隴東半干旱區(qū)一次特大暴雨事件的降水極端性分析

張君霞，黃武斌，楊秀梅，劉維成，周子涵，沙宏娥

（1.甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點實驗室，甘肅 蘭州 730020；2.蘭州中心氣象臺，甘肅 蘭州 730020）

引 言

我國受暴雨災(zāi)害影響嚴重，據(jù)統(tǒng)計，因暴雨災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟損失和死亡人數(shù)均超過其他氣象災(zāi)害［1］。相比于江南、華南，北方年平均暴雨日數(shù)僅1～3 d［1］，但暴雨誘發(fā)的洪澇災(zāi)害時有發(fā)生，且致災(zāi)性強。如河南1975年“75·8”特大暴雨造成嚴重水災(zāi)，人員傷亡慘重，經(jīng)濟損失巨大［2-4］；2021年7月的極端特大暴雨，導(dǎo)致河南多個城市發(fā)生嚴重內(nèi)澇，數(shù)百人遇難及失蹤［5-9］。預(yù)計未來至2050年極端降水事件整體仍將呈增多趨勢，強度也將進一步增強［10-11］。

近年來，我國暴雨與極端降水的降水量對總降水量的貢獻率呈增加趨勢，且季節(jié)性差異明顯［12-14］。降水極值由東南向西北逐漸減小，具有明顯的區(qū)域性差異［15］，干旱地區(qū)極端暴雨頻率和強度比濕潤地區(qū)增加快，極端暴雨極值增大趨勢更明顯［16］。20世紀90年代以來華北地區(qū)持續(xù)性極端暴雨事件次數(shù)和平均極端降水量明顯減少，暴雨日數(shù)也趨于減少［17-20］，而西北大部地區(qū)極端降水事件呈明顯增多趨勢［14］。

近幾年我國發(fā)生的幾次影響巨大的特大暴雨過程，均具有過程累積降水量大、降水強度強及持續(xù)時間長等特點，極端性特征明顯［21-23］，如河南2021年7月21日特大暴雨過程，暴雨過程持續(xù)時間、降水強度及累積雨量均有明顯的極端性［5，23］。對降水特征及極端性成因的診斷分析和模式研究［24-30］表明，高低空系統(tǒng)的有利配置，異常的水汽、熱動力條件及中尺度系統(tǒng)和地形作用等因素是造成暴雨的主要原因，而暴雨日的高頻站點與過程平均累積降水量的空間差異主要由高低空環(huán)流配置及地形作用造成，極端降水強度是極端暴雨事件最大降水中心形成的決定因素［17］。

西北地區(qū)東部地處東亞夏季風(fēng)北邊緣過渡帶［31］，是氣候變化敏感區(qū)［32］，降水量年內(nèi)分布極不平衡［33］，7—8月暴雨量占全年降水量的63%［34］，中等強度和強降水的降水量占全年降水量的75%以上［35］，區(qū)域性特征明顯，受地形影響明顯［34-36］。1981—2018年該區(qū)域暴雨日數(shù)無明顯減少或增加趨勢，暴雨日雨量極值遠小于全國，但1 h 和10 min降水量極值與我國東部地區(qū)相當，短歷時（1 h 或3 h）降水量占24 h 降水量的比例接近華南地區(qū)［36］，因其特殊的地理環(huán)境，致災(zāi)性極強。西北地區(qū)東部暴雨日雨量極值出現(xiàn)在甘肅隴東地區(qū)，極端暴雨常發(fā)生在7—8月，夜雨和對流性特征明顯［37］，排名前5位的暴雨日雨量極值為162.0～184.5 mm［36］。

慶陽市地處甘肅最東部，位于東亞夏季風(fēng)的北邊緣附近［38］，該地區(qū)水土流失嚴重，氣候變化敏感，生態(tài)環(huán)境脆弱［39］。2022年7月14—15日慶陽市出現(xiàn)一次特大暴雨過程，過程累積雨量大，降水強度強，最大累積降水量和小時降水量分別為373.2 和84.9 mm。本文利用不同時間分辨率的降水觀測資料，從降水強度和持續(xù)時間及強降水中心的時空演變分析這次特大暴雨過程的降水特征及極端性，以期為該地區(qū)極端降水預(yù)報及防災(zāi)減災(zāi)決策提供背景信息。

1 資料與方法

觀測資料為甘肅省氣象信息與技術(shù)裝備保障中心質(zhì)量控制后的2022年7月14日20：00（北京時，下同）至15日20：00慶陽市8個國家氣象觀測站（簡稱“國家站”）和192 個區(qū)域氣象觀測站（簡稱“區(qū)域站”）逐分鐘和逐小時實況降水數(shù)據(jù)，以及192 個區(qū)域站建站以來日降水量和小時降水量數(shù)據(jù)，區(qū)域站降水觀測記錄最早2010年，最晚2013年。格點實況降水資料采用國家氣象信息中心研發(fā)的地面-衛(wèi)星-雷達三源融合降水分析產(chǎn)品（CMA Multi-source Merged Precipitation Analysis System，CMPAS），空間分辨率為0.01°×0.01°，時間分辨率為10 min和1 h，該產(chǎn)品在中國區(qū)域質(zhì)量較優(yōu)［40-41］，能合理反映中國地區(qū)降水空間分布［42］。

降水量等級采用中央氣象臺定義標準，暴雨、大暴雨及特大暴雨對應(yīng)日雨量分別為50≤R＜100 mm、100≤R＜250 mm、R≥250 mm，將1 h 雨量超過20 mm的強降水定義為短時強降水［43］。通過統(tǒng)計對比等方法，分析此次特大暴雨過程中降水的特征及極端性。

文中附圖涉及地圖均基于國家測繪地理信息局標準地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS（2019）333號的標準地圖制作，底圖無修改。

2 降水實況

2022年7月14—15日，慶陽市出現(xiàn)一次特大暴雨過程，大雨以上量級降水共115站，約占該市所有測站的56%。其中，特大暴雨7 站，大暴雨15 站，暴雨33 站，24 h 降水量最大373.2 mm（慶城縣翟家河站），最大小時雨量84.9 mm（慶城縣馬嶺站）。圖1為7月14日20：00至15日20：00累積降水量空間分布及慶陽市地形與氣象站點分布?？梢钥闯觯舜翁卮蟊┯赀^程有2 個強降水中心，分別位于慶陽市北部慶城縣和南部合水縣西部；大量級降水均出現(xiàn)在海拔高度較低的山谷地帶。

圖1 2022年7月14日20：00至15日20：00慶陽市24 h降水量（a，單位：mm）及地形高度（填色區(qū)，單位：m）與氣象站點（b）分布（矩形區(qū)域為強降水中心位置）Fig.1 Spatial distribution of accumulated precipitation from 20：00 BST 14 to 20：00 BST 15 July 2022 （a，Unit：mm） and terrain elevation （the color shaded，Unit：m） and meteorological stations （b） in Qingyang（the rectangular regions for position of strong rainfall center）

特大暴雨發(fā)生在西太平洋副熱帶高壓西北側(cè)，屬于副熱帶高壓邊緣性暴雨。暴雨區(qū)上空500 hPa副熱帶高壓西北側(cè)西南氣流與西北部冷空氣交匯，形成有利于暴雨的天氣尺度環(huán)流背景，中層700 hPa低渦東南象限的水汽輸送帶向暴雨區(qū)輸送暖濕氣流，造成中低層高溫高濕環(huán)境，利于對流發(fā)生。地面冷鋒東移南壓，慶城縣大暴雨發(fā)生在鋒前暖區(qū)內(nèi)，屬于典型的暖區(qū)暴雨，而南部以合水縣為中心的暴雨由地面冷鋒過境引起，屬于鋒面降水。

3 降水特征

3.1 24 h降水量

對比慶陽市測站24 h 降水量的歷史觀測記錄發(fā)現(xiàn)，2022年7月14日20：00 至15日20：00 共26 個區(qū)域站（圖2）累積降水量達到建站以來最大值，其中7 站雨量超過250.0 mm，慶城縣翟家河站累積雨量達373.2 mm，是建站以來觀測最大值，接近甘肅省所有測站歷史日降水量極值（2021年8月18日20：00 至19日20：00 鎮(zhèn)原閆溝站195.6 mm）的2 倍。另外，慶城縣四十里鋪、土橋、馬嶺站和華池阜城、劉家廟、王咀子站24 h 降水量分別達337.4、286.6、272.0、305.8、280.5、279.2 mm，均遠超甘肅測站日降水量極值。

圖2 2022年7月14日20：00至15日20：00慶陽市累積降水量達建站以來最大值的站點分布Fig.2 The distribution of stations with maximum cumulative precipitation from 20：00 BST 14 to 20：00 BST 15 July 2022 in Qingyang since the establishment of each station

對比這次特大暴雨過程降水量排名前10 的測站建站以來汛期（4—9月）和7月歷年平均降水量（圖3）發(fā)現(xiàn)，所有站點此次過程降水量均超過7月平均降水量，其中王咀子站超過3倍，接近汛期平均降水量的80%，翟家河站和阜城站是7月平均降水量的2倍多，分別占汛期平均降水量的82%和67%，其余各站（劉旗站除外）均超過7月平均降水量的1.4倍，表明此次特大暴雨過程累積降水量大，極端性明顯。

圖3 2022年7月14—15日慶陽市特大暴雨過程降水量排名前10站點的過程降水量及歷年汛期與7月平均降水量Fig.3 The accumulative precipitation on 14 to 15 July 2022 and historical mean precipitation in flood season and July at the top 10 stations in terms of the cumulative precipitation during the severe torrential rain process in Qingyang

圖4是此次特大暴雨過程12、6 和3 h 降水量為建站以來同期最大站點降水量分布?？梢钥闯?，此次過程有22站12 h降水量達歷史同期最大，主要分布于日降水量大值中心，12 h 降水量為100.0～367.9 mm，其中翟家河站12 h雨量最大達367.9 mm；6、3 h 降水量最大分別有15 站和21 站，大多站點以慶城縣為中心集中分布，個別站點零散分布，其中翟家河站6 h 最大雨量和馬嶺站3 h 最大雨量分別為281.2 和195.2 mm。不同時段累積降水量極值站點分布表明，此次特大暴雨過程中強降水中心位置少動，強降水時段相對集中。

圖4 2022年7月14日20：00至15日20：00慶陽市12 h（a）、6 h（b）、3 h（c）降水量建站以來同期最大站點降水量分布（單位：mm）Fig.4 The distribution of accumulative precipitation in 12 （a），6 （b） and 3 （c） hours from 20：00 BST 14 to 20：00 BST 15 July 2022 at stations with maximum cumulative precipitation during historical same period since the establishment in Qingyang （Unit：mm）

3.2 降水強度及持續(xù)時間

這次特大暴雨過程期間共126 站次短時強降水，且短時強降水與過程累積降水量空間分布高度一致，短時強降水大值中心位于慶城縣，另外鎮(zhèn)原縣和合水縣個別站點短時強降水強度也超過70 mm·h-1［圖5（a）］，其中慶城縣馬嶺站雨強最大達84.9 mm·h-1，為慶陽市所有測站建站以來第3 強（第1 為2019年7月21日23：00 合水縣的劉家莊站90.8 mm；第2 為2021年8月19日00：00 鎮(zhèn)原縣的閆溝站86.3 mm），慶城縣翟家河站最大雨強84.6 mm·h-1，僅次于馬嶺站。暴雨區(qū)短時強降水雨量對總降水量的貢獻率普遍為40%～70%［圖5（b）］，而慶城縣、西峰區(qū)、寧縣、正寧縣西部及環(huán)縣東南部短時強降水雨量占總降水量的70%以上，部分站點超過90%，強對流性降水是導(dǎo)致極端暴雨的主要原因之一。

此次過程23個區(qū)域站最大小時雨量為建站以來最大值，主要位于環(huán)縣南部、慶城縣北部［圖5（c）］，極端性特征明顯。短時強降水站次數(shù)［圖5（d）］同樣表明，此次特大暴雨過程降水強度強、短時強降水站次多。

圖5 2022年7月14日20：00至15日20：00最大小時降水量（a，單位：mm）及其對總降水量的貢獻率（b，單位：%）、建站以來最大小時降水量測站（c）分布和最大小時降水量站次數(shù)（d）Fig.5 Spatial distribution of maximum hourly precipitation （a，Unit：mm） and its contribution rate to the total precipitation（b，Unit：%） and stations with maximum hourly precipitation since the establishment of station （c），and station numbers occurring maximum hourly precipitation （d） from 20：00 BST 14 to 20：00 BST 15 July 2022

在慶城縣中北部特大暴雨區(qū)選取24 h 降水量排名前7 的測站，在合水縣西部和鎮(zhèn)原縣東南部選取24 h 降水量排名前10 且小時雨量最大的3 個測站，分析2 個暴雨區(qū)降水量逐小時變化特征（圖6）?？梢钥闯觯瑧c城縣中北部特大暴雨區(qū)主要降水時段為15日01：00—09：00，以短時強降水為主，對流性強且持續(xù)時間長，累積降水量大；合水縣西部和鎮(zhèn)原東南部弱降水從14日夜間開始，以穩(wěn)定性降水為主，小時雨量較小，15日16：00 前后降水強度增強，最大雨強達78.4 mm·h-1，20：00 降水基本結(jié)束，強降水期間對流特征明顯，但持續(xù)時間較短，24 h降水量達暴雨量級。

圖6 2022年7月14日21：00至15日20：00慶陽市短時強降水典型代表站逐小時降水量變化Fig.6 The variation of hourly precipitation of short-term heavy rain at the typical representative stations from 21：00 BST 14 to 20：00 BST 15 July 2022 in Qingyang

綜上可見，2 個暴雨區(qū)強降水時段不同，且維持時間長短不一。慶城縣中北部特大暴雨區(qū)短時強降水出現(xiàn)時次最多，其中翟家河出現(xiàn)8個時次，劉家廟、王咀子、阜城、四十里鋪、土橋各出現(xiàn)6 個時次；合水縣西部和鎮(zhèn)原縣東南部暴雨區(qū)普遍出現(xiàn)1～2個時次的短時強降水，明顯少于慶城縣中北部特大暴雨區(qū)［圖7（a）］。此次特大暴雨過程慶陽市測站短時強降水持續(xù)時長空間分布［圖7（b）］與降水強度、短時強降水時次數(shù)類似，短時強降水持續(xù)時長3 h以上的大值區(qū)位于慶城縣中北部及環(huán)縣東南部，其中劉家廟和王咀子站持續(xù)時間最長（均達6 h，15日02：00—07：00），表現(xiàn)出極強的對流性降水特征。14 個區(qū)域站短時強降水持續(xù)時間為建站以來最長［圖7（c）］，其中5 站持續(xù)時長超過4 h，最長持續(xù)時長為6 h，而此前約91%的區(qū)域站汛期短時強降水持續(xù)時長為1～2 h［圖7（d）］，僅個別站點持續(xù)時長超過2 h。

圖7 2022年7月14日20：00至15日20：00慶陽市短時強降水出現(xiàn)次數(shù)（a，單位：次）及持續(xù)時長（b，單位：h）、短時強降水為極值的站點（c）及此前短時強降水最長持續(xù)時間（d，單位：h）分布Fig.7 The distribution of occurring times （a，Unit：times） and duration （b，Unit：h） of short-term heavy rain and stations with extreme rainfall intensity of short-term heavy rain （c） from 20：00 BST 14 to 20：00 BST 15 July 2022，and the distribution of longest duration of short-term heavy rain before this process （d，Unit：h） in Qingyang

3.3 強降水中心時空演變特征

上述分析表明，這次特大暴雨過程有2 個主要降水時段、2個強降水中心。為了更直觀地分析2個強降水中心的時空演變特征，繪制了7月14日21：00至15日20：00 逐3 h 降水量空間分布圖（圖8）?？梢钥闯?，慶城縣中北部強降水主要發(fā)生在15日凌晨至上午11：00。14日21：00—23：00 慶陽市局部地區(qū)僅有微弱降水，3 h 降水量小于20 mm。15日，00：00—02：00 慶城縣北部出現(xiàn)50 mm 以上強降水區(qū)，至05：00 強降水區(qū)范圍擴大、降水強度增強，出現(xiàn)3 h 降水量超過60 mm 的2 個強降水中心，分別位于慶城縣中北部（最大降水量超過100 mm）和華池縣南部；08：00，華池縣南部60 mm 以上的強降水中心消失，慶城縣中北部強降水區(qū)的累積降水量較前一時段變化不大，且100 mm 以上的范圍向西擴大，環(huán)縣東南部累積降水量減??；11：00，慶城縣中北部強降水區(qū)依舊穩(wěn)定維持，強降水區(qū)的累積降水量為70～80 mm，環(huán)縣東南部出現(xiàn)40 mm 以上降水區(qū)；12：00—14：00，慶城縣中北部累積降水量快速減小，降水趨于結(jié)束；15：00 之后，慶陽市南部降水開始增強，鎮(zhèn)原縣東南部出現(xiàn)較大累積降水，最大累積降水量超過60 mm；20：00，降水量大值區(qū)向東向南移至合水縣西部，西峰縣南部、寧縣西部也出現(xiàn)40 mm以上的降水區(qū)；20：00后，降水迅速減小，慶陽地區(qū)降水結(jié)束。這進一步表明，慶陽市北部特大暴雨區(qū)降水強度更大、強降水中心穩(wěn)定少動、較強降水持續(xù)時間更長，導(dǎo)致該區(qū)域24 h 降水量遠大于南部大暴雨區(qū)。

圖8 2022年7月14日21：00至15日20：00 慶陽市逐3 h降水量分布（單位：mm）Fig.8 Spatial distribution of 3-hour cumulative precipitation from 21：00 BST 14 to 20：00 BST 15 July 2022 in Qingyang （Unit：mm）

沿特大暴雨中心（翟家河站，下同）做降水量的時間-空間剖面（圖9），發(fā)現(xiàn)慶城縣特大暴雨中心較強小時降水最先出現(xiàn)在暴雨中心東部，接著向西移至特大暴雨中心并穩(wěn)定維持，降水強度先后經(jīng)歷了增強、減弱、增強、減弱直至結(jié)束的發(fā)展階段；南北方向上降水強度的變化與東西方向相似，強降水中心位置先向北偏移后再向南偏移，但南北偏移幅度很小，較強降水持續(xù)期間降水均發(fā)生在特大暴雨中心附近，而合水縣西部暴雨中心的較強降水隨時間快速向南移動。

圖9 2022年7月14日21：00至15日20：00逐小時降水量沿36.15°N的經(jīng)度-時間（a）和沿107.6°E的緯度-時間（b）剖面（單位：mm）Fig.9 The longitude-time section along 36.15°N （a） and latitude-time section along 107.6°E （b） of hourly precipitation from 21：00 BST 14 to 20：00 BST 15 July 2022 in Qingyang （Unit：mm）

為詳細了解強降水中心的移動、合并及強度等演變特征，過特大暴雨中心對10 min 降水量分別做經(jīng)度-時間和緯度-時間剖面（圖10）?？梢钥闯?，10 min降水量的強降水中心時空演變與逐小時降水量基本一致，強降水中心隨時間東西、南北方向擺動，強降水中心降水強度隨時間脈動變化，10 min較大量級降水主要發(fā)生在特大暴雨中心附近。如15日01：00—09：00，在特大暴雨中心6 mm·（10 min）-1及以上與以下量級降水量隨時間間隔出現(xiàn)，脈動特征明顯，且10 min 6 mm·（10 min）-1量級以上降水中心在東西方向擺動明顯，而10 min 3 mm·（10 min）-1量級降水區(qū)東西方向穩(wěn)定維持。南北方向降水強度隨時間的演變與東西方向相同，降水中心位置明顯先北移再南移，但南北擺動幅度小。

圖10 2022年7月14日21：00至15日20：00逐10 min降水量沿36.15°N的經(jīng)度-時間（a）和沿107.6°E的緯度-時間（b）剖面（單位：mm）Fig.10 The longitude-time section along 36.15°N （a） and latitude-time section along 107.6°E （b） of 10-minitue precipitation from 21：00 BST 14 to 20：00 BST 15 July 2022 in Qingyang （Unit：mm）

選取24 h降水量大且逐分鐘實況降水觀測質(zhì)量高的站點，分析15日00：00—09：00（慶城縣北部特大暴雨時段）和15：00—20：00（合水縣西部為中心的大暴雨時段）站點逐分鐘降水量變化特征。慶城縣北部特大暴雨中心降水開始于15日00：30，降水強度快速增大［圖11（a）］，1 mm·min-1及以上量級降水持續(xù)時間長，最大降水強度出現(xiàn)在03：30—05：00，超過2 mm·min-1；強降水期間，降水強度隨時間相間呈現(xiàn)增大、減小現(xiàn)象，脈動變化特征明顯。15：00—20：00的降水強度接近00：00—09：00［圖11（b）］，但持續(xù)時間均較短，平均約1.5 h，18：30 后降水快速減弱。

圖11 2022年7月15日00：00—09：00（a）和15：00—20：00（b）典型代表站逐分鐘降水量演變Fig.11 Minutely precipitation evolution at typical representative stations from 00：00 BST to 09：00 BST （a） and from 15：00 BST to 20：00 BST （b） on 15 July 2022

4 結(jié) 論

本文利用實況降水觀測資料及三源融合降水CMPAS 資料，分析了慶陽市2022年7月15日特大暴雨的降水特征及極端性，得到以下結(jié)論：

（1）這次特大暴雨過程累積降水量大，局地性強，2 個暴雨中心分別位于慶城縣北部和合水縣西部。其中，7個區(qū)域站24 h降水量超過250.0 mm，翟家河過程累積降水量達373.2 mm，是甘肅省所有國家站日降水量觀測極值的近2 倍；26 個區(qū)域站24 h降水量達建站以來最大值，極端性明顯。

（2）特大暴雨過程對流性特征明顯，小時雨強大，短時強降水持續(xù)時間長。15日凌晨至上午以對流性降水為主，最大雨強達84.9 mm·h-1，是慶陽市所有站點建站以來第3強，環(huán)縣南部、慶城縣中北部等地區(qū)23 個區(qū)域站小時雨強達建站以來最大。短時強降水最多達8 時次，最長持續(xù)6 h，為慶陽市所有站點建站以來短時強降水最長持續(xù)時長。

（3）強降水中心長時間穩(wěn)定維持在慶城縣中北部及環(huán)縣東南部，6 mm·（10 min）-1量級以上降水中心在東西方向擺動明顯，南北方向先北移后南移，但擺動幅度均不大，較大量級降水集中于特大暴雨中心附近；合水縣西部小時降水量大，但持續(xù)時長短，累積降水量小于慶城縣北部。暴雨中心降水強度隨時間演變有明顯脈動特征。