劉 煒，趙艷麗，馮曉晶

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣候中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 2.東北冷渦研究重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110166)

引 言

夏季降水對國民經(jīng)濟(jì)特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響極大，深入探究汛期降水機(jī)理，提前準(zhǔn)確預(yù)測旱澇分布，對人民生命財(cái)產(chǎn)安全和國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要意義[1-2]。研究表明，500 hPa高度場上，東西伯利亞(或鄂霍茨克海)阻塞高壓、亞洲中高緯地區(qū)東高西低分布的穩(wěn)定維持以及西太平洋副熱帶高壓(簡稱“西太副高”)的南北和東西位置均對華北地區(qū)夏季旱澇形成起著重要作用[3-5]，西太副高面積偏大、強(qiáng)度偏強(qiáng)并非對應(yīng)內(nèi)蒙古地區(qū)多雨，只有與日本海高壓合并加強(qiáng)時內(nèi)蒙古地區(qū)才可能多雨[6]。華北地區(qū)典型旱澇年降水與南亞高壓的異常增強(qiáng)或減弱、中心位置的經(jīng)緯度偏差均存在密切聯(lián)系[7]。亞洲緯向環(huán)流異常通過影響西風(fēng)急流軸位置和強(qiáng)度，進(jìn)一步影響內(nèi)蒙古地區(qū)夏季降水[8]。內(nèi)蒙古地處中國北方內(nèi)陸地區(qū)，其夏季降水在一定程度上也受東亞夏季風(fēng)的影響，當(dāng)夏季風(fēng)較強(qiáng)時，大氣環(huán)流和水汽輸送均有利于內(nèi)蒙古地區(qū)夏季降水[6,9-10]。海溫作為外源強(qiáng)迫對大氣環(huán)流及天氣氣候，特別是華北地區(qū)降水的影響有不可忽視的作用。印度洋偶極子(Indian Ocean dipole，IOD)與厄爾尼諾和南方濤動(El Nio and southern oscillation, ENSO)聯(lián)合發(fā)生時，正位相年河套、華北地區(qū)夏季降水偏少[11]。華北夏季降水還與西太平洋暖池附近、大西洋西部和北太平洋的海溫存在顯著的相關(guān)關(guān)系[12]。

20世紀(jì)90年代以來，季節(jié)內(nèi)降水異常研究備受關(guān)注，其與夏季降水量同樣重要，對水資源調(diào)配、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活有重大影響[13]，其中“旱澇急轉(zhuǎn)”現(xiàn)象是降水季節(jié)內(nèi)變化的突出體現(xiàn)。環(huán)流形勢的異常變化是一個地區(qū)發(fā)生旱澇轉(zhuǎn)折的重要原因[14-16]。研究表明，初夏我國華北天氣過程與盛夏華北環(huán)流型有顯著關(guān)聯(lián)[17]，這為華北盛夏降水預(yù)測提供了客觀依據(jù)；海河流域盛汛期旱澇急轉(zhuǎn)與初汛期北太平洋濤動(north Pacific oscillation，NPO)、南半球環(huán)狀模(southern hemisphere annular mode, SAM)存在顯著正相關(guān)，這些環(huán)流因子可作為旱澇急轉(zhuǎn)事件的前期信號[18]；青海旱澇急轉(zhuǎn)期間，極渦面積、高原位勢高度場、東亞槽位置以及西太副高位置均存在較大差異[19]。此外，前期相關(guān)海區(qū)的海溫異常也可作為夏季旱澇急轉(zhuǎn)事件的預(yù)測信號之一，如海南島后汛期長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)與前期春季、6月和同期熱帶中太平洋海溫均呈顯著負(fù)相關(guān)[20]；湖南夏季長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)與前一年夏、秋、冬季和當(dāng)年春季太平洋相關(guān)海區(qū)海溫存在顯著相關(guān)性[21]。

近年來，內(nèi)蒙古地區(qū)夏季旱澇時有發(fā)生，但從季節(jié)內(nèi)來看并非單一的旱或澇，因此，探究內(nèi)蒙古地區(qū)夏季旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象及機(jī)制十分必要。為此，本文利用氣象站降水量和氣候監(jiān)測指數(shù)以及再分析資料、海表溫度資料，基于夏季旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)對內(nèi)蒙古地區(qū)進(jìn)行氣候分區(qū)，在此基礎(chǔ)上針對典型旱澇急轉(zhuǎn)異常年同期大氣環(huán)流及前期海溫特征進(jìn)行分析，探尋前兆信號，建立內(nèi)蒙古各氣候區(qū)夏季旱澇急轉(zhuǎn)預(yù)測模型，并對預(yù)測效果檢驗(yàn)，以期為內(nèi)蒙古夏季旱澇轉(zhuǎn)折預(yù)測提供一定參考。

1 資料和方法

1.1 資 料

所用資料包括：(1)中國氣象局國家氣象信息中心提供的內(nèi)蒙古自治區(qū)116個氣象觀測站1981—2019年5—8月逐月降水量和國家氣象業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)130項(xiàng)氣候監(jiān)測指數(shù)(http://10.1.64.154/portal/web-link.index?inid=1001)；(2)美國國家環(huán)境預(yù)報中心/國家大氣研究中心(National Center for Enviromental Prediction / National Center for Atmospheric Research，NCEP/NCEP)1981—2019年逐月再分析資料，包括位勢高度場、風(fēng)場、垂直速度場和相對濕度場，水平分辨率為 2.5°×2.5°[22]；(3)美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)擴(kuò)展重建的1981—2019年逐月海表溫度資料(ERSSTV4b)，水平分辨率為2°×2°。選定1981—2010年平均值為氣候態(tài)。文中涉及的內(nèi)蒙古行政邊界是基于內(nèi)蒙古自治區(qū)標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為蒙S(2019)33的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改。

1.2 內(nèi)蒙古地區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)的計(jì)算方法

內(nèi)蒙古地區(qū)干濕季分明，5—9月為雨季，其中6—8月降水最為集中，大部地區(qū)降水量占全年的65%以上。內(nèi)蒙古大部地區(qū)5月和9月的降水量較為接近，但9月西部地區(qū)降水受華西秋雨影響較大，呈現(xiàn)秋雨的特點(diǎn)；5月正值春末夏初，環(huán)流場分布與6月具有一定的連續(xù)性，因此5、6月降水分布具有一定的相似性[23]，而7、8月降水主要受西太副高的影響[24-25]，故而內(nèi)蒙古地區(qū)夏季旱澇急轉(zhuǎn)時間尺度為2個月，旱轉(zhuǎn)澇是指5—6月旱、7—8月澇，而澇轉(zhuǎn)旱則是指5—6月澇、7—8月旱。

為定量研究內(nèi)蒙古地區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)特征，參考吳志偉等[26]定義的旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)(drought-flood abrupt alternation index, DFAI)，其計(jì)算公式如下：

DFAI=(R78-R56)(|R56|+|R78|)×

1.8-|R56+R78|

(1)

式中：R78、R56分別為7—8月和5—6月標(biāo)準(zhǔn)化降水量；(R78-R56)為旱澇急轉(zhuǎn)強(qiáng)度項(xiàng)；|R56|+|R78|為旱澇強(qiáng)度項(xiàng)；1.8-|R56+R78|為權(quán)重系數(shù)，其作用是增加旱澇急轉(zhuǎn)事件所占的權(quán)重，降低全旱或全澇事件的權(quán)重。

2 內(nèi)蒙古地區(qū)夏季DFAI的氣候分區(qū)

經(jīng)驗(yàn)正交分解(empirical orthogonal function，EOF)展開得到的前幾個特征向量可以最大限度地表征氣候變量場整個區(qū)域的變率結(jié)構(gòu)，但分離出的空間分布結(jié)構(gòu)無法清晰反映不同地理區(qū)域的特征，且還存在較大取樣誤差(取整體和取部分會造成不同的分析結(jié)果)的缺陷，而旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交分解(rotated empirical orthogonal function，REOF)克服了上述缺點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)后的典型場空間結(jié)構(gòu)清晰，可以較好反映不同地域的變化特征[27]?？紤]到內(nèi)蒙古地區(qū)東西跨度大，各區(qū)域降水分布不均，為了能夠突出夏季旱澇急轉(zhuǎn)發(fā)生頻次的地域特征，對內(nèi)蒙古地區(qū)116站1981—2019年夏季標(biāo)準(zhǔn)化DFAI逐年序列做REOF分析。表1是旋轉(zhuǎn)前后前4個模態(tài)對總方差的貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)前、后前4個模態(tài)的累積方差貢獻(xiàn)率占總方差的56%。

根據(jù)REOF前4個旋轉(zhuǎn)空間模態(tài)的高載荷分布，將內(nèi)蒙古夏季旱澇急轉(zhuǎn)異常特征劃分為4個氣候區(qū)(圖1)，基本概括了該區(qū)夏季旱澇急轉(zhuǎn)的主要分布特征。按各自方差貢獻(xiàn)從大到小的順序：1區(qū)代表西部地區(qū)，2區(qū)代表東部偏南地區(qū)，3區(qū)代表東部偏北地區(qū)，4區(qū)代表中部地區(qū)。

為了驗(yàn)證內(nèi)蒙古各氣候區(qū)夏季DFAI能否體現(xiàn)旱澇急轉(zhuǎn)(旱轉(zhuǎn)澇或澇轉(zhuǎn)旱)現(xiàn)象，以及是否可據(jù)此確定旱澇急轉(zhuǎn)異常年，表2給出內(nèi)蒙古4個分區(qū)1981—2019年夏季DFAI高值年和低值年5—6月、7—8月的降水距平百分率，并將降水距平百分率小

表1 EOF和REOF前4個模態(tài)對總方差的 貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率Tab.1 Contribution rate and cumulative contribution rate of the first four modes of EOF and REOF to total variance 單位：%

圖1 基于夏季DFAI的內(nèi)蒙古氣候分區(qū)Fig.1 The climatic regions in Inner Mongolia based on summer DFAI

表2 1981—2019年內(nèi)蒙古夏季DFAI高(低)值年及其降水距平百分率Tab.2 High (low) value years of summer DFAI and corresponding precipitation anomaly percentages in Inner Mongolia from 1981 to 2019

于-20%定義為偏旱，大于20%定義為偏澇?？梢钥闯觯募綝FAI高值年中絕大多數(shù)年份5—6月降水距平百分率小于-20%，而7—8月降水距平百分率在絕大多數(shù)年份大于20%；夏季DFAI低值年中，絕大多數(shù)年份5—6月降水距平百分率大于20%、7—8月降水距平百分率小于-20%，說明夏季DFAI基本能夠反映內(nèi)蒙古各區(qū)域夏季旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象。需要說明的是，雖然個別年份5—6月降水距平百分率略小于20%(或略大于-20%)，但同年7—8月降水距平百分率均小于-30%(或大于30%)，為了提高樣本數(shù)量，將這些年份也作為旱澇急轉(zhuǎn)事件的發(fā)生年。綜上可見，DFAI基本能夠反映內(nèi)蒙古地區(qū)夏季旱澇急轉(zhuǎn)的變化特征，高DFAI對應(yīng)“旱轉(zhuǎn)澇”，而低DFAI對應(yīng)“澇轉(zhuǎn)旱”。通過分析4個氣候區(qū)夏季DFAI的時間演變特征(圖略)，發(fā)現(xiàn)近39 a來內(nèi)蒙古各氣候區(qū)夏季DFAI均呈下降趨勢，即4個區(qū)域從春末夏初到盛夏由旱轉(zhuǎn)澇的特征趨于減弱，而由澇轉(zhuǎn)旱的特征趨于增強(qiáng)。其中，內(nèi)蒙古東部

偏北地區(qū)(3區(qū))夏季DFAI下降趨勢最為顯著，進(jìn)入21世紀(jì)以來該區(qū)域絕大多數(shù)年份均呈現(xiàn)較為顯著的“澇轉(zhuǎn)旱”特征。

3 內(nèi)蒙古各氣候區(qū)夏季旱澇急轉(zhuǎn)年環(huán)流特征

當(dāng)DFAI>0.6或DFAI<-0.6時，內(nèi)蒙古地區(qū)夏季易發(fā)生旱澇急轉(zhuǎn)事件(表2)，為此將DFAI>0.6的年份定義為旱轉(zhuǎn)澇事件發(fā)生年，DFAI<-0.6的年份定義為澇轉(zhuǎn)旱事件發(fā)生年。由于影響內(nèi)蒙古中部和西部地區(qū)、內(nèi)蒙古東部偏北和偏南地區(qū)的天氣氣候系統(tǒng)較為相似，為避免重復(fù)分析，下文僅分析西部地區(qū)(1區(qū))和東部偏北地區(qū)(3區(qū))“旱轉(zhuǎn)澇”年和“澇轉(zhuǎn)旱”年的大氣環(huán)流特征。

3.1 500 hPa位勢高度場

內(nèi)蒙古1區(qū)，夏季旱轉(zhuǎn)澇年的旱期，東亞大槽偏西偏強(qiáng)，內(nèi)蒙古西部地區(qū)盛行西北氣流[圖2(a)]；澇期，巴爾喀什湖附近存在淺槽，內(nèi)蒙古西部地區(qū)位于槽前，西太副高強(qiáng)度略偏強(qiáng)、脊線略偏北，有充足的暖濕氣流輸送至內(nèi)蒙古西部地區(qū)，致使降水易偏多[圖2(c)]。澇轉(zhuǎn)旱年的澇期，貝加爾湖西側(cè)有一低槽，東側(cè)為高壓脊控制，內(nèi)蒙古西部地區(qū)受槽前及脊后偏南氣流控制，有利于降水產(chǎn)生[圖2(b)]；旱期，內(nèi)蒙古西部地區(qū)受貝加爾湖附近的高壓脊控制，冷空氣較弱，西太副高雖偏西偏北，但高低緯的配置不利于降水產(chǎn)生[圖2(d)]。

內(nèi)蒙古3區(qū)，夏季旱轉(zhuǎn)澇年的旱期，500 hPa貝加爾湖和鄂霍次克海附近均為高度負(fù)距平[圖3(a)]，東亞地區(qū)呈北低南高的分布型，來自海洋的水汽供應(yīng)不足，不利于內(nèi)蒙古東部偏北地區(qū)降水產(chǎn)生；澇期，東北冷渦偏強(qiáng)，其中心位于東北地區(qū)南部，同時鄂霍次克海高壓偏強(qiáng)，西太副高偏強(qiáng)偏西，有利于鄂霍次克海南側(cè)和東北冷渦北側(cè)的偏東暖濕氣流向內(nèi)蒙古東北部地區(qū)輸送，因此降水易偏多[圖3(c)]。澇轉(zhuǎn)旱年的澇期，東北冷渦偏強(qiáng)，鄂霍次克海高壓異常偏強(qiáng)，內(nèi)蒙古東部偏北地區(qū)受偏東南水汽輸送的影響有利于降水產(chǎn)生[圖3(b)]；旱期，內(nèi)蒙古東部地區(qū)為高壓脊控制，冷空氣較弱，暖濕水汽供應(yīng)不足，不利于該地區(qū)降水偏多[圖3(d)]。

綜上可見，內(nèi)蒙古西部和東部偏北地區(qū)均受副高強(qiáng)度、西伸脊點(diǎn)、脊線位置以及中高緯環(huán)流的共同影響，其中東北冷渦對內(nèi)蒙古東部偏北地區(qū)降水有重要影響。

圖3 內(nèi)蒙古3區(qū)旱轉(zhuǎn)澇(a，c)和澇轉(zhuǎn)旱(b，d)年的旱期(a，d)、澇期(b，c) 500 hPa位勢高度場(黑色等值線，單位：dagpm)和距平場(陰影，單位：dagpm) 以及586 dagpm和588 dagpm氣候平均態(tài)(紅色等值線)分布Fig.3 The distribution of composite 500 hPa geopotential height fields (black contours, Unit: dagpm) and anomaly fields (shadows, Unit: dagpm), and 586, 588 dagpm climate mean states (red contours) at the drought stages (a, d) and the flood stages (b, c) of alternation years from drought to flood (a, c) and flood to drought (b, d) over the 3rd climatic region of Inner Mongolia

3.2 850 hPa水汽通量場

圖4是內(nèi)蒙古1區(qū)和3區(qū)夏季旱轉(zhuǎn)澇年與澇轉(zhuǎn)旱年850 hPa水汽通量差值場?？梢钥闯觯?區(qū)5—6月差值場[圖4(a)]上，朝鮮半島附近為氣旋式水汽通量差值，內(nèi)蒙古中、西部地區(qū)主要存在偏北的水汽輸送差值，不利于降水的產(chǎn)生；7—8月，在朝鮮半島附近為強(qiáng)大的反氣旋式水汽通量差值，內(nèi)蒙古中、西部地區(qū)存在偏南的水汽輸送差值[圖4(b)]，有利于降水產(chǎn)生。研究表明，內(nèi)蒙古中、西部地區(qū)的水汽主要來源于東亞季風(fēng)區(qū)的偏東南水汽輸送[8]，7—8月沿副高邊緣北上的暖濕水汽輸送偏弱(強(qiáng))是該地區(qū)降水偏少(偏多)的必要條件。3區(qū)，5—6月差值場[圖4(c)]上，內(nèi)蒙古中、東部地區(qū)存在反氣旋式水汽通量差值，內(nèi)蒙古東部偏北地區(qū)主要表現(xiàn)為偏西北的水汽輸送差值，不利于降水的產(chǎn)生；7—8月，內(nèi)蒙古東部地區(qū)受強(qiáng)大的氣旋式水汽通量差值控制，東部偏北地區(qū)表現(xiàn)為偏東的水汽輸送差值，有利于降水產(chǎn)生[圖4(d)]。

圖4 內(nèi)蒙古1區(qū)(a，b)和3區(qū)(c，d)旱轉(zhuǎn)澇年與澇轉(zhuǎn)旱年5—6月(a，c)、7—8月(b，d) 850 hPa水汽通量差值場(箭頭，單位：kg·hPa-1·m-1·s-1) (陰影區(qū)通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn))Fig.4 Composite differences of 850 hPa water vapor flux field (arrows, Unit: kg·hPa-1·m-1·s-1) from May to June (a, c) and from July to August (b, d) between drought to flood and flood to drought alternation years over the 1st (a, b) and 3rd (c, d) climatic regions of Inner Mongolia (The shaded passed the 0.05 significance test)

3.3 700 hPa垂直速度場

除了水汽輸送條件外，垂直運(yùn)動為降水的產(chǎn)生提供了必要的動力條件[4]。為此，分別計(jì)算內(nèi)蒙古1區(qū)和3區(qū)旱轉(zhuǎn)澇年與澇轉(zhuǎn)旱年700 hPa垂直速度及其距平場(圖5)?？梢钥闯?，旱轉(zhuǎn)澇年的旱期，1區(qū)和3區(qū)均為垂直速度正值區(qū)，同時也是垂直速度正距平區(qū)，表明2個區(qū)域低層主要為下沉運(yùn)動，動力條件不利于降水[圖5(a)、圖5(e)]；澇期，2個區(qū)域均為明顯的垂直速度負(fù)值區(qū)和負(fù)距平區(qū)，表明低層輻合上升運(yùn)動旺盛，有利于降水[圖5(c)、圖5(g)]。澇轉(zhuǎn)旱年與旱轉(zhuǎn)澇年正相反[圖5(b)、圖5(d)、圖5(f)、圖5(h)]。綜上可見，旱期1區(qū)和3區(qū)700 hPa表現(xiàn)為一致的下沉運(yùn)動，而澇期則表現(xiàn)為一致的輻合上升運(yùn)動。

4 內(nèi)蒙古各氣候區(qū)夏季DFAI與前期海溫的關(guān)系

前文分析發(fā)現(xiàn)，內(nèi)蒙古各氣候區(qū)在典型的旱轉(zhuǎn)澇和澇轉(zhuǎn)旱年同期大氣環(huán)流存在顯著差異。海溫異常是氣候異常的主要觸發(fā)因子之一[28]，為此分別對內(nèi)蒙古各區(qū)域夏季DFAI與上年9月至當(dāng)年4月全球海溫作相關(guān)分析，探尋影響內(nèi)蒙古各氣候區(qū)夏季DFAI的海溫前兆信號。

內(nèi)蒙古1區(qū)和4區(qū)夏季DFAI與上年11月至當(dāng)年4月熱帶印度洋海區(qū)海溫持續(xù)存在顯著負(fù)相關(guān)，考慮到篇幅的原因，文中只給出2個區(qū)域夏季DFAI與當(dāng)年4月全球海溫的相關(guān)性分布[圖6(a)、圖6(d)]。研究表明，熱帶印度洋海盆模有“電容器”效應(yīng)，該效應(yīng)在春季達(dá)峰值位相后可以持續(xù)到夏季，對春、夏季的大氣環(huán)流都有顯著影響，熱帶印度洋冬、春季暖(冷)海盆模通常對應(yīng)后期中國西北地區(qū)東部春末夏初全區(qū)一致的降水異常偏多(少)，所以冬、春季熱帶印度洋SSTA海盆模和內(nèi)蒙古中、西部地區(qū)春末夏初降水異常的持續(xù)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，可能是熱帶印度洋海盆?！半娙萜鳌毙?yīng)的一種體現(xiàn)[29]。此外，1區(qū)夏季DFAI在當(dāng)年3月和4月分別與黑潮延伸區(qū)和熱帶西太平洋暖池區(qū)海溫呈顯著負(fù)相關(guān)。圖6(b)為2區(qū)夏季DFAI與上年10月海溫的相關(guān)性分布，事實(shí)上2區(qū)夏季DFAI與上年9—11月南印度洋海區(qū)海溫持續(xù)呈偶極型相關(guān)分布。3區(qū)夏季DFAI與上年9月至當(dāng)年2月熱帶印度洋海區(qū)和熱帶西太平洋暖池區(qū)海溫持續(xù)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，本文僅給出與當(dāng)年1月海溫的相關(guān)分布[圖6(c)]。

圖5 內(nèi)蒙古1區(qū)(a，b，c，d)和3區(qū)(e，f，g，h)旱轉(zhuǎn)澇年(a，c，e，g) 與澇轉(zhuǎn)旱年(b，d，f，h)的旱期(a，d，e，h)、澇期(b，c，f，g) 700 hPa垂直速度場(等值線)及其負(fù)距平區(qū)(陰影)(單位：10-2 Pa·s-1) (虛線方框代表1區(qū)和3區(qū))Fig.5 The composite 700 hPa vertical velocity field (contours) and its negative anomaly area (shadows) at the drought stages (a, d, e, h) and the flood stages (b, c, f, g) of alternation years from drought to flood (a, c, e, g) and flood to drought (b, d, f, h) over the 1st (a, b, c, d) and the 3rd (e, f, g, h) climatic regions of Inner Mongolia (Unit: 10-2 Pa·s-1) (The boxes with dotted line represent the 1st and the 3rd climatic regions of Inner Mongolia)

圖6 內(nèi)蒙古各氣候區(qū)夏季DFAI與前期海溫場的相關(guān)性分布 (陰影區(qū)通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn)) (a)1區(qū)夏季DFAI與當(dāng)年4月海溫，(b)2區(qū)夏季DFAI與上一年10月海溫， (c)3區(qū)夏季DFAI與當(dāng)年1月海溫，(d)4區(qū)夏季DFAI與當(dāng)年4月海溫Fig.6 Correlation distributions between summer DFAI in each climatic region of Inner Mongolia and previous SST (The shaded passed the 0.05 significance test) (a) summer DFAI in the 1st region and SST in April, (b) summer DFAI in the 2nd region and SST in last October, (c) summer DFAI in the 3rd region and SST in January, (d) summer DFAI in the 4th region and SST in April

研究表明，熱帶印度洋海溫異常和IOD可通過影響東亞季風(fēng)、水汽輸送、副高等來影響中國華北地區(qū)夏季旱澇分布[30]，其影響機(jī)制如何？研究指出，IOD能導(dǎo)致印度季風(fēng)區(qū)氣流低層輻合、高層輻散，高層的輻散擾動激發(fā)向東北方向傳播的Rossby波，從印度東北部出發(fā)，向東北方向發(fā)展，進(jìn)入北半球中高緯度和北極地區(qū)[31]；大氣行星波的能量傳播是IOD和北半球?qū)α鲗託夂虍惓Ｖg遙相關(guān)的一種可能聯(lián)系方式[32]。

5 內(nèi)蒙古各氣候區(qū)夏季旱澇急轉(zhuǎn)預(yù)測模型

根據(jù)前文旱澇急轉(zhuǎn)年大氣環(huán)流和前期海溫的分析結(jié)果，選取對內(nèi)蒙古地區(qū)影響較為顯著的21個(上年9月至當(dāng)年4月)環(huán)流指數(shù)和海溫指數(shù)，分別與1981—2015年內(nèi)蒙古各氣候區(qū)夏季旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)作相關(guān)分析，將通過顯著性檢驗(yàn)的指數(shù)作為預(yù)測因子，利用多元線性回歸法建立預(yù)測模型。

從表3看出，針對1區(qū)通過顯著性檢驗(yàn)的指數(shù)有當(dāng)年3月副高強(qiáng)度(X1)、脊線位置(X2)，當(dāng)年1月亞洲經(jīng)向環(huán)流(X3)，當(dāng)年4月西太暖池強(qiáng)度(X4)，當(dāng)年3月黑潮區(qū)海溫(X5)，當(dāng)年4月冷空氣次數(shù)(X6)和上年12月熱帶印度洋海溫一致模態(tài)(Indian Ocean basin-wide mode， IOBW)(X7)，其中IOBW指數(shù)選擇了相關(guān)系數(shù)最顯著的月份。因此，1區(qū)夏季旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)與前期顯著相關(guān)的上述7個指數(shù)建立的多元線性回歸模型：

表3 內(nèi)蒙古1區(qū)夏季旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)與前期(上年9月至當(dāng)年4月)環(huán)流和海溫指數(shù)的相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficients between summer DFAI in the 1st climatic region of Inner Mongolia and previous (from last September to April) circulation and SST indexes

針對2區(qū)(表略)，通過顯著性檢驗(yàn)的指數(shù)有上年10月副高脊線位置(X1)，上年11月北半球極渦經(jīng)向位置(X2)，當(dāng)年1月北半球極渦緯向位置(X3)，上年12月亞洲緯向環(huán)流(X4)，當(dāng)年2月亞洲經(jīng)向環(huán)流(X5)和東亞槽位置(X6)，上年10月東亞槽強(qiáng)度(X7)和副熱帶南印度洋偶極子(subtropical south Indian Ocean dipole， SIOD)(X8)共8個。利用上述顯著相關(guān)的8個指數(shù)，構(gòu)建2區(qū)夏季旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)的多元線性回歸模型：

針對3區(qū)(表略)，通過顯著性檢驗(yàn)的指數(shù)有上年10月副高脊線位置(X1)，當(dāng)年4月北半球極渦中心強(qiáng)度(X2)，上年12月北半球極渦經(jīng)向位置(X3)，上年12月亞洲緯向環(huán)流(X4)，當(dāng)年1月亞洲經(jīng)向環(huán)流(X5)，當(dāng)年3月東亞槽位置(X6)和強(qiáng)度(X7)，上年12月西太暖池面積(X8)，當(dāng)年1月冷空氣次數(shù)(X9)，上年10月北大西洋海溫三極子模態(tài)(north Atlantic three-pole mode， NAT)(X10)和IOBW(X11)，上年9月熱帶印度洋偶極子(tropical Indian Ocean dipole， TIOD)(X12)和上年10月SIOD(X13)，其中亞洲緯向環(huán)流、IOBW和SIOD指數(shù)均選擇相關(guān)系數(shù)最顯著的月份。利用上述顯著相關(guān)的13個指數(shù)，構(gòu)建3區(qū)夏季旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)的多元線性回歸模型：

針對4區(qū)(表略)，通過顯著性檢驗(yàn)的指數(shù)有當(dāng)年3月副高脊線(X1)，當(dāng)年1月東亞槽強(qiáng)度(X2)，當(dāng)年2月印緬槽強(qiáng)度(X3)和上年12月IOBW(X4)，其中印緬槽強(qiáng)度和IOBW指數(shù)均選擇相關(guān)系數(shù)最顯著的月份。利用上述顯著相關(guān)的4個指數(shù)，構(gòu)建4區(qū)夏季旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)的多元線性回歸模型：

Y=61.81735-0.36148X1-0.00214X2-0.01132X3-1.43446X4

(5)

綜上所述，內(nèi)蒙古中、西部地區(qū)(4區(qū)和1區(qū))夏季DFAI與當(dāng)年西太副高強(qiáng)度或脊線位置、上年IOBW指數(shù)均存在顯著相關(guān)關(guān)系，且西部地區(qū)夏季DFAI還與當(dāng)年亞洲經(jīng)向環(huán)流、西太暖池強(qiáng)度、黑潮區(qū)海溫和冷空氣次數(shù)存在密切關(guān)系；內(nèi)蒙古東部地區(qū)(2區(qū)和3區(qū))夏季DFAI與當(dāng)年東亞槽強(qiáng)度、北半球極渦經(jīng)向或緯向位置、SIOD指數(shù)及亞洲經(jīng)緯向環(huán)流指數(shù)均存在顯著相關(guān)關(guān)系，且東部偏北地區(qū)夏季DFAI還與西太暖池面積、NAT、TIOD、IOBW及冷空氣次數(shù)等有顯著關(guān)系。

為了檢驗(yàn)內(nèi)蒙古各氣候區(qū)夏季旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)回歸模型的預(yù)測能力，繪制1981—2019年各氣候區(qū)預(yù)測模型的擬合和預(yù)測值與實(shí)況值的對比曲線(圖7)。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)(表4)，內(nèi)蒙古4個氣候區(qū)的預(yù)測模型對1981—2015年旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)的擬合相關(guān)系數(shù)均達(dá)0.71以上(均通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn))，其中3區(qū)高達(dá)0.88；擬合符號一致率均在70%以上，其中4區(qū)最高達(dá)80%；對2016—2019年的預(yù)測符號一致率均達(dá)75%以上，其中1區(qū)和4區(qū)預(yù)測值與實(shí)況值的符號一致率均為100%。近4 a的預(yù)測中，1區(qū)和4區(qū)的預(yù)測模型均對2018年典型旱轉(zhuǎn)澇年作出較為準(zhǔn)確的預(yù)測，2區(qū)的預(yù)測模型對2017年典型旱轉(zhuǎn)澇年作出較為準(zhǔn)確的預(yù)測，3區(qū)的預(yù)測模型對2016年典型澇轉(zhuǎn)旱年作出較為準(zhǔn)確的預(yù)測。綜合以上分析，內(nèi)蒙古4個氣候區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)預(yù)測模型對本地區(qū)春末夏初至盛夏的旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象均有較好的預(yù)測效果，可為旱澇急轉(zhuǎn)預(yù)測提供一定參考。

圖7 1981—2019內(nèi)蒙古各氣候區(qū)夏季旱澇急轉(zhuǎn)預(yù)測模型的擬合和預(yù)報值(虛線)與實(shí)況(實(shí)線)的對比 (a)1區(qū)，(b)2區(qū)，(c)3區(qū)，(d)4區(qū)Fig.7 The comparison between fitted or predicted value (dotted line) by summer DFAI forecast models and real value (solid line) in each climatic region of Inner Mongolia during 1981-2019 (a) the 1st region, (b) the 2nd region, (c) the 3rd region, (d) the 4th region

表4 內(nèi)蒙古各氣候區(qū)夏季DFAI預(yù)測模型檢驗(yàn)Tab.4 Test of summer DFAI prediction model in different climatic regions of Inner Mongolia

6 結(jié) 論

(1)基于夏季旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)，內(nèi)蒙古地區(qū)可劃分為4個氣候區(qū)。近39 a來，4個氣候區(qū)從春末夏初到盛夏由旱轉(zhuǎn)澇的特征趨于減弱，而由澇轉(zhuǎn)旱的特征趨于增強(qiáng)。

(2)1區(qū)旱轉(zhuǎn)澇年的旱期，東亞大槽偏西偏強(qiáng)，內(nèi)蒙古西部地區(qū)盛行西北氣流，水汽輸送不足，垂直方向?yàn)橄鲁吝\(yùn)動，不利于降水偏多；澇期，西太副高偏強(qiáng)偏西偏北，內(nèi)蒙古西部地區(qū)位于副高西側(cè)，有充足的偏南暖濕氣流，垂直方向?yàn)樯仙\(yùn)動，有利于降水偏多。澇轉(zhuǎn)旱年的情況正相反。

(3)3區(qū)旱轉(zhuǎn)澇年的旱期，內(nèi)蒙古東部地區(qū)受西風(fēng)控制，水汽輸送偏弱，垂直方向表現(xiàn)為下沉運(yùn)動，致使東部偏北地區(qū)干旱少雨；澇期，東北冷渦偏強(qiáng)，西太副高偏弱偏南，內(nèi)蒙古東部偏北地區(qū)有充足的偏東暖濕氣流輸送，垂直方向表現(xiàn)為上升運(yùn)動，利于降水增多。澇轉(zhuǎn)旱年的情況正相反。

(4)內(nèi)蒙古地區(qū)夏季旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)與前期印度洋和熱帶西太平洋暖池區(qū)、黑潮區(qū)及北太平洋東北部海溫存在顯著的負(fù)相關(guān)。

(5)基于前期海溫指數(shù)和大氣環(huán)流指數(shù)構(gòu)建的內(nèi)蒙古各氣候區(qū)夏季旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)預(yù)測模型，對全區(qū)春末夏初至盛夏的旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象均有較好的預(yù)測效果，可為旱澇急轉(zhuǎn)預(yù)測提供一定參考。