基于區(qū)域自動(dòng)站數(shù)據(jù)的蘭州地區(qū)降水精細(xì)化特征

李 蓉，劉新偉，魏 棟，段海霞，段伯隆，李嘉睿，狄瀟泓

(1.蘭州中心氣象臺(tái)，甘肅 蘭州 730020；2.中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅 蘭州 730020；3.國(guó)家氣象中心，北京 100081)

引 言

我國(guó)西北地區(qū)氣候干旱，但因其地形復(fù)雜特殊、生態(tài)環(huán)境脆弱，降水引發(fā)的災(zāi)害逐漸成為關(guān)注的重點(diǎn)[1-5]。在全球氣候變暖背景下，20世紀(jì)以來(lái)全球極端降水總體呈增加趨勢(shì)[6-9]，我國(guó)西北地區(qū)也逐步表現(xiàn)出暖濕化特征[10-11]，其中西北地區(qū)西部暖濕化趨勢(shì)相對(duì)更為顯著，且極端強(qiáng)降水事件增加明顯[12]。從時(shí)間分布來(lái)看，西北地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生具有明顯的時(shí)間窗[13]，主要發(fā)生在7月上旬到8月下旬，且具有明顯的日變化特征；就空間分布來(lái)說(shuō)，西北地區(qū)年降水量自西北向東南增加，東部夏季降水與同期7月、前期1月北太平洋濤動(dòng)存在較好的正相關(guān)關(guān)系[14]。

蘭州位于我國(guó)幾何中心，轄5區(qū)(城關(guān)區(qū)、七里河區(qū)、西固區(qū)、安寧區(qū)、紅古區(qū))3縣(永登縣、榆中縣、皋蘭縣)，是西北地區(qū)重要的中心城市之一，其地處黃土高原，地勢(shì)呈“南部、西部高，東北低”的特征，城區(qū)周圍植被稀少，群山環(huán)繞，處于東西向黃河河谷盆地中，平均海拔約1500 m。其西南方的青藏高原，一方面阻擋了夏季西南季風(fēng)攜帶的潮濕空氣從低緯向北輸送；另一方面，西風(fēng)帶環(huán)流在經(jīng)過(guò)青藏高原時(shí)，在對(duì)流層上部形成一新疆高壓脊，而在對(duì)流層下部繞高原北側(cè)東移時(shí)，由于地形側(cè)向摩擦的動(dòng)力作用，在河西走廊至蘭州一帶形成一個(gè)次天氣尺度的反氣旋輻散流場(chǎng)[15]。青藏高原阻擋了繞流氣流，易在高原東北部河西走廊和甘肅中部地區(qū)形成異常降水[16-17]，而蘭州正是暖濕氣流輸送到我國(guó)西部的途經(jīng)之地[18]。

西北地區(qū)城市發(fā)展與氣候變化聯(lián)系緊密，甘肅省省會(huì)蘭州作為新亞歐大陸橋中國(guó)段五大中心城市之一，伴隨著近年來(lái)城市氣象的發(fā)展[19-23]，其降水精細(xì)化特征逐漸備受關(guān)注，然而因資料所限，此項(xiàng)工作精度較低，進(jìn)展緩慢。隨著中國(guó)氣象局區(qū)域自動(dòng)站的布網(wǎng)，甘肅省蘭州地區(qū)自2008年開(kāi)始陸續(xù)布設(shè)自動(dòng)站，到2012年基本建成且數(shù)據(jù)資料完整，這為降水的精細(xì)化研究提供了重要契機(jī)[24]。為此，本文利用2012—2019年蘭州地區(qū)146個(gè)區(qū)域自動(dòng)站小時(shí)降水量資料，系統(tǒng)分析蘭州地區(qū)多時(shí)間尺度降水的精細(xì)化特征，這對(duì)提高蘭州城市防災(zāi)減災(zāi)能力意義重大。

1 數(shù)據(jù)與方法

高時(shí)空分辨率的區(qū)域自動(dòng)站觀測(cè)數(shù)據(jù)是近年來(lái)天氣監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)及預(yù)警精細(xì)化服務(wù)的重要基礎(chǔ)。為確保時(shí)間序列的一致性、完整性和連續(xù)性，選用了2012—2019年蘭州地區(qū)146個(gè)區(qū)域自動(dòng)站小時(shí)降水量，該數(shù)據(jù)由甘肅省氣象局信息中心提供，經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制處理，自動(dòng)站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。文中涉及的蘭州市行政邊界是基于國(guó)家測(cè)繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為甘S(2011)14號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無(wú)修改。

圖1 蘭州地區(qū)地形高度(陰影)及區(qū)域自動(dòng)站(圓點(diǎn))分布

氣象業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：將1 h內(nèi)大于或等于0.1 mm的降水定義為有效降水，各站某一時(shí)間段內(nèi)降水量定義為該時(shí)段的降水累計(jì)量。根據(jù)甘肅省短時(shí)強(qiáng)降水等級(jí)地方標(biāo)準(zhǔn)(DB 62/T 2755—2017)，短時(shí)強(qiáng)降水定義為1 h內(nèi)雨量大于或等于20 mm的降水。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水量空間分布特征

2012—2019年，蘭州地區(qū)年均降水量在147～898 mm之間，降水大體呈現(xiàn)“南多北少”的空間分布；由于群山環(huán)繞的地形特征，其降水“外多內(nèi)少”的空間特征也極為明顯[圖2(a)]，紅古區(qū)、皋蘭縣北部及西固區(qū)為降水低值區(qū)，高海拔的永登縣、榆中縣受地形影響，降水較周圍明顯偏多。從年降水量標(biāo)準(zhǔn)差分布[圖2(b)]來(lái)看，蘭州各區(qū)域站年降水量標(biāo)準(zhǔn)差也與站點(diǎn)所處的海拔高度有一定關(guān)系，海拔較高的站點(diǎn)年降水量的標(biāo)準(zhǔn)差明顯偏大，南部地區(qū)受偏南暖濕氣流和地形的共同影響，降水比偏北地區(qū)略多，且易出現(xiàn)強(qiáng)降水，故七里河區(qū)、榆中縣西南部為降水高值區(qū)。需要指出的是，在“南多北少”的分布格局下，北部永登縣局部地區(qū)也存在降水大值區(qū)，一方面由于高空槽前的西南氣流和西太平洋副熱帶高壓西部的西南氣流是蘭州地區(qū)降水的水汽供給來(lái)源[15]；另一方面，受地形影響，在山脈的迎風(fēng)坡易出現(xiàn)較大量級(jí)的降水。城關(guān)區(qū)年均降水量為293.3 mm，處于中等偏上水平，其降水分布格局主要由人口與城市建筑較為密集引起的城市熱島效應(yīng)顯著所致[25]。

圖2 2012—2019年蘭州地區(qū)年均降水量(a)及年降水量標(biāo)準(zhǔn)差(b)空間分布

2.2 降水量時(shí)間變化特征

2.2.1 年際變化

從近8 a蘭州區(qū)域平均降水量年際變化(圖3)看出，除2015、2017、2018年降水異常外，其余年份蘭州平均年降水量均在350 mm左右，2018年降水異常偏多46%，而2015、2017年降水異常偏少，尤其2015年偏少30%。2018年副熱帶高壓異常偏北、偏強(qiáng)，我國(guó)北方較常年多雨，地形復(fù)雜地區(qū)受抬升作用影響降水偏多更加明顯，因此2018年降水在永登縣、七里河區(qū)及榆中縣的高海拔山區(qū)附近明顯異常偏多(圖略)；2015年和2017年蘭州大多站點(diǎn)年降水量在300 mm以下，尤其在低海拔城區(qū)降水偏少更為明顯，降水低值區(qū)主要集中在紅古區(qū)和永登縣南部。

圖3 2012—2019年蘭州地區(qū)平均降水量的年際變化

2.2.2 月際變化

蘭州地處我國(guó)幾何中心，溫帶大陸性季風(fēng)氣候特征明顯，降水存在明顯的月際變化，雨季一般為5—9月，其降水量約占年雨量的81.4%，7、8月降水最為集中，約占年雨量的45.5%[15]。從2012—2019年4—9月各月區(qū)域平均降水量變化(圖4)來(lái)看，蘭州各縣(區(qū))平均降水量月際變化的總體趨勢(shì)較為一致，大致呈“單峰型”月際分布，7—8月是全年降水最為集中的時(shí)段，其中7月降水最多，8月次之，6、9月相近。對(duì)比不同縣(區(qū))發(fā)現(xiàn)，6月降水最為接近，降水量在35～45 mm之間，而7月降水差異較大，降水量為55～90 mm，以局地強(qiáng)降水貢獻(xiàn)為主。另外，降水的月際變化幅度也存在一定的區(qū)域性差異，紅古區(qū)降水的月際變化波動(dòng)較大，7月降水量(89.2 mm)明顯大于其他縣(區(qū))，6月(39 mm)降水量明顯小于其他縣(區(qū))，而皋蘭縣降水的月際變化較小，且降水量相對(duì)較少，最大值僅為61 mm，城關(guān)區(qū)、西固區(qū)、安寧區(qū)降水的月際變化則較為一致。需要注意的是，榆中縣、七里河區(qū)、西固區(qū)6月降水較5月有一小幅度的回落。

圖4 2012—2019年4—9月蘭州各縣(區(qū))區(qū)域平均降水量的月際變化

從4—9月逐月降水量的空間分布(圖略)看出，蘭州地區(qū)降水主要集中在7—8月，站點(diǎn)最大月降水量可達(dá)170.7 mm，出現(xiàn)在安寧區(qū)九洲臺(tái)站，6月和9月次之，4月降水頻次最少、強(qiáng)度最弱。7、8月偏南氣流較為旺盛，為蘭州南部地區(qū)輸送了較為充足的水汽，受其影響南部降水明顯大于北部，而在其他月份，蘭州北部地區(qū)常受冷空氣南下影響而引發(fā)降水，從而減弱了南、北部累積降水的差異。另外，蘭州各月降水量空間分布差異較大，榆中縣西南部和東北部、永登縣北部和西部等高海拔地區(qū)各月降水明顯較大，而永登縣東南部、皋蘭縣南部及榆中縣中部地區(qū)降水普遍較低，如降水最為集中的7、8月，降水大值區(qū)也略有不同，7月榆中縣西南部有一明顯的降水大值區(qū)，而8月該區(qū)域降水明顯減少，降水大值區(qū)主要位于七里河區(qū)。

2.2.3 日變化

何金梅等[26]研究指出，黃河蘭州上游地區(qū)較強(qiáng)降水多在傍晚后增多，強(qiáng)降水多發(fā)生在19:00(北京時(shí)，下同)左右。為進(jìn)一步獲取蘭州地區(qū)降水的精細(xì)化特征，圖5統(tǒng)計(jì)了2012—2019年4—9月蘭州地區(qū)區(qū)域站的平均小時(shí)雨量(每一時(shí)刻所有站點(diǎn)累計(jì)降水量與總天數(shù)之比)和降水站次(每一時(shí)刻降水總站次與總天數(shù)之比)。從小時(shí)雨量看出，4—9月蘭州地區(qū)降水量具有明顯的日變化特征，小時(shí)雨量平均為11.4～15.4 mm，峰值出現(xiàn)在18:00，19:00和13:00次之，谷值出現(xiàn)在23:00。總體來(lái)看，20:00—08:00時(shí)段(夜間)的降水強(qiáng)度和量級(jí)較08:00—20:00時(shí)段(白天)明顯偏小，即白天降水明顯多于夜間，強(qiáng)降水時(shí)段主要集中在午后至傍晚前后，呈現(xiàn)“朝少夕多”的日變化特征。從降水站次來(lái)看，4—9月蘭州地區(qū)降水站次也具有明顯的日變化特征，小時(shí)降水站次在101～118之間，且00:00—23:00降水站次總體表現(xiàn)下降趨勢(shì)，呈現(xiàn)“夜多日少”的日變化特征，凌晨02:00降水站次最多，降水范圍最大，而夜間21:00降水范圍最小。綜合降水站次和雨量來(lái)看，傍晚前后易發(fā)生較大量級(jí)的降水，多以對(duì)流性降水為主，而凌晨02:00前后易出現(xiàn)范圍較大、強(qiáng)度較弱的區(qū)域性降水。

圖5 4—9月蘭州地區(qū)降水量及降水站次逐小時(shí)變化

4—9月，蘭州及周邊地區(qū)大氣環(huán)流形勢(shì)不盡相同，使得降水日變化特征表現(xiàn)各異，各月最大小時(shí)雨量依次出現(xiàn)在03:00、21:00、14:00、15:00、13:00、03:00(圖略)，6—8月小時(shí)雨量大值主要集中在午后時(shí)段，其余月份則多出現(xiàn)在夜間；5月是季節(jié)轉(zhuǎn)換時(shí)期，大氣環(huán)流形勢(shì)不穩(wěn)定，降水日變化波動(dòng)最大，年內(nèi)小時(shí)降水最大值多出現(xiàn)在5月(圖略)，如近8 a最大小時(shí)雨量166.3 mm就出現(xiàn)在此月，說(shuō)明5月極易出現(xiàn)極端性降水天氣。從各月小時(shí)降水站次(圖6)來(lái)看，6月和7月、8月和9月的降水站次日變化曲線較為相似，4—9月小時(shí)降水站次的峰值依次出現(xiàn)在10:00、23:00、17:00、17:00、07:00、08:00，4月各時(shí)刻發(fā)生降水的站次最少，說(shuō)明4月以分散性降水為主，系統(tǒng)性降水較少。按照不同時(shí)段降水站次來(lái)看，08:00—20:00時(shí)段內(nèi)降水站次最多的為7月，20:00—08:00時(shí)段內(nèi)降水站次最多的為8月，說(shuō)明7、8月雖為蘭州地區(qū)年內(nèi)降水較大的月份，但大范圍降水集中的時(shí)段明顯不同，前者集中于白天，后者集中于夜間；9月00:00—08:00時(shí)段降水站次明顯少于8月，但其余時(shí)刻降水站次與8月非常接近，說(shuō)明初秋大范圍降水多出現(xiàn)在凌晨。

圖6 4—9月蘭州地區(qū)降水站次逐小時(shí)變化

綜合來(lái)看，蘭州地區(qū)穩(wěn)定性降水多以夜雨為主，而午后多為對(duì)流性降水，午后對(duì)流性降水多發(fā)的主要原因是夏季晴空輻射增溫，午后城市熱力強(qiáng)迫作用使得低空風(fēng)場(chǎng)易形成輻合，邊界層的垂直風(fēng)切變?cè)鰪?qiáng)。

蘭州地區(qū)群山環(huán)繞，因地形影響山區(qū)和城區(qū)降水差異較為明顯。因此，根據(jù)區(qū)域站海拔高度，劃分為城區(qū)站和山區(qū)站進(jìn)行分析，旨在揭示海拔高度對(duì)降水的影響。對(duì)比城區(qū)站和山區(qū)站4—9月小時(shí)雨量日變化(圖略)發(fā)現(xiàn)，受地形抬升作用影響，山區(qū)降水量總體比城區(qū)大，其中5月城區(qū)降水量明顯少于山區(qū)，且降水主要集中在17:00—20:00，而6月城區(qū)降水量略多于山區(qū)；城區(qū)降水量日變化波動(dòng)較大，多集中在午后至傍晚前后，以對(duì)流性降水為主，而山區(qū)降水量日分布較為均勻，整體波動(dòng)較小，這與“蘭州市短時(shí)強(qiáng)降水與海拔高度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[24]”的結(jié)論較為一致。結(jié)合降水站次的日變化(圖7)來(lái)看，4—9月山區(qū)降水范圍的日變化幅度略大于城區(qū)，除7月外城區(qū)大范圍小量級(jí)降水主要出現(xiàn)在08:00左右，14:00則主要以小范圍對(duì)流性降水為主；山區(qū)，4—7月降水站次低值主要出現(xiàn)在04:00左右，說(shuō)明夜間較易發(fā)生對(duì)流性降水，而8、9月對(duì)流性降水則易出現(xiàn)在午后13:00—15:00。

圖7 4—9月蘭州城區(qū)(a)、山區(qū)(b)降水站次日變化

2.3 短時(shí)強(qiáng)降水分布特征

我國(guó)西北地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水(簡(jiǎn)稱“短強(qiáng)”)有著明顯的季節(jié)性和區(qū)域性特征[13]。蘭州地處西北地區(qū)，氣候干旱，年降水量雖較少，但由于生態(tài)環(huán)境脆弱，承災(zāi)能力較差，短時(shí)強(qiáng)降水往往會(huì)誘發(fā)山洪、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害[27]。

由于不同縣(區(qū))的區(qū)域站數(shù)量不同，從科學(xué)性出發(fā)，本文將某一縣(區(qū))發(fā)生短強(qiáng)的站次與區(qū)域站總數(shù)的比值定義為該縣(區(qū))的短強(qiáng)頻次，將該縣(區(qū))發(fā)生短強(qiáng)的站次占全市短強(qiáng)總站次的百分比定義為短強(qiáng)貢獻(xiàn)率。從表1可以看出，2012—2019年蘭州短時(shí)強(qiáng)降水共發(fā)生164站次，短強(qiáng)總站次最多的是永登縣，為46站次，皋蘭縣和榆中縣次之，最少的為城關(guān)區(qū)，僅有9站次；從短強(qiáng)頻次來(lái)看，安寧區(qū)出現(xiàn)短強(qiáng)的頻次較其他縣(區(qū))顯著偏高，為3.25次·站-1，而永登和榆中縣雖然發(fā)生的短強(qiáng)站次較多，但因其區(qū)域站點(diǎn)較多，短強(qiáng)頻次較低；從貢獻(xiàn)率來(lái)看，永登縣短強(qiáng)貢獻(xiàn)率最高達(dá)26.2%，是蘭州地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)需重點(diǎn)關(guān)注的地區(qū)，而城關(guān)區(qū)最低僅為3.1%。

表1 2012—2019年蘭州各縣(區(qū))短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生總站次、頻次及貢獻(xiàn)率

從各區(qū)域站近8 a短時(shí)強(qiáng)降水累計(jì)頻次分布和頻發(fā)站最大小時(shí)雨量(圖8)來(lái)看，蘭州區(qū)域站短強(qiáng)頻次為1～5次，頻發(fā)的站點(diǎn)(4～5次)有10個(gè)，多位于蘭州西南部，其中皋蘭縣西南部的六合站和永登縣南部的徐家磨村站短強(qiáng)最為頻發(fā)，均為5次，而榆中縣高海拔的興隆山站降水最強(qiáng)，最大小時(shí)雨量為56.5 mm；榆中縣和永登縣短強(qiáng)的量級(jí)較大，多是較劇烈的強(qiáng)對(duì)流天氣造成，是強(qiáng)降水事件預(yù)報(bào)需重點(diǎn)關(guān)注的地區(qū)。另外發(fā)現(xiàn)，蘭州短時(shí)強(qiáng)降水多發(fā)生在降水異常偏多的2018年，在2018年副熱帶高壓異常西伸北抬下，水汽充沛的偏南暖濕氣流配合中小尺度天氣系統(tǒng)更易引發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水天氣。近8 a各區(qū)域站短時(shí)強(qiáng)降水頻次及小時(shí)降水強(qiáng)度總體呈逐年遞增趨勢(shì)(圖略)，說(shuō)明蘭州地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水有暖濕化傾向，這也是西北地區(qū)氣候整體暖濕化的體現(xiàn)[12]。

圖8 2012—2019年蘭州區(qū)域站短時(shí)強(qiáng)降水累計(jì)頻次空間分布和頻發(fā)站(標(biāo)有數(shù)字的站)最大小時(shí)雨量

3 結(jié) 論

(1)2012—2019年，蘭州地區(qū)年均降水量總體呈“北少南多、外多內(nèi)少”的空間分布特征，榆中縣西南部為降水大值區(qū)；降水存在明顯的年際變化，2018年降水異常偏多46%，而2015、2017年降水異常偏少，尤其2015年偏少30%。

(2)蘭州地區(qū)4—9月降水存在明顯的月際差異，降水主要集中在7—8月，6月和9月次之，4月降水發(fā)生頻次最少、強(qiáng)度最弱。受環(huán)流形勢(shì)影響，7—8月蘭州南部降水明顯多于北部，而其余月份南北降水差異不明顯，各站降水差異主要與海拔高低有關(guān)。

(3)蘭州地區(qū)降水白天總體多于夜間，最主要的降水時(shí)段集中在午后到傍晚前后，“朝少夕多”的日變化特征明顯，但夜間降水站次較多，降水范圍較大。5月正處于大氣環(huán)流轉(zhuǎn)換時(shí)期，降水的日變化波動(dòng)最大，極易出現(xiàn)極端降水天氣。受海拔高度影響，城區(qū)降水總體比山區(qū)小，城區(qū)降水日變化較大，受城市熱島效應(yīng)影響，降水多集中在午后至傍晚前后，以對(duì)流性降水為主，而山區(qū)降水日分布較為均勻，整體波動(dòng)較小。

(4)安寧區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次最高，但短強(qiáng)頻發(fā)的區(qū)域站出現(xiàn)在皋蘭縣六合站和永登縣徐家磨村，永登縣的短強(qiáng)貢獻(xiàn)率最高達(dá)26.2%，是蘭州地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)需重點(diǎn)關(guān)注的地區(qū)。