贺兰山东麓位于青藏高原东北部边坡地带，是西北地区暴雨高发区之一。在气候变暖的大背景下，近年来该区域极端降水事件频发，多次突破历史极值，并引发严重的山洪、泥石流等次生灾害，造成重大人员伤亡和经济损失（Chen et al.，2021；李晓虹等，2021）。以往研究表明，该地区暴雨多数由西风槽引导冷空气南下，与副热带高压暖湿空气交汇形成锋面，从而触发降水（陶诗言，1980；寿绍文，2019）。近年来，宁夏地区弱冷空气活动增多，且与地形因素密切相关（杨侃等，2020）。冷空气参与的程度不同，导致暴雨性质、对流系统触发机制不同，进而影响降水特征及其造成的灾害（陈豫英等，2021）。在实际业务预报中，部分暴雨过程对流层低层无明显锋面或冷暖系统对峙，这类暴雨较难识别和预测。该类暴雨可分为两种，一种是当南下冷空气较弱，仅中高层冷空气侵入时，大气层结稳定度降低，从而触发对流性暴雨（梁钰等，2010；陈鹏等，2017）；另一种是暴雨发生在锋面前方的暖区，甚至无锋面或切变，仅依赖西南气流输送水汽（陈涛等，2020；王孝慈等，2021），与华南暖区型暴雨具有一定相似性（黄士松，1986；张晓惠和倪允琪，2009；沈晓玲等，2022）。

当前针对贺兰山东麓暴雨的研究主要集中在个例分析（陈豫英等，2018；张晓茹等，2022）、天气系统与暴雨的关系（曹怡清等，2022；李超等，2022；苏洋等，2023）、数值模拟（杨侃等，2020；曹怡清等，2022）、中尺度分型特征与形成机理（陈豫英等，2021）、暴雨智能分型（邵建等，2018）等，相关研究成果在该地区暴雨预报和防灾减灾中发挥了重大作用。已有研究表明，2006—2016年，该地区共发生6次区域性暴雨事件，而2016年以后，暴雨频次明显增多（苏洋等，2023）。一方面是由于气候变化大背景，另一方面也与贺兰山东麓自动气象站布设密度的加大有关。地面加密自动站具有空间分布密集，观测频率高的优点，是预报员在灾害性天气预报预警中应用的最重要资料来源之一。目前的暴雨研究，多限于将地面加密自动站资料应用于某一次天气过程的个例分析中（王璐璐等，2023），缺乏对其系统性的研究。

本研究从业务预报角度出发，基于地面加密自动气象站观测数据，结合高时空分辨率ERA5再分析资料，以宁夏贺兰山东麓2016—2021年的暴雨个例为研究对象，利用合成分析方法，研究不同冷空气强度下暴雨的降水特征、环流特征及气象要素演变规律，并进一步分析小时级温度、气压、相对湿度、露点温度、风速及其变幅特征，以及不同下垫面条件下的表现异同，在此基础上建立分类预警指标，以期提高短期至短临时段暴雨预报的准确率和提前量，为干旱区洪涝灾害防灾减灾提供气象支持，并助力沿黄经济带的可持续发展。

使用欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasting，ECMWF）和Copernicus实验室共同提供的2016—2021年ERA5再分析资料，包括高度场、风场、温度场、比湿、相对湿度等，时间分辨率为1 h，水平分辨率为0.25°×0.25°，垂直17层；地面观测资料为宁夏气象信息中心提供的宁夏贺兰山东麓12个国家观测站和500个区域自动站同期逐小时地面观测气象要素，包括气温、气压、相对湿度、风速及降水量，数据经过严格质量控制，两要素（气温、降水）地面气象站没有的观测要素，利用格点实况数据插值补齐；地形使用中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云网站下载的ASTER GDEM 30 m分辨率地形高程数据。文中时间均为北京时。

西北地区的暴雨通常由西太平洋副热带高压（简称“副高”）带来的暖湿气流与西风槽引导的冷空气南下交汇触发（《西北暴雨》编写组，1992）。贺兰山东麓暴雨可分为锋面暴雨、暖区暴雨及中高纬弱冷空气入侵引发的暴雨（陈豫英等，2021），在此基础上，依据冷空气强度，将2016—2021年贺兰山东麓17次暴雨过程分为3类：1）冷暖交汇型：地面有锋面活动，锋后地面高压中心强度为1 004~1 015 hPa，24 h变压为4~10 hPa；2）暖区型：发生在距地面锋面200~300 km的暖区一侧，或发生在偏南风汇合气流中（包括风向或风速的辐合），850 hPa或700 hPa高度降水区域200 km范围内无明显冷性系统影响；3）弱冷空气入侵型：低层难以识别出明显的锋面或冷暖系统对峙，高空有冷平流侵入，500 hPa冷平流强度范围为-20×10^-5~-6×10^-5 K·s^-1。依据以上标准，17次暴雨中共有冷暖交汇型暴雨7次、暖区型暴雨6次、弱冷空气入侵型暴雨4次。

根据《暴雨灾害等级：GB/T 33680—2017》（全国气候与气候变化标准化技术委员会，2017）及宁夏地区实际情况，本文使用24 h累计降雨量（R₂₄）划分暴雨等级：50 mm≤R₂₄<100 mm为暴雨、100 mm≤R₂₄<200 mm为大暴雨、R₂₄≥200 mm为特大暴雨。此外，对短时强降水进行统计，按照业务上的常用标准，短时强降水一般定义为小时雨量R₁≥20 mm，当R₁≥50 mm时定义为极端短时强降水（俞小鼎，2013），考虑研究区域实际情况，在两者之间再以30 mm为界限划分出小时雨量20 mm≤R₁<30 mm和30 mm≤R₁<50 mm两个区间进行统计。并定义以下文中使用的专业术语：平均持续时间为某一类型暴雨降水持续时间平均值；平均雨量为某一类型暴雨各测站累计雨量的平均值；平均测站数为暴雨过程中，累计雨量或雨强达到特定等级的站点数平均值；最大累计雨量为某一类型暴雨的最大累计降水量；最大雨强为某一类型暴雨的雨强最大值。

表1统计了不同类型暴雨的降水特征。冷暖交汇型暴雨发生次数最多，平均雨量最大（19 mm），且暴雨站数（26.4个）最多，但大暴雨站数（0.7个）、短时强降水站数（28.9个）、最大累计雨量（119.1 mm）均最小，表明其降水范围较广，但降水强度相对较弱；暴雨落区较为分散，涵盖山区至平原，频次大于等于3次的站点有6个，大于等于2次的站点23个，主要分布在贺兰山东坡中段山洪沟口附近及银川平原[图1（a）]；短时强降水站次主要集中在下午，其次是后半夜，雨强为20~30 mm·h^-1[图2（b）]，降水效率较低，局地性与极端性相对较弱。

暖区型暴雨平均持续时间最长（18.0 h），这主要因为其中3次过程在主降水时段结束后，紧接着发生锋面降水，使得降水持续时间增加。该类暴雨平均雨量最小（12.1 mm），暴雨站数最少（20.7个），但大暴雨（3.0个）、特大暴雨（0.8个）站数及短时强降水站数（39.2个）均最多。值得注意的是，该地区有观测记录以来仅有的2次特大暴雨过程均为暖区型暴雨。此外，最大累计雨量（277.6 mm）和最大雨强（84.5 mm·h^-1）明显大于其他两类暴雨。暖区型暴雨主要沿贺兰山脉分布[图1（b）]，发生频次大于等于3次的站点有5个，大于等于2次的站点有26个，主要集中在贺兰山东坡最高峰附近山洪沟口及山脉最北段沿山地带；暴雨中心通常位于山前迎风坡，尤其是喇叭口地形周围，而特大暴雨中心则位于最高峰附近山洪沟口[图2（a）]；暖区型暴雨的降水效率最高，短时强降水集中于前半夜（占80.2%），雨强在50 mm·h^-1以上的短时强降水有53.6%为暖区型暴雨[图2（b）]。

弱冷空气入侵型暴雨平均持续时间最短（14.0 h），平均雨量（12.9 mm）、暴雨站数（23.0个）、大暴雨站数（1.3个）、短时强降水站数（36.5个）、最大累计雨量（136.2 mm）介于其他2类暴雨之间，最大雨强（54.5 mm·h^-1）最小；该类暴雨有2个集中落区[图1（c）]，一是贺兰山北段东坡沿山地带及其东侧银川平原，此区域易受西北或西路冷空气越山后叠加低层暖湿空气的影响，从而加剧层结不稳定性；二是贺兰山南侧地势平缓地区，西北干冷气流绕流进入宁夏后与偏南暖湿气流相遇在此区域，形成气旋式辐合，有利于暴雨发生，暴雨发生频次为2的站点主要集中在此。该类暴雨的短时强降水集中在后半夜，其中一半的短时强降水雨强超过30 mm·h^-1。

基于ERA5再分析资料对3类暴雨降水开始前1 h的环流场进行合成分析（图3、图4）。冷暖交汇型暴雨200 hPa西风槽环流经向度最大（约15°），从新疆延伸至河西；急流轴中心风速接近50.0 m·s^-1，位于内蒙西部至蒙古国一带，其南边界距宁夏不到2个纬距。研究区位于高空槽前及西风急流入口区右侧，天气尺度动力抬升作用强，散度达3×10^-8 s^-1；500 hPa，欧亚中高纬环流呈“一槽一脊”，西北地区处于“东高西低”的降水有利形势，高空槽位于河西地区，南北跨度接近10个纬距，研究区受槽前偏南气流控制，有利于暖湿空气输送；584 dagpm线穿过宁夏北部，副高西脊点位于112°E附近、北界位于31°N附近，冷暖空气交汇产生暴雨。低层700 hPa在内蒙古东部—甘肃中南部存在辐合带（或切变系统），蒙古国中部偏北气流、新疆西北气流南下，冷空气以北方和西北方路径影响西北地区，冷暖交汇主要发生在辐合带附近或偏南区域；850 hPa副高外围东南气流与西北干冷空气在河套地区西侧交汇，宁夏西北部形成气旋式涡旋及辐合切变线，由于南下冷空气影响，偏南气流被阻断，导致低层南风最弱（风速<10.0 m·s^-1），宁夏水汽通量（小于8×10⁵ g·hPa·cm^-1·s^-1）最小，但相对湿度大于80%，受南风水汽输送及冷空气冷凝作用共同影响，高湿区范围较大。

暖区型暴雨200 hPa西风急流东西跨度最长，急流轴位于（46°N，110°E）附近，中心风速为40.0~46.0 m·s^-1，但距离宁夏较远（约5个纬距）；南亚高压中心位于90°E—100°E，为东部型南亚高压，有利于副高西伸北抬，向西北地区输送暖湿气流；对流层高层散度最弱（0.7×10^-8 s^-1）；500 hPa中纬度以平直西风气流为主，短波槽位于北疆地区，对宁夏影响不大；副高最强，西脊点位于107°E，脊线位于35°N，宁夏受其西北侧西南暖湿气流影响；700 hPa偏南风、850 hPa东南风风速最强（中心风速>12.0 m·s^-1），且偏东分量最明显，东南气流与贺兰山山脉走向近乎垂直，抬升作用明显；宁夏范围内水汽通量（大于12×10⁵ g·hPa·cm^-1·s^-1）最强，高湿区（相对湿度大于80%）范围广，但呈分散块状。

弱冷空气入侵型暴雨200 hPa急流区主体位于110°E以西，轴线位于41°N，中心风速为35.0~40.0 m·s^-1；宁夏处于南亚高压东北边缘气流发散区，高层散度为1.6×10^-8 s^-1，辐散条件弱于冷暖交汇型；500 hPa欧亚环流呈“两槽两脊”型，槽脊强度相当，稳定少动，西伯利亚冷涡位于俄罗斯中部，不断旋转引发冷空气南下，在宁夏西侧形成短波槽；副高主体偏东，西脊点位于120°E、脊线位于30°N，南海地区有热带低值系统发展，由于热带低值系统活跃、副高东退，其水汽来源主要依靠热带系统外围气流将南海或东海水汽向北输送，低层100°E以东无明显冷空气影响，宁夏水汽通量较强（大于8×10⁵ g·hPa·cm^-1·s^-1），850 hPa风速（大于10.0 m·s^-1）及东风分量介于冷暖交汇型暴雨和暖区型暴雨之间。

基于17次暴雨过程中所有暴雨站点的观测数据，以各站点降水开始时刻（T0，R₁>0 mm）和降水最强时刻（T1，雨强最大），分别计算1 h变温、露点温度、风速及3 h变压的变化特征（图略），结果表明，在降水开始时刻各气象要素的变化最显著，而降水最强时刻要素变化较小，因此，后续分析以降水开始时刻为研究时段（图5），进一步统计不同暴雨类型的气象要素变化规律。

冷暖交汇型暴雨气温1 h变幅（第25个百分位数到第75个百分位数，下同）为-4.1~2.6 ℃，中位数-1.8 ℃，均值-0.8 ℃；露点温度1 h变幅为-0.9~1.7 ℃、中位数0.4 ℃，均值0.3 ℃；3 h变压为-0.8~1.1 hPa，中位数0.3 hPa，均值0.1 hPa；1 h风速变幅为-0.8~1.1 m·s^-1，中位数0.1 m·s^-1，均值0.2 m·s^-1。

暖区型暴雨气温1 h变幅为-1.4~0 ℃，中位数和均值均为-0.6 ℃；露点温度1 h变幅为-0.5~0.5 ℃，中位数0 ℃，均值-0.1 ℃；3 h变压为-0.8~1.0 hPa，中位数0.4 hPa，均值0.2 hPa；1 h风速变幅为-0.3~0.9 m·s^-1，中位数0.3 m·s^-1，均值0.4 m·s^-1。

弱冷空气入侵型暴雨气温1 h变幅为-4.0~2.0 ℃，中位数-1.6 ℃，均值-1.4 ℃；露点温度1 h变幅为-0.9~2.6 ℃，中位数0.1 ℃，均值-0.2 ℃；3 h变压为-0.8~1.7 hPa，中位数0.4 hPa，均值0.3 hPa；1 h风速变幅为-0.7~1.0 m·s^-1，中位数0.1 m·s^-1，均值0.3 m·s^-1。

整体来看，气温、气压及风速的变化趋势较为一致，主要表现为降温、升压和风速增大，各要素变化的程度有所不同，同一要素在不同类型暴雨过程中的变幅也有所不同。就不同要素而言，气温变化最明显，其中又以冷暖交汇型暴雨变幅最大，暖区型暴雨变幅最小；气压和风速变化的幅度相对较弱，不同类型暴雨之间差异不大。露点温度则各有差异，其中冷暖交汇型暴雨中，露点温度升高，而其他两类暴雨中露点温度下降。

由以上分析可见，仅分析降水开始时刻1 h或3 h的气象要素变化，不足以辨清各要素变化规律，因此将研究时段进一步延伸，在关注要素变幅的同时也对气象要素的值进行对比分析。

基于各暴雨站点降水开始前后5 h内的气象要素变化（图6）统计分析，结合地形因素，将站点分为山区、沿山、平原3类，进一步分析地形对不同暴雨气象要素变化的影响。

冷暖交汇型暴雨的气温始终低于其他两类暴雨，且自降水前4 h起持续下降，累计降幅为2.0~3.0 ℃，降水前1 h降温最明显（1.5~2.0 ℃）；降水开始后，降温幅度明显放缓（5 h内降温约0.8 ℃）。地面风速在降水前为3类暴雨中最大（3.2~4.0 m·s^-1），整体呈先降后升趋势，其中山区风速增大最早，沿山和平原地区相对滞后，可能与锋面过境时间有关。降水前1 h相对湿度从60%~70%迅速上升至80%，1 h增湿10%~20%，降水过程中持续升高并最终维持在90%以上。露点温度变化幅度较小，降水前缓慢升高，至降水后1 h达到极值（14.0~16.0 ℃），随后下降，累计降幅0.7 ℃。

暖区型暴雨降温幅度最小，降水前1 h降温约1.0 ℃。降水开始后，沿山和山区气温继续小幅下降，而平原地区在降水1 h后反而回升，4 h升温约1.0 ℃。地面风速在降水前为3类暴雨中最小（1.5~3.0 m·s^-1），降水前2 h开始明显增大，并在降水持续3 h后达到峰值（2.5~4.5 m·s^-1）。由于暖区型暴雨发生在高温高湿环境中，暴雨前地面相对湿度最高（66%~77%），并缓慢上升至降水开始时的86%~91%，增长趋势均匀平稳。露点温度在降水前升高（累计增幅1.0 ℃），降水前1 h达到最大（18.5~20.3 ℃）；降水后，山区和沿山露点温度下降，而平原地区露点温度仍持续上升，降水3 h后，平原地区露点温度超过其他区域，达到最大值，与气温不降反升的趋势一致。大尺度环流分析表明，暖区型暴雨发生前东南暖湿气流最强，受贺兰山地形阻挡，暖湿空气在山前积聚，由于降水区低层无明显冷空气活动，且偏南暖湿气流持续输送，平原地区的气温和露点温度在降水过程中不降反升，这一特征与以往研究（陈豫英等，2021）中暖区暴雨的对流系统往往沿山脉生成，随后向平原地区移动发展的的趋势一致。

弱冷空气入侵型暴雨的降温过程相对滞后，降水前2~3 h才表现出降温趋势，累计降幅2.5~3.5 ℃，其中降水前1 h降温约1.5 ℃，降水开始后气温变化趋于平缓。降水前风速为2.5~4.5 m·s^-1，降水开始后逐渐减小至2.0 m·s^-1左右。相对湿度在降水前介于其他两类暴雨之间（55%~67%），降水发生后迅速升至90%，前1 h增湿幅度最大（12%左右）。露点温度变化与其他2类暴雨类似，表现为降水前升高、降水后下降，上升幅度1.0~3.5 ℃，在降水前1~2 h达到峰值（18.9~21.3 ℃），随后2 h内迅速下降。

整体来看，各类暴雨的气温变化趋势基本一致，即降水前逐渐下降，降水前1 h降温最显著，降水后趋于稳定或小幅下降，但降温开始的时次及降幅有所不同。相对湿度在降水前持续升高，暖区型暴雨前期湿度最高，增长趋势平缓，其他2类暴雨在降水前1 h增湿最明显，降水期间均维持较高水平。露点温度均表现为降水前升高，在降水开始前1 h至降水后2 h达到最大，随后下降。不同暴雨类型的风速变化差异较大，降水前，冷暖交汇型暴雨风速减小，暖区型暴雨风速增大，弱冷空气入侵型暴雨风速变化不明显；降水开始后，冷暖交汇型和暖区型暴雨风速明显增大，而弱冷空气入侵型暴雨风速减小。

利用“统计分析+箱线图法”（邵建等，2024），结合前述分析，对3类暴雨的地面气象要素变幅特征进行指标分析，该方法首先通过统计分析法确定初始箱线图的绘制范围，随后利用箱线图法进行变比例箱线图绘制，提取概率≥80%的概率区间，并在此区间内统计分析关键指标（表2）。

从表2可见，不同类型暴雨的地面气象要素变幅指标存在差异。其中，冷暖交汇型暴雨因前期冷暖空气交汇，风速变化缺乏明显特征，因此未能获得相关参考指标。

按照中国气象局精细化预报评分检验办法，利用17次暴雨过程对表2总结指标进行检验，每个达到暴雨标准的站点均提取降水前后5 h的气象数据进行对比，计算空报率、漏报率和暴雨预报TS评分，以及各指标的达标率（表3）。从表3可看出，不同指标对不同类型暴雨的预报能力不同，暖区型暴雨预报效果最好，TS评分48.65%，空报率40.32%，漏报率27.53%；冷暖交汇型暴雨次之，TS评分45.98%；弱冷空气侵入型暴雨预报效果最差。从达标率看，变湿、变压、露点温度指标表现较好，达标率多在50.00%以上，部分超过55.00%，可用于暴雨监测预警以提高提前量。而变温（达标率不到50.00%）和变风（达标率约30.00%）指标的判别能力较弱，后续研究需寻找更明显的判别指标。

本研究基于2016—2021年贺兰山东麓17次暴雨过程，按冷空气强度将其分为3类。采用合成分析方法，系统对比了降水分布、环流特征及气象要素演变规律，得到以下主要结论。

（1）冷暖交汇型暴雨高空槽宽广，高层辐散最强，低层高湿区范围大，但偏南风及水汽输送较弱；降雨范围最广、平均雨量大，但降水效率低，短时强降水雨强最小。暖区型暴雨高层辐散最弱，但低层水汽输送最强，低空偏（东）南风风速最大；降水效率高，局地性和极端性强，夜雨特征明显。弱冷空气入侵型暴雨降水特征及天气形势介于前两者之间，低层暖湿条件较冷暖交汇型更强，在高层冷空气触发下，降水量级和对流性往往强于冷暖交汇型。

（2）降水开始时，气温、气压和风速的变化趋势较为一致，气温普遍下降，其中冷暖交汇型气温降幅最大，暖区型降幅最小。气压升高、风速增大，但各类暴雨间的风速增幅差异不大。露点温度变化各有不同，冷暖交汇型暴雨前1 h露点温度上升，其他两类暴雨则略有下降。

（3）降水开始前后5 h内，气温和相对湿度变化趋势较一致，降水前气温下降、湿度上升，降水前1 h变化最显著，降水开始后气温和湿度趋于稳定。不同类型暴雨的降温时间和幅度不同，相对湿度的增长速率也存在差异。露点温度在降水前升高，降水前1 h至降水后2 h达到极大值，随后下降。风速变化存在差异，降水前，冷暖交汇型暴雨风速减小，暖区型风速增大，弱冷空气入侵型风速变化不明显；降水后，冷暖交汇型和暖区型风速明显增大，而弱冷空气入侵型风速减弱。

（4）不同类型暴雨的前置判别指标不同，判别时效亦有差异。暖区型暴雨的TS评分最高（48.65%），冷暖交汇型（45.98%）次之，弱冷空气侵入型（41.37%）最低；变湿、变压、露点温度指标达标率较高（多在50.00%以上），其中部分超过55.00%，可用于提高暴雨监测预警能力；变温（达标率不足50.00%）和变风（达标率约30.00%）指标预报能力较弱，仍需优化。

本研究利用合成分析方法，系统对比了不同冷空气强度下贺兰山东麓暴雨的降水分布、环流形势和地面气象要素演变特征。限于篇幅，仅对暴雨开始前后一定时间段内的气象要素从小时尺度上进行了统计分析研究，此外合成分析方法虽然有助于发现气象要素变化规律的共性，但也会导致精细化特征被掩盖。后续将进一步补充暴雨个例，利用最新高分辨率地面加密自动站资料，从不同时间尺度出发，尤其是在分钟级尺度上，将气象要素与中尺度系统生消演变相结合，深入研究贺兰山东麓暴雨发生前后气象要素精细化演变特征。