甘肃省强对流天气特征分析

谭 丹，黄玉霞，沙宏娥

（兰州中心气象台，甘肃 兰州 730020）

引言

强对流天气一般是指伴随雷暴发生的对流性大风、冰雹、短时强降水等天气，在世界范围内都有广泛的分布，我国是世界上强对流天气频发地区之一，强对流天气变化剧烈，生命史短，局地性强，给人们日常生活、农业、航空业等带来巨大影响［1-3］。

甘肃省地处西北干旱、半干旱地区，受东亚夏季风影响，陇南山地和黄土高原丘陵沟壑区多发短时强降水、冰雹、雷暴大风等强对流天气，加之复杂的地质环境条件，极易发生山洪、泥石流等次生灾害［4-6］。甘肃省水灾发生的频率、范围、灾害损失虽不如我国东部和南部，但由于地面植被差，地形陡峭，由短时强降水引发的洪水、泥石流，发生频率高、强度大、时间集中、灾害严重、防御难。此外，甘肃特殊的地理特征易导致局部地区容易形成强烈的上升气流，为冰雹天气的形成发展提供有利的条件，是我国多雹地区之一，每年因冰雹给农业、林业、交通行业及人民生命财产等造成严重损失［7］。如2010年8月8日甘肃省甘南藏族自治州舟曲县城东北部山区突降暴雨，东山站降水量达96.3 mm，1 h 最大降水量达77.3 mm，强降水引发特大山洪泥石流灾害，导致了巨大的人员伤亡和财产损失，死亡和失踪人数达1 765人［8］。2012年5月10日甘肃省定西市岷县出现强降水和冰雹，降水中心麻子川降水量达69.2 mm，1 h降水量42 mm，强度达到50～100年一遇，此次特大冰雹山洪泥石流造成死亡和失踪人数达59人［9］。

近年来我国西北地区气候呈现“暖湿化”趋势［10-11］，极端天气气候事件频发［12-15］，强对流天气预报预警难度加大，因此明确短时强降水、冰雹、雷暴大风等强对流天气的时空分布特征，是提升强对流天气预报水平、减轻灾害损失和影响的重要手段。殷水清等［16］对海河流域夏季逐时降水变化趋势分析表明，海河流域夏季总降水量和短历时降水量均呈减少趋势，但短历时降水量占总降水量的比重及过程平均雨强和峰值雨强呈增加趋势；姚蓉等［17］探讨了湖南不同区域短时强降水气候规律及相关环境参数特征；李强等［18］研究发现四川盆地短时强降水频次和降水量较大值发生在夜间21：00 至次日08：00，分别占总量73.8%和81.4%；秦贺等［19］对新疆暖季短时强降水特征分析表明，短时强降水频次山脉坡面多于谷地和沙漠，高频区位置季节性南北推移与太阳辐射和副热带锋区南北推移密切相关；吴迎旭等［20］指出黑龙江省短时强降水日数和站次均与当年6～8月全省平均降水量呈线性关系，太阳辐射导致的非绝热加热为强降水特别是局地强降水带来巨大贡献；付超等［21］研究发现，江西暖季短时强降水高频区位于山地及河谷附近，对暴雨的贡献率在40%以上；黄玉霞等［7］研究发现甘肃省冰雹日数呈明显下降趋势，年际和年代际变化具有显著差异性，冰雹高原和高山多，海拔高度对冰雹形成有重要影响；赵文慧等［22］研究指出中国地区降雹累积持续时间与海拔高度呈现较高的正相关关系，最大值出现在青藏高原地区；许霖等［23］通过统计湖南多年雷暴大风事件，发现雷暴大风日数存在显著减少趋势，日变化呈现单峰结构，峰值主要出现在午后到傍晚；费海燕等［24］研究发现中国强雷暴大风主要发生在中国中东部地区，不同地区发生峰值时间不同。

多年来由于甘肃省观测站网稀疏，对强对流天气特别是短时强降水发生发展机理认识不足。2010年以来随着区域自动气象站的全面建设和业务化，弥补了强对流天气研究观测资料不足的缺陷。本文利用最新国家气象站和区域自动气象站逐时降水、逐日冰雹和雷暴大风资料，研究甘肃强对流天气时空分布及年、月、日变化特征；充足的数据支撑，可以更深刻的理解强对流天气的空间特征和发展趋势，为强对流天气预报预警提供参考，提高我省防灾减灾能力。

1 资料和方法

本文主要用到的资料包括：（1）短时强降水资料。采用甘肃省气象局提供的80个国家气象站和2 200多个区域气象站2013-2019 年7 年逐小时雨量数据，资料经过严格质量控制，结合本地气候特征，剔除异常值较多气象站点，最终选取1 716个站点进行分析。本研究根据短时强降水业务规定，小时雨量≥20 mm定义为短时强降水，每个站点出现≥20 mm·h-1的雨量记为一个站次［1］；站点年平均短时强降水频次为2013-2019年所有短时强降水次数之和除以总年数。（2）冰雹资料。采用80 个国家气象站1990-2019 年近30 年地面观测资料，冰雹直径记录时间为2005-2019 年。根据我国冰雹等级标准［25］，按冰雹直径分为四类，即弱冰雹（d＜5 mm），中等强度冰雹（5 mm≤d＜20 mm），强冰雹（20 mm≤d＜50 mm）和特强冰雹（d≥50 mm）。冰雹持续时间根据80 个国家气象站1990-2019 年每次降雹起讫时间（当地时间）的记录，统计单次降雹持续时间；站点冰雹平均持续时间为1990-2019年所有降雹持续时间之和除以降雹总次数。（3）雷暴大风资料。选取国家气象信息中心提供的80 个国家气象站1990-2013 年地面观测资料，在一个观测日（当日20：00 至次日20：00）内对雷暴大风日进行筛选和计算，规定既观测到雷暴又观测到大风（瞬时风力＞17 m·s-1）记为一次雷暴大风事件。按雷暴大风强度分级标准，分为一般（瞬时风速或者阵风为17～24 m·s-1）和强雷暴大风（≥25 m·s-1）［24，26］。

依据《甘肃气候》［27］，黄河以西地域称为河西、以东地域称为河东。另外，甘肃省所辖区域按地理位置，划分成五个自然地理区：河西（包括酒泉市、嘉峪关市、张掖市、金昌市、武威市）、陇中（兰州市、白银市、定西市、临夏回族自治州）、陇东（庆阳市、平凉市）、陇南（天水市、陇南市）、甘南（甘南藏族自治州）。

2 结果分析

2.1 短时强降水

2.1.1 短时强降水空间分布特征

由2013-2019 年甘肃省年平均短时强降水频次分布特征可以看出（图1（a）），甘肃省短时强降水频次大致呈现东南多、西北少的特征，这与甘肃省年降水量空间分布一致［27］。短时强降水高发区位于陇南市东南部、陇南市东北部、天水市东南部和庆阳市东部，年均频次达1.5次以上，其中陇南市东南部是全省范围最大的高频集中区，短时强降水年均频次在2 次以上，最大中心位于武都裕河，达4.1 次/a；其次是徽成盆地～天水市南部一带，年均频次介于1.0～2.0 次/a 之间，范围内的大值中心点较分散，最大中心位于成县黄渚，达2.4次/a；第三大高发区位于庆阳市东部，年均频次介于1.0～2.0次/a之间，最大中心位于庆城南庄，达2.0次/a。河西地区、兰州市、白银市短时强降水出现次数极少，年均频次在0.5次以下。

图1 2013-2019年甘肃省强降水空间分布Fig.1 Distribution of heavy precipitation in Gansu during 2013-2019

图1（b）为2013-2019 年甘肃省暴雨日数空间分布图，通过与短时强降水频次分布对比发现，暴雨与短时强降水高发区域分布基本一致，3个暴雨中心分别对应了3个短时强降水中心，说明短时强降水对甘肃省暴雨贡献度很大。

从各月空间分布上来看（图2），4至5月强降水出现的频次低，主要集中在河东偏南地区，此时副高脊线位于低纬，西北区的水汽条件较差且分布不均，我省河东地区强降水范围小且比较分散。6至8月副高脊线北跳，降雨带推移至黄淮流域，西北地区东部雨量开始增加，尤其是7月和8月，副高西脊点到达110°E，脊线位于30°N附近，西北地区东部处于副高西北侧的西南暖湿气流中，给甘肃省武威以东地区带来充沛的水汽，降水范围扩大，强降水发生的频次也显著增多，河东大部分地方强降水年平均次数均在0.2 次以上，其中陇东南一带部分地方年平均次数达0.4次以上，局部地方超过0.8次/a。另外，一向干旱少雨的河西地区也在这一时段出现短时强降水，虽然频次较低，但同时说明了在夏季水汽条件满足的情况下，河西走廊干旱荒漠区也会出现短时强降水。9 月以后，副高南撤，我省强降水范围和频次迅速减小，大部分地方都在0.1 次/a 以下，河东个别地方达到0.2次/a。由此可见，除地形因素外，甘肃省短时强降水的发生，水汽条件至关重要，受西太副高的影响，高温高湿的偏南气流为河东地区带来充沛的水汽，从而短时强降水频发。

图2 2013-2019年4～9月甘肃省短时强降水空间分布Fig.2 Distribution of short-time heavy precipitation in Gansu from April to September during 2013-2019

2.1.2 短时强降水时间变化特征

甘肃省短时强降水站次数年际变化具有明显差异（图3（a）），2013 年站次数最多，2014 年最少，2014-2017年为低谷期，2018年后站次数增加。短时强降水主要集中在20～30 mm/h之间，占总站次数的79.0%，≥30 mm/h占18.3%，≥50 mm/h的短时强降水很少出现，仅占2.7%。

从短时强降水的逐月分布可以看出（图3（b）），甘肃省短时强降水最早始于4月，最晚止于10月，呈“单峰型”分布特征。短时强降水主要发生在4至9月，这与甘肃省雨季吻合［27］。甘肃省短时强降水全年呈现快速增强、迅速减弱的特点，峰值出现在8 月，7 月次之，发生频次占比分别为39.1%、32.6%；6 至8 月发生频次占全年的88.2%。

短时强降水往往是在有利的大尺度环流形势下的中小尺度系统中产生，因此，甘肃省短时强降水在一天内的各个时段均有发生（图3（c））。高发时段主要发生在下午17时至凌晨02时，尤其是19时～00时6个时次短时强降水发生频次均在6%以上，占总频次的46.22%，说明全省近一半的短时强降水出现在这段时期内，其中21时频次最高，达9.25%；凌晨03时至下午15时这段时间内短时强降水处于低发状态，尤其在早上08、09时，发生频次占比不足1.5%。出现这种日变化的可能原因是，午后到傍晚由于局地热力不稳定产生中小尺度对流云团，当对流云团发展到最强盛时容易产生强降水；另外，甘肃河东地区山大沟深，江河穿流其中，河谷地区白天储存了不稳定能量，傍晚到夜间河谷周边山坡辐射降温出现山风环流，低层暖湿空气抬升触发了不稳定能量的释放，导致夜间容易产生对流性降水［28］。

图3 2013-2019年甘肃省短时强降水变化Fig.3 Changes of short-time heavy precipitation during 2013-2019

2.2 冰雹

2.2.1 冰雹日数时空分布特征

（1）冰雹日数空间分布

甘肃省冰雹的空间分布与海拔高度、地形和下垫面性质等密切相关，具有明显的局地性和分散性［7］，主要发生于青藏高原边坡和高海拔地区（图4）。甘南高原、甘岷山区、祁连山东段为3个冰雹高发区，永登、东乡和华家岭为3个冰雹高发点，年平均冰雹日数为2～6 d；临夏、定西为相对多雹区，为1～2 d；兰州、白银、平凉和庆阳地区为冰雹少发区，在1 d以下；河西、天水东部和陇南东南部很少有冰雹出现。

图4 1990-2019年甘肃省平均冰雹日数空间分布Fig.4 Distribution of the average of hail days in Gansu during 1990-2019

从各月空间分布上来看（图5），4 月全省冰雹的范围较小，主要出现在甘南高原、甘岷山区和华家岭，年平均冰雹日数不足0.3 d。5～7月全省出现冰雹的范围较大，冰雹日数多，降雹主要集中在祁连山区、甘南高原及定西、临夏、平凉和庆阳地区，冰雹日数一般为0.3～0.8 d，甘南高原在0.8 d以上，其中6 月冰雹最多发，范围最大，7 月河西及定西冰雹日数有所减少，祁连山东段增加。这主要是因为这段时期青藏高原边坡地区、高海拔山地迎风坡以及六盘山等喇叭口盆地和谷地空气中水汽含量多，太阳辐射强，近地层大气变得很不稳定，加之冷暖空气交汇频繁，在中尺度切变线等的触发下产生冰雹，此外由地形强迫产生的重力波触发不稳定能量释放也可能造成降雹天气［7，29］；8月甘南高原冰雹日数0.8 d以上的范围明显减少，平凉和庆阳也大幅减弱。9 月伴随西太平洋副热带高压东退和太阳辐射减弱，暖湿条件明显下降，大气层结趋于稳定，甘南高原东部的冰雹范围和日数进一步缩减。

图5 1990-2019年4～9月甘肃省冰雹年平均日数空间分布Fig.5 Distribution of hail days in Gansu from April to September during 1990-2019

从甘肃省冰雹的平均直径等级分布图来看（图6（a）），我省大部分站点为5～20 mm 的中等强度冰雹，酒泉西部和陇南南部以弱冰雹为主，白银市靖远、定西市陇西、庆阳市西峰、合水为强冰雹。图6（b）为全省各站点冰雹的最大直径等级分布图，河西地区冰雹最大直径大多在5～20 mm，在中等强度冰雹以内，张掖市民乐、山丹和武威市古浪三站出现强冰雹；河东地区基本都在中等强度标准以上，甘南、定西、天水、平凉、庆阳等地部分站点冰雹最大直径达到特强标准，庆阳市出现特强冰雹的站点最多。

图6 1990-2019年甘肃省冰雹直径等级空间分布Fig.6 Distribution of hail diameter in Gansu during 1990-2019

（2）冰雹日数时间变化特征

从1990-2019 年甘肃省冰雹站次年际变化可以看出（图7（a）），近30 年冰雹站次呈明显减少趋势，平均每10 年减少47 站次。20 世纪90 年代前期冰雹站次多，年冰雹站次在100 站次以上，之后明显减少，在50～70站次之间，其中1990最多，为204站次，2018年最少，仅为29站次。

图7 1990-2019年甘肃省冰雹时间变化Fig.7 Changes of hail in Gansu during 1990-2019

甘肃省冰雹具有季节性强、雹日高度集中的特征（图7（b）），降雹最早始于3 月，最晚结束于11 月，5～7月是全年冰雹发生的主要时段，占全年的62.6%。8～11月冰雹日数明显减少，12月至次年2月为无雹时段。

甘肃省冰雹的发生具有明显的“单峰型”日变化特征（图7（c）），一般最早从上午11时左右开始，晚上21时左右结束。午后13～19时为我省冰雹高发时段，发生频次占全天的88.5%，傍晚17时冰雹发生频次最高，达15.2%，这主要是因为冰雹的产生需要较高的对流有效位能［30］，从午后到傍晚太阳辐射强，地面升温快，而春末至初秋我省大部分地方最高气温出现在17时左右，此时气团对流有效位能大，垂直运动较强，当水汽条件满足（700 hPa比湿≥4 g/kg）和0℃层高度合适时（4 000～5 000 m之间）就容易出现冰雹。晚上20时以后冰雹发生频次迅速减弱，21时至次日10时，我省很少有冰雹发生，频次不足1%。

2.2.2 冰雹持续时间分布特征

冰雹持续时间与冰雹日数在空间分布上基本一致，同时具有差异性（图8）。降雹平均持续时间超过6 min的区域主要包括祁连山中东部、陇中高海拔地区、陇东六盘山和黄土高原地区以及青藏高原边缘的临夏和甘南等地，这些地区海拔大多在1 500 m 以上且地形复杂；陇南、天水低海拔地区以及河西中西部等地势较平坦地区，降雹平均持续时间在6 min 以下。由此可见，海拔、地形对冰雹的产生及降雹持续时间具有重要影响。

图8 1990-2019年甘肃省冰雹平均持续时间空间分布Fig.8 Distribution of the average of hail duration in Gansu during 1990-2019

甘肃省冰雹过程持续时间主要集中在8 min以内（图9），不同持续时间的冰雹过程发生次数呈现先增加后减少的特征，持续时间在2 min以内的累积出现411次，2～4min出现次数最多，达582次，4～6 min、6～8 min的分别有426次和265次，之后随着持续时间的增加，冰雹过程出现次数迅速减少，持续时间32 min的仅有6次，超过32 min的冰雹过程在甘肃省很少出现。

图9 1990-2019年不同持续时间的冰雹过程的累积出现次数Fig.9 Accumulated number of hail weather processes with different duration from 1990-2019

2.3 雷暴大风

2.3.1 雷暴大风时空分布特征

甘肃省雷暴大风分布特点是山区、高原多，地势低的地方少（图10（a））。雷暴大风高发区较分散，其中乌鞘岭地区范围最大、出现频次最高，年均频次达7.6次/a；武都、东乡、华家岭、玛曲、临潭为5个雷暴大风高发点，年均频次在3.5～4.4 次/a 之间，高频次站点中，除武都外，其余四站海拔高度都在2 400 m 以上。河西中西部、天水东部、陇南东部、平凉和庆阳很少有雷暴大风出现，年均频次大多在1次以下。甘肃省雷暴大风天气以一般雷暴大风为主，强雷暴大风天气发生次数很少（图10（b）），仅占甘肃省雷暴大风的5%，这与费海燕等指出中国西北地区强雷暴大风发生概率小的研究结果一致［23］。强雷暴大风主要发生在甘肃省中东部地区，累计频次为1～3次，最大频数出现在高海拔的华家岭站（5次）。

图10 1990-2013年甘肃省雷暴大风及强雷暴大风空间分布Fig.10 Distribution of the frequency of thunderstorm in Gansu during 1990-2013

4 月全省出现雷暴大风的范围小且分散，频次低，仅乌鞘岭、武都、玛曲、华家岭、临潭、岷县年均次数在0.3次/a以上；从5月开始雷暴大风的范围有所扩大，频次增多，高发点与4月一致，年均频次在0.8次/a以上；6 月全省雷暴大风发展到最强时期，酒泉及甘肃中部地区雷暴大风出现频次高，年均频次在0.8～1.8 次/a 之间；7 月雷暴大风高发区与6月较接近，范围有所减少，频次减弱，仅马鬃山、乌鞘岭在0.8次/a以上；8 月雷暴大风活动范围进一步减弱，其中河西大部、陇南和陇东地区减弱更加明显。造成以上差异的主要原因是4～6 月西南暖湿气流不断向甘肃偏南地区输送，地面温度逐渐回暖，不稳定能量增加，加之中高纬度上冷空气活动，我省经常位于冷涡底部的西北气流中，有明显干冷空气南下，与西南暖湿气流交汇，造成不稳定能量迅速积累和释放，有利于大范围雷暴大风天气的发生；7～8 月陆地表面受日照影响，加热更为明显，地面气温、水汽含量、不稳定能量等都达到一年中最强盛时期，容易在近地层形成不稳定层结；加之夏季甘肃常受西风带系统影响，带动冷空气东移，与副高西伸北抬引导夏季风挟带的充沛水汽交汇，因而对流发展更加旺盛，易形成雷暴大风天气［23］。9月除乌鞘岭地区外，其余地区很少有雷暴大风出现。

2.3.2 雷暴大风时间变化特征

由图11（a）可以看出，近24 年雷暴大风出现站次呈明显减少趋势，平均每10 年减少43.6 站次。1990-2001年是雷暴大风相对较多期，2001-2010年为相对较少期，2011-2013年再次增多。

甘肃省雷暴大风始于3 月，于11 月结束，主要出现时段集中在5～9 月（图11（b）），其中6 月出现频次最高，占全年的29.2%，其次为7 月和8 月，分别占全年的22.0%、18.1%，9 月以后雷暴大风出现频次大幅减弱，11月至次年2月全省无雷暴大风出现。

图11 1990-2013年甘肃省雷暴大风时间变化Fig.11 Changes of thunderstorm gale in Gansu during 1990-2013

对甘肃雷暴大风出现的次数进行时次统计（图11（c）），可以看出甘肃省雷暴大风高频时段出现在午后至傍晚的15～21时，发生频次占全天的83.7%，19时达到峰值，21时后大幅减少，上午和夜间很少发生，这与其地表午后加热作用有关。

3 结论

（1）甘肃短时强降水与山脉地形密切相关，多出现在盆地、河谷地区，高发区位于陇南市东南部、陇南市东北部、天水市东南部和庆阳市东部；2013-2019 年短时强降水年际变化差异明显，2013 年最多，2014-2017年为低谷期，随后增多；20～30 mm/h强降水占79.0%。

（2）甘肃短时强降水月变化和日变化特征明显，均呈“单峰型”变化；短时强降水主要出现在4～9月，6月迅速增多，8月达到峰值，7月次之，9月迅速减少；短时强降水一天内各个时段均有发生，高发时段在17～02时，夜雨特征明显。

（3）甘肃冰雹空间分布与地形密切相关，主要发生在青藏高原边坡和高海拔地区，高发区位于甘南高原、甘岷山区、祁连山东段以及永登、东乡和华家岭3个高发点；大部地区以中等强度冰雹为主。雷暴大风以一般雷暴大风为主，强雷暴大风仅占5%；高发点除武都外，均分布在河西西部、甘肃中部以及祁连山和甘南高原的高海拔地区。

（4）冰雹和雷暴大风存在显著的年变化和日变化。降雹季节性强，雹日高度集中，5～7 月为高发时段，占全年的62.6%；降雹持续时间主要集中在8 min以内，不同持续时间冰雹发生次数呈先增后减特征，2～4 min出现次数最多。雷暴大风主要集中出现在5～9 月，占全年的86.6%，6 月最多，7 月次之，9 月之后迅速减少；冰雹和雷暴大风均表现为午后峰值，冰雹高发时段集中在13～19时，雷暴大风集中在15～21时。

（5）近30 年，甘肃省冰雹和雷暴大风均呈明显的减少趋势，其中冰雹的减少速率为47 站次·（10a）-1，雷暴大风的减少速率为43.6站次·（10a）-1，2000年以来减少更为明显。