高原气象

高原气象 >

2020 , Vol. 39 >Issue 1: 143 - 152

DOI: https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0534.2019.00004

论文

影响初夏江淮流域年代际极端干旱的欧洲关键区能量演变特征分析

  • 刘诗梦 , 1, 2 ,
  • 张杰 , 1 ,
  • 于涵 1, 3
展开
  • 1. 气象灾害预报预警与评估协同创新中心/气象灾害省部共建教育部重点实验室, 南京信息工程大学, 江苏 南京　210044
  • 2. 内蒙古自治区气候中心, 内蒙古 呼和浩特　010000
  • 3. 辽阳市气象局, 辽宁 辽阳;111000
张杰（1974 -）， 女， 江苏南昌人, 教授， 主要从事陆气相互作用、 气候模拟和定量遥感研究. E‑mail：

刘诗梦（1992 -）， 女， 内蒙古包头人, 硕士研究生， 主要从事气候模拟与陆气相互作用的研究. E‑mail:

收稿日期: 2019-05-20

  修回日期: 2019-10-09

  网络出版日期: 2020-02-28

基金资助

国家自然科学基金项目(41975083)

收起

Analysis of Energy Evolution Characteristics of Key Areas in Europe Affecting Decadal Extreme Drought in Yangtze-Huaihe River Basin during the Pre-summer Period

  • Shimeng LIU , 1, 2 ,
  • Jie ZHANG , 1 ,
  • Han YU 1, 3
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  • 1. Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters/Key Laboratory of Meteorological isaster of Ministry of Education, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing　210044, Jiangsu, China
  • 2. Climate center of Inner Mongolia autonomous region, Hohhot　 010000, Inner Mongolia, China
  • 3. Liaoyang Meterological Bureau, liaoyang　 111000, Liaoning, China

Received date: 2019-05-20

  Revised date: 2019-10-09

  Online published: 2020-02-28

Fold

本文亮点

利用欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium‑Range Weather Forecasts, ECMWF）提供的全球再分析数据, 使用局地多尺度能量涡度分析法（localized Multiscale Energy and Vorticity Analysis, MS‑EVA）分析了初夏影响江淮流域极端干旱发生的欧洲关键区动能变率的时间特征及其动能收支。结果表明: 初夏欧洲关键区高层动能有增长趋势时, 我国江淮流域极易发生极端干旱事件。该处增长的动能主要来自天气尺度动能的传输, 其次来自气压梯度力做功和动能的垂直输送; 动能向有效位能的转换和季节平均尺度动能的传输是高层动能流失的原因。深入研究三项动能来源因子后发现: 上层增加的动能一部分来自低层北大西洋东岸和欧洲大陆西南地区的动能东传, 在欧洲辐合后向上输送, 为高层传递能量; 同时, 由于关键区地面热强迫增强, 使垂直风切变增大, 大气斜压稳定度降低, 气压梯度力做功项增大, 使得高层动能得到补充。在此期间, 由于地面加热, 天气尺度传输项对高层动能的传输量也增多。关键区增加的净能量经西风环流在江淮地区辐合, 有助于该地上空的脊增强, 促进了极端干旱事件发生。该结果从能量转换角度探究了江淮流域干旱发生的部分成因, 为干旱预估提供依据。

本文引用格式

刘诗梦 , 张杰 , 于涵 . 影响初夏江淮流域年代际极端干旱的欧洲关键区能量演变特征分析[J]. 高原气象, 2020 , 39(1) : 143 -152 . DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2019.00004

Highlights

Based on the global reanalysis data provided by the European Center for Medium‑Range Weather Forecasts (ECMWF), this paper analyzes the time characteristics of the dynamic variability and kinetic energy budget of the European key area that lead to extreme drought in the Yangtze‑Huaihe river basin during the pre‑summer period by using the multiscale energy and vorticity analysis (MS‑EVA).It is found that in the early summer when the kinetic energy of high‑level in European key area had a tendency to increase, extreme drought events easily occurred in the Yangtze‑Huaihe river basin.The kinetic energy here mainly comes from the energy conversion from synoptic‑scale eddy, followed by the pressure work and vertical transport of kinetic energy; Buoyancy conversion and energy conversion from the mean flow are outputs of high‑level kinetic energy.Some of the increasing upper‑strata kinetic energy comes from eastward kinetic energy of the east coast of the North Atlantic and the southwestern continent of Europe, and these energy is transported upwards after convergence in Europe to transfer energy to the upper strata which can transfer energy to higher levels.At the same time, due to the increase of ground heating in the key area, the vertical wind shear increases, the baroclinic stability decreases and the pressure work increases, which makes the upper kinetic energy supplemented.During this period, the energy conversion from synoptic‑scale eddy also increased due to ground heating.The net energy added in the key area converges in the Yangtze‑Huaihe river basin by the westerly circulation, which helps to enhance the ridge above the ground and promotes the occurrence of extreme drought events.This result explores part of the causes of drought in the Yangtze‑Huaihe river basin from the perspective of energy conversion and provides a basis for drought prediction.

1 引言

在全球变暖环境下, 21世纪以来的极端旱涝趋势增强、 干旱化加剧、 干旱区有扩张态势, 欧亚大陆是全球干旱化最为剧烈的地区(黄建平等, 2013; Huang et al, 2016)。其中, 亚洲东、 南部的干旱频率和强度增强明显（Zhang et al, 2015b）。中国旱涝灾害主要集中在江淮地区和华北地区（叶笃正, 1996）。在夏季, 江淮流域的降水存在着较大的年际变率; 旱涝事件也呈现显著的年代际变化特征（苏涛等, 2013）。近50年来, 江淮流域干旱呈现总体增长趋势（Zhang et al, 2014）, 20世纪60年代和21世纪后干旱日数偏多, 20世纪80年代较少, 90年代江淮流域是干旱的高发区（祁海霞等, 2011; 王素萍等, 2014）; 江淮地区夏季降水也具有明显的20~50天周期的低频振荡特征（陈官军等, 2012）。在时空分布上, 近几年来淮河两岸的旱涝程度存在明显的南北差异和季节差异, 春季南部重旱、 北部较轻, 夏季则相反, 降水的这种时空分布不均匀极易导致水资源短缺（段莹等, 2013）。
区域旱涝异常是由大气环流异常持续所造成（Wallace et al, 1981; 施能等, 1994; Lee et al, 2005; Zhang et al, 2015a）, 中高纬大气环流形势的维持需要能量供应, 而天气尺度波的扰动能为其提供能量, 天气尺度系统在移动过程中伴随着能量串级, 有更多的能量向大尺度环流形势转化, 有利于中高纬阻塞形势的形成与维持（Hoskins et al, 1981, 1983; 吴国雄等, 1994）。这种向外频散扰动能量的Rossby波可由地面热力异常强迫所激发, 形成遥相关波列, 进而调整雨带位置影响当地降水（Huang et al, 1992; Wang et al, 2015）。另外, 东亚副热带西风急流（East Asia subtropical Westerly Jet, EAWJ）起着波导作用, 其位置和强度变化对江淮流域降水有显著的作用（Wang et al, 2016）。最新的研究表明, 在梅雨期200 hPa高度上东欧地区的波能向东频散, 在我国北方辐合, 加强了反气旋式异常环流, 有利于干旱在长江流域维持和发展（刘诗梦等, 2018）。
能量分析是定量研究大气不同组成部分相互作用的一种有效而广泛的方法(Lau et al, 1992; Maloney et al, 2000, 2003)。维持大气遥相关的内部动力学机制包括大气内部的能量转换过程（Chen et al, 2013）; 一方面, 大气通过正压转换过程从基本气流获得能量。北半球夏冬两季, 由于气候变暖, 中高纬加快了位能向动能的转换过程, 使得动能明显增加, 增强的正压能量转换有利于大气扰动的产生和发展, 进而影响极端气候的变化（Hu et al, 2004; Hsu et al, 2011）。另一方面, 大气可以通过斜压转换过程从平均流获得有效位能。起源于巴尔喀什湖的波动, 向东南传播至江淮的过程中, 斜压波包所带来的扰动能量可为江淮流域旱涝的发生发展提供必要的能量积聚（梅士龙等, 2008）。此外, 不同尺度间动能的传递也属于动能收支的一部分（贺海晏等, 1992; Tsou et al, 2014）, 大气不同尺度振荡的异常活动通过Rossby波扰动动能传播和对流运动强迫可以对夏季江淮流域的旱涝产生影响, 当江淮流域有强对流天气发生时, 对流层底层存在动能和有效位能的降尺度级串, 网格尺度的垂直输送对动能起重新分配作用, 使动能由对流层中、 低层向高层输送, 有利于扰动维持, 从而造成强降水（Ying et al, 2003; 贺懿华等, 2006; 琚建华等, 2008; Jin et al, 2013; 孙建华等, 2018）, 对整层动能平衡而言, 高层动能收支的数值特征决定了整层的特征, 这从能量平衡的角度反映了高空动力过程的重要性（漆小平等, 1992）。
在对江淮流域干旱的研究中, 大多分析的是旱涝时期的大气环流异常特征及维持异常环流的能量传播路径, 对能量传播的源头探讨较少, 鉴于副热带和中高纬存在能量转换, 可以为大气扰动的传播提供能量, 因此主要探讨影响江淮干旱的动能来源, 从能量转换的角度为东亚关键地区非线性旱涝预测提供理论依据。

2 资料来源与方法介绍

2.1　资料来源

利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的再分析数据, 包括日平均高度场、 风场、 温度场和地表温度数据, 资料水平分辨率为0.75°× 0.75°。
本文延续刘诗梦等（2018）的研究, 研究时段为1979 -2015年的初夏（6月1日至7月15日）。

2.2　方法介绍

首先使用基于多尺度子空间变换（Multiscale Window Transform, MWT）, 建立的局地多尺度能量涡度分析法（MS‑EVA）（Liang et al, 2005, 2016, 2007）研究初夏欧洲地区高空动能来源。该方法利用大气原始运动方程组和准地转模式, 通过泛函分析将一个空间或时间序列正交分解成不同的尺度空间, 并在子空间之间进行能量再分配, 在此分解中能保留物理过程的局地性特点, 不会产生新的能量或者使得原有能量消失。
以下为跟据MS‑EVA理论推导出的动能方程简式, 具体推导过程请参见文献Liang et al（2016）:
∂ k ∂ t = - b - ∇ Q P - ∇ Q K + Γ + D,
其中:
∇ Q K = ∂ Q λ a c o s   φ ∂ λ + ∂ ( Q φ c o s   φ ) a c o s   φ ∂ φ + ∂ Q p ∂ p,
Γ = - ∇ ∙ V V ⏞ ∙ V ̂ + ∇ Q K,
∇ Q P = - ∇ ∙ ( v ̂ Ф ̂ ),
b = w ̂ α ̂,
简写后为:
K = B U O Y + Q P + Q K + T + R,
T = T 01 + T 21,
式中: a为与球心的距离; φ为纬度; λ为经度; Ф为位势高度; V、 w分别为水平速度和垂直速度; K 即 :   ∂ k ∂ t为动能随时间的变化率; BUOY （即: -b）为有效位能向动能的转换; QP（即: - ∇ Q P）为由于气压梯度力做功导致的动能增加项; QK（即: - ∇ Q K）为动能的平流输送; T（即: Γ）为能量在不同尺度间的转换, 该转换已被很多研究者（Lau et al, 1992; Maloney et al, 2003; Hsu et al, 2009）广泛应用, 其中: T 01为来自季节平均尺度（低频振荡）的动能传输； T 21为来自天气尺度（高频扰动）的动能传输; R（即: D）为摩擦耗散掉的动能。
对于斜压性, 利用垂直纬向风切变即 ∂ u ∂ p作为表征斜压稳定度的物理量（朱乾根等, 2007）。接着利用趋势分析、 合成分析、 奇异值分解（Bretherton et al, 1992; Wallace et al, 1992）和相关分析研究了欧洲地区初夏动能供给项的来源。对显著性水平的检验方法为t检验。

3 结果分析

3.1　江淮地区极端干旱年时欧洲地区能量频散特征

根据刘诗梦等（2018）的研究, 发现在初夏江淮流域极端干期的发生频次有明显的年代际尺度特征, 其中19世纪末至20世纪初为偏干时段, 因此选取了高频次年代（1998-2002年）研究其异常干旱的成因。当江淮流域发生极端干旱时, 200 hPa的高度距平场均表现为反气旋式异常（图1）, 使常年居于该地高空的气候态脊增强。为分析使脊增强的正距平的能量来源, 首先需要研究高空罗斯贝波的活动情况。
图1 江淮流域初夏200 hPa典型极端干旱年份（1998-2002年）高度距平场（彩色区, 单位: ×10-1 m2·s2）和位势高度气候平均场（等值线, 单位: ×10-4 m2·s2）分布

方框为100°E以东、 30°N以北的我国北方地区（刘诗梦等, 2018）

Fig.1 The distribution of geopotential height anomaly field (color area, unit: ×10-1m2·s2) and geopotential height climatic field (contour, unit: ×10-4 m2·s2) in the typical year of extremely arid (from 1998 to 2002) at 200 hPa duringthe early summer in the Yangtze‑Huaihe river basin.The rectangle represents the northern part of Chinawith a range of 100°E to the east and 30°Nto the north (From Liu et al, 2018)

波动能量的传播方向可由波作用通量描述, 该通量主要用于探究波动传播、 波流之间相互作用和大气环流变化等, 波作用通量散度可表示波动能量的辐合辐散（Takaya et al, 1997; 卢楚翰等, 2013; Wang et al, 2015）。图2为初夏江淮流域极端干旱年份200 hPa罗斯贝波异常能量水平频散特征。欧洲中部地区能量有显著向东频散的特征, 为一波源, 因此该地为关键区, 当其传播至西西伯利亚平原后分为两支: 一支继续向东频散; 另一支向东南沿咸海传播至天山山脉, 接着也向东传播, 在我国北方上空能量强烈辐合, 使得高空的反气旋式异常环流得到加强, 有利于干旱在江淮流域维持和发展。
图2 初夏典型极端干旱年份（1998 -2002年）200 hPa波作用矢量（矢量, 单位: m2·s-2）与波通量散度（彩色区, 单位: m·s-2）

细线方框为100°E以东30°N以北的我国北方地区, 粗线方框为关键区（刘诗梦等, 2018）

Fig.2 The wave activity fluxes (vector, unit: m2·s-2) and its divergence (color area, unit: m·s-2) in the early summerat 200 hPa in the typical year of extremely arid (from 1998to 2002).The thin rectangle represents the northern partof China with a range of 100°E to the east and 30°N tothe north, and the thick rectangle represents keyarea (From Liu et al, 2018)

3.2　动能分析

3.2.1　动能变率分析

为了寻找欧洲高空辐散能量的来源, 本文进行了如下探究, 将欧洲关键区（10°E -40°E, 40°N -70°N）的动能变率进行区域平均, 探究高层（500~200 hPa）、 中层（700~500 hPa）和低层（1000~700 hPa）动能变率随时间的变化特征（图3）。从量级上可看出, 中低层变率较高层小, 动能变率大值中心位于高层。在高层[图3(a)], 动能变率总体呈现很微弱的增加趋势（趋势倾向率为1.810×10-7）, 从20世纪80年代开始, 动能先减少接着快速增加; 在20世纪90年代中后期和21世纪00年代, 除极个别年份外, 动能变率均维持正值, 有增长趋势; 而在最近几年, 变率波动较大, 整体为负。高层动能变率与干旱的发生频次为正相关, 通过了90%的信度检验（图略）, 该结果表明当高层动能有增加趋势时, 江淮流域初夏较易发生极端干旱事件。中层[图3(b)]动能变率有微弱减少趋势（趋势倾向率为 -1.383×10-8）, 20世纪80年代初为负, 而从90年代初到21世纪00年代末基本为正, 到了21世纪10年代之后, 又变为负。低层[图3(c)]变率的下降趋势较为明显（趋势倾向率为-6.807×10-8）, 从20世纪90年代至今变率为先升高后降低。下面将通过分析各层动能变率的源汇, 试图寻找出高层动能与中低层动能之间的联系。
图3 初夏欧洲关键区高层（a, 500~200 hPa）、 中层（b, 700~500 hPa）和低层（c, 1000~700 hPa）的动能变率

Fig.3 Kinetic energy variability in the upper (a, 500~200 hPa), middle (b, 700~500 hPa) and lower(c, 1000~700 hPa) levels of European key area during the early summer

3.2.2　动能变率的各项比重分析

初夏欧洲关键区动能在江淮地区极端干旱年份时的收支情况（图4）。高层[图4(a)]动能在此期间整体收大于支, 多收入能量为0.467, 气压梯度力做功（QP）、 动能平流输送项（QK）（主要为垂直向输送, 图略）和天气尺度传输项（T 21）为正值, 是动能的来源; 浮力转换项（BUOY）和季节平均尺度传输项（T 01）为负, 是动能的输出项。表明导致与江淮流域干旱及江淮上空大气环流异常相联系的欧洲地区能量变化的主要原因是天气尺度的能量传输, 其次是气压梯度力做功和动能的垂直输送。中层[图4(b)]动能在此期间收小于支, 多支出能量为0.385, 影响动能变化的因子主要有三项, 分别是浮力转换项、 垂直向动能平流输送项（动能水平平流收支相抵, 图略）和天气尺度传输项。前两项为负, 是动能的汇; T 21为正, 是动能主要来源; QP项及T 01项是正值, 也为动能来源, 但由于其绝对值小, 所以对动能影响也相对小。低层[图4(c)]动能整体收小于支, 多支出能量为1.392, 动能输出项有: 有效位能向动能的转换项、 动能平流输送项和季节平均尺度传输项; 气压梯度力做功和天气尺度传输项是动能的来源。
图4 欧洲关键区在江淮极端干旱年份时高层（a, 500~200 hPa）、 中层（b, 700~500 hPa）和低层（c, 1000~700 hPa）动能收支项经过标准化处理后的统计值

Fig.4 Kinetic energy budget by standardized treatment in the upper (a, 500~200 hPa), middle (b, 700~500 hPa)and lower (c, 1000~700 hPa) levels of European key area in the typical year of extremely arid

同时, 分析了高层动能来源的三项因子QP、 QK和T 21从低层到高层变化的时间序列, 以探求其年代际变化特征（图5）。图5(a)为高层的QP序列, 在20世纪中期到后期, QP随时间缓慢增长; 而在近几年波动较大, QP有减小趋势, 但整体仍然为上升趋势, 与江淮流域干旱的上升趋势相对应, 有利于动能的积聚, 引发干旱; 图5(b)和图5(c)分别为中、 低层的QP, 这两层QP项的贡献随时间也明显增多。在极端干旱年份时期, 高中低层的气压梯度力均向上做正功, 使得动能增大。图5(d)为高层QK项的时间系数, 在高层QK有极微弱的降低趋势, 表明动能有减少趋势; 图5(e)和图5(f)分别为中、 低层QK, 与高层相同, 中层也为增强趋势, 而低层为下降, 不利于动能增加; 可以看出在极端干旱年份, 动能在中低层流失, 而在上层增加, 其内在联系将在下面做详细介绍。T 21的高中低层时间序列分别为图5(g)~(i), 整层均有明显上升趋势, 有利于动能的增加, 在干旱时期, 天气尺度传输项为正值, 为对流层提供了大量动能。
图5 初夏欧洲关键区在江淮极端干旱年份时高层（上, 500~200 hPa）、 中层（中, 700~500 hPa）和低层（下, 1000~700 hPa） QP（a~c）、 QK（d~f）、 T 21（g~i）的时间序列

Fig.5 Time series of QP (a~c)、 QK (d~f)、 T 21 (g~i) in the upper (up, 500~200 hPa), middle (medium, 700~500 hPa) and lower (down, 1000~700 hPa) levels of European key area during the early summer

3.3　高层动能的来源项分析

3.3.1　气压梯度力做功项和垂直动能平流项做功的诊断分析

为了进一步证明垂直向动能平流项和高空气压梯度力项的来源, 对初夏江淮极端干旱年份时期欧洲关键区沿45°N -52°N纬向平均的垂直速度ω进行了合成, 得到了ω的垂直剖面图（图6）。从图6中可以看出, 在16°E -48°E和0° -12°E附近范围内对流层低层到高层均负值, 表明有上升运动, 12°E -16°E和48°E以东中低层为正值, 以下沉运动为主, 即在欧洲关键区内气压梯度力在对流层整层均向上做正功, 有助于动能积累; 同时中低层动能也随之向上输送, 为高层传递能量, 与前文结论一致, 使得高层动能增加向东外辐散, 加强了我国北方上空的高压脊且不利于产生降水形势, 进而引起江淮流域发生干旱。
图6 初夏欧洲关键区在江淮极端干旱年份时沿45°N -52°N纬向平均的垂直速度ω的垂直剖面（单位: Pa·s-1）

Fig.6 Vertical section of zonal average vertical velocity along 45° N -52° N in European key area during the early summerin the typical year of extremely arid.Unit: Pa·s-1

为了探讨气压梯度力项提供动能的原因, 将欧洲地表温度作为左场, 气压梯度力做功项作为右场进行SVD分解, 如图7[该图及文中涉及的地图是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2016)1558号的世界地图制作, 底图无修改]为第一模态异性相关图, 平方协方差贡献百分率为33.3%, 相应的左右场时间系数的相关系数为0.77, 通过了99%的显著性水平检验。在欧洲大陆上地表温度[图7(a)]有大面积的显著正值区, 与之对应区域的QP也基本为正值, 表明二者是同位相变化, 当欧洲地区地表温度升高（降低）时, 由气压梯度力做功转化的动能增多（减少）, 这与以往的研究（Koteswaram et al, 1958; Wu et al, 2012）结论一致。
图7 初夏欧洲地表温度与整层（1000~200 hPa）气压梯度力做功项的SVD第一模态特征向量异类相关分布（a, b）及其标准化后的时间系数（c, d）

Fig.7 Heterogeneous correlograms between the eigenvectors of the first mode derived from SVD of surface temperature and pressure work of European key area during the early summer (a, b) and the time coefficients (c, d) which have been standardized

从SVD的时间序列图[图7(b), (d)]中可以看出, 欧洲地表温度对应的时间系数有微弱增长趋势, 而QP项经历了先减小后增加的变化, 整体的增长趋势较左场的明显, 在极端干旱年份, 均为正值, 结合SVD第一模态异性相关系数图表明欧洲地表温度升高, 气压梯度力做正功使得QP为正, 动能增加。
图8为初夏欧洲关键区低层垂直风切变 ∂ u ∂ p和QP的区域平均随时间的变化曲线, 二者为显著正相关, 通过了99%的信度检验, 即当垂直风切变大（小）时, QP也越大（小）。其中在极端干旱年份, 垂直风切变大, 斜压稳定度较低, 对应的气压梯度力做功越多。该结果与陈练（2013）和姚慧茹等（2016）的结论一致。即纬向风垂直切变大时, 有利于地面动能上传至高空。结合前面结论可知, 当地面升温时, 垂直风切变增大, 斜压稳定度降低, 使气压梯度力做正功, 动能增大。
图8 初夏欧洲关键区低层（1000~700 hPa）垂直风切变（U）和气压梯度力做功项（QP）的区域平均随时间的变化曲线

所有数值均经过标准化处理, 相关系数为0.74， 通过了99%的信度检验

Fig.8 Time series of vertical wind shear (U) and pressure work (QP) in lower (1000~700 hPa) levels of Europeankey area during the early summer.All data have beenstandardized, and the correlation coefficients was0.74 that passed the confident level of 99%

由前文讨论得知高层动能增长的部分原因是由于低层动能向上输送, 为探究低层动能的来源, 通过分析1000~700 hPa动能水平平流输送分布（图9）可知, 在北大西洋东部为强烈辐散区, 动能从该处向东北方向传播, 在叠加欧洲大陆西南地区的辐散动能后, 继续东传, 最后在欧洲大陆辐合, 表明高层一部分的动能来自于北大西洋东岸和欧洲大陆西南地区, 在欧洲底层辐合上升, 传至高空。
图9 初夏低层（1000~700 hPa）动能水平平流输送（矢量, 单位: m2·s-2）及其矢量散度（彩色区, 单位: ×10-8 m·s-2）分布

Fig.9 Kinetic energy horizontal advection (vector, unit: m2·s-2) and its divergence (color area, unit: ×10-8 m·s-2)in lower (1000~700 hPa) levels during the early summer

3.3.2　天气尺度传输项的诊断分析

研究发现地面热力异常可作用于整个对流层, 对大气环流形势的形成和维持有直接影响, 从而发生极端旱涝事件（Zhao et al, 2001; Wu et al, 2007; 张韧等, 2010; Duan et al, 2013; 黄青兰等, 2017）。为确认与干旱相联系的高空能量异常是否是由地面热力因素引起的, 利用SVD方法分析欧洲地区地表温度和天气尺度跨尺度传输项（T 21）的耦合关系, 选取欧洲地区地表温度为左场, 高中低层的T 21为右场, 得到地表温度和高中低层T 21的第一模态异性相关系数图（图10）, 协方差贡献率分别为32%, 32.6%和31.9%, 时间相关系数分别为0.78, 0.80和0.84, 均通过了99%的显著性检验。由图10(a), 10(b), 10(e), 10(f), 10(i)和10(j)可以看出, 从地面到高空, 欧洲大陆有大面积的正值, 均是显著关键区, 对应T 21项的分布也具有相同的符号, 即二者是同向变化的。说明当欧洲地表温度变化时, T 21会产生同向变化, 即当其增温时, 天气尺度能量传输会增多, 高空动能增加, 反之亦然。欧洲地区地表温度的时间系数[图10(c), (g), (k)]表明, 从20世纪80年代开始, 欧洲逐渐降温, 在90年代初有所回升, 在21世纪初, 欧洲温度处于峰值, 之后急剧降低, 在21世纪10年代后又快速升高。与之类似[图10(d), (h), (l)], T 21在20世纪末之前也经历了先减小后增大的过程, 在本世纪初, T 21也达到最大, 接着迅速减小后又达到正的极值。表明在极端干旱年份时, 欧洲是高温时期, 而T 21也为大值。
图10 初夏欧洲地表温度和高层（a~d, 500~200 hPa）、 中层（e~h, 700~500 hPa）和低层（i~l, 1000~700 hPa）天气尺度传输项的SVD的第一模态特征向量异类相关分布（左）及其标准化后的时间系数（右）

Fig.10 Heterogeneous correlograms between the eigenvectors of the first mode derived from SVD of energy conversion fromsynoptic‑scale eddy in the upper (a~d, 500~200 hPa), middle (e~h, 700~500 hPa) and lower(i~l, 1000~700 hPa) level andsurface temperature of European during the early summer (left) and the time coefficients (right) which have been standardized

4 结论与讨论

在刘诗梦等（2018）研究结果的基础上, 首先分析了初夏影响江淮流域发生年代际极端干旱的欧洲关键区动能变率的时间特征, 其次利用局地多尺度能量涡度分析法（MS‑EVA）诊断了关键区动能收支, 找出了造成高层动能增加的主要影响因子, 接着探讨了这些转化因子的来源, 得到主要结论如下:
（1） 初夏欧洲关键区高层动能变率与我国江淮流域干旱为显著正相关, 当欧洲高空动能有增长趋势时, 我国江淮地区极易发生极端干旱事件。
（2） 初夏欧洲关键区高空动能在江淮地区极端干旱年份时收支为正, 主要来源是天气尺度的能量传输, 其次是气压梯度力做功和动能的垂直输送; 浮力转换项和季节平均尺度传输项是动能的输出项。中低层动能在此期间整体收支为负。
（3） 欧洲关键区在江淮极端干旱时期的垂直运动为整层上升, 来自北大西洋东岸和欧洲大陆西南地区的动能在欧洲底层辐合后也随之向上输送, 为高层传递能量。
（4） 由于地面加热, 使得垂直风切变增大, 大气斜压稳定度降低, 气压梯度力做功项增大, 高层动能由此得到补充。同时, 天气尺度传输项也由于地面热强迫, 对高层动能的传输增大, 使得江淮地区初夏发生极端干旱事件。
本文只探讨了初夏欧洲关键区的动能来源, 对于夏季后期影响江淮干旱的关键区还有待继续讨论。

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