我国是一个多暴雨的国家。在全球变暖背景下某些灾害性天气气候事件更加频繁，气象灾害造成的经济损失越来越大
[1]。受东亚夏季风的季节性向北推进影响，华北暴雨主要出现在7月下旬—8月上旬。河南地处中纬度地区，冷暖空气交绥频繁，常造成异常强降水，如1975年8月和2021年7月的极端暴雨均震惊国内外。针对河南暴雨天气的研究一直备受关注。目前，科学家们针对河南暴雨成因和气候背景以及不同季节的暴雨特征
[2-8]开展了深入研究，从极端暴雨的动力、热力和水汽特征
[9-10]等方面进行了探讨，在台风暴雨形成机制
[11-15]等方面进行了深入研究。还有许多学者
[16-19]研究了河南短时强降水时空分布特点、环境条件和中尺度特征以及物理量阈值等。以上研究多针对河南多个暴雨日或单个暴雨日或不同类型暴雨成因与机理的研究，或针对暴雨形成气候背景及单站暴雨时空分布特征的分析，而针对河南区域暴雨时空分布特征的研究较少，区域暴雨过程中雨带位置与强降雨中心仍是目前预报的重点和难点。戴泽军等
[20-21]研究了湖南区域暴雨和持续性暴雨气候特征并进行了落区分型，对湖南暴雨预报起到一定技术支撑作用。本文利用1970—2021年河南逐日降水资料，对暴雨的时空分布特征进行统计分析，旨在为河南区域暴雨预报提供气候学背景，以提高预报准确率，减轻灾害损失。
1 资料和方法
利用河南省气象信息中心1970—2021年河南逐日降水数据，确保分析资料的连续性，选取河南省内资料较完整的113个国家级气象台站的逐日降水数据进行分析。若某站24 h（前一日20时—当日20时，北京时，下同）累计降水量≥50 mm，定义为一个单站暴雨日，未间断出现暴雨日的总天数为该站暴雨持续日数。目前河南省无统一区域暴雨日标准，文中参考河南省气象台多年业务规定，当某日（前一日20时—当日20时）河南省内国家气象观测站，有10站或以上24 h累计降水量≥25 mm且相连成片，其中有5站或以上24 h累计降水量≥50 mm，作为一个区域暴雨日（区域暴雨过程）。由所有单站暴雨组成的集合定义为总体暴雨，出现在区域暴雨日中的单站暴雨组成的集合定义为区域暴雨；总体暴雨与区域暴雨的差集定义为非区域暴雨；区域暴雨强度与非区域暴雨强度的差值定义为暴雨强度差。
将一年的日期自1月1日开始排序为1～365（或1～366），取区域暴雨日初日（终日）在该年排序位置为区域暴雨初日（终日）序号。采用主客观相结合的方法，对所有区域暴雨日中的暴雨站点进行聚类分型，计算每种类型各台站平均降水量，得到该型区域暴雨雨强。聚类分型是一种自下而上的算法，将每个样本都视为一个簇，根据暴雨过程中暴雨站点的相似性，将最相似的两组合成一个簇，反复迭代，生成聚类树，聚类是一种无监督学习方法，只计算数据的相似性。
2 区域暴雨时空演变特征
2.1 季节变化
1970—2021年各月河南区域暴雨日统计（
表1）显示，共出现650个区域暴雨日，年均12.5 d。夏季（6—8月）区域暴雨过程最多，共计484 d，占总日数的74.5%；其次是秋季（9—11月），共计87 d，占总日数的13.4%；春季（3—5月）为79 d，占总日数的12.2%；冬季（12月—次年2月）无区域暴雨发生。区域暴雨过程集中出现在5—9月，共计601 d，占总日数的92.5%，其中7月最多，为231 d，占总日数的35.5%；8月次之，为153 d，占总日数的23.5%；6月有100 d，占总日数的15.4%。
2.2 年际变化
对河南区域暴雨日、区域暴雨强度、区域暴雨初日和终日逐年序列进行10 a滑动
T检验可知，区域暴雨日逐年序列（
图1a）在2000、2010年发生突变。1970—1999年均值为11.8 d，2000—2009年均值为14.8 d，2010—2021年均值为12.5 d；1970—2021年区域暴雨日无显著变化趋势，2个突变年之间的3个子序列均无显著变化趋势。
区域暴雨强度逐年序列（
图1b）在1985、1995和2007年发生突变。1970—1984年暴雨强度年均值为78.4 mm·d
-1，1985—1994年均值为72.4 mm·d
-1，1995—2006年均值为79.0 mm·d
-1，2007—2021年均值为74.9 mm·d
-1； 1970—2021年区域暴雨强度无显著变化趋势，3个突变年之间的4个子序列均无显著变化趋势。
区域暴雨初日序号逐年序列（
图1c）在1996、2006年发生突变。1970—1995年区域暴雨发生初日的平均日为5月5日前后（125），1996—2005年平均日为5月31日前后（151），2006—2021年平均日为4月27日前后（117）；1970—2021年区域暴雨发生初日无显著变化趋势，2个突变年之间的3个子序列均无显著变化趋势。
区域暴雨终日序号逐年序列（
图1d）在1985、1993和2008年发生突变，1970—1984年区域暴雨发生终日的平均日为9月27日前后（270），1985—1992年平均日为9月19日前后（262），1993—2007年平均日为9月10日前后（253），2008—2021年平均日为10月1日（274）；1970—2021年区域暴雨发生终日无显著变化趋势，3个突变年之间的4个子序列均无显著变化趋势。
区域暴雨发生日数、区域暴雨强度、区域暴雨发生初日和终日总时间序列及均值突变点前、后期的子序列均无显著变化趋势。2000—2009年区域暴雨发生日数均值明显高于其他时段。区域暴雨强度均值10～15 a发生一次突变，呈现减小—增加—减小的变化趋势。2008年以后，区域暴雨发生初日平均值明显提前，终日明显延后。
2.3 区域暴雨空间分布特征
采用主客观相结合的方法，对650个区域暴雨日进行落区分型，可分为4类空间分布型，即豫北型、豫中型、豫南型及全省型，其中豫中型区域暴雨日数最多，累计325 d，占总日数的50.0%；全省型区域暴雨日数最少，累计74 d，占总日数的11.4%；豫北型累计日数123 d，占总日数的18.9%；豫南型累计日数128 d，占总日数的19.7%。
4种类型区域暴雨平均降水量（雨强）分布显示，豫北型（
图2a）平均降水量＞30 mm·d
-1的站点分布在沿黄河及其以北地区；＞40 mm·d
-1站点位于安阳地区、鹤壁地区、新乡地区和濮阳地区北部；＞50 mm·d
-1的站点有2个，最大值出现在鹤壁西南部的淇县站（53.0 mm·d
-1）。豫中型（
图2b）平均降水量＞30 mm·d
-1的站点分布在豫中偏东的商丘地区、周口地区、驻马店地区、漯河地区、许昌地区东部、平顶山地区东部和南阳地区东部；＞40 mm·d
-1的站点位于平顶山地区东部、漯河地区南部和驻马店地区北部，最大值出现在漯河的舞阳站（43.9 mm·d
-1）。豫南型（
图2c）平均降水量＞30 mm·d
-1的站点分布在驻马店地区、信阳地区和南阳地区东部，其中＞50 mm·d
-1的站点主要位于信阳地区，＞60 mm·d
-1的站点有9个，最大值出现在信阳站（70.5 mm·d
-1）。全省型（
图2d）平均降水量＞30 mm·d
-1站点主要分布在黄河以北和中部地区，其中＞40 mm·d
-1的站点位于安阳地区中东部、鹤壁地区东部、新乡地区中东部和濮阳地区西部，最大值出现在新乡地区的长垣站（45.0 mm·d
-1）。豫北型、豫中型、豫南型及全省型降水强度大值区分别位于黄河以北、黄淮之间略偏东南、淮河以南和北中部，全省型强雨带呈东北西南带状分布，其他3类呈准东西走向。豫南型强降水落区范围小且强度大，其次是豫北型。
3 单站暴雨统计特征
3.1 暴雨日数空间分布
由1970—2021年河南区域暴雨多年平均日数空间分布（
图3a）可知，＞2.5 d·a
-1的台站分布在豫南的驻马店地区中部、南阳地区东南部和信阳地区西北部；＜1.0 d·a
-1的台站分布在豫西的三门峡地区和洛阳地区。区域暴雨多年平均日数的全省平均值为1.7 d·a
-1，大于平均值的站点有55个，占总数48.7%，最大值出现在豫南的桐柏站（3.0 d·a
-1），最小值在豫西的灵宝站（0.4 d·a
-1）。
区域暴雨日占总体暴雨日的百分比空间分布呈现以豫中略偏东为中心向四周递减的分布特征，区域暴雨日占总体暴雨日的百分比＞80%的站点位于许昌地区、漯河地区、开封地区、平顶山地区东部、驻马店地区北部、周口地区西部和新乡地区中部，表明国家气象观测站暴雨日以区域暴雨日为主，豫东南站点的暴雨日以非区域暴雨日为主（
图3b）。区域暴雨日占总体暴雨日百分比的全省平均值为75.0%，大于平均值的站点有64个，占总站点数的56.6%，襄城站最大，为91.0%、其次是西平站，为90.5%；商城站最小，为40.8%。区域暴雨站次占总体暴雨站次的74.0%，区域暴雨雨量占总体暴雨雨量的76.6%，总体暴雨中以区域暴雨过程为主。
3.2 暴雨强度空间分布
由区域暴雨强度的空间分布（
图4a）可知，豫西地区暴雨强度明显低于其他地区，豫北、豫东及豫东南地区暴雨强度均在80 mm·d
-1以上，且零散地分布着＞85 mm·d
-1的强中心；小值区主要位于豫西地区，与河南区域暴雨日多年平均小值区一致。区域暴雨强度全省平均值为80.6 mm·d
-1，大于平均值的站点有67个，占比59.3%，最大值出现在豫北的汤阴站（91.5 mm·d
-1）、其次是豫南的南召站（91.2 mm·d
-1）；最小值和次小值分别出现在豫西的卢氏站（64.7 mm·d
-1）和三门峡站（68.1 mm·d
-1）。
由暴雨强度差的分布（
图4b）可知，强度差＞15 mm·d
-1的大值中心零散分布在豫中、豫北，大部分站点区域暴雨强度大于非区域暴雨强度，仅有新乡站、长垣站、三门峡站、淅川站和南阳站区域暴雨强度小于非区域暴雨强度。全省暴雨强度差的平均值为10.5 mm·d
-1，大于平均值的站点63个，占比为55.8%，最大值出现在中牟站（25.8 mm·d
-1），其次是舞阳站（24.6 mm·d
-1）。
区域暴雨中各台站最大日雨量大多在150 mm以上，仅有4站低于150 mm,最小值出现在三门峡站，为115.8 mm。非区域暴雨中大约70%的台站最大日雨量＜150 mm，＞200 mm的站点仅占10%。区域暴雨强度明显强于非区域暴雨强度的原因可能为：（1）区域暴雨都是由明显的天气尺度系统造成的，持续时间长、水汽充沛，累计日雨量大；非区域暴雨多由对流性天气产生，持续时间短、强度大，暴雨点多由短时强降水产生。（2）1975年8月和2021年7月两次极端持续性区域暴雨过程中日降水量的极端性，是区域暴雨强度明显强于非区域暴雨强度的主要原因之一。
3.3 暴雨最长持续日数及极值特征
由1970—2021年河南区域暴雨过程中各台站暴雨最长持续日数空间分布（
图5a）可知，区域暴雨过程中单站暴雨最长持续日数为1～5 d，持续5 d的台站仅有禹州站，出现在2000年7月3—7日；持续4 d的有10站，主要分布在豫西北地区；豫西的灵宝站和渑池站最长仅持续1 d；其他台站最长持续2～3 d。全省非区域暴雨最长持续时间主要为1～2 d，只有商丘站为3 d，出现在1991年7月27—29日。各台站区域暴雨过程中单站暴雨最长持续日数明显高于非区域暴雨。
从各站历年极值雨量的空间分布（
图5b）可知,三门峡地区、洛阳地区、济源、南阳地区西部和开封地区东部极值雨量均＜200 mm，＞400 mm的站点主要分布在郑州地区和驻马店地区，其他大部分站点极值雨量为200～400 mm。统计（
表2）显示，全省极值雨量＞400 mm的站点有9站，＞500 mm有4站，分别为上蔡站（755.1 mm）、西平站（636.4 mm）、平舆站（586.9 mm）和郑州站（552.5 mm），前三站均位于驻马店地区，都出现在1975年8月台风暴雨过程中，郑州站出现在2021年7月极端暴雨过程中。极值雨量＜200 mm的站点有29站，＜150 mm有4站，分别为渑池站（138.1 mm）、济源站（137.5 mm）、卢氏站（119.1 mm）和三门峡站（115.8 mm）。从各站历史极大值雨量发生月份（
表3）可知，5—9月均有极值雨量发生，6月最多，有68站、占比60.2%，其次是8月，有31站，占比为27.4%，再次是6和9月，均为6站。5月最少，只有2站，分别为1992年5月5日的兰考站（161.9 mm）和1974年5月17日的叶县站（253.3 mm）。
有76站极值雨量出现在持续性区域暴雨过程中，占比为67.3%；有28站出现在区域暴雨过程中；其余9站出现在非区域暴雨过程中。大多数极值雨量出现在持续性区域暴雨过程中，致灾性显著增加。
4 结论
通过对1970—2021年河南区域暴雨过程和单站暴雨进行统计分析，采用主客观相结合的方式对暴雨落区进行分型，得到以下结论：
（1）河南累计出现650个区域暴雨日，集中在5—9月，占总日数的92.5%；夏季（6—8月）最多，为484 d，占总日数的74.5%，其中7月最多，为231 d；冬季无区域暴雨发生。
（2）区域暴雨日、暴雨强度、暴雨发生初日和终日总时间序列及均值突变点前、后期的子序列均无显著变化趋势。2000—2009年区域暴雨日均值明显高于其他时段；暴雨强度均值大约每10～15 a发生一次突变，呈现减小—增加—减小的变化趋势；2008年以后，平均区域暴雨发生初日明显提前，终日明显延后。
（3）650个区域暴雨过程，暴雨落区可分为豫北、豫中、豫南及河南全省型4类空间分布型。豫中型区域暴雨日最多，全省型最少；全省型强雨带呈东北西南带状分布，其他3类呈准东西走向；豫南型强降水落区集中且强度大，其次是豫北型。
（4）区域暴雨多年平均日数的全省平均值为1.7 d·a-1，豫南的驻马店地区、南阳地区东部及信阳地区西北部明显高于其他地区，豫西山区最少。豫西地区区域暴雨强度明显低于省内其他地区；河南省大部站点区域暴雨强度大于非区域暴雨强度。
（5）区域暴雨过程中各台站暴雨最长持续日数多集中在2～3 d；各站历年极值雨量大多集中在200～400 mm，多出现在7—8月。
本文首次统计了河南省区域暴雨气候特征并对暴雨落区进行了分型，在影响系统与暴雨落区关联方面还需做进一步研究。也可基于多尺度环流背景结合深度学习模型开展河南区域暴雨客观分型研究。
京公网安备11010202008535号
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