2021 年渭河秋汛降雨與氣象背景

尚瀟瑛，曲 艷，辛 琛，劉 俊

（1.陜西省河流工程技術(shù)研究中心,陜西 西安 710018；2.陜西省江河水庫工作中心,陜西 西安 710018）

華西地區(qū)除了夏季降水外,其秋季降水現(xiàn)象最為典型,稱為“華西秋雨”。華西秋雨是我國從春季到秋季6 個重要區(qū)域性雨季中的最后一個[1],也是我國西部地區(qū)秋季多雨的特殊天氣現(xiàn)象,以連陰雨天氣為主。2021 年9 月16 日到10 月8 日渭河中下游接連出現(xiàn)的3 次連陰雨過程,24 d 中暴雨日達(dá)14 d,降雨間隔最短僅2 天,渭河秋汛連陰雨過程降水強(qiáng)度高,累計降水量為1961 年以來歷史最多,發(fā)生1935 年有實測資料以來同期最大洪水,來水分別為同期多年平均值的2 倍；2021 年汛期特別是8 月中下旬以來,黃河發(fā)生新中國成立以來最嚴(yán)重秋汛,黃河中下游干支流接連發(fā)生多場洪水過程,來水嚴(yán)重偏多。渭河作為黃河最大支流,其降雨量多少直接影響黃河的防汛安全,因此開展渭河秋汛降雨與氣象背景研究對保障黃河、渭河及三門峽庫區(qū)安瀾起到至關(guān)重要的作用。

1 2021 年渭河秋汛降雨特征

1.1 2021 年渭河秋汛降雨特征分析

2021 年9 月16 日～9 月20 日,涇、渭、洛河流域出現(xiàn)第一次大范圍持續(xù)暴雨過程,連續(xù)降雨時間5 d,大范圍日雨量10 mm 以上的天數(shù)達(dá)3 d,最大日降雨量集中在9 月19 日。降雨期間日降雨量大于50 mm 的有106 站,次降雨量大于100 mm 的有117 站。暴雨中心位于陜西眉縣、鄠邑區(qū)秦嶺北麓一帶至華陰南山支流、涇河涇陽到?jīng)艽ā⑹ê痈黄街零~川大部分地區(qū),暴雨區(qū)呈不規(guī)則的塊狀東西排列。

2021 年9 月23 日～9 月29 日,涇、渭、洛河流域出現(xiàn)第二次范圍大、持續(xù)時間長的暴雨過程,連續(xù)降雨時間7 d,大范圍日雨量10 mm 以上的天數(shù)達(dá)5 d,最大日降雨量集中在9 月25 日、26 日。降雨期間日降雨量大于100 mm 的有4 站,次降雨量大于200 mm 的有26 站。暴雨中心位于雨區(qū)由天水向東經(jīng)寶雞、咸陽、渭南至華陰長澗河以南秦嶺北麓區(qū)域、向北經(jīng)甘肅莊浪、慶陽、至甘泉、富縣、黃龍再向西到宜君、白水、大荔一帶區(qū)域,暴雨區(qū)呈東西排列。

2021 年10 月3 日～8 日,涇、渭、洛河流域出現(xiàn)第三次范圍大、持續(xù)時間長的暴雨過程,連續(xù)降雨時間6 d,大范圍日雨量10 mm 以上的天數(shù)達(dá)4 d；最大日降雨量集中在10 月4 日,降雨期間日降雨量大于100 mm 的有10 站,次降雨量大于150 mm 的有63 站、大于200 mm 的有17 站。暴雨區(qū)呈西南－東北向帶狀分布,暴雨中心位于雨區(qū)由天水社棠向東經(jīng)寶雞陳倉,向東北經(jīng)寶雞隴縣、甘肅涇川、慶陽至志丹、向南經(jīng)甘泉、富縣、黃龍再向西到宜君、旬邑、彬縣、甘肅靈臺到陳倉一帶區(qū)域。

總體來看,2021 年秋汛降雨過程每次持續(xù)時間5 d～7 d,降雨歷時不長,但秋汛期連續(xù)降雨過程發(fā)生3 次,且降雨過程間隔較短,最短間隔僅2 d。本次秋汛連陰雨過程降水強(qiáng)度高,累計降水量為1961 年以來歷史最多。

1.2 秋汛強(qiáng)連陰雨過程分析

連陰雨一般指連續(xù)3 d～5 d 以上的陰雨天氣現(xiàn)象,根據(jù)陜西省降水特征,一般將連續(xù)4 天及以上測站日降水量大于或等于0.1 mm,持續(xù)時間在5 d 或5 d 以上（期間允許有1 d 的微量降水或無降水間隔）的降水天氣過程定義為一次連陰雨過程,將其達(dá)到一定量級標(biāo)準(zhǔn)的命名為強(qiáng)連陰雨過程。

統(tǒng)計1960 年～2021 年華縣站具有連續(xù)7 d 洪水過程的場次洪水,分析其降雨量資料,共篩選出35 次秋汛強(qiáng)連陰雨過程進(jìn)行分析,以降雨時長為依據(jù),分為短、中、長期強(qiáng)連陰雨,其中降雨持續(xù)5 d～7 d,為短期強(qiáng)連陰雨（10 次,1973 年、2021 年等）；持續(xù)8 d～15 d,為中期強(qiáng)連陰雨（16 次,1961 年、1970 年等）；降水多于15 d 為長期強(qiáng)連陰雨（9 次,1962 年、1968 年等）。渭河中下游典型秋汛強(qiáng)連陰雨降雨時長統(tǒng)計見表1,從表中看出,1961 年、1964 年、1975 年、1976 年、1983 年、1984 年、2003 年、2005 年及2021 年秋汛期期間多次出現(xiàn)強(qiáng)連陰雨過程,強(qiáng)連陰雨次數(shù)較常年偏多。

表1 渭河中下游典型秋汛強(qiáng)連陰雨降雨時長統(tǒng)計

針對渭河連陰雨過程特點,以主要雨區(qū)的形狀和落區(qū)位置為標(biāo)準(zhǔn)[2],又可分成緯向類和斜向類兩類[2],主要特征見表2。2021 年9 月16 日～20 日、9 月23 日～29 日、1981 年9 月1日～15 日以及1968 年9 月6 日～27 日為緯向類典型實例；2021 年10 月3 日～8 日、1964 年9 月2 日～14 日為斜向類典型實例。

表2 強(qiáng)連陰雨過程分型標(biāo)準(zhǔn)

2 渭河秋汛洪水氣象背景

2.1 環(huán)流形勢

2021 年大氣環(huán)流形勢穩(wěn)定,有利于冷空氣頻繁影響北方地區(qū)。從環(huán)流形勢來看,2021 年8 月下旬以來,歐亞大陸中高緯度環(huán)流呈西低東高的異常分布,貝加爾湖高壓脊偏強(qiáng),西南地區(qū)低渦穩(wěn)定維持,為強(qiáng)降水提供了較好的動力條件。

同時2021 年還受拉尼娜現(xiàn)象的影響,太平洋赤道東側(cè)的海域水溫持續(xù)偏低,從而導(dǎo)致太平洋赤道東側(cè)上空易形成高壓氣團(tuán),壓迫西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱“副高”）,造成了副高的偏北。2021 年秋汛期副高異常偏強(qiáng)偏西偏北,副高先西伸北抬后穩(wěn)定維持在黃淮地區(qū),與西風(fēng)帶低值系統(tǒng)在陜西形成穩(wěn)定的東高西低的環(huán)流形勢。副高偏強(qiáng)外界的氣流就難以涌入,所以造成氣流沿著副高的邊緣移動,陜西、山西、河南就位于2021 年副高的西北部邊緣。副熱帶高壓西側(cè)的偏南氣流和低層西南急流將南海和孟加拉灣的水汽向北經(jīng)過西南地區(qū)源源不斷地輸送到渭河中下游地區(qū),加上印緬槽活躍,冷空氣活動頻繁,北方南下的冷空氣和西南暖濕氣流在渭河中下游持續(xù)、猛烈交匯,為強(qiáng)降水提供了有利的水汽條件,形成了特殊的極為罕見的秋雨。

從2021 年各時段降雨氣象背景來看,9 月16 日～20 日,9 月23 日～29 日、10 月3 日～8 日降雨期間,850 hPa～200 hPa 上一直存在著低渦、切變線。另外9 月16 日～10 月8 日期間,地面上不斷有冷高壓存在,渭河中下游地區(qū)處于地面冷鋒后部,地面上的高壓環(huán)流、倒槽等系統(tǒng)為降雨提供了冷空氣和動力條件。

圖1 是2021 年9 月16 日～20 日500 hPa 位勢高度及850 hPa～200 hPa 風(fēng)切變平均值圖,圖2 是2021 年9 月10 日～25 日的 500 hPa 層面距平圖,可見大部分地區(qū)位勢距平為正,5860 線明顯比往年偏北。

圖1 2021 年9 月16 日～20 日500hPa 位勢高度及850 hPa～200 hPa 風(fēng)切變平均值圖

圖2 2021 年9 月10 日～25 日 500 hPa 層面距平圖

9 月23 日～29 日降雨最強(qiáng)時段集中在9 月25 日～26 日兩天,強(qiáng)降雨極端指數(shù)達(dá)到0.85 及以上,圖3 是2021 年9 月23 日～29 日500 hPa 位勢高度及850 hPa～200 hPa 風(fēng)切變平均值圖,圖4、圖5 分別為2021 年9 月24 日、25 日的850 hPa風(fēng)場與500 hPa 位勢高度圖,可以看出,導(dǎo)致強(qiáng)降雨的天氣系統(tǒng)又是低渦切變線。

圖3 2021 年9 月23 日～29 日500 hPa 位勢高度及850 hPa～200 hPa 風(fēng)切變平均值圖

圖4 2021 年9 月24 日850 hPa 風(fēng)場與500 hPa位勢高度圖

圖5 2021 年9 月25 日850 hPa 風(fēng)場與500 hPa位勢高度圖

9 月29 日受短波槽東移和臺風(fēng)蒲公英的影響,副高南退（2021 年9 月29 日～10 月3 日850 hPa 溫度、風(fēng)場與500 hPa位勢高度見圖6）,9 月29 日～10 月3 日東北有一冷空氣,激發(fā)出了明顯的氣旋,2021 年9 月29 日～10 月3 日850 hPa 風(fēng)與平均海平面氣壓見圖7。9 月29 日～10 月4 日期間,位于中西伯利亞的暖脊東移發(fā)展,使得副高再次北抬加強(qiáng),中心位勢超過5940,2021 年9 月29 日～10 月4 日期間500 hPa 位勢高度對比情況見圖8,850hPa 溫度、風(fēng)場與500 hPa 位勢高度見圖9；同時在哈薩克斯坦以北有一切斷低渦,并有大量的偏南風(fēng)灌入黃土高原,導(dǎo)致10 月3 日～8 日期間又形成一次明顯的降水過程。2021 年10 月3 日～8 日降雨期間500 hPa 位勢高度及850 hPa～200 hPa 風(fēng)切變平均值圖分別見圖10。

圖6 2021 年9 月29 日～10 月3 日850 hPa 溫度,風(fēng)場與500 hPa 位勢高度圖

圖7 2021 年9 月29 日～10 月3 日850 hPa 風(fēng)與平均海平面氣壓圖

圖8 2021 年9 月29 日～10 月4 日500 hPa位勢高度異常情況

圖9 2021 年9 月29 日～10 月4 日850 hPa 溫度,風(fēng)場與500 hPa 位勢高度圖

圖10 2021 年10 月3 日～8 日500 hPa 位勢高度及850 hPa～200 hPa 風(fēng)切變平均值圖

總體來看,渭河秋汛洪水的發(fā)生,不僅與東亞地區(qū)環(huán)流形勢有關(guān),而且與亞歐以至更大范圍的環(huán)流形勢有關(guān)；西太平洋副高的進(jìn)退、維持和強(qiáng)度變化,同降雨關(guān)系最為密切,它直接影響降雨帶走向、位置、范圍和強(qiáng)度等；本次副高呈東西向帶狀分布,有利于渭河中下游一帶的緯向與斜向類連陰雨。

2.2 暴雨影響系統(tǒng)

形成渭河2021 秋汛降雨過程的天氣系統(tǒng)主要有低渦、切變線、西南風(fēng)急流、地面冷鋒以及地面冷高壓等,主要降雨區(qū)分布在副熱帶高壓西北側(cè)。

2021 年高緯西風(fēng)帶異常,在烏拉爾山呈現(xiàn)明顯的槽位,副高偏北,500 hPa 上不斷有短波槽影響,渭河中下游處于貝加爾湖低壓槽的底部,該低壓槽的穩(wěn)定少動使渭河中下游地區(qū)不斷受西風(fēng)帶低值系統(tǒng)的影響,冷暖空氣在渭河中下游上空頻繁交織,造成降雨持續(xù)。

各層降雨天氣系統(tǒng)的有利配置和持續(xù)存在是形成本次渭河秋季連陰雨過程的主要氣象原因。從本次渭河秋汛降雨主要天氣系統(tǒng)的配置情況可以看出,850 hPa～200 hPa 上存在低渦切變線,西太平洋副高位置偏西偏北,渭河中下游地區(qū)位于西風(fēng)帶槽前和西太平洋副高西北部的西南氣流里；同時渭河中下游處于切變線的強(qiáng)輻合區(qū)內(nèi),該地區(qū)受地面冷高壓控制,有良好的冷空氣條件,這種配置為渭河中下游連續(xù)出現(xiàn)間隔較短的強(qiáng)連陰雨過程提供了有利的冷暖空氣輸送及有利的動力、熱力條件。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

2021 年9 月16 日～9 月20 日、9 月23 日～9 月29 日、10 月3 日～8 日渭河流域出現(xiàn)3 次明顯的秋汛連陰雨過程。按連續(xù)降雨5 d～7 d、8 d～15 d、15 d 以上的短期、中期、長期連陰雨劃分標(biāo)準(zhǔn),三次降雨均為短期強(qiáng)連陰雨；依據(jù)雨區(qū)的形狀和范圍,2021 年9 月16 日～9 月20 日、9 月23 日～9 月29 日屬于緯向類連陰雨,10 月3 日～8 日暴雨過程為斜向類連陰雨。三次連陰雨的環(huán)流特征是由于歐亞大陸中高緯度環(huán)流呈西低東高的異常分布,貝加爾湖高壓脊偏強(qiáng),西南地區(qū)低渦穩(wěn)定維持,同時契合了拉尼娜的特點,副熱帶高壓位置較常年偏北偏強(qiáng)；印緬槽活躍,渭河中下游地區(qū)位于西風(fēng)帶槽前和西太平洋副高西北部的西南氣流里,并處于切變線的強(qiáng)輻合區(qū)內(nèi),該地區(qū)受地面冷高壓控制,有良好的冷空氣條件,這種配置為降雨提供了有利的冷暖空氣輸送及有利的動力、熱力條件,形成了三次秋汛連陰雨過程。

3.2 建議

渭河下游歷史洪澇災(zāi)害,尤其是特大洪水災(zāi)害頻繁發(fā)生,近年來氣候變化影響,流域水文亦發(fā)生變化,應(yīng)參考極端降雨過程,并結(jié)合降雨氣象背景,對洪水演進(jìn)模擬參數(shù)和方法進(jìn)行進(jìn)一步校核及修正,提高洪水預(yù)報精度,以氣象背景為先導(dǎo),開展有針對性的防洪調(diào)度和救災(zāi)工作。