甘肃省暖季小时降水变化特征.pdf

近年来，气候变暖使得强降水事件趋于增多1，因强降水引发的气象灾害造成的经济损失和社会影响越来越大，气象灾害的社会敏感性越来越高。降水受季风、地形等诸多条件影响，具有明显的区域性和时空分布2，降水区域变化特征得到了国内外众多学者的关注，并开展了大量研究。姚莉等3研究指出我国南部沿海地区夏季雨强频数最多，春季是安徽南部与江西地区，秋季是海南岛和云南南部。熊明明等4研究表明天津地区降水小时数及小时平均降水强度空间差异明显。杨萍等5研究指出北京地区降水季节和日分布不均。董旭光等6研究表明山东汛期小时降水存在区域空间差异及明显的日变化。方德贤等7研究表明重庆地区年降水量呈西低东高分布，存在一定季节差异，夏季西部降水增强明显。侯淑梅等8基于加密观测资料分析指出山东省鲁东南地区的极端短时强降水强度、日最大降水量及夏季降水量、年降水量均为全省最大。杨霞等9指出伊犁河谷四季均以短历时降水为主，春、夏和冬季累计降水量日变化呈单峰型，秋季呈双峰型。刘佩廷等10分析得出华中地区极端小时降水频次日变化特征较为明显，存在明显的区域差异。甘肃省地形呈狭长状，地处黄土高原、青藏高原和内蒙古高原交汇地带，境内地貌复杂多样，气候类型从东南向西北包括了半湿润区、半干旱区和干旱区11，生态系统脆弱。强降水引发的山洪、山体滑坡、泥石流等地质灾害，给人民生命财产安全带来巨大影响。甘肃省短时强降水空间分布不均匀，年变化和日变化明显12-14，强降水分布与东亚夏季风和竖切变线关系密切15-16。受观测资料限制，过去甘肃省强降水研究主要集中在气候或单一强降水个例的分析17-21。多是利用区域自动站资料，对甘肃省加密气象站小时降水量气候特征的研究较少。本文基于加密站小时降水甘肃省暖季小时降水变化特征黄武斌1，王研峰2*，刘娜1，段伯隆1，郭润霞1，王一丞1（1.兰州中心气象台，甘肃兰州 730020；2.甘肃省人工影响天气办公室，甘肃兰州 730020）摘要：利用 20132019 年暖季（49 月）小时降水资料，分析了甘肃省强降水极值及频率的时空分布特征。结果表明：（1）甘肃省小时强降水频次呈东高西低分布，在陇南地区东南部及陇东地区北部有 2 个高中心，达到 29 次。（2）小时强降水极值在陇中及其以南地区高，向西北递减，陇南地区降水极值最高，超过 40 mm/h。（3）小时强降水频次主要出现在 78 月，同期的雨强也最大；小时强降水频次和小时雨强均在 1724 时最强，峰值在 21 时。（4）不同区域的降水日内变化存在明显差异，河西地区小时降水频次的峰值出现在 18 时，陇中和陇南地区均出现在 21 时，陇东地区和甘南高原分别出现在 22 和 19 时。关键词：暖季；小时降水；时空分布；甘肃省中图分类号：P426.623文献标识码：A文章编号：1002-0799（2023）04-0095-06收稿日期：2022-04-06；修回日期：2022-12-21基金项目：甘肃省自然科学基金项目（20YF3FA012）；甘肃省青年科技 基 金 计 划（21JR7RA703）；甘 肃 省 自 然 科 学 基 金 项 目（21JR7RA710）；甘肃省气象局人才专项（2122rczx-青年优秀科技人才-05）；甘肃省气象局面上项目（ZcMs2022-31）；西北区域人工影响天气能力建设项目研究试验项目（ZQC-R18208）；甘肃省气象局创新团队项目（GSQXCXTD-2020-01）作者简介：黄武斌（1990），男，工程师，主要从事天气预报研究。E-mail：hwb0707 通信作者：王研峰（1986），男，高级工程师，主要从事大气物理和大气遥感研究。E-mail：wangyanfeng_1986 黄武斌，王研峰，刘娜，等.甘肃省暖季小时降水变化特征J.沙漠与绿洲气象，2023，17（4）：95-100.doi：10.12057/j.issn.1002-0799.2023.04.013开放科学（资源服务）标识码（OSID）：沙 漠 与 绿 洲 气 象Desert and Oasis Meteorology研究论文第 17 卷 第 4 期2023 年 8 月95研究论文研究论文沙 漠 与 绿 洲 气 象Desert and Oasis Meteorology第 17 卷 第 4 期2023 年 8 月资料对 20132019 年甘肃省暖季小时降水（平均降水量、强降水极值及频率）时空分布特征进行分析，揭示精细降水结构及分布特征，为进一步改进数值模式中与降水相关的参数化方案、机理研究提供参考。1资料来源和方法介绍1.1资料介绍采用甘肃省气象信息与技术装备保障中心提供和经过质量控制的 20132019 年 49 月 1 678 个地面加密降水观测站点逐时降水数据（图 1）。图 1甘肃省气象站点分布（红色三角形为国家气象站，黑色点为加密气象站）1.2方法降水资料统计方法和定义7，22为：（1）小时降水量0.1 mm 为降水事件；（2）统计时段内平均降水量（简称 PA），为总降水量/总时次，用于描述单位时间内降水的多少；（3）统计时段内降水频率（简称 PF），为降水的时次伊100%/总时次；（4）统计时段内降水强度（简称 PI），为总降水量/总的降水时次，即降水强度=降水量/降水频次，用于描述实际有降水发生时降水的平均强度；（5）区域内最大小时降水量为小时降水极值；（6）区域内站点在统计时段内出现小时降水量逸20 mm 的小时强降水次数为小时强降水频次。甘肃省地形呈狭长状，气候差异大，地貌形态复杂，不同地区降水区域差异明显，因此本文参考 甘肃气候23中区域的划分，将甘肃省划分为 5 个区域，为河西（酒泉市、嘉峪关市、张掖市、金昌市、武威市）、陇中（白银市、兰州市、临夏州、定西市）、陇南（陇南市和天水市）、陇东（平凉市和庆阳市）及甘南高原（甘南州）地区（图 2）。2结果与分析2.1降水分布特征2.1.1降水空间月分布特征图 3 为甘肃省 20132019 年暖季逐月平均降水量、降水频率和降水强度空间分布。从平均降水量月空间分布（图 3a、3d、3g、3j、3m、3p）可知，平均降水量 5 月开始明显增大，7 月最大，大值区主要分布在陇中、陇南、陇东及甘南高原地区，陇南地区东南部的徽县跃0.26 mm/h，为大值中心，8 月开始减少。从降水频率月空间分布（图 3b、3e、3h、3k、3n、3q）可以看出，降水频率分布特征与平均降水量相似。5 月陇南、陇中和甘南南部地区降水频率增加。67 月河西地区的祁连山区域、甘南高原、陇中地区、陇南地区东南部较高，陇南地区东南部的徽县最高，为 22%。8 月陇中地区和陇南地区的降水频率减小。9 月降水频率最高，祁连山地区及河东地区，甘南高原的玛曲和陇南地区东南部最高，跃24%。从降水强度月空间分布（图 3c、3f、3i、3l、3o、3r）可知，6 月陇南地区东南部降水强度跃1.3 mm/h。78 月陇南地区东南部和陇东地区降水强度明显增大，降水强度跃1.6 mm/h。甘肃省逐月降水强度与平均降水量和降水频率空间分布特征存在较大差异，究其原因，45 月影响甘肃省的东亚大槽东移减弱，西风带槽脊尺度和强度减小，副热带高压北移23，降水量增加。68 月副热带高压西北侧形成暖湿气流输送带，导致甘肃省大范围降水。同时西风带低槽或低涡移动，在系统性上升运动和不稳定能量释放共同作用下，甘肃省东部地区降水强度明显高于其他地区。9 月东亚大槽增强西移，副热带高压减弱南撤，甘肃省南部地区进入秋雨期，降水频率高，但强度不大。2.1.2降水月变化特征分析甘肃全省以及河西、陇中、陇南、陇东和甘南高原 5 个区域的暖季逐月降水变化特征，结果显示，平均降水量全省及各区域均呈单峰型分布，7 月图 2甘肃省区域分布96最大，4 月最小。降水频率河西地区呈单峰型分布，峰值出现在 7 月，其余地区均呈双峰型分布，峰值出现在 7 和 9 月。8 月为降水频率低值期，其原因为 8月副热带高压北抬至河东地区，易出现连晴高温天气。降水强度呈单峰型分布，峰值主要出现在 78月，与 78 月对流性降水有关，其中全省、陇南及陇东地区峰值出现在 7 月，河西、陇中和甘南地区峰值出现在 8 月。图 3甘肃省 20132019 年 49 月平均降水量 PA（a、d、g、j、m、p，单位：mm/h）、降水频率PF（b、e、h、k、n、q，单位：%）和降水强度 PI（c、f、i、l、o、r，单位：mm/h）空间分布（a、b、c 为 4 月，d、e、f 为 5 月，g、h、i 为 6 月，j、k、l 为 7 月，m、n、o 为 8 月，p、q、r 为 9 月）黄武斌等：甘肃省暖季小时降水变化特征97研究论文研究论文沙 漠 与 绿 洲 气 象Desert and Oasis Meteorology第 17 卷 第 4 期2023 年 8 月图 4甘肃省 20132019 年各区域平均降水量PA（a）、降水频率 PF（b）和降水强度PI（c）的日变化2.1.3降水日变化特征由甘肃全省以及河西、陇中、陇南、陇东和甘南高原 5 个区域暖季降水日变化特征（图 4）可知，河西地区平均降水量、降水频率、降水强度日变化特征不明显且最小。平均降水量陇东地区日变化呈双峰型分布，峰值主要集中在 17 和 24 时；全省及其余地区呈单峰型分布，峰值均出现在 2022 时，甘南地区在 18 时次日 01 时平均降水量明显高于其余地区。降水频率全省及各地区呈单峰型分布，峰值主要集中出现在 2122 时，其中甘南地区、陇南地区的降水频率较其他地方略高，主要原因是 68 月甘南高原、陇南地区的对流活动较其他地区更为频繁24。降水强度陇东地区呈双峰型分布，峰值主要集中出现在 17 和 24 时左右，原因是该地区不仅受午后热对流影响，还受其他天气系统触发和维持的对流活动影响。全省及其余地区降水强度呈单峰型分布，峰值主要集中出现在 2022 时，表明这些区域主要受天气系统对流活动影响。需要指出的是，陇中地区、甘南地区、陇南地区的夜雨特征明显。2.2小时强降水分布特征甘肃省地形复杂，生态系统相对脆弱，小时强降水造成灾害更严重，上述分析是针对甘肃省降水的气候变化特征，但小时强降水（逸20 mm/h）才是造成灾害的重要原因，尤其夏季的强降水容易造成洪涝、泥石流、山体滑坡等灾害，因此，需要进一步对小时强降水的变化特征进行分析。2.2.1小时强降水空间分布特征从小时强降水极值及频率的空间分布可知，降水频次呈现一高一低（河东高河西低）的分布，主要存在 2 个高频率中心，分别为陇南地区的东南部（武都、康县、成县、徽县和两当地区）和陇东北部（镇原、西峰、庆城及合水地区），最大值在陇南地区东南部，为 29 次。小时降水极值分布特征与降水频次相似，陇中以南地区为高值区，陇中以西地区为低值区，逸 40 mm/h 的降水极值均出现在强降水频次高值区。对逐月小时强降水极值及降水频率进行分析可知，小时强降水极值 78 月最强，主要出现在陇南地区东南部、陇东地区北部及陇中地区太子山，其次是 6 月，主要出现在陇南地区东部及陇东地区和甘南高原地区。45 月、9 月仅在陇南地区零星区域出现 20 mm/h 强降水。小时强降水频次分布与小时强降水极值类似，78 月出现最大值，主要在陇南地区东南部、陇东地区北部及陇中地区太子山，6 月陇南、陇东地区逐渐增多，45 月、9 月仅在陇南地区零星区域发生。2.2.2小时强降水贡献率小时强降水量和降水频次对总降水量和降水频次贡献率的地区差别显著，在空间分布上基本相似（图 5）。降水量贡献率（图 5a）最高为 20%，降水频次贡献率（图 5b）最高为 0.8%，说明小时强降水出现频率虽不高，但降水强度大，对降水贡献率高。小时强降水贡献率最高为陇南地区东南部（武都、康县、成县、徽县和两当），跃18%。陇东、陇中、甘南高原地区贡献率在 4%6%，河西地区降水贡献率约2%，说明河谷地区、喇叭口地形容易出现小时强降水。2.2.3小时强降水月变化特征由甘肃全省以及河西、陇中、陇南、陇东和甘南高原 5 个区域的暖季逐月小时强降水变化特征可知，陇东地区强降水频次明显高于其余地区，陇南地区次之，河西地区最少。强降水频次呈单峰型分布，峰值主要出现在 78 月，陇南地区出现在 7 月（1.76），陇中、陇东及甘南和河西地区均出现在 8月，分别为 1.52、2.40、1.19、0.18。小时降水极值陇南地区最大，陇中地区与陇东地区次之，河西地区最小。小时降水极值呈单峰型分布，峰值在陇南和陇东地区出现在 7 月，其余地区出现在 8 月，说明 78月出现极端强降水概率最大。98图 5甘肃省 20132019 年小时强降水降水量对总降水量的贡献率（a，单位：%）和小时强降水频次对总降水频次贡献率（b，单位：%）2.2.4小时强降水日变化特征由甘肃全省以及河西、陇中、陇南、陇东和甘南高原 5 个区域的暖季小时强降水日变化特征（图 6）可知，全省及各地区小时强降水频次日变化呈双峰或多峰分布（图 6a），全省峰值出现在 21 时（0.35次），河西地区最低，峰值在 18 时（0.05 次），其余地区主要集中在 16 时次日 02 时，其中陇中和陇南地区峰值分别为 0.36、0.47 次，出现在 21 时，陇东地区在 22 时（0.48 次），甘南地区在 19 时（0.38 次）。由小时降水极值（图 6b）可知，降水极值呈多峰分布，午后时段出现强降水的频率较少，但小时最大雨强较强，其原因为受局地对流影响，降水雨强较强。图 6甘肃省 20132019 年不同区域多年平均小时强降水频次（a）及小时降水极值（b）日变化3结论利用 20132019 年甘肃省 49 月逐时降水资料分析了甘肃不同区域平均降水量、频率和强度，强降水极值及频率的时空变化特征，主要结论如下：（1）陇东地区平均降水量日变化呈双峰型分布，全省及其余地区呈单峰型分布，其中甘南地区在 18时次日 01 时平均降水量明显高于其余地区。降水频率全省及各地区均呈单峰型分布，降水强度陇东地区呈多峰型分布，全省及其余地区呈单峰型分布。（2）小时强降水频次呈现一高一低（河东高河西低）的分布，存在 2 个高频率中心，分别为陇南地区东南部和陇东地区北部。小时降水极值呈现一高一低的分布，陇中及以南地区为高值区，陇中以西地区为低值区，逸40 mm/h 的降水极值均出现在强降水频次高值区。小时强降水频次和强度主要出现在78 月，尤其是陇南地区东南部、陇东北部及太子山地区。小时强降水频次和雨强在 1724 时最强，峰值为 21 时，其空间分布具有较大差异。（3）平均降水量主要集中在 69 月，呈单峰型分布，7 月达到峰值。降水频率呈递增趋势，在 8 月为低值期，这与 8 月副热带高压北抬至甘肃河东地区，易出现连晴高温天气有关。降水强度呈单峰型分布，峰值主要出现在 78 月，与对流性降水有关。参考文献：1翟盘茂，潘晓华援中国北方近 50 年温度和降水极端事件变化J援地理学报，2003，58（增）：1-10援2翟盘茂，任福民，张强援中国降水极值变化趋势检验J援气象学报，1999，57（2）：208-2l6援3姚莉，李小泉，张立梅，等援我国 1 小时雨强的时空分布特征J援气象，2009，35（2）：80-87援4熊明明，徐姝，李明财，等援天津地区小时降水特征分析J援暴雨灾害，2016，35（1）：84-90援5杨萍，肖子牛，石文静援基于小时降水资料研究北京地区降水的精细化特征J援大气科学，2017，41（3）：475-489援6董旭光，顾伟宗，邱粲，等援山东省汛期小时降水过程时空分布特征J援气象，2018，44（8）：1063-1072援7方德贤，董新宁，邓承之，等援20082016 年重庆地区降水时空分布特征J援大气科学，2020，44（2）：327-340援8侯淑梅，孙敬文，孙鹏程，等援基于加密自动气象观测站和国家气象观测站的山东省极端短时强降水时空分布特黄武斌等：甘肃省暖季小时降水变化特征99研究论文研究论文沙 漠 与 绿 洲 气 象Desert and Oasis Meteorology第 17 卷 第 4 期2023 年 8 月征的对比分析J援气象，2020，46（2）：200-211援9杨霞，张俊兰，华烨，等援新疆伊犁河谷不同季节降水的日变化特征J援干旱气象，2021，39（3）：394-405援10刘佩廷，刘敏，谌伟，等援华中区域年极端小时降水特征分析J援暴雨灾害，2020，39（5）：508-515援11李栋梁，刘德祥.甘肃气候M援北京：气象出版社，2000：3-9援12孟丽霞，许东蓓，狄潇泓，等援甘肃省短时强降水的时空特征J援沙漠与绿洲气象，2017，11（6）：34-39援13王胜，郭海瑛，牛喜梅.甘肃省汛期小时降水的变化特征J援干旱气象，2018，36（4）：610-616援14程瑛，侯政君，孔祥伟，等援甘肃省强降水变化特征J援干旱气象，2014，32（3）：382-387援15黄玉霞，王宝鉴，王研峰，等援甘肃省夏季暴雨日数特征及其与大气环流关系J援高原气象，2017，36（1）：183-194援16刘新伟，叶培龙，伏晶，等援高原切变线形态演变对高原边坡一次降水过程的影响分析J援高原气象，2020，39（2）：245-253援17马中华，张勃，王兴梅，等援近 50 a 甘肃省夏季日极端降水频数与强度变化特征J援干旱区研究，2012，29（2）：96-302援18孔祥伟，陶建红援近 51 a 甘肃夏季气温和降水极端事件变化J援干旱区研究，2012，29（6）：965-971援19王红霞，柳小妮，李纯斌，等援甘肃省近 42 年降水量变化时空分布格局分析J援中国农业气象，2013，34（4）：384-389援20李文莉，王宝鉴，吉惠敏，等援河西干旱区短时强降水过程的中尺度分析J援干旱气象，2013，31（2）：318-326援21杨建才，王劲松援甘肃河东旱作区不同强度日降水特征J援干旱地区农业研究，2010，28（6）：235-242援22ZHUO H，ZHAO P，ZHOU T J，Diurnal cycle of summerrainfall in Shandong of eastern China J援InternationalJournal of Climatology，2014，34（3）：742-750援23鲍文中，张强，陶建红，等援甘肃气候M援北京：气象出版社，2018：2-46援24黄玉霞，刘新伟，傅朝，等援甘肃强对流M援北京：气象出版社，2022：3-8.Spatial and Temporal Distribution of Hourly Precipitationin Warm Season in Gansu ProvinceHUANG Wubin1，WANG Yanfeng2，LIU Na1，DUAN Bolong1，GUO Runxia1，WANGYicheng1（1.Lanzhou Center Meteorological Observation，Lanzhou 730020，China；2.Gansu Weather Modification Office，Lanzhou 730020，China）AbstractBased on hourly precipitation data in the warm season（April-September）from 2013 to2019，the spatial and temporal distribution characteristics of extreme value and frequency of heavyprecipitation in Gansu province were analyzed.The results show that：（1）The frequency of hourly heavyprecipitation was high in the east and low in the west in Gansu province，and there were two highcenters in the southeast of Longnan and north of Longdong，up to 29 times.（2）The extreme value ofhourly heavy precipitation was higher in central and southern regions of Gansu，and decreased to thenorthwest.The extreme value of precipitation was the highest in southern Gansu province，exceeding40 mm/h.（3）The frequency of hourly heavy precipitation mainly appeared from July to August，and therainfall intensity was also the largest in the same period.The frequency of hourly heavy precipitationand hourly rainfall intensity were the strongest in 17：00-24：00，with a peak at 21：00.（4）The diurnalvariation of precipitation in different regions was obviously different.The peak of hourly precipitationfrequency appeared at 18：00 in Hexi area，at 21：00 in central and southern Gansu，at 22：00 and 19：00in eastern Gansu and Gannan Plateau respectively.Key wordswarm season；hourly precipitation；spatial and temporal distribution；Gansu Province100