目前, 全球气候变化已成为科学界､各国政府和社会公众普遍关注的热点问题之一｡IPCC第4次评估报告表明:全球年平均地表气温近100年 (1906—2005年) 以来升高了0.56~0.92 ℃^[1], 达到了1300年以来的最高值｡全球气候变暖, 必然导致降水量的时空分布变化｡研究表明, 我国降水量变化存在明显的区域性差异和季节性特征^[2]｡关于我国西部秋季降水已有较多研究, 早在20世纪50年代, 高由禧等^[3]就对我国秋雨的气候特点做了详细分析, 指出华西秋雨与西风急流的建立和西南季风的撤退有密切关系；刘富明^[4]对华西秋雨与大气环流的季节转换进行了探讨；刘天适等^[5]对陕西20世纪80年代秋季连阴雨成因做了较为系统的总结；白虎志等^[6]分析华西秋雨的年代际变化趋势发现, 华西秋雨在20世纪80年代中后期至2000年持续“中断"后, 在2001年开始“恢复", 这种变化引起很多气象工作者的关注, 从天气动力学和热力学的角度讨论华西秋雨的形成原因, 发现西风带上短波槽东移与西太平洋副热带高压西南侧的东南暖湿气流交汇, 造成了持续的阴雨天气^[7-11]｡上述研究中, 华西秋雨范围一般包括渭水流域､汉水流域､川东､川南东部地区, 对于陕西来讲, 只包括关中和陕南区域, 不包括陕北区域｡陕西北部处于东亚季风北边缘活动地带, 降水量年际变率大, 属于我国一级气候敏感地带, 是半干旱气候与半湿润气候的过渡区, 也是荒漠地区与可耕地之间荒漠化正在发展的交缘地带^[12]｡过去关于陕西北部区域气候变化方面的研究大都集中在夏季, 陕西北部秋季降水持续时间长, 降水量仅次于夏季, 对当地的农业生产和国民经济有重要影响｡2000年以来, 秋季降水明显增多, 尤其是2007年秋季低温阴雨天气事件使得陕北1.07×10⁵hm²红枣绝收, 直接经济损失达到2亿元｡因此, 开展陕西秋季降水变化规律和成因分析研究具有重要意义｡目前关于陕西秋季连阴雨的研究多偏重于从天气学角度出发, 从西太平洋副热带高压位置和纬向环流指数的长期年际变化与陕西秋雨关系的研究并不多见｡

本文以近50年陕西逐月降水量资料为基础, 对比分析1960—2009年陕西秋季降水的时空分布特征, 并对陕西北部秋季降水特征进行成因分析, 进一步认识陕西秋季降水变化规律, 以期提高陕西秋季连阴雨预测准确率｡

本文所用资料为1960—2009年陕西74个气象站9—11月逐月降水量资料, 美国国家环境预测中心/国家大气研究中心 (NCEP/NCAR) 月平均海平面气压 (SLP)､850hPa纬向风和经向风的再分析资料, 国家气候中心提供的74项环流指数｡对所有资料进行严格的质量控制, 剔除其中的错误记录, 并对缺测或空白记录进行插补｡采用Mann-Kendall (MK) 方法^[13]和REOF方法^[13]进行分析｡

近50年来, 陕西秋季降水量总体呈下降趋势且年际波动幅度非常大 (图略), 秋季降水量最小值为74.6mm (1998年), 最大值为356.1mm (1975年)｡同时, 陕西秋季降水量还具有明显的年代际变化, 降水偏多年份主要集中在20世纪60年代至80年代中期, 1986—2000年是秋季降水量偏少时期, 这一时期秋季平均降水量为141 mm, 较常年减少近20%｡2000年以来, 陕西秋季降水量较20世纪90年代有明显的增加趋势｡为了突出秋季各月对整个秋季降水的贡献率, 分别用9月､10月和11月降水量与秋季降水量进行比较, 发现9月降水量占整个秋季降水量57.3%, 其中2001—2009年为61.5%, 比20世纪90年代所占百分比高出13.3%；10月降水量占秋季降水量的31.3%, 2001—2009年为31.1%, 比90年代所占百分比下降5.3%；11月降水量占秋季降水量的11.4%, 2001—2009年为7.4%, 比90年代所占百分比下降8.0%｡分析9月､10月和11月降水量变化, 发现陕西秋季降水量主要集中在9月和10月, 其中只有9月降水量在2000年以后出现增长趋势, 10月和11月降水量略有下降, 但趋势并不明显｡因此, 本文将重点分析9月降水量的变化｡

采用REOF方法对陕西9月降水量进行空间分型 (图略), 发现陕西9月降水量表现出“北少南多"型和“北多南少"型两种空间分布特征｡关于“北少南多"型已有了大量的研究工作, 但对于“北多南少"型降水还研究不多, 因此本文着重分析“北多南少"型｡图 1为陕西北部 (包括陕北长城沿线风沙区和黄土高原沟壑区)19个气象站9月降水量的变化曲线, 从图 1可以看出, 陕西北部9月降水量的年代际波动幅度非常大, 1960—1985年降水量偏多, 平均值为85mm左右, 1986—2000年降水异常偏少, 平均降水量只有44 mm, 2001年开始降水量明显增加, 降水量平均值达到92 mm, 陕西北部9月降水量经历了“多-少-多"的年代际变化趋势, 所以有必要进一步分析陕西北部9月“北多南少"型降水异常变化的成因｡

图 1

图 1. 1960—2009年陕西北部9月降水量变化曲线 Fig 1. Change of September precipitation in Northern Shaanxi from 1960 to 2009

研究表明:西北地区东部降水的偏多､偏少既与副热带高压的强度和北界位置有关, 又与西风带纬向环流指数偏弱､偏强有关^{[12, 14]}｡所以分析陕北地区9月降水的形成原因, 主要考虑两个方面:纬向西风气流和西太平洋副热带高压｡纬向西风偏弱时, 意味着西风气流经向活动频繁, 有利于冷暖空气的南北交换；西太平洋副热带高压位置偏北偏西时, 有利于南方水汽向北输送｡

关于区域西风指数的研究早在20世纪30年代后期, Rossby^[15]就提出区域西风指数的概念, 用35°N和55°N纬圈平均海平面气压差来反映北半球温带地区 (35°~55°N) 西风的强弱｡近年来大家逐渐认识到西风指数的强弱反映了中高纬度地区大气环流的基本状态, 并且与我国区域性气候有着密切的联系^[16-20]｡在本研究中, 选择45°~65°N, 60°~150°E区域来研究纬向环流指数与陕西北部秋季降水的关系｡

区域西风指数定义为

(1)

式 (1) 中, I为区域西风指数；H_{1, N}, H_{2, N}分别为9月500hPa等压面沿45°N和65°N纬圈的平均高度值；N为沿纬圈取定的等距经度数 (所取经度范围为60°~150°E), 间隔为2.5°｡

图 2为1960—2009年9月陕西北部降水与纬向环流指数的比较｡由图 2可知, 近50年来, 该指数具有明显的年代际变化特征, 1960—1980年除了1977年和1978年降水量异常偏多外, 其余年份基本为负距平, 而对应的陕西北部9月降水量除了1965年和1972年异常偏少外, 其余年份基本为正距平, 说明纬向指数偏弱, 经向气流活动偏强, 降水偏多；1980—2000年, 纬向环流指数正距平偏多, 陕西北部区域降水负距平偏多, 说明纬向环流指数偏强, 经向气流活动偏弱, 不利于降水的产生；而2000年以后纬向环流指数负距平偏多, 降水正距平偏多；在近50年中, 一共出现了30次区域纬向环流指数标准化距平符号与降水标准化距平符号相反, 相关系数为-0.277, 通过了0.05的显著性检验｡说明在上述的30个年份里, 区域西风指数偏强, 降水偏少；反之, 则偏多｡

图 2

图 2. 1960—2009年9月陕西北部降水量标准化距平与纬向环流指数标准化距平比较 Fig 2. The comparison between standard departure values of in Northern Shaanxi September rainfall and that of zonal circulation Index from 1960 to 2009

采用国家气候中心提供的西太平洋副热带高压北界和西伸脊点表述位置变化的两个指标, 将其标准化距平与陕西北部9月降水量标准化距平进行对比分析｡图 3a为陕北地区降水量标准化距平与西太平洋副热带高压北界标准化距平的比较, 可以看到, 1961—1965年､1968—1969年､1971—1972年､1975—1977年､1979—1982年､1984—1985年､1987—1989年､1992—1998年､2001年､2003年､2005年和2007—2008年共35年内西太平洋副热带高压北界标准化距平和陕西北部9月降水量标准化距平符号相同, 相关系数达到0.3897, 通过0.01的显著性检验, 尤其在1990年以后符号相同次数明显偏多｡说明西太平洋副热带高压位置偏北, 陕西北部降水偏多；反之, 则偏少｡图 3b为陕西北部降水量标准化距平与西太平洋副热带高压西伸脊点标准化距平的比较, 在近50年中, 共出现25个西太平洋副热带高压西伸脊点标准化距平和陕北地区降水量标准化距平符号相反的年份, 相关系数为-0.231, 通过了0.10的显著性检验, 其中在1960—1970年和2000年至今符号相反次数偏多, 说明西太平洋副热带高压位置偏西, 降水偏多；反之, 则偏少｡

图 3

图 3. 1960—2009年9月陕西北部降水量与西太平洋副热带高压北界 (a) 和西太平洋副热带高压西伸脊点 (b) 标准化距平 Fig 3. Relationships between normalized anomalies of precipitation in Northern Shaanxi with those of northern borderline (a) and westward ridge point (b) of subtropical high over west Pacific in September during 1960—2009

根据陕西北部9月降水与纬向环流指数和西太平洋副热带高压位置年代际关系相关的统计 (表 1) 表明:近50年, 当西太平洋副热带高压位置偏西偏北 (偏东偏北或偏西偏南) 时, 陕北地区9月降水出现偏多 (偏少) 年份为12年 (25年)；当纬向环流指数偏弱 (偏强) 时, 陕北地区9月降水出现偏多 (偏少) 年份为14年 (16年)｡以上的分析表明西太平洋副热带高压位置和纬向环流指数强弱对陕西北部9月降水有重要影响｡

表 1

表 1 陕西北部9月降水量与纬向环流指数和西太平洋副热带高压位置关系 Table 1 The interdecadal changes of precipitation in September in Northern Shaanxi, zonal circulation index and the location of subtropical high over west Pacific

表 1 陕西北部9月降水量与纬向环流指数和西太平洋副热带高压位置关系 Table 1 The interdecadal changes of precipitation in September in Northern Shaanxi, zonal circulation index and the location of subtropical high over west Pacific

降水异常跟大气环流的异常密切相关, 图 4a为陕北降水偏多年份 (1964年､1967年､1985年､2001年和2003年) 和偏少年份 (1965年､1986年､1993年､1994年和2004年) 合成的9月海平面气压差值, 由图 4a可知, 我国大陆地区及孟加拉湾海域均为负值区, 其负值中心主要在新疆西北部和西北地区, 我国东部海域为正值区, 9月我国西北地区还受低压控制, 东部海域为副热带高压影响下的高压区, 这些负值区说明降水偏多期由新疆西北侧东移下来的低值系统要多于降水偏少期｡正值区表明降水偏多期的地面高压要强于降水偏少期, 也意味着副热带高压在降水偏多期更强一些｡所以在降水偏多期, 地面气压场呈现“西低东高"的形势, 反之, 则是“西高东低"｡与之对应的850hPa风场差值图 (图 4b) 在东北和华北地区上空受副热带高压影响为反气旋环流, 西北地区东部为西太平洋副热带高压外围的东南气流控制, 将西北太平洋上的水汽输送给西北地区从环流形势上来看, 在降水偏多的年份, 西太平洋副热带高压强度偏强, 位置偏西偏北｡

图 4

图 4. 陕西北部9月降水偏多和偏少年份合成的海平面气压差值图 (单位:hPa)(a) 和850hPa风场差值图 (b)(阴影区域为通过0.05的显著性检验) Fig 4. The departures of seasurface pressure (unit: hPa) (a) and 850 hPa wind field (b) of the composited years in terms of the maximin and minimin of the precipitation in September over Northern Shaanxi (level exceeds 0.05 shown as shaded)

1) 近50年来, 陕西秋季降水量总体呈下降趋势且有明显的年代际变化特征, 其中9月降水量变化对整个秋季降水变化有决定性作用, 空间分布呈现出“北少南多"和“北多南少"两种特征, 其中“北多南少"型 (陕西北部) 降水经历了“多-少-多"的变化特征｡

2) 当陕西北部降水量偏多 (偏少) 时, 西太平洋副热带高压位置偏西偏北 (偏东偏北或偏西偏南), 纬向环流指数偏弱 (偏强), 这种变化关系在20世纪80年代以后表现更为明显｡

3) 陕西北部9月降水量偏多年份, 海平面气压场呈现“西低东高"的形势, 说明由新疆西北侧东移下来的低压系统要多于降水量偏少年份；在850hPa流场上, 西北地区为太平洋副热带高压外围的东南气流控制, 带来西太平洋和孟加拉湾的水汽｡

本研究仅从统计角度来揭示西太平洋副热带高压位置变化和纬向环流指数强弱与陕西北部9月降水的关系, 但可以发现西太平洋副热带高压位置变化和纬向环流指数强弱与陕西北部秋季降水在时间和空间上有一定的相关关系, 这种趋势之所以在20世纪80年代后期表现得更为明显一些, 这可能与NCEP/NCAR资料的可靠性有一定关系｡总之, 进一步分析这些变化规律和探讨其形成机理, 对认识和预测陕西秋季降水特征具有一定意义｡