甘肃省天水地区暴雨时空分布及天气学分型

王小龙，邓卓雅，李映春，强玉柱，李 娟，王秀花，杨春芽

（1.天水市气象局，甘肃 天水 741000；2.张家川县气象局，甘肃 张家川 741500）

暴雨是一种降水强度（降水率）较大，或过程总降水量较大的降水现象，我国通常将日降水量或24 h降水量≥50 mm的降水称为暴雨[1]。暴雨经常引发泥石流、滑坡等地质灾害，给社会经济和人民生命财产造成重大损失。因此，气象工作者在暴雨的气候特征、形成机制、雷达卫星以及数值模拟等方面开展了大量研究，针对西北地区本地的暴雨天气成因、暴雨时空分布特征、天气学分型及中尺度方面的研究也取得了一定的研究成果[2-9]。黄玉霞等[2]梳理了近40 a西北暴雨的主要研究进展，指出应关注基于强度的暴雨定义和短历时暴雨中尺度系统生消机理研究等；赵庆云等[3]研究发现甘肃东南部是西北地区暴雨易发区之一；多位学者[4-8]研究表明西北地区暴雨多发生在低压槽前西南暖湿气流背景下，低层偏北风与偏南风形成的切变线附近；侯建忠等[9]对青藏高原东北侧暴雨特征进行分析，发现甘肃等地暴雨受地形作用影响明显；国内外学者多使用“配料法”、“分型配料法”等对暴雨进行预报[10-11]。这些研究成果为天水地区的暴雨研究奠定了基础。

天水地区位于甘肃省东南部，境内山脉纵横，地势西北高、东南低，是甘肃省暴雨最多的地区之一，暴雨诱发的灾害每年都造成巨额损失，例如2018年7月2日和7月10日发生的两次暴雨天气过程，造成5名群众死亡、69万余人受灾，直接经济损失高达15亿元。暴雨的形成受地形作用及下垫面性质影响明显，一般具有本地化的气候特征和形成机制。目前有关天水地区暴雨的研究[6-9]大多都是基于陇东南或西北地区等较大的范围，缺乏对当地暴雨特征及预报指标的详细研究，同时对区域站和自动站资料的结合应用分析也不足。因此，本文利用1965—2019年常规观测资料和2008—2019年区域站加密监测资料统计分析天水地区暴雨时空分布特征，并选取30个代表性暴雨样本进行天气学分型及预报指标研究，为天水暴雨预报预警及服务提供参考。

1 资料和方法

利用天水地区1965—2019年7个地面观测站常规观测资料及2008—2019年269个区域站加密资料数据，将当日20时—次日20时累计降雨量R24≥50 mm定义为一个暴雨样本，共筛选出116个暴雨样本（总计151站次）。运用线性倾向估计、多项式拟合、置信度检验、滑动平均法等统计学方法以及克里金（Kriging）插值法对天水地区暴雨时空分布特征进行分析。同时，选取2008—2019年具有代表性的30个暴雨天气过程，利用“分型配料法”进行天气学分型及物理量指标研究。

2 暴雨时空分布特征

2.1 时间分布特征

2.1.1 年际分布特征

由图1可知，近55 a天水共监测到暴雨151站次，年均2.75站次，暴雨年际差异较大，其中1968、1969年等17 a未出现暴雨，2013年暴雨最多，达19站次，这与当年的气候背景和大气环流形势有重要关系。使用线性倾向估计、多项式拟合及5 a滑动平均法来分析暴雨时间变化趋势，由线性趋势可知，近55 a来天水地区暴雨呈增多趋势，增幅为0.2站次·（10 a）-1，通过了0.01的显著性检验；从多项式拟合来看（R2=0.080 2），天水地区暴雨20世纪60年代后期及80—90年代呈减少趋势，20世纪70年代及21世纪以来呈增多趋势。使用5 a滑动平均法来消除异常值对暴雨趋势的干扰，从图中滑动曲线变化趋势可知，近55 a天水各站暴雨变化趋势和多项式拟合结论基本一致，进入2009年后暴雨年际波动明显增大，主要是由于2013年大气环流有利于暴雨形成，导致暴雨站次剧增。

图1 1965—2019年天水暴雨站次年际变化

2.1.2 月分布特征

由图2可知，天水地区暴雨94%发生在夏季6—8月，春秋季占6%，冬季无暴雨；从月分布来看，天水暴雨出现在5—10月，集中在7—8月，其中7月暴雨发生频次最高（52%），8月（31%）次之，月分布呈单峰型特征，峰值出现在7月。另外由区域站加密资料可知，天水4月已有暴雨出现。

图2 1965—2019年天水暴雨站次月变化

2.1.3 旬分布特征

由图3可知，天水地区暴雨出现在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现频次最多，为25站次，其次是8月下旬，为16站次。这主要与西太平洋副热带高压（简称副高）西伸北抬的时间有关，副高大致每年的6月28日—7月20日开始西伸北抬，随着副高西伸北抬，我国雨带也逐渐北移，雨带影响天水地区的时间恰好在7月上旬和下旬期间，与天水暴雨出现的前两次峰值正好对应；到了8月下旬，随着副高势力减弱东退，雨带迅速南移并经过天水，天水再次出现暴雨峰值。由上可知，天水暴雨旬分布的3个峰值正好与副高南北移动的时间相对应。另外对区域站加密资料补充分析后发现，天水4月中旬已有暴雨出现，分别在2018年4月20日和2019年4月20日，但两次都是冷锋影响下的对流性天气形成的局地暴雨。

图3 1965—2019年天水暴雨站次旬变化

综上所述，天水地区暴雨出现在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月下旬出现3个峰值，旬分布呈三峰型特征，这种特征与副高的位置有密切的关系。

2.2 空间分布特征

由图4可知，天水地区暴雨空间分布明显不均，由西向东逐渐增多。武山县、甘谷县及秦安县暴雨发生次数相对较少，只有9～14次；秦州区次之，为23次；麦积区、清水县及张家川县暴雨发生次数最多，为30～32次。这种空间分布特征主要与天水市的地理环境和气候背景有重要关系，天水地形是西北高、东南低，东南部为小陇山林区，植被较好，西南气流北上时受地形抬升影响，容易形成暴雨。

图4 1965—2019年天水7个观测站暴雨出现频次空间分布（Kriging插值法）

天水地面观测站只有7个，常规资料不能很好地反映天水地区暴雨空间分布更加精细的情况，以前并不容易出现暴雨的地方也时有暴雨发生。通过对天水2008—2019年区域站加密资料补充分析后发现（图5），天水暴雨存在多个分布中心，分别为甘谷县南部、清水县西部和南部、张家川县中部和西部、秦州区东南部、麦积区南部，其中秦州区东南和麦积区南部暴雨发生频次最高，分别达19、17次。这与其特殊的地形及下垫面性质有重要关系，上述暴雨高频区均为林区迎风坡喇叭口地形，暖湿的偏南气流在这里受到地形强迫抬升及辐合，加上地表植物蒸腾作用补充的大量水汽，产生大量的凝结降雨，同时释放出大量的凝结潜热，进一步增加了大气的不稳定性，相对其它地方更容易形成暴雨。

图5 2008—2019年天水区域站暴雨出现频次空间分布（Kriging插值法）

3 天气学分型

暴雨是在天气尺度背景制约下由中小尺度系统直接造成，本文首先根据500 hPa天气尺度系统对选取具有代表性的30个暴雨样本进行天气学分型，然后对其水汽条件、层结稳定度条件及动力条件展开分析，结合当地暴雨预报经验，建立预报指标，即“配料法”[10-11]。结果表明，影响天水地区暴雨的主要环流形势有两种：低槽（涡）东移型（8次）和副热带高压西北侧西南气流型（22次），其中副热带高压西北侧西南气流型是天水主要的暴雨环流形势。

对上述两种不同环流形势下的暴雨高低空物理量配置条件统计分析。首先，水汽条件。天水海拔高度在1 000～2 100 m，700 hPa的比湿、露点温度差以及水汽通量散度能够很好地表征天水上空中低层水汽含量、水汽饱和程度以及水汽的聚积情况。其次，层结稳定度条件。根据预报经验，K指数、沙氏指数Si、700与500 hPa温差T700-500、700与500 hPa的假相当位温差θse(700-500)能够很好地表征天水上空大气层结稳定度情况。第三，动力条件。由于天气尺度背景下的暴雨天气过程发生前必然存在着明显的中低层辐合以及高层辐散，本文主要对700 hPa水平涡度及散度展开统计分析，结果见表1。

表1 2007—2019年30个暴雨样本物理量统计

3.1 低槽（涡）东移型

低槽（涡）东移型暴雨在天水主要有3种形成方式，一是西风槽或高原槽在东移过程中直接影响天水形成暴雨；二是高原涡或西北涡[12-14]在西风槽的影响下发展东移影响天水形成暴雨；三是西风槽在东移过程中不断加深后南部被暖空气切断形成的切断低压（高空冷涡）影响天水形成暴雨。这3种暴雨在春季、夏季和秋季都会出现。

低槽（涡）东移型暴雨（图6）发生前天水主要受高压系统控制，天气晴好，不稳定能量积累较好，500 hPa有西风槽发展东移，高原上低值系统发展活跃，700 hPa偏南风发展旺盛，有切变线或低涡存在。暴雨发生时，天水位于500 hPa槽前或低涡（高原涡、西北涡）东南部、700 hPa切变线附近或低涡东南象限，地面图上对应有冷锋或辐合线，暴雨主要由中小尺度对流系统形成，天气尺度系统贡献较小；有时西风槽在东移过程中不断加深，其南部被暖空气切断形成切断低涡（高空冷涡），受切断低涡影响，天水形成大范围暴雨天气。暴雨落区主要位于切变线附近和偏向暖区一侧，低涡东南象限也有暴雨产生。

图6 低槽（涡）东移型暴雨高低空环流形势

低槽（涡）东移型高低空物理量配置为夏秋季700 hPa比湿q≥8 g·kg-1，春季q≥5 g·kg-1，温度露点差T-Td≤5℃，从孟加拉湾或南海有明显的偏南气流将湿润的暖空气源源不断地输送到天水地区，天水位于高比湿中心附近或者高比湿中心下风向，在等比湿线分析图上表现为一条明显的南北向湿轴直达天水，水汽通量散度≤-4×10-4g·hPa-1·cm-2·s-1，有良好的水汽辐合条件。K指数≥32℃，700和500 hPa温差ΔT700-500≥10℃，影响系统为冷涡时T700-500≥14℃，700和500 hPa假相当位温差θse(700-500)＞0℃，沙氏指数Si≤2℃；700 hPa切变线附近风速≥6 m/s，且曲率较大，地面有冷锋或者辐合线，当影响系统为西风槽时有干线（露点锋）存在，层结不稳定条件及触发条件较强。中下层（700～500 hPa）散度≤-5×10-5s-1，涡度为正或低层涡度不明显，高层（500～200 hPa）有明显的负涡度（≤-20×10-5s-1），当水汽条件相对较差时，散度值更低，同时整个辐合层的厚度也明显变大，高层辐散、低层辐合明显，垂直上升运动条件较强。

3.2 副热带高压西北侧西南气流型

研究表明，夏季副高的活动是影响我国暴雨的主要天气系统，它的每一次西伸、东退都伴随着我国雨带的变化[15-18]。副高是一个深厚的暖性动力型高压，每年的夏季是最为强大的时候，这时候它外围的西南风气流源源不断地将洋面上的暖湿空气输送到我国内陆地区，为我国降水提供了充沛的水汽及能量条件[19-20]。

副高西北侧西南气流型（图7）暴雨主要出现在夏季，具有发生频次高、强度大、影响范围广等特点，常伴有短时强降水出现，是天水最常见的暴雨环流形势。过程发生前不稳定能量条件积累良好，天水主要位于副高588 dagpm线附近或者其外围西南暖湿气流控制之下，西风槽东移，700 hPa对应有切变线，地面有冷锋或辐合线配合，有时会存在700 hPa西南风低空急流与200 hPa高空急流的耦合。副高在西伸北抬或东退过程中雨带南北移动，西风槽东移侵入副高中下层强迫暖湿气流抬升形成大范围暴雨。暴雨落区主要在700 hPa切变线附近和偏向暖区一侧，当有低空急流时暴雨更容易出现在切变线右侧低空急流出口区附近。

图7 副热带高压西北侧西南气流型暴雨高低空环流形势

副高西北侧西南气流型高低空物理量配置为700 hPa比湿q≥8 g·kg-1，温度露点差T-Td≤5℃，副高外围的西南气流源源不断地将暖湿空气输送到天水附近，四川北部—天水有一条南北向湿轴，天水位于高比湿中心附近或者高比湿中心下风向，水汽通量散度≤-5×10-4g·hPa-1·cm-2·s-1。K指数≥36℃，沙氏指数Si≤0℃，700和500 hPa温差ΔT700-500≥12℃，700和500 hPa假相当位温差θse(700-500)＜0℃，存在南北向的高能舌。700 hPa散度≤-5×10-5s-1，涡度≥5×10-5s-1，存在明显的冷式切变，切变两侧风速＞6 m·s-1，且切变强弱及移动速度和暴雨强度正相关。暴雨落区主要在700 hPa切变线附近及偏向暖区一侧，当有西南风低空急流时暴雨更容易出现在切变线附近偏向急流出口区一侧。

4 结论

（1）天水地区暴雨年均发生2.75站次，整体呈增多趋势，增幅为0.2站次·（10 a）-1，通过0.01的显著性检验，在20世纪60年代后期及80—90年代呈减少趋势，70年代及21世纪以来呈增多趋势。

（2）天水暴雨94%发生在夏季，春秋季仅占6%，冬季无暴雨出现；4—10月都有暴雨出现，主要集中在7—8月，并在7月出现最大峰值，月分布呈单峰型特征；主汛期为7月上旬—8月下旬，暴雨出现最多，占82.8%，旬分布呈三峰型特征，与副高位置有密切关系。

（3）天水地区暴雨自西向东依次增多，并存在多个分布中心，分别为甘谷县南部、清水县西部和南部、张家川县中部和西部、秦州区东南部以及麦积区南部，其中秦州区东南部和麦积区南部暴雨发生频次最高。

（4）天水地区暴雨主要有低槽（涡）东移型、副高西北侧西南气流型两种天气学分型，其中副高西北侧西南气流型最为常见，两种分型的暴雨主要影响系统、形成机制、高低空物理量配置条件各不同。