甘肅省暖季小時降水變化特征

黃武斌，王研峰，劉 娜，段伯隆，郭潤霞，王一丞

（1.蘭州中心氣象臺，甘肅 蘭州 730020；2.甘肅省人工影響天氣辦公室，甘肅 蘭州 730020）

近年來，氣候變暖使得強降水事件趨于增多[1]，因強降水引發(fā)的氣象災害造成的經(jīng)濟損失和社會影響越來越大，氣象災害的社會敏感性越來越高。降水受季風、地形等諸多條件影響，具有明顯的區(qū)域性和時空分布[2]，降水區(qū)域變化特征得到了國內(nèi)外眾多學者的關(guān)注，并開展了大量研究。

姚莉等[3]研究指出我國南部沿海地區(qū)夏季雨強頻數(shù)最多，春季是安徽南部與江西地區(qū)，秋季是海南島和云南南部。熊明明等[4]研究表明天津地區(qū)降水小時數(shù)及小時平均降水強度空間差異明顯。楊萍等[5]研究指出北京地區(qū)降水季節(jié)和日分布不均。董旭光等[6]研究表明山東汛期小時降水存在區(qū)域空間差異及明顯的日變化。方德賢等[7]研究表明重慶地區(qū)年降水量呈西低東高分布，存在一定季節(jié)差異，夏季西部降水增強明顯。侯淑梅等[8]基于加密觀測資料分析指出山東省魯東南地區(qū)的極端短時強降水強度、日最大降水量及夏季降水量、年降水量均為全省最大。楊霞等[9]指出伊犁河谷四季均以短歷時降水為主，春、夏和冬季累計降水量日變化呈單峰型，秋季呈雙峰型。劉佩廷等[10]分析得出華中地區(qū)極端小時降水頻次日變化特征較為明顯，存在明顯的區(qū)域差異。

甘肅省地形呈狹長狀，地處黃土高原、青藏高原和內(nèi)蒙古高原交匯地帶，境內(nèi)地貌復雜多樣，氣候類型從東南向西北包括了半濕潤區(qū)、半干旱區(qū)和干旱區(qū)[11]，生態(tài)系統(tǒng)脆弱。強降水引發(fā)的山洪、山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災害，給人民生命財產(chǎn)安全帶來巨大影響。甘肅省短時強降水空間分布不均勻，年變化和日變化明顯[12-14]，強降水分布與東亞夏季風和豎切變線關(guān)系密切[15-16]。

受觀測資料限制，過去甘肅省強降水研究主要集中在氣候或單一強降水個例的分析[17-21]。多是利用區(qū)域自動站資料，對甘肅省加密氣象站小時降水量氣候特征的研究較少。本文基于加密站小時降水資料對2013—2019 年甘肅省暖季小時降水（平均降水量、強降水極值及頻率）時空分布特征進行分析，揭示精細降水結(jié)構(gòu)及分布特征，為進一步改進數(shù)值模式中與降水相關(guān)的參數(shù)化方案、機理研究提供參考。

1 資料來源和方法介紹

1.1 資料介紹

采用甘肅省氣象信息與技術(shù)裝備保障中心提供和經(jīng)過質(zhì)量控制的2013—2019 年4—9 月1 678 個地面加密降水觀測站點逐時降水數(shù)據(jù)（圖1）。

圖1 甘肅省氣象站點分布（紅色三角形為國家氣象站，黑色點為加密氣象站）

1.2 方法

降水資料統(tǒng)計方法和定義[7，22]為：（1）小時降水量＞0.1 mm 為降水事件；（2）統(tǒng)計時段內(nèi)平均降水量（簡稱PA），為總降水量/總時次，用于描述單位時間內(nèi)降水的多少；（3）統(tǒng)計時段內(nèi)降水頻率（簡稱PF），為降水的時次×100%/總時次；（4）統(tǒng)計時段內(nèi)降水強度（簡稱PI），為總降水量/總的降水時次，即降水強度=降水量/降水頻次，用于描述實際有降水發(fā)生時降水的平均強度；（5）區(qū)域內(nèi)最大小時降水量為小時降水極值；（6）區(qū)域內(nèi)站點在統(tǒng)計時段內(nèi)出現(xiàn)小時降水量≥20 mm 的小時強降水次數(shù)為小時強降水頻次。

甘肅省地形呈狹長狀，氣候差異大，地貌形態(tài)復雜，不同地區(qū)降水區(qū)域差異明顯，因此本文參考《甘肅氣候》[23]中區(qū)域的劃分，將甘肅省劃分為5 個區(qū)域，為河西（酒泉市、嘉峪關(guān)市、張掖市、金昌市、武威市）、隴中（白銀市、蘭州市、臨夏州、定西市）、隴南（隴南市和天水市）、隴東（平?jīng)鍪泻蛻c陽市）及甘南高原（甘南州）地區(qū)（圖2）。

圖2 甘肅省區(qū)域分布

2 結(jié)果與分析

2.1 降水分布特征

2.1.1 降水空間月分布特征

圖3 為甘肅省2013—2019 年暖季逐月平均降水量、降水頻率和降水強度空間分布。從平均降水量月空間分布（圖3a、3d、3g、3j、3m、3p）可知，平均降水量5 月開始明顯增大，7 月最大，大值區(qū)主要分布在隴中、隴南、隴東及甘南高原地區(qū)，隴南地區(qū)東南部的徽縣＞0.26 mm/h，為大值中心，8 月開始減少。

圖3 甘肅省2013—2019 年4—9 月平均降水量PA（a、d、g、j、m、p，單位：mm/h）、降水頻率PF（b、e、h、k、n、q，單位：%）和降水強度P（Ic、f、i、l、o、r，單位：mm/h）空間分布（a、b、c 為4 月，d、e、f 為5 月，g、h、i 為6 月，j、k、l 為7 月，m、n、o 為8 月，p、q、r 為9 月）

從降水頻率月空間分布（圖3b、3e、3h、3k、3n、3q）可以看出，降水頻率分布特征與平均降水量相似。5 月隴南、隴中和甘南南部地區(qū)降水頻率增加。6—7 月河西地區(qū)的祁連山區(qū)域、甘南高原、隴中地區(qū)、隴南地區(qū)東南部較高，隴南地區(qū)東南部的徽縣最高，為22%。8 月隴中地區(qū)和隴南地區(qū)的降水頻率減小。9 月降水頻率最高，祁連山地區(qū)及河東地區(qū)，甘南高原的瑪曲和隴南地區(qū)東南部最高，＞24%。

從降水強度月空間分布（圖3c、3f、3i、3l、3o、3r）可知，6 月隴南地區(qū)東南部降水強度＞1.3 mm/h。7—8 月隴南地區(qū)東南部和隴東地區(qū)降水強度明顯增大，降水強度＞1.6 mm/h。

甘肅省逐月降水強度與平均降水量和降水頻率空間分布特征存在較大差異，究其原因，4—5 月影響甘肅省的東亞大槽東移減弱，西風帶槽脊尺度和強度減小，副熱帶高壓北移[23]，降水量增加。6—8 月副熱帶高壓西北側(cè)形成暖濕氣流輸送帶，導致甘肅省大范圍降水。同時西風帶低槽或低渦移動，在系統(tǒng)性上升運動和不穩(wěn)定能量釋放共同作用下，甘肅省東部地區(qū)降水強度明顯高于其他地區(qū)。9 月東亞大槽增強西移，副熱帶高壓減弱南撤，甘肅省南部地區(qū)進入秋雨期，降水頻率高，但強度不大。

2.1.2 降水月變化特征

分析甘肅全省以及河西、隴中、隴南、隴東和甘南高原5 個區(qū)域的暖季逐月降水變化特征，結(jié)果顯示，平均降水量全省及各區(qū)域均呈單峰型分布，7 月最大，4 月最小。降水頻率河西地區(qū)呈單峰型分布，峰值出現(xiàn)在7 月，其余地區(qū)均呈雙峰型分布，峰值出現(xiàn)在7 和9 月。8 月為降水頻率低值期，其原因為8月副熱帶高壓北抬至河東地區(qū)，易出現(xiàn)連晴高溫天氣。降水強度呈單峰型分布，峰值主要出現(xiàn)在7—8月，與7—8 月對流性降水有關(guān)，其中全省、隴南及隴東地區(qū)峰值出現(xiàn)在7 月，河西、隴中和甘南地區(qū)峰值出現(xiàn)在8 月。

2.1.3 降水日變化特征

由甘肅全省以及河西、隴中、隴南、隴東和甘南高原5 個區(qū)域暖季降水日變化特征（圖4）可知，河西地區(qū)平均降水量、降水頻率、降水強度日變化特征不明顯且最小。平均降水量隴東地區(qū)日變化呈雙峰型分布，峰值主要集中在17 和24 時；全省及其余地區(qū)呈單峰型分布，峰值均出現(xiàn)在20—22 時，甘南地區(qū)在18 時—次日01 時平均降水量明顯高于其余地區(qū)。降水頻率全省及各地區(qū)呈單峰型分布，峰值主要集中出現(xiàn)在21—22 時，其中甘南地區(qū)、隴南地區(qū)的降水頻率較其他地方略高，主要原因是6—8 月甘南高原、隴南地區(qū)的對流活動較其他地區(qū)更為頻繁[24]。降水強度隴東地區(qū)呈雙峰型分布，峰值主要集中出現(xiàn)在17 和24 時左右，原因是該地區(qū)不僅受午后熱對流影響，還受其他天氣系統(tǒng)觸發(fā)和維持的對流活動影響。全省及其余地區(qū)降水強度呈單峰型分布，峰值主要集中出現(xiàn)在20—22 時，表明這些區(qū)域主要受天氣系統(tǒng)對流活動影響。需要指出的是，隴中地區(qū)、甘南地區(qū)、隴南地區(qū)的夜雨特征明顯。

圖4 甘肅省2013—2019 年各區(qū)域平均降水量PA（a）、降水頻率PF（b）和降水強度PI（c）的日變化

2.2 小時強降水分布特征

甘肅省地形復雜，生態(tài)系統(tǒng)相對脆弱，小時強降水造成災害更嚴重，上述分析是針對甘肅省降水的氣候變化特征，但小時強降水（≥20 mm/h）才是造成災害的重要原因，尤其夏季的強降水容易造成洪澇、泥石流、山體滑坡等災害，因此，需要進一步對小時強降水的變化特征進行分析。

2.2.1 小時強降水空間分布特征

從小時強降水極值及頻率的空間分布可知，降水頻次呈現(xiàn)一高一低（河東高河西低）的分布，主要存在2 個高頻率中心，分別為隴南地區(qū)的東南部（武都、康縣、成縣、徽縣和兩當?shù)貐^(qū)）和隴東北部（鎮(zhèn)原、西峰、慶城及合水地區(qū)），最大值在隴南地區(qū)東南部，為29 次。小時降水極值分布特征與降水頻次相似，隴中以南地區(qū)為高值區(qū)，隴中以西地區(qū)為低值區(qū)，≥40 mm/h 的降水極值均出現(xiàn)在強降水頻次高值區(qū)。

對逐月小時強降水極值及降水頻率進行分析可知，小時強降水極值7—8 月最強，主要出現(xiàn)在隴南地區(qū)東南部、隴東地區(qū)北部及隴中地區(qū)太子山，其次是6 月，主要出現(xiàn)在隴南地區(qū)東部及隴東地區(qū)和甘南高原地區(qū)。4—5 月、9 月僅在隴南地區(qū)零星區(qū)域出現(xiàn)20 mm/h 強降水。小時強降水頻次分布與小時強降水極值類似，7—8 月出現(xiàn)最大值，主要在隴南地區(qū)東南部、隴東地區(qū)北部及隴中地區(qū)太子山，6 月隴南、隴東地區(qū)逐漸增多，4—5 月、9 月僅在隴南地區(qū)零星區(qū)域發(fā)生。

2.2.2 小時強降水貢獻率

小時強降水量和降水頻次對總降水量和降水頻次貢獻率的地區(qū)差別顯著，在空間分布上基本相似（圖5）。降水量貢獻率（圖5a）最高為20%，降水頻次貢獻率（圖5b）最高為0.8%，說明小時強降水出現(xiàn)頻率雖不高，但降水強度大，對降水貢獻率高。小時強降水貢獻率最高為隴南地區(qū)東南部（武都、康縣、成縣、徽縣和兩當），＞18%。隴東、隴中、甘南高原地區(qū)貢獻率在4%～6%，河西地區(qū)降水貢獻率<2%，說明河谷地區(qū)、喇叭口地形容易出現(xiàn)小時強降水。

圖5 甘肅省2013—2019 年小時強降水降水量對總降水量的貢獻率（a，單位：%）和小時強降水頻次對總降水頻次貢獻率（b，單位：%）

2.2.3 小時強降水月變化特征

由甘肅全省以及河西、隴中、隴南、隴東和甘南高原5 個區(qū)域的暖季逐月小時強降水變化特征可知，隴東地區(qū)強降水頻次明顯高于其余地區(qū)，隴南地區(qū)次之，河西地區(qū)最少。強降水頻次呈單峰型分布，峰值主要出現(xiàn)在7—8 月，隴南地區(qū)出現(xiàn)在7 月（1.76），隴中、隴東及甘南和河西地區(qū)均出現(xiàn)在8月，分別為1.52、2.40、1.19、0.18。小時降水極值隴南地區(qū)最大，隴中地區(qū)與隴東地區(qū)次之，河西地區(qū)最小。小時降水極值呈單峰型分布，峰值在隴南和隴東地區(qū)出現(xiàn)在7 月，其余地區(qū)出現(xiàn)在8 月，說明7—8月出現(xiàn)極端強降水概率最大。

2.2.4 小時強降水日變化特征

由甘肅全省以及河西、隴中、隴南、隴東和甘南高原5 個區(qū)域的暖季小時強降水日變化特征（圖6）可知，全省及各地區(qū)小時強降水頻次日變化呈雙峰或多峰分布（圖6a），全省峰值出現(xiàn)在21 時（0.35次），河西地區(qū)最低，峰值在18 時（0.05 次），其余地區(qū)主要集中在16 時—次日02 時，其中隴中和隴南地區(qū)峰值分別為0.36、0.47 次，出現(xiàn)在21 時，隴東地區(qū)在22 時（0.48 次），甘南地區(qū)在19 時（0.38 次）。由小時降水極值（圖6b）可知，降水極值呈多峰分布，午后時段出現(xiàn)強降水的頻率較少，但小時最大雨強較強，其原因為受局地對流影響，降水雨強較強。

圖6 甘肅省2013—2019 年不同區(qū)域多年平均小時強降水頻次（a）及小時降水極值（b）日變化

3 結(jié)論

利用2013—2019 年甘肅省4—9 月逐時降水資料分析了甘肅不同區(qū)域平均降水量、頻率和強度，強降水極值及頻率的時空變化特征，主要結(jié)論如下：

（1）隴東地區(qū)平均降水量日變化呈雙峰型分布，全省及其余地區(qū)呈單峰型分布，其中甘南地區(qū)在18時—次日01 時平均降水量明顯高于其余地區(qū)。降水頻率全省及各地區(qū)均呈單峰型分布，降水強度隴東地區(qū)呈多峰型分布，全省及其余地區(qū)呈單峰型分布。

（2）小時強降水頻次呈現(xiàn)一高一低（河東高河西低）的分布，存在2 個高頻率中心，分別為隴南地區(qū)東南部和隴東地區(qū)北部。小時降水極值呈現(xiàn)一高一低的分布，隴中及以南地區(qū)為高值區(qū)，隴中以西地區(qū)為低值區(qū)，≥40 mm/h 的降水極值均出現(xiàn)在強降水頻次高值區(qū)。小時強降水頻次和強度主要出現(xiàn)在7—8 月，尤其是隴南地區(qū)東南部、隴東北部及太子山地區(qū)。小時強降水頻次和雨強在17—24 時最強，峰值為21 時，其空間分布具有較大差異。

（3）平均降水量主要集中在6—9 月，呈單峰型分布，7 月達到峰值。降水頻率呈遞增趨勢，在8 月為低值期，這與8 月副熱帶高壓北抬至甘肅河東地區(qū)，易出現(xiàn)連晴高溫天氣有關(guān)。降水強度呈單峰型分布，峰值主要出現(xiàn)在7—8 月，與對流性降水有關(guān)。