西北东部夏季极端干旱事件机理分析

朱伟军,王燕娜,周兵,潘佳



西北东部夏季极端干旱事件机理分析

朱伟军①*,王燕娜①②,周兵③,潘佳④

① 南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;

② 北京延庆区气象局,北京 102100;

③ 国家气候中心,北京 100081;

④ 民航西北空中交通管理局宁夏分局,宁夏 银川 750004

2014-01-06收稿，2014-02-23接受

国家自然科学基金资助项目(41575070;41075070);公益性行业(气象)科研专项(GYHY201306028);江苏高校优势学科建设工程(PAPD)

摘要利用国家气候中心提供的1951—2012年逐日降水、温度、综合气象干旱指数、逐月NCEP/NCAR再分析资料等,采用REOF分析、动力诊断、相关分析以及合成分析等方法,从大气环流异常特征、高空急流与季风异常等方面揭示西北东部夏季极端干旱事件的可能机理。研究发现西北东部夏季发生极端干旱时,副热带急流轴“倾斜”,且急流与东亚夏季风强度均处于相对偏弱阶段。极端干旱的成因研究表明:急流轴“倾斜”及其强度减弱导致西北东部地区高层大范围的异常辐合;该地区为水汽源区,对流层整层水汽收支显著亏损;此外,该地区低层盛行来自内陆干旱区的异常西南风,东亚夏季风强度偏弱,高低层配置及大尺度环流形势不利于降水产生。

关键词

西北东部

夏季极端干旱

环流异常

近半个世纪以来,由于全球变暖以及大气环流的重大调整,各地的区域气候也经历着深刻变化。1995年,IPCC 第二次科学评估报告指出了极端事件变化研究的重要意义,并力图回答“气候是否更加容易变化或更加极端化了”这一难题。Trenberth et al.(2003)认为干旱和洪涝这类极端气候事件发生的频率正在不断的增加。

我国处于东亚季风区,由于东亚季风年际年代际变化很大,我国气候灾害发生频繁且严重,尤其是20世纪80年代以来,大范围的旱涝重大气候和天气灾害已给我国工农业生产和国民经济带来严重损失。旱涝重大气候灾害及其形成机理已有大量成果(黄荣辉等,2003;周连童和黄荣辉,2003),主要从季风、ENSO以及青藏高原等东亚气候系统各因子的特征及其变化出发,揭示了其对我国天气气候的影响。大量研究已经表明,中国的旱涝与季风有着密切的联系(白虎志等,2001;王可丽等,2001;张存杰等,2002;蔡英等,2003;戴新刚等,2003)。张庆云和陶诗言(1998)指出东亚夏季风系统中,热带辐合带(季风槽)和副热带辐合带(梅雨锋)的强度变化呈相反的变化趋势,即热带季风槽强度减弱(弱季风),副热带梅雨锋强度加强。

龚道溢等(2002)研究表明在行星尺度上有两个大的环流系统影响着东亚夏季风降水,一是中高纬上空对流层高层的东亚副热带西风急流,另一个是中低纬上空对流层中低层的西太副高。副热带西风急流是由哈得来环流的上层支携带低层大气在东风带中获得的地球角动量来维持的(寿绍文等,2007),与东亚季风和雨带变化有着紧密的联系,这方面已经有了一些研究(陶诗言等,1958;Trenberth and Guillemot,1996;Liang and Wang,1998;李崇银等,2004;张耀存和况雪源,2008),并在夏季风降水特别是在暴雨的形成过程中的作用引起了人们的重视(游性恬等,1992;周兵等,2003;何华和孙绩华,2004)。周兵等(2002)研究长江中游区域暴雨发生发展的机理时,发现高空倾斜急流轴(NW-SE)出口区右侧会产生较强的辐散场。

对于西北东部,研究多集中在各季节降水异常(李栋梁等,1997;王宝鉴等,2005)、极端干湿事件变化特征(赵庆云等,2006;杨金虎等,2007;王苗等,2014)以及干旱特征和成因的研究(卫捷等,2003;李新周等,2006;马柱国,2007;吴爱敏等,2008;范伶俐等,2013;沙天阳等,2013)。长期以来,人们非常重视西太副高以及季风、ENSO等异常对西北地区干湿的影响,但对东亚副热带西风急流与西北干湿之间的联系,研究却相对较少。由于东亚副热带西风急流位置的异常偏北年及偏南年大气环流在对流层高中低层都表现出显著的差异,这种差异导致气流辐合区的强度和位置不同,从而会引起降水区域和量级的差别(况雪源和张耀存,2006)。

那么东亚副热带西风急流与西北东部地区之间是否有关联?这种关联如何体现?本文从西风急流与高空散度场的角度出发,研究西风急流与环流场的异常变化特征,并结合季风与水汽的异常特征,进一步探究西北东部地区极端干旱形成的机理。

1　资料和方法

选用资料包括:1)国家气候中心(NCC)提供的1951—2012年逐日气温、降水及综合气象干旱指数IC(CI,Compound Index)资料数据集。2)美国环境预报中心和国家大气研究中心(NCEP/NCAR)的逐日再分析资料数据集,包括位势高度、纬向风、经向风、地面气压、比湿及垂直速度,水平分辨率为2.5°×2.5°。

综合气象干旱指数CI(张强等,2006),是利用近30 d相对湿润度指数、近30 d和近90 d标准化降水指数综合而得,该指标适合实时气象干旱监测和历史同期气象干旱评估。其计算公式为:

IC=aZ30+bZ90+cM30。

其中:Z30和Z90分别是近30d和近90d标准化降水指数;M30是近30d相对湿润度指数;a,b,c分别为其系数,平均取值分别为:0.4,0.4和0.8。其具体计算方法为达到轻旱以上级别的指数与历史出现该指数的最小值之比。利用综合气象干旱指数的干旱等级划分见表1。

表1CI干旱等级划分标准

Table 1Classification of the drought categories of the CI

等级类型CI1无旱-0.6

本文主要采用REOF分析(吴洪宝和吴蕾,2005)、合成分析、动力诊断和相关分析等方法。水汽收支采用张文君等(2007)的方法,整层积分由表面到300 hPa。本文除特别说明外,均采用1981—2010年的平均值为气候平均态,全年处理为73候。

极端干旱事件的定义方法:选出西北东部地区的综合干旱指数CI距平小于0的年份,采用REOF方法提取出这些年的空间特征场以及时间序列,客观选取西北东部夏季干旱信号强度强的年份,并结合降水距平百分率,确定夏季西北东部地区极端干旱事件。

2　研究区域及时间的选取

为客观选取研究区域,对我国夏半年(5—9月)逐日的气候平均降水作REOF分析,第四特征向量场(图1a)较好地体现了我国西北东部地区降水的空间模态,方差贡献为4.9%。因此,本文定义西北东部(ENWC)的空间范围为:101～112°E,34～42°N(图1a实线方框所示)。图1b给出了西北东部气候平均的逐候降水量变化,由图可见,前期冬半年(10月—次年4月),降水很少,每候降水量小于3 mm/(5 d)。从5月开始,降水量开始有一跳跃性的增加,6月降水量开始逐渐增多。降水峰值集中在7月中下旬至8月中上旬,之后降水又不断减少。此外,由候降水标准差变化曲线(图略)也可以发现,降水变率较大的时段集中在6—8月。

图1　5—9月逐日气候平均降水REOF第四特征向量(a)及气候平均逐候降水特征(b;实线为5点平滑,单位:mm/(5 d))Fig.1　The (a)fourth REOF component spatial patterns of precipitation in the long-term summertime(May—September) mean,and (b)variation in long-term mean pentad precipitation over ENWC[solid line denotes five-point smoothing;units:mm·(5 d)-1]

3　降水和干旱指数CI以及温度的变化特征

对比分析1951年以来夏季降水距平百分率(图2a)与夏季综合干旱指数CI距平(图2b)的变化特征,可以发现CI指数与降水的变化趋势相对一致(图2a中的曲线)。图2c是温度的纬度—时间剖面,由图可见,20世纪70年代中期到90年代初,温度都较常年偏低0.5 ℃以上,而降水以及CI的变化也说明该时段内处于一个相对偏湿时期。90年代中后期开始,降水减少,同时温度升高,西北东部地区进入了相对暖干的时期。由于60年代前期西北东部地区的站点数量较少,稳定代表性不够好(1951—1958年站点数量由20个增到158个,1960年后稳定处于200个站点左右),因此后文中主要考虑1960年代之后的干旱情况。近50 a来,该地区夏季降水呈现减少趋势,减少的变率为-4.01 mm/(10 a)。由于CI指数综合考虑了降水、蒸发等因子,其量化气象干旱的程度更加有意义。

图2　夏季(6—8月)降水距平百分率(a),平均CI指数距平特征(b)(图a,b中的曲线表示通过高斯9点平滑后的年代际变化波动)及夏季101～112°E纬向平均的温度及距平(c)Fig.2　The (a)yearly variation of precipitation anomalies in percentage and (b)average CI anomalies during June—August over ENWC(solid line is the Gaussian nine-point smoothing filtered value,used to get the decadal fluctuations while the time scale less than 10 years is removed),and (c)anomalies of the average zonal temperature and daily-mean temperature along 101—112°E in summer

通过分析各年综合干旱指数CI的REOF特征场(图略),选出体现西北东部地区干旱的空间模态,结合时间变化特征,选取在夏半年(5—9月)期间发生干旱的年份,并综合考虑该地区的夏季CI指数距平以及降水距平百分率的历年变化特征(图2b),定义该地区的极端干旱年份(表2)。由表2可见,虽然1997年的干旱时段相对较短,但是1997年温度相比常年偏高1°C左右,加之降水偏少3成以上,造成了比较严重的干旱现象。其他3 a相对来说,干旱时间长,达三月以上,降水偏少2成以上,因而干旱信号强度也很高。

表2极端干旱事件的干旱特征指数(干旱时段及对应的降水与CI特征)

Table 2Indices of extreme drought(variation in drought duration,precipitation and CI)

极端干旱年干旱时段干旱天数/d夏季干旱指数距平夏季降水距平百分率/%196506-20—09-30103-0.21-25.2196906-01—10-15137-0.19-21.2199705-25—07-1552-0.35-31.9200105-01—08-22144-0.43-19.5

综合气象干旱指数 CI在-0.6以下时,降水会较常年偏少,地表空气干燥,土壤会出现水分不足的现象。分析极端干旱年份的CI合成特征(图3),可以看到,西北东部大部分地区CI值小于-0.6的区域沿黄河“几”字状倾斜分布。通过与湿润年的降水距平百分率合成场对比分析(图略),发现西北东部地区的多雨带与干旱带的分布和走向大体相似,大值中心主要分布在河套地区、西北东部的东南部地区,呈东北—西南的带状走向,而这条分布带在北方地区恰好与东亚夏季风的北边缘带相对应,干湿异常与东亚夏季风异常密切相关。

4　成因分析

综合气象干旱指数CI与夏季500 hPa高度场相关显著的区域在:巴尔喀什湖以北的乌拉尔山地区、环贝加尔湖地区(图4a)。因此,选取乌拉尔山(65～92.5°E,55～75°N)以及贝加尔湖地区(100～120°E,42.5～55°N)作为关键区。CI指数与乌拉尔山区域显著正相关,与贝加尔湖地区显著负相关,即当夏季出现干旱时,乌拉山地区高度场出现负异常,而贝加尔湖地区会出现正异常(CI负值越大代表越干旱)。因此,在极端干旱年合成的500 hPa高度异常场(图4b)上,在贝加尔湖地区负异常较弱,而在乌拉尔山地区为负异常大值中心,最高可达-40 gpm以上。整个欧亚大陆中低纬度都为负距平覆盖,长江流域的位势高度与西北内陆相比偏低,中纬度西北太平洋地区也出现了较弱的负距平,中国气候变化监测公报表明,极端干旱年份(1965、1969、1997、2001年)的副高面积、强度以及西伸脊点指数均较常年偏弱,不利于西北东部地区降水。对乌拉尔山区域的高度场特征作进一步分析,环乌拉尔山地区(65～92.5°E,55～75°N)500 hPa高度标准化距平场上(图4c),该地区高度场年代际变化十分明显,近40 a(1970—2012年)与该地区的降水和CI相关系数分别为0.40和0.32(通过0.05信度的显著性检验)。20世纪60年代到70年代中期,乌拉尔山地区的高度场负异常,平均值达-1.03,与降水和CI的年代际变化相对应(图1a、b),且这一时期西北东部地区相对偏干少雨。80年代到90年代初期,这一时期内该地区高度场持续正异常,90年代中后期至今,出现了负—正—负的年际振荡现象。极端干旱年(1965,1969,1997,2001年)标准化距平都为负值,湿润年份(1988,1981,2003,1976年)为正值。因而乌拉尔山地区的高度场异常与西北东部地区干湿有一定的关系。

图3　西北东部极端干旱事件夏季综合气象干旱指数的合成分布场Fig.3　Composite CI of extreme drought events over ENWC during June—August

图4　综合气象干旱指数CI与夏季500 hPa高度场相关分布(a;相关系数已乘以-1,阴影表示相关显著性水平超过0.05)、极端干旱年合成的500 hPa高度距平场(b;单位:dagpm)及乌拉尔山地区(65.0～92.5°E,55～75°N)500 hPa高度场标准化距平变化序列(c)Fig.4　The (a)correlation between CI and 500-hPa geopotential height(correlation coefficients multiplied by -1),(b)500-hPa anomaly field in extreme drought years over ENWC in summer (units:dagpm),and (c)yearly variations of normalized anomalies at 500 hPa near the Urals[(55—75°N,65.0—92.5°E)]

图5a是200 hPa 风场与CI指数的矢量相关分布场,当西北东部干旱时,在中高纬地区,贝加尔湖以西,南风偏强,东部北风异常,该区域有一反气旋式环流。西北东部地区,高空将盛行偏东风(通过0.05信度的显著性检验),江淮流域上空有气旋式环流场,但不显著。在太平洋上日本九州岛东南部有反气旋式环流,其左侧的偏南风尤为显著。进一步分析极端干旱年合成的200 hPa 风场距平,可以发现(图5b),贝加尔湖上空存在反气旋环流,江淮流域上空有异常的气旋式环流。长江流域上空从西到东西风距平有增强的趋势,因此,长江流域自西向东气流有辐散趋势,相应的低层必然会有气流辐合加强。对于西北东部地区34～42°N之间,高层东风异常,也说明干旱时西北东部上空的急流强度减弱。

图6a、b给出了极端干旱年与极端湿润年高空200 hPa急流轴线分布,可以看到,极端干、湿年合成的西北东部上空急流轴线的分布特征差异显著。极端干旱年份急流轴线呈现西北—东南(NW-SE)状的“倾斜”,急流中心强度与极端湿润年相比偏小。极端干旱年合成的风场距平散度场(图6c)上,西北东部大部分地区处于异常辐合区域。那么,是否因为高空西风急流的强度减弱,造成了异常的辐合辐散呢?以下将对散度场的形成作进一步的分析,探究高空西风急流与高空散度场之间的联系。

图5　夏季200 hPa风场与西北东部CI指数的相关分布(a;阴影通过α=0.05信度的显著性检验)、夏季200 hPa距平风场(b;单位:m·s-1;图中A代表反气旋式环流,C代表气旋式环流)Fig.5　The (a)correlation between CI and 200-hPa wind(shaded areas denote correlation over the 0.05 significance level according to the t-test),and (b)distribution of the 200 hPa wind anomaly during June—August(units:m·s-1;A,anticyclonic circulation;C,cyclonic circulation)

图6　极端干旱年高空急流轴线(a)与极端湿年急流轴线(b)、极端干旱年合成的200 hPa距平散度场(c)、非地转惯性平流风散度场(d)以及经向惯性平流风第一分量(e)与经向惯性平流风第二分量(f)(c,d,e,f中阴影代表急流中心全风速U≥30 m·s-1,直线代表急流轴线,实线方框为研究区域,散度单位:10-6 s-1,风速单位:m·s-1)Fig.6　The distribution of the jet axis’s orientation in (a)extreme drought and (b)extreme wet events;and the (c)composite wind anomaly divergence fields,(d)ageostrophic inertial advectionwind divergence,and (e,f)meridional inertial advection wind in extreme drought events (shaded areas indicate the upper-level subtropical jet U≥30 m·s-1;solid line is the jet axis;divergence units:10-6 s-1)

大气中散度场是由地转偏差风的辐合辐散所造成的,地转偏差风可以写成:

(1)

高空急流轴及两侧的强辐合辐散场主要是由与惯性平流项相联系的地转偏差造成的(周兵等,2002)。由此,忽略(1)式中的局地变化和垂直输送项的影响,则(1)式可改写为

(2)

进一步简化公式(2),地转偏差风可以写成

(3)

图7　整层的水汽通量距平场(单位:kg·m-1·s-1)及水汽通量散度距平场(单位:10-6 kg·m-2·s-1)(a)、沿100～112.5°E经向平均的垂直环流距平场及垂直速度距平场(b,阴影表示ω;垂直风速扩大-100倍,单位:10-2 Pa·s-1;经向风单位:m·s-1)Fig.7　The (a)total water vapor flux anomaly(units:kg·m-1·s-1) and water vapor flux divergence anomaly fields(shaded areas;units:10-6 kg·m-2·s-1),and (b)anomaly field of the average meridional vertical circulation along 100—112.5°E and vertical velocity(ω) anomaly field (shaded areas denotes vertical wind speed which expands-100 times;units:10-2 Pa·s-1;units of meridional wind:m·s-1)

水汽是产生降水的必要条件之一,通过大规模的暖湿气流被输送到降水区,并在降水区产生明显水汽辐合,从而产生大的降水。西北东部地区极端干旱年,该区域却为异常偏强的偏西风距平水汽输出(图7a),该异常气流将西北内陆的水汽向东输送到了长江中下游以及黄海地区,西北东部干旱极端严重区域处于水汽辐散异常大值区,达40×10-6kg·m-2·s-1以上。西北东部地区无法为降水的形成提供充足的水汽条件,加之平均经向垂直环流场上(图7b),该地区整层都为下沉运动,更加不利于降水的形成。因此,水汽的亏损和下沉气流共同作用,使得该地区出现了极端旱情。

图8　雨带开始时间的空间分布(a,单位:候)及极端干年合成的中国区域水汽通量异常循环估计(b,阴影区为西北东部,单位:105 kg·s-1)Fig.8　The (a)distribution of rainfall bands in China(units:pentad) and (b)estimates of anomalous water vapor flux cycles in China in extreme-dry years in ENWC (units:105 kg·s-1)

我国是显著的季风性气候国家,尤其是东部降水变率大,洪涝灾害频发。我国雨带的开始和结束与东亚副热带降水、南海夏季风活动、东亚副热带夏季风进程密切相关。逐候降水达到6 mm/d的降水活动过程,可以很好地表征我国季风雨带的开始与结束。候时间尺度上,我国雨带开始的空间分布(图8a)表明,第40—44候期间,东亚夏季风降水推进到西北东部的东南角。中国气候变化监测公报统计表明,东亚夏季风60、70年代处于年代际偏强的背景下,而90年代之后处于年代际偏弱时期,极端干旱年季风的合成特征相对偏弱。受东亚夏季风的影响,当季风偏弱时,输送的水汽必然减少,西北东部地区的降水自然偏少,加之夏季温度高,则更容易出现干旱,反之,该地区的降水将偏多,不易出现旱情。因此,东亚夏季风强弱对于西北东部地区的干湿变化有着十分重要的影响,这与王宝鉴等(2004)的研究结果相一致。通过对极端干旱年份,中国区域整层水汽通量的循环估计计算(图8b),该地区各边界的水汽都输出,该区域水汽通量净输出达-617×105kg·s-1,在西北西部以及华北地区也都出现了水汽通量负距平,而长江中下游地区成为了水汽汇区。因而该地区的降水必然减少,导致干旱的发生。

图9　500 hPa垂直速度距平场(a;单位:10-2 Pa·s-1)以及850 hPa距平风场(b,单位:m·s-1;图中A代表反气旋式环流,C代表气旋式环流)分布Fig.9　The (a)500-hPa vertical wind anomaly(units:10-2 Pa·s-1) and (b)850 hPa horizontal wind anomaly(units:m·s-1;A,anticyclonic circulation;C,cyclonic circulation) in extreme drought years

500 hPa垂直速度距平合成场上(图9a),西北东部地区为正距平区域(ω>0),有下沉运动,这种环流形势明显不利于降水的形成。在东亚季风槽区为正距平(ω>0),而沿着30°N梅雨锋区为负距平(ω<0)。因此,最强的下沉运动位于东亚热带季风槽区,最强的上升运动位于东亚中纬度梅雨锋区。500 hPa垂直速度距平场的分布,也表明西太平洋副热带高压位置偏南,这与张庆云等(2003)研究东亚夏季风偏弱时,500 hPa垂直速度距平合成场的结果相似。图9b给出了极端干年合成的低层850 hPa距平风场特征场,可以看到,西北东部盛行来自西北内陆和高原地区的异常西南气流,且距平风场辐散,环流形势不利于降水的形成。此外,在菲律宾以东的洋面上,东亚季风槽区(10～20°N)有异常的东风距平气流,而在梅雨锋区(25～35°N)为西风距平气流,配合良好的水汽条件(图7b),利于长江中下游地区降水的形成。通过以上分析可以发现,当西北东部干旱时,长江中下游地区降水将偏多。与前述高空急流强度偏弱、轴线“倾斜”相联系,整层大气环流的异常特征,均反映了东亚夏季风强度偏弱,因而导致西北东部地区降水偏少,出现旱情。

5　讨论和结论

本文从西北东部夏季(6—8月)降水、温度以及综合干湿指数CI特征出发,通过客观方法选取了该地区夏季极端干旱年份;从高低空环流特征场、水汽输送及垂直运动等方面,分析西北东部夏季极端干旱事件的环流异常特征,探究东亚上空西风急流与高空散度场的关系,并研究季风的异常特征,深入分析西北东部地区极端干旱的可能成因,主要结论如下:

1)西北东部夏季CI指数与降水的变化趋势相对一致。20世纪90年代中后期开始,降水减少,同时温度升高,西北东部地区进入了相对暖干的时期。分析发现西北东部地区干旱带与多雨带的地理位置落区较一致,干湿分布异常区域恰好与东亚夏季风北边缘带相对应。

2)西北东部地区CI指数与乌拉尔山区域500 hPa高度场显著正相关,与贝加尔湖地区、鄂霍茨克海以北地区显著负相关。极端干旱年,西太平洋副热带高压的面积、强度及西伸脊点均偏弱。

3)极端干旱年西北东部地区高层盛行异常偏东气流,西风急流强度减弱,且急流轴“倾斜”,造成西北东部地区高层大范围的异常辐合。此外,高空急流强度减弱,其出口区右侧的间接环流也将减弱,不利于季风向北推进。

4)整层水汽通量距平及散度场上,西北东部地区为水汽源区;经向平均垂直环流场上,该地区整层都为下沉运动,不利于降水的形成;东亚夏季风的强度相对偏弱,低层该地区盛行来自西北内陆与高原地区的异常西南风,大尺度环流场不利于降水的形成,因而导致该地区发生干旱。此外,研究也发现长江中下游地区干湿变化与西北东部相反的事实。

参考文献(References)

白虎志,谢金南,李栋梁,2001.近40年青藏高原季风变化的主要特征[J].高原气象,20(1):22-27.Bai H Z,Xie J N,Li D L,2001.The main features of the Plateau monsoon changes over the last 40 years[J].Plateau Meteor,20(1):22-27.(in Chinese).

蔡英,钱正安,宋敏红,2003.华北和西北区干湿年间水汽场及东亚夏季风的对比分析[J].高原气象,22(1):14-23.Cai Y,Qian Z A,Song M H,2003.Comparative analysis of the water vapor field and East Asian summer monsoon during wet and dry years in Northern and Northwestern areas of China[J].Plateau Meteor,22(1):14-23.(in Chinese).

戴新刚,汪萍,丑纪范,2003.华北汛期降水多尺度特征与夏季风年代际衰变[J].科学通报,48(23):2483-2487.Dai X G,Wang P,Chou J F,2003.Multiscale characteristics of the rainy season rainfall and inter-decadal decaying of summer monsoon in North China[J].Chinese Science Bulletin,48(23):2483-2487.(in Chinese).

范伶俐,张福颖,胡祯祥,等,2013.近50 a华南干湿状态的时空特征[J].大气科学学报,36(1):29-36.Fan L L,Zhang F Y,Hu Z X,et a1,2013.Spatial and temporal features of dry and wet states in South China in recent 50 years[J].Trans Atmos Sci,36(1):29-36.(in Chinese).

龚道溢,朱锦红,王绍武,2002.长江流域夏季降水与前期AO的相关[J].科学通报,47(7):546-549.Gong D Y,Zhu J H,Wang S W,2002.Summer precipitation in the Yangtze River and time-lagged relationships with the Arctic Oscillation(AO) index[J].Chinese Science Bulletin,47(7):546-549.(in Chinese).

何华,孙绩华,2004.高低空急流在云南大范围暴雨过程中的作用及其共同特征[J].高原气象,23(5):629-634.He H,Sun J H,2004.The role of upper and lower tropospheric jet in Yunnan rainstorm occurrence and their common characteristics[J].Plateau Meteor,23 (5):629-634.(in Chinese).

黄荣辉,李崇银,王绍武,等,2003.我国旱涝重大气候灾害及其形成机理研究[M].北京:气象出版社.Huang R H,Li C Y,Wang S W,et al.,2003.Analysis on the characteristics and mechanism of severe climatic disasters of drought and floods in China[M].Beijng:China Meteorological Press.(in Chinese).

况雪源,张耀存,2006.东亚副热带西风急流位置异常对长江中下游降水的影响[J].高原气象,25(3):382-389.Kuang X Y,Zang Y C,2006.Impact of the position abnormalities of East Asian subtropical westerly jet on summer precipitation in middle-lower reaches of Yangtze River[J].Plateau Meteor,25(3):382-389.(in Chinese).

李崇银,王作台,林士哲,等,2004.东亚夏季风活动与东亚高空西风急流位置北跳关系的研究[J].大气科学,28(5):641-658.Li C Y,Wang Z T,Lin S Z,et al.,2004.The relationship between East Asian Summer Monsoon activity and northward jump of the upper westerly jet location[J].Chinese J Atmos Sci,28(5):641-658.(in Chinese).

李栋梁,谢金南,王文,1997.中国西北夏季降水特征及其异常研究[J].大气科学,21(3):331-340.Li D L,Xie J N,Wang W,1997.A study of summer precipitation features and anomaly in Northwest China[J].Chinese J Atmos Sci,21(3):331-340.(in Chinese).

李新周,马柱国,刘晓东,2006.中国北方干旱化年代际特征与大气环流的关系[J].大气科学,30(2):277-284.Li X Z,Ma Z G,Liu X D,2006.Inter-decadal characteristics of acidification over Northern China associated with the variation of atmospheric circulation during the past 50 years[J].Chinese J Atmos Sci,30(2):277-284.(in Chinese).

Liang X Z,Wang W C,1998.Associations between China monsoon rainfall and tropospheric jets[J].Quart J RoyMeteorSoc,124(552):2597-2623.

马柱国,2007.华北干旱化趋势及转折性变化与太平洋年代际振荡的关系[J].科学通报,52(10):1199-1206.Ma Z G,2007.Relationship between drought trend and its transitional change in North China and the Pacific Decade Oscillation (PDO)[J].Chinese Science Bulletin,52(10):1199-1206.(in Chinese).

沙天阳,徐海明,邹松佐,2013.中国西南地区东部秋季干旱的环流特征及其成因分析[J].大气科学学报,36(5):593-603.Sha T Y,Xu H M,Zou S Z,2013.Atmospheric circulation characteristics and cause analysis for autumn drought in the eastern region of Southwest China[J].Trans Atmos Sci,36(5):593-603.(in Chinese).

寿绍文,朱乾根,林锦瑞,2007.天气学原理和方法[M].北京:气象出版社,196-197.Shou S W,Zhu Q G,Lin J R,2007.Principles and Methods of Meteorology[M].Beijing:China Meteorological Press:196-197.(in Chinese).

陶诗言,赵煜佳,陈晓敏,1958.东亚的梅雨期与亚洲上空大气环流季节变化的关系[J].气象学报,29(2):119-134.Tao S Y,Zhao Y J,Chen X M,1958.The relationship between May-Yu in far east and the behavior of circulation over Asia[J].Acta Meteor Sinica,29(2):119-134.(in Chinese).

Trenberth K E,Guillemot C J,1996.Physical processes involved in the 1988 drought and 1993 floods in North America[J].Journal of Climate,9(6):1288-1298.

Trenberth K E,Dai A,Rasmussen R M,et al.,2003.The changing character of precipitation[J].Bull Amer Meteor Soc,84(9):1205-1217.

王宝鉴,李栋梁,黄玉霞,等,2004.东亚夏季风异常与西北东部汛期降水的关系分析[J].冰川冻土,26(5):564-568.Wang B J,Li D L,Huang Y X,et al.,2004.Relation between abnormity of East Asian summer monsoon and summer precipitation in east part of Northwest China[J].J Glaci & Geory,26(5):564-568.(in Chinese).

王宝鉴,黄玉霞,何金海,等,2005.西北地区近40年6—9月降水的异常特征分析[J].气象,30(6):28-31.Wang B J,Huang Y X,He J H,et al.,2005.Analysis of precipitation characteristics from June to September in Northwest China for last 40 years[J].Meteor Mon,30(6):28-31.(in Chinese).

王可丽,江灏,吴虹,2001.南亚夏季风年际变化特征分析[J].高原气象,20(3):318-324.Wang K L,Jiang H,Wu H,2001.Analysis on characteristics of Inter-annual variability of the South Asian Summer Monsoon[J].Plateau Meteor,20(03):318-324.(in Chinese).

王苗,郭品文,邬昀,2014.中国东部极端降水变化特征及其与大气稳定度的关系[J].大气科学学报,37(1):47-56.Wang M,Guo P W,Wu Y,2014.Variation characteristics ofextreme precipitation in eastern China and its relationship with atmospheric stability[J].Trans Atmos Sci,37(1):47-56.(in Chinese).

卫捷,张庆云,陶诗言,2003.近20年华北地区干旱期大气环流异常特征[J].应用气象学报,14(2):140-151.Wei J,Zhang Q Y,Tao S Y,2003.Characteristics of atmospheric circulation anomalies during persistent droughts in North China for last two decades[J].J Appl Meteor Sci,14(2):140-151.(in Chinese).

吴爱敏,郭江勇,王劲松,2008.西北地区伏期干旱特征及影响因子分析[J].中国沙漠,28(3):572-578.Wu A M,Guo J Y,Wang J S,2008.Analysis on characters and Influencing factors of hot season drought(Jul.to Aug.) in Northwest China[J].Desert Res,28(3):572-578.(in Chinese).

吴洪宝,吴蕾,2005.气候变率诊断和预测方法[M].北京:气象出版社:37-48.Wu H B,Wu L,2005.The climate variability diagnosis and prediction method[M].Beijing:China Meteorological Press:37-48.(in Chinese).

杨金虎,江志红,杨启国,等,2007.中国西北汛期极端降水事件分析[J].中国沙漠,27(2):320-325.Yang J H,Jiang Z H,Yang Q G,et al.,2007.Analysis on extreme precipitation event over the northwest China in flood season[J].Desert Res,27(2):320-325.(in Chinese).

游性恬,熊廷南,朱禾,等,1992.关于西风急流在强迫扰动中作用的数值试验[J].高原气象,11(1):23-30.You X T,Xiong T N,Zhu H,et al.,1992.A numerical experiment of the role of westerly jet in forced disturbance[J].Plateau Meteor,11(1):23-30.(in Chinese).

张存杰,谢金南,李栋梁,等,2002.东亚季风对西北地区干旱气候的影响[J].高原气象,21(2):193-198.Zhang C J,Xie J N,Li D L,et al.,2002.Effect of East-Asian Monsoon on drought climate of Northwest China[J].Plateau Meteor,21(2):193-198.(in Chinese).

张强,邹旭恺,肖风劲,等,2006.中华人民共和国国家标准GB/T 20481-2006,气象干旱等级[M].北京:中国标准出版社:1-17.Zhang Q,Zou X K,Xiao F J,et al.,2006.National Standard of the People’s Republic of China GB/T20481-2006.Classification of meteorological drought[M].Beijing:China Standard Press:1-17.(in Chinese).

张庆云,陶诗言,1998.夏季东亚热带和副热带季风与中国东部汛期降水[J].应用气象学报,9(S1):17-23.Zhang Q Y,Tao S Y,1998.East Asian tropical and subtropical monsoon and its association with the precipitation over East Asian during summer[J].J Appl Meteor Sci,9(S1):17-23.(in Chinese).

张庆云,陶诗言,陈烈庭,2003.东亚夏季风指数的年际变化与东亚大气环流[J].气象学报,61(4):559-568.Zhang Q Y,Tao S Y,Chen L T,2003.The inter-annual variability of East Asian Summer Monsoon indices and its association with the pattern of general circulation over East Asian[J].Acta Meteor Sinica,61(4):559-568.(in Chinese).

张文君,周天军,宇如聪,2007.中国东部水分收支的初步分析[J].大气科学,31(2):330-345.Zhang W J,Zhou T J,Yu R C,2007.A preliminary analysis on the moisture budget of East China[J].Chinese J Atmos Sci,31(2):330-345.(in Chinese).

张耀存,况雪源,2008.东亚副热带西风急流位置变化与亚洲夏季风爆发的关系[J].暴雨灾害,27(2):97-103.Zhang Y C,Kuang X Y,2008.The relationship between the location change of the East Asian subtropical westerly jet and Asian summer monsoon onset[J].Torrential Rain and Disasters,27(2):97-103.(in Chinese).

赵庆云,赵红岩,刘新伟,2006.西北东部极端降水事件及异常旱涝季节变化倾向[J].中国沙漠,26(5):745-749.Zhao Q Y,Zhao H Y,Liu X W,2006.Trends of seasonal extreme and flood over the East of Northwest China[J].Desert Res,26(5):745-749.(in Chinese).

周兵,徐海明,何金海,2002.长江中游区域性暴雨发展机理合成分析[J].南京气象学院学报,25(1):1-13.Zhou B,Xu H M,He J H,2002.Composite analysis on the development mechanism of regional torrential rain over the middle-lower reaches of the Yangtze River[J].J Nanjing Inst Meteor,25(1):1-13.(in Chinese).

周兵,韩桂荣,何金海,2003.高空西风急流对长江中下游暴雨影响的数值试验[J].南京气象学院学报,26(5):595-604.Zhou B,Han G R,He J H,2003.Numerical experiment of effects of the upper level westerly jet on a torrential rain over the middle-lower reaches of the Yangtze River[J].J Nanjing Inst Meteor,26(5):595-604.(in Chinese).

周连童,黄荣辉,2003.关于我国夏季气候年代际变化特征及其可能成因的研究[J].气候与环境研究,8(3):274-290.Zhou L T,Huang R H,2003.Research on the characteristics of inter-decadal variability of summer climate in China and its possible cause[J].Climatic Environ Res,8(3):274-290.(in Chinese).

This paper investigates the variability of abnormally wet and dry conditions during the past 60 years in the eastern part of northwestern China(ENWC).Daily precipitation,temperature and compound index(CI) of meteorological drought data provided by the China National Climate Center are used,along with monthly reanalysis data from NCEP/NCAR,for the period 1951—2012.The methods of rotated empirical orthogonal function(REOF),correlation analysis,composite analysis and dynamical diagnosis are employed.Additionally,the possible underlying physical mechanism of extreme summer drought events is revealed through analys is of atmospheric circulation anomalies,such as the East Asian summer monsoon,as well as vapor transportation and vertical motion.In particular,the relationship between the upper-level subtropical jet and the upper-level anomalous divergence field is explored.The results can be summarized as follows:

The trend of change in CI index is similar to that of precipitation;there are obvious interannual and interdecadal variations of CI index and precipitation in summer over ENWC.Meanwhile,a positive anomaly of summer temperature has continuously maintained over recent decades.More seriously,an obvious decrease in precipitation after the mid-1990s is apparent;and consequently,a warmer and dryer trend began and continues today over ENWC.The extreme drought centers in summer are mainly located in the Hetao Plain and the southeast of ENWC,representing a southwest—northeast trend.Moreover,this spatial distribution tendency and associated features are almost the same as those of wet events over ENWC,and are very similar to those of the northern marginal zone of the East Asian summer monsoon in the same period.Evidence shows that the CI over ENWC is significantly and positively correlated with the 500-hPa geopotential height anomaly in the Ural Mountains,and significantly and negatively correlated with that over Lake Baikal and the north Okhotsk Sea.It is also found that the upper-level subtropical jet’s axis tilts(it is flat during extreme wet events),and,as a result,causes large-scale anomalous convergence during extreme summer drought events.At the same time,due to the weak intensity of the upper-level subtropical jet,abnormal easterly flows exist in the upper levels over ENWC,indirectly bringing about a weak circulation on the right of the subtropical jet exit area,which is not conducive to the monsoon moving northward.Moreover,the low-level anomalous southwest winds from Northwest China and the plateau regions indicate the East Asian summer monsoon is weak.Besides,the variation in the location of the ridge line and westward extent of the subtropical high over the western Pacific Ocean is weak,and one of the important reasons for extreme summer drought may result from the divergence of water vapor and descending motion in summer over ENWC.Previous studies have also confirmed that the changes in dry and wet conditions over ENWC are opposite to those over the middle and lower reaches of the Yangtze River.

In summary,the main cause of extreme drought over ENWC in summer is the responses to the tilt of the upper-level subtropical jet’s axis and its weak intensity.Specifically,a wide range of convergence in circulation may appear,which in turn causes abnormal divergence in circulation in the low levels,and thus a deficit in the water vapor budget throughout the whole troposphere.In addition,the East Asian summer monsoon is weak.Therefore,the combination of the above higher and lower level systems and the abnormal atmospheric circulation is unfavorable for precipitation,leading to extreme drought.

eastern part of northwestern China;summer extreme drought;atmospheric circulation anomalies

(责任编辑：刘菲)

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140106001

Analysis of the causes of extreme summer drought over the eastern part of northwestern China

ZHU Weijun1,WANG Yanna1,2,ZHOU Bing3,PAN Jia4

1KeyLaboratoryofMeteorologicalDisaster,MinistryofEducation(KLME)/JointInternationalResearchLaboratoryofClimateandEnvironmentChange(ILCEC)/CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters(CIC-FEMD),NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China;2YanqingMeteorologicalBureau,Beijing102100,China;3NationalClimateCenter,Beijing100081,China;4NingxiaSub-bureauofNorthwestAirTrafficManagementBureau,ChinaCivilAviationAirportConstructionGroupCompany(CACC),Yinchuan750009,China

引用格式：朱伟军,王燕娜,周兵,等,2016.西北东部夏季极端干旱事件机理分析[J].大气科学学报,39(4):468-479.

Zhu W J,Wang Y N,Zhou B,et al.,2016.Analysis of the causes of extreme summer drought over the eastern part of northwestern China[J].Trans Atmos Sci,39(4):468-479.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140106001.(in Chinese).

*联系人，E-mail:weijun@nuist.edu.cn