青藏高原东北侧短时强降水阈值确定及特征分析

杨振鑫，祁 萍，孙 磊，崔小平，赵月兰

(1.甘肃省和政县气象局，甘肃 和政 731200；2.甘肃省临夏回族自治州气象局，甘肃 临夏 731100；3.甘肃省永靖县气象局， 甘肃 永靖 731600)

引 言

短时强降水由强对流天气系统造成，其空间尺度小、持续时间短、突发性强、雨势凶猛、破坏力大，易引发山洪、泥石流和山体滑坡等严重自然灾害。甘肃省临夏回族自治州(以下简称“临夏州”)地处青藏高原与黄土高原的过渡区域，是青藏高原东北侧最具代表性的边坡地区之一；境内短时强降水天气发生频率高、破坏性强、影响程度严重，是甘肃省自然灾害发生最频繁且受灾严重的地区之一。2007年8月25日临夏州出现短时强降水引发洪涝灾害，造成5个县(市)25个乡(镇)9.74万人受灾，因灾死亡5人，受伤2人，直接经济损失约0.43亿元；2018年7月18日临夏州出现大范围短时强降水天气，造成6个县(市)76个乡(镇)13.23万人受灾，短时强降水引发山洪、泥石流等自然灾害造成死亡、失踪16人，受伤45人，直接经济损失约5.89亿元。由短时强降水引发的洪涝灾害是影响临夏州经济社会发展的主要气象灾害，直接危害人民群众生命财产安全。因此，研究临夏州短时强降水的发生发展规律对该地区气象防灾减灾工作具有重要意义。

近年来，短时强降水一直是国内外关注的重要天气之一[1-2]，国内基于地面观测加密气象数据，应用天气雷达、卫星及风廓线仪探测资料对短时强降水的环流分型[3-4]及其发生、发展规律[5-6]进行了研究并建立了短时强降水概念模型[7-9]，提取出物理特征量[10]。同时有研究利用线性趋势分析短时强降水的气候特征，借助L-矩的参数评估方法[11-13]研究短时强降水过程。

目前，关于青藏高原东北侧临夏州短时强降水的研究主要散见于西北地区短时强降水研究[14-15]中，这些研究对认识临夏州短时强降水天气过程具有重要意义，但对临夏州短时强降水阈值标准的界定及其发生发展规律的研究甚少，临夏州短时临近天气预报预警业务中尚无统一的短时强降水定义标准。因此，本文利用临夏州6个自动气象站逐日小时降水量资料，确定短时强降水阈值标准，进而对临夏州短时强降水时空分布特征及其变化规律进行分析，以期为本地短时强降水预报预警服务及气象灾害防御工作提供参考。

1 研究区概况、资料与方法

1.1 研究区概况

临夏州(34°57′N—36°12′N、102°41′E—103°40′E)总面积8169 km2，地处青藏高原东北侧边坡地带，受积石山、太子山山系影响，地形为西南部高、东北部低的倾斜盆地，海拔高度为1563～4636 m，从北到南有永靖、东乡、临夏、广河、和政和康乐6个国家气象观测站。

1.2 资 料

所用资料为6个国家气象观测站2006—2018年4—9月逐日小时降水量(大于等于0.1 mm)，数据源自甘肃省气象局数据质量控制室提供的国家气象观测站地面报表A文件，该数据通过了气象部门统一使用的“地面气象测报业务软件(OSSMO 2004)、自动气象站数据质量控制(CDQC)”和“A文件质量检查软件”、“省级审核规则库”的质量检查、逻辑性检查和时间、空间一致性检查。文中涉及地图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甘S(2011)26的标准地图制作，底图无修改。

1.3 方 法

采用传统排序法、Z指数法、平方根变换法分别计算临夏州各站短时强降水阈值,通过比较分析阈值的稳定性。

1.3.1 阈值离散度

中国气象局《短时临近天气预报业务规定》(1)中国气象局办公室〔2017〕32号文件.中短时强降水定义为小时降水量达到或超过20.0 mm，新疆、西藏、青海、甘肃、宁夏、内蒙古6省(区)气象局可自行定义短时强降水标准。目前，临夏州短时临近天气业务尚无统一的短时强降水定义标准，本文选择阈值法[16-17]定义临夏州各站短时强降水标准。在确定短时强降水阈值时必须保证不同时段内阈值的稳定性，按照极端气候事件的阈值确定要求，需判别某气候阶段阈值的平均值是否具有代表性，逐年计算阈值的平均值是否稳定，用离散系数Cv[17]对其度量，公式如下：

(1)

1.3.2 阈值计算方法

确定短时强降水阈值的方法有多种，为克服传统计算短时强降水阈值方法的弊端，更好地评估临夏州短时强降水阈值的稳定性，选择传统排序法、Z指数法、平方根变换法[18]进行阈值计算。

传统排序法：将统计时段内所有的降水数据，按升序排列，得到x1，x2,…，xn，则百分位数为

x=(1-α)xj+αxj+1

(2)

式中：j为逐日有效降水量按升序排列后的序号，j=[p(n+1)] ，p为百分位值对应的概率，方括号表示数值取整；α=p(n+1)-j。

Z指数法：Z指数转换方法又叫正态变换法，Z指数变换公式如下：

(3)

确定降水量阈值时，需要把对应的Z指数反变换为降水量，公式如下：

(4)

由于Z指数遵从标准正态分布，根据标准正态分布百分位的Z指数值(查表取0.90、0.95、0.99对应的Z指数值分别为1.28、1.64和2.33)，根据公式(4)计算得到对应的降水量。

平方根变换法：

(5)

式中：xi为降水量值。由于变换后的变量遵从一般正态分布，还需再作标准正态变换，然后类似Z指数法，根据标准正态分布百分位的标准化值，计算得到变换后的值，进一步变换为一般正态分布的值，再对变换后的值求平方，即可得到对应的降水量阈值。

2 阈值的确定及空间分布

按照3种阈值确定方法分别计算临夏州各站2006—2018年4—9月短时强降水阈值和离散度(表1)。3种方法计算得到的同一百分位阈值差异较大，且随着百分位的增大，这种差异有增大趋势，传统排序法和平方根变换法在90、95、99百分位阈值差异最小，Z指数法差异最大。阈值稳定性随百分位的增大均有所减小，传统排序法和Z指数法计算的90、95、99百分位阈值离散度较大，稳定性差，平方根变换法计算的离散度较小。因此，根据阈值确定原则，将平方根变换法作为计算临夏州短时强降水阈值的主要方法。

表1 3种方法计算的临夏州各站短时强降水百分位阈值和离散度

根据平方根变换法计算的临夏州各站短时强降水90和99百分位阈值，分析短时强降水空间分布。可以看出，短时强降水阈值空间分布均表现为中南部大、西北和东南部小。短时强降水90和99百分位阈值中心均出现在临夏州南部的和政县，分别为16.7和44.4 mm·h-1；低阈值均出现在北部的永靖县，分别为11.2和31.5 mm·h-1。临夏州地处青藏高原东北侧边坡地带，受积石山、太子山山系影响，从偏北入侵的冷空气和偏东输送的暖湿气流均被明显阻挡抬升且产生强烈的上升运动，对本地短时强降水具有显著的增强效应；刘家峡水库位于北部的永靖县和东乡县境内，水库集水面积达130.0 km2，这对局地气候可能有一定影响。另外，90和99百分位阈值均低于气象部门常用的1 h短时强降水量20.0 mm和24 h暴雨预警值50.0 mm， 阈值的高低反映本地降水强度的大小，既体现出临夏州降水量南北差异的特点，同时也说明对短时强降水阈值定义的合理性。在实际业务中将90百分位阈值作为预警雨量，95百分位阈值作为警示雨量，99百分位阈值作为警戒雨量。综上所述，定义临夏州各站90百分位阈值作为短时强降水标准较为合理，通过计算各站阈值平均值，确定临夏州短时强降水阈值标准为14.6 mm·h-1。

3 短时强降水时空变化

根据临夏州短时强降水阈值标准，获取临夏州各站2006—2018年4—9月小时降水量大于等于14.6 mm的所有时次与站点，对该数据进行质量控制，保证某站点小时降水量大于等于14.6 mm，同时至少有2个站点出现有效降水量(大于等于0.1 mm)，记该站点出现一次短时强降水。

3.1 空间变化

图1为临夏州2006—2018年4—9月短时强降水累计出现频次空间分布。可以看出，临夏州短时强降水累计出现频次中部地区多、西北和东南少，位于中部地区的临夏市短时强降水累计出现频次最多为20次，年平均1.5次；位于北部地区的永靖县累计出现频次最少为8次，年平均0.6次；而其他地区短时强降水累计出现频次为15～18次。由此可见，北部干旱山区[19-20]短时强降水出现次数较少，而中南部川塬区和高寒阴湿区短时强降水出现次数相对集中，短时强降水多集中在中南部川塬区的特征与临夏特殊地形的强迫抬升作用以及城市热岛效应有关[21]。

图1 临夏州2006—2018年4—9月短时强降水累计出现频次空间分布(单位：次)

3.2 时间变化

3.2.1 年际变化

图2为临夏州2006—2018年4—9月短时强降水累计出现频次年际变化。可以看出，短时强降水年平均出现次数为7.3次，2018年累计出现频次最多，平均每站3.8次，2011年未出现短时强降水。2009—2014年短时强降水累计出现频次呈对称分布，且除2012年外均低于历年平均值；2015年以来临夏州短时强降水累计出现频次呈增加趋势。

图2 临夏州2006—2018年4—9月短时强降水累计出现频次年际变化

3.2.2 月际变化

图3为临夏州2006—2018年4—9月短时强降水累计出现频次和1 h最大降水量逐月变化。可以看出， 4月开始出现短时强降水，随后呈逐月增加趋势，8月短时强降水累计出现频次最多(53次)，随后呈下降趋势。短时强降水主要出现在7—8月。小时最大降水量呈逐月增加趋势，8月1 h最大降水量为55.8 mm。究其原因可能与中小尺度对流系统有关，临夏州位于青藏暖高压前部，夏季炎热干燥，近地面气温高，在高空西北气流引导下冷空气入侵，冷暖空气交汇致使大气层结扰动处于不稳定状态，造成强烈的对流性天气，容易出现短时强降水。

图3 临夏州2006—2018年4—9月短时强降水累计频次和1 h最大降水量月际变化

3.2.3 日变化

图4为临夏州2006—2018年4—9月短时强降水累计出现频次日变化和1 h最大降水量。可以看出，临夏州短时强降水累计出现频次日变化呈4峰分布，18：00—23：00(北京时，下同)存在2个峰值，2个次峰出现在01：00和16：00。从13：00开始短时强降水出现频次逐渐增加至次日06：00，短时强降水累计出现频次占总频次的97.8%；最大短时强降水主要集中在18：00—23：00，占短时强降水总频次的55.8%。小时最大降水量为55.8 mm，出现在22：00，即短时强降水发生的时段主要集中在傍晚至前夜，尤其前半夜发生次数最多，主要受局地地形因素影响，由于地面受太阳强烈辐射而急剧增温，在近地面层形成绝对不稳定大气层结，容易造成强烈的对流性天气，产生短时强降水。

图4 临夏州2006—2018年4—9月短时强降水累计出现频次日变化和1 h最大降水量

4 短时强降水持续时间及影响站次

统计临夏州2006—2018年4—9月短时强降水持续时间和出现站次，发现2006—2018年4—9月临夏州短时强降水累计出现95站次，其中 86站次持续1 h；持续时间2 h的仅有9站次。2006—2018年4—9月共有90个时次出现短时强降水，其中同一时次出现1站次短时强降水的占93.3%，同一时次出现2站次以上短时强降水的占5.6%，同一时次出现3站次短时强降水仅占1.1%。可见，临夏州短时强降水多为阵发性，且空间分布多孤立零散。

5 结 论

(1)通过对传统降水百分位法、Z指数法和平方根变换法计算的短时强降水阈值比较，发现采用平方根变换法的临夏州短时强降水阈值的效果最好。

(2)临夏州短时强降水阈值空间分布自中南部向西北和东南减少，中南部阈值大，北部阈值小；逐日平方根变换法计算的临夏州各站90百分位阈值平均值(14.6 mm·h-1)确定为临夏州短时强降水阈值。

(3)位于中部地区的临夏市短时强降水累计出现频次最多为20次，年平均1.5次；处于北部地区的永靖县累计出现频次最少为8次，年平均0.6次。

(4)临夏州短时强降水累计出现频次的年际变化特征显著，年平均为7.3次，2018年出现次数最多；短时强降水主要集中在7—8月，占总频次的81.1%；短时强降水累计频次日变化呈4峰分布，最大短时强降水主要发生在18：00—23：00，占短时强降水总频次的55.8%。小时最大降水量为55.8 mm，出现在22：00。

(5)临夏州持续时间为1 h的短时强降水占90.5%；持续时间为2 h的占9.5%；同一时次出现1站次的短时强降水占93.3%，同一时次出现3站次的短时强降水仅占1.1%，临夏州短时强降水多为阵发性，且空间分布多为孤立零散。