内蒙古中西部地区2018年夏季异常多雨成因

刘 炜，赵艳丽

（内蒙古自治区气候中心，内蒙古 呼和浩特 010051）

引 言

在全球气候变暖背景下，近年来灾害性天气、极端气候事件频发［1－3］，其中旱涝灾害很大程度上影响了国家经济建设和社会发展。内蒙古地区是我国畜牧业的主要基地，气候异常可直接影响该区牧草的生长，从而影响牲畜的生长、发育和繁殖［4］。2018年夏季我国降水时空分布极不均匀，极端强降水事件频发，黄河流域及其以北大部地区降水较同期偏多2成以上，其中内蒙古中西部偏北地区降水偏多5成以上，发生较严重的洪涝灾害。因此，充分了解此次夏季异常多雨事件的环流特征及其影响因子，对提高内蒙古汛期气候预测水平以及做好农牧业生产都有极为重要的意义。

大范围降水异常是大气环流异常的结果［5］。亚洲纬向环流异常通过影响西风急流轴位置和纬向西风强度，进一步影响内蒙古地区夏季降水的多寡［6］，中高纬阻塞高压的稳定维持与否是导致内蒙古地区夏季旱涝的一个重要原因［7－10］，阻塞高压活跃可以使环流经向度增大，有利于冷空气南下。除中高纬系统影响外，低纬暖湿系统也是夏季雨带形成的必要因素［11］。内蒙古地处我国北方内陆地区，其夏季降水在一定程度上还受东亚夏季风的影响。当东亚夏季风较强时，大气环流和水汽输送均有利于内蒙古地区夏季降水，而长江中下游一带则表现为少雨形势［12－14］。高空急流能够通过次级环流改变环境场的辐合辐散和垂直运动，且7月急流位置指数与河套地区降水存在显著负相关［15］。此外，CCM3气候模式模拟的夏季最大降水中心的降水量与中国河套及其附近地区200 hPa纬向风具有显著的正相关关系［16］。

然而，以往关于内蒙古地区汛期降水的研究大部分是从单个或几个影响因子进行展开，缺乏影响系统间的配置研究，且大多将全区视为一个整体。内蒙古东西向横跨西北、华北和东北三个区域，降水区域分布极为不均，视为一个整体则无法突出区域降水特征。为此，本文在前人研究的基础上，对内蒙古地区降水进行分区，重点分析2018年夏季降水异常偏多地区在降水异常时段的环流特征及高低空影响系统间的配置，探讨降水异常偏多的成因，以期为进一步做好内蒙古汛期降水预测提供一定参考。

1 资 料

所用资料为内蒙古自治区气象信息中心1961—2018年内蒙古107站逐日降水量以及美国国家环境预报中心／国家大气科学研究中心（National Center for Enviromental Prediction／National Center for Atmospheric Research，NCEP／NCAR）1981—2018年逐日再分析资料，水平分辨率为2.5°×2.5°［17］。

定义夏季为6月1日至8月31日，共计92 d；气候平均值为1981—2010年30 a平均。

2 内蒙古2018年夏季降水异常分布特征

2018年夏季内蒙古地区降水量显著偏多，且过程雨量大、局地极端降水强，中西部大部及东部偏北大部地区夏季降水量偏多25%～367%（额济纳旗），其余地区接近常年或偏少25%～36%［图1（a）］。2018年夏季全区平均降水量为257 mm，较历史同期平均偏多43.6 mm，为1961年以来同期第11位，2000年以来第3位。其中，7月全区平均降水量为129.3 mm，为1961年以来同期第4位，2000年以来第1位。从2018年7月降水距平百分率空间分布［图1（b）］看出，除东部偏南地区降水偏少外，其余大部地区降水偏多，尤其是中西部大部地区偏多5成至4倍。

上述分析可见，2018年7月降水距平与夏季的空间分布极为相似，尤其是中西部偏多区域基本吻合，那么内蒙古中西部地区2018年7月降水量占整个夏季的比重如何？考虑到内蒙古东、西部降水分布严重不均，将1981—2018年内蒙古107站7月降水量做旋转经验正交分解（REOF），发现空间第一旋转模态上内蒙古中西部地区为降水敏感区域，中心位于河套地区［图2（a）］，方差贡献率为21.7%。由于模态高值中心站点能较好地代表该区域气候特征，故而将REOF第一模态敏感区内超过1倍标准差站点（53站）的平均降水序列作为中西部地区降水。从其标准化时间系数［图2（b）］看出，2018年7月是内蒙古中西部地区自1981年以来同期降水最多的一年，超过2倍标准差。经计算发现，1981—2010年内蒙古中西部地区7月降水量占整个夏季降水量的比例平均为39.7%，而2018年的占比达54.4%，部分站点甚至高达1.5倍之多，表明内蒙古中西部地区2018年夏季降水量主要来源于7月降水量。下文将重点分析内蒙古中西部地区2018年7月降水异常偏多的环流特征。

3 内蒙古中西部地区2018年7月降水异常偏多成因

3.1 500 hPa高度场

环流异常通常是影响降水最直接的因素。从2018年7月500 hPa位势高度场及其距平场（图3）看出，贝加尔湖及其西侧受高空槽控制，且为负距平，乌拉尔山及鄂霍次克海地区均有阻塞高压维持，中高纬地区自西向东呈“＋、－、＋”的分布，环流经向度加大，为冷空气南下创造了有利条件。另外，低纬地区西太平洋副热带高压（以下简称“西太副高”）整体位置有利于内蒙古中西部地区产生降水：与气候平均态相比（图3、表1），西太副高强度偏强，西伸脊点略偏西，脊线位置较常年偏北约7个纬度，超过3倍标准差，这种分布型使得东亚副热带锋区位置异常偏北，有利于暖湿气流沿副高外围输送到我国北方地区，并与贝加尔湖南侧槽前西南气流汇合共同影响内蒙古中西部地区。

图1 2018年夏季（a）和7月（b）降水距平百分率空间分布（单位：%）Fig.1 Spatial distribution of precipitation anomaly percentage in Inner Mongolia in summer（a）and July（b）of 2018（Unit：%）

图2 内蒙古地区1981—2018年7月降水量REOF第一模态空间分布（a，其数值放大了100倍）及标准化时间系数（b）（●为中西部地区的53个代表站）Fig.2 Spatial distribution of the first REOF mode of precipitation in July（a，the values amplified by 100 times）and normalized time coefficient（b）over Inner Mongolia during 1981－2018（the solid dots for 53 representative stations in middle and western Inner Mongolia）

图3 2018年7月500 hPa位势高度场（等值线）及其距平场（阴影）（单位：dagpm）（红色实线为586、588 dagpm气候平均态）Fig.3 The 500 hPa geopotential height field（contours）and its anomaly field（shadows）in July 2018（Unit：dagpm）（the red solid lines for climatological mean line of 586 and 588 dagpm）

表1 2018年7月西太副高特征指数与气候态对比Tab.1 The comparison of feature indices of the western Pacific subtropical high in July 2018 with climatological mean state

3.2 水汽输送

水汽输送是构成大气水循环过程的关键环节，降水的产生与其密切相关［18］。因此，计算了2018年7月对流层整层的水汽通量距平和水汽通量散度（图4），发现由于西太副高脊线位置异常偏北，沿副高外围偏南风携带的水汽自南向北可输送到蒙古附近，为我国西北地区东部、华北大部、内蒙古大部地区提供充沛的水汽条件［19］。与此同时，内蒙古大部地区水汽通量散度为负值，西部偏南地区表现为异常辐合。

3.3 东亚夏季风

东亚夏季风的南北推进与强弱变化对中国夏季降水及雨带位置起到至关重要的作用，强的东亚夏季风携带海洋上的暖湿空气源源不断地输送到我国内陆地区，为降水提供了必要的水汽条件［20－21］。参考祝从文等［22］的定义计算了逐日东亚夏季风指数，发现2018年夏季东亚夏季风整体显著偏强（图5），除6月下旬、7月末和8月初强度偏弱外，其余时间均偏强，尤其7月中旬后期和8月中旬前期异常偏强。从图4看出，2018年7月我国东北地区至日本海一带存在异常强大的反气旋性环流，其西侧的偏东南气流向内蒙古地区输送大量暖湿水汽，为降水创造了有利的水汽条件。

图5 2018年东亚夏季风指数日变化和气候平均态Fig.5 Daily change of East Asian summer monsoon index in 2018 and climatology mean state

3.4 不稳定条件

假相当位温是综合表征大气温度、压力和湿度的特征量，能够反映大气能量分布，其水平与垂直分布和对流的发生发展有很大关系［23］。在2018年7月内蒙古中西部地区降水较为集中的中旬至下旬前期［图6（a）］，700 hPa以下为假相当位温高值区，且等值线密集，说明有大量不稳定能量聚集；500 hPa以下维持着假相当位温随高度减小的不稳定层结，且600～500 hPa存在低值区［图6（b）］。另外，低层假相当位温大值区从中旬开始迅速向上伸展，降水开始显著增多，约在24日以后，假相当位温值明显减小，等值线密集区高度明显降低，降水过程结束。由于降水后凝结潜热释放，导致假相当位温值减小和不稳定层结降低。

3.5 东亚西风急流

东亚西风急流的强度、位置的经向偏移和东亚夏季雨带异常活动有密切关系［24－25］。内蒙古地区位于东亚西风急流的出口区，其上空急流的强度和位置可以反映降水条件。从图7（a）看出，2018年7月200 hPa纬向风场上，东亚副热带地区有一纬向风速大于30 m·s－1的急流中心，其位置处于43°N附近新疆东部至内蒙古西北部上空，内蒙古中西部地区位于急流轴以南；200 hPa距平场上，急流轴以北内蒙古东部至日本海北部为纬向风速高于5 m·s－1的正距平区，急流轴以南100°E—160°E范围为纬向风速低于5 m·s－1的负距平区，说明急流轴北侧西风强度更强，急流轴位置较常年偏北。由于急流轴南侧风速具有反气旋性切变，使得35°N—43°N区域高层辐散增强，配合中低层辐合运动，对流层整层均为上升运动［图7（b）］。结合水汽通量距平场（图4）看出，内蒙古中西部地区上升运动强烈发展且水汽供应充足，有利于持续性强降水的发生。

图6 2018年7月内蒙古中西部地区（100°E—115°E、37.5°N—45°N）平均降水量日变化（a）和假相当位温时间－高度剖面（b，单位：K）Fig.6 The daily change of average precipitation（a）and time－height section of average pseudo－equivalent potential temperature（b，Unit：K）in July 2018 over the middle and west of Inner Mongolia（100°E－115°E，37.5°N－45°N）

图7 2018年7月东亚地区200 hPa纬向风场（等值线）及其距平场（阴影）（a，单位：m·s－1）和内蒙古中西部地区（100°E—115°E）平均垂直速度距平（阴影，单位：10－2 Pa·s－1）、垂直环流距平（箭头，单位：m·s－1）和散度距平（等值线，单位：10－6 s－1）的经向垂直剖面（b）（黑色粗虚线为西风急流轴，矩形框内及两条直线之间为内蒙古中西部地区）Fig.7 The 200 hPa zonal wind field（contours）and its anomaly field（shadows）over East Asia area（a，Unit：m·s－1）and meridional vertical section of average vertical velocity anomaly（shadows，Unit：10－2 Pa·s－1），vertical circulation anomaly（arrows，Unit：m·s－1）and divergence anomaly（contours，Unit：10－6 s－1）over middle and western Inna Mongolia（100°E－115°E）in July 2018（The black thick dash line was the westerly jet axis，the middle and western Inner Mongolia located in rectangle box and between two straight lines）

东亚西风急流和西太副高作为东亚夏季环流系统中最重要的大尺度环流系统［26－27］，其摆动对雨带的位置有重要影响。那么，二者间有怎样的联系？从100°E—115°E 200 hPa平均纬向风距平逐日演变（图8）看出，2018年7月200 hPa平均纬向风在25°N—40°N范围表现为持续负异常，而在 40°N以北表现为持续正异常，说明东亚西风急流的月内尺度扰动偏弱，有利于西太副高在我国东部地区稳定维持。研究表明，东亚西风急流扰动弱年，对流层中层500 hPa高度场亚洲地区从低纬至高纬易出现“－、＋、－”的波列［28］。前面分析可知，2018年7月500 hPa高度场东亚地区由低纬至高纬呈现“－、＋、－”的波列，我国至日本中纬度地区为异常正距平，西太副高主体位于30°N—50°N，较常年位置异常偏北。

图8 2018年7月100°E—115°E范围200 hPa平均纬向风距平逐日演变（单位：m·s－1）Fig.8 Daily variation of 200 hPa average zonal wind anomaly over 100°E－115°E in July 2018（Unit：m·s－1）

3.6 热带对流活动

热带西北太平洋的对流活动可以激发出北传的Rossby波列，即东亚—太平洋波列（EAP波列）［29－30］。2018年7月，热带西太平洋地区对外长波辐射（OLR）表现为异常负距平（图9），对流活动强盛，有利于激发出更为强大、北扩的副热带西北太平洋反气旋，东亚地区形成近似正压的正位势高度异常结构，即副高位置较常年偏北，从而导致东亚降水异常偏多区域北移［31－32］。研究发现，热带 OLR场和200 hPa西风急流中心有着非常紧密的联系：当热带西北太平洋对流活动偏强时，对应东亚高空西风急流北移；反之，当热带西北太平洋对流活动偏弱时，东亚高空西风急流南移［33］。因此，热带对流活动对东亚高空西风急流最显著的影响是急流的经向偏移，而急流的南北偏移对内蒙古中西部降水有重要影响。

图9 2018年7月热带地区OLR距平分布（单位：W·m－2）Fig.9 Distribution of OLR anomaly in the tropics in July 2018（Unit：W·m－2）

综上所述，大尺度环流、水汽及层结不稳定条件、高空西风急流的南北位置以及热带西北太平洋对流活动对2018年7月内蒙古中西部地区几次强降水过程的发生均十分有利，其中高空西风急流异常偏北及其南北扰动偏弱和热带西北太平洋对流活动强盛均是2018年7月副高持续异常偏北的可能原因。

4 结 论

（1）2018年夏季内蒙古中西部地区降水显著偏多，其中7月降水量与夏季降水量在中西部地区的分布极为相似，且该区域7月降水量占夏季降水量一半以上（54.4%），表明内蒙古中西部地区2018年夏季降水量主要来源于7月降水量。

（2）2018年7月，500 hPa高度场从乌拉尔山、贝加尔湖至鄂霍次克海地区呈“＋、－、＋”的分布，西风带经向环流有利于冷空气南下；副高脊线位置异常偏北，有利于水汽沿副高外围输送到内蒙古地区；大气层结不稳定条件为该地区降水提供了充足能量，上述条件对内蒙古中西部地区几次强降水过程的发生十分有利。

（3）2018年7月高空西风急流位置偏北，内蒙古中西部地区位于急流轴以南，且高层辐散、中低层辐合，对流层整层均为上升运动，配合沿副高外围持续向北输送的充足水汽，有利于内蒙古中西部地区持续性强降水的发生。

（4）高空西风急流位置偏北及其南北向扰动偏弱和热带西北太平洋对流活动强盛，均有利于激发EAP波列，使得我国至日本中纬度地区形成近似正压的正位势高度异常，这可能是2018年7月副高持续异常偏北的原因之一。