房一禾，吳 瓊，杜秉宸，秦美歐，徐方姝，林中冠，王 當，于 楊

(1.沈陽區(qū)域氣候中心， 遼寧 沈陽 110016； 2.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院， 江蘇 南京 210044；3.南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院， 江蘇 南京 210016； 4.遼寧省氣象服務(wù)中心， 遼寧 沈陽 110166；5.中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院遼寧分院， 遼寧 沈陽 110016； 6.遼寧省氣象信息中心， 遼寧 沈陽 110016)

遼寧省位于中國東北地區(qū)南部，瀕臨黃海和渤海，是中國主要的商品糧基地之一，對全國糧食總產(chǎn)量的貢獻不容忽視[1]。遼寧省全年的降水量主要集中在夏季，因此，夏季降水量對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要。

國內(nèi)學(xué)者對全國各地降水變化特征的研究較多，如姚玉璧等[2]、賈小龍等[3]、李廣霞等[4]和廉毅等[5]分別對中國、東北地區(qū)、遼寧省和吉林省的夏季降水變化特征進行了研究。在夏季降水對應(yīng)的環(huán)流特征分析方面，孫力等[6]曾以東北地區(qū)為研究對象，分析了東北夏季旱澇的大氣環(huán)流特征。楊文艷等[7]分析了遼寧夏季降水大氣環(huán)流特征，認為遼寧夏季降水主要受到東亞夏季風強度、西太平洋副熱帶高壓位置和南亞高壓位置等因素的影響。何金海等[8]曾對東北冷渦與東北夏季降水的關(guān)系進行過研究并指出：夏季東北冷渦強度偏強有利于東北夏季降水增多。沈柏竹等[9]指出，東北地區(qū)初夏(5月和6月)降水主要受東北冷渦的影響，隨著西太平洋副熱帶高壓的北進，東北冷渦的影響逐漸減弱，東亞夏季風在盛夏(7月和8月) 開始對東北地區(qū)降水產(chǎn)生影響。李輯等[10-11]也分別對遼寧初夏和盛夏降水異常成因展開過研究并認為：東北冷渦活動是造成遼寧初夏降水異常的主要原因，而副熱帶西風急流位置、西太平洋副熱帶高壓脊線位置及低空偏南急流，是遼寧盛夏降水的主要影響因子。其他學(xué)者也進行過類似的研究，并得到了類似的結(jié)論[12-17]。

以往對于遼寧夏季降水的研究，多注重降水偏多情況的分析，而對遼寧干旱特征和成因的分析相對較少。由于2014和2015年遼寧夏季發(fā)生了嚴重的干旱，造成糧食絕收等，對農(nóng)業(yè)產(chǎn)生了較大的影響。因此，對遼寧夏季干旱的研究意義重大。為此，本文通過對遼寧夏季降水變化特征和異常年環(huán)流場特征的分析，結(jié)合2014和2015年夏季環(huán)流場與異常年環(huán)流場的對比，揭示了遼寧干旱的環(huán)流特征及2014、2015年遼寧夏季干旱的成因，為遼寧地區(qū)夏季降水趨勢的準確預(yù)測提供了理論支撐。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文所用要素的站點資料為：遼寧省54個觀測站，1963—2013年夏季(6、7和8月)月平均降水量資料，站點地理分布圖如圖1所示。環(huán)流場格點資料為：NCEP/NCAR全球逐日再分析的500 hPa高度場、850 hPa風場和200 hPa風場資料，分辨率為2.5°×2.5°。

圖1遼寧省54站的站點地理分布圖

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

1.2 研究方法

本文主要采用經(jīng)驗正交函數(shù)分解(EOF)方法[18]和合成分析方法對研究內(nèi)容進行分析。合成分析時，降水異常年份的定義方法為：對1961—2013年遼寧54站夏季降水量進行EOF分解，將EOF第一模態(tài)標準化時間系數(shù)大于1且由大到小排名前5的年份定義為多雨年，小于-1且由小到大排名前5的年份定義為少雨年(干旱年)。由此得到5個少雨年：2014、2000、1992、1972和2009；5個多雨年：1994、1995、2010、1964和1985年。

2 遼寧夏季降水時空變化特征

2.1 遼寧夏季降水EOF分析

為分析遼寧夏季降水時空變化特征，對1963—2015年的遼寧夏季降水距平場進行EOF分析，得到空間載荷向量和對應(yīng)的時間系數(shù)。圖2a和2b給出了遼寧54站夏季降水距平EOF第一空間載荷向量及對應(yīng)的第一時間系數(shù)。其中，第1模態(tài)方差貢獻率約為52.7%，第2模態(tài)方差貢獻率僅為9.5%，第一模態(tài)能反映出遼寧夏季降水距平場時空變化的主要特征，因此，此后的分析主要基于EOF第一模態(tài)展開。由圖2a可見，遼寧夏季降水距平場EOF第一模態(tài)空間向量主要特征體現(xiàn)為全省一致的正值，表明遼寧夏季降水距平場具有全省一致偏多或偏少的異常特征。由圖2b可見，第一時間系數(shù)在1963—2015年期間呈波動略下降的趨勢(下降趨勢不能通過顯著性檢驗)。由10年滑動平均曲線可見，20世紀60年代初至70年代后期，時間系數(shù)呈下降趨勢，即降水呈減少趨勢；20世紀80和90年代，遼寧夏季降水變化趨勢平緩；21世紀初開始，遼寧夏季降水呈現(xiàn)波動變化特征。

圖2遼寧省54站降水距平EOF第一模態(tài)空間向量(a)；第一時間系數(shù)及10年滑動平均曲線(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年遼寧夏季降水情況

據(jù)統(tǒng)計，2014年夏季，遼寧省全省平均降水量為240.4 mm，較常年(417.5 mm)偏少42.4%；2015年夏季，遼寧省全省平均降水量為317 mm，較常年(417.5 mm)偏少24.1%。2014和2015年夏季，影響遼寧省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要氣象災(zāi)害為干旱。

圖3a和3b分別為2014和2015年遼寧夏季降水距平百分率空間分布圖。由圖3a可見，2014年遼寧夏季降水在全省絕大部分地區(qū)均偏少，其中，遼寧中部、南部及遼西南部偏少5成以上，其它地區(qū)偏少1—4成；由圖3b可見，2015年遼寧夏季降水同樣在全省絕大部分地區(qū)均偏少，其中，遼寧中西部地區(qū)偏少3成以上，其它大部分地區(qū)偏少1—3成。

3 遼寧夏季降水異常年環(huán)流場特征

在分析2014和2015年遼寧夏季干旱成因之前，結(jié)合2.2中對遼寧夏季降水異常年的定義，首先對遼寧夏季降水異常年各層環(huán)流場特征進行分析。

3.1 遼寧夏季降水異常年500 hPa位勢高度場特征

500 hPa位勢高度場異常是導(dǎo)致降水異常的直接原因。圖4a和4b分別給出遼寧夏季少雨年和多雨年對應(yīng)的500 hPa位勢高度場合成圖。對比兩圖可見，少雨年，西太平洋副熱帶高壓的西伸脊點位置較多雨年偏東，但副高脊線的南北位置二者相差不大。值得注意的是，二者最明顯的差異為：少雨年副高西北側(cè)(日本和朝鮮半島上空，即紅色圓圈內(nèi))500 hPa位勢高度值為負距平，而多雨年副高西北側(cè)500 hPa位勢高度值為正距平。二者的差值t檢驗圖中(圖略)，日本和朝鮮半島上空的500 hPa位勢高度差值為負值，且通過了0.05信度的顯著性檢驗。說明，副高西北側(cè)若為負距平，對應(yīng)副高的南撤東退，對應(yīng)遼寧夏季降水偏少；同理，副高西北側(cè)若為正距平，對應(yīng)副高的西伸北進，對應(yīng)遼寧夏季降水偏多。這與沈柏竹等[9]對東北盛夏降水分析得到的結(jié)論類似。因此，紅色圓圈區(qū)域可作為判斷遼寧夏季降水異常信號的關(guān)鍵區(qū)。

3.2 遼寧夏季降水異常年850 hPa矢量風場特征

850 hPa風場主要反映對流層低層平均環(huán)流特征，且能在一定程度上反映低空水汽輸送情況。圖5a和5b分別給出遼寧夏季少雨年和多雨年對應(yīng)的850 hPa矢量風場合成圖。對比兩圖可見，少雨年，大于4 m·s-1的風速區(qū)不會影響遼寧地區(qū)；而多雨年，遼寧地區(qū)能夠受到副高西北側(cè)大于4 m·s-1的西南風影響，意味著多雨年較少雨年遼寧地區(qū)受到更多的西南暖濕氣流影響。這與4.1中分析的多雨年副高西伸脊點較少雨年更偏西是一致的。

3.3 遼寧夏季降水異常年200 hPa緯向風場特征

200 hPa高度層上，東亞中緯度地區(qū)上空受西風帶控制，副熱帶西風急流在此層體現(xiàn)較明顯。圖6a和6b分別給出遼寧夏季少雨年和多雨年對應(yīng)的200 hPa緯向風場合成圖。對比兩圖可見，少雨年和多雨年副熱帶西風急流軸南北位置基本一致，均位于北緯40度附近。二者最顯著的差別在于：少雨年遼寧以南地區(qū)200 hPa緯向風距平為正，以北為負，多雨年相反，遼寧以南地區(qū)200 hPa緯向風距平為負，以北為正(紅色圓圈區(qū)域)。二者的差值圖中(圖略)，紅色圓圈區(qū)域的200 hPa緯向風差值通過了0.05信度的顯著性檢驗。出現(xiàn)這種環(huán)流特征的原因在于：少雨年，遼寧地區(qū)位于副熱帶高空西風急流軸北側(cè)，急流軸北側(cè)高空輻合，低空輻散，盛行下沉氣流[19]，且遼寧以南區(qū)域急流軸偏強(正距平)，下沉氣流偏強，對應(yīng)遼寧夏季降水偏少。紅色圓圈區(qū)域可作為判斷遼寧夏季降水異常信號的關(guān)鍵區(qū)。

圖3 2014(a)和2015年(b)遼寧夏季降水距平百分率分布圖/%

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

圖4 遼寧夏季異常少雨年(a)、多雨年(b)的500 hPa高度(等值線)和距平(陰影)場/十位勢米

圖5遼寧夏季異常少雨年(a)和多雨年(b)的850 hPa高度風場/(m·s-1)

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

通過以上對遼寧夏季降水異常年各高度層環(huán)流場特征的分析可知，在進行遼寧夏季降水趨勢預(yù)測時，可通過對以上環(huán)流關(guān)鍵區(qū)的預(yù)測，進而給出降水趨勢的預(yù)測結(jié)論。

4 2014和2015年各層環(huán)流場情況

為分析2014和2015年干旱的環(huán)流背景，分別給出2014和2015年夏季不同高度層環(huán)流場分布圖，并通過與遼寧夏季降水異常年的環(huán)流場進行對比分析，總結(jié)造成2014和2015年遼寧夏季干旱的環(huán)流因素。

4.1 2014年各層環(huán)流場分析

圖7a、圖7b和圖7c分別給出2014年夏季500 hPa位勢高度場、850 hPa矢量風場和200 hPa緯向風場實況圖。500 hPa位勢高度場方面：由圖7a可見，雖然西太平洋副熱帶高壓西伸脊點較異常少雨年明顯偏西，但脊線位置較常年平均位置(圖略)偏南，且副高西北側(cè)(日本和朝鮮半島上空)為負的位勢高度距平，不利于副高西伸北進。同時注意到，從極地到貝加爾湖再到日本和朝鮮半島上空，500 hPa位勢高度距平呈現(xiàn)“-+-”的波列分布形勢，這種位勢高度場分布類似圖4a中少雨年的500 hPa位勢高度場分布形勢。850 hPa矢量風場方面：由圖7b可見，大于4 m·s-1風速的西南風位于日本南部，不能達到遼寧地區(qū)，對應(yīng)遼寧地區(qū)水汽不充足，遼寧夏季降水偏少，這可能與副高位置偏南有關(guān)。200 hPa緯向風場方面，由圖7c可見，副熱帶西風急流軸位于遼寧以南地區(qū)上空，且遼寧以南上空200 hPa緯向風距平為正，以北為負，與圖6a中200 hPa緯向風場分布形勢一致，對應(yīng)遼寧夏季降水偏少。

4.2 2015年各層環(huán)流場分析

圖8a、圖8b和圖8c分別給出2015年夏季500 hPa位勢高度場、850 hPa矢量風場和200 hPa緯向風場實況圖。500 hPa位勢高度場方面：由圖8a可見，與2014年情況類似，西太平洋副熱帶高壓西伸脊點較異常少雨年明顯偏西，但脊線位置較常年平均位置偏南，且副高西北側(cè)受負的位勢高度距平控制，不利于副高西伸北進。且從極地到貝加爾湖再到日本和朝鮮半島上空，500 hPa位勢高度距平也呈現(xiàn)“-+-”的波列分布，同樣類似于圖4a中少雨年的500 hPa位勢高度場分布形勢。850 hPa矢量風場方面：由圖8b可見，大于4 m·s-1風速的西南風位于日本上空，不能達到遼寧地區(qū)，對應(yīng)遼寧地區(qū)水汽不充足，遼寧夏季降水偏少。200 hPa緯向風場方面，由圖8c可見，副熱帶西風急流軸位于遼寧以南地區(qū)上空，且遼寧以南上空200 hPa緯向風距平為正，以北為負，與圖6a中200 hPa緯向風分布形勢基本一致，對應(yīng)遼寧夏季降水偏少。

從以上三個層次的環(huán)流場來看，2014年與2015年的環(huán)流特征類似。但值得注意的是，理論上，西太平洋副熱帶高壓西伸脊點偏西應(yīng)更有利于遼寧降水偏多，但從2014和2015年500 hPa位勢高度場的對比分析可見，2014年西太平洋副熱帶高壓西伸脊點位置較2015年更偏西，但 2014年夏季干旱卻較2015年更為嚴重，這可能是由二者副高脊線位置均較常年偏南造成的，即西太平洋副熱帶高壓脊線位置和西伸脊點的位置等指標，不會單獨對遼寧夏季降水產(chǎn)生明顯影響。因此，在預(yù)測遼寧夏季降水趨勢時，應(yīng)綜合參考副高的各種指標(包括副高脊線位置、西伸脊點位置副高強度等)。

5 討論與結(jié)論

通過對遼寧夏季降水變化特征和異常年環(huán)流場特征的分析，結(jié)合2014和2015年夏季環(huán)流場與異常年環(huán)流場的對比，揭示了遼寧干旱的環(huán)流特征及2014、2015年遼寧夏季干旱的成因，最終得到以下主要結(jié)論：

(1) 東亞地區(qū)對流層各層大尺度環(huán)流系統(tǒng)相互配合是造成遼寧夏季降水異常的主要原因。

(2) 2014和2015年遼寧夏季干旱的環(huán)流場特征均與遼寧夏季異常干旱年情況類似：西太平洋副熱帶高壓脊線位置偏南，且副高西北側(cè)為負的位勢高度距平，不利于副高西伸北進，且從極地到貝加爾湖再到日本和朝鮮半島上空，500 hPa位勢高度距平呈現(xiàn)“-+-”的波列分布形勢；遼寧地區(qū)西南水汽輸送不充足；副熱帶西風急流軸位于遼寧以南地區(qū)上空，且遼寧以南上空200 hPa緯向風距平為正，以北為負。這種不同高度層大尺度環(huán)流配置是造成2014和2015年遼寧夏季干旱的主要原因。

(3) 西太平洋副熱帶高壓脊線位置和西伸脊點的位置等，不會單獨對遼寧夏季降水產(chǎn)生明顯影響。在預(yù)測遼寧夏季降水趨勢時，應(yīng)綜合分析副高的各種指標(包括副高脊線位置、西伸脊點位置副高強度等)。

(4) 預(yù)測時，可基于前期太平洋海表溫度及北極海冰等外強迫因素，與日本和朝鮮半島上空500 hPa位勢高度距平、極渦及200 hPa副熱帶西風急流軸位置和遼寧以南、以北上空緯向風距平等的關(guān)系，對遼寧夏季降水進行預(yù)測。

以上的分析揭示了導(dǎo)致遼寧夏季異常少雨年及2014、2015年夏季干旱的大氣環(huán)流特征。

大氣環(huán)流的異常分布是造成降水異常的直接原因，而環(huán)流的異常又是大氣圈內(nèi)部因子和其它圈層的外部強迫共同作用造成的。其中，外部強迫可能包括海表溫度、積雪面積、積雪深度或海冰密集度的異常等。以往的研究成果發(fā)現(xiàn)，基于北太平洋海表溫度與副高、500 hPa位勢高度場及副熱帶西風急流的可能關(guān)系[20-21]，可通過北太平洋海表溫度對副高各種指標、副高西北側(cè)關(guān)鍵區(qū)位勢高度場距平及副熱帶西風急流進行預(yù)測。同時，基于北極海冰和北半球極渦的相互關(guān)系[22]，可依據(jù)海冰的異常信號，預(yù)測極渦面積和強度等指標的異常，進而對遼寧夏季降水趨勢進行定性預(yù)測。然而，外強迫因素與大氣環(huán)流是如何通過相互作用，從而造成要素異常的原因需要進一步分析研究。

圖7 2014年夏季500 hPa位勢高度場(a)/十位勢米、850 hPa矢量風場(b)/(m·s-1)和200 hPa緯向風場(c)/(m·s-1)

圖8 2015年夏季500 hPa位勢高度場(a)/十位勢米、850 hPa矢量風場(b)/(m·s-1)和200 hPa緯向風場(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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