1951—2017年榆林市區(qū)夏季降水量年際變化特征分析

蘇進(jìn)飛,高雪嬌

(1.32211部隊(duì)，陜西榆林 719006 ；2.榆林市氣象局，陜西榆林 719000 )

榆林地區(qū)位于陜西省的最北部，黃土高原和毛烏素沙地交界處，屬于溫帶半干旱氣候區(qū)，年平均降水量600 mm以下，其中夏季降水量占全年50%以上[1-2]，且主要集中于7—8月[3]。盡管陜北區(qū)域性的暴雨或大暴雨出現(xiàn)較少，但是近年來(lái)榆林夏季短時(shí)暴雨出現(xiàn)頻次增多，給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了嚴(yán)重影響[1, 4]。因此，陜北榆林地區(qū)的大雨或暴雨特征及其成因的研究得到了越來(lái)越多的學(xué)者的關(guān)注。低層高溫高濕的環(huán)境和高空急流的抽吸作用是形成陜北強(qiáng)對(duì)流天氣的環(huán)流背景，但是在不同類型的暴雨事件中，部分環(huán)境參數(shù)也會(huì)有著明顯的不同[4-6]。2013年7月21—22日和2014年7月8—9日兩次陜北暴雨與高低空急流關(guān)系密切，暴雨帶位于低空急流左側(cè)的水汽輻合區(qū)[7-8]。2017年7月26日和8月22日榆林兩次暴雨過(guò)程都與高低空急流密切相關(guān)，但是前者有冷空氣卷入，而后者鋒面作用顯著[5, 9]。這些關(guān)于暴雨特征及其成因的分析均為個(gè)例分析，而關(guān)于榆林夏季降水的年際變化特征的研究相對(duì)較少。統(tǒng)計(jì)分析表明：榆林全市平均每年出現(xiàn)致災(zāi)暴雨3.5次，在地域上呈南部多于北部、東部多于西部的分布特征[10]。本文基于榆林國(guó)家基本氣象觀測(cè)站多年觀測(cè)數(shù)據(jù)和大氣再分析資料對(duì)榆林市區(qū)(以下簡(jiǎn)稱榆林)夏季降水變化特征進(jìn)行深入的分析，旨在加深對(duì)榆林夏季降水長(zhǎng)期變化及環(huán)流特征的了解和掌握。

1 資料與方法

利用1951—2017年榆林國(guó)家基本氣象觀測(cè)站夏季逐日降水觀測(cè)資料、美國(guó)氣象環(huán)境預(yù)報(bào)中心和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCEP/NCAR)逐月大氣再分析資料(分辨率為2.5°×2.5°)的水平風(fēng)場(chǎng)、位勢(shì)高度場(chǎng)和比濕場(chǎng)資料，統(tǒng)計(jì)分析榆林夏季降水變化特征，采用Morlet小波變換分析榆林夏季(6—8月)降水的周期性特征，應(yīng)用合成分析方法對(duì)榆林降水異常年的降水、環(huán)流和水汽輸送進(jìn)行診斷分析，使用t檢驗(yàn)對(duì)合成結(jié)果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

定義日降水量≥0.1 mm為一個(gè)降水日，降水日數(shù)為某時(shí)段內(nèi)的降水總?cè)諗?shù)。降水頻次分無(wú)連續(xù)降水和有連續(xù)降水兩種情況分別統(tǒng)計(jì)，若時(shí)段內(nèi)無(wú)連續(xù)降水日，降水頻次即為降水日數(shù)；若連續(xù)幾日均出現(xiàn)0.1 mm以上降水，則視為一次降水過(guò)程，降水日數(shù)即為不連續(xù)降水日數(shù)與連續(xù)降水過(guò)程次數(shù)之和。本文統(tǒng)計(jì)時(shí)段為夏季(6—8月)。

2 夏季降水年際變化特征

2.1 降水量年際變化

圖1給出了1951—2017年榆林夏季降水量的時(shí)間序列，可見明顯的年際和年代際變化。夏季平均降水量247.5 mm，降水量標(biāo)準(zhǔn)差為96.4 mm。

各個(gè)年代降水距平百分率分別為：0.5%、9.7%、-13.3%、-6.0%、-17.5%、-2.9%、25.5%。20世紀(jì)70年代之前為多雨期，70年代進(jìn)入少雨期，這與鄭金風(fēng)和孫虎[2]研究指出榆林夏季降水在1985年之前存在一個(gè)降水偏多～偏少的20 a時(shí)間尺度的周期震蕩是一致的。80年代后呈現(xiàn)較為緩和的波動(dòng)變化，但直至21世紀(jì)初總體處于少雨期。21世紀(jì)10年代降水有增多趨勢(shì)，進(jìn)入多雨期。

1951—2017年，榆林夏季平均降水量247.5 mm，其中正距平27 a，負(fù)距平40 a。2016年降水量最多，為516.0 mm，正距平百分率為52%，達(dá)到最大，且正距平百分率大于等于50%的僅此1 a。負(fù)距平百分率小于等于-50%的共有15 a，其中小于等于-200%的有3 a(1952、1965和1999年)。1952年降水量最少，僅為62.1 mm，負(fù)距平百分率為-299.2%。最多年降水量較最少年偏多7.3倍，可見榆林夏季降水年際差異非常大。

圖1 1951—2017年榆林夏季降水量年際變化

對(duì)榆林夏季降水量作Morlet小波變換，如圖2。在年代際變化上，無(wú)明顯周期特征。在年際變化上，60年代存在顯著的3 a左右的變化周期，1985—2005年存在顯著的8 a左右的變化周期。

圖2 1951—2017年榆林夏季降水量小波分析功率譜(陰影區(qū)；散點(diǎn)區(qū)域表示通過(guò)α=0.1顯著性檢驗(yàn)；圖中曲線為影響錐曲線)

2.2 降水日數(shù)和降水頻次的年際變化

夏季降水量的多少與降水日數(shù)、降水頻次和降水強(qiáng)度有關(guān)，本文主要分析降水日數(shù)及頻次變化。圖3給出了1951—2017年榆林夏季總降水日數(shù)、大雨及以上(≥25 mm/24 h)降水日數(shù)和暴雨及以上(≥50 mm/24 h)及以上降水日數(shù)的年際變化圖。可以看到這三類降水日數(shù)都存在明顯的波動(dòng)變化。年平均總降水日數(shù)為30 d，最多有48 d(1956年)，最少僅有18 d(1972年)。大雨及以上降水日數(shù)年平均2.6 d，最多有6 d(出現(xiàn)4 a，頻率5%，分別為1959、2002、2016和2017年)，最少0 d(出現(xiàn)7 a，頻率10%，1952、1965、1969、1983、1999、2000和2015年)，頻率最高為2 d(25%)，其次為3 d(22%)。暴雨及以上降水日數(shù)年平均0.64 d，最多3 d(出現(xiàn)2 a，頻率3%，2016和2017年)，最少0 d(出現(xiàn)38 a，頻率57%，最長(zhǎng)1952—1957年連續(xù)6 a無(wú)暴雨)。

圖3 1951—2017年榆林站夏季降水日數(shù)年際變化

圖4給出了1951—2017年榆林夏季總降水頻次、大雨及以上降水頻次和暴雨及以上降水頻次的年際變化，這三類降水的頻次都存在明顯的波動(dòng)變化：總降水頻次平均16.5次/a，最多24次(1992年)，最少9次(1997年)；大雨及以上降水頻次平均2.3次/a，最多5次(出現(xiàn)6 a，頻率9%)，最少0次(出現(xiàn)7 a，頻率10%)，頻率最高的是2次(32%)；暴雨及以上降水頻次平均0.63次/a(僅2012年出現(xiàn)1次連續(xù)2日的暴雨)，最多的3次(出現(xiàn)2 a，頻率3%)，最少的0次(出現(xiàn)38 a，頻率57%)。

圖4 1951—2017年榆林夏季降水頻次年際變化

分別統(tǒng)計(jì)榆林夏季降水量與降水日數(shù)、降水頻次的相關(guān)系數(shù)(表1)，發(fā)現(xiàn)夏季降水量與降水日數(shù)較與降水頻次的相關(guān)更為密切，與大雨及以上降水日數(shù)和頻次相關(guān)最顯著，對(duì)榆林夏季降水量的年際變化有主要貢獻(xiàn)。

表1 1951—2017年榆林夏季降水與降水日數(shù)、降水頻次的相關(guān)系數(shù)

3 榆林夏季降水異常的大氣環(huán)流特征

上述分析表明榆林夏季降水量存在顯著的年際變化。根據(jù)榆林夏季降水時(shí)間序列(圖1)，以1倍標(biāo)準(zhǔn)差為標(biāo)準(zhǔn)，以正距平多于1倍標(biāo)準(zhǔn)差為正異常年，以負(fù)距平多于1倍標(biāo)準(zhǔn)差為負(fù)異常年(見表2)。應(yīng)用合成分析法(正異常年與負(fù)異常年之差)診斷榆林夏季降水異常時(shí)所對(duì)應(yīng)的環(huán)流異常。

表2 1951—2017年榆林夏季降水正、負(fù)異常年份

3.1 位勢(shì)高度場(chǎng)特征

榆林夏季降水異常年的位勢(shì)高度合成分析(正異常年平均值減去負(fù)異常年平均值)發(fā)現(xiàn)，500 hPa中高緯度中亞到貝加爾湖南為大片負(fù)異常區(qū)(圖5a，見第33頁(yè))，有一值為-12 gpm的負(fù)異常中心，伊朗高原和亞州大陸東岸分別有一正異常中心，表明榆林夏季多雨年貝加爾湖附近低槽活躍，副高偏強(qiáng)偏北，相應(yīng)的100 hPa高度合成分析顯示伊朗高原和我國(guó)大陸東部分別有20 gpm和28 gpm的正異常中心，顯示南壓高壓的強(qiáng)度偏強(qiáng)(圖5b，見第33頁(yè))。

3.2 風(fēng)場(chǎng)和水汽特征

榆林夏季降水異常的700 hPa風(fēng)場(chǎng)合成分析發(fā)現(xiàn)，我國(guó)西北地區(qū)的40°N有明顯的西風(fēng)異常區(qū)(圖6a)，孟加拉灣有弱的偏南風(fēng)，我國(guó)大陸東部有一異常的反氣旋環(huán)流，并在四川盆地到河套形成一支異常的偏南氣流，這支偏南氣流為地處河套北部的榆林市輸送了充足的水汽，并形成了河套北部的高比濕中心。700～300 hPa水汽積分顯示(圖6b)，高原東側(cè)的四川盆地到河套北部，有一支明顯的偏南氣流的水汽輸送，并在河套地區(qū)形成水汽通量的輻合區(qū)。

4 小結(jié)

(1)榆林夏季降水存在明顯的年際和年代際變化特征。年代際變化無(wú)顯著周期；年際變化上，20世紀(jì)60年代存在顯著的3 a左右的變化周期，1985—2005年存在顯著的8 a左右的變化周期。

(2)榆林夏季降水量年際變化與降水日數(shù)相關(guān)最為密切，與降水頻次的相關(guān)性略低。榆林夏季降水變化主要與大雨及以上降水日數(shù)和頻次有關(guān)。

圖5 榆林夏季降水異常年的合成場(chǎng)(a為500 hPa，b為100 hPa，單位為gpm；陰影區(qū)域表示通過(guò)α=0.1顯著性檢驗(yàn))

圖6 榆林夏季降水異常年合成的700 hPa水平風(fēng)場(chǎng)(矢量，m/s)和比濕(彩色，g/kg)場(chǎng)(a)，700～300 hPa水汽通量(矢量，kg/(m·s)))及其散度(彩色，kg/(m2·s)))分布(b)

(3)榆林夏季降水異常與區(qū)域大氣環(huán)流變化有密切關(guān)系，當(dāng)南亞高壓偏強(qiáng)，西太平洋副熱帶高壓偏強(qiáng)、偏北，高原東側(cè)對(duì)流層低層偏南氣流偏強(qiáng)，榆林市夏季大雨、暴雨等強(qiáng)降水的頻次較多，因而榆林夏季降水易偏多。