甘肅省天水地區(qū)暴雨時(shí)空分布及天氣學(xué)分型

王小龍，鄧卓雅，李映春，強(qiáng)玉柱，李 娟，王秀花，楊春芽

（1.天水市氣象局，甘肅 天水 741000；2.張家川縣氣象局，甘肅 張家川 741500）

暴雨是一種降水強(qiáng)度（降水率）較大，或過程總降水量較大的降水現(xiàn)象，我國(guó)通常將日降水量或24 h降水量≥50 mm的降水稱為暴雨[1]。暴雨經(jīng)常引發(fā)泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失。因此，氣象工作者在暴雨的氣候特征、形成機(jī)制、雷達(dá)衛(wèi)星以及數(shù)值模擬等方面開展了大量研究，針對(duì)西北地區(qū)本地的暴雨天氣成因、暴雨時(shí)空分布特征、天氣學(xué)分型及中尺度方面的研究也取得了一定的研究成果[2-9]。黃玉霞等[2]梳理了近40 a西北暴雨的主要研究進(jìn)展，指出應(yīng)關(guān)注基于強(qiáng)度的暴雨定義和短歷時(shí)暴雨中尺度系統(tǒng)生消機(jī)理研究等；趙慶云等[3]研究發(fā)現(xiàn)甘肅東南部是西北地區(qū)暴雨易發(fā)區(qū)之一；多位學(xué)者[4-8]研究表明西北地區(qū)暴雨多發(fā)生在低壓槽前西南暖濕氣流背景下，低層偏北風(fēng)與偏南風(fēng)形成的切變線附近；侯建忠等[9]對(duì)青藏高原東北側(cè)暴雨特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)甘肅等地暴雨受地形作用影響明顯；國(guó)內(nèi)外學(xué)者多使用“配料法”、“分型配料法”等對(duì)暴雨進(jìn)行預(yù)報(bào)[10-11]。這些研究成果為天水地區(qū)的暴雨研究奠定了基礎(chǔ)。

天水地區(qū)位于甘肅省東南部，境內(nèi)山脈縱橫，地勢(shì)西北高、東南低，是甘肅省暴雨最多的地區(qū)之一，暴雨誘發(fā)的災(zāi)害每年都造成巨額損失，例如2018年7月2日和7月10日發(fā)生的兩次暴雨天氣過程，造成5名群眾死亡、69萬余人受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)15億元。暴雨的形成受地形作用及下墊面性質(zhì)影響明顯，一般具有本地化的氣候特征和形成機(jī)制。目前有關(guān)天水地區(qū)暴雨的研究[6-9]大多都是基于隴東南或西北地區(qū)等較大的范圍，缺乏對(duì)當(dāng)?shù)乇┯晏卣骷邦A(yù)報(bào)指標(biāo)的詳細(xì)研究，同時(shí)對(duì)區(qū)域站和自動(dòng)站資料的結(jié)合應(yīng)用分析也不足。因此，本文利用1965—2019年常規(guī)觀測(cè)資料和2008—2019年區(qū)域站加密監(jiān)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析天水地區(qū)暴雨時(shí)空分布特征，并選取30個(gè)代表性暴雨樣本進(jìn)行天氣學(xué)分型及預(yù)報(bào)指標(biāo)研究，為天水暴雨預(yù)報(bào)預(yù)警及服務(wù)提供參考。

1 資料和方法

利用天水地區(qū)1965—2019年7個(gè)地面觀測(cè)站常規(guī)觀測(cè)資料及2008—2019年269個(gè)區(qū)域站加密資料數(shù)據(jù)，將當(dāng)日20時(shí)—次日20時(shí)累計(jì)降雨量R24≥50 mm定義為一個(gè)暴雨樣本，共篩選出116個(gè)暴雨樣本（總計(jì)151站次）。運(yùn)用線性傾向估計(jì)、多項(xiàng)式擬合、置信度檢驗(yàn)、滑動(dòng)平均法等統(tǒng)計(jì)學(xué)方法以及克里金（Kriging）插值法對(duì)天水地區(qū)暴雨時(shí)空分布特征進(jìn)行分析。同時(shí)，選取2008—2019年具有代表性的30個(gè)暴雨天氣過程，利用“分型配料法”進(jìn)行天氣學(xué)分型及物理量指標(biāo)研究。

2 暴雨時(shí)空分布特征

2.1 時(shí)間分布特征

2.1.1 年際分布特征

由圖1可知，近55 a天水共監(jiān)測(cè)到暴雨151站次，年均2.75站次，暴雨年際差異較大，其中1968、1969年等17 a未出現(xiàn)暴雨，2013年暴雨最多，達(dá)19站次，這與當(dāng)年的氣候背景和大氣環(huán)流形勢(shì)有重要關(guān)系。使用線性傾向估計(jì)、多項(xiàng)式擬合及5 a滑動(dòng)平均法來分析暴雨時(shí)間變化趨勢(shì)，由線性趨勢(shì)可知，近55 a來天水地區(qū)暴雨呈增多趨勢(shì)，增幅為0.2站次·（10 a）-1，通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)；從多項(xiàng)式擬合來看（R2=0.080 2），天水地區(qū)暴雨20世紀(jì)60年代后期及80—90年代呈減少趨勢(shì)，20世紀(jì)70年代及21世紀(jì)以來呈增多趨勢(shì)。使用5 a滑動(dòng)平均法來消除異常值對(duì)暴雨趨勢(shì)的干擾，從圖中滑動(dòng)曲線變化趨勢(shì)可知，近55 a天水各站暴雨變化趨勢(shì)和多項(xiàng)式擬合結(jié)論基本一致，進(jìn)入2009年后暴雨年際波動(dòng)明顯增大，主要是由于2013年大氣環(huán)流有利于暴雨形成，導(dǎo)致暴雨站次劇增。

圖1 1965—2019年天水暴雨站次年際變化

2.1.2 月分布特征

由圖2可知，天水地區(qū)暴雨94%發(fā)生在夏季6—8月，春秋季占6%，冬季無暴雨；從月分布來看，天水暴雨出現(xiàn)在5—10月，集中在7—8月，其中7月暴雨發(fā)生頻次最高（52%），8月（31%）次之，月分布呈單峰型特征，峰值出現(xiàn)在7月。另外由區(qū)域站加密資料可知，天水4月已有暴雨出現(xiàn)。

圖2 1965—2019年天水暴雨站次月變化

2.1.3 旬分布特征

由圖3可知，天水地區(qū)暴雨出現(xiàn)在5月下旬—10月中旬，主汛期集中在7月上旬—8月下旬，占82.8%，其中7月上旬和下旬暴雨出現(xiàn)頻次最多，為25站次，其次是8月下旬，為16站次。這主要與西太平洋副熱帶高壓（簡(jiǎn)稱副高）西伸北抬的時(shí)間有關(guān)，副高大致每年的6月28日—7月20日開始西伸北抬，隨著副高西伸北抬，我國(guó)雨帶也逐漸北移，雨帶影響天水地區(qū)的時(shí)間恰好在7月上旬和下旬期間，與天水暴雨出現(xiàn)的前兩次峰值正好對(duì)應(yīng)；到了8月下旬，隨著副高勢(shì)力減弱東退，雨帶迅速南移并經(jīng)過天水，天水再次出現(xiàn)暴雨峰值。由上可知，天水暴雨旬分布的3個(gè)峰值正好與副高南北移動(dòng)的時(shí)間相對(duì)應(yīng)。另外對(duì)區(qū)域站加密資料補(bǔ)充分析后發(fā)現(xiàn)，天水4月中旬已有暴雨出現(xiàn)，分別在2018年4月20日和2019年4月20日，但兩次都是冷鋒影響下的對(duì)流性天氣形成的局地暴雨。

圖3 1965—2019年天水暴雨站次旬變化

綜上所述，天水地區(qū)暴雨出現(xiàn)在4月中旬—10月中旬，主要集中在7月上旬—8月下旬，并在7月上旬和下旬、8月下旬出現(xiàn)3個(gè)峰值，旬分布呈三峰型特征，這種特征與副高的位置有密切的關(guān)系。

2.2 空間分布特征

由圖4可知，天水地區(qū)暴雨空間分布明顯不均，由西向東逐漸增多。武山縣、甘谷縣及秦安縣暴雨發(fā)生次數(shù)相對(duì)較少，只有9～14次；秦州區(qū)次之，為23次；麥積區(qū)、清水縣及張家川縣暴雨發(fā)生次數(shù)最多，為30～32次。這種空間分布特征主要與天水市的地理環(huán)境和氣候背景有重要關(guān)系，天水地形是西北高、東南低，東南部為小隴山林區(qū)，植被較好，西南氣流北上時(shí)受地形抬升影響，容易形成暴雨。

圖4 1965—2019年天水7個(gè)觀測(cè)站暴雨出現(xiàn)頻次空間分布（Kriging插值法）

天水地面觀測(cè)站只有7個(gè)，常規(guī)資料不能很好地反映天水地區(qū)暴雨空間分布更加精細(xì)的情況，以前并不容易出現(xiàn)暴雨的地方也時(shí)有暴雨發(fā)生。通過對(duì)天水2008—2019年區(qū)域站加密資料補(bǔ)充分析后發(fā)現(xiàn)（圖5），天水暴雨存在多個(gè)分布中心，分別為甘谷縣南部、清水縣西部和南部、張家川縣中部和西部、秦州區(qū)東南部、麥積區(qū)南部，其中秦州區(qū)東南和麥積區(qū)南部暴雨發(fā)生頻次最高，分別達(dá)19、17次。這與其特殊的地形及下墊面性質(zhì)有重要關(guān)系，上述暴雨高頻區(qū)均為林區(qū)迎風(fēng)坡喇叭口地形，暖濕的偏南氣流在這里受到地形強(qiáng)迫抬升及輻合，加上地表植物蒸騰作用補(bǔ)充的大量水汽，產(chǎn)生大量的凝結(jié)降雨，同時(shí)釋放出大量的凝結(jié)潛熱，進(jìn)一步增加了大氣的不穩(wěn)定性，相對(duì)其它地方更容易形成暴雨。

圖5 2008—2019年天水區(qū)域站暴雨出現(xiàn)頻次空間分布（Kriging插值法）

3 天氣學(xué)分型

暴雨是在天氣尺度背景制約下由中小尺度系統(tǒng)直接造成，本文首先根據(jù)500 hPa天氣尺度系統(tǒng)對(duì)選取具有代表性的30個(gè)暴雨樣本進(jìn)行天氣學(xué)分型，然后對(duì)其水汽條件、層結(jié)穩(wěn)定度條件及動(dòng)力條件展開分析，結(jié)合當(dāng)?shù)乇┯觐A(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，建立預(yù)報(bào)指標(biāo)，即“配料法”[10-11]。結(jié)果表明，影響天水地區(qū)暴雨的主要環(huán)流形勢(shì)有兩種：低槽（渦）東移型（8次）和副熱帶高壓西北側(cè)西南氣流型（22次），其中副熱帶高壓西北側(cè)西南氣流型是天水主要的暴雨環(huán)流形勢(shì)。

對(duì)上述兩種不同環(huán)流形勢(shì)下的暴雨高低空物理量配置條件統(tǒng)計(jì)分析。首先，水汽條件。天水海拔高度在1 000～2 100 m，700 hPa的比濕、露點(diǎn)溫度差以及水汽通量散度能夠很好地表征天水上空中低層水汽含量、水汽飽和程度以及水汽的聚積情況。其次，層結(jié)穩(wěn)定度條件。根據(jù)預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，K指數(shù)、沙氏指數(shù)Si、700與500 hPa溫差T700-500、700與500 hPa的假相當(dāng)位溫差θse(700-500)能夠很好地表征天水上空大氣層結(jié)穩(wěn)定度情況。第三，動(dòng)力條件。由于天氣尺度背景下的暴雨天氣過程發(fā)生前必然存在著明顯的中低層輻合以及高層輻散，本文主要對(duì)700 hPa水平渦度及散度展開統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表1。

表1 2007—2019年30個(gè)暴雨樣本物理量統(tǒng)計(jì)

3.1 低槽（渦）東移型

低槽（渦）東移型暴雨在天水主要有3種形成方式，一是西風(fēng)槽或高原槽在東移過程中直接影響天水形成暴雨；二是高原渦或西北渦[12-14]在西風(fēng)槽的影響下發(fā)展東移影響天水形成暴雨；三是西風(fēng)槽在東移過程中不斷加深后南部被暖空氣切斷形成的切斷低壓（高空冷渦）影響天水形成暴雨。這3種暴雨在春季、夏季和秋季都會(huì)出現(xiàn)。

低槽（渦）東移型暴雨（圖6）發(fā)生前天水主要受高壓系統(tǒng)控制，天氣晴好，不穩(wěn)定能量積累較好，500 hPa有西風(fēng)槽發(fā)展東移，高原上低值系統(tǒng)發(fā)展活躍，700 hPa偏南風(fēng)發(fā)展旺盛，有切變線或低渦存在。暴雨發(fā)生時(shí)，天水位于500 hPa槽前或低渦（高原渦、西北渦）東南部、700 hPa切變線附近或低渦東南象限，地面圖上對(duì)應(yīng)有冷鋒或輻合線，暴雨主要由中小尺度對(duì)流系統(tǒng)形成，天氣尺度系統(tǒng)貢獻(xiàn)較小；有時(shí)西風(fēng)槽在東移過程中不斷加深，其南部被暖空氣切斷形成切斷低渦（高空冷渦），受切斷低渦影響，天水形成大范圍暴雨天氣。暴雨落區(qū)主要位于切變線附近和偏向暖區(qū)一側(cè)，低渦東南象限也有暴雨產(chǎn)生。

圖6 低槽（渦）東移型暴雨高低空環(huán)流形勢(shì)

低槽（渦）東移型高低空物理量配置為夏秋季700 hPa比濕q≥8 g·kg-1，春季q≥5 g·kg-1，溫度露點(diǎn)差T-Td≤5℃，從孟加拉灣或南海有明顯的偏南氣流將濕潤(rùn)的暖空氣源源不斷地輸送到天水地區(qū)，天水位于高比濕中心附近或者高比濕中心下風(fēng)向，在等比濕線分析圖上表現(xiàn)為一條明顯的南北向濕軸直達(dá)天水，水汽通量散度≤-4×10-4g·hPa-1·cm-2·s-1，有良好的水汽輻合條件。K指數(shù)≥32℃，700和500 hPa溫差ΔT700-500≥10℃，影響系統(tǒng)為冷渦時(shí)T700-500≥14℃，700和500 hPa假相當(dāng)位溫差θse(700-500)＞0℃，沙氏指數(shù)Si≤2℃；700 hPa切變線附近風(fēng)速≥6 m/s，且曲率較大，地面有冷鋒或者輻合線，當(dāng)影響系統(tǒng)為西風(fēng)槽時(shí)有干線（露點(diǎn)鋒）存在，層結(jié)不穩(wěn)定條件及觸發(fā)條件較強(qiáng)。中下層（700～500 hPa）散度≤-5×10-5s-1，渦度為正或低層渦度不明顯，高層（500～200 hPa）有明顯的負(fù)渦度（≤-20×10-5s-1），當(dāng)水汽條件相對(duì)較差時(shí)，散度值更低，同時(shí)整個(gè)輻合層的厚度也明顯變大，高層輻散、低層輻合明顯，垂直上升運(yùn)動(dòng)條件較強(qiáng)。

3.2 副熱帶高壓西北側(cè)西南氣流型

研究表明，夏季副高的活動(dòng)是影響我國(guó)暴雨的主要天氣系統(tǒng)，它的每一次西伸、東退都伴隨著我國(guó)雨帶的變化[15-18]。副高是一個(gè)深厚的暖性動(dòng)力型高壓，每年的夏季是最為強(qiáng)大的時(shí)候，這時(shí)候它外圍的西南風(fēng)氣流源源不斷地將洋面上的暖濕空氣輸送到我國(guó)內(nèi)陸地區(qū)，為我國(guó)降水提供了充沛的水汽及能量條件[19-20]。

副高西北側(cè)西南氣流型（圖7）暴雨主要出現(xiàn)在夏季，具有發(fā)生頻次高、強(qiáng)度大、影響范圍廣等特點(diǎn)，常伴有短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)，是天水最常見的暴雨環(huán)流形勢(shì)。過程發(fā)生前不穩(wěn)定能量條件積累良好，天水主要位于副高588 dagpm線附近或者其外圍西南暖濕氣流控制之下，西風(fēng)槽東移，700 hPa對(duì)應(yīng)有切變線，地面有冷鋒或輻合線配合，有時(shí)會(huì)存在700 hPa西南風(fēng)低空急流與200 hPa高空急流的耦合。副高在西伸北抬或東退過程中雨帶南北移動(dòng)，西風(fēng)槽東移侵入副高中下層強(qiáng)迫暖濕氣流抬升形成大范圍暴雨。暴雨落區(qū)主要在700 hPa切變線附近和偏向暖區(qū)一側(cè)，當(dāng)有低空急流時(shí)暴雨更容易出現(xiàn)在切變線右側(cè)低空急流出口區(qū)附近。

圖7 副熱帶高壓西北側(cè)西南氣流型暴雨高低空環(huán)流形勢(shì)

副高西北側(cè)西南氣流型高低空物理量配置為700 hPa比濕q≥8 g·kg-1，溫度露點(diǎn)差T-Td≤5℃，副高外圍的西南氣流源源不斷地將暖濕空氣輸送到天水附近，四川北部—天水有一條南北向濕軸，天水位于高比濕中心附近或者高比濕中心下風(fēng)向，水汽通量散度≤-5×10-4g·hPa-1·cm-2·s-1。K指數(shù)≥36℃，沙氏指數(shù)Si≤0℃，700和500 hPa溫差ΔT700-500≥12℃，700和500 hPa假相當(dāng)位溫差θse(700-500)＜0℃，存在南北向的高能舌。700 hPa散度≤-5×10-5s-1，渦度≥5×10-5s-1，存在明顯的冷式切變，切變兩側(cè)風(fēng)速＞6 m·s-1，且切變強(qiáng)弱及移動(dòng)速度和暴雨強(qiáng)度正相關(guān)。暴雨落區(qū)主要在700 hPa切變線附近及偏向暖區(qū)一側(cè)，當(dāng)有西南風(fēng)低空急流時(shí)暴雨更容易出現(xiàn)在切變線附近偏向急流出口區(qū)一側(cè)。

4 結(jié)論

（1）天水地區(qū)暴雨年均發(fā)生2.75站次，整體呈增多趨勢(shì)，增幅為0.2站次·（10 a）-1，通過0.01的顯著性檢驗(yàn)，在20世紀(jì)60年代后期及80—90年代呈減少趨勢(shì)，70年代及21世紀(jì)以來呈增多趨勢(shì)。

（2）天水暴雨94%發(fā)生在夏季，春秋季僅占6%，冬季無暴雨出現(xiàn)；4—10月都有暴雨出現(xiàn)，主要集中在7—8月，并在7月出現(xiàn)最大峰值，月分布呈單峰型特征；主汛期為7月上旬—8月下旬，暴雨出現(xiàn)最多，占82.8%，旬分布呈三峰型特征，與副高位置有密切關(guān)系。

（3）天水地區(qū)暴雨自西向東依次增多，并存在多個(gè)分布中心，分別為甘谷縣南部、清水縣西部和南部、張家川縣中部和西部、秦州區(qū)東南部以及麥積區(qū)南部，其中秦州區(qū)東南部和麥積區(qū)南部暴雨發(fā)生頻次最高。

（4）天水地區(qū)暴雨主要有低槽（渦）東移型、副高西北側(cè)西南氣流型兩種天氣學(xué)分型，其中副高西北側(cè)西南氣流型最為常見，兩種分型的暴雨主要影響系統(tǒng)、形成機(jī)制、高低空物理量配置條件各不同。