1960—2016年中國北方半干旱區盛夏降水時空變化及其水汽輸送特征分析.pdf

DOI 10.12006/j.issn.1673-1719.2018.135劉潔 , 王寧練 , 花婷 . 1960 2016 年中國北方半干旱區盛夏降水時空變化及其水汽輸送特征分析 [J]. 氣候變化研究進展 , 2019, 15 3 257-269Liu J, Wang N L, Hua T. Spatial and temporal variations in summer precipitation over the semi-arid region of northern China during 1960-2016 and their links with atmospheric circulation [J]. Climate Change Research, 2019, 15 3 257-26919602016年中國北方半干旱區盛夏降水時空變化及其水汽輸送特征分析劉 潔1,2，王寧練1,2，花 婷31 陜西省地表系統與環境承載力重點實驗室 / 西北大學城市與環境學院，西安 710027；2 西北大學地表系統與災害研究院，西安 710027；3 中國科學院沙漠與沙漠化重點實驗室 / 中國科學院西北生態環境資源研究院，蘭州 730000氣候變化研究進展第 15 卷 第 3 期 2019 年 5 月 CLIMATE CHANGE RESEARCHVol. 15 No. 3May 2019摘 要 基于氣象臺站降水觀測資料，本文分析了 1960 2016 年半干旱區盛夏（ 7、 8 月）降水量時空變化特征，探討了典型降水量時空分布型與大氣環流及水汽輸送的關系。結果表明， 1960 2016 年半干旱區 7 月和 8 月降水量的主導空間模態均可歸納為“區域一致型”和“區內反向型”?！皡^域一致型”時間序列顯示 1960 2016 年 7、 8 月降水量均呈減少趨勢，但 8 月減少趨勢更明顯。這一時間序列與大氣環流及水汽通量輸送之間相關性分析顯示，歐亞遙相關以及中緯度西風氣流與 7 月降水量變化密切相關；而西太平洋副熱帶高壓是影響半干旱區 8 月降水量變化的主要原因。相較而言，“區內反向型”年際變率較小但年代際變化明顯，當北方半干旱區受反氣旋性環流控制時，易形成北方半干旱區西部地區降水偏多而東部地區偏少的格局。關鍵詞 半干旱區；降水；大氣環流；水汽輸送；時空變化收稿日期 2018-10-09； 修回日期 2019-01-12資助項目 國家重點研發計劃項目（ 2017YFC0404302；國家自然科學基金項目（ 41501011）作者簡介 劉潔，女，碩士研究生， 引 言IPCC 第五次評估報告指出， 1880 2012 年全球平均溫度升高了 0.85 ℃ 0.65 ～ 1.06 ℃[1]。氣候變暖將加快水分循環，改變降水的時空分布[2]，從而引起各地降水格局的變化。中國北方半干旱區是濕潤區與干旱區之間的過渡區，也是東亞夏季風影響的北邊緣區，其地表植被相對稀疏，生態環境脆弱，對氣候變化尤其是夏季風的強弱、進退十分敏感[3-4]。近年來中國北方半干旱區降水發生了明顯變化[5]，大量研究表明近 60 年來半干旱區夏氣 候 系 統 變 化季降水量呈減少趨勢[6-9]，然而區域極端降水事件的發生頻率卻持續增加，其帶來的短時洪澇及水土流失等問題給區域生態環境及社會發展造成了很大的影響[10-11]。此外，已有研究表明半干旱區升溫速率更快，其氣候快速的暖干化將使其面臨更大的潛在風險[12-13]。因此，在全球變暖背景下，無論從社會發展還是理論研究的角度，研究半干旱區夏季降水量的時空變化均具有重要的意義。在半干旱區，夏季降水 尤其是 7、 8 月降水 占全年降水的比例較高[14]，對區域植被生長及農業生產也至關重要。由于受東亞夏季風及中緯度氣候變化研究進展 2019 年258氣 候 系 統 變 化西風帶等諸多大氣環流形勢的影響，夏季降水具有較大的年際變率[15]。尤其 21 世紀以來其變率有增強趨勢，且極端降水事件頻率的空間差異性更為明顯[16-18]。一方面，半干旱區位于東亞夏季風影響的北部邊緣區，其夏季降水與季風強度及雨帶位置密切相關[19]當夏季風較強時，水汽輸送西伸北抬，雨帶位置偏北，區域降水量增多[20]；反之亦然。另一方面，西風系統也是控制半干旱區夏季降水變化的重要天氣系統[21]，當北大西洋 ? 北歐 ? 東亞中緯度地區呈自西向東的波列時將伴隨半干旱區降水量偏多，這一遙相關波列也是聯系北大西洋濤動 NAO與半干旱區降水變化的紐帶[22]。此外，北方半干旱區東部氣候變化還與東北冷渦的活動密切相關[23]，這一在夏季更為活躍的天氣系統對區域夏季降水也產生重要的影響[24]。目前圍繞半干旱區降水變化成因已有諸多研究，有研究發現東亞和西亞西風急流對 100° E 以東干旱半干旱區降水都有顯著影響，內蒙古地區夏季多雨年和旱年阻高次數和距平分布呈相反關系[25-26]。近年來，基于夏季風強度和夏季風影響過渡區降水的統計關系發現，在年際尺度上的一些年份夏季風強度強，其影響過渡區的降水量并不一定多[27-28]，這說明僅僅使用季風強度指數表征該區域的氣候具有較大局限性。另有研究試圖從季風最北邊緣位置擺動的角度來解釋季風影響過渡區的降水變化，認為該區域降水與夏季風北邊緣偏北的程度有關[29-30]。一般而言，大氣環流形勢及水汽輸送條件是影響降水變化的主要原因[31-34]，其在不同時間尺度上的變化對區域降水的時空分布產生直接影響。例如伴隨西太平洋副熱帶高壓 以下簡稱西太副高 的季節性變動，其西北側的雨帶常在 7、 8 月達到最北界，因而半干旱區降水量集中在 7、 8 月份。此外，西太副高一般在 7 月底開始北抬，其西北側的雨帶主要在 8 月影響半干旱區，導致半干旱區降水量分布在 7、 8 月份仍存在差異。有研究指出影響一個地區的天氣系統在盛夏不同月份有著較為明顯的差異[35-36]，因此，雖然 7、 8 月均為該區域降水豐沛的時節，仍有必要區分并研究 7、 8 月降水量的時空分布特征。目前對半干旱區夏季降水已有部分研究，主要針對傳統夏季[37-39]6 8 月，盛夏[40-42]78 月 以及暖季[19,43]5 9 月 降水量的時空分布特征、年際和年代際變化特征及其相對應的環流特征、水汽輸送特征進行分析。而夏季風降水具有明顯的階段性，目前在逐月尺度上的研究仍較少。為此，本文基于中國北方半干旱區氣象臺站資料及美國國家環境預報中心和大氣研究中心 NCEP/NCAR再分析資料，分析區域 7、 8 月降水量時空變化的異同性，研究 7、 8 月不同空間分布型的降水量異常與大氣環流之間的關系，為預測全球變化背景下中國北方半干旱區降水量變化趨勢及應對措施提供一定的理論依據。1 研究區概況中國北方半干旱區是季風濕潤區與干旱區之間的過渡區。雖然目前對半干旱區的界定采用了不同的判定標準，如年降水量、干旱指數等[44-47]，但總體上半干旱區為東北 - 西南向的狹長地帶。本文以多年平均降水量 1960 2016 年在 200 ～ 400 mm 之間的區域為中國北方半干旱區 圖 1，主要圖 1 中國北方半干旱區及氣象臺站分布Fig. 1 Location map of meteorological stations in semi-arid areas of northern China The color of the dots represents the proportion of July and August precipitation to annual rainfall, and the size of the dots for the annual rainfall120?E 125?E 130?E115?E105?E 110?E50?N45?N40?N35?N40 ～ 4545 ～ 5050 ～ 5555盛夏降水比例 /135?E50?N45?N40?N35?N120?E 125?E115?E105?E 110?E175 ～ 225225 ～ 275275 ～ 325325年降水量 /mm注圓點顏色深淺表示 7、 8 月總降水量占全年降水的比例，圓點大小表示年降水量。3 期 259劉潔，等 1960 2016 年中國北方半干旱區盛夏降水時空變化及其水汽輸送特征分析包括甘肅中部 烏鞘嶺以東 、寧夏大部 除南部六盤山以外 、內蒙古中東部，以及陜西、山西、河北北部的部分地區。該區域植被覆蓋率較低，以草原、干草原為主[48]，歷史上是農牧交錯帶的主體部分。除黃河河套平原外，研究區總體缺乏河流水資源供應，降水量的多寡在很大程度上決定了區域水分條件。由于年降水量較少且年際變率大，區域脆弱的生態環境對人類活動和氣候變化十分敏感[49-50]。2 資料與方法2.1 降水數據及 EOF 分析采用研究區 1960 2016 年資料序列一致且完整的 41 個氣象臺站 7 月和 8 月降水資料 圖 1①，在計算距平序列后分別進行 EOF（經驗正交函數）分解[51-52]，提取主要的時空變化特征。此外，為檢驗 EOF 展開的典型場是否具有物理意義[53]，采用North 法則[54]驗證特征值誤差范圍。2.2 水汽通量及大氣環流水汽通量可由水汽含量與水平風速矢量乘積在整層大氣的垂直積分表示[55]。由于水汽主要集中在對流層中低層，因此僅計算從地面到 300 hPa 高度之間水汽通量 Q 的累計。在 p 坐標系中，單位時間通過垂直于風向的底邊為單位長度、高為整層大氣柱的面積上的總水汽通量 Q 可表示為[56-57]式中 g 為重力加速度， q 為比濕， ps為地面氣壓， V 為水平風矢量。風場和比濕數據采用 NCEP/NCAR 提供的1960 2016 年 7、 8 月再分析資料[58]，其水平分辨率為 2.5° 2.5°， 在 300 hPa 等壓面以下均有 8 層。此外， 500 hPa 位勢高度以及可降水量數據也被用于水汽輸送及大氣環流分析。3 中國北方半干旱區7月和8月降水量的時空變化7 月和 8 月降水量線性趨勢空間分布如圖 2 所示， 7 月份降水量在內蒙古大部分地區、陜西以及河北部分地區呈微弱的減少趨勢，寧夏大部分地區以及內蒙古部分地區呈微弱的增加趨勢 圖 2a；相較而言， 8 月份半干旱區絕大部分區域 圖 2b降水量均呈明顯的減少趨勢，減少率約為 2.3～ 12.4 mm/10a，僅有個別站點降水量是增加的。半干旱區所有站點平均 7、 8 月降水量顯示 圖2c， 1960 2016 年 7 月份半干旱區降水量變化以年代際變化為主， 20 世紀 60 年代 7 月份降水量整體較多，但呈現出減少的趨勢； 70 年代降水量整體較 60 年代有所增加；從 80 年代到 1998 年間 7月份降水量呈現出明顯的上升趨勢，其降水量變化速率達到 25.4 mm/10a，表明該區域 7 月份有整體變濕的趨勢； 2000 2010 年 7 月份呈現出持續 10余年的降水低值，是近 57 年來 7 月份降水量最少的時期，均低于 1960 2016 年的平均水平。對 8月份而言， 20 世紀 90 年代以前半干旱區 8 月份降水量呈現明顯的年際變化特征，而從 1990 年開始半干旱區 8 月份降水量開始明顯減少，其降水量變化速率達 - 11.2 mm/10a，表明該區域 8 月份有整體變干的趨勢。從近 57 年的線性趨勢來看，半干旱區 7 月降水量在年際尺度上無明顯趨勢性變化；而半干旱區 8 月降水量呈減少的趨勢，速率為 5.4 mm/10a，該線性趨勢達到了 99 的信度水平。4 中國北方半干旱區盛夏降水量的 EOF 分析對中國北方半干旱區 7 月和 8 月降水量進行距平處理后進行 EOF 分解，其分解結果顯示前 4個模態均通過了 North 檢驗，但由于前兩個主模態的累計方差貢獻率分別達到 44.3 及 48.8，能夠較好地體現中國北方半干旱區 7、 8 月降水量① http// ∫ V· qdp。 1ps3001g?????氣候變化研究進展 2019 年260氣 候 系 統 變 化典型空間分布型，因此本文僅選取前兩個主模態進行分析。這兩個 EOF 主模態顯示， 1960 2016年間中國北方半干旱區 7 月和 8 月降水量主要存在“區域一致型”及“區內反向型”兩種空間變化模態。4.1 “區域一致型”變化中國北方半干旱區盛夏降水量 EOF 分解第一模態 7、 8 月的方差貢獻率分別為 28.1 和31.4，從第一模態空間分布 圖 3a、 3b 可看出所有站點的特征值均為正值，表明區域 7、 8 月降水量呈一致的變化趨勢，即 7 月和 8 月全區降水量呈現出一致偏多或一致偏少的同位相降水分布特征。但 7、 8 月份各站點的載荷高值區存在區域差異， 7 月高值中心位于半干旱區東部 圖 3a，而 8月高值中心向西南偏移至半干旱區西部 圖 3b。這一結果表明區域大氣環流形勢在 7、 8 月之間可能存在差異，使得降水量極值區域從半干旱區東部向西部偏移。第一模態的時間系數序列 圖 3c 顯示，在年際尺度上，中國北方半干旱區整體在 7、 8 月降水量隨時間的變化存在較大差異，且幾乎不存在相關性 r-0.0004, p0.99。在年代際尺度上，半干旱區整體 7、 8 月降水量變化也不同。例如，7 月降水在 20 世紀 60 80 年代中期雖有波動但總體變化趨勢較小，其后降水量呈明顯增加趨勢，直到 90 年代中期之后區域降水量呈明顯下降趨勢并持續至 2010 年。相較而言，近 57 年來半干旱區 8月降水量總體呈減少趨勢，且自 90 年代中期以來減少幅度更為顯著。因此，在年代際尺度上，半干旱區 7、 8 月降水量在 90 年代中期以來均呈明顯的減少趨勢，表明 90 年代以來半干旱區 7、 8 月干旱化趨勢明顯。線性趨勢結果也顯示近 57 年來中國北方半干旱區 7、 8 月降水量均呈現出減少的趨勢，與前人的研究結果相一致[59-60]，但 8 月降水量的減少趨勢更明顯。圖 2 1960 2016 年中國北方半干旱區 7 月 a 和 8 月 b 降水量變化趨勢以及區域平均降水量變化 cFig. 2 Precipitation trends in July a and August b and variations in the regional mean precipitation c in semi-arid area of northern China during 1960-201650?N45?N40?N35?N50?N45?N40?N35?N120?E 125?E115?E105?E 110?E50?N45?N40?N35?N50?N45?N40?N35?N120?E 125?E115?E105?E 110?E120?E125?E115?E105?E110?E 130?E 135?E 120?E 125?E115?E105?E110?E 130?E 135?Ea bc196016012080401964 1968 1972 1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000 2004 2008 2012 2016 年0 mm/a7 月降水量降水量/mm8 月降水量7 月降水量線性趨勢7 月降水量 9 a 滑動平均 8 月降水量 9 a 滑動平均8 月降水量線性趨勢3 期 261劉潔，等 1960 2016 年中國北方半干旱區盛夏降水時空變化及其水汽輸送特征分析4.2 “區內反向型”變化中國北方半干旱區盛夏降水量 EOF 分解第二模態 7、 8 月的解釋方差分別為 16.2 和 17.4，從其空間分布 圖 4a、 4b 可看出， 7、 8 月半干旱區降水量均呈現出北方半干旱區東部及西部兩個子區域反向變化的空間分布特征。結合時間系數序列 圖4c，即可判斷北方半干旱區東部及西部降水量的相對分布型當時間系數為正值時，北方半干旱區西部降水量相對偏多，而東部降水量偏少；反之亦然。7、 8 月第二模態的時間系數序列均顯示，區域內降水量反向變化型的年際變率較小，但年代際變化明顯。 1960 2016 年， 7、 8 月降水量時間系數序列在年際尺度 r0.129,p0.2 和年代際尺度上 r0.138,p0.2 的相關性均不高，似乎表明這一區域內降水量反向變化的分布型在 7、 8 月之間聯系較少。然而，如果將研究時段以 1990 年為界分為前后兩段，就發現其 7、 8 月降水量第二模態序列在年代際時間尺度上存在著不同的相關關系。 90 年代之前， 7、 8 月降水量第二模態的 9 a 滑動平均曲線之間存在一定的正相關關系r0.329,p0.20 7 月第一模態時間系數8 月第一模態7 月第一模態線性趨勢7 月第一模態 9 a 滑動平均 8 月第一模態 9 a 滑動平均8 月第一模態線性趨勢0.15， 0.20]-氣候變化研究進展 2019 年262氣 候 系 統 變 化水量變化存在明顯的差異。為進一步分析中國北方半干旱區 7 月和 8 月降水量主導分布型與大氣環流及水汽輸送之間的關系，本文分析了“區域一致型”和“區內反向型”時間系數序列分別與 500 hPa 高度場、 850 hPa 風場、水汽通量及可降水量序列之間的線性相關性。5.1 “區域一致型”的大氣環流及水汽輸送特征從 500 hPa 高度場與第一主模態時間序列相關性分布可以看出，當中國北方半干旱區總體 7 月降水量偏多時，在歐洲西部存在異常低壓、烏拉爾地區有異常高壓、蒙古有異常低壓、鄂霍茨克海有異常高壓以及日本以東洋面存在異常低壓 圖 5a。這一自北大西洋至東亞沿岸的緯向遙相關波列類似于歐亞 EU 型遙相關[61-62]，與半干旱區總體 7 月的降水量年際變化密切相關。與高度場的異常分布相對應，低空風場相關性顯示研究區受氣旋性環流控制，在其東側較強的東南氣流利于半干旱區在 7 月圖 4 1960 2016 年中國北方半干旱區 7 月 a 和 8 月 b 降水量的 EOF 第二模態及相應時間系數 cFig. 4 The second EOF modes of July a and August b precipitation in semi-arid area of northern China during 1960-2016 and their corresponding principal components c50?N45?N40?N35?N50?N45?N40?N35?N120?E 125?E115?E105?E 110?E50?N45?N40?N35?N50?N45?N40?N35?N120?E 125?E115?E105?E 110?E120?E125?E115?E105?E110?E 130?E 135?E 120?E 125?E115?E105?E110?E 130?E 135?Ea bc1960 1964 1968 1972 1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000 2004 2008 2012 2016 年≤- 0.20 -0.20， -0.15] 0.15， 0.20] 0.207 月第二模態 8 月第二模態7 月第二模態線性趨勢7 月第二模態 9 a 滑動平均 8 月第二模態 9 a 滑動平均8 月第二模態線性趨勢4002000-200時間系數-400-0.15， -0.10] -0.10， 0] 0， 0.10] 0.10， 0.15]發生降水 圖 6a。此外，氣旋性環流南側的中緯度西風氣流以及源于中南半島 / 南海西部的西南風也對 7 月降水變化有一定影響。水汽通量的相關性結果顯示在 7 月份，蒙古低壓與鄂霍茨克海高壓之間的東南風將水汽輸送至半干旱區 圖 7a，而這些區域也是影響半干旱區 7 月份降水變化重要的水汽源地 圖 8a。除此之外，蒙古異常低壓南側的中緯度西風帶也是區域重要的水汽輸送通道，其將中亞中高緯地區的水汽輸送至中國北方半干旱區。由于影響半干旱區 7 月降水的大氣環流以緯向型為主，因此該區域 7 月份降水變化的關鍵水汽源區主要位于中高緯地區。與 7 月份相比，影響半干旱區 8 月份降水的大氣環流已發生了明顯調整[63]。當中國北方半干旱區總體在 8 月降水偏多時，位于蒙古的異常低壓依然存在且范圍明顯增大，同時在西北太平洋存在異常高壓，表明西太副高與 8 月降水變化之間密切相關圖 5b。然而相較而言，半干旱區 8 月降水與3 期 263劉潔，等 1960 2016 年中國北方半干旱區盛夏降水時空變化及其水汽輸送特征分析圖 5 第一及第二模態時間序列與 500 hPa 高度場之間相關系數分布Fig. 5 Pearson correlation between the first/second principal components and the geopotential height at the level of 500 hPa圖 6 同圖 5 但為 850 hPa 風場Fig. 6 Same as Fig. 5, but for the wind field on the level of 850 hPa注紫色框代表研究區大致范圍，下同。80?E40?E0?a b0.001EQ80?N60?N40?N20?N160?E120?E 80?E40?E0? 160?E120?E80?E40?E0? 160?E120?E 80?E40?E0? 160?E120?EEQ80?N60?N40?N20?NEQ80?N60?N40?N20?NEQ80?N60?N40?N20?N0.005 0.01 0.05 0.0010.0050.010.057 月 8 月EOF1EOF2c d-0.428-0.370 -0.341-0.263 0.4280.3700.3410.263rpa b0.055?N45?N35?N25?N15?N55?N0.01 0.0010.0057 月 8 月80?E60?E 120?E100?E 160?E140?E5?N45?N35?N25?N15?N55?N5?N45?N35?N25?N15?N55?N80?E60?E 120?E100?E 160?E140?E5?N45?N35?N25?N15?N55?Nc dEOF1EOF20.680?E60?E 120?E100?E 160?E140?E 80?E60?E 120?E100?E 160?E140?E0.372 0.482 氣候變化研究進展 2019 年264氣 候 系 統 變 化圖 8 同圖 5，但為可降水量Fig. 8 Same as Fig. 5, but for precipitable water圖 7 同圖 5，但為水汽通量Fig. 7 Same as Fig. 5, but for the vertical integral water vapor fluxa b0.055?N45?N35?N25?N15?N55?N0.01 0.0010.0057 月 8 月80?E60?E 120?E100?E 160?E140?E5?N45?N35?N25?N15?N55?N5?N45?N35?N25?N15?N55?N80?E60?E 120?E100?E 160?E140?E5?N45?N35?N25?N15?N55?Nc dEOF1EOF20.6 80?E60?E 120?E100?E 160?E140?E 80?E60?E 120?E100?E 160?E140?E0.372 0.482 0.6050.523rpa b0.055?N45?N35?N25?N15?N55?N0.010.001 0.0057 月 8 月80?E60?E 120?E100?E 160?E140?E5?N45?N35?N25?N15?N55?N5?N45?N35?N25?N15?N55?N80?E60?E 120?E100?E 160?E140?E5?N45?N35?N25?N15?N55?Nc dEOF1EOF280?E60?E 120?E100?E 160?E140?E 80?E60?E 120?E100?E 160?E140?E0.05 0.01 0.0010.005-0.428-0.370-0.341-0.263 265劉潔，等 1960 2016 年中國北方半干旱區盛夏降水時空變化及其水汽輸送特征分析3 期 歐亞遙相關之間的相關性較弱。與 500 hPa 高度場相對應，低層風場線性相關性結果顯示蒙古異常低壓南側伴隨的中緯度西風氣流與西太副高西側的偏南風匯合，是影響區域 8 月降水量變化的重要因素圖 6b。水汽通量相關系數分布顯示，西風氣流以及西太副高西側的暖濕氣流 圖 7b 是半干旱區8 月份降水的重要水汽通道，而偏南氣流沿線的水汽含量是 8 月降水量變化的關鍵源區 圖 8b。5.2 “區內反向型”的大氣環流及水汽輸送特征影響半干旱區 7、 8 月份降水“區內反向型”的大氣環流配置較為類似，當在東亞沿岸形成一個南高北低的氣壓高度場配置時 圖 5c、 5d，易發生半干旱區西部降水偏多而東部降水偏少的格局。具體而言，在東亞沿岸的高緯度存在異常低壓，而中緯度以渤海灣為中心存在一個異常高壓，二者之間為強烈的西風氣流。低空風場相關性結果顯示，半干旱區受反氣旋性環流影響 圖 6c、 6d，在其西部地區受偏南氣流控制，而北方半干旱區東部主要受偏西氣流控制 圖 7c、 7d，因而產生西部降水偏多而東部偏少的降水空間分布。第二模態的時間系數序列與可降水量之間相關性顯示 圖 8c、8d，影響 7、 8 月份區內反向型的關鍵水汽源區存在差異 7 月份降水與中緯度半干旱區水汽變化呈顯著正相關關系而與高緯部分區域呈顯著負相關關系； 8 月份降水變化與低緯度水汽變化呈顯著正相關，而與高緯度水汽變化呈負相關。6 結 論本文利用 1960 2016 年中國北方半干旱區 7、8 月氣象臺站降水資料以及 NCEP/NCAR 再分析資料，分析了半干旱區 7 月和 8 月降水量的時空變化，并探討了 7、 8 月典型降水量時空分布型與大氣環流及水汽輸送的關系，主要結論如下。1 1960 2016 年中國北方半干旱區 7 月和 8月降水量主要存在“區域一致型”和“區內反向型”兩種空間變化模態?！皡^域一致型”指半干旱區整體在 7 月和 8 月降水量呈現一致偏多或一致偏少的同位相降水分布特征；“區內反向型”指北方半干旱區東部與西部降水量分布呈現出相反的變化趨勢。2 在“區域一致型”模態下，降水量極值區域 7 月位于北方半干旱區東部，而 8 月向西部偏移。近 57 年來，中國北方半干旱區 7、 8 月降水量均呈現出下降的趨勢，且 8 月份下降趨勢更明顯。在年代際尺度上， 20 世紀 90 年代以來的近 20 年是該區域 7、 8 月干旱化趨勢最顯著的時期。3 在“區內反向型”模態下，其年際變率相對較小，但年代際變化明顯。雖然 7 月與 8 月的時間系數變化存在較大差異，但在 20 世紀 80 年代均以北方半干旱區東部相對濕潤而西部相對干旱為主。4 “區域一致型”時間系數序列與大氣環流及水汽輸送變量之間 Pearson 相關分析顯示，影響中國北方半干旱區 7、 8 月降水量變化的大氣環流配置存在差異。雖然蒙古異常低壓以及其南側的西風帶氣流均與 7、 8 月降水變化密切相關，但蒙古異常低壓與鄂霍茨克海異常高壓之間的東南氣流以及歐亞遙相關波列是影響 7 月降水量變化的重要因素；而西太平洋異常高壓是影響半干旱區 8 月降水量變化的主要原因。5 “區內反向型”時間系數序列與大氣環流及水汽輸送變量之間 Pearson 相關分析顯示，當在東亞沿岸形成一個南高北低的高度場配置時，北方半干旱區受反氣旋性環流影響，利于其西部地區產生降水，而在東部地區降水量相對偏少。參考文獻秦大河 , Stocker T, 259 名作者和 TSU（駐伯爾尼和北京 . IPCC第五次評估報告第一工作組報告的亮點結論 [J]. 氣候變化研究進展 , 2014, 10 1 1-6. Qin D H, Stocker T, 259 authors and TSU Bern 2 Institute of Earth Surface System and Hazards, Northwest University, Xi’an 710027, China;3 Key Laboratory of Desert and Desertification, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources,Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, ChinaAbstract Based on precipitation observations from meteorological stations, the spatial and temporal variations of precipitation in the semi-arid region of northern China during 1960-2016 were analyzed by using EOF . The research showed that the dominant spatial modes of summer precipitation in semi-arid region of northern China from 1960 to 2016 could be summarized as the regional in-phase type and the sub-regional out-of-phase type. The time series of regional in-phase type showed that the summer precipitation in semi-arid region generally decreased from 1960 to 2016, but the decrease trend in August was more remarkable than that in July. The sub-regional out-of-phase type showed that the interannual variability of precipitation in July and August was relatively small, but the inter-decadal variability was larger. The correlation analysis between the regional in-phase type time coefficients and the atmospheric circulation as well as water vapor transport variables showed that the Eurasian teleconnection and the mid-latitudes westerlies are closely correlated with the precipitation variations in July, while the Western Pacific Subtropical High WPSH is the main factor affecting the interannual variations of August precipitation in the semi-arid region. The correlation analysis of sub-regional out-of-phase type time coefficients showed that when the anticyclonic circulation controls the semi-arid northern China, it is easy to a distribution pattern with more precipitation in the west and relatively lower precipitation in the east of the semi-arid area in northern China.Keywords Semi-arid region; Precipitation; Atmospheric circulation; Water vapor transport; Spatial and temporal variations