劉新偉，王澄海，郭潤霞，楊曉軍，狄瀟泓

(1.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州中心氣象臺，甘肅 蘭州 730020)

引 言

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第五次評估報告(AR5)指出，當(dāng)溫室氣體加倍時極端強(qiáng)降水顯著增加，其增加幅度遠(yuǎn)大于平均強(qiáng)度的降水[1]。近50多年來，我國極端強(qiáng)降水的平均強(qiáng)度和極值都呈增加趨勢，極端強(qiáng)降水事件也趨于增多[2]，其中西北地區(qū)西部和青藏高原降水量的增加主要由極端強(qiáng)降水頻率和強(qiáng)度的增加所致[3]，在2016—2050年極端降水事件整體將呈現(xiàn)增多趨勢，且強(qiáng)度也將進(jìn)一步增強(qiáng)[4-5]。因此，在全球氣候變暖背景下極端降水事件因易引發(fā)山洪、泥石流等突發(fā)性災(zāi)害而引起廣泛關(guān)注。

研究表明，中尺度系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展、合并極易造成較大量級的降水[6]，多個中小尺度對流系統(tǒng)的組織化發(fā)展形成MCC是造成極端強(qiáng)降水的重要原因[7]，而MCSs的“列車效應(yīng)”、后向傳播及系統(tǒng)的停滯少動將會使系統(tǒng)影響時間變長，從而帶來較大雨量[8]。然而，不同地區(qū)暴雨的形成機(jī)制不盡相同，華南暖區(qū)暴雨主要與海岸線、地形抬升以及高低空急流配置有關(guān)；江淮暴雨主要與對稱不穩(wěn)定、渦度變化、β中尺度對流線及邊界層擾動有關(guān)；華北和東北地區(qū)暴雨過程中，非均勻飽和引起的局部濕度集中特點(diǎn)較為明顯，中高層干冷空氣入侵引起的不穩(wěn)定和動量下傳以及高空急流增強(qiáng)引發(fā)的高層局地輻散增強(qiáng)對暴雨的發(fā)生有重要作用[9]。這些認(rèn)識還不足以滿足任意區(qū)域暴雨預(yù)報預(yù)測的需求，尤其在全球氣候變暖背景下還需做更進(jìn)一步的研究。

甘肅地處中國西北內(nèi)陸，外形呈東南—西北向長條“啞鈴”狀，高原、盆地、平川、沙漠和戈壁等交錯分布，地形地貌復(fù)雜多樣，氣候自東南溫暖多雨帶向西北內(nèi)陸少雨帶逐漸過渡。特殊的地形地貌及氣候使得甘肅暴雨特征與我國南方顯著不同。研究表明：特殊地形下西南低空急流的形成和維持對甘肅東部暖區(qū)對流系統(tǒng)的形成、發(fā)展起重要作用，對流單體的“列車效應(yīng)”是造成大暴雨的主要原因[10-11]；400 hPa以下大的正螺旋度有利于西北暴雨的發(fā)生發(fā)展，螺旋度對西北暴雨預(yù)報具有指示意義[12-13]。此外，渦旋自組織是造成西北干旱半干旱區(qū)暴雨等災(zāi)害性天氣的重要原因之一[14]。此外，在相同氣候背景、相同區(qū)域、相似的環(huán)流形勢下，觸發(fā)機(jī)制不同也會導(dǎo)致降水的強(qiáng)度和范圍差異較大[15-16]。黃玉霞等[17]研究指出，甘肅極端暴雨的降水效率(1 h和3 h降水量與24 h降水量之比)幾乎與廣東相當(dāng)，說明甘肅極端暴雨具有極強(qiáng)的致災(zāi)性。因此，本文利用1981—2018年甘肅氣象站點(diǎn)降水觀測資料和NCEP再分析資料，對甘肅極端暴雨天氣過程的氣候特征及主要環(huán)流形勢進(jìn)行統(tǒng)計分析，這對于提高甘肅極端暴雨的預(yù)報預(yù)警能力及防災(zāi)減災(zāi)有重要意義。

1 資料與方法

所用資料為1981—2018年甘肅省81個國家氣象觀測站逐小時降水資料和NCEP逐6 h再分析資料(空間分辨率為2.5°×2.5°)。中國各省、市、自治區(qū)行政邊界以及甘肅省市州行政邊界是基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2019)1824的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改。

對于極端暴雨天氣過程的定義，目前我國沒有明確、統(tǒng)一的規(guī)定，因此本文在前人研究[18]基礎(chǔ)上，結(jié)合甘肅氣候特點(diǎn)，將歷年(1981—2018年)日降水量排序。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，近38 a甘肅省日降水量達(dá)到或超過50 mm的站點(diǎn)在5個及以上的個例有59個、10個及以上的個例有8個；日降水量達(dá)100 mm以上的共57站次。因此，將滿足以下兩個條件之一的降水過程定義為一次極端暴雨過程：

(1)24 h降水量[20:00—20:00(北京時，下同)]，有10站及以上達(dá)到或超過50 mm；

(2)24 h降水量，有5站及以上達(dá)到或超過50 mm，且至少有1站超過100 mm。

當(dāng)以上條件滿足時，選取暴雨中心值最大的時段統(tǒng)計極端暴雨日。

2 甘肅極端暴雨氣候特征

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，1981—2018年甘肅極端暴雨共計出現(xiàn)811站次，暴雨日309 d，極端暴雨過程29次，其中10次(占34.5%)過程的暴雨中心值為建站以來歷史最大日雨量，其余有12次(占41.4%)過程的暴雨中心日雨量自建站以來位居第2～5位。

從表1看出，甘肅極端暴雨過程基本出現(xiàn)在河?xùn)|地區(qū)(甘肅境內(nèi)黃河以東各市州)，暴雨中心主要分布在隴南、平?jīng)龊蛻c陽3市(22次，占75.9%)，這與扈祥來等[19]的研究結(jié)果“隴南嘉陵江水系及隴東涇河水系特大暴雨發(fā)生頻次較高”較為一致；一次極端暴雨過程平均出現(xiàn)8.2站暴雨，最多達(dá)16站，占河?xùn)|總站數(shù)(61站)的26.2%，且暴雨中心的平均雨量為121.6 mm，最大雨量達(dá)184.6 mm(出現(xiàn)在2013年7月22日平?jīng)鲮`臺站)。在29次極端暴雨過程中，康縣作為暴雨中心出現(xiàn)頻次最高為6次，其次是麥積(3次)，慶陽、兩當(dāng)、涇川各2次。

2.1 空間分布特征

甘肅東南部山脈縱橫交錯，海拔差異大，其西面為青藏高原東部邊坡地帶，東南面為秦嶺的西延部分，東北面為六盤山區(qū)，隴東正位于六盤山脈的南側(cè)。研究表明，特殊的地形有利于西南低空急流的形成、維持，同時對上升運(yùn)動有一定的增強(qiáng)作用[10-11,20-21]。隴東南地區(qū)處于東亞夏季風(fēng)的北邊緣附近[22]，水汽條件較甘肅其他地區(qū)明顯偏好。因此，隴東和隴東南地區(qū)易出現(xiàn)極端暴雨。

從29次極端暴雨過程的暴雨落區(qū)(表1)來看，極端暴雨主要集中在隴東南地區(qū)，即隴南、天水、平?jīng)?、慶陽一帶。站點(diǎn)50 mm以上雨量出現(xiàn)的頻次(圖1)顯示，近38 a來隴南的康縣、徽縣暴雨次數(shù)均超過40次，康縣最多為48次；隴南、天水、平?jīng)?、慶陽等市暴雨次數(shù)大都在20次以上，這與扈祥來等[19]的研究結(jié)論“隴南嘉陵江上游兩當(dāng)、徽縣、成縣、康縣與白龍江下游、宕昌縣附近以及隴東涇河六盤山區(qū)和中部平?jīng)觥艽?、?zhèn)原、西峰、慶陽為暴雨頻發(fā)區(qū)”較為一致。需要注意的是，日降水量極值并未出現(xiàn)在暴雨頻次最多的隴南，而是出現(xiàn)在隴東的平?jīng)觯琶叭姆謩e是靈臺184.6 mm、涇川184.2 mm和平?jīng)?66.9 mm(表1)。

圖1 1981—2018年甘肅50 mm以上雨量出現(xiàn)的頻次分布(單位：次)Fig.1 Frequency distribution of precipitation more than 50 mm in Gansu from 1981 to 2018 (Unit: times)

表1 1981—2018年甘肅極端暴雨過程統(tǒng)計Tab.1 The statistics of extreme rainstorm processes in Gansu from 1981 to 2018

另外發(fā)現(xiàn)，落區(qū)在隴東(平?jīng)?、慶陽一帶)和隴南(隴南、天水一帶)的極端暴雨個例均為7次，隴東南(隴南、天水、平?jīng)?、慶陽一帶)的個例有11次，其余分散性的個例有4次。因此，將甘肅極端暴雨天氣過程按落區(qū)分為隴東型、隴南型、隴東南型和分散型4種。

2.2 日變化特征

2.2.1 總體特征

對甘肅省29次極端暴雨過程中達(dá)到暴雨的站點(diǎn)逐小時雨量進(jìn)行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)暴雨站點(diǎn)的雨量具有明顯的日變化特征，夜間(20:00—08:00，下同)雨量大于白天(08:00—20:00，下同)的過程有22次(占75.9%)，夜雨量平均占比61.8%，暴雨的夜雨型特征顯著，主要降水時段出現(xiàn)在午夜至上午，中午開始降水比例快速持續(xù)下降(16:00—17:00除外)，10:00占比最高，20:00占比最低[圖2(a)]。單站最大雨強(qiáng)超過40 mm·h-1的極端暴雨過程有11次(占37.9%)、站點(diǎn)有16站，且最大小時降水量的貢獻(xiàn)率均在25%以上，其中9站超過50%，最大的出現(xiàn)在蘭州站(1990年8月11日)，小時雨量為51.3 mm，占日降水量的90.2%[圖2(b)]。

圖2 甘肅極端暴雨過程暴雨站點(diǎn)不同時次平均雨量(a)及1 h最大雨量(b)占總降水量的百分比Fig.2 The percentage of average precipitation at different times (a) and the 1-hour maximum precipitation (b) of rainstorm stations to total precipitation during the extreme rainstorm processes in Gansu

2.2.2 不同落區(qū)雨量日變化特征

對甘肅省不同落區(qū)極端暴雨白天和夜間降水量進(jìn)行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)隴東型和隴南型極端暴雨過程中夜間雨量大于白天的均有6次(占85.7%)，隴東南型夜間雨量大于白天的過程有7次(占64%)，分散型夜間雨量大于白天的過程有3次(占75%)?？梢姡煌鋮^(qū)的極端暴雨過程也具有夜雨的特征。

從不同落區(qū)極端暴雨過程的雨量日變化(圖3)可知，隴東型和隴東南型均表現(xiàn)出“雙峰型”的日變化特征，但兩落區(qū)降水時段差異較大，隴東型在10:00—13:00和02:00—03:00降水占比相對較大，18:00—20:00降水占比相對較小，最高、最低值分別出現(xiàn)在10:00和19:00；隴東南型21:00—08:00降水占比普遍較大，夜雨特征明顯，08:00之后降水占比持續(xù)下降，20:00的降水占比最小。隴南型表現(xiàn)出“三峰型”的日變化特征，在02:00—11:00降水占比普遍較大，16:00再次出現(xiàn)一小峰，18:00—20:00降水占比仍較小。分散型的降水日變化特征與隴東南型相似，夜雨特征明顯，23:00—03:00降水占比較大，20:00—21:00降水占比較小。綜上可見，4類極端暴雨的日變化特征存在明顯差異，隴東南型和分散型的夜雨特征明顯，隴東型的日雨特征明顯，但4類暴雨均不易發(fā)生在傍晚18:00—20:00。

圖3 甘肅不同落區(qū)極端暴雨過程暴雨站點(diǎn)不同時次平均雨量占總降水量的比例Fig.3 The proportion of average precipitation at different times to total precipitation of rainstorm stations in different falling areas of Gansu during the extreme rainstorm processes

另外，不同類型暴雨中心最大小時雨強(qiáng)出現(xiàn)時間存在差異，隴東型主要出現(xiàn)在上午，隴南型和隴東南型主要出現(xiàn)在夜間，而分散型主要出現(xiàn)在前半夜(表2)。在29次極端暴雨過程中，最大小時雨量達(dá)到短時強(qiáng)降水標(biāo)準(zhǔn)的有24次，占全部過程的82.8%，其中1990年8月11日出現(xiàn)在天水市麥積區(qū)的小時雨強(qiáng)最大為73.7 mm·h-1。可見，甘肅極端暴雨天氣大多伴有強(qiáng)對流，說明甘肅極端暴雨的對流性特征明顯。需注意的是，暴雨中心的最大小時雨強(qiáng)與過程最大小時雨強(qiáng)不完全一致，前者更大程度上體現(xiàn)了降水的累積效應(yīng)，而后者則體現(xiàn)了降水的短時性、極端性。

表2 1981—2018年甘肅不同落區(qū)極端暴雨特征Tab.2 Characteristics of extreme rainstorm in different falling areas of Gansu from 1981 to 2018

2.3 年及月際變化特征

近38 a來，甘肅省極端暴雨過程均出現(xiàn)在6—8月，8月出現(xiàn)最多為14次，其次是7月的13次，6月只出現(xiàn)了2次，說明甘肅盛夏更易出現(xiàn)極端暴雨；極端暴雨最早出現(xiàn)時間為6月20日(2013年)，降水主要落區(qū)在平?jīng)黾疤焖?，?3站日降水量超過50 mm，其中3站超過100 mm；最晚出現(xiàn)時間為8月27日(2013年)，降水主要落區(qū)在隴南，有5站日降水量超過50 mm，其中1站超過100 mm。從逐旬分布(圖4)來看，8月中旬極端暴雨最多出現(xiàn)7次(占24.1%)，7月下旬次之，為5次(占17.2%)，6月中、下旬各出現(xiàn)1次，而8月上旬也是極端暴雨相對較少的時段，僅出現(xiàn)3次(占10.3%)。

圖4 1981—2018年甘肅極端暴雨頻次的逐旬分布Fig.4 The ten-day distribution of extreme rainstorm frequency in Gansu from 1981 to 2018

由表2可知，隴東型極端暴雨主要發(fā)生在7月中旬至8月中旬，隴南型主要發(fā)生在7月上旬至8月中旬，隴東南型主要發(fā)生在6月下旬至8月中旬，其中6月下旬至7月上旬的極端暴雨中心在天水、隴南兩地，而分散型主要出現(xiàn)在8月中下旬。由此可見，隴南的極端暴雨事件出現(xiàn)時間早于隴東。

1981—2018年，甘肅極端暴雨過程共發(fā)生29次，年平均接近1次，但實際上出現(xiàn)極端暴雨的年份只有18個，其中7個年份出現(xiàn)了2次，2個年份(1981年和2013年)出現(xiàn)了3次(表1)。從全局小波譜的時間變化(圖5)看出，曲線存在3個較為明顯的峰值，依次為2.5、5、10 a的時間尺度，其中最大峰值對應(yīng)2.5 a的時間尺度，說明2.5 a左右的周期振蕩最強(qiáng)，為甘肅極端暴雨出現(xiàn)頻次的第一主周期；5 a和10 a的時間尺度分別對應(yīng)第二、第三峰值，為極端暴雨出現(xiàn)頻次的第二、第三主周期。可見，上述3個周期的波動控制著甘肅極端暴雨頻次在時間閾內(nèi)的變化特征。

圖5 1981—2018年甘肅省極端暴雨全局小波譜的時間變化Fig.5 The temporal variation of global wavelet spectrum of extreme rainstorms in Gansu from 1981 to 2018

3 環(huán)流特征

白肇?zé)畹萚23]指出，中國西北地區(qū)暴雨的大尺度環(huán)流形勢主要依據(jù)副熱帶高壓(簡稱“副高”)形勢確定。因此，依據(jù)副高的位置，將西北地區(qū)暴雨主要的環(huán)流形勢分為“副高西北側(cè)西南氣流型”和“副高西側(cè)偏南氣流型”兩類。黃玉霞等[24]利用聚類分析方法，將甘肅夏季暴雨日分為河?xùn)|強(qiáng)河西弱型、甘岷山區(qū)型、隴南隴東型和全省型4類?？梢?，甘肅極端暴雨的發(fā)生與副高位置有關(guān)。

按照暴雨落區(qū)的4類分型，對比分析各自的環(huán)流形勢，發(fā)現(xiàn)隴東型、隴東南型、隴南型及分散型的極端暴雨都與副高有關(guān)，只是副高位置的變化造成暴雨落區(qū)不同。整體來看，隴東型、隴東南型、隴南型的副高北脊點(diǎn)位置相當(dāng)，均在33°N左右，而分散型副高位置更為偏北，位于35°N左右。隴東型，副高588 dagpm線位置最為偏西，其西脊點(diǎn)伸至108.5°E，584 dagpm線也最為偏北，呈東北—西南向位于甘肅蘭州—白銀一帶，甘肅河?xùn)|大部處于副高西北側(cè)西南氣流中，西南暖濕氣流可將水汽向北輸送至隴東地區(qū)，同時甘肅北部存在一高壓脊，脊前偏北與偏南氣流在隴東地區(qū)交匯。隴東南型，588 dagpm線位置最為偏東，東退至海上，相應(yīng)584 dagpm線也最為偏南，呈東北—西南向位于川北及陜南一帶，甘肅隴東南地區(qū)處于副高西北側(cè)西南氣流中，甘肅北部氣流較為平直，偏北與偏南氣流交匯較弱。隴南型，588、584 dagpm線位置均介于隴東型和隴東南型對應(yīng)線之間，588 dagpm線西脊點(diǎn)位于112°E左右，584 dagpm線位于甘肅臨夏—定西—慶陽一帶，呈現(xiàn)一高原東移的小槽，隴南地區(qū)處于副高西北側(cè)偏南氣流邊緣與槽后偏北氣流的交匯區(qū)。分散型，588 dagpm線西脊點(diǎn)位于116°E左右，584 dagpm線位置最為偏北，位于甘肅武威—寧夏銀川一帶，甘肅河?xùn)|處于副高西北側(cè)偏南氣流與高原弱波動的交匯區(qū)，同時南海有2～3個熱帶低壓生成。劉新偉等[21]指出，南海熱帶低壓的存在一定程度上會加大降水的量級。南海上的熱帶低壓，一方面阻止副高的東退，使得這種環(huán)流形勢長時間維持；另一方面熱帶低壓北側(cè)的偏東氣流與孟加拉灣的偏南氣流一同向北輸送，確保水汽供應(yīng)充足。

綜上可見，隴東型和隴東南型的500 hPa環(huán)流形勢較為相似，隴南型和分散型的相對類似；不同的是，隴東型在37°N以北的經(jīng)向度相對較大，甘肅大部位于高壓脊的底部，其余3種分型的緯向度相對較大，甘肅河?xùn)|均位于584 dagpm線短波槽前，而分散型還存在南海熱帶低壓。

圖6 甘肅不同落區(qū)極端暴雨日20:00 500 hPa平均位勢高度場(線條，單位：dagpm)和風(fēng)場(矢量，單位：m·s-1)分布(a)隴東型，(b)隴東南型，(c)隴南型，(d)分散型Fig.6 The distribution of 500 hPa average geopotential height field (lines, Unit: dagpm) and wind field (vectors, Unit: m·s-1) at 20:00 BST on extreme rainstorm days in different falling areas of Gansu(a) eastern Gansu pattern, (b) southeastern Gansu pattern, (c) southern Gansu pattern, (d) dispersion pattern

700 hPa相對濕度場(圖略)顯示，4種類型下甘肅河?xùn)|地區(qū)的相對濕度均在70%以上，大部地區(qū)超過80%，且隴南型700 hPa相對濕度大值區(qū)范圍最小且偏南，分散型相對濕度大值區(qū)范圍最大，而隴東型和隴東南型大值區(qū)的范圍相當(dāng)。從700 hPa環(huán)流形勢場(圖7)看出，4種類型下偏南低空急流都很明顯，風(fēng)速均在8 m·s-1以上，隴東型急流延伸的位置最為偏北，可達(dá)40°N；隴南型急流延伸的位置最為偏南，約36°N，而隴東南型和分散型延伸的位置相當(dāng)，在38°N左右。4種分型的偏南氣流均來自海上，隴東型一直可以追溯至臺灣島附近的東南氣流，路程最遠(yuǎn)；隴東南型和隴南型類似，均為低緯地區(qū)的偏西氣流在海南島附近轉(zhuǎn)為向北輸送，但隴東南型的偏南氣流更為強(qiáng)盛；由于熱帶低壓的存在，分散型低緯地區(qū)的偏西氣流在海南島和臺灣島之間轉(zhuǎn)向并向北輸送。從降水形成機(jī)制來看，隴東型主要由高壓脊底部的偏東氣流與偏南暖濕氣流交匯形成，落區(qū)較為偏北；其余3類則由高原短波槽與偏南暖濕氣流交匯形成，同時伴隨著鋒前的暖區(qū)降水和鋒后的鋒面降水，即以對流性降水開始、以穩(wěn)定性降水結(jié)束。需注意的是，分散型均發(fā)生在8月中下旬，降水時間相對較短，但降水強(qiáng)度較大。

4 結(jié) 論

(1)甘肅極端暴雨天氣過程基本出現(xiàn)在河?xùn)|地區(qū)的隴南、天水、平?jīng)?、慶陽一帶，強(qiáng)降雨中心集中在隴南的康縣、徽縣。根據(jù)暴雨落區(qū)，甘肅極端暴雨可劃分為隴東型、隴南型、隴東南型和分散型4類。

(2)甘肅極端暴雨天氣主要出現(xiàn)在7—8月，8月中旬最多，隴南出現(xiàn)時間早于隴東，且具有明顯的夜雨特征及對流性特征，隴南和隴東南暴雨的夜雨特征較隴東更為明顯。

(3)近38 a來，甘肅極端暴雨具有2.5、5、10 a尺度的周期，其中2.5 a的周期振蕩最明顯。

(4)甘肅極端暴雨天氣的落區(qū)與副高位置顯著相關(guān)，隴東型還與北部高壓脊底部的偏東氣流有關(guān)，分散型還與南海的熱帶低壓有關(guān)，隴南型和隴東南型還取決于高原短波槽的強(qiáng)度及位置。

甘肅極端暴雨過程雖然發(fā)生次數(shù)較少，但具有明顯的對流性特征，降水時間集中，一次暴雨量與多年平均降水量之比大于我國東部和南部地區(qū)，甚至一次暴雨量可為多年平均降水量的3～4倍。這種對流性特征帶來的隱患更大，今后的工作需進(jìn)一步深入分析，以期提高認(rèn)識，為甘肅災(zāi)害性暴雨的預(yù)報預(yù)警提供更為科學(xué)的依據(jù)。