辽宁夏季干旱环流特征分析

2018-01-31房一禾杜秉宸秦美欧徐方姝林中冠

干旱地区农业研究 2017年6期

房一禾，吴琼，杜秉宸，秦美欧，徐方姝，林中冠，王当，于杨

(1.沈阳区域气候中心，辽宁沈阳 110016； 2.南京信息工程大学大气科学学院，江苏南京 210044；3.南京航空航天大学航空宇航学院，江苏南京 210016； 4.辽宁省气象服务中心，辽宁沈阳 110166；5.中国气象局气象干部培训学院辽宁分院，辽宁沈阳 110016； 6.辽宁省气象信息中心，辽宁沈阳 110016)

辽宁省位于中国东北地区南部，濒临黄海和渤海，是中国主要的商品粮基地之一，对全国粮食总产量的贡献不容忽视[1]。辽宁省全年的降水量主要集中在夏季，因此，夏季降水量对农业生产至关重要。

国内学者对全国各地降水变化特征的研究较多，如姚玉璧等[2]、贾小龙等[3]、李广霞等[4]和廉毅等[5]分别对中国、东北地区、辽宁省和吉林省的夏季降水变化特征进行了研究。在夏季降水对应的环流特征分析方面，孙力等[6]曾以东北地区为研究对象，分析了东北夏季旱涝的大气环流特征。杨文艳等[7]分析了辽宁夏季降水大气环流特征，认为辽宁夏季降水主要受到东亚夏季风强度、西太平洋副热带高压位置和南亚高压位置等因素的影响。何金海等[8]曾对东北冷涡与东北夏季降水的关系进行过研究并指出：夏季东北冷涡强度偏强有利于东北夏季降水增多。沈柏竹等[9]指出，东北地区初夏(5月和6月)降水主要受东北冷涡的影响，随着西太平洋副热带高压的北进，东北冷涡的影响逐渐减弱，东亚夏季风在盛夏(7月和8月) 开始对东北地区降水产生影响。李辑等[10-11]也分别对辽宁初夏和盛夏降水异常成因展开过研究并认为：东北冷涡活动是造成辽宁初夏降水异常的主要原因，而副热带西风急流位置、西太平洋副热带高压脊线位置及低空偏南急流，是辽宁盛夏降水的主要影响因子。其他学者也进行过类似的研究，并得到了类似的结论[12-17]。

以往对于辽宁夏季降水的研究，多注重降水偏多情况的分析，而对辽宁干旱特征和成因的分析相对较少。由于2014和2015年辽宁夏季发生了严重的干旱，造成粮食绝收等，对农业产生了较大的影响。因此，对辽宁夏季干旱的研究意义重大。为此，本文通过对辽宁夏季降水变化特征和异常年环流场特征的分析，结合2014和2015年夏季环流场与异常年环流场的对比，揭示了辽宁干旱的环流特征及2014、2015年辽宁夏季干旱的成因，为辽宁地区夏季降水趋势的准确预测提供了理论支撑。

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源

本文所用要素的站点资料为：辽宁省54个观测站，1963—2013年夏季(6、7和8月)月平均降水量资料，站点地理分布图如图1所示。环流场格点资料为：NCEP/NCAR全球逐日再分析的500 hPa高度场、850 hPa风场和200 hPa风场资料，分辨率为2.5°×2.5°。

图1辽宁省54站的站点地理分布图

Fig.1 The geographic distribution of 54 stations in Liaoning Province

1.2 研究方法

本文主要采用经验正交函数分解(EOF)方法[18]和合成分析方法对研究内容进行分析。合成分析时，降水异常年份的定义方法为：对1961—2013年辽宁54站夏季降水量进行EOF分解，将EOF第一模态标准化时间系数大于1且由大到小排名前5的年份定义为多雨年，小于-1且由小到大排名前5的年份定义为少雨年(干旱年)。由此得到5个少雨年：2014、2000、1992、1972和2009；5个多雨年：1994、1995、2010、1964和1985年。

2 辽宁夏季降水时空变化特征

2.1 辽宁夏季降水EOF分析

为分析辽宁夏季降水时空变化特征，对1963—2015年的辽宁夏季降水距平场进行EOF分析，得到空间载荷向量和对应的时间系数。图2a和2b给出了辽宁54站夏季降水距平EOF第一空间载荷向量及对应的第一时间系数。其中，第1模态方差贡献率约为52.7%，第2模态方差贡献率仅为9.5%，第一模态能反映出辽宁夏季降水距平场时空变化的主要特征，因此，此后的分析主要基于EOF第一模态展开。由图2a可见，辽宁夏季降水距平场EOF第一模态空间向量主要特征体现为全省一致的正值，表明辽宁夏季降水距平场具有全省一致偏多或偏少的异常特征。由图2b可见，第一时间系数在1963—2015年期间呈波动略下降的趋势(下降趋势不能通过显著性检验)。由10年滑动平均曲线可见，20世纪60年代初至70年代后期，时间系数呈下降趋势，即降水呈减少趋势；20世纪80和90年代，辽宁夏季降水变化趋势平缓；21世纪初开始，辽宁夏季降水呈现波动变化特征。

图2辽宁省54站降水距平EOF第一模态空间向量(a)；第一时间系数及10年滑动平均曲线(b)

Fig.2 The first mode's spatial vector of the precipitation anomalies EOF of 54 stations in Liaoning Province (a); The first time coefficient and its 10 years moving average curve (b)

2.2 2014和2015年辽宁夏季降水情况

据统计，2014年夏季，辽宁省全省平均降水量为240.4 mm，较常年(417.5 mm)偏少42.4%；2015年夏季，辽宁省全省平均降水量为317 mm，较常年(417.5 mm)偏少24.1%。2014和2015年夏季，影响辽宁省农业生产的主要气象灾害为干旱。

图3a和3b分别为2014和2015年辽宁夏季降水距平百分率空间分布图。由图3a可见，2014年辽宁夏季降水在全省绝大部分地区均偏少，其中，辽宁中部、南部及辽西南部偏少5成以上，其它地区偏少1—4成；由图3b可见，2015年辽宁夏季降水同样在全省绝大部分地区均偏少，其中，辽宁中西部地区偏少3成以上，其它大部分地区偏少1—3成。

3 辽宁夏季降水异常年环流场特征

在分析2014和2015年辽宁夏季干旱成因之前，结合2.2中对辽宁夏季降水异常年的定义，首先对辽宁夏季降水异常年各层环流场特征进行分析。

3.1 辽宁夏季降水异常年500 hPa位势高度场特征

500 hPa位势高度场异常是导致降水异常的直接原因。图4a和4b分别给出辽宁夏季少雨年和多雨年对应的500 hPa位势高度场合成图。对比两图可见，少雨年，西太平洋副热带高压的西伸脊点位置较多雨年偏东，但副高脊线的南北位置二者相差不大。值得注意的是，二者最明显的差异为：少雨年副高西北侧(日本和朝鲜半岛上空，即红色圆圈内)500 hPa位势高度值为负距平，而多雨年副高西北侧500 hPa位势高度值为正距平。二者的差值t检验图中(图略)，日本和朝鲜半岛上空的500 hPa位势高度差值为负值，且通过了0.05信度的显著性检验。说明，副高西北侧若为负距平，对应副高的南撤东退，对应辽宁夏季降水偏少；同理，副高西北侧若为正距平，对应副高的西伸北进，对应辽宁夏季降水偏多。这与沈柏竹等[9]对东北盛夏降水分析得到的结论类似。因此，红色圆圈区域可作为判断辽宁夏季降水异常信号的关键区。

3.2 辽宁夏季降水异常年850 hPa矢量风场特征

850 hPa风场主要反映对流层低层平均环流特征，且能在一定程度上反映低空水汽输送情况。图5a和5b分别给出辽宁夏季少雨年和多雨年对应的850 hPa矢量风场合成图。对比两图可见，少雨年，大于4 m·s-1的风速区不会影响辽宁地区；而多雨年，辽宁地区能够受到副高西北侧大于4 m·s-1的西南风影响，意味着多雨年较少雨年辽宁地区受到更多的西南暖湿气流影响。这与4.1中分析的多雨年副高西伸脊点较少雨年更偏西是一致的。

3.3 辽宁夏季降水异常年200 hPa纬向风场特征

200 hPa高度层上，东亚中纬度地区上空受西风带控制，副热带西风急流在此层体现较明显。图6a和6b分别给出辽宁夏季少雨年和多雨年对应的200 hPa纬向风场合成图。对比两图可见，少雨年和多雨年副热带西风急流轴南北位置基本一致，均位于北纬40度附近。二者最显著的差别在于：少雨年辽宁以南地区200 hPa纬向风距平为正，以北为负，多雨年相反，辽宁以南地区200 hPa纬向风距平为负，以北为正(红色圆圈区域)。二者的差值图中(图略)，红色圆圈区域的200 hPa纬向风差值通过了0.05信度的显著性检验。出现这种环流特征的原因在于：少雨年，辽宁地区位于副热带高空西风急流轴北侧，急流轴北侧高空辐合，低空辐散，盛行下沉气流[19]，且辽宁以南区域急流轴偏强(正距平)，下沉气流偏强，对应辽宁夏季降水偏少。红色圆圈区域可作为判断辽宁夏季降水异常信号的关键区。

图3 2014(a)和2015年(b)辽宁夏季降水距平百分率分布图/%

Fig.3 Distribution of precipitation anomaly percentage in summer of Liaoning 2014(a) and 2015(b)

图4 辽宁夏季异常少雨年(a)、多雨年(b)的500 hPa高度(等值线)和距平(阴影)场/十位势米

图5辽宁夏季异常少雨年(a)和多雨年(b)的850 hPa高度风场/(m·s-1)

Fig.5 The 850 hPa height wind field in drought year (a) and rainy year (b) in summer of Liaoning

通过以上对辽宁夏季降水异常年各高度层环流场特征的分析可知，在进行辽宁夏季降水趋势预测时，可通过对以上环流关键区的预测，进而给出降水趋势的预测结论。

4 2014和2015年各层环流场情况

为分析2014和2015年干旱的环流背景，分别给出2014和2015年夏季不同高度层环流场分布图，并通过与辽宁夏季降水异常年的环流场进行对比分析，总结造成2014和2015年辽宁夏季干旱的环流因素。

4.1 2014年各层环流场分析

图7a、图7b和图7c分别给出2014年夏季500 hPa位势高度场、850 hPa矢量风场和200 hPa纬向风场实况图。500 hPa位势高度场方面：由图7a可见，虽然西太平洋副热带高压西伸脊点较异常少雨年明显偏西，但脊线位置较常年平均位置(图略)偏南，且副高西北侧(日本和朝鲜半岛上空)为负的位势高度距平，不利于副高西伸北进。同时注意到，从极地到贝加尔湖再到日本和朝鲜半岛上空，500 hPa位势高度距平呈现“-+-”的波列分布形势，这种位势高度场分布类似图4a中少雨年的500 hPa位势高度场分布形势。850 hPa矢量风场方面：由图7b可见，大于4 m·s-1风速的西南风位于日本南部，不能达到辽宁地区，对应辽宁地区水汽不充足，辽宁夏季降水偏少，这可能与副高位置偏南有关。200 hPa纬向风场方面，由图7c可见，副热带西风急流轴位于辽宁以南地区上空，且辽宁以南上空200 hPa纬向风距平为正，以北为负，与图6a中200 hPa纬向风场分布形势一致，对应辽宁夏季降水偏少。

4.2 2015年各层环流场分析

图8a、图8b和图8c分别给出2015年夏季500 hPa位势高度场、850 hPa矢量风场和200 hPa纬向风场实况图。500 hPa位势高度场方面：由图8a可见，与2014年情况类似，西太平洋副热带高压西伸脊点较异常少雨年明显偏西，但脊线位置较常年平均位置偏南，且副高西北侧受负的位势高度距平控制，不利于副高西伸北进。且从极地到贝加尔湖再到日本和朝鲜半岛上空，500 hPa位势高度距平也呈现“-+-”的波列分布，同样类似于图4a中少雨年的500 hPa位势高度场分布形势。850 hPa矢量风场方面：由图8b可见，大于4 m·s-1风速的西南风位于日本上空，不能达到辽宁地区，对应辽宁地区水汽不充足，辽宁夏季降水偏少。200 hPa纬向风场方面，由图8c可见，副热带西风急流轴位于辽宁以南地区上空，且辽宁以南上空200 hPa纬向风距平为正，以北为负，与图6a中200 hPa纬向风分布形势基本一致，对应辽宁夏季降水偏少。

从以上三个层次的环流场来看，2014年与2015年的环流特征类似。但值得注意的是，理论上，西太平洋副热带高压西伸脊点偏西应更有利于辽宁降水偏多，但从2014和2015年500 hPa位势高度场的对比分析可见，2014年西太平洋副热带高压西伸脊点位置较2015年更偏西，但 2014年夏季干旱却较2015年更为严重，这可能是由二者副高脊线位置均较常年偏南造成的，即西太平洋副热带高压脊线位置和西伸脊点的位置等指标，不会单独对辽宁夏季降水产生明显影响。因此，在预测辽宁夏季降水趋势时，应综合参考副高的各种指标(包括副高脊线位置、西伸脊点位置副高强度等)。

5 讨论与结论

通过对辽宁夏季降水变化特征和异常年环流场特征的分析，结合2014和2015年夏季环流场与异常年环流场的对比，揭示了辽宁干旱的环流特征及2014、2015年辽宁夏季干旱的成因，最终得到以下主要结论：

(1) 东亚地区对流层各层大尺度环流系统相互配合是造成辽宁夏季降水异常的主要原因。

(2) 2014和2015年辽宁夏季干旱的环流场特征均与辽宁夏季异常干旱年情况类似：西太平洋副热带高压脊线位置偏南，且副高西北侧为负的位势高度距平，不利于副高西伸北进，且从极地到贝加尔湖再到日本和朝鲜半岛上空，500 hPa位势高度距平呈现“-+-”的波列分布形势；辽宁地区西南水汽输送不充足；副热带西风急流轴位于辽宁以南地区上空，且辽宁以南上空200 hPa纬向风距平为正，以北为负。这种不同高度层大尺度环流配置是造成2014和2015年辽宁夏季干旱的主要原因。

(3) 西太平洋副热带高压脊线位置和西伸脊点的位置等，不会单独对辽宁夏季降水产生明显影响。在预测辽宁夏季降水趋势时，应综合分析副高的各种指标(包括副高脊线位置、西伸脊点位置副高强度等)。

(4) 预测时，可基于前期太平洋海表温度及北极海冰等外强迫因素，与日本和朝鲜半岛上空500 hPa位势高度距平、极涡及200 hPa副热带西风急流轴位置和辽宁以南、以北上空纬向风距平等的关系，对辽宁夏季降水进行预测。

以上的分析揭示了导致辽宁夏季异常少雨年及2014、2015年夏季干旱的大气环流特征。

大气环流的异常分布是造成降水异常的直接原因，而环流的异常又是大气圈内部因子和其它圈层的外部强迫共同作用造成的。其中，外部强迫可能包括海表温度、积雪面积、积雪深度或海冰密集度的异常等。以往的研究成果发现，基于北太平洋海表温度与副高、500 hPa位势高度场及副热带西风急流的可能关系[20-21]，可通过北太平洋海表温度对副高各种指标、副高西北侧关键区位势高度场距平及副热带西风急流进行预测。同时，基于北极海冰和北半球极涡的相互关系[22]，可依据海冰的异常信号，预测极涡面积和强度等指标的异常，进而对辽宁夏季降水趋势进行定性预测。然而，外强迫因素与大气环流是如何通过相互作用，从而造成要素异常的原因需要进一步分析研究。

图7 2014年夏季500 hPa位势高度场(a)/十位势米、850 hPa矢量风场(b)/(m·s-1)和200 hPa纬向风场(c)/(m·s-1)

图8 2015年夏季500 hPa位势高度场(a)/十位势米、850 hPa矢量风场(b)/(m·s-1)和200 hPa纬向风场(c)/(m·s-1)

Fig.8 The 500 hPa geopotential height field (a)/(10 geopotential meter), 850 hPa vector wind field (b)/(m·s-1) and 200 hPa zonal wind field (c)/(m·s-1) in summer of 2015

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