楊慶怡 朱姜韜 田韜

摘要 基于1961—2018年甘肅省逐日降水格點資料和NECP/NCAR再分析資料，依據(jù)逐年降水變化“東西反向”型分布模態(tài)，將甘肅以104°E為界分為東西兩區(qū)開展不同強度的降水事件變化研究及成因分析。結果表明：中降水事件在兩區(qū)夏季降水的占比均超46%，占主導作用；西區(qū)強、中降水事件發(fā)生頻次呈上升趨勢，東區(qū)各強度降水事件頻次均呈下降趨勢。天氣成因分析表明，甘肅東西區(qū)降水偏強時，南亞高壓異常增強，提供了較好的高空輻散條件，西太平洋副熱帶高壓偏強、偏北或偏西，中緯度地區(qū)“+-+”的位勢高度異常促使冷暖空氣增強并交匯于甘肅地區(qū)，西風帶波動小槽的發(fā)展，配合近地層高原東側低渦將低緯度水汽接力向西北輸送，導致降水發(fā)生；相較于東區(qū)，西區(qū)降水夏季風系統(tǒng)異常更強，西風帶波動顯著，位勢高度負異常位置偏北。

關鍵詞 不同強度降水；夏季風；南亞高壓；西風急流；甘肅東西區(qū)

中圖分類號 S162

文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2024）02-0197-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.02.043

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Analysis of the Weather Causes of Summer Precipitation Events with Different Intensities in the Eastern and Western Regions of Gansu Province

YANG Qing-yi，ZHU Jiang-tao，TIAN Tao

（1.Lanzhou Resources and Environment Vocational and Technical University， Lanzhou， Gansu730021;2.School of Atmospheric Science， Lanzhou University， Lanzhou， Gansu730000;3. Chinese People’s Liberation Army93811Unit， Lanzhou， Gansu730000）

Abstract Based on the daily precipitation grid data and NECP/NCAR reanalysis data from1961to2018in Gansu Province， and based on the “east-west reverse” distribution mode of annual precipitation changes， Gansu was divided into two regions with104°E as the boundary to conduct research on precipitation event changes of different intensities and analyze their causes.The results showed that the proportion of moderate precipitation events in summer precipitation in both regions exceeded46%， accounting for the dominant role;the frequency of strong and moderate precipitation events in the western region showed an upward trend， while the frequency of various intensity precipitation events in the eastern region showed a downward trend.The analysis of weather causes showed that when the precipitation in the eastern and western regions of Gansu was relatively strong， the South Asian high pressure abnormally strengthened， providing good conditions for high-altitude divergence. The subtropical high pressure in the western Pacific was relatively strong， northward or westward， and the abnormal height of the “+-+” potential in the mid latitude region promoted the enhancement of cold and warm air and its convergence in the Gansu region. The development of the fluctuation trough in the westerly belt， combined with the low vortex on the eastern side of the near surface plateau， will relay low latitude water vapor to the northwest， leading to precipitation.Compared to the eastern region， the summer monsoon system of precipitation in the western region was more anomalous， with significant fluctuations in the westerly belt and a negative anomaly position in the geopotential height towards the north.

Key words Precipitation of different intensities;Summer monsoon;South Asian high pressure;Westerly jet;Eastern and western regions of Gansu Province

基金項目 蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術大學科技創(chuàng)新團隊項目“甘肅河西NDVI演變特征及其對不同強度降水變化的響應”（X2022A-04）。

作者簡介 楊慶怡（1990—），女，甘肅天水人，講師，碩士，從事農業(yè)氣象、氣候變化與氣象災害等研究。

收稿日期 2023-01-12

有研究指出，近幾十年我國西北干旱半干旱區(qū)降水有增多趨勢，極端降水的頻次和強度都有增加，且越干旱的地區(qū)增加趨勢越大。甘肅省位于西北內陸，近年來除高原東北側的中東部降水有下降趨勢外，省內其余地區(qū)降水呈上升趨勢。不同強度降水變化表現(xiàn)出甘肅東部減少、西部較大強度降水增加。在汛期，較小等級降水減少，較強等級降水增加，15～80mm的降水量占主導并表現(xiàn)出東部減少、西部增加的現(xiàn)象。這些研究凸顯了甘肅降水顯著的區(qū)域性特征。

甘肅地形跨度大，其東南部位于夏季風末端，降水發(fā)生與夏季風系統(tǒng)關系密切，西太平洋副熱帶高壓偏強偏西時降水增多，偏弱偏東時降水偏少。對河東地區(qū)，甘南高原海拔高、水資源充足，氣候變暖促進內部水循環(huán)使得降水增多；其余地區(qū)降水發(fā)生由輸入性水汽占主導。此外，甘肅東部地區(qū)降水與高原地表感熱呈負相關。甘肅西部因特殊的地理位置和地形特征，季風傳輸?shù)呐瘽駳饬麟y以到達，同時高原的動力作用，不利降水天氣系統(tǒng)維持，導致降水稀少；就近些年甘肅西部降水增加現(xiàn)象，有學者認為與西風環(huán)流加強導致水汽輸送增加。有學者認為與ENSO、南亞高壓、高原加熱場的單獨或者相互聯(lián)動對夏季風和西風帶共同但相反的作用有關。還有學者指出需考慮氣候增暖對積雪、冰川消融引起的內循環(huán)變化。由此可見，甘肅地區(qū)降水尤其是西部降水異常的成因較復雜。綜上，針對甘肅降水變化及成因的研究已取得一定的成果，然而對于全省不同區(qū)域不同強度降水變化及成因的研究還需進一步加強。該研究對甘肅降水開展分區(qū)（東西區(qū)）、分強度（弱、中、強）的研究，揭示不同區(qū)域不同強度降水下大氣環(huán)流的主要特征，對于豐富甘肅降水特征及機制認識有科學意義。

1 資料與方法

1.1 資料選取

1961—2018年CN05.1逐日降水格點數(shù)據(jù)，水平網(wǎng)格距為0.25°×0.25°；NCEP逐月再分析數(shù)據(jù)，水平網(wǎng)格距為2.5°×2.5°，垂直方向上由1000hPa到10hPa共17層，包括位勢高度場、溫度場、風場及比濕數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

采用百分位法，取第90和第50百分位值作為該格點日降水量的降水閾值；根據(jù)某日達到某一閾值的格點數(shù)占總格點數(shù)的比例，定義強、中、弱降水事件為：①強降水事件，當日降水量超過第90百分位閾值的格點占比大于50%，記該日為一次強降水事件；②中降水事件，當日降水量超過第50百分位閾值的格點占比大于50%，且超過第90百分位閾值的格點占比小于50%，記該日為一次中降水事件；③弱降水事件，當日降水量超過0.1mm的格點占比大于50%，并且降水量超過第90百分位值及第50百分位值的格點占比均小于50%，記該日為一次弱降水事件。該方法可以有效避免在甘肅西部這樣干旱、半干旱地區(qū)篩選不到傳統(tǒng)極端降水事件的不足。

文中選取并計算分析以下4個指數(shù)：①東亞夏季風指數(shù)，850和200hPa的緯向風垂直切變，范圍在0°～10°N、100°～130°E。②南亞夏季風指數(shù)，850和200hPa緯向風的垂直切變，范圍在0°～20°N、40°～110°E。③南亞高壓強度指數(shù)，北半球200hPa位勢高度大于12520gpm的所有網(wǎng)格點位勢高度值加權計算的結果。④西風急流指數(shù)，200hPa空間范圍在35°～45°N、50°～105°E的平均緯向風。

2 甘肅東西區(qū)不同強度降水變化特征及成因

2.1 東西區(qū)不同強度降水變化特征

甘肅省年降水量呈東南多、西北少，空間分布梯度大。年內降水量先波動上升再波動下降；月降水量在12月和1月不足5mm，在7月和8月近70mm。年際變化來看，1970年之前年際降水變化波動幅度大，1970年開始波動幅度明顯減小且緩慢上升，1984年出現(xiàn)一次小峰值，之后波動下降至1997年降水異常偏少，為研究時段的年均最低值；此后又波動上升，到2018年出現(xiàn)年降水量超過430mm的極大值（圖1）。

對全省逐年降水量進行EOF分解（圖2），第1模態(tài)貢獻達到52.48%，反映研究時段內全區(qū)降水變化最顯著的特征，時間系數(shù)為正（負），表明降水量異常偏多（少）。第2模態(tài)貢獻值20.35%，呈現(xiàn)西正東負的分布形態(tài)，2012年之后的時間系數(shù)持續(xù)正值且異常偏大，說明在甘肅省104°E以西地區(qū)降水量異常偏多，而以東地區(qū)的降水量異常偏少，這也表明甘肅省東西部降水量之間存在相反的變化趨勢。為了詳細探究甘肅省不同強度降水變化特征，基于第2模態(tài)以104°E為界，將甘肅省分為東西2個區(qū)域，開展分區(qū)域的降水研究。

小波分析（圖3）顯示，西區(qū)僅夏季逐年降水量在1970—1980年存在2～4年的振蕩周期；東區(qū)夏季降水量和逐年降水量在2010年之前均存在明顯的2～4年振蕩信號，在1980—1990年還有4～8年的振蕩周期，東西區(qū)逐年、夏季逐年降水量的振蕩周期差異大，反映出東西區(qū)降水內在變化及影響機制有明顯的不同，這也說明開展分區(qū)研究的必要性。

由于降水集中于夏季，取夏季降水量為研究對象。分別統(tǒng)計強、中、弱降水事件下降水分布及其在夏季降水量的占比，結果如圖4所示。西區(qū)夏季總降水量自南向北遞減；不同強度降水量與夏季總降水量的分布具有一致性。中降水事件在西區(qū)夏季降水量的比重最高，達47.43%，強、弱事件分別為24.27%和24.48%。東區(qū)夏季降水量總體較大，中、弱降水事件總降水量分布形態(tài)與夏季總降水量一致，最大值出現(xiàn)在隴南南部邊緣，而強事件的降水最大值位于隴東的平?jīng)龅貐^(qū)。東區(qū)中降水在夏季降水所占比重達46.6%，強降水為38.74%，弱降水僅為13.54%。

從西區(qū)不同強度降水事件的發(fā)生頻次（圖5a）來看，1961—2018年西區(qū)強降水事件年均頻次約為4次，呈緩慢上升；中降水事件年均發(fā)生頻次約25次，上升趨勢顯著，2012年之后出現(xiàn)集中且顯著增加；弱事件年均頻次約45次，微弱下降。東區(qū)各類強度降水事件的年均發(fā)生頻次（圖5b）均較西區(qū)高，且均呈下降趨勢，弱降水和中降水事件的下降趨勢更明顯，這一特征同樣在2012年以后表現(xiàn)得更為集中且顯著。

2.2 東西區(qū)不同強度降水成因分析

為了揭示甘肅省東西區(qū)不同強度降水的環(huán)流形勢特征，分別對東西區(qū)不同強度降水事件進行合成分析（圖6～8）。

200hPa高度（圖6），西區(qū)強降水事件下西風帶上有強烈波動，急流帶西側位于里海上空的急流中心略偏北，急流帶東側位于我國北方上空的急流中心并分裂為2個子中心；南亞高壓的強度偏強位置偏北，其東北部12520gpm等值線延伸至甘南、隴南一帶。西區(qū)中降水事件下西風帶波動較強降水事件減弱，西側急流中心仍略偏北，東側急流中心較氣候態(tài)偏強并向東延伸；南亞高壓較氣候態(tài)偏強偏北，其東北端12520gpm 仍在甘肅境內，但較西區(qū)強降水有所南移。西區(qū)弱降水事件下的西風急流無明顯異常，南亞高壓較氣候態(tài)略微增強。東區(qū)強降水中西風帶東側急流中心偏強且位于甘肅西部上空，甘肅東區(qū)位于急流底部；南亞高壓較氣候態(tài)偏強，12520gpm等值線東北部在甘肅省南部邊緣。東區(qū)中降水、弱降水事件下急流中心強度逐級減弱，南亞高壓脊線位置逐級南移。

從東西區(qū)降水來看，隨著南亞高壓的脊線向東北推進，兩區(qū)降水強度均在增強；同一強度降水事件中，西區(qū)降水對應的南亞高壓中心強度范圍較東區(qū)降水更強，中緯度西風急流波動更明顯。

500hPa高度（圖7），西區(qū)強降水事件下的西太平洋副熱帶高壓較氣候態(tài)明顯偏強；北半球中緯度位勢高度場存在“+-+”異常結構，在烏拉爾山以東和貝加爾湖以南有強大的位勢高度正異常，在新疆、青海和甘肅三省交界地帶對應位勢高度負異常，甘肅西區(qū)處于負異常中心，利于北方冷空氣南下；同時西風環(huán)流有較強波動并伴隨槽脊活動，高原東北側上空有一小槽，甘肅西區(qū)位于槽前，促進上升氣流發(fā)展，冷空氣和上升運動為強降水的發(fā)生提供了有利的條件；中降水事件的環(huán)流特征與強降水事件相似，但異常強度均較強降水事件減弱；弱降水事件西區(qū)位于弱脊區(qū)且對應微弱的位勢高度正異常，總體不利于較大降水發(fā)生。東區(qū)強、中降水事件下，西太平洋副熱帶高壓較氣候態(tài)偏強或偏北；在北半球中緯度地區(qū)位勢高度場依然有“+-+”的異常結構，烏山以東和我國渤海灣有位勢高度正異常，青藏高原東北側的低渦從青海、甘肅延伸到貝湖一帶，位勢高度場異常分布有利于西北向的偏冷空氣和東南向的偏暖濕空氣向低渦區(qū)域輸送，促進降水的發(fā)生；東區(qū)中降水事件的位勢場異常較強降水事件減弱，弱降水事件下的甘肅東區(qū)位于位勢高度場“+-”異常的交匯地帶，降水條件進一步減弱。

東西區(qū)降水對比發(fā)現(xiàn)，西太平洋副熱帶高壓始終偏強或偏西或偏北；但是西區(qū)強、中降水事件發(fā)生時西風帶波動更顯著；并且，西區(qū)降水事件下的位勢高度場異常始終強于東區(qū)降水事件，隨著降水強度的加大，異常強度也有相應的增強。

對流層底層空氣水汽含量最大，環(huán)流場的特征關系到水汽的輸送。700hPa高度（圖8），西區(qū)強降水事件中整個歐亞大陸對應龐大的位勢高度正異常，甘肅西區(qū)位于其右后方，反氣旋式環(huán)流能促進東南向水汽向西區(qū)輸送；同時高原東側甘肅南部到四川一帶有位勢高度負異常中心，氣旋式環(huán)流能將低緯度地區(qū)來的暖濕氣流接力向西北輸送，對于遠離水源的內陸干旱地區(qū)，增大的水汽輸送足以引起甘肅西區(qū)較強降水事件發(fā)生；中、弱降水事件下的位勢高度異常較強降水事件逐級顯著減弱，這意味著水汽的輸送量也相應減小。東區(qū)強降水事件下甘肅西區(qū)有位勢高度正異常，致使高原東側四川地區(qū)低渦對低緯度水汽接力式輸送到達甘肅東部地區(qū)，從而在該地形成較強降水事件；在東區(qū)中、弱降水事件下，這種水汽接力式輸送減弱，甚至消失。東西區(qū)降水的主要差異體現(xiàn)在強、中降水事件下西區(qū)偏西南、東南的氣流均強于東區(qū)，對應的水汽輸送也較同強度的東區(qū)降水更強。

3 結論與討論

該研究對甘肅省夏季降水進行分區(qū)分強度研究，分析并比較了不同區(qū)域不同強度降水事件發(fā)生時的大氣環(huán)流成因特征和差異，主要結論如下：

（1）甘肅以104°E為界的東西兩區(qū)降水變化存在相反特征。在西區(qū)中降水事件對夏季降水貢獻最大（47.43%），強、弱降水事件占比相當，分別為24.27%、24.48%；西區(qū)除弱降水事件外，強、中降水事件的發(fā)生頻次均呈現(xiàn)上升趨勢。東區(qū)中降水事件在夏季降水占比為46.60%，強降水事件次之，達38.74%，弱降水事件最少；東區(qū)強、中、弱降水事件的頻次均呈減少趨勢。

（2）東西區(qū)夏季降水共同環(huán)流特征有南亞高壓強度偏強、脊線偏北，西太平洋副熱帶高壓較氣候態(tài)偏強、偏北或偏西，且在東亞中緯度地區(qū)位勢高度場存在“+-+”的異常結構，有利于冷暖空氣在負異常中心匯集；在青藏高原的東側或東北側還有低渦活動，促進了低緯度水汽向西北的輸送，導致降水出現(xiàn)。南亞高壓強度越強、脊線越北，西太平洋副熱帶高壓偏強、偏北或偏西的特征及位勢高度場的異常越顯著時，對應的降水強度越大；西區(qū)降水發(fā)生時，在以上特征基礎上，西風帶上還有劇烈的波動，形成明顯的波動小槽，對流層中層位勢高度場甘肅西區(qū)對應負異常中心而東區(qū)對應正異常，低空的高原東側低渦范圍較大。相較于西區(qū)，東區(qū)降水下西風帶上波動減弱，但急流中心的強度有所增強，急流中心向東延伸，且此時對流層中層甘肅地區(qū)對應的負異常中心對應甘肅東部，高原以東低渦也較西區(qū)降水弱，偏南支水汽輸送量較西區(qū)降水減小。

甘肅省位于大陸腹地，除了夏季風系統(tǒng)影響之外，高原季風、極渦、積雪覆蓋等也都會影響到該地的夏季降水。該研究主要對不同強度降水事件下的大尺度環(huán)流特征進行分析，以后還進一步探究其他大氣外部和內部因子對甘肅夏季降水的協(xié)同作用，并且深入分析大、中、小尺度的共同作用對于降水形成機制的影響。

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