II 中国北方干旱区夏季降水的大气环流特征 利用The Global Precipitation Climatology Project （GPCP）降水资料（1985年-2020年），分析了中国北方干旱区（34°N—49°N，74°E—121°E）的夏季降水特征，并且结合National Centers for Environmental Prediction（NCEP）再分析资料研究了该区域夏季的大气环流特征（100hPa、200hPa、500hPa、700hPa、850hPa高度场和风场）与降水的联系。该地区年平均降雨量少于500mm，其中夏季降水量占全年总降水量的比例最高并且达到48%，从1985年至2020年呈现出了减少的趋势，通过与环流形势的相关分析和合成分析可以得知环流形势对该地区的夏季降水有着比较显著的影响，其中对于多雨年而言，南亚高压的增强、西太平洋副高的减弱以及新疆地区西北部的高压脊减弱有利于该地区的夏季降水，中纬度上游西风带的加强与太平洋地区和印度洋地区经向风场的加强使得水汽条件得到很好的供应也有利于该地区的夏季降水；而在少雨年，东亚大槽、南支槽和新疆西北部高压脊均有所减弱，使得冷暖空气的交汇减弱进而导致对流发展不旺盛，上游西风带和来自于印度洋的暖湿气流也有所减弱，使得水汽供应不充足。

关键词：干旱区，夏季降水，大气环流 20

1引言 干旱半干旱区约占全球陆地总面积的30%，这里降水稀少、水资源缺乏、生态环境极其脆弱，对全球变化的响应十分敏感[1]。中国地处亚欧大陆东部太平洋西岸，其中北方干旱区面积广袤位于西风区和季风区，夏季受到高原的阻挡, 暖湿的西南气流很难到达,受西太平洋副高影响东南暖湿气流也很难到达该地区导致干旱严重，降水较少，气候复杂多变，而夏季是该地区的主要降水季节。降水的微小变化都可能会引起该区域气候系统和生态环境的剧烈变化。该区域的生态系统和气候状态与降水的变化密切相关[2]。因此，研究该地区的夏季降水特征对当地农业生产、人民生活等具有重要意义。 降水是气候变化的重要研究对象。全球或区域的天气和气候类型及其变化往往由大气环流形势决定[3] ,大气环流是区域气候变率的主要强迫。因此,对区域气候的研究常常是同大气环流的变化相联系的。将大尺度大气环流与区域气候相联系,可以理解控制区域气候的物理机制[4]。于淑秋等指出近50年西北地区的降水变化是西升东降[5−6],其中新疆地区[7]和河西走廊[8]降水增加最多, 西北东部主要呈降水减少的趋势[9]。秦大河等[10]也指出西北地区的降水频率明显增多, 并以强降水为主[11], 且东部雨强比西部显著。 近年来，将大气环流与降水做联系的研究日益增多。李永华[12]对2006年夏季得特大干旱与大气环流的异常做出分析,指出2006年夏季西南地区特大干旱与大气环流异常有很大关系;孟奎[13]指出中国西北干旱/半干旱地区春季及年降水自2003年来有较为明显的上升趋势, 南亚高压若出现较早并向北发展,则会给西北干旱/半干旱地区降水提供高层环流背景,有利于降水的形成。马音等[14]研究了我国东部梅雨期降水的年际和年际变化特征及其与大气环流和海温的关系，发现与长江—华南反位相变化型相联系的大气环流异常在年际时间尺度上表现为欧亚大陆中高纬的双阻型，东亚副热带急流显著增强，在年代际时间尺度上表现为欧亚大陆一致的正位势高度异常，副热带高压增强北抬。王庆[15]对山东夏季发生旱涝的北半球大气环流、副热带高压、东亚夏季风以及季风区水汽输送等异常特征进行了合成对比分析, 发现山东夏季旱涝指数主要存在着2～5年和7年左右的周期振荡，在春夏季旱涝年，高度场几个主要的距平中心以及115～130°E区域高(200hPa)低(925hPa)层散度场基本呈现出反位相分布特征，北半球夏季存在的东亚-太平洋遥相关型(EAP型)对山东夏季降水产生重要影响。刘秦玉[16]研究了印—太暖池区降水异常对东亚冬季大气环流年际变化的影响途径及其在 20

不同年代的差异,并结合简单大气模式和复杂大气环流模式(AGCM)的数值实验，验证了印—太暖池区降水异常对东亚冬季大气环流年际变化的影响机制。高庆九等[17] 利用华北夏季降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,对华北夏季降水、东亚夏季风年代际变化特征及大气环流异常进行研究,发现华北夏季降水与东亚夏季风变化存在很好的相关关系,强夏季风年,华北夏季降水一般偏多,弱夏季风年,华北夏季降水一般偏少,但又不完全一致，东亚夏季风减弱是造成华北夏季降水减少的一个重要因素,但不是唯一因素,华北夏季降水减少还与环流异常密切相关。 对中国很多地区降水量的变化以及其他相关的环流形势和气候因子的分析已经取得了比较好的研究成果，但是针对最近一些年中国北方干旱区的夏季降水与大气环流特征的研究仍然比较缺乏。本文将在这里针对上中国北方干旱区与大气环流特征的相关联系做进一步分析。

2 数据来源及处理方法 2.1数据来源 中国北方干旱地区的降水时空分辨率很大，这些地区发展不均衡，人口分布不均匀，导致降水资料比较匮乏，所以降水资料的收集也比较困难，一定程度上阻碍了降水问题的研究进展。所以，本文采用了GPCP全球逐月平均降水资料，资料的分辨率为2.5°×2.5°,时间跨度为1985年—2020年。100hPa、200hPa、500hPa、700hPa、850hPa高度场和风场资料均来自于NCEP/NCAR再分析格点资料，分辨率为2.5°×2.5°, 时间跨度同样为1985年—2020年。 在本文中，根据年平均降雨量小于500mm的地区属于半干旱地区、小于200mm的地区属于干旱地区的原则[18]，将34°N—49°N，74°E—121°E圈出的矩形区域定义为中国北方干旱区（图1），按照通常对于季节的划分，将每年的6月—8月定义为夏季。

2.2统计量及分析方法

2.2.1距平的定义 距平是反映某一系列数值中的某一个数值与平均值的差，分为正距平和负距平。在本文中，设要素X为月平均值的时空序列，x=x(i,j,k)，其中i=1，1，…n， 20

代表年序列，n为资料的总年数；j=1，2，…m代表月序列，m代表总月数；k=1，2，…l代表空间格点序列，l代表总格点数。 （1）第一类距平 这里把l个格点的资料当作一个对象来处理，此类距平的平均量定义为区域内l个格点的平均值

𝑥(𝑖,𝑗)=1𝑙∑𝑥(𝑖,𝑗,𝑘)𝑙

𝑗=1 其年平均值为

𝑥̅(𝑗)=1𝑛∑𝑥(𝑖,𝑗)𝑛

𝑖=1 第一类距平为x1

(i,j)=x(i,j)−x̅(j)，此类距平表示当月平均值减去该月多年

平均值。可以得出x在第j月的年际变化特征。 （2）第二类距平 这类距平平均量为

𝑥̅=1𝑚∑𝑥̅(𝑗)𝑚

𝑗=1 第二类距平为x2

(i,j)=x(i,j)−x̅，此类距平表示当月平均值减去多年多月平

均值，反映季节和年际变化特征。

2.2.2 T检验 （1） 差值T检验 分别对多雨年、少雨年所对应的各种气象要素场进行差值显著性检验（多雨-少雨）。

𝑡=𝑥̅−𝑦̅

√(𝑛1−1)𝑠12+(𝑛2−1)𝑠

22

𝑛1+𝑛2−2√1𝑛1+1𝑛2

其中，式中n1、n2分别为多雨、少雨年的年数，x̅、 y̅分别是多雨、少雨年时段气象要素的多年平均值，s12、s12分别是相应的方差。 （2） 相关系数

如果x和y的n对观测资料x1、x2，…xn和y1、y2，…yn，则两个样本的相关系数r这样计算： 20

𝑟=1𝑛∑(𝑥𝑖−𝑥̅)(𝑦𝑖−𝑦̅)

𝑛

𝑖=1

√1𝑛∑(𝑥𝑖−𝑥̅)2∙∑(𝑦𝑖−𝑦̅)2

𝑛𝑖=1𝑛

𝑖=1

其中x̅、 y̅是样本均值。相关系数−1≤r≤1。当r为正时，表示x和y有正相关关系；当r为负，说明x和y有负相关系数。r=±1时，表示x和y之间有一一对应的函数关系。所以|r|越大，表示两者之间关系越密切。

3 中国北方干旱区夏季降水特征 中国地域辽阔，位于亚欧大陆东部，东西跨度较大，中国各地区年平均降水量有着比较大的差异，中国北方降雨量明显小于南方降雨量，西部降雨量明显小于东部降雨量，图1中所示的红色矩形区域内1985年-2020年年均降雨量均少于500mm，其中的中国西北地区降水最少，其年均降雨量小于200mm。 这个地区区域较大，是中国最为干旱的区域，在其内部有年均降雨量小于50mm的极端干旱区域的存在，所以分析该地区的降水特征及其大气环流特征具有一定意义。

图1 1985年—2020年GPCP资料亚洲年平均降水分布 图2给出了中国北方干旱区月降水占年均降水的百分比图。由图可以看出，其中6、7、8三个月即夏季占其全年总降水的比例是最大的，这三个月所占百分 20

比之和为48%，说明对于中国北方干旱区的降水研究的关注重点应该放在夏季。但是夏季降雨量的标准差值是最大的，也就表明其变率最大（图3）。

图2 中国北方干旱区月降水占年降水百分比 图3 中国北方干旱区1985年-2020年逐月降水量标准差