青藏高原東北側(cè)短時強降水閾值確定及特征分析

楊振鑫，祁 萍，孫 磊，崔小平，趙月蘭

(1.甘肅省和政縣氣象局，甘肅 和政 731200；2.甘肅省臨夏回族自治州氣象局，甘肅 臨夏 731100；3.甘肅省永靖縣氣象局， 甘肅 永靖 731600)

引 言

短時強降水由強對流天氣系統(tǒng)造成，其空間尺度小、持續(xù)時間短、突發(fā)性強、雨勢兇猛、破壞力大，易引發(fā)山洪、泥石流和山體滑坡等嚴(yán)重自然災(zāi)害。甘肅省臨夏回族自治州(以下簡稱“臨夏州”)地處青藏高原與黃土高原的過渡區(qū)域，是青藏高原東北側(cè)最具代表性的邊坡地區(qū)之一；境內(nèi)短時強降水天氣發(fā)生頻率高、破壞性強、影響程度嚴(yán)重，是甘肅省自然災(zāi)害發(fā)生最頻繁且受災(zāi)嚴(yán)重的地區(qū)之一。2007年8月25日臨夏州出現(xiàn)短時強降水引發(fā)洪澇災(zāi)害，造成5個縣(市)25個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))9.74萬人受災(zāi)，因災(zāi)死亡5人，受傷2人，直接經(jīng)濟損失約0.43億元；2018年7月18日臨夏州出現(xiàn)大范圍短時強降水天氣，造成6個縣(市)76個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))13.23萬人受災(zāi)，短時強降水引發(fā)山洪、泥石流等自然災(zāi)害造成死亡、失蹤16人，受傷45人，直接經(jīng)濟損失約5.89億元。由短時強降水引發(fā)的洪澇災(zāi)害是影響臨夏州經(jīng)濟社會發(fā)展的主要氣象災(zāi)害，直接危害人民群眾生命財產(chǎn)安全。因此，研究臨夏州短時強降水的發(fā)生發(fā)展規(guī)律對該地區(qū)氣象防災(zāi)減災(zāi)工作具有重要意義。

近年來，短時強降水一直是國內(nèi)外關(guān)注的重要天氣之一[1-2]，國內(nèi)基于地面觀測加密氣象數(shù)據(jù)，應(yīng)用天氣雷達、衛(wèi)星及風(fēng)廓線儀探測資料對短時強降水的環(huán)流分型[3-4]及其發(fā)生、發(fā)展規(guī)律[5-6]進行了研究并建立了短時強降水概念模型[7-9]，提取出物理特征量[10]。同時有研究利用線性趨勢分析短時強降水的氣候特征，借助L-矩的參數(shù)評估方法[11-13]研究短時強降水過程。

目前，關(guān)于青藏高原東北側(cè)臨夏州短時強降水的研究主要散見于西北地區(qū)短時強降水研究[14-15]中，這些研究對認(rèn)識臨夏州短時強降水天氣過程具有重要意義，但對臨夏州短時強降水閾值標(biāo)準(zhǔn)的界定及其發(fā)生發(fā)展規(guī)律的研究甚少，臨夏州短時臨近天氣預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)中尚無統(tǒng)一的短時強降水定義標(biāo)準(zhǔn)。因此，本文利用臨夏州6個自動氣象站逐日小時降水量資料，確定短時強降水閾值標(biāo)準(zhǔn)，進而對臨夏州短時強降水時空分布特征及其變化規(guī)律進行分析，以期為本地短時強降水預(yù)報預(yù)警服務(wù)及氣象災(zāi)害防御工作提供參考。

1 研究區(qū)概況、資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

臨夏州(34°57′N—36°12′N、102°41′E—103°40′E)總面積8169 km2，地處青藏高原東北側(cè)邊坡地帶，受積石山、太子山山系影響，地形為西南部高、東北部低的傾斜盆地，海拔高度為1563～4636 m，從北到南有永靖、東鄉(xiāng)、臨夏、廣河、和政和康樂6個國家氣象觀測站。

1.2 資 料

所用資料為6個國家氣象觀測站2006—2018年4—9月逐日小時降水量(大于等于0.1 mm)，數(shù)據(jù)源自甘肅省氣象局?jǐn)?shù)據(jù)質(zhì)量控制室提供的國家氣象觀測站地面報表A文件，該數(shù)據(jù)通過了氣象部門統(tǒng)一使用的“地面氣象測報業(yè)務(wù)軟件(OSSMO 2004)、自動氣象站數(shù)據(jù)質(zhì)量控制(CDQC)”和“A文件質(zhì)量檢查軟件”、“省級審核規(guī)則庫”的質(zhì)量檢查、邏輯性檢查和時間、空間一致性檢查。文中涉及地圖基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為甘S(2011)26的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改。

1.3 方 法

采用傳統(tǒng)排序法、Z指數(shù)法、平方根變換法分別計算臨夏州各站短時強降水閾值,通過比較分析閾值的穩(wěn)定性。

1.3.1 閾值離散度

中國氣象局《短時臨近天氣預(yù)報業(yè)務(wù)規(guī)定》(1)中國氣象局辦公室〔2017〕32號文件.中短時強降水定義為小時降水量達到或超過20.0 mm，新疆、西藏、青海、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古6省(區(qū))氣象局可自行定義短時強降水標(biāo)準(zhǔn)。目前，臨夏州短時臨近天氣業(yè)務(wù)尚無統(tǒng)一的短時強降水定義標(biāo)準(zhǔn)，本文選擇閾值法[16-17]定義臨夏州各站短時強降水標(biāo)準(zhǔn)。在確定短時強降水閾值時必須保證不同時段內(nèi)閾值的穩(wěn)定性，按照極端氣候事件的閾值確定要求，需判別某氣候階段閾值的平均值是否具有代表性，逐年計算閾值的平均值是否穩(wěn)定，用離散系數(shù)Cv[17]對其度量，公式如下：

(1)

1.3.2 閾值計算方法

確定短時強降水閾值的方法有多種，為克服傳統(tǒng)計算短時強降水閾值方法的弊端，更好地評估臨夏州短時強降水閾值的穩(wěn)定性，選擇傳統(tǒng)排序法、Z指數(shù)法、平方根變換法[18]進行閾值計算。

傳統(tǒng)排序法：將統(tǒng)計時段內(nèi)所有的降水?dāng)?shù)據(jù)，按升序排列，得到x1，x2,…，xn，則百分位數(shù)為

x=(1-α)xj+αxj+1

(2)

式中：j為逐日有效降水量按升序排列后的序號，j=[p(n+1)] ，p為百分位值對應(yīng)的概率，方括號表示數(shù)值取整；α=p(n+1)-j。

Z指數(shù)法：Z指數(shù)轉(zhuǎn)換方法又叫正態(tài)變換法，Z指數(shù)變換公式如下：

(3)

確定降水量閾值時，需要把對應(yīng)的Z指數(shù)反變換為降水量，公式如下：

(4)

由于Z指數(shù)遵從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布百分位的Z指數(shù)值(查表取0.90、0.95、0.99對應(yīng)的Z指數(shù)值分別為1.28、1.64和2.33)，根據(jù)公式(4)計算得到對應(yīng)的降水量。

平方根變換法：

(5)

式中：xi為降水量值。由于變換后的變量遵從一般正態(tài)分布，還需再作標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變換，然后類似Z指數(shù)法，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布百分位的標(biāo)準(zhǔn)化值，計算得到變換后的值，進一步變換為一般正態(tài)分布的值，再對變換后的值求平方，即可得到對應(yīng)的降水量閾值。

2 閾值的確定及空間分布

按照3種閾值確定方法分別計算臨夏州各站2006—2018年4—9月短時強降水閾值和離散度(表1)。3種方法計算得到的同一百分位閾值差異較大，且隨著百分位的增大，這種差異有增大趨勢，傳統(tǒng)排序法和平方根變換法在90、95、99百分位閾值差異最小，Z指數(shù)法差異最大。閾值穩(wěn)定性隨百分位的增大均有所減小，傳統(tǒng)排序法和Z指數(shù)法計算的90、95、99百分位閾值離散度較大，穩(wěn)定性差，平方根變換法計算的離散度較小。因此，根據(jù)閾值確定原則，將平方根變換法作為計算臨夏州短時強降水閾值的主要方法。

表1 3種方法計算的臨夏州各站短時強降水百分位閾值和離散度

根據(jù)平方根變換法計算的臨夏州各站短時強降水90和99百分位閾值，分析短時強降水空間分布?？梢钥闯?，短時強降水閾值空間分布均表現(xiàn)為中南部大、西北和東南部小。短時強降水90和99百分位閾值中心均出現(xiàn)在臨夏州南部的和政縣，分別為16.7和44.4 mm·h-1；低閾值均出現(xiàn)在北部的永靖縣，分別為11.2和31.5 mm·h-1。臨夏州地處青藏高原東北側(cè)邊坡地帶，受積石山、太子山山系影響，從偏北入侵的冷空氣和偏東輸送的暖濕氣流均被明顯阻擋抬升且產(chǎn)生強烈的上升運動，對本地短時強降水具有顯著的增強效應(yīng)；劉家峽水庫位于北部的永靖縣和東鄉(xiāng)縣境內(nèi)，水庫集水面積達130.0 km2，這對局地氣候可能有一定影響。另外，90和99百分位閾值均低于氣象部門常用的1 h短時強降水量20.0 mm和24 h暴雨預(yù)警值50.0 mm， 閾值的高低反映本地降水強度的大小，既體現(xiàn)出臨夏州降水量南北差異的特點，同時也說明對短時強降水閾值定義的合理性。在實際業(yè)務(wù)中將90百分位閾值作為預(yù)警雨量，95百分位閾值作為警示雨量，99百分位閾值作為警戒雨量。綜上所述，定義臨夏州各站90百分位閾值作為短時強降水標(biāo)準(zhǔn)較為合理，通過計算各站閾值平均值，確定臨夏州短時強降水閾值標(biāo)準(zhǔn)為14.6 mm·h-1。

3 短時強降水時空變化

根據(jù)臨夏州短時強降水閾值標(biāo)準(zhǔn)，獲取臨夏州各站2006—2018年4—9月小時降水量大于等于14.6 mm的所有時次與站點，對該數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制，保證某站點小時降水量大于等于14.6 mm，同時至少有2個站點出現(xiàn)有效降水量(大于等于0.1 mm)，記該站點出現(xiàn)一次短時強降水。

3.1 空間變化

圖1為臨夏州2006—2018年4—9月短時強降水累計出現(xiàn)頻次空間分布?？梢钥闯?，臨夏州短時強降水累計出現(xiàn)頻次中部地區(qū)多、西北和東南少，位于中部地區(qū)的臨夏市短時強降水累計出現(xiàn)頻次最多為20次，年平均1.5次；位于北部地區(qū)的永靖縣累計出現(xiàn)頻次最少為8次，年平均0.6次；而其他地區(qū)短時強降水累計出現(xiàn)頻次為15～18次。由此可見，北部干旱山區(qū)[19-20]短時強降水出現(xiàn)次數(shù)較少，而中南部川塬區(qū)和高寒陰濕區(qū)短時強降水出現(xiàn)次數(shù)相對集中，短時強降水多集中在中南部川塬區(qū)的特征與臨夏特殊地形的強迫抬升作用以及城市熱島效應(yīng)有關(guān)[21]。

圖1 臨夏州2006—2018年4—9月短時強降水累計出現(xiàn)頻次空間分布(單位：次)

3.2 時間變化

3.2.1 年際變化

圖2為臨夏州2006—2018年4—9月短時強降水累計出現(xiàn)頻次年際變化?？梢钥闯觯虝r強降水年平均出現(xiàn)次數(shù)為7.3次，2018年累計出現(xiàn)頻次最多，平均每站3.8次，2011年未出現(xiàn)短時強降水。2009—2014年短時強降水累計出現(xiàn)頻次呈對稱分布，且除2012年外均低于歷年平均值；2015年以來臨夏州短時強降水累計出現(xiàn)頻次呈增加趨勢。

圖2 臨夏州2006—2018年4—9月短時強降水累計出現(xiàn)頻次年際變化

3.2.2 月際變化

圖3為臨夏州2006—2018年4—9月短時強降水累計出現(xiàn)頻次和1 h最大降水量逐月變化?？梢钥闯?， 4月開始出現(xiàn)短時強降水，隨后呈逐月增加趨勢，8月短時強降水累計出現(xiàn)頻次最多(53次)，隨后呈下降趨勢。短時強降水主要出現(xiàn)在7—8月。小時最大降水量呈逐月增加趨勢，8月1 h最大降水量為55.8 mm。究其原因可能與中小尺度對流系統(tǒng)有關(guān)，臨夏州位于青藏暖高壓前部，夏季炎熱干燥，近地面氣溫高，在高空西北氣流引導(dǎo)下冷空氣入侵，冷暖空氣交匯致使大氣層結(jié)擾動處于不穩(wěn)定狀態(tài)，造成強烈的對流性天氣，容易出現(xiàn)短時強降水。

圖3 臨夏州2006—2018年4—9月短時強降水累計頻次和1 h最大降水量月際變化

3.2.3 日變化

圖4為臨夏州2006—2018年4—9月短時強降水累計出現(xiàn)頻次日變化和1 h最大降水量。可以看出，臨夏州短時強降水累計出現(xiàn)頻次日變化呈4峰分布，18：00—23：00(北京時，下同)存在2個峰值，2個次峰出現(xiàn)在01：00和16：00。從13：00開始短時強降水出現(xiàn)頻次逐漸增加至次日06：00，短時強降水累計出現(xiàn)頻次占總頻次的97.8%；最大短時強降水主要集中在18：00—23：00，占短時強降水總頻次的55.8%。小時最大降水量為55.8 mm，出現(xiàn)在22：00，即短時強降水發(fā)生的時段主要集中在傍晚至前夜，尤其前半夜發(fā)生次數(shù)最多，主要受局地地形因素影響，由于地面受太陽強烈輻射而急劇增溫，在近地面層形成絕對不穩(wěn)定大氣層結(jié)，容易造成強烈的對流性天氣，產(chǎn)生短時強降水。

圖4 臨夏州2006—2018年4—9月短時強降水累計出現(xiàn)頻次日變化和1 h最大降水量

4 短時強降水持續(xù)時間及影響站次

統(tǒng)計臨夏州2006—2018年4—9月短時強降水持續(xù)時間和出現(xiàn)站次，發(fā)現(xiàn)2006—2018年4—9月臨夏州短時強降水累計出現(xiàn)95站次，其中 86站次持續(xù)1 h；持續(xù)時間2 h的僅有9站次。2006—2018年4—9月共有90個時次出現(xiàn)短時強降水，其中同一時次出現(xiàn)1站次短時強降水的占93.3%，同一時次出現(xiàn)2站次以上短時強降水的占5.6%，同一時次出現(xiàn)3站次短時強降水僅占1.1%?？梢姡R夏州短時強降水多為陣發(fā)性，且空間分布多孤立零散。

5 結(jié) 論

(1)通過對傳統(tǒng)降水百分位法、Z指數(shù)法和平方根變換法計算的短時強降水閾值比較，發(fā)現(xiàn)采用平方根變換法的臨夏州短時強降水閾值的效果最好。

(2)臨夏州短時強降水閾值空間分布自中南部向西北和東南減少，中南部閾值大，北部閾值??；逐日平方根變換法計算的臨夏州各站90百分位閾值平均值(14.6 mm·h-1)確定為臨夏州短時強降水閾值。

(3)位于中部地區(qū)的臨夏市短時強降水累計出現(xiàn)頻次最多為20次，年平均1.5次；處于北部地區(qū)的永靖縣累計出現(xiàn)頻次最少為8次，年平均0.6次。

(4)臨夏州短時強降水累計出現(xiàn)頻次的年際變化特征顯著，年平均為7.3次，2018年出現(xiàn)次數(shù)最多；短時強降水主要集中在7—8月，占總頻次的81.1%；短時強降水累計頻次日變化呈4峰分布，最大短時強降水主要發(fā)生在18：00—23：00，占短時強降水總頻次的55.8%。小時最大降水量為55.8 mm，出現(xiàn)在22：00。

(5)臨夏州持續(xù)時間為1 h的短時強降水占90.5%；持續(xù)時間為2 h的占9.5%；同一時次出現(xiàn)1站次的短時強降水占93.3%，同一時次出現(xiàn)3站次的短時強降水僅占1.1%，臨夏州短時強降水多為陣發(fā)性，且空間分布多為孤立零散。