基于区域自动站数据的兰州地区降水精细化特征

李 蓉，刘新伟，魏 栋，段海霞，段伯隆，李嘉睿，狄潇泓

(1.兰州中心气象台，甘肃 兰州 730020；2.中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃 兰州 730020；3.国家气象中心，北京 100081)

引 言

我国西北地区气候干旱，但因其地形复杂特殊、生态环境脆弱，降水引发的灾害逐渐成为关注的重点[1-5]。在全球气候变暖背景下，20世纪以来全球极端降水总体呈增加趋势[6-9]，我国西北地区也逐步表现出暖湿化特征[10-11]，其中西北地区西部暖湿化趋势相对更为显著，且极端强降水事件增加明显[12]。从时间分布来看，西北地区短时强降水的发生具有明显的时间窗[13]，主要发生在7月上旬到8月下旬，且具有明显的日变化特征；就空间分布来说，西北地区年降水量自西北向东南增加，东部夏季降水与同期7月、前期1月北太平洋涛动存在较好的正相关关系[14]。

兰州位于我国几何中心，辖5区(城关区、七里河区、西固区、安宁区、红古区)3县(永登县、榆中县、皋兰县)，是西北地区重要的中心城市之一，其地处黄土高原，地势呈“南部、西部高，东北低”的特征，城区周围植被稀少，群山环绕，处于东西向黄河河谷盆地中，平均海拔约1500 m。其西南方的青藏高原，一方面阻挡了夏季西南季风携带的潮湿空气从低纬向北输送；另一方面，西风带环流在经过青藏高原时，在对流层上部形成一新疆高压脊，而在对流层下部绕高原北侧东移时，由于地形侧向摩擦的动力作用，在河西走廊至兰州一带形成一个次天气尺度的反气旋辐散流场[15]。青藏高原阻挡了绕流气流，易在高原东北部河西走廊和甘肃中部地区形成异常降水[16-17]，而兰州正是暖湿气流输送到我国西部的途经之地[18]。

西北地区城市发展与气候变化联系紧密，甘肃省省会兰州作为新亚欧大陆桥中国段五大中心城市之一，伴随着近年来城市气象的发展[19-23]，其降水精细化特征逐渐备受关注，然而因资料所限，此项工作精度较低，进展缓慢。随着中国气象局区域自动站的布网，甘肃省兰州地区自2008年开始陆续布设自动站，到2012年基本建成且数据资料完整，这为降水的精细化研究提供了重要契机[24]。为此，本文利用2012—2019年兰州地区146个区域自动站小时降水量资料，系统分析兰州地区多时间尺度降水的精细化特征，这对提高兰州城市防灾减灾能力意义重大。

1 数据与方法

高时空分辨率的区域自动站观测数据是近年来天气监测、预报及预警精细化服务的重要基础。为确保时间序列的一致性、完整性和连续性，选用了2012—2019年兰州地区146个区域自动站小时降水量，该数据由甘肃省气象局信息中心提供，经过质量控制处理，自动站点分布见图1。文中涉及的兰州市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甘S(2011)14号的标准地图制作，底图无修改。

图1 兰州地区地形高度(阴影)及区域自动站(圆点)分布

气象业务标准规定：将1 h内大于或等于0.1 mm的降水定义为有效降水，各站某一时间段内降水量定义为该时段的降水累计量。根据甘肃省短时强降水等级地方标准(DB 62/T 2755—2017)，短时强降水定义为1 h内雨量大于或等于20 mm的降水。

2 结果与分析

2.1 降水量空间分布特征

2012—2019年，兰州地区年均降水量在147～898 mm之间，降水大体呈现“南多北少”的空间分布；由于群山环绕的地形特征，其降水“外多内少”的空间特征也极为明显[图2(a)]，红古区、皋兰县北部及西固区为降水低值区，高海拔的永登县、榆中县受地形影响，降水较周围明显偏多。从年降水量标准差分布[图2(b)]来看，兰州各区域站年降水量标准差也与站点所处的海拔高度有一定关系，海拔较高的站点年降水量的标准差明显偏大，南部地区受偏南暖湿气流和地形的共同影响，降水比偏北地区略多，且易出现强降水，故七里河区、榆中县西南部为降水高值区。需要指出的是，在“南多北少”的分布格局下，北部永登县局部地区也存在降水大值区，一方面由于高空槽前的西南气流和西太平洋副热带高压西部的西南气流是兰州地区降水的水汽供给来源[15]；另一方面，受地形影响，在山脉的迎风坡易出现较大量级的降水。城关区年均降水量为293.3 mm，处于中等偏上水平，其降水分布格局主要由人口与城市建筑较为密集引起的城市热岛效应显著所致[25]。

图2 2012—2019年兰州地区年均降水量(a)及年降水量标准差(b)空间分布

2.2 降水量时间变化特征

2.2.1 年际变化

从近8 a兰州区域平均降水量年际变化(图3)看出，除2015、2017、2018年降水异常外，其余年份兰州平均年降水量均在350 mm左右，2018年降水异常偏多46%，而2015、2017年降水异常偏少，尤其2015年偏少30%。2018年副热带高压异常偏北、偏强，我国北方较常年多雨，地形复杂地区受抬升作用影响降水偏多更加明显，因此2018年降水在永登县、七里河区及榆中县的高海拔山区附近明显异常偏多(图略)；2015年和2017年兰州大多站点年降水量在300 mm以下，尤其在低海拔城区降水偏少更为明显，降水低值区主要集中在红古区和永登县南部。

图3 2012—2019年兰州地区平均降水量的年际变化

2.2.2 月际变化

兰州地处我国几何中心，温带大陆性季风气候特征明显，降水存在明显的月际变化，雨季一般为5—9月，其降水量约占年雨量的81.4%，7、8月降水最为集中，约占年雨量的45.5%[15]。从2012—2019年4—9月各月区域平均降水量变化(图4)来看，兰州各县(区)平均降水量月际变化的总体趋势较为一致，大致呈“单峰型”月际分布，7—8月是全年降水最为集中的时段，其中7月降水最多，8月次之，6、9月相近。对比不同县(区)发现，6月降水最为接近，降水量在35～45 mm之间，而7月降水差异较大，降水量为55～90 mm，以局地强降水贡献为主。另外，降水的月际变化幅度也存在一定的区域性差异，红古区降水的月际变化波动较大，7月降水量(89.2 mm)明显大于其他县(区)，6月(39 mm)降水量明显小于其他县(区)，而皋兰县降水的月际变化较小，且降水量相对较少，最大值仅为61 mm，城关区、西固区、安宁区降水的月际变化则较为一致。需要注意的是，榆中县、七里河区、西固区6月降水较5月有一小幅度的回落。

图4 2012—2019年4—9月兰州各县(区)区域平均降水量的月际变化

从4—9月逐月降水量的空间分布(图略)看出，兰州地区降水主要集中在7—8月，站点最大月降水量可达170.7 mm，出现在安宁区九洲台站，6月和9月次之，4月降水频次最少、强度最弱。7、8月偏南气流较为旺盛，为兰州南部地区输送了较为充足的水汽，受其影响南部降水明显大于北部，而在其他月份，兰州北部地区常受冷空气南下影响而引发降水，从而减弱了南、北部累积降水的差异。另外，兰州各月降水量空间分布差异较大，榆中县西南部和东北部、永登县北部和西部等高海拔地区各月降水明显较大，而永登县东南部、皋兰县南部及榆中县中部地区降水普遍较低，如降水最为集中的7、8月，降水大值区也略有不同，7月榆中县西南部有一明显的降水大值区，而8月该区域降水明显减少，降水大值区主要位于七里河区。

2.2.3 日变化

何金梅等[26]研究指出，黄河兰州上游地区较强降水多在傍晚后增多，强降水多发生在19:00(北京时，下同)左右。为进一步获取兰州地区降水的精细化特征，图5统计了2012—2019年4—9月兰州地区区域站的平均小时雨量(每一时刻所有站点累计降水量与总天数之比)和降水站次(每一时刻降水总站次与总天数之比)。从小时雨量看出，4—9月兰州地区降水量具有明显的日变化特征，小时雨量平均为11.4～15.4 mm，峰值出现在18:00，19:00和13:00次之，谷值出现在23:00。总体来看，20:00—08:00时段(夜间)的降水强度和量级较08:00—20:00时段(白天)明显偏小，即白天降水明显多于夜间，强降水时段主要集中在午后至傍晚前后，呈现“朝少夕多”的日变化特征。从降水站次来看，4—9月兰州地区降水站次也具有明显的日变化特征，小时降水站次在101～118之间，且00:00—23:00降水站次总体表现下降趋势，呈现“夜多日少”的日变化特征，凌晨02:00降水站次最多，降水范围最大，而夜间21:00降水范围最小。综合降水站次和雨量来看，傍晚前后易发生较大量级的降水，多以对流性降水为主，而凌晨02:00前后易出现范围较大、强度较弱的区域性降水。

图5 4—9月兰州地区降水量及降水站次逐小时变化

4—9月，兰州及周边地区大气环流形势不尽相同，使得降水日变化特征表现各异，各月最大小时雨量依次出现在03:00、21:00、14:00、15:00、13:00、03:00(图略)，6—8月小时雨量大值主要集中在午后时段，其余月份则多出现在夜间；5月是季节转换时期，大气环流形势不稳定，降水日变化波动最大，年内小时降水最大值多出现在5月(图略)，如近8 a最大小时雨量166.3 mm就出现在此月，说明5月极易出现极端性降水天气。从各月小时降水站次(图6)来看，6月和7月、8月和9月的降水站次日变化曲线较为相似，4—9月小时降水站次的峰值依次出现在10:00、23:00、17:00、17:00、07:00、08:00，4月各时刻发生降水的站次最少，说明4月以分散性降水为主，系统性降水较少。按照不同时段降水站次来看，08:00—20:00时段内降水站次最多的为7月，20:00—08:00时段内降水站次最多的为8月，说明7、8月虽为兰州地区年内降水较大的月份，但大范围降水集中的时段明显不同，前者集中于白天，后者集中于夜间；9月00:00—08:00时段降水站次明显少于8月，但其余时刻降水站次与8月非常接近，说明初秋大范围降水多出现在凌晨。

图6 4—9月兰州地区降水站次逐小时变化

综合来看，兰州地区稳定性降水多以夜雨为主，而午后多为对流性降水，午后对流性降水多发的主要原因是夏季晴空辐射增温，午后城市热力强迫作用使得低空风场易形成辐合，边界层的垂直风切变增强。

兰州地区群山环绕，因地形影响山区和城区降水差异较为明显。因此，根据区域站海拔高度，划分为城区站和山区站进行分析，旨在揭示海拔高度对降水的影响。对比城区站和山区站4—9月小时雨量日变化(图略)发现，受地形抬升作用影响，山区降水量总体比城区大，其中5月城区降水量明显少于山区，且降水主要集中在17:00—20:00，而6月城区降水量略多于山区；城区降水量日变化波动较大，多集中在午后至傍晚前后，以对流性降水为主，而山区降水量日分布较为均匀，整体波动较小，这与“兰州市短时强降水与海拔高度呈负相关关系[24]”的结论较为一致。结合降水站次的日变化(图7)来看，4—9月山区降水范围的日变化幅度略大于城区，除7月外城区大范围小量级降水主要出现在08:00左右，14:00则主要以小范围对流性降水为主；山区，4—7月降水站次低值主要出现在04:00左右，说明夜间较易发生对流性降水，而8、9月对流性降水则易出现在午后13:00—15:00。

图7 4—9月兰州城区(a)、山区(b)降水站次日变化

2.3 短时强降水分布特征

我国西北地区短时强降水(简称“短强”)有着明显的季节性和区域性特征[13]。兰州地处西北地区，气候干旱，年降水量虽较少，但由于生态环境脆弱，承灾能力较差，短时强降水往往会诱发山洪、泥石流等地质灾害[27]。

由于不同县(区)的区域站数量不同，从科学性出发，本文将某一县(区)发生短强的站次与区域站总数的比值定义为该县(区)的短强频次，将该县(区)发生短强的站次占全市短强总站次的百分比定义为短强贡献率。从表1可以看出，2012—2019年兰州短时强降水共发生164站次，短强总站次最多的是永登县，为46站次，皋兰县和榆中县次之，最少的为城关区，仅有9站次；从短强频次来看，安宁区出现短强的频次较其他县(区)显著偏高，为3.25次·站-1，而永登和榆中县虽然发生的短强站次较多，但因其区域站点较多，短强频次较低；从贡献率来看，永登县短强贡献率最高达26.2%，是兰州地区短时强降水预报需重点关注的地区，而城关区最低仅为3.1%。

表1 2012—2019年兰州各县(区)短时强降水发生总站次、频次及贡献率

从各区域站近8 a短时强降水累计频次分布和频发站最大小时雨量(图8)来看，兰州区域站短强频次为1～5次，频发的站点(4～5次)有10个，多位于兰州西南部，其中皋兰县西南部的六合站和永登县南部的徐家磨村站短强最为频发，均为5次，而榆中县高海拔的兴隆山站降水最强，最大小时雨量为56.5 mm；榆中县和永登县短强的量级较大，多是较剧烈的强对流天气造成，是强降水事件预报需重点关注的地区。另外发现，兰州短时强降水多发生在降水异常偏多的2018年，在2018年副热带高压异常西伸北抬下，水汽充沛的偏南暖湿气流配合中小尺度天气系统更易引发短时强降水天气。近8 a各区域站短时强降水频次及小时降水强度总体呈逐年递增趋势(图略)，说明兰州地区短时强降水有暖湿化倾向，这也是西北地区气候整体暖湿化的体现[12]。

图8 2012—2019年兰州区域站短时强降水累计频次空间分布和频发站(标有数字的站)最大小时雨量

3 结 论

(1)2012—2019年，兰州地区年均降水量总体呈“北少南多、外多内少”的空间分布特征，榆中县西南部为降水大值区；降水存在明显的年际变化，2018年降水异常偏多46%，而2015、2017年降水异常偏少，尤其2015年偏少30%。

(2)兰州地区4—9月降水存在明显的月际差异，降水主要集中在7—8月，6月和9月次之，4月降水发生频次最少、强度最弱。受环流形势影响，7—8月兰州南部降水明显多于北部，而其余月份南北降水差异不明显，各站降水差异主要与海拔高低有关。

(3)兰州地区降水白天总体多于夜间，最主要的降水时段集中在午后到傍晚前后，“朝少夕多”的日变化特征明显，但夜间降水站次较多，降水范围较大。5月正处于大气环流转换时期，降水的日变化波动最大，极易出现极端降水天气。受海拔高度影响，城区降水总体比山区小，城区降水日变化较大，受城市热岛效应影响，降水多集中在午后至傍晚前后，以对流性降水为主，而山区降水日分布较为均匀，整体波动较小。

(4)安宁区短时强降水发生频次最高，但短强频发的区域站出现在皋兰县六合站和永登县徐家磨村，永登县的短强贡献率最高达26.2%，是兰州地区短时强降水预报需重点关注的地区。