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        陜西8月降水時(shí)空分布特征及成因

        2016-04-19 02:06:39肖科麗方建剛蔡新玲
        干旱氣象 2016年1期
        關(guān)鍵詞:時(shí)空特征陜西

        肖科麗,方建剛,王 娜,蔡新玲

        (1.陜西省氣候中心,陜西 西安 710015;2.陜西省氣象培訓(xùn)中心,陜西 西安 710015)

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        陜西8月降水時(shí)空分布特征及成因

        肖科麗1,2,方建剛1,王娜1,蔡新玲1

        (1.陜西省氣候中心,陜西西安710015;2.陜西省氣象培訓(xùn)中心,陜西西安710015)

        摘要:基于1961~2013年陜西月降水觀測資料和NCEP/NCAR再分析資料,采用EOF和REOF方法分析了陜西8月降水的區(qū)域氣候特征,并用合成分析方法討論了陜西8月一致多雨和少雨年的大氣環(huán)流特征。結(jié)果表明:陜西8月降水的EOF分析前3個(gè)特征向量場較好地反映了降水區(qū)域分布特征,而REOF分析則顯示了陜西8月降水區(qū)域差異特征。陜西8月一致多雨年南亞高壓范圍偏大、強(qiáng)度偏強(qiáng),西太平副熱帶高壓強(qiáng)度偏強(qiáng)、位置偏北偏西,歐亞中高緯度西風(fēng)帶烏拉爾山長波脊偏強(qiáng),青藏高原低值系統(tǒng)活躍,印緬槽偏深;一致少雨年我國北方大部主要受大陸帶狀高壓控制,相應(yīng)的對(duì)流層低層高原東側(cè)為偏北風(fēng)距平,這支偏北風(fēng)距平減弱了偏南風(fēng)的水汽向北輸送。

        關(guān)鍵詞:氣候異常;時(shí)空特征;大氣環(huán)流;陜西

        引言

        受東亞季風(fēng)影響中國大部分區(qū)域尤其是東部地區(qū)降水的季節(jié)變化顯著。隨著東亞夏季風(fēng)建立和夏季風(fēng)非勻速向北推進(jìn),中國東部雨帶也隨著向北推進(jìn),但由于東亞季風(fēng)季節(jié)進(jìn)退的早晚及強(qiáng)度年際變化,導(dǎo)致區(qū)域降水異常變化和旱澇災(zāi)害發(fā)生,因此關(guān)于中國夏季旱澇成因分析及其與東亞季風(fēng)的關(guān)系引起眾多學(xué)者關(guān)注[1-7],如黃榮輝等[8]通過分析東亞季風(fēng)氣候系統(tǒng)與我國夏季旱澇災(zāi)害關(guān)系,認(rèn)為亞洲季風(fēng)偏弱,西太平洋副熱帶高壓穩(wěn)定在熱帶西太平洋和華南上空,北方弱冷空氣頻繁南下,長江流域易發(fā)生洪澇災(zāi)害,而華北夏季干旱少雨;翟穎佳等[9]分析了盛夏華北降水偏多與西太平洋副熱帶高壓的關(guān)系;黃燕燕等[10]分析了長江流域和華北地區(qū)典型旱澇年與南亞高壓的關(guān)系;何金海[11]、王楠[12]等通過分析西北地區(qū)夏季降水異常與大尺度大氣環(huán)流系統(tǒng)的關(guān)系,總結(jié)了西北地區(qū)東部夏季降水異常的氣候成因。陜西地處青藏高原東北側(cè),南北狹長,地形復(fù)雜,我國南北氣候的分界線秦嶺位于陜西中南部,特殊的地理位置和地貌特征使得陜西夏季降水不僅區(qū)域差異明顯,而且階段性顯著,且夏季區(qū)域暴雨洪澇、干旱等氣象災(zāi)害頻發(fā),因此關(guān)于陜西盛夏強(qiáng)降水成因分析也受到廣泛關(guān)注[13-16]。本文利用NCEP/NCAR再分析資料與陜西盛夏8月降水量,分析陜西盛夏降水異常的氣候特點(diǎn)及大氣環(huán)流特征,為陜西盛夏降水異常的短期氣候預(yù)測提供依據(jù)。

        1資料與方法

        所用資料為NCEP/NCAR月平均再分析資料,水平分辨率為2.5°×2.5°,物理量為100 hPa、500 hPa等壓面位勢高度和850 hPa風(fēng)速;陜西96站8月降水量由陜西省氣象信息中心提供,資料時(shí)段均為1961~2013年;西太平洋副熱帶高壓脊線位置、西伸脊點(diǎn)、強(qiáng)度指數(shù)由國家氣候中心提供(http://cmdp.ncc.cma.gov.cn/cn/index.htm)。采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(EOF)、旋轉(zhuǎn)的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(REOF)等方法,分析陜西8月降水的時(shí)空分布特征,采用合成分析方法討論8月降水異常的大氣環(huán)流特征。

        2陜西8月降水的氣候特征

        對(duì)陜西省8月96站53 a降水量做標(biāo)準(zhǔn)化處理并進(jìn)行EOF分析,EOF的前3個(gè)模態(tài)方差貢獻(xiàn)率分別為42.1%、14.2%和6.4%,因此前3個(gè)模態(tài)的空間分布及相應(yīng)的時(shí)間系數(shù)變化,能夠反映陜西8月降水的時(shí)空分布特征。第1模態(tài)(圖1a)表明8月降水量的空間分布型為全省一致型,其振幅高值中心位于陜西中南部,反映了陜西8月降水由北向南逐漸增多的氣候特征,也是該時(shí)段陜西降水主要的空間分布型;由相應(yīng)的時(shí)間系數(shù)變化曲線(圖1d)可以看出,1961年以來陜西省8月降水年際差異大,1970年代后期、1980年代和2000年以來以多雨為主,而1960~1970年代初期、1990年代以少雨為主。第2模態(tài)(圖1b)顯示陜西8月降水大致以秦嶺為界呈南多(少)北少(多)的反位相分布,反映陜西8月降水受地形影響存在秦嶺南、北之間的空間差異;由時(shí)間系數(shù)變化(圖1e)可知1965、1974、1989、1998、2005年和1967、1973、1978、1992、1994年秦嶺南北8月降水差異最為顯著。第3模態(tài)(圖1c)顯示陜西8月降水南北多(少)中間少(多)的分布,反映陜西關(guān)中渭河平原8月高溫少雨多伏旱、北部黃土高原溝壑區(qū)與南部秦巴山區(qū)多雨的氣候特征;由時(shí)間系數(shù)變化(圖1f)可知1965、1968、1995、2005、2009年關(guān)中渭河平原伏旱顯著,而陜北、陜南多雨的氣候特征顯著。

        圖1 陜西8月降水EOF分析的第1(a,d)、第2(b,e)及第3(c,f)空間模態(tài)及相應(yīng)的時(shí)間系數(shù)曲線

        REOF方法是一種氣候區(qū)劃方法,是在EOF分析的基礎(chǔ)上,選擇一個(gè)正交旋轉(zhuǎn)矩陣,使原始矩陣旋轉(zhuǎn)后的列向量元素平方的方差達(dá)到最大,這樣原要素場的信息特征可以集中映射到荷載場所表示的優(yōu)勢空間上,更能突出要素異常分布的局域特征。為分析陜西8月降水的區(qū)域分布特征,在EOF分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步做REOF分析,REOF第1模態(tài)(圖2a)高載荷區(qū)位于黃土高原溝壑區(qū)與秦嶺之間的關(guān)中渭河平原,該區(qū)域8月多年平均降水量70~110 mm,降水自東向西、從南向北逐漸增多,盛夏暴雨、干旱、連陰雨等極端天氣氣候事件頻繁發(fā)生,因此該區(qū)域降水不僅地域差別顯著,且年際變率大。第2模態(tài)(圖2b)高載荷區(qū)位于陜北黃土高原溝壑區(qū),緊鄰毛烏素沙漠西北部,大部分區(qū)域8月多年平均降水量100~120 mm,降水從北向南逐漸增多。該區(qū)域位于東亞夏季風(fēng)北邊緣帶,降水年際變化和區(qū)域分布差異顯著,自然災(zāi)害類型多樣、活動(dòng)頻繁,生態(tài)環(huán)境脆弱,土地沙漠化和水土流失嚴(yán)重。第3模態(tài)(圖2c)高載荷區(qū)位于陜南秦巴山區(qū),8月多年平均降水量空間分布極為不均,巴山山區(qū)的鎮(zhèn)巴縣為179 mm,而秦嶺山脈南麓的商州僅104.1 mm,該區(qū)域山地、河谷、盆地等多種地貌類型共存,是陜西夏季暴雨、大暴雨等強(qiáng)降水的多發(fā)區(qū),也是暴雨誘發(fā)山洪、滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)區(qū)。因此依據(jù)REOF高載荷區(qū)和區(qū)域降水特征,陜西8月降水可分為陜北黃土高原溝壑區(qū)、關(guān)中渭河平原和陜南秦巴山區(qū)等3個(gè)降水特征差異顯著的區(qū)域。

        3陜西8月典型多(少)雨年大氣環(huán)流特征

        3.1500 hPa環(huán)流特征

        EOF展開的第1模態(tài)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到42.1%,因此其時(shí)間系數(shù)的年際變化基本反映了陜西8月降水的異常變化,定義第1模態(tài)時(shí)間系數(shù)>1.0個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差為陜西8月典型多雨年,<-1.0個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差為陜西8月典型少雨年。典型多雨年有1976、1981、1982、1988、1992、1998、2003、2010年共8 a,典型少雨年有1967、1975、1977、1986、1994、1997、1999年共7 a。

        分析發(fā)現(xiàn)陜西8月一致多雨年500 hPa(圖3a)歐亞中高緯度西風(fēng)帶經(jīng)向環(huán)流發(fā)展,烏拉爾山為長

        波脊,貝加爾湖以東有一淺槽,亞洲中緯度盛行緯向西風(fēng)氣流,并在 40°N附近維持較強(qiáng)的西風(fēng)鋒區(qū),西太平洋副熱帶高壓588 dagpm特征線西伸脊點(diǎn)位于130°E附近,相應(yīng)的距平場呈“-+-”分布,其中烏拉爾山有4 dagpm的正距平中心,歐洲和貝加爾湖有-1 dagpm的閉合負(fù)距平中心。我國東南沿海為正距平,青藏高原到孟加拉灣有-1 dagpm的負(fù)距平中心,表明陜西8月一致多雨年烏拉爾山長波脊偏強(qiáng),青藏高原多短波槽或低值系統(tǒng)活動(dòng),印緬槽偏強(qiáng),西太平洋副熱帶高壓偏強(qiáng)。而8月陜西一致少雨年500 hPa(圖3b)歐亞中緯度盛行緯向環(huán)流,東亞西風(fēng)鋒區(qū)位于45°N以北,西太平洋副熱帶高壓主體位于大洋上空,青藏高原到亞洲大陸東岸為一帶狀高壓。相應(yīng)的距平場歐亞距平呈“+-”分布,歐洲有2 dagpm的正距平中心,亞洲中高緯度為大片的負(fù)距平,并有-4 dagpm的閉合負(fù)距平中心,我國華南等低緯度地區(qū)為負(fù)距平,表明8月一致少雨年陜西及我國北方大部主要受大陸帶狀高壓控制,晴熱少雨。

        圖2 陜西8月降水的REOF分解第1(a)、第2(b)及第3(c)空間模態(tài)

        圖3 陜西8月多雨年(a)與少雨年(b)500 hPa位勢高度場及距平場合成圖(單位:dagpm)

        3.2100 hPa環(huán)流特征

        對(duì)陜西8月多雨年與少雨年100 hPa南亞高壓對(duì)比分析表明:陜西8月多雨年(圖4a)南亞高壓比少雨年(圖4b)位置略偏東、范圍偏大、強(qiáng)度偏強(qiáng),多雨年南亞高壓有1 684 dagpm的閉合高壓中心,赤道附近有閉合的1 660 dagpm低壓中心,較少雨年低4 dagpm。位勢高度距平場中多雨年東亞大部為正距平,中國大陸東部黃淮流域有4 dagpm的正距平中心,少雨年我國長江以南為負(fù)距平,華北有2 dagpm的正距平中心。

        圖4 陜西8月多雨年(a)與少雨年(b)100 hPa位勢高度場及距平場合成圖(單位:dagpm)

        3.3850 hPa流場

        陜西8月一致多雨年850 hPa亞洲東岸到西太平洋有一異常反氣旋距平環(huán)流(圖5a),該環(huán)流西側(cè)云貴高原到四川盆地有異常偏南風(fēng)距平,增強(qiáng)了南方暖濕氣流向西北東部的輸送,從而給西北東部提供了大量源自低緯度的暖濕空氣,同時(shí)河套以北為偏北風(fēng)距平,增強(qiáng)了北方南下的冷空氣勢力,異常的高低緯環(huán)流形勢配合為陜西盛夏降水異常偏多提供了有利的環(huán)流背景。

        陜西8月一致少雨年850 hPa孟加拉灣—南海為偏西風(fēng)距平(圖5b),我國華南為氣旋性距平環(huán)流,該氣旋性距平環(huán)流西側(cè)四川盆地到云貴高原為偏北風(fēng)距平,減弱了西南暖濕氣流向西北東部的輸送,我國華北到東北為反氣旋性環(huán)流,河套及其以北地區(qū)為偏南風(fēng)距平,減弱了影響陜西的冷空氣勢力,對(duì)流層低層這種異常配置,易形成陜西8月的少雨天氣。

        圖5 陜西8月典型多雨年(a)與少雨年(b)850 hPa風(fēng)場距平合成圖

        3.4西太平洋副熱帶高壓

        夏季西太平洋副熱帶高壓外圍西南風(fēng)與北方南下的冷空氣交匯,形成我國東部的多雨帶和強(qiáng)降水中心。陜西雖然地處中國大陸西北地區(qū)東部,但西太平洋副熱帶高壓位置、強(qiáng)度變化也直接影響陜西8月降水。在陜西8月8 a典型多雨年中,1976、1981、1988、1998、2003、2010年西太平洋副熱帶高壓西伸脊點(diǎn)位于90°E~120°E(表1),較多年平均位置偏西,其中1976、1981、1998、2003、2010年脊線位于26°N~32°N,較多年平均位置偏北,同時(shí)典型多雨的8 a中有5 a西太平洋副熱帶高壓偏強(qiáng)。在陜西8月典型少雨的7 a中,1975、1977、1986、1999年西太平洋副熱帶高壓位置明顯偏東,西伸脊點(diǎn)位于135°E以東,7 a中脊線位置有6 a位于31°N以北或24°N以南,且典型少雨的7 a中有6 a西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度偏弱。以上分析表明西太平洋副熱帶高壓偏北偏西、強(qiáng)度偏強(qiáng)有利于陜西8月多雨,而位置偏東、強(qiáng)度偏弱、脊線位置偏南則陜西8月易少雨。

        西太平洋副熱帶高壓位置的變化僅是影響陜西8月天氣氣候變化的一個(gè)方面,西太平洋副熱帶高壓活動(dòng)與陜西8月氣候變化的關(guān)系是比較復(fù)雜的,例如降水偏少較明顯的1994年和1997年,西太平洋副熱帶高壓西伸脊點(diǎn)位于100°E,脊線分別位于32°N和29°N,而降水偏多的1988年,西太平洋副熱帶高壓脊線位于21°N,位置卻明顯偏南。因此二者的關(guān)系還有待于進(jìn)一步研究。

        表1 陜西8月典型多雨年與少雨年西太平洋副熱帶高壓脊線位置、西伸脊點(diǎn)和強(qiáng)度指數(shù)

        4討論與小結(jié)

        陜西8月降水區(qū)域差異顯著。陜北黃土高原溝壑區(qū)年降水隨季節(jié)變化呈單峰型,在7月下旬至8月上旬的多雨時(shí)段后,降水逐漸減少;而陜西南部秦嶺鄰近地區(qū)年降水隨季節(jié)變化呈雙峰型,有初夏和秋季2個(gè)多雨時(shí)段,8月初正是該地區(qū)少雨伏旱時(shí)段,有分析認(rèn)為[17-19]伏旱時(shí)段是該區(qū)域初夏和秋季多雨期的分水嶺,而盛夏我國北方大部地區(qū)受大陸高壓控制,或西太平洋副熱帶高壓脊線位置偏北,陜西南部受西太平洋副熱帶高壓控制時(shí),陜西易出現(xiàn)高溫少雨,伏旱嚴(yán)重。同時(shí)在多數(shù)年份中,陜西南部8月下旬就進(jìn)入秋季多雨時(shí)段,這時(shí)西太平洋副熱帶高壓一般穩(wěn)定少動(dòng),110°E西太平洋副熱帶高壓脊線在28°N附近,位置偏西偏北、強(qiáng)度偏強(qiáng),也導(dǎo)致陜西夏季8月高溫、干旱、暴雨、連陰雨等極端天氣氣候事件頻發(fā),本文分析了8月降水的區(qū)域特征和降水異常的大氣環(huán)流特征,主要結(jié)論有:

        (1) EOF前3個(gè)模態(tài)基本代表了陜西8月降水的區(qū)域分布特征,第1模態(tài)反映了全省降水的一致性分布,第2、3模態(tài)反映了降水區(qū)域差異。而REOF分析結(jié)果則顯示了陜西盛夏降水季區(qū)域分布特征,即陜北黃土高原溝壑區(qū)、關(guān)中渭河平原和陜南秦巴山區(qū)等3個(gè)降水特征差異顯著的區(qū)域;

        (2)陜西8月一致多雨年南亞高壓范圍偏大、強(qiáng)度偏強(qiáng);西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度偏強(qiáng)、位置偏北偏西;500 hPa歐亞中高緯度位勢高度距平場歐亞呈“-+-”分布,表明烏拉爾山長波脊偏強(qiáng),貝加爾湖到巴爾喀什湖低槽偏強(qiáng),青藏高原低值系統(tǒng)活躍,印緬槽較常年同期偏強(qiáng)。相應(yīng)的對(duì)流層低層我國東南沿海的偏東風(fēng)距平在西進(jìn)過程中,與孟加拉灣到云貴高原的西南風(fēng)距平合并,形成四川盆地到秦嶺山脈附近的強(qiáng)偏南風(fēng)距平,為陜西8月多雨提供了充足的水汽;

        (3)陜西8月一致少雨年我國北方大部主要受大陸帶狀高壓控制,對(duì)流層低層高原東側(cè)為偏北風(fēng)距平,這支偏北風(fēng)距平減弱了偏南風(fēng)的水汽向北輸送,導(dǎo)致陜西8月一致性少雨。

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        Spatial and Temporal Distribution of Precipitation in August in Shaanxi Province and Causes Analysis

        XIAO Keli1,2, FANG Jiangang1, WANG Na1, CAI Xinling1

        (1.ShaanxiClimateCenter,Xi’an710015,China;2.ShaanxiMeteorologicalSociety,Xi’an710015,China)

        Abstract:Based on NCEP/NCAR reanalysis data and monthly precipitation data in Shaanxi Province from 1961 to 2013,the spatial and temporal distribution characteristics of August precipitation were analyzed by using EOF and REOF analysis methods, and the atmospheric circulation characteristics in rainy years and dry years in Shaanxi were discussed by using composite analysis method. The results showed that the first three loading vector fields could reflect the whole anomaly structures of August rainfall in Shaanxi, and the rotated loading vector fields represented regional difference characteristics of Shaanxi August precipitation. When South Asia high was stronger and its range was larger, the western Pacific subtropical high was obviously stronger and extended abnormaly northward and westward, the long wave ridge over the Ural Mountains was stronger, and low-value system over the Tibetan Plateau was more active and the India-Burma trough was deeper, there was more rain in August of Shaanxi. Whereas, when the most part of Northern China was controlled by mainland zonal high, and there was abnormal north wind in the east side of the plateau in lower troposphere, which weakened southerly wind transporting moisture to northward, so there was less rain in August of Shaanxi.

        Key words:climate anomaly;spatial-temporal feature;atmospheric circulation;Shaanxi Province

        中圖分類號(hào):P426

        文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        文章編號(hào):1006-7639(2016)-01-0058-06

        doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-01-0058

        作者簡介:肖科麗(1964-),女,高工,從事氣候與氣候變化分析研究.E-mail:xklnew @126.com通訊作者:方建剛(1960- ),男,陜西咸陽人,正研級(jí)高級(jí)工程師. E-mail:fangjg1960@163.com

        基金項(xiàng)目:中科院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目(KZCX2-EW-114)、中科院—國家外專局創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)國際合作伙伴計(jì)劃(KZZD-EW-TZ-03)及陜西省氣象局2013年研究型業(yè)務(wù)重點(diǎn)科研項(xiàng)目(2013Z-5,2013Z-6)共同資助

        收稿日期:2015-03-12;改回日期:2015-07-10

        肖科麗,方建剛,王娜,等.陜西8月降水時(shí)空分布特征及成因[J].干旱氣象,2016,34(1):58-63, [XIAO Keli, FANG Jiangang, WANG Na, et al. Spatial and Temporal Distribution of Precipitation in Autumn in Shaanxi Province and Causes Analysis[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(1):58-63], doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-01-0058

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