陜西省春季異常多(少)雨的環流信號研究

田武文，王 越

(陜西省氣候中心，西安 710014)

陜西省春季異常多(少)雨的環流信號研究

田武文，王 越

(陜西省氣候中心，西安 710014)

利用1961—2012年陜西省春季(3—5月)月降水量，選取14個代表站，將各月降水量排序，按百分位選取測站異常多(少)雨的月份；選取至少3站及以上能反映區域性降水異常的樣本，作為陜西省春季月降水異常的樣本，分析表明這些異常降水樣本能夠代表陜西春季各月多(少)雨月份。利用NCEP再分析資料，分析異常多(少)雨月份的同期環流信號，發現陜西春季異常多(少)雨月份的系統配置相反。在異常多雨年，25°N～50°N、70°E～135°E的廣泛區域距平場出現東高西低的環流特征；在異常少雨年，該區域距平場呈現西高東低的環流特征。根據上述特征，建立陜西省春季異常多(少)雨月的環流預報模型，分析了該模型的物理意義。由于模型為同期環流模型，分析了氣候預測業務中異常多(少)雨月份的預報著眼點。并以2013年3月、5月為例，說明該研究可以用于預測業務。

異常多(少)雨；環流信號；關鍵區指標；預報著眼點

隨著氣候數值模式預測能力的提高，使用像天氣預報圖或者實況天氣圖一樣的直觀業務工具幫助預報員判斷未來的降水和氣溫趨勢成為業務發展的趨勢。此類業務工具的建立依賴于對造成當地多(少)雨的大氣環流信號物理機制的認識。氣候工作者對多(少)雨的環流特征進行了多側面的診斷研究[1]。例如，用多雨年份的個例分析多雨期的同期環流特征[2-7]及前期環流特征[8]；用一組區域旱、澇個例分析平均環流的異常特征[9-13]，研究單一環流特征量與區域旱澇的關系[14-15]，以及非絕熱加熱與降水的關系等等[16-18]。

然而，由于大氣環流演變的復雜性，非絕熱加熱對環流演變的強迫作用，以及氣候數值模式的預測能力等等所限制，利用環流信號解釋多(少)雨的工具至今仍然較少。從春季(3—5月)測站降水異常多(少)雨月份的定義出發，選定了陜西省春季異常多(少)雨月份的20個個例，通過分析異常多(少)雨月份所對應的同期500 hPa月平均環流形勢特點，總結出判別陜西省春季異常多(少)雨月份的客觀指標，試圖建立陜西省春季異常多(少)雨年的環流特征、物理解釋、信號判別及其演變過程。

1 陜西省春季降水異常

1.1 春季降水異常的定義

利用1961—2012年陜西省春季(3—5月)月降水量，選取14 個觀測站(榆林、定邊、綏德，延安、洛川、銅川、寶雞、武功、咸陽、臨潼、渭南、漢中、安康、商洛)作為代表站。

春季單站降水異常的定義。由于陜西南北狹長，氣候特征涵蓋亞熱帶半濕潤氣候區到干旱氣候區，南北降水量均值及其方差差異大，難以用統一的降水距平百分率定義，因此采用月降水量排位確定單站降水異常。方法是月降水量排位序列的前三位和后三位確定為該測站的異常多(少)雨月份。即異常多(少)雨的樣本各占5.8%。

陜西省春季降水異常的判斷。選取能反映區域性降水(3站及以上且成片)異常的樣本，作為陜西省春季月降水異常的樣本。

1.2 異常降水月份的全省代表性

按照定義，從所有樣本中共選出20個樣本(表1)。

表1 陜西省春季降水異常樣本

從表1可以看出，春季各月異常多(少)雨樣本數分別為6個、7個、7個。異常樣本占總樣本數的13%。從樣本的代表性來看，無論異常多(少)雨出現在哪個區域，均能代表陜西全省為多雨月和少雨月。尤其是異常少雨年，春季共有11個樣本，其中10個樣本為全省一致降水偏少月；5月的3個異常多雨月均為全省一致降水偏多。從異常多(少)雨樣本的年代際分布看，20世紀60年代和90年代為異常多(少)雨的多發年代，占異常樣本總數的60%。

2 春季異常多(少)雨的環流信號

2.1 資料及其說明

利用所選樣本對應的500 hPa月平均高度距平場(取自NCEP2.5°×2.5°再分析資料)，計算距平統一使用的多年平均值采用1981—2010年的平均值。利用降水異常月份的月平均環流場分析造成異常多(少)雨年的環流信號。

春季(3—5月)位于“6月突變”之前，雖然環流逐步向夏季轉變，但各月的轉變只是量的改變，尚未達到質的轉變，期間的降水也以穩定性降水為主，因此對于地處中緯度的陜西，從各月環流異常的角度嘗試設定統一標準比較分析異常多(少)雨的環流信號。

2.2 異常多(少)雨月份的環流特征

將所有樣本分為異常多、異常少雨兩類，分析其共性。發現，異常多(少)雨年，影響降水的環流形勢特征相似，但系統位置的配置相反。異常多雨年，在25°N～50°N、70°E～135°E的區域范圍內距平場出現東高西低的環流特征；異常少雨年，上述區域距平場則呈現西高東低的環流特征。

在上述區域的北部關鍵區內(40°N～50°N、70°E～135°E)，通常會出現兩個異常正負(或負正)距平中心，分別位于80°E和130°E附近。在南部關鍵區內(27.5°N～37.5°N、90°E～125°E)，多雨年距平場呈現為西低東高形勢，少雨年為西高東低形勢，且表現形式各異。也有的多(少)雨樣本，西部為負(正)距平、東部為正(負)距平；有的樣本，則是只有一側出現正(負)距平中心，另一側距平不明顯；甚至有的樣本關鍵區內整體為正距平或整體為負距平。雖然表現形式各異，但多雨樣本為東高西低、少雨樣本為西高東低的形勢特征卻是一致的。

2.3 環流形勢判定的共性指標

通過分析，陜西省春季異常多(少)雨的共性指標為2個，分別為南部關鍵區指標和北部關鍵區指標。北部關鍵區：選取45°N～50°N、75°E～85°E區域作為關鍵區1，40°N～45°N、125°E～135°E區域作為關鍵區2，對20個樣本進行分析(表2)。

表2 陜西省春季異常多(少)雨北部關鍵區500 hPa平均位勢高度距平 gpm

異常少雨指標：①1區gt;10 gpm; ②2區lt;10 gpm ; ③1區-2區gt;35 gpm。異常多雨指標：①1區lt;10 gpm; ②2區gt;10 gpm; ③1區-2區lt;-35 gpm。3項條件滿足2項，即可判定是否出現異常多(少)雨。根據判別標準， 對20個樣本分別進行判別，18個樣本可以正確判別，1個無法判別(1967年3月)，一個錯判。錯判樣本為1962年4月。500 hPa月平均環流距平圖上，其北部關鍵區東部沒有正距平中心，西部負距平區已經南壓至35°N附近，多雨區應出現在陜西以南。

南部關鍵區：選取27.5°N～37.5°N、90°E～95°E區域作為關鍵區1，27.5°N～37.5°N、120°E～125°E區域作為關鍵區2，對20個樣本進行分析(表3)。

表3 陜西省春季異常多(少)雨年南部關鍵區500 hPa平均位勢高度距平 gpm

1區-2區gt;10 gpm，為異常少雨。1區-2區lt;-10 gpm，為異常多雨。根據判別標準，對20個樣本進行判別，19個樣本可以正確判別，一個無法判別(1962年4月)，無錯判樣本。

利用兩組指標聯合判別，只要一組指標無法判別，就確定為無法判別個例。在20個樣本中，有18個為正確判別，2個無法判別，無錯判個例。

3 預報模型的物理解釋

在多雨時段，北部關鍵區的西部(巴爾喀什湖附近)為負距平中心，形成冷空氣積聚源地，有利于冷空氣分裂南下影響陜西；東部(中國東北到日本海)為正距平中心，既有利于對西風帶系統移動起到阻滯作用，形成穩定少動的東高西低環流形勢，又有利于西部負距平中心分裂的冷空氣經向活動加強。雖然每次分裂南下的冷空氣，其強度、影響范圍、時間尺度不同，但受穩定少動的環流形勢場的限制，使冷空氣活動路徑大部以相近的形式南下影響陜西。與之同時，在南部關鍵區域也存在東高西低的距平分布，相當于在平均環流的基礎上疊加了一個南風引導氣流增量，引導低層暖濕氣流輸送至37.5°N以北。該形勢下偏南氣流強于氣候平均值，促使陜西省異常多雨所需要的低層暖濕引導氣流增強。因此，南北兩個關鍵區的形勢配合，使得陜西省月尺度降水量出現區域性異常偏多。

在少雨時段，北部關鍵區的西部為正距平中心，形成新疆暖高壓脊，造成影響陜西的冷空氣勢力偏弱；東部為負距平中心，有利于北方南下的冷空氣沿脊前氣流迅速東移，對陜西影響較小。由于東部切斷低壓穩定少動，形成了穩定的西高東低環流形勢。同時，南部關鍵區為西高東低的距平分布，這種分布致使高層偏北(干冷)氣流增強，使得輸送到陜西上空的偏南(暖濕)氣流小于歷年氣候均值。

上述環流形勢預測模型，是異常多(少)雨發生時的同期平均環流形勢。在氣候業務預測中如何應用上述模型，有兩個預報著眼點。一是著眼于月尺度氣候預測結果。月尺度氣候模式5 d滾動一次，可在環流預測結果穩定的情況下，通過預測結果判定南北兩區域是否會出現異常多(少)雨的距平場分布，用于定性判斷陜西春季月尺度降水是否異常。二是著眼于500 hPa實況旬平均環流的演變趨勢。在北部關鍵區的巴爾喀什湖附近負距平中心和日本海附近正距平中心的形成，南部關鍵區出現東高西低的距平場分布，預示后期陜西省將進入多雨時段。反之，預示后期陜西省將進入少雨時段。

兩個預報著眼點為預測陜西省春季月降水異常提供了一幅物理圖像：在春季各月，通過判別后期形成范圍廣泛的東高西低(西高東低)形勢，作為判斷陜西春季各月異常多(少)雨月份形勢的征兆。

4 應用實例

4.1 實例

2013年3月陜西省降水異常偏少，全省平均降水量僅為1.7 mm，為1961年以來3月降水最少的一年。5月降水量又異常偏多，全省平均降水量為109.1 mm，與常年同期比較偏多77%，其中關中南部、陜南東部偏多1～2.3倍。

4.2 客觀指標

利用實況資料套用指標分析表明，3月和5月分別滿足異常少雨年、異常多雨年的標準(表4)。

表4 2013年春季3月和5月指標驗證

4.3 同期環流形勢

從2013年3月500 hPa平均環流的異常分布圖(圖1)看，北部指標表現為：巴爾喀什湖附近到新疆北部為正距平中心，中國東北到日本海附近為負距平中心。南部指標：均為正距平，但存在西高東低，南北部指標均滿足異常少雨的條件。

從5月500 hPa平均環流的異常分布圖(圖2)看，北部指標表現為巴爾喀什湖北側為負距平中心，日本海附近為正距平中心；南部指標從圖中尚不能確定。

圖來源于NCEP/NCAR網站，氣候均值使用1981—2010年的平均值，下同

4.3 陜西異常降水環流信號的形成過程

將3月和5月異常降水環流信號的形成過程以圖示的方式列出。動態信號通過500 hPa的10 d實況滑動平均異常圖給出。

圖2 2013年5月500 hPa位勢高度距平圖

3月降水異常偏少的環流信號由3月1—9日逐日500 hPa高度距平向后10 d滑動平均演變(圖3)逐步形成。

5月降水異常偏多的環流信號由4月26日至5月4日逐日500 hPa高度距平向后10 d滑動平均演變(圖4)逐步形成。

圖3 2013年3月1日至9日逐日500 hPa位勢高度距平10 d滑動平均圖

圖4 2013年4月26日至5月4日逐日500 hPa位勢高度距平10 d滑動平均圖

5 結論

(1)通過降水序列排位選取測站的異常多(少)雨年，通過區域性異常確定陜西省春季各月降水異常多(少)雨樣本。從挑選結果看，異常多(少)雨樣本能代表陜西春季的多(少)雨月份。

(2)春季在環流形勢發生“六月突變”之前，環流形勢的演變相對穩定，加之陜西地處中緯度，春季各月可使用統一標準分析春季異常多(少)雨環流信號特征，這一推斷得到實際分析結果的支持。

(3)陜西省春季異常多(少)雨的環流信號為：在范圍廣泛的區域內，形成的東高西低環流形勢，是異常多雨形成的環流信號；反之，西高東低形勢場為異常少雨的基本特征。

(4)通過多(少)雨基本特征的分析建立了兩套客觀判別標準。兩套標準均能單獨判別陜西省春季異常多(少)雨的發生月份，也可聯合判別。根據分析結果提出了兩個預報著眼點：一是利用數值預報產品分析是否存在類似于異常多(少)雨的環流特征，用以判別后期是否會出現異常多(少)雨時段；二是利用前期500 hPa旬平均環流演變，分析是否形成類似且穩定的異常多(少)雨環流特征來判斷陜西后期是否將進入多(少)雨時段。

(5)通過環流形勢分析確定陜西省春季異常多(少)雨期間的物理分析圖像，是省級氣候預測業務中，從預報對象—環流信號分析—物理解釋—建立預測模型研究的一次嘗試。

[1] 魏鳳英.氣候統計診斷與預測方法研究進展[J].應用氣象學報，2006，17(6)：736-742.

[2] 林學椿，張素琴.1998年中國特大洪澇時期的環流特征[J].地球物理學報，2000，43(5):607-614.

[3] 李永華，徐海明，劉德.2006年夏季西南地區東部特大干旱及其大氣環流異常[J].氣象學報，2009， 67(1):122-132.

[4] 高輝，王永光.2007年海溫和大氣環流異常及對我國氣候的影響[J].氣象，2008，34(4)：107-112.

[5] 王遵亞，任福民，孫冷，等.2011年夏季氣候異常及主要異常事件成因分析[J].氣象，2012，38(4)：448-455.

[6] 陶詩言，衛捷，孫建華，等.2008/2009年秋冬季我國東部嚴重干旱分析[J].氣象，2009,35(4)：3-10.

[7] 王曉敏，周順武，周兵.2009/2010年西南地區秋冬春持續干旱的成因分析[J].氣象,2012,38(11)：1399-1407.

[8] 張麗，劉實，石大明，等.吉林省夏季旱澇的前期影響因子分析[J].吉林氣象，2007(3)：2-10.

[9] 簡茂球，喬云亭.華南秋旱的大氣環流異常特征[J].大氣科學，2012，36(1)：204-213.

[10] 譚桂容，孫照渤，陳海山.華北夏季旱澇的環流特征分析[J].氣象科學，2003，23(2)：135-143.

[11] 衛捷，張慶云，陶詩言.近20年華北地區干旱期大氣環流異常特征[J].應用氣象學報，2003，14(2)：140-151.

[12] 黃嘉佑，高守亭.影響長江地區夏季洪澇的大氣環流因子研究[J].自然科學進展，2003，13(2)：206-209.

[13] 韓禮應，何振偉.桂西北汛期強降水前期環流和影響天氣系統特征分析[J].廣西氣象，2006，27(增)：32-34.

[14] 劉瑜，趙爾旭，孫丹，等.東南亞地區夏季風異常對云南2005年初夏干旱的影響[J].氣象，2006，32 (6)：91-96.

[15] 王寶鑒，黃玉霞，何金海，等.東亞夏季風期間水汽輸送與西北干旱的關系[J].高原氣象，2004，23(6)912-918.

[16] 馬福慧.長江中游1998年特大洪澇成因分析[J].地球物理學報，2000，43(3)：331-338.

[17] 巢紀平.厄爾尼諾與中國氣候異常[J].中國科學院院刊，1998(6)：434-437.

[18] 韋志剛.青藏高原積雪異常的持續性研究[J].冰川凍土，2001，23(3)：225-230.

田武文，王越.陜西省春季異常多(少)雨的環流信號研究[J].陜西氣象，2014(5)：1-7.

1006-4354(2014)05-0001-07

2014-06-25

田武文(1958—)，男，陜西西安人，正研級高級工程師，從事短期氣候預測業務及研究。

收稿日期：陜西省氣象局預報員專項(2012Y-10)

P466

A