薛啟 唐亚平 王丽娜 郭海峰 赵慧 马鹏程

(1.平凉市气象局，甘肃 平凉 744000； 2.辽宁省气象局，辽宁 沈阳 110001)

引言

短时强降水是指在1 h内出现20 mm以上的降水事件，具有突发性、致灾性等特点，容易造成城市内涝，山体滑坡、山洪、泥石流等灾害，由于短时强降水形成机制复杂，一直以来是气象部门预报、预警业务的重点和难点[1-2]。在中国西北地区东部，虽然年降水量偏少，但夏季短时强降水等强对流天气多发，又由于该地区特殊的地质条件和脆弱的生态环境，常诱发山洪、泥石流等地质灾害。甘肃平凉位于西北地区东部，横跨六盘山，辖有静宁、庄浪、华亭、崇信、泾川、灵台六县(市)和崆峒区，境内地貌复杂，山包、沟壑、川道相互交错，夏季短时强降水极易引发地质灾害，短时强降水的提前预报、预警是当地防灾减灾工作的第一道防线。中国极端强降水和降水日变化特征存在明显的地域性[3-5]。众多学者针对西北地区短时强降水时空分布及物理量特征等进行了大量的研究，表明西北地区夏季短时强降水时空分布特征既有整体一致的特征，也存在一定的区域性差异。黄晨然[6]对中国西北地区极端降水研究表明，夏季短时强降水日数占全年的67.5%，短时强降水雨量占全年总降水量的30%左右。杨霞等[7]、朱平等[8]和李萍云等[9]对西北地区不同区域短时强降水时空特征进行了诊断分析，表明西北地区除南疆短时强降水频次6月最多外，其余地区均7月或8月最多，高值时段均在下午至前半夜。孟丽霞等[10]对甘肃省短时强降水的时空特征进行了分析，认为甘肃省短时强降水主要分布在武威以及河东地区，尤其陇东南地区是甘肃省短时强降水发生频次最多、强度最大的区域。在夏季短时强降水对应的物理量特征分析方面，马素艳等[11]和王囝囝等[12]研究发现，短时强降水与大气环境参数特征有较好的对应关系，短时强降水往往要具备较好的水汽条件，较大的地面露点温度、高的对流有效位能(CAPE)、K指数等。另外，大气不稳定层结、强的风垂直切变等也是短时强降水形成的有利因素。许东蓓等[13]认为，甘肃省中南部短时强降水形成机制是建立在地面冷锋南下或低层强烈发展的暖湿平流之中，并且低层暖湿平流对不稳定层结起了主导作用。田磊等[14]和赵庆云等[15]对六盘山地区短时强降水中尺度对流系统环境条件进行了统计，发现大部分强降水过程700 hPa有T≥12 ℃的暖舌维持，同时850 hPa比湿在12—15 g· kg-1之间，强降水区域的CAPE在1000 J·kg-1以上。在夏季短时强降水对应的地形特征分析方面，西北地区东部小山体、喇叭口或河谷地形容易形成局地的暴雨中心，如处在关山喇叭口地形下的陇县等地暴雨多发特别显著[16]。

以上研究对中国西北地区短时强降水时空分布特征、短时强降水形成机制、地形对短时强降水的作用做了详细分析和研究，有很好的借鉴意义。西北地区地形地貌差别大，天气系统影响较为复杂。因此，对当地短时强降水的时空分布特征以及天气特点进行较为系统的分析是必要的。本文借助近年来甘肃平凉地区建立的较为完善的地面监测平台，利用高分辨率的地面加密站数据来揭示平凉地区短时强降水的时空分布特征，并对平凉地区近5 a来发生的强降水过程天气类型和大气环境参数特征进行分析、归纳和总结，旨在为平凉地区强降水预报、预警提供天气学分析支撑。

1 资料与方法

利用平凉地区7个国家气象站和171个加密自动站(图 1)逐小时降水数据，依据值班日志记录情况及小时雨量质控码，剔除可疑站次后统计得到平凉地区2015—2019年夏季(6—8 月，下同)逐小时降水数据，并将某站1 h降水量≥20 mm，记为一次短时强降水事件，参考孙修贵等[17]不同阈值雨强的分类和统计办法，考虑降水的基本特征和实际业务的需要，分别按照1 h降水量为20—30 mm、30—50 mm、大于50 mm 这3种情况统计不同降水量级的短时强降水事件，分析近5 a来平凉地区夏季短时强降水逐月空间分布、强降水频次、日变化特征。同时，利用高空资料、平凉探空资料，采取常规天气分析手段，对平凉地区27次短时强降水事件的影响天气系统做了总结和提炼，并借助数学统计方法对表征动力、水汽、不稳定条件的大气环境参数做了归纳，提炼了各参数的分布区间和平均特征值。

图1 甘肃平凉地区178个气象站点分布Fig.1 Locations of 178 meteorological stations in Pingliang,Gansu province

2 结果分析

2.1 短时强降水空间分布

2015—2019年6—8月甘肃平凉地区共发生522站次短时强降水事件，其中华亭市(县级市)短时强降水发生频次最多，为73站次，占全平凉地区夏季短时强降水发生频次的14%；其次为崇信县63站次，占12%；庄浪县短时强降水最少，仅有25站次。由图2可知，6月，除六盘山山区短时强降水分布较集中外，其他地区短时强降水出现的频次普遍较少，仅为1—2次，统计表明6月是夏季短时强降水最不活跃的时段。7月开始，短时强降水发生频次明显增多，强降水范围也逐步扩大。从8月的短时强降水分布来看，除静宁县以外，几乎全市都有短时强降水发生，短时强降水高发区域主要集中在崆峒区、崇信县南部地区、泾川县东部山区。

单位为次图2 2015—2019年6月(a)、7月(b)和8月(c)甘肃平凉地区短时强降水累计发生次数的空间分布Fig.2 Spatial distribution of cumulative occurrence times of short-time heavy precipitation in Pingliang,Gansu province in June (a),July (b),and August (c) from 2015 to 2019

按照1 h降水量为20—30 mm、30—50 mm、大于50 mm这3种情况，分别统计了甘肃平凉地区夏季不同强度的短时强降水发生次数(表1)。从表1可知，夏季主要以1 h降水量在20—30 mm的短时强降水为主，占夏季短时强降水总频次的70%以上。20—30 mm的短时强降水8月最多，高达180站次；6月最少，有63站次。1 h降水量在30—50 mm的短时强降水占强降水总频次的26%。其逐月分布与20—30 mm的短时强降水规律类似，8月最多，有94站次；6月最少，有19站次。1 h降水量在50 mm以上的短时强降水，主要发生在7月，为14站次；其次为8月9站次；而6月当地没有发生超过50 mm以上的短时强降水事件。根据平凉地区近年来灾情实况以及结合当地经验，1 h降水量在30 mm以上的短时强降水事件具有较强致灾性，所以有必要统计平凉地区当地该段强降水各月空间分布情况。统计表明，30—50 mm之间的短时强降水事件6月主要发生在华亭市，为8站次；7月主要发生在泾川县，为11站次；8月主要出现在灵台县、华亭市。而超过50 mm的极端强降水事件主要出现在静宁县南部、泾川、灵台等地。

表1 2015—2019年6—8月甘肃平凉地区短时强降水不同强度的累计发生次数 Table 1 Cumulative occurrence times of short-time heavy precipitation with different intensity in Pingliang,Gansu province from June to August in years of 2015-2019 次

2.2 短时强降水时间变化

从平凉地区短时强降水逐旬分布看(表2)，6月上旬到7月上旬短时强降水发生频次较少；7月中旬随着副热带高压北抬，短时强降水发生频次迅速增多；7月下旬到8月上旬，平凉地区受副热带高压控制，频次回落；8月中、下旬，短时强降水出现的频次达到峰值。分析表明，夏季45%的短时强降水事件发生在8月中、下旬。从极端短时强降水分布情况看，7月1 h降水量超过50 mm的频次分布均匀，上、中、下旬分别为5次、4次、5次，而8月主要出现在中、下旬均为4次，上旬仅为1次。这与大环流背景关系密切，主要原因是6月副热带高压北跳，副热带高压脊线稳定在20°—25°N之间，这是江南梅雨季开始时间。此时，位于陕甘宁地区最南端的陕南南部山区开始有短时强降水发生。7月中下旬副热带高压北跳西伸，副热带高压脊线在25°—30°N，南海夏季风向北推进，对应雨带也北抬至黄河流域。此时，副热带高压外围西南暖湿气流伸展到西北地区东部，因而从7月中下旬开始西北地区东部成为短时强降水最活跃地区。8月，副热带高压脊线越过30°N，西脊点西伸至105°E附近，华北进入盛夏雨季，陕北北部、宁夏南部、甘南北部的短时强降水随之变得更为活跃。

表2 2015—2019年6—8月甘肃平凉地区短时强降水逐旬分布Table 2 Ten-day percentages of short-time heavy precipitation in Pingliang,Gansu province from June to August in years of 2015-2019 %

从平凉地区短时强降水日变化来看(图3)，6月短时强降水主要发生在当天15:00—19:00，该时段强降水共有57站次，占该月累计站次的70%。其中17:00、18:00两个时次是强降水高发时段，统计结果中最大1 h降水量出现在15:00，为46.1 mm，这与当地最高温度出现的时间较一致，说明短时强降水发生需要低层大气具备较为有利的热力条件。7月短时强降水事件主要发生在当天的13:00—24:00，该时段强降水共有137站次，占该月累计站次的87%，14:00、17:00、24:00是3个高峰时次。另外，超过1 h降水量50 mm的短时强降水事件发生在当天的13:00—19:00，统计结果中超过100 mm的极端短时强降水事件出现在当天的14:00—15:00。分析发现7月1 h强降水高频出现时段较6月提前约2 h，且强降水持续时间也变长，这是因为7月低层大气有更好的热力和水汽等输送条件。8月短时强降水主要发生在当天的21:00—24:00，该时段强降水共有146站次，占该月累计站次的52%。另外，8月短时强降水有一个明显的特点是夜间短时强降水增多，并且降水强度变大，1 h超过50 mm的极端强降水大部分出现在19:00、21:00—24:00，这一现象可能与低空急流常在夜间加强[18]有关，此外夜间特殊地形下形成下山风环流也是原因之一[19]。强降水夜间加强的机制复杂，需后续详细研究。

图3 2015—2019年6月(a)、7月(b)和8月(c)甘肃平凉地区短时强降水逐时分布Fig.3 Diurnal variation of hourly short-time heavy precipitation in Pingliang,Gansu province in June (a),July (b),and August (c) averaged from 2015 to 2019

2.3 短时强降水影响天气系统分析

天气尺度系统不仅是中小尺度对流系统发生、发展的动力背景，也为强降水天气的发生提供有利的大气不稳定条件、水汽条件。通过分析近5 a来甘肃平凉地区27次短时强降水事件(表3)，采用常规天气分析方法，归纳了平凉地区的3类较典型的短时强降水的天气类型。分别是高空低槽类(占41%)、副热带高压类(占41%) 、西北气流类(占18%)，其中又将副热带高压类划分为外围型(73%)、控制型(27%)(图 4)。下面分别对以上3类的天气系统与配置情况进行分析。

表3 2015—2019年6—8月甘肃平凉地区27次短时强降水过程Table 3 Information of 27 short-time heavy precipitation events in Pingliang,Gansu province from June to August,in years of 2015-2019

图4 平凉地区高空低槽类(a)、副热带高压类(b)和西北气流类(c)短时强降水天气配置图Fig.4 Synoptic patterns contributing to short-time heavy precipitation in Pingliang area,including the upper-level low trough pattern (a),the subtropical high-pressure pattern (b),and the northwesterly airflow pattern (c)

2.3.1 高空低槽类

500 hPa河西走廊到河套西部有低槽东移南下，槽后伴随冷平流，同时西太平洋副热带高压外围有西南暖湿气流；700 hPa青海高原东部有低涡切变线，低涡前侧有西南风发展和维持，一般风速大于8 m·s-1，有时也能发展成为低空急流；850—700 hPa在甘肃南部常有湿舌和暖脊向北发展并维持；在西风槽后偏北气流带动下，地面弱冷空气从河套地区南下，为平凉地区短时强降水发生提供有利的动力扰动条件。从整层天气系统配置来看，高空天气系统和低空中尺度系统并不是呈上下叠置，而是高低层系统有一定的倾斜，此种天气系统配置下，槽前正涡度平流为低层系统发展提供了有利的动力背景条件。这种类型的过程，短时强降水落区出现在500 hPa槽前西南气流控制区内、主雨带位于700 hPa切变线前侧的地面弱冷锋附近。在平凉地区，此类天气型一般在6下旬至7月较为多见，由于整层系统配合较好，特别是如果低层有低涡系统影响，容易形成区域性强降水天气。如2018年8月21日暴雨过程，当地区域站暴雨站次有28站次之多，最大小时雨强为64.2 mm。

2.3.2 副热带高压类

一种是外围型，500 hPa副热带高压西脊点位于110°E以西，甘肃东南部处在副热带高压西北侧西南气流之中，河西走廊一带有短波系统活动，高层没有明显影响天气系统，这种配置属于弱天气尺度强迫类型；700 hPa一般是河套地区处在东北冷涡后部弱高压系统控制之中，陕北至甘肃中南部一带有两高间切变线维持，平凉地区处于切变线南侧的南风气流区内；850 hPa通常有湿舌向北延伸，边界层大气增暖增湿较为明显，一般具有较好的不稳定能量；这种天气系统配置特点是：虽然高空冷平流弱，但是在低层弱辐合系统影响下，配合地面较好的能量和水汽条件，在山区地形的作用下，容易触发对流，形成分散性强降水天气。此类天气背景下，短时强降水落区主要出现在700 hPa切变线附近。如2015年8月11日暴雨过程，平凉地区短时强降水达54站次，最大1 h降水量为64.2 mm。另一种是控制型，属于典型的弱强迫强降水类型，高低层大气无明显的影响系统，强降水局地性强，预报难度大，一般在8月较为多见。常见的高空形势是500 hPa副热带高压明显北抬，平凉地区完全为副热带高压控制；或者副热带高压与大陆高压打通，平凉处在大陆高压控制之中。低层大气多是高温、高湿，因此午后天气由于地形受热不均匀，容易形成小尺度地形辐合线，在山前触发对流，当分散性雷暴组织发展为短带对流性降水回波或者形成中尺度雷暴群，也容易造成局地性很强的暴雨天气。2017年8月6日强对流天气过程正是此类天气类型，虽然平凉地区强降水只有6个站次，但是由于小时雨强较大，导致当地发生较为严重的洪涝灾害。因此，副热带高压控制下的强降水一直是平凉地区天气监测和预警重点和难点。

2.3.3 西北气流类

在大尺度低槽东移南下背景下，平凉地区500 hPa转为槽后西北气流控制，当高空西北气流连续控制数天，一般会造成高空明显的干冷平流发展，此时地面会出现连续数天的回温现象；当850 hPa附近有有湿舌或者暖脊存在，配合地面暖低压强烈发展的情况下，将会形成下暖湿、上干冷的大气温湿配置，容易产生强对流天气。此种天气类型背景下，如果高空强冷平流较强，易形成风雹天气，短时强降水往往分布较为分散，出现的站次少，持续时间短，小时雨强也较弱，此类天气一般在6月到7月上旬较为多见。

2.4 短时强降水过程典型物理量分布特征

采用平凉本站2015—2019年发生的27次短时强降水过程的探空数据，对预报业务当中常用的大气物理量如850 hPa比湿、700 hPa比湿、最大上升速度、850 hPa假相当位温、700 hPa假相当位温、850 hPa与500 hPa温差、抬升指数、沙氏指数、K指数、对流有效位能这10个参数进行统计分析，统计结果见表4。目的是通过大量个例统计结果筛选出有利的环境参数特征值，以期为平凉地区短时强降水预报提供有效参考。分析结果表明：从低层水汽条件来看，副热带高压类的天气过程比湿最大；850 hPa平均比湿达到了16 g·kg-1，西北气流类的次之，高空低槽类的最小，但是850 hPa比湿平均值基本都在13 g·kg-1以上，说明边界层水汽条件的好坏是产生极端强降水的重要指标，另外各类天气型低层水汽的差异，也从侧面反映了不同天气背景下，低层系统发生、发展机制的差异。从大气不稳定能量来看，极端强降水的发生需要具备一定的不稳定能量，从统计结果来看，副热带高压类和西北气流类，CAPE平均值在1000 J·kg-1以上，最大值可达2000 J·kg-1以上，说明这两种类型的天气，强降水的发生需要具备较大的不稳定能量。而高空低槽类一般是动力系统发展导致的强降水，其CAPE值比前两类明显小，平均值一般在400 J·kg-1左右。相应的850 hPa与500 hPa温差和850 hPa假相当位温也有类似的差异，说明这三个物理量在不同天气类型下的特征值有较为显著的差异特征。从三类天气型的动力条件来看，西北气流类的抬升指数和最大上升速度较其他两类明显偏大，说明西北气流背景下，强对流天气动力辐合条件更好，对应的强对流天气更为剧烈；另外，高空低槽类的动力抬升指数和最大上升速度不及副热带高压类的显著，表明副热带高压类天气对流系统发展高度和起始抬升高度都较高，更有利于造成局地性强降水天气。从K指数来看，3类天气型的K指数平均值均在35 ℃以上，说明K指数是暴雨预报重要指标之一。

表4 2015—2019年6月、7月和8月甘肃平凉地区短时强降水主要物理量平均值和极值Table 4 Average and extreme values of the main physical parameters for short-time heavy precipitation in Pingliang area,Gansu province from June to August in years of 2015-2019

综上所述，在强降水预报当中，K指数、CAPE、T850-T500、Q850、θse-850有较明显的指示意义，这些物理量的均值为有效的强降水预报指标。

3 结论

(1)2015—2019年6—8月甘肃平凉地区共发生522站次短时强降水事件。按照1 h降水量为20—30 mm、30—50 mm、大于50 mm共3种情况，分别统计了短时强降水逐月空间分布、强降水频次、日变化特征。甘肃平凉地区强降水逐月高发区域不尽相同，6月短时强降水高发区为六盘山地区；7月强降水频次明显增多，活跃地区为静宁、崇信、泾川一带；8月强降水发生频次及强度达到峰值，密集区为平凉北部的崆峒山区、崇信南部河谷地带。

(2)逐月强降水时段差异明显，6月短时强降水日变化呈现单峰型特征，高频时段主要集中在午后，1 h降水量在20—30 mm段发生频次高，其占1 h强降水总频次的80%以上。7月、8月短时强降水呈现多峰型结构，强降水夜间频次增多，1 h降水量大于30 mm的频次增加较为显著，占总频次的40%以上，超过30 mm强降水主要出现在13:00—24:00。8月1 h超过50 mm的极端强降水大部分出现在19:00、21:00—24:00，强降水夜间增强原因值得关注。

(3)平凉地区有3类较典型的短时强降水的天气类型，即高空低槽类(占41%)，副热带高压类(占41%) ，西北气流类(占18%)。高空低槽类主要发生时段是6—7月，其造成的短时强降水具有持续时间长、范围广等特点。西北气流类主要发生时段是6月，容易造成局地性风雹天气，对应的短时强降水持续时间短，小时雨量较小。副热带高压类于平凉地区8月较为常见，属于弱天气尺度强迫型，预报难度较大，对边界层中尺度系统发展规律的把握是预报这类强降水天气的关键。对应的短时强降水具有局地性强，雨强大等特点。

(4)通过对表征动力、水汽、不稳定条件的环境参数统计，分析表明K指数、CAPE、T850-T500、Q850、θse-850等物理量平均特征值是当地有效的短时强降水预报指标。