黃武斌，王研峰，劉 娜，段伯隆，郭潤(rùn)霞，王一丞

（1.蘭州中心氣象臺(tái)，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(qiáng)降水事件趨于增多[1]，因強(qiáng)降水引發(fā)的氣象災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響越來越大，氣象災(zāi)害的社會(huì)敏感性越來越高。降水受季風(fēng)、地形等諸多條件影響，具有明顯的區(qū)域性和時(shí)空分布[2]，降水區(qū)域變化特征得到了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注，并開展了大量研究。

姚莉等[3]研究指出我國(guó)南部沿海地區(qū)夏季雨強(qiáng)頻數(shù)最多，春季是安徽南部與江西地區(qū)，秋季是海南島和云南南部。熊明明等[4]研究表明天津地區(qū)降水小時(shí)數(shù)及小時(shí)平均降水強(qiáng)度空間差異明顯。楊萍等[5]研究指出北京地區(qū)降水季節(jié)和日分布不均。董旭光等[6]研究表明山東汛期小時(shí)降水存在區(qū)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(qū)年降水量呈西低東高分布，存在一定季節(jié)差異，夏季西部降水增強(qiáng)明顯。侯淑梅等[8]基于加密觀測(cè)資料分析指出山東省魯東南地區(qū)的極端短時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)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(shí)降水為主，春、夏和冬季累計(jì)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(qū)極端小時(shí)降水頻次日變化特征較為明顯，存在明顯的區(qū)域差異。

甘肅省地形呈狹長(zhǎng)狀，地處黃土高原、青藏高原和內(nèi)蒙古高原交匯地帶，境內(nèi)地貌復(fù)雜多樣，氣候類型從東南向西北包括了半濕潤(rùn)區(qū)、半干旱區(qū)和干旱區(qū)[11]，生態(tài)系統(tǒng)脆弱。強(qiáng)降水引發(fā)的山洪、山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，給人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來巨大影響。甘肅省短時(shí)強(qiáng)降水空間分布不均勻，年變化和日變化明顯[12-14]，強(qiáng)降水分布與東亞夏季風(fēng)和豎切變線關(guān)系密切[15-16]。

受觀測(cè)資料限制，過去甘肅省強(qiáng)降水研究主要集中在氣候或單一強(qiáng)降水個(gè)例的分析[17-21]。多是利用區(qū)域自動(dòng)站資料，對(duì)甘肅省加密氣象站小時(shí)降水量氣候特征的研究較少。本文基于加密站小時(shí)降水資料對(duì)2013—2019 年甘肅省暖季小時(shí)降水（平均降水量、強(qiáng)降水極值及頻率）時(shí)空分布特征進(jìn)行分析，揭示精細(xì)降水結(jié)構(gòu)及分布特征，為進(jìn)一步改進(jìn)數(shù)值模式中與降水相關(guān)的參數(shù)化方案、機(jī)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(shù)裝備保障中心提供和經(jīng)過質(zhì)量控制的2013—2019 年4—9 月1 678 個(gè)地面加密降水觀測(cè)站點(diǎn)逐時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)（圖1）。

圖1 甘肅省氣象站點(diǎn)分布（紅色三角形為國(guó)家氣象站，黑色點(diǎn)為加密氣象站）

1.2 方法

降水資料統(tǒng)計(jì)方法和定義[7，22]為：（1）小時(shí)降水量＞0.1 mm 為降水事件；（2）統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)平均降水量（簡(jiǎn)稱PA），為總降水量/總時(shí)次，用于描述單位時(shí)間內(nèi)降水的多少；（3）統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)降水頻率（簡(jiǎn)稱PF），為降水的時(shí)次×100%/總時(shí)次；（4）統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)降水強(qiáng)度（簡(jiǎn)稱PI），為總降水量/總的降水時(shí)次，即降水強(qiáng)度=降水量/降水頻次，用于描述實(shí)際有降水發(fā)生時(shí)降水的平均強(qiáng)度；（5）區(qū)域內(nèi)最大小時(shí)降水量為小時(shí)降水極值；（6）區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)在統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)小時(shí)降水量≥20 mm 的小時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)為小時(shí)強(qiáng)降水頻次。

甘肅省地形呈狹長(zhǎng)狀，氣候差異大，地貌形態(tài)復(fù)雜，不同地區(qū)降水區(qū)域差異明顯，因此本文參考《甘肅氣候》[23]中區(qū)域的劃分，將甘肅省劃分為5 個(gè)區(qū)域，為河西（酒泉市、嘉峪關(guān)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?jīng)鍪泻蛻c陽(yáng)市）及甘南高原（甘南州）地區(qū)（圖2）。

圖2 甘肅省區(qū)域分布

2 結(jié)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(qiáng)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(qū)主要分布在隴中、隴南、隴東及甘南高原地區(qū)，隴南地區(qū)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(qiáng)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(qū)降水頻率增加。6—7 月河西地區(qū)的祁連山區(qū)域、甘南高原、隴中地區(qū)、隴南地區(qū)東南部較高，隴南地區(qū)東南部的徽縣最高，為22%。8 月隴中地區(qū)和隴南地區(qū)的降水頻率減小。9 月降水頻率最高，祁連山地區(qū)及河?xùn)|地區(qū)，甘南高原的瑪曲和隴南地區(qū)東南部最高，＞24%。

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

甘肅省逐月降水強(qiáng)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(fēng)帶槽脊尺度和強(qiáng)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(cè)形成暖濕氣流輸送帶，導(dǎo)致甘肅省大范圍降水。同時(shí)西風(fēng)帶低槽或低渦移動(dòng)，在系統(tǒng)性上升運(yùn)動(dòng)和不穩(wěn)定能量釋放共同作用下，甘肅省東部地區(qū)降水強(qiáng)度明顯高于其他地區(qū)。9 月東亞大槽增強(qiáng)西移，副熱帶高壓減弱南撤，甘肅省南部地區(qū)進(jìn)入秋雨期，降水頻率高，但強(qiáng)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(gè)區(qū)域的暖季逐月降水變化特征，結(jié)果顯示，平均降水量全省及各區(qū)域均呈單峰型分布，7 月最大，4 月最小。降水頻率河西地區(qū)呈單峰型分布，峰值出現(xiàn)在7 月，其余地區(qū)均呈雙峰型分布，峰值出現(xiàn)在7 和9 月。8 月為降水頻率低值期，其原因?yàn)?月副熱帶高壓北抬至河?xùn)|地區(qū)，易出現(xiàn)連晴高溫天氣。降水強(qiáng)度呈單峰型分布，峰值主要出現(xiàn)在7—8月，與7—8 月對(duì)流性降水有關(guān)，其中全省、隴南及隴東地區(qū)峰值出現(xiàn)在7 月，河西、隴中和甘南地區(qū)峰值出現(xiàn)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(gè)區(qū)域暖季降水日變化特征（圖4）可知，河西地區(qū)平均降水量、降水頻率、降水強(qiáng)度日變化特征不明顯且最小。平均降水量隴東地區(qū)日變化呈雙峰型分布，峰值主要集中在17 和24 時(shí)；全省及其余地區(qū)呈單峰型分布，峰值均出現(xiàn)在20—22 時(shí)，甘南地區(qū)在18 時(shí)—次日01 時(shí)平均降水量明顯高于其余地區(qū)。降水頻率全省及各地區(qū)呈單峰型分布，峰值主要集中出現(xiàn)在21—22 時(shí)，其中甘南地區(qū)、隴南地區(qū)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(qū)的對(duì)流活動(dòng)較其他地區(qū)更為頻繁[24]。降水強(qiáng)度隴東地區(qū)呈雙峰型分布，峰值主要集中出現(xiàn)在17 和24 時(shí)左右，原因是該地區(qū)不僅受午后熱對(duì)流影響，還受其他天氣系統(tǒng)觸發(fā)和維持的對(duì)流活動(dòng)影響。全省及其余地區(qū)降水強(qiáng)度呈單峰型分布，峰值主要集中出現(xiàn)在20—22 時(shí)，表明這些區(qū)域主要受天氣系統(tǒng)對(duì)流活動(dòng)影響。需要指出的是，隴中地區(qū)、甘南地區(qū)、隴南地區(qū)的夜雨特征明顯。

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

2.2 小時(shí)強(qiáng)降水分布特征

甘肅省地形復(fù)雜，生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)脆弱，小時(shí)強(qiáng)降水造成災(zāi)害更嚴(yán)重，上述分析是針對(duì)甘肅省降水的氣候變化特征，但小時(shí)強(qiáng)降水（≥20 mm/h）才是造成災(zāi)害的重要原因，尤其夏季的強(qiáng)降水容易造成洪澇、泥石流、山體滑坡等災(zāi)害，因此，需要進(jìn)一步對(duì)小時(shí)強(qiáng)降水的變化特征進(jìn)行分析。

2.2.1 小時(shí)強(qiáng)降水空間分布特征

從小時(shí)強(qiáng)降水極值及頻率的空間分布可知，降水頻次呈現(xiàn)一高一低（河?xùn)|高河西低）的分布，主要存在2 個(gè)高頻率中心，分別為隴南地區(qū)的東南部（武都、康縣、成縣、徽縣和兩當(dāng)?shù)貐^(qū)）和隴東北部（鎮(zhèn)原、西峰、慶城及合水地區(qū)），最大值在隴南地區(qū)東南部，為29 次。小時(shí)降水極值分布特征與降水頻次相似，隴中以南地區(qū)為高值區(qū)，隴中以西地區(qū)為低值區(qū)，≥40 mm/h 的降水極值均出現(xiàn)在強(qiáng)降水頻次高值區(qū)。

對(duì)逐月小時(shí)強(qiáng)降水極值及降水頻率進(jìn)行分析可知，小時(shí)強(qiáng)降水極值7—8 月最強(qiáng)，主要出現(xiàn)在隴南地區(qū)東南部、隴東地區(qū)北部及隴中地區(qū)太子山，其次是6 月，主要出現(xiàn)在隴南地區(qū)東部及隴東地區(qū)和甘南高原地區(qū)。4—5 月、9 月僅在隴南地區(qū)零星區(qū)域出現(xiàn)20 mm/h 強(qiáng)降水。小時(shí)強(qiáng)降水頻次分布與小時(shí)強(qiáng)降水極值類似，7—8 月出現(xiàn)最大值，主要在隴南地區(qū)東南部、隴東地區(qū)北部及隴中地區(qū)太子山，6 月隴南、隴東地區(qū)逐漸增多，4—5 月、9 月僅在隴南地區(qū)零星區(qū)域發(fā)生。

2.2.2 小時(shí)強(qiáng)降水貢獻(xiàn)率

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

圖5 甘肅省2013—2019 年小時(shí)強(qiáng)降水降水量對(duì)總降水量的貢獻(xiàn)率（a，單位：%）和小時(shí)強(qiáng)降水頻次對(duì)總降水頻次貢獻(xiàn)率（b，單位：%）

2.2.3 小時(shí)強(qiáng)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(gè)區(qū)域的暖季逐月小時(shí)強(qiáng)降水變化特征可知，隴東地區(qū)強(qiáng)降水頻次明顯高于其余地區(qū)，隴南地區(qū)次之，河西地區(qū)最少。強(qiáng)降水頻次呈單峰型分布，峰值主要出現(xiàn)在7—8 月，隴南地區(qū)出現(xiàn)在7 月（1.76），隴中、隴東及甘南和河西地區(qū)均出現(xiàn)在8月，分別為1.52、2.40、1.19、0.18。小時(shí)降水極值隴南地區(qū)最大，隴中地區(qū)與隴東地區(qū)次之，河西地區(qū)最小。小時(shí)降水極值呈單峰型分布，峰值在隴南和隴東地區(qū)出現(xiàn)在7 月，其余地區(qū)出現(xiàn)在8 月，說明7—8月出現(xiàn)極端強(qiáng)降水概率最大。

2.2.4 小時(shí)強(qiáng)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(gè)區(qū)域的暖季小時(shí)強(qiáng)降水日變化特征（圖6）可知，全省及各地區(qū)小時(shí)強(qiáng)降水頻次日變化呈雙峰或多峰分布（圖6a），全省峰值出現(xiàn)在21 時(shí)（0.35次），河西地區(qū)最低，峰值在18 時(shí)（0.05 次），其余地區(qū)主要集中在16 時(shí)—次日02 時(shí)，其中隴中和隴南地區(qū)峰值分別為0.36、0.47 次，出現(xiàn)在21 時(shí)，隴東地區(qū)在22 時(shí)（0.48 次），甘南地區(qū)在19 時(shí)（0.38 次）。由小時(shí)降水極值（圖6b）可知，降水極值呈多峰分布，午后時(shí)段出現(xiàn)強(qiáng)降水的頻率較少，但小時(shí)最大雨強(qiáng)較強(qiáng)，其原因?yàn)槭芫值貙?duì)流影響，降水雨強(qiáng)較強(qiáng)。

圖6 甘肅省2013—2019 年不同區(qū)域多年平均小時(shí)強(qiáng)降水頻次（a）及小時(shí)降水極值（b）日變化

3 結(jié)論

利用2013—2019 年甘肅省4—9 月逐時(shí)降水資料分析了甘肅不同區(qū)域平均降水量、頻率和強(qiáng)度，強(qiáng)降水極值及頻率的時(shí)空變化特征，主要結(jié)論如下：

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

（2）小時(shí)強(qiáng)降水頻次呈現(xiàn)一高一低（河?xùn)|高河西低）的分布，存在2 個(gè)高頻率中心，分別為隴南地區(qū)東南部和隴東地區(qū)北部。小時(shí)降水極值呈現(xiàn)一高一低的分布，隴中及以南地區(qū)為高值區(qū)，隴中以西地區(qū)為低值區(qū)，≥40 mm/h 的降水極值均出現(xiàn)在強(qiáng)降水頻次高值區(qū)。小時(shí)強(qiáng)降水頻次和強(qiáng)度主要出現(xiàn)在7—8 月，尤其是隴南地區(qū)東南部、隴東北部及太子山地區(qū)。小時(shí)強(qiáng)降水頻次和雨強(qiáng)在17—24 時(shí)最強(qiáng)，峰值為21 時(shí)，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(dá)到峰值。降水頻率呈遞增趨勢(shì)，在8 月為低值期，這與8 月副熱帶高壓北抬至甘肅河?xùn)|地區(qū)，易出現(xiàn)連晴高溫天氣有關(guān)。降水強(qiáng)度呈單峰型分布，峰值主要出現(xiàn)在7—8 月，與對(duì)流性降水有關(guān)。