甘肅省暖季小時降水變化特征

黃武斌，王研峰，劉 娜，段伯隆，郭潤霞，王一丞

（1.蘭州中心氣象臺，甘肅 蘭州 730020；2.甘肅省人工影響天氣辦公室，甘肅 蘭州 730020）

近年來，氣候變暖使得強降水事件趨于增多[1]，因強降水引發的氣象災害造成的經濟損失和社會影響越來越大，氣象災害的社會敏感性越來越高。降水受季風、地形等諸多條件影響，具有明顯的區域性和時空分布[2]，降水區域變化特征得到了國內外眾多學者的關注，并開展了大量研究。

姚莉等[3]研究指出我國南部沿海地區夏季雨強頻數最多，春季是安徽南部與江西地區，秋季是海南島和云南南部。熊明明等[4]研究表明天津地區降水小時數及小時平均降水強度空間差異明顯。楊萍等[5]研究指出北京地區降水季節和日分布不均。董旭光等[6]研究表明山東汛期小時降水存在區域空間差異及明顯的日變化。方德賢等[7]研究表明重慶地區年降水量呈西低東高分布，存在一定季節差異，夏季西部降水增強明顯。侯淑梅等[8]基于加密觀測資料分析指出山東省魯東南地區的極端短時強降水強度、日最大降水量及夏季降水量、年降水量均為全省最大。楊霞等[9]指出伊犁河谷四季均以短歷時降水為主，春、夏和冬季累計降水量日變化呈單峰型，秋季呈雙峰型。劉佩廷等[10]分析得出華中地區極端小時降水頻次日變化特征較為明顯，存在明顯的區域差異。

甘肅省地形呈狹長狀，地處黃土高原、青藏高原和內蒙古高原交匯地帶，境內地貌復雜多樣，氣候類型從東南向西北包括了半濕潤區、半干旱區和干旱區[11]，生態系統脆弱。強降水引發的山洪、山體滑坡、泥石流等地質災害，給人民生命財產安全帶來巨大影響。甘肅省短時強降水空間分布不均勻，年變化和日變化明顯[12-14]，強降水分布與東亞夏季風和豎切變線關系密切[15-16]。

受觀測資料限制，過去甘肅省強降水研究主要集中在氣候或單一強降水個例的分析[17-21]。多是利用區域自動站資料，對甘肅省加密氣象站小時降水量氣候特征的研究較少。本文基于加密站小時降水資料對2013—2019 年甘肅省暖季小時降水（平均降水量、強降水極值及頻率）時空分布特征進行分析，揭示精細降水結構及分布特征，為進一步改進數值模式中與降水相關的參數化方案、機理研究提供參考。

1 資料來源和方法介紹

1.1 資料介紹

采用甘肅省氣象信息與技術裝備保障中心提供和經過質量控制的2013—2019 年4—9 月1 678 個地面加密降水觀測站點逐時降水數據（圖1）。

圖1 甘肅省氣象站點分布（紅色三角形為國家氣象站，黑色點為加密氣象站）

1.2 方法

降水資料統計方法和定義[7，22]為：（1）小時降水量＞0.1 mm 為降水事件；（2）統計時段內平均降水量（簡稱PA），為總降水量/總時次，用于描述單位時間內降水的多少；（3）統計時段內降水頻率（簡稱PF），為降水的時次×100%/總時次；（4）統計時段內降水強度（簡稱PI），為總降水量/總的降水時次，即降水強度=降水量/降水頻次，用于描述實際有降水發生時降水的平均強度；（5）區域內最大小時降水量為小時降水極值；（6）區域內站點在統計時段內出現小時降水量≥20 mm 的小時強降水次數為小時強降水頻次。

甘肅省地形呈狹長狀，氣候差異大，地貌形態復雜，不同地區降水區域差異明顯，因此本文參考《甘肅氣候》[23]中區域的劃分，將甘肅省劃分為5 個區域，為河西（酒泉市、嘉峪關市、張掖市、金昌市、武威市）、隴中（白銀市、蘭州市、臨夏州、定西市）、隴南（隴南市和天水市）、隴東（平涼市和慶陽市）及甘南高原（甘南州）地區（圖2）。

圖2 甘肅省區域分布

2 結果與分析

2.1 降水分布特征

2.1.1 降水空間月分布特征

圖3 為甘肅省2013—2019 年暖季逐月平均降水量、降水頻率和降水強度空間分布。從平均降水量月空間分布（圖3a、3d、3g、3j、3m、3p）可知，平均降水量5 月開始明顯增大，7 月最大，大值區主要分布在隴中、隴南、隴東及甘南高原地區，隴南地區東南部的徽縣＞0.26 mm/h，為大值中心，8 月開始減少。

圖3 甘肅省2013—2019 年4—9 月平均降水量PA（a、d、g、j、m、p，單位：mm/h）、降水頻率PF（b、e、h、k、n、q，單位：%）和降水強度P（Ic、f、i、l、o、r，單位：mm/h）空間分布（a、b、c 為4 月，d、e、f 為5 月，g、h、i 為6 月，j、k、l 為7 月，m、n、o 為8 月，p、q、r 為9 月）

從降水頻率月空間分布（圖3b、3e、3h、3k、3n、3q）可以看出，降水頻率分布特征與平均降水量相似。5 月隴南、隴中和甘南南部地區降水頻率增加。6—7 月河西地區的祁連山區域、甘南高原、隴中地區、隴南地區東南部較高，隴南地區東南部的徽縣最高，為22%。8 月隴中地區和隴南地區的降水頻率減小。9 月降水頻率最高，祁連山地區及河東地區，甘南高原的瑪曲和隴南地區東南部最高，＞24%。

從降水強度月空間分布（圖3c、3f、3i、3l、3o、3r）可知，6 月隴南地區東南部降水強度＞1.3 mm/h。7—8 月隴南地區東南部和隴東地區降水強度明顯增大，降水強度＞1.6 mm/h。

甘肅省逐月降水強度與平均降水量和降水頻率空間分布特征存在較大差異，究其原因，4—5 月影響甘肅省的東亞大槽東移減弱，西風帶槽脊尺度和強度減小，副熱帶高壓北移[23]，降水量增加。6—8 月副熱帶高壓西北側形成暖濕氣流輸送帶，導致甘肅省大范圍降水。同時西風帶低槽或低渦移動，在系統性上升運動和不穩定能量釋放共同作用下，甘肅省東部地區降水強度明顯高于其他地區。9 月東亞大槽增強西移，副熱帶高壓減弱南撤，甘肅省南部地區進入秋雨期，降水頻率高，但強度不大。

2.1.2 降水月變化特征

分析甘肅全省以及河西、隴中、隴南、隴東和甘南高原5 個區域的暖季逐月降水變化特征，結果顯示，平均降水量全省及各區域均呈單峰型分布，7 月最大，4 月最小。降水頻率河西地區呈單峰型分布，峰值出現在7 月，其余地區均呈雙峰型分布，峰值出現在7 和9 月。8 月為降水頻率低值期，其原因為8月副熱帶高壓北抬至河東地區，易出現連晴高溫天氣。降水強度呈單峰型分布，峰值主要出現在7—8月，與7—8 月對流性降水有關，其中全省、隴南及隴東地區峰值出現在7 月，河西、隴中和甘南地區峰值出現在8 月。

2.1.3 降水日變化特征

由甘肅全省以及河西、隴中、隴南、隴東和甘南高原5 個區域暖季降水日變化特征（圖4）可知，河西地區平均降水量、降水頻率、降水強度日變化特征不明顯且最小。平均降水量隴東地區日變化呈雙峰型分布，峰值主要集中在17 和24 時；全省及其余地區呈單峰型分布，峰值均出現在20—22 時，甘南地區在18 時—次日01 時平均降水量明顯高于其余地區。降水頻率全省及各地區呈單峰型分布，峰值主要集中出現在21—22 時，其中甘南地區、隴南地區的降水頻率較其他地方略高，主要原因是6—8 月甘南高原、隴南地區的對流活動較其他地區更為頻繁[24]。降水強度隴東地區呈雙峰型分布，峰值主要集中出現在17 和24 時左右，原因是該地區不僅受午后熱對流影響，還受其他天氣系統觸發和維持的對流活動影響。全省及其余地區降水強度呈單峰型分布，峰值主要集中出現在20—22 時，表明這些區域主要受天氣系統對流活動影響。需要指出的是，隴中地區、甘南地區、隴南地區的夜雨特征明顯。

圖4 甘肅省2013—2019 年各區域平均降水量PA（a）、降水頻率PF（b）和降水強度PI（c）的日變化

2.2 小時強降水分布特征

甘肅省地形復雜，生態系統相對脆弱，小時強降水造成災害更嚴重，上述分析是針對甘肅省降水的氣候變化特征，但小時強降水（≥20 mm/h）才是造成災害的重要原因，尤其夏季的強降水容易造成洪澇、泥石流、山體滑坡等災害，因此，需要進一步對小時強降水的變化特征進行分析。

2.2.1 小時強降水空間分布特征

從小時強降水極值及頻率的空間分布可知，降水頻次呈現一高一低（河東高河西低）的分布，主要存在2 個高頻率中心，分別為隴南地區的東南部（武都、康縣、成縣、徽縣和兩當地區）和隴東北部（鎮原、西峰、慶城及合水地區），最大值在隴南地區東南部，為29 次。小時降水極值分布特征與降水頻次相似，隴中以南地區為高值區，隴中以西地區為低值區，≥40 mm/h 的降水極值均出現在強降水頻次高值區。

對逐月小時強降水極值及降水頻率進行分析可知，小時強降水極值7—8 月最強，主要出現在隴南地區東南部、隴東地區北部及隴中地區太子山，其次是6 月，主要出現在隴南地區東部及隴東地區和甘南高原地區。4—5 月、9 月僅在隴南地區零星區域出現20 mm/h 強降水。小時強降水頻次分布與小時強降水極值類似，7—8 月出現最大值，主要在隴南地區東南部、隴東地區北部及隴中地區太子山，6 月隴南、隴東地區逐漸增多，4—5 月、9 月僅在隴南地區零星區域發生。

2.2.2 小時強降水貢獻率

小時強降水量和降水頻次對總降水量和降水頻次貢獻率的地區差別顯著，在空間分布上基本相似（圖5）。降水量貢獻率（圖5a）最高為20%，降水頻次貢獻率（圖5b）最高為0.8%，說明小時強降水出現頻率雖不高，但降水強度大，對降水貢獻率高。小時強降水貢獻率最高為隴南地區東南部（武都、康縣、成縣、徽縣和兩當），＞18%。隴東、隴中、甘南高原地區貢獻率在4%～6%，河西地區降水貢獻率<2%，說明河谷地區、喇叭口地形容易出現小時強降水。

圖5 甘肅省2013—2019 年小時強降水降水量對總降水量的貢獻率（a，單位：%）和小時強降水頻次對總降水頻次貢獻率（b，單位：%）

2.2.3 小時強降水月變化特征

由甘肅全省以及河西、隴中、隴南、隴東和甘南高原5 個區域的暖季逐月小時強降水變化特征可知，隴東地區強降水頻次明顯高于其余地區，隴南地區次之，河西地區最少。強降水頻次呈單峰型分布，峰值主要出現在7—8 月，隴南地區出現在7 月（1.76），隴中、隴東及甘南和河西地區均出現在8月，分別為1.52、2.40、1.19、0.18。小時降水極值隴南地區最大，隴中地區與隴東地區次之，河西地區最小。小時降水極值呈單峰型分布，峰值在隴南和隴東地區出現在7 月，其余地區出現在8 月，說明7—8月出現極端強降水概率最大。

2.2.4 小時強降水日變化特征

由甘肅全省以及河西、隴中、隴南、隴東和甘南高原5 個區域的暖季小時強降水日變化特征（圖6）可知，全省及各地區小時強降水頻次日變化呈雙峰或多峰分布（圖6a），全省峰值出現在21 時（0.35次），河西地區最低，峰值在18 時（0.05 次），其余地區主要集中在16 時—次日02 時，其中隴中和隴南地區峰值分別為0.36、0.47 次，出現在21 時，隴東地區在22 時（0.48 次），甘南地區在19 時（0.38 次）。由小時降水極值（圖6b）可知，降水極值呈多峰分布，午后時段出現強降水的頻率較少，但小時最大雨強較強，其原因為受局地對流影響，降水雨強較強。

圖6 甘肅省2013—2019 年不同區域多年平均小時強降水頻次（a）及小時降水極值（b）日變化

3 結論

利用2013—2019 年甘肅省4—9 月逐時降水資料分析了甘肅不同區域平均降水量、頻率和強度，強降水極值及頻率的時空變化特征，主要結論如下：

（1）隴東地區平均降水量日變化呈雙峰型分布，全省及其余地區呈單峰型分布，其中甘南地區在18時—次日01 時平均降水量明顯高于其余地區。降水頻率全省及各地區均呈單峰型分布，降水強度隴東地區呈多峰型分布，全省及其余地區呈單峰型分布。

（2）小時強降水頻次呈現一高一低（河東高河西低）的分布，存在2 個高頻率中心，分別為隴南地區東南部和隴東地區北部。小時降水極值呈現一高一低的分布，隴中及以南地區為高值區，隴中以西地區為低值區，≥40 mm/h 的降水極值均出現在強降水頻次高值區。小時強降水頻次和強度主要出現在7—8 月，尤其是隴南地區東南部、隴東北部及太子山地區。小時強降水頻次和雨強在17—24 時最強，峰值為21 時，其空間分布具有較大差異。

（3）平均降水量主要集中在6—9 月，呈單峰型分布，7 月達到峰值。降水頻率呈遞增趨勢，在8 月為低值期，這與8 月副熱帶高壓北抬至甘肅河東地區，易出現連晴高溫天氣有關。降水強度呈單峰型分布，峰值主要出現在7—8 月，與對流性降水有關。