1981—2018年甘肅省極端暴雨天氣過程的氣候與環流特征

劉新偉，王澄海，郭潤霞，楊曉軍，狄瀟泓

(1.蘭州大學大氣科學學院，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州中心氣象臺，甘肅 蘭州 730020)

引 言

聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第五次評估報告(AR5)指出，當溫室氣體加倍時極端強降水顯著增加，其增加幅度遠大于平均強度的降水[1]。近50多年來，我國極端強降水的平均強度和極值都呈增加趨勢，極端強降水事件也趨于增多[2]，其中西北地區西部和青藏高原降水量的增加主要由極端強降水頻率和強度的增加所致[3]，在2016—2050年極端降水事件整體將呈現增多趨勢，且強度也將進一步增強[4-5]。因此，在全球氣候變暖背景下極端降水事件因易引發山洪、泥石流等突發性災害而引起廣泛關注。

研究表明，中尺度系統的發生、發展、合并極易造成較大量級的降水[6]，多個中小尺度對流系統的組織化發展形成MCC是造成極端強降水的重要原因[7]，而MCSs的“列車效應”、后向傳播及系統的停滯少動將會使系統影響時間變長，從而帶來較大雨量[8]。然而，不同地區暴雨的形成機制不盡相同，華南暖區暴雨主要與海岸線、地形抬升以及高低空急流配置有關；江淮暴雨主要與對稱不穩定、渦度變化、β中尺度對流線及邊界層擾動有關；華北和東北地區暴雨過程中，非均勻飽和引起的局部濕度集中特點較為明顯，中高層干冷空氣入侵引起的不穩定和動量下傳以及高空急流增強引發的高層局地輻散增強對暴雨的發生有重要作用[9]。這些認識還不足以滿足任意區域暴雨預報預測的需求，尤其在全球氣候變暖背景下還需做更進一步的研究。

甘肅地處中國西北內陸，外形呈東南—西北向長條“啞鈴”狀，高原、盆地、平川、沙漠和戈壁等交錯分布，地形地貌復雜多樣，氣候自東南溫暖多雨帶向西北內陸少雨帶逐漸過渡。特殊的地形地貌及氣候使得甘肅暴雨特征與我國南方顯著不同。研究表明：特殊地形下西南低空急流的形成和維持對甘肅東部暖區對流系統的形成、發展起重要作用，對流單體的“列車效應”是造成大暴雨的主要原因[10-11]；400 hPa以下大的正螺旋度有利于西北暴雨的發生發展，螺旋度對西北暴雨預報具有指示意義[12-13]。此外，渦旋自組織是造成西北干旱半干旱區暴雨等災害性天氣的重要原因之一[14]。此外，在相同氣候背景、相同區域、相似的環流形勢下，觸發機制不同也會導致降水的強度和范圍差異較大[15-16]。黃玉霞等[17]研究指出，甘肅極端暴雨的降水效率(1 h和3 h降水量與24 h降水量之比)幾乎與廣東相當，說明甘肅極端暴雨具有極強的致災性。因此，本文利用1981—2018年甘肅氣象站點降水觀測資料和NCEP再分析資料，對甘肅極端暴雨天氣過程的氣候特征及主要環流形勢進行統計分析，這對于提高甘肅極端暴雨的預報預警能力及防災減災有重要意義。

1 資料與方法

所用資料為1981—2018年甘肅省81個國家氣象觀測站逐小時降水資料和NCEP逐6 h再分析資料(空間分辨率為2.5°×2.5°)。中國各省、市、自治區行政邊界以及甘肅省市州行政邊界是基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網站下載的審圖號為GS(2019)1824的標準地圖制作，底圖無修改。

對于極端暴雨天氣過程的定義，目前我國沒有明確、統一的規定，因此本文在前人研究[18]基礎上，結合甘肅氣候特點，將歷年(1981—2018年)日降水量排序。統計發現，近38 a甘肅省日降水量達到或超過50 mm的站點在5個及以上的個例有59個、10個及以上的個例有8個；日降水量達100 mm以上的共57站次。因此，將滿足以下兩個條件之一的降水過程定義為一次極端暴雨過程：

(1)24 h降水量[20:00—20:00(北京時，下同)]，有10站及以上達到或超過50 mm；

(2)24 h降水量，有5站及以上達到或超過50 mm，且至少有1站超過100 mm。

當以上條件滿足時，選取暴雨中心值最大的時段統計極端暴雨日。

2 甘肅極端暴雨氣候特征

統計發現，1981—2018年甘肅極端暴雨共計出現811站次，暴雨日309 d，極端暴雨過程29次，其中10次(占34.5%)過程的暴雨中心值為建站以來歷史最大日雨量，其余有12次(占41.4%)過程的暴雨中心日雨量自建站以來位居第2～5位。

從表1看出，甘肅極端暴雨過程基本出現在河東地區(甘肅境內黃河以東各市州)，暴雨中心主要分布在隴南、平涼和慶陽3市(22次，占75.9%)，這與扈祥來等[19]的研究結果“隴南嘉陵江水系及隴東涇河水系特大暴雨發生頻次較高”較為一致；一次極端暴雨過程平均出現8.2站暴雨，最多達16站，占河東總站數(61站)的26.2%，且暴雨中心的平均雨量為121.6 mm，最大雨量達184.6 mm(出現在2013年7月22日平涼靈臺站)。在29次極端暴雨過程中，康縣作為暴雨中心出現頻次最高為6次，其次是麥積(3次)，慶陽、兩當、涇川各2次。

2.1 空間分布特征

甘肅東南部山脈縱橫交錯，海拔差異大，其西面為青藏高原東部邊坡地帶，東南面為秦嶺的西延部分，東北面為六盤山區，隴東正位于六盤山脈的南側。研究表明，特殊的地形有利于西南低空急流的形成、維持，同時對上升運動有一定的增強作用[10-11,20-21]。隴東南地區處于東亞夏季風的北邊緣附近[22]，水汽條件較甘肅其他地區明顯偏好。因此，隴東和隴東南地區易出現極端暴雨。

從29次極端暴雨過程的暴雨落區(表1)來看，極端暴雨主要集中在隴東南地區，即隴南、天水、平涼、慶陽一帶。站點50 mm以上雨量出現的頻次(圖1)顯示，近38 a來隴南的康縣、徽縣暴雨次數均超過40次，康縣最多為48次；隴南、天水、平涼、慶陽等市暴雨次數大都在20次以上，這與扈祥來等[19]的研究結論“隴南嘉陵江上游兩當、徽縣、成縣、康縣與白龍江下游、宕昌縣附近以及隴東涇河六盤山區和中部平涼、涇川、鎮原、西峰、慶陽為暴雨頻發區”較為一致。需要注意的是，日降水量極值并未出現在暴雨頻次最多的隴南，而是出現在隴東的平涼，排名前三的分別是靈臺184.6 mm、涇川184.2 mm和平涼166.9 mm(表1)。

圖1 1981—2018年甘肅50 mm以上雨量出現的頻次分布(單位：次)Fig.1 Frequency distribution of precipitation more than 50 mm in Gansu from 1981 to 2018 (Unit: times)

表1 1981—2018年甘肅極端暴雨過程統計Tab.1 The statistics of extreme rainstorm processes in Gansu from 1981 to 2018

另外發現，落區在隴東(平涼、慶陽一帶)和隴南(隴南、天水一帶)的極端暴雨個例均為7次，隴東南(隴南、天水、平涼、慶陽一帶)的個例有11次，其余分散性的個例有4次。因此，將甘肅極端暴雨天氣過程按落區分為隴東型、隴南型、隴東南型和分散型4種。

2.2 日變化特征

2.2.1 總體特征

對甘肅省29次極端暴雨過程中達到暴雨的站點逐小時雨量進行統計，發現暴雨站點的雨量具有明顯的日變化特征，夜間(20:00—08:00，下同)雨量大于白天(08:00—20:00，下同)的過程有22次(占75.9%)，夜雨量平均占比61.8%，暴雨的夜雨型特征顯著，主要降水時段出現在午夜至上午，中午開始降水比例快速持續下降(16:00—17:00除外)，10:00占比最高，20:00占比最低[圖2(a)]。單站最大雨強超過40 mm·h-1的極端暴雨過程有11次(占37.9%)、站點有16站，且最大小時降水量的貢獻率均在25%以上，其中9站超過50%，最大的出現在蘭州站(1990年8月11日)，小時雨量為51.3 mm，占日降水量的90.2%[圖2(b)]。

圖2 甘肅極端暴雨過程暴雨站點不同時次平均雨量(a)及1 h最大雨量(b)占總降水量的百分比Fig.2 The percentage of average precipitation at different times (a) and the 1-hour maximum precipitation (b) of rainstorm stations to total precipitation during the extreme rainstorm processes in Gansu

2.2.2 不同落區雨量日變化特征

對甘肅省不同落區極端暴雨白天和夜間降水量進行統計，發現隴東型和隴南型極端暴雨過程中夜間雨量大于白天的均有6次(占85.7%)，隴東南型夜間雨量大于白天的過程有7次(占64%)，分散型夜間雨量大于白天的過程有3次(占75%)。可見，不同落區的極端暴雨過程也具有夜雨的特征。

從不同落區極端暴雨過程的雨量日變化(圖3)可知，隴東型和隴東南型均表現出“雙峰型”的日變化特征，但兩落區降水時段差異較大，隴東型在10:00—13:00和02:00—03:00降水占比相對較大，18:00—20:00降水占比相對較小，最高、最低值分別出現在10:00和19:00；隴東南型21:00—08:00降水占比普遍較大，夜雨特征明顯，08:00之后降水占比持續下降，20:00的降水占比最小。隴南型表現出“三峰型”的日變化特征，在02:00—11:00降水占比普遍較大，16:00再次出現一小峰，18:00—20:00降水占比仍較小。分散型的降水日變化特征與隴東南型相似，夜雨特征明顯，23:00—03:00降水占比較大，20:00—21:00降水占比較小。綜上可見，4類極端暴雨的日變化特征存在明顯差異，隴東南型和分散型的夜雨特征明顯，隴東型的日雨特征明顯，但4類暴雨均不易發生在傍晚18:00—20:00。

圖3 甘肅不同落區極端暴雨過程暴雨站點不同時次平均雨量占總降水量的比例Fig.3 The proportion of average precipitation at different times to total precipitation of rainstorm stations in different falling areas of Gansu during the extreme rainstorm processes

另外，不同類型暴雨中心最大小時雨強出現時間存在差異，隴東型主要出現在上午，隴南型和隴東南型主要出現在夜間，而分散型主要出現在前半夜(表2)。在29次極端暴雨過程中，最大小時雨量達到短時強降水標準的有24次，占全部過程的82.8%，其中1990年8月11日出現在天水市麥積區的小時雨強最大為73.7 mm·h-1。可見，甘肅極端暴雨天氣大多伴有強對流，說明甘肅極端暴雨的對流性特征明顯。需注意的是，暴雨中心的最大小時雨強與過程最大小時雨強不完全一致，前者更大程度上體現了降水的累積效應，而后者則體現了降水的短時性、極端性。

表2 1981—2018年甘肅不同落區極端暴雨特征Tab.2 Characteristics of extreme rainstorm in different falling areas of Gansu from 1981 to 2018

2.3 年及月際變化特征

近38 a來，甘肅省極端暴雨過程均出現在6—8月，8月出現最多為14次，其次是7月的13次，6月只出現了2次，說明甘肅盛夏更易出現極端暴雨；極端暴雨最早出現時間為6月20日(2013年)，降水主要落區在平涼及天水，有13站日降水量超過50 mm，其中3站超過100 mm；最晚出現時間為8月27日(2013年)，降水主要落區在隴南，有5站日降水量超過50 mm，其中1站超過100 mm。從逐旬分布(圖4)來看，8月中旬極端暴雨最多出現7次(占24.1%)，7月下旬次之，為5次(占17.2%)，6月中、下旬各出現1次，而8月上旬也是極端暴雨相對較少的時段，僅出現3次(占10.3%)。

圖4 1981—2018年甘肅極端暴雨頻次的逐旬分布Fig.4 The ten-day distribution of extreme rainstorm frequency in Gansu from 1981 to 2018

由表2可知，隴東型極端暴雨主要發生在7月中旬至8月中旬，隴南型主要發生在7月上旬至8月中旬，隴東南型主要發生在6月下旬至8月中旬，其中6月下旬至7月上旬的極端暴雨中心在天水、隴南兩地，而分散型主要出現在8月中下旬。由此可見，隴南的極端暴雨事件出現時間早于隴東。

1981—2018年，甘肅極端暴雨過程共發生29次，年平均接近1次，但實際上出現極端暴雨的年份只有18個，其中7個年份出現了2次，2個年份(1981年和2013年)出現了3次(表1)。從全局小波譜的時間變化(圖5)看出，曲線存在3個較為明顯的峰值，依次為2.5、5、10 a的時間尺度，其中最大峰值對應2.5 a的時間尺度，說明2.5 a左右的周期振蕩最強，為甘肅極端暴雨出現頻次的第一主周期；5 a和10 a的時間尺度分別對應第二、第三峰值，為極端暴雨出現頻次的第二、第三主周期。可見，上述3個周期的波動控制著甘肅極端暴雨頻次在時間閾內的變化特征。

圖5 1981—2018年甘肅省極端暴雨全局小波譜的時間變化Fig.5 The temporal variation of global wavelet spectrum of extreme rainstorms in Gansu from 1981 to 2018

3 環流特征

白肇燁等[23]指出，中國西北地區暴雨的大尺度環流形勢主要依據副熱帶高壓(簡稱“副高”)形勢確定。因此，依據副高的位置，將西北地區暴雨主要的環流形勢分為“副高西北側西南氣流型”和“副高西側偏南氣流型”兩類。黃玉霞等[24]利用聚類分析方法，將甘肅夏季暴雨日分為河東強河西弱型、甘岷山區型、隴南隴東型和全省型4類。可見，甘肅極端暴雨的發生與副高位置有關。

按照暴雨落區的4類分型，對比分析各自的環流形勢，發現隴東型、隴東南型、隴南型及分散型的極端暴雨都與副高有關，只是副高位置的變化造成暴雨落區不同。整體來看，隴東型、隴東南型、隴南型的副高北脊點位置相當，均在33°N左右，而分散型副高位置更為偏北，位于35°N左右。隴東型，副高588 dagpm線位置最為偏西，其西脊點伸至108.5°E，584 dagpm線也最為偏北，呈東北—西南向位于甘肅蘭州—白銀一帶，甘肅河東大部處于副高西北側西南氣流中，西南暖濕氣流可將水汽向北輸送至隴東地區，同時甘肅北部存在一高壓脊，脊前偏北與偏南氣流在隴東地區交匯。隴東南型，588 dagpm線位置最為偏東，東退至海上，相應584 dagpm線也最為偏南，呈東北—西南向位于川北及陜南一帶，甘肅隴東南地區處于副高西北側西南氣流中，甘肅北部氣流較為平直，偏北與偏南氣流交匯較弱。隴南型，588、584 dagpm線位置均介于隴東型和隴東南型對應線之間，588 dagpm線西脊點位于112°E左右，584 dagpm線位于甘肅臨夏—定西—慶陽一帶，呈現一高原東移的小槽，隴南地區處于副高西北側偏南氣流邊緣與槽后偏北氣流的交匯區。分散型，588 dagpm線西脊點位于116°E左右，584 dagpm線位置最為偏北，位于甘肅武威—寧夏銀川一帶，甘肅河東處于副高西北側偏南氣流與高原弱波動的交匯區，同時南海有2～3個熱帶低壓生成。劉新偉等[21]指出，南海熱帶低壓的存在一定程度上會加大降水的量級。南海上的熱帶低壓，一方面阻止副高的東退，使得這種環流形勢長時間維持；另一方面熱帶低壓北側的偏東氣流與孟加拉灣的偏南氣流一同向北輸送，確保水汽供應充足。

綜上可見，隴東型和隴東南型的500 hPa環流形勢較為相似，隴南型和分散型的相對類似；不同的是，隴東型在37°N以北的經向度相對較大，甘肅大部位于高壓脊的底部，其余3種分型的緯向度相對較大，甘肅河東均位于584 dagpm線短波槽前，而分散型還存在南海熱帶低壓。

圖6 甘肅不同落區極端暴雨日20:00 500 hPa平均位勢高度場(線條，單位：dagpm)和風場(矢量，單位：m·s-1)分布(a)隴東型，(b)隴東南型，(c)隴南型，(d)分散型Fig.6 The distribution of 500 hPa average geopotential height field (lines, Unit: dagpm) and wind field (vectors, Unit: m·s-1) at 20:00 BST on extreme rainstorm days in different falling areas of Gansu(a) eastern Gansu pattern, (b) southeastern Gansu pattern, (c) southern Gansu pattern, (d) dispersion pattern

700 hPa相對濕度場(圖略)顯示，4種類型下甘肅河東地區的相對濕度均在70%以上，大部地區超過80%，且隴南型700 hPa相對濕度大值區范圍最小且偏南，分散型相對濕度大值區范圍最大，而隴東型和隴東南型大值區的范圍相當。從700 hPa環流形勢場(圖7)看出，4種類型下偏南低空急流都很明顯，風速均在8 m·s-1以上，隴東型急流延伸的位置最為偏北，可達40°N；隴南型急流延伸的位置最為偏南，約36°N，而隴東南型和分散型延伸的位置相當，在38°N左右。4種分型的偏南氣流均來自海上，隴東型一直可以追溯至臺灣島附近的東南氣流，路程最遠；隴東南型和隴南型類似，均為低緯地區的偏西氣流在海南島附近轉為向北輸送，但隴東南型的偏南氣流更為強盛；由于熱帶低壓的存在，分散型低緯地區的偏西氣流在海南島和臺灣島之間轉向并向北輸送。從降水形成機制來看，隴東型主要由高壓脊底部的偏東氣流與偏南暖濕氣流交匯形成，落區較為偏北；其余3類則由高原短波槽與偏南暖濕氣流交匯形成，同時伴隨著鋒前的暖區降水和鋒后的鋒面降水，即以對流性降水開始、以穩定性降水結束。需注意的是，分散型均發生在8月中下旬，降水時間相對較短，但降水強度較大。

4 結 論

(1)甘肅極端暴雨天氣過程基本出現在河東地區的隴南、天水、平涼、慶陽一帶，強降雨中心集中在隴南的康縣、徽縣。根據暴雨落區，甘肅極端暴雨可劃分為隴東型、隴南型、隴東南型和分散型4類。

(2)甘肅極端暴雨天氣主要出現在7—8月，8月中旬最多，隴南出現時間早于隴東，且具有明顯的夜雨特征及對流性特征，隴南和隴東南暴雨的夜雨特征較隴東更為明顯。

(3)近38 a來，甘肅極端暴雨具有2.5、5、10 a尺度的周期，其中2.5 a的周期振蕩最明顯。

(4)甘肅極端暴雨天氣的落區與副高位置顯著相關，隴東型還與北部高壓脊底部的偏東氣流有關，分散型還與南海的熱帶低壓有關，隴南型和隴東南型還取決于高原短波槽的強度及位置。

甘肅極端暴雨過程雖然發生次數較少，但具有明顯的對流性特征，降水時間集中，一次暴雨量與多年平均降水量之比大于我國東部和南部地區，甚至一次暴雨量可為多年平均降水量的3～4倍。這種對流性特征帶來的隱患更大，今后的工作需進一步深入分析，以期提高認識，為甘肅災害性暴雨的預報預警提供更為科學的依據。