甘肅隴南市短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布特征及中尺度分析

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(tái)，甘肅 蘭州 730020 )

引 言

短時(shí)強(qiáng)降水作為強(qiáng)對(duì)流天氣的一種類型，常與雷暴大風(fēng)、冰雹等天氣同時(shí)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(zāi)害[1]。短時(shí)強(qiáng)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(qiáng)等特點(diǎn)，其降水落區(qū)、強(qiáng)度、量級(jí)的預(yù)報(bào)預(yù)警一直是預(yù)報(bào)的難點(diǎn)[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(fù)雜，是甘肅省降水最多、短時(shí)強(qiáng)降水最多的地區(qū)之一，每年因暴雨和短時(shí)強(qiáng)降水引發(fā)的暴洪、泥石流、滑坡等災(zāi)害給全市造成巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失，如2017年8月7日隴南市暴雨天氣過(guò)程中，文縣出現(xiàn)的短時(shí)強(qiáng)降水造成8人死亡[5]；2020年8月隴南市持續(xù)暴雨和短時(shí)強(qiáng)降水天氣過(guò)程造成全市直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)221.08億元(1)隴南市應(yīng)急管理局. 隴南市應(yīng)急管理局災(zāi)情信息第49期,2020.。因此，有關(guān)隴南市短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)預(yù)警研究對(duì)防災(zāi)減災(zāi)工作有重要意義。

近年來(lái)，很多氣象工作者從氣候特征、環(huán)流背景、對(duì)流參數(shù)特征、中尺度概念模型以及監(jiān)測(cè)預(yù)警及指標(biāo)等方面對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水進(jìn)行了深入研究。如DOSWELL等[6]研究指出大多數(shù)短時(shí)強(qiáng)降水都是對(duì)流性強(qiáng)降水，預(yù)報(bào)時(shí)首先要理解產(chǎn)生強(qiáng)降水的物理機(jī)制所需的條件；俞小鼎[7]指出短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)預(yù)警要注重雨強(qiáng)和降水持續(xù)時(shí)間。有利的大尺度環(huán)流背景是產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水的重要原因[2]，在分析短時(shí)強(qiáng)降水的極端性時(shí)，加密自動(dòng)氣象觀測(cè)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(guó)強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中[9-12]。

西北地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣基本形勢(shì)配置分為高空冷平流強(qiáng)迫、低層暖平流強(qiáng)迫、斜壓鋒生等3類，其中低層暖平流強(qiáng)迫類以短時(shí)強(qiáng)降水為主[13]；西北地區(qū)東部短時(shí)強(qiáng)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(duì)甘肅省短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征及短時(shí)強(qiáng)降水環(huán)境參數(shù)特征開(kāi)展了很多研究，同時(shí)總結(jié)出不同區(qū)域短時(shí)強(qiáng)降水的水汽、能量、不穩(wěn)定條件、特殊高度、雷達(dá)特征量等預(yù)警指標(biāo)[14-17]。

由于各地氣候背景的獨(dú)特性，因此短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布、量級(jí)特征、形成機(jī)制以及環(huán)境參數(shù)等也有地域性，如我國(guó)中東部暖季不同量級(jí)的短時(shí)強(qiáng)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(shí)強(qiáng)降水較多，但利用區(qū)域氣象站資料對(duì)該區(qū)域短時(shí)強(qiáng)降水的研究較少[19-20]。因此本文利用國(guó)家氣象站和區(qū)域氣象站資料，對(duì)隴南市短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布特征、中尺度概念模型、環(huán)境參數(shù)以及短時(shí)強(qiáng)降水和暴雨的關(guān)系進(jìn)行分析，以期為隴南市短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)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(gè)國(guó)家氣象站和2008—2019年逐年建成的400個(gè)區(qū)域氣象站(圖1)4—9月的逐時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)隴南市短時(shí)強(qiáng)降水及暴雨時(shí)空分布特征進(jìn)行分析，資料來(lái)源于甘肅省氣象局信息中心和隴南市氣象局。降水?dāng)?shù)據(jù)通過(guò)極值控制、時(shí)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(shí)間長(zhǎng)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(duì)2000—2019年隴南市短時(shí)強(qiáng)降水天氣過(guò)程進(jìn)行天氣學(xué)環(huán)流形勢(shì)和中尺度分析，建立隴南市短時(shí)強(qiáng)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(guó)家氣象站和區(qū)域氣象站點(diǎn)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(guó)氣象局從國(guó)家測(cè)繪地理信息局獲得，審圖號(hào)為GS(2019)3082，底圖無(wú)修改。

按照降水量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[22]，定義前一日20:00(北京時(shí)，下同)至當(dāng)日20:00或當(dāng)日08:00至次日08:00累計(jì)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(dāng)日20:00累計(jì)降水量為同一時(shí)段的暴雨只記作一次暴雨，24 h內(nèi)1站次及以上國(guó)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(guò)程；雨強(qiáng)R≥20.0 mm·h-1為一次短時(shí)強(qiáng)降水，24 h內(nèi)2站次及以上國(guó)家氣象站或10站次及以上區(qū)域氣象站出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水記為一次短時(shí)強(qiáng)降水天氣過(guò)程。

由于國(guó)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(shí)間平均和區(qū)域平均法處理站點(diǎn)數(shù)據(jù)起止時(shí)間不一致以及站點(diǎn)數(shù)不一致的問(wèn)題。時(shí)間平均是指某站短時(shí)強(qiáng)降水(暴雨)發(fā)生的總次數(shù)除以該站的時(shí)間序列(年)長(zhǎng)度，記為該站短時(shí)強(qiáng)降水(暴雨)的發(fā)生頻次，用于分析短時(shí)強(qiáng)降水(暴雨)的空間分布；區(qū)域平均是指某年短時(shí)強(qiáng)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(diǎn)數(shù)，記為該年短時(shí)強(qiáng)降水(暴雨)的發(fā)生站次，用于分析短時(shí)強(qiáng)降水(暴雨)的年際變化。此外，統(tǒng)計(jì)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(gè)等級(jí)短時(shí)強(qiáng)降水的旬月變化特征，并對(duì)隴南市短時(shí)強(qiáng)降水和暴雨之間的關(guān)系進(jìn)行初步探討。

2 短時(shí)強(qiáng)降水空間分布

2.1 雨強(qiáng)極值分布

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，1960—2019年隴南市409個(gè)氣象站中有372個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)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(shí)強(qiáng)降水雨強(qiáng)極值分布?？梢钥闯?，隴南市短時(shí)強(qiáng)降水雨強(qiáng)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(shí)強(qiáng)降水雨強(qiáng)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(shí)強(qiáng)降水雨強(qiáng)極值的分布可為后期短時(shí)強(qiáng)降水量級(jí)預(yù)報(bào)提供一定參考。

圖2 1960—2019年4—9月甘肅隴南市短時(shí)強(qiáng)降水雨強(qiáng)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(shí)強(qiáng)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(shí)強(qiáng)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(gè)相對(duì)集中區(qū)，一個(gè)是康縣南部、武都南部和文縣東南部，短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次均在2次以上；另一個(gè)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(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次最高，達(dá)3.2次；禮縣、西和縣、宕昌縣短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次大于1.5次的地區(qū)較分散，說(shuō)明短時(shí)強(qiáng)降水具有局地性。

圖3 1960—2019年4—9月甘肅隴南市短時(shí)強(qiáng)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(gè)國(guó)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(dá)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(guò)暴雨天氣?？梢?jiàn)，隴南市短時(shí)強(qiáng)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(shí)強(qiáng)降水頻次也較高，說(shuō)明隴南市短時(shí)強(qiáng)降水與暴雨的高頻區(qū)域不完全一致。隴南市短時(shí)強(qiáng)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(fēng)坡受地形強(qiáng)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(qiáng)降水。

3 短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)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(shí)強(qiáng)降水發(fā)生站次的年際變化?？梢钥闯?，1960年以來(lái)隴南市短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生站次有多個(gè)峰值，1966、1970、1977、1990、2013、2018年短時(shí)強(qiáng)降水較多，1989年和2004年未出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。從線性趨勢(shì)來(lái)看，隴南市短時(shí)強(qiáng)降水整體呈緩慢增加趨勢(shì)，但2014—2016年短時(shí)強(qiáng)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(shí)強(qiáng)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(jí)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生站次的逐月和逐旬變化?？梢钥闯?，4—9月隴南市短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生站次呈單峰型，4月開(kāi)始逐漸增加，到8月達(dá)到最大，9月急劇減少，其中8月短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生站次占總站次的37.5%，7月占29.8%，說(shuō)明隴南短時(shí)強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在7月和8月。這是由于從7月開(kāi)始，西太平洋副熱帶高壓(簡(jiǎn)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(shí)段短時(shí)強(qiáng)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(gè)等級(jí)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生站次的月際變化和短時(shí)強(qiáng)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(shí)強(qiáng)降水發(fā)生站次最多，占短時(shí)強(qiáng)降水總站次的74.3%，R≥50.0 mm·h-1的短時(shí)強(qiáng)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(jí)短時(shí)強(qiáng)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(shí)強(qiáng)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(shí)強(qiáng)降水發(fā)生站次明顯高于7月上旬的第一峰值，可見(jiàn)隴南市短時(shí)強(qiáng)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(gè)等級(jí)的短時(shí)強(qiáng)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(shí)強(qiáng)降水發(fā)生站次最多。這種變化與副高的位置有密切關(guān)系，7月上旬前，副高還未西伸北抬，短時(shí)強(qiáng)降水多由冷空氣影響下的局地強(qiáng)對(duì)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(shí)強(qiáng)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(shí)強(qiáng)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(shí)強(qiáng)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(jí)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生站次的日變化?？梢钥闯觯]南市短時(shí)強(qiáng)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(shí)強(qiáng)降水從15:00開(kāi)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(yáng)輻射加熱作用，近地面層形成絕對(duì)不穩(wěn)定狀態(tài)，在有利的觸發(fā)條件下形成對(duì)流性天氣，如果水汽條件較好，很容易形成短時(shí)強(qiáng)降水。另外，韓寧等[23]指出陜甘寧短時(shí)強(qiáng)降水夜間多發(fā)與特殊地形下的山風(fēng)環(huán)流有重要關(guān)系，隴南市境內(nèi)河流、盆地、山巒交錯(cuò)，在夜間很容易形成局地山風(fēng)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(duì)流性降水，導(dǎo)致短時(shí)強(qiáng)降水增加，這也是隴南市短時(shí)強(qiáng)降水在夜間達(dá)到峰值的另一個(gè)重要原因。

圖6 1960—2019年4—9月甘肅隴南市不同等級(jí)短時(shí)強(qiáng)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(shí)強(qiáng)降水與暴雨的關(guān)系

暴雨與短時(shí)強(qiáng)降水既有聯(lián)系又有區(qū)別，暴雨天氣過(guò)程中大多會(huì)存在短時(shí)強(qiáng)降水，而短時(shí)強(qiáng)降水也往往會(huì)形成暴雨，在時(shí)間尺度上短時(shí)強(qiáng)降水側(cè)重降水強(qiáng)度，暴雨則側(cè)重累計(jì)降水[24]。暴雨過(guò)程中不一定會(huì)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，但持續(xù)性或間歇性的短時(shí)強(qiáng)降水能形成暴雨甚至大暴雨，因?yàn)榇蠖鄶?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(duì)2000—2019年4—9月隴南市暴雨天氣過(guò)程(73次)和短時(shí)強(qiáng)降水天氣過(guò)程(65次)出現(xiàn)的日期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)39次短時(shí)強(qiáng)降水天氣過(guò)程和暴雨天氣過(guò)程是同一天，占總暴雨天氣過(guò)程的53.4%，說(shuō)明短時(shí)強(qiáng)降水對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)率達(dá)一半以上，剩余26次短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程則多為局地性分散的對(duì)流性短時(shí)強(qiáng)降水，降水累積量未達(dá)到暴雨，另外34次暴雨天氣過(guò)程則為系統(tǒng)性降水，雨勢(shì)平緩，對(duì)流性不強(qiáng)，降水時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng)，其間短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)站次較少，沒(méi)達(dá)到本文短時(shí)強(qiáng)降水天氣過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)。

5 短時(shí)強(qiáng)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(duì)2000—2019年4—9月隴南市短時(shí)強(qiáng)降水天氣過(guò)程進(jìn)行天氣學(xué)環(huán)流形勢(shì)和中尺度分析，將隴南市65次短時(shí)強(qiáng)降水天氣過(guò)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(gè)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(shí)強(qiáng)降水天氣過(guò)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(shí)強(qiáng)降水天氣過(guò)程。圖7為2000—2019年4—9月甘肅隴南市短時(shí)強(qiáng)降水中尺度概念模型。

低渦切變型短時(shí)強(qiáng)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(fēng)帶短波槽，槽后有弱冷空氣，700 hPa和850 hPa甘肅河?xùn)|有明顯的低渦及切變線，有時(shí)500 hPa河套地區(qū)或甘肅河?xùn)|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(shí)強(qiáng)降水，同時(shí)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(chǎng)配置來(lái)看，該類型短時(shí)強(qiáng)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(shí)可達(dá)14 g·kg-1以上，850 hPa比濕在12 g·kg-1以上，700 hPa和850 hPa有強(qiáng)烈的水汽通量輻合，水汽通量散度可達(dá)-2×10-6kg·hPa-1·m-2·s-1，局地能達(dá)到-3×10-6kg·hPa-1·m-2·s-1左右。CAPE值相對(duì)不大，在100～500 J·kg-1之間。中低層渦度、垂直速度都較大，有強(qiáng)烈的輻合上升運(yùn)動(dòng)。該類型短時(shí)強(qiáng)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(duì)應(yīng)也有低槽或切變線，高度槽后有明顯的溫度槽，冷空氣較強(qiáng)，多陣性對(duì)流性降水[圖7(b)]。從中尺度環(huán)境場(chǎng)配置來(lái)看，低層水汽條件較好，700 hPa比濕在6～8 g·kg-1之間，有時(shí)可達(dá)到10 g·kg-1，整層大氣可降水量在25 mm以上，700 hPa有較強(qiáng)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(dāng)位溫(θse)較大，同時(shí)抬升指數(shù)LI≤-1 ℃，有較強(qiáng)的不穩(wěn)定能量及潛勢(shì)，地面上有冷鋒或地面輻合線。受低槽后較強(qiáng)冷平流影響，短時(shí)強(qiáng)降水主要在低槽(切變線)附近，沿著冷空氣的移動(dòng)自西北向東南移動(dòng)，切變線附近常伴隨雷暴和冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣。

副高外圍西南氣流型主要出現(xiàn)在8月，該形勢(shì)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(qiáng)，同時(shí)高原槽或西風(fēng)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(shí)強(qiáng)降水[圖7(c)]。從中尺度環(huán)境場(chǎng)配置來(lái)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(dá)35 mm以上，700 hPa比濕在12 g·kg-1以上，同時(shí)從四川到隴東沿副高外圍有一條強(qiáng)烈的水汽通量輻合帶，水汽通量散度達(dá)-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(dǎo)致短時(shí)強(qiáng)降水的強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)。該類型中短時(shí)強(qiáng)降水主要沿副高外圍呈東北—西南向帶狀分布，短時(shí)強(qiáng)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(shí)強(qiáng)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(shí)強(qiáng)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(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次存在2個(gè)相對(duì)集中區(qū)，一個(gè)是康縣南部、武都南部和文縣東南部，另一個(gè)是徽成盆地；隴南市短時(shí)強(qiáng)降水雨強(qiáng)極值介于20.2～102.3 mm·h-1，雨強(qiáng)大于50 mm·h-1的短時(shí)強(qiáng)降水主要集中在隴南市東部的成縣、徽縣和康縣。短時(shí)強(qiáng)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(shí)強(qiáng)降水頻次也較多，這與隴南市特殊地形有關(guān)。

(2)隴南市年短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生站次存在明顯波動(dòng)，整體呈增加趨勢(shì)。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(gè)等級(jí)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生站次的月際變化和短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生總站次的月際變化基本一致。短時(shí)強(qiáng)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(shí)強(qiáng)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(shí)間、位置有關(guān)。隴南市夜間短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生站次明顯多于白天，且有多個(gè)峰值。短時(shí)強(qiáng)降水從午后開(kāi)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(yáng)輻射加熱和夜間特殊地形下局地山風(fēng)環(huán)流形成對(duì)流性降水有關(guān)。

(3)短時(shí)強(qiáng)降水和暴雨天氣過(guò)程有重要聯(lián)系，對(duì)比2000—2019年隴南市暴雨(73次)和短時(shí)強(qiáng)降水(65次)天氣過(guò)程，其中39次發(fā)生在同一天，短時(shí)強(qiáng)降水對(duì)暴雨的貢獻(xiàn)率達(dá)53.4%。

(4)從環(huán)流形勢(shì)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(shí)強(qiáng)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(qiáng)冷平流影響，短時(shí)強(qiáng)降水主要在低槽、切變線附近；副高外圍西南氣流型短時(shí)強(qiáng)降水沿副高外圍呈東北—西南向帶狀分布。