1. 引言
辽宁省是我国主要的商品粮基地之一，夏季是辽宁省农作物生长的关键时期，期间若降水量偏少形成干旱灾害，会对辽宁省的农作物生长造成严重危害。气候变暖的背景下，降水变率增加，更易出现极端旱涝事件。因此，掌握夏季干旱异常成因，从而提前开展夏季降水的预测，对于政府指导农业部门开展相关工作具有重要的现实意义。
以往学者针对我国不同省份干旱灾害开展了大量有意义的研究工作[1]-[5]。李广霞等[6]和廉毅等[7]分别针对辽宁省和吉林省的夏季降水变化特征进行了研究。沈柏竹等[8]研究了东北地区初夏和盛夏降水环流特征，指出东北地区初夏降水主要受东北冷涡的影响，随着西太平洋副热带高压的北进，冷涡影响逐渐减弱，而东亚夏季风的影响增强。李辑等[9]也指出，东北冷涡活动是造成辽宁初夏降水异常的主要原因。孙力等[10]分析了与东北地区旱涝事件相联系的大气环流特征，指出东北地区旱涝年夏季，高纬和极区大气环流特征、东北亚异常长波槽脊的分布和活跃程度、东亚大槽和西太平洋副热带高压的位置和强度等均有十分明显的差别；夏梅艳等[11]针对1999年辽宁省夏季干旱气候异常现象，从环流形势、热带海温等方面总结了导致该年夏旱的物理原因；焦敏等[12]指出南亚高压和西太副高异常发展是导致2018年夏季辽宁干旱的主要原因。
21世纪10年代以来，辽宁夏季干旱事件频发，2020年已是我省连续第四年出现夏旱。本研究在分析辽宁省历史降水异常年份大尺度环流特征的基础上，从高、中、低层大气环流配置以及影响辽宁省的关键环流系统异常状况的角度，揭示2020年夏季辽宁省降水偏少，出现干旱灾害的原因，为辽宁省干旱气候预测提供相关依据，为开展气候预测为农服务提供理论支撑。
2. 资料和方法
本研究所用降水资料为辽宁省61个国家级气象站1979~2020年逐日降水数据，环流分析所用资料为美国国家环境预测中心/美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)提供的分别率为2.5˚ × 2.5˚的NCEP2逐月位势高度场、风场和垂直速度场再分析数据。历史夏季环流分析时段为1979~2020年夏季的6至8月。
研究方法采用EOF分析、合成分析等，利用t检验验证统计关系的显著性[13]。
3. 2020年辽宁夏季干旱实况
2020年夏季(6月1日至8月10日)，辽宁省降水量为163.1毫米，较常年同期偏少48.7%，是1951年有完整记录以来历史同期最少，也是我省连续第四年出现夏旱。从降水距平百分率的空间分布来看(图1)，除丹东南部、东港和大连庄河地区降水偏多1~2成以外，全省其他地区降水量一致偏少，其中，沈阳、锦州、阜新、朝阳、盘锦和葫芦岛地区降水量比常年同期偏少50%~90%，均为1951年以来历史同期最低值。6月，辽宁省仅出现一次大范围降水，阜新和盘锦地区月降水量均为1951年以来历史同期最低值，且中下旬我省出现持续高温过程，导致辽宁省大部分地区出现干旱灾害，成为该年夏旱的开端。进入7月后，降水持续偏少，旱情持续加重，辽宁西部和中北部地区尤为严重，其中沈阳、锦州、阜新、朝阳和盘锦部分地区出现重旱到特旱。此次干旱过程从6月开始，持续至8月10日，持续时间长达56天，平均重旱以上干旱日数14天，造成农作物大面积减产和绝收，损失严重。
Figure 1. Spatial distribution of precipitation anomaly percentage in Liaoning Province during the summer of 2020 (6.1~8.10) (unit:%)
图1. 2020年夏季(6.1~8.10)辽宁省降水距平百分率空间分布(单位：%)
4. 辽宁省夏季降水异常年的环流特征
为研究与辽宁省夏季干旱相联系的大尺度环流特征，首先对1979~2020年辽宁省降水量进行EOF分解，得到空间载荷向量和对应的时间系数。图2(a)为EOF分解得到的主模态，其方差占比达51.95%，且与其他模态显著分离[14]，该模态可反映辽宁夏季降水量场时空变化的主要特征，因此，后文的分析主要基于EOF第一模态展开。辽宁夏季降水主模态表现为全区一致的变化特征，且降水异常量级自东向西递减。由图2(b)可见，第一时间系数在1979~2020年间呈减少趋势，但趋势未通过显著性检验。第一模态时间系数呈现出明显年际和年代际变化，由9年滑动平均曲线可知，20世纪 80至90年代中期，辽宁夏季降水变化趋势较为平缓，但从90年代中期开始至21世纪10年代，经历了先较少后增加的波动变化。2010年后，辽宁夏季降水明显减少，在2014~2020年间处于相对少雨的阶段。
(a) (b)
Figure 2. The (a) Spatial pattern and (b) PC (gray bar) of the first EOF mode of summer precipitation in Liaoning Province from 1979 to 2020. The red dotted line in (b) denote the 9-year moving average curve
图2. 1979~2020年辽宁省夏季降水EOF第一模态(a) 空间向量和(b) 时间系数，(b)中红色虚线为9年滑动平均曲线
为讨论干旱年各层的环流配置对降水的影响，筛选辽宁省历史降水异常年份进行合成差值分析。基于EOF第一模态时间系数，将标准差大于1和小于−1的年份分别定义为多雨年和干旱年。由此得到7个干旱年(1989, 1992, 1999, 2000, 2009, 2014, 2015)和6个多雨年(1985, 1986, 1994, 1995, 2010, 2012)，图3给出了干旱年与多雨年各层环流场合成差值分析结果。高层200 hPa上(图3(a))，日本海上空为异常气旋性环流，对应35˚N附近副热带急流偏强，极锋急流偏弱，辽宁地区位于副热带高空西风急流轴北侧，急流轴北侧高空辐合，低空辐散，易产生下沉气流。从中层500 hPa位势高度场可见(图3(b))，日本海上空为准正压结构的负位势高度异常，其东南侧为正位势高度异常，对应副热带高压位置偏东偏南，说明辽宁夏季干旱年通常伴随副热带高压的南撤和东退，不利于南方暖湿气流北上。低层850 hPa上，辽宁位于异常气旋性环流西侧，为偏北风控制，说明干旱年夏季辽宁上空低层盛行干冷的偏北气流，南方水汽很难到达辽宁地区，导致水汽条件较差，不利于降水发生。从沿122˚的垂直速度剖面图上可见(图3(d))，干旱年38˚N到44˚N之间的辽宁地区上空整层均为异常下沉气流控制，动力条件较差，导致降水异常偏少。
(a) (b)
(c) (d)
Figure 3. The composite difference of abnormal precipitation years in summer in Liaoning (difference between dry and rainy years) for (a) 200 hPa wind field (unit: m∙s−1), (b) 500 hPa geopotential height (unit: gpm), (c) 850 hPa wind field (units: m∙s−1), and (d) Vertical velocity (Pa s−1) in the pressure-latitude cross-section along 122˚E. Dots and grey shading denote the significant composite differences at 90% confidence level
图3. 辽宁省夏季降水异常年(a) 200 hPa风场(单位：m∙s−1)，(b) 500 hPa位势高度场(单位：gpm)，(c) 850 hPa风场(单位：m∙s−1)和(d) 沿122˚E的垂直速度场(单位：Pa·s−1)合成差值(干旱年减多雨年)，打点或阴影为通过90%的显著性检验
总体上看，夏季干旱年辽宁上空200 hPa西风急流偏强，副热带高压位置偏东偏南，低层有异常偏北气流，垂直方向上辽宁地区整层均为下沉气流控制，动力和水汽条件差，导致降水异常偏少。
5. 2020年辽宁夏季干旱成因
基于对历史干旱年环流特征的分析，下面从高低层环流配置的角度揭示2020年辽宁地区夏季干旱成因。图4给出了2020年夏季500百帕位势高度距平场实况。可见，欧亚中高纬地区呈现出以“两脊一槽”为主的环流型，乌拉尔山及其以西地区受正距平控制，乌拉尔山附近的阻塞高压偏强，贝加尔湖及其以西地区为负距平，低压槽偏强。东北地区上空为正的位势高度距平，受高压脊控制，以晴热天气为主。西太平洋中低纬度地区为正距平，对应西太平洋副热带高压强度偏强，但西线位置在30˚N以南，西伸脊点位于110˚E的中国东南沿海地区(图2)，不利于水汽向辽宁省输送。
Figure 4. 500 hPa geopotential height anomaly field (gpm) in the summer of 2020
图4. 2020年夏季500百帕位势高度距平场(gpm)
从图5中2020年夏季200 hPa矢量风距平场可见，东亚35˚N附近为平直的纬向西风气流，辽宁位于东亚副热带西风急流北侧，对应高层有气流辐合，不利于上升运动发生发展。同时中高纬极锋急流区域为偏东风异常，对应极锋急流偏弱，不利于低层天气尺度涡旋的生成和向东移动，因此会导致与降水相联系的东北冷涡活动偏弱。
Figure 5. 200 hPa anomalous wind field in the summer of 2020 (m∙s−1)
图5. 2020年夏季200百帕距平风场 (m∙s−1)
图6给出2020年夏季850百帕距平风场实况。可见，中国东北地区上空存在一个反气旋式环流异常，辽宁省位于该异常反气旋的中心，以弱的偏北风为主，使得影响辽宁省的夏季风(东北南风)强度偏弱，来自海洋的暖湿水汽很难输送到辽宁省。同时，西太平洋副热带高压西侧的偏南风仅能影响中国中部和东部地区，暖湿水汽无法到达辽宁省，由此造成全省夏季降水以偏少为主。
Figure 6. 850 hPa anomalous wind field in the summer of 2020 (m∙s−1)
图6. 2020年夏季850百帕距平风场 (m∙s−1)
图7为对流层整层(1000~300 hPa)积分的水汽通量和散度距平场实况。可见，中国东北地区上空的水汽通量与850百帕风场环流型类似。由于西太平洋副热带高压脊线位置偏南，华中和华东地区主要受西太平洋副热带高压西侧的偏南气流影响，为水汽辐合区，降水偏多；而由于西太平洋副热带高压脊线位置偏南，夏季风(东北南风)偏弱，偏南水汽亦很难到达东北地区，辽宁省为水汽的辐散区，因此，辽宁省水汽条件差，造成夏季降水偏少。
Figure 7. The anomalies in vertically integrated water vapor flux (vector, kg·m−1·s−1) and its divergence (shaded, 105 kg∙m−2∙s−1) in the summer of 2020
图7. 2020年夏季对流层整层积分水汽通量(矢量，kg∙m−1∙s−1)及水汽通量散度距平(阴影，105 kg∙m−2∙s−1)
第3节中提到，2020年初夏(6月)降水异常偏少对后期夏季干旱持续发展有着重要贡献。图8给出了2020年6月500百帕位势高度场实况，可见，欧亚大陆的中高纬度地区呈现出“两脊一槽”的环流型。贝加尔湖至东北北部地区受负高度距平控制，而东北地区南部受正高度距平控制，盛行的偏北风，相对干燥，并伴随着动力下沉作用，不利于辽宁省的夏季降水的形成。另外，东北冷涡位置偏北，有利于东北北部的黑龙江降水产生降水，而辽宁省上空受正高度距平控制，东北冷涡对辽宁省影响较弱，这是造成全省2020年初夏降水偏少的主要原因。
Figure 8. 500 hPa altitude anomaly field (gpm) in June 2020
图8. 2020年6月500百帕高度距平场(gpm)
综合来看，2020年夏季辽宁省位于高空急流北侧的高层辐合区，中层受高压脊控制，西太平洋副热带高压脊线位置偏南，低层由偏北气流控制，动力和水汽条件差，不利于降水发生。同时，初夏影响辽宁省的东北冷涡不活跃，且位置异常偏北，导致初夏降水异常偏少，对夏季旱情有重要贡献。
6. 结论
本文在分析与辽宁夏季干旱相联系的大尺度环流特征的基础上，揭示了高、中、低层大气环流场的异常是造成辽宁省2020年夏季降水偏少，形成干旱灾害的主要原因。主要结论如下：
(1) 2020年辽宁省夏季降水整体偏少，全省大部分地区出现干旱灾害，沈阳、锦州、阜新、朝阳和盘锦部分地区出现重旱到特旱。
(2) 夏季干旱年辽宁上空200 hPa西风急流偏强，副热带高压位置偏东偏南，低层偏北气流控制，动力和水汽条件差，这种高低层环流配置易导致辽宁地区降水偏少。
(3) 2020年夏季，辽宁省受高压脊控制，西太平洋副热带高压偏强且脊线位置偏南，夏季风偏弱，副高西侧来自海洋的暖湿水汽难以到达辽宁省，造成偏南水汽条件差；同时，辽宁省上空受弱的偏北气流控制，影响辽宁省的南风分量偏弱，全省位于水汽通量辐散区域。因此，辽宁省水汽条件差，夏季降水偏少。
(4) 2020年初夏，大气环流场上东北冷涡位置异常偏北，影响辽宁省的冷涡不活跃，造成辽宁省初夏降水异常偏少，对夏季干旱有一定贡献。
大尺度环流的异常是造成辽宁地区降水异常的直接原因，而环流异常一方面受到大气内部动力学过程的影响，另一方面也与海温、海冰密集度、陆面温度等外强迫因子的异常密切相关，这些外强迫因子如何通过动力和热力过程影响大尺度环流，进而造成降水要素异常的原因需要进一步分析研究。