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(xiàn)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(jīng)常引發(fā)泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，給社會經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)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(dá)衛(wèi)星以及數(shù)值模擬等方面開展了大量研究，針對西北地區(qū)本地的暴雨天氣成因、暴雨時空分布特征、天氣學(xué)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(yīng)關(guān)注基于強度的暴雨定義和短歷時暴雨中尺度系統(tǒng)生消機理研究等；趙慶云等[3]研究發(fā)現(xiàn)甘肅東南部是西北地區(qū)暴雨易發(fā)區(qū)之一；多位學(xué)者[4-8]研究表明西北地區(qū)暴雨多發(fā)生在低壓槽前西南暖濕氣流背景下，低層偏北風(fēng)與偏南風(fēng)形成的切變線附近；侯建忠等[9]對青藏高原東北側(cè)暴雨特征進行分析，發(fā)現(xiàn)甘肅等地暴雨受地形作用影響明顯；國內(nèi)外學(xué)者多使用“配料法”、“分型配料法”等對暴雨進行預(yù)報[10-11]。這些研究成果為天水地區(qū)的暴雨研究奠定了基礎(chǔ)。

天水地區(qū)位于甘肅省東南部，境內(nèi)山脈縱橫，地勢西北高、東南低，是甘肅省暴雨最多的地區(qū)之一，暴雨誘發(fā)的災(zāi)害每年都造成巨額損失，例如2018年7月2日和7月10日發(fā)生的兩次暴雨天氣過程，造成5名群眾死亡、69萬余人受災(zāi)，直接經(jīng)濟損失高達(dá)15億元。暴雨的形成受地形作用及下墊面性質(zhì)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(guān)天水地區(qū)暴雨的研究[6-9]大多都是基于隴東南或西北地區(qū)等較大的范圍，缺乏對當(dāng)?shù)乇┯晏卣骷邦A(yù)報指標(biāo)的詳細(xì)研究，同時對區(qū)域站和自動站資料的結(jié)合應(yīng)用分析也不足。因此，本文利用1965—2019年常規(guī)觀測資料和2008—2019年區(qū)域站加密監(jiān)測資料統(tǒng)計分析天水地區(qū)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(xué)分型及預(yù)報指標(biāo)研究，為天水暴雨預(yù)報預(yù)警及服務(wù)提供參考。

1 資料和方法

利用天水地區(qū)1965—2019年7個地面觀測站常規(guī)觀測資料及2008—2019年269個區(qū)域站加密資料數(shù)據(jù)，將當(dāng)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(tǒng)計學(xué)方法以及克里金（Kriging）插值法對天水地區(qū)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(xué)分型及物理量指標(biāo)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(jiān)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(xiàn)暴雨，2013年暴雨最多，達(dá)19站次，這與當(dāng)年的氣候背景和大氣環(huán)流形勢有重要關(guān)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(qū)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(qū)暴雨20世紀(jì)60年代后期及80—90年代呈減少趨勢，20世紀(jì)70年代及21世紀(jì)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(jié)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(huán)流有利于暴雨形成，導(dǎo)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(qū)暴雨94%發(fā)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(xiàn)在5—10月，集中在7—8月，其中7月暴雨發(fā)生頻次最高（52%），8月（31%）次之，月分布呈單峰型特征，峰值出現(xiàn)在7月。另外由區(qū)域站加密資料可知，天水4月已有暴雨出現(xiàn)。

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(qū)暴雨出現(xiàn)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(xiàn)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(guān)，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(qū)的時間恰好在7月上旬和下旬期間，與天水暴雨出現(xiàn)的前兩次峰值正好對應(yīng)；到了8月下旬，隨著副高勢力減弱東退，雨帶迅速南移并經(jīng)過天水，天水再次出現(xiàn)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(yīng)。另外對區(qū)域站加密資料補充分析后發(fā)現(xiàn)，天水4月中旬已有暴雨出現(xiàn)，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(qū)暴雨出現(xiàn)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(xiàn)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(guān)系。

2.2 空間分布特征

由圖4可知，天水地區(qū)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(fā)生次數(shù)相對較少，只有9～14次；秦州區(qū)次之，為23次；麥積區(qū)、清水縣及張家川縣暴雨發(fā)生次數(shù)最多，為30～32次。這種空間分布特征主要與天水市的地理環(huán)境和氣候背景有重要關(guān)系，天水地形是西北高、東南低，東南部為小隴山林區(qū)，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(xiàn)頻次空間分布（Kriging插值法）

天水地面觀測站只有7個，常規(guī)資料不能很好地反映天水地區(qū)暴雨空間分布更加精細(xì)的情況，以前并不容易出現(xiàn)暴雨的地方也時有暴雨發(fā)生。通過對天水2008—2019年區(qū)域站加密資料補充分析后發(fā)現(xiàn)（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(qū)東南部、麥積區(qū)南部，其中秦州區(qū)東南和麥積區(qū)南部暴雨發(fā)生頻次最高，分別達(dá)19、17次。這與其特殊的地形及下墊面性質(zhì)有重要關(guān)系，上述暴雨高頻區(qū)均為林區(qū)迎風(fēng)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(chǎn)生大量的凝結(jié)降雨，同時釋放出大量的凝結(jié)潛熱，進一步增加了大氣的不穩(wěn)定性，相對其它地方更容易形成暴雨。

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

3 天氣學(xué)分型

暴雨是在天氣尺度背景制約下由中小尺度系統(tǒng)直接造成，本文首先根據(jù)500 hPa天氣尺度系統(tǒng)對選取具有代表性的30個暴雨樣本進行天氣學(xué)分型，然后對其水汽條件、層結(jié)穩(wěn)定度條件及動力條件展開分析，結(jié)合當(dāng)?shù)乇┯觐A(yù)報經(jīng)驗，建立預(yù)報指標(biāo)，即“配料法”[10-11]。結(jié)果表明，影響天水地區(qū)暴雨的主要環(huán)流形勢有兩種：低槽（渦）東移型（8次）和副熱帶高壓西北側(cè)西南氣流型（22次），其中副熱帶高壓西北側(cè)西南氣流型是天水主要的暴雨環(huán)流形勢。

對上述兩種不同環(huán)流形勢下的暴雨高低空物理量配置條件統(tǒng)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(jié)穩(wěn)定度條件。根據(jù)預(yù)報經(jīng)驗，K指數(shù)、沙氏指數(shù)Si、700與500 hPa溫差T700-500、700與500 hPa的假相當(dāng)位溫差θse(700-500)能夠很好地表征天水上空大氣層結(jié)穩(wěn)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(fā)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(tǒng)計分析，結(jié)果見表1。

表1 2007—2019年30個暴雨樣本物理量統(tǒng)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(fēng)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(fēng)槽的影響下發(fā)展東移影響天水形成暴雨；三是西風(fēng)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(xiàn)。

低槽（渦）東移型暴雨（圖6）發(fā)生前天水主要受高壓系統(tǒng)控制，天氣晴好，不穩(wěn)定能量積累較好，500 hPa有西風(fēng)槽發(fā)展東移，高原上低值系統(tǒng)發(fā)展活躍，700 hPa偏南風(fēng)發(fā)展旺盛，有切變線或低渦存在。暴雨發(fā)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(yīng)有冷鋒或輻合線，暴雨主要由中小尺度對流系統(tǒng)形成，天氣尺度系統(tǒng)貢獻(xiàn)較?。挥袝r西風(fēng)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(qū)主要位于切變線附近和偏向暖區(qū)一側(cè)，低渦東南象限也有暴雨產(chǎn)生。

圖6 低槽（渦）東移型暴雨高低空環(huán)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(qū)，天水位于高比濕中心附近或者高比濕中心下風(fēng)向，在等比濕線分析圖上表現(xiàn)為一條明顯的南北向濕軸直達(dá)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(shù)≥32℃，700和500 hPa溫差ΔT700-500≥10℃，影響系統(tǒng)為冷渦時T700-500≥14℃，700和500 hPa假相當(dāng)位溫差θse(700-500)＞0℃，沙氏指數(shù)Si≤2℃；700 hPa切變線附近風(fēng)速≥6 m/s，且曲率較大，地面有冷鋒或者輻合線，當(dāng)影響系統(tǒng)為西風(fēng)槽時有干線（露點鋒）存在，層結(jié)不穩(wěn)定條件及觸發(fā)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(fù)渦度（≤-20×10-5s-1），當(dāng)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(cè)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(tǒng)，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(fēng)氣流源源不斷地將洋面上的暖濕空氣輸送到我國內(nèi)陸地區(qū)，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(cè)西南氣流型（圖7）暴雨主要出現(xiàn)在夏季，具有發(fā)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(xiàn)，是天水最常見的暴雨環(huán)流形勢。過程發(fā)生前不穩(wěn)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(fēng)槽東移，700 hPa對應(yīng)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(fēng)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(fēng)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(qū)主要在700 hPa切變線附近和偏向暖區(qū)一側(cè)，當(dāng)有低空急流時暴雨更容易出現(xiàn)在切變線右側(cè)低空急流出口區(qū)附近。

圖7 副熱帶高壓西北側(cè)西南氣流型暴雨高低空環(huán)流形勢

副高西北側(cè)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(fēng)向，水汽通量散度≤-5×10-4g·hPa-1·cm-2·s-1。K指數(shù)≥36℃，沙氏指數(shù)Si≤0℃，700和500 hPa溫差ΔT700-500≥12℃，700和500 hPa假相當(dāng)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(cè)風(fēng)速＞6 m·s-1，且切變強弱及移動速度和暴雨強度正相關(guān)。暴雨落區(qū)主要在700 hPa切變線附近及偏向暖區(qū)一側(cè)，當(dāng)有西南風(fēng)低空急流時暴雨更容易出現(xiàn)在切變線附近偏向急流出口區(qū)一側(cè)。

4 結(jié)論

（1）天水地區(qū)暴雨年均發(fā)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(jì)60年代后期及80—90年代呈減少趨勢，70年代及21世紀(jì)以來呈增多趨勢。

（2）天水暴雨94%發(fā)生在夏季，春秋季僅占6%，冬季無暴雨出現(xiàn)；4—10月都有暴雨出現(xiàn)，主要集中在7—8月，并在7月出現(xiàn)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(xiàn)最多，占82.8%，旬分布呈三峰型特征，與副高位置有密切關(guān)系。

（3）天水地區(qū)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(qū)東南部以及麥積區(qū)南部，其中秦州區(qū)東南部和麥積區(qū)南部暴雨發(fā)生頻次最高。

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