華北夏季旱澇時空分布特征及環(huán)流分析

楊帥+周鵬+單琨

摘要 為分析華北基本氣候概況，首先統(tǒng)計1951—2013年夏季6—8月以及3個月平均降水情況，然后分析3個月降水區(qū)域距平，并進行夏季平均降水時空分析及500、700、850 hPa的環(huán)流分析。結(jié)果表明，華北夏季各月降水遞減，轉(zhuǎn)變發(fā)生在20世紀80年代。時空分析中，距平場的前3個特征量的累積解釋方差達到54%，也出現(xiàn)類似于區(qū)域距平分析結(jié)果，即華北的確在變干旱。不同高度的旱澇環(huán)流分析表明，對華北降水影響較大的是副高，其位置的異常使華北降水變化很大，引起旱澇變化。

關(guān)鍵詞 夏季降水；旱澇變化；時空分布；環(huán)流分析；華北地區(qū)

中圖分類號 P434 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）24-0181-05

Temporal and Spatial Distribution Characteristics and Circulation Analysis of Drought and Flood in

Northern China in Summer

YANG Shuai ZHOU Peng SHAN Kun

（Langfang Meteorological Bureau in Hebei Province，Langfang Hebei 065000）

Abstract In order to analyze the basic climate profile in northern China，the average precipitations of June，July，August and the three months during 1951-2013 were counted，and then the precipitation anomalies of the three months were analyzed.The temporal and spatial analysis of summer precipitation and the circulation analysis of 500 hPa，700 hPa and 850 hPa were conducted.The results showed that in anomaly analysis，the precipitation in the summer of northern China was decreasing，and the change occurred in the 1980s. In the spatiotemporal analysis，the cumulative explanatory variance of the first three feature quantities of the anomalies was 54%，and the results were similar to the regional anomalies，which indicated northern China was getting drought. The analysis of diastolic and diversion of different heights showed that subtropical high had a great effect on the precipitation in northern China. The abnormal position of the subtropical high affected the great change of precipitation in northern China，causing the drought and flood changed.

Key words summer precipitation；drought and flood change；temporal and spatial distribution；circulation analysis；northern China

華北夏季旱澇變化對工農(nóng)業(yè)產(chǎn)生很大影響，如果一年中高強度旱澇的日數(shù)多，在這一年就容易出現(xiàn)旱災(zāi)、水災(zāi)等災(zāi)害以及其他的次生災(zāi)害。夏季降水是華北旱澇發(fā)生的主要影響因素，20世紀60年代中期以后，華北夏季降水呈現(xiàn)減少趨勢，特別是70年代以來華北變旱趨勢更加明顯。趙聲蓉等[1]利用1980—1994年NCEP逐月的再分析資料（高度場）及160個站的降水量資料，采用奇異值分解方法研究華北汛期降水的多寡與500、200 hPa歐亞大陸中高緯地區(qū)大氣環(huán)流異常的可能聯(lián)系。郝立生等[2]利用ERA-40再分析資料和中國160個測站的降水資料分析華北地區(qū)1958—2002年多年平均的夏季大氣水汽含量和水汽輸送基本特征，研究華北地區(qū)夏季旱、澇年大氣水汽含量及水汽輸送的分布情況，并利用線性回歸方法探討大氣水汽含量與水汽輸送的時間演變特征。譚桂榮等[3]用國家氣象局整編的160個測站月降水量和500 hPa月平均高度場的數(shù)據(jù)，采用相關(guān)分析等方法研究了華北地區(qū)夏季旱、澇的時空分布特征及相應(yīng)的環(huán)流異常。

研究者用各種分析方法分析華北夏季降水與歐亞大陸中高緯地區(qū)大氣環(huán)流、水汽含量和水汽輸送基本特征和環(huán)流異常等影響因素的關(guān)系，但基本上都針對1種或2種因素分析，本文使用1951—2013年6—8月的降水資料，以華北為整體，用EOF分析方法對該地區(qū)不同等級降水的時空特征進行分析，同時分析華北夏季降水與500、700、850 hPa高度環(huán)流的關(guān)系，以期獲得不同等級降水的時空分布狀況及降水變化的主要影響因素。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

首先統(tǒng)計1951—2013年華北地區(qū)夏季6—8月以及3個月平均的降水量，再分析夏季降水區(qū)域距平，并對夏季平均降水進行時空分析，對500、700、850 hPa的高度進行環(huán)流場分析。endprint

選取氣象意義上的華北站點資料，該資料包括承德、張家口、北京、天津、石家莊、德州、邢臺、安陽、煙臺、青島、濰坊、濟南、臨沂、菏澤、呼和浩特、包頭、陜壩、鄭州、南陽、信陽、新浦、清江、蚌埠、徐州、阜陽25個站點1951—2013年6—8月的月平均降水資料。資料來自國家氣候中心，以及歐洲中心1948—2013年月平均的位勢高度資料、u風量資料以及v風量資料。

2 結(jié)果與分析

2.1 華北地區(qū)夏季降水的分布狀況

從圖1（a）可以看出，降水分布在南方，由南向北逐漸減少，由東向西也在減少。6月華北降水量在50～100 mm之間，華北雨季是從7月開始，故6月不是華北雨季。圖1（b）中降水分布明顯北移，100～200 mm降水范圍從東北到西南，西部降水較6月多。華北降水量在100～200 mm，比6月的降水增多，證實華北雨季從7月開始。圖1（c）與圖1（b）相比，華北降水量下降，降水量總體雖然在100～200 mm之間，但有些地方已經(jīng)降到50～100 mm，因而100～200 mm總的來說華北降雨量還是在減少。綜上所述，華北雨季主要集中在7月和8月，降水較多，易發(fā)生澇災(zāi)。圖1（d）中夏季降水呈現(xiàn)東部多于西部，南部多于北部，由東南向西北呈現(xiàn)逐漸遞減。降水量在100～200 mm之間，夏季降水比較充沛。

2.2 華北地區(qū)夏季降水的區(qū)域距平

從圖2（a）可以看出，6月降水量相差較大。20世紀80年代以前整個地區(qū)降水較多，也有年份例外。80年代以后華北降水明顯減少，干旱年份增多，從線性趨勢看這63年降水在減少，距平圖中6月降水整體較多，干旱不嚴重。圖2（b）與圖2（a）相比，其遞減率變大，說明7月降水減少明顯，20世紀80年代線性趨勢線由正變負，此后干旱加劇，80年代后出現(xiàn)距平為負值年份比6月多。7月整個降水比6月要少，干旱程度加深，年份增多。圖2（c）與圖2（a）（b）相比，遞減率變化明顯。在8月顯示80年代以后低于平均值年份增多，80年代后期干旱增加。華北地區(qū)63年來逐漸變干旱。1963年7月與8月夏季降水異常突出，華北有較大降水過程，造成澇災(zāi)。在1999年和2002年華北地區(qū)降水很少，造成旱災(zāi)。

從圖2（d）可以看出，華北逐漸干旱，遞減率居中，降水較多年份有1954年、1956年、1963年、1971年、1996年等；較少年份主要有1997年、1999年、2002年等。因此，華北降水逐漸減少，干旱變嚴重。

2.3 華北地區(qū)夏季降水分布的時空變化

夏季降水進行距平場的EOF分析，前3個特征向量的累積解釋方差量為57%。

圖3（a）中，解釋方差為27%，等值線間隔0.05，其對應(yīng)的時間系數(shù)，正負標準差為±132.833，見圖3（b）。從圖3（a）可以看出，華北地區(qū)幾乎一致為同位相分布，北部地區(qū)為負位相。沒有大值中心，南北分布均勻，以0.05的間隔呈現(xiàn)遞減狀態(tài)，變化幅度較小，方差貢獻為27%，該信號表現(xiàn)一般。從圖3（b）可以看出，1954年、1956年、1963年、2000年、2003年、2005年、2007年為較強的負位相，華北地區(qū)較為一致多降水年份，其中1956年最多；1966年、1978年、1985年、1988年、1992年、1999年則為較強的正位相，夏季華北較為一致的少降水年份，其中以1966年最少。時間系列中表現(xiàn)為正負位相的交替出現(xiàn)，但在1980年以前全區(qū)表現(xiàn)為負距平總量大于正距平總量，在1980年以后全區(qū)的正距平總量大于負距平總量，表明20世紀80年代到現(xiàn)在華北夏季降水明顯減少。

圖4（a）中，解釋方差為17%，等值線間隔0.05，其對應(yīng)的時間系數(shù)見圖4（b）。華北夏季降水以河北南部為中心向四周遞減分布，表現(xiàn)為正值，方差貢獻為17%。時間系列中1953年、1958年、1963年、1964年、1973年、1996年該空間型為強正位相，夏季較常年表現(xiàn)為多降水年份，而1963年表現(xiàn)較為突出。1965年、1968年、1972年、1983年、1997年、2002年該空間型為較強負位相，夏季表現(xiàn)為少降水年份，而1968年的少降水狀況較為突出。長期來講，該空間型表現(xiàn)為正負相位交替，20世紀80年代以前正位相為主，之后負相位為主。前2個特征向量方差之和占總方差貢獻的44%，表現(xiàn)為80年代以后夏季干旱逐漸加重。

圖5（a）中，解釋方差為13%，等值線間隔0.05，其對應(yīng)的時間系數(shù)見圖5（b）。從圖5（a）中看出，夏季降水由東向西逐漸遞增，山西中部形成小中心，方差貢獻為13%。時間系列中1954年、1956年、1977年、2002年空間型為較強正位相，夏季較常年表現(xiàn)為多降水年份，1954年降水較為突出。1960年、1971年、1974年空間型表現(xiàn)為較強負位相，夏季表現(xiàn)少降水年份。從長期來講，該空間型表現(xiàn)出正負位相交替，在1980年之前，負距平總量大于正距平總量，在1980年后，正距平總量大于負距平總量，從20世紀80年代到現(xiàn)在夏季降水明顯減少。

華北夏季降水變化具有較大的空間尺度特征，20世紀80年代到現(xiàn)在降水逐漸減少，呈干旱趨勢，與前面分析降水距平變化以及夏季3個月降水平均值分布狀況結(jié)論吻合。

2.4 華北地區(qū)夏季旱澇環(huán)流分析

2.4.1 500 hPa旱澇環(huán)流。從圖6（a）可以看出，夏季副高位于日本東南方西太平洋，高緯地區(qū)呈現(xiàn)多波動，同期副高西南和東南風都在向華北地區(qū)輸送水汽向大量水汽聚及副高穩(wěn)定，華北易產(chǎn)生雨澇。從圖6（b）可以看出，副高有完整的閉合中心，比雨澇年份副高控制范圍大，位置偏東，中高緯度呈現(xiàn)出多波動。在風場中有類似于雨澇年份的西南和東南向風，由于完整副高中心，風向為較雨澇年份的偏東，水汽不會到達華北，形成干旱，這是華北形成雨澇與干旱的原因。比較2種距平圖，雨澇年份距平圖存在很多中心，高于、低于平均值都存在，主要看副高位置，副高比平均值基本持平位置偏北范圍較小。干旱年份有類似情況，見圖6（f），但副高范圍較大，兩圖主要區(qū)別是副高范圍以及位置，雨澇年份的副高的范圍較大位置偏南，而干旱年份的副高的范圍較小位置偏北，是華北干旱雨澇形成的主要原因之一。endprint

2.4.2 700 hPa旱澇環(huán)流。從圖7（a）可以看出，副高對底層影響明顯，在東亞地區(qū)呈現(xiàn)出2個高值中心，存在于西太平洋洋面與伊朗高原，整個中國區(qū)域呈現(xiàn)低槽，中高緯呈現(xiàn)多波動形態(tài)，西南水汽易向華北輸送，形成華北雨澇。同期青藏高原風向存在輻合，見圖7（c），西南及東南風吹向華北，提供充足水汽條件。從圖7（b）可以看出，高度場上副高在西太平洋閉合中心，強度比雨澇年份明顯減弱，位置較雨澇年份偏北，中高緯度也呈現(xiàn)出多波動型。從圖7（d）可以看出，風場中有類似于雨澇年份西南和東南向風，水汽不能輸送到華北，形成干旱年份。青藏高原底層形成輻合，高層形成高壓見圖7（c）（d），造成干旱與雨澇的主要原因是副高位置變動，水汽不能到達華北。從圖7（e）（f）可以看出，2種年份副高位置以及范圍大小與500 hPa時的情況一致，雨澇年份副高位置偏南，干旱年份副高位置偏北，即使有副高后方西南和東南水汽輸送，也不會輸送到華北，形成干旱狀況。圖7（e）（f）副高不同狀態(tài)造成華北雨澇與干旱的不同情況。

2.4.3 850 hPa旱澇環(huán)流。從圖8（a）可以看出，副高作用明顯，在蒙古有低壓，華北處于槽前，位于副高和低壓之間，易形成鋒面，形成大的降水造成華北雨澇。在高原以及內(nèi)蒙古地區(qū)低壓，易形成雨澇年份。分析圖8（b）同期華北干旱年份的多年平均分布，在850 hPa高度場上，在蒙古地區(qū)沒有低壓，副高位于洋面上，此時華北處于大槽前，不利于降水的形成，形成華北少雨，從而形成干旱。從圖8（d）可以看出，在高原和東北地區(qū)存在著輻合，易形成降水，由于副高后方的西南水汽和東南水汽的輸送，雖經(jīng)過華北但是由于東北輻合，降水落到東北地區(qū)，形成華北干旱。此時分析圖8（e）（f）副高的位置以及范圍的分布更加明顯，印證在500、700 hPa高度場上的分析。

華北雨澇與干旱主要受副高影響，位置的偏北或偏南直接導(dǎo)致水汽是否可以輸送到華北地區(qū)，形成副高位置偏南年份形成雨澇，偏北年份形成干旱。副高位置以及范圍的分布是造成華北雨澇及干旱主要原因。

3 結(jié)論與討論

利用國家氣候中心1951—2013年的6月、7月、8月的月平均降水資料以及歐洲中心1948—2013年的月平均位勢高度資料、u風量及v風量資料，得出如下結(jié)論：

（1）在對華北夏季各月降水區(qū)域距平以及3個月平均區(qū)域距平的研究中發(fā)現(xiàn)，區(qū)域距平都顯示出華北降水遞減趨勢，該現(xiàn)象在7月和8月區(qū)域距平中表現(xiàn)最明顯，這種干旱的轉(zhuǎn)變發(fā)生在20世紀80年代。

（2）華北時空分析中利用的距平場的前3個特征量的累積解釋方差達到54%，基本反映了華北地區(qū)降水狀況。但在時空分析過程中，出現(xiàn)類似于區(qū)域距平的結(jié)果，華北確實在變干旱，這種變化也發(fā)生在20世紀80年代，進一步說明華北逐漸變干旱。

（3）對華北地區(qū)不同高度旱澇環(huán)流分析發(fā)現(xiàn)，對華北降水影響較大的是副高。副高位置的異常使降水發(fā)生很大變化，造成華北旱澇的出現(xiàn)[4-6]。

本文僅對華北夏季降水時空分布規(guī)律以及旱澇年份的旱澇變化進行統(tǒng)計分析，其特征的形成機理還有待進一步分析和探索。

4 參考文獻

[1] 趙聲蓉，宋正山.華北汛期旱澇與中高緯大氣環(huán)流異常[J].高原氣象，1999（4）：535-540.

[2] 郝立生，閔錦忠，姚學(xué)祥.華北地區(qū)夏季降水減少的原因分析[J].干旱區(qū)研究，2007（4）：522-527.

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