短时强降水作为强对流天气的一种类型,常与雷暴大风、冰雹等天气同时出现,在地质环境脆弱的地区,容易诱发泥石流、山洪、滑坡等地质灾害^[1]。短时强降水往往由中小尺度天气系统造成,具有发展速度快,局地性强等特点,其降水落区、强度、量级的预报预警一直是预报的难点^[2,3,4]。甘肃省陇南市地处秦巴山区,境内沟壑纵横,地形复杂,是甘肃省降水最多、短时强降水最多的地区之一,每年因暴雨和短时强降水引发的暴洪、泥石流、滑坡等灾害给全市造成巨大的生命和财产损失,如2017年8月7日陇南市暴雨天气过程中,文县出现的短时强降水造成8人死亡^[5];2020年8月陇南市持续暴雨和短时强降水天气过程造成全市直接经济损失达221.08亿元^①(① 陇南市应急管理局. 陇南市应急管理局灾情信息第49期,2020.)。因此,有关陇南市短时强降水的预报预警研究对防灾减灾工作有重要意义。

近年来,很多气象工作者从气候特征、环流背景、对流参数特征、中尺度概念模型以及监测预警及指标等方面对短时强降水进行了深入研究。如DOSWELL等^[6]研究指出大多数短时强降水都是对流性强降水,预报时首先要理解产生强降水的物理机制所需的条件;俞小鼎^[7]指出短时强降水的预报预警要注重雨强和降水持续时间。有利的大尺度环流背景是产生短时强降水的重要原因^[2],在分析短时强降水的极端性时,加密自动气象观测站的数据更具有优越性^[8]。另外基于“配料法”的中尺度概念模型分类广泛用于我国强对流天气预报业务中^[9,10,11,12]。

西北地区强对流天气基本形势配置分为高空冷平流强迫、低层暖平流强迫、斜压锋生等3类,其中低层暖平流强迫类以短时强降水为主^[13];西北地区东部短时强降水分为低涡型、低槽型、两高切变型和西南气流型4类^[11]。针对甘肃省短时强降水的时空分布特征及短时强降水环境参数特征开展了很多研究,同时总结出不同区域短时强降水的水汽、能量、不稳定条件、特殊高度、雷达特征量等预警指标^{[14,15,16,17]}。

由于各地气候背景的独特性,因此短时强降水的时空分布、量级特征、形成机制以及环境参数等也有地域性,如我国中东部暖季不同量级的短时强降水所需的环境参数条件不同^[18]。甘肃省陇南市出现短时强降水较多,但利用区域气象站资料对该区域短时强降水的研究较少^[19,20]。因此本文利用国家气象站和区域气象站资料,对陇南市短时强降水时空分布特征、中尺度概念模型、环境参数以及短时强降水和暴雨的关系进行分析,以期为陇南市短时强降水预报预警服务提供参考依据。

利用甘肃省陇南市1960—2019年9个国家气象站和2008—2019年逐年建成的400个区域气象站(图1)4—9月的逐时降水数据,对陇南市短时强降水及暴雨时空分布特征进行分析,资料来源于甘肃省气象局信息中心和陇南市气象局。降水数据通过极值控制、时间连续性、内部一致性^[21]检查,并综合考虑数据完整性、代表性和时间长度等因素,确保数据可靠。利用2000—2019年NCEP FNL再分析资料(分辨率为1°×1°)和MICAPS资料,对2000—2019年陇南市短时强降水天气过程进行天气学环流形势和中尺度分析,建立陇南市短时强降水的中尺度环境条件配置概念模型。

文中附图涉及地图从MICAPS4地图数据中提取,MICAPS4地图数据为中国气象局从国家测绘地理信息局获得,审图号为GS(2019)3082,底图无修改。

按照降水量等级标准^[22],定义前一日20:00(北京时,下同)至当日20:00或当日08:00至次日08:00累计降水量大于等于50.0 mm为一次暴雨,其中把08:00至次日08:00和前一日20:00至当日20:00累计降水量为同一时段的暴雨只记作一次暴雨,24 h内1站次及以上国家气象站或10站次及以上区域气象站出现暴雨记为一次暴雨天气过程;雨强R≥20.0 mm·h^-1为一次短时强降水,24 h内2站次及以上国家气象站或10站次及以上区域气象站出现短时强降水记为一次短时强降水天气过程。

由于国家气象站和区域气象站建成年份不同,为充分利用资料并突出局地性,采用时间平均和区域平均法处理站点数据起止时间不一致以及站点数不一致的问题。时间平均是指某站短时强降水(暴雨)发生的总次数除以该站的时间序列(年)长度,记为该站短时强降水(暴雨)的发生频次,用于分析短时强降水(暴雨)的空间分布;区域平均是指某年短时强降水(暴雨)发生的总次数除以该年现有的总气象站点数,记为该年短时强降水(暴雨)的发生站次,用于分析短时强降水(暴雨)的年际变化。此外,统计分析20.0≤R<30.0 mm·h^-1、30.0≤R<50.0 mm·h^-1、R≥50.0 mm·h^-1三个等级短时强降水的旬月变化特征,并对陇南市短时强降水和暴雨之间的关系进行初步探讨。

经统计,1960—2019年陇南市409个气象站中有372个站点出现短时强降水,共出现2373站次。图2为1960—2019年4—9月甘肃陇南市短时强降水雨强极值分布。可以看出,陇南市短时强降水雨强极值介于20.2~102.3 mm·h^-1之间,主要集中在30.0~50.0 mm·h^-1,各县都有出现。短时强降水雨强极值在50.0 mm·h^-1以上的多发生在陇南市东部的成县、徽县和康县,100.0 mm·h^-1以上的只有1站次,发生在2011年7月3日康县店子乡。 短时强降水雨强极值的分布可为后期短时强降水量级预报提供一定参考。

图3为1960—2019年4—9月甘肃陇南市短时强降水和暴雨发生频次的空间分布。可以看出陇南市大部分地区短时强降水发生频次小于1次[图3(a)],整体上东南部多于西北部,存在2个相对集中区,一个是康县南部、武都南部和文县东南部,短时强降水发生频次均在2次以上;另一个是徽成盆地(徽县和成县低海拔地区),均在1.5次以上。武都区佛堂沟橄榄园区域站短时强降水发生频次最高,达3.2次;礼县、西和县、宕昌县短时强降水发生频次大于1.5次的地区较分散,说明短时强降水具有局地性。

陇南市暴雨自西北向东南有明显的梯度变化[图3(b)],暴雨主要集中在陇南市东部和南部,暴雨发生频次大于1次,9个国家气象站中文县站暴雨发生频次最少为0.1次,康县南部、武都南部以及文县东南部普遍大于1.5次,其中武都裕河镇暴雨发生频次最多,达3.5次,宕昌、礼县、西和以及武都、文县的部分地区暴雨发生频次不到0.5次,部分乡镇未出现过暴雨天气。可见,陇南市短时强降水和暴雨都是东南部偏多,高频区都集中在康县南部、武都南部和文县东南部,另外陇南市西北山地局部地区短时强降水频次也较高,说明陇南市短时强降水与暴雨的高频区域不完全一致。陇南市短时强降水分布与地形有重要联系,其中康县南部、武都南部和文县东南部、西北侧都为山脉,经四川盆地北上的偏南气流受山脉阻挡,在迎风坡受地形强迫抬升有利于降水产生;徽成盆地三面环山,特殊地形有利于冷空气与西南暖湿气流在此交汇,形成较强降水。

图4为1960—2019年4—9月甘肃陇南市短时强降水发生站次的年际变化。可以看出,1960年以来陇南市短时强降水发生站次有多个峰值,1966、1970、1977、1990、2013、2018年短时强降水较多,1989年和2004年未出现短时强降水。从线性趋势来看,陇南市短时强降水整体呈缓慢增加趋势,但2014—2016年短时强降水发生站次持续偏少,这与天气气候背景有一定联系。

图5为1960—2019年4—9月甘肃陇南市不同等级短时强降水发生站次的逐月和逐旬变化。可以看出,4—9月陇南市短时强降水发生站次呈单峰型,4月开始逐渐增加,到8月达到最大,9月急剧减少,其中8月短时强降水发生站次占总站次的37.5%,7月占29.8%,说明陇南短时强降水主要出现在7月和8月。这是由于从7月开始,西太平洋副热带高压(简称“副高”)逐渐北抬,副高西侧偏南暖湿气流与北方南下的冷空气在甘肃东南部交绥,伴有中小尺度天气系统的发生发展,所以该时段短时强降水显著增多。20.0≤R<30.0 mm·h^-1、30.0≤R<50.0 mm·h^-1、R≥50.0 mm·h^-1三个等级短时强降水发生站次的月际变化和短时强降水发生总站次的月际变化基本一致。另外4—9月20.0≤R<30.0 mm·h^-1的短时强降水发生站次最多,占短时强降水总站次的74.3%,R≥50.0 mm·h^-1的短时强降水发生站次最少,仅占3.3%。

1960—2019年4—9月甘肃陇南市短时强降水发生站次的逐旬变化呈双峰型,第一峰值出现在7月上旬,第二峰值出现在8月上旬,但7月下旬和8月中旬的短时强降水发生站次明显高于7月上旬的第一峰值,可见陇南市短时强降水主要集中在7月下旬、8月上旬和8月中旬,分别出现357、416和348站次,占总站次的47.2%。这3旬20.0≤R<30.0 mm·h^-1、30.0≤R<50.0 mm·h^-1、R≥50.0 mm·h^-1三个等级的短时强降水发生站次明显高于其他旬,其中8月中旬R≥50.0 mm·h^-1的短时强降水发生站次最多。这种变化与副高的位置有密切关系,7月上旬前,副高还未西伸北抬,短时强降水多由冷空气影响下的局地强对流天气形成。7月上旬,副高北跳至25°N,但西伸并不明显,陇南市处于副高外围偏南的暖湿气流控制中,使7月上旬短时强降水增加;7月下旬至8月上旬,副高再次北跳,陇南市受副高外围西南气流控制,西南暖湿气流为陇南市短时强降水的发生提供了良好的水汽和能量,在中高纬东移南下冷空气或低槽、低涡等有利的触发条件下更容易形成短时强降水。

图6为1960—2019年4—9月甘肃陇南市不同等级短时强降水发生站次的日变化。可以看出,陇南市短时强降水夜间明显多于白天,下午多于上午,前半夜多于后半夜,且呈现出多峰特征。短时强降水从15:00开始明显增加,集中出现在19:00—23:00,其中23:00出现站次最多(224站次),占总站次的9.4%,21:00次之(208站次)。其原因主要是午后到傍晚地面受太阳辐射加热作用,近地面层形成绝对不稳定状态,在有利的触发条件下形成对流性天气,如果水汽条件较好,很容易形成短时强降水。另外,韩宁等^[23]指出陕甘宁短时强降水夜间多发与特殊地形下的山风环流有重要关系,陇南市境内河流、盆地、山峦交错,在夜间很容易形成局地山风环流,低层暖湿空气抬升触发白天累积的不稳定能量释放,产生对流性降水,导致短时强降水增加,这也是陇南市短时强降水在夜间达到峰值的另一个重要原因。

暴雨与短时强降水既有联系又有区别,暴雨天气过程中大多会存在短时强降水,而短时强降水也往往会形成暴雨,在时间尺度上短时强降水侧重降水强度,暴雨则侧重累计降水^[24]。暴雨过程中不一定会出现短时强降水,但持续性或间歇性的短时强降水能形成暴雨甚至大暴雨,因为大多数暴雨往往是由天气尺度系统中若干中小尺度系统产生的^[25]。对2000—2019年4—9月陇南市暴雨天气过程(73次)和短时强降水天气过程(65次)出现的日期进行统计分析,发现39次短时强降水天气过程和暴雨天气过程是同一天,占总暴雨天气过程的53.4%,说明短时强降水对暴雨的贡献率达一半以上,剩余26次短时强降水过程则多为局地性分散的对流性短时强降水,降水累积量未达到暴雨,另外34次暴雨天气过程则为系统性降水,雨势平缓,对流性不强,降水时间持续较长,其间短时强降水出现站次较少,没达到本文短时强降水天气过程的标准。

利用NCEP FNL再分析资料和MICAPS资料对2000—2019年4—9月陇南市短时强降水天气过程进行天气学环流形势和中尺度分析,将陇南市65次短时强降水天气过程主要分为低涡切变型23次(占35.4%)、西北气流低槽型19次(占29.2%)、副高外围西南气流型17次(26.2%)3类,还有6次(占9.2%)为两高切变型、高压内部型等个例较少,不作具体分析及分型。另外低涡切变型中包括低涡和副高外围西南气流共同影响下的短时强降水天气过程,但副高外围西南气流型中不包括中低层存在低涡的短时强降水天气过程。图7为2000—2019年4—9月甘肃陇南市短时强降水中尺度概念模型。

低涡切变型短时强降水主要出现在7月和8月,其中8月居多。500 hPa多为高原槽(切变线)或西风带短波槽,槽后有弱冷空气,700 hPa和850 hPa甘肃河东有明显的低涡及切变线,有时500 hPa河套地区或甘肃河东也有低涡存在,槽后冷空气与中低层的西南暖湿空气交绥,形成较大范围的短时强降水,同时西南气流向陇南地区输送充足的水汽和能量[图7(a)]。从中尺度环境场配置来看,该类型短时强降水整层湿度条件较好,大气可降水量在30 mm以上,700 hPa比湿在10~12 g·kg^-1之间,有时可达14 g·kg^-1以上,850 hPa比湿在12 g·kg^-1以上,700 hPa和850 hPa有强烈的水汽通量辐合,水汽通量散度可达-2×10^-6 kg·hPa^-1·m^-2·s^-1,局地能达到-3×10^-6 kg·hPa^-1·m^-2·s^-1左右。CAPE值相对不大,在100~500 J·kg^-1之间。中低层涡度、垂直速度都较大,有强烈的辐合上升运动。该类型短时强降水出现在低涡、切变线右前侧,低层西南气流的左侧。

西北气流低槽东移型主要出现在5月和6月。500 hPa从内蒙古中部沿河套地区到甘肃南部有一低槽,700 hPa对应也有低槽或切变线,高度槽后有明显的温度槽,冷空气较强,多阵性对流性降水[图7(b)]。从中尺度环境场配置来看,低层水汽条件较好,700 hPa比湿在6~8 g·kg^-1之间,有时可达到10 g·kg^-1,整层大气可降水量在25 mm以上,700 hPa有较强的水汽辐合,水汽通量散度在-1×10^-6 kg·hPa^-1·m^-2·s^-1左右,CAPE值在100~1000 J·kg^-1之间,但700 hPa和300 hPa温度差(T_700-300)及假相当位温(θ_se)较大,同时抬升指数LI≤-1 ℃,有较强的不稳定能量及潜势,地面上有冷锋或地面辐合线。受低槽后较强冷平流影响,短时强降水主要在低槽(切变线)附近,沿着冷空气的移动自西北向东南移动,切变线附近常伴随雷暴和冰雹等强对流天气。

副高外围西南气流型主要出现在8月,该形势下500 hPa主要有副高存在,随着副高西伸北抬,沿副高外围(588 dagpm线或584 dagpm线)西南气流加强,同时高原槽或西风槽后有冷空气下滑,700 hPa和850 hPa有切变线和低空急流存在。在地面辐合线、切变线以及低空急流的共同作用下,形成短时强降水[图7(c)]。从中尺度环境场配置来看,副高外围西南气流型水汽和不稳定能量条件都很好,大气可降水量在30 mm以上,陇南市东南部达35 mm以上,700 hPa比湿在12 g·kg^-1以上,同时从四川到陇东沿副高外围有一条强烈的水汽通量辐合带,水汽通量散度达-2×10^-6 kg·hPa^-1·m^-2·s^-1。另外在副高外围西南气流输送的暖湿气流影响下CAPE值较大(1000 J·kg^-1以上),导致短时强降水的强度相对较强。该类型中短时强降水主要沿副高外围呈东北—西南向带状分布,短时强降水主要集中在陇南市的东南部。

(1)陇南市短时强降水发生频次东南部多于西北部,从西北向东南明显增加,短时强降水发生频次存在2个相对集中区,一个是康县南部、武都南部和文县东南部,另一个是徽成盆地;陇南市短时强降水雨强极值介于20.2~102.3 mm·h^-1,雨强大于50 mm·h^-1的短时强降水主要集中在陇南市东部的成县、徽县和康县。短时强降水与暴雨发生频次的空间分布都是东南部偏多,另外陇南市西北山地局部地区短时强降水频次也较多,这与陇南市特殊地形有关。

(2)陇南市年短时强降水的发生站次存在明显波动,整体呈增加趋势。月际变化呈单峰型,8月最大,占总站次的37.5%,7月次之,占29.8%。20.0≤R<30.0 mm·h^-1、30.0≤R<50.0 mm·h^-1、R≥50.0 mm·h^-1三个等级短时强降水发生站次的月际变化和短时强降水发生总站次的月际变化基本一致。短时强降水发生站次的旬变化呈双峰型,分别出现在7月上旬和8月上旬,7月下旬至8月中旬短时强降水发生站次最多,占47.2%。这种变化与副高北跳和西伸的时间、位置有关。陇南市夜间短时强降水发生站次明显多于白天,且有多个峰值。短时强降水从午后开始明显增加,主要集中在19:00—23:00,且23:00最多,占总站次的9.4%。这种日变化特征与午后至傍晚地面受太阳辐射加热和夜间特殊地形下局地山风环流形成对流性降水有关。

(3)短时强降水和暴雨天气过程有重要联系,对比2000—2019年陇南市暴雨(73次)和短时强降水(65次)天气过程,其中39次发生在同一天,短时强降水对暴雨的贡献率达53.4%。

(4)从环流形势和中尺度物理量特征入手,建立了低涡切变型、西北气流低槽东移型、副高外围西南气流型三类中尺度概念模型,其中低涡切变型短时强降水出现在低涡、切变线右前侧,低层西南气流的左侧;西北气流低槽东移型主要受低槽后较强冷平流影响,短时强降水主要在低槽、切变线附近;副高外围西南气流型短时强降水沿副高外围呈东北—西南向带状分布。