2017年秋季黃河源區(qū)連陰雨成因分析

張榮剛 靳莉君 蘆璐 劉靜

摘要：對黃河源區(qū)2017年9月22日—10月4日連陰雨過程的環(huán)流背景及水汽特征、能量場進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：南亞高壓和副高的異常變化使得此次連陰雨過程中大氣環(huán)流較同期發(fā)生了顯著變化；北方冷空氣不斷分裂南下與西太平洋副熱帶高壓外圍暖濕氣流持續(xù)交匯于黃河源區(qū)，導(dǎo)致了這次連陰雨天氣的發(fā)生；副高西側(cè)較強(qiáng)的偏南氣流不斷把來自西太平洋和南海的水汽輸送到源區(qū)，并在500～400hPa高度層形成水汽輻合，當(dāng)500hPa層比濕>4g/kg時(shí)，黃河源區(qū)容易出現(xiàn)較強(qiáng)降水；在整個(gè)連陰雨期間，源區(qū)低層（主要是400hPa高度層以下）積累了大量不穩(wěn)定能量，為連陰雨發(fā)生提供了有利的熱力條件。

關(guān)鍵詞：成因分析；連陰雨；秋季降雨；黃河源區(qū)；2017年

中圖分類號：P339；P458；TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.002

黃河源區(qū)（唐乃亥以上）地處青藏高原東北部，集水面積約12.2萬km2，平均年徑流量205億m3，是黃河流域最主要的產(chǎn)流區(qū)，被稱為“黃河水塔”，區(qū)內(nèi)95.9%的徑流為降水徑流[1-3]。湛蕓等[4]對青藏高原東北部大到暴雨發(fā)生的氣候特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)高原暴雨主要集中在6-9月，近10a出現(xiàn)區(qū)域性大到暴雨的次數(shù)明顯增加，并且南亞高壓流型轉(zhuǎn)換對該區(qū)的大到暴雨天氣有一定的指示意義；田成娟等[5]對青藏高原東北部兩次區(qū)域性大到暴雨的個(gè)例進(jìn)行了對比分析，得出了各物理量的特征值。但是，上述研究多針對夏季，而秋季由于降水強(qiáng)度小，因此普遍重視不夠，尤其是針對連陰雨的個(gè)例分析極少。

2017年9月22日至10月4日，黃河源區(qū)出現(xiàn)了持續(xù)性陰雨天氣，造成源區(qū)流量持續(xù)增大，并形成了2017年汛期唐乃亥站最大洪水過程。本文將對此次連陰雨過程發(fā)生的環(huán)流特征、水汽特征、能量場進(jìn)行分析，以期找出連陰雨天氣發(fā)生的特殊性，為今后源區(qū)秋季降水以及徑流的預(yù)報(bào)積累經(jīng)驗(yàn)。1概況

2017年9月22日至10月4日，黃河源區(qū)出現(xiàn)持續(xù)性陰雨天氣，累計(jì)降水量為62.8mm，占9-10月降水總量的32%，列1961年以來歷史同期第二位。降水從東南向西北遞減，紅原站降水量超過100mm，久治、若爾蓋、瑪曲站為50～100mm，源區(qū)中部為20一50mm，西北部為10～20mm。期間共出現(xiàn)6站次大雨、73站次中雨，最大日降水量為47mm，出現(xiàn)在9月26日紅原縣麥洼雨量站。中到大雨主要位于源區(qū)東南部。研究區(qū)站點(diǎn)分布見圖1，從逐日面降水量（黃河源區(qū)內(nèi)所有報(bào)汛測站日降水量的平均值）變化（見圖2）看，9月24-26日、10月2-3日降水最明顯。綜合以上分析，這次連陰雨具有持續(xù)時(shí)間長、降水總量大、雨區(qū)集中等特點(diǎn)。

受降雨影響，源區(qū)自9月24日起流量持續(xù)上漲，形成了2017年汛期源區(qū)干流最大洪水過程（圖3）。干流門堂站10月5日8時(shí)最大流量為636m3/s，瑪曲站5日11時(shí)最大流量為1570m3/s，軍功站6日17時(shí)54分最大流量為1 860m3/s，唐乃亥站6日16時(shí)45分最大流量為1960m3/s。另外，支流白河唐克站9月30日8時(shí)最大流量為381m3/s，黑河若爾蓋站10月6日8時(shí)最大流量為211m3/s（為1985年以來最大流量）。

本研究所用氣象資料采用美國NCEP/NCAR提供的2017年9月22日—10月4日2.5°×2.5°逐日再分析資料，多年平均值為NCEP/NCAR再分析資料的1981-2010年逐日平均值。所用降水資料為水利部水利信息中心提供的逐日實(shí)時(shí)觀測降水資料。

2 大尺度環(huán)流特征

由于黃河源區(qū)平均海拔大于4000m，最高點(diǎn)超過5500m [6-7]，因此本文選用200hPa和500hPa高度層分別代表對流層的高層和低層來分析連陰雨過程中的平均大氣環(huán)流形勢，結(jié)果見圖4（EQ代表赤道）。與歷史同期相比，2017年9月22日—10月4日高、低層環(huán)流均表現(xiàn)出一些異常。由圖4（a）可知，南亞高壓勢力明顯偏強(qiáng)，面積偏大。中心脊線位于北緯25°，1248dagpm線向東伸至東經(jīng)150°附近，比氣候場位置偏北、偏東，這與張宇等[8-9]的研究結(jié)果相吻合，當(dāng)南亞高壓出現(xiàn)東部型時(shí)有利于西北降雨。黃河源區(qū)受高壓頂部外圍反氣旋環(huán)流控制，盛行西南風(fēng)。與此同時(shí)，北緯50°附近有低槽，這樣以來，“北低南高”的氣壓分布使得中緯度地轉(zhuǎn)風(fēng)明顯加大，出現(xiàn)西風(fēng)異常，從而在北緯30°-45°形成了一支寬廣的高空急流，急流核風(fēng)速超過55m/s，黃河源區(qū)處在急流入口區(qū)右側(cè)，具有較強(qiáng)的高空輻散，有利于大尺度上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)生。上述特點(diǎn)是同期氣候場上所沒有的，由圖4（b）可知，同期黃河源區(qū)上空高空輻散不顯著，不利于對流發(fā)生。

對比圖4（c）和圖4（d）可知，此次連陰雨過程中在500hPa高度環(huán)流經(jīng)向度明顯加大，歐亞中高緯度為兩槽兩脊型，西歐附近為阻塞高壓，里海到巴爾喀什湖為深厚的低壓槽，槽底有冷空氣不斷分裂并東移南下。黃河源區(qū)處在高原（指青藏高原，下同）短波槽前西南氣流控制下。西太平洋副熱帶高壓（簡稱副高）偏強(qiáng)，588dagpm線明顯西伸，西脊點(diǎn)在東經(jīng)900附近，中心脊線位于北緯25°。由于副高異常偏西，通常在高原西部出現(xiàn)的低壓槽被正位勢高度差削減，因此高原槽減弱。而在同期氣候場上，源區(qū)北側(cè)的西風(fēng)帶較為平直，不利于高緯度冷空氣向南入侵。同時(shí)，副高偏東不利于西太平洋水汽向黃河源區(qū)的輸送，盡管高原槽偏深（圖4（d）），但位置偏南，槽前暖濕氣流與冷空氣在源區(qū)西部交匯形成輻合。而在2017年連陰雨期間，大槽中分裂東移南下的冷空氣與副高西北側(cè)的偏南暖濕氣流持續(xù)交匯于黃河源區(qū)，該區(qū)大部都在輻合氣流控制下，為降水提供了有利條件。

綜合以上分析，南亞高壓和副高的異常偏強(qiáng)導(dǎo)致2017年連陰雨過程中大氣環(huán)流形勢較同期發(fā)生了顯著變化。黃河源區(qū)處在高空輻散、低空輻合的有利形勢下，冷空氣不斷分裂南下與副高外圍暖濕氣流的穩(wěn)定維持導(dǎo)致了這次連陰雨的發(fā)生。

3 水汽輸送與垂直運(yùn)動(dòng)

3.1 比濕場

分析9月22日—10月4日比濕場可知，水汽主要集中在400hPa以下。連陰雨期間黃河源區(qū)500hPa高度層維持比濕≥3g/kg，400hPa高度層比濕）2g/kg。第一個(gè)中雨時(shí)段出現(xiàn)在9月24-26日。結(jié)合流場結(jié)構(gòu)可以看出，在500～400hPa高度層上，副高外圍氣流輸送來的水汽在北緯280-350之間形成一條近似東西向的濕舌，并在黃河源區(qū)形成濕中心。500hPa高度層上源區(qū)大部處于比濕≥5 g/kg的高濕區(qū)內(nèi)，久治、紅原部分地區(qū)比濕>6 g/kg。400hPa高度層比濕具有類似分布，只是強(qiáng)度比500hPa的稍弱。10月2-3日，黃河源區(qū)再降中雨，對應(yīng)500hPa高度層比濕場上，中南半島、南海有濕舌經(jīng)西南地區(qū)伸到高原東部，源區(qū)大部由4～5g/kg的高濕區(qū)所控制，并且源區(qū)南部比濕>5g/kg。由此可見，高比濕的長時(shí)間維持為黃河源區(qū)持續(xù)性降水提供了充足的水汽。當(dāng)500hPa高度層比濕>4g/kg時(shí)，低層大氣趨于飽和，有利于產(chǎn)生較強(qiáng)降水，并且比濕的大值中心對應(yīng)著強(qiáng)降雨落區(qū)。

3.2 水汽通量與水汽通量散度

圖5為9月22日—10月4日500、400hPa高度層平均水汽通量及水汽通量散度場。由圖5可以看出，由于副高異常偏強(qiáng)，因此伴隨著副高西側(cè)較強(qiáng)的偏南氣流，大量水汽北推進(jìn)入我國。水汽的主要源地是西太平洋和南海，該水汽通道在東經(jīng)90°附近分成2股，一股向南流向孟加拉灣，另一股則由偏西轉(zhuǎn)向偏北到達(dá)高原東部上空，形成近似東西走向的水汽輸送軸，大于4g/（s·hPa·cm）的水汽通量大值區(qū)覆蓋黃河源區(qū)一渭河一三花間（三門峽一花園口區(qū)間）南部一帶，中心有兩個(gè)，分別在黃河源區(qū)南部和豫鄂皖交界附近，這也是高登義等[10-11]提到的雅魯藏布江水汽通道，但與其研究結(jié)果不同的是，受副高異常變化影響，本次水汽源地在西太平洋和南海，而不是孟加拉灣。本應(yīng)在盛夏發(fā)生的情形出現(xiàn)在了2017年秋季[12]。400hPa高度層水汽通量分布形態(tài)與500hPa的十分相似，并且無論是500hPa高度層還是400hPa高度層，黃河源區(qū)均為水汽輻合區(qū)。尤其是500hPa高度層，從西太平洋和南海輸送來的水汽正好在源區(qū)形成了-20×10-7g/（s·hPa·cm2）強(qiáng)輻合中心。400hPa高度層水汽含量明顯減小，輻合強(qiáng)度也隨之變?nèi)酢Ｒ陨戏治霰砻鳎诟备呶鱾?cè)較強(qiáng)偏南氣流引導(dǎo)下，水汽持續(xù)向黃河源區(qū)輸送并在該區(qū)形成一條強(qiáng)水汽輸送帶，同時(shí)配合500～400hPa高度層輻合，形成了對本次連陰雨天氣十分有利的水汽環(huán)境。

3.3 上升運(yùn)動(dòng)

區(qū)域性連陰雨天氣的發(fā)生除了與高低層大氣環(huán)流異常有關(guān)外，還與該區(qū)低層大氣的水汽含量以及垂直運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)[13]。通過前文分析可知，黃河源區(qū)低層水汽含量十分充足，要形成持續(xù)性降雨，必須有上升運(yùn)動(dòng)相配合。對連陰雨期間東經(jīng)95°-105°、北緯32.5°-37.5°區(qū)域內(nèi)的垂直運(yùn)動(dòng)做時(shí)間剖面圖（見圖6，垂直速度為負(fù)表示為上升運(yùn)動(dòng)，彩色部分為上升速度>0.06Pa/s的區(qū)域）可知，500hPa高度層以上升運(yùn)動(dòng)為主，兩次明顯降雨過程源區(qū)上升運(yùn)動(dòng)都有加強(qiáng)。第一次加強(qiáng)出現(xiàn)在9月25-26日，上升區(qū)主要集中在500～200hPa高度層，100hPa高度層以上為下沉運(yùn)動(dòng)，之后低層一直維持弱上升氣流，對應(yīng)降水以穩(wěn)定性降水為主。從10月2日起，上升運(yùn)動(dòng)重新加強(qiáng)，最大上升速度超過0.18Pa/s，中心位于500～400hPa高度層，且上升區(qū)向上伸展至150hPa高度層附近，相應(yīng)地10月2日降水明顯加強(qiáng)并持續(xù)至3日，之后低層轉(zhuǎn)為弱下沉區(qū)，降水開始減弱。另外，對比9月30日和9月28-29日上升運(yùn)動(dòng)和低層比濕發(fā)現(xiàn)，盡管前者比濕條件明顯好于后者（圖略），但9月30日上升運(yùn)動(dòng)較弱，當(dāng)日降雨量并不大，這說明源區(qū)降雨除了須具備良好的水汽條件外，離不開垂直運(yùn)動(dòng)的配合。

4 能量場

在此次連陰雨期間，在500hPa高度層平均假相當(dāng)位溫場上（見圖7（a）），自高原南部伸向源區(qū)有一條近似東西向的高能舌，中心值超過348K，黃河源區(qū)處于高能舌的頂部，400hPa高度層情況類似，源區(qū)南部為假相當(dāng)位溫高值區(qū)，并且在北緯350附近等值線分布密集，這表明源區(qū)低層大氣高溫高濕，積累了大量能量。當(dāng)假相當(dāng)位溫隨高度減小時(shí)，表示大氣層結(jié)是不穩(wěn)定的。由圖7（b）可以看出，從500hPa高度層到400hPa高度層，高能舌區(qū)假相當(dāng)位溫隨高度減小最顯著，這說明低層高能量區(qū)也是位勢不穩(wěn)定區(qū)。隨著冷暖空氣在該區(qū)交匯輻合上升，促使了不穩(wěn)定能量得以釋放，溫差正值區(qū)基本對應(yīng)了降水落區(qū)。

5 結(jié)語

（1）南亞高壓和副高異常偏強(qiáng)是2017年9月22日—10月4日黃河源區(qū)連陰雨過程中最顯著的大氣環(huán)流異常特征。

（2）200hPa高度層上西風(fēng)急流和500hPa高度層低壓槽的穩(wěn)定維持，為此次連陰雨天氣的發(fā)生提供了有利的大尺度環(huán)流背景。

（3）水汽主要來源于西太平洋和南海，當(dāng)?shù)蛯樱ㄖ饕?00hPa高度層）比濕達(dá)到4g/kg以上時(shí)，有利于黃河源區(qū)產(chǎn)生較明顯的降水。降水落區(qū)位于500-400hPa高度層水汽輻合區(qū)內(nèi)。

（4）連陰雨期間低層（400hPa高度層以下）積累了大量不穩(wěn)定能量，在低層輻合、高層輻散的有利形勢下，配合垂直上升運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生了本次連陰雨天氣。

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