內(nèi)蒙古中西部地區(qū)2018年夏季異常多雨成因

劉 煒，趙艷麗

（內(nèi)蒙古自治區(qū)氣候中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

引 言

在全球氣候變暖背景下，近年來災(zāi)害性天氣、極端氣候事件頻發(fā)［1－3］，其中旱澇災(zāi)害很大程度上影響了國家經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展。內(nèi)蒙古地區(qū)是我國畜牧業(yè)的主要基地，氣候異?？芍苯佑绊懺搮^(qū)牧草的生長，從而影響牲畜的生長、發(fā)育和繁殖［4］。2018年夏季我國降水時空分布極不均勻，極端強降水事件頻發(fā)，黃河流域及其以北大部地區(qū)降水較同期偏多2成以上，其中內(nèi)蒙古中西部偏北地區(qū)降水偏多5成以上，發(fā)生較嚴重的洪澇災(zāi)害。因此，充分了解此次夏季異常多雨事件的環(huán)流特征及其影響因子，對提高內(nèi)蒙古汛期氣候預(yù)測水平以及做好農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)都有極為重要的意義。

大范圍降水異常是大氣環(huán)流異常的結(jié)果［5］。亞洲緯向環(huán)流異常通過影響西風急流軸位置和緯向西風強度，進一步影響內(nèi)蒙古地區(qū)夏季降水的多寡［6］，中高緯阻塞高壓的穩(wěn)定維持與否是導致內(nèi)蒙古地區(qū)夏季旱澇的一個重要原因［7－10］，阻塞高壓活躍可以使環(huán)流經(jīng)向度增大，有利于冷空氣南下。除中高緯系統(tǒng)影響外，低緯暖濕系統(tǒng)也是夏季雨帶形成的必要因素［11］。內(nèi)蒙古地處我國北方內(nèi)陸地區(qū)，其夏季降水在一定程度上還受東亞夏季風的影響。當東亞夏季風較強時，大氣環(huán)流和水汽輸送均有利于內(nèi)蒙古地區(qū)夏季降水，而長江中下游一帶則表現(xiàn)為少雨形勢［12－14］。高空急流能夠通過次級環(huán)流改變環(huán)境場的輻合輻散和垂直運動，且7月急流位置指數(shù)與河套地區(qū)降水存在顯著負相關(guān)［15］。此外，CCM3氣候模式模擬的夏季最大降水中心的降水量與中國河套及其附近地區(qū)200 hPa緯向風具有顯著的正相關(guān)關(guān)系［16］。

然而，以往關(guān)于內(nèi)蒙古地區(qū)汛期降水的研究大部分是從單個或幾個影響因子進行展開，缺乏影響系統(tǒng)間的配置研究，且大多將全區(qū)視為一個整體。內(nèi)蒙古東西向橫跨西北、華北和東北三個區(qū)域，降水區(qū)域分布極為不均，視為一個整體則無法突出區(qū)域降水特征。為此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對內(nèi)蒙古地區(qū)降水進行分區(qū)，重點分析2018年夏季降水異常偏多地區(qū)在降水異常時段的環(huán)流特征及高低空影響系統(tǒng)間的配置，探討降水異常偏多的成因，以期為進一步做好內(nèi)蒙古汛期降水預(yù)測提供一定參考。

1 資 料

所用資料為內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象信息中心1961—2018年內(nèi)蒙古107站逐日降水量以及美國國家環(huán)境預(yù)報中心／國家大氣科學研究中心（National Center for Enviromental Prediction／National Center for Atmospheric Research，NCEP／NCAR）1981—2018年逐日再分析資料，水平分辨率為2.5°×2.5°［17］。

定義夏季為6月1日至8月31日，共計92 d；氣候平均值為1981—2010年30 a平均。

2 內(nèi)蒙古2018年夏季降水異常分布特征

2018年夏季內(nèi)蒙古地區(qū)降水量顯著偏多，且過程雨量大、局地極端降水強，中西部大部及東部偏北大部地區(qū)夏季降水量偏多25%～367%（額濟納旗），其余地區(qū)接近常年或偏少25%～36%［圖1（a）］。2018年夏季全區(qū)平均降水量為257 mm，較歷史同期平均偏多43.6 mm，為1961年以來同期第11位，2000年以來第3位。其中，7月全區(qū)平均降水量為129.3 mm，為1961年以來同期第4位，2000年以來第1位。從2018年7月降水距平百分率空間分布［圖1（b）］看出，除東部偏南地區(qū)降水偏少外，其余大部地區(qū)降水偏多，尤其是中西部大部地區(qū)偏多5成至4倍。

上述分析可見，2018年7月降水距平與夏季的空間分布極為相似，尤其是中西部偏多區(qū)域基本吻合，那么內(nèi)蒙古中西部地區(qū)2018年7月降水量占整個夏季的比重如何？考慮到內(nèi)蒙古東、西部降水分布嚴重不均，將1981—2018年內(nèi)蒙古107站7月降水量做旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗正交分解（REOF），發(fā)現(xiàn)空間第一旋轉(zhuǎn)模態(tài)上內(nèi)蒙古中西部地區(qū)為降水敏感區(qū)域，中心位于河套地區(qū)［圖2（a）］，方差貢獻率為21.7%。由于模態(tài)高值中心站點能較好地代表該區(qū)域氣候特征，故而將REOF第一模態(tài)敏感區(qū)內(nèi)超過1倍標準差站點（53站）的平均降水序列作為中西部地區(qū)降水。從其標準化時間系數(shù)［圖2（b）］看出，2018年7月是內(nèi)蒙古中西部地區(qū)自1981年以來同期降水最多的一年，超過2倍標準差。經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，1981—2010年內(nèi)蒙古中西部地區(qū)7月降水量占整個夏季降水量的比例平均為39.7%，而2018年的占比達54.4%，部分站點甚至高達1.5倍之多，表明內(nèi)蒙古中西部地區(qū)2018年夏季降水量主要來源于7月降水量。下文將重點分析內(nèi)蒙古中西部地區(qū)2018年7月降水異常偏多的環(huán)流特征。

3 內(nèi)蒙古中西部地區(qū)2018年7月降水異常偏多成因

3.1 500 hPa高度場

環(huán)流異常通常是影響降水最直接的因素。從2018年7月500 hPa位勢高度場及其距平場（圖3）看出，貝加爾湖及其西側(cè)受高空槽控制，且為負距平，烏拉爾山及鄂霍次克海地區(qū)均有阻塞高壓維持，中高緯地區(qū)自西向東呈“＋、－、＋”的分布，環(huán)流經(jīng)向度加大，為冷空氣南下創(chuàng)造了有利條件。另外，低緯地區(qū)西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱“西太副高”）整體位置有利于內(nèi)蒙古中西部地區(qū)產(chǎn)生降水：與氣候平均態(tài)相比（圖3、表1），西太副高強度偏強，西伸脊點略偏西，脊線位置較常年偏北約7個緯度，超過3倍標準差，這種分布型使得東亞副熱帶鋒區(qū)位置異常偏北，有利于暖濕氣流沿副高外圍輸送到我國北方地區(qū)，并與貝加爾湖南側(cè)槽前西南氣流匯合共同影響內(nèi)蒙古中西部地區(qū)。

圖1 2018年夏季（a）和7月（b）降水距平百分率空間分布（單位：%）Fig.1 Spatial distribution of precipitation anomaly percentage in Inner Mongolia in summer（a）and July（b）of 2018（Unit：%）

圖2 內(nèi)蒙古地區(qū)1981—2018年7月降水量REOF第一模態(tài)空間分布（a，其數(shù)值放大了100倍）及標準化時間系數(shù)（b）（●為中西部地區(qū)的53個代表站）Fig.2 Spatial distribution of the first REOF mode of precipitation in July（a，the values amplified by 100 times）and normalized time coefficient（b）over Inner Mongolia during 1981－2018（the solid dots for 53 representative stations in middle and western Inner Mongolia）

圖3 2018年7月500 hPa位勢高度場（等值線）及其距平場（陰影）（單位：dagpm）（紅色實線為586、588 dagpm氣候平均態(tài)）Fig.3 The 500 hPa geopotential height field（contours）and its anomaly field（shadows）in July 2018（Unit：dagpm）（the red solid lines for climatological mean line of 586 and 588 dagpm）

表1 2018年7月西太副高特征指數(shù)與氣候態(tài)對比Tab.1 The comparison of feature indices of the western Pacific subtropical high in July 2018 with climatological mean state

3.2 水汽輸送

水汽輸送是構(gòu)成大氣水循環(huán)過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，降水的產(chǎn)生與其密切相關(guān)［18］。因此，計算了2018年7月對流層整層的水汽通量距平和水汽通量散度（圖4），發(fā)現(xiàn)由于西太副高脊線位置異常偏北，沿副高外圍偏南風攜帶的水汽自南向北可輸送到蒙古附近，為我國西北地區(qū)東部、華北大部、內(nèi)蒙古大部地區(qū)提供充沛的水汽條件［19］。與此同時，內(nèi)蒙古大部地區(qū)水汽通量散度為負值，西部偏南地區(qū)表現(xiàn)為異常輻合。

3.3 東亞夏季風

東亞夏季風的南北推進與強弱變化對中國夏季降水及雨帶位置起到至關(guān)重要的作用，強的東亞夏季風攜帶海洋上的暖濕空氣源源不斷地輸送到我國內(nèi)陸地區(qū)，為降水提供了必要的水汽條件［20－21］。參考祝從文等［22］的定義計算了逐日東亞夏季風指數(shù)，發(fā)現(xiàn)2018年夏季東亞夏季風整體顯著偏強（圖5），除6月下旬、7月末和8月初強度偏弱外，其余時間均偏強，尤其7月中旬后期和8月中旬前期異常偏強。從圖4看出，2018年7月我國東北地區(qū)至日本海一帶存在異常強大的反氣旋性環(huán)流，其西側(cè)的偏東南氣流向內(nèi)蒙古地區(qū)輸送大量暖濕水汽，為降水創(chuàng)造了有利的水汽條件。

圖5 2018年東亞夏季風指數(shù)日變化和氣候平均態(tài)Fig.5 Daily change of East Asian summer monsoon index in 2018 and climatology mean state

3.4 不穩(wěn)定條件

假相當位溫是綜合表征大氣溫度、壓力和濕度的特征量，能夠反映大氣能量分布，其水平與垂直分布和對流的發(fā)生發(fā)展有很大關(guān)系［23］。在2018年7月內(nèi)蒙古中西部地區(qū)降水較為集中的中旬至下旬前期［圖6（a）］，700 hPa以下為假相當位溫高值區(qū)，且等值線密集，說明有大量不穩(wěn)定能量聚集；500 hPa以下維持著假相當位溫隨高度減小的不穩(wěn)定層結(jié)，且600～500 hPa存在低值區(qū)［圖6（b）］。另外，低層假相當位溫大值區(qū)從中旬開始迅速向上伸展，降水開始顯著增多，約在24日以后，假相當位溫值明顯減小，等值線密集區(qū)高度明顯降低，降水過程結(jié)束。由于降水后凝結(jié)潛熱釋放，導致假相當位溫值減小和不穩(wěn)定層結(jié)降低。

3.5 東亞西風急流

東亞西風急流的強度、位置的經(jīng)向偏移和東亞夏季雨帶異?；顒佑忻芮嘘P(guān)系［24－25］。內(nèi)蒙古地區(qū)位于東亞西風急流的出口區(qū)，其上空急流的強度和位置可以反映降水條件。從圖7（a）看出，2018年7月200 hPa緯向風場上，東亞副熱帶地區(qū)有一緯向風速大于30 m·s－1的急流中心，其位置處于43°N附近新疆東部至內(nèi)蒙古西北部上空，內(nèi)蒙古中西部地區(qū)位于急流軸以南；200 hPa距平場上，急流軸以北內(nèi)蒙古東部至日本海北部為緯向風速高于5 m·s－1的正距平區(qū)，急流軸以南100°E—160°E范圍為緯向風速低于5 m·s－1的負距平區(qū)，說明急流軸北側(cè)西風強度更強，急流軸位置較常年偏北。由于急流軸南側(cè)風速具有反氣旋性切變，使得35°N—43°N區(qū)域高層輻散增強，配合中低層輻合運動，對流層整層均為上升運動［圖7（b）］。結(jié)合水汽通量距平場（圖4）看出，內(nèi)蒙古中西部地區(qū)上升運動強烈發(fā)展且水汽供應(yīng)充足，有利于持續(xù)性強降水的發(fā)生。

圖6 2018年7月內(nèi)蒙古中西部地區(qū)（100°E—115°E、37.5°N—45°N）平均降水量日變化（a）和假相當位溫時間－高度剖面（b，單位：K）Fig.6 The daily change of average precipitation（a）and time－h(huán)eight section of average pseudo－equivalent potential temperature（b，Unit：K）in July 2018 over the middle and west of Inner Mongolia（100°E－115°E，37.5°N－45°N）

圖7 2018年7月東亞地區(qū)200 hPa緯向風場（等值線）及其距平場（陰影）（a，單位：m·s－1）和內(nèi)蒙古中西部地區(qū)（100°E—115°E）平均垂直速度距平（陰影，單位：10－2 Pa·s－1）、垂直環(huán)流距平（箭頭，單位：m·s－1）和散度距平（等值線，單位：10－6 s－1）的經(jīng)向垂直剖面（b）（黑色粗虛線為西風急流軸，矩形框內(nèi)及兩條直線之間為內(nèi)蒙古中西部地區(qū)）Fig.7 The 200 hPa zonal wind field（contours）and its anomaly field（shadows）over East Asia area（a，Unit：m·s－1）and meridional vertical section of average vertical velocity anomaly（shadows，Unit：10－2 Pa·s－1），vertical circulation anomaly（arrows，Unit：m·s－1）and divergence anomaly（contours，Unit：10－6 s－1）over middle and western Inna Mongolia（100°E－115°E）in July 2018（The black thick dash line was the westerly jet axis，the middle and western Inner Mongolia located in rectangle box and between two straight lines）

東亞西風急流和西太副高作為東亞夏季環(huán)流系統(tǒng)中最重要的大尺度環(huán)流系統(tǒng)［26－27］，其擺動對雨帶的位置有重要影響。那么，二者間有怎樣的聯(lián)系？從100°E—115°E 200 hPa平均緯向風距平逐日演變（圖8）看出，2018年7月200 hPa平均緯向風在25°N—40°N范圍表現(xiàn)為持續(xù)負異常，而在 40°N以北表現(xiàn)為持續(xù)正異常，說明東亞西風急流的月內(nèi)尺度擾動偏弱，有利于西太副高在我國東部地區(qū)穩(wěn)定維持。研究表明，東亞西風急流擾動弱年，對流層中層500 hPa高度場亞洲地區(qū)從低緯至高緯易出現(xiàn)“－、＋、－”的波列［28］。前面分析可知，2018年7月500 hPa高度場東亞地區(qū)由低緯至高緯呈現(xiàn)“－、＋、－”的波列，我國至日本中緯度地區(qū)為異常正距平，西太副高主體位于30°N—50°N，較常年位置異常偏北。

圖8 2018年7月100°E—115°E范圍200 hPa平均緯向風距平逐日演變（單位：m·s－1）Fig.8 Daily variation of 200 hPa average zonal wind anomaly over 100°E－115°E in July 2018（Unit：m·s－1）

3.6 熱帶對流活動

熱帶西北太平洋的對流活動可以激發(fā)出北傳的Rossby波列，即東亞—太平洋波列（EAP波列）［29－30］。2018年7月，熱帶西太平洋地區(qū)對外長波輻射（OLR）表現(xiàn)為異常負距平（圖9），對流活動強盛，有利于激發(fā)出更為強大、北擴的副熱帶西北太平洋反氣旋，東亞地區(qū)形成近似正壓的正位勢高度異常結(jié)構(gòu)，即副高位置較常年偏北，從而導致東亞降水異常偏多區(qū)域北移［31－32］。研究發(fā)現(xiàn)，熱帶 OLR場和200 hPa西風急流中心有著非常緊密的聯(lián)系：當熱帶西北太平洋對流活動偏強時，對應(yīng)東亞高空西風急流北移；反之，當熱帶西北太平洋對流活動偏弱時，東亞高空西風急流南移［33］。因此，熱帶對流活動對東亞高空西風急流最顯著的影響是急流的經(jīng)向偏移，而急流的南北偏移對內(nèi)蒙古中西部降水有重要影響。

圖9 2018年7月熱帶地區(qū)OLR距平分布（單位：W·m－2）Fig.9 Distribution of OLR anomaly in the tropics in July 2018（Unit：W·m－2）

綜上所述，大尺度環(huán)流、水汽及層結(jié)不穩(wěn)定條件、高空西風急流的南北位置以及熱帶西北太平洋對流活動對2018年7月內(nèi)蒙古中西部地區(qū)幾次強降水過程的發(fā)生均十分有利，其中高空西風急流異常偏北及其南北擾動偏弱和熱帶西北太平洋對流活動強盛均是2018年7月副高持續(xù)異常偏北的可能原因。

4 結(jié) 論

（1）2018年夏季內(nèi)蒙古中西部地區(qū)降水顯著偏多，其中7月降水量與夏季降水量在中西部地區(qū)的分布極為相似，且該區(qū)域7月降水量占夏季降水量一半以上（54.4%），表明內(nèi)蒙古中西部地區(qū)2018年夏季降水量主要來源于7月降水量。

（2）2018年7月，500 hPa高度場從烏拉爾山、貝加爾湖至鄂霍次克海地區(qū)呈“＋、－、＋”的分布，西風帶經(jīng)向環(huán)流有利于冷空氣南下；副高脊線位置異常偏北，有利于水汽沿副高外圍輸送到內(nèi)蒙古地區(qū)；大氣層結(jié)不穩(wěn)定條件為該地區(qū)降水提供了充足能量，上述條件對內(nèi)蒙古中西部地區(qū)幾次強降水過程的發(fā)生十分有利。

（3）2018年7月高空西風急流位置偏北，內(nèi)蒙古中西部地區(qū)位于急流軸以南，且高層輻散、中低層輻合，對流層整層均為上升運動，配合沿副高外圍持續(xù)向北輸送的充足水汽，有利于內(nèi)蒙古中西部地區(qū)持續(xù)性強降水的發(fā)生。

（4）高空西風急流位置偏北及其南北向擾動偏弱和熱帶西北太平洋對流活動強盛，均有利于激發(fā)EAP波列，使得我國至日本中緯度地區(qū)形成近似正壓的正位勢高度異常，這可能是2018年7月副高持續(xù)異常偏北的原因之一。