青藏高原边坡临夏地区短时强降水时空分布及海拔特征分析

马玉坤，马俊强，李 菲，马旭洁

（临夏回族自治州气象局，甘肃 临夏 731100）

短时强降水（1 h 降水量≥20 mm）具有雨强大、突发性强、持续时间短、局地性强、预报难度大等特点，往往在短时间内会引发泥石流、洪涝等灾害。在全球气候变暖背景下，使得降水格局发生了一定的改变，尤其北半球中高纬地区极端降水的频率和强度显著增加，西北地区强降水事件也趋于增多[1-3]，由短时强降水引发的暴雨、洪涝灾害给甘肃省带来的损失也越来越重[4-6]，2020 年8 月8 日舟曲特大山洪泥石流事件、2012 年5 月10 日岷县强降水引发洪涝等都造成了严重灾害。近年来临夏地区极端强降水事件频发，2018 年因强降水及其诱发的次生衍生灾害造成22 人死亡（失踪），共造成经济损失18.6亿元，占临夏州GDP（以2017 年计）的7.8%、财政收入的59.6%。仅7 月18 日强降水天气引发东乡县特大暴洪灾害，造成16 人死亡（失踪），直接经济损失高达5.89 亿元，位列“2018 年甘肃省十大天气气候事件”第七[7]。临夏地区位于甘肃省中部偏西南，地处青藏高原与黄土高原的过渡地带，地形呈西南高、东北低、中部更低的倾斜盆地状，境内海拔高度差在3 000 m 以上，受山脉影响，降水分布存在明显差异。太子山呈西北—东南向，积石山呈南北向，两山相连构成“L 型”盆地，当天气系统来临时，偏北和偏东两支气流由于受山体阻挡，常在临夏中部汇合，产生强烈的上升运动，从而产生强降水。临夏地区植被覆盖率低，生态环境脆弱，水土保持能力差，由于特殊的地形地貌，由短时强降水引发的暴雨洪涝灾害是影响临夏地区经济的重要气象灾害[8]，直接危害人民的生命财产安全。因此，对青藏高原边坡临夏地区短时强降水时空分布特征及海拔、地形对短时强降水的影响进行研究，有助于提高预报预警能力，对当地防灾减灾具有重要意义。

近年来，许多学者对于短时强降水的研究主要集中在时空分布特征、降水比率、强降水频次、气候变化特征等方面[9-11]。甘肃省短时强降水总体呈西北向东南递增的空间分布特征，陇东南是发生频次最多、强度最强的地区，主要发生在午后至前半夜，17时是高发时段[12]，且有明显的双峰型日变化特征，而降水比率高值出现在20 时前后，主要集中在18—23 时，干旱区半干旱区降水比率较大[4]。以上研究大多都基于国家级自动气象站逐小时数据，然而随着气象监测现代化水平的不断提高，乡镇区域气象站布置增多，观测密度更高，使用区域气象站观测资料分析会更全面更客观，尤其是对于山区等复杂地形强降水分布的影响研究方面，一些学者也做过相关研究，兰州市短时强降水与海拔高度、迎风坡向及坡度等地形因子显著相关，高发区主要集中在山谷喇叭口、南风迎风坡、城市热岛区、高寒山区[13]；喇叭口地形对甘肃甘谷地区降水增加明显，抬高地形对迎风坡上空低层辐合及上升运动有显著加强作用，且其动力抬升作用主要体现在降水发生前和发生时[14]。对于青藏高原边坡临夏地区的短时强降水特征，一些学者也做过相关研究[15-17]，但都使用国家级自动气象观测站降水数据，站点密度较小，而使用乡镇区域气象站逐时数据分析短时强降水分布特征及地形影响方面，还尚未做过研究。本文利用2010—2019 年临夏地区66 个乡镇区域气象站和6 个国家级自动气象观测站逐小时降水数据，分析了临夏地区短时强降水时空分布特征，并且探讨短时强降水与海拔、地形的关系，以期提高短时强降水天气的短临监测预警服务能力。

1 资料和方法

资料为甘肃临夏地区6 个国家级自动气象观测站和66 个乡镇区域自动气象站2010—2019 年逐小时降水资料，由于乡镇区域气象站降水资料观测时间为每年4 月初—10 月初，为了保持资料的整齐性和可对比性，对降水资料进行截取，选取每年汛期5月1 日—9 月30 日的资料进行分析，但最早在4 月中旬、最晚在10 月上旬均出现过短时强降水。通过数据质量控制，剔除可疑数据，最终筛选资料序列完整性较好的72 个站点进行统计分析，序列长度为2010—2019 年，站点分布如图1 所示。

图1 临夏地区气象监测站点及地形分布

根据甘肃省短时强降水标准，短时强降水定义为河东1 h 降水量≥20 mm 的降水，但张宁等[9]运用极端降水阈值方法分析出兰州市短时强降水标准为1 h 降水量≥10 mm 更符合实际。临夏（图2）境内除永靖县大部在黄河以北之外，其余属黄河以南，因此本文以1 h 降水量≥20 mm 作为短时强降水标准。在分析地形影响时，加入1 h 降水量≥10 mm 降水进行对比分析。本文所用方法有相关分析、趋势分析等统计分析方法。

图2 青藏高原地形及临夏地区地理位置

2 结果与分析

2.1 短时强降水时间分布特征

2010—2019年5—9 月临夏地区72 个站共出现短时强降水486 次，年均出现49 站次，2012、2018年出现两个峰值，其中2018 年最多，达到127 次，为近10 a 最多，2014 年最少，只有17 次，可见青藏高原边坡临夏地区短时强降水的年际差异非常大（图3）。

图3 2010—2019 年临夏地区短时强降水频次年际变化

进一步分析2010—2019 年5—9 月临夏地区短时强降水与逐月西太平洋副热带高压（以下简称“西太副高”）面积指数、强度指数、脊线位置指数、北界位置指数、西伸脊点指数[18]的相关性（表1），发现西太副高脊线位置指数和北界位置指数与短时强降水频次呈正相关，相关系数分别达到0.46 和0.43，相关性通过0.05 的显著性检验，说明西太副高的脊线位置和北界位置与临夏地区短时强降水频次有密切关系，究其原因，这是因为7—8 月西太副高的位置直接决定了其外围西南暖湿气流向西北地区尤其是临夏地区的输送所能到达的位置。

表1 2010—2019 年5—9 月临夏地区短时强降水频次与逐月西太副高指数的相关系数

统计2010—2019 年临夏地区短时强降水逐月频次可见，短时强降水主要发生在5—9 月，呈明显的“单峰型”分布（图4），其中7、8 月居多，发生频次占比分别为29.6%和50.4%，8 月最多，达到245 次，且8 月1 h 最大雨强最大，达到100.8 mm；9 月发生频次最少，只有27 次，但1 h 最大雨强＞40 mm，可见汛期末仍然会出现较强的短时强降水。

图4 2010—2019 年5—9 月临夏地区短时强降水频次逐月分布

从5—9 月短时强降水逐旬频次分布可知（图5），短时强降水频次呈“单峰型”分布，主要集中在7月中旬—8 月下旬，这期间的短时强降水占全年的75.3%，8 月上旬最多，达140 次，占全年的28.8%，这与西太副高的两次北跳关系密切，尤其是西太副高在7 月底—8 月初第三次到30°N 以北位置时，其西北侧的西南气流为临夏地区输送大量水汽，在一定的触发机制下形成强降雨，因此在7—8 月尤其是“七下八上”时段要高度关注短时强降水的短临监测和预警服务。

图5 2010—2019 年5—9 月临夏地区短时强降水频次逐旬分布

从5—9 月短时强降水逐时频次分布可以看出（图6a），临夏地区短时强降水呈“单峰型”日变化特征。16—03 时为短时强降水的主要集中时段，占总频次的84.6%；主峰在21 时为最大，22 和20 时次之，19—00 时出现的短时强降水占58.6%，为高发时段；06—07 时前后为短时强降水最少时段；12时前后为短时强降水次少时段。5—6 月（图6b）短时强降水主要集中在19—00 时，13—16 时出现次数占比次之，属于午后型和夜雨型。7—8 月（图6c）短时强降水主要集中在19—00 时，午后时段出现次数占比较少，傍晚时段出现次数占比较多，属于傍晚型和夜雨型。9 月（图6d）短时强降水分布比较均匀，没有明显的集中时段。以上分析表明，在不同季节时段短时强降水日变化特征有明显的差异。总体来看，临夏地区短时强降水发生属于傍晚型和夜雨型。

图6 2010—2019 年5—9 月（a）、5—6 月（b）、7—8 月（c）、9 月（d）临夏地区短时强降水频次逐时分布

2.2 短时强降水的空间分布特征

2.2.1 小时平均最大降水量的空间分布特征

图7 为2010—2019 年5—9 月1 h 平均最大降水量的空间分布。临夏地区1 h 平均最大降水量主要分布在4 个区域，分别是北部永靖县黄河河谷迂回地区、西部积石山山区、南部太子山沿山地区及中部东乡县海拔较高山区，以上4 个区域1 h 平均最大降水量均＞20 mm，其中沿积石山太子山沿线的吹麻滩、庄窠集、药水峡等站＞30 mm，最大值出现在康乐县药水峡（43 mm），达到特大暴雨级别[19]。从2010—2019 年5—9 月1 h 最大降水量趋势变化空间分布可以看出，75.8%的站点趋势系数为正值，大部分地区1 h 最大降水量呈增大趋势，说明近10 a临夏地区短时强降水的极端性逐年增大。

图7 2010—2019 年5—9 月1 h 平均最大降水量的空间分布

2.2.2 短时强降水频次的空间分布特征

从2010—2019 年5—9 月临夏地区短时强降水频次空间分布可以看出（图8b），短时强降水在各地均有出现，单站年均频次为0.2～2.6 次，平均为0.8次。永靖县陈井最少，为0.2 次，广河县庄窠集最多，为2.6 次。变异系数为0.54，空间分布差异较大。总体呈西南多、东部和北部少，山区多、川区少的分布特征，并且分散有多个大值中心，分别在积石山县石塬乡和癿藏乡、临夏县莲花镇、和政县新庄乡及马家堡乡和梁家寺乡、广河县官坊乡和庄窠集乡；低值区域主要位于永靖县大部、东乡县东南部、广河县中东部、康乐县东部和南部等区域。对比不同量级强降水的空间分布差异，绘制临夏地区1 h 降水量≥10 mm的降水频次空间分布图（图8a），与短时强降水频次分布（图8b）略有差异，R1h≥10 mm 的降水频次总体呈西南多、东北少、海拔较高地区多、海拔较低地区少的分布特征，大值中心主要位于积石山县西南部、临夏县中南部、和政县中南部、广河县西部及康乐县西部。

图8 2010—2019 年5—9 月临夏地区R1 h≥10 mm降水频次（a）和短时强降水频次（b）空间分布

2.3 强降水海拔高度特征分析

2.3.1 迎风坡降水增大

地形对大气环流和天气气候的影响主要有两方面作用，一是动力作用，二是热力作用。其中，动力作用又可分为动力阻挡作用和摩擦作用[20]。而迎风坡具有动力和屏障作用，可以使气流绕地形流动和被迫爬升致使水汽抬升凝结，暖湿气流在中尺度地形迎风坡形成气旋性辐合，产生风场切变，对降水产生明显的增幅作用[21]，是因为地形高度抬升和边界层摩擦直接作用的结果，如果地形有利于冷暖空气的交汇，就容易产生强降雨。研究发现，临夏地区5—9月平均降水量分布与海拔高度的相关系数为0.56，并通过0.05 的显著性检验，相关性较高（图9b），这也印证了临夏地区西南部积石山和太子山中尺度地形对本地盛行的偏东气流产生迎风坡效应，致使降水量随海拔高度升高而增大。

图9 2010—2019 年5—9 月临夏地区平均降水量空间分布（a）及其与海拔高度的关系（b）

2.3.2 短时强降水的海拔、地形特征

虽然山体斜坡地带是降水形成、发展的主要位置，但山体之间的谷地对降水的形成也很重要[22]，这种山谷的地形效应也会诱发大暴雨的产生，比如在喇叭口谷地的迎风坡上暴雨系统就容易发展增强，喇叭口地形是逐渐收缩的山谷地形，当朝向喇叭口的气流进入喇叭口之后，因地形收缩，使气流辐合加强，同时因山谷是升高的，必然会加大气流的上升运动，使降水增强[23]。从图10 可以看出，临夏地区短时强降水频次分布呈现两个极端：海拔较高的山地喇叭口地形区域和海拔较低的河谷地区。积石山县境内银川河上游河谷两侧山脉、和政县境内广通河上游河谷两侧山脉、康乐县境内苏集河上游河谷两侧山脉均形成明显的喇叭口地形，海拔落差较大，此种地形造成近地面加热不均匀，从而易形成局地的山谷风环流，且与盛行的偏东气流产生喇叭口地形效应，促使短时强降水增强。北部黄河河谷迂回区域及刘家峡水库库区等海拔较低的河谷地区也是短时强降水高发区，强降水时段主要集中在22—02 时，属于典型的夜雨型强降水，地形引发的热力效应主要是由于地形不同高度上下垫面加热和气流抬升时大气潜热释放所引起，山谷的热力不均匀性是山谷风产生的重要原因，由于夜间山坡冷却很快，冷空气下沉并抬升河谷底部的暖空气，产生山风效应，且河谷下垫面空气潮湿，形成不稳定层结，产生局部热力对流，从而导致较大增幅的降水[14]。因此以上区域是临夏地区汛期短时强降水的重点关注区域。

图10 2010—2019 年5—9 月临夏地区短时强降水频次与地形分布

3 结论

利用青藏高原边坡临夏地区6 个国家级自动气象站和66 个乡镇区域自动气象站2010—2019 年5—9 月逐小时降水资料，分析了临夏地区短时强降水的时空分布及海拔、地形特征，得到以下结论：

（1）青藏高原边坡临夏地区近10 a 短时强降水频次总体呈上升趋势，2012、2018 年出现了两个峰值，短时强降水频次与西太副高脊线位置和北界位置有密切关系。短时强降水主要发生在5—9 月，其中7、8 月发生频次占比分别为31.8%和49.2%，集中时段为7 月中旬—8 月中旬，9 月频次最少，但1 h最大雨强也＞40 mm。短时强降水的“双峰型”日变化特征明显，主峰在21 时左右，次峰在08 时左右，16—00 时为主要集中时段，占总频次的66.2%，19—23 时为高发时段，占总频次的45.1%，12 时前后为短时强降水最少时段，05 时前后为短时强降水次少时段。临夏地区短时强降水发生属于傍晚型和夜雨型。

（2）1 h 平均最大降水量均＞20 mm 的4 个主要区域是北部永靖县黄河河谷迂回地区、西部积石山山区、南部太子山沿山地区及中部东乡县海拔较高山区，且75.8%的站点1 h 最大降水量呈增大趋势，说明近10 a 临夏地区短时强降水的极端性逐年增大。

（3）临夏地区短时强降水单站年均频次为0.2～2.6 次，平均为0.8 次。短时强降水空间分布差异较大，总体呈西南多、东部和北部少，山区多、川区少的特征。不同量级强降水的空间分布略有差异，R1h≥10 mm 的降水频次总体呈西南多东北少、海拔较高地区多、海拔较低地区少的特征。

（4）临夏地区降水分布与海拔高度有明显关系，西南部积石山和太子山中尺度地形对本地盛行的偏东气流产生迎风坡效应，致使降水量随海拔高度升高而增大。不同地形下短时强降水频次分布呈现两个极端：海拔较高的山地喇叭口地形区域和海拔较低的河谷地区，是临夏地区汛期短时强降水的重点关注区域。特殊地形对短时强降水的影响机制，将在今后的研究中进行。