青藏高原邊坡臨夏地區(qū)短時強(qiáng)降水時空分布及海拔特征分析

馬玉坤，馬俊強(qiáng)，李 菲，馬旭潔

（臨夏回族自治州氣象局，甘肅 臨夏 731100）

短時強(qiáng)降水（1 h 降水量≥20 mm）具有雨強(qiáng)大、突發(fā)性強(qiáng)、持續(xù)時間短、局地性強(qiáng)、預(yù)報難度大等特點(diǎn)，往往在短時間內(nèi)會引發(fā)泥石流、洪澇等災(zāi)害。在全球氣候變暖背景下，使得降水格局發(fā)生了一定的改變，尤其北半球中高緯地區(qū)極端降水的頻率和強(qiáng)度顯著增加，西北地區(qū)強(qiáng)降水事件也趨于增多[1-3]，由短時強(qiáng)降水引發(fā)的暴雨、洪澇災(zāi)害給甘肅省帶來的損失也越來越重[4-6]，2020 年8 月8 日舟曲特大山洪泥石流事件、2012 年5 月10 日岷縣強(qiáng)降水引發(fā)洪澇等都造成了嚴(yán)重災(zāi)害。近年來臨夏地區(qū)極端強(qiáng)降水事件頻發(fā)，2018 年因強(qiáng)降水及其誘發(fā)的次生衍生災(zāi)害造成22 人死亡（失蹤），共造成經(jīng)濟(jì)損失18.6億元，占臨夏州GDP（以2017 年計）的7.8%、財政收入的59.6%。僅7 月18 日強(qiáng)降水天氣引發(fā)東鄉(xiāng)縣特大暴洪災(zāi)害，造成16 人死亡（失蹤），直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)5.89 億元，位列“2018 年甘肅省十大天氣氣候事件”第七[7]。臨夏地區(qū)位于甘肅省中部偏西南，地處青藏高原與黃土高原的過渡地帶，地形呈西南高、東北低、中部更低的傾斜盆地狀，境內(nèi)海拔高度差在3 000 m 以上，受山脈影響，降水分布存在明顯差異。太子山呈西北—東南向，積石山呈南北向，兩山相連構(gòu)成“L 型”盆地，當(dāng)天氣系統(tǒng)來臨時，偏北和偏東兩支氣流由于受山體阻擋，常在臨夏中部匯合，產(chǎn)生強(qiáng)烈的上升運(yùn)動，從而產(chǎn)生強(qiáng)降水。臨夏地區(qū)植被覆蓋率低，生態(tài)環(huán)境脆弱，水土保持能力差，由于特殊的地形地貌，由短時強(qiáng)降水引發(fā)的暴雨洪澇災(zāi)害是影響臨夏地區(qū)經(jīng)濟(jì)的重要?dú)庀鬄?zāi)害[8]，直接危害人民的生命財產(chǎn)安全。因此，對青藏高原邊坡臨夏地區(qū)短時強(qiáng)降水時空分布特征及海拔、地形對短時強(qiáng)降水的影響進(jìn)行研究，有助于提高預(yù)報預(yù)警能力，對當(dāng)?shù)胤罏?zāi)減災(zāi)具有重要意義。

近年來，許多學(xué)者對于短時強(qiáng)降水的研究主要集中在時空分布特征、降水比率、強(qiáng)降水頻次、氣候變化特征等方面[9-11]。甘肅省短時強(qiáng)降水總體呈西北向東南遞增的空間分布特征，隴東南是發(fā)生頻次最多、強(qiáng)度最強(qiáng)的地區(qū)，主要發(fā)生在午后至前半夜，17時是高發(fā)時段[12]，且有明顯的雙峰型日變化特征，而降水比率高值出現(xiàn)在20 時前后，主要集中在18—23 時，干旱區(qū)半干旱區(qū)降水比率較大[4]。以上研究大多都基于國家級自動氣象站逐小時數(shù)據(jù)，然而隨著氣象監(jiān)測現(xiàn)代化水平的不斷提高，鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域氣象站布置增多，觀測密度更高，使用區(qū)域氣象站觀測資料分析會更全面更客觀，尤其是對于山區(qū)等復(fù)雜地形強(qiáng)降水分布的影響研究方面，一些學(xué)者也做過相關(guān)研究，蘭州市短時強(qiáng)降水與海拔高度、迎風(fēng)坡向及坡度等地形因子顯著相關(guān)，高發(fā)區(qū)主要集中在山谷喇叭口、南風(fēng)迎風(fēng)坡、城市熱島區(qū)、高寒山區(qū)[13]；喇叭口地形對甘肅甘谷地區(qū)降水增加明顯，抬高地形對迎風(fēng)坡上空低層輻合及上升運(yùn)動有顯著加強(qiáng)作用，且其動力抬升作用主要體現(xiàn)在降水發(fā)生前和發(fā)生時[14]。對于青藏高原邊坡臨夏地區(qū)的短時強(qiáng)降水特征，一些學(xué)者也做過相關(guān)研究[15-17]，但都使用國家級自動氣象觀測站降水?dāng)?shù)據(jù)，站點(diǎn)密度較小，而使用鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域氣象站逐時數(shù)據(jù)分析短時強(qiáng)降水分布特征及地形影響方面，還尚未做過研究。本文利用2010—2019 年臨夏地區(qū)66 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域氣象站和6 個國家級自動氣象觀測站逐小時降水?dāng)?shù)據(jù)，分析了臨夏地區(qū)短時強(qiáng)降水時空分布特征，并且探討短時強(qiáng)降水與海拔、地形的關(guān)系，以期提高短時強(qiáng)降水天氣的短臨監(jiān)測預(yù)警服務(wù)能力。

1 資料和方法

資料為甘肅臨夏地區(qū)6 個國家級自動氣象觀測站和66 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域自動氣象站2010—2019 年逐小時降水資料，由于鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域氣象站降水資料觀測時間為每年4 月初—10 月初，為了保持資料的整齊性和可對比性，對降水資料進(jìn)行截取，選取每年汛期5月1 日—9 月30 日的資料進(jìn)行分析，但最早在4 月中旬、最晚在10 月上旬均出現(xiàn)過短時強(qiáng)降水。通過數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，剔除可疑數(shù)據(jù)，最終篩選資料序列完整性較好的72 個站點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計分析，序列長度為2010—2019 年，站點(diǎn)分布如圖1 所示。

圖1 臨夏地區(qū)氣象監(jiān)測站點(diǎn)及地形分布

根據(jù)甘肅省短時強(qiáng)降水標(biāo)準(zhǔn)，短時強(qiáng)降水定義為河?xùn)|1 h 降水量≥20 mm 的降水，但張寧等[9]運(yùn)用極端降水閾值方法分析出蘭州市短時強(qiáng)降水標(biāo)準(zhǔn)為1 h 降水量≥10 mm 更符合實(shí)際。臨夏（圖2）境內(nèi)除永靖縣大部在黃河以北之外，其余屬黃河以南，因此本文以1 h 降水量≥20 mm 作為短時強(qiáng)降水標(biāo)準(zhǔn)。在分析地形影響時，加入1 h 降水量≥10 mm 降水進(jìn)行對比分析。本文所用方法有相關(guān)分析、趨勢分析等統(tǒng)計分析方法。

圖2 青藏高原地形及臨夏地區(qū)地理位置

2 結(jié)果與分析

2.1 短時強(qiáng)降水時間分布特征

2010—2019年5—9 月臨夏地區(qū)72 個站共出現(xiàn)短時強(qiáng)降水486 次，年均出現(xiàn)49 站次，2012、2018年出現(xiàn)兩個峰值，其中2018 年最多，達(dá)到127 次，為近10 a 最多，2014 年最少，只有17 次，可見青藏高原邊坡臨夏地區(qū)短時強(qiáng)降水的年際差異非常大（圖3）。

圖3 2010—2019 年臨夏地區(qū)短時強(qiáng)降水頻次年際變化

進(jìn)一步分析2010—2019 年5—9 月臨夏地區(qū)短時強(qiáng)降水與逐月西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱“西太副高”）面積指數(shù)、強(qiáng)度指數(shù)、脊線位置指數(shù)、北界位置指數(shù)、西伸脊點(diǎn)指數(shù)[18]的相關(guān)性（表1），發(fā)現(xiàn)西太副高脊線位置指數(shù)和北界位置指數(shù)與短時強(qiáng)降水頻次呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.46 和0.43，相關(guān)性通過0.05 的顯著性檢驗，說明西太副高的脊線位置和北界位置與臨夏地區(qū)短時強(qiáng)降水頻次有密切關(guān)系，究其原因，這是因為7—8 月西太副高的位置直接決定了其外圍西南暖濕氣流向西北地區(qū)尤其是臨夏地區(qū)的輸送所能到達(dá)的位置。

表1 2010—2019 年5—9 月臨夏地區(qū)短時強(qiáng)降水頻次與逐月西太副高指數(shù)的相關(guān)系數(shù)

統(tǒng)計2010—2019 年臨夏地區(qū)短時強(qiáng)降水逐月頻次可見，短時強(qiáng)降水主要發(fā)生在5—9 月，呈明顯的“單峰型”分布（圖4），其中7、8 月居多，發(fā)生頻次占比分別為29.6%和50.4%，8 月最多，達(dá)到245 次，且8 月1 h 最大雨強(qiáng)最大，達(dá)到100.8 mm；9 月發(fā)生頻次最少，只有27 次，但1 h 最大雨強(qiáng)＞40 mm，可見汛期末仍然會出現(xiàn)較強(qiáng)的短時強(qiáng)降水。

圖4 2010—2019 年5—9 月臨夏地區(qū)短時強(qiáng)降水頻次逐月分布

從5—9 月短時強(qiáng)降水逐旬頻次分布可知（圖5），短時強(qiáng)降水頻次呈“單峰型”分布，主要集中在7月中旬—8 月下旬，這期間的短時強(qiáng)降水占全年的75.3%，8 月上旬最多，達(dá)140 次，占全年的28.8%，這與西太副高的兩次北跳關(guān)系密切，尤其是西太副高在7 月底—8 月初第三次到30°N 以北位置時，其西北側(cè)的西南氣流為臨夏地區(qū)輸送大量水汽，在一定的觸發(fā)機(jī)制下形成強(qiáng)降雨，因此在7—8 月尤其是“七下八上”時段要高度關(guān)注短時強(qiáng)降水的短臨監(jiān)測和預(yù)警服務(wù)。

圖5 2010—2019 年5—9 月臨夏地區(qū)短時強(qiáng)降水頻次逐旬分布

從5—9 月短時強(qiáng)降水逐時頻次分布可以看出（圖6a），臨夏地區(qū)短時強(qiáng)降水呈“單峰型”日變化特征。16—03 時為短時強(qiáng)降水的主要集中時段，占總頻次的84.6%；主峰在21 時為最大，22 和20 時次之，19—00 時出現(xiàn)的短時強(qiáng)降水占58.6%，為高發(fā)時段；06—07 時前后為短時強(qiáng)降水最少時段；12時前后為短時強(qiáng)降水次少時段。5—6 月（圖6b）短時強(qiáng)降水主要集中在19—00 時，13—16 時出現(xiàn)次數(shù)占比次之，屬于午后型和夜雨型。7—8 月（圖6c）短時強(qiáng)降水主要集中在19—00 時，午后時段出現(xiàn)次數(shù)占比較少，傍晚時段出現(xiàn)次數(shù)占比較多，屬于傍晚型和夜雨型。9 月（圖6d）短時強(qiáng)降水分布比較均勻，沒有明顯的集中時段。以上分析表明，在不同季節(jié)時段短時強(qiáng)降水日變化特征有明顯的差異。總體來看，臨夏地區(qū)短時強(qiáng)降水發(fā)生屬于傍晚型和夜雨型。

圖6 2010—2019 年5—9 月（a）、5—6 月（b）、7—8 月（c）、9 月（d）臨夏地區(qū)短時強(qiáng)降水頻次逐時分布

2.2 短時強(qiáng)降水的空間分布特征

2.2.1 小時平均最大降水量的空間分布特征

圖7 為2010—2019 年5—9 月1 h 平均最大降水量的空間分布。臨夏地區(qū)1 h 平均最大降水量主要分布在4 個區(qū)域，分別是北部永靖縣黃河河谷迂回地區(qū)、西部積石山山區(qū)、南部太子山沿山地區(qū)及中部東鄉(xiāng)縣海拔較高山區(qū)，以上4 個區(qū)域1 h 平均最大降水量均＞20 mm，其中沿積石山太子山沿線的吹麻灘、莊窠集、藥水峽等站＞30 mm，最大值出現(xiàn)在康樂縣藥水峽（43 mm），達(dá)到特大暴雨級別[19]。從2010—2019 年5—9 月1 h 最大降水量趨勢變化空間分布可以看出，75.8%的站點(diǎn)趨勢系數(shù)為正值，大部分地區(qū)1 h 最大降水量呈增大趨勢，說明近10 a臨夏地區(qū)短時強(qiáng)降水的極端性逐年增大。

圖7 2010—2019 年5—9 月1 h 平均最大降水量的空間分布

2.2.2 短時強(qiáng)降水頻次的空間分布特征

從2010—2019 年5—9 月臨夏地區(qū)短時強(qiáng)降水頻次空間分布可以看出（圖8b），短時強(qiáng)降水在各地均有出現(xiàn)，單站年均頻次為0.2～2.6 次，平均為0.8次。永靖縣陳井最少，為0.2 次，廣河縣莊窠集最多，為2.6 次。變異系數(shù)為0.54，空間分布差異較大?？傮w呈西南多、東部和北部少，山區(qū)多、川區(qū)少的分布特征，并且分散有多個大值中心，分別在積石山縣石塬鄉(xiāng)和癿藏鄉(xiāng)、臨夏縣蓮花鎮(zhèn)、和政縣新莊鄉(xiāng)及馬家堡鄉(xiāng)和梁家寺鄉(xiāng)、廣河縣官坊鄉(xiāng)和莊窠集鄉(xiāng)；低值區(qū)域主要位于永靖縣大部、東鄉(xiāng)縣東南部、廣河縣中東部、康樂縣東部和南部等區(qū)域。對比不同量級強(qiáng)降水的空間分布差異，繪制臨夏地區(qū)1 h 降水量≥10 mm的降水頻次空間分布圖（圖8a），與短時強(qiáng)降水頻次分布（圖8b）略有差異，R1h≥10 mm 的降水頻次總體呈西南多、東北少、海拔較高地區(qū)多、海拔較低地區(qū)少的分布特征，大值中心主要位于積石山縣西南部、臨夏縣中南部、和政縣中南部、廣河縣西部及康樂縣西部。

圖8 2010—2019 年5—9 月臨夏地區(qū)R1 h≥10 mm降水頻次（a）和短時強(qiáng)降水頻次（b）空間分布

2.3 強(qiáng)降水海拔高度特征分析

2.3.1 迎風(fēng)坡降水增大

地形對大氣環(huán)流和天氣氣候的影響主要有兩方面作用，一是動力作用，二是熱力作用。其中，動力作用又可分為動力阻擋作用和摩擦作用[20]。而迎風(fēng)坡具有動力和屏障作用，可以使氣流繞地形流動和被迫爬升致使水汽抬升凝結(jié)，暖濕氣流在中尺度地形迎風(fēng)坡形成氣旋性輻合，產(chǎn)生風(fēng)場切變，對降水產(chǎn)生明顯的增幅作用[21]，是因為地形高度抬升和邊界層摩擦直接作用的結(jié)果，如果地形有利于冷暖空氣的交匯，就容易產(chǎn)生強(qiáng)降雨。研究發(fā)現(xiàn)，臨夏地區(qū)5—9月平均降水量分布與海拔高度的相關(guān)系數(shù)為0.56，并通過0.05 的顯著性檢驗，相關(guān)性較高（圖9b），這也印證了臨夏地區(qū)西南部積石山和太子山中尺度地形對本地盛行的偏東氣流產(chǎn)生迎風(fēng)坡效應(yīng)，致使降水量隨海拔高度升高而增大。

圖9 2010—2019 年5—9 月臨夏地區(qū)平均降水量空間分布（a）及其與海拔高度的關(guān)系（b）

2.3.2 短時強(qiáng)降水的海拔、地形特征

雖然山體斜坡地帶是降水形成、發(fā)展的主要位置，但山體之間的谷地對降水的形成也很重要[22]，這種山谷的地形效應(yīng)也會誘發(fā)大暴雨的產(chǎn)生，比如在喇叭口谷地的迎風(fēng)坡上暴雨系統(tǒng)就容易發(fā)展增強(qiáng)，喇叭口地形是逐漸收縮的山谷地形，當(dāng)朝向喇叭口的氣流進(jìn)入喇叭口之后，因地形收縮，使氣流輻合加強(qiáng)，同時因山谷是升高的，必然會加大氣流的上升運(yùn)動，使降水增強(qiáng)[23]。從圖10 可以看出，臨夏地區(qū)短時強(qiáng)降水頻次分布呈現(xiàn)兩個極端：海拔較高的山地喇叭口地形區(qū)域和海拔較低的河谷地區(qū)。積石山縣境內(nèi)銀川河上游河谷兩側(cè)山脈、和政縣境內(nèi)廣通河上游河谷兩側(cè)山脈、康樂縣境內(nèi)蘇集河上游河谷兩側(cè)山脈均形成明顯的喇叭口地形，海拔落差較大，此種地形造成近地面加熱不均勻，從而易形成局地的山谷風(fēng)環(huán)流，且與盛行的偏東氣流產(chǎn)生喇叭口地形效應(yīng)，促使短時強(qiáng)降水增強(qiáng)。北部黃河河谷迂回區(qū)域及劉家峽水庫庫區(qū)等海拔較低的河谷地區(qū)也是短時強(qiáng)降水高發(fā)區(qū)，強(qiáng)降水時段主要集中在22—02 時，屬于典型的夜雨型強(qiáng)降水，地形引發(fā)的熱力效應(yīng)主要是由于地形不同高度上下墊面加熱和氣流抬升時大氣潛熱釋放所引起，山谷的熱力不均勻性是山谷風(fēng)產(chǎn)生的重要原因，由于夜間山坡冷卻很快，冷空氣下沉并抬升河谷底部的暖空氣，產(chǎn)生山風(fēng)效應(yīng)，且河谷下墊面空氣潮濕，形成不穩(wěn)定層結(jié)，產(chǎn)生局部熱力對流，從而導(dǎo)致較大增幅的降水[14]。因此以上區(qū)域是臨夏地區(qū)汛期短時強(qiáng)降水的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。

圖10 2010—2019 年5—9 月臨夏地區(qū)短時強(qiáng)降水頻次與地形分布

3 結(jié)論

利用青藏高原邊坡臨夏地區(qū)6 個國家級自動氣象站和66 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域自動氣象站2010—2019 年5—9 月逐小時降水資料，分析了臨夏地區(qū)短時強(qiáng)降水的時空分布及海拔、地形特征，得到以下結(jié)論：

（1）青藏高原邊坡臨夏地區(qū)近10 a 短時強(qiáng)降水頻次總體呈上升趨勢，2012、2018 年出現(xiàn)了兩個峰值，短時強(qiáng)降水頻次與西太副高脊線位置和北界位置有密切關(guān)系。短時強(qiáng)降水主要發(fā)生在5—9 月，其中7、8 月發(fā)生頻次占比分別為31.8%和49.2%，集中時段為7 月中旬—8 月中旬，9 月頻次最少，但1 h最大雨強(qiáng)也＞40 mm。短時強(qiáng)降水的“雙峰型”日變化特征明顯，主峰在21 時左右，次峰在08 時左右，16—00 時為主要集中時段，占總頻次的66.2%，19—23 時為高發(fā)時段，占總頻次的45.1%，12 時前后為短時強(qiáng)降水最少時段，05 時前后為短時強(qiáng)降水次少時段。臨夏地區(qū)短時強(qiáng)降水發(fā)生屬于傍晚型和夜雨型。

（2）1 h 平均最大降水量均＞20 mm 的4 個主要區(qū)域是北部永靖縣黃河河谷迂回地區(qū)、西部積石山山區(qū)、南部太子山沿山地區(qū)及中部東鄉(xiāng)縣海拔較高山區(qū)，且75.8%的站點(diǎn)1 h 最大降水量呈增大趨勢，說明近10 a 臨夏地區(qū)短時強(qiáng)降水的極端性逐年增大。

（3）臨夏地區(qū)短時強(qiáng)降水單站年均頻次為0.2～2.6 次，平均為0.8 次。短時強(qiáng)降水空間分布差異較大，總體呈西南多、東部和北部少，山區(qū)多、川區(qū)少的特征。不同量級強(qiáng)降水的空間分布略有差異，R1h≥10 mm 的降水頻次總體呈西南多東北少、海拔較高地區(qū)多、海拔較低地區(qū)少的特征。

（4）臨夏地區(qū)降水分布與海拔高度有明顯關(guān)系，西南部積石山和太子山中尺度地形對本地盛行的偏東氣流產(chǎn)生迎風(fēng)坡效應(yīng)，致使降水量隨海拔高度升高而增大。不同地形下短時強(qiáng)降水頻次分布呈現(xiàn)兩個極端：海拔較高的山地喇叭口地形區(qū)域和海拔較低的河谷地區(qū)，是臨夏地區(qū)汛期短時強(qiáng)降水的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。特殊地形對短時強(qiáng)降水的影響機(jī)制，將在今后的研究中進(jìn)行。