陜西省春季異常多(少)雨的環(huán)流信號(hào)研究

田武文，王 越

(陜西省氣候中心，西安 710014)

陜西省春季異常多(少)雨的環(huán)流信號(hào)研究

田武文，王 越

(陜西省氣候中心，西安 710014)

利用1961—2012年陜西省春季(3—5月)月降水量，選取14個(gè)代表站，將各月降水量排序，按百分位選取測(cè)站異常多(少)雨的月份；選取至少3站及以上能反映區(qū)域性降水異常的樣本，作為陜西省春季月降水異常的樣本，分析表明這些異常降水樣本能夠代表陜西春季各月多(少)雨月份。利用NCEP再分析資料，分析異常多(少)雨月份的同期環(huán)流信號(hào)，發(fā)現(xiàn)陜西春季異常多(少)雨月份的系統(tǒng)配置相反。在異常多雨年，25°N～50°N、70°E～135°E的廣泛區(qū)域距平場(chǎng)出現(xiàn)東高西低的環(huán)流特征；在異常少雨年，該區(qū)域距平場(chǎng)呈現(xiàn)西高東低的環(huán)流特征。根據(jù)上述特征，建立陜西省春季異常多(少)雨月的環(huán)流預(yù)報(bào)模型，分析了該模型的物理意義。由于模型為同期環(huán)流模型，分析了氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中異常多(少)雨月份的預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)。并以2013年3月、5月為例，說明該研究可以用于預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)。

異常多(少)雨；環(huán)流信號(hào)；關(guān)鍵區(qū)指標(biāo)；預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)

隨著氣候數(shù)值模式預(yù)測(cè)能力的提高，使用像天氣預(yù)報(bào)圖或者實(shí)況天氣圖一樣的直觀業(yè)務(wù)工具幫助預(yù)報(bào)員判斷未來的降水和氣溫趨勢(shì)成為業(yè)務(wù)發(fā)展的趨勢(shì)。此類業(yè)務(wù)工具的建立依賴于對(duì)造成當(dāng)?shù)囟?少)雨的大氣環(huán)流信號(hào)物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)。氣候工作者對(duì)多(少)雨的環(huán)流特征進(jìn)行了多側(cè)面的診斷研究[1]。例如，用多雨年份的個(gè)例分析多雨期的同期環(huán)流特征[2-7]及前期環(huán)流特征[8]；用一組區(qū)域旱、澇個(gè)例分析平均環(huán)流的異常特征[9-13]，研究單一環(huán)流特征量與區(qū)域旱澇的關(guān)系[14-15]，以及非絕熱加熱與降水的關(guān)系等等[16-18]。

然而，由于大氣環(huán)流演變的復(fù)雜性，非絕熱加熱對(duì)環(huán)流演變的強(qiáng)迫作用，以及氣候數(shù)值模式的預(yù)測(cè)能力等等所限制，利用環(huán)流信號(hào)解釋多(少)雨的工具至今仍然較少。從春季(3—5月)測(cè)站降水異常多(少)雨月份的定義出發(fā)，選定了陜西省春季異常多(少)雨月份的20個(gè)個(gè)例，通過分析異常多(少)雨月份所對(duì)應(yīng)的同期500 hPa月平均環(huán)流形勢(shì)特點(diǎn)，總結(jié)出判別陜西省春季異常多(少)雨月份的客觀指標(biāo)，試圖建立陜西省春季異常多(少)雨年的環(huán)流特征、物理解釋、信號(hào)判別及其演變過程。

1 陜西省春季降水異常

1.1 春季降水異常的定義

利用1961—2012年陜西省春季(3—5月)月降水量，選取14 個(gè)觀測(cè)站(榆林、定邊、綏德，延安、洛川、銅川、寶雞、武功、咸陽、臨潼、渭南、漢中、安康、商洛)作為代表站。

春季單站降水異常的定義。由于陜西南北狹長(zhǎng)，氣候特征涵蓋亞熱帶半濕潤(rùn)氣候區(qū)到干旱氣候區(qū)，南北降水量均值及其方差差異大，難以用統(tǒng)一的降水距平百分率定義，因此采用月降水量排位確定單站降水異常。方法是月降水量排位序列的前三位和后三位確定為該測(cè)站的異常多(少)雨月份。即異常多(少)雨的樣本各占5.8%。

陜西省春季降水異常的判斷。選取能反映區(qū)域性降水(3站及以上且成片)異常的樣本，作為陜西省春季月降水異常的樣本。

1.2 異常降水月份的全省代表性

按照定義，從所有樣本中共選出20個(gè)樣本(表1)。

表1 陜西省春季降水異常樣本

從表1可以看出，春季各月異常多(少)雨樣本數(shù)分別為6個(gè)、7個(gè)、7個(gè)。異常樣本占總樣本數(shù)的13%。從樣本的代表性來看，無論異常多(少)雨出現(xiàn)在哪個(gè)區(qū)域，均能代表陜西全省為多雨月和少雨月。尤其是異常少雨年，春季共有11個(gè)樣本，其中10個(gè)樣本為全省一致降水偏少月；5月的3個(gè)異常多雨月均為全省一致降水偏多。從異常多(少)雨樣本的年代際分布看，20世紀(jì)60年代和90年代為異常多(少)雨的多發(fā)年代，占異常樣本總數(shù)的60%。

2 春季異常多(少)雨的環(huán)流信號(hào)

2.1 資料及其說明

利用所選樣本對(duì)應(yīng)的500 hPa月平均高度距平場(chǎng)(取自NCEP2.5°×2.5°再分析資料)，計(jì)算距平統(tǒng)一使用的多年平均值采用1981—2010年的平均值。利用降水異常月份的月平均環(huán)流場(chǎng)分析造成異常多(少)雨年的環(huán)流信號(hào)。

春季(3—5月)位于“6月突變”之前，雖然環(huán)流逐步向夏季轉(zhuǎn)變，但各月的轉(zhuǎn)變只是量的改變，尚未達(dá)到質(zhì)的轉(zhuǎn)變，期間的降水也以穩(wěn)定性降水為主，因此對(duì)于地處中緯度的陜西，從各月環(huán)流異常的角度嘗試設(shè)定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)比較分析異常多(少)雨的環(huán)流信號(hào)。

2.2 異常多(少)雨月份的環(huán)流特征

將所有樣本分為異常多、異常少雨兩類，分析其共性。發(fā)現(xiàn)，異常多(少)雨年，影響降水的環(huán)流形勢(shì)特征相似，但系統(tǒng)位置的配置相反。異常多雨年，在25°N～50°N、70°E～135°E的區(qū)域范圍內(nèi)距平場(chǎng)出現(xiàn)東高西低的環(huán)流特征；異常少雨年，上述區(qū)域距平場(chǎng)則呈現(xiàn)西高東低的環(huán)流特征。

在上述區(qū)域的北部關(guān)鍵區(qū)內(nèi)(40°N～50°N、70°E～135°E)，通常會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)異常正負(fù)(或負(fù)正)距平中心，分別位于80°E和130°E附近。在南部關(guān)鍵區(qū)內(nèi)(27.5°N～37.5°N、90°E～125°E)，多雨年距平場(chǎng)呈現(xiàn)為西低東高形勢(shì)，少雨年為西高東低形勢(shì)，且表現(xiàn)形式各異。也有的多(少)雨樣本，西部為負(fù)(正)距平、東部為正(負(fù))距平；有的樣本，則是只有一側(cè)出現(xiàn)正(負(fù))距平中心，另一側(cè)距平不明顯；甚至有的樣本關(guān)鍵區(qū)內(nèi)整體為正距平或整體為負(fù)距平。雖然表現(xiàn)形式各異，但多雨樣本為東高西低、少雨樣本為西高東低的形勢(shì)特征卻是一致的。

2.3 環(huán)流形勢(shì)判定的共性指標(biāo)

通過分析，陜西省春季異常多(少)雨的共性指標(biāo)為2個(gè)，分別為南部關(guān)鍵區(qū)指標(biāo)和北部關(guān)鍵區(qū)指標(biāo)。北部關(guān)鍵區(qū)：選取45°N～50°N、75°E～85°E區(qū)域作為關(guān)鍵區(qū)1，40°N～45°N、125°E～135°E區(qū)域作為關(guān)鍵區(qū)2，對(duì)20個(gè)樣本進(jìn)行分析(表2)。

表2 陜西省春季異常多(少)雨北部關(guān)鍵區(qū)500 hPa平均位勢(shì)高度距平 gpm

異常少雨指標(biāo)：①1區(qū)gt;10 gpm; ②2區(qū)lt;10 gpm ; ③1區(qū)-2區(qū)gt;35 gpm。異常多雨指標(biāo)：①1區(qū)lt;10 gpm; ②2區(qū)gt;10 gpm; ③1區(qū)-2區(qū)lt;-35 gpm。3項(xiàng)條件滿足2項(xiàng)，即可判定是否出現(xiàn)異常多(少)雨。根據(jù)判別標(biāo)準(zhǔn)， 對(duì)20個(gè)樣本分別進(jìn)行判別，18個(gè)樣本可以正確判別，1個(gè)無法判別(1967年3月)，一個(gè)錯(cuò)判。錯(cuò)判樣本為1962年4月。500 hPa月平均環(huán)流距平圖上，其北部關(guān)鍵區(qū)東部沒有正距平中心，西部負(fù)距平區(qū)已經(jīng)南壓至35°N附近，多雨區(qū)應(yīng)出現(xiàn)在陜西以南。

南部關(guān)鍵區(qū)：選取27.5°N～37.5°N、90°E～95°E區(qū)域作為關(guān)鍵區(qū)1，27.5°N～37.5°N、120°E～125°E區(qū)域作為關(guān)鍵區(qū)2，對(duì)20個(gè)樣本進(jìn)行分析(表3)。

表3 陜西省春季異常多(少)雨年南部關(guān)鍵區(qū)500 hPa平均位勢(shì)高度距平 gpm

1區(qū)-2區(qū)gt;10 gpm，為異常少雨。1區(qū)-2區(qū)lt;-10 gpm，為異常多雨。根據(jù)判別標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)20個(gè)樣本進(jìn)行判別，19個(gè)樣本可以正確判別，一個(gè)無法判別(1962年4月)，無錯(cuò)判樣本。

利用兩組指標(biāo)聯(lián)合判別，只要一組指標(biāo)無法判別，就確定為無法判別個(gè)例。在20個(gè)樣本中，有18個(gè)為正確判別，2個(gè)無法判別，無錯(cuò)判個(gè)例。

3 預(yù)報(bào)模型的物理解釋

在多雨時(shí)段，北部關(guān)鍵區(qū)的西部(巴爾喀什湖附近)為負(fù)距平中心，形成冷空氣積聚源地，有利于冷空氣分裂南下影響陜西；東部(中國(guó)東北到日本海)為正距平中心，既有利于對(duì)西風(fēng)帶系統(tǒng)移動(dòng)起到阻滯作用，形成穩(wěn)定少動(dòng)的東高西低環(huán)流形勢(shì)，又有利于西部負(fù)距平中心分裂的冷空氣經(jīng)向活動(dòng)加強(qiáng)。雖然每次分裂南下的冷空氣，其強(qiáng)度、影響范圍、時(shí)間尺度不同，但受穩(wěn)定少動(dòng)的環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)的限制，使冷空氣活動(dòng)路徑大部以相近的形式南下影響陜西。與之同時(shí)，在南部關(guān)鍵區(qū)域也存在東高西低的距平分布，相當(dāng)于在平均環(huán)流的基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)南風(fēng)引導(dǎo)氣流增量，引導(dǎo)低層暖濕氣流輸送至37.5°N以北。該形勢(shì)下偏南氣流強(qiáng)于氣候平均值，促使陜西省異常多雨所需要的低層暖濕引導(dǎo)氣流增強(qiáng)。因此，南北兩個(gè)關(guān)鍵區(qū)的形勢(shì)配合，使得陜西省月尺度降水量出現(xiàn)區(qū)域性異常偏多。

在少雨時(shí)段，北部關(guān)鍵區(qū)的西部為正距平中心，形成新疆暖高壓脊，造成影響陜西的冷空氣勢(shì)力偏弱；東部為負(fù)距平中心，有利于北方南下的冷空氣沿脊前氣流迅速東移，對(duì)陜西影響較小。由于東部切斷低壓穩(wěn)定少動(dòng)，形成了穩(wěn)定的西高東低環(huán)流形勢(shì)。同時(shí)，南部關(guān)鍵區(qū)為西高東低的距平分布，這種分布致使高層偏北(干冷)氣流增強(qiáng)，使得輸送到陜西上空的偏南(暖濕)氣流小于歷年氣候均值。

上述環(huán)流形勢(shì)預(yù)測(cè)模型，是異常多(少)雨發(fā)生時(shí)的同期平均環(huán)流形勢(shì)。在氣候業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)中如何應(yīng)用上述模型，有兩個(gè)預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)。一是著眼于月尺度氣候預(yù)測(cè)結(jié)果。月尺度氣候模式5 d滾動(dòng)一次，可在環(huán)流預(yù)測(cè)結(jié)果穩(wěn)定的情況下，通過預(yù)測(cè)結(jié)果判定南北兩區(qū)域是否會(huì)出現(xiàn)異常多(少)雨的距平場(chǎng)分布，用于定性判斷陜西春季月尺度降水是否異常。二是著眼于500 hPa實(shí)況旬平均環(huán)流的演變趨勢(shì)。在北部關(guān)鍵區(qū)的巴爾喀什湖附近負(fù)距平中心和日本海附近正距平中心的形成，南部關(guān)鍵區(qū)出現(xiàn)東高西低的距平場(chǎng)分布，預(yù)示后期陜西省將進(jìn)入多雨時(shí)段。反之，預(yù)示后期陜西省將進(jìn)入少雨時(shí)段。

兩個(gè)預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)為預(yù)測(cè)陜西省春季月降水異常提供了一幅物理圖像：在春季各月，通過判別后期形成范圍廣泛的東高西低(西高東低)形勢(shì)，作為判斷陜西春季各月異常多(少)雨月份形勢(shì)的征兆。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 實(shí)例

2013年3月陜西省降水異常偏少，全省平均降水量?jī)H為1.7 mm，為1961年以來3月降水最少的一年。5月降水量又異常偏多，全省平均降水量為109.1 mm，與常年同期比較偏多77%，其中關(guān)中南部、陜南東部偏多1～2.3倍。

4.2 客觀指標(biāo)

利用實(shí)況資料套用指標(biāo)分析表明，3月和5月分別滿足異常少雨年、異常多雨年的標(biāo)準(zhǔn)(表4)。

表4 2013年春季3月和5月指標(biāo)驗(yàn)證

4.3 同期環(huán)流形勢(shì)

從2013年3月500 hPa平均環(huán)流的異常分布圖(圖1)看，北部指標(biāo)表現(xiàn)為：巴爾喀什湖附近到新疆北部為正距平中心，中國(guó)東北到日本海附近為負(fù)距平中心。南部指標(biāo)：均為正距平，但存在西高東低，南北部指標(biāo)均滿足異常少雨的條件。

從5月500 hPa平均環(huán)流的異常分布圖(圖2)看，北部指標(biāo)表現(xiàn)為巴爾喀什湖北側(cè)為負(fù)距平中心，日本海附近為正距平中心；南部指標(biāo)從圖中尚不能確定。

圖來源于NCEP/NCAR網(wǎng)站，氣候均值使用1981—2010年的平均值，下同

4.3 陜西異常降水環(huán)流信號(hào)的形成過程

將3月和5月異常降水環(huán)流信號(hào)的形成過程以圖示的方式列出。動(dòng)態(tài)信號(hào)通過500 hPa的10 d實(shí)況滑動(dòng)平均異常圖給出。

圖2 2013年5月500 hPa位勢(shì)高度距平圖

3月降水異常偏少的環(huán)流信號(hào)由3月1—9日逐日500 hPa高度距平向后10 d滑動(dòng)平均演變(圖3)逐步形成。

5月降水異常偏多的環(huán)流信號(hào)由4月26日至5月4日逐日500 hPa高度距平向后10 d滑動(dòng)平均演變(圖4)逐步形成。

圖3 2013年3月1日至9日逐日500 hPa位勢(shì)高度距平10 d滑動(dòng)平均圖

圖4 2013年4月26日至5月4日逐日500 hPa位勢(shì)高度距平10 d滑動(dòng)平均圖

5 結(jié)論

(1)通過降水序列排位選取測(cè)站的異常多(少)雨年，通過區(qū)域性異常確定陜西省春季各月降水異常多(少)雨樣本。從挑選結(jié)果看，異常多(少)雨樣本能代表陜西春季的多(少)雨月份。

(2)春季在環(huán)流形勢(shì)發(fā)生“六月突變”之前，環(huán)流形勢(shì)的演變相對(duì)穩(wěn)定，加之陜西地處中緯度，春季各月可使用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)分析春季異常多(少)雨環(huán)流信號(hào)特征，這一推斷得到實(shí)際分析結(jié)果的支持。

(3)陜西省春季異常多(少)雨的環(huán)流信號(hào)為：在范圍廣泛的區(qū)域內(nèi)，形成的東高西低環(huán)流形勢(shì)，是異常多雨形成的環(huán)流信號(hào)；反之，西高東低形勢(shì)場(chǎng)為異常少雨的基本特征。

(4)通過多(少)雨基本特征的分析建立了兩套客觀判別標(biāo)準(zhǔn)。兩套標(biāo)準(zhǔn)均能單獨(dú)判別陜西省春季異常多(少)雨的發(fā)生月份，也可聯(lián)合判別。根據(jù)分析結(jié)果提出了兩個(gè)預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)：一是利用數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品分析是否存在類似于異常多(少)雨的環(huán)流特征，用以判別后期是否會(huì)出現(xiàn)異常多(少)雨時(shí)段；二是利用前期500 hPa旬平均環(huán)流演變，分析是否形成類似且穩(wěn)定的異常多(少)雨環(huán)流特征來判斷陜西后期是否將進(jìn)入多(少)雨時(shí)段。

(5)通過環(huán)流形勢(shì)分析確定陜西省春季異常多(少)雨期間的物理分析圖像，是省級(jí)氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中，從預(yù)報(bào)對(duì)象—環(huán)流信號(hào)分析—物理解釋—建立預(yù)測(cè)模型研究的一次嘗試。

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1006-4354(2014)05-0001-07

2014-06-25

田武文(1958—)，男，陜西西安人，正研級(jí)高級(jí)工程師，從事短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)及研究。

收稿日期：陜西省氣象局預(yù)報(bào)員專項(xiàng)(2012Y-10)

P466

A