甘肅省強對流天氣特征分析

譚 丹，黃玉霞，沙宏娥

（蘭州中心氣象臺，甘肅 蘭州 730020）

引言

強對流天氣一般是指伴隨雷暴發生的對流性大風、冰雹、短時強降水等天氣，在世界范圍內都有廣泛的分布，我國是世界上強對流天氣頻發地區之一，強對流天氣變化劇烈，生命史短，局地性強，給人們日常生活、農業、航空業等帶來巨大影響［1-3］。

甘肅省地處西北干旱、半干旱地區，受東亞夏季風影響，隴南山地和黃土高原丘陵溝壑區多發短時強降水、冰雹、雷暴大風等強對流天氣，加之復雜的地質環境條件，極易發生山洪、泥石流等次生災害［4-6］。甘肅省水災發生的頻率、范圍、災害損失雖不如我國東部和南部，但由于地面植被差，地形陡峭，由短時強降水引發的洪水、泥石流，發生頻率高、強度大、時間集中、災害嚴重、防御難。此外，甘肅特殊的地理特征易導致局部地區容易形成強烈的上升氣流，為冰雹天氣的形成發展提供有利的條件，是我國多雹地區之一，每年因冰雹給農業、林業、交通行業及人民生命財產等造成嚴重損失［7］。如2010年8月8日甘肅省甘南藏族自治州舟曲縣城東北部山區突降暴雨，東山站降水量達96.3 mm，1 h 最大降水量達77.3 mm，強降水引發特大山洪泥石流災害，導致了巨大的人員傷亡和財產損失，死亡和失蹤人數達1 765人［8］。2012年5月10日甘肅省定西市岷縣出現強降水和冰雹，降水中心麻子川降水量達69.2 mm，1 h降水量42 mm，強度達到50～100年一遇，此次特大冰雹山洪泥石流造成死亡和失蹤人數達59人［9］。

近年來我國西北地區氣候呈現“暖濕化”趨勢［10-11］，極端天氣氣候事件頻發［12-15］，強對流天氣預報預警難度加大，因此明確短時強降水、冰雹、雷暴大風等強對流天氣的時空分布特征，是提升強對流天氣預報水平、減輕災害損失和影響的重要手段。殷水清等［16］對海河流域夏季逐時降水變化趨勢分析表明，海河流域夏季總降水量和短歷時降水量均呈減少趨勢，但短歷時降水量占總降水量的比重及過程平均雨強和峰值雨強呈增加趨勢；姚蓉等［17］探討了湖南不同區域短時強降水氣候規律及相關環境參數特征；李強等［18］研究發現四川盆地短時強降水頻次和降水量較大值發生在夜間21：00 至次日08：00，分別占總量73.8%和81.4%；秦賀等［19］對新疆暖季短時強降水特征分析表明，短時強降水頻次山脈坡面多于谷地和沙漠，高頻區位置季節性南北推移與太陽輻射和副熱帶鋒區南北推移密切相關；吳迎旭等［20］指出黑龍江省短時強降水日數和站次均與當年6～8月全省平均降水量呈線性關系，太陽輻射導致的非絕熱加熱為強降水特別是局地強降水帶來巨大貢獻；付超等［21］研究發現，江西暖季短時強降水高頻區位于山地及河谷附近，對暴雨的貢獻率在40%以上；黃玉霞等［7］研究發現甘肅省冰雹日數呈明顯下降趨勢，年際和年代際變化具有顯著差異性，冰雹高原和高山多，海拔高度對冰雹形成有重要影響；趙文慧等［22］研究指出中國地區降雹累積持續時間與海拔高度呈現較高的正相關關系，最大值出現在青藏高原地區；許霖等［23］通過統計湖南多年雷暴大風事件，發現雷暴大風日數存在顯著減少趨勢，日變化呈現單峰結構，峰值主要出現在午后到傍晚；費海燕等［24］研究發現中國強雷暴大風主要發生在中國中東部地區，不同地區發生峰值時間不同。

多年來由于甘肅省觀測站網稀疏，對強對流天氣特別是短時強降水發生發展機理認識不足。2010年以來隨著區域自動氣象站的全面建設和業務化，彌補了強對流天氣研究觀測資料不足的缺陷。本文利用最新國家氣象站和區域自動氣象站逐時降水、逐日冰雹和雷暴大風資料，研究甘肅強對流天氣時空分布及年、月、日變化特征；充足的數據支撐，可以更深刻的理解強對流天氣的空間特征和發展趨勢，為強對流天氣預報預警提供參考，提高我省防災減災能力。

1 資料和方法

本文主要用到的資料包括：（1）短時強降水資料。采用甘肅省氣象局提供的80個國家氣象站和2 200多個區域氣象站2013-2019 年7 年逐小時雨量數據，資料經過嚴格質量控制，結合本地氣候特征，剔除異常值較多氣象站點，最終選取1 716個站點進行分析。本研究根據短時強降水業務規定，小時雨量≥20 mm定義為短時強降水，每個站點出現≥20 mm·h-1的雨量記為一個站次［1］；站點年平均短時強降水頻次為2013-2019年所有短時強降水次數之和除以總年數。（2）冰雹資料。采用80 個國家氣象站1990-2019 年近30 年地面觀測資料，冰雹直徑記錄時間為2005-2019 年。根據我國冰雹等級標準［25］，按冰雹直徑分為四類，即弱冰雹（d＜5 mm），中等強度冰雹（5 mm≤d＜20 mm），強冰雹（20 mm≤d＜50 mm）和特強冰雹（d≥50 mm）。冰雹持續時間根據80 個國家氣象站1990-2019 年每次降雹起訖時間（當地時間）的記錄，統計單次降雹持續時間；站點冰雹平均持續時間為1990-2019年所有降雹持續時間之和除以降雹總次數。（3）雷暴大風資料。選取國家氣象信息中心提供的80 個國家氣象站1990-2013 年地面觀測資料，在一個觀測日（當日20：00 至次日20：00）內對雷暴大風日進行篩選和計算，規定既觀測到雷暴又觀測到大風（瞬時風力＞17 m·s-1）記為一次雷暴大風事件。按雷暴大風強度分級標準，分為一般（瞬時風速或者陣風為17～24 m·s-1）和強雷暴大風（≥25 m·s-1）［24，26］。

依據《甘肅氣候》［27］，黃河以西地域稱為河西、以東地域稱為河東。另外，甘肅省所轄區域按地理位置，劃分成五個自然地理區：河西（包括酒泉市、嘉峪關市、張掖市、金昌市、武威市）、隴中（蘭州市、白銀市、定西市、臨夏回族自治州）、隴東（慶陽市、平涼市）、隴南（天水市、隴南市）、甘南（甘南藏族自治州）。

2 結果分析

2.1 短時強降水

2.1.1 短時強降水空間分布特征

由2013-2019 年甘肅省年平均短時強降水頻次分布特征可以看出（圖1（a）），甘肅省短時強降水頻次大致呈現東南多、西北少的特征，這與甘肅省年降水量空間分布一致［27］。短時強降水高發區位于隴南市東南部、隴南市東北部、天水市東南部和慶陽市東部，年均頻次達1.5次以上，其中隴南市東南部是全省范圍最大的高頻集中區，短時強降水年均頻次在2 次以上，最大中心位于武都裕河，達4.1 次/a；其次是徽成盆地～天水市南部一帶，年均頻次介于1.0～2.0 次/a 之間，范圍內的大值中心點較分散，最大中心位于成縣黃渚，達2.4次/a；第三大高發區位于慶陽市東部，年均頻次介于1.0～2.0次/a之間，最大中心位于慶城南莊，達2.0次/a。河西地區、蘭州市、白銀市短時強降水出現次數極少，年均頻次在0.5次以下。

圖1 2013-2019年甘肅省強降水空間分布Fig.1 Distribution of heavy precipitation in Gansu during 2013-2019

圖1（b）為2013-2019 年甘肅省暴雨日數空間分布圖，通過與短時強降水頻次分布對比發現，暴雨與短時強降水高發區域分布基本一致，3個暴雨中心分別對應了3個短時強降水中心，說明短時強降水對甘肅省暴雨貢獻度很大。

從各月空間分布上來看（圖2），4至5月強降水出現的頻次低，主要集中在河東偏南地區，此時副高脊線位于低緯，西北區的水汽條件較差且分布不均，我省河東地區強降水范圍小且比較分散。6至8月副高脊線北跳，降雨帶推移至黃淮流域，西北地區東部雨量開始增加，尤其是7月和8月，副高西脊點到達110°E，脊線位于30°N附近，西北地區東部處于副高西北側的西南暖濕氣流中，給甘肅省武威以東地區帶來充沛的水汽，降水范圍擴大，強降水發生的頻次也顯著增多，河東大部分地方強降水年平均次數均在0.2 次以上，其中隴東南一帶部分地方年平均次數達0.4次以上，局部地方超過0.8次/a。另外，一向干旱少雨的河西地區也在這一時段出現短時強降水，雖然頻次較低，但同時說明了在夏季水汽條件滿足的情況下，河西走廊干旱荒漠區也會出現短時強降水。9 月以后，副高南撤，我省強降水范圍和頻次迅速減小，大部分地方都在0.1 次/a 以下，河東個別地方達到0.2次/a。由此可見，除地形因素外，甘肅省短時強降水的發生，水汽條件至關重要，受西太副高的影響，高溫高濕的偏南氣流為河東地區帶來充沛的水汽，從而短時強降水頻發。

圖2 2013-2019年4～9月甘肅省短時強降水空間分布Fig.2 Distribution of short-time heavy precipitation in Gansu from April to September during 2013-2019

2.1.2 短時強降水時間變化特征

甘肅省短時強降水站次數年際變化具有明顯差異（圖3（a）），2013 年站次數最多，2014 年最少，2014-2017年為低谷期，2018年后站次數增加。短時強降水主要集中在20～30 mm/h之間，占總站次數的79.0%，≥30 mm/h占18.3%，≥50 mm/h的短時強降水很少出現，僅占2.7%。

從短時強降水的逐月分布可以看出（圖3（b）），甘肅省短時強降水最早始于4月，最晚止于10月，呈“單峰型”分布特征。短時強降水主要發生在4至9月，這與甘肅省雨季吻合［27］。甘肅省短時強降水全年呈現快速增強、迅速減弱的特點，峰值出現在8 月，7 月次之，發生頻次占比分別為39.1%、32.6%；6 至8 月發生頻次占全年的88.2%。

短時強降水往往是在有利的大尺度環流形勢下的中小尺度系統中產生，因此，甘肅省短時強降水在一天內的各個時段均有發生（圖3（c））。高發時段主要發生在下午17時至凌晨02時，尤其是19時～00時6個時次短時強降水發生頻次均在6%以上，占總頻次的46.22%，說明全省近一半的短時強降水出現在這段時期內，其中21時頻次最高，達9.25%；凌晨03時至下午15時這段時間內短時強降水處于低發狀態，尤其在早上08、09時，發生頻次占比不足1.5%。出現這種日變化的可能原因是，午后到傍晚由于局地熱力不穩定產生中小尺度對流云團，當對流云團發展到最強盛時容易產生強降水；另外，甘肅河東地區山大溝深，江河穿流其中，河谷地區白天儲存了不穩定能量，傍晚到夜間河谷周邊山坡輻射降溫出現山風環流，低層暖濕空氣抬升觸發了不穩定能量的釋放，導致夜間容易產生對流性降水［28］。

圖3 2013-2019年甘肅省短時強降水變化Fig.3 Changes of short-time heavy precipitation during 2013-2019

2.2 冰雹

2.2.1 冰雹日數時空分布特征

（1）冰雹日數空間分布

甘肅省冰雹的空間分布與海拔高度、地形和下墊面性質等密切相關，具有明顯的局地性和分散性［7］，主要發生于青藏高原邊坡和高海拔地區（圖4）。甘南高原、甘岷山區、祁連山東段為3個冰雹高發區，永登、東鄉和華家嶺為3個冰雹高發點，年平均冰雹日數為2～6 d；臨夏、定西為相對多雹區，為1～2 d；蘭州、白銀、平涼和慶陽地區為冰雹少發區，在1 d以下；河西、天水東部和隴南東南部很少有冰雹出現。

圖4 1990-2019年甘肅省平均冰雹日數空間分布Fig.4 Distribution of the average of hail days in Gansu during 1990-2019

從各月空間分布上來看（圖5），4 月全省冰雹的范圍較小，主要出現在甘南高原、甘岷山區和華家嶺，年平均冰雹日數不足0.3 d。5～7月全省出現冰雹的范圍較大，冰雹日數多，降雹主要集中在祁連山區、甘南高原及定西、臨夏、平涼和慶陽地區，冰雹日數一般為0.3～0.8 d，甘南高原在0.8 d以上，其中6 月冰雹最多發，范圍最大，7 月河西及定西冰雹日數有所減少，祁連山東段增加。這主要是因為這段時期青藏高原邊坡地區、高海拔山地迎風坡以及六盤山等喇叭口盆地和谷地空氣中水汽含量多，太陽輻射強，近地層大氣變得很不穩定，加之冷暖空氣交匯頻繁，在中尺度切變線等的觸發下產生冰雹，此外由地形強迫產生的重力波觸發不穩定能量釋放也可能造成降雹天氣［7，29］；8月甘南高原冰雹日數0.8 d以上的范圍明顯減少，平涼和慶陽也大幅減弱。9 月伴隨西太平洋副熱帶高壓東退和太陽輻射減弱，暖濕條件明顯下降，大氣層結趨于穩定，甘南高原東部的冰雹范圍和日數進一步縮減。

圖5 1990-2019年4～9月甘肅省冰雹年平均日數空間分布Fig.5 Distribution of hail days in Gansu from April to September during 1990-2019

從甘肅省冰雹的平均直徑等級分布圖來看（圖6（a）），我省大部分站點為5～20 mm 的中等強度冰雹，酒泉西部和隴南南部以弱冰雹為主，白銀市靖遠、定西市隴西、慶陽市西峰、合水為強冰雹。圖6（b）為全省各站點冰雹的最大直徑等級分布圖，河西地區冰雹最大直徑大多在5～20 mm，在中等強度冰雹以內，張掖市民樂、山丹和武威市古浪三站出現強冰雹；河東地區基本都在中等強度標準以上，甘南、定西、天水、平涼、慶陽等地部分站點冰雹最大直徑達到特強標準，慶陽市出現特強冰雹的站點最多。

圖6 1990-2019年甘肅省冰雹直徑等級空間分布Fig.6 Distribution of hail diameter in Gansu during 1990-2019

（2）冰雹日數時間變化特征

從1990-2019 年甘肅省冰雹站次年際變化可以看出（圖7（a）），近30 年冰雹站次呈明顯減少趨勢，平均每10 年減少47 站次。20 世紀90 年代前期冰雹站次多，年冰雹站次在100 站次以上，之后明顯減少，在50～70站次之間，其中1990最多，為204站次，2018年最少，僅為29站次。

圖7 1990-2019年甘肅省冰雹時間變化Fig.7 Changes of hail in Gansu during 1990-2019

甘肅省冰雹具有季節性強、雹日高度集中的特征（圖7（b）），降雹最早始于3 月，最晚結束于11 月，5～7月是全年冰雹發生的主要時段，占全年的62.6%。8～11月冰雹日數明顯減少，12月至次年2月為無雹時段。

甘肅省冰雹的發生具有明顯的“單峰型”日變化特征（圖7（c）），一般最早從上午11時左右開始，晚上21時左右結束。午后13～19時為我省冰雹高發時段，發生頻次占全天的88.5%，傍晚17時冰雹發生頻次最高，達15.2%，這主要是因為冰雹的產生需要較高的對流有效位能［30］，從午后到傍晚太陽輻射強，地面升溫快，而春末至初秋我省大部分地方最高氣溫出現在17時左右，此時氣團對流有效位能大，垂直運動較強，當水汽條件滿足（700 hPa比濕≥4 g/kg）和0℃層高度合適時（4 000～5 000 m之間）就容易出現冰雹。晚上20時以后冰雹發生頻次迅速減弱，21時至次日10時，我省很少有冰雹發生，頻次不足1%。

2.2.2 冰雹持續時間分布特征

冰雹持續時間與冰雹日數在空間分布上基本一致，同時具有差異性（圖8）。降雹平均持續時間超過6 min的區域主要包括祁連山中東部、隴中高海拔地區、隴東六盤山和黃土高原地區以及青藏高原邊緣的臨夏和甘南等地，這些地區海拔大多在1 500 m 以上且地形復雜；隴南、天水低海拔地區以及河西中西部等地勢較平坦地區，降雹平均持續時間在6 min 以下。由此可見，海拔、地形對冰雹的產生及降雹持續時間具有重要影響。

圖8 1990-2019年甘肅省冰雹平均持續時間空間分布Fig.8 Distribution of the average of hail duration in Gansu during 1990-2019

甘肅省冰雹過程持續時間主要集中在8 min以內（圖9），不同持續時間的冰雹過程發生次數呈現先增加后減少的特征，持續時間在2 min以內的累積出現411次，2～4min出現次數最多，達582次，4～6 min、6～8 min的分別有426次和265次，之后隨著持續時間的增加，冰雹過程出現次數迅速減少，持續時間32 min的僅有6次，超過32 min的冰雹過程在甘肅省很少出現。

圖9 1990-2019年不同持續時間的冰雹過程的累積出現次數Fig.9 Accumulated number of hail weather processes with different duration from 1990-2019

2.3 雷暴大風

2.3.1 雷暴大風時空分布特征

甘肅省雷暴大風分布特點是山區、高原多，地勢低的地方少（圖10（a））。雷暴大風高發區較分散，其中烏鞘嶺地區范圍最大、出現頻次最高，年均頻次達7.6次/a；武都、東鄉、華家嶺、瑪曲、臨潭為5個雷暴大風高發點，年均頻次在3.5～4.4 次/a 之間，高頻次站點中，除武都外，其余四站海拔高度都在2 400 m 以上。河西中西部、天水東部、隴南東部、平涼和慶陽很少有雷暴大風出現，年均頻次大多在1次以下。甘肅省雷暴大風天氣以一般雷暴大風為主，強雷暴大風天氣發生次數很少（圖10（b）），僅占甘肅省雷暴大風的5%，這與費海燕等指出中國西北地區強雷暴大風發生概率小的研究結果一致［23］。強雷暴大風主要發生在甘肅省中東部地區，累計頻次為1～3次，最大頻數出現在高海拔的華家嶺站（5次）。

圖10 1990-2013年甘肅省雷暴大風及強雷暴大風空間分布Fig.10 Distribution of the frequency of thunderstorm in Gansu during 1990-2013

4 月全省出現雷暴大風的范圍小且分散，頻次低，僅烏鞘嶺、武都、瑪曲、華家嶺、臨潭、岷縣年均次數在0.3次/a以上；從5月開始雷暴大風的范圍有所擴大，頻次增多，高發點與4月一致，年均頻次在0.8次/a以上；6 月全省雷暴大風發展到最強時期，酒泉及甘肅中部地區雷暴大風出現頻次高，年均頻次在0.8～1.8 次/a 之間；7 月雷暴大風高發區與6月較接近，范圍有所減少，頻次減弱，僅馬鬃山、烏鞘嶺在0.8次/a以上；8 月雷暴大風活動范圍進一步減弱，其中河西大部、隴南和隴東地區減弱更加明顯。造成以上差異的主要原因是4～6 月西南暖濕氣流不斷向甘肅偏南地區輸送，地面溫度逐漸回暖，不穩定能量增加，加之中高緯度上冷空氣活動，我省經常位于冷渦底部的西北氣流中，有明顯干冷空氣南下，與西南暖濕氣流交匯，造成不穩定能量迅速積累和釋放，有利于大范圍雷暴大風天氣的發生；7～8 月陸地表面受日照影響，加熱更為明顯，地面氣溫、水汽含量、不穩定能量等都達到一年中最強盛時期，容易在近地層形成不穩定層結；加之夏季甘肅常受西風帶系統影響，帶動冷空氣東移，與副高西伸北抬引導夏季風挾帶的充沛水汽交匯，因而對流發展更加旺盛，易形成雷暴大風天氣［23］。9月除烏鞘嶺地區外，其余地區很少有雷暴大風出現。

2.3.2 雷暴大風時間變化特征

由圖11（a）可以看出，近24 年雷暴大風出現站次呈明顯減少趨勢，平均每10 年減少43.6 站次。1990-2001年是雷暴大風相對較多期，2001-2010年為相對較少期，2011-2013年再次增多。

甘肅省雷暴大風始于3 月，于11 月結束，主要出現時段集中在5～9 月（圖11（b）），其中6 月出現頻次最高，占全年的29.2%，其次為7 月和8 月，分別占全年的22.0%、18.1%，9 月以后雷暴大風出現頻次大幅減弱，11月至次年2月全省無雷暴大風出現。

圖11 1990-2013年甘肅省雷暴大風時間變化Fig.11 Changes of thunderstorm gale in Gansu during 1990-2013

對甘肅雷暴大風出現的次數進行時次統計（圖11（c）），可以看出甘肅省雷暴大風高頻時段出現在午后至傍晚的15～21時，發生頻次占全天的83.7%，19時達到峰值，21時后大幅減少，上午和夜間很少發生，這與其地表午后加熱作用有關。

3 結論

（1）甘肅短時強降水與山脈地形密切相關，多出現在盆地、河谷地區，高發區位于隴南市東南部、隴南市東北部、天水市東南部和慶陽市東部；2013-2019 年短時強降水年際變化差異明顯，2013 年最多，2014-2017年為低谷期，隨后增多；20～30 mm/h強降水占79.0%。

（2）甘肅短時強降水月變化和日變化特征明顯，均呈“單峰型”變化；短時強降水主要出現在4～9月，6月迅速增多，8月達到峰值，7月次之，9月迅速減少；短時強降水一天內各個時段均有發生，高發時段在17～02時，夜雨特征明顯。

（3）甘肅冰雹空間分布與地形密切相關，主要發生在青藏高原邊坡和高海拔地區，高發區位于甘南高原、甘岷山區、祁連山東段以及永登、東鄉和華家嶺3個高發點；大部地區以中等強度冰雹為主。雷暴大風以一般雷暴大風為主，強雷暴大風僅占5%；高發點除武都外，均分布在河西西部、甘肅中部以及祁連山和甘南高原的高海拔地區。

（4）冰雹和雷暴大風存在顯著的年變化和日變化。降雹季節性強，雹日高度集中，5～7 月為高發時段，占全年的62.6%；降雹持續時間主要集中在8 min以內，不同持續時間冰雹發生次數呈先增后減特征，2～4 min出現次數最多。雷暴大風主要集中出現在5～9 月，占全年的86.6%，6 月最多，7 月次之，9 月之后迅速減少；冰雹和雷暴大風均表現為午后峰值，冰雹高發時段集中在13～19時，雷暴大風集中在15～21時。

（5）近30 年，甘肅省冰雹和雷暴大風均呈明顯的減少趨勢，其中冰雹的減少速率為47 站次·（10a）-1，雷暴大風的減少速率為43.6站次·（10a）-1，2000年以來減少更為明顯。