遼寧夏季干旱環流特征分析

房一禾，吳 瓊，杜秉宸，秦美歐，徐方姝，林中冠，王 當，于 楊

(1.沈陽區域氣候中心， 遼寧 沈陽 110016； 2.南京信息工程大學大氣科學學院， 江蘇 南京 210044；3.南京航空航天大學 航空宇航學院， 江蘇 南京 210016； 4.遼寧省氣象服務中心， 遼寧 沈陽 110166；5.中國氣象局氣象干部培訓學院遼寧分院， 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，夏季降水量對農業生產至關重要。

國內學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、遼寧省和吉林省的夏季降水變化特征進行了研究。在夏季降水對應的環流特征分析方面，孫力等[6]曾以東北地區為研究對象，分析了東北夏季旱澇的大氣環流特征。楊文艷等[7]分析了遼寧夏季降水大氣環流特征，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) 開始對東北地區降水產生影響。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。其他學者也進行過類似的研究，并得到了類似的結論[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年遼寧夏季發生了嚴重的干旱，造成糧食絕收等，對農業產生了較大的影響。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流場特征的分析，結合2014和2015年夏季環流場與異常年環流場的對比，揭示了遼寧干旱的環流特征及2014、2015年遼寧夏季干旱的成因，為遼寧地區夏季降水趨勢的準確預測提供了理論支撐。

1 數據來源及研究方法

1.1 數據來源

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

本文主要采用經驗正交函數分解(EOF)方法[18]和合成分析方法對研究內容進行分析。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第一模態標準化時間系數大于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的時間系數。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的第一時間系數。其中，第1模態方差貢獻率約為52.7%，第2模態方差貢獻率僅為9.5%，第一模態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第一模態展開。由圖2a可見，遼寧夏季降水距平場EOF第一模態空間向量主要特征體現為全省一致的正值，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，遼寧夏季降水呈現波動變化特征。

圖2遼寧省54站降水距平EOF第一模態空間向量(a)；第一時間系數及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

據統計，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，影響遼寧省農業生產的主要氣象災害為干旱。

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均偏少，其中，遼寧中西部地區偏少3成以上，其它大部分地區偏少1—3成。

3 遼寧夏季降水異常年環流場特征

在分析2014和2015年遼寧夏季干旱成因之前，結合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(日本和朝鮮半島上空，即紅色圓圈內)500 hPa位勢高度值為負距平，而多雨年副高西北側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，副高西北側若為負距平，對應副高的南撤東退，對應遼寧夏季降水偏少；同理，副高西北側若為正距平，對應副高的西伸北進，對應遼寧夏季降水偏多。這與沈柏竹等[9]對東北盛夏降水分析得到的結論類似。因此，紅色圓圈區域可作為判斷遼寧夏季降水異常信號的關鍵區。

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的風速區不會影響遼寧地區；而多雨年，遼寧地區能夠受到副高西北側大于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，東亞中緯度地區上空受西風帶控制，副熱帶西風急流在此層體現較明顯。圖6a和6b分別給出遼寧夏季少雨年和多雨年對應的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200 hPa緯向風距平為正，以北為負，多雨年相反，遼寧以南地區200 hPa緯向風距平為負，以北為正(紅色圓圈區域)。二者的差值圖中(圖略)，紅色圓圈區域的200 hPa緯向風差值通過了0.05信度的顯著性檢驗。出現這種環流特征的原因在于：少雨年，遼寧地區位于副熱帶高空西風急流軸北側，急流軸北側高空輻合，低空輻散，盛行下沉氣流[19]，且遼寧以南區域急流軸偏強(正距平)，下沉氣流偏強，對應遼寧夏季降水偏少。紅色圓圈區域可作為判斷遼寧夏季降水異常信號的關鍵區。

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流場特征的分析可知，在進行遼寧夏季降水趨勢預測時，可通過對以上環流關鍵區的預測，進而給出降水趨勢的預測結論。

4 2014和2015年各層環流場情況

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

4.1 2014年各層環流場分析

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(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“-+-”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，對應遼寧地區水汽不充足，遼寧夏季降水偏少，這可能與副高位置偏南有關。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，對應遼寧夏季降水偏少。

4.2 2015年各層環流場分析

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“-+-”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，對應遼寧地區水汽不充足，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，對應遼寧夏季降水偏少。

從以上三個層次的環流場來看，2014年與2015年的環流特征類似。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生明顯影響。因此，在預測遼寧夏季降水趨勢時，應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 討論與結論

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

(1) 東亞地區對流層各層大尺度環流系統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“-+-”的波列分布形勢；遼寧地區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生明顯影響。在預測遼寧夏季降水趨勢時，應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系，對遼寧夏季降水進行預測。

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

大氣環流的異常分布是造成降水異常的直接原因，而環流的異常又是大氣圈內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。以往的研究成果發現，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、副高西北側關鍵區位勢高度場距平及副熱帶西風急流進行預測。同時，基于北極海冰和北半球極渦的相互關系[22]，可依據海冰的異常信號，預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測。然而，外強迫因素與大氣環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

[1] 程葉青,張平宇.中國糧食生產的區域格局變化及東北商品糧基地的響應[J].地理科學,2005,25(5):513-520.

[2] 姚玉璧,董安祥,張秀云,等.中國夏季區域干旱特征比較研究[J].干旱地區農業研究,2009,27(1):248-264.

[3] 賈小龍,王謙謙,周寧芳.近50 a東北地區降水異常的氣候特征分析[J].南京氣象學院學報,2003,26(2):164-171.

[4] 李廣霞,陳傳雷,才奎志.遼寧夏季降水變化特征分析[J].氣象與環境科學,2008,31(2):31-34.

[5] 廉 毅,安 剛,等.吉林省近40年來氣溫和降水的變化[J].應用氣象學報，1997,8(2):197-204.

[6] 孫 力,安 剛,等.中國東北地區夏季旱澇的大氣環流異常特征[J].氣候與環境研究，2002,7(1):102-112.

[7] 楊文艷,王謙謙.遼寧汛期降水異常的環流因子分析[J].高原氣象，2006,25(5):969-974.

[8] 何金海,吳志偉,祁 莉,等.北半球環狀模和東北冷渦與我國東北夏季降水關系分析[J].氣象與環境學報,2006,22(1):1-5.

[9] 沈柏竹,林中達,陸日宇,等.影響東北初夏和盛夏降水年際變化的環流特征分析[J].中國科學,2011,41(3):402-412.

[10] 李 輯,房一禾,李 菲,等.遼寧初夏降水大尺度環流影響因子及年初夏異常多雨成因分析[J].氣象,2014,40(9):1114-1122.

[11] 李 輯,李 菲,胡春麗.遼寧省盛夏降水大尺度環流影響因子及2010年降水異常[J].高原氣象,2013,33(4):1076-1085.

[12] 房一禾,龔志強,趙連偉,等.中國東北區域盛夏雨季的客觀識別[J].物理學報,2014,63(20):209202-1-209202-12.

[13] 白虎志,李棟梁,陸登榮,等.西北地區東部夏季降水日數的變化趨勢及其氣候特征[J].干旱地區農業研究,2005,23(3):133-140.

[14] 賈小龍,王謙謙.東北地區汛期降水異常的大氣環流特征分析[J].高原氣象,2006,25(2):309-318.

[15] 王 娜,方建剛,崔 巍,等.陜西夏季旱澇環流特征及預測方法[J].干旱地區農業研究,2014,32(1):246-251.

[16] 房一禾,龔志強,陳海山.東北冷渦降水集中期的客觀識別研究[J].氣象,2016，42(1):80-88.

[17] 劉明春,李玲萍,史志娟,等.石羊河流域徑流量分布特征及對氣候變化的響應—以西營河為例[J].干旱地區農業研究,2014,31(1):193-198.

[18] 魏鳳英.現代氣候統計診斷與預測技術[M].北京:氣象出版社,1999:115-122.

[19] 朱乾根,林錦瑞,壽紹文,等.天氣學原理與方法[M].北京:氣象出版社.

[20] 曹 杰,尤亞磊,黃 瑋.夏季西太副高脊面年際變化與太平洋海溫關系的研究[J].高原氣象,2009,28(2):411-418.

[21] 呂俊梅,琚建華,張慶云,等.熱帶西太平洋海溫距平與Rossby波傳播對1993和1994年東亞夏季風異常影響的差異[J].大氣科學,30(5):977-987.

[22] 賈建穎,孫照渤.北極海冰和北半球500 hPa極渦的相互關系[J].南京氣象學院學報,2006,29(1):75-81.