陕西8月降水时空分布特征及成因

肖科丽，方建刚，王　娜，蔡新玲

(1．陕西省气候中心，陕西　西安　710015；2．陕西省气象培训中心，陕西　西安　710015)



陕西8月降水时空分布特征及成因

肖科丽1，2，方建刚1，王娜1，蔡新玲1

(1．陕西省气候中心，陕西西安710015；2．陕西省气象培训中心，陕西西安710015)

摘要：基于1961～2013年陕西月降水观测资料和NCEP/NCAR再分析资料，采用EOF和REOF方法分析了陕西8月降水的区域气候特征，并用合成分析方法讨论了陕西8月一致多雨和少雨年的大气环流特征。结果表明：陕西8月降水的EOF分析前3个特征向量场较好地反映了降水区域分布特征，而REOF分析则显示了陕西8月降水区域差异特征。陕西8月一致多雨年南亚高压范围偏大、强度偏强，西太平副热带高压强度偏强、位置偏北偏西，欧亚中高纬度西风带乌拉尔山长波脊偏强，青藏高原低值系统活跃，印缅槽偏深；一致少雨年我国北方大部主要受大陆带状高压控制，相应的对流层低层高原东侧为偏北风距平，这支偏北风距平减弱了偏南风的水汽向北输送。

关键词：气候异常；时空特征；大气环流；陕西

引言

受东亚季风影响中国大部分区域尤其是东部地区降水的季节变化显著。随着东亚夏季风建立和夏季风非匀速向北推进，中国东部雨带也随着向北推进，但由于东亚季风季节进退的早晚及强度年际变化，导致区域降水异常变化和旱涝灾害发生，因此关于中国夏季旱涝成因分析及其与东亚季风的关系引起众多学者关注[1-7]，如黄荣辉等[8]通过分析东亚季风气候系统与我国夏季旱涝灾害关系，认为亚洲季风偏弱，西太平洋副热带高压稳定在热带西太平洋和华南上空，北方弱冷空气频繁南下，长江流域易发生洪涝灾害，而华北夏季干旱少雨；翟颖佳等[9]分析了盛夏华北降水偏多与西太平洋副热带高压的关系；黄燕燕等[10]分析了长江流域和华北地区典型旱涝年与南亚高压的关系；何金海[11]、王楠[12]等通过分析西北地区夏季降水异常与大尺度大气环流系统的关系，总结了西北地区东部夏季降水异常的气候成因。陕西地处青藏高原东北侧，南北狭长，地形复杂，我国南北气候的分界线秦岭位于陕西中南部，特殊的地理位置和地貌特征使得陕西夏季降水不仅区域差异明显，而且阶段性显著，且夏季区域暴雨洪涝、干旱等气象灾害频发，因此关于陕西盛夏强降水成因分析也受到广泛关注[13-16]。本文利用NCEP/NCAR再分析资料与陕西盛夏8月降水量，分析陕西盛夏降水异常的气候特点及大气环流特征，为陕西盛夏降水异常的短期气候预测提供依据。

1资料与方法

所用资料为NCEP/NCAR月平均再分析资料，水平分辨率为2.5°×2.5°，物理量为100 hPa、500 hPa等压面位势高度和850 hPa风速；陕西96站8月降水量由陕西省气象信息中心提供，资料时段均为1961~2013年；西太平洋副热带高压脊线位置、西伸脊点、强度指数由国家气候中心提供(http://cmdp.ncc.cma.gov.cn/cn/index.htm)。采用经验正交函数分解(EOF)、旋转的经验正交函数分解(REOF)等方法，分析陕西8月降水的时空分布特征，采用合成分析方法讨论8月降水异常的大气环流特征。

2陕西8月降水的气候特征

对陕西省8月96站53 a降水量做标准化处理并进行EOF分析，EOF的前3个模态方差贡献率分别为42.1%、14.2%和6.4%，因此前3个模态的空间分布及相应的时间系数变化，能够反映陕西8月降水的时空分布特征。第1模态(图1a)表明8月降水量的空间分布型为全省一致型，其振幅高值中心位于陕西中南部，反映了陕西8月降水由北向南逐渐增多的气候特征，也是该时段陕西降水主要的空间分布型；由相应的时间系数变化曲线(图1d)可以看出，1961年以来陕西省8月降水年际差异大，1970年代后期、1980年代和2000年以来以多雨为主，而1960~1970年代初期、1990年代以少雨为主。第2模态(图1b)显示陕西8月降水大致以秦岭为界呈南多(少)北少(多)的反位相分布，反映陕西8月降水受地形影响存在秦岭南、北之间的空间差异；由时间系数变化(图1e)可知1965、1974、1989、1998、2005年和1967、1973、1978、1992、1994年秦岭南北8月降水差异最为显著。第3模态(图1c)显示陕西8月降水南北多(少)中间少(多)的分布，反映陕西关中渭河平原8月高温少雨多伏旱、北部黄土高原沟壑区与南部秦巴山区多雨的气候特征；由时间系数变化(图1f)可知1965、1968、1995、2005、2009年关中渭河平原伏旱显著，而陕北、陕南多雨的气候特征显著。

图1　陕西8月降水EOF分析的第1(a,d)、第2(b,e)及第3(c,f)空间模态及相应的时间系数曲线

REOF方法是一种气候区划方法，是在EOF分析的基础上，选择一个正交旋转矩阵，使原始矩阵旋转后的列向量元素平方的方差达到最大，这样原要素场的信息特征可以集中映射到荷载场所表示的优势空间上，更能突出要素异常分布的局域特征。为分析陕西8月降水的区域分布特征，在EOF分析的基础上，进一步做REOF分析，REOF第1模态(图2a)高载荷区位于黄土高原沟壑区与秦岭之间的关中渭河平原，该区域8月多年平均降水量70～110 mm，降水自东向西、从南向北逐渐增多，盛夏暴雨、干旱、连阴雨等极端天气气候事件频繁发生，因此该区域降水不仅地域差别显著，且年际变率大。第2模态(图2b)高载荷区位于陕北黄土高原沟壑区，紧邻毛乌素沙漠西北部，大部分区域8月多年平均降水量100～120 mm，降水从北向南逐渐增多。该区域位于东亚夏季风北边缘带，降水年际变化和区域分布差异显著，自然灾害类型多样、活动频繁，生态环境脆弱，土地沙漠化和水土流失严重。第3模态(图2c)高载荷区位于陕南秦巴山区，8月多年平均降水量空间分布极为不均，巴山山区的镇巴县为179 mm，而秦岭山脉南麓的商州仅104.1 mm，该区域山地、河谷、盆地等多种地貌类型共存，是陕西夏季暴雨、大暴雨等强降水的多发区，也是暴雨诱发山洪、滑坡和泥石流等地质灾害的易发区。因此依据REOF高载荷区和区域降水特征，陕西8月降水可分为陕北黄土高原沟壑区、关中渭河平原和陕南秦巴山区等3个降水特征差异显著的区域。

3陕西8月典型多(少)雨年大气环流特征

3.1500 hPa环流特征

EOF展开的第1模态方差贡献率达到42.1%，因此其时间系数的年际变化基本反映了陕西8月降水的异常变化，定义第1模态时间系数>1.0个标准差为陕西8月典型多雨年，<-1.0个标准差为陕西8月典型少雨年。典型多雨年有1976、1981、1982、1988、1992、1998、2003、2010年共8 a，典型少雨年有1967、1975、1977、1986、1994、1997、1999年共7 a。

分析发现陕西8月一致多雨年500 hPa(图3a)欧亚中高纬度西风带经向环流发展，乌拉尔山为长

波脊，贝加尔湖以东有一浅槽，亚洲中纬度盛行纬向西风气流，并在 40°N附近维持较强的西风锋区，西太平洋副热带高压588 dagpm特征线西伸脊点位于130°E附近，相应的距平场呈“-+-”分布，其中乌拉尔山有4 dagpm的正距平中心，欧洲和贝加尔湖有-1 dagpm的闭合负距平中心。我国东南沿海为正距平，青藏高原到孟加拉湾有-1 dagpm的负距平中心，表明陕西8月一致多雨年乌拉尔山长波脊偏强，青藏高原多短波槽或低值系统活动，印缅槽偏强，西太平洋副热带高压偏强。而8月陕西一致少雨年500 hPa(图3b)欧亚中纬度盛行纬向环流，东亚西风锋区位于45°N以北，西太平洋副热带高压主体位于大洋上空，青藏高原到亚洲大陆东岸为一带状高压。相应的距平场欧亚距平呈“+-”分布，欧洲有2 dagpm的正距平中心，亚洲中高纬度为大片的负距平，并有-4 dagpm的闭合负距平中心，我国华南等低纬度地区为负距平，表明8月一致少雨年陕西及我国北方大部主要受大陆带状高压控制，晴热少雨。

图2　陕西8月降水的REOF分解第1(a)、第2(b)及第3(c)空间模态

图3　陕西8月多雨年(a)与少雨年(b)500 hPa位势高度场及距平场合成图(单位:dagpm)

3.2100 hPa环流特征

对陕西8月多雨年与少雨年100 hPa南亚高压对比分析表明：陕西8月多雨年(图4a)南亚高压比少雨年(图4b)位置略偏东、范围偏大、强度偏强，多雨年南亚高压有1 684 dagpm的闭合高压中心，赤道附近有闭合的1 660 dagpm低压中心，较少雨年低4 dagpm。位势高度距平场中多雨年东亚大部为正距平，中国大陆东部黄淮流域有4 dagpm的正距平中心，少雨年我国长江以南为负距平，华北有2 dagpm的正距平中心。

图4　陕西8月多雨年(a)与少雨年(b)100 hPa位势高度场及距平场合成图(单位:dagpm)

3.3850 hPa流场

陕西8月一致多雨年850 hPa亚洲东岸到西太平洋有一异常反气旋距平环流(图5a)，该环流西侧云贵高原到四川盆地有异常偏南风距平，增强了南方暖湿气流向西北东部的输送，从而给西北东部提供了大量源自低纬度的暖湿空气，同时河套以北为偏北风距平，增强了北方南下的冷空气势力，异常的高低纬环流形势配合为陕西盛夏降水异常偏多提供了有利的环流背景。

陕西8月一致少雨年850 hPa孟加拉湾—南海为偏西风距平(图5b)，我国华南为气旋性距平环流，该气旋性距平环流西侧四川盆地到云贵高原为偏北风距平，减弱了西南暖湿气流向西北东部的输送，我国华北到东北为反气旋性环流，河套及其以北地区为偏南风距平，减弱了影响陕西的冷空气势力，对流层低层这种异常配置，易形成陕西8月的少雨天气。

图5　陕西8月典型多雨年(a)与少雨年(b)850 hPa风场距平合成图

3.4西太平洋副热带高压

夏季西太平洋副热带高压外围西南风与北方南下的冷空气交汇，形成我国东部的多雨带和强降水中心。陕西虽然地处中国大陆西北地区东部，但西太平洋副热带高压位置、强度变化也直接影响陕西8月降水。在陕西8月8 a典型多雨年中，1976、1981、1988、1998、2003、2010年西太平洋副热带高压西伸脊点位于90°E～120°E(表1)，较多年平均位置偏西，其中1976、1981、1998、2003、2010年脊线位于26°N～32°N，较多年平均位置偏北，同时典型多雨的8 a中有5 a西太平洋副热带高压偏强。在陕西8月典型少雨的7 a中，1975、1977、1986、1999年西太平洋副热带高压位置明显偏东，西伸脊点位于135°E以东，7 a中脊线位置有6 a位于31°N以北或24°N以南，且典型少雨的7 a中有6 a西太平洋副热带高压强度偏弱。以上分析表明西太平洋副热带高压偏北偏西、强度偏强有利于陕西8月多雨，而位置偏东、强度偏弱、脊线位置偏南则陕西8月易少雨。

西太平洋副热带高压位置的变化仅是影响陕西8月天气气候变化的一个方面，西太平洋副热带高压活动与陕西8月气候变化的关系是比较复杂的，例如降水偏少较明显的1994年和1997年，西太平洋副热带高压西伸脊点位于100°E，脊线分别位于32°N和29°N，而降水偏多的1988年，西太平洋副热带高压脊线位于21°N，位置却明显偏南。因此二者的关系还有待于进一步研究。

表1　陕西8月典型多雨年与少雨年西太平洋副热带高压脊线位置、西伸脊点和强度指数

4讨论与小结

陕西8月降水区域差异显著。陕北黄土高原沟壑区年降水随季节变化呈单峰型，在7月下旬至8月上旬的多雨时段后，降水逐渐减少；而陕西南部秦岭邻近地区年降水随季节变化呈双峰型，有初夏和秋季2个多雨时段，8月初正是该地区少雨伏旱时段，有分析认为[17-19]伏旱时段是该区域初夏和秋季多雨期的分水岭，而盛夏我国北方大部地区受大陆高压控制，或西太平洋副热带高压脊线位置偏北，陕西南部受西太平洋副热带高压控制时，陕西易出现高温少雨，伏旱严重。同时在多数年份中，陕西南部8月下旬就进入秋季多雨时段，这时西太平洋副热带高压一般稳定少动，110°E西太平洋副热带高压脊线在28°N附近，位置偏西偏北、强度偏强，也导致陕西夏季8月高温、干旱、暴雨、连阴雨等极端天气气候事件频发，本文分析了8月降水的区域特征和降水异常的大气环流特征，主要结论有：

(1) EOF前3个模态基本代表了陕西8月降水的区域分布特征，第1模态反映了全省降水的一致性分布，第2、3模态反映了降水区域差异。而REOF分析结果则显示了陕西盛夏降水季区域分布特征，即陕北黄土高原沟壑区、关中渭河平原和陕南秦巴山区等3个降水特征差异显著的区域；

(2)陕西8月一致多雨年南亚高压范围偏大、强度偏强；西太平洋副热带高压强度偏强、位置偏北偏西；500 hPa欧亚中高纬度位势高度距平场欧亚呈“-+-”分布，表明乌拉尔山长波脊偏强，贝加尔湖到巴尔喀什湖低槽偏强，青藏高原低值系统活跃，印缅槽较常年同期偏强。相应的对流层低层我国东南沿海的偏东风距平在西进过程中，与孟加拉湾到云贵高原的西南风距平合并，形成四川盆地到秦岭山脉附近的强偏南风距平，为陕西8月多雨提供了充足的水汽；

(3)陕西8月一致少雨年我国北方大部主要受大陆带状高压控制，对流层低层高原东侧为偏北风距平，这支偏北风距平减弱了偏南风的水汽向北输送，导致陕西8月一致性少雨。

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Spatial and Temporal Distribution of Precipitation in August in Shaanxi Province and Causes Analysis

XIAO Keli1，2， FANG Jiangang1， WANG Na1， CAI Xinling1

(1.ShaanxiClimateCenter,Xi’an710015,China；2.ShaanxiMeteorologicalSociety,Xi’an710015，China)

Abstract:Based on NCEP/NCAR reanalysis data and monthly precipitation data in Shaanxi Province from 1961 to 2013，the spatial and temporal distribution characteristics of August precipitation were analyzed by using EOF and REOF analysis methods, and the atmospheric circulation characteristics in rainy years and dry years in Shaanxi were discussed by using composite analysis method. The results showed that the first three loading vector fields could reflect the whole anomaly structures of August rainfall in Shaanxi, and the rotated loading vector fields represented regional difference characteristics of Shaanxi August precipitation. When South Asia high was stronger and its range was larger, the western Pacific subtropical high was obviously stronger and extended abnormaly northward and westward, the long wave ridge over the Ural Mountains was stronger, and low-value system over the Tibetan Plateau was more active and the India-Burma trough was deeper, there was more rain in August of Shaanxi. Whereas, when the most part of Northern China was controlled by mainland zonal high, and there was abnormal north wind in the east side of the plateau in lower troposphere, which weakened southerly wind transporting moisture to northward, so there was less rain in August of Shaanxi.

Key words:climate anomaly；spatial-temporal feature；atmospheric circulation；Shaanxi Province

中图分类号：P426

文献标识码：A

文章编号：1006-7639(2016)-01-0058-06

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-01-0058

作者简介：肖科丽(1964-)，女，高工，从事气候与气候变化分析研究．E-mail:xklnew @126.com通讯作者：方建刚(1960- )，男，陕西咸阳人，正研级高级工程师. E-mail:fangjg1960@163.com

基金项目：中科院知识创新工程重要方向项目(KZCX2-EW-114)、中科院—国家外专局创新团队国际合作伙伴计划(KZZD-EW-TZ-03)及陕西省气象局2013年研究型业务重点科研项目(2013Z-5，2013Z-6)共同资助

收稿日期：2015-03-12；改回日期：2015-07-10

肖科丽，方建刚，王娜，等.陕西8月降水时空分布特征及成因[J].干旱气象，2016，34(1)：58-63, [XIAO Keli， FANG Jiangang， WANG Na, et al. Spatial and Temporal Distribution of Precipitation in Autumn in Shaanxi Province and Causes Analysis[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(1):58-63], doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-01-0058