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(xué)，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(fēng)氣候區(qū)，海拔高度為800～1 500 m，包括陜西省榆林、延安兩市25個縣區(qū)市，境內(nèi)北部是風(fēng)沙草灘區(qū)、中部是丘陵溝壑區(qū)、南部是臺塬區(qū)，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(fā)，局地強降水引發(fā)城市內(nèi)澇、山洪暴發(fā)，損毀房舍、道路、農(nóng)田、堤壩等基礎(chǔ)設(shè)施，常造成重大經(jīng)濟損失，是水土流失最為嚴(yán)重和生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)之一。20世紀(jì)70年代，榆林市與內(nèi)蒙古自治區(qū)交界處曾出現(xiàn)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(xù)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(xiāng)鎮(zhèn)3 h降水量超過100 mm。2012年7月27—28日，佳縣降大暴雨,連續(xù)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(fā)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(fā)，1人被水沖走身亡；2017年7月23日16—19時，榆林市區(qū)突發(fā)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(fā)生區(qū)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(xù)數(shù)小時強降水使得子洲縣遭受了多年以來最嚴(yán)重的暴雨洪澇災(zāi)害[2-7]。

關(guān)于短時強降水的時空分布特征研究，白志娜等[8]分析發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)甘肅省短時強降水主要出現(xiàn)在5—9月，其中7—8月是一年中出現(xiàn)最多的月份，其次是6月。強降水主要發(fā)生在午后至前半夜，出現(xiàn)時段集中在16—00時，17時前后是短時強降水天氣高發(fā)時段。王國榮等[10]分析北京地區(qū)的短時強降水發(fā)現(xiàn)城區(qū)是短時強降水的高發(fā)區(qū)，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(rèn)為，城市化快速發(fā)展改變了地表熱通量和熱傳遞，是城區(qū)出現(xiàn)極端降水的誘因之一。李萍云等[12]分析認(rèn)為陜西短時強降水主要發(fā)生在午后到夜間，日變化呈單峰分布，強降水頻次峰值出現(xiàn)在17—00時，但極值雨強易出現(xiàn)在22—00時。鄭小華等[13]發(fā)現(xiàn)全球變暖背景下，陜西極端降水的時空分布特征發(fā)生明顯變化，年最大降水量和強降水發(fā)生頻次均呈增加趨勢，并分別在20世紀(jì)70年代中期和80年代中期發(fā)生突變，陜北的強降水發(fā)生頻次增加明顯。王玉龍和張子涵[14]分析東營地區(qū)產(chǎn)生短時強降水的天氣系統(tǒng)可分為西風(fēng)槽型、副高邊緣型、切變線型、高空冷渦型、臺風(fēng)型等5種類型。上述研究成果總結(jié)了國內(nèi)不同地區(qū)短時強降水的分布特征，關(guān)于陜西黃土高原短時強降水時空分布及環(huán)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(shù)據(jù)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(jié)多強降水年與少強降水年的環(huán)流特征，為做好短時強降水的氣候預(yù)測提供參考依據(jù)。

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(shù)據(jù)。根據(jù)《全國短時臨近預(yù)報業(yè)務(wù)規(guī)定》，短時強降水定義為1 h降水量≥20 mm的降水。根據(jù)俞小鼎[15]等人提出的標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)，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(tǒng)計方法參照《陜西省短期天氣預(yù)報技術(shù)手冊》規(guī)定[16]及有關(guān)文獻[17]標(biāo)準(zhǔn)，并考慮強降水主要表現(xiàn)為局地性，且陜西黃土高原氣象站網(wǎng)稀疏，站點相距近百公里，按同日強降水出現(xiàn)的臺站數(shù)量，將強降水的發(fā)生范圍劃分為4種類型，即單站強降水、強降水站數(shù)/總站數(shù)<10%為局地強降水、強降水站數(shù)/總站數(shù)在10%～30%為小范圍強降水，強降水站數(shù)/總站數(shù)≥30%為區(qū)域性強降水。具體如下：同日內(nèi)只有1站出現(xiàn)強降水，統(tǒng)計為單站強降水，2站同日出現(xiàn)強降水，統(tǒng)計為局地強降水，3～4站同日出現(xiàn)強降水，統(tǒng)計為小范圍強降水，5站以上同日出現(xiàn)強降水，統(tǒng)計為區(qū)域性強降水。只要有一站出現(xiàn)短時強降水，統(tǒng)計為一個強降水日，一天中多次多站出現(xiàn)強降水，則強降水頻次累加統(tǒng)計。如某日某站出現(xiàn)1次強降水，則統(tǒng)計為1次強降水和1個強降水日；如某日2站同時出現(xiàn)強降水，則統(tǒng)計為1個強降水日，2次強降水；再如某日兩站同時出現(xiàn)強降水，且一站只出現(xiàn)1個時次，另一站出現(xiàn)2個時次，則統(tǒng)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(xiàn)總頻次及占比。由表1可知，陜西黃土高原2004—2018年共出現(xiàn)短時強降水386次，出現(xiàn)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(xiàn)時段，占總頻次的89%。其中，7月下旬最多，共出現(xiàn)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(xiàn)；9月下旬之后偶有出現(xiàn)，年均不足1次；最晚出現(xiàn)在10月中旬，15年中僅出現(xiàn)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(fā)生季節(jié)與大氣環(huán)流和季風(fēng)氣候有關(guān)[18]。5月夏季風(fēng)建立，輸送到陜西黃土高原的水汽增多，對流開始發(fā)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(huán)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(xiàn)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(xiàn)日數(shù)及范圍統(tǒng)計表。由表2可知短時強降水的出現(xiàn)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(xiàn)136 d，占短時強降水總?cè)諗?shù)的64%，局地強降水出現(xiàn)47 d，占22%，區(qū)域性強降水出現(xiàn)最少，僅有4 d，占2%。范圍最大的區(qū)域強降水出現(xiàn)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(xiàn)短時強降水。2004—2018年短時強降水共出現(xiàn)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(xiàn)頻次和日數(shù)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(xiàn)日數(shù)和頻次增多與陜西黃土高原向暖濕氣候趨勢轉(zhuǎn)變有關(guān)。鄭小華[13]在分析陜西極端降水的時空特征中有類似的結(jié)論。

表2 2004—2018年陜西黃土高原短時強降水出現(xiàn)日數(shù)及范圍統(tǒng)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(guān)系數(shù)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(guān)關(guān)系。15 a中有10 a是正相關(guān)，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(guān)關(guān)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(xiàn)，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(tǒng)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(xiàn)52次，占13%。短時強降水多出現(xiàn)在下午和夜間，與強對流易發(fā)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(qū)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(qū)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(qū)與最大小時雨強的大值區(qū)有一定的對應(yīng)關(guān)系，但不完全重合。

2.5 短時強降水雨量和持續(xù)時間

以10 mm為遞增區(qū)間分段統(tǒng)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)頻次極低，15 a里共出現(xiàn)11次，僅占2%，年均出現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)計單站短時強降水持續(xù)時間(表3)發(fā)現(xiàn)：持續(xù)1 h的共326次，占短時強降水總頻次的92%；持續(xù)2 h的出現(xiàn)21次，占6%；最長持續(xù)3 h，出現(xiàn)6次，占2%?？梢钥闯觯虝r強降水持續(xù)時間大多在1 h以內(nèi)，表現(xiàn)出短歷時的特點，與北京地區(qū)短時強降水一般持續(xù)20～35 min的特點[10]比較接近。

表3 陜西黃土高原不同持續(xù)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(huán)流特征對比

2004—2018年陜西黃土高原強降水主要出現(xiàn)在7月，而且短時強降水頻次及雨強與大尺度環(huán)境場有關(guān)[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(biāo)準(zhǔn)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(fēng)場和溫度場，以及假相當(dāng)位溫和水汽通量散度等特征量，對不同位勢高度層的環(huán)流特點和能量條件進行強弱年的比較，總結(jié)強弱年的主要差異。

3.1 500 hPa環(huán)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(tài)(27°N，124°E)偏西偏北，西風(fēng)帶30°N～45°N為緯向氣流和>20%的正距平區(qū)，584 dagpm線在陜西黃土高原37.5°N形成槽區(qū)。溫度場(圖略)上，30°N～50°N陜西黃土高原到華北地區(qū)升溫顯著，正距平達到2 ℃，貝湖西北側(cè)為負(fù)距平達-1.2 ℃，經(jīng)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(tài)，西風(fēng)帶30°N～50°N呈西高東低的經(jīng)向型環(huán)流，陜西黃土高原處于貝湖高脊區(qū)前側(cè)，為弱的正距平區(qū)，584 dagpm線位于黃河流域以南，槽區(qū)位于32°N。溫度場(圖略)上，30°N～50°N中國大陸范圍內(nèi)，新疆為弱的正距平0.8 ℃，河套及以東為負(fù)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(qū)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(qū)平均高度場為>20%的正距平區(qū)，西風(fēng)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(chǎn)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(tài)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(huán)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(qū))，東西長26經(jīng)距，南北寬7緯距，陜西黃土高原處于急流右前側(cè)的強輻散區(qū)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(jīng)距，南北寬5緯距，水平尺度遠小于強年，急流前側(cè)的輻散區(qū)南移到35°N附近。分析強年低空700 hPa風(fēng)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(fēng)速>4 m/s。水汽通量輻合區(qū)位于陜西黃土高原的東側(cè)，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(cè)吹向東北的西南風(fēng)和副高邊緣的偏南風(fēng)越過長江到達陜西。700 hPa偏南氣流與高空急流右前側(cè)的輻散區(qū)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(fēng)較弱，風(fēng)速<4 m/s，水汽輻合區(qū)同樣位于陜西黃土高原的東側(cè)，但輻合值偏小，風(fēng)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(chǎn)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(fēng)場(箭頭，單位為m/s；圓圈為強輻散區(qū)；陰影區(qū)為高空急流)和強年(c)弱年(d)7月700 hPa風(fēng)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(qū),單位為10-7 g/(cm2·hPa·s))

3.3 邊界層氣溫和不穩(wěn)定能量

短時強降水多為對流系統(tǒng)，近地層高能高濕有利于對流產(chǎn)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(dāng)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(dāng)位溫強弱年略有差異，強年假相當(dāng)位溫>320 K覆蓋陜北大部分地區(qū)。弱年>320 K區(qū)域位于陜西關(guān)中及以南地區(qū)。850 hPa與500 hPa的假相當(dāng)位溫差(Δθse(850-500))能夠反映大氣層結(jié)的潛在不穩(wěn)定，850 hPa與500 hPa的假相當(dāng)位溫差較大時，表征大氣具有下暖上冷的不穩(wěn)定層結(jié)，有利于對流的發(fā)展，從而易出現(xiàn)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(jié)論與討論

(1)陜北黃土高原2004—2018年共出現(xiàn)短時強降水386次。短時強降水最早出現(xiàn)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(xiàn)時段，短時強降水頻次占總頻次的89%。其中7月下旬出現(xiàn)最多，占總頻次的27%。年際分布極不均勻，2013年最多，出現(xiàn)52次，2004年最少，僅出現(xiàn)8次。短時強降水頻次和日數(shù)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(xiàn)133 d，占短時強降水總?cè)諗?shù)的64%，局地強降水出現(xiàn)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(xiàn)，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(fā)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(xiàn)強對流天氣一致。大多數(shù)短時強降水時間尺度為1 h以內(nèi)，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(xiàn)，15 a共出現(xiàn)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(qū)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(qū)，中高緯經(jīng)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(qū)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。