2018年7月大连地区异常少雨天气大气环流分析

王秀萍 李红斌 张靖萱

(1.大连市气象台，辽宁 大连116001；2.大连市人工影响天气办公室，辽宁 大连116001；3.沈阳市气象服务中心，辽宁 沈阳110168)

引言

在全球气候变暖背景下，中国极端天气气候事件出现的概率和强度逐渐增加，尤其是中国北方地区干旱发生更加频繁，干旱发生的程度也更强[1－2]。很多学者针对洪水、干旱、高温、低温和台风等极端事件进行了大量研究[3－5]。胡泊等[6]指出，东北亚地区初夏、盛夏和传统夏季降水空间、时间上及主要影响的环流系统均有明显的不同，可见降水具有明显的地域性和季节性。近年来很多学者从不同方面针对辽宁夏季降水进行了研究。李辑等[7－8]研究辽宁初夏和盛夏降水异常的环流形势及影响系统发现，初夏和盛夏降水异常偏多或者偏少，其环流形势及影响系统具有明显差别，初夏对流层各层以冷涡活动影响为主，而盛夏降水与200 hPa高空急流、500 hPa西太平洋副热带高压及850 hPa低空偏南急流的影响密切。焦敏等[9]分析了2014年盛夏辽宁地区异常少雨的大尺度环流特征，发现2014年盛夏辽宁地区位于高空急流轴以北；西太平洋副热带高压和东亚副热带锋区位置较常年偏西偏南；低空急流位置偏东偏南；异常下沉运动是导致2014年盛夏辽宁地区降水严重偏少的主要原因。虽然很多学者从各个角度对辽宁地区夏季降水成因进行了分析，但对辽宁不同地区和不同季节、甚至在不同的年代际背景下夏季降水变化规律把握上仍然存在较大难度。

大连位于辽宁省最南端，以往对大连地区降水基本特征[10－11]以及大连盛夏旱涝典型年环流对比分析[12]进行过研究，但是自2013年7月降水异常偏多之后，大连地区降水持续减少趋势非常明显，由降水减少而引起的该地区干旱化问题引起了人们的广泛关注。尤其是2018年7月大连地区发生了自1971年以来的异常少雨事件，降水严重偏少给当地农业、林业、牧业以及群众生活等造成严重影响。因此，有必要对大连地区2018年7月降水异常偏少原因进行深入的研究。本文对大连地区2013年7月降水开始减少前后北半球大气环流异常变化进行对比分析，寻找其与该地区2018年7月降水减少的关系，以期为大连夏季降水预测提供一些科学参考依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

所用资料包括大连、旅顺、金州、瓦房店、普兰店和庄河6个基本业务站1971—2019年的逐日降水量。美国国家环境预测中心/美国国家大气研究中心(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research，NCEP/NCAR)提供的全球逐月再分析数据[13，14]，包括位势高度场、气压场、风场与温度场等垂直方向为17个等压面层，相对湿度为8个等压面层(1000—300 hPa)，其空间分辨率为2.5°×2.5°经纬度网格。国家气候中心整编的1951—2018年130项气候系统监测逐月指数，从中提取西太副高强度指数、脊线位置指数、北界位置指数及西伸脊点指数。

1.2 研究方法

西太平洋副热带高压(简称西太副高)强度指数、脊线位置指数、北界位置指数及西伸脊点指数是针对500 hPa而言，各项特征指数有明确的定义，在国家气候中心整编的1951—2018年130项气候系统监测逐月指数里有具体详细的说明。各项特征指数异常指标根据1971—2019年的7月各项特征指数距平值和标准差的比值来判定。距平值大于(小于－2)2个标准差定为西太副高强度异常偏强(偏弱)、脊线和北界位置异常偏北(偏南)和西伸脊点异常偏西(偏东)。

大气环流分析方法主要采用合成分析和相关分析。相关分析采用t检验来验证其显著性。各种资料的平均气候态均采用1981—2010年的30 a平均值(即常年值)。全市平均为6个基本业务站的算术平均。

2 结果分析

2.1 2018年7月大连地区降水概况

2018年7月大连全市平均降水量为21.1 mm，较常年同期偏少83.9%，降水距平值达到－2.41倍标准差(图1a)，为1971年以来历史同期最小值，说明2018年7月降水量是1971年以来同期异常的少雨事件。从2018年7月大连地区逐日降水量变化的时间序列来看(图1b)，7月降水日数只有11 d，并且日降水量均在6 mm以内，除7月14日和26日降水较常年同期偏多不到1 mm外，其余有降水日数的降水量均较常年同期持续偏少，因此造成2018年7月降水量异常偏少。由大连地区7月降水距平百分率的累积距平曲线可以看出(图1c)，大连地区7月降水不仅年际变化较大，年代际变化也十分明显，20世纪70年代中后期至80年代中后期大连地区降水呈增加趋势，80年代后期至2008年降水呈减少趋势，2009—2013年降水总体偏多为主，自2013年降水异常偏多之后，2014—2019年大连地区7月降水一直持续偏少。由此可见，2018年7月大连地区处于降水偏少的气候背景中。

图1 1971—2019年大连地区7月降水标准化值的变化(a)、2018年7月大连地区逐日降水的变化(b)以及1971—2019年大连地区7月降水距平百分率的累积距平(c)Fig.1 Variations of precipitation normalized value in July from 1971 to 2019(a)，daily precipitation anomaly in July of 2018(b)，and cumulative anomaly curve of precipitation anomaly percentage in July from 1971 to 2019(c)over Dalian region

2.2 大连地区7月降水偏少(多)期主要环流特征

2.2.1 7月降水多寡时期500 hPa高度场

大气环流的异常是影响降水异常的直接因素[15－17]。大连地区7月降水在2009—2013年处于一个偏多期，2014—2018年转为一个降水持续偏少期。因此，以2013年为界，分别对大连地区7月降水偏多时期(2009—2013年)与偏少时期(2014—2017年，2018年单独分析)合成对比分析。

大连地区7月降水偏多时期合成的500 hPa月平均距平场上(图2a)，亚洲上空乌拉尔山和鄂霍次克海阻塞形势明显。欧亚大陆中高纬度地区波列分布并不明显；亚洲中纬度地区500 hPa高度距平场为大范围的负距平区控制，表明瞬变低压槽活跃。500 hPa高度距平场异常主要表现在低纬度地区，且500 hPa高度距平场在低纬地区变化较小。

7月降水偏少时期合成的500 hPa月平均距平场上(图2b)，在50°N以北，50°—70°E和130°—140°E附近高度距平场为负距平，反映了准静止低压槽所在；与这两个负距平相邻的20°—30°E和90°—120°E为正距平，表明准静止高压脊所在。500 hPa高度距平场主要异常区位于欧亚大陆中高纬度地区，亚洲中纬度30°—50°N为位势高度正距平。从图2b还可看到东亚沿岸从菲律宾到鄂霍次克海附近为“负—正—负”的距平分布，贝加尔湖以南的中国华北—中国东北—日本海则为正高度距平中心；而在鄂霍次克海附近存在负高度距平中心，即东亚大槽偏东偏弱。

在大连地区7月降水偏多和偏少时期，对流层中部环流形势的差异并不是简单相反的分布。降水偏少年与欧亚中高纬度纬向环流异常关系紧密，而降水偏多年与自低纬度开始的经向环流异常相关。环流的差异还表现在中国的东部海域是副热带高压所控制，还是低压槽控制。降水偏多年，在10°—30°N、110°—140°E的范围内是西太平洋副高控制；而在降水偏少年，该范围内为低压槽控制。

图2 大连地区降水偏少年(a)和偏多年(b)7月500 hPa位势高度距平合成Fig.2 Anomalous composite graphs of geopotential height at 500 hPa for years with more(a)and less(b)than normal precipitation in July over the Dalian region

表1 2009—2017年7月西太平洋副热带高压特征Table 1 Characteristics of western Pacific subtropical high(WPSH)in July from 2009 to 2017

西太副高是影响中国夏季天气和气候的重要环流系统之一[18]，其强度及位置的异常变化与区域降水多寡有较大关系[19－21]。由表1可知，无论降水偏少年还是降水偏多年，7月西太副高北界位置均偏北。80%降水偏多年脊线位置偏北；降水偏少年脊线位置和西伸脊点没有规律可言，但降水偏少年7月西太副高强度均偏强。进一步对大连地区7月旱涝典型年西太副高的各项特征指数(表略)分析发现，75%典型降水偏少年(12 a)和降水偏多年(8 a)，西太副高北界位置偏北；88%降水偏多年脊线位置偏北，降水偏少年脊线位置和西伸脊点没有规律可言，但75%典型降水偏少年7月西太副高强度偏强。这与以往王秀萍等[12]对大连地区盛夏旱涝典型年大气环流对比分析得到的结论一致，即西太副高脊线和北界位置偏北是影响大连地区盛夏降水偏多的主要因素。研究表明[12]，盛夏降水典型偏多年西太副高脊线位于25°—31°N，北界位置位于30°—36°N。由表2可知，7月西太副高较常年偏强了9.2 gpm；脊点略偏西；脊线位置(34.1°N)偏北6.9个纬度；脊线北界位置(37.4°N)偏北6.3个纬度。脊线和北界位置指数的正距平均超过2个标准差，达到异常标准，均为历史同期最偏北的年份。由此可见，不论是7月降水偏少还是偏多，西太副高脊线和北界位置均有可能偏北，必须与从副热带到中高纬度大气环流系统配置关联一起考虑。

表2 2018年7月西太平洋副热带高压的特征指数及其历史同期排位Table 2 Average features index of west Pacific subtropical high in July of 2018 and its historical ranking in the same period

综上，西太副高脊线和北界位置均偏北，易造成降水偏多，这与文献[12]分析结果一致；西太副高北界位置偏北和强度偏强，易造成降水偏少。2018年7月西太副高强度偏强，脊线和北界位置均异常偏北，均为历史同期最偏北的年份，为2018年7月大连地区降水异常偏少的关键因素。

2.2.2 7月降水多寡时期850 hPa风场

2009—2018年大连地区降水偏少年和偏多年7月850 hPa流场合成见图3。由图3可知，对流层中下层流场特征存在明显的差别。降水偏多年7月(图3a)，贝加尔湖西北部乌拉尔山地区和日本南端及其周围沿海分别存在两个非常明显的反气旋式距平环流，贝加尔湖地区为气旋式距平环流。可以看到一个明显的特征，中国东部地区的南风距平气流向北输送，是造成大连地区7月降水偏多的一个重要原因。降水偏少年7月(图3b)，东亚沿岸由南至北表现出“气旋—反气旋—气旋”的分布特征，与500 hPa东亚沿岸“负—正—负”的高度距平特征相对应。中国东北地区和华北北部受明显的反气旋式距平环流控制，大连地区维持一致的偏北风距平环流，该偏北气流向南一直流向中南半岛，阻碍南方暖湿气流向大连地区输送。再加上菲律宾附近至日本以南的西北太平洋地区为异常气旋式环流，其环流中心位于台湾岛附近，更加不利于暖湿气流向大连地区输送，从而导致大连地区7月降水偏少。

图3 大连地区降水偏多年(a)和偏少年(b)7月850 hPa流场合成Fig.3 Composite graphs of the flow field at 850 hPa for years with more(a)and less(b)than normal precipitation in July over the Dalian reqion

2.3 大连地区2018年7月降水偏少期主要环流特征

2.3.1 500 hPa高度场

2018年7月500 hPa平均位势高度及其高度距平场见图4。由图4可知，亚洲中纬度30°—50°N、90°—140°E为正距平区，即位势高度偏高；另外，从图4还可看到，东亚沿岸从菲律宾到鄂霍次克海附近为“负—正—负”的距平分布，在30°N以南为负高度距平中心，以北为正高度距平中心，即副热带高压脊线位置较常年同期偏北，西太副高呈东西带状分布，西伸脊点偏西。贝加尔湖以南的中国华北—中国东北—日本海则为正高度距平，而在鄂霍次克海附近存在负高度距平中心，即不利于鄂霍次克海阻塞高压的形成，东亚大槽偏东偏弱。而且低纬菲律宾附近至日本以南的西北太平洋地区为低压槽控制，符合500 hPa大连地区7月降水偏少的环流特征。

图4 2018年7月500 hPa平均位势高度及其高度距平场Fig.4 Composite graph of average potential height and its anomaly fields at 500 hPa in July of 2018

综上所述，2018年7月中国华北—中国东北—日本海为位势高度正距平；东亚沿岸从菲律宾到鄂霍次克海附近为“负—正—负”的距平分布；东亚大槽偏东偏弱；低纬菲律宾附近至日本以南的西北太平洋地区为低压槽控制；西太副高强度偏强，脊线和北界位置异常偏北。这些是2018年7月降水异常偏少最重要和最直接的原因。

为了进一步分析大连地区是否受深厚暖性高压控制，2018年7月38.5°—40.5°N范围内1000—100 hPa平均位势高度距平—经度剖面见图5。由图5可知，90°—140°E的东亚大陆地区从地面到100 hPa均出现较大的正距平，即东亚大陆地区受深厚高压控制，最强的正距平中心出现在对流层上层100 hPa至300 hPa，正距平中心强度达160 gpm，正好位于120°E附近(即大连地区上空)。这表明，大连地区上空深厚暖性高压的稳定维持是造成2018年7月大连地区降水严重偏少的主要原因之一。

深厚暖性高压造成高空气流强烈下沉，空气绝热增温，干旱区气温升高，降水偏少。2018年7月38.5°—40.5°N范围1000—100 hPa平均气温距平垂直剖面见图6，由图6可知，此期间东亚大陆从地面到200 hPa在30°—160°E范围内均受正距平控制(即平均气温偏高)，尤其是100°—140°E范围内平均气温偏高的幅度更大，最强的气温中心出现在600 hPa至200 hPa，120°E附近最强的气温正距平达3—4 K，超过2.5个标准差(达到异常)；从地面到700 hPa，120°E附近气温正距平达1—2 K。另外还发现，120°E附近随着高度增加，不同高度气温正异常中心向西倾斜。这进一步说明深厚暖性高压控制东亚大陆中纬度地区，引起200 hPa以下大气层绝热增温，造成大连地区干旱持续和发展，从而导致降水异常偏少。

图5 2018年7月38.5°—40.5°N范围1000—100 hPa平均位势高度距平垂直剖面Fig.5 Vertical cross-sections of average geopotential height anomaly from 1000-100 hPa along 38.5°-40.5°N in July of 2018

图6 2018年7月38.5°—40.5°N范围1000—100 hPa平均气温距平垂直剖面Fig.6 Vertical cross-sections of average temperature anomaly from 1000-100 hPa along 38.5°-40.5°N in July of 2018

2.3.2 850 hPa环流

由于850 hPa风场对夏季降水起重要的水汽输送作用，其变化对大连降水有较大的影响。下面对850 hPa风场变化进行分析(图7)，图7中最显著的特征是菲律宾附近至日本以南的西北太平洋地区为异常气旋环流，气旋中心在台湾岛附近；东亚沿岸由副热带至中高纬度表现出“气旋—反气旋—气旋”的分布特征，与500 hPa东亚沿岸从南到北“负—正—负”的高度距平特征相对应。而且在东部沿海地区30°N以北是反气旋性环流，30°N以南是气旋性环流，大连地区处于反气旋当中，使得来自南海的丰沛的水汽输送比正常年份的夏季7月弱得多，这说明不利于暖湿气流向大连地区输送，因而导致2018年7月降水偏少。

图7 2018年7月850 hPa流场Fig.7 Graph of flow field anomaly at 850 hPa in July of 2018

2.3.3 垂直运动

垂直运动使大气中的不稳定能量得以释放，引起水汽、热量、动量、涡度等的垂直输送，是降水发生的必要条件之一[22]，2018年7月120.0°—123.5°E平均经向垂直环流距平场和沿38.5°—40.5°N平均纬向垂直环流距平场见图8。由图8可知，40°N附近大连地区上空整个对流层盛行异常下沉运动(图8a)，而且110°—140°E整个对流层也处于异常下沉运动(图8b)。由此表明，2018年7月大连地区上空的下沉运动异常偏强，即2018年7月大连地区上升运动异常偏弱，即动力抬升条件异常偏弱不利于形成降水，因而导致大连地区降水偏少。

2.3.4 水汽输送

充足的水汽输送是造成降水的必要条件，水汽输送异常是影响一个地区洪涝和干旱发生的重要因子[23]。大气中的水汽含量主要集中在300 hPa以下，峰值出现在850—700 hPa[24－25]。2018年7月大连地区300 hPa以下整层积分水汽输送和水汽通量散度距平场见图9。从图9可见，大连地区受长江流域北侧的反气旋异常环流的影响，且水汽通量散度距平场上呈现出明显的正值，说明上述地区处于水汽通量异常辐散区，表明进入大连地区水汽输送较常年异常偏弱，不利于水汽在该地区汇合。这种风场和水汽通量的辐散形势非常有利于出现异常下沉运动，对应图5大连地区处于异常偏强的下沉运动。由此说明，大连地区处于明显的异常辐散下沉运动，从而使得该地区降水异常偏少。

图8 2018年7月121.0°—123.5°E平均经向垂直环流距平场(a)和沿38.5°—40.5°N平均纬向垂直环流距平场(b)Fig.8 The anomaly fields of the average meridional vertical circulation along the 121.0°-123.5°E(a)and the average zonal vertical circulation along 38.5°-40.5°N(b)in July of 2018

图9 2018年7月整层积分水汽通量距平和水汽通量散度距平场Fig.9 Composite graphs of the integrating water vapor flux and divergence anomalies in the whole level in July of 2018

3 结论与讨论

(1)2018年7月大连全市平均降水量为21.1 mm，降水距平值达到－2.41倍标准差，破1971年以来历史同期记录。2013年以来大连地区7月降水一直持续偏少，因此2018年7月处于降水偏少的气候背景中。

(2)降水偏少年大气环流的合成显示，500 hPa位势高度场上30°—50°N的东亚大陆位势高度偏高，东亚沿岸由南至北为“负—正—负”的高度距平分布，中国华北—中国东北—日本海为位势高度正距平，东亚大槽偏东偏弱，西太平洋副热带高压偏强，北界位置偏北。同时低层850 hPa在菲律宾附近及其日本以南存在气旋式异常环流，大连地区被偏北风距平控制，以上为大连地区7月降水偏少的大气环流成因。

(3)2018年7月降水异常偏少的个例分析表明，其环流形势与合成年结果具有相似特征，但同时很多方面具有异常特征。500 hPa中国华北—中国东北—日本海为位势高度正距平，东亚大槽偏东偏弱，西太平洋副热带高压强度偏强、脊线和北界位置异常偏北，是历史同期最偏北的年份，大连地区上空受深厚暖性高压和异常下沉运动控制，造成气温偏高降水偏少。西太平洋副热带高压偏强、脊线和北界位置异常偏北，深厚暖性高压的稳定维持是造成大连地区异常少雨重要和直接的原因。同时低层850 hPa在菲律宾附近及其日本以南存在气旋式异常环流，大连地区上空处于水汽通量异常辐散下沉区域，抑制对流活动发展，是导致该地区2018年7月降水异常偏少的另一重要原因。

(4)2018年夏季是中国1961年以来最热的年份，有学者分析发现，这一年东亚夏季风异常强、西太平洋副热带高压异常偏北，北方罕见高温[26－27]。进一步研究表明，2018年的强东亚夏季风与拉尼娜事件、热带印度洋海温、北大西洋海温和青藏高原积雪的联合、增强和协同效应密切相关[28]。黑潮及其扩展区海温、西太平洋对流活动和孟加拉湾跨赤道气流对西太平洋副热带高压异常偏北起着重要作用[29－30]。中国地域辽阔，不同地区气候差异较大。本文仅从大气环流角度对大连地区2018年7月降水异常偏少的原因进行了初步分析，海温异常激发大气环流可能影响的机理，以及环流异常的其他强迫因素等方面对大连局地天气气候的影响，还有待于进一步的深入研究和探讨。