华北夏季降水减少和大气环流异常的关系外文翻译资料

 2022-12-23 14:58:22

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华北夏季降水减少和大气环流异常的关系

摘要：基于（美国）国家环境预报中心/（美国）国家大气研究中心（NCEP / NCAR）的再分析数据集和中国国家气候中心（NCC）的研究夏季降雨数据集，通过使用趋势分析法和复合分析法，对华北夏季降水减少和北半球环流变化的关系进行了研究。研究结果表明华北夏季降水呈明显下降的趋势，特别地，1965年这种变化突然呈现。北半球500hPa的大气环流在1965年以后有显著的变化，从经向环流变为了纬向环流，这使得高空槽活动减少，槽前上升运动减弱，导致降雨天气过程减少。500hPa上，在蒙古地区，气温下降，导致对流层下部的气压升高，低压活动显著减少，这使得华北降雨天气过程减少；与此同时，500hPa上气温下降，使得对流层上部位势高度降低，高空急流的位置南移，东亚夏季风减弱，致使南方夏季风降水区的水汽难以跨域长江流域输送到达华北地区。华北夏季降水的减少与北半球环流变化有很好的相关性。

关键词： 华北 夏季降水 减少 大气环流 异常

1、介绍

自20世纪60年代后期以来，华北地区夏季降水已呈现出明显下降的趋势，与此同时干旱趋势更加明显。尤其是20世纪70年代，夏季降水的减少导致水资源短缺，这对当地的工农业生产和居民生活产生了很大的影响。丁和张最近的研究显示，20世纪70年代发生的突然变化，导致华北夏季降水减少。徐等通过分析1951-2007年间86个测站的夏季降水数据，发现自1965年以来降水量明显减少，在华北地区夏季降水量不再是正常值。虽然20世纪70年代初，华北地区干旱趋势有所缓和，但是局部地区的干旱在20世纪70年代末持续加剧，并延续到20世纪80年代末和90年代初。20世纪90年代初，华北地区降水有所增加，可这只是一个简短的中断。从1996年开始，华北降水又大大减少，干旱情况愈加严重。

华北地区夏季降水减少的原因及其未来的发展趋势受到了科学家和决策者们的广泛关注。通过分析1965年左右华北夏季降水的气候突变，黄等指出，这种气候突变是由20世纪60年代中期热带东太平洋海表温度增加造成的。张认为,华北地区夏季降水减少与西太平洋副热带高压的异常有关。在研究了青藏高原积雪（雪盖）和中国夏季降水之间的关系后，彭等发现在20世纪70年代后期，积雪量有一个年代际气候跳跃。在此基础上，华北夏季降水减少量与积雪量之间存在良好的相关性。朱等人进行的数值模拟研究进一步证明，下雪的冬天会使青藏高原热源减弱，从而进入夏季，东亚夏季风减弱，导致“南涝北旱”的情况，华北地区甚至更为干燥。俞等人发现，夏季对流层上部的气温自上世纪80年代后期开始下降，这致使华北地区夏季降水减少而长江流域夏季降水增加。更多的研究表明,华北地区夏季降水的减少与东亚夏季风的减弱密切相关。

尽管很多学者已经研究了华北夏季降水减少的原因，但华北夏季降水减少的原因和影响因素仍不确定，进一步的调查仍然是必要的。在这里，我们将通过比较分析自1965年发生突变以来的北半球大气环流变化，探讨造成华北夏季降雨减少的因素。

2、数据和方法

本研究的数据集有两个来源。1951 - 2008年期间位于华北地区的20个台站（图1）的夏季降水资料是由中国国家气候中心气候诊断与预测部门提供的。大气环流数据来自美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心（NCEP / NCAR），是1951-2008年间水平分辨率为2.5°times;2.5°的再分析月数据。这些数据是美国科罗拉多州的博尔德从他们的网站http://www.cdc.noaa.gov/上获取的，由NOAA-CIRES气候诊断中心提供。通过趋势分析、Mann-Kendall检验来研究华北夏季降水异常变化。大气环流异常分析是根据高度、温度、压力和风的复合平均场进行的。

3、华北地区夏季降水的变化

首先，我们分析了1951-2008年华北夏季降水的变化（图2）。从图2中可以看出华北夏季降水年际变率大，趋势曲线反映了明显的年代际变化特征。以降水量最少的年为节点，可分为三个主要的阶段,即1951 – 1969年、1969 – 1983年,1983 – 2008年,三个阶段平均降雨量呈逐渐下降的趋势。降水变化的线性分析通过了95％的显著性水平（显著性检验），表明线性下降在近58年是显著的，平均每十年减少14.9毫米。

然后，我们分析华北夏季降水是否会发生突变。Mann-Kendall测试在描绘突变方面具有特殊优点，特别地，它可以确定突变发生的时间段。在这里我们将使用这种方法来研究华北夏季降水是否发生突变。图3是Mann-Kendall检验的结果。在1965年我们可以找到一个突变，从那以后，夏季降水明显减少了。

4、循环变化

由于降水与水汽条件（夏季风水汽输送）、上升运动条件（表面低压，高空槽，高空急流）和夏季风强度密切相关。基于1965年华北夏季降水量发生突变，我们以1965年为界。然后我们分别对1951 - 1965年间和1966 - 2008年间的500hPa高度场和温度场、850hPa的风场，海平面气压场进行了比较分析，以了解华北夏季降水减少与大气环流变化之间的关系。

4.1 500hPa位势高度场的变化

在500hPa高度场，槽脊活动经常导致高空槽前有上升运动，从而有更多的降水天气过程。为了了解1965年以后的环流变化，我们分别对1951 - 1965年和1966 - 2008年夏季的500hPa高度场进行了比较分析（图4）。图4（a）中的极地正异常表示1951 - 1965年期间的极涡较浅。欧洲北大西洋海岸为负异常,乌拉尔山为正异常,贝加尔湖到青藏高原之间为负异常,所以从欧洲，乌拉尔山到亚洲中部形成了一个“- -”的欧亚遥相关模式,这表明欧洲长波槽和从贝加尔湖到青藏高原北部的槽将加深，在乌拉尔山地区的高压脊将加强。这种分布使得槽脊活动加强，呈明显的经向环流（经向度加大）。因此,当贝加尔湖地区的槽向东南方快速移动时，华北地区将出现更多的上升运动。图4（b）与图4（a）相反，但异常值明显较小。极地负异常表明极涡加深，欧洲北大西洋海岸为正异常,乌拉尔山为负异常,贝加尔湖到青藏高原之间为正异常,所以从欧洲，乌拉尔山到亚洲中部形成了一个“ - ”的欧亚遥相关模式，这表明欧洲长波槽和从贝加尔湖到青藏高原北部的槽将减弱，在乌拉尔山地区的高压脊也将减弱。这种分布使得槽脊活动减弱，呈明显的纬向环流（纬向度加大）。因此，贝加尔湖槽造成的华北地区的向上运动显著减少。可以看出，欧亚遥相关模式在夏季的500 hPa高度场尤为显著，其变化可影响东亚的指数环流，改变蒙古地区和黄河流域槽脊活动的频率和强度，从而影响华北夏季降水。

4.2 500hPa温度场的变化

众所周知，上层空气温度的升降不仅影响对流层下部气压的变化，还影响高空西风急流的位置。接下来，我们将对500hPa层的气温变化进行比较分析( 图5）。如图5（a）所示，我们可以看到北大西洋亚热带地区为正异常，从北大西洋到欧洲的高纬地区、北美海岸为负异常，欧洲高纬度地区为正异常，乌拉尔山为弱的正异常，蒙古的西北部到黄河流域为正异常。这表明，在1951 - 1965年的夏季，在500hPa层上，蒙古地区气温较高，导致对流层下部气压降低，从而有更多的低压天气过程，致使降水增加。同时，该区域对流层上部的气压增加，使得区域南侧的气压梯度减小，区域北侧气压梯度增加，且使高空急流位于北部， 故夏季季风降水区域偏北。图5（b）与图5（a）情况相反，但异常值较小。从蒙古地区到黄河流域西北部的环流具有最大强度，该区域广泛为负异常。这表明在1966 - 2008年间蒙古地区气温显著降低。在500hPa层,气温下降使得该区域对流层下部气压升高，致使低压活动和降水天气过程都减少，从而降水量也减少。同时，对流层上部位势高度在该区域内降低，使得该区域南侧气压梯度增加，北侧气压梯度减小，于是高空西风急流南移，从而夏季风降水区域南移。

4.3 850hPa风场的变化

既然850hPa风场在水汽输送过程中起着关键作用，而水汽又是降水产生的重要条件。那么在这里我们对850hPa风场进行比较分析（图6）。

比较图6（a）和图6（b），我们发现印度夏季风主要是从西向东吹。此外，比较1966 - 2008年与1951 - 1965年的图，我们发现印度夏季风风速几乎没有变化，与印度夏季降水减少趋势一致，不是很明显。东亚夏季风主要从南海吹到华北和东北地区。图6(a)表明,在1951 - 1965年,东亚夏季风风速和印度夏季风一样,且风从南海吹到东北地区。此外,在蒙古地区存在一个明显的气旋性环流,使得风向在黄河流域辐合。图6（b）的结果明显不同于图6（a）。第一，东亚夏季风风速在越过30ordm;N后显著减小，与印度夏季风风速相比非常小，这表明东亚夏季风在1966 - 2008年间很少越过长江，到达华北 ；反倒在长江流域产生了风速的辐合。第二，蒙古地区的气旋环流消失，黄河流域附近的环流风向辐合非常弱。因此，1951 - 1965年华北地区夏季降水的产生可能是由于东亚夏季风和黄河环流附近的风向辐合提供了较好的水汽条件，而1966 - 2008年长江流域夏季降水的产生可能是由于东亚夏季风风速辐合造成的。所以在这两个地方降水产生的原因不同。在1966 - 2008年,华北地区降水少可能是因为水汽输送条件较差以及黄河环流附近风向的辐合较弱。

为了进一步分析850hPa上风的异常变化,我们分别计算了1951 - 1965年和1966 - 2008年不同区域的水平风速，如图6(c)和图6(d)所示。图6(c)表明,印度夏季风基本上没有异常变化,但东亚夏季风呈现出明显的南风异常,蒙古地区有气旋环流,西北太平洋有弱的反气旋环流,环流附近有明显的风向辐合。图6（d）基本上与图6（c）相反。也就是说，印度夏季风没有异常变化，但东亚季风呈现北风异常，蒙古地区有反气旋环流，西北太平洋有弱的气旋环流，黄河环流附近的风向辐散。

所有数据表明，1966 - 2008年相对于1951年-1965年,虽然西北太平洋副热带高压的强度和位置变化不显著，印度夏季风的强度变化也不太明显,但东亚夏季风明显减弱。在1951 - 1965年,东亚夏季风更强,东亚中纬度地区主要为南风异常，且延伸至东北地区。东亚夏季风携带的较强的南风气流和副热带高压携带的较强东南风气流可以有效地将水汽输送到华北地区，其与来自蒙古地区的西北冷气流在黄河环流附近交汇，产生辐合上升运动，使得华北地区夏季降水偏多。在1966-2008年，东亚夏季风在越过30ordm;N后显著减弱，这使得南风输送水汽的能力减弱，且很难到达华北地区。同时，蒙古的西北冷气流也变弱。这两个因素导致华北地区夏季降水减少。

4.4 海平面气压场的变化

海平面气压场的变化是预测夏季降水非常重要的指标，因此，我们将1965年前后气压的变化进行比较分析（图7）。在1951-2008年夏季平均海平面气压图（图略）中，可以看到，阿拉伯半岛到印度、蒙古分别是低压中心，而北太平洋和北大西洋则是强大的高压。阿拉伯半岛到印度的低压在印度夏季风的形成中起着重要作用，蒙古低压则在东亚夏季风的形成中起着重要作用。

比较图7（a）和图7（b），不难发现，在1951 - 1965年期间蒙古地区是一个明显的负异常，而在1966 - 2008年期间变为正异常，阿拉伯半岛到印度的气压场则没有变化。这些结果表明，在1951 - 1965年的夏季，蒙古的低压较强，这与蒙古地区上层升高的气温有较好的相关性。较强的蒙古低压在华北造成了更多的低压活动，导致更多的降水天气过程，这与华北地区过去的降水天数较多有较好的对应关系。但在1966-2008年夏季，蒙古低压明显减弱，其与蒙古地区上层降低的气温具有良好的相关性。较弱的蒙古低压使得华北地区低压活动减少，导致降水天气过程减少，这与华北地区近年来降水天数减少有较好的对应关系。

5、总结

华北地区夏季降水量从1951年到2008年呈明显的线性下降趋势，平均每10年减少14.9毫米。在1965年华北夏季降水发生了突变，从那时起，降水量减少的更明显。大气环流在1965年以后也有显著的变化。

从夏季500hPa高度场中可以看出，自1965年以来，欧洲槽、贝加尔湖槽减弱，乌拉尔山高压脊减弱，大气环流从明显的经向环流转变为纬向环流，致使槽脊活动减少，使得槽前上升运动引起的降水天气过程减少。在500hPa上，蒙古地区气温下降，使得该地区对流层下部气压增加，导致华北低压活动减少，从而华北降水天气过程也减少。同时，较低的气温使得该区域对流层上部的势高度降低，故在冷区南侧气压梯度增加，而北侧气压梯度在减小，导致高空急流位置南移，从而夏季风降水区域也南移。

在500hPa上蒙古地区的气温下降，对应在地面图上，蒙古地区的低压明显减弱，低压活动减少，致使华北降水天气过程减少。同时，气温降低使得高空急流位置偏南，东亚夏季风减弱。 因此，在850hPa风场中，东亚夏季风风速在到达30ordm;N时迅速减小，故季风难以越过长江到达华北。 然而，长江流域存在风速辐合，这使得该区域有更多的降水。

总之，华北夏季降水的减少与北半球的环流变化有很好的相关性。 关于环流变化的原因将在进一步的深入研究中进行探讨。

致谢

NCEP / NCAR再分析数据由NOAA / OAR / ESRL PSD，Boulder，Colorado，USA从他们的网站http://www.cdc.noaa.gov/上所提供。本文的作者衷心感谢河北省科技部门的资金支持。第一作者非常感谢丁一汇教授和闵锦忠教授的悉心指导以及王吉博士的帮助，同时作者对审稿人提出的建设性建议表示感谢。

参考文献

[1] 中国山东科技出版社，济南，1996年，第1-387页。“浙江大学学报（社会科学版）”，“山东科技出版社

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