近年来，在气候变暖的大背景下，大气环流变化导致降水分配不均，全球极端降水事件不断增多，极端降水量和频次呈明显增加趋势（Zhang and Zhai，2011; Tabari and Willems，2016; Wu et al.，2019; Ding et al.，2021; Dong and Zhang，2022）。降水强度和持续时间是导致极端降水事件的重要原因，且小时极端强降水日变化和局地性特征明显，目前开展的大多数研究均是采用小时尺度降水，以高时空分辨率保留极端降水事件的细节特征（董旭光等，2018）。俞小鼎（2013）定义中国小时雨量≥50 mm或3 h雨量≥100 mm为极端短时强降水。Zhai et al.（2005）采用百分位法设定当地极端短时强降水阈值。李建等（2013）采用不同方法讨论了小时极端降水时空分布特征，发现第99.9百分位阈值分布与广义极值分布一致。Wu et al.（2019）通过相对阈值法得到近10 a中国区域小时极端降水分布，呈现“南强北弱”分布，其中华中地区峰值出现在6—8月。曾礼等（2023）分析了极端小时降水的单峰型和多峰型分布特征，发现地形起伏度是影响两类降水的关键地形因子。Fu et al.（2016）分区域讨论了中国小时极端降水变化，发现中国东部、南部地区为小时极端降水高发地区。陈海山等（2009）分析了极端降水事件在不同区域和季节的分布特征及其长期变化趋势，发现包括湖南省在内的长江以南地区极端降水事件发生频次较高。区域不同，小时极端降水阈值和分布特征明显不同。下垫面的改变，特别是城市化发展导致极端降水阈值和频数正向增长（孔锋等，2018）。对中国夏季小时极端降水的研究发现，暖季降水常表现出傍晚主峰特征，但日变化特征存在显著区域性差异（Yu et al.，2007a; 宇如聪等，2014; 林春泽等，2016），东部地区夜间小时极端降水发生频次与强度空间分布相似，喇叭口地形会提高降水效率（沈伟等，2017）。

已有研究表明，极端短时强降水与暴雨密切相关，其空间分布特征相似（孙继松，2017）。周晓敏等（2023）通过对中国区域短时强降雨对暴雨的贡献分析发现，中国暴雨具有显著对流性特征和日变化特点，且大暴雨或特大暴雨过程中常伴有高强度的短时强降雨（田付友等，2018），降雨累积效应和小时降雨强度的极端性双重作用明显（陈涛等，2020）。结合社会公众和政府决策服务的精细化需求，开展小时极端降水与12 h暴雨的系统性研究十分必要。

湖南位于长江以南，是中国典型南方多雨省份，为三面环山、朝北开口的丘陵地形，西面有南北纵向分布的雪峰山脉，南部为东西延伸的南岭山脉，境内有湘江、资江、沅江、澧水四水，四水汇聚一湖（洞庭湖），再由洞庭湖流入长江（图1）。洞庭湖是中国第二大淡水湖，面积超过2 500 km²，已有学者发现20世纪以来洞庭湖流域极端降水事件是显著增长的，宽广的湖面与降水量呈正向分布关系（龙浠玉等，2020; 邹磊等，2021）。2011年开始中国逐步布设了全覆盖、高精度的区域自动站，通过10 a降雨资料长时间序列积累，更多基于高时空分辨率的站点数据应用于短时强降水（short-duration heavy rainfall，SDHR）研究中，为次日尺度极端降水研究提供技术支撑（宇如聪和李建，2016; 唐永兰等，2022）。本文拟利用2012—2021年中国气象局国家气象信息中心湖南省1 599个区域自动站小时雨量数据，分析湖南小时极端降水和12 h暴雨统计特征，定量化揭示其内在联系，以期让预报员更全面地了解中国南方地区次日尺度极端降水的特征，为提升短时临近预警及预报能力提供技术基础。

1 资料和方法

本文使用2012—2021年雨季（4—9月）湖南省区域自动站小时雨量监测资料，分别选取湖南全省和境内洞庭湖区域为研究对象（洞庭湖区域为图1中红线围成范围）。依据中国气象局16号令《气象灾害预警信号发布与传播办法》中对于暴雨蓝色预警信号的标准，定义12 h降水量≥50 mm为12 h暴雨标准，以北京时08:00—20:00、20:00—次日08:00讨论白天、夜间12 h暴雨。

按气候界限值及降水量时间及空间一致性原则，剔除每年雨量数据缺测50%以上的站点。中国气象局《全国短时、临近预报业务规定》（气办发[2010]19号文）规定，1 h降水量≥20 mm为单站短历时强降水。目前，已开展的基于国家站雨量数据统计表明，湖南短时强降水存在明显的地域差异性（姚蓉等，2020）。针对短时强降水不均一化分布特点，小时极端降水阈值的确定采用国际上通用的百分位相对阈值法。即筛选某站点整点小时雨量≥0.1 mm的全部数据序列按升序排列，样本第x百分位数P_x为阈值，其中，不同百分位数对应的降水阈值表示不同等级的降水阈值（李建等，2013; Zhou et al.，2021）。从湖南省2012—2021年雨季95、97.5、99、99.5、99.9百分位小时降水阈值（表1）可以看出，不同百分位的小时降水阈值差异较大，第99.5百分位已有部分站点阈值大于50 mm·h^-1，达到中国通用的极端短时强降水阈值。第99.9百分位既满足全部站点小时降水阈值超过20 mm·h^-1，同时有15.1%站点阈值超过50 mm·h^-1。因此，本文选取第99.9百分位小时降水阈值平均值作为湖南省小时极端降水阈值进行讨论。

以下讨论小时极端降水的统计特征指标有3个:小时极端降水频次; 小时极端降水强度; 小时极端降水对12 h暴雨的贡献率。小时极端降水频次为统计时段内超过小时极端降水阈值的小时数; 小时极端降水强度为统计时段内大于降水阈值的累计降水量除以对应的降水频次。

2 强降水特征分析

2.1 小时极端降水时空分布

2.1.1 空间分布特征

图2a给出湖南省2012—2021年雨季第99.9百分位小时极端降水频次空间分布。湖南区域小时极端降水频次分布不均匀，全省大部分地区介于5~8次（超过53%），其次为5次以下占比达43%，超过8次的高频站点主要分布在3个区域:湖南西部沿着雪峰山脉纵向分布的区域、湖南南部沿南岭山脉东西分布的带状区域，以及洞庭湖区域南侧。极大值出现在洞口的江口镇站（12次）。这与Wu et al.（2019）提到的地势起伏大的区域强降水发生频次更多的结论是一致的。

图2b给出湖南小时极端降水平均强度空间分布，全省大部分地区小时极端降水平均强度普遍较大，超过95%站次小时极端降水平均强度达40 mm·h^-1以上，其中56.7%站次小时极端降水平均强度介于50~70 mm·h^-1，超过70 mm·h^-1大值区分布与高频分布相似。小时极端降水平均强度超过100 mm·h^-1的站主要集中在长沙、衡阳、株洲南部地区，极值位于湖南南部的衡南近尾洲站（142.6 mm·h^-1）。

洞庭湖区域共有161个区域自动站，小时极端降水总频次在3~10次，最大值10次，大于8次以上的高频站点主要分布在洞庭湖汇入长江口及平原南部（图3a）。小时降水强度空间分布表明，湖区小时极端降水强度东部高于西部，62%站点介于50~70 mm·h^-1，强度大于70 mm·h^-1的高频站点大多位于湖区东侧和南侧（图3b）。这与龙浠玉等（2020）的研究结果一致。雨季副热带高压在湖南境内南北摆动，脊线常位于22°~25°N，湖区东侧和南侧受其边缘影响，水汽和动力条件更好，同时洞庭湖区因其水面宽阔，湖泊和陆地之间热力性质差异明显，局地上升运动更强盛，对流性降水强度更大。

由前述分析可知，南岭山脉北麓、雪峰山脉迎风坡以及洞庭湖区一带，小时极端降水的强度和频次高于其他地区，可见复杂地形和下垫面对湖南小时极端降水变化有重要影响。

2.1.2 时间分布特征

湖南省2012—2021年雨季小时极端降水年均频次为727次，图4a和图4b分别给出年总频次和月总频次演变趋势，总体呈波浪式增长。第一波峰为2021年962次，次峰值出现在2020年为939次，较2019增长速率超过40%，发生频次最少的年份为2013年（501次），最多年份小时极端降水发生频次较最少年份频次偏多90%以上。

湖南小时极端降水主要发生在5—9月。4月小时极端降水频次270次，为雨季发生频次最少月份; 5月频次迅速上升，月频次达1 252次。6—8月是各年雨季小时极端降水发生高峰时期，月频次均超过1 600次，其中6月频次最多为1 990次，这可能与副高第一次北跳密切相关，夏季风爆发，受夏季风北上与冷空气共同影响，冷暖气流交汇造成湖南降水增多。9月湖南受副热带高压控制，以晴热少雨天气为主，降水迅速减少，小时极端降水月频次降至431次。

图5给出湖南省2012—2021年雨季小时极端降水频次的日变化，可知，湖南雨季小时极端降水具有明显的不对称双峰结构，第一波峰出现在18时（428次），波峰区间从15时持续到20时，均高于350次，次波峰出现在早晨05—08时，次峰值明显小于第一波峰值，其峰值区间窄于主峰。10—14时是小时极端降水发生的低频时段，中午12时发生频次最少，为195次。已有学者研究发现长江流域短时强降水发生频次的次峰在清晨至上午（04—09时），湖南日变化演变符合该特征（唐永兰等，2022），与中国大陆地区暖季降水频次的时间位相特征一致（Yu et al.，2007b）。这与午后及午夜热力不稳定度加大，局地热力强迫导致中小尺度对流频发密切相关（Chen et al.，2013）。由上述知，湖南区域雨季小时极端降水从午后迅速增加，到傍晚前后达到峰值，然后缓慢下降，凌晨至早晨逐渐上升出现次峰值，这与华中区域年极端小时降水日变化特征较为一致（刘佩廷等，2020）。

2.2 12 h暴雨时空分布

次日天气尺度包括1、3、6、12 h等时间尺度，已有研究（Zheng et al.，2016）表明，中国南方地区1 h强降水与3、6 h强降水分布特征相似，开展12 h暴雨研究是本文讨论的重点。

2.2.1 空间分布特征

图6给出湖南省2012—2021年雨季4—9月逐月12 h暴雨频次分布，4月全省12 h暴雨发生频次最少，呈现南北多，中部少的特点，大于8次的高频点仅有2站，位于南岭山脉北麓的永州地区。5月出现12 h暴雨的站点和频次明显增加，大于8次的高频暴雨点集中于雪峰山脉迎风坡和南岭山脉一带。这可能是由于副高第一次北跳前，高原东出的短波槽活跃，槽前西南暖湿气流沿山脉迎风坡爬升，受其影响湖南对流性降水增多，也与中国华南前汛期雨带分布特征较为一致。6、7月12 h暴雨站点和频次最多，全省均有分布，高频带位于湖南中部和北部地区（26.5°~28.5°N），大于5次的高频站点占比达50%以上，最多频次达10次。这与副高两次北跳，湖南中部和北部处于副高北侧边缘，雨带在湖南境内南北摆动有关。8月12 h暴雨出现的频次和站点下降，高频站点降至13.5%，在雪峰山脉、武陵山脉和南岭山脉一带分散分布，这与湖南山区热力不稳定度更大，多热对流强降雨有关。9月随着副高东撤控制湖南大部分地区，12 h暴雨站次和频次明显下降，高频点孤立且分散，主要分布在湖南西北部。

洞庭湖区逐月12 h暴雨频次分布（图7）表明，6月和7月发生频次和站次最多，高频点多位于湖区东侧和南侧的河湖冲积平原，最大值出现在6月。这与该区域6—7月处于副高边缘强暖湿气流中有关，且台风影响湖南也主要发生在该时段。其次是5月发生频次较多，高频站点呈不规则分布，这可能是5月湖陆平均气温升高，热力不稳定增大，且受湖南马蹄型地形影响冷空气常从位于东北部的湖区南下影响，冷暖交汇多对流性强降水发生。4月和8月发生频次大多在2~5次，大于5次的高频点较少。9月发生频次和站次均最少。

图8给出湖南地区12 h暴雨白天、夜间发生总频次分布，白天12 h暴雨全省平均频次为2.9次，52.7%站点发生频次在5~8次，超过8次的高频带集中分布于湖南中部，沿雪峰山脉附近为极大值区域，湖南南部12 h暴雨发生频次大多为2~5次，明显低于中北部地区，并有8个站点近10 a白天仅出现1次12 h暴雨。夜间12 h暴雨平均频次为6.7次，明显高于白天。大于8次以上的高频站点达全省50%左右，空间分布极不均匀，呈现中北部多、南部少，西部最多的特征。高频站点和次数均多于白天，极大值区域主要位于湖南西部，沿雪峰山和武陵山脉纵向分布，另外在东部和南部也有孤立高值点分布。白天和夜间12 h暴雨发生频次均较少的区域主要位于25.5°~26.5°N地带。

从洞庭湖区域12 h暴雨分布（图9）来看，白天和夜间湖区12 h暴雨发生频次大于5次的站点占比达90%以上，大于8次的高频站点主要位于河湖冲积平原和环湖丘陵岗地，夜间12 h暴雨发生频次总体高于白天，且高频点更为分散。这与夜间湖面气温高于陆地，局地热空气抬升，上升运动加强有密切关系。

2.2.2 时间演变特征

湖南省2012—2021年雨季12 h暴雨年均频次白天为2 039次，夜间达2 490次，夜间明显高于白天。从年频次演变（图10）可以看出，2012年至2013年12 h暴雨发生频次白天和夜间呈反位相变化，2014年开始保持同频变化，均在2017年出现第一个波峰，2018年下降至最低点，之后稳定升至高值区间，第二个波峰出现在2020年。近10 a最多频次2020年夜间为3 237次、白天为2 560次。

图11给出小时极端降水与12 h暴雨（白天和夜间）月频次分布，变化曲线相似。白天，4月、9月小时极端降水和12 h暴雨频次均最少，5月小时极端降水和12 h暴雨频次迅速增加，6月二者均达峰值，7月维持高值，8月12 h暴雨频次陡降，小时极端降水仍维持高值，9月小时极端降水频次降幅远大于12 h暴雨频次的降幅。夜间，12 h暴雨频次变化趋势与白天相似，4—7月夜间发生频次均高于白天，差异点表现在小时极端降水维持高频时间更长，5—7月均处于高值区间。8月小时极端降水白天发生频次高于夜间。可知，雨季5—7月为湖南暴雨和小时极端降水发生频次最多时段，夜间频次高于白天。

这可能与副高季节性变化密切相关，5月副高主体位于中国华南地区，湖南处于副高北侧，多受西风带系统影响，雨热同期，夜间高空和地面温差变大，暖湿空气抬升，导致夜间强降雨增多，符合湖南“潇湘夜雨”特征。6—7月副高发生第一次北跳和第二次北跳，受副高边缘暖湿气流与弱冷空气影响，冷暖交汇，长江流域多对流性暴雨，8月湖南大部分地区受副高控制，多晴热高温天气，午后热对流增多，因此白天小时极端降水高于夜间，但因持续时间不长，12 h暴雨频次明显下降。

3 小时极端降水对12 h暴雨的贡献特征

已有研究发现，我国长江中下游一带的降水事件一般会维持12 h以上，小时强降水（小时雨量≥20 mm）和暴雨日（24 h≥50 mm）的频次空间分布相似，存在明显的区域性特征（Zhang and Zhai，2011; Chen et.al，2013）。孙继松（2017）研究发现对流性暴雨的大雨强主要由高强度的短时强降雨提供。6月中旬至7月上旬湖南常受梅雨锋影响，江淮梅雨因其具有显著的日变化特征（高守亭等，2018），小时降水常在清晨和傍晚出现双峰值。因此研究区分白天、夜间的小时时间尺度的极端降水对12 h暴雨的贡献特征有着重要作用。

本文以08:00—20:00、20:00—次日08:00大于小时极端降水阈值的累计降水量占相应时段总降水量的比例，表示白天和夜间小时极端降水对12 h暴雨的贡献。

首先，由白天、夜间小时极端降水对12 h暴雨的降水量贡献（图12）来看，白天全省超过88%的站点小时极端降水对12 h暴雨的降水量贡献大于50%，集中分布在湖南南部，其中41%站点小时极端降水对12 h暴雨的降水量贡献在70%~90%，贡献率达90%以上的站点主要分布在永州、郴州地区。湖南中部12 h暴雨很少伴随小时极端降水（＜10%站点），降水量贡献大多在10%~70%。湖南北部仅有10%~30%站点伴随小时极端降水发生。夜间，全省超过74%站点小时极端降水对12 h暴雨的降水量贡献大于50%，其中25%站点小时极端降水对12 h暴雨的降水量贡献在70%~90%，仅有4%站点贡献率达90%以上，主要分布在永州、郴州、长沙西部地区。

由前述知，白天小时极端降水比夜间对12 h暴雨的降水量贡献更大，这可能与湖南小时极端降水大部分出现在6—8月主汛期有关，说明副高北跳期间，副高边缘强盛暖湿气流及低层切变线导致的降雨，以及夏季的午后热对流更容易发生小时极端降水。

4 结论与讨论

次日尺度降水特征是精细化天气预报的重要基础。小时极端降水常能导致12 h暴雨或日暴雨，长江流域地区雨季往往呈现明显的夜雨特征。本文根据湖南省2012—2021年自动气象站小时雨量数据，定义了小时极端降水并分析其统计特征，分白天、夜间对12 h暴雨的时空分布特点进行探讨。另外，通过分析小时极端降水对12 h暴雨的贡献率，揭示小时极端降水对12 h暴雨日变化的影响。形成的主要结论如下:

1）湖南小时极端降水以第99.9百分位数为阈值，小时极端降水频次与强度空间分布相似，湖南西部雪峰山脉和南部南岭山脉、洞庭湖区域为高值区，极大值均位于湖南南部。复杂地形和下垫面对小时降水有明显增幅作用。

2）揭示了湖南小时极端降水的年、月、日变化特征。小时极端降水近10 a呈波浪式增长趋势，2021年发生频次最多，2020年次之。5—9月为小时极端降水高发月份，6月为第一峰值，4月最少。湖南雨季小时极端降水日变化具有双峰结构，午后快速增长，到傍晚达到峰值，然后缓慢下降，凌晨至早晨逐渐上升出现次峰值。

3）湖南雨季12 h暴雨的月变化和日变化特征区域差异显著。4月呈现南北多、中部少的特点，5月高频暴雨点集中于雪峰山脉迎风坡和南岭山脉一带。6—7月高频站点占比达50%以上，主要位于湖南中部和北部地区。8月频次明显下降，在雪峰山脉、武陵山脉和南岭山脉一带分散分布，这与湖南山区热力不稳定度更大，多热对流强降雨有关。9月高频点孤立且分散，主要位于湖南西北部。洞庭湖区12 h暴雨发生频次较多，其中6月和7月频次和站次最多，高频区位于河湖冲积平原。

4）小时极端降水对12 h暴雨的降水量贡献白天高于夜间，白天41%站点小时极端降水对12 h暴雨的降水量贡献在70%~90%，夜间仅有25%站点贡献率在70%~90%，其中贡献率大值区均集中在湖南南部。另外，6月和7月小时极端降水和12 h暴雨发生频次均为最多，8月小时极端降水维持高值，12 h暴雨频次迅速下降，可知湖南6月至8月对流降水强度大，但连续性降雨导致的12 h暴雨8月明显减少。

以上表明小时极端降水存在区域性分布特点，且与地形相关，小时极端降水对12 h暴雨的影响白天多于夜间，该研究结论可为湖南地质灾害风险预警和短临预警提供支撑，为湖南雨季不同时间尺度强降水的分类研究提供参考。在目前已有的不同时间尺度强降水研究成果基础上，中尺度模式释用可用于研究对流系统的新生、发展等演变过程，从而获知小时极端降水中小尺度成因，大气环流合成分析能提供大尺度系统的变化指针对极端降水的影响。本研究下一步还需开展以下几方面的工作:

1）开展地形对小时极端降水时空分布的影响研究，包括南岭山脉、雪峰山脉大地形以及洞庭湖湖陆分布的作用机制。

2）对不同区域的小时极端降水事件开展分型研究，通过气团轨迹模拟研究，揭示极端降水高值区的水汽输送特征，探讨主要水汽源地和水汽输送通道对小时极端降水的影响。

3）开展小时极端降水和12 h暴雨的天气学成因研究，重点研究大尺度环流演变对强降水季节变化和月变化的影响。

参考文献