华北夏季旱涝时空分布特征及环流分析

2018-01-22杨帅周鹏单琨

现代农业科技 2017年24期

杨帅+周鹏+单琨

摘要为分析华北基本气候概况，首先统计1951—2013年夏季6—8月以及3个月平均降水情况，然后分析3个月降水区域距平，并进行夏季平均降水时空分析及500、700、850 hPa的环流分析。结果表明，华北夏季各月降水递减，转变发生在20世纪80年代。时空分析中，距平场的前3个特征量的累积解释方差达到54%，也出现类似于区域距平分析结果，即华北的确在变干旱。不同高度的旱涝环流分析表明，对华北降水影响较大的是副高，其位置的异常使华北降水变化很大，引起旱涝变化。

关键词夏季降水；旱涝变化；时空分布；环流分析；华北地区

中图分类号 P434 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）24-0181-05

Temporal and Spatial Distribution Characteristics and Circulation Analysis of Drought and Flood in

Northern China in Summer

YANG Shuai ZHOU Peng SHAN Kun

（Langfang Meteorological Bureau in Hebei Province，Langfang Hebei 065000）

Abstract In order to analyze the basic climate profile in northern China，the average precipitations of June，July，August and the three months during 1951-2013 were counted，and then the precipitation anomalies of the three months were analyzed.The temporal and spatial analysis of summer precipitation and the circulation analysis of 500 hPa，700 hPa and 850 hPa were conducted.The results showed that in anomaly analysis，the precipitation in the summer of northern China was decreasing，and the change occurred in the 1980s. In the spatiotemporal analysis，the cumulative explanatory variance of the first three feature quantities of the anomalies was 54%，and the results were similar to the regional anomalies，which indicated northern China was getting drought. The analysis of diastolic and diversion of different heights showed that subtropical high had a great effect on the precipitation in northern China. The abnormal position of the subtropical high affected the great change of precipitation in northern China，causing the drought and flood changed.

Key words summer precipitation；drought and flood change；temporal and spatial distribution；circulation analysis；northern China

華北夏季旱涝变化对工农业产生很大影响，如果一年中高强度旱涝的日数多，在这一年就容易出现旱灾、水灾等灾害以及其他的次生灾害。夏季降水是华北旱涝发生的主要影响因素，20世纪60年代中期以后，华北夏季降水呈现减少趋势，特别是70年代以来华北变旱趋势更加明显。赵声蓉等[1]利用1980—1994年NCEP逐月的再分析资料（高度场）及160个站的降水量资料，采用奇异值分解方法研究华北汛期降水的多寡与500、200 hPa欧亚大陆中高纬地区大气环流异常的可能联系。郝立生等[2]利用ERA-40再分析资料和中国160个测站的降水资料分析华北地区1958—2002年多年平均的夏季大气水汽含量和水汽输送基本特征，研究华北地区夏季旱、涝年大气水汽含量及水汽输送的分布情况，并利用线性回归方法探讨大气水汽含量与水汽输送的时间演变特征。谭桂荣等[3]用国家气象局整编的160个测站月降水量和500 hPa月平均高度场的数据，采用相关分析等方法研究了华北地区夏季旱、涝的时空分布特征及相应的环流异常。

研究者用各种分析方法分析华北夏季降水与欧亚大陆中高纬地区大气环流、水汽含量和水汽输送基本特征和环流异常等影响因素的关系，但基本上都针对1种或2种因素分析，本文使用1951—2013年6—8月的降水资料，以华北为整体，用EOF分析方法对该地区不同等级降水的时空特征进行分析，同时分析华北夏季降水与500、700、850 hPa高度环流的关系，以期获得不同等级降水的时空分布状况及降水变化的主要影响因素。

1 数据来源及研究方法

首先统计1951—2013年华北地区夏季6—8月以及3个月平均的降水量，再分析夏季降水区域距平，并对夏季平均降水进行时空分析，对500、700、850 hPa的高度进行环流场分析。endprint

选取气象意义上的华北站点资料，该资料包括承德、张家口、北京、天津、石家庄、德州、邢台、安阳、烟台、青岛、潍坊、济南、临沂、菏泽、呼和浩特、包头、陕坝、郑州、南阳、信阳、新浦、清江、蚌埠、徐州、阜阳25个站点1951—2013年6—8月的月平均降水资料。资料来自国家气候中心，以及欧洲中心1948—2013年月平均的位势高度资料、u风量资料以及v风量资料。

2 结果与分析

2.1 华北地区夏季降水的分布状况

从图1（a）可以看出，降水分布在南方，由南向北逐渐减少，由东向西也在减少。6月华北降水量在50～100 mm之间，华北雨季是从7月开始，故6月不是华北雨季。图1（b）中降水分布明显北移，100～200 mm降水范围从东北到西南，西部降水较6月多。华北降水量在100～200 mm，比6月的降水增多，证实华北雨季从7月开始。图1（c）与图1（b）相比，华北降水量下降，降水量总体虽然在100～200 mm之间，但有些地方已经降到50～100 mm，因而100～200 mm总的来说华北降雨量还是在减少。综上所述，华北雨季主要集中在7月和8月，降水较多，易发生涝灾。图1（d）中夏季降水呈现东部多于西部，南部多于北部，由东南向西北呈现逐渐递减。降水量在100～200 mm之间，夏季降水比较充沛。

2.2 华北地区夏季降水的区域距平

从图2（a）可以看出，6月降水量相差较大。20世纪80年代以前整個地区降水较多，也有年份例外。80年代以后华北降水明显减少，干旱年份增多，从线性趋势看这63年降水在减少，距平图中6月降水整体较多，干旱不严重。图2（b）与图2（a）相比，其递减率变大，说明7月降水减少明显，20世纪80年代线性趋势线由正变负，此后干旱加剧，80年代后出现距平为负值年份比6月多。7月整个降水比6月要少，干旱程度加深，年份增多。图2（c）与图2（a）（b）相比，递减率变化明显。在8月显示80年代以后低于平均值年份增多，80年代后期干旱增加。华北地区63年来逐渐变干旱。1963年7月与8月夏季降水异常突出，华北有较大降水过程，造成涝灾。在1999年和2002年华北地区降水很少，造成旱灾。

从图2（d）可以看出，华北逐渐干旱，递减率居中，降水较多年份有1954年、1956年、1963年、1971年、1996年等；较少年份主要有1997年、1999年、2002年等。因此，华北降水逐渐减少，干旱变严重。

2.3 华北地区夏季降水分布的时空变化

夏季降水进行距平场的EOF分析，前3个特征向量的累积解释方差量为57%。

图3（a）中，解释方差为27%，等值线间隔0.05，其对应的时间系数，正负标准差为±132.833，见图3（b）。从图3（a）可以看出，华北地区几乎一致为同位相分布，北部地区为负位相。没有大值中心，南北分布均匀，以0.05的间隔呈现递减状态，变化幅度较小，方差贡献为27%，该信号表现一般。从图3（b）可以看出，1954年、1956年、1963年、2000年、2003年、2005年、2007年为较强的负位相，华北地区较为一致多降水年份，其中1956年最多；1966年、1978年、1985年、1988年、1992年、1999年则为较强的正位相，夏季华北较为一致的少降水年份，其中以1966年最少。时间系列中表现为正负位相的交替出现，但在1980年以前全区表现为负距平总量大于正距平总量，在1980年以后全区的正距平总量大于负距平总量，表明20世纪80年代到现在华北夏季降水明显减少。

图4（a）中，解释方差为17%，等值线间隔0.05，其对应的时间系数见图4（b）。华北夏季降水以河北南部为中心向四周递减分布，表现为正值，方差贡献为17%。时间系列中1953年、1958年、1963年、1964年、1973年、1996年该空间型为强正位相，夏季较常年表现为多降水年份，而1963年表现较为突出。1965年、1968年、1972年、1983年、1997年、2002年该空间型为较强负位相，夏季表现为少降水年份，而1968年的少降水状况较为突出。长期来讲，该空间型表现为正负相位交替，20世纪80年代以前正位相为主，之后负相位为主。前2个特征向量方差之和占总方差贡献的44%，表现为80年代以后夏季干旱逐渐加重。

图5（a）中，解释方差为13%，等值线间隔0.05，其对应的时间系数见图5（b）。从图5（a）中看出，夏季降水由东向西逐渐递增，山西中部形成小中心，方差贡献为13%。时间系列中1954年、1956年、1977年、2002年空间型为较强正位相，夏季较常年表现为多降水年份，1954年降水较为突出。1960年、1971年、1974年空间型表现为较强负位相，夏季表现少降水年份。从长期来讲，该空间型表现出正负位相交替，在1980年之前，负距平总量大于正距平总量，在1980年后，正距平总量大于负距平总量，从20世纪80年代到现在夏季降水明显减少。

华北夏季降水变化具有较大的空间尺度特征，20世纪80年代到现在降水逐渐减少，呈干旱趋势，与前面分析降水距平变化以及夏季3个月降水平均值分布状况结论吻合。

2.4 华北地区夏季旱涝环流分析

2.4.1 500 hPa旱涝环流。从图6（a）可以看出，夏季副高位于日本东南方西太平洋，高纬地区呈现多波动，同期副高西南和东南风都在向华北地区输送水汽向大量水汽聚及副高稳定，华北易产生雨涝。从图6（b）可以看出，副高有完整的闭合中心，比雨涝年份副高控制范围大，位置偏东，中高纬度呈现出多波动。在风场中有类似于雨涝年份的西南和东南向风，由于完整副高中心，风向为较雨涝年份的偏东，水汽不会到达华北，形成干旱，这是华北形成雨涝与干旱的原因。比较2种距平图，雨涝年份距平图存在很多中心，高于、低于平均值都存在，主要看副高位置，副高比平均值基本持平位置偏北范围较小。干旱年份有类似情况，见图6（f），但副高范围较大，两图主要区别是副高范围以及位置，雨涝年份的副高的范围较大位置偏南，而干旱年份的副高的范围较小位置偏北，是华北干旱雨涝形成的主要原因之一。endprint

2.4.2 700 hPa旱涝环流。从图7（a）可以看出，副高对底层影响明显，在东亚地区呈现出2个高值中心，存在于西太平洋洋面与伊朗高原，整个中国区域呈现低槽，中高纬呈现多波动形态，西南水汽易向华北输送，形成华北雨涝。同期青藏高原风向存在辐合，见图7（c），西南及东南风吹向华北，提供充足水汽条件。从图7（b）可以看出，高度场上副高在西太平洋闭合中心，强度比雨涝年份明显减弱，位置较雨涝年份偏北，中高纬度也呈现出多波动型。从图7（d）可以看出，风场中有类似于雨涝年份西南和东南向风，水汽不能输送到华北，形成干旱年份。青藏高原底层形成辐合，高层形成高压见图7（c）（d），造成干旱与雨涝的主要原因是副高位置变动，水汽不能到达华北。从图7（e）（f）可以看出，2种年份副高位置以及范围大小与500 hPa时的情况一致，雨涝年份副高位置偏南，干旱年份副高位置偏北，即使有副高后方西南和东南水汽输送，也不会输送到华北，形成干旱状况。图7（e）（f）副高不同状态造成华北雨涝与干旱的不同情况。

2.4.3 850 hPa旱涝环流。从图8（a）可以看出，副高作用明顯，在蒙古有低压，华北处于槽前，位于副高和低压之间，易形成锋面，形成大的降水造成华北雨涝。在高原以及内蒙古地区低压，易形成雨涝年份。分析图8（b）同期华北干旱年份的多年平均分布，在850 hPa高度场上，在蒙古地区没有低压，副高位于洋面上，此时华北处于大槽前，不利于降水的形成，形成华北少雨，从而形成干旱。从图8（d）可以看出，在高原和东北地区存在着辐合，易形成降水，由于副高后方的西南水汽和东南水汽的输送，虽经过华北但是由于东北辐合，降水落到东北地区，形成华北干旱。此时分析图8（e）（f）副高的位置以及范围的分布更加明显，印证在500、700 hPa高度场上的分析。

华北雨涝与干旱主要受副高影响，位置的偏北或偏南直接导致水汽是否可以输送到华北地区，形成副高位置偏南年份形成雨涝，偏北年份形成干旱。副高位置以及范围的分布是造成华北雨涝及干旱主要原因。

3 结论与讨论

利用国家气候中心1951—2013年的6月、7月、8月的月平均降水资料以及欧洲中心1948—2013年的月平均位势高度资料、u风量及v风量资料，得出如下结论：

（1）在对华北夏季各月降水区域距平以及3个月平均区域距平的研究中发现，区域距平都显示出华北降水递减趋势，该现象在7月和8月区域距平中表现最明显，这种干旱的转变发生在20世纪80年代。

（2）华北时空分析中利用的距平场的前3个特征量的累积解释方差达到54%，基本反映了华北地区降水状况。但在时空分析过程中，出现类似于区域距平的结果，华北确实在变干旱，这种变化也发生在20世纪80年代，进一步说明华北逐渐变干旱。

（3）对华北地区不同高度旱涝环流分析发现，对华北降水影响较大的是副高。副高位置的异常使降水发生很大变化，造成华北旱涝的出现[4-6]。

本文仅对华北夏季降水时空分布规律以及旱涝年份的旱涝变化进行统计分析，其特征的形成机理还有待进一步分析和探索。

4 参考文献

[1] 赵声蓉，宋正山.华北汛期旱涝与中高纬大气环流异常[J].高原气象，1999（4）：535-540.

[2] 郝立生，闵锦忠，姚学祥.华北地区夏季降水减少的原因分析[J].干旱区研究，2007（4）：522-527.

[3] 谭桂容，孙照渤.华北夏季旱涝与同期500 hPa高度异常[J].南京气象学院学报，2003（4）：532-537.

[4] 谢坤，任雪娟.华北夏季大气水汽输送特征及其与夏季旱涝的关系[J].气象科学，2008（5）：5508-5514.