1971—2017年榆林秋季區(qū)域連陰雨特征分析

萬 慧，高雪嬌，蔣伊蓉，馬 鋒，許曉艷

(榆林市氣象局，陜西榆林 719000)

榆林地處陜西省的最北部，陜北黃土高原和毛烏素沙漠交界處，北部為風(fēng)沙草灘區(qū)，南部為黃土丘陵溝壑區(qū)，屬干旱半干旱氣候，是陜西降水最少的地區(qū)[1]。受地形的影響，榆林各縣區(qū)降水具有明顯的南北差異，且各季降水分布不均，9—10月多出現(xiàn)秋季連陰雨。連陰雨常常對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、糧食倉儲(chǔ)和人民群眾日常生活等帶來不便和危害。秋季是榆林秋糧作物的成熟收獲期，尤其是經(jīng)濟(jì)作物紅棗的成熟采摘期，連陰雨常導(dǎo)致已成熟的作物無法收獲，紅棗等出現(xiàn)爛果、霉變。2003年9月上旬—10月中旬，榆林連續(xù)出現(xiàn)了3次區(qū)域連陰雨過程，大部分縣區(qū)降水日數(shù)17～21 d，平均總降水量143.6 mm，與常年同期相比偏多81%，陰雨天氣對(duì)各類糧食作物和經(jīng)濟(jì)林果的成熟收獲造成不小的影響。2007年9月26日—10月12日，榆林發(fā)生罕見連陰雨天氣，陰雨持續(xù)11～15 d，過程總降水量為87.7～200.5 mm，這次連陰雨具有雨日長、雨強(qiáng)大、范圍廣的特點(diǎn)[2]。陰雨天氣導(dǎo)致黃河沿岸紅棗出現(xiàn)裂變霉?fàn)€，減產(chǎn)90%以上。

不少學(xué)者對(duì)秋季連陰雨進(jìn)行了研究分析。方建剛[3]等對(duì)2003年陜西秋季連陰雨降水特點(diǎn)及環(huán)流條件作了詳細(xì)分析。王丹[4]等研究了1960—2011年陜西秋季連陰雨天氣的時(shí)空變化和成因。韓潔[5]等對(duì)2011年9月3—20日陜西省強(qiáng)秋淋天氣的環(huán)流特征和動(dòng)力熱力學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。劉慧敏[2]等分析了2007年9月26日—10月13日陜北連陰雨天氣過程的時(shí)空分布和大氣環(huán)流特點(diǎn)。張凌云[6]分析了1998—2007年佳縣秋季連陰雨對(duì)紅棗裂果的影響。以上對(duì)連陰雨的研究多針對(duì)陜西省或者某一次典型的連陰雨過程，針對(duì)榆林秋季連陰雨的研究卻不多見。近年來，榆林秋季連陰雨有增多的趨勢，因此，以影響范圍較大的秋季區(qū)域連陰雨為研究對(duì)象，對(duì)其氣候特點(diǎn)、發(fā)生規(guī)律及環(huán)流形勢進(jìn)行分析，以期更好地開展連陰雨的預(yù)報(bào)服務(wù)及防災(zāi)減災(zāi)工作。

1 資料來源與統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 資料來源

利用陜西省氣象信息中心整編的常規(guī)氣象資料，選取榆林境內(nèi)12個(gè)氣象站1971—2017年9—11月逐日(20—20時(shí))降水資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.2 統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

參照陜西氣象部門天氣標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合榆林本地天氣氣候特點(diǎn)，將秋季連陰雨的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)定義如下：對(duì)于單站，連續(xù)4 d及以上日降水量≥0.1 mm,且過程總降水量>15 mm的穩(wěn)定性降水過程為一次連陰雨天氣過程。期間允許有1 d的微量或無降水間隔，但降水過程的持續(xù)時(shí)間必須在5 d或以上,連續(xù)2 d測站無≥0.1 mm降水或微量降水，則認(rèn)為該站連陰雨天氣結(jié)束[7]。出現(xiàn)降水的第1天定義為連陰雨開始日,降水的最后1天為連陰雨的結(jié)束日。若區(qū)域內(nèi)≥6站同時(shí)出現(xiàn)連陰雨，且降水持續(xù)4 d及以上為一次區(qū)域連陰雨過程，同時(shí)出現(xiàn)降水的第1天為區(qū)域性連陰雨的開始日；出現(xiàn)陰雨的站點(diǎn)中半數(shù)以上連陰雨結(jié)束,則區(qū)域連陰雨過程結(jié)束，不滿足連陰雨條件的前1日為結(jié)束日。

為了方便統(tǒng)計(jì)連陰雨出現(xiàn)的月(旬)，特作如下規(guī)定：單站或區(qū)域連陰雨一般以開始日期所在在月(旬)作為統(tǒng)計(jì)月(旬)；當(dāng)連陰雨跨月(旬)時(shí)，若兩個(gè)月(旬)的持續(xù)日相同，仍以開始日所在的月(旬)作為統(tǒng)計(jì)月(旬)，否則取持續(xù)日多的月(旬)作為統(tǒng)計(jì)月(旬)。

2 時(shí)間變化特征

2.1 年際和年代際變化

1971—2017年，榆林秋季共出現(xiàn)區(qū)域連陰雨37次，平均每年0.8次。47 a中，榆林市秋季區(qū)域連陰雨出現(xiàn)最多的年份是2003年，為3次；1973、1975、2001、2008和2011年各出現(xiàn)2次；1972、1976、1979、1981、1983、1984、1986、1988—1991、1996、2000、2004—2006和2012年，全市未出現(xiàn)區(qū)域連陰雨。從年代際變化(表1)來看，20世紀(jì)70年代共出現(xiàn)連陰雨8次；80年代較70年代明顯減少，僅出現(xiàn)4次；90年代開始又有所增多，共7次；2000年以后繼續(xù)呈增多趨勢，2000—2009年最多，達(dá)10次；而2010—2017年已經(jīng)出現(xiàn)了8次。由此可見, 從2000年以來,連陰雨呈顯著增加趨勢，平均每年出現(xiàn)1次。

表1 1971—2017年榆林秋季區(qū)域連陰雨年代際分布

2.2 月、旬變化

榆林秋季區(qū)域連陰雨主要出現(xiàn)在9月，共22次，占總數(shù)的59%；其次是10月，出現(xiàn)11次，占30%；11月出現(xiàn)最少，僅4次，占11%。這與西太平洋副熱帶高壓的脊線位置有關(guān)，9月副高脊線位置在25°N 附近，有利于陜西陰雨天氣的形成，10月之后脊線位置南撤，對(duì)陜西降水的影響越來越弱[4]。從圖1可知，9月中旬是榆林區(qū)域連陰雨出現(xiàn)最多的時(shí)段，其次是9月上旬和下旬；秋季區(qū)域連陰雨最晚出現(xiàn)在11月上旬。

圖1 1971—2017年榆林區(qū)域連陰雨頻次旬變化曲線

2.3 持續(xù)時(shí)間

從表2可以看出，榆林秋季區(qū)域連陰雨以4～7 d為主，占總數(shù)的81%；8～9 d的占14%；10 d以上持續(xù)時(shí)間較長的連陰雨過程并不多，占5%左右。連陰雨持續(xù)時(shí)間最長為15 d，共出現(xiàn)了2次。1978年8月25日—9月8日，榆林大部縣區(qū)分別出現(xiàn)連續(xù)9～15 d的連陰雨天氣過程，過程平均降水量126.8 mm，其中米脂總降水量達(dá)203.6 mm，是37次區(qū)域連陰雨過程中單站雨量最大的一次。2007年9月26日—10月10日，榆林出現(xiàn)持續(xù)15 d的區(qū)域連陰雨過程，過程平均降水量143.9 mm, 范圍涉及全市12縣區(qū)。長時(shí)間的陰雨天氣給各類作物的成熟和收獲帶來嚴(yán)重影響，部分已成熟的作物無法收獲，收獲了的蕎麥、糜子、谷子發(fā)芽，向日葵糜爛。持續(xù)降雨還導(dǎo)致黃河沿線紅棗種植區(qū)處于成熟期的紅棗出現(xiàn)裂變霉?fàn)€，大面積絕收，屬于歷史罕見[8]。

表2 1971—2017年榆林區(qū)域連陰雨過程持續(xù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)

3 空間分布特征

分別統(tǒng)計(jì)37次秋季區(qū)域連陰雨過程12縣區(qū)的連陰雨出現(xiàn)情況，分析得出榆林市秋季區(qū)域連陰雨的空間分布特征(圖2)，總體上表現(xiàn)為自東南向西北呈遞減趨勢，這與榆林秋季降水量的分布相一致。東南部各縣區(qū)為連陰雨多發(fā)區(qū)，其中以綏德最多，子洲、吳堡次之。榆林位于東南季風(fēng)氣候尾閭區(qū)[9]，東南部地區(qū)受季風(fēng)影響，水汽較充足，加之多丘陵溝壑的特殊地形，熱力及動(dòng)力抬升作用顯著，使得這一帶成為全市降水最多、秋季連陰雨天氣出現(xiàn)次數(shù)最多的地區(qū)；西北部各縣區(qū)連陰雨相對(duì)較少，最少的區(qū)域位于北部府谷，其次是西部定邊。西北部出現(xiàn)較多的區(qū)域位于榆陽、神木一帶。西北部受季風(fēng)影響較弱，空氣干燥且地勢平坦無地形抬升作用，故而產(chǎn)生的降水少，連陰雨過程也相對(duì)較少。

圖2 1971—2017年榆林秋季區(qū)域連陰雨各縣區(qū)出現(xiàn)頻次(單位：次)

4 影響范圍分布

規(guī)定有8站及以上出現(xiàn)連陰雨為全市性連陰雨過程。從表3可以看出，榆林秋季區(qū)域連陰雨往往發(fā)生范圍較大，以全市性連陰雨過程為主，占連陰雨總數(shù)的68%，6～7站的相對(duì)較少，占32%。

表3 1971—2017年榆林區(qū)域連陰雨影響范圍統(tǒng)計(jì)

5 周期變化

小波方差反映出序列的波動(dòng)能量隨時(shí)間尺度的分布情況，可以更準(zhǔn)確地診斷主周期。應(yīng)用morlet小波變換分析1971—2017年榆林市秋季區(qū)域連陰雨的周期變化。正小波系數(shù)對(duì)應(yīng)連陰雨偏多時(shí)期，負(fù)小波系數(shù)對(duì)應(yīng)連陰雨偏少時(shí)期。小波系數(shù)絕對(duì)值越大，表明該時(shí)間尺度變化越顯著。由圖3可看出，榆林連陰雨無明顯年代際周期變化。在年際周期上，存在一個(gè)明顯8 a左右的周期變化，貫穿于1985—2015年，出現(xiàn)了4次周期交替，交替時(shí)間點(diǎn)分別位于1992、2002、2007、2013年，一個(gè)周期內(nèi)有一次明顯的正負(fù)中心振蕩。1994—2015年閉合曲線中心絕對(duì)值在2以上，表明振蕩最為強(qiáng)烈。1990—2005年有明顯的5 a周期變化。此外，1975年以前和2005年以后還存在明顯的準(zhǔn)2 a周期振蕩。

圖3 1971—2017年榆林市秋季區(qū)域連陰雨天氣小波變換系數(shù)圖

從圖4小波方差圖可看出，從1971—2017年間，榆林秋季區(qū)域連陰雨天氣出現(xiàn)頻次存在3個(gè)明顯的峰值，依次對(duì)應(yīng)2 a、8 a和5 a的時(shí)間尺度。其中，2 a周期振蕩最強(qiáng)。圖中在15 a后有上升趨勢，但未出現(xiàn)拐點(diǎn)。由于數(shù)據(jù)僅有47 a，是否有更大尺度的周期，有待后續(xù)研究。

圖4 1971—2017年榆林市秋季區(qū)域連陰雨天氣小波變換方差圖

6 環(huán)流形勢分析

連陰雨一般是較大范圍的系統(tǒng)性天氣過程, 降水天氣系統(tǒng)穩(wěn)定少變[10]。榆林秋季連陰雨每年都有,強(qiáng)度不同，通過篩選典型個(gè)例進(jìn)行分析,掌握不同環(huán)流形勢下連陰雨的特點(diǎn)。選取了2003年9月25—30日(以下簡稱“03·9過程”)和2007年9月27日—10月10日(以下簡稱“07·9過程”)兩次榆林近年來持續(xù)時(shí)間較長、過程雨量較大,造成災(zāi)害較重的連陰雨環(huán)流形勢進(jìn)行分析，比較其異同。

6.1 天氣概況

“03·9過程”出現(xiàn)時(shí)間為2003年9月25—30日，連續(xù)6 d出現(xiàn)降水，除27日神木微量降水外，其它11個(gè)國家站均觀測到日降水量>0.1 mm的有效降水。過程降水量最小為定邊26.9 mm ，最大為清澗89.9 mm。單站最大日降水量為31 mm，25日出現(xiàn)在子洲站。

“07·9過程”出現(xiàn)時(shí)間為2007年9月27日—10月10日，榆林出現(xiàn)強(qiáng)秋淋天氣，降水時(shí)間長，降水總量大。榆林市所轄12個(gè)縣氣象站分別出現(xiàn)12～15 d連陰雨，7縣氣象站持續(xù)14 d均有有效降水，過程降水量最小定邊91.4 mm，最大清澗198.0 mm。10月6日佳縣站降暴雨，日降水量50.9 mm。

兩次連陰雨天氣均從9月下旬開始，降水中心均位于榆林東南部。相比較，“07·9過程”連陰雨持續(xù)時(shí)間更長，過程雨量更大，并出現(xiàn)1站暴雨。

6.2 環(huán)流形勢演變

6.2.1 “03·9過程” 2003年9月25—30日，榆林連陰雨在低槽與副高對(duì)峙的形勢下形成。25日08時(shí)，高空為“兩槽一脊”的環(huán)流形勢，在巴湖至貝湖以北有一切斷低壓，125°E附近有一長波槽，兩者之間在華北形成高壓脊(圖5)。東亞中緯度地區(qū)為寬廣低槽區(qū)，受西西南氣流控制，切斷低壓在東移過程中引導(dǎo)冷空氣南下影響河套地區(qū)，低槽不斷分裂短波槽。副高強(qiáng)大而穩(wěn)定，588 dagpm線位于長江以北，27日20時(shí)退至長江以南，584 dagpm線在黃河下游以南33°N附近擺動(dòng)，700 hPa的西南急流帶來孟加拉灣的水汽，切斷低壓分裂的短波槽與副高外圍的西南暖濕氣流頻繁交匯形成陰雨天氣。30日切斷低壓東移南壓，東部脊減弱，東高西低的環(huán)流形勢破壞，30日20時(shí)榆林轉(zhuǎn)為槽后西北氣流控制，連陰雨天氣結(jié)束。

圖5 2003-09-25T08 500 hPa環(huán)流形勢(單位為dagpm)和700 hPa風(fēng)場(黑粗線為500 hPa槽線，雙實(shí)線為700 hPa切變線)

6.2.2 “07·9過程” 2007年9月27日—10月10日，連陰雨期間烏拉爾山為阻塞形勢。9月27日08時(shí)，500 hPa上烏拉爾山附近有一阻塞高壓，位置穩(wěn)定少動(dòng)，其東側(cè)巴爾喀什湖起至咸海為一切斷低壓，我國黃河以北處于寬廣的低槽區(qū)，受西西南氣流控制(圖6)。陰雨期間不斷有冷空氣從極地沿脊前下滑補(bǔ)充低槽，槽前不斷有短波槽分裂東移南下，為陰雨天氣提供了冷空氣來源。副高位于長江中下游以南，30日20時(shí)副高588 dagpm線略南壓西伸，584 dagpm線在35°N以南附近擺動(dòng)，外圍的偏南暖濕氣流為雨區(qū)輸送了大量的水汽。10月1日副高北進(jìn)西伸，5日08時(shí)最強(qiáng)盛(圖7)，西脊點(diǎn)為 90°E,北界 33°N ,隨后因登陸臺(tái)風(fēng)北上，副高斷裂退至海上。冷暖空氣在榆林上空長期交匯，受臺(tái)風(fēng)北側(cè)外圍東風(fēng)氣流的水汽輸送影響， 6日是這次連陰雨過程中雨量最大的一天。降水期間水汽主要來自700 hPa 偏南暖濕氣流，這支氣流不斷輸送水汽，在榆林上空形成風(fēng)速輻合，有利于垂直上升運(yùn)動(dòng)，使陰雨維持。10日以后，阻高轉(zhuǎn)為東北向減弱崩潰，貝加爾湖以西的橫槽轉(zhuǎn)豎并東移，中亞有弱脊建立，700 hPa轉(zhuǎn)為偏北氣流控制，持續(xù)陰雨轉(zhuǎn)為零星降水，逐漸結(jié)束。

圖6 2007-09-27T08 500 hPa環(huán)流形勢(單位為dagpm；黑粗線為500 hPa槽線)

圖7 2007-10-05T08 500 hPa環(huán)流形勢(單位為dagpm；黑粗線為500 hPa槽線)

6.2.3 兩次連陰雨天氣過程的異同點(diǎn) “03·9過程”歐亞環(huán)流形勢呈兩槽一脊“W”型，東亞呈徑向環(huán)流。切斷低壓分裂冷空氣與副高外圍的暖濕氣流形成對(duì)峙，華北高脊穩(wěn)定，導(dǎo)致降水持續(xù)。這一類型的連陰雨天氣影響范圍大，全市11站出現(xiàn)降水，持續(xù)時(shí)間較長，達(dá)到6 d，雨強(qiáng)較弱，無暴雨出現(xiàn)。“07·9過程”歐亞環(huán)流形勢是烏山阻高“L”型，東亞呈緯向型環(huán)流。烏拉爾山阻塞高壓穩(wěn)定少動(dòng)，冷空氣不斷從脊前下滑，形成冷槽東移南下與副高外圍暖濕氣流在榆林形成對(duì)峙，出現(xiàn)連陰雨天氣。連陰雨期間有遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)的共同影響，導(dǎo)致連陰雨持續(xù)時(shí)間延長，雨量雨強(qiáng)大，并出現(xiàn)暴雨。這一類型的連陰雨有阻高、副高和臺(tái)風(fēng)三者的共同作用，造成的連陰雨無論范圍、時(shí)間、雨強(qiáng)均更大。兩次過程的相同點(diǎn)：副高偏西偏北，其外圍的低空急流向榆林輸送水汽和熱量。

通過對(duì)兩次典型連陰雨天氣過程的環(huán)流形勢分析發(fā)現(xiàn)，榆林連陰雨天氣主要由高原北側(cè)冷空氣與西太平洋副熱帶高壓西南邊緣的東南風(fēng)或高原東側(cè)來自孟加拉灣的西南氣流所輸送來的暖濕氣流交匯所致。

7 結(jié)論

(1)榆林市秋季區(qū)域連陰雨過程的年際變化較明顯 , 2000—2009年出現(xiàn)最多,20世紀(jì)80年代最少,90年代后呈增多趨勢，2000年以后平均每年出現(xiàn)1次。

(2)秋季區(qū)域連陰雨過程出現(xiàn)時(shí)段以9月最多，10月次之，最晚出現(xiàn)于11月上旬；持續(xù)時(shí)間一般以4～7 d為主，其次為8～9 d，10 d以上的出現(xiàn)不多；持續(xù)時(shí)間最長的區(qū)域連陰雨為 15 d，出現(xiàn)在1978年8月25—9月8日和2007年9月26日—10月10日。

(3)榆林秋季區(qū)域連陰雨的空間分布為東南部多于西北部；東南部的高中心位于綏德、子洲一帶，西北部出現(xiàn)較多的區(qū)域位于榆陽、神木一帶。

(4)榆林秋季區(qū)域連陰雨存在2 a、5 a和8 a變化周期，2 a周期振蕩最強(qiáng)。

(5)榆林連陰雨天氣主要由高原北側(cè)冷空氣與西太平洋副熱帶高壓西南邊緣的東南風(fēng)或高原東側(cè)來自孟加拉灣的西南氣流所輸送來的暖濕氣流交匯所致。