焦 敏，李 輯，胡春麗，周 斌，黃 巖

（遼寧省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心，遼寧 沈陽110166）

降水作為衡量氣候變化最重要的要素之一，一直是氣象學者們關(guān)注的重點。近幾年，我國異常少雨事件頻發(fā)[1-5]。對于降水異常偏少事件的環(huán)流特征及成因分析，許多學者給出了個例分析的結(jié)果。董金湖[6]分析了1992 年西藏中部初夏降水異常偏少的環(huán)流特征，指出西太平洋副熱帶高壓、高原環(huán)流、印度季風及南亞高壓等，是造成初夏干旱的主要環(huán)流因子。羅小莉等[7]從西太平洋副熱帶高壓、中高緯環(huán)流及阻塞形勢、印緬槽等方面分析了2011 年盛夏廣西西北部降水異常偏少的環(huán)流異常特征。李永華[8]指出，中高緯環(huán)流及西太平洋副熱帶高壓、西風帶環(huán)流、南亞高壓、低層流場、水汽輸送以及垂直運動等的持續(xù)異常，是造成2006 年夏季西南地區(qū)降水異常偏少的環(huán)流成因。陳權(quán)亮等[9]從大氣環(huán)流角度分析了2008—2009 年冬季我國北方降水異常偏少的內(nèi)在原因。方建剛等[10]采用合成分析方法分別對陜西春季干旱和春末夏初干旱年的環(huán)流特征進行了研究。Sun and Yang[11]針對2011 年冬、春季發(fā)生在我國南方的嚴重干旱事件，分析了其大尺度環(huán)流型和可能的影響因子，重點討論了拉尼娜、北大西洋濤動和青藏高原熱狀況等影響因子的作用。

焦敏等分析了遼寧夏季典型旱澇年降水低頻特征[12]和2018 年夏季遼寧異常干旱的環(huán)流特征及成因[13]。陸井龍等[14]采用統(tǒng)計診斷方法分析了遼寧夏季不同歷史極端降水的時空變化特征。楊磊等[15]針對2013 年8 月16 日遼寧特大暴雨的多尺度特征進行了詳細分析。李爽等[16]采用統(tǒng)計診斷和合成分析等方法，對東北冷渦影響下的遼寧短時強降水特征進行了分析。李菲等[17]分析了遼寧省春播期第一場透雨特征，并探討了鄂霍次克海阻塞高壓對遼寧省春播期第一場透雨的影響機制。

上述研究中，研究時段大多取整個夏季，并未分初夏和盛夏，事實上，東北亞地區(qū)初夏和盛夏降水特征及形成機制具有顯著差異[18-20]。分析指出[21-22]，對于降水異常偏多而言，影響遼寧初夏和盛夏的環(huán)流系統(tǒng)并不一致，初夏對流層各層均以東北冷渦活動影響為主，盛夏則以200 hPa 東亞副熱帶高空急流、500 hPa 西太平洋副熱帶高壓及850 hPa 低空偏南急流的共同影響為主。即降水異常偏多時期，遼寧初夏和盛夏大尺度環(huán)流影響系統(tǒng)并不相同。近幾年，遼寧異常少雨事件明顯增多，那么對于降水異常偏少而言，遼寧初夏和盛夏的環(huán)流影響系統(tǒng)有哪些？各層之間的相互配置又呈現(xiàn)出什么特征？目前對于這種少雨的環(huán)流特征的研究比較少見。為此，作者在李輯等[21-22]前期工作的基礎(chǔ)上分別選取了2015 年初夏和2014 年盛夏發(fā)生在遼寧的兩次典型異常少雨事件，分別分析其大尺度環(huán)流特征，以期從個例分析角度明確降水異常偏少時遼寧初夏和盛夏環(huán)流影響系統(tǒng)的異同。其中前者為本文分析內(nèi)容，后者焦敏等[23]已做詳細分析。

本文利用美國國家環(huán)境預(yù)報中心/國家大氣科學研究中心（National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research，NCEP/NCAR）逐日再分析資料和遼寧省逐日站點降水資料，首先分析了2015 年初夏遼寧降水的時空變化特征，然后簡要對比了幾個典型少雨年的環(huán)流配置，在此基礎(chǔ)上，從200 hPa 緯向風場、500 hPa 位勢高度場、850 hPa 初夏風場、水汽輸送以及垂直運動等方面重點分析了2015 年初夏降水異常的大尺度環(huán)流特征，最后從海溫異常角度簡單解釋了這種大尺度異常環(huán)流的形成原因。

1 資料

資料包括：（1）NCEP/NCAR 1981—2016 年逐日再分析資料[24]，水平分辨率為2.5 °×2.5 °，要素包括水平風速、垂直速度、比濕、位勢高度和地表氣壓，其中水平風速和垂直速度的垂直層次為12 層（從1000 hPa 到100 hPa），比濕為8 層（從1000 hPa 到300 hPa），位勢高度為1 層（500 hPa）。（2）遼寧省氣象信息中心1962—2016 年遼寧省53 站逐日降水資料。

夏季定義為6 月1 日—8 月31 日共92 d。文中氣候平均值為1981—2010 年30 a 平均，距平或異常指相對于1981—2010 年氣候平均值的偏差。

2 2015 年初夏遼寧降水時空特征

圖1 給出了2015 年遼寧夏季逐日降水量距平序列，整個夏季降水距平序列大致呈“高—低—高”分布，其中6 月1 日—6 月13 日降水距平的平均值為2.94 mm，6 月14 日—7 月22 日降水距平的平均值為-2.88 mm，7 月23 日—8 月31 日降水距平的平均值為-0.21 mm。降水異常偏少時段集中在6 月14 日—7 月22 日。本文為了突出異常少雨時期的環(huán)流特征，將6 月14 日—7 月22 日定義為初夏。

圖1 2015 年遼寧夏季逐日降水量距平序列

將每一年初夏定義為6 月14 日—7 月22 日，可以得到1962—2016 年遼寧初夏降水標準化時間序列（圖2），可見，2015 年初夏降水偏離氣候平均值2.31 倍標準差，為1962 年以來同期最小值。說明2015 年初夏遼寧異常少雨事件為1962 年以來同期最嚴重少雨事件。

圖2 1962—2016 年遼寧初夏降水標準化時間序列

由2015 年初夏遼寧降水距平百分率的空間分布（圖3）可見，2015 年初夏遼寧全省降水較常年同期均偏少，偏少程度自西北向東南方向逐漸增強，其中遼西地區(qū)偏少4~6 成，其他地區(qū)偏少6~8 成，大連南部地區(qū)偏少最多，達8 成以上。

3 遼寧初夏典型少雨年環(huán)流配置

圖3 2015 年初夏遼寧降水距平百分率空間分布（單位：%）

圖2 給出了2015 年初夏遼寧降水異常的時空特征，為了明確2015 年初夏降水異常偏少的高低空環(huán)流成因是個性還是共性，本節(jié)在圖2 的基礎(chǔ)上選取了標準差小于-1.1 的幾個典型異常少雨年份，為1972、1982、1992、1997 年和2000 年，分別分析其對流層高、中、低層大尺度環(huán)流，將結(jié)果整理成表1，為了便于比較，2015 年分析結(jié)果也列入表1。

由表1 可知，2015 年初夏遼寧降水異常偏少的高低空環(huán)流特征并不是共性，其它5 個典型年份中，只有1992 年和2015 年的環(huán)流特征完全相同，除此之外，其余4 a 的環(huán)流特征并不完全相同。對比6 個典型年份的環(huán)流特征可知，各層異常環(huán)流及垂直運動方面，6 個典型年份均表現(xiàn)為低層輻散、高層輻合，異常垂直下沉運動。200 hPa 西風急流方面，1997 年和2000 年，急流異常偏弱，遼寧未受急流影響，其余4 a 遼寧均位于急流軸以北，但急流強度和位置有所區(qū)別，1982、1992 年和2015 年急流偏南偏強，而1972 年則是略偏北偏強。500 hPa 西太副高方面，1992 年和1997 年西太副高明顯偏弱偏東，其余4 a 偏南偏東。850 hPa 暖濕氣流輸送方面，1992 年和2015 年無西南暖濕氣流輸送，其余4 a 均有西南暖濕氣流輸送。

4 2015 年初夏東亞降水大尺度環(huán)流

遼寧初夏幾個典型少雨年的大尺度環(huán)流特征各不相同，因此有必要對每一個典型少雨年的個例進行具體分析，以明確其環(huán)流成因。鑒于2015 年初夏遼寧異常少雨事件的典型性和極端性，將重點分析2015 年的環(huán)流特征。

研究指出，東北冷渦是導致遼寧初夏降水異常偏多的主要影響因子[22]。那么，對于2015 年遼寧初夏降水異常偏少而言，主要的大尺度環(huán)流影響系統(tǒng)是什么？各環(huán)流影響系統(tǒng)之間呈現(xiàn)出怎樣的配置？是否具有與遼寧盛夏降水異常偏少情況相一致的大尺度環(huán)流特征？為了回答上述問題，以下將從200 hPa緯向風場、500 hPa 位勢高度場、850 hPa 風場、水汽輸送及垂直運動等方面給出具體分析結(jié)果。

4.1 200 hPa 緯向風場

東亞副熱帶西風急流是影響遼寧夏季降水異常的關(guān)鍵系統(tǒng)[25]。從2015 年初夏200 hPa 緯向風原始場（圖4，等值線）可以看出，與李輯等[22]對遼寧初夏少雨年的合成分析相比，明顯不同的是副熱帶西風急流西段的急流中心消失，只在東北南部至日本海一帶存在一個緯向風速大于30 m/s 的急流中心，且急流軸位于遼寧以南的36°N 附近。從緯向風距平場（圖4，陰影）可以看出，遼寧上空為緯向風負距平區(qū)域，這與遼寧初夏少雨年的合成分析[22]中得到的為弱緯向風負距平結(jié)論是一致的。急流軸以北主要為緯向風速＜0 的負距平區(qū)域，急流軸以南的大部分區(qū)域為緯向風速＞0 的正距平區(qū)域，說明急流軸南側(cè)西風增強、北側(cè)西風減弱，進而導致急流軸位置較常年偏南，同時由于西風急流區(qū)為緯向風正距平，說明急流強度較常年偏強。

由于急流軸北側(cè)為風速的氣旋性切變區(qū)域，有偏差風輻合，因此遼寧地區(qū)上空高層輻散減弱。此外由于急流強度偏強，因此急流軸北側(cè)風速的氣旋性切變和偏差風輻合均偏強，使得遼寧地區(qū)上空高層輻散進一步減弱。綜上，初夏副熱帶西風急流軸位置和強度的變化，均不利于遼寧地區(qū)上升運動的發(fā)展和降水的產(chǎn)生。

表1 遼寧初夏典型少雨年高低空環(huán)流特征

圖4 2015 年初夏200 hPa 緯向風原始場（等值線）及其距平場（陰影）（單位：m/s）

4.2 500 hPa 位勢高度場

從2015 年初夏500 hPa 位勢高度原始場（圖5，等值線）可見，歐亞中高緯地區(qū)為弱兩槽一脊型分布，其中貝加爾湖附近為弱脊區(qū)，兩側(cè)為弱的寬廣槽區(qū)，環(huán)流以緯向型分布為主，無明顯的阻塞形勢，遼寧地區(qū)處于弱槽區(qū)。位勢高度距平場上（圖5，陰影），貝加爾湖以北的亞洲中高緯地區(qū)有一個較強的位勢高度負距平區(qū)，巴爾喀什湖以東到鄂霍次克海以西為較強的位勢高度正距平區(qū)，遼寧地區(qū)處于位勢高度正距平區(qū)，雖受弱槽控制，但由于冷空氣位置偏北，東北冷渦不活躍，對遼寧地區(qū)影響較小。

西太平洋副熱帶高壓脊的北側(cè)與西風帶副熱帶鋒區(qū)相鄰，上升運動強，多陰雨天氣，高壓脊的變化與我國雨季有密切的關(guān)系[26]。從圖5 可見，西太平洋副熱帶高壓較氣候平均位置偏東偏南，西伸脊點在122°E 附近，脊線位于22°N 附近，這種分布型使得東亞副熱帶鋒區(qū)較氣候平均偏東偏南，遼寧地區(qū)因缺少冷暖空氣交綏，不利于降水的產(chǎn)生。

4.3 850 hPa 風場及水汽輸送

由2015 年初夏850 hPa 風場（圖6a）可見，與李輯等[22]對遼寧初夏少雨年的合成分析相一致，對流層低層出現(xiàn)兩條低空急流帶，一條穿過印度半島沿孟加拉灣和中南半島，到達我國南海地區(qū)后轉(zhuǎn)成西南氣流北上；另一條來自西太平洋副熱帶高壓南側(cè)的偏東氣流，沿西太平洋副熱帶高壓西側(cè)引導氣流轉(zhuǎn)成偏南氣流北上。

圖5 2015 年初夏500 hPa 位勢高度原始場（等值線，黑色粗曲線為588 特征線，紅色粗曲線為氣候平均588 特征線）及其距平場（陰影）（單位：dagpm）

兩條氣流帶匯合的位置及能夠到達的北界位置在2015 年和在氣候平均態(tài)下有明顯的不同。氣候平均態(tài)下（圖6b），兩條氣流帶在我國東海海域匯合加強并北上，到達朝鮮半島后轉(zhuǎn)成偏西氣流，在30°~40°N 之間形成東亞—西太平洋低空急流帶，該急流帶西部邊緣形成的風切變式急流軸位于朝鮮半島南部，遼寧位于低空急流軸左側(cè)，風速具有氣旋式切變，為降水提供了低空輻合上升的動力條件，同時遼寧全區(qū)為＞3 m/s 的西南風，為降水提供了水汽條件。2015 年初夏（圖6a），兩條氣流帶匯合的位置較氣候平均偏東偏南，急流軸位置明顯偏東偏南，位于日本半島南部，遼寧地區(qū)未受急流影響，而是處于小于3 m/s 的弱偏西氣流控制中，缺少偏南水汽輸送和低層輻合上升運動，不利于產(chǎn)生降水。

水汽輸送異常是導致降水異常的重要原因之一，水汽通量可以表示水汽輸送強度和水汽輸送方向，水汽通量散度可以表示水汽在某一地區(qū)的集中程度[26]。因此，分析水汽通量及其散度便可以了解水汽輸送的異常狀況。圖7 是2015 年初夏垂直積分的地面至300 hPa 整層水汽通量及其散度，其中圖7a是2015 年原始場，圖7b 是氣候平均場。由圖7 可見，與圖6 中兩條低空急流帶相對應(yīng)，影響遼寧的水汽主要有兩條通道，一條是穿過印度半島沿孟加拉灣和中南半島到達我國南海地區(qū)后轉(zhuǎn)成西南氣流北上到達遼寧，另一條是西太平洋副熱帶高壓南側(cè)的偏東氣流沿引導氣流轉(zhuǎn)成偏南氣流北上到達遼寧。

圖6 初夏850 hPa 風場（矢量）

圖7 初夏地面至300 hPa 整層水汽通量（矢量）及其散度（陰影）

兩條水汽輸送帶匯合的位置及能夠到達的北界位置在2015 年和在氣候平均態(tài)下有明顯的不同。氣候平均態(tài)下（圖7b），兩條水汽輸送帶在我國菲律賓群島北部附近匯合加強并北上，到達我國東南沿海后轉(zhuǎn)成西南氣流，到達朝鮮半島和日本半島后轉(zhuǎn)成偏西氣流，同時遼寧全區(qū)水汽通量值＞100 kg/（m·s），水汽輸送充沛，為降水提供了必要的水汽條件。2015 年初夏（圖7a），兩條水汽輸送帶匯合的位置較氣候平均偏東偏南，遼寧全區(qū)水汽通量值很小，＜100 kg/（m·s），缺少偏南水汽輸送，同時遼寧全區(qū)水汽通量散度值＞0，為水汽通量輻散區(qū)，偏少的水汽輸送及水汽輻散均不利于遼寧地區(qū)產(chǎn)生降水。

綜上，2015 年初夏，200 hPa，副熱帶西風急流較氣候平均位置偏南強度偏強，遼寧位于急流軸以北，高層輻合不利于上升運動的發(fā)展。500 hPa，遼寧受弱槽控制并處于位勢高度正距平區(qū)，冷空氣位置偏北，東北冷渦不活躍，對遼寧影響較小；西太平洋副熱帶高壓較氣候平均偏東偏南，東亞副熱帶鋒區(qū)偏東偏南，遼寧缺少冷暖空氣交綏。850 hPa，低空急流較氣候平均偏東偏南，遼寧處于弱偏西氣流控制中，缺少偏南暖濕水汽輸送及低層輻合上升運動。

4.4 各層異常環(huán)流及垂直運動

某地區(qū)降水異常的出現(xiàn)與局地異常環(huán)流有直接聯(lián)系，大尺度環(huán)流引起的高低層輻合輻散的變化是導致降水異常的動力條件。圖8 是2015 年初夏對流層高層（200 hPa）、中層（500 hPa）及低層（850 hPa）的距平風場。200h Pa 上（圖8a），我國大部地區(qū)受一異常氣旋性環(huán)流控制，遼寧位于異常氣旋性環(huán)流東部橫槽內(nèi)的強輻合區(qū)。500 hPa 上（圖8b），我國河套以北至貝加爾湖地區(qū)受一異常反氣旋控制，中心位于貝加爾湖西側(cè)，河套以南的我國南方大部受一中心位于山東半島附近的異常氣旋控制，遼寧位于異常反氣旋東南側(cè)和異常氣旋東北側(cè)的偏東氣流輻合區(qū)。850 hPa 上（圖8c），日本海地區(qū)存在一個由兩個異常氣旋和兩個異常反氣旋形成的鞍型氣壓場，兩個氣旋中心分別位于我國東海和鄂霍次克海，兩個反氣旋中心分別位于蒙古國東部和日本半島東側(cè)的西太平洋上，遼寧位于異常反氣旋西南側(cè)和異常氣旋西北側(cè)的偏東氣流輻散區(qū)。

由此可見，從對流層低層（850 hPa）至對流層高層（200 hPa），遼寧地區(qū)低層輻散，高層輻合，由達因補償原理可知，垂直方向為異常下沉運動，這種環(huán)流配置恰好與降水形成的動力條件（垂直上升運動）相悖，為2015 年初夏遼寧異常少雨事件的發(fā)生奠定了環(huán)流基礎(chǔ)。

圖8 2015 年初夏200 hPa（a）、500 hPa（b）、850 hPa（c）距平風場（矢量，單位：m/s）及其散度（陰影，單位：10-6 m/s）

這種異常下沉運動可以從經(jīng)向環(huán)流距平剖面（圖9，流場）中清晰見得，在35°N 附近存在一個經(jīng)向環(huán)流距平中心，該環(huán)流中心南側(cè)為上升運動區(qū)，北側(cè)為下沉運動區(qū)，遼寧位于該環(huán)流中心北側(cè)的下沉運動區(qū)。從垂直速度（圖9，陰影）亦可看出，遼寧地區(qū)上空存在一個正距平中心，表明下沉運動異常強。綜上可知，異常下沉運動是導致2015 年初夏遼寧異常少雨的直接動力原因。

圖9 2015 年初夏118.6°~126.0°E 平均的經(jīng)向環(huán)流距平剖面

為了更清晰地展示大尺度環(huán)流系統(tǒng)對2015 年初夏遼寧降水異常的影響，給出了環(huán)流特征示意圖（圖10），當200 hPa 高空急流偏南偏強，500 hPa 冷空氣位置偏北、西太平洋副熱帶高壓偏東偏南，850 hPa 低空急流偏東偏南時，高、低空急流引起的高層輻合、低層輻散使得遼寧地區(qū)垂直方向為異常下沉運動，加之缺少冷暖空氣交綏及暖濕氣流輸送，導致2015 年初夏遼寧降水異常偏少。

圖10 2015 年初夏遼寧異常少雨的高低空環(huán)流特征示意圖

5 2015 年異常環(huán)流形成的可能機制

對于大尺度環(huán)流異常的形成原因，除與大氣內(nèi)部動力學因素有關(guān)外，海溫等外強迫因子的影響也很重要。由海表面溫度異常（圖11a）可知，2015 年6—7 月40°N 以北的北太平洋海溫呈“東高西低”型分布，由此導致的Walker 型環(huán)流在北太平洋東部上升，在東北亞至北太平洋西部下沉（圖11b），可見遼寧地區(qū)上空局地異常下沉運動的產(chǎn)生與這種由海表面溫度異常導致的大規(guī)模上升和下沉運動是密切相關(guān)的。

6 結(jié)論

本文利用NCEP/NCAR 逐日再分析資料和遼寧省逐日站點降水資料，分析2015 年初夏遼寧降水的時空變化特征，并對比遼寧初夏典型少雨年的環(huán)流異同，在此基礎(chǔ)上重點分析了2015 年初夏遼寧降水異常的大尺度環(huán)流特征。得到以下結(jié)論：

（1）2015 年初夏，遼寧全省降水量嚴重偏少，與氣候平均值相比偏少2.3 個標準差，為1962 年以來同期最嚴重的少雨事件。降水異常偏少時段是6 月14 日—7 月22 日，全省降水量較常年偏少4~8 成，其中大連南部地區(qū)偏少8 成以上。

（2）2015 年初夏遼寧降水異常偏少的高低空環(huán)流特征并不是共性。對比6 個典型少雨年的環(huán)流特征可知，雖然典型年份各層異常環(huán)流及垂直運動均表現(xiàn)為低層輻散、高層輻合及垂直異常下沉運動，但在西南暖濕氣流輸送、西太副高強度和位置以及西風急流強度和位置3 個方面各有不同。西風急流方面，1997 年和2000 年急流異常偏弱，遼寧未受急流影響，其余4 a 遼寧均位于急流軸以北，但急流強度和位置有所區(qū)別。對于西太平洋副高，除1992 年和1997 年明顯偏弱偏東外，其余4 a 偏南偏東。西南暖濕氣流輸送方面，除1992 年和2015 年外，其余4 a均有西南暖濕氣流輸送。

（3）高低空大尺度環(huán)流系統(tǒng)的異常配置是導致2015 年初夏遼寧降水嚴重偏少的環(huán)流成因。2015 年初夏，200 hPa 高空西風急流較氣候平均位置偏南強度偏強，遼寧位于急流軸以北，高層輻合不利于上升運動的發(fā)展。500 hPa 遼寧受弱槽控制并處于位勢高度正距平區(qū)，冷空氣位置偏北，東北冷渦不活躍，對遼寧影響較小；西太平洋副熱帶高壓較氣候平均偏東偏南，東亞副熱帶鋒區(qū)偏東偏南，遼寧缺少冷暖空氣交綏。850 hPa 低空西南急流較氣候平均偏東偏南，遼寧處于弱偏西氣流控制中，缺少偏南暖濕水汽輸送及低層輻合上升運動。

（4）異常下沉是2015 年初夏遼寧降水異常偏少的局地環(huán)流成因。水平環(huán)流場，200 hPa 遼寧位于異常氣旋性環(huán)流東部橫槽內(nèi)的強輻合區(qū)，500 hPa 遼寧位于異常反氣旋東南側(cè)和異常氣旋東北側(cè)的偏東氣流匯合區(qū)，850 hPa 遼寧位于異常反氣旋西南側(cè)和異常氣旋西北側(cè)的偏東氣流輻散區(qū)，導致垂直方向上高層輻合、低層輻散，為異常下沉運動。這種局地異常下沉運動與海表面溫度異常導致的大規(guī)模上升和下沉運動密切相關(guān)，2015 年6—7 月40°N 以北的北太平洋海溫呈“東高西低”分布型，由此導致的Walker 型環(huán)流在北太平洋東部上升，在東北亞至北太平洋西部下沉。