榆林春季首場透雨的氣候特征分析

侯慶國

(榆林市氣象局，陜西榆林 719000)

關于春季透雨的研究比較多，郭江勇等[1]用EOF和REOF方法分析了甘肅地區(qū)春季透雨的時空分布，并分析了其與環(huán)流形勢的關系；李輯等[2]研究了遼寧地區(qū)春播第一場透雨的季節(jié)分布特征和透雨量與播種期降水量的關系；納麗等[3]用Mexihat小波等方法分析了寧夏首場透雨的氣候特征及環(huán)流特征。雖然關于春季透雨的研究較多，但關于榆林地區(qū)春季透雨的研究較少。榆林地處黃土高原和毛烏素沙地交界處，屬于干旱、半干旱區(qū)，春季降水對農(nóng)林果樹的抽芽、生長、結果都有著重要的意義。同時，春季也是榆林地區(qū)沙塵暴多發(fā)期,研究榆林春季首場透雨的氣候特征，總結其變化規(guī)律有助于透雨的預報、預測,對春季抗旱、農(nóng)作物生長有重大意義, 同時，也對預報春季沙塵天氣的緩解與否有一定的意義。

1 定義及資料選取

對于干旱、半干旱地區(qū)春季透雨的研究[1-3]多采取站點日降水量≥10 mm為透雨標準。榆林地區(qū)處于干旱、半干旱區(qū)，也使用此標準統(tǒng)計分析榆林市12個國家級氣象站1978—2018年3—5月降水數(shù)據(jù)，并規(guī)定有三分之二以上站同時達到透雨標準，則稱為一次區(qū)域性透雨過程。規(guī)定出現(xiàn)降水的各站降水量的平均值為首場區(qū)域性透雨雨量。對春季每場區(qū)域性透雨出現(xiàn)降水的站點的降水量求平均值，即為春季區(qū)域性透雨平均雨量。榆林12個國家站春季累計降水量的平均值稱為春季平均累計降水量。采用1980—2018年高空資料歸類總結春季首場區(qū)域性透雨的環(huán)流形勢，并用2000—2018年NCEP 1°×1°再分析資料分類求平均場，分析環(huán)流形勢。

2 單站首場透雨的氣候特征

將榆林各站歷年春季首場透雨出現(xiàn)日期變換為日期序列：將春季第一天3月1日記為1，3月2日記為2，3月3日記為3，依次類推，至5月31日記為92。對各站春季首場透雨日期序列求平均，得出榆林各站春季首場透雨平均出現(xiàn)日期的分布狀況(圖1)?？梢钥闯?，春季單站首場透雨平均出現(xiàn)在4月中下旬。清澗縣較早，平均出現(xiàn)在4月14日；定邊較遲,平均出現(xiàn)在4月25日。春季單站首場透雨從東南向西北逐漸推遲，西北部地區(qū)平均日期出現(xiàn)在4月下旬，東南部地區(qū)平均日期出現(xiàn)在4月中旬。

圖1 1978—2018年榆林單站首場透雨平均日期序列分布圖

對春季首場透雨日期序列求距平與標準差，取距平大于標準差的2倍作為異常標準[2]。標準差值為22.5，因此規(guī)定，距平≤-45為異常偏早年，-45<距平≤-22.5為偏早年，-22.5<距平<22.5為正常年，22.5≤距平<45為偏遲年，距平≥45與未出現(xiàn)春季透雨的年份為異常偏遲年。根據(jù)上述劃分標準對榆林各站春季首場透雨出現(xiàn)日期距平值求頻率(表1)。分析結果顯示，除定邊外各縣區(qū)均出現(xiàn)一次異常偏早年。西北部地區(qū)偏早年頻率低于東南部，清澗偏早年頻率最高，為24%。西北部地區(qū)的偏遲年頻率高于東南部，府谷的偏遲年頻率最高，為24%。41 a中各站有3～9 a未出現(xiàn)透雨；東南部地區(qū)的異常偏遲年較少，吳堡頻率最低，為7%；西北部的異常偏遲年較多，橫山的頻率最高，為22%?？梢?，榆林東南部地區(qū)春季首場透雨出現(xiàn)早，西北部遲。

表1 榆林各站1978—2018年透雨出現(xiàn)頻率 %

利用線性傾向估計的方法分析各縣區(qū)歷年春季單站首場透雨雨量的時間變化趨勢，結果見表2。由春季單站首場透雨雨量的氣候傾向率(b)可以看出，除府谷、綏德變化較小外，其余站點雨量隨年份呈減少趨勢，榆陽減少最明顯，氣候傾向率為-1.8 mm/10 a。除清澗外各縣區(qū)首場透雨雨量與年份的相關系數(shù)r均高于t檢驗的相關系數(shù)閾值(r0.1=0.25)，通過相關系數(shù)顯著性檢驗。

表2 1978—2018年榆林單站首場透雨雨量氣候傾向率b和首場透雨雨量與年份的相關系數(shù)r

3 首場區(qū)域性透雨的氣候特征

41 a間共有30 a出現(xiàn)了春季區(qū)域性透雨，春季首場區(qū)域性透雨的平均日期為4月28日。用上述統(tǒng)計透雨日期序列的方法，計算出30 a間春季首場區(qū)域性透雨的日期距平序列。從圖2可以看出，透雨日期隨年份的變化整體呈偏早趨勢，多項式趨勢線表明1978—2003年首場春季區(qū)域性透雨日期隨年份變化有明顯的偏早趨勢，2004—2018年趨勢較平穩(wěn)，沒有明顯的變化趨勢。平均間隔4 a出現(xiàn)一次透雨較早年，其中明顯的較早年為1981、1990、1999、2007、2017年，平均間隔9 a出現(xiàn)一次。最早的為2007年，出現(xiàn)在3月3日。將11 a未出現(xiàn)的區(qū)域性透雨包括在內(nèi)，平均4 a出現(xiàn)一次較遲年。

圖2 榆林1978—2018年首場區(qū)域性透雨日期距平(直線為線性趨勢線；曲線為多項式趨勢線)

對春季首場區(qū)域性透雨雨量、春季區(qū)域性透雨平均雨量和春季平均累計降水量分別求距平(圖3)，春季首場區(qū)域性透雨平均降水量為17.8 mm，春季區(qū)域性透雨平均降水量為16.9 mm。從圖3可看出，首場區(qū)域性透雨雨量距平的年際變化呈下降趨勢，多項式趨勢線顯示1978—1993年呈弱的上升趨勢，1994—2018年呈明顯的下降趨勢。正距平僅占總數(shù)的20%，但個別年份降水偏多。1988年、1991年和2009年降水量較多，其中1991年降水量異常偏多，距平值高達34.0 mm。春季區(qū)域性透雨平均雨量距平圖中，除1998年降水量明顯偏多、2018年降水偏多以外，其它年份距平分布與首場區(qū)域性透雨雨量距平分布基本一致，變化趨勢也類似。春季平均累計降水量距平圖中，從線性趨勢線可以看出其整體呈上升趨勢，多項式趨勢線說明1978—2003年降水趨勢沒有明顯的變化，降水明顯偏多的年份與前兩者基本一致，2004年之后降水呈偏多的趨勢，與前兩者相反，且降水偏多年份明顯增多。在2003年之后榆林春季小于10 mm的降水過程和未達到區(qū)域性降水的過程比以往增多，造成了后期的相反趨勢。平均每年首場區(qū)域性透雨雨量占春季平均累計雨量的三成。

計算春季首場區(qū)域性透雨出現(xiàn)日期與雨量的相關系數(shù)，為0.28，呈正相關，相關系數(shù)高于t檢驗的相關系數(shù)閾值(r0.1=0.25)，通過顯著性檢驗，說明透雨出現(xiàn)的越遲，其對應的降水量越大。春季首場區(qū)域性透雨日期與春季區(qū)域性透雨平均雨量的相關系數(shù)為0.22，同樣呈正相關，但未通過顯著性檢驗。春季首場區(qū)域性透雨出現(xiàn)日期與全市春季平均累計降水量的相關系數(shù)為-0.31，呈負相關，通過t檢驗的r0.1=0.25顯著性檢驗，表明春季首場區(qū)域性透雨出現(xiàn)時間越早，春季累計降水量越大。春季首場區(qū)域性透雨降水量與春季平均累計降水量的相關系數(shù)為0.66，呈正相關，也通過了t檢驗的r0.1=0.25顯著性檢驗，且相關性很高，可見春季首場區(qū)域性透雨雨量大時，對應當年春季累計降水量也比較大。

圖3 榆林1978—2018年春季雨量距平圖(實線為線性趨勢線；虛線為多項式趨勢線)

4 首場區(qū)域性透雨的主要環(huán)流形勢

4.1 環(huán)流形勢分型

對1980—2018年間榆林春季首場區(qū)域性透雨過程29個個例的環(huán)流形勢進行分析，將春季透雨的主要環(huán)流形勢分為高原槽型、烏拉爾山阻塞高壓型、北脊南槽型和兩槽兩脊型。其中高原槽型出現(xiàn)了9次，概率為31%；烏拉爾山阻高型出現(xiàn)了8次，概率為28%；北脊南槽型出現(xiàn)了7次，概率為24%；兩槽兩脊型僅出現(xiàn)了5次，概率為17%(表3)。

表3 1980—2018年春季首場透雨環(huán)流形勢分型

4.2 環(huán)流形勢

4.2.1 高原低槽型 圖4為2000—2018年出現(xiàn)的所有高原槽型的500 hPa高度場和700 hPa風場的合成圖。高原槽型表現(xiàn)為，500 hPa歐亞地區(qū)北緯徑向度較小，40°N以南地區(qū)形成兩脊一槽型。咸海以南和我國東部沿海為高脊，高原東側到孟加拉灣維持一長波槽,長波槽位于95°E附近，低層配合一支>12 m/s的西南氣流，在榆林上空有明顯的輻合。地面上冷空氣主要從西路或西北路侵入。在此形勢下，由于高原暖濕氣流活躍，上下層系統(tǒng)配合較好，形成透雨天氣過程。

圖4 2000—2018年高原槽型500 hPa平均高度場(單位：dagpm)和700 hPa平均風場

4.2.2 烏拉爾山阻塞高壓型 圖5為2000—2018年出現(xiàn)的所有烏山阻高型的500 hPa高度場和700 hPa風場的合成圖。500 hPa以烏拉爾山附近維持高壓脊為主要特征，貝爾加湖到巴爾喀什湖有一橫槽，南支在95°E附近維持一低槽。副高588 dagpm線位于臺灣到海南一線，低層維持一支西南氣流，在榆林上空有明顯的輻合。地面上的冷空氣大多從西北路侵入。由于脊前不斷有冷空氣東移南下與暖濕氣流相結合形成透雨。

圖5 2000—2018年烏山阻高型500 hPa平均高度場(單位：dagpm)和700 hPa平均風場

4.2.3 北脊南槽型 圖6為2000—2018年出現(xiàn)的所有北脊南槽型的500 hPa高度場和700 hPa風場的合成圖。500 hPa 50°N以北的亞洲上空為Ω型，烏拉爾山以西及貝爾加湖以東為低槽，西伯利亞為高脊，35°～50°N地區(qū)為平直西風氣流，南支在高原東南部至孟加拉灣有一長波槽。低層有偏南暖濕氣流與低空切變存在。地面冷空氣多從北路侵入陜西。由于此種形勢比較穩(wěn)定，中緯度平直氣流中不斷有小波動東移與南支槽結合，這種形勢下常以穩(wěn)定持續(xù)的降水過程形成透雨。

圖6 2000—2018年北脊南槽型500 hPa平均高度場(單位：dagpm)和700 hPa平均風場

4.2.4 兩槽兩脊型 圖7為2000—2018年出現(xiàn)的所有兩槽兩脊型的500 hPa高度場和700 hPa風場的合成圖。500 hPa 40°N以北呈兩槽兩脊型，40°N以南地區(qū)氣流平直多波動，貝爾加湖以東和烏拉爾山附近分別為高壓脊，貝爾加湖至我國內(nèi)蒙古地區(qū)和烏拉爾山以西分別為低壓槽。榆林上空處于貝爾加湖至我國內(nèi)蒙古地區(qū)的低槽前部，與低層西南暖濕氣流和低空切變相配合。地面冷空氣從西北路或北路侵入。暖濕氣流與低層系統(tǒng)配合較好，使穩(wěn)定的降水過程形成透雨。

圖7 2000—2018年兩槽兩脊型500 hPa平均高度場(單位：dagpm)和700 hPa平均風場

5 小結

(1)榆林春季單站首場透雨平均出現(xiàn)在4月中下旬；東南部地區(qū)早、西北部遲；東南部地區(qū)的異常偏遲年較少，偏早年較多，西北部相反。

(2)春季首場區(qū)域性透雨平均出現(xiàn)時間為4月28日，平均間隔4 a出現(xiàn)一次較早年，間隔9 a出現(xiàn)一次明顯偏早年；出現(xiàn)日期年際變化呈偏早趨勢，降水量呈減少趨勢。春季首場區(qū)域性透雨出現(xiàn)時間與降水量呈正相關，與春季平均累計降水量呈負相關；降水量與春季累計降水量呈正相關，且相關性較高。

(3)春季首場區(qū)域性透雨環(huán)流形勢分為四種：高原低槽型，500 hPa以高原東側到孟加拉灣維持一長波槽為主要特征；烏拉爾山阻塞型，500 hPa以烏拉爾山附近維持高壓脊為主要特征，貝爾加湖到巴爾喀什湖有一橫槽，南支在95°E附近維持一低槽；北脊南槽型，500 hPa 50°N以北的亞洲上空為Ω型，35°～50°N地區(qū)為平直西風氣流，南支在高原東南部至孟加拉灣有一長波槽；兩槽兩脊型，500 hPa 40°N以北呈兩槽兩脊型，40°N以南地區(qū)氣流平直多波動。