西北地區(qū)東部降水異常的大氣環(huán)流及水汽特征

張仲杰，康景芬，王士新，左洪超，魏桂英

（1.白銀市氣象局，甘肅 白銀 730900；2.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州730000）

近半世紀(jì)以來地球陸地氣候環(huán)境系統(tǒng)經(jīng)歷著深刻演進(jìn)，各地區(qū)氣候氣象波動性、不確定性增強(qiáng)，從而對區(qū)域降水、氣溫等資源穩(wěn)定的時空分布模式產(chǎn)生重大影響。降水是氣候變化的特征量之一，對我國西北脆弱生態(tài)區(qū)的降水成因以及大氣環(huán)流機(jī)制的研究尤其重要。西北地區(qū)東部地處亞歐大陸腹地向青藏高原和東亞季風(fēng)區(qū)延伸的地帶，周邊高山高原環(huán)繞、海洋水汽難以到達(dá)，形成了典型的溫帶大陸性氣候。6—8月東亞夏季風(fēng)盛行，也是西北地區(qū)東部雨季最集中的時候，其年降水量的三分之一由夏季（6—8月）降水提供，降水年內(nèi)分布極其不均衡。影響夏季降水分布的原因比較復(fù)雜，眾多學(xué)者分析了夏季降水與不同氣候因子之間的關(guān)系，研究表明：ENSO[1-2]、東亞夏季風(fēng)[3]、南亞高壓[4]、青藏高原熱源[5]及冬季積雪[6-7]等氣候因子均與夏季降水有密切的關(guān)系。眾多學(xué)者關(guān)于西北地區(qū)東部降水成因的環(huán)流特征[8]及降水與水汽和水汽輸送關(guān)系的研究指出，東亞季風(fēng)和西風(fēng)環(huán)流是水汽輸送最重要的方式，西南氣流輸送能力大小直接影響著西北地區(qū)東部的降水多少[9-11]。另外，對于個別高度層和月的水汽特征和環(huán)流特征與降水的關(guān)系也有不少研究，如丁斌[12]對中國西部850 hPa和500 hPa層上各月的水汽含量特征做了研究，Chang and Huang[13]對中國西北7月降水和對應(yīng)的大氣遙相關(guān)進(jìn)行了分析，石曉蘭等[14]分析了天山山區(qū)上空600～500 hPa水汽含量特征。大量研究證實(shí)，西北東北地區(qū)降水存在多時空尺度特征，并且不同時空尺度上其環(huán)流型、水汽輸送條件存在差異，對此仍需加以全面而系統(tǒng)地研究。

以往研究多集中于某區(qū)域特定時段（月、季、年）降水與相關(guān)氣候因子的關(guān)系，很少涉及季節(jié)內(nèi)的影響差異，本文通過分析西北地區(qū)東部多雨年和少雨年大氣環(huán)流及同期水汽特征，對該區(qū)域夏季各月降水異常成因做出深入而具體闡釋，并對比其季節(jié)內(nèi)影響差異及變化特征，以期為氣候解釋、氣象預(yù)報預(yù)測業(yè)務(wù)提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

研究區(qū)為中國西北地區(qū)東部（32°～42°N，90°～110°E），包括陜西、甘肅、青海、寧夏等四省區(qū)。運(yùn)用NCEP/NCAR 的 1961—2010 年格點(diǎn) 2.5°×2.5°的高空資料和1961—2010年西北地區(qū)東部81個測站夏季6—8月各月的降水資料。

利用1961—2010年西北地區(qū)東部夏季（6—8月）降水量，某站某月降水量與歷年同期平均降水量比較，大于歷年平均降水量定義為多雨，小于歷年平均降水量定義為少雨；某月多雨站點(diǎn)數(shù)占總站點(diǎn)數(shù)60%以上的年份定為典型多雨年，某月少雨站點(diǎn)數(shù)占總站點(diǎn)數(shù)60%以上的年份定為典型少雨年。依次選出6月異常典型多（少）年各6個，7月異常典型多（少）年各5個，8月異常典型多雨年6個，典型少雨年7個。

同時利用合成分析診斷方法對影響西北地區(qū)東部夏季各月降水典型異常年的高空環(huán)流和水汽特征進(jìn)行了對比分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 夏季各月多雨年和少雨年的高空環(huán)流特征

2.1.1 西北地區(qū)東部6月500 hPa高度場的特征

表1～表3分別為6—8月多雨年、少雨年降水偏多和偏少站點(diǎn)百分比統(tǒng)計表，圖1～圖3分別為歐亞（15°～65°N，0～180°E）多雨年、少雨年夏季6—8月500 hPa高度場及其距平場合成圖。6月多雨年（圖1a）500 hPa中高緯度為兩脊一槽，兩個高壓脊分別位于烏拉爾山和貝加爾湖，低槽位于巴爾喀什湖附近。低緯度副高位置偏南，基本呈西南—東北走向的橢圓狀，脊點(diǎn)在130°E，脊線位于23°N左右。6月多雨年，中高緯度距平場為“東正西負(fù)”（圖1a），烏拉爾山脊對應(yīng)負(fù)距平，貝加爾湖高壓脊對應(yīng)明顯正距平中心，可見烏拉爾山脊偏弱，貝加爾湖高壓脊偏強(qiáng)，巴爾喀什湖低槽，其槽底不斷分裂出冷空氣南下，有利于產(chǎn)生降水；6月少雨年（圖1b）中高緯度中亞低槽、貝加爾湖長波脊不明顯，距平場上中國大陸均為負(fù)距平，500 hPa高度場有明顯的西北氣流，西北地區(qū)東部受西北氣流控制，降水偏少。

2.1.2 西北地區(qū)東部夏季7月500 hPa高度場特征

7月多雨年合成高度場顯示（圖2a），500 hPa中高緯度為兩脊一槽，烏拉爾山脊較6月偏強(qiáng)，同時鄂霍次克海脊也偏強(qiáng)，貝加爾湖高壓脊轉(zhuǎn)為低槽，巴爾喀什湖低槽較6月偏強(qiáng)。低緯度上，副高西伸脊點(diǎn)在120°E，已經(jīng)觸及到大陸附近，脊線位于28°N左右。孟加拉灣西南氣流和副高外圍的偏南暖濕氣流與巴爾喀什湖低槽分裂的經(jīng)高原東移南下的冷空氣交匯于西北東部[15-16]，冷暖空氣的交匯有利于降水的增多。7月多雨年（圖2a），中高緯度烏拉爾山高壓脊、鄂霍次克海脊對應(yīng)為明顯的正距平中心，巴爾喀什湖低槽對應(yīng)副距平中心；少雨年（圖2b）中高緯度為兩脊兩槽，烏拉爾山脊、貝加爾湖長波脊、中亞低槽、巴爾喀什湖低槽。低緯度，副高主體上空為正距平且東移至128°E。從7月少雨年距平場看，中亞低槽對應(yīng)負(fù)距平中心，長波脊對應(yīng)正距平中心，巴爾喀什湖至新疆西北部受高壓脊前西北氣流控制，西北地區(qū)東部不易成云致雨。

表1 西北地區(qū)東部夏季6月多雨年和少雨年統(tǒng)計

表2 西北地區(qū)東部夏季7月多雨年和少雨年統(tǒng)計

表3 西北地區(qū)東部夏季8月多雨年和少雨年統(tǒng)計

2.1.3 西北地區(qū)東部8月500 hPa高度場的特征

8月多雨年合成高度場顯示（圖3a），500 hPa中高緯度為一槽一脊，貝加爾湖長波槽，烏拉爾山長波脊。低緯度，副高5880等值線西伸脊點(diǎn)位于130°E附近，脊線位于30°N。從8月多雨年距平場看（圖3a），烏拉爾山長波脊對應(yīng)最大的正距平中心，貝加爾湖長波槽對應(yīng)最大負(fù)距平中心，8月多雨年烏拉爾山長波脊較6月、7月偏強(qiáng)，貝加爾湖長波槽也偏強(qiáng)。副高偏西偏強(qiáng)，西風(fēng)氣流和副高西側(cè)偏南氣流在西北地區(qū)東部輻合，有利于降水形成，這與肖科麗[17]等人的結(jié)論相同；8月少雨年（圖3b）500 hPa歐亞中高緯度為兩槽一脊，對應(yīng)烏拉爾山東部長波槽和亞洲大陸東岸長波槽、中亞高壓脊。副高主體移到大洋上空，相對于多雨年向東移動了10個經(jīng)距。8月少雨年距平場特征同6月少雨年相似，西北地區(qū)東部受西北氣流控制，多晴天少雨。

2.2 夏季（6—8月）各月多雨年和少雨年700 hPa濕度場特征

2.2.1 西北地區(qū)東部夏季6月700 hPa濕度場特征

比濕一定程度上反映了大氣中含水量的多少，圖4～圖6分別為6—8月多雨年、少雨年700 hPa比濕距平場。6月多雨年（圖4a），北至貝加爾湖以北，南至孟加拉灣、南海的廣大范圍為比濕正距平區(qū)，而東海和日本海的大部分范圍為比濕副距平區(qū)。西北地區(qū)東部位于比濕距平正值區(qū)內(nèi)，比濕距平值在0.2～0.8 g/kg之間，比濕距平中心值位于青海東部，其值為0.8 g/kg，比濕較常年大，有利于降水的產(chǎn)生；少雨年（圖4b）青海東部、甘肅南部比濕為一距平負(fù)值中心，最小中心值達(dá)-0.7 g/kg。西北地區(qū)東部大部分區(qū)域位于比濕負(fù)值區(qū)內(nèi)，比濕較常年小，南海、東海、日本海為負(fù)距平區(qū)，水汽缺乏。

圖1 6月多雨年（a）與少雨年（b）500 hPa高度場（等值線）及其距平（陰影，單位：gpm）

圖2 7月多雨年（a）與少雨年（b）500 hPa高度場（等值線）及其距平（陰影，單位：gpm）

圖3 8月多雨年（a）與少雨年（b）500 hPa高度場（等值線）及其距平（陰影，單位：gpm）

2.2.2 西北地區(qū)東部夏季7月700 hPa濕度場特征

多雨年（圖5a），比濕正距平區(qū)的分布范圍同6月多雨年大致相同（南海位于比濕負(fù)距平區(qū)），東海和日本海為正距平區(qū)。西北地區(qū)東部位于比濕距平正值區(qū)內(nèi)，比濕距平值在0.2～0.8 g/kg之間，中心值為0.8 g/kg，位于寧夏以北至蒙古境內(nèi)；少雨年（圖5b），在（28°～43°N，90°～120°E）的范圍內(nèi)比濕為負(fù)距平區(qū)，西北地區(qū)東部大部分區(qū)域位于比濕負(fù)值區(qū)內(nèi)，青海東部、甘肅中部地區(qū)比濕為一距平負(fù)值中心，最小中心值達(dá)-0.9 g/kg。孟加拉灣、南海為弱正距平區(qū)。水汽缺乏，不利于降水產(chǎn)生。

2.2.3 西北地區(qū)東部夏季8月700 hPa濕度場特征

圖 4 6月多雨年（a）與少雨年（b）700 hPa比濕距平（陰影，單位：g/kg）

圖5 7月多雨年（a）與少雨年（b）700 hPa比濕距平（陰影，單位：g/kg）

圖6 8月多雨年（a）與少雨年（b）700 hPa比濕距平（陰影，單位：g/kg）

多雨年（圖 6a），在（26°～38°N，90°～120°E）的大致范圍內(nèi)比濕為正距平區(qū)，西北地區(qū)東部位于比濕距平正值區(qū)內(nèi)，比濕距平值在0.2～1.2 g/kg之間，中心值為1.2 g/kg，位于青海南部。距平中心值較6月份、7月份偏大，水氣含量較高；少雨年（圖6b），在（40°N，90°～120°E）以南、孟加拉灣、南海均為負(fù)距平區(qū)，西北地區(qū)東部大部分區(qū)域位于比濕距平負(fù)值區(qū)內(nèi)，比濕距平值在-0.1～-0.6 g/kg之間，中心最小值為-0.6 g/kg，位于青海中東部。水汽含量低，降水條件不足。

3 結(jié)論

（1）通過選取某月多（少）雨站點(diǎn)數(shù)占總站點(diǎn)數(shù)站點(diǎn)的百分比確定典型多（少）雨年，從挑選結(jié)果看，典型多（少）年樣本較好地代表了西北地區(qū)東部夏季降水的偏多（少）月。

（2）西北地區(qū)東部多雨年，6—8月500 hPa影響降水的主要天氣系統(tǒng)表現(xiàn)為烏拉爾山脊逐月偏強(qiáng)。7月鄂霍次克海脊偏強(qiáng)，貝加爾湖高壓脊轉(zhuǎn)為低槽，巴爾喀什湖低槽較6月偏強(qiáng)。8月貝加爾湖長波槽較7月偏強(qiáng)，副高偏西偏強(qiáng)；少雨年天氣系統(tǒng)表現(xiàn)為6—8月中高緯度受高壓脊前西北氣流控制。

（3）大氣含水量對降水的產(chǎn)生影響較大，西北地區(qū)東部6—8月多雨年，700 hPa比濕與降水的相關(guān)性非常好，降水量的大小和本地區(qū)大氣中的水汽含量為正相關(guān)[18]。多雨年份，700 hPa比濕正距平區(qū)對應(yīng)地面西北地區(qū)東部降水偏多區(qū)域，比濕距平中心值8月較6月、7月偏大；少雨年份，700 hPa比濕負(fù)距平區(qū)對應(yīng)其降水偏少區(qū)域，比濕距平中心值7月較6月、8月偏小。

本文定性分析了西北地區(qū)東部地面降水與700 hPa比濕具有較好的相關(guān)性，但影響比濕分布的溫度、海陸差異和大氣環(huán)流等之間的因子關(guān)系還需更深入的研究。