高原气象  2019, Vol. 38 Issue (6): 1241-1250  DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2018.00153
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王蕊, 王慧, 李栋梁. 2019. 中国西北地区东部盛夏降水特征及对初春地表感热异常的响应[J]. 高原气象, 38(6): 1241-1250. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2018.00153
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Wang Rui, Wang Hui, Li Dongliang. 2019. Response of Summer Precipitation in Eastern Part of Northwest China to the Surface Sensible Heat in Early Spring[J]. Plateau Meteorology, 38(6): 1241-1250. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2018.00153.
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资助项目

中国气象局预报员专项(CMAYBY2019-119);公益性行业(气象)科研专项[GYHY(QX)201306027];江苏省基础研究计划自然科学青年基金项目(BK20130997)

通信作者

李栋梁(1957-), 男, 甘肃通渭人, 教授, 主要从事气候动力学与气候变化研究.E-mail:lidl@nuist.edu.cn

作者简介

王蕊(1994-), 女, 甘肃定西人, 硕士研究生, 主要从事大气环流和气候动力学研究.E-mail:wrui718@163.com

文章历史

收稿日期: 2018-06-07
定稿日期: 2018-12-13
中国西北地区东部盛夏降水特征及对初春地表感热异常的响应
王蕊, 王慧, 李栋梁     
南京信息工程大学大气科学学院/气象灾害预报预警与评估协同创新中心/气象灾害教育部重点实验室, 江苏 南京 210044
摘要: 选用1961-2015年中国西北地区74个气象站逐月地表感热通量计算资料,及其东部155个常规气象站夏季的月降水资料以及NCEP/NCAR月平均再分析资料,通过经验正交函数分解(EOF)、线性回归分析、奇异值分解(SVD)等数理统计分析方法,分析了西北地区东部盛夏(7-8月)降水的时空异常演变特征及其与西北地区初春(3-4月)地表感热异常的联系及成因。结果表明:(1)中国西北地区东部盛夏降水由东南向西北递减,总体呈年代际减少趋势,减少最明显的区域为宁夏北部、内蒙古中南部。其空间异常型主要表现为全区一致的增多(减少)和西北-东南向"-+-"变化。(2)当西北地区初春(3-4月)地表感热通量整体异常偏强(弱)时,盛夏(7-8月),在贝加尔湖以南、中国北方的上空出现高度场异常偏高(低),中国西北地区水汽辐散(辐合)加强,西北地区东部宁夏平原降水出现异常偏少(偏多);而陕西南部有水汽的辐合(辐散)加强,有(不)利于该地区降水的产生。
关键词: 西北干旱区    西北地区东部    夏季降水    地表感热通量    气候变化    
1 引言

中国的西北地区面积广阔, 包括新疆、甘肃、宁夏、青海北部、内蒙古西部和陕西北部。其深居大陆腹地、外缘高大的山体, 使得东亚夏季风向北的水汽输送很难达到, 因此降水稀少, 大部分地区的降水不足200 mm, 有些地区甚至不足50 mm。由于其下垫面多为戈壁和荒漠, 地表蒸发能力非常强, 对太阳辐射的吸收也很强, 夏季有些地方的地面温度在中午可达到60 ℃(张强等, 2005), 所以地气之间能量交换以感热输送为主。野外科学试验观测结果和再分析地面感热资料结果均显示(布和朝鲁等, 2002; 王慧等, 2008; 周连童, 2009):中国西北干旱区春、夏季的地面感热通量可达到400 W·m-2, 再分析地面感热资料结果也显示, 中国西北干旱区是整个欧亚大陆上陆面感热通量最强的区域。由于其地面强大的热力输送, 因此中国西北干旱区被称为欧亚大陆上的“热垫”(周连童等, 2008)。如此强的热力作用, 其年(年代)际变化对中国气候和东亚季风环流系统有着显著的影响(周连童等, 2008, 2006; 高荣等, 2008; 张长灿等, 2017), Wang et al(2011)研究表明, 中国西北地区地面感热变化与东亚副热带夏季风北界位置和北边缘区夏季降水之间存在显著且持续的负相关关系, 且通过了99 %的显著性水平检验。

中国西北地区东部处于东亚夏季风北边缘区, 受到我国东部季风和西北干旱两大气候系统的交互影响, 年降水量只有300 mm左右, 所以这一地带雨量的变化对植被的影响非常强烈, 干旱气候的强弱或夏季风降水的有无可以直接给这些地区带来“干”、“湿”不同的气候状态。这一区域既是半干旱带, 也是气候变化的最敏感带和生态系统的脆弱带(欧廷海等, 2006), 更是自然灾害多发带(史正涛等, 1994; 黄荣辉等, 2002)。近50年来, 东亚夏季风正处于显著减弱的阶段, 使得东亚季风北边缘区夏季降水明显减少, 西北地区东部的降水处于明显的下降通道中, 1990年后降水减少趋势更为明显(王宝鉴等, 2004; 黄玉霞等, 2004; 陈东东等, 2009; 王晖等, 2013; 刘维成等, 2017), 尤其在夏季, 有明显的干旱化趋势。杨建玲等(2013)研究也表明, 西北地区东部从长期趋势看, 春、夏、秋季干旱呈加剧趋势, 冬季干旱呈减轻趋势, 21世纪以来春、夏季干旱进一步加剧, 尤其是夏季加剧更显著, 并且在西北地区东部主降水期3—11月重-特旱加剧趋势比轻-中旱加剧显著, 南部干旱化趋势比北部更加明显。因此, 在全球气候变暖背景下, 西北地区东部降水分布更为不均, 旱、涝等极端天气多发、频率增大, 强度增强, 极端天气常态化趋势明显(陈晓光等, 2008)。因此, 研究西北地区东部汛期旱涝灾害的成因和机理, 是提高该地区防灾减灾能力和应对气候变化能力的迫切需求, 有助于发展针对性的旱涝预测的关键技术。这不仅是保障该地区国民经济可持续发展的现实需求, 亦是提高旱涝事件预测准确率的当务之急。

对于西北地区东部干旱化成因的研究, 很多人关注热带海温的变化。如: 任广成等(2008)研究发现, 南方涛动和NINO4区海温与西北地区东部汛期降水关系密切, 5—6月南方涛动强弱变化及热带海温距平分布对西北地区东部汛期降水具有很好的预测指示意义; 王兰宁等(2000)也指出, 西太平洋暖池是影响西北地区东部气温变化的关键区, 该区域前期冬季和春季的海温变化是预报西北地区东部气温变化的强信号。姚宗国等(2008)发现台风有利于西北地区东部降水的产生, 敏感区位于河套地区, 台风活动期内, 副热带高压(简称副高)会西伸北抬, 与西风槽、低涡、切变线共同造成西北东部降水的出现。李国昌等(2006)研究了越赤道气流对西北地区东部夏季降水的影响, 结果表明, 索马里急流是最主要的越赤道气流, 且比较稳定, 它是影响西北地区东部夏季降水的重要环流因素。

很多研究均证实, 局地的陆气相互作用对干旱气候的维持和加强起到重要作用(Giannini et al, 2003; Zeng, 2003; Lu, 2005)。通过前面的分析可以看出, 目前关于西北地区东部降水与该地区感热的研究还非常缺乏, 因此, 从西北地区强烈的热力作用入手, 研究其地表热状况异常对其东部汛期旱涝影响的事实和机理, 对该地区旱涝预测技术和防灾减灾能力的提高具有重要意义。

2 资料选取与方法介绍

所用资料包括: (1)1961—2015年西北地区东部(32.5°N—41.5°N, 97.5°E—112.5°E)155个常规气象站的逐月降水资料, 站点分布如图 1(a)所示; (2)1961—2015年西北地区74个国家基本气象站[图 1(b)]逐月地面观测资料, 要素包括: 1.5 m处百叶箱温度、地表 0 cm温度、10 m风速、本站气压等; (3)NCEP/NCAR月平均再分析资料, 包括各层的位势高度场、水平风场、垂直速度场、比湿和地面气压资料, 水平分辨率为2.5°×2.5°; (4)卫星遥感观测的1982年1月至2015年12月每半月合成的归一化差值植被指数(NDVI)资料, 分辨率为: 1/12°×1/12°。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)2893的中国地图制作, 底图无修改。

图 1 西北地区东部155个常规气象站及西北地区74个国家基本站站点分布 Fig. 1 Distribution of 155 conventional observation stations in the estern part of northwest China and 74 national basic meteorological stations in northwest China

地表感热通量的计算采用总体输送公式(陈万隆等, 1984; 徐国昌等, 1990; 李栋梁等, 1997; 李振朝等, 2007; 周连童等, 2008), 即:

$ H=\rho c_{p} C_{h} U\left(T_{s}-T_{a}\right), $ (1)

式中: ρ为干空气密度, 由干空气状态方程ρ=P/(Rd·Ta)确定(单位: kg·m-3); P为本站气压(单位: hPa); Rd=287.04 J·K-1·kg-1为干空气比气体常数; Cp=1004 J·K-1·kg-1为干空气定压比热; Ts为地面0 cm土壤温度(单位: K); Ta为气象站1.5 m百叶箱温度(单位: K); U为气象站10 m处风速(单位: m·s-1); Ch为区域尺度地表热力总体输送系数(无量纲), 选用中国西北干旱区不同下垫面上Ch-INDV参数化关系式确定(王慧等, 2010):

$ C_{h}=\left\{\begin{array}{ll}{0.0298 I_{N D V}^{2}-0.0057 I_{N D V}+0.0022} & {, \quad 0.45 \leqslant I_{\max } \leqslant 1} \\ {0.0084 I_{N D V}^{2}+0.0015 I_{N D V}+0.0016} & {, \quad 0.2 \leqslant I_{\max } \leqslant 0.45} \\ {-0.0028 I_{N D V}^{2}+0.0017 I_{N D V}+0.0033} & {, 0 \leqslant I_{\max } \leqslant 0.2}\end{array}\right. $ (2)

式中: Imax为各站1982—2015年逐年NDVI最大值的平均, 其中0.45≤Imax≤1时, 下垫面为绿洲区: 0.20≤Imax<0.45时, 为半干旱稀疏植被区或戈壁区(简称半干旱-戈壁区); 0≤Imax<0.20时, 为干旱无植被区或沙漠区(简称干旱-沙漠区)。

通过相关分析和回归分析(魏凤英, 1999)方法研究了西北地区东部盛夏降水和西北地区初春地表感热通量之间的线性关系。相关系数一般用r表示, 设有两个变量x1, x2, …, xny1, y2, …, yn, 其相关系数的计算公式为:

$ r = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {\left({{x_i} - \bar x} \right)} \left({{y_i} - \bar y} \right)}}{{\sqrt {\sum\limits_{i = 1}^n {{{\left({{x_i} - \bar x} \right)}^2}} } \sqrt {\sum\limits_{i = 1}^n {{{\left({{y_i} - \bar y} \right)}^2}} } }}, $ (3)

式中:xy分别为变量xiyi的平均值。当相关系数r>0时, 表示两个变量之间为正相关的关系, 反之, 当r<0时, 两个变量为负相关的关系, r的绝对值越大表示相关关系越密切。

对于一元线性回归方程:

$ y_{i}=b x_{i}+a \quad, \quad i=1, 2, \cdots, n $ (4)

式中: y为因变量; x为自变量; b为回归系数; a为回归常数; ab可以用最小二乘法进行估计。

$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {a = \bar y - b\bar x\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;}\\ {b = \frac{{n\sum\limits_{t = 1}^n {{x_t}} {y_t} - \sum\limits_{t = 1}^n {{x_t}} \sum\limits_{t = 1}^n {{y_t}} }}{{n\sum\limits_{t = 1}^n {x_t^2} - {{\left({\sum\limits_{t = 1}^n {{x_t}} } \right)}^2}}}} \end{array}} \right., $ (5)

回归系数与相关系数的关系为:

$ b=r \frac{s_{y}}{s_{x}}, $ (6)

式中: sysx分别为yx的均方差。由公式(6)可以看出, 回归系数和相关系数具有同号的关系, 物理意义相同, 均能反映两个变量之间的线性关系, 但是回归系数不仅能反映出因变量和自变量关系的密切程度, 还能反映出因变量和自变量变化幅度的大小。回归系数的绝对值越大(小), 表示因变量y(自变量x)变化的幅度越大(小)。

本文还使用了经验正交函数分解(EOF)方法, 分析西北地区东部盛夏降水时空演变特征, 同时通过奇异值分解(SVD)方法揭示西北区前期热状况对其东部盛夏降水的联系, 最后利用合成分析研究了两者相关的大气环流背景特征及成因。

3 西北地区东部盛夏降水的时空异常特征

研究表明, 中国西北地区东部年降水量呈西北-东南向递增的空间分布(苏布达等, 2007), 降水量不仅具有明显的年际差异, 并且存在较为明显的季节性差异(王金花等, 2007)。降水量年内分配较为集中, 其中夏季的降水量占全年的50 %, 而冬季降水量仅占全年的2 % (郭江勇等, 2006), 而夏季降水量的77 %集中在盛夏的7—8月。图 2给出了西北地区东部多年平均盛夏(7—8月)降水的空间分布及其线性趋势百分率。从图 2中可以看出, 西北地区东部盛夏降水由南至北逐渐减少, 最少的地方位于河西走廊以北的阿拉善高原, 多年平均不足30 mm; 而降水量最多的地方位于陕、甘南部, 7—8月降水总量可以达到180 mm以上。除甘肃西部-青海东部, 以及陕西南部降水量有较弱的增加趋势外, 甘肃中东部、宁夏全区、内蒙古中南部和陕北等区域盛夏降水量均呈现显著减少趋势, 其中内蒙的吉兰太站(39.78°N, 105.75°E), 线性趋势每10年达-13.1 %。

图 2 1961—2015年中国西北地区东部盛夏(7—8月)降水分布(单位: mm)及其线性趋势百分率[单位: % ·(10a)-1] 实心通过90 %的置信水平t检验 Fig. 2 Distribution of midsummer precipitation in the estern part of northwest China from 1961 to 2015 (unit: mm) and its linear trend [unit: % ·(10a)-1]. Solid points pass the 90 % confidence level t test

对西北地区东部盛夏降水量标准化序列进行了EOF分解, 研究其时空演变特征。表 1给出其前10个载荷向量场的解释方差和累积解释方差。从表 1中可以看出, 西北地区东部盛夏降水的收敛速度较快, 前10个模态的累计解释方差达73.7 %, 前两个模态的累计方差贡献率达到48.0 %, 均通过了North检验(魏凤英, 1999)。下面主要对前两个最主要模态的空间分布和时间演变进行分析。

表 1 中国西北地区盛夏(7—8月)降水量EOF分析前10个模态的个别方差和累积方差贡献率 Table 1 The contribution of individual variances and cumulative variances of the first ten modes of EOF analysis of midsummer precipitation in northwest China

图 3给出了中国西北地区东部盛夏降水标准化序列EOF分解前两个主模态的载荷向量场(LV1、LV2)及其对应的时间系数(PC1、PC2), 其中LV1的方差贡献为28.9 %。从图 3(a)中可以看出, 西北地区东部全区均为正值, 为全场一致型演变特征, 体现了大尺度气候因子对西北地区东部盛夏降水的影响。其载荷向量大值区位于宁夏南部、甘肃东部及陕西西南部, 大值中心在甘肃的天水站(34.58°N, 105.75°E), 其载荷向量值达0.77。从图 3(b)可以看出, 西北地区东部盛夏降水的年际波动较大, 其中1978, 1979, 1981, 1988和2003年为西北地区东部盛夏降水异常偏多年; 1974, 1991, 2002和2015年是降水异常偏少年(异常超过1.5个标准差)。20世纪60—70年代中期降水呈减少趋势, 但波动较小, 1975年西北地区东部盛夏降水突然增多, 且年际波动增大, 20世纪70年代中期至21世纪00年代初期降水也呈现显著减少趋势, 最近的十几年, 西北地区东部盛夏降水又有所增多。这一结果与马金龙等(2017)研究的该地区汛期(5—9月)降水变化特征基本一致。

图 3 中国西北地区东部盛夏降水标准化值EOF分解第一、二主模态的空间分布及对应的时间系数 深(浅)阴影表示通过95 % (90 %)的置信水平t检验 Fig. 3 The spatial distribution of the first and second main modes of the EOF analysis of the summer precipitation in the eastern part of northwest China, and the corresponding time coefficient. Deep (shallow) shading indicates 95 % (90 %) confidence level t test

图 3(c)3(d)分别为中国西北地区东部夏季降水EOF分解第二载荷向量场(LV2)及其时间系数(PC2), 其方差贡献为19.2 %。从图 3(c)可以看出, 西北东部降水整体呈东南-西北反向变化型分布。正值区包括甘肃中东部、宁夏、陕西北部及内蒙古中南部, 大值中心在宁夏永宁站(38.3°N, 106.3°E), 其值达到0.7以上, 负值中心位于陕西南部的长安站(34.15°N, 108.92°E), 其值为0.66。第二载荷向量场反映了西北地区东部盛夏降水受东亚季风气候系统和大陆性干旱气候系统共同影响的跷跷板特征, 当东亚夏季风强时, 季风偏北, 雨带位置偏北, 研究区的北部(即LV2正值区)降水相对偏多, 南部(即LV2负值区)降水相对偏少。反之, 当东亚夏季风弱时, 季风偏南, 雨带位置偏南, 研究区的南部(即LV2负值区)降水相对偏多, 北部(即LV2正值区)降水相对偏少。时间系数PC2反映了LV2的正(负)值区在20世纪60年代中期到70年代末期盛夏降水异常减少(增加), 80年代和90年代降水异常增加(减少), 而2000年之后降水又逐步减少(增加)的年代际变化特征。

4 西北地区东部盛夏降水异常与西北区初春地表感热的联系

将西北地区东部盛夏降水EOF分解的时间序列PC1和PC2与西北区3—8月逐月地表感热通量进行相关分析。结果显示, 西北东部盛夏降水PC1与3—8月地表感热通量与的相关不显著, 仅与同期地表感热通量的异常变化呈弱的负相关(表 2), 实际上反映了东亚副热带夏季风北上造成的降水产生的潜热对感热的抑制作用。表明西北地区东部盛夏降水LV1全区一致性演变主要受到同期大尺度环流因子的影响。而PC2与西北地区地表感热通量的相关关系较好(表 2), 说明西北东部盛夏降水LV2主模态的演变主要受局地陆-气相互作用的影响, 与前期地表感热通量变化有密切联系, 即前期3—4月西北地区地表感热异常增强(减弱), 会抑制(有利于)东亚副热带夏季风的北上, 甘肃中部、宁夏平原和陕西北部一带降水出现异常偏少(多)。

表 2 西北东部盛夏降水EOF分解PC1、PC2分别与西北区平均3—8月感热的相关系数 Table 2 The correlation coefficients between the EOF analysis PC1/PC2 of the precipitation in the eastern of northwest China and the average sensible heat in northwest China from March to August

接下来主要分析西北地区初春(3—4月)地表感热异常与其东部盛夏(7—8月)降水的联系。图 4给出了西北地区东部盛夏(7—8月)降水EOF分解PC2与西北地区74站3—4月地表感热通量的回归分布。从图 4中可以看出, 当西北区初春(3—4月)除准噶尔盆地北部和柴达木盆地南部等小范围外, 大部分区域地表感热通量异常偏弱(其中塔里木盆地东部、柴达木盆地北部以及甘肃西部, 最大负值中心可以达到-2.0以上)时, 通过了95 %的置信水平t检验。结合图 4图 3(c)可以得到, 当初春3—4月西北地区地表感热通量异常偏强(弱)时, 甘肃中部、宁夏和陕西北部大片区域盛夏降水会异常偏少(多), 而陕西南部降水偏多(少)。

图 4 西北地区东部盛夏降水EOF分解PC2与西北地区74站3—4月地表感热通量的回归分析 深(浅)阴影表示通过95 % (90 %)的置信水平t检验 Fig. 4 Regression distribution of EOF analysis of midsummer precipitation in the eastern part of northwest China with the surface sensible heat flux in northwest China from March to April. Deep (shallow) shading indicates 95 % (90 %) confidence level t test

图 5给出了以西北地区初春地表感热通量为左场, 西北地区东部盛夏降水为右场的SVD分析第一主模态分布及其对应的时间系数。其协方差贡献为40 %, 展开系数之间的相关为0.62。当西北地区西部(中心在新疆南部、甘肃西部)初春(3—4月)地表感热通量显著偏弱时, 西北地区东部盛夏降水北边与东南边呈反向变化分布, 这与回归分析的结果(图 4)一致。由此也证明了当西北地区西部初春地表感热异常偏弱时, 西北地区东部偏北地区盛夏降水会出现异常偏多, 东南角降水出现异常偏少。从图 5(c)时间系数的演变可以看出, 左右场的时间序列趋势基本同步, 都是在20世纪60年代末期到70年代呈下降趋势, 80年代到90年代中期呈上升趋势, 而后从2000年以后逐步下降, 至2010年起又开始回升。同时显示, 在20世纪60—70年代初期以及90年代, 西北地区大部分区域地表感热异常偏强, 陕西南部降水异常偏多, 而甘肃中部、宁夏和陕西北部大片区域降水异常偏少, 而在80年代和2000年之后, 西北地区大部分地区地表感热异常偏弱, 陕西南部和青海北部降水偏少, 而甘肃中部、宁夏和陕西北部大片区域降水异常偏多。

图 5 1961—2015年西北地区东部7—8月降水量与西北3—4月地表感热通量SVD分析的第一模态异类相关 深(浅)阴影表示通过95 % (90 %)的置信水平t检验 Fig. 5 The first mode heterogeneity from the SVD analysis that between the precipitation from July to August in the eastern part of the northwest China and the surface sensible heat flux in the northwest China in March-April. Deep (shallow) shading indicates 95 % (90 %) confidence level t test
5 西北区初春地表感热对其东部盛夏降水影响的大气环流特征

由以上分析可知, 西北区初春地表感热变化与其东部盛夏降水异常密切关系, 为了分析其联系机理, 根据两者SVD分析第一主模态时间系数, 选取西北地区初春地表感热通量与其东部盛夏降水同时异常的年份进行了大气环流背景场的合成分析。其中西北地区初春地表感热异常偏强同时西北东部降水北少东南多的年份有: 1981, 1982, 2005, 2007和2010年; 西北地区初春地表感热异常偏弱同时西北东部降水北多东南少的年份有: 1967, 1968, 1977, 1994和1997年。图 6给出了西北地区初春地表感热通量异常年合成的东部盛夏500 hPa高度距平场分布。从图 6中可以看出, 西北区初春地表感热通量异常偏强时, 在乌拉尔山地区南部存在负距平中心, 而贝加尔湖地区附近上空存在正距平中心, 西太平洋副热带高压强度偏强。孟加拉湾高度场的正偏差表明南支槽偏弱、西南气流偏弱, 南方洋面的水汽受到西太平洋副高压抑制, 只能输送到中国西北地区东南部至淮河流域, 无法深入到西北区的偏北区域, 导致西北东部地区盛夏降水的南多北少。西北区初春地表感热通量异常偏弱年情况大致相反, 贝加尔湖地区转变为负距平中心, 在中国东海海面也存在负距平中心, 巴尔喀什湖西南部与朝鲜半岛西北部为正距平中心, 在纬向方向上呈“-+-”分布, 孟加拉湾高度场为负偏差, 表明南支槽偏强、西南气流偏强。西太平洋副高强度偏弱, 有利于东亚夏季风向北输送水汽, 使西北东部地区盛夏降水位置偏北。

图 6 西北地区初春地表感热通量异常偏强、弱年合成的盛夏7—8月500 hPa位势高度距平场(单位: gpm) Fig. 6 The compositions of 500 hPa geopotential height in the early spring for stronger and weaker years of the surface sensible heat flux in northwest China from July to August. Unit: gpm

图 7为西北区初春地表通量异常年合成的盛夏7—8月850 hPa风场距平。由图 7可以看出, 地表感热通量异常偏强时, 在乌拉尔山东部、日本及其东部以及中国山东半岛上空有较为明显的气旋性环流异常存在, 而在贝加尔湖及其以南地区以及东海有明显的反气旋环流异常, 西北地区东部上空为东北风异常, 在其以南与来自南方的西南风相遇使得来自阿拉伯海和孟加拉湾的水汽不能输送到更北的区域, 所以不利于宁夏平原、阿拉善高原地区以及河套北部等地区降水的产生, 而在陕西南部和长江上游地区受西南风控制有来自东南沿海和孟加拉湾的暖湿气流, 有利于该地区降水的产生。地表感热通量偏弱年的情况与偏强年基本相反, 在贝加尔湖西南方向为气旋型环流, 贝加尔湖以东为反气旋环流异常, 在东海海面存在气旋性环流异常, 有利于来自黄海和东海海面的水汽输送到更北的区域, 宁夏平原等地区受此影响, 为西北干冷空气与东南暖湿气流的交汇区, 有利于降水的产生。而在陕西南部为平直的东风气流, 没有冷空气的汇合, 不利于降水产生。故在西北地区地表感热通量异常偏弱年, 其东部宁夏平原等区域盛夏降水明显增加, 而陕西南部降水偏少。

图 7 西北地区初春地表感热通量异常偏强、弱年合成的盛夏7—8月850 hPa风场距平(单位: m·s-1) Fig. 7 The compositions of 850 hPa wind field in the early spring for stronger and weaker years of the surface sensible heat flux in northwest China from July to August. Unit: m·s-1

图 8给出了西北区初春地表感热通量异常年合成的盛夏7—8月整层水汽通量和散度距平场。由图 8可以看出, 在西北区初春地表感热通量异常偏强年, 仅在青海湖西部、柴达木盆地东部以及西北地区东部东南角区域有水汽的辐合, 中国东南部有反气旋性环流异常掠过西北地区东南部边缘, 在陕西南部和长江上游地区受西南风控制有来自东南沿海和孟加拉湾的暖湿气流, 有利于该地区的降水, 宁夏平原和河套北部地区没有充足的水汽供应, 不利于降水产生; 而在地表感热通量弱年, 在贝加尔湖东南部有反气旋环流, 中国西北地区东部偏北、以及宁夏平原等地区有来自渤海海面的水汽向西输送, 给宁夏平原等地带来了充足的水汽, 宁夏平原以及河套北部等地区有水汽的辐合, 有利于该地区降水的发生, 而陕西南部等地区没有充足的水汽输送, 不利于降水产生。

图 8 西北地区初春地表感热通量异常偏强、弱年合成的盛夏7—8月整层水汽通量距平和散度距平场[单位: kg·(m·s)-1] 阴影区表示有水汽的辐合 Fig. 8 The compositions of the whole layer water vapor flux anomaly and divergence anomaly field in the early spring for stronger and weaker years of the surface sensible heat flux in northwest China from July to Augus. Unit: kg·(m·s)-1. The shaded area indicates the convergence of water vapor
6 结论

(1) 中国西北地区东部盛夏7—8月降水量主要集中在西北东部偏南地区, 降水量由东南向西北递减, 年代际变化总体呈减少趋势, 减少最显著的地方位于甘肃南部和宁夏北部, 每10年达40 %以上线性减少。西北地区东部盛夏降水异常的空间模态主要表现为全区一致型和西北-东南向的“-+-”变化。

(2) 当西北区初春(3—4月)地表感热通量整体偏强时, 阿拉善高原、河套北部以及宁夏大部分地区盛夏(7—8月)降水偏少, 而陕西南部盛夏降水偏多; 当西北初春地表感热通量整体偏弱时, 西北地区东部盛夏降水呈北多南少的分布。

(3) 当西北区初春地表感热通量异常偏强时, 贝加尔湖以南、中国北方地区上空高度场异常偏高, 西太平洋副热带高压强度偏强, 南方的水汽难以到达西北地区的偏北区域, 在陕西南部和长江上游地区受西南风控制有来自东南沿海和孟加拉湾的暖湿气流, 使得西北东部地区降水出现南多北少。西北区初春地表感热通量异常偏弱年情况大致相反。巴尔喀什湖西南部与朝鲜半岛上空高度场异常偏高, 副热带高压偏西偏北, 宁夏平原等地受贝加尔湖东南部的反气旋环流异常影响, 有来自黄海和东海海面的水汽输送, 有利于降水的产生, 而陕西南部等地区没有来自充足的水汽输送, 不利于降水的产生。

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Response of Summer Precipitation in Eastern Part of Northwest China to the Surface Sensible Heat in Early Spring
WANG Rui , WANG Hui , LI Dongliang     
Collatborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Key Laboratory of Meteorological Disaster, Ministry of Education, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, Jiangsu, China
Abstract: The monthly sensible heat flux calculation data of 74 conventional meteorological stations in Northwestern China, the monthly precipitation data of 155 conventional meteorological stations in the northwest of China, and the monthly average reanalysis data of NCEP/NCAR from 1961 to 2015 were selected. Mathematical statistical analysis methods such as empirical orthogonal function decomposition (EOF), linear regression analysis, and singular value decomposition (SVD) were used to analyze relationship between the anomalous temporal and spatial evolution characteristics of precipitation in midsummer (July-August) in the eastern part of Northwest China and the surface sensible heat anomalies in the early spring (March-April) of the Northwestern China. The results show that:(1) The precipitation in the eastern part of Northwestern China decreases from southeast to northwest with an overall decadal decline. The most obvious areas for reduction are northern Ningxia and central and southern Inner Mongolia. Its spatial anomaly is mainly characterized by a consistent increase (decrease) in the whole region and a "-+-" change in the northwest-southeast direction. (2) When the surface sensible heat flux is relatively strong (weak) in the early spring in Northwestern China, in midsummer (July-August), the height field over the southern part of Baikal Lake and northern China during midsummer is abnormally high (low), the water vapor divergence (convergence) in Northwestern China is strengthened, and the precipitation in the Ningxia Plain in the northwestern part of the northwest is abnormally low (above average); while in the southwest of Shaanxi, the convergence (diverging) of water vapor is strengthened, which is (not) conducive to the occurrence of precipitation in this region.
Key words: Northwest arid area    northwestern China    summer precipitation    surface sensible heat flux    abnormal circulation