陜西黃土高原短時強降水時空分布及環流特征

張建康，劉慧敏，康 磊，胡若昕

(1.榆林市氣象局，陜西榆林 719000；2.南京信息工程大學，南京 210044)

陜西黃土高原位于黃土高原與毛烏素沙漠的過渡地帶，屬溫帶半干旱季風氣候區，海拔高度為800～1 500 m，包括陜西省榆林、延安兩市25個縣區市，境內北部是風沙草灘區、中部是丘陵溝壑區、南部是臺塬區，分別代表了陜西黃土高原不同地貌。陜西黃土高原夏季強對流天氣頻發，局地強降水引發城市內澇、山洪暴發，損毀房舍、道路、農田、堤壩等基礎設施，常造成重大經濟損失，是水土流失最為嚴重和生態環境最脆弱的地區之一。20世紀70年代，榆林市與內蒙古自治區交界處曾出現過日降水量1 400 mm的極端暴雨[1]。2002年7月4—5日子長縣連續2 d大暴雨，1 h最大降水量達到81.3 mm。2012年7月15日00—03時，綏德縣義合、滿堂川兩個鄉鎮3 h降水量超過100 mm。2012年7月27—28日，佳縣降大暴雨,連續2 d累計雨量達279.2 mm,其中27日降水量221.9 mm，是榆林市有氣象觀測記錄以來最大的日降水量,1 h最大降水量達到48.5 mm。2015年7月18日16：01—17：40子洲縣突發強對流天氣，100 min降雨量達到114.0 mm，短時大暴雨引起山洪暴發，1人被水沖走身亡；2017年7月23日16—19時，榆林市區突發短時強降水，16—17日降水量達64.8 mm，2017年7月25日夜間，榆林市南部大理河、無定河流域發生區域性特大暴雨，子洲縣25日22時和26日02時，1 h最大降水量分別達41.0和52.0 mm。持續數小時強降水使得子洲縣遭受了多年以來最嚴重的暴雨洪澇災害[2-7]。

關于短時強降水的時空分布特征研究，白志娜等[8]分析發現遼寧省強降水主要集中在7月下旬—8月上旬，短時強降水以20～40 mm/h為主。孟利霞等[9]發現甘肅省短時強降水主要出現在5—9月，其中7—8月是一年中出現最多的月份，其次是6月。強降水主要發生在午后至前半夜，出現時段集中在16—00時，17時前后是短時強降水天氣高發時段。王國榮等[10]分析北京地區的短時強降水發現城區是短時強降水的高發區，短時強降水維持時間主要在20～35 min，過程總降水量為20～30 mm。鐘一丹等[11]分析北京1 h最大降水量的變化認為，城市化快速發展改變了地表熱通量和熱傳遞，是城區出現極端降水的誘因之一。李萍云等[12]分析認為陜西短時強降水主要發生在午后到夜間，日變化呈單峰分布，強降水頻次峰值出現在17—00時，但極值雨強易出現在22—00時。鄭小華等[13]發現全球變暖背景下，陜西極端降水的時空分布特征發生明顯變化，年最大降水量和強降水發生頻次均呈增加趨勢，并分別在20世紀70年代中期和80年代中期發生突變，陜北的強降水發生頻次增加明顯。王玉龍和張子涵[14]分析東營地區產生短時強降水的天氣系統可分為西風槽型、副高邊緣型、切變線型、高空冷渦型、臺風型等5種類型。上述研究成果總結了國內不同地區短時強降水的分布特征，關于陜西黃土高原短時強降水時空分布及環流特征的研究并不多見。本文利用2004—2018年榆林市和延安市25個國家自動氣象站5—10月逐小時降水觀測數據和年降水量，分析陜西黃土高原短時強降水的時空分布特征和雨強特點，總結多強降水年與少強降水年的環流特征，為做好短時強降水的氣候預測提供參考依據。

1 資料與方法

所用資料來自全國綜合氣象信息共享平臺(CIMISS)提供的陜西省榆林市、延安市所轄25個縣級氣象站2004—2018年的逐日(20—20時)逐小時雨量觀測數據。根據《全國短時臨近預報業務規定》，短時強降水定義為1 h降水量≥20 mm的降水。根據俞小鼎[15]等人提出的標準，1 h降水量≥50 mm以上的降水，稱為極端強對流暴雨。按照此標準對小時雨量進行了篩選，提取雨強達到20 mm/h以上的全部數據，并將雨強分為兩級，雨強達到20 mm/h為短時強降水，雨強達到50 mm/h為極端強降水。

統計方法參照《陜西省短期天氣預報技術手冊》規定[16]及有關文獻[17]標準，并考慮強降水主要表現為局地性，且陜西黃土高原氣象站網稀疏，站點相距近百公里，按同日強降水出現的臺站數量，將強降水的發生范圍劃分為4種類型，即單站強降水、強降水站數/總站數<10%為局地強降水、強降水站數/總站數在10%～30%為小范圍強降水，強降水站數/總站數≥30%為區域性強降水。具體如下：同日內只有1站出現強降水，統計為單站強降水，2站同日出現強降水，統計為局地強降水，3～4站同日出現強降水，統計為小范圍強降水，5站以上同日出現強降水，統計為區域性強降水。只要有一站出現短時強降水，統計為一個強降水日，一天中多次多站出現強降水，則強降水頻次累加統計。如某日某站出現1次強降水，則統計為1次強降水和1個強降水日；如某日2站同時出現強降水，則統計為1個強降水日，2次強降水；再如某日兩站同時出現強降水，且一站只出現1個時次，另一站出現2個時次，則統計為1個強降水日，3次強降水。其余以此類推。

2 短時強降水的時空分布

2.1 強降水頻次的時間分布

表1為2004—2018年陜西黃土高原25個國家自動氣象站短時強降水出現總頻次及占比。由表1可知，陜西黃土高原2004—2018年共出現短時強降水386次，出現在5月上旬到10月中旬。5月上旬共3次，占總頻次的1%。6月上旬短時強降水開始逐漸增多，6月下旬到8月下旬是集中出現時段，占總頻次的89%。其中，7月下旬最多，共出現106次，占總頻次的27%。9月上旬起，短時強降水明顯減少，但仍有出現；9月下旬之后偶有出現，年均不足1次；最晚出現在10月中旬，15年中僅出現1次。短時強降水頻次的年際分布顯示，2013年最多為52次，2004年最少為8次，年際差異較大。

陜西黃土高原短時強降水的發生季節與大氣環流和季風氣候有關[18]。5月夏季風建立，輸送到陜西黃土高原的水汽增多，對流開始發展；7—8月西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)北抬到黃河流域，陜西黃土高原處于高能高濕的大氣環境之中，對流最為強盛，造成的降水強度最大；9月之后副高南退，對流減弱，短時強降水迅速減少。

表1 2014—2018年陜西黃土高原25個國家自動氣象站短時強降水頻次旬月分布

2.2 短時強降水出現范圍和年代際分布

表2為2004—2015年陜西黃土高原短時強降水出現日數及范圍統計表。由表2可知短時強降水的出現范圍以單站強降水和局地強降水居多，其中單站強降水共出現136 d，占短時強降水總日數的64%，局地強降水出現47 d，占22%，區域性強降水出現最少，僅有4 d，占2%。范圍最大的區域強降水出現在2017年7月26日，無定河流域綏德、子洲為中心的9個縣氣象站同一天出現短時強降水。2004—2018年短時強降水共出現213 d，最多年是2013年24 d，最少是2004年5 d，有3 a左右的周期變化。年際變化表明(圖略)，強降水出現頻次和日數呈階梯上升趨勢：2004—2008年最多年只有15 d(2007年)、30次(2006年)；2009—2018年，每年都大于10 d、15次，其中4 a超過20 d、32次(2010、2013、2016、2018年)。短時強降水出現日數和頻次增多與陜西黃土高原向暖濕氣候趨勢轉變有關。鄭小華[13]在分析陜西極端降水的時空特征中有類似的結論。

表2 2004—2018年陜西黃土高原短時強降水出現日數及范圍統計表

圖1為2004—2018年陜西黃土高原短時強降水頻次及年雨量距平百分率。由圖1可知，短時強降水頻次年際差異較大，其年際變化幅度明顯大于年雨量的變化。短時強降水與年雨量之間的相關系數達到0.71，通過了0.01的顯著性檢驗，說明短時強降水和年雨量之間有顯著的正相關關系。15 a中有10 a是正相關，年雨量偏多的年份短時強降水頻次也偏多，年雨量偏少的年份短時強降水頻次也偏少。有5 a是年雨量偏多，但強降水頻次偏少。二者相關關系表明，短時強降水對年雨量的貢獻較大，典型代表年是2013年，短時強降水頻次最多，年雨量也最大。

圖1 2004—2018年陜西黃土高原短時強降水頻次及年雨量的距平百分率

2.3 短時強降水的日變化

圖2為2004—2018年陜西黃土高原短時強降水頻次的日變化(北京時)，可以看出各個時段均有出現，17時最多(38次)，10時最少(4次)。將日變化分為上午(08—13時)、下午(14—19時)、前半夜(20—01時)、后半夜(02—07時)四個時段分別統計。下午最多共143次，占短時強降水總頻次的37%；前半夜共99次，占26%；后半夜共91次，占24%；上午最少，共出現52次，占13%。短時強降水多出現在下午和夜間，與強對流易發生在午后和夜間是一致的。

圖2 2004—2018年陜西黃土高原短時強降水頻次的日變化

2.4 短時強降水的空間分布

圖3是2014—2018年陜西黃土高原短時強降水頻次及最大雨強的空間分布。由圖3可見，短時強降水頻次空間分布極不均勻，東部多于西部，南部多于北部，有3個高中心，分別是吳堡、子長和富縣，吳堡最多，年均1.7次，富縣和子長年均1.3～1.5次。短時強降水頻次較少的是北部的府谷和西部的安塞、吳起、靖邊，年均不足1次。分析3個高值中心所處的位置可以看出，短時強降水高值區位于無定河流域(榆陽、子洲、子長、吳堡)和洛河流域(志丹、富縣、黃陵)。由圖3還可看出，最大小時雨量達50 mm以上的極端強降水有3個區域，分別位于吳堡及其以南的黃河沿線，無定河流域的榆陽、橫山、子洲，以及洛河流域的志丹、甘泉、黃陵。最大雨強中心位于吳堡，達73.5 mm/h。北部的府谷和西部的吳起、安塞最大雨強小于40 mm/h。短時強降水頻次大值區與最大小時雨強的大值區有一定的對應關系，但不完全重合。

2.5 短時強降水雨量和持續時間

以10 mm為遞增區間分段統計2004—2018年陜西黃土高原不同量級短時強降水頻次及占比(表略)，發現陜西黃土高原短時強降水的小時雨強以20.0～39.9 mm/h為主，15 a中共出現354次，占短時強降水總頻次的93%，這一特點與遼寧省的短時強降水特征[8]一致。雨強≥40 mm/h的短時強降水頻次較少。雨強≥50 mm/h的極端強降水，量級達到50～80 mm/h，出現頻次極低，15 a里共出現11次，僅占2%，年均出現0.7次，這一特點與甘肅省短時強降水的特征[9]接近，但極端強降水出現頻次高于甘肅(0.3次/a)。

圖3 2004—2018年陜西黃土高原短時強降水頻次(陰影)和最大小時雨強(等值線，單位為mm/h)的空間分布

分類統計單站短時強降水持續時間(表3)發現：持續1 h的共326次，占短時強降水總頻次的92%；持續2 h的出現21次，占6%；最長持續3 h，出現6次，占2%。可以看出，短時強降水持續時間大多在1 h以內，表現出短歷時的特點，與北京地區短時強降水一般持續20～35 min的特點[10]比較接近。

表3 陜西黃土高原不同持續時間短時強降水頻次及占比

3 多強降水年和少強降水年的環流特征對比

2004—2018年陜西黃土高原強降水主要出現在7月，而且短時強降水頻次及雨強與大尺度環境場有關[19-20]。選擇全年強降水頻次距平百分率大于35%和小于35%的年份作為多強降水年和少強降水年的典型年，按此標準多強降水年有4 a，即2013、2016、2017、2018年，簡稱為強年。強降水少年有6 a，即2004、2007、2008、2009、2014、2015年，簡稱為弱年。從這些典型年里提取7月200 hPa、500 hPa、700 hPa、850 hPa的平均位勢高度、風場和溫度場，以及假相當位溫和水汽通量散度等特征量，對不同位勢高度層的環流特點和能量條件進行強弱年的比較，總結強弱年的主要差異。

3.1 500 hPa環流形勢

從強年7月500 hPa平均高度場(圖4a)可看出，副高588 dagpm線位于120°E附近，西脊點位于30°N，比平均氣候態(27°N，124°E)偏西偏北，西風帶30°N～45°N為緯向氣流和>20%的正距平區，584 dagpm線在陜西黃土高原37.5°N形成槽區。溫度場(圖略)上，30°N～50°N陜西黃土高原到華北地區升溫顯著，正距平達到2 ℃，貝湖西北側為負距平達-1.2 ℃，經向冷熱差異增大。

從弱年7月500 hPa高度場(圖4b)可看出，副高588 dagpm線接近氣候態，西風帶30°N～50°N呈西高東低的經向型環流，陜西黃土高原處于貝湖高脊區前側，為弱的正距平區，584 dagpm線位于黃河流域以南，槽區位于32°N。溫度場(圖略)上，30°N～50°N中國大陸范圍內，新疆為弱的正距平0.8 ℃，河套及以東為負距平-0.4 ℃，冷熱差異小。

強弱年的主要差異：588 dagpm線的位置強年偏北偏西，584 dagpm線槽區的位置強年位于陜西黃土高原，弱年位于黃河以南；強年陜西黃土高原及華北地區平均高度場為>20%的正距平區，西風帶強年為平直氣流，多波動，有利于降水天氣，弱年為西高東低形勢，不利于產生降水天氣。

圖4 陜西黃土高原短時強降水強年(a)與弱年(b)7月500 hPa平均位勢高度場對比(黑色實線為高度場，陰影為距平，單位為gpm；虛線為氣候態5 880 gpm線)

3.2 高空急流與低層輻合

分析強年7月200 hPa平均環流(圖5a)可見，強年高空急流位于38°N～45°N，76°E～102°E之間(圖中陰影區)，東西長26經距，南北寬7緯距，陜西黃土高原處于急流右前側的強輻散區37.5°N(圖中圓圈)；而弱年(圖5b)高空急流位于40°N～45°N，位于84°E～96°E之間，東西長12經距，南北寬5緯距，水平尺度遠小于強年，急流前側的輻散區南移到35°N附近。分析強年低空700 hPa風場及水汽通量散度(圖5c)可見，陜西黃土高原有較強的偏南氣流，平均風速>4 m/s。水汽通量輻合區位于陜西黃土高原的東側，水汽輸送通過孟加拉灣和南海兩支偏南氣流(圖中箭頭位置)，由青藏高原南側吹向東北的西南風和副高邊緣的偏南風越過長江到達陜西。700 hPa偏南氣流與高空急流右前側的輻散區形成垂直疊置，容易形成高低空急流的耦合。由圖5d可知，弱年到達陜西黃土高原的偏南風較弱，風速<4 m/s，水汽輻合區同樣位于陜西黃土高原的東側，但輻合值偏小，風場輸送(圖中箭頭位置)僅到達長江流域，動力條件和水汽條件均不有利于陜西黃土高原產生強降水。

圖5 陜西黃土高原短時強降水強年(a)弱年(b)7月200 hPa風場(箭頭，單位為m/s；圓圈為強輻散區；陰影區為高空急流)和強年(c)弱年(d)7月700 hPa風場(箭頭,單位為m/s；雙箭頭為偏南氣流)及水汽通量散度(陰影為輻合區,單位為10-7 g/(cm2·hPa·s))

3.3 邊界層氣溫和不穩定能量

短時強降水多為對流系統，近地層高能高濕有利于對流產生。陜西黃土高原海拔高度800～1 400 m，接近850 hPa平均高度，因此用850 hPa溫度和假相當位溫能夠反映近地層的熱量和能量條件。強年850 hPa由青藏高原向陜西黃土高原伸出26 ℃的暖脊。弱年850 hPa青藏高原伸向陜西黃土高原的暖平流較弱，增溫不明顯。假相當位溫強弱年略有差異，強年假相當位溫>320 K覆蓋陜北大部分地區。弱年>320 K區域位于陜西關中及以南地區。850 hPa與500 hPa的假相當位溫差(Δθse(850-500))能夠反映大氣層結的潛在不穩定，850 hPa與500 hPa的假相當位溫差較大時，表征大氣具有下暖上冷的不穩定層結，有利于對流的發展，從而易出現短時強降水。強年陜西黃土高原Δθse(850-500)達到10～12 ℃，弱年為8～10 ℃。

4 結論與討論

(1)陜北黃土高原2004—2018年共出現短時強降水386次。短時強降水最早出現在5月上旬，最晚在10月中旬，6月下旬至8月下旬為集中出現時段，短時強降水頻次占總頻次的89%。其中7月下旬出現最多，占總頻次的27%。年際分布極不均勻，2013年最多，出現52次，2004年最少，僅出現8次。短時強降水頻次和日數年代際變化呈階梯上升趨勢，并有較大的年際差異，短時強降水強弱年有3 a左右的周期變化。

(2)短時強降水以單站強降水和局地強降水居多，單站強降水共出現133 d，占短時強降水總日數的64%，局地強降水出現47 d，占22%。短時強降水的年際變化幅度大于年雨量的年際變化。

(3)短時強降水各時次均有出現，17時最多，10時最少，將一天分為上午、下午、夜間三個時段，下午(14—19時)為高發時段，占短時強降水總頻次的37%，前半夜(20—01時)和后半夜(02—07時)次之，分別占26%和24%，上午(08—13時)最少，占13%。日變化的特征與全國大部分地方相似，與午后和夜間易出現強對流天氣一致。大多數短時強降水時間尺度為1 h以內，占總頻次的92%；雨強以20～39.9 mm/h最多，占總頻次的93%，雨強≥50 mm/h的極端強降水偶有出現，15 a共出現8站11次，占總頻次的2%。

(4)短時強降水頻次的空間分布有兩個高中心，分別是無定河流域和洛河流域。無定河流域的吳堡、榆陽、子長、延川是高值中心，吳堡最多，年平均1.7次；洛河流域的富縣、洛川是高值中心，富縣年平均1.3次。雨強大值區有3個中心，分別為吳堡及其以南的黃河沿岸包括延川、宜川，無定河流域的子洲、榆陽、橫山，洛河流域的甘泉、黃陵。吳堡縣雨強最大為73.5 mm/h。

(5)選取強降水頻次較多的年份和較少的年份進行強弱年比較可知，強年副高588 dagpm線偏西偏北，584 dagpm線在陜西黃土高原形成槽區，中高緯經向熱力差異增大，200 hPa高空急流偏強，700 hPa偏南氣流到達陜西黃土高原，容易在該地區形成高低空急流的耦合，850 hPa氣溫偏高，陜西黃土高原為暖脊，Δθse(850-500)達到10～12 ℃。弱年上述特征不明顯。