引言

易致灾的降水可分为两类：一类是短时强降水，另一类是长时间持续的暴雨、低温连阴雨和冻雨等(于文勇等，2012)。短时强降水或持续性暴雨易造成洪涝、山体滑坡、泥石流等灾害，对国民经济建设和人民生命财产安全构成极大威胁，尤其是持续降水过程中的短时强降水造成的灾害和经济损失会更加严重(陶局等，2021；苏爱芳等，2021)。在气候变暖背景下，研究强降水天气气候变化趋势及成因，加强极端降水事件的监测、预警能力建设，防范和应对强降水引发的洪涝灾害和城市渍涝等气象灾害，具有科学实际应用意义(翟盘茂和刘静，2012；李建等，2013)。研究指出，在气候变暖背景下降水持续性特征在全球范围内表现出区域上不一致，中国南方地区持续性降水过程及其产生的降水量呈现增多趋势，但北方地区呈现减少趋势(翟盘茂等，2017)；中国大陆夏季降水日变化区域特征明显，下午峰值区主要出现在华北至东北山区、东南内陆地区，夜间峰值区主要出现在四川盆地西部至云贵高原东部、华北平原西部贴近山地的区域(宇如聪等，2016)，且降水开始至达到峰值的时间较峰值发生后至降水结束的时间明显偏短，在强降水中更加明显(宇如聪等，2013)。

内蒙古地处中国北部边疆，从东向西干旱程度逐渐增加，汛期(6—8月)降水占年总降水量的60%~75% (顾润源等，2012；高绍鑫等，2022)，汛期强降水由于突发性强，加上该地区大部分为沙壤土，地质疏松，植被稀疏，地表裸露，在高强度降水的冲刷下，常形成泥石流和山洪灾害，给农牧业生产及人民生命安全造成严重威胁(李喜仓等，2012；李海英等，2019；王维坤等，2022)。如2018年8月9日15∶00—17∶00 (北京时，下同)内蒙古阿拉善右旗持续3 h的降水事件中，最大小时降水量达到12.5 mm，造成经济损失9万元；2018年8月12日18∶00— 23∶00内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗持续6 h的降水事件中最大小时降水量达40.1 mm，其中45个自动气象站中有4个站小时降水量超过20 mm，造成房屋进水、农田被淹和公路桥洞受损等灾害。关于内蒙古强降水的研究表明，强降水集中出现在7月中旬到8月上旬(常煜，2015)；内蒙古强降水过程持续时间短，持续时间在4~6 h和7~12 h的强降水过程增加显著，1~3 h强降水过程明显减少，但发生频次最高，强降水过程持续时间越短，降水量峰值出现前降水强度越大(常煜等，2019)。

目前在气象服务更加规范化、精细化前提下，关于内蒙古由强降水引发的暴雨洪涝灾害小时降水量持续性、最大值、日变化等特征，以及小时降水量达到多大量级易引发暴雨洪涝灾害的研究还比较薄弱。本研究以引发内蒙古汛期暴雨洪涝灾害的降水事件小时降水量特征为研究主线，将东西狭长的内蒙古划分为西部地区、中部地区、东部地区，揭示各地区引发暴雨洪涝灾害的降水事件小时降水量特征，获得引发暴雨洪涝灾害的降水事件阈值，以期为内蒙古暴雨预报预警提供参考依据。

1.   研究区域概况

内蒙古地貌以高原为主体，大兴安岭、阴山山脉构成了高原地貌的脊梁，且其大小河流众多，一级河流有黄河和额尔古纳河(图 1a)。内蒙古横跨我国西北、华北和东北广阔区域，下辖9个地级市和3个盟，共12个盟(市)，包含县级市(旗、县、市辖区)共101个(图 1b)。其中鄂尔多斯市、包头市、巴彦淖尔市、乌海市和阿拉善盟属于内蒙古西部地区，锡林郭勒盟、呼和浩特市和乌兰察布市属于内蒙古中部地区，呼伦贝尔市、兴安盟、通辽市和赤峰市属于内蒙古东部地区。内蒙古西部、中部和东部地区县级市(旗、县、市辖区)分别为30、32、39个，研究站点数分别为289、236、661站。

图  1  内蒙古地形高度和一级河流分布(a)以及内蒙古12个盟(市)对应的县级市(旗、县、市辖区)个数分布(b)

Figure  1.  (a) Topographic height (color filling, same hereafter) and distribution of the first class river, (b) numbers of county level cities(banner, county and municipal district) corresponding to 12 leagues (cities) (the nunmber under leagues or cities) in Inner Mongolia

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2.   资料与方法

2.1   资料说明

使用的资料为：2017—2018年内蒙古自治区气象局综合信息网灾情上报的暴雨洪涝灾情实况；CIMISS气象数据统一服务接口提取的2017—2018年汛期(6—8月)内蒙古国家站和区域站小时降水量资料。

2.2   研究方法

参考Yu等(2015)方法来定义引发暴雨洪涝灾害的降水事件

其中，$ P_{x, t}$代表t时刻引发暴雨洪涝灾害的降水事件(以下简称降水事件)小时降水量，$ P_{i, t}$表示第i个站点在t时刻小时降水量，$ P_{x, t}$ ≥0.1 mm·h^-1的时次为有降水时次。在连续3 h及以上无降水时次后，第一个有降水时次为降水事件的开始时间，连续3 h及以上无降水时次前的最后一个有降水时次为降水事件的结束时间。

利用双重e指数函数和百分位方法研究降水事件阈值，其中双重e指数函数方法拟合降水事件小时降水量(Yu and Li, 2012)的方法如下

其中，I代表小时降水量，R(I) 为累积降水量，A_r和B_r为待定系数，两者不同的大小组合表征不同的降水强度结构。小时降水量小于1/B_r为较弱降水事件，大于等于1/B_r且小于2/B_r为强降水事件，大于2/B_r定义为极端降水。

本文将降水事件小时降水量定义为雨强；降水事件中有降水时次的站点平均降水量定义为平均雨强；降水事件结束时间与开始时间持续的小时数定义为降水事件持续时间。

3.   降水事件的空间分布特征

2017—2018年内蒙古汛期共发生108例降水事件，其中东部地区71例，中部地区12例，西部地区25例。东部地区的赤峰市降水事件发生频次最多，达31例，中部地区的呼和浩特市最少，仅为1例。图 2为2017—2018年内蒙古汛期降水事件发生频次空间分布，从中可见，东部地区大兴安岭东侧是降水事件高发区，最高达5~6次；西部地区的东南部和中部地区阴山山脉以南为次高发区，达3~4次；在大兴安岭以西和阴山山脉以北地区以及西部地区的西部发生频次最少，低于2次。这与李喜仓等(2012)的研究结论“呼伦贝尔市岭东、兴安盟南部、通辽市南部、鄂尔多斯市东部以及呼和浩特市和包头市城区是发生洪涝灾害风险最大区域”基本一致。已有研究指出，内蒙古降水受地形影响显著，地形加强了暖湿气流外界强迫动力抬升机制，致使大兴安岭东部和阴山以南地区的暴雨发生频次、持续时间均明显高于内蒙古其余地区(常煜等, 2012, 2018)。

图  2  2017—2018年内蒙古汛期降水事件频次的空间分布

Figure  2.  Space distribution of frequency of precipitation events from 2017 to 2018 during flood seasonin Inner Mongolia

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4.   降水事件的持续性

持续时间是衡量降水变化的一个重要指标(江志红等，2013)，降水事件持续时间的长短本身就可以决定其致灾能力(翟盘茂等，2017)。图 3为2017—2018年内蒙古汛期降水事件持续时间箱线图，从中可见，东部地区呼伦贝尔市降水事件持续时间箱体区间较宽，接近4 d；其余地区降水事件持续时间箱体区间较窄，普遍在3 d内。另外，降水事件持续时间最大值出现在东部地区的赤峰市，其次为东部地区的呼伦贝尔市，再次为中部地区的锡林郭勒盟，持续时间最大值分别为246 h(近10 d)、212 h(近9 d)、138 h (近6 d)。持续时间246 h降水事件开始时间为2018年8月25日00∶00，结束时间为9月4日05∶00，期间在27日08∶00—28日08∶00日赤峰市阿鲁科尔沁旗天山口镇、天山镇、巴拉奇如德草业、绍根镇降水量分别为47.3 mm、22.2 mm、52.6 mm、29.6 mm，28日02∶00和04∶00，巴拉奇如德雨强分别为15.6 mm·h^-1和14.3 mm·h^-1，导致苏木乡镇部分地区遭受不同程度的洪涝灾害；持续时间212 h的降水事件发生在呼伦贝尔市的莫力达瓦达斡尔族自治旗，起止时间为2018年6月12日11∶00—21日06∶00，遭受暴雨洪涝灾害时间为6月15日20∶00—16日10∶00，在16日08∶00—10∶00，奎勒河雨强分别为18.0 mm·h^-1、18.2 mm·h^-1、15.9 mm·h^-1，造成当地18 294人受灾，农作物受灾面积5 176 hm²；持续时间138 h的降水事件发生在锡林郭勒盟东乌珠穆沁旗，起止时间为2017年8月4日16∶00—10日09∶00，灾情出现在8月5日14∶00—20∶00，东乌珠穆沁旗乌里雅斯太镇出现强降水，累积降水量达51.9 mm，其中15∶00的雨强达33.8 mm·h^-1。

图  3  2017—2018年内蒙古不同区域汛期降水事件持续时间箱线图

Figure  3.  Boxplot about hours of precipitation events from 2017 to 2018 during flood season in different areas in Inner Mongolia

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图 4为2017—2018年内蒙古汛期降水事件持续时间空间分布，因有些区域仅发生1次降水事件(持续时间仅有一个值)，为了更清楚看到降水事件持续时间最小值和最大值特征，本文对发生1次和2次或以上的降水事件分别进行研究。从图中可见，内蒙古降水事件出现2次或以上的站点主要分布在阴山以南和大兴安岭以东地区(图 4a、b)，降水事件持续时间最小值在3~46 h (图 4a)，持续时间最大值在10~ 246 h (图 4b)；发生1次的降水事件主要集中在中部地区和东部地区(图 4c)，持续时间在7~138 h。另外，阴山山脉以南降水事件持续时间最大值可达63 h，特别是在大兴安岭东侧降水事件持续时间最大值高达246 h。阴山以南和大兴安岭以东降水事件出现频次相比于山脉的背风坡偏多，持续时间长，雨强大。

图  4  2017—2018年内蒙古汛期发生2次或以上降水事件持续时间最小值(a)、最大值(b)以及发生1次降水事件持续时间(c)的空间分布(单位: h)

Figure  4.  Spatial distribution of (a) minimum duration value and (b) maximum duration value of precipitation events occurred twice or more times, (c) duration value of precipitation events occurred once from 2017 to 2018 during flood season in Inner Mongolia (unit: h)

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5.   降水事件的雨强特征

5.1   雨强最小值和最大值

降水事件中雨强最大值和最小值差称为极差，极差反映了降水量的波动程度（邓兴旺和蔡静菲，1997）。表 1给出2017—2018年内蒙古汛期降水事件雨强极差在各盟(市)的分布，从中可见，雨强极差最大值出现在东部地区，其中兴安盟雨强极差达70.4 mm·h^-1，另外西部地区的包头市雨强极差也较大，达60.6 mm·h^-1；雨强极差最小值主要集中在西部地区和中部地区，其中锡林郭勒盟雨强极差最小，仅为16.0 mm·h^-1。

表  1  2017—2018年内蒙古汛期各地区降水事件雨强最大值、最小值和极差(单位: mm·h^-1)

Table  1.  Maximum, minimum and its differenle value of precipitation intensity of precipitation events from 2017 to 2018 during flood seasonin different regions in Inner Mongolia (unit: mm·h^-1)

区域	盟市	最大值	最小值	极差
内蒙古西部	阿拉善盟	63.3	6.3	57.0
	乌海市	47.0	24.8	22.2
	巴彦淖尔市	53.8	18.0	35.8
	包头市	84.7	24.1	60.6
	鄂尔多斯市	54.8	17.1	37.7
内蒙古中部	呼和浩特市	26.2	26.2	/
	乌兰察布市	44.4	13.4	31.0
	锡林郭勒盟	37.1	21.1	16.0
内蒙古东部	赤峰市	72.9	15.6	57.3
	通辽市	77.7	16.8	60.9
	兴安盟	87.7	17.3	70.4
	呼伦贝尔市	61.5	16.0	45.5
注：“/”表示无。

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内蒙古汛期降水事件雨强最大值和最小值对比可见，雨强最大值高值区出现在东部地区，最大值区间为61.5~87.7 mm，最大值平均为75.0 mm，低值区出现在中部地区，最大值区间为26.2~44.4 mm，最大值平均为35.9 mm；雨强最小值高值区出现在中部地区，最小值区间为13.4~26.2 mm，最小值平均为20.2 mm，低值区出现在东部地区，最小值区间为15.6~17.3 mm，最小值平均为16.4 mm。另外，雨强最大值极值出现在东部地区的兴安盟，为87.7 mm·h^-1。内蒙古东部地区降水事件极差较大，可能与该地区比西部地区和中部地区的降水事件持续时间长有关。

图 5为2017—2018年内蒙古汛期降水事件雨强最大值和雨强最大值出现时间箱线图，从中可见，东部地区多数降水事件雨强最大值箱体区间在20~ 60 mm·h^-1，雨强最大值在一天内均可出现，更集中出现08∶00—20∶00，在14∶00—18∶00最明显；中部地区雨强最大值箱体区间多集中在10~30 mm·h^-1，雨强最大值易出现在12∶00—18∶00，在17∶00更明显；西部地区雨强最大值箱体区间在10~40 mm·h^-1，阿拉善盟、巴彦淖尔市和鄂尔多斯市雨强最大值出现时间在08∶00—18∶00，其中阿拉善盟和巴彦淖尔市在13∶00最明显，鄂尔多斯市在17∶00最明显，乌海和包头市的雨强最大值分别易出现在05∶00和02∶00—08∶00，其中包头市在08∶00最明显。

图  5  2017—2018年内蒙古不同区域汛期降水事件雨强最大值(a)和雨强最大值出现时间(b)箱线图

Figure  5.  Boxplot about (a) maximum value and (b) maximum value occurrence time of precipitation intensity of precipitation events from 2017 to 2018 during flood season in different areas in Inner Mongolia

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5.2   平均雨强最大值

图 6为2017—2018年内蒙古汛期降水事件平均雨强最大值和平均雨强最大值出现时间箱线图，从中可见，平均雨强最大值与雨强最大值表现特征完全不同。西部地区除了鄂尔多斯市平均雨强最大值中位数在5 mm·h^-1左右，其余地区中位数在10~15 mm·h^-1，是降水事件平均雨强高值区；东部地区平均雨强最大值中位数基本在8~12 mm·h^-1，低于西部地区；中部地区平均雨强最大值最小，基本小于10 mm·h^-1 (图 6a)。东部地区平均雨强最大值易出现在白天，更易集中在12:00—17:00；中部地区平均雨强最大值主要集中在16:00—17:00；西部地区平均雨强最大值出现时间同雨强最大值出现时间相似，具有分散、不集中，差异较大的特点，例如，乌海市和包头市分别易出现在05:00和08∶00，阿拉善盟和巴彦淖尔市易出现在11∶00—12∶00，鄂尔多斯市平均雨强最大值与中部地区出现时间较接近，易出现在17∶00 (图 6b)。

图  6  2017—2018年内蒙古不同区域汛期降水事件平均雨强最大值(a)和平均雨强最大值出现时间(b)箱线图

Figure  6.  Boxplot about (a) maximum value and (b) maximum value occurrence time of average precipitation intensityof precipitation events from 2017 to 2018 during flood season in different areas in Inner Mongolia

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可见，内蒙古汛期降水事件雨强最大值和平均雨强最大值日变化特征基本一致，即中部和东部地区雨强(平均雨强)最大值易出现在中午(12∶00)和下午(13∶00—18∶00)，但西部地区易出现在凌晨(05∶00)、早晨(08∶00)、中午(11∶00—13∶00)和傍晚(17∶00)，表明内蒙古汛期降水事件雨强日变化特征具有地域性差异。已有研究表明，中国大陆不同区域的短时强降水日变化具有单峰型、双峰型和持续活跃型等特征，但不同下垫面区域短时强降水日变化的峰值时段、持续时间显著不同(陈炯等，2013)；华北地区夏季短时降水量日峰值出现在傍晚，而长时降水量日峰值出现在凌晨(韩函等，2017)；内蒙古中部偏南地区和东部地区的短时强降水易出现在下午(常煜，2015)。白天地表受到加热，大气不稳定性增加，对流性天气活动增多，引发短时降水的增加(Yu et al., 2007a)，而凌晨降水日峰值主要是持续性降水引起的(Yu et al., 2007b)。这可能是内蒙古西部、中部和东部地区雨强最大值出现时间存在差异的主要原因。

6.   降水事件的阈值

图 7为2017—2018年内蒙古西部、中部和东部地区降水事件累积降水量和时数与雨强双重e指数函数拟合结果，分析可知，中部地区拟合较好，西部地区和东部地区雨强低于30 mm·h^-1拟合较好，但超过30 mm·h^-1偏离程度开始增大，说明西部和东部地区超过30 mm·h^-1的降水事件发生频次明显高于中部地区(图 7a1、b1、c1)。内蒙古西部、中部和东部地区的降水事件发生时数与雨强拟合结果和累积降水量表现特征基本一致(图 7a2、b2、c2)。通过内蒙古各地区降水事件累积降水量拟合方程，西部、中部和东部地区达到降水事件阈值分别为19.6 mm·h^-1、13.2 mm·h^-1和16.6 mm·h^-1。

图  7  2017—2018年内蒙古西部(a₁, a₂)、中部(b₁, b₂)、东部(c₁, c₂)汛期降水事件累积降水量(a₁, b₁, c₁)和时数(a₂, b₂, c₂)双重e指数函数拟合

Figure  7.  Double e-exponential fitting of (a₁, b₁, c₁) cumulative precipitation and (a₂, b₂, c₂) hours of precipitation events in (a₁, a₂) Western Inner Mongolia, (b₁, b₂) Central Inner Mongolia, (c₁, c₂) Eastern Inner Mongolia from 2017 to 2018 during flood season

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同时，对内蒙古西部、中部和东部地区降水事件雨强采用百分位方法计算阈值，得到95百分位阈值分别为13.8 mm·h^-1、10.0 mm·h^-1、14.2 mm·h^-1，结合上述研究结论可知，95百分位阈值比双重e指数方法计算的阈值更接近内蒙古降水事件雨强特征。

7.   结论与讨论

本文分析了2017—2018年内蒙古汛期108例引发暴雨洪涝灾害的降水事件雨强持续性、最大值、日变化等特征，确定了降水事件阈值，得出主要结论如下：

(1) 降水事件高发区在大兴安岭东部，最高达5~6次，其次是阴山山脉以南地区，达3~4次；降水事件在东部地区持续时间最长，其次是中部地区，降水事件持续时间最大值出现在东部地区的赤峰市，达246 h。

(2) 降水事件雨强最大值和最小值均出现在东部地区，极差最高可达70.4 mm·h^-1，西部和中部地区雨强最大值较接近，且中部地区雨强极差最小，为16.0 mm·h^-1；降水事件平均雨强最大值出现在西部地区，最小值出现在中部地区。

(3) 降水事件日变化特征具有地域性差异，特别是西部地区雨强(平均雨强)最大值出现时间具有分散、不集中、差异较大的特点，且易出现在凌晨、早晨、中午和傍晚，中部和东部地区易出现在中午和下午。

(4) 利用双重e指数函数拟合与百分位方法计算结果对比分析得出，西部、中部和东部地区降水事件阈值分别为13.8 mm·h^-1、10.0 mm·h^-1和14.2 mm·h^-1。

本文得到2017—2018年内蒙古汛期108例引发暴雨洪涝灾害的降水事件雨强持续性、日变化等特征，但关于造成降水事件天气尺度、中小尺度影响系统配置以及不同影响系统与怎样的环境因素(下垫面、地形等) 易形成洪涝灾害，以及如何利用高分辨率监测资料提高暴雨预报准确率与预警时间提前量，尚有待研究。