準雙周振蕩對榆林夏季極端強降水的影響

薛小寧?王彤?屈艷梅

摘 要：利用榆林12個國家氣象站1979—2019年的5—9月的汛期逐日降水資料和NCEP-DOE再分析資料，對榆林汛期極端強降水進行了遴選，分析了準雙周振蕩對榆林夏季極端強降水的影響，合成了榆林夏季極端強降水的要素場，并提煉了相關概念模型，利用該概念模型對榆林2019年夏季5次極端強降水事件進行了分析。結果表明：（1）榆林市夏季降水具有顯著準雙周（10～30 d）振蕩特征；（2）整個汛期極端強降水呈現單峰分布，從5月入汛后，極端強降水事件增多，8月達到峰值，高頻區位于西部的定邊，西北部的榆陽、橫山、神木；（3）極端強降水對應的準雙周振蕩環流特征表現為副高西伸北抬，伴隨西風帶低值系統的東移，副熱帶西風急流北抬；物理場上高層輻散、中低層輻合，強輻合伸展至500 hPa；500、700 hPa風為氣旋式輻合的西南風，850 hPa先后表現為西南—東南—東北風的轉變；整層水汽場上為西南風水汽輸送；（4）利用概念模型診斷已出現的極端降水事件，只有一小部分符合其特征，這可能與模型建立時應用了距平處理和濾波處理對中小系統進行了平滑和過濾有關。

關鍵詞：準雙周振蕩；夏季極端強降水；環流特征；物理量場特征

中圖分類號：P426.6 文獻標志碼：B文章編號：2095–3305（2024）01–0-03

準雙周振蕩是全球大氣季節內變化的一個重要模態，其對夏季東亞天氣和氣候有重要影響[1]。金小霞等[2]研究表明，南?！鞅碧窖蟮貐^夏季（5—10月）熱帶氣旋的生成受到熱帶大氣準雙周振蕩的明顯調制，多數熱帶氣旋發生在大氣準雙周振蕩的濕位相，少數熱帶氣旋發生在干位相；當處于濕位相時，西北太平洋季風槽加強、非絕熱加熱增強和緯向風垂直切變減弱。西北太平洋地區熱帶氣旋路徑亦受熱帶大氣準雙周振蕩的影響[3]。陳思等[4]指出，熱帶和中緯度大氣準雙周振蕩均對華南5—6月低頻降水有重要影響。黃少妮等[5]對陜西降水季節及季節內振蕩的氣候特征進行了分析，認為陜西大部分地區降水以季節變化（年循環）為主，降水準雙周振蕩在全省范圍內比較顯著，氣候平均態下降水的準雙周振蕩幅度于4月中旬開始逐漸加強，7—9月振幅最強，10—11月開始逐漸減弱；降水準雙周振蕩顯著時期主要在夏季，而30～60 d季節內振蕩在全省全年都存在，夏季比冬季振幅大。

面對極端降水天氣過程，常規的預報技術和手段難以準確預測。季節內振蕩的時間尺度介于天氣和氣候之間，可以作為聯系天氣和氣候的紐帶。陜北夏季降水具有準雙周振蕩的特征，通過對準雙周振蕩特征的分析對夏季極端強降水事件的預報具有現實意義。提煉了大氣準雙周振蕩影響極端強降水事件的概念模型，并挑選極端強降水典型個例，將概念模型應用于個例診斷，對提高預報預測能力，做好氣象服務和防災減災工作具有重要作用。

1 資料和方法

利用榆林市1981—2010年5—9月的逐日降水資料作為氣候平均資料，將日降水大于95%分位降水定義為極端降水，確定極端降水的臨界值。利用此臨界值遴選了1979—2019年間5—9月榆林發生的273次極端強降水事件，分析了榆林汛期各月的極端降水頻次分布。

將NCEP-DOE再分析資料利用lanczos濾波法進行了合成，得到了榆林汛期產生極端強降水事件的概念模型。利用此概念模型對榆林2019年7月22日暴雨過程、7月29日對流性大暴雨過程、8月3日暴雨天氣過程、9月11日連陰雨中的大雨天氣過程、8月24日大雨天氣過程事件進行了診斷分析。

2 榆林汛期極端強降水的分布特征

發生極端強降水的天數定義為極端降水頻次。榆林1979—2019年共出現273次極端強降水事件，最多年11次，最少年1次。其中5月29次，6月40次，7月75次，8月84次，9月45次。整個汛期呈現單峰分布，從5月入汛后，極端強降水事件增多，8月達到峰值。

5月極端強降水的高頻次區位于榆林西部的定邊、靖邊縣，為1.0和1.1次；6月極端強降水事件較5月增多且高頻次區位于榆林西部的定邊、靖邊、橫山區，為1.4、1.3和1.4次；7月極端強降水的高頻次區位于榆林北部的神木、府谷，為2.7和2.5次，較6月顯著增多；8月極端強降水的高頻次區位于北部的神木、府谷、榆陽、橫山、佳縣，最大為榆陽3.0次；9月極端強降水的高頻次區南落至東南部縣區，中心位于子洲為1.8次。整個汛期高頻區位于西部的定邊、西北部的榆陽、橫山、神木。

3 榆林夏季極端強降水與大氣準雙周振蕩的關系

對榆林1979—2019年夏季逐日降水距平進行EOF分析，其第一模態的空間場EOF1和第二模態的空間場EOF2如圖1所示，第一模態降水呈現全區符號一致的變化，第二模態東南部呈現出其他地區降水反位相的變化特征，這反映了全區降水一致，即可以當作一個整體來進行研究。因重點關注季節內時間尺度，因此對降水距平預先進行5 d滑動平均，對多年夏季降水距平進行功率譜分析，然后平均多年的功率譜，得到功率譜分布，其中，綠線為馬爾可夫紅噪聲譜，藍線和紅線分別是馬爾可夫紅噪聲譜的5%和95%置信水平，降水時間序列的功率譜（黑線）大于95%置信水平，說明榆林地區的降水距平存在10～30 d準雙周振蕩特征。

4 榆林夏季極端強降水的環流特征概念模型

選取榆林1979—2019年間273次極端降水事件。將NECP-DOE再分析數據利用lanczos濾波器進行要素場合成，得到區域平均極端降水事件對應的準雙周環流概念模型。

4.1 500 hPa位勢高度和垂直速度特征

榆林地區極端降水的發生對應于歐洲地區異常低壓向東南逐漸移動至巴爾喀什湖以東地區。日本附近2個異常高壓向西移動，約在Day-4時融合成一個高壓，并大致在渤海上空維持；這導致西太副高西伸、北抬，東亞副熱帶急流北移。極端強降水發生時，中緯度為東高西低環流形勢，東部的高壓環流對西部的低槽有一定的阻擋作用，有利于降水的維持，環流經向度大，垂直運動強，垂直速度在Day-2～Day0持續達-2.4×10-2 Pa/s，為強降水產生提供強烈的上升運動條件（圖2）。

4.2 200 hPa副熱帶西風急流特征

榆林地區極端降水的發生對應于歐洲地區副熱帶西風急流向東逐漸移動至貝湖以南地區，中心位于（115°E，43°N）附近。同時貝湖南部的東風氣流加強向東南移至江淮流域上空，在Day-2強度顯著加強。極端強降水發生時，榆林位于東西風帶的過渡區，副熱帶西風急流的南側，高空鋒區的南側，按照鋒區隨高度向北傾斜的原理，中低層榆林正處于鋒區中，利于產生極端強降水。

4.3 風場特征

榆林地區極端降水的發生對應850 hPa風場的特征為：Day-8有顯著的西南風發展，Day-6西南風氣流的氣旋性渦度增強，Day-4轉為一支東南風急流，Day-2東南風急流顯著加強。極端強降水發生時，850 hPa榆林上空轉為東北氣流。

極端降水的發生對應700 hPa風場的特征為：Day-6有顯著的西南風發展，Day-4轉為一支南風急流，Day-2南風急流氣旋性渦度顯著加強，向西南風轉變。極端強降水發生時，700 hPa榆林上空轉為西南風氣流。

如圖3所示，極端降水的發生對應500 hPa風場的特征為：Day-6之前為氣旋后部的東北氣流，Day-4轉為一支南風氣流，Day-2受環流徑向度加大，東西高壓對形成后，氣壓梯度對比加大，南風氣流顯著加強。極端強降水發生時，東部的反氣旋性環流減弱東退，500 hPa榆林上空轉反氣旋西北側的西南風氣流。

4.4 低層渦度場和高層散度場特征

極端降水的發生對應850 hPa渦度場的特征為：Day-4正渦度顯著加強，且在東北和東海有負渦度中心存在；Day-2正渦度減弱，且在東北和東海有負渦度中心加強，趨于合并；極端強降水發生時，850 hPa榆林上空正渦度較弱。

如圖3所示，極端降水的發生對應700 hPa渦度場的特征為：Day-4正渦度較弱，且在東北和東海有負渦度中心存在；Day-2正渦度顯著加強，且在東北和東海有負渦度中心加強，趨于合并；極端強降水發生時，700 hPa正渦度中心位于榆林上空。

極端降水的發生對應200 hPa散度場的特征為：前期正散度中心位于中亞地區的咸海以東，不斷向東發展，Day-4移至貝湖南側，強度增強；Day-2正散度顯著加強，中心位于河套地區；極端強降水發生時，200 hPa正散度中心位于榆林上空。高空正散度為降水的產生提供了有利的高空輻散場。

4.5 水汽通量及其散度場

極端降水的發生對應于歐洲地區異常低壓環流向東南逐漸移動至巴爾喀什湖以東地區。日本附近2個異常高壓環流向西移動，約在Day-4時融合成一個高壓環流，并大致在渤海上空維持；極端強降水發生時，中緯度為東高西低環流形勢，東部的高壓環流對西部的低槽有一定的阻擋作用，有利于降水的維持，環流經向度大，高低壓環流對峙，有利于偏南氣流的加大，加大西南風水汽輸送和水汽的輻合，榆林上空為強水汽輻合區。

5 2019年榆林5次極端強降水過程診斷分析

對比分析榆林7月22日暴雨過程、7月29日對流性大暴雨過程、8月3日暴雨天氣過程、9月11日連陰雨中的大雨天氣過程、8月24日大雨天氣過程事件的要素合成場，前4次過程與所建立的概念模型不相符，只有8月24日的中到大雨天氣過程與概念模型相符。

6 結論

（1）榆林市夏季降水具有顯著準雙周（10～30 d）振蕩特征。

（2）整個汛期極端強降水呈現單峰分布，從5月入汛后，極端強降水事件增多，8月達到峰值，高頻區位于西部的定邊、西北部的榆陽、橫山、神木。

（3）極端強降水對應的準雙周振蕩環流特征表現為副高西伸北抬，伴隨西風帶低值系統的東移，副熱帶西風急流北抬；物理場上高層輻散、中低層輻合，強輻合伸展至500 hPa；500、700 hPa風為氣旋式輻合的西南風，850 hPa先后表現為西南—東南—東北風的轉變；整層水汽場上為西南風水汽輸送。

（4）利用概念模型診斷已出現的極端降水事件，只有一小部分符合其特征。這可能與模型建立時應用了距平處理和濾波處理，對中小系統進行了平滑和過濾有關。

參考文獻

[1] 楊雙艷，武炳義，胡景高，等.大氣準雙周振蕩的研究進展[J].大氣科學學報，2015，38（6）：855-864.

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[3] 陶麗，李雙君，濮梅娟，等.熱帶大氣準雙周振蕩對西北太平洋地區熱帶氣旋路徑的影響[J].大氣科學學報， 2012，35（4）：404-414.

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[5] 黃少妮，許新田，王丹.陜西降水季節及季節內振蕩的氣候特征[J].干旱氣象，2014，32（1）：46-51.