异，已有的关于短时强降水的研究多针对某个区域或全国整体，利用区域自动站对江西地区的短时强降水的研究相对较少。江西地处我国江南地区，河湖丘陵密布，地形复杂，暖季短时强降水频发，有必要针对江西地区的短时强降水开展统计分析，并希望从其时空分布特征初步探讨短时强降水与地形、湖泊的关系，以期为江西地区的短时强降水预报预警提供参考。

1 资料与方法

本文统计时空分布及日变化特征采用国家气象信息中心2010—2016年5—9月江西省91个国家级自动站和1506个区域自动站(图 1a)的逐日、逐小时、经过质量控制的降水资料。图 1b给出了江西省地形图，可见江西整体地势外高内低，四周多为低山丘陵，山间分布有许多狭窄河谷，如东西走向的信江河谷，东北—西南向的昌江河谷，乐安河谷与锦江河谷，分别对应图 1b中红色、黄色、黑色、蓝色方框；中间则以鄱阳湖平原为中心的盆地，海拔较低，地形比较复杂；行政区域，全省共有11个市，分别为：赣北(九江、景德镇、上饶、鹰潭、南昌、宜春市)、赣中(萍乡、新余、抚州、吉安市)、赣南(赣州市)，可以看出市界多以山脉来划分。

对短时强降水的定义采用中央气象台的标准，即≥20 mm·h^-1的降水归为短时强降水。查阅历史资料发现江西未出现过150 mm·h^-1的短时强降水，故对所用资料中≥150 mm·h^-1的站点予以剔除，然后再对短时强降水进行经验正交函数(Empirical Orthogonal Function，EOF)、旋转主成分分析(Empirical Orthogonal Function，REOF)分析，并通过REOF对江西进行分区，一般将每个模态的高载区域划分为一个区域，同一模态中符号一致的区域，表示这些区域气候变量变化一致，以便在气候变化相似的区域下研究时间变化。统计过程中，1个观测站1小时出现1次短时强降水就记为1个个例(频次记为1)，连续2小时均有短时强降水，则记为2个个例(频次为2)，依次类推；时间上规定5日为1候。由于日降水资料仅有国家站数据，故短时强降水对暴雨贡献率仅研究国家站情况。

2 空间分布特征 2.1 EOF与REOF分析

EOF可以用少数几个新变量序列反映原多个变量的变化信息，基本原理是p个空间点的场随时间变化进行分解。REOF是在EOF基础上再做旋转，可以反映出区域性相关结构，克服EOF应用中这一缺陷(吴洪宝和吴蕾，2010)。

通过对江西2010—2016年暖季逐月短时强降水总雨量采用距平处理后，再进行EOF分析，取前4个主成分，结果见表 1。第一主成分方差贡献率达57.3%，后几个依次递减，特征值也有同样变化，前4个方差贡献率已占100%。模态1全区基本为正，说明江西短时强降水总雨量变化是一致的，具体指某月短时强降水雨量普遍偏多或者偏少的现象；模态2分布有南北反向变化特征，表明江西南北部短时强降水具有南多(少)北少(多)的特点；模态3主要反映出江西南北部与鄱阳湖平原相反特征，江西短时强降水具有南北多(少)鄱阳湖平原少(多)的特点。

通过EOF分析可知江西短时强降水总雨量具有全区一致多(少)雨的现象，也存在南北、鄱阳湖平原之间的差异。为了进一步揭示江西短时强降水区域性特征，对前4个主成分进行正交旋转(结果如表 1)，REOF的4个模态方差贡献率也是逐渐减小。图 2为REOF前4个模态空间分布，REOF1的高载荷区主要分布在赣北南部(图 2a)，REOF2的高载荷区主要分布在抚州市及赣州中南部(图 2b)，REOF3的高载荷区主要分布于赣北北部(图 2c)，REOF4的高载荷区主要分布于赣南的南部、北部以及吉安市西南侧(图 2d)。从江西省1960—2007年3—9月短时强降水天气频次分布图(图 2f)来看，与采用REOF分区结果大致相同，尤其是赣州市南北部(Ⅳ区)与中部短时强降水频次呈反向差异，赣州市中部与抚州市(Ⅱ区)短时强降水频次差异不大。蓝、红色圈与REOF的第2、4个模态吻合，表现出该地区气候变量变化一致。因此，根据前4个模态的高载荷分布(等值线绝对值≥0.6)，将江西划分为5个短时强降水区域(图 2e)：Ⅰ区共679个站，含国家站35个；Ⅱ区共269个站，含国家站16个；Ⅲ区共183个站，含国家站12个；Ⅳ区共235个站，含国家站11个；Ⅴ区共183个站，含国家站17个。结合江西行政区域划分，将Ⅳ区归为江西南部，Ⅱ、Ⅴ区归为江西中部区域，Ⅰ、Ⅲ区归为江西北部。

2.2 短时强降水空间分布

2010—2016年短时强降水发生频次的统计结果表明，江西全省短时强降水的年均频次为4.9次，分析发现高频区(＞8次/a)主要分布在山地与河谷附近，分别为湘赣交界罗霄山脉东侧、武夷山脉西侧、昌江河谷、乐安河谷和信江河谷附近(图 3a)。具体而言，河谷附近的短时强降水频次以昌江河谷最多，年均高达16.9次/a(图 3a红色圈处)，其次是乐安河谷(15.1次/a，图 3a黑色方框处)，信江河谷(13.4次/a，图 3a红色方框处)，山地附近的短时强降水则以罗霄山东侧最突出，年均有12.6次(图 3a红色三角处)。

从不同强度的短时强降水来看，20~30 mm·h^-1等级的短时强降水发生频次占到总频次的70%左右(图略)，其高频中心(图 3b)与总频次的高频区分布类似，极大值中心同样位于昌江河谷，年均达11.4次。IPCC报告以气候均值日降水资料排序第95%位为阈值，该阈值以上为极端降水(高涛和谢立安，2014)，因此，≥50 mm·h^-1可定为极端短时强降水。短时间内急促而强烈的降水则更容易引发灾害，可以引发暴洪事件或严重的城市内涝(Doswell Ⅲ et al，1996；伍志方等，2018)。统计发现，≥50 mm·h^-1等级的短时强降水频次仅占总频次的4%左右，两个高频中心(图 3c)分别位于上饶市东北部山区(3.7次/a)及九岭山南侧的锦江河谷(3.3次/a)，前者为山地，后者为河谷，但与一般短时强降水(20~30 mm·h^-1)高频中心并不重叠，因此在相同的天气尺度系统影响下，极端短时强降水(≥50 mm·h^-1)的高频中心的形成可能与锦江河谷敞开方向、地形结构及上饶市东北部山地丘陵的局地地形有关。

大量研究表明，除了地形因素外，短时强降水的空间分布还与闪电活动、雷暴分布、中尺度对流系统活跃区等密切相关(马明等，2004；中国气象局，2007；郑永光等，2008)。可见，影响短时强降水空间分布的因素非常多，很难单从某个因素去解释这些高频区的成因，要深入探究其形成原因需要通过数值模拟进行更为细致的分析。

3 时间变化特征 3.1 候变化

从图 4来看，各区变化比较一致。降水高频次分别出现在5月第3候、6月第4候、7月第3~4候、8月第2~3候。其中6月第4候频次最高，2010—2016年暖季短时强降水频次共4320次(指全省所有测站在6月第4候出现的频次)。这主要与东亚季风的活动以及江淮梅雨季有关。

东亚夏季风一般在5月中旬建立，江西受夏季风的影响，各区短时强降水频次在5月第3候前基本都有明显的增加。5月第3候后北方冷空气回退(朱乾根等，2007)，短时强降水频次呈下降趋势，江西北部(Ⅰ、Ⅲ区)在5月第6候前下降最为明显。由俞亚勋等(2013)对副热带高压(以下简称副高)与东亚季风雨带联系的气候统计来看，平均入出梅时间为6月17日至7月10日。陈旭和李栋梁(2016)采用新标准下对江淮近53年梅雨特征进行分析，得出多年平均入出梅时间是6月8日至7月20日。江西6月中旬正是入梅时期，此时副高第一次北跳，东亚夏季风北移至长江流域，造成长江中下游地区大范围降水(俞亚勋等，2013)。图 4也显示各区在6月中旬短时强降水频次基本达到整个暖季最高峰，尤其是Ⅰ区最为明显。到了7月第3~4候有又一个小高峰，正常情况下，7月中旬接近出梅，此时副高位置较入梅偏北，其频次普遍低于6月中旬。但是Ⅰ、Ⅲ区7月第3候频次大于同时期其他三个区域，而此时雨带主要位于江淮地区，江西北部多以副高边缘的暖区降水为主(陈玥等，2016)，当冷空气较强时与西南低空急流相配合能给江西北部(Ⅰ、Ⅲ区)带来降水(王文东，2010；唐健和代刊，2014)。

平均而言，7月第4候开始出梅，全省各区短时强降水频次都有所降低。到8月第2~3候，短时强降水又出现一极大值，此时副高再次北抬，雨带进入华北，江淮地区盛行副高南侧的偏东气流，副高边缘常出现暖区降水(陈玥等，2016)。此时也是台风季节，由热带天气系统也可以带来降水天气，同时华南也处于后汛期(朱乾根等，2007)，也会给江西南部带来降水天气。从8月下旬开始，由于季风迅速南退(陈隆勋等，1991)，副高南撤西伸并滞留在台湾海峡西北侧(俞亚勋等，2013)，导致降水大幅度减少。

3.2 日变化

从5个区域短时强降水日变化特征(图 5a)来看。除Ⅳ、Ⅴ区具有单峰型特征外，其他(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区)为双峰型特征。17时左右有一高峰，主要以午后热对流所致(陈炯等，2013)；上午峰值在09时附近，早上的高峰多与低空急流的加强有关(郑永光等，2010)，下午峰值高于上午峰值。对比Ⅱ、Ⅴ区可知，东西部的整体日变化差异并不明显，但是13—17时，西部(Ⅴ区)午后日变化比东部更活跃(Ⅱ区)。

从各区逐候日变化分布来看(图 5b~5f)，7月第4候之后，各区短时强降水基本出现在下午或晚上，16—18时频次较高，可能是长江中游地区白天低层大气稳定度降低和对流有效位能增大，有利于傍晚热对流的发展(赵玉春等，2012)。Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ区的短时强降水多集中在5—6月，6月第4候09时频次较高，可能由于季风日变化在“白天蓄能—夜间释放”机制中的贡献作用，即季风夜间加速可激发长江流域早晨强降水(Chen et al，2017)。Ⅲ区短时强降水主要集中在6—7月，高频次在7月第3候17时，该区位于江西最北端，主要影响系统有高空槽、低涡、切变线、低空急流、副高(王文东，2010；林玉成等，2013；唐健和代刊，2014；沈晓琳等，2015；权婉晴和何立富，2016)。到了8月，短时强降水具有明显纬向特征，其频次呈“南多北少”，南部(Ⅳ区)短时强降水在8月第2~3候较多，可能是由台风及外围显著的偏东风、东风波等造成的(杨舒楠和何立富，2013)。

4 短时强降水对暴雨贡献率

短时强降水与暴雨有一定的区别，在时间尺度上前者侧重降水强度，后者侧重累计降水(孙继松，2017)。一次暴雨过程不一定会出现短时强降水，但是持续性或间歇性的短时强降水能形成暴雨甚至特大暴雨。

从暖季短时强降水总雨量及暴雨分布(图 6)来看，两者有些类似，总体来看暖季暴雨呈现出由西南向东北递增，雨带较集中，而短时强降水总雨量分布较为零散。暴雨和短时强降水主要集中在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区，全省短时强降水对暴雨贡献率基本在40%以上(图 6a)，最高在景德镇市昌江河谷，达81%。Ⅰ、Ⅱ区平均贡献率分别为49.8%、48.5%，说明其暴雨天气过程将近一半是由短时强降水贡献的。同时整个暖季的暴雨基本分布在这两个区域内，暴雨占暖季总雨量的40%左右(图 6b中等值线)。结合图 1的地形高度可知，山地、河谷及湖泊附近的暴雨或者短时强降水雨量普遍要比其他非区域贡献大，地形对短时强降水有一定作用。

从短时强降水与暴雨的总雨量来看(图 6)，信江河谷是暴雨雨量中心(Ⅰ区东部)，但并不是短时强降水雨量中心，表明暴雨一般是由大尺度层状降水造成，降水强度较弱，但持续时间较长，累积到较大的降水量，可能与信江河谷的地形有关，信江河谷呈东西向狭长分布，有利于暖湿空气在河谷内汇合堆积，从而产生持续较长时间的降水，但河谷较深，两侧多为低矮丘陵，地形对气流的抬升力并不强，难以激发出中小尺度对流产生短时强降水。关于信江河谷的暴雨多发、但短时强降水频次较低的原因，日后考虑通过更多典型个例做深入分析。但是景德镇市昌江河谷(Ⅲ区)与武夷山西麓(Ⅱ区)既是暴雨中心也是短时强降水中心，表明这两地区的降水大多以中小尺度为主，降水强度较大，持续时间不长，从图 6a来看，这两地区短时强降水对暴雨贡献率较大(超过50%)，暴雨主要是由短时强降水造成。可能是昌江河谷的丘陵地形对气流抬升作用强，且水汽供应充足，比较容易产生中小尺度对流降水；也有可能是鄱阳湖对大气中低层的温湿结构和边界层物理过程有显著影响，天气系统经过鄱阳湖，吸收水汽潜热得到发展(傅敏宁等，2013；汪如良等，2016)，继而影响其下游的昌江流域；另外，高空槽后冷空气与西南暖湿气流共同影响下(陈博宇和张芳华，2015；曹艳察和张涛，2016)，也可诱发短时强降水。抚州市东、南、西三面环山，地势呈“南高北低”，冷空气沿着鄱阳湖平原南下至该地区并与暖湿气流交汇，地形影响产生的辐合上升和局地热力不稳定等作用(孙素琴等，2016)，加上该地短时强降水中心靠近洪门水库，使得抚州市东部成为短时强降水和暴雨集中区。

5 结论

对江西地区短时强降水进行时空统计分析，结果如下：

(1) 利用EOF与REOF分解方法分析发现江西短时强降水总雨量具有全区一致多(少)雨的现象，也存在南北、鄱阳湖平原之间的差异，降水场可分为5个区域：赣北南部(Ⅰ区)，抚州市及赣州中南部(Ⅱ区)，赣北北部(Ⅲ区)，赣南南部、北部(Ⅳ区)，赣中西部(Ⅴ区)。江西地区暖季短时强降水主要分布在山地及河谷附近，分别为湘赣交界罗霄山脉东侧、福建武夷山西侧，信江河谷、乐安河谷以及昌江河谷。短时强降水频次河谷附近以昌江河谷最高(16.9次/a)，山地附近最高在罗霄山脉东侧(12.6次/a)，极端短时强降水的高频中心分别位于上饶市东北部山区(3.7次/a)及九岭山南侧的锦江河谷(3.3次/a)。

(2) 短时强降水主要发生在5月第3候，6、7月第3~4候以及8月第2~3候。6月第4候是短时强降水高集中区，8月中旬后短时强降水频次逐渐降低。Ⅳ、Ⅴ区具有单峰型的日变化特征；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区具有双峰型的日变化特征。短时强降水主峰一般集中在下午17时；次峰在上午08—10时。西部(Ⅴ区)午后12—17时短时强降水频次比东部(Ⅱ区)高。

(3) 短时强降水对暴雨的贡献率基本在40%以上，Ⅰ、Ⅱ区的暴雨过程有将近一半左右是由短时强降水贡献的。信江河谷是暴雨雨量中心，但并不是短时强降水雨量中心；但是景德镇市昌江河谷与武夷山西麓既是暴雨中心也是短时强降水中心。

本文不足之处在于空间特征上只能粗略解释到地形动力抬升与热力作用，时间上大致与江南雨季大尺度环流背景相联系，由于区域自动站观测资料年代序列不长，候变化特征可能存在偏差，后续需要积累更长的时间序列资料做进一步研究。