1951—2017年榆林市區夏季降水量年際變化特征分析

蘇進飛,高雪嬌

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

榆林地區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，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]。盡管陜北區域性的暴雨或大暴雨出現較少，但是近年來榆林夏季短時暴雨出現頻次增多，給人民生命財產帶來了嚴重影響[1, 4]。因此，陜北榆林地區的大雨或暴雨特征及其成因的研究得到了越來越多的學者的關注。低層高溫高濕的環境和高空急流的抽吸作用是形成陜北強對流天氣的環流背景，但是在不同類型的暴雨事件中，部分環境參數也會有著明顯的不同[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系密切，暴雨帶位于低空急流左側的水汽輻合區[7-8]。2017年7月26日和8月22日榆林兩次暴雨過程都與高低空急流密切相關，但是前者有冷空氣卷入，而后者鋒面作用顯著[5, 9]。這些關于暴雨特征及其成因的分析均為個例分析，而關于榆林夏季降水的年際變化特征的研究相對較少。統計分析表明：榆林全市平均每年出現致災暴雨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]。本文基于榆林國家基本氣象觀測站多年觀測數據和大氣再分析資料對榆林市區(以下簡稱榆林)夏季降水變化特征進行深入的分析，旨在加深對榆林夏季降水長期變化及環流特征的了解和掌握。

1 資料與方法

利用1951—2017年榆林國家基本氣象觀測站夏季逐日降水觀測資料、美國氣象環境預報中心和美國國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)逐月大氣再分析資料(分辨率為2.5°×2.5°)的水平風場、位勢高度場和比濕場資料，統計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，應用合成分析方法對榆林降水異常年的降水、環流和水汽輸送進行診斷分析，使用t檢驗對合成結果進行顯著性檢驗。

定義日降水量≥0.1 mm為一個降水日，降水日數為某時段內的降水總日數。降水頻次分無連續降水和有連續降水兩種情況分別統計，若時段內無連續降水日，降水頻次即為降水日數；若連續幾日均出現0.1 mm以上降水，則視為一次降水過程，降水日數即為不連續降水日數與連續降水過程次數之和。本文統計時段為夏季(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，降水量標準差為96.4 mm。

各個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70年代之前為多雨期，70年代進入少雨期，這與鄭金風和孫虎[2]研究指出榆林夏季降水在1985年之前存在一個降水偏多～偏少的20 a時間尺度的周期震蕩是一致的。80年代后呈現較為緩和的波動變化，但直至21世紀初總體處于少雨期。21世紀10年代降水有增多趨勢，進入多雨期。

1951—2017年，榆林夏季平均降水量247.5 mm，其中正距平27 a，負距平40 a。2016年降水量最多，為516.0 mm，正距平百分率為52%，達到最大，且正距平百分率大于等于50%的僅此1 a。負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

對榆林夏季降水量作Morlet小波變換，如圖2。在年代際變化上，無明顯周期特征。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；散點區域表示通過α=0.1顯著性檢驗；圖中曲線為影響錐曲線)

2.2 降水日數和降水頻次的年際變化

夏季降水量的多少與降水日數、降水頻次和降水強度有關，本文主要分析降水日數及頻次變化。圖3給出了1951—2017年榆林夏季總降水日數、大雨及以上(≥25 mm/24 h)降水日數和暴雨及以上(≥50 mm/24 h)及以上降水日數的年際變化圖?？梢钥吹竭@三類降水日數都存在明顯的波動變化。年平均總降水日數為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年平均2.6 d，最多有6 d(出現4 a，頻率5%，分別為1959、2002、2016和2017年)，最少0 d(出現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年平均0.64 d，最多3 d(出現2 a，頻率3%，2016和2017年)，最少0 d(出現38 a，頻率57%，最長1952—1957年連續6 a無暴雨)。

圖3 1951—2017年榆林站夏季降水日數年際變化

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6 a，頻率9%)，最少0次(出現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1次連續2日的暴雨)，最多的3次(出現2 a，頻率3%)，最少的0次(出現38 a，頻率57%)。

圖4 1951—2017年榆林夏季降水頻次年際變化

分別統計榆林夏季降水量與降水日數、降水頻次的相關系數(表1)，發現夏季降水量與降水日數較與降水頻次的相關更為密切，與大雨及以上降水日數和頻次相關最顯著，對榆林夏季降水量的年際變化有主要貢獻。

表1 1951—2017年榆林夏季降水與降水日數、降水頻次的相關系數

3 榆林夏季降水異常的大氣環流特征

上述分析表明榆林夏季降水量存在顯著的年際變化。根據榆林夏季降水時間序列(圖1)，以1倍標準差為標準，以正距平多于1倍標準差為正異常年，以負距平多于1倍標準差為負異常年(見表2)。應用合成分析法(正異常年與負異常年之差)診斷榆林夏季降水異常時所對應的環流異常。

表2 1951—2017年榆林夏季降水正、負異常年份

3.1 位勢高度場特征

榆林夏季降水異常年的位勢高度合成分析(正異常年平均值減去負異常年平均值)發現，500 hPa中高緯度中亞到貝加爾湖南為大片負異常區(圖5a，見第33頁)，有一值為-12 gpm的負異常中心，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，副高偏強偏北，相應的100 hPa高度合成分析顯示伊朗高原和我國大陸東部分別有20 gpm和28 gpm的正異常中心，顯示南壓高壓的強度偏強(圖5b，見第33頁)。

3.2 風場和水汽特征

榆林夏季降水異常的700 hPa風場合成分析發現，我國西北地區的40°N有明顯的西風異常區(圖6a)，孟加拉灣有弱的偏南風，我國大陸東部有一異常的反氣旋環流，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，并在河套地區形成水汽通量的輻合區。

4 小結

(1)榆林夏季降水存在明顯的年際和年代際變化特征。年代際變化無顯著周期；年際變化上，20世紀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相關最為密切，與降水頻次的相關性略低。榆林夏季降水變化主要與大雨及以上降水日數和頻次有關。

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

圖6 榆林夏季降水異常年合成的700 hPa水平風場(矢量，m/s)和比濕(彩色，g/kg)場(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域大氣環流變化有密切關系，當南亞高壓偏強，西太平洋副熱帶高壓偏強、偏北，高原東側對流層低層偏南氣流偏強，榆林市夏季大雨、暴雨等強降水的頻次較多，因而榆林夏季降水易偏多。