近60年华北春季干旱特征及其与北大西洋海表温度的关系

臧迪 郑有飞 张顾炜

摘要 利用观测资料统计分析和CAM5.3数值模拟相结合的方法，基于标准化降水蒸散指数（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI），分析了1955—2018年华北地区春季干旱特征，并重点探讨了对北大西洋产生的影响。华北春季干旱的主要空间分布型为全区一致型，近60 a春季华北存在22 a偏旱年和14 a偏涝年。华北春季偏旱年主要大气环流特征是大陆暖高压增强、高空西风急流减弱以及华北位于下沉运动区中。观测分析和数值模拟结果均表明，春季北大西洋海温偏暖容易导致华北地区发生干旱。当春季北大西洋偏暖，其上空高度场被抬升，激发出一条自北大西洋经欧亚大陆至华北地区的“+-+”的波列，其波列中心分别位于北大西洋、欧洲大陆-西亚和西北-华北地区上空，这条波列最终导致了西北-华北上空大陆高压增强，华北位于高压底部，上空高度场抬升，西风急流减弱，引发下沉运动，导致空气绝热增温。同时，西风急流减弱导致西南暖湿气流减弱，水汽不易到达华北地区，不利于降水产生，高温少雨有利于干旱发生;当北大西洋偏冷时，波列中心发生了“翻转”，由“+-+”转变为“-+-”，此时大陆高压减弱，西风急流增强，不利于干旱发生。

关键词华北地区;春季干旱;北大西洋;波列

随着全球持续变暖，气候变化已经成为科学研究的前沿问题，极端气候事件对人类生存和发展产生了重大的挑战。干旱是极端气候中持续时间最长、影响范围最大、造成损失最严重的灾害之一。华北地区地处中纬度地区，是中国的政治文化中心，也是人口聚集地和小麦高产地。自19世纪以来，华北地区气温显著上升，而降水存在一定的减少（翟盘茂和邹旭凯，2005;Wang and Chen，2014），导致干旱事件频繁发生（Fu，1993;黄荣辉等，1999;胡顺起等，2017）。国内外学者对华北地区干旱做了一些研究分析（Gong et al.，2017;王江涛，2019）。卢洪建等（2012）基于帕默尔干旱指数（Palmer Drought Severity Index，PDSI）指数分析了华北平原1960—2009年干旱的时空特征，发现其主要空间分布型为全区一致型;胡顺起等（2017）分析了华北地区1961—2015年极端干旱事件的变化特征，并指出1994—2015年华北处于极端干旱期;琚建华等（2006）认为华北地区降水在20世纪70年代中期后进入年代际偏少的阶段，其大气环流背景表现为亚洲东部热低压和对流层东亚夏季风这两个系统的减弱，造成这种大气环流异常的主要原因是北极涛动的年代际变化;张庆云等（2003）分析认为20世纪80年代以来华北地区干旱增强与夏季200 hPa中纬度西风环流加强，850 hPa东部范围内偏南气流异常偏弱有关;周丹等（2014）利用标准化降水蒸散指数（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI）对华北地区近50 a干旱强度的特征进行分析，结果表明华北地区干旱发生强度在20世纪80年代和90年代呈增强趋势，其中华北地区西北和东南部地区增强趋势最为明显;Gong et al.（2017）也发现华北地区南部正在变得越来越干。

干旱指数是研究干旱的关键。Vicente-Serrano et al.（2010）在标准化降水指数（Standardized Precipitation Index，SPI）的基础上加入潜在蒸散项，构建了SPEI，该指数融合了SPI和PDSI（Palmer，1965）的优点，将温度纳入干旱指数计算内，进而可以敏感地反映气温升高对干旱事件的影响。荣锦盟等（2019）对比了4种干旱指标和干旱发生实况，发现SPEI表征的干旱发生状况与实际吻合率最高，说明SPEI在华北地区是适用的。因此，本文选用SPEI作为干旱指标对华北地区进行分析。

海气相互作用目前被公认为是气候问题的核心内容，海洋对于长期的气候事件来说是非常重要的。此外对于海气相互作用在中国东部气候中的作用已有不少的研究（王蕾和张人禾，2006;Li and Zeng，2013;曾刚和高琳慧，2017;金爱浩等，2018;王涛等，2019）。谭桂容等（1998）认为西北太平洋海表温度的异常可以引起东亚季风的异常，从而影响中国东部降水;曾刚等（2015）认为热带东印度洋-西太平洋的海温异常增暖是导致重庆秋季年代际干旱的可能机制;白寒冰和曾刚（2018）的分析指出热带印度洋的年代际增暖对东亚夏季风的年代际增强有一定影响。近期多位学者研究发现北大西洋海表温度异常增暖，可以通过一种类似于“丝绸之路”波列（Silk Road Patter，SRP）的遥相关作用来影响中国地区的气候变化（Li et al.，2017;Wang et al.，2017;Zhang et al.，2018），特别是对华北地区的高温事件的影响（Sun，2012）。Zhang et al.（2020）的研究指出，华北夏季极端高温事件的年代际变化与太平洋年代际振荡和大西洋年代际振荡存在一定联系。那么北大西洋是否对华北春季干旱有影响？

本文基于SPEI干旱指标，研究了1955—2018年华北地区春季干旱时空特征及其大气环流背景，并从海气相互作用的角度来讨论北大西洋海温变化对华北春季干旱的影响及可能的物理机制。

1 资料和方法

1.1 资料

1）1955—2018年全球逐月SPEI数据集（http：//notos.eead.csic.es/spei/map/maps.html），水平分辨率为0.5°×0.5°，主要采用Vicente-Serranoetal.（2010）的計算方法，SPEI的干旱等级划分详见表1;

2）美国国家环境预报中心和大气研究中心（National Centers for Environmental Prediction/National Center For Atmospheric Research，NCEP/NCAR）提供的逐月再分析资料集，主要包括水平风场、比湿场、垂直速度场、气压场和位势高度场等，该数据集的水平分辨率为2.5°×2.5°（Kalnay et al.，1996）;

3）美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）提供的海表面温度资料（Extended Reconstructed Sea Surface Temperature，ERSST v5），水平分辨率为2.0°×2.0°（Huang et al.，2017）。本文研究时段为1955—2018年，春季为当年3—5月，华北地区范围（110°～120°E，35°～45°N），这与Qian and Zhou（2014）的华北地区选取一致。气候态为1981—2010年30 a平均结果。

1.2 方法

主要采用了T检验、相关经验正交分解（Empirical Orthogonal Function，EOF）及合成差值分析等气候统计分析方法（魏凤英，2007）。三维波通量（Wave Activity Flux，WAF）被用来研究波能传动方向，其计算方法如下（Plumb，1985）：

Fs=pp0cos φ×v′2-12Ωsin2φ （v′Φ′）λ

-u′v′+12Ωsin2φ （u′Φ′）λ

fSv′T′-12Ωsin2φ （T′Φ′）λ。  （1）

s=z+κH。 （2）

式中：各变量的上标“-”和“′”分别表示纬向平均和纬向偏差;φ、λ和Ω分别代表纬度、经度和地球自转率;f=2Ωsin2φ为科里奥利参数;Φ和T分别是位势高度和温度;s是静态稳定度;κ是恒压下气体常数与比热之比，取0.286;H是定常高度，取8 km。

采用NCAR发布的通用地球系统模式（Community Earth System Model 1.2.2，CESM1.2.2）中的大气模块CAM5.3作为大气环流模式进行数值试验模拟。CAM5.3是目前较为广泛使用的全球大气环流模式之一，相较于过去的版本，除修复了一些运算问题以外，还将垂直平流计算从欧拉方程改为拉格朗日方程。本文的试验设计使用模式自带的真实地形、海陆分布等边界条件，并采用模式的f19_f19水平分辨率，即1.875°（纬度）×2.5°（经度），垂直方向采用σ-p混合坐标，共30层（Neale et al.，2012）。前人的研究已经证明了该模式在东亚地区是适用的（曾刚等，2015;张顾炜等，2016;Huang et al.，2019;Zhang et al.，2020）。

2 华北春季干旱的时空特征及与北大西洋海温的关系

图1给出了1955—2018年华北地区春季SPEI的EOF分析第一模态的空间分布（图1a）及其时间系数（图1b），其方差贡献率为43.7%。从图1a中可以看出，华北全区的数值符号一致，所以可将该空间分布特征称为全区一致型。从第一模态的时间系数（图1b）可以看出，该空间分布型在20世纪90年代中后期之后多为负值，结合空间分布的特征值可知，华北地区该空间型春季干旱在最近20 a频发。华北春季SPEI的第二模态的空间分布（图略）为南北反向型，方差贡献率为14%，其余模态的方差贡献率都不足10%。因此，可以将该空间分布型作为华北春季SPEI的主要分布型，即华北春季干旱主要表现为全区一致型，且在近20 a干旱頻繁发生。

因为华北春季干旱的主要空间分布为全区一致型，那么就可以将华北全区春季SPEI的区域平均作为华北地区的值，由此得到1955—2018年华北春季SPEI的时间序列（图2）。从图中可以看出，该序列与图1b的EOF第一模态时间系数基本一致，都在20世纪90年代后出现多年负值（干旱）。根据SPEI干旱等级分布（表1）筛选出偏旱年（SPEI≤-0.5）和偏涝年（SPEI≥0.5），其中偏旱年共有22 a（1963、1965、1968、1975、1977、1982、1984、1993、1994、1995、1997、1999、2000、2002、2004、2005、2006、2013、2014、2015、2016、2018年），偏涝年共有14 a（1956、1957、1959、1964、1971、1972、1976、1979、1990、1991、1998、2003、2007、2010年），与已有研究得出的华北旱涝期接近（张庆云等，2003;胡顺起等，2017）;偏旱年多于偏涝年，其中2018年干旱最严重。

将1955—2018年华北春季SPEI与北大西洋春季海表面温度（SeaSurface Temperature，SST）做相关分析（图3a），结果显示春季华北SPEI与北大西洋SST存在一块显著负相关区域（通过0.05信度的显著性检验），即该海区春季SST上升（下降）时，华北春季SPEI则下降（上升）。图3b为北大西洋春季SST差值场（偏旱年合成减偏涝年合成），图中也存在一块显著正差值区域（与图3a中的显著区域基本一致），说明春季华北偏旱年的该海区SST要暖于偏涝年的SST，该海区可能是北大西洋影响华北春季干旱的关键海区。

结合图3a和图3b的显著区域，将（70°～10°W，25°～50°N）定为该关键海区的范围。图3c给出了1955—2018年关键海区的区域平均SST的标准化时间序列，其与华北春季SPEI的相关系数为-0.35，为显著负相关。

因此，当该关键海区的春季SST增暖时，华北春季SPEI为负，有利于发生干旱;反之SST变冷时，华北SPEI为正，不利于发生干旱。

3 影响华北春季干旱的大气环流系统

为了研究春季北大西洋关键海区影响华北干旱的物理机制，需要找出影响华北地区的关键大气环流系统。前人的研究指出，影响华北干旱的主要环流系统有大陆高压，西风急流和西太平洋副热带高压等（张庆云等，2003）。因为春季西太平洋副热带高压尚未发展成熟，它不是华北地区的主要环流系统，因此本文主要从大陆高压和西风急流的变化来探究华北地区偏旱年和偏涝年的大气环流差异。

500 hPa高度差值场（图4a）可以看出：较偏涝年而言，偏旱年华北位于一个正差值中心的底部，该正差值区域的中心值超过2 dagpm，说明在偏旱年，大陆高压增强，华北地区位于其底部，华北上空高度场被抬升，导致晴好天气，有利于气温升高。图4b和4c分别为整层水汽输送差值场（1 000～100 hPa）和垂直速度差值场。从图4b中可以看出，由于西太平洋存在一个气旋性差值环流，而中国西北-华北地区存在一个反气旋性差值环流（该系统对应图4a中的正高度差值中心），这两个系统导致华北地区处在自东向西的差值水汽输送显著负差值区域当中（通过0.05信度的显著性检验），即偏旱年较偏涝年而言，华北上空西风急流减弱，且水汽条件不利于降水产生。从700 hPa垂直速度差值场（图4c）也可以看出，华北地区处在差值下沉运动区域内，因此较偏涝年而言，偏旱年的动力条件也不利于降水产生。由此可以大致总结出华北春季干旱的主要大气环流特征：西北-华北地区上空的大陆高压增强，华北位于大陆高压底部，上空高度场也被抬升，引发下沉运动，下沉运动为不利于降水产生的动力条件，且会导致空气绝热增温，华北升温;同时高压底部的自东向西气流导致华北高空西风急流减弱，导致西南暖湿气流减弱，水汽不易到达华北地区，降水不易产生;以上条件都有利于干旱发生。因此，影响华北春季干旱的最直接的大气环流系统就是大陆高压和西风急流，当大陆高压增强和西风急流减弱时，华北春季容易发生干旱。

已有分析指出，夏季北大西洋年代际振荡会激发“丝绸之路”波列（SRP），其会对中国北方的气候产生一定影响（Wang et al.，2017;Zhang et al.，2018）。图5给出了春季500 hPa高度场异常和波通量（WAF）。从偏旱年（图5a）和偏涝年（图5b）的结果都可以看出，有一段波列从北大西洋经欧亚大陆向东传递到华北地区，华北处于北大西洋下游地区。结合高度场异常，偏旱年（图5a）合成中，

北大西洋的关键海区和华北地区上空为正高度场异常，而其与华北之间的欧洲大陆-西亚地区为负高度场异常，从北大西洋到西北-华北地区形成了“+-+”异常的波列;在偏涝年（图5a）合成中也存在同样的波列，只是它的中心值是相反的，为“-+-”异常。由此推断：当春季北大西洋的关键海区海温增暖时，其上空高度场被抬升，激发了一条“+-+”异常的波列，且波列中心分别位于关键海区上空、欧洲大陆-西亚以及西北-华北地区上空，这条波列最终导致了西北-华北地区上空大陆高压增强，华北位于高压底部，上空高度场也被抬升，从而华北地区多为下沉运动，下沉运动可以导致空气绝热增温且为不利于降水动力条件，同时华北高空处在反气旋环流南侧，受自东北向西南的气流控制，即西风急流减弱，导致西南暖湿气流减弱，水汽不易到达华北地区，不利于降水产生，即有利于干旱;当关键海区偏冷时，波列中心发生了“翻转”，由“+-+”异常转变为“-+-”异常，此时大陆高压减弱，华北高空处在气旋环流南侧，受西南气流控制，西风急流增强，不利于干旱发生。

4 数值试验

根据前文观测分析的结论，华北春季SPEI与北大西洋关键海区的SST存在一块显著负相关区域，该海区为影响华北春季干旱的关键海区。那么，该关键海区的海温变化是否能真实地影响华北春季干旱？以及观测分析所得的物理机制是否真的存在？针对以上问题，本文通过CAM5.3大气环流模式进行数值模拟研究。

表2為数值试验方案。本文的每个试验都采用10个不同的初值场来驱动模式。Clim试验驱动12 a，取后10 a为模式结果;Warm和Cold试验为敏感性试验，均驱动12 a，取后10 a为模式结果，两套敏感性试验均只改动关键海区（70°～10°W，25°～50°N）的春季海温，其余地区或时段均为气候态海温。

从暖冷试验模拟的气温和降水差值场（图6）可以看出：春季华北地区处于气温正差值场中，即暖试验模拟的华北地区春季气温要高于冷试验的结果，而春季华北地区降水差值场则为负，说明暖试验模拟的华北降水少于冷试验模拟。综合以上两点得出;相较于冷试验模拟的结果，暖试验模拟的华北地区为高温少雨，有利于干旱发生。进一步计算了华北地区的区域平均SPEI（暖试验的SPEI为-0.98，冷试验则为0.73），结果显示暖试验和冷试验模拟的春季华北地区分别为偏旱和偏涝。由此可以得出，暖试验和冷试验的模拟结果证明了春季北大西洋海温偏暖，容易导致华北春季干旱。

图7对应前文图4在数值试验中的模拟结果。从图7中可以看出：相对于冷试验而言，暖试验模拟的华北地区处于正高度差值场中，位于增强的大陆高压底部（图7a）;同时华北地区也处在负水汽输送差值场中（图7b），西太平洋地区存在气旋性差值环流，其北侧也存在一个反气旋差值环流，导致了华北地区被自东北向西南的气流控制，即西风急流减弱;从垂直速度差值场（暖试验减冷试验）中可以看出 （图7c），华北地区为下沉运动差值，说明暖试验中的降水动力条件较冷试验的差，不利于降水产生。以上的试验模拟结果可以证明，相对于冷试验，暖试验可以模拟出有利于华北地区春季干旱发生的环流条件。图8为春季500 hPa高度和WAF异常场（暖/冷试验减气候试验）。暖冷试验的模拟结果都显示，从北大西洋到华北地区存在东传的波列;暖试验模拟的波列自北大西洋到华北地区为“+-+”，冷试验模拟的波列则为“-+-”，与观测结果一致。说明数值试验结果也证明了，春季北大西洋增暖可以通过波列影响华北地区。

综上所述，数值试验结果验证了观测分析结论，即春季北大西洋海表温度偏暖较偏冷有利于华北春季干旱发生：当春季北大西洋为关键海区时，其上空高度场被抬升，激发了一条“+-+”的波列，且波列中心分别位于关键海区、欧洲大陆-西亚以及西北-华北地区上空，该波列最终导致了华北上空高度场也被抬升，高空暖高压引发下沉运动（不利于降水产生的动力条件），下沉运动导致空气绝热增温，同时华北位于大陆高压底部，受自东向西气流控制，西风急流减弱，导致西南暖湿水汽不易到达华北地区，不利于降水产生;当关键海区偏冷时，波列中心发生了“翻转”，由“+-+”转变为“-+-”，此时大陆高压减弱，西风急流增强，低温多雨不利于干旱发生。

5 结论与讨论

利用观测统计分析和NCAR CAM5.3数值模拟的方法，基于SPEI干旱指标分析了近60 a华北地区春季干旱特征，重点探讨了北大西洋对其的影响，得到如下主要结论：

1）华北春季干旱的主要空间分布型为全区一致型，近60 a春季华北地区偏旱年有22 a，偏涝年有14 a，偏旱年多于偏涝年，且2018年的干旱最为严重。

2）华北春季偏旱年主要环流特征是，大陆高压增强，华北上空西风急流减弱，该地区存在下沉运动。

3）观测分析和数值模拟结果均表明，春季北大西洋海温偏暖可以导致华北地区发生干旱。当春季北大西洋为关键海区偏暖，它可以激发一条自北大西洋到华北地区的“+-+”波列，该波列最终导致了西北-华北地区上空大陆高压增强，华北位于高压底部，高空暖高压引发下沉运动，不利于降水产生;下沉运动也会导致空气绝热增温，同时华北高空处在反气旋环流南侧，受东北气流控制，西风急流减弱，西南暖湿水汽不易到达，不利于降水产生，高温少雨有利于干旱发生;当北大西洋偏冷时，波列中心发生了“翻转”，由“+-+”转变为“-+-”，此时大陆高压减弱，西风急流增强，不利于干旱发生。

本文只讨论了春季北大西洋对华北干旱的影响，统计与其他海区的关系发现：春季华北干旱在北太平洋也存在较好的相关区域，Zhang et al.（2018） 认为北太平洋海温和印度洋海温对全球波列也有一定调节作用，那么与华北干旱是否有关系，还需要进一步深入研究。

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Characteristics of spring drought in North China over the past 60 years and its relationship with sea surface temperature in the North Atlantic

ZANG Di1，ZHENG Youfei1，ZHANG Guwei2

1School of Environmental Science and Engineering，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China;

2Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education （KLME），Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters （CIC-FEMD），Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China

Based on the standardized precipitation evapotranspiration index （SPEI），this study applied statistical observational analysis and numerical simulations （CAM 5.3），so as to analyze the characteristics of spring drought in North China （NC） from 1955 to 2018，as well as the impacts of the North Atlantic （NA）.The results showed that the main spatial distribution pattern of spring drought in NC was uniform throughout the entire region，and，in the past 60 years，there were 22 drought years and 14 flood years.The main atmospheric circulations of the NC spring drought years were the enhanced continental high，weakened upper westerly jet，and downward movement in NC.Aside from these，both observational analysis and numerical simulation results showed that the warm sea surface temperature （SST） in the NA could cause spring drought in NC.The mechanism is as follows：warm SST in NA can lead to a “+-+” wave train such as the “Silk Road Pattern” with its center above the NA，Europe-western Asia and NC;this wave train would then enhance the continental high over NC，which could cause the downward movements;these downward movements are not conducive to precipitation，and will lead to the air undergoing adiabatic heating;in addition，NC lies to the south of the upper anticyclone circulation，which leads to NC being controlled by the northeast airflow，thus signifying that the warm and humid airflow from the Southwest is weakened.In summary，the wave train causes the high temperature and reduced rain in NC，which is conducive to drought.When the SST in the NA grows cold，the center of the wave train would be reversed，which in turn would cause the continental high over NC to weaken.

North China;spring drought;North Atlantic;wave trains

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20200219001

（責任编辑：袁东敏）