朱偉軍,王燕娜,周兵,潘佳

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西北東部夏季極端干旱事件機理分析

朱偉軍①*,王燕娜①②,周兵③,潘佳④

① 南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害教育部重點實驗室/氣候與環(huán)境變化國際合作聯(lián)合實驗室/氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;

② 北京延慶區(qū)氣象局,北京 102100;

③ 國家氣候中心,北京 100081;

④ 民航西北空中交通管理局寧夏分局,寧夏 銀川 750004

2014-01-06收稿，2014-02-23接受

國家自然科學(xué)基金資助項目(41575070;41075070);公益性行業(yè)(氣象)科研專項(GYHY201306028);江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程(PAPD)

摘要利用國家氣候中心提供的1951—2012年逐日降水、溫度、綜合氣象干旱指數(shù)、逐月NCEP/NCAR再分析資料等,采用REOF分析、動力診斷、相關(guān)分析以及合成分析等方法,從大氣環(huán)流異常特征、高空急流與季風(fēng)異常等方面揭示西北東部夏季極端干旱事件的可能機理。研究發(fā)現(xiàn)西北東部夏季發(fā)生極端干旱時,副熱帶急流軸“傾斜”,且急流與東亞夏季風(fēng)強度均處于相對偏弱階段。極端干旱的成因研究表明:急流軸“傾斜”及其強度減弱導(dǎo)致西北東部地區(qū)高層大范圍的異常輻合;該地區(qū)為水汽源區(qū),對流層整層水汽收支顯著虧損;此外,該地區(qū)低層盛行來自內(nèi)陸干旱區(qū)的異常西南風(fēng),東亞夏季風(fēng)強度偏弱,高低層配置及大尺度環(huán)流形勢不利于降水產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞

西北東部

夏季極端干旱

環(huán)流異常

近半個世紀(jì)以來,由于全球變暖以及大氣環(huán)流的重大調(diào)整,各地的區(qū)域氣候也經(jīng)歷著深刻變化。1995年,IPCC 第二次科學(xué)評估報告指出了極端事件變化研究的重要意義,并力圖回答“氣候是否更加容易變化或更加極端化了”這一難題。Trenberth et al.(2003)認(rèn)為干旱和洪澇這類極端氣候事件發(fā)生的頻率正在不斷的增加。

我國處于東亞季風(fēng)區(qū),由于東亞季風(fēng)年際年代際變化很大,我國氣候災(zāi)害發(fā)生頻繁且嚴(yán)重,尤其是20世紀(jì)80年代以來,大范圍的旱澇重大氣候和天氣災(zāi)害已給我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟帶來嚴(yán)重?fù)p失。旱澇重大氣候災(zāi)害及其形成機理已有大量成果(黃榮輝等,2003;周連童和黃榮輝,2003),主要從季風(fēng)、ENSO以及青藏高原等東亞氣候系統(tǒng)各因子的特征及其變化出發(fā),揭示了其對我國天氣氣候的影響。大量研究已經(jīng)表明,中國的旱澇與季風(fēng)有著密切的聯(lián)系(白虎志等,2001;王可麗等,2001;張存杰等,2002;蔡英等,2003;戴新剛等,2003)。張慶云和陶詩言(1998)指出東亞夏季風(fēng)系統(tǒng)中,熱帶輻合帶(季風(fēng)槽)和副熱帶輻合帶(梅雨鋒)的強度變化呈相反的變化趨勢,即熱帶季風(fēng)槽強度減弱(弱季風(fēng)),副熱帶梅雨鋒強度加強。

龔道溢等(2002)研究表明在行星尺度上有兩個大的環(huán)流系統(tǒng)影響著東亞夏季風(fēng)降水,一是中高緯上空對流層高層的東亞副熱帶西風(fēng)急流,另一個是中低緯上空對流層中低層的西太副高。副熱帶西風(fēng)急流是由哈得來環(huán)流的上層支攜帶低層大氣在東風(fēng)帶中獲得的地球角動量來維持的(壽紹文等,2007),與東亞季風(fēng)和雨帶變化有著緊密的聯(lián)系,這方面已經(jīng)有了一些研究(陶詩言等,1958;Trenberth and Guillemot,1996;Liang and Wang,1998;李崇銀等,2004;張耀存和況雪源,2008),并在夏季風(fēng)降水特別是在暴雨的形成過程中的作用引起了人們的重視(游性恬等,1992;周兵等,2003;何華和孫績?nèi)A,2004)。周兵等(2002)研究長江中游區(qū)域暴雨發(fā)生發(fā)展的機理時,發(fā)現(xiàn)高空傾斜急流軸(NW-SE)出口區(qū)右側(cè)會產(chǎn)生較強的輻散場。

對于西北東部,研究多集中在各季節(jié)降水異常(李棟梁等,1997;王寶鑒等,2005)、極端干濕事件變化特征(趙慶云等,2006;楊金虎等,2007;王苗等,2014)以及干旱特征和成因的研究(衛(wèi)捷等,2003;李新周等,2006;馬柱國,2007;吳愛敏等,2008;范伶俐等,2013;沙天陽等,2013)。長期以來,人們非常重視西太副高以及季風(fēng)、ENSO等異常對西北地區(qū)干濕的影響,但對東亞副熱帶西風(fēng)急流與西北干濕之間的聯(lián)系,研究卻相對較少。由于東亞副熱帶西風(fēng)急流位置的異常偏北年及偏南年大氣環(huán)流在對流層高中低層都表現(xiàn)出顯著的差異,這種差異導(dǎo)致氣流輻合區(qū)的強度和位置不同,從而會引起降水區(qū)域和量級的差別(況雪源和張耀存,2006)。

那么東亞副熱帶西風(fēng)急流與西北東部地區(qū)之間是否有關(guān)聯(lián)?這種關(guān)聯(lián)如何體現(xiàn)?本文從西風(fēng)急流與高空散度場的角度出發(fā),研究西風(fēng)急流與環(huán)流場的異常變化特征,并結(jié)合季風(fēng)與水汽的異常特征,進一步探究西北東部地區(qū)極端干旱形成的機理。

1　資料和方法

選用資料包括:1)國家氣候中心(NCC)提供的1951—2012年逐日氣溫、降水及綜合氣象干旱指數(shù)IC(CI,Compound Index)資料數(shù)據(jù)集。2)美國環(huán)境預(yù)報中心和國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)的逐日再分析資料數(shù)據(jù)集,包括位勢高度、緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)、地面氣壓、比濕及垂直速度,水平分辨率為2.5°×2.5°。

綜合氣象干旱指數(shù)CI(張強等,2006),是利用近30 d相對濕潤度指數(shù)、近30 d和近90 d標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)綜合而得,該指標(biāo)適合實時氣象干旱監(jiān)測和歷史同期氣象干旱評估。其計算公式為:

IC=aZ30+bZ90+cM30。

其中:Z30和Z90分別是近30d和近90d標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù);M30是近30d相對濕潤度指數(shù);a,b,c分別為其系數(shù),平均取值分別為:0.4,0.4和0.8。其具體計算方法為達到輕旱以上級別的指數(shù)與歷史出現(xiàn)該指數(shù)的最小值之比。利用綜合氣象干旱指數(shù)的干旱等級劃分見表1。

表1CI干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

Table 1Classification of the drought categories of the CI

等級類型CI1無旱-0.6

本文主要采用REOF分析(吳洪寶和吳蕾,2005)、合成分析、動力診斷和相關(guān)分析等方法。水汽收支采用張文君等(2007)的方法,整層積分由表面到300 hPa。本文除特別說明外,均采用1981—2010年的平均值為氣候平均態(tài),全年處理為73候。

極端干旱事件的定義方法:選出西北東部地區(qū)的綜合干旱指數(shù)CI距平小于0的年份,采用REOF方法提取出這些年的空間特征場以及時間序列,客觀選取西北東部夏季干旱信號強度強的年份,并結(jié)合降水距平百分率,確定夏季西北東部地區(qū)極端干旱事件。

2　研究區(qū)域及時間的選取

為客觀選取研究區(qū)域,對我國夏半年(5—9月)逐日的氣候平均降水作REOF分析,第四特征向量場(圖1a)較好地體現(xiàn)了我國西北東部地區(qū)降水的空間模態(tài),方差貢獻為4.9%。因此,本文定義西北東部(ENWC)的空間范圍為:101～112°E,34～42°N(圖1a實線方框所示)。圖1b給出了西北東部氣候平均的逐候降水量變化,由圖可見,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)。從5月開始,降水量開始有一跳躍性的增加,6月降水量開始逐漸增多。降水峰值集中在7月中下旬至8月中上旬,之后降水又不斷減少。此外,由候降水標(biāo)準(zhǔn)差變化曲線(圖略)也可以發(fā)現(xiàn),降水變率較大的時段集中在6—8月。

圖1　5—9月逐日氣候平均降水REOF第四特征向量(a)及氣候平均逐候降水特征(b;實線為5點平滑,單位: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　降水和干旱指數(shù)CI以及溫度的變化特征

對比分析1951年以來夏季降水距平百分率(圖2a)與夏季綜合干旱指數(shù)CI距平(圖2b)的變化特征,可以發(fā)現(xiàn)CI指數(shù)與降水的變化趨勢相對一致(圖2a中的曲線)。圖2c是溫度的緯度—時間剖面,由圖可見,20世紀(jì)70年代中期到90年代初,溫度都較常年偏低0.5 ℃以上,而降水以及CI的變化也說明該時段內(nèi)處于一個相對偏濕時期。90年代中后期開始,降水減少,同時溫度升高,西北東部地區(qū)進入了相對暖干的時期。由于60年代前期西北東部地區(qū)的站點數(shù)量較少,穩(wěn)定代表性不夠好(1951—1958年站點數(shù)量由20個增到158個,1960年后穩(wěn)定處于200個站點左右),因此后文中主要考慮1960年代之后的干旱情況。近50 a來,該地區(qū)夏季降水呈現(xiàn)減少趨勢,減少的變率為-4.01 mm/(10 a)。由于CI指數(shù)綜合考慮了降水、蒸發(fā)等因子,其量化氣象干旱的程度更加有意義。

圖2　夏季(6—8月)降水距平百分率(a),平均CI指數(shù)距平特征(b)(圖a,b中的曲線表示通過高斯9點平滑后的年代際變化波動)及夏季101～112°E緯向平均的溫度及距平(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

通過分析各年綜合干旱指數(shù)CI的REOF特征場(圖略),選出體現(xiàn)西北東部地區(qū)干旱的空間模態(tài),結(jié)合時間變化特征,選取在夏半年(5—9月)期間發(fā)生干旱的年份,并綜合考慮該地區(qū)的夏季CI指數(shù)距平以及降水距平百分率的歷年變化特征(圖2b),定義該地區(qū)的極端干旱年份(表2)。由表2可見,雖然1997年的干旱時段相對較短,但是1997年溫度相比常年偏高1°C左右,加之降水偏少3成以上,造成了比較嚴(yán)重的干旱現(xiàn)象。其他3 a相對來說,干旱時間長,達三月以上,降水偏少2成以上,因而干旱信號強度也很高。

表2極端干旱事件的干旱特征指數(shù)(干旱時段及對應(yīng)的降水與CI特征)

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

極端干旱年干旱時段干旱天數(shù)/d夏季干旱指數(shù)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

綜合氣象干旱指數(shù) CI在-0.6以下時,降水會較常年偏少,地表空氣干燥,土壤會出現(xiàn)水分不足的現(xiàn)象。分析極端干旱年份的CI合成特征(圖3),可以看到,西北東部大部分地區(qū)CI值小于-0.6的區(qū)域沿黃河“幾”字狀傾斜分布。通過與濕潤年的降水距平百分率合成場對比分析(圖略),發(fā)現(xiàn)西北東部地區(qū)的多雨帶與干旱帶的分布和走向大體相似,大值中心主要分布在河套地區(qū)、西北東部的東南部地區(qū),呈東北—西南的帶狀走向,而這條分布帶在北方地區(qū)恰好與東亞夏季風(fēng)的北邊緣帶相對應(yīng),干濕異常與東亞夏季風(fēng)異常密切相關(guān)。

4　成因分析

綜合氣象干旱指數(shù)CI與夏季500 hPa高度場相關(guān)顯著的區(qū)域在:巴爾喀什湖以北的烏拉爾山地區(qū)、環(huán)貝加爾湖地區(qū)(圖4a)。因此,選取烏拉爾山(65～92.5°E,55～75°N)以及貝加爾湖地區(qū)(100～120°E,42.5～55°N)作為關(guān)鍵區(qū)。CI指數(shù)與烏拉爾山區(qū)域顯著正相關(guān),與貝加爾湖地區(qū)顯著負(fù)相關(guān),即當(dāng)夏季出現(xiàn)干旱時,烏拉山地區(qū)高度場出現(xiàn)負(fù)異常,而貝加爾湖地區(qū)會出現(xiàn)正異常(CI負(fù)值越大代表越干旱)。因此,在極端干旱年合成的500 hPa高度異常場(圖4b)上,在貝加爾湖地區(qū)負(fù)異常較弱,而在烏拉爾山地區(qū)為負(fù)異常大值中心,最高可達-40 gpm以上。整個歐亞大陸中低緯度都為負(fù)距平覆蓋,長江流域的位勢高度與西北內(nèi)陸相比偏低,中緯度西北太平洋地區(qū)也出現(xiàn)了較弱的負(fù)距平,中國氣候變化監(jiān)測公報表明,極端干旱年份(1965、1969、1997、2001年)的副高面積、強度以及西伸脊點指數(shù)均較常年偏弱,不利于西北東部地區(qū)降水。對烏拉爾山區(qū)域的高度場特征作進一步分析,環(huán)烏拉爾山地區(qū)(65～92.5°E,55～75°N)500 hPa高度標(biāo)準(zhǔn)化距平場上(圖4c),該地區(qū)高度場年代際變化十分明顯,近40 a(1970—2012年)與該地區(qū)的降水和CI相關(guān)系數(shù)分別為0.40和0.32(通過0.05信度的顯著性檢驗)。20世紀(jì)60年代到70年代中期,烏拉爾山地區(qū)的高度場負(fù)異常,平均值達-1.03,與降水和CI的年代際變化相對應(yīng)(圖1a、b),且這一時期西北東部地區(qū)相對偏干少雨。80年代到90年代初期,這一時期內(nèi)該地區(qū)高度場持續(xù)正異常,90年代中后期至今,出現(xiàn)了負(fù)—正—負(fù)的年際振蕩現(xiàn)象。極端干旱年(1965,1969,1997,2001年)標(biāo)準(zhǔn)化距平都為負(fù)值,濕潤年份(1988,1981,2003,1976年)為正值。因而烏拉爾山地區(qū)的高度場異常與西北東部地區(qū)干濕有一定的關(guān)系。

圖3　西北東部極端干旱事件夏季綜合氣象干旱指數(shù)的合成分布場Fig.3　Composite CI of extreme drought events over ENWC during June—August

圖4　綜合氣象干旱指數(shù)CI與夏季500 hPa高度場相關(guān)分布(a;相關(guān)系數(shù)已乘以-1,陰影表示相關(guān)顯著性水平超過0.05)、極端干旱年合成的500 hPa高度距平場(b;單位:dagpm)及烏拉爾山地區(qū)(65.0～92.5°E,55～75°N)500 hPa高度場標(biāo)準(zhǔn)化距平變化序列(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)]

圖5a是200 hPa 風(fēng)場與CI指數(shù)的矢量相關(guān)分布場,當(dāng)西北東部干旱時,在中高緯地區(qū),貝加爾湖以西,南風(fēng)偏強,東部北風(fēng)異常,該區(qū)域有一反氣旋式環(huán)流。西北東部地區(qū),高空將盛行偏東風(fēng)(通過0.05信度的顯著性檢驗),江淮流域上空有氣旋式環(huán)流場,但不顯著。在太平洋上日本九州島東南部有反氣旋式環(huán)流,其左側(cè)的偏南風(fēng)尤為顯著。進一步分析極端干旱年合成的200 hPa 風(fēng)場距平,可以發(fā)現(xiàn)(圖5b),貝加爾湖上空存在反氣旋環(huán)流,江淮流域上空有異常的氣旋式環(huán)流。長江流域上空從西到東西風(fēng)距平有增強的趨勢,因此,長江流域自西向東氣流有輻散趨勢,相應(yīng)的低層必然會有氣流輻合加強。對于西北東部地區(qū)34～42°N之間,高層?xùn)|風(fēng)異常,也說明干旱時西北東部上空的急流強度減弱。

圖6a、b給出了極端干旱年與極端濕潤年高空200 hPa急流軸線分布,可以看到,極端干、濕年合成的西北東部上空急流軸線的分布特征差異顯著。極端干旱年份急流軸線呈現(xiàn)西北—東南(NW-SE)狀的“傾斜”,急流中心強度與極端濕潤年相比偏小。極端干旱年合成的風(fēng)場距平散度場(圖6c)上,西北東部大部分地區(qū)處于異常輻合區(qū)域。那么,是否因為高空西風(fēng)急流的強度減弱,造成了異常的輻合輻散呢?以下將對散度場的形成作進一步的分析,探究高空西風(fēng)急流與高空散度場之間的聯(lián)系。

圖5　夏季200 hPa風(fēng)場與西北東部CI指數(shù)的相關(guān)分布(a;陰影通過α=0.05信度的顯著性檢驗)、夏季200 hPa距平風(fēng)場(b;單位:m·s-1;圖中A代表反氣旋式環(huán)流,C代表氣旋式環(huán)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)

圖6　極端干旱年高空急流軸線(a)與極端濕年急流軸線(b)、極端干旱年合成的200 hPa距平散度場(c)、非地轉(zhuǎn)慣性平流風(fēng)散度場(d)以及經(jīng)向慣性平流風(fēng)第一分量(e)與經(jīng)向慣性平流風(fēng)第二分量(f)(c,d,e,f中陰影代表急流中心全風(fēng)速U≥30 m·s-1,直線代表急流軸線,實線方框為研究區(qū)域,散度單位:10-6 s-1,風(fēng)速單位: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)

大氣中散度場是由地轉(zhuǎn)偏差風(fēng)的輻合輻散所造成的,地轉(zhuǎn)偏差風(fēng)可以寫成:

(1)

高空急流軸及兩側(cè)的強輻合輻散場主要是由與慣性平流項相聯(lián)系的地轉(zhuǎn)偏差造成的(周兵等,2002)。由此,忽略(1)式中的局地變化和垂直輸送項的影響,則(1)式可改寫為

(2)

進一步簡化公式(2),地轉(zhuǎn)偏差風(fēng)可以寫成

(3)

圖7　整層的水汽通量距平場(單位:kg·m-1·s-1)及水汽通量散度距平場(單位:10-6 kg·m-2·s-1)(a)、沿100～112.5°E經(jīng)向平均的垂直環(huán)流距平場及垂直速度距平場(b,陰影表示ω;垂直風(fēng)速擴大-100倍,單位:10-2 Pa·s-1;經(jīng)向風(fēng)單位: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)

水汽是產(chǎn)生降水的必要條件之一,通過大規(guī)模的暖濕氣流被輸送到降水區(qū),并在降水區(qū)產(chǎn)生明顯水汽輻合,從而產(chǎn)生大的降水。西北東部地區(qū)極端干旱年,該區(qū)域卻為異常偏強的偏西風(fēng)距平水汽輸出(圖7a),該異常氣流將西北內(nèi)陸的水汽向東輸送到了長江中下游以及黃海地區(qū),西北東部干旱極端嚴(yán)重區(qū)域處于水汽輻散異常大值區(qū),達40×10-6kg·m-2·s-1以上。西北東部地區(qū)無法為降水的形成提供充足的水汽條件,加之平均經(jīng)向垂直環(huán)流場上(圖7b),該地區(qū)整層都為下沉運動,更加不利于降水的形成。因此,水汽的虧損和下沉氣流共同作用,使得該地區(qū)出現(xiàn)了極端旱情。

圖8　雨帶開始時間的空間分布(a,單位:候)及極端干年合成的中國區(qū)域水汽通量異常循環(huán)估計(b,陰影區(qū)為西北東部,單位: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)

我國是顯著的季風(fēng)性氣候國家,尤其是東部降水變率大,洪澇災(zāi)害頻發(fā)。我國雨帶的開始和結(jié)束與東亞副熱帶降水、南海夏季風(fēng)活動、東亞副熱帶夏季風(fēng)進程密切相關(guān)。逐候降水達到6 mm/d的降水活動過程,可以很好地表征我國季風(fēng)雨帶的開始與結(jié)束。候時間尺度上,我國雨帶開始的空間分布(圖8a)表明,第40—44候期間,東亞夏季風(fēng)降水推進到西北東部的東南角。中國氣候變化監(jiān)測公報統(tǒng)計表明,東亞夏季風(fēng)60、70年代處于年代際偏強的背景下,而90年代之后處于年代際偏弱時期,極端干旱年季風(fēng)的合成特征相對偏弱。受東亞夏季風(fēng)的影響,當(dāng)季風(fēng)偏弱時,輸送的水汽必然減少,西北東部地區(qū)的降水自然偏少,加之夏季溫度高,則更容易出現(xiàn)干旱,反之,該地區(qū)的降水將偏多,不易出現(xiàn)旱情。因此,東亞夏季風(fēng)強弱對于西北東部地區(qū)的干濕變化有著十分重要的影響,這與王寶鑒等(2004)的研究結(jié)果相一致。通過對極端干旱年份,中國區(qū)域整層水汽通量的循環(huán)估計計算(圖8b),該地區(qū)各邊界的水汽都輸出,該區(qū)域水汽通量凈輸出達-617×105kg·s-1,在西北西部以及華北地區(qū)也都出現(xiàn)了水汽通量負(fù)距平,而長江中下游地區(qū)成為了水汽匯區(qū)。因而該地區(qū)的降水必然減少,導(dǎo)致干旱的發(fā)生。

圖9　500 hPa垂直速度距平場(a;單位:10-2 Pa·s-1)以及850 hPa距平風(fēng)場(b,單位:m·s-1;圖中A代表反氣旋式環(huán)流,C代表氣旋式環(huán)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垂直速度距平合成場上(圖9a),西北東部地區(qū)為正距平區(qū)域(ω>0),有下沉運動,這種環(huán)流形勢明顯不利于降水的形成。在東亞季風(fēng)槽區(qū)為正距平(ω>0),而沿著30°N梅雨鋒區(qū)為負(fù)距平(ω<0)。因此,最強的下沉運動位于東亞熱帶季風(fēng)槽區(qū),最強的上升運動位于東亞中緯度梅雨鋒區(qū)。500 hPa垂直速度距平場的分布,也表明西太平洋副熱帶高壓位置偏南,這與張慶云等(2003)研究東亞夏季風(fēng)偏弱時,500 hPa垂直速度距平合成場的結(jié)果相似。圖9b給出了極端干年合成的低層850 hPa距平風(fēng)場特征場,可以看到,西北東部盛行來自西北內(nèi)陸和高原地區(qū)的異常西南氣流,且距平風(fēng)場輻散,環(huán)流形勢不利于降水的形成。此外,在菲律賓以東的洋面上,東亞季風(fēng)槽區(qū)(10～20°N)有異常的東風(fēng)距平氣流,而在梅雨鋒區(qū)(25～35°N)為西風(fēng)距平氣流,配合良好的水汽條件(圖7b),利于長江中下游地區(qū)降水的形成。通過以上分析可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)西北東部干旱時,長江中下游地區(qū)降水將偏多。與前述高空急流強度偏弱、軸線“傾斜”相聯(lián)系,整層大氣環(huán)流的異常特征,均反映了東亞夏季風(fēng)強度偏弱,因而導(dǎo)致西北東部地區(qū)降水偏少,出現(xiàn)旱情。

5　討論和結(jié)論

本文從西北東部夏季(6—8月)降水、溫度以及綜合干濕指數(shù)CI特征出發(fā),通過客觀方法選取了該地區(qū)夏季極端干旱年份;從高低空環(huán)流特征場、水汽輸送及垂直運動等方面,分析西北東部夏季極端干旱事件的環(huán)流異常特征,探究東亞上空西風(fēng)急流與高空散度場的關(guān)系,并研究季風(fēng)的異常特征,深入分析西北東部地區(qū)極端干旱的可能成因,主要結(jié)論如下:

1)西北東部夏季CI指數(shù)與降水的變化趨勢相對一致。20世紀(jì)90年代中后期開始,降水減少,同時溫度升高,西北東部地區(qū)進入了相對暖干的時期。分析發(fā)現(xiàn)西北東部地區(qū)干旱帶與多雨帶的地理位置落區(qū)較一致,干濕分布異常區(qū)域恰好與東亞夏季風(fēng)北邊緣帶相對應(yīng)。

2)西北東部地區(qū)CI指數(shù)與烏拉爾山區(qū)域500 hPa高度場顯著正相關(guān),與貝加爾湖地區(qū)、鄂霍茨克海以北地區(qū)顯著負(fù)相關(guān)。極端干旱年,西太平洋副熱帶高壓的面積、強度及西伸脊點均偏弱。

3)極端干旱年西北東部地區(qū)高層盛行異常偏東氣流,西風(fēng)急流強度減弱,且急流軸“傾斜”,造成西北東部地區(qū)高層大范圍的異常輻合。此外,高空急流強度減弱,其出口區(qū)右側(cè)的間接環(huán)流也將減弱,不利于季風(fēng)向北推進。

4)整層水汽通量距平及散度場上,西北東部地區(qū)為水汽源區(qū);經(jīng)向平均垂直環(huán)流場上,該地區(qū)整層都為下沉運動,不利于降水的形成;東亞夏季風(fēng)的強度相對偏弱,低層該地區(qū)盛行來自西北內(nèi)陸與高原地區(qū)的異常西南風(fēng),大尺度環(huán)流場不利于降水的形成,因而導(dǎo)致該地區(qū)發(fā)生干旱。此外,研究也發(fā)現(xiàn)長江中下游地區(qū)干濕變化與西北東部相反的事實。

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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

(責(zé)任編輯：劉菲)

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

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