陇东半干旱区一次特大暴雨事件的降水极端性分析

张君霞，黄武斌，杨秀梅，刘维成，周子涵，沙宏娥

（1.甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室，甘肃 兰州 730020；2.兰州中心气象台，甘肃 兰州 730020）

引 言

我国受暴雨灾害影响严重，据统计，因暴雨灾害造成的直接经济损失和死亡人数均超过其他气象灾害［1］。相比于江南、华南，北方年平均暴雨日数仅1～3 d［1］，但暴雨诱发的洪涝灾害时有发生，且致灾性强。如河南1975年“75·8”特大暴雨造成严重水灾，人员伤亡惨重，经济损失巨大［2-4］；2021年7月的极端特大暴雨，导致河南多个城市发生严重内涝，数百人遇难及失踪［5-9］。预计未来至2050年极端降水事件整体仍将呈增多趋势，强度也将进一步增强［10-11］。

近年来，我国暴雨与极端降水的降水量对总降水量的贡献率呈增加趋势，且季节性差异明显［12-14］。降水极值由东南向西北逐渐减小，具有明显的区域性差异［15］，干旱地区极端暴雨频率和强度比湿润地区增加快，极端暴雨极值增大趋势更明显［16］。20世纪90年代以来华北地区持续性极端暴雨事件次数和平均极端降水量明显减少，暴雨日数也趋于减少［17-20］，而西北大部地区极端降水事件呈明显增多趋势［14］。

近几年我国发生的几次影响巨大的特大暴雨过程，均具有过程累积降水量大、降水强度强及持续时间长等特点，极端性特征明显［21-23］，如河南2021年7月21日特大暴雨过程，暴雨过程持续时间、降水强度及累积雨量均有明显的极端性［5，23］。对降水特征及极端性成因的诊断分析和模式研究［24-30］表明，高低空系统的有利配置，异常的水汽、热动力条件及中尺度系统和地形作用等因素是造成暴雨的主要原因，而暴雨日的高频站点与过程平均累积降水量的空间差异主要由高低空环流配置及地形作用造成，极端降水强度是极端暴雨事件最大降水中心形成的决定因素［17］。

西北地区东部地处东亚夏季风北边缘过渡带［31］，是气候变化敏感区［32］，降水量年内分布极不平衡［33］，7—8月暴雨量占全年降水量的63%［34］，中等强度和强降水的降水量占全年降水量的75%以上［35］，区域性特征明显，受地形影响明显［34-36］。1981—2018年该区域暴雨日数无明显减少或增加趋势，暴雨日雨量极值远小于全国，但1 h 和10 min降水量极值与我国东部地区相当，短历时（1 h 或3 h）降水量占24 h 降水量的比例接近华南地区［36］，因其特殊的地理环境，致灾性极强。西北地区东部暴雨日雨量极值出现在甘肃陇东地区，极端暴雨常发生在7—8月，夜雨和对流性特征明显［37］，排名前5位的暴雨日雨量极值为162.0～184.5 mm［36］。

庆阳市地处甘肃最东部，位于东亚夏季风的北边缘附近［38］，该地区水土流失严重，气候变化敏感，生态环境脆弱［39］。2022年7月14—15日庆阳市出现一次特大暴雨过程，过程累积雨量大，降水强度强，最大累积降水量和小时降水量分别为373.2 和84.9 mm。本文利用不同时间分辨率的降水观测资料，从降水强度和持续时间及强降水中心的时空演变分析这次特大暴雨过程的降水特征及极端性，以期为该地区极端降水预报及防灾减灾决策提供背景信息。

1 资料与方法

观测资料为甘肃省气象信息与技术装备保障中心质量控制后的2022年7月14日20：00（北京时，下同）至15日20：00庆阳市8个国家气象观测站（简称“国家站”）和192 个区域气象观测站（简称“区域站”）逐分钟和逐小时实况降水数据，以及192 个区域站建站以来日降水量和小时降水量数据，区域站降水观测记录最早2010年，最晚2013年。格点实况降水资料采用国家气象信息中心研发的地面-卫星-雷达三源融合降水分析产品（CMA Multi-source Merged Precipitation Analysis System，CMPAS），空间分辨率为0.01°×0.01°，时间分辨率为10 min和1 h，该产品在中国区域质量较优［40-41］，能合理反映中国地区降水空间分布［42］。

降水量等级采用中央气象台定义标准，暴雨、大暴雨及特大暴雨对应日雨量分别为50≤R＜100 mm、100≤R＜250 mm、R≥250 mm，将1 h 雨量超过20 mm的强降水定义为短时强降水［43］。通过统计对比等方法，分析此次特大暴雨过程中降水的特征及极端性。

文中附图涉及地图均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GS（2019）333号的标准地图制作，底图无修改。

2 降水实况

2022年7月14—15日，庆阳市出现一次特大暴雨过程，大雨以上量级降水共115站，约占该市所有测站的56%。其中，特大暴雨7 站，大暴雨15 站，暴雨33 站，24 h 降水量最大373.2 mm（庆城县翟家河站），最大小时雨量84.9 mm（庆城县马岭站）。图1为7月14日20：00至15日20：00累积降水量空间分布及庆阳市地形与气象站点分布。可以看出，此次特大暴雨过程有2 个强降水中心，分别位于庆阳市北部庆城县和南部合水县西部；大量级降水均出现在海拔高度较低的山谷地带。

图1 2022年7月14日20：00至15日20：00庆阳市24 h降水量（a，单位：mm）及地形高度（填色区，单位：m）与气象站点（b）分布（矩形区域为强降水中心位置）Fig.1 Spatial distribution of accumulated precipitation from 20：00 BST 14 to 20：00 BST 15 July 2022 （a，Unit：mm） and terrain elevation （the color shaded，Unit：m） and meteorological stations （b） in Qingyang（the rectangular regions for position of strong rainfall center）

特大暴雨发生在西太平洋副热带高压西北侧，属于副热带高压边缘性暴雨。暴雨区上空500 hPa副热带高压西北侧西南气流与西北部冷空气交汇，形成有利于暴雨的天气尺度环流背景，中层700 hPa低涡东南象限的水汽输送带向暴雨区输送暖湿气流，造成中低层高温高湿环境，利于对流发生。地面冷锋东移南压，庆城县大暴雨发生在锋前暖区内，属于典型的暖区暴雨，而南部以合水县为中心的暴雨由地面冷锋过境引起，属于锋面降水。

3 降水特征

3.1 24 h降水量

对比庆阳市测站24 h 降水量的历史观测记录发现，2022年7月14日20：00 至15日20：00 共26 个区域站（图2）累积降水量达到建站以来最大值，其中7 站雨量超过250.0 mm，庆城县翟家河站累积雨量达373.2 mm，是建站以来观测最大值，接近甘肃省所有测站历史日降水量极值（2021年8月18日20：00 至19日20：00 镇原闫沟站195.6 mm）的2 倍。另外，庆城县四十里铺、土桥、马岭站和华池阜城、刘家庙、王咀子站24 h 降水量分别达337.4、286.6、272.0、305.8、280.5、279.2 mm，均远超甘肃测站日降水量极值。

图2 2022年7月14日20：00至15日20：00庆阳市累积降水量达建站以来最大值的站点分布Fig.2 The distribution of stations with maximum cumulative precipitation from 20：00 BST 14 to 20：00 BST 15 July 2022 in Qingyang since the establishment of each station

对比这次特大暴雨过程降水量排名前10 的测站建站以来汛期（4—9月）和7月历年平均降水量（图3）发现，所有站点此次过程降水量均超过7月平均降水量，其中王咀子站超过3倍，接近汛期平均降水量的80%，翟家河站和阜城站是7月平均降水量的2倍多，分别占汛期平均降水量的82%和67%，其余各站（刘旗站除外）均超过7月平均降水量的1.4倍，表明此次特大暴雨过程累积降水量大，极端性明显。

图3 2022年7月14—15日庆阳市特大暴雨过程降水量排名前10站点的过程降水量及历年汛期与7月平均降水量Fig.3 The accumulative precipitation on 14 to 15 July 2022 and historical mean precipitation in flood season and July at the top 10 stations in terms of the cumulative precipitation during the severe torrential rain process in Qingyang

图4是此次特大暴雨过程12、6 和3 h 降水量为建站以来同期最大站点降水量分布。可以看出，此次过程有22站12 h降水量达历史同期最大，主要分布于日降水量大值中心，12 h 降水量为100.0～367.9 mm，其中翟家河站12 h雨量最大达367.9 mm；6、3 h 降水量最大分别有15 站和21 站，大多站点以庆城县为中心集中分布，个别站点零散分布，其中翟家河站6 h 最大雨量和马岭站3 h 最大雨量分别为281.2 和195.2 mm。不同时段累积降水量极值站点分布表明，此次特大暴雨过程中强降水中心位置少动，强降水时段相对集中。

图4 2022年7月14日20：00至15日20：00庆阳市12 h（a）、6 h（b）、3 h（c）降水量建站以来同期最大站点降水量分布（单位：mm）Fig.4 The distribution of accumulative precipitation in 12 （a），6 （b） and 3 （c） hours from 20：00 BST 14 to 20：00 BST 15 July 2022 at stations with maximum cumulative precipitation during historical same period since the establishment in Qingyang （Unit：mm）

3.2 降水强度及持续时间

这次特大暴雨过程期间共126 站次短时强降水，且短时强降水与过程累积降水量空间分布高度一致，短时强降水大值中心位于庆城县，另外镇原县和合水县个别站点短时强降水强度也超过70 mm·h-1［图5（a）］，其中庆城县马岭站雨强最大达84.9 mm·h-1，为庆阳市所有测站建站以来第3 强（第1 为2019年7月21日23：00 合水县的刘家庄站90.8 mm；第2 为2021年8月19日00：00 镇原县的闫沟站86.3 mm），庆城县翟家河站最大雨强84.6 mm·h-1，仅次于马岭站。暴雨区短时强降水雨量对总降水量的贡献率普遍为40%～70%［图5（b）］，而庆城县、西峰区、宁县、正宁县西部及环县东南部短时强降水雨量占总降水量的70%以上，部分站点超过90%，强对流性降水是导致极端暴雨的主要原因之一。

此次过程23个区域站最大小时雨量为建站以来最大值，主要位于环县南部、庆城县北部［图5（c）］，极端性特征明显。短时强降水站次数［图5（d）］同样表明，此次特大暴雨过程降水强度强、短时强降水站次多。

图5 2022年7月14日20：00至15日20：00最大小时降水量（a，单位：mm）及其对总降水量的贡献率（b，单位：%）、建站以来最大小时降水量测站（c）分布和最大小时降水量站次数（d）Fig.5 Spatial distribution of maximum hourly precipitation （a，Unit：mm） and its contribution rate to the total precipitation（b，Unit：%） and stations with maximum hourly precipitation since the establishment of station （c），and station numbers occurring maximum hourly precipitation （d） from 20：00 BST 14 to 20：00 BST 15 July 2022

在庆城县中北部特大暴雨区选取24 h 降水量排名前7 的测站，在合水县西部和镇原县东南部选取24 h 降水量排名前10 且小时雨量最大的3 个测站，分析2 个暴雨区降水量逐小时变化特征（图6）。可以看出，庆城县中北部特大暴雨区主要降水时段为15日01：00—09：00，以短时强降水为主，对流性强且持续时间长，累积降水量大；合水县西部和镇原东南部弱降水从14日夜间开始，以稳定性降水为主，小时雨量较小，15日16：00 前后降水强度增强，最大雨强达78.4 mm·h-1，20：00 降水基本结束，强降水期间对流特征明显，但持续时间较短，24 h降水量达暴雨量级。

图6 2022年7月14日21：00至15日20：00庆阳市短时强降水典型代表站逐小时降水量变化Fig.6 The variation of hourly precipitation of short-term heavy rain at the typical representative stations from 21：00 BST 14 to 20：00 BST 15 July 2022 in Qingyang

综上可见，2 个暴雨区强降水时段不同，且维持时间长短不一。庆城县中北部特大暴雨区短时强降水出现时次最多，其中翟家河出现8个时次，刘家庙、王咀子、阜城、四十里铺、土桥各出现6 个时次；合水县西部和镇原县东南部暴雨区普遍出现1～2个时次的短时强降水，明显少于庆城县中北部特大暴雨区［图7（a）］。此次特大暴雨过程庆阳市测站短时强降水持续时长空间分布［图7（b）］与降水强度、短时强降水时次数类似，短时强降水持续时长3 h以上的大值区位于庆城县中北部及环县东南部，其中刘家庙和王咀子站持续时间最长（均达6 h，15日02：00—07：00），表现出极强的对流性降水特征。14 个区域站短时强降水持续时间为建站以来最长［图7（c）］，其中5 站持续时长超过4 h，最长持续时长为6 h，而此前约91%的区域站汛期短时强降水持续时长为1～2 h［图7（d）］，仅个别站点持续时长超过2 h。

图7 2022年7月14日20：00至15日20：00庆阳市短时强降水出现次数（a，单位：次）及持续时长（b，单位：h）、短时强降水为极值的站点（c）及此前短时强降水最长持续时间（d，单位：h）分布Fig.7 The distribution of occurring times （a，Unit：times） and duration （b，Unit：h） of short-term heavy rain and stations with extreme rainfall intensity of short-term heavy rain （c） from 20：00 BST 14 to 20：00 BST 15 July 2022，and the distribution of longest duration of short-term heavy rain before this process （d，Unit：h） in Qingyang

3.3 强降水中心时空演变特征

上述分析表明，这次特大暴雨过程有2 个主要降水时段、2个强降水中心。为了更直观地分析2个强降水中心的时空演变特征，绘制了7月14日21：00至15日20：00 逐3 h 降水量空间分布图（图8）。可以看出，庆城县中北部强降水主要发生在15日凌晨至上午11：00。14日21：00—23：00 庆阳市局部地区仅有微弱降水，3 h 降水量小于20 mm。15日，00：00—02：00 庆城县北部出现50 mm 以上强降水区，至05：00 强降水区范围扩大、降水强度增强，出现3 h 降水量超过60 mm 的2 个强降水中心，分别位于庆城县中北部（最大降水量超过100 mm）和华池县南部；08：00，华池县南部60 mm 以上的强降水中心消失，庆城县中北部强降水区的累积降水量较前一时段变化不大，且100 mm 以上的范围向西扩大，环县东南部累积降水量减小；11：00，庆城县中北部强降水区依旧稳定维持，强降水区的累积降水量为70～80 mm，环县东南部出现40 mm 以上降水区；12：00—14：00，庆城县中北部累积降水量快速减小，降水趋于结束；15：00 之后，庆阳市南部降水开始增强，镇原县东南部出现较大累积降水，最大累积降水量超过60 mm；20：00，降水量大值区向东向南移至合水县西部，西峰县南部、宁县西部也出现40 mm以上的降水区；20：00后，降水迅速减小，庆阳地区降水结束。这进一步表明，庆阳市北部特大暴雨区降水强度更大、强降水中心稳定少动、较强降水持续时间更长，导致该区域24 h 降水量远大于南部大暴雨区。

图8 2022年7月14日21：00至15日20：00 庆阳市逐3 h降水量分布（单位：mm）Fig.8 Spatial distribution of 3-hour cumulative precipitation from 21：00 BST 14 to 20：00 BST 15 July 2022 in Qingyang （Unit：mm）

沿特大暴雨中心（翟家河站，下同）做降水量的时间-空间剖面（图9），发现庆城县特大暴雨中心较强小时降水最先出现在暴雨中心东部，接着向西移至特大暴雨中心并稳定维持，降水强度先后经历了增强、减弱、增强、减弱直至结束的发展阶段；南北方向上降水强度的变化与东西方向相似，强降水中心位置先向北偏移后再向南偏移，但南北偏移幅度很小，较强降水持续期间降水均发生在特大暴雨中心附近，而合水县西部暴雨中心的较强降水随时间快速向南移动。

图9 2022年7月14日21：00至15日20：00逐小时降水量沿36.15°N的经度-时间（a）和沿107.6°E的纬度-时间（b）剖面（单位：mm）Fig.9 The longitude-time section along 36.15°N （a） and latitude-time section along 107.6°E （b） of hourly precipitation from 21：00 BST 14 to 20：00 BST 15 July 2022 in Qingyang （Unit：mm）

为详细了解强降水中心的移动、合并及强度等演变特征，过特大暴雨中心对10 min 降水量分别做经度-时间和纬度-时间剖面（图10）。可以看出，10 min降水量的强降水中心时空演变与逐小时降水量基本一致，强降水中心随时间东西、南北方向摆动，强降水中心降水强度随时间脉动变化，10 min较大量级降水主要发生在特大暴雨中心附近。如15日01：00—09：00，在特大暴雨中心6 mm·（10 min）-1及以上与以下量级降水量随时间间隔出现，脉动特征明显，且10 min 6 mm·（10 min）-1量级以上降水中心在东西方向摆动明显，而10 min 3 mm·（10 min）-1量级降水区东西方向稳定维持。南北方向降水强度随时间的演变与东西方向相同，降水中心位置明显先北移再南移，但南北摆动幅度小。

图10 2022年7月14日21：00至15日20：00逐10 min降水量沿36.15°N的经度-时间（a）和沿107.6°E的纬度-时间（b）剖面（单位：mm）Fig.10 The longitude-time section along 36.15°N （a） and latitude-time section along 107.6°E （b） of 10-minitue precipitation from 21：00 BST 14 to 20：00 BST 15 July 2022 in Qingyang （Unit：mm）

选取24 h降水量大且逐分钟实况降水观测质量高的站点，分析15日00：00—09：00（庆城县北部特大暴雨时段）和15：00—20：00（合水县西部为中心的大暴雨时段）站点逐分钟降水量变化特征。庆城县北部特大暴雨中心降水开始于15日00：30，降水强度快速增大［图11（a）］，1 mm·min-1及以上量级降水持续时间长，最大降水强度出现在03：30—05：00，超过2 mm·min-1；强降水期间，降水强度随时间相间呈现增大、减小现象，脉动变化特征明显。15：00—20：00的降水强度接近00：00—09：00［图11（b）］，但持续时间均较短，平均约1.5 h，18：30 后降水快速减弱。

图11 2022年7月15日00：00—09：00（a）和15：00—20：00（b）典型代表站逐分钟降水量演变Fig.11 Minutely precipitation evolution at typical representative stations from 00：00 BST to 09：00 BST （a） and from 15：00 BST to 20：00 BST （b） on 15 July 2022

4 结 论

本文利用实况降水观测资料及三源融合降水CMPAS 资料，分析了庆阳市2022年7月15日特大暴雨的降水特征及极端性，得到以下结论：

（1）这次特大暴雨过程累积降水量大，局地性强，2 个暴雨中心分别位于庆城县北部和合水县西部。其中，7个区域站24 h降水量超过250.0 mm，翟家河过程累积降水量达373.2 mm，是甘肃省所有国家站日降水量观测极值的近2 倍；26 个区域站24 h降水量达建站以来最大值，极端性明显。

（2）特大暴雨过程对流性特征明显，小时雨强大，短时强降水持续时间长。15日凌晨至上午以对流性降水为主，最大雨强达84.9 mm·h-1，是庆阳市所有站点建站以来第3强，环县南部、庆城县中北部等地区23 个区域站小时雨强达建站以来最大。短时强降水最多达8 时次，最长持续6 h，为庆阳市所有站点建站以来短时强降水最长持续时长。

（3）强降水中心长时间稳定维持在庆城县中北部及环县东南部，6 mm·（10 min）-1量级以上降水中心在东西方向摆动明显，南北方向先北移后南移，但摆动幅度均不大，较大量级降水集中于特大暴雨中心附近；合水县西部小时降水量大，但持续时长短，累积降水量小于庆城县北部。暴雨中心降水强度随时间演变有明显脉动特征。