甘肅省天水地區暴雨時空分布及天氣學分型

王小龍，鄧卓雅，李映春，強玉柱，李 娟，王秀花，楊春芽

（1.天水市氣象局，甘肅 天水 741000；2.張家川縣氣象局，甘肅 張家川 741500）

暴雨是一種降水強度（降水率）較大，或過程總降水量較大的降水現象，我國通常將日降水量或24 h降水量≥50 mm的降水稱為暴雨[1]。暴雨經常引發泥石流、滑坡等地質災害，給社會經濟和人民生命財產造成重大損失。因此，氣象工作者在暴雨的氣候特征、形成機制、雷達衛星以及數值模擬等方面開展了大量研究，針對西北地區本地的暴雨天氣成因、暴雨時空分布特征、天氣學分型及中尺度方面的研究也取得了一定的研究成果[2-9]。黃玉霞等[2]梳理了近40 a西北暴雨的主要研究進展，指出應關注基于強度的暴雨定義和短歷時暴雨中尺度系統生消機理研究等；趙慶云等[3]研究發現甘肅東南部是西北地區暴雨易發區之一；多位學者[4-8]研究表明西北地區暴雨多發生在低壓槽前西南暖濕氣流背景下，低層偏北風與偏南風形成的切變線附近；侯建忠等[9]對青藏高原東北側暴雨特征進行分析，發現甘肅等地暴雨受地形作用影響明顯；國內外學者多使用“配料法”、“分型配料法”等對暴雨進行預報[10-11]。這些研究成果為天水地區的暴雨研究奠定了基礎。

天水地區位于甘肅省東南部，境內山脈縱橫，地勢西北高、東南低，是甘肅省暴雨最多的地區之一，暴雨誘發的災害每年都造成巨額損失，例如2018年7月2日和7月10日發生的兩次暴雨天氣過程，造成5名群眾死亡、69萬余人受災，直接經濟損失高達15億元。暴雨的形成受地形作用及下墊面性質影響明顯，一般具有本地化的氣候特征和形成機制。目前有關天水地區暴雨的研究[6-9]大多都是基于隴東南或西北地區等較大的范圍，缺乏對當地暴雨特征及預報指標的詳細研究，同時對區域站和自動站資料的結合應用分析也不足。因此，本文利用1965—2019年常規觀測資料和2008—2019年區域站加密監測資料統計分析天水地區暴雨時空分布特征，并選取30個代表性暴雨樣本進行天氣學分型及預報指標研究，為天水暴雨預報預警及服務提供參考。

1 資料和方法

利用天水地區1965—2019年7個地面觀測站常規觀測資料及2008—2019年269個區域站加密資料數據，將當日20時—次日20時累計降雨量R24≥50 mm定義為一個暴雨樣本，共篩選出116個暴雨樣本（總計151站次）。運用線性傾向估計、多項式擬合、置信度檢驗、滑動平均法等統計學方法以及克里金（Kriging）插值法對天水地區暴雨時空分布特征進行分析。同時，選取2008—2019年具有代表性的30個暴雨天氣過程，利用“分型配料法”進行天氣學分型及物理量指標研究。

2 暴雨時空分布特征

2.1 時間分布特征

2.1.1 年際分布特征

由圖1可知，近55 a天水共監測到暴雨151站次，年均2.75站次，暴雨年際差異較大，其中1968、1969年等17 a未出現暴雨，2013年暴雨最多，達19站次，這與當年的氣候背景和大氣環流形勢有重要關系。使用線性傾向估計、多項式擬合及5 a滑動平均法來分析暴雨時間變化趨勢，由線性趨勢可知，近55 a來天水地區暴雨呈增多趨勢，增幅為0.2站次·（10 a）-1，通過了0.01的顯著性檢驗；從多項式擬合來看（R2=0.080 2），天水地區暴雨20世紀60年代后期及80—90年代呈減少趨勢，20世紀70年代及21世紀以來呈增多趨勢。使用5 a滑動平均法來消除異常值對暴雨趨勢的干擾，從圖中滑動曲線變化趨勢可知，近55 a天水各站暴雨變化趨勢和多項式擬合結論基本一致，進入2009年后暴雨年際波動明顯增大，主要是由于2013年大氣環流有利于暴雨形成，導致暴雨站次劇增。

圖1 1965—2019年天水暴雨站次年際變化

2.1.2 月分布特征

由圖2可知，天水地區暴雨94%發生在夏季6—8月，春秋季占6%，冬季無暴雨；從月分布來看，天水暴雨出現在5—10月，集中在7—8月，其中7月暴雨發生頻次最高（52%），8月（31%）次之，月分布呈單峰型特征，峰值出現在7月。另外由區域站加密資料可知，天水4月已有暴雨出現。

圖2 1965—2019年天水暴雨站次月變化

2.1.3 旬分布特征

由圖3可知，天水地區暴雨出現在5月下旬—10月中旬，主汛期集中在7月上旬—8月下旬，占82.8%，其中7月上旬和下旬暴雨出現頻次最多，為25站次，其次是8月下旬，為16站次。這主要與西太平洋副熱帶高壓（簡稱副高）西伸北抬的時間有關，副高大致每年的6月28日—7月20日開始西伸北抬，隨著副高西伸北抬，我國雨帶也逐漸北移，雨帶影響天水地區的時間恰好在7月上旬和下旬期間，與天水暴雨出現的前兩次峰值正好對應；到了8月下旬，隨著副高勢力減弱東退，雨帶迅速南移并經過天水，天水再次出現暴雨峰值。由上可知，天水暴雨旬分布的3個峰值正好與副高南北移動的時間相對應。另外對區域站加密資料補充分析后發現，天水4月中旬已有暴雨出現，分別在2018年4月20日和2019年4月20日，但兩次都是冷鋒影響下的對流性天氣形成的局地暴雨。

圖3 1965—2019年天水暴雨站次旬變化

綜上所述，天水地區暴雨出現在4月中旬—10月中旬，主要集中在7月上旬—8月下旬，并在7月上旬和下旬、8月下旬出現3個峰值，旬分布呈三峰型特征，這種特征與副高的位置有密切的關系。

2.2 空間分布特征

由圖4可知，天水地區暴雨空間分布明顯不均，由西向東逐漸增多。武山縣、甘谷縣及秦安縣暴雨發生次數相對較少，只有9～14次；秦州區次之，為23次；麥積區、清水縣及張家川縣暴雨發生次數最多，為30～32次。這種空間分布特征主要與天水市的地理環境和氣候背景有重要關系，天水地形是西北高、東南低，東南部為小隴山林區，植被較好，西南氣流北上時受地形抬升影響，容易形成暴雨。

圖4 1965—2019年天水7個觀測站暴雨出現頻次空間分布（Kriging插值法）

天水地面觀測站只有7個，常規資料不能很好地反映天水地區暴雨空間分布更加精細的情況，以前并不容易出現暴雨的地方也時有暴雨發生。通過對天水2008—2019年區域站加密資料補充分析后發現（圖5），天水暴雨存在多個分布中心，分別為甘谷縣南部、清水縣西部和南部、張家川縣中部和西部、秦州區東南部、麥積區南部，其中秦州區東南和麥積區南部暴雨發生頻次最高，分別達19、17次。這與其特殊的地形及下墊面性質有重要關系，上述暴雨高頻區均為林區迎風坡喇叭口地形，暖濕的偏南氣流在這里受到地形強迫抬升及輻合，加上地表植物蒸騰作用補充的大量水汽，產生大量的凝結降雨，同時釋放出大量的凝結潛熱，進一步增加了大氣的不穩定性，相對其它地方更容易形成暴雨。

圖5 2008—2019年天水區域站暴雨出現頻次空間分布（Kriging插值法）

3 天氣學分型

暴雨是在天氣尺度背景制約下由中小尺度系統直接造成，本文首先根據500 hPa天氣尺度系統對選取具有代表性的30個暴雨樣本進行天氣學分型，然后對其水汽條件、層結穩定度條件及動力條件展開分析，結合當地暴雨預報經驗，建立預報指標，即“配料法”[10-11]。結果表明，影響天水地區暴雨的主要環流形勢有兩種：低槽（渦）東移型（8次）和副熱帶高壓西北側西南氣流型（22次），其中副熱帶高壓西北側西南氣流型是天水主要的暴雨環流形勢。

對上述兩種不同環流形勢下的暴雨高低空物理量配置條件統計分析。首先，水汽條件。天水海拔高度在1 000～2 100 m，700 hPa的比濕、露點溫度差以及水汽通量散度能夠很好地表征天水上空中低層水汽含量、水汽飽和程度以及水汽的聚積情況。其次，層結穩定度條件。根據預報經驗，K指數、沙氏指數Si、700與500 hPa溫差T700-500、700與500 hPa的假相當位溫差θse(700-500)能夠很好地表征天水上空大氣層結穩定度情況。第三，動力條件。由于天氣尺度背景下的暴雨天氣過程發生前必然存在著明顯的中低層輻合以及高層輻散，本文主要對700 hPa水平渦度及散度展開統計分析，結果見表1。

表1 2007—2019年30個暴雨樣本物理量統計

3.1 低槽（渦）東移型

低槽（渦）東移型暴雨在天水主要有3種形成方式，一是西風槽或高原槽在東移過程中直接影響天水形成暴雨；二是高原渦或西北渦[12-14]在西風槽的影響下發展東移影響天水形成暴雨；三是西風槽在東移過程中不斷加深后南部被暖空氣切斷形成的切斷低壓（高空冷渦）影響天水形成暴雨。這3種暴雨在春季、夏季和秋季都會出現。

低槽（渦）東移型暴雨（圖6）發生前天水主要受高壓系統控制，天氣晴好，不穩定能量積累較好，500 hPa有西風槽發展東移，高原上低值系統發展活躍，700 hPa偏南風發展旺盛，有切變線或低渦存在。暴雨發生時，天水位于500 hPa槽前或低渦（高原渦、西北渦）東南部、700 hPa切變線附近或低渦東南象限，地面圖上對應有冷鋒或輻合線，暴雨主要由中小尺度對流系統形成，天氣尺度系統貢獻較??；有時西風槽在東移過程中不斷加深，其南部被暖空氣切斷形成切斷低渦（高空冷渦），受切斷低渦影響，天水形成大范圍暴雨天氣。暴雨落區主要位于切變線附近和偏向暖區一側，低渦東南象限也有暴雨產生。

圖6 低槽（渦）東移型暴雨高低空環流形勢

低槽（渦）東移型高低空物理量配置為夏秋季700 hPa比濕q≥8 g·kg-1，春季q≥5 g·kg-1，溫度露點差T-Td≤5℃，從孟加拉灣或南海有明顯的偏南氣流將濕潤的暖空氣源源不斷地輸送到天水地區，天水位于高比濕中心附近或者高比濕中心下風向，在等比濕線分析圖上表現為一條明顯的南北向濕軸直達天水，水汽通量散度≤-4×10-4g·hPa-1·cm-2·s-1，有良好的水汽輻合條件。K指數≥32℃，700和500 hPa溫差ΔT700-500≥10℃，影響系統為冷渦時T700-500≥14℃，700和500 hPa假相當位溫差θse(700-500)＞0℃，沙氏指數Si≤2℃；700 hPa切變線附近風速≥6 m/s，且曲率較大，地面有冷鋒或者輻合線，當影響系統為西風槽時有干線（露點鋒）存在，層結不穩定條件及觸發條件較強。中下層（700～500 hPa）散度≤-5×10-5s-1，渦度為正或低層渦度不明顯，高層（500～200 hPa）有明顯的負渦度（≤-20×10-5s-1），當水汽條件相對較差時，散度值更低，同時整個輻合層的厚度也明顯變大，高層輻散、低層輻合明顯，垂直上升運動條件較強。

3.2 副熱帶高壓西北側西南氣流型

研究表明，夏季副高的活動是影響我國暴雨的主要天氣系統，它的每一次西伸、東退都伴隨著我國雨帶的變化[15-18]。副高是一個深厚的暖性動力型高壓，每年的夏季是最為強大的時候，這時候它外圍的西南風氣流源源不斷地將洋面上的暖濕空氣輸送到我國內陸地區，為我國降水提供了充沛的水汽及能量條件[19-20]。

副高西北側西南氣流型（圖7）暴雨主要出現在夏季，具有發生頻次高、強度大、影響范圍廣等特點，常伴有短時強降水出現，是天水最常見的暴雨環流形勢。過程發生前不穩定能量條件積累良好，天水主要位于副高588 dagpm線附近或者其外圍西南暖濕氣流控制之下，西風槽東移，700 hPa對應有切變線，地面有冷鋒或輻合線配合，有時會存在700 hPa西南風低空急流與200 hPa高空急流的耦合。副高在西伸北抬或東退過程中雨帶南北移動，西風槽東移侵入副高中下層強迫暖濕氣流抬升形成大范圍暴雨。暴雨落區主要在700 hPa切變線附近和偏向暖區一側，當有低空急流時暴雨更容易出現在切變線右側低空急流出口區附近。

圖7 副熱帶高壓西北側西南氣流型暴雨高低空環流形勢

副高西北側西南氣流型高低空物理量配置為700 hPa比濕q≥8 g·kg-1，溫度露點差T-Td≤5℃，副高外圍的西南氣流源源不斷地將暖濕空氣輸送到天水附近，四川北部—天水有一條南北向濕軸，天水位于高比濕中心附近或者高比濕中心下風向，水汽通量散度≤-5×10-4g·hPa-1·cm-2·s-1。K指數≥36℃，沙氏指數Si≤0℃，700和500 hPa溫差ΔT700-500≥12℃，700和500 hPa假相當位溫差θse(700-500)＜0℃，存在南北向的高能舌。700 hPa散度≤-5×10-5s-1，渦度≥5×10-5s-1，存在明顯的冷式切變，切變兩側風速＞6 m·s-1，且切變強弱及移動速度和暴雨強度正相關。暴雨落區主要在700 hPa切變線附近及偏向暖區一側，當有西南風低空急流時暴雨更容易出現在切變線附近偏向急流出口區一側。

4 結論

（1）天水地區暴雨年均發生2.75站次，整體呈增多趨勢，增幅為0.2站次·（10 a）-1，通過0.01的顯著性檢驗，在20世紀60年代后期及80—90年代呈減少趨勢，70年代及21世紀以來呈增多趨勢。

（2）天水暴雨94%發生在夏季，春秋季僅占6%，冬季無暴雨出現；4—10月都有暴雨出現，主要集中在7—8月，并在7月出現最大峰值，月分布呈單峰型特征；主汛期為7月上旬—8月下旬，暴雨出現最多，占82.8%，旬分布呈三峰型特征，與副高位置有密切關系。

（3）天水地區暴雨自西向東依次增多，并存在多個分布中心，分別為甘谷縣南部、清水縣西部和南部、張家川縣中部和西部、秦州區東南部以及麥積區南部，其中秦州區東南部和麥積區南部暴雨發生頻次最高。

（4）天水地區暴雨主要有低槽（渦）東移型、副高西北側西南氣流型兩種天氣學分型，其中副高西北側西南氣流型最為常見，兩種分型的暴雨主要影響系統、形成機制、高低空物理量配置條件各不同。