1. 引言
短时强降水(降水量 ≥ 20 mm/h)作为强对流天气之一，具有移动迅速、强度大而集中等特点，通常会造成城市内涝、山体滑坡、泥石流等气象衍生灾害 [1] 。
很多学者从不同角度对短时强降水进行大量研究，分析其发生发展规律，建立短时强降水概念模型 [2] - [7] ，提取相关物理量指标等。研究表明短时强降水的分布及强度由切变线的断裂、高低空急流、副热带高压位置等综合配置来决定 [7] [8] 。许东蓓等 [4] 基于强对流产生的动力学原理，依据主要影响因素的差异，将西北地区强对流分为高空冷平流强迫类、低层暖平流强迫类和斜压锋生类。何钰等 [5] 基于“配料法”建立云南短时强降水预报概念模型，研究结果表明高空冷平流类关注点为高空强烈干冷平流和大风；低层暖平流类需关注季风槽和孟加拉湾低压；斜压类重要特征则为地面锋面。张武龙等 [9] 研究发现，平衡高度是区分短时强降水极端与否的关键。朱平等 [10] 研究发现河谷地形对对流移动和传播路径有重要作用。
化隆地区位于青海省东部，地形破碎复杂，境内生态环境脆弱，气象灾害种类多，发生频率高，强度大，极具偶然性和突发性。本文以县域为研究范围，从分区域、分时段、分强度方面入手，针对2018~2023年化隆地区短时强降水天气过程，总结其发生发展规律，使气象服务针对性更强，精准性更高，为政府部门决策依据提供有力支撑。
2. 资料与方法
利用2018~2023年化隆地区国家站以及区域自动气象观测站小时降水实况数据以及高低空常规观测资料进行研究。运用数理常规统计方法进行短时强降水次数统计：同一测站当天出现多次短时强将水时，次数进行累加；同一乡镇相邻多个测站同时次出现短时强降水时，按一次进行统计。采用天气学分析方法，应用“配料法”中尺度分析技术 [11] ，基于西北地区三种强对流天气形势配置建立相应概念模型。
对流云的强度按照Clark分级方法 [12] ，按云顶TBB (辐射亮温)值分为4个等级：一般性对流云，TBB强度为−54℃~−32℃；伴有雷暴的较强对流云，TBB强度为−64℃~−54℃；穿越对流层顶的强对流，TBB强度为−80℃~−64℃；极强对流，TBB强度 ≤ −80℃。
3. 特征分析
3.1. 时间特征分析
短时强降水平均每年出现7次，2018~2022年化隆地区短时强降水呈增长趋势(图1(a))，2023年相比于2022年略有下降。年变化呈双峰型，第一峰值出现在2019年(6次)，第二峰值出现在2022年(15次)，第二峰值出现突增现象。
经统计，1小时降水量在20~30 mm之间占比76%，30~40 mm之间占比14%，40 mm及以上占比10%，其中大于30 mm的短时强降水主要分布在化隆地区中部。小时降水量极大值呈双峰型，第一峰值出现在2018年(31.4 mm)，第二峰值出现在2023年(49.7 mm)，强度从2020年开始呈增长趋势，2022年小时降水量突破40 mm，近两年极端值出现的概率增大。
短时强降水的次数以及强度的增大除受到全球气候变暖的大背景影响之外，还有可能受到城市化进程的影响。城市化不断加快的进程使得下垫面物理属性发生变化，人口、车辆密集度增加，人为热源为短时强降水的发生发展提供了一定的能量，排放的污染颗粒也为短时强降水提供凝结核 [3] [13] 。结合化隆地区人口密集区的分布及短时强降水逐年的分布(图略)，2022~2023年短时强降水中心出现南移现象，与城市发展和人口密集区有较好的对应关系。
6~9月短时强降水发生的次数以及降水量均呈单峰型，峰值出现在8月，出现这一现象的原因与副热带高压和伊朗高压等系统的活动相关，7月中旬前后副热带高压第二次北跳完成，脊线位于25˚~30˚N，受副热带高压影响，青海东部一般出现暴雨天气 [14] [15] 。伊朗高压引导西风带低槽或冷空气东移南下时，造成青海东部强对流天气 [15] 。
化隆地区短时强降水具有明显的日变化特征，午后至夜间为高发期且更容易出现小时降水量极端值，05时、18~19时、22时均为短时强降水高发时段，其中05时和18时出现降水极端值的频次高于其他时段。午后以及夜间出现短时强降水的占比分别为38%和60%，具有明显“巴山夜雨”降水特点。
(a) 
(b) 
(c)
Figure 1. Characteristics of annual (a), monthly (b), and daily (c) variation of the short-time heavy precipitation from 2018 to 2023
图1. 2018~2023年短时强降水年(a)、月(b)、日(c)变化特征
3.2. 空间特征分析
化隆地区短时强降水主要发生在中西部(图2(a))，空间分布与地形关系密切。化隆地区为东开口喇叭口地形，县域内多南北向分布的山脉，以中部地区最多，南部为黄河河谷，地形落差大，地势复杂。降水前，河谷地带风向转变，低层通常为东风或东南风，受南北向山脉地形阻挡作用，气流被迫爬坡，强迫抬升作用明显；夜间河谷降温慢，山风与东部倒灌的冷空气形成辐合，触发不稳定能量释放，形成强对流天气，由此可见，山风与夜雨的形成关系密切。结合时空分布特征和特殊地形，午后化隆地区短时强降水多发生于山脉迎风坡一侧，夜间多发生于河谷一带。
6~8月短时强降水范围呈逐月增加趋势(图2(b)~(d))，8月短时强降水的范围以及强度均达到最大。相比于6月，9月短时强降水的分布有西移现象(图2(e))。
4. 概念模型
4.1. 高空冷平流强迫类
4.1.1. 概念模型
高空冷平流强迫类是西北地区三类强对流天气型较常出现的一种，6~8月均可出现，主要集中在8月。此类天气型500 hPa中纬地区表现为短波槽携带干冷空气东移南下，青海东部地区位于副热带高压外围西南气流中，地面为西北风与偏东风的辐合(图3)。此类天气形势高低层水汽充沛，湿层深厚，一般从低层可延伸至400 hPa以上，地面露点温度可达16℃以上且持续时间较长。
Figure 3. Conceptual model of upper cold advection forcing weather
图3. 高空冷平流强迫类天气概念模型
4.1.2. 典型个例
2022年8月21日夜间，化隆地区出现强降水天气，单站出现大暴雨(73.7 mm)，一小时非整点降水量55.5 mm，具有明显的极端性和局地性特征。
分析高低层水汽条件，21日08时，500 hPa南疆为干区，下游青海省东部为湿区，700 hPa青海东北部–甘肃南部–内蒙古中部为大范围饱和区；化隆地区地面露点温度为14℃。20时，500 hPa干区东移南压至河西走廊西部，范围扩大，700 hPa湿区范围扩至河西走廊中部，西宁地区持续处于饱和状态，化隆地区地面露点温度增大至16℃。20时西宁探空图湿层从低层延伸至400 hPa以上，低层风向转变为一致的偏东风，风速增大至8~12 m/s，水汽输送明显。
21日08时，西宁地区CAPE为 ≥ 645.4 J/kg，早晨具备一定不稳定能量，利用14时西宁地区温度对08时探空图进行订正，CAPE值增大至2736 J/kg，形态为细长型，中低层温差(ΔT75)为11.2℃，至20时增加3.5℃。08时高低空青海东北部地区温度场分布一致，均由暖脊控制，20时转为冷槽控制。降水发生前0~6 km垂直风切变增大(22.0 m/s)，属于强深层垂直风切变，有利于对流较长时间维持发展。
21日20时红外云图显示青海东北部在副热带高压外围短波槽前区域形成结构紧密的带状云系。21~23时，带状对流云系在旋转东移南压过程中逐渐形成MCC (中尺度对流复合体)，化隆地区位于TBB低值中心，持续两个时次出现短时强降水，其中21时短时强降水发生在TBB梯度大值区，而22时短时强降水发生在TBB ≤ −85℃覆盖区域。根据Clark对流云强度分级，此次为极强对流。
4.2. 低层暖平流强迫类
4.2.1. 概念模型
低层暖平流强迫类主要集中在8月。此类天气型500 hPa中纬地区西风气流多波动，青海整体受副热带高压控制，高温高湿特征明显；700 hPa内蒙古中部沿河西走廊有暖式切变线生成，化隆地区位于暖式切变线以南的东风气流中；地面为低压控制(图4)。
Figure 4. Conceptual model of low-level warm advection forcing weather
图4. 低层暖平流强迫类天气概念模型
4.2.2. 典型个例
2022年8月9日夜间，化隆地区出现强降水天气，单站出现暴雨(60.0 mm)，一小时非整点降水量49.6 mm，局地性和极端性突出。
9日08时，500 hPa新疆东部–内蒙古中部温度露点差在19℃以上，青海东北部为湿区，700 hPa河西走廊中部青海东北部处于饱和区；地面化隆地区露点温度为12℃。20时，500 hPa干区范围东移，西宁地区依旧处于饱和状态，700 hPa河西走廊中部–西宁地区为湿区，地面化隆地区露点温度增加至14℃。20时西宁探空图湿层从中层延伸至400 hPa，低层湿层浅薄，风向由西风转变为一致偏东风，风速为4~6 m/s，利于水汽输送。9日08时，西宁探空图CAPE值为517.4 J/kg，经订正后CAPE值增大至2098.2 J/kg，呈细长型，中低层温差为13℃，20时温差增加至16.6℃。08~20时，高低层青海东北部地区温度场分布一致，均为暖区控制。0~6 km垂直风切变属于中等强度，有利于对流风暴的高度组织化。
9日14时，地面强烈升温，除柴达木盆地外，青海地区对流云系多点散发，并沿副热带高压外围气流顺时针旋转，移动过程中，强度不断增强，结构趋于紧密，逐渐由带状转为片状和团状云。20时，青海湖西北部形成MCC，沿副热带高压北侧西北气流东移南压。10日01时，MCC位于湟源、湟中、贵德三县交界处，TBB中心强度−81℃，化隆地区处于TBB梯度大值区，西部地区连续两个时次出现短时强降水。根据Clark对流云强度分级，这是一次极强对流。
4.3. 斜压锋生类
4.3.1. 概念模型
斜压锋生类主要发生在9月，500 hPa低涡位于乌拉尔山，底部分裂短波槽不断东移南下影响青海东部地区，化隆地区位于副热带高压北侧短波槽前；700 hPa河西走廊及青海北部处于强锋区，青海东部位于两高之间的切变，西北气流与西南气流在青海省东部形成辐合，地面配合有冷锋以及辐合线(图5)。
Figure 5. Conceptual model of baroclinic frontophytic weather
图5. 斜压锋生类天气概念模型
4.3.2. 典型个例
2019年9月12日凌晨，化隆地区出现强降水，最大降水量为49.9 mm，短时强降水强度29.1 mm。
11日20时，500 hPa青海省东北部温度露点差为21℃，700 hPa北疆地区–河西走廊西部为饱和区，地面化隆地区露点温度为9℃。12日08时，高低层青海东北部均处于饱和湿区；地面露点温度增大至12℃。西宁探空图湿层从低层延伸至500 hPa附近，低层为东南风，风速较小，为2 m/s。12日08时，CAPE值为65 J/kg，中低层温差为12.9℃。500 hPa、700 hPa温度场分布一致，上游河西走廊西部为深厚冷温槽，河西走廊中东部为明显温度脊。0~6 km垂直风切变偏弱(7.2 m/s)。
11日20时新疆北部至贝加尔湖为高空槽前大尺度带状云系，青海南部、海西东部以及青海湖附近有中尺度团状对流云系。12日03时，果洛地区对流云团随副热带高压西侧偏南引导气流北上至青海湖东南部。06时，形成孤立圆形对流云团，位于海东中南部。08时，对流云团继续北上，TBB中心强度为−50℃，强度较前一时次减弱，结构趋于松散呈片状，化隆地区位于对流云系南部边缘，短时强降水开始。根据Clark对流云强度分级，这是一般性对流云。
5. 结论与讨论
针对2018~2023年化隆地区短时强降水，进行时空分布特征分析，同时依据西北地区强对流天气形势，选取2022年8月21日、2022年8月10日、2019年9月12日三次典型短时强降水天气过程，从水汽、各类参数、云图特征等方面分类研究，建立化隆地区短时强降水天气概念模型。通过研究，得出以下结论：
1) 2018~2023年化隆地区短时强降水及极端值呈增长趋势；8月份为短时强降水的高发期；短时强降水更容易出现在午后至夜间；05时、18~19时、22时为短时强降水高发时段，其中05时、18时易出现降水极端值。
2) 短时强降水主要分布在化隆地区的中西部，其中中部地区短时强降水的强度和发生频次大于西部地区，空间分布与地形关系密切，喇叭口效应、迎风坡效应显著。
3) 通过水汽特征可以初步将高空冷平流强迫类与其余两类天气型做出区分。8月更容易出现高空冷平流强迫类和低层暖平流强迫类强降水，对流云强度通常为极强对流云；斜压锋生类主要出现在9月。
4) 细长型CAPE为典型降水特征，配合中等偏强垂直风切变，造成的短时强降水局地性更强，然而CAPE数值大小与小时降水量无明显指示意义。