蘇軍鋒，張 鋒，黃玉霞，劉 麗，張秋瑜，魏清霞，張 燕

(1.甘肅省隴南市氣象局，甘肅 武都 746000；2.蘭州中心氣象臺，甘肅 蘭州 730020 )

引 言

短時強降水作為強對流天氣的一種類型，常與雷暴大風、冰雹等天氣同時出現(xiàn)，在地質(zhì)環(huán)境脆弱的地區(qū)，容易誘發(fā)泥石流、山洪、滑坡等地質(zhì)災害[1]。短時強降水往往由中小尺度天氣系統(tǒng)造成，具有發(fā)展速度快，局地性強等特點，其降水落區(qū)、強度、量級的預報預警一直是預報的難點[2-4]。甘肅省隴南市地處秦巴山區(qū)，境內(nèi)溝壑縱橫，地形復雜，是甘肅省降水最多、短時強降水最多的地區(qū)之一，每年因暴雨和短時強降水引發(fā)的暴洪、泥石流、滑坡等災害給全市造成巨大的生命和財產(chǎn)損失，如2017年8月7日隴南市暴雨天氣過程中，文縣出現(xiàn)的短時強降水造成8人死亡[5]；2020年8月隴南市持續(xù)暴雨和短時強降水天氣過程造成全市直接經(jīng)濟損失達221.08億元(1)隴南市應急管理局. 隴南市應急管理局災情信息第49期,2020.。因此，有關隴南市短時強降水的預報預警研究對防災減災工作有重要意義。

近年來，很多氣象工作者從氣候特征、環(huán)流背景、對流參數(shù)特征、中尺度概念模型以及監(jiān)測預警及指標等方面對短時強降水進行了深入研究。如DOSWELL等[6]研究指出大多數(shù)短時強降水都是對流性強降水，預報時首先要理解產(chǎn)生強降水的物理機制所需的條件；俞小鼎[7]指出短時強降水的預報預警要注重雨強和降水持續(xù)時間。有利的大尺度環(huán)流背景是產(chǎn)生短時強降水的重要原因[2]，在分析短時強降水的極端性時，加密自動氣象觀測站的數(shù)據(jù)更具有優(yōu)越性[8]。另外基于“配料法”的中尺度概念模型分類廣泛用于我國強對流天氣預報業(yè)務中[9-12]。

西北地區(qū)強對流天氣基本形勢配置分為高空冷平流強迫、低層暖平流強迫、斜壓鋒生等3類，其中低層暖平流強迫類以短時強降水為主[13]；西北地區(qū)東部短時強降水分為低渦型、低槽型、兩高切變型和西南氣流型4類[11]。針對甘肅省短時強降水的時空分布特征及短時強降水環(huán)境參數(shù)特征開展了很多研究，同時總結(jié)出不同區(qū)域短時強降水的水汽、能量、不穩(wěn)定條件、特殊高度、雷達特征量等預警指標[14-17]。

由于各地氣候背景的獨特性，因此短時強降水的時空分布、量級特征、形成機制以及環(huán)境參數(shù)等也有地域性，如我國中東部暖季不同量級的短時強降水所需的環(huán)境參數(shù)條件不同[18]。甘肅省隴南市出現(xiàn)短時強降水較多，但利用區(qū)域氣象站資料對該區(qū)域短時強降水的研究較少[19-20]。因此本文利用國家氣象站和區(qū)域氣象站資料，對隴南市短時強降水時空分布特征、中尺度概念模型、環(huán)境參數(shù)以及短時強降水和暴雨的關系進行分析，以期為隴南市短時強降水預報預警服務提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

利用甘肅省隴南市1960—2019年9個國家氣象站和2008—2019年逐年建成的400個區(qū)域氣象站(圖1)4—9月的逐時降水數(shù)據(jù)，對隴南市短時強降水及暴雨時空分布特征進行分析，資料來源于甘肅省氣象局信息中心和隴南市氣象局。降水數(shù)據(jù)通過極值控制、時間連續(xù)性、內(nèi)部一致性[21]檢查，并綜合考慮數(shù)據(jù)完整性、代表性和時間長度等因素，確保數(shù)據(jù)可靠。利用2000—2019年NCEP FNL再分析資料(分辨率為1°×1°)和MICAPS資料，對2000—2019年隴南市短時強降水天氣過程進行天氣學環(huán)流形勢和中尺度分析，建立隴南市短時強降水的中尺度環(huán)境條件配置概念模型。

圖1 甘肅省隴南市國家氣象站和區(qū)域氣象站點分布Fig.1 Distribution of national meteorological stations and regional meteorological stations in Longnan of Gansu Province

文中附圖涉及地圖從MICAPS4地圖數(shù)據(jù)中提取，MICAPS4地圖數(shù)據(jù)為中國氣象局從國家測繪地理信息局獲得，審圖號為GS(2019)3082，底圖無修改。

按照降水量等級標準[22]，定義前一日20:00(北京時，下同)至當日20:00或當日08:00至次日08:00累計降水量大于等于50.0 mm為一次暴雨，其中把08:00至次日08:00和前一日20:00至當日20:00累計降水量為同一時段的暴雨只記作一次暴雨，24 h內(nèi)1站次及以上國家氣象站或10站次及以上區(qū)域氣象站出現(xiàn)暴雨記為一次暴雨天氣過程；雨強R≥20.0 mm·h-1為一次短時強降水，24 h內(nèi)2站次及以上國家氣象站或10站次及以上區(qū)域氣象站出現(xiàn)短時強降水記為一次短時強降水天氣過程。

由于國家氣象站和區(qū)域氣象站建成年份不同，為充分利用資料并突出局地性，采用時間平均和區(qū)域平均法處理站點數(shù)據(jù)起止時間不一致以及站點數(shù)不一致的問題。時間平均是指某站短時強降水(暴雨)發(fā)生的總次數(shù)除以該站的時間序列(年)長度，記為該站短時強降水(暴雨)的發(fā)生頻次，用于分析短時強降水(暴雨)的空間分布；區(qū)域平均是指某年短時強降水(暴雨)發(fā)生的總次數(shù)除以該年現(xiàn)有的總氣象站點數(shù)，記為該年短時強降水(暴雨)的發(fā)生站次，用于分析短時強降水(暴雨)的年際變化。此外，統(tǒng)計分析20.0≤R<30.0 mm·h-1、30.0≤R<50.0 mm·h-1、R≥50.0 mm·h-1三個等級短時強降水的旬月變化特征，并對隴南市短時強降水和暴雨之間的關系進行初步探討。

2 短時強降水空間分布

2.1 雨強極值分布

經(jīng)統(tǒng)計，1960—2019年隴南市409個氣象站中有372個站點出現(xiàn)短時強降水，共出現(xiàn)2373站次。圖2為1960—2019年4—9月甘肅隴南市短時強降水雨強極值分布?？梢钥闯?，隴南市短時強降水雨強極值介于20.2～102.3 mm·h-1之間，主要集中在30.0～50.0 mm·h-1，各縣都有出現(xiàn)。短時強降水雨強極值在50.0 mm·h-1以上的多發(fā)生在隴南市東部的成縣、徽縣和康縣，100.0 mm·h-1以上的只有1站次，發(fā)生在2011年7月3日康縣店子鄉(xiāng)。 短時強降水雨強極值的分布可為后期短時強降水量級預報提供一定參考。

圖2 1960—2019年4—9月甘肅隴南市短時強降水雨強極值分布(單位：mm·h-1)Fig.2 Distribution of precipitation intensity extreme value of short-time heavy rainfall processes in Longnan of Gansu Province from April to September during 1960-2019 (Unit: mm·h-1)

2.2 空間分布

圖3為1960—2019年4—9月甘肅隴南市短時強降水和暴雨發(fā)生頻次的空間分布?？梢钥闯鲭]南市大部分地區(qū)短時強降水發(fā)生頻次小于1次[圖3(a)]，整體上東南部多于西北部，存在2個相對集中區(qū)，一個是康縣南部、武都南部和文縣東南部，短時強降水發(fā)生頻次均在2次以上；另一個是徽成盆地(徽縣和成縣低海拔地區(qū))，均在1.5次以上。武都區(qū)佛堂溝橄欖園區(qū)域站短時強降水發(fā)生頻次最高，達3.2次；禮縣、西和縣、宕昌縣短時強降水發(fā)生頻次大于1.5次的地區(qū)較分散，說明短時強降水具有局地性。

圖3 1960—2019年4—9月甘肅隴南市短時強降水(a)和暴雨(b)發(fā)生頻次的空間分布(單位：次)Fig.3 The distribution of annual occurrence frequency of short-time heavy precipitation (a) and rainstorm (b) in Longnan of Gansu Province from April to September during 1960-2019 (Unit: times)

隴南市暴雨自西北向東南有明顯的梯度變化[圖3(b)]，暴雨主要集中在隴南市東部和南部，暴雨發(fā)生頻次大于1次，9個國家氣象站中文縣站暴雨發(fā)生頻次最少為0.1次，康縣南部、武都南部以及文縣東南部普遍大于1.5次，其中武都裕河鎮(zhèn)暴雨發(fā)生頻次最多，達3.5次，宕昌、禮縣、西和以及武都、文縣的部分地區(qū)暴雨發(fā)生頻次不到0.5次，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)未出現(xiàn)過暴雨天氣?？梢姡]南市短時強降水和暴雨都是東南部偏多，高頻區(qū)都集中在康縣南部、武都南部和文縣東南部，另外隴南市西北山地局部地區(qū)短時強降水頻次也較高，說明隴南市短時強降水與暴雨的高頻區(qū)域不完全一致。隴南市短時強降水分布與地形有重要聯(lián)系，其中康縣南部、武都南部和文縣東南部、西北側(cè)都為山脈，經(jīng)四川盆地北上的偏南氣流受山脈阻擋，在迎風坡受地形強迫抬升有利于降水產(chǎn)生；徽成盆地三面環(huán)山，特殊地形有利于冷空氣與西南暖濕氣流在此交匯，形成較強降水。

3 短時強降水時間分布

3.1 年際變化

圖4為1960—2019年4—9月甘肅隴南市短時強降水發(fā)生站次的年際變化?？梢钥闯?，1960年以來隴南市短時強降水發(fā)生站次有多個峰值，1966、1970、1977、1990、2013、2018年短時強降水較多，1989年和2004年未出現(xiàn)短時強降水。從線性趨勢來看，隴南市短時強降水整體呈緩慢增加趨勢，但2014—2016年短時強降水發(fā)生站次持續(xù)偏少，這與天氣氣候背景有一定聯(lián)系。

圖4 1960—2019年4—9月甘肅隴南市短時強降水發(fā)生站次的年際變化Fig.4 The inter-annual variation of stations occurring short-time heavy precipitation in Longnan of Gansu Province from April to September during 1960-2019

3.2 月際變化

圖5為1960—2019年4—9月甘肅隴南市不同等級短時強降水發(fā)生站次的逐月和逐旬變化?？梢钥闯觯?—9月隴南市短時強降水發(fā)生站次呈單峰型，4月開始逐漸增加，到8月達到最大，9月急劇減少，其中8月短時強降水發(fā)生站次占總站次的37.5%，7月占29.8%，說明隴南短時強降水主要出現(xiàn)在7月和8月。這是由于從7月開始，西太平洋副熱帶高壓(簡稱“副高”)逐漸北抬，副高西側(cè)偏南暖濕氣流與北方南下的冷空氣在甘肅東南部交綏，伴有中小尺度天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展，所以該時段短時強降水顯著增多。20.0≤R<30.0 mm·h-1、30.0≤R<50.0 mm·h-1、R≥50.0 mm·h-1三個等級短時強降水發(fā)生站次的月際變化和短時強降水發(fā)生總站次的月際變化基本一致。另外4—9月20.0≤R<30.0 mm·h-1的短時強降水發(fā)生站次最多，占短時強降水總站次的74.3%，R≥50.0 mm·h-1的短時強降水發(fā)生站次最少，僅占3.3%。

圖5 1960—2019年4—9月甘肅隴南市不同等級短時強降水發(fā)生站次的逐月(a)和逐旬(b)變化Fig.5 Monthly (a) and ten-day (b) variation of stations occurring short-time heavy precipitation with different grades in Longnan of Gansu Province from April to September during 1960-2019

1960—2019年4—9月甘肅隴南市短時強降水發(fā)生站次的逐旬變化呈雙峰型，第一峰值出現(xiàn)在7月上旬，第二峰值出現(xiàn)在8月上旬，但7月下旬和8月中旬的短時強降水發(fā)生站次明顯高于7月上旬的第一峰值，可見隴南市短時強降水主要集中在7月下旬、8月上旬和8月中旬，分別出現(xiàn)357、416和348站次，占總站次的47.2%。這3旬20.0≤R<30.0 mm·h-1、30.0≤R<50.0 mm·h-1、R≥50.0 mm·h-1三個等級的短時強降水發(fā)生站次明顯高于其他旬，其中8月中旬R≥50.0 mm·h-1的短時強降水發(fā)生站次最多。這種變化與副高的位置有密切關系，7月上旬前，副高還未西伸北抬，短時強降水多由冷空氣影響下的局地強對流天氣形成。7月上旬，副高北跳至25°N，但西伸并不明顯，隴南市處于副高外圍偏南的暖濕氣流控制中，使7月上旬短時強降水增加；7月下旬至8月上旬，副高再次北跳，隴南市受副高外圍西南氣流控制，西南暖濕氣流為隴南市短時強降水的發(fā)生提供了良好的水汽和能量，在中高緯東移南下冷空氣或低槽、低渦等有利的觸發(fā)條件下更容易形成短時強降水。

3.3 日變化

圖6為1960—2019年4—9月甘肅隴南市不同等級短時強降水發(fā)生站次的日變化?？梢钥闯觯]南市短時強降水夜間明顯多于白天，下午多于上午，前半夜多于后半夜，且呈現(xiàn)出多峰特征。短時強降水從15:00開始明顯增加，集中出現(xiàn)在19:00—23:00，其中23:00出現(xiàn)站次最多(224站次)，占總站次的9.4%，21:00次之(208站次)。其原因主要是午后到傍晚地面受太陽輻射加熱作用，近地面層形成絕對不穩(wěn)定狀態(tài)，在有利的觸發(fā)條件下形成對流性天氣，如果水汽條件較好，很容易形成短時強降水。另外，韓寧等[23]指出陜甘寧短時強降水夜間多發(fā)與特殊地形下的山風環(huán)流有重要關系，隴南市境內(nèi)河流、盆地、山巒交錯，在夜間很容易形成局地山風環(huán)流，低層暖濕空氣抬升觸發(fā)白天累積的不穩(wěn)定能量釋放，產(chǎn)生對流性降水，導致短時強降水增加，這也是隴南市短時強降水在夜間達到峰值的另一個重要原因。

圖6 1960—2019年4—9月甘肅隴南市不同等級短時強降水發(fā)生站次的日變化Fig.6 Diurnal variations of stations occurring short-time heavy precipitation with different grades in Longnan of Gansu Province from April to September during 1960-2019

4 短時強降水與暴雨的關系

暴雨與短時強降水既有聯(lián)系又有區(qū)別，暴雨天氣過程中大多會存在短時強降水，而短時強降水也往往會形成暴雨，在時間尺度上短時強降水側(cè)重降水強度，暴雨則側(cè)重累計降水[24]。暴雨過程中不一定會出現(xiàn)短時強降水，但持續(xù)性或間歇性的短時強降水能形成暴雨甚至大暴雨，因為大多數(shù)暴雨往往是由天氣尺度系統(tǒng)中若干中小尺度系統(tǒng)產(chǎn)生的[25]。對2000—2019年4—9月隴南市暴雨天氣過程(73次)和短時強降水天氣過程(65次)出現(xiàn)的日期進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)39次短時強降水天氣過程和暴雨天氣過程是同一天，占總暴雨天氣過程的53.4%，說明短時強降水對暴雨的貢獻率達一半以上，剩余26次短時強降水過程則多為局地性分散的對流性短時強降水，降水累積量未達到暴雨，另外34次暴雨天氣過程則為系統(tǒng)性降水，雨勢平緩，對流性不強，降水時間持續(xù)較長，其間短時強降水出現(xiàn)站次較少，沒達到本文短時強降水天氣過程的標準。

5 短時強降水中尺度概念模型及環(huán)境參數(shù)特征

利用NCEP FNL再分析資料和MICAPS資料對2000—2019年4—9月隴南市短時強降水天氣過程進行天氣學環(huán)流形勢和中尺度分析，將隴南市65次短時強降水天氣過程主要分為低渦切變型23次(占35.4%)、西北氣流低槽型19次(占29.2%)、副高外圍西南氣流型17次(26.2%)3類，還有6次(占9.2%)為兩高切變型、高壓內(nèi)部型等個例較少，不作具體分析及分型。另外低渦切變型中包括低渦和副高外圍西南氣流共同影響下的短時強降水天氣過程，但副高外圍西南氣流型中不包括中低層存在低渦的短時強降水天氣過程。圖7為2000—2019年4—9月甘肅隴南市短時強降水中尺度概念模型。

低渦切變型短時強降水主要出現(xiàn)在7月和8月，其中8月居多。500 hPa多為高原槽(切變線)或西風帶短波槽，槽后有弱冷空氣，700 hPa和850 hPa甘肅河東有明顯的低渦及切變線，有時500 hPa河套地區(qū)或甘肅河東也有低渦存在，槽后冷空氣與中低層的西南暖濕空氣交綏，形成較大范圍的短時強降水，同時西南氣流向隴南地區(qū)輸送充足的水汽和能量[圖7(a)]。從中尺度環(huán)境場配置來看，該類型短時強降水整層濕度條件較好，大氣可降水量在30 mm以上，700 hPa比濕在10～12 g·kg-1之間，有時可達14 g·kg-1以上，850 hPa比濕在12 g·kg-1以上，700 hPa和850 hPa有強烈的水汽通量輻合，水汽通量散度可達-2×10-6kg·hPa-1·m-2·s-1，局地能達到-3×10-6kg·hPa-1·m-2·s-1左右。CAPE值相對不大，在100～500 J·kg-1之間。中低層渦度、垂直速度都較大，有強烈的輻合上升運動。該類型短時強降水出現(xiàn)在低渦、切變線右前側(cè)，低層西南氣流的左側(cè)。

西北氣流低槽東移型主要出現(xiàn)在5月和6月。500 hPa從內(nèi)蒙古中部沿河套地區(qū)到甘肅南部有一低槽，700 hPa對應也有低槽或切變線，高度槽后有明顯的溫度槽，冷空氣較強，多陣性對流性降水[圖7(b)]。從中尺度環(huán)境場配置來看，低層水汽條件較好，700 hPa比濕在6～8 g·kg-1之間，有時可達到10 g·kg-1，整層大氣可降水量在25 mm以上，700 hPa有較強的水汽輻合，水汽通量散度在-1×10-6kg·hPa-1·m-2·s-1左右，CAPE值在100～1000 J·kg-1之間，但700 hPa和300 hPa溫度差(T700-300)及假相當位溫(θse)較大，同時抬升指數(shù)LI≤-1 ℃，有較強的不穩(wěn)定能量及潛勢，地面上有冷鋒或地面輻合線。受低槽后較強冷平流影響，短時強降水主要在低槽(切變線)附近，沿著冷空氣的移動自西北向東南移動，切變線附近常伴隨雷暴和冰雹等強對流天氣。

副高外圍西南氣流型主要出現(xiàn)在8月，該形勢下500 hPa主要有副高存在，隨著副高西伸北抬，沿副高外圍(588 dagpm線或584 dagpm線)西南氣流加強，同時高原槽或西風槽后有冷空氣下滑，700 hPa和850 hPa有切變線和低空急流存在。在地面輻合線、切變線以及低空急流的共同作用下，形成短時強降水[圖7(c)]。從中尺度環(huán)境場配置來看，副高外圍西南氣流型水汽和不穩(wěn)定能量條件都很好，大氣可降水量在30 mm以上，隴南市東南部達35 mm以上，700 hPa比濕在12 g·kg-1以上，同時從四川到隴東沿副高外圍有一條強烈的水汽通量輻合帶，水汽通量散度達-2×10-6kg·hPa-1·m-2·s-1。另外在副高外圍西南氣流輸送的暖濕氣流影響下CAPE值較大(1000 J·kg-1以上)，導致短時強降水的強度相對較強。該類型中短時強降水主要沿副高外圍呈東北—西南向帶狀分布，短時強降水主要集中在隴南市的東南部。

圖7 2000—2019年4—9月甘肅隴南市短時強降水中尺度概念模型(a)低渦切變型，(b)西北氣流低槽型，(c)副高外圍西南氣流型Fig.7 Mesoscale conceptual models of short-time heavy precipitation in Longnan of Gansu Province from April to September during 2000-2019(a) the pattern of low vortex shear, (b) the pattern of northwest air flow following the trough moving eastward,(c) the pattern of southwest air flow beside the sub-tropical high

6 結(jié) 論

(1)隴南市短時強降水發(fā)生頻次東南部多于西北部，從西北向東南明顯增加，短時強降水發(fā)生頻次存在2個相對集中區(qū)，一個是康縣南部、武都南部和文縣東南部，另一個是徽成盆地；隴南市短時強降水雨強極值介于20.2～102.3 mm·h-1，雨強大于50 mm·h-1的短時強降水主要集中在隴南市東部的成縣、徽縣和康縣。短時強降水與暴雨發(fā)生頻次的空間分布都是東南部偏多，另外隴南市西北山地局部地區(qū)短時強降水頻次也較多，這與隴南市特殊地形有關。

(2)隴南市年短時強降水的發(fā)生站次存在明顯波動，整體呈增加趨勢。月際變化呈單峰型，8月最大，占總站次的37.5%，7月次之，占29.8%。20.0≤R<30.0 mm·h-1、30.0≤R<50.0 mm·h-1、R≥50.0 mm·h-1三個等級短時強降水發(fā)生站次的月際變化和短時強降水發(fā)生總站次的月際變化基本一致。短時強降水發(fā)生站次的旬變化呈雙峰型，分別出現(xiàn)在7月上旬和8月上旬，7月下旬至8月中旬短時強降水發(fā)生站次最多，占47.2%。這種變化與副高北跳和西伸的時間、位置有關。隴南市夜間短時強降水發(fā)生站次明顯多于白天，且有多個峰值。短時強降水從午后開始明顯增加，主要集中在19:00—23:00，且23:00最多，占總站次的9.4%。這種日變化特征與午后至傍晚地面受太陽輻射加熱和夜間特殊地形下局地山風環(huán)流形成對流性降水有關。

(3)短時強降水和暴雨天氣過程有重要聯(lián)系，對比2000—2019年隴南市暴雨(73次)和短時強降水(65次)天氣過程，其中39次發(fā)生在同一天，短時強降水對暴雨的貢獻率達53.4%。

(4)從環(huán)流形勢和中尺度物理量特征入手，建立了低渦切變型、西北氣流低槽東移型、副高外圍西南氣流型三類中尺度概念模型，其中低渦切變型短時強降水出現(xiàn)在低渦、切變線右前側(cè)，低層西南氣流的左側(cè)；西北氣流低槽東移型主要受低槽后較強冷平流影響，短時強降水主要在低槽、切變線附近；副高外圍西南氣流型短時強降水沿副高外圍呈東北—西南向帶狀分布。