1 引言
近几十年以来， 在全球社会、 经济都高速发展的情形下， 干旱等自然灾害造成的社会经济损失问题凸显出来。干旱已经成为在世界范围内影响各国粮食安全和社会稳定的重大问题（王劲松等， 2012）。20世纪下半叶以来全球持续增暖， 陆地大部分区域存在干旱化趋势， 而亚欧大陆是全球干旱影响最为强烈的区域（符淙斌和马柱国， 2008； 黄建平等， 2013）， 干旱发生的频率和强度进一步增强（管晓丹等， 2018）； 中国的干旱与洪涝情况主要集中于华北和江淮地区（叶笃正和黄荣辉， 1991）。华北等区域的干旱化趋势愈加明显， 从20世纪60年代以来在夏季的降水量明显减少（吕妍等， 2009； 陈烈庭， 1999）， 极端干旱发生的频率也在增加（马柱国， 2007）。
干旱的影响因素众多， 大气环流持续异常对干旱的产生、 发展和维持影响显著（施能等， 1994； 卫捷等， 2003； Zhang et al， 2015）， 而我国的夏季环流变化很大程度上受西风急流的控制（李崇银等， 2004； 叶笃正等， 1958）。西风急流位置的年际变化可对我国东部的夏季旱涝的形成产生影响（廖清海等， 2004）。Liang and Liu（1994）的研究指出急流位置南移时， 夏季华北地区的降水较少； 急流异常偏南， 华北地区底层为辐散运动（况雪源和张耀， 2006）； 李春等（2002）的研究指出东亚西风急流位置偏南、 西太平洋副热带高压的脊线偏南、 贝加尔湖附近存在阻塞高压的情况下， 华北地区的干旱十分严重。不仅西风急流的位置变化， 急流上的波活动对我国夏季环流变化影响也十分显著（黄建平等， 2013； Ding and Wang， 2005）。
西风急流作为波流相互作用的载体， 是北半球夏季的重要波导（Ambrizzi et al， 1995； Terao， 1998， 1999）。西风急流的扰动能量可以按大于风速的群速度向下游频散（辜旭赞和刘羽， 2016）。西风急流上的扰动动能可以对东亚高、 低空环流配置产生影响， 导致对流层上的散度场及垂直速度发生相应变化（杨莲梅和张庆云， 2007）。当西风急流中的能量频散到我国东部及沿海地区， 会引起西太副高的东退， 进而造成东部地区旱情加重（Tao and Wei， 2006）。中高纬大气环流形势的变化需要扰动能量提供动能（Hoskins et al， 1981， 1983； 吴国雄和卢莹， 1994）。夏季季风区低频振荡的动能主要来自于位能向动能的转换（He et al， 1987）， 中高纬地区的能量由气候平均气流与低频扰动间相互转化（何金海等， 1993a）， 在急流的入口区域扰动向平均气流输送动能， 在急流出口区域平均气流向扰动输送动能（何金海等， 1993b）。亚非副热带急流处于东亚副热带急流上游， 夏季位于地中海至里海附近， 其位置和强度有明显的季节变化特征（倪东鸿等， 2011）， 来自西欧的Rossby波能量先进入亚非急流后向下游传播（布和朝鲁等， 2008）。
迄今为止， 关于亚非副热带急流对我国干旱影响的研究多集中于揭示变化规律和特征， 而亚非急流对我国干旱影响的物理过程的分析较少， 其影响机理还有待进一步研究。因此， 在前人研究的基础上， 本文通过对能量频散、 波动过程的研究分析了急流异常和能量变化对华北地区的干旱形势的影响。
2 资料来源与方法介绍
2.1 资料来源
主要使用了欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的再分析数据， 资料水平分辨率为0.75°×0.75°， 垂直为37层。由于本文主要研究华北地区的夏季干旱情况， 因而选取研究时段为1979 -2015年的7 -8月。
选择美国国家大气研究中心（NCAR）提供的Palmer干旱指数（The Palmer Drought Severity Index， PDSI）作为研究区域的干旱指数， 该指数综合考虑水分亏缺和持续时间对干旱程度的影响， 并考虑下垫面的影响（Palmer， 1965）。PDSI指数较其他指数能更精确地表征干旱情况（马柱国和符淙斌， 2006）。
2.2 方法介绍
首先使用基于多尺度子空间变换（MultiscaleWindowTransform， MWT）， 建立的局地多尺度能量涡度分析法（localized Multiscale Energy and Vorticity Analysis， MS-EVA）研究夏季西风急流动能（Liang et al， 2005， 2007， 2016）。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。
以下为根据MS-EVA理论推导出的动能方程简式， 具体推导过程请参见Liang（2016）：
式中： K表示动能随时间的变化率； BUOY表示有效位能向动能的转化（单位： m2·s-2）； QP表示气压梯度力做功导致的动能增加项（单位： m2·s-2）； QK表示动能的平流增加项（单位： m2·s-2）； T表示能量在不同尺度的转换（单位： m2·s-2）； R表示摩擦耗散的动能（单位： m2·s-2）。
本文采用统计方法、 趋势分析、 合成分析、 EOF分解和相关分析等方法研究了亚非急流入口能量变化及环流形势的变化特征。
3 结果与分析
3.1 我国华北干旱的变化形势
中国东部夏季的干旱主要发生在华北、 江淮地区（陈烈庭， 1999）， 近几十年来华北夏季干旱问题日益突出， 从 20 世纪70年代后期开始发生了持续性干旱， 引起严重的气候灾害， 导致水资源缺乏， 严重影响了华北地区的工农业生产和人民的生活用水（Hu， 1997； 黄荣辉等， 1999； 周连童和黄荣辉， 2006a， 2006b）。
研究华北地区盛夏的干旱变化趋势， 使用7 -8月的PDSI指数更具代表意义。为方便比较干旱形势的变化， 将1960 -2014年间7 -8月的PDSI指数进行标准化处理， 并乘以-1， 正值越大， 表示干旱越严重， 计算各个格点上PDSI指数55年的回归直线的斜率， 得到PDSI指数的斜率空间分布［图1（a）］。从图1（a）中可以看出， 西南地区的干旱形势较为严峻， 而我国西北地区等干旱区域的干旱形势反而有减缓的趋势， 我国华北地区整体上的干旱呈现增长趋势。选取华北地区增长趋势较为明显的范围112°E -122°E， 35°N -46°N， 该区域包括山东、 山西、 河北、 内蒙古中东部地区和河南北部部分地区。该区域人口众多， 又覆盖大部分华北平原， 使用该区域代表华北地区［图1（a）中的黑色小方框（下同）］。将区域内干旱指数求区域平均， 来研究区域55年的指数变化［图1（b）］， 可以看出华北地区的干旱形势呈明显的年代际特征， 在80年代开始旱情突然加重， 并在1997年以后呈现出明显的持续干旱形势（通过滑动t检验， 图略）。
图1 1961 -2014年7 -8月中国大陆PDSI的增长趋势的空间分布（a）和华北地区PDSI指数随时间的变化（b）打点区域通过90%显著性检验 Fig.1 Spatial distribution of PDSI growth trend in China mainland （a） and the change of PDSI index with time in North China （b） in July and August during 1961 -2014.Dotted area has passed the significance test at 90% |
3.2 亚非急流入口区的位置变化特征及其与华北干旱的联系
亚非副热带急流处于东亚副热带急流上游， 夏半年季节位置偏北， 处于地中海至里海附近， 参考其位置变化的明显季节特征（倪东鸿等， 2011）， 选取盛夏时亚非急流0° -40°E， 25°N -55°N的范围作为研究区域， 对其200 hPa上的U分量进行EOF分解， 1979 -2015年7月和8月前五个模态的累计方差贡献率分别为84.1%和83.7%（图略）， 因此7、 8月前五个模态基本可以代表亚非急流的空间变化分布。综合前五个模态的分布情况， 分别划分了7、 8两月亚非急流的入口区域， 0° -24°E， 37°N -55°N为入口区北侧， 0° -24°E， 25°N -37°N为入口区南侧。根据7月亚非急流的EOF第三模态的时间系数的变化［图2（b）］可知， 在1997年以后出现连续的正值区， 年际变化明显； 结合200 hPa U分量的EOF第三模态空间分布［图2（a）］可以看出， 亚非急流在入口区的位置在1997年之后整体有北抬的趋势； 从西风急流U分量多年平均的等值线位置［图2（a）］可以看出， 1997年之后入口区域急流位置较1997年之前有明显的北抬和西伸， 入口处急流最北端抬升到44°N。根据8月的急流EOF第三模态时间系数的变化［图2（d）］可以看出， 在1997年以后正值较多； 而从多年平均的西风急流位置［图2（c）］可以看出， 1997年之后存在一定东缩情况， 入口处急流最西端东缩到15°E， 这可能是由于1997年后的部分年份里北大西洋上的急流南压造成亚非急流东缩较强， 亚非急流入口区急流整体上在1997年后为东缩形势。夏季时， 亚非急流和东亚急流的中心区域相互靠拢（倪东鸿等， 2011）， 两者之间的影响更为紧密。
图2 1979 -2015年7月和8月200 hPa U分量的EOF第三模态空间分布（左）及其时间系数（右）(a)和(c)中黑线、 蓝线、 绿线分别为1979 -2015年、 1979 -1997年、 1997 -2015年的亚非急流20 m·s-1的平均位置 Fig.2 The third EOF mode spatial distribution of the 200 hPa U component （left） and its time coefficient (right) in July and August from 1979 to 2015.The black, blue and green lines are the average position of the Asian-African Subtropical Jet at 20 m·s-1 during 1979 -2015, 1979 -1997 and 1997 -2015, respectively |
将1979 -2015年7月、 8月200 hPa U分量EOF的第三模态的时间系数［图2（b）， （d）］作为反映亚非急流入口位置变动的指数。为了确定亚非急流入口区域的位置变动是否会对下游华北区域气候产生影响， 分别将7月与8月的急流入口区位置指数与华北区域的干旱指数做了相关分析［图3（a）， （b）］可以看出， 7、 8月的亚非急流入口位置指数与华北区域PDSI指数的相关性分别通过了90%和99%的显著性检验。其中7月的急流入口区位置指数与干旱指数呈正相关关系［图3（a）］， 且七月华北的干旱指数在1997年之后， 出现连续的正值区， 结合七月亚非急流位置［图2（a）］， 此时的急流在入口区域急流向北移动明显， 即当亚非急流入口区域急流向北抬升时， 华北地区的干旱情况比较严重。8月的急流入口区位置指数与PDSI指数呈正相关关系［图3（b）］， 在1997年之后， 干旱值的正值大值区连续出现， 2008年之后增强趋势明显， 8月亚非急流入口区急流在1997年后东缩［图2（c）］。即7月亚非急流入口区急流在向北抬升的年份里， 华北区域的干旱情况比较严重。
3.3 T-N波作用通量对环流形势的影响
由上文可知亚非急流在入口区域北抬时华北区域的旱情加重， 为进一步研究造成这种现象的成因， 首先分析了1997 -2015年7月、 8月500 hPa的高度场和200 hPa的T-N波作用通量［图4（a）， （b）］可以看出， 北大西洋东岸和西欧辐射出的波通量主要分为两支， 向东传播的一支经东欧平原在乌拉尔山附近转向东南传播， 在里海与咸海的上空进入西风急流后， 继续东传； 向东南传播的另一支在地中海与黑海的上空进入西风急流， 沿西风急流向东传播。7月的亚非急流在入口区域1997年以后有明显的北抬［图4（a）］， 使得北大西洋急流出口区辐射出的波通量更易于进入亚非急流。8月的亚非急流在入口区域1997年以后存在东缩［图4（b）］， 北大西洋上的急流存在南压。在华北的上空， 500 hPa上有一常年稳定存在的槽［图4（a）， （b）］， 波通量频散经过华北区域时， 在脊前槽后的区域有明显的辐合， 不利于气流的上升运动； 在槽的东侧， 有较强的辐散， 使得槽有东移的趋势， 槽前位置有向日本海转移的趋势， 而槽后则有向研究区域移动的趋势。则整体形势不利于降水， 对华北地区干旱形势的持续有利。
图4 1979 -2015年500 hPa高度场（等值线, 单位: ×10-1 m2·s2）与1979 -2015年200 hPa T-N波作用通量（矢量, 单位: m2·s-2）红线、 蓝线分别为1979 -1997年、 1997 -2015年20 m·s -1平均西风位置 Fig.4 The 500 hPa height field （contour, unit: ×10-1m2·s2） and the 200 hPa T-N wave flux （vector, unit: m2·s-2） in July and August from 1979 to 2015.The red line and the blue line are respectively the average position of 20 m·s-1 of the subtropical westerly jet from 1979 to 1997 and from 1997 to 2015 |
3.4 亚非急流入口区北抬对沿急流波活动的影响
在副热带地区， 由于夏季位势高度场和受副热带高空急流控制的纬向风分量值大而变率小， 波列的活动在这两个变量上表现的不是很清楚。相比较而言， 经向风分量均值和变率大致相当， 能更好的表现波列的活动（Branstator， 2002； Lu et al， 2002）。将7、 8月西风急流200 hPa的V分量进行EOF分解， 把对应的时间系数称为副热带波活动指数（孙雪倩等， 2018）。8月分解的EOF模态中， 第一模态的波沿急流传播， 此种波类似于斯堪的纳维亚型或欧亚-1型（Barnston and Livezey， 1987）。但此种波只存在于除了6、 7月以外的其他月份。7月分解的EOF模态中， 第一模态的波中心呈弧线在急流北侧分布， 第二模态的波在急流北侧， 第三模态的波沿急流传播。7月第三模态呈现的是北非——欧亚大陆——东亚地区的波， 类似于廖清海等（2006）和Lu et al（2002）的研究结果。本文主要考虑波流相互作用在急流上， 综合7、 8月前5个模态的空间分布， 7月第三模态与8月第一模态波更符合以急流为载体沿急流传播的要求。西风急流作为波流相互作用的一个重要载体， 可以看做是北半球的波导（Ambrizzi et al， 1995 ）， 沿西风急流传递的波活动对我国的气候造成影响。
由1979 -2015年7月V分量EOF分解第三模态的时间系数的变化可知［图5（c）］在1997年以后有连续的正值区出现， 时间系数与急流入口区的急流位置指数成正相关， 且相关性通过99%的显著性检验； 结合空间分布［图5（a）］， 研究区域所处位置东西两侧的经向风与西风形成闭合的反气旋， 即在1997年以后， 亚非急流在入口区北抬增强的年份华北地区上空有反气旋性的持续加强。由8月V分解的第一模态的时间系数变化可知［图5（d）］， 1997年以后年际变化特征十分明显， 出现连续的正值区域， 时间系数与入口区急流位置指数成正相关且通过99%的显著性检验； 结合空间分布［图5（b）］， 在我国北部内蒙、 甘肃上空的东西经向风与西风急流形成闭合反气旋性加强， 研究区域处于反气旋东部， 即在1997年以后亚非急流在入口区北抬的年份中， 促进我国华北干旱的反气旋持续加强。由分析可知7、 8月亚非急流在入口区北翘时对应的波的这种分布形态加强， 而这种加强对华北区域气候的影响将在下文做研究。
图5 1979 -2015年7月和8月200 hPa V分量EOF第一模态和第三模态的空间分布（a, b）及其时间系数和急流入口区位置指数（c, d）（a）和（b）中黑色线为20 m·s-1西风急流位置 Fig.5 The first and third EOF spatial mode at 200 hPa V component （a, b）, the time coefficient and the location index at the entrance of the jet stream （c, d） in July and August of 1979 -2015.The black line shows the position of 20 m·s-1 westerly jet |
3.5 波活动对高度场、 风场、 水汽的影响
为了研究沿急流传播的波活动对华北区域的干旱形势的影响， 用1979 -2015年7、 8月波的活动指数分别回归两个月500 hPa的高度场［图6（a）， （b）］。阴影区域都为通过显著90%性检验的区域。从7月的回归高度场［图6（a）］可以看出， 波活动使得我国东北部出现正高度异常， 这使得位于华北区域的槽减弱， 使槽有向东移动的趋势， 从而使得华北区域的位置由槽前变为处于槽后； 在西太平洋的副高气候态位置存在大片的负高度异常， 这使得西太副高有减弱、 东退的趋势， 有研究表明（李春等， 2002）， 副高的东退对华北区域的降水不利。从8月的回归高度场［图6（b）］可以看出波活动使得太平洋西部至我国东部地区出现大片的负高度异常， 使得西太副高东退明显。由此可知所选取的沿急流传播的波使华北区域的干旱形势加强。
为了研究沿急流传播的波对华北区域的水汽输送的影响， 用7、 8月选取的波所对应的波的活动指数分别回归两个月的500 hPa和850 hPa的风场（图7）， 图中所画的都为通过90%显著性检验的区域。从7月500 hPa ［图7（a）］和850 hPa ［图7（c）］可以看出， 在我国东部沿海的洋面地区上空为一深厚的气旋， 即西太副整层减弱、 东退十分明显， 不利于处于副高西北侧的西南气流向华北地区输送暖湿气流； 孟加拉湾和南海地区风向较为杂乱， 整体上是由陆地吹向洋面， 从孟加拉湾和南海地区向我国输送水汽的暖湿气流在低纬地区明显减弱， 不利于向华北地区输送水汽。从8月500 hPa［图7（b）］和850 hPa［图7（d）］可以看出， 在西太平洋至我国东部沿海地区， 也存在一个深厚的气旋， 副高整层减弱、 东退的形势十分明显， 华北地区在产生大量由东北向西南方向传播的气流。即沿急流传播的波使得华北区域西南风生成减弱， 使得孟加拉湾、 南海地区向我国内陆地区输送水汽的暖湿气流明显减弱， 不利于华北地区降水。
用7月、 8月选取的波所对应的波的活动指数分别回归7月、 8两月整层的水汽通量［图8（a）、 （b）］。从7月水汽场上来看［图8（a）］， 125°E以东地区西太平洋洋面上为一气旋式水汽输送的增强， 即副高在此区域的水汽输送明显减弱； 江淮区域有一支由东海向西传播的水汽通道， 而水汽输送只能到达江淮地区。在孟加拉湾和南海地区水汽通道的水汽输送都有减弱的趋势， 7月向华北地区输送水汽的水汽通道整体上有所减弱［图8（a）］。从8月的水汽场上来看［图8（b）］， 西太副高所处的位置上有气旋式水汽增强， 华北地区东北方向而来的水汽通量增加， 即副高西北侧的西南向的水汽通道减弱， 南海产生向南的水汽矢量， 孟加拉湾地区的水汽矢量由陆地指向海面， 即南海和孟加拉湾地区的水汽通道都有减弱。由研究可知（周晓霞等， 2008）， 向华北地区输送水汽的水汽通道主要有四支， 而沿急流传播的波使得7、 8月的水汽通道整体减弱， 不利于华北地区的降水。
3.6 动能由大西洋上急流出口区向亚非急流的入口区的频散
为了研究7、 8月动能在亚非急流上的传播变化， 分析了200 hPa、 500 hPa和700 hPa动能的气候态［图9（a）， （b）］和变化趋势［图9（c）， （d）］。从7月动能的气候态［图9（a）］可知， 北大西洋急流出口区域辐射出的动能在高、 中、 底层存在大片的负值区， 即整层的动能整体上偏弱。从7月动能的变化趋势［图9（c）］上来看， 在大西洋上急流出口区域有明显的正值区， 而大西洋急流出口区与亚非急流入口区域之间有较弱的正值区， 即动能有增强趋势。7月的动能值较弱可能是西风减弱的原因， 导致动能普遍减弱， 而7月的亚非急流在入口区1997年之后北抬明显［图9（a）］， 更易于波导作用下北大西洋急流出口区域辐射出的动能向亚非急流频散。从8月的动能气候态［图9（b）］来看， 在北大西洋急流出口区域至亚非急流入口区域， 整层存在大片的连续的正值区， 即北大西洋急流出口处辐射出的动能充足， 从8月动能变化趋势［图9（d）］上来看， 急流辐射出的动能增长趋势显著。在波导作用下， 利于动能向亚非急流的频散。
图9 1979 -2015年7月和8月动能的气候态（a, b）及其变化趋势（c, d）（彩色区， 单位: ×10-5 m2·s-2）矢量为T-N波作用通量, 红线和黑线分别为1979 -1997年、 1997 -2015年20 m·s-1平均西风位置 Fig.9 Climatic state (color area) of kinetic energy （a, b） and the trend of energy change （c, d） in July and August from 1979 to 2015.Unit: ×10-5 m2·s-2.Vector is T-N wave flux, The red line and the black line are respectively the average position of 20 m·s-1 of the subtropical westerly jet from 1979 to 1997 and from 1997 to 2015 |
4 讨论与结论
华北地区的干旱影响因素众多， 环流的持续异常对干旱的影响显著， 夏季中高纬西风带的变化对华北干旱影响明显（况雪源和张耀， 2006）。西风急流的位置变化可以对西太副高等天气系统造成影响（李春等， 2002）， 同时， 沿西风急流传播的动能又可以向下游传播（辜旭赞和刘羽， 2016）， 对下游天气系统产生影响。亚非副热带急流处于东亚副热带急流的上游， 通过研究得知它的变动对进入急流的动能影响显著， 从而影响到下游华北地区的干旱形势。通过局地多尺度能量涡度分析法（MS-EVA）和T-N波作用通量的分析， 主要得到以下结论：
（1） 亚非急流在入口区域1997年以后有明显的北抬趋势， 8月存在亚非急流在入口区域的东缩和北大西洋急流的南压； 华北地区的干旱形势也有明显的年代际特征， 在1997年之后华北地区的干旱指数出现连续的正值区， 7月的干旱指数与急流入口区域位置偏北成正相关关系。
（2） 亚非急流入口区域位置变化和沿急流传播的波的活动有很好的一致性。7月急流在入口区域向北翘时， 波活动加强华北区域上空的高压系统。波上的能量频散到我国沿海地区， 在波的影响作用下， 引起7、 8月西太副高减弱东退， 向华北地区输送水汽的暖湿气流减弱， 水汽通道整体上有减弱的趋势。
（3） 在1997年以后， 亚非急流入口区在7月有明显的北抬趋势， 使得能量更易于进入急流管道， 8月急流在入口区有东缩， 但大西洋急流出口区至亚非急流入口区的能量充沛， 7、 8月都利于能量进入亚非急流； 能量向下游区域频散， 使得我国华北上空脊前、 槽后的辐合加强， 下沉气流加强， 不利于气流的上升运动， 而在平均槽的东侧， 有较强的辐散， 使得槽向东移， 华北由槽前变为槽后。整体不利于华北地区的降水， 利于干旱的持续。