杨庆怡 朱姜韬 田韬

摘要 基于1961—2018年甘肅省逐日降水格点资料和NECP/NCAR再分析资料，依据逐年降水变化“东西反向”型分布模态，将甘肃以104°E为界分为东西两区开展不同强度的降水事件变化研究及成因分析。结果表明：中降水事件在两区夏季降水的占比均超46%，占主导作用；西区强、中降水事件发生频次呈上升趋势，东区各强度降水事件频次均呈下降趋势。天气成因分析表明，甘肃东西区降水偏强时，南亚高压异常增强，提供了较好的高空辐散条件，西太平洋副热带高压偏强、偏北或偏西，中纬度地区“+-+”的位势高度异常促使冷暖空气增强并交汇于甘肃地区，西风带波动小槽的发展，配合近地层高原东侧低涡将低纬度水汽接力向西北输送，导致降水发生；相较于东区，西区降水夏季风系统异常更强，西风带波动显著，位势高度负异常位置偏北。

关键词 不同强度降水；夏季风；南亚高压；西风急流；甘肃东西区

中图分类号 S162

文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2024）02-0197-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.02.043

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Analysis of the Weather Causes of Summer Precipitation Events with Different Intensities in the Eastern and Western Regions of Gansu Province

YANG Qing-yi，ZHU Jiang-tao，TIAN Tao

（1.Lanzhou Resources and Environment Vocational and Technical University， Lanzhou， Gansu730021;2.School of Atmospheric Science， Lanzhou University， Lanzhou， Gansu730000;3. Chinese People’s Liberation Army93811Unit， Lanzhou， Gansu730000）

Abstract Based on the daily precipitation grid data and NECP/NCAR reanalysis data from1961to2018in Gansu Province， and based on the “east-west reverse” distribution mode of annual precipitation changes， Gansu was divided into two regions with104°E as the boundary to conduct research on precipitation event changes of different intensities and analyze their causes.The results showed that the proportion of moderate precipitation events in summer precipitation in both regions exceeded46%， accounting for the dominant role;the frequency of strong and moderate precipitation events in the western region showed an upward trend， while the frequency of various intensity precipitation events in the eastern region showed a downward trend.The analysis of weather causes showed that when the precipitation in the eastern and western regions of Gansu was relatively strong， the South Asian high pressure abnormally strengthened， providing good conditions for high-altitude divergence. The subtropical high pressure in the western Pacific was relatively strong， northward or westward， and the abnormal height of the “+-+” potential in the mid latitude region promoted the enhancement of cold and warm air and its convergence in the Gansu region. The development of the fluctuation trough in the westerly belt， combined with the low vortex on the eastern side of the near surface plateau， will relay low latitude water vapor to the northwest， leading to precipitation.Compared to the eastern region， the summer monsoon system of precipitation in the western region was more anomalous， with significant fluctuations in the westerly belt and a negative anomaly position in the geopotential height towards the north.

Key words Precipitation of different intensities;Summer monsoon;South Asian high pressure;Westerly jet;Eastern and western regions of Gansu Province

基金项目 兰州资源环境职业技术大学科技创新团队项目“甘肃河西NDVI演变特征及其对不同强度降水变化的响应”（X2022A-04）。

作者简介 杨庆怡（1990—），女，甘肃天水人，讲师，硕士，从事农业气象、气候变化与气象灾害等研究。

收稿日期 2023-01-12

有研究指出，近几十年我国西北干旱半干旱区降水有增多趋势，极端降水的频次和强度都有增加，且越干旱的地区增加趋势越大。甘肃省位于西北内陆，近年来除高原东北侧的中东部降水有下降趋势外，省内其余地区降水呈上升趋势。不同强度降水变化表现出甘肃东部减少、西部较大强度降水增加。在汛期，较小等级降水减少，较强等级降水增加，15～80mm的降水量占主导并表现出东部减少、西部增加的现象。这些研究凸显了甘肃降水显著的区域性特征。

甘肃地形跨度大，其东南部位于夏季风末端，降水发生与夏季风系统关系密切，西太平洋副热带高压偏强偏西时降水增多，偏弱偏东时降水偏少。对河东地区，甘南高原海拔高、水资源充足，气候变暖促进内部水循环使得降水增多；其余地区降水发生由输入性水汽占主导。此外，甘肃东部地区降水与高原地表感热呈负相关。甘肃西部因特殊的地理位置和地形特征，季风传输的暖湿气流难以到达，同时高原的动力作用，不利降水天气系统维持，导致降水稀少；就近些年甘肃西部降水增加现象，有学者认为与西风环流加强导致水汽输送增加。有学者认为与ENSO、南亚高压、高原加热场的单独或者相互联动对夏季风和西风带共同但相反的作用有关。还有学者指出需考虑气候增暖对积雪、冰川消融引起的内循环变化。由此可見，甘肃地区降水尤其是西部降水异常的成因较复杂。综上，针对甘肃降水变化及成因的研究已取得一定的成果，然而对于全省不同区域不同强度降水变化及成因的研究还需进一步加强。该研究对甘肃降水开展分区（东西区）、分强度（弱、中、强）的研究，揭示不同区域不同强度降水下大气环流的主要特征，对于丰富甘肃降水特征及机制认识有科学意义。

1 资料与方法

1.1 资料选取

1961—2018年CN05.1逐日降水格点数据，水平网格距为0.25°×0.25°；NCEP逐月再分析数据，水平网格距为2.5°×2.5°，垂直方向上由1000hPa到10hPa共17层，包括位势高度场、温度场、风场及比湿数据。

1.2 研究方法

采用百分位法，取第90和第50百分位值作为该格点日降水量的降水阈值；根据某日达到某一阈值的格点数占总格点数的比例，定义强、中、弱降水事件为：①强降水事件，当日降水量超过第90百分位阈值的格点占比大于50%，记该日为一次强降水事件；②中降水事件，当日降水量超过第50百分位阈值的格点占比大于50%，且超过第90百分位阈值的格点占比小于50%，记该日为一次中降水事件；③弱降水事件，当日降水量超过0.1mm的格点占比大于50%，并且降水量超过第90百分位值及第50百分位值的格点占比均小于50%，记该日为一次弱降水事件。该方法可以有效避免在甘肃西部这样干旱、半干旱地区筛选不到传统极端降水事件的不足。

文中选取并计算分析以下4个指数：①东亚夏季风指数，850和200hPa的纬向风垂直切变，范围在0°～10°N、100°～130°E。②南亚夏季风指数，850和200hPa纬向风的垂直切变，范围在0°～20°N、40°～110°E。③南亚高压强度指数，北半球200hPa位势高度大于12520gpm的所有网格点位势高度值加权计算的结果。④西风急流指数，200hPa空间范围在35°～45°N、50°～105°E的平均纬向风。

2 甘肃东西区不同强度降水变化特征及成因

2.1 东西区不同强度降水变化特征

甘肃省年降水量呈东南多、西北少，空间分布梯度大。年内降水量先波动上升再波动下降；月降水量在12月和1月不足5mm，在7月和8月近70mm。年际变化来看，1970年之前年际降水变化波动幅度大，1970年开始波动幅度明显减小且缓慢上升，1984年出现一次小峰值，之后波动下降至1997年降水异常偏少，为研究时段的年均最低值；此后又波动上升，到2018年出现年降水量超过430mm的极大值（图1）。

对全省逐年降水量进行EOF分解（图2），第1模态贡献达到52.48%，反映研究时段内全区降水变化最显著的特征，时间系数为正（负），表明降水量异常偏多（少）。第2模态贡献值20.35%，呈现西正东负的分布形态，2012年之后的时间系数持续正值且异常偏大，说明在甘肃省104°E以西地区降水量异常偏多，而以东地区的降水量异常偏少，这也表明甘肃省东西部降水量之间存在相反的变化趋势。为了详细探究甘肃省不同强度降水变化特征，基于第2模态以104°E为界，将甘肃省分为东西2个区域，开展分区域的降水研究。

小波分析（图3）显示，西区仅夏季逐年降水量在1970—1980年存在2～4年的振荡周期；东区夏季降水量和逐年降水量在2010年之前均存在明显的2～4年振荡信号，在1980—1990年还有4～8年的振荡周期，东西区逐年、夏季逐年降水量的振荡周期差异大，反映出东西区降水内在变化及影响机制有明显的不同，这也说明开展分区研究的必要性。

由于降水集中于夏季，取夏季降水量为研究对象。分别统计强、中、弱降水事件下降水分布及其在夏季降水量的占比，结果如图4所示。西区夏季总降水量自南向北递减；不同强度降水量与夏季总降水量的分布具有一致性。中降水事件在西区夏季降水量的比重最高，达47.43%，强、弱事件分别为24.27%和24.48%。东区夏季降水量总体较大，中、弱降水事件总降水量分布形态与夏季总降水量一致，最大值出现在陇南南部边缘，而强事件的降水最大值位于陇东的平凉地区。东区中降水在夏季降水所占比重达46.6%，强降水为38.74%，弱降水仅为13.54%。

从西区不同强度降水事件的发生频次（图5a）来看，1961—2018年西区强降水事件年均频次约为4次，呈缓慢上升；中降水事件年均发生频次约25次，上升趋势显著，2012年之后出现集中且显著增加；弱事件年均频次约45次，微弱下降。东区各类强度降水事件的年均发生频次（图5b）均较西区高，且均呈下降趋势，弱降水和中降水事件的下降趋势更明显，这一特征同样在2012年以后表现得更为集中且显著。

2.2 东西区不同强度降水成因分析

为了揭示甘肃省东西区不同强度降水的环流形势特征，分别对东西区不同强度降水事件进行合成分析（图6～8）。

200hPa高度（图6），西区强降水事件下西风带上有强烈波动，急流带西侧位于里海上空的急流中心略偏北，急流带东侧位于我国北方上空的急流中心并分裂为2个子中心；南亚高压的强度偏强位置偏北，其东北部12520gpm等值线延伸至甘南、陇南一带。西区中降水事件下西风带波动较强降水事件减弱，西侧急流中心仍略偏北，东侧急流中心较气候态偏强并向东延伸；南亚高压较气候态偏强偏北，其东北端12520gpm 仍在甘肃境内，但较西区强降水有所南移。西区弱降水事件下的西风急流无明显异常，南亚高压较气候态略微增强。东区强降水中西风带东侧急流中心偏强且位于甘肃西部上空，甘肃东区位于急流底部；南亚高压较气候态偏强，12520gpm等值线东北部在甘肃省南部边缘。东区中降水、弱降水事件下急流中心强度逐级减弱，南亚高压脊线位置逐级南移。

从东西区降水来看，随着南亚高压的脊线向东北推进，两区降水强度均在增强；同一强度降水事件中，西区降水对应的南亚高压中心强度范围较东区降水更强，中纬度西风急流波动更明显。

500hPa高度（图7），西区强降水事件下的西太平洋副热带高压较气候态明显偏强；北半球中纬度位势高度场存在“+-+”异常结构，在乌拉尔山以东和贝加尔湖以南有强大的位势高度正异常，在新疆、青海和甘肃三省交界地带对应位势高度负异常，甘肃西区处于负异常中心，利于北方冷空气南下；同时西风环流有较强波动并伴随槽脊活动，高原东北侧上空有一小槽，甘肃西区位于槽前，促进上升气流发展，冷空气和上升运动为强降水的发生提供了有利的条件；中降水事件的环流特征与强降水事件相似，但异常强度均较强降水事件减弱；弱降水事件西区位于弱脊区且对应微弱的位势高度正异常，总体不利于较大降水发生。东区强、中降水事件下，西太平洋副热带高压较气候态偏强或偏北；在北半球中纬度地区位势高度场依然有“+-+”的异常结构，乌山以东和我国渤海湾有位势高度正异常，青藏高原东北侧的低涡从青海、甘肃延伸到贝湖一带，位势高度场异常分布有利于西北向的偏冷空气和东南向的偏暖湿空气向低涡区域输送，促进降水的发生；东区中降水事件的位势场异常较强降水事件减弱，弱降水事件下的甘肃东区位于位势高度场“+-”異常的交汇地带，降水条件进一步减弱。

东西区降水对比发现，西太平洋副热带高压始终偏强或偏西或偏北；但是西区强、中降水事件发生时西风带波动更显著；并且，西区降水事件下的位势高度场异常始终强于东区降水事件，随着降水强度的加大，异常强度也有相应的增强。

对流层底层空气水汽含量最大，环流场的特征关系到水汽的输送。700hPa高度（图8），西区强降水事件中整个欧亚大陆对应庞大的位势高度正异常，甘肃西区位于其右后方，反气旋式环流能促进东南向水汽向西区输送；同时高原东侧甘肃南部到四川一带有位势高度负异常中心，气旋式环流能将低纬度地区来的暖湿气流接力向西北输送，对于远离水源的内陆干旱地区，增大的水汽输送足以引起甘肃西区较强降水事件发生；中、弱降水事件下的位势高度异常较强降水事件逐级显著减弱，这意味着水汽的输送量也相应减小。东区强降水事件下甘肃西区有位势高度正异常，致使高原东侧四川地区低涡对低纬度水汽接力式输送到达甘肃东部地区，从而在该地形成较强降水事件；在东区中、弱降水事件下，这种水汽接力式输送减弱，甚至消失。东西区降水的主要差异体现在强、中降水事件下西区偏西南、东南的气流均强于东区，对应的水汽输送也较同强度的东区降水更强。

3 结论与讨论

该研究对甘肃省夏季降水进行分区分强度研究，分析并比较了不同区域不同强度降水事件发生时的大气环流成因特征和差异，主要结论如下：

（1）甘肃以104°E为界的东西两区降水变化存在相反特征。在西区中降水事件对夏季降水贡献最大（47.43%），强、弱降水事件占比相当，分别为24.27%、24.48%；西区除弱降水事件外，强、中降水事件的发生频次均呈现上升趋势。东区中降水事件在夏季降水占比为46.60%，强降水事件次之，达38.74%，弱降水事件最少；东区强、中、弱降水事件的频次均呈减少趋势。

（2）东西区夏季降水共同环流特征有南亚高压强度偏强、脊线偏北，西太平洋副热带高压较气候态偏强、偏北或偏西，且在东亚中纬度地区位势高度场存在“+-+”的异常结构，有利于冷暖空气在负异常中心汇集；在青藏高原的东侧或东北侧还有低涡活动，促进了低纬度水汽向西北的输送，导致降水出现。南亚高压强度越强、脊线越北，西太平洋副热带高压偏强、偏北或偏西的特征及位势高度场的异常越显著时，对应的降水强度越大；西区降水发生时，在以上特征基础上，西风带上还有剧烈的波动，形成明显的波动小槽，对流层中层位势高度场甘肃西区对应负异常中心而东区对应正异常，低空的高原东侧低涡范围较大。相较于西区，东区降水下西风带上波动减弱，但急流中心的强度有所增强，急流中心向东延伸，且此时对流层中层甘肃地区对应的负异常中心对应甘肃东部，高原以东低涡也较西区降水弱，偏南支水汽输送量较西区降水减小。

甘肃省位于大陆腹地，除了夏季风系统影响之外，高原季风、极涡、积雪覆盖等也都会影响到该地的夏季降水。该研究主要对不同强度降水事件下的大尺度环流特征进行分析，以后还进一步探究其他大气外部和内部因子对甘肃夏季降水的协同作用，并且深入分析大、中、小尺度的共同作用对于降水形成机制的影响。

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