联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告(AR5)指出,当温室气体加倍时极端强降水显著增加,其增加幅度远大于平均强度的降水^[1]。近50多年来,我国极端强降水的平均强度和极值都呈增加趋势,极端强降水事件也趋于增多^[2],其中西北地区西部和青藏高原降水量的增加主要由极端强降水频率和强度的增加所致^[3],在2016—2050年极端降水事件整体将呈现增多趋势,且强度也将进一步增强^[4,5]。因此,在全球气候变暖背景下极端降水事件因易引发山洪、泥石流等突发性灾害而引起广泛关注。

研究表明,中尺度系统的发生、发展、合并极易造成较大量级的降水^[6],多个中小尺度对流系统的组织化发展形成MCC是造成极端强降水的重要原因^[7],而MCSs的“列车效应”、后向传播及系统的停滞少动将会使系统影响时间变长,从而带来较大雨量^[8]。然而,不同地区暴雨的形成机制不尽相同,华南暖区暴雨主要与海岸线、地形抬升以及高低空急流配置有关;江淮暴雨主要与对称不稳定、涡度变化、β中尺度对流线及边界层扰动有关;华北和东北地区暴雨过程中,非均匀饱和引起的局部湿度集中特点较为明显,中高层干冷空气入侵引起的不稳定和动量下传以及高空急流增强引发的高层局地辐散增强对暴雨的发生有重要作用^[9]。这些认识还不足以满足任意区域暴雨预报预测的需求,尤其在全球气候变暖背景下还需做更进一步的研究。

甘肃地处中国西北内陆,外形呈东南—西北向长条“哑铃”状,高原、盆地、平川、沙漠和戈壁等交错分布,地形地貌复杂多样,气候自东南温暖多雨带向西北内陆少雨带逐渐过渡。特殊的地形地貌及气候使得甘肃暴雨特征与我国南方显著不同。研究表明:特殊地形下西南低空急流的形成和维持对甘肃东部暖区对流系统的形成、发展起重要作用,对流单体的“列车效应”是造成大暴雨的主要原因^[10,11];400 hPa以下大的正螺旋度有利于西北暴雨的发生发展,螺旋度对西北暴雨预报具有指示意义^[12,13]。此外,涡旋自组织是造成西北干旱半干旱区暴雨等灾害性天气的重要原因之一^[14]。此外,在相同气候背景、相同区域、相似的环流形势下,触发机制不同也会导致降水的强度和范围差异较大^[15,16]。黄玉霞等^[17]研究指出,甘肃极端暴雨的降水效率(1 h和3 h降水量与24 h降水量之比)几乎与广东相当,说明甘肃极端暴雨具有极强的致灾性。因此,本文利用1981—2018年甘肃气象站点降水观测资料和NCEP再分析资料,对甘肃极端暴雨天气过程的气候特征及主要环流形势进行统计分析,这对于提高甘肃极端暴雨的预报预警能力及防灾减灾有重要意义。

所用资料为1981—2018年甘肃省81个国家气象观测站逐小时降水资料和NCEP逐6 h再分析资料(空间分辨率为2.5°×2.5°)。中国各省、市、自治区行政边界以及甘肃省市州行政边界是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)1824的标准地图制作,底图无修改。

对于极端暴雨天气过程的定义,目前我国没有明确、统一的规定,因此本文在前人研究^[18]基础上,结合甘肃气候特点,将历年(1981—2018年)日降水量排序。统计发现,近38 a甘肃省日降水量达到或超过50 mm的站点在5个及以上的个例有59个、10个及以上的个例有8个;日降水量达100 mm以上的共57站次。因此,将满足以下两个条件之一的降水过程定义为一次极端暴雨过程:

(1)24 h降水量[20:00—20:00(北京时,下同)],有10站及以上达到或超过50 mm;

(2)24 h降水量,有5站及以上达到或超过50 mm,且至少有1站超过100 mm。

当以上条件满足时,选取暴雨中心值最大的时段统计极端暴雨日。

统计发现,1981—2018年甘肃极端暴雨共计出现811站次,暴雨日309 d,极端暴雨过程29次,其中10次(占34.5%)过程的暴雨中心值为建站以来历史最大日雨量,其余有12次(占41.4%)过程的暴雨中心日雨量自建站以来位居第2~5位。

从表1看出,甘肃极端暴雨过程基本出现在河东地区(甘肃境内黄河以东各市州),暴雨中心主要分布在陇南、平凉和庆阳3市(22次,占75.9%),这与扈祥来等^[19]的研究结果“陇南嘉陵江水系及陇东泾河水系特大暴雨发生频次较高”较为一致;一次极端暴雨过程平均出现8.2站暴雨,最多达16站,占河东总站数(61站)的26.2%,且暴雨中心的平均雨量为121.6 mm,最大雨量达184.6 mm(出现在2013年7月22日平凉灵台站)。在29次极端暴雨过程中,康县作为暴雨中心出现频次最高为6次,其次是麦积(3次),庆阳、两当、泾川各2次。

甘肃东南部山脉纵横交错,海拔差异大,其西面为青藏高原东部边坡地带,东南面为秦岭的西延部分,东北面为六盘山区,陇东正位于六盘山脉的南侧。研究表明,特殊的地形有利于西南低空急流的形成、维持,同时对上升运动有一定的增强作用^{[10-11,20-21]}。陇东南地区处于东亚夏季风的北边缘附近^[22],水汽条件较甘肃其他地区明显偏好。因此,陇东和陇东南地区易出现极端暴雨。

从29次极端暴雨过程的暴雨落区(表1)来看,极端暴雨主要集中在陇东南地区,即陇南、天水、平凉、庆阳一带。站点50 mm以上雨量出现的频次(图1)显示,近38 a来陇南的康县、徽县暴雨次数均超过40次,康县最多为48次;陇南、天水、平凉、庆阳等市暴雨次数大都在20次以上,这与扈祥来等^[19]的研究结论“陇南嘉陵江上游两当、徽县、成县、康县与白龙江下游、宕昌县附近以及陇东泾河六盘山区和中部平凉、泾川、镇原、西峰、庆阳为暴雨频发区”较为一致。需要注意的是,日降水量极值并未出现在暴雨频次最多的陇南,而是出现在陇东的平凉,排名前三的分别是灵台184.6 mm、泾川184.2 mm和平凉166.9 mm(表1)。

另外发现,落区在陇东(平凉、庆阳一带)和陇南(陇南、天水一带)的极端暴雨个例均为7次,陇东南(陇南、天水、平凉、庆阳一带)的个例有11次,其余分散性的个例有4次。因此,将甘肃极端暴雨天气过程按落区分为陇东型、陇南型、陇东南型和分散型4种。

2.2.1 总体特征

对甘肃省29次极端暴雨过程中达到暴雨的站点逐小时雨量进行统计,发现暴雨站点的雨量具有明显的日变化特征,夜间(20:00—08:00,下同)雨量大于白天(08:00—20:00,下同)的过程有22次(占75.9%),夜雨量平均占比61.8%,暴雨的夜雨型特征显著,主要降水时段出现在午夜至上午,中午开始降水比例快速持续下降(16:00—17:00除外),10:00占比最高,20:00占比最低[图2(a)]。单站最大雨强超过40 mm·h^-1的极端暴雨过程有11次(占37.9%)、站点有16站,且最大小时降水量的贡献率均在25%以上,其中9站超过50%,最大的出现在兰州站(1990年8月11日),小时雨量为51.3 mm,占日降水量的90.2%[图2(b)]。

2.2.2 不同落区雨量日变化特征

对甘肃省不同落区极端暴雨白天和夜间降水量进行统计,发现陇东型和陇南型极端暴雨过程中夜间雨量大于白天的均有6次(占85.7%),陇东南型夜间雨量大于白天的过程有7次(占64%),分散型夜间雨量大于白天的过程有3次(占75%)。可见,不同落区的极端暴雨过程也具有夜雨的特征。

从不同落区极端暴雨过程的雨量日变化(图3)可知,陇东型和陇东南型均表现出“双峰型”的日变化特征,但两落区降水时段差异较大,陇东型在10:00—13:00和02:00—03:00降水占比相对较大,18:00—20:00降水占比相对较小,最高、最低值分别出现在10:00和19:00;陇东南型21:00—08:00降水占比普遍较大,夜雨特征明显,08:00之后降水占比持续下降,20:00的降水占比最小。陇南型表现出“三峰型”的日变化特征,在02:00—11:00降水占比普遍较大,16:00再次出现一小峰,18:00—20:00降水占比仍较小。分散型的降水日变化特征与陇东南型相似,夜雨特征明显,23:00—03:00降水占比较大,20:00—21:00降水占比较小。综上可见,4类极端暴雨的日变化特征存在明显差异,陇东南型和分散型的夜雨特征明显,陇东型的日雨特征明显,但4类暴雨均不易发生在傍晚18:00—20:00。

另外,不同类型暴雨中心最大小时雨强出现时间存在差异,陇东型主要出现在上午,陇南型和陇东南型主要出现在夜间,而分散型主要出现在前半夜(表2)。在29次极端暴雨过程中,最大小时雨量达到短时强降水标准的有24次,占全部过程的82.8%,其中1990年8月11日出现在天水市麦积区的小时雨强最大为73.7 mm·h^-1。可见,甘肃极端暴雨天气大多伴有强对流,说明甘肃极端暴雨的对流性特征明显。需注意的是,暴雨中心的最大小时雨强与过程最大小时雨强不完全一致,前者更大程度上体现了降水的累积效应,而后者则体现了降水的短时性、极端性。

近38 a来,甘肃省极端暴雨过程均出现在6—8月,8月出现最多为14次,其次是7月的13次,6月只出现了2次,说明甘肃盛夏更易出现极端暴雨;极端暴雨最早出现时间为6月20日(2013年),降水主要落区在平凉及天水,有13站日降水量超过50 mm,其中3站超过100 mm;最晚出现时间为8月27日(2013年),降水主要落区在陇南,有5站日降水量超过50 mm,其中1站超过100 mm。从逐旬分布(图4)来看,8月中旬极端暴雨最多出现7次(占24.1%),7月下旬次之,为5次(占17.2%),6月中、下旬各出现1次,而8月上旬也是极端暴雨相对较少的时段,仅出现3次(占10.3%)。

由表2可知,陇东型极端暴雨主要发生在7月中旬至8月中旬,陇南型主要发生在7月上旬至8月中旬,陇东南型主要发生在6月下旬至8月中旬,其中6月下旬至7月上旬的极端暴雨中心在天水、陇南两地,而分散型主要出现在8月中下旬。由此可见,陇南的极端暴雨事件出现时间早于陇东。

1981—2018年,甘肃极端暴雨过程共发生29次,年平均接近1次,但实际上出现极端暴雨的年份只有18个,其中7个年份出现了2次,2个年份(1981年和2013年)出现了3次(表1)。从全局小波谱的时间变化(图5)看出,曲线存在3个较为明显的峰值,依次为2.5、5、10 a的时间尺度,其中最大峰值对应2.5 a的时间尺度,说明2.5 a左右的周期振荡最强,为甘肃极端暴雨出现频次的第一主周期;5 a和10 a的时间尺度分别对应第二、第三峰值,为极端暴雨出现频次的第二、第三主周期。可见,上述3个周期的波动控制着甘肃极端暴雨频次在时间阈内的变化特征。

白肇烨等^[23]指出,中国西北地区暴雨的大尺度环流形势主要依据副热带高压(简称“副高”)形势确定。因此,依据副高的位置,将西北地区暴雨主要的环流形势分为“副高西北侧西南气流型”和“副高西侧偏南气流型”两类。黄玉霞等^[24]利用聚类分析方法,将甘肃夏季暴雨日分为河东强河西弱型、甘岷山区型、陇南陇东型和全省型4类。可见,甘肃极端暴雨的发生与副高位置有关。

按照暴雨落区的4类分型,对比分析各自的环流形势,发现陇东型、陇东南型、陇南型及分散型的极端暴雨都与副高有关,只是副高位置的变化造成暴雨落区不同。整体来看,陇东型、陇东南型、陇南型的副高北脊点位置相当,均在33°N左右,而分散型副高位置更为偏北,位于35°N左右。陇东型,副高588 dagpm线位置最为偏西,其西脊点伸至108.5°E,584 dagpm线也最为偏北,呈东北—西南向位于甘肃兰州—白银一带,甘肃河东大部处于副高西北侧西南气流中,西南暖湿气流可将水汽向北输送至陇东地区,同时甘肃北部存在一高压脊,脊前偏北与偏南气流在陇东地区交汇。陇东南型,588 dagpm线位置最为偏东,东退至海上,相应584 dagpm线也最为偏南,呈东北—西南向位于川北及陕南一带,甘肃陇东南地区处于副高西北侧西南气流中,甘肃北部气流较为平直,偏北与偏南气流交汇较弱。陇南型,588、584 dagpm线位置均介于陇东型和陇东南型对应线之间,588 dagpm线西脊点位于112°E左右,584 dagpm线位于甘肃临夏—定西—庆阳一带,呈现一高原东移的小槽,陇南地区处于副高西北侧偏南气流边缘与槽后偏北气流的交汇区。分散型,588 dagpm线西脊点位于116°E左右,584 dagpm线位置最为偏北,位于甘肃武威—宁夏银川一带,甘肃河东处于副高西北侧偏南气流与高原弱波动的交汇区,同时南海有2~3个热带低压生成。刘新伟等^[21]指出,南海热带低压的存在一定程度上会加大降水的量级。南海上的热带低压,一方面阻止副高的东退,使得这种环流形势长时间维持;另一方面热带低压北侧的偏东气流与孟加拉湾的偏南气流一同向北输送,确保水汽供应充足。

综上可见,陇东型和陇东南型的500 hPa环流形势较为相似,陇南型和分散型的相对类似;不同的是,陇东型在37°N以北的经向度相对较大,甘肃大部位于高压脊的底部,其余3种分型的纬向度相对较大,甘肃河东均位于584 dagpm线短波槽前,而分散型还存在南海热带低压。

700 hPa相对湿度场(图略)显示,4种类型下甘肃河东地区的相对湿度均在70%以上,大部地区超过80%,且陇南型700 hPa相对湿度大值区范围最小且偏南,分散型相对湿度大值区范围最大,而陇东型和陇东南型大值区的范围相当。从700 hPa环流形势场(图7)看出,4种类型下偏南低空急流都很明显,风速均在8 m·s^-1以上,陇东型急流延伸的位置最为偏北,可达40°N;陇南型急流延伸的位置最为偏南,约36°N,而陇东南型和分散型延伸的位置相当,在38°N左右。4种分型的偏南气流均来自海上,陇东型一直可以追溯至台湾岛附近的东南气流,路程最远;陇东南型和陇南型类似,均为低纬地区的偏西气流在海南岛附近转为向北输送,但陇东南型的偏南气流更为强盛;由于热带低压的存在,分散型低纬地区的偏西气流在海南岛和台湾岛之间转向并向北输送。从降水形成机制来看,陇东型主要由高压脊底部的偏东气流与偏南暖湿气流交汇形成,落区较为偏北;其余3类则由高原短波槽与偏南暖湿气流交汇形成,同时伴随着锋前的暖区降水和锋后的锋面降水,即以对流性降水开始、以稳定性降水结束。需注意的是,分散型均发生在8月中下旬,降水时间相对较短,但降水强度较大。

(1)甘肃极端暴雨天气过程基本出现在河东地区的陇南、天水、平凉、庆阳一带,强降雨中心集中在陇南的康县、徽县。根据暴雨落区,甘肃极端暴雨可划分为陇东型、陇南型、陇东南型和分散型4类。

(2)甘肃极端暴雨天气主要出现在7—8月,8月中旬最多,陇南出现时间早于陇东,且具有明显的夜雨特征及对流性特征,陇南和陇东南暴雨的夜雨特征较陇东更为明显。

(3)近38 a来,甘肃极端暴雨具有2.5、5、10 a尺度的周期,其中2.5 a的周期振荡最明显。

(4)甘肃极端暴雨天气的落区与副高位置显著相关,陇东型还与北部高压脊底部的偏东气流有关,分散型还与南海的热带低压有关,陇南型和陇东南型还取决于高原短波槽的强度及位置。

甘肃极端暴雨过程虽然发生次数较少,但具有明显的对流性特征,降水时间集中,一次暴雨量与多年平均降水量之比大于我国东部和南部地区,甚至一次暴雨量可为多年平均降水量的3~4倍。这种对流性特征带来的隐患更大,今后的工作需进一步深入分析,以期提高认识,为甘肃灾害性暴雨的预报预警提供更为科学的依据。