隴東局地地形對慶陽暴雨影響的定性分析

趙玉娟, 張洪芬, 張可心, 柳東慧

(慶陽市氣象局,甘肅 慶陽 745000)

0 引言

暴雨是中國主要的氣象災害之一,也是災害性天氣預報研究的重點,尤其是受地形影響的暴雨預報更重要,地形的復雜性及起伏多變成為暴雨預報的難點[1]。地形對暴雨的影響作用較復雜,主要分為動力、熱力、云微物理過程[2]。隨著各地地形降水觀測實驗的開展,以及高分辨數值模擬的發展,地形對暴雨的影響研究有了很大的進步[3]。主要集中在地形對暴雨的影響、物理機制及估算方法等的研究[4],通過深入研究建立降水與地形、海拔高度及地區氣候條件的數學模式[5],概括地氣過山時地形降水的主要動力效應[6],分析地形對不同尺度及對流性天氣系統降水的影響。通過探討濕氣流過山脈地形降水的機制,發現小山脈地形降水發生在迎風坡[7],并指出對流降水在迎風坡為淺對流,而在背風坡為深對流,這時降水主要由山脈的熱力效應產生,降水的強度在背風坡也強于迎風坡[8]。喇叭口地形主要增加了抬升處的垂直速度及低層輻合[11-12],山地地形的迎風坡與喇叭口地形相結合時,其抬升作用比單純的迎風坡地形及喇叭口地形強,增幅程度隨喇叭口開放度增大而增大[9-10]。通過探討地形走向與風向交角的關系,指出當暖濕氣流與地形坡交角較大時,對流旺盛,易形成迎風坡降水中心[13]。深入研究得出了凝結函數法及水汽收支法兩種雨量增幅法[14]。中國主要地形分為3類,分別是以爬流為主滿足準地轉平衡或者不滿足準地轉平衡及以繞流為主的運動多滿足準地轉平衡[15]。針對中國各大區內的主要山脈地形對降水的影響研究較多[16-18],西北地區地形對降水的影響研究主要集中在祁連山[19-20]、賀蘭山[21-23]、秦嶺[24-26]、六盤山[27-28]等大型山脈,而隴東復雜地形對暴雨的影響研究甚少,本文利用氣象觀測資料,分析慶陽暴雨特征,重點探討隴東局地地形對暴雨的影響。

慶陽市屬黃河中游黃土高原溝壑區,東倚子午嶺,北靠羊圈山,西接六盤山,東、西、北三面隆起,中南部低緩,北部馬家大山最高為2089 m,南部政平河灘最低為885 m。其土質疏松,地質環境極其脆弱,滑坡、泥石流和土壤侵蝕等次生地質災害頻發。近年來,慶陽市多次出現由暴雨引發的洪澇災害,造成較大的經濟損失甚至人員傷亡。為給地方政府防災減災工作提供科學依據,及時有效防范暴雨誘發災害帶來的經濟損失及人員傷亡,在智能網格預報業務中更加準確把握暴雨的落區及強度,深究導致暴雨產生的原因非常關鍵。為此利用氣象觀測資料,詳細分析慶陽市暴雨的特征,深入研究其規律性,尤其是特殊地形對暴雨的影響規律,探索智能網格暴雨預報的訂正方法,以提高其準確性,具有科學的研究意義。

1 資料與方法

降水資料選取慶陽市206個國家、區域自動氣象站,2013-2020年汛期(6-8月)日觀測降水量,資料來源于CIMISS氣象數據統一服務器;地面觀測資料為1 h地面填圖資料。暴雨個例選取,按甘肅河東降水等級標準,24 h(08:00-08:00)降水量≥50 mm計為一次暴雨過程。

2 暴雨特征分析

2.1 時間特征

2.1.1 暴雨頻次年分布

分析2013-2020年暴雨頻次年變化(圖1),可以看出,慶陽市暴雨頻次整體呈增多趨勢,其中2017年、2018年出現的頻次最多(16次),增加最明顯,這主要是受氣候原因的影響。2017年7-8月北半球副熱帶高壓強度偏強、位置偏西,中國平均溫度較常年偏高,8月全國平均降水較常年偏多20%[29-30]。2018年7月年西太平洋副熱帶高壓強度較常年明顯偏強,位置較常年明顯偏北,8月亞歐洲大陸中高緯為多波型,西北太平洋副熱帶高壓西脊點偏西,且7、8月全國平均氣溫較常年均偏高,降水較常年均偏多[31-32]。

圖1 暴雨頻次逐年變化

2.1.2 暴雨頻次月分布

從2013-2020年逐年逐月暴雨發生的頻次變化(圖2)可以看出,8月發生的頻次最多,達35次;其次是7月,29次;6月較少,16次。2013年7月發生暴雨的頻次最多,其次是8月,6月最少。2014年7月、8月均發生1次暴雨,6月沒有暴雨。2015年8月發生的頻次最多,7月次之,6月沒有暴雨。2017年、2018年、2020年8月暴雨發生的頻次最多,7月次之,6月最少。2019年7月、8月發生暴雨的頻次相當,6月最少。

圖2 暴雨頻次月變化

2.2 空間特征

2.2.1 暴雨整體空間分布

分析2013-2020年汛期暴雨空間分布(圖3),可以看出,暴雨出現頻次較高的地方分布在合水、慶城、鎮原西部、西峰北部、環縣東部等。24 h降水極值較大的地方在環縣北部、鎮原東北部、西峰西部、慶城東部、合水西部等地,最大值出現在合水東關141 mm/24h(2020年8月4日)。

圖3 暴雨頻次及暴雨極值分布

2.2.2 暴雨月空間分布

分析暴雨空間分布特征(圖4)。其中6月,暴雨出現的頻次相對較少(1～4次),主要出現在合水東部、西峰西北部、華池西北部、寧縣東部,寧縣葉王出現的暴雨頻次最多(4次);降水量在50～102 mm/24 h,極值為102.7 mm/24 h(2018年6月25日華池城壕)。7月,暴雨出現的頻次在1～5次,主要出現在合水中西部、環縣東部、鎮原西部、寧縣西部等,合水蒿咀鋪出現的暴雨頻次最多(5次);降水量在50～136.3 mm,極值為136.3 mm/24 h(2019年7月21日合水劉家莊)。8月,暴雨出現的頻次較多(1～6次),主要出現在合水、環縣東部、鎮原東部、西峰北部、慶城南部、寧縣北部等,合水肖咀出現的暴雨頻次最多(6次);降水量在50～141 mm/24 h,極值為141 mm/24 h(2020年8月4日合水東關)。

圖4 暴雨逐月空間分布

3 地形影響分析

3.1 地形對暴雨頻次的影響分析

對2013-2020年暴雨頻次在5～11站次的國家、區域自動氣象站進行分析(圖5a),其主要位于慶城、合水、西峰、華池交界處,受“喇叭口”地形、川道、河流及地形爬坡等多種地形效應共同影響。經統計,暴雨頻次在5～11站次的站共有65站,其中28站受地形爬坡效應的強迫抬升影響;19站處在馬蓮河及蒲河附近是山區和谷底的過渡區,夏季慶陽盛行西南風,為南風的迎風坡地帶;其余的受“喇叭口”地形及川道地形的輻合作用共同影響。

對2013-2020年暴雨頻次在7～11次的站分析表明(圖5b),暴雨頻次在7～11次的站,除鎮原北部、合水東部分別出現1站次外,主要集中在慶城、合水、西峰、華池交界處,其受“喇叭口”地形、川道、河流及地形爬坡等多種效應共同影響。經統計,16站受地形爬坡效應的強迫抬升影響;13站受河流及“喇叭口”地形、川道地形的輻合作用共同影響。

對2013-2020年暴雨頻次在9～11次的站分析看出(圖5c),暴雨頻次在9～11次的站主要受地形爬坡效應的影響。經統計,4站位于子午嶺西側,1站次位于羊圈山南側,2站位于“喇叭口”地形的開口處,1站位于地形坡西側,其余站次受河流及地形低洼處各種效應共同影響。

對2013-2020年暴雨頻次在≥10次的站分析發現(圖5d),暴雨頻次≥10次的站主要集中在慶陽市中部,基本受地形爬坡效應的影響。經統計,1站位于子午嶺西側,1站位于董志塬邊緣地形下坡處,1站次受河流及地形低洼處各種效應共同影響,還有1站受其他地形綜合影響。

圖5 暴雨出現頻次分布圖

3.2 地形對暴雨極值的影響分析

極端降水在慶陽時有發生,其大多受該地區復雜地形影響所產生的增幅作用。文中主要選擇降水量≥100 mm/24 h、≥130 mm/24 h的國家、區域自動氣象站展開研究。

分析2013-2020年降水量≥100 mm/24 h的站(圖6a)顯示,共有25站次,其中3站次處在子午嶺東側,來自東南的水汽受地形抬升作用,利于對流性天氣的增強,容易形成對流性大暴雨;5站次處在子午嶺西側,位于子午嶺西坡,東移的冷空氣在地形坡的強迫抬升作用下對流增強,對降水的增幅作用明顯;6站次處在馬蓮河附近,河流附近是山區和谷底的過渡區,為南風的迎風坡地帶,同時也位于“喇叭口”地形的收縮區,地形輻合作用強,利于降水的增強;1站次位于麻黃山南側地勢低洼處,局地的地形輻合效應有利于降水的增強;2站次(彭原、孟壩)受地形爬坡效應的強迫抬升作用,引起對流增強,產生強降水,1站次位于地形迎風坡的南坡,偏南氣流輸送的水汽及能量遇到地形坡產生集聚,且地形坡抬升作用有利于對流增強,使得降水增強;1站次(甄溝)位于蒲河流域附近,是山區和谷底的過渡區,為南風的迎風坡地帶,易造成局地降水的增強。

2013-2020年降水量≥130 mm/24 h的站(圖6b)表明,24 h降水量≥130 mm的站共有2站,位于子午嶺西側、“喇叭口”地形的收縮處、馬蓮河附近,地形收縮使氣流輻合加強,從而加強了大氣的上升運動,使對流旺盛,雨量加大,產生極端強降水。

圖6 暴雨極值分布圖

4 地形對典型個例的影響分析

選擇北部、中部、東部不同特征地形對降水的影響進行研究,并選擇偏北氣流型暴雨(冷槽東移)及偏南氣流型暴雨兩種不同的天氣形勢下,局地地形對暴雨的影響進行探討,主要以2019年7月21日區域性大暴雨及2020年8月4日大暴雨過程展開討論。

4.1 冷槽東移型暴雨

冷槽東移型暴雨一般強降水(≥20 mm/h)的落區在切變線左側,200 hPa為高空分流區,高空輻散抽風作用明顯,500 hPa高空槽東移并有溫度槽隨之東移南下,700 hPa東北—西南向切變線東移過程中觸發對流產生,西南風顯著流線為暴雨區輸送水汽,地面主要是偏西北氣流自西北向東南方向移動,在地形梁、溝及河流的作用及子午嶺西坡地形坡抬升及阻擋作用下使風向轉變產生輻合抬升,加強上升運動,從而使對流旺盛,利于降水增強。

圖7 冷槽東移型暴雨概念模型

2019年7月21日中午到夜間,受200 hPa高空分流區,500 hPa高空冷槽東移,副高588 dagpm外圍高溫高濕的環境條件,配合700 hPa切變線及西南風顯著流線的共同影響及地面冷鋒的抬升作用,慶陽市出現了區域性大暴雨天氣過程,全市共出現大暴雨11站,暴雨48站,大雨72站,最大過程降水量出現在合水縣劉家莊136.3 mm,最大雨強90.8 mm/h(合水劉家莊,2019年7月21日22-23時)。分析7月21日國家站區域站1 h地面填圖(圖8),在降水發生前期9-10時(圖8a～b)在環縣南部及喇叭口地形收縮處一直有地面輻合線存在為對流的產生提供了較好的觸發條件,19-23時受冷空氣東移南下影響降水強度明顯增強,21時(圖8c)西北氣流在向東南移動的過程中受地形梁東側地形阻擋,風向發生改變產生了西南風(土橋站),而西北風順溝道下滑過程中受馬蓮河影響,順河道而吹,從而形成了地形東北風(馬嶺站),產生了風向輻合,利于能量和水汽的輻合,產生了63 mm/h的極端降水;22-23時(圖8d),冷鋒移至慶陽市東部受子午嶺西坡地形坡抬升及阻擋作用,產生了持續時間較長的地面輻合線,因此出現了罕見的極端降水90.8 mm/h(合水劉家莊,2019年7月21日22-23時)。

圖8 2019年7月21日國家站區域站1小時地面填圖(降水量只顯示1 h≥20 mm的觀測站)

4.2 偏南氣流型暴雨

偏南氣流型暴雨一般強降水(≥20 mm/h)的落區在切變線兩側,200 hPa位于高空急流右側,具有反氣旋性切變,利于對流的維持及加強,500 hPa高空槽東移,700 hPa有低渦切變線觸發對流產生,西南風顯著流線為暴雨區輸送水汽,地面主要是東南或西南氣流自南向北移動,移動過程中受地形溝的輻合、“喇叭口”地形收縮及子午嶺地形迎風坡的強迫抬升效應影響,增強上升運動,利于極端降水的產生,見圖9。

圖9 偏南氣流型暴雨概念模型

2020年8月4日慶陽市出現了區域性大暴雨,其中大暴雨5站,暴雨13站,最大降水量141 mm(合水東關)。分析2020年8月4日08時-25日00時地面流場及1 h地面填圖(圖10)表明,該次過程主要受偏南氣流影響,偏東氣流自關中盆地經涇河附近海拔較低處進入慶陽市境內,受地形影響轉為偏東南氣流。22時(圖10a),東南氣流在向北移動的過程中遇到地形溝產生了輻合生成局地地形北風,從而有利于對流的增強;至5日00時(圖10b),偏西南氣流受喇叭口地形的輻合作用、子午嶺地形迎風坡的強迫抬升及局地地形溝的影響,利于水汽和能量的輻合,使得降水增強明顯產生強降水(4日23時-5日00時,合水唐家塬48 mm)。

圖10 2020年8月4-5日國家站區域站1 h地面填圖(降水量只顯示1 h≥20 mm的觀測站)

5 結論與討論

利用慶陽市國家、區域自動氣象站2013-2020年汛期(6-8月)日觀測降水資料,及1 h地面填圖資料,分析了慶陽市暴雨的時空分布特征,按照暴雨出現的頻次及降水量級探討了隴東局地地形對暴雨的影響,并通過典型個例分析了不同天氣形勢下隴東局地地形對暴雨的影響。結論如下:

(1)2013-2020年暴雨頻次呈波動狀增加趨勢,8月最多,主要集中在7月下旬及8月上旬;暴雨出現頻次及降水極大值區集中在慶陽市中部,最大日降水極值出現在8月(2020年8月4日合水東關141 mm)。

(2)不同暴雨頻次的站點所受地形效應不盡相同,主要有地形坡強迫抬升、“喇叭口”地形收縮輻合、川道地形的輻合作用及河流效應等。降水量≥130 mm/24 h的站主要位于子午嶺西側、“喇叭口”地形的收縮處且在馬蓮河附近,受多種地形效應共同影響。

(3)典型天氣形勢下,地形對暴雨的影響效應不同。冷槽東移型暴雨,環縣南部川道受地形影響風向發生改變,易產生風向輻合,慶陽市中部受地形梁、溝及河流的作用,而慶陽市東部受子午嶺地形坡抬升及阻擋作用;偏南氣流型暴雨,慶陽市中南部主要受地形溝的輻合,中東部主要受“喇叭口”地形的收縮輻合、子午嶺地形迎風坡的強迫抬升及局地地形溝等地形效應共同影響。

初步探索了隴東局地地形對暴雨的影響,但研究中沒有對坡度及坡向進行修正,為更加深入地了解隴東局地地形對暴雨的作用,今后需要在坡度及坡向的修正、地形爬流(地形抬升)及能量、水汽輻合的定量計算方面努力。

致謝:感謝慶陽市氣象局科研資助項目(QY2021-1)對本文的資助