甘南州2000—2020年短時強(qiáng)降水的時空分布特征

摘 要：研究采用2000—2020年甘南藏族自治州國家級氣象臺站及區(qū)域自動氣象站降水資料，分析甘南州短時強(qiáng)降水時空變化規(guī)律及強(qiáng)降水天氣特征。結(jié)果表明，2000—2020年甘南州發(fā)生較多次短時強(qiáng)降水，＜20 mm/h的短時強(qiáng)降水站次占總站次的74.21%。各個量級的短時強(qiáng)降水約有80%發(fā)生在15：00至翌日07：00，并且午夜前后為＜20、20～25和25～30 mm/h的短時強(qiáng)降水活動期。8月中旬短時強(qiáng)降水頻次占總頻次的35.21%，＜20、20～25 mm/h的短時強(qiáng)降水是其年際變化的主要特征。甘南州短時強(qiáng)降水空間分布不均勻，東部多、西部少，南部多、北部少。大多數(shù)氣象站最大降雨強(qiáng)度在20～25 mm/h，每小時降雨強(qiáng)度極值發(fā)生在8月中旬。

關(guān)鍵詞：甘南藏族自治州；短時強(qiáng)降水；時空分布；特征分析

中圖分類號：P426.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）11–0-03

短時強(qiáng)降水是一種短時間內(nèi)降水強(qiáng)度較大的天氣現(xiàn)象，其降雨量達(dá)到或超過某一量值，具有突發(fā)性強(qiáng)、破壞力大、降水時間集中、局地性強(qiáng)等特點[1]。甘南藏族自治州（以下簡稱甘南州）處于青藏高原向黃土高原過渡區(qū)，地形地貌復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境脆弱，局地突發(fā)性短時強(qiáng)降水易引發(fā)山洪、泥石流、城市內(nèi)澇等次生災(zāi)害，給經(jīng)濟(jì)社會造成嚴(yán)重影響[2]。例如，2010年8月7日20：00至8日06：00，甘南州舟曲縣發(fā)生特大暴雨，舟曲縣東山站降雨96.3 mm，單小時降雨77.3 mm，造成堰塞湖積水，導(dǎo)致縣城積水。根據(jù)舟曲縣縣政府提供的信息，此次特大山洪泥石流共受災(zāi)2個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，13個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（6個重災(zāi)村）。超過490人失蹤，1 500人死亡，66人受傷。

甘南州短時強(qiáng)降水過程局地性強(qiáng)、突發(fā)性強(qiáng)，可能與常伴隨高空冷空氣南移的氣候特點有關(guān)[3]。因此，認(rèn)識并預(yù)報甘南州地區(qū)短時強(qiáng)降水時空變化規(guī)律，對該地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)工作有著重要意義。劉菲凡等[4]對京津冀地區(qū)短時強(qiáng)降水過程的環(huán)境物理量進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)短時強(qiáng)降水需要較高的氣溫和非穩(wěn)態(tài)能量。江帆等[5]分析了珠三角汛期短時強(qiáng)降水時空分布，結(jié)果表明，季風(fēng)爆發(fā)后，珠三角短時強(qiáng)降水頻率與低層水汽通量的相關(guān)性明顯升高，珠三角沿海地區(qū)夜間—早晨短時強(qiáng)降水增多與中低層風(fēng)場結(jié)構(gòu)改變造成的動力強(qiáng)迫有關(guān)。當(dāng)前，甘南州降水研究多集中在個例上，缺乏基于小時觀測資料的系統(tǒng)性研究。為減少強(qiáng)降水可能帶來的損失，提高對短時強(qiáng)降水現(xiàn)象認(rèn)識和預(yù)測能力，利用2000—2020年夏季甘南州國家臺站和自動氣象站小時降水?dāng)?shù)據(jù)，對甘南州短期強(qiáng)降水時空分布進(jìn)行研究，揭示其時空變化規(guī)律，并結(jié)合再分析數(shù)據(jù)對其進(jìn)行數(shù)值模擬，為甘南州短期強(qiáng)降水預(yù)測、防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

基于2000—2020年6—8月甘南州國家級氣象臺站及區(qū)域自動氣象站降水?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)、高空站高空觀測數(shù)據(jù)等多源遙感數(shù)據(jù)，對甘南州地區(qū)夏季短時強(qiáng)降水特點、出現(xiàn)頻率、空間分布等分析，并對其進(jìn)行分類。

1. 2 方法

根據(jù)DB62/T 2755—2017甘肅省地方標(biāo)準(zhǔn)，甘南州降雨量＞20 mm/h即為短時強(qiáng)降水。從當(dāng)天00：00至翌日00：00，若某天某一自動氣象站出現(xiàn)短時強(qiáng)降水，則這一天的時間是1 h。若在同一天內(nèi)，同一自動氣象站發(fā)生多次短時強(qiáng)降水，則累積統(tǒng)計。同一日甘南州地區(qū)所有自動氣象站記錄的短時強(qiáng)降水站次的數(shù)量記為該日短時強(qiáng)降水總站次。

2 結(jié)果分析

2.1 短時強(qiáng)降水多時間尺度變化特征

分析2000—2020年甘南州短時強(qiáng)降水站次晝夜變化特點，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)短時強(qiáng)降水具有雙峰分布的時序特征。15：00至翌日07：00短時強(qiáng)降水發(fā)生頻次較高。＜20、20～25 mm/h的短時強(qiáng)降水峰值集中在19：00～23：00，25～30 mm/h的短時強(qiáng)降水峰值集中在19：00～21：00，＞30 mm/h短時強(qiáng)降水總體出現(xiàn)頻次較少，峰值一般出現(xiàn)在23：00。總的來說，甘南州地區(qū)短時強(qiáng)降水夜間發(fā)生頻次較高，隨著白天到來，發(fā)生頻次大幅下降，11：00～13：00達(dá)到最低。這一現(xiàn)象與甘南州夜間多短時強(qiáng)降水的現(xiàn)象相吻合。研究結(jié)果顯示，甘南州午夜前后為＜20、20～25和25～30 mm/h的短時強(qiáng)降水活動期。而＞30 mm/h的短時強(qiáng)降水最不活躍時段為早晨，占比＜4%。約有80%的短時強(qiáng)降水發(fā)生在17：00至翌日07：00，而07：00～15：00的短時強(qiáng)降水比例顯著下降，表明甘南州短時強(qiáng)降水多集中在下午至午夜。

分析2000—2020年甘南州6—8月短時強(qiáng)降水月份變化特點，甘南州短時強(qiáng)降水月變化具有明顯的單峰特征。短時強(qiáng)降雨多發(fā)生于8月，6月和7月頻次下降，其中，8月中旬短時強(qiáng)降水頻次最高，占總頻次的35.21%；7月下旬和8月上旬次之，分別占總頻次的24.36%和22.14%。在8月，＜20、20～25和25～30 mm/h

的短時強(qiáng)降水頻次分別為71.23%、74.31%和76.85%，＞30 mm/h的短時強(qiáng)降水在8月發(fā)生頻次高達(dá)84.73%，

同樣，＞50 mm/h極端強(qiáng)降水只出現(xiàn)在8月。這與周俊菊等[6]的甘南高原暴雨多發(fā)生在夏季的研究結(jié)果一致。不同點在于甘南州8月是短時強(qiáng)降水多發(fā)期，8月中旬是短時強(qiáng)降水頻次最高點。從整體上看，各尺度短時強(qiáng)降水月變化規(guī)律有較大差別，但超過70%出現(xiàn)在8月，這為短期強(qiáng)降水預(yù)測與預(yù)警提供了依據(jù)。

圖1是2000—2020年甘南州短時強(qiáng)降水頻次的年度變化特點，2000—2020年甘南州短時強(qiáng)降水存在著明顯的非均勻性，其中，2016—2020年平均站次達(dá)到763次左右。在過去20年間，2007年出現(xiàn)頻率最低，只有45站次，而2018年短時強(qiáng)降水發(fā)生站次最高，達(dá)到314站次，是2007年的6倍。＜20、20～25和25～

30 mm/h的短時強(qiáng)降水年變化規(guī)律相似。而＞30 mm/h短時強(qiáng)降水年平均只有5.3站次，其中，2020年短時強(qiáng)降水發(fā)生10站次，2010年為0站次。在甘南州，＜20、20～25 mm/h短時強(qiáng)降水是其年際變化的主要特征。根據(jù)曠蘭等[7]的研究表明，西風(fēng)帶系統(tǒng)強(qiáng)度變化和高原天氣系統(tǒng)的環(huán)流調(diào)整是造成短時強(qiáng)降水年際變化的重要因素；東風(fēng)擾動帶來的水汽輸送和副熱帶高壓位置及強(qiáng)度變化，共同影響著大氣中水分分布和天氣系統(tǒng)的活動。這些因素通過影響大氣環(huán)流和水汽輸送，進(jìn)而影響降水分布和強(qiáng)度，導(dǎo)致甘南州短時強(qiáng)降水年際變化。

對2000—2020年甘南州的降水強(qiáng)度進(jìn)行分析可知，甘南州短時強(qiáng)降水出現(xiàn)站次隨降雨強(qiáng)度增大而明顯降低，其中，＜20、20～25、25～30、＞30 mm/h的短時強(qiáng)降水站次分別占總站次的74.21%、16.78%、5.29%和3.72%。而且各站點短時強(qiáng)降水過程的極值與降水站次的相關(guān)系數(shù)不大，不具有良好的相關(guān)關(guān)系。2018年8月13日甘南州共發(fā)生25站次短時強(qiáng)降水，其中，95.37%的短時強(qiáng)降水在20～25 mm/h，最大值只有35.67 mm/h。

2. 2 短時強(qiáng)降水空間尺度變化特征

根據(jù)2000—2020年甘南州短時強(qiáng)降水空間分布箱線圖（圖2），甘南州東部和東南過渡區(qū)是短時強(qiáng)降水發(fā)生年頻次最大的區(qū)域。東南區(qū)域舟曲縣和迭部縣、東北區(qū)域的卓尼縣短時強(qiáng)降水年發(fā)生站次最高，2000—2020年間年均發(fā)生站次分別為122次和74站次。短時強(qiáng)降水發(fā)生站次最低的是西北部的夏河縣。針對不同地區(qū)自動氣象站數(shù)目差異，對各個區(qū)域多個站點短時強(qiáng)降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行匯總和分析，求出每一地區(qū)出現(xiàn)頻率的最大值、中位數(shù)、極小值，結(jié)果表明，東南地區(qū)短時強(qiáng)降水發(fā)生站次的空間變率最高，并且最高和最低頻率的站點都在該地區(qū)，東北地區(qū)次之，中部、西北和西南地區(qū)空間變率最低。各區(qū)域發(fā)生頻次的平均值由高到低依次為東南部的47次、東北部的42次、中部的39次、西南部的37次和西北部34次。

從圖2b看出，甘南州各區(qū)域短時強(qiáng)降水的平均強(qiáng)度由大到小依次為東南部的31.21 mm/h、東北部的30.42 mm/h、中部的29.36 mm/h、西南部的28.44 mm/h

和西北部的28.13 mm/h，區(qū)域之間的差異相對較小。這種分布特點與各地氣候條件、地形特征和大氣環(huán)流等因素密切相關(guān)[8-13]。甘南州東南部以山地為主，山坡陡峭，溝谷深切，形成典型的“V”型河谷，這種地形特征使得在暴雨情況下，河流流速快，對地表侵蝕作用強(qiáng)，進(jìn)一步加劇該地區(qū)降水豐富現(xiàn)象；而西南部地區(qū)雖然也有一定短時強(qiáng)降水事件，但頻率和強(qiáng)度相對較低；西北部地區(qū)由于氣候干燥，水汽條件不足，因此，短時強(qiáng)降水頻率和強(qiáng)度均最低。

2000—2020年甘南州短時強(qiáng)降水的平均頻次為672站次，其中，2015年為843站次，2007年為289站次；且20年內(nèi)總體呈小幅上升趨勢。通過對各分區(qū)強(qiáng)度的年際變率分析可知，各區(qū)域短時強(qiáng)降水的平均頻次都有一定上升，其中，以東南部最為顯著。從整體上看，甘南州短時強(qiáng)降水的增多主要取決于發(fā)生頻次的改變，而強(qiáng)度改變對其的影響不大。甘南州短時強(qiáng)降水月平均強(qiáng)度有很大變化，其中，6月上旬的峰值為42站次，隨后逐漸上升，8月中旬峰值為943站次，8月下旬有所下降，為857站次。通過對各分區(qū)強(qiáng)度的月變化進(jìn)行分析，在3個月中，東南部、東北部和中部的短時強(qiáng)降水發(fā)生站次最大，這與甘南州短時強(qiáng)降水發(fā)生頻次的月變化一致。入汛后，影響青藏高原的高壓位置偏北，導(dǎo)致其西側(cè)的偏南氣流較強(qiáng)，從而將孟加拉灣水汽不斷地輸送至甘南州上空，與北方冷空氣頻繁交匯，造成甘南州降水量偏多。

3 結(jié)論與討論

（1）2000—2020年，甘南州發(fā)生較多次短時強(qiáng)降水，年平均發(fā)生672站次，并隨著降水強(qiáng)度增加呈現(xiàn)出指數(shù)下降趨勢。＜20、20～25、25～30、＞30 mm/h的短時強(qiáng)降水站次分別占總站次的74.21%、16.78%、5.29%和3.72%。

（2）甘南州短時強(qiáng)降水具有雙峰分布，各個量級的短時強(qiáng)降水均發(fā)生在15：00至翌日07：00，約有80%的短時強(qiáng)降水都發(fā)生在該時段。不同強(qiáng)度的短時強(qiáng)降水活動期也存在差異，午夜前后為＜20、20～25、25～

30 mm/h的短時強(qiáng)降水活動期。年平均降水量季節(jié)變化均為單峰，以8月中旬短時強(qiáng)降水頻次最高，占總頻次的35.21%；7月下旬和8月上旬分別占總頻次的24.36%和22.14%。年平均頻數(shù)分布不均勻，＜20、20～25 mm/h的短時強(qiáng)降水是其年際變化的主要特征。

（3）甘南州短時強(qiáng)降水在空間上分布不均勻，東部多、西部少，南部多、北部少。大多數(shù)氣象站最大降雨強(qiáng)度在20～25 mm/h，每小時降雨強(qiáng)度極值發(fā)生在8月中旬。各區(qū)域短時強(qiáng)降水平均強(qiáng)度由大到小依次為東南部的31.21 mm/h、東北部的30.42 mm/h、中部的29.36 mm/h、西南部的28.44 mm/h和西北部的28.13 mm/h，差異相對較小。

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