干旱气象
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干旱气象, 2021, 39(5): 717-726 doi: 10.11755/j.issn.1006-7639(2021)-05-0717

论文

2012年中美两国干旱的对比分析

刘书言,1, 荣艳淑,1, 吕星月1,2, 殷雨婷1

1.河海大学水文水资源学院,江苏 南京 210098

2.北京金水信息技术发展有限公司,北京 101400

Comparative Analysis of Drought in China and the United States in 2012

LIU Shuyan,1, RONG Yanshu,1, LYU Xingyue1,2, YIN Yuting1

1. College of Hydrology and Water Resources, Hohai University, Nanjing 210098, China

2. Beijing Golden-water Info-tech. Ltd, Beijing 101400, China

通讯作者: 荣艳淑(1961— ),女,教授,博士,主要从事水文气象和气候变化方面研究. E-mail: ysron@hhu.edu.cn。

收稿日期: 2021-06-15   修回日期: 2021-07-30  

基金资助: “十三五”国家重点研发计划(2016YFA0601504)

Received: 2021-06-15   Revised: 2021-07-30  

作者简介 About authors

刘书言(1997— ),女,硕士生,主要从事水文气象研究. E-mail: 827332382@qq.com。

摘要

利用GPCC逐月降水资料、NCEP/NCAR环流场再分析数据以及NOAA逐月海温数据等,分析2012年中美两国干旱演变特征及可能的成因。结果表明:(1)2012年,中国旱情较轻,且时间不连续、空间分布零散,而美国出现了创纪录的干旱,且干旱时空连续,强度显著强于中国。(2)2012年,中国平均气温接近常年,而美国出现了创纪录的高温,高温加剧了空气干燥,使干旱更加严重。(3)2012年中美干旱过程与拉尼娜事件相关联。2010年7月至2012年2月,连续出现2次拉尼娜事件。赤道中、东太平洋持续的低温,使得美国长时间受高压脊控制,盛行下沉气流,特别是2012年夏季,北美—北大西洋副热带高压显著增强,美国出现了创记录的高温和更加严重的夏旱。与此同时,中国地区在2011/2012年冬季、2012年春秋季受高压脊控制,盛行下沉气流,干旱相对偏强,但在2012年夏季,西太平洋副热带高压强度偏弱、位置偏南偏东,对中国大陆影响较小,中国夏旱并不严重。

关键词： 中国; 美国; 干旱演变特征; 干旱成因; 拉尼娜事件

Abstract

Based on the monthly precipitation grid data from GPCC, reanalysis data from NCEP/NCAR and sea surface temperature (SST) from NOAA, etc, the evolution characteristics of drought and its possible causes in China and the United States in 2012 were analyzed. The results are as follows: (1) In 2012, the drought was light in China, and it was discontinuous in time and disperse in space, while the drought in the United States reached a record high level, and the spatio-temporal distribution of drought was continuous, and the intensity of drought was significantly stronger than that in China. (2) In 2012, the average temperature was close to normal in China, while in the United States, a record high temperature occurred, which aggravated the air drying, and further the drought was more serious. (3) There were connections between drought in China and the United States in 2012 and La Niña event. La Niña events with a short interval of four months occurred twice from July 2010 to February 2012. The high-pressure ridge controlled the United States for a long time due to the persistent low temperature in the equatorial central and eastern Pacific, and the downdraft prevailed over the United States, especially the North American-North Atlantic subtropical high strengthened significantly in summer of 2012, which caused the record high temperature and more serious drought in the United States in summer. Meanwhile, the high pressure ridge controlled China in winter of 2011/2012, spring and autumn of 2012, and the downdraft prevailed over China, so the intensity of drought was relatively strong. In summer of 2012, the intensity of the western Pacific subtropical high was weak, and its location was more southward and eastward than normal, which had few influence on Chinese mainland. Therefore, the summer drought in China wasn’t serious.

Keywords： China; the United States; evolution characteristics of drought; drought causes; La Niña event

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本文引用格式

刘书言, 荣艳淑, 吕星月, 殷雨婷. 2012年中美两国干旱的对比分析[J]. 干旱气象, 2021, 39(5): 717-726 doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2021)-05-0717

LIU Shuyan, RONG Yanshu, LYU Xingyue, YIN Yuting. Comparative Analysis of Drought in China and the United States in 2012[J]. Journal of Arid Meteorology, 2021, 39(5): 717-726 doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2021)-05-0717

引言

2012年中国和美国发生了不同程度的干旱。2012年,中国的干旱阶段性和区域性特征明显,且干旱范围小,影响偏轻,农业受灾面积为1990年以来最小[1,2],而美国却发生了创纪录的干旱,在短时间内中部地区的干旱迅速增强、范围扩大[3,4],这种迅速增强的干旱与OTIKIN等定义的骤旱[5]一致。此次干旱特别是夏旱给美国经济造成重大影响,导致粮食安全和食品价格上涨[6],其影响超过了1988—1989年的北美干旱,受灾面积与20世纪30年代的干旱接近[7]。

引发干旱的原因众多,大气环流异常、海气相互作用、水汽输送异常都可以引起干旱。当某地处于高压控制时,常出现干旱[8]。ENSO通过海洋表面温度异常影响大气环流异常,进而导致干旱或洪涝[9,10,11]。研究表明,拉尼娜事件对西太平洋副热带高压造成影响,进而影响中国地区的水汽输送[12,13],同时还造成太平洋年代际振荡,使北太平洋上空出现持久高压,引起副热带急流北移,造成美国西南部和大平原冬季降水不足[14,15]。2012年,美国地区的水汽输送出现异常,墨西哥湾的潮湿气流在春末没有发生北移,使得美国地区的水汽输送严重不足,导致降水稀少[16,17]。另外,气温升高也加剧了干旱。2012年是全球有观测记录以来的第9个最暖年[18],美国出现了创记录的高温,其通过干燥土壤和大气之间的反馈作用造成干旱范围的迅速扩大[19]。

中美两国分别位于太平洋的西海岸和东海岸,所在的纬度范围相近,但是2012年两国的干旱程度却大不相同,其原因为何?有研究认为,此次干旱是由自然多变性导致的,不需要长期稳定的大气背景强迫[20],且干旱发生前北美地区没有大规模的前兆[6]。事实上,2010—2012年连续出现2次拉尼娜事件,第二次拉尼娜事件在2012年春季结束。拉尼娜事件作为气候异常的背景因素[7,8],通过海气相互作用,对大气环流产生持续影响,进而导致气候异常。因此,不能认为此次中美干旱事件没有前兆。为此,本文利用标准化降水指数,分析2012年中美两国干旱的时空演变特征,并就两国干旱成因做进一步的分析。

1 资料和方法

1.1 资料

所用资料包括:(1)美国全球降水气候中心(Global Precipitation Climate Center,GPCC)提供的1961年1月至2012年12月全球逐月降水格点数据,水平分辨率为0.5°×0.5°;(2)国家气候中心提供的1961—2012年中国年平均气温数据和美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)提供的1961—2012年美国年平均气温数据;(3)美国NOAA发布的1981—2012年全球第四套海温逐月格点数据集,水平分辨率为2°×2°;(4)美国国家环境预报中心和国家大气研究中心(National Center for Environmental Prediction/Atmospheric Research,NCEP/NCAR)提供的1981年1月到2012年12月逐月环流场再分析数据,包括经向风、纬向风、垂直速度、位势高度和海平面气压,水平分辨率为2.5°×2.5°;(5)国家气候中心提供的1981年1月到2012年12月西太平洋副热带高压各项指数、北美—北大西洋副热带高压各项指数以及Niňo3.4区海表温度距平指数。

1.2 干旱指数

选择标准化降水指数(standardized precipitation index,SPI)作为干旱指数,对中美干旱进行描述,SPI的干旱等级划分标准如表1所示。干旱面积比定义为发生干旱的格点数与总格点数的比值;不同等级干旱面积比则定义为各等级干旱的格点数与总格点数的比值。区域平均SPI定义为干旱格点SPI的平均值,不同等级SPI为对应干旱等级的格点SPI的平均值。

表1   标准化降水指数的干旱等级划分标准

Tab.1  The classification standard of drought grades based on standardized precipitation index

等级类型SPI
0无旱SPI>-0.5
1轻旱-1.0<SPI ≤-0.5
2中旱-1.5<SPI ≤-1.0
3重旱-2.0<SPI ≤-1.5
4特旱SPI ≤-2.0

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在计算距平时,取1981—2010年为气候平均值。中美两国对比时,中国区域范围取70°E—135°E、15°N—55°N,美国区域范围取70°W—125°W、25°N—50°N。

2 2012年中美两国干旱特征对比

2.1 干旱时空分布特征

图1是中美两国2012年SPI的经度-时间和纬度-时间剖面。可以看出,2012年中美两国均出现不同程度的干旱。从东西方向[图1(a)]来看,整个中国境内干旱零散分布,多以轻旱为主,个别地区达到中旱,东部和西部旱情略重,中部几乎无旱;从南北方向[图1(b)]来看,在年初的几个月内中国北方干旱为重旱,北方干旱普遍重于南方,而在4月以后干旱均零星分布,基本以轻旱为主。可见,2012年中国干旱区域不断变化,干旱分布比较零散。

图1

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图1   2012年中国(a、b)和美国(c、d)SPI的经度-时间(a、c)及纬度-时间(b、d)剖面

Fig.1   The longtitude-time (a, c) and latitude-time (b, d) sections of SPI in China (a, b) and the United States (c, d) in 2012


对于美国干旱,从东西方向[图1(c)]上看,1—4月干旱主要分布在西部和东部,东、西部均有达到重旱的区域;5月以后,干旱在中部爆发,并迅速向东西两侧蔓延,大片地区达到重旱到特旱程度,且中部干旱一直持续到年底,强度基本保持在中旱,而西部干旱在夏季到初秋期间消失,但在10月再次爆发,并很快达到特旱。从南北方向[图1(d)]上看,1—2月美国干旱并不严重,干旱分布比较零散;从3月开始,中部爆发了严重干旱,个别地区达到特旱;从7月开始,重旱向北部扩展,至9月干旱有所缓解,但10—12月干旱再度发展,南北旱区连成一片,且南方干旱达到重旱到特旱。可见,2012年美国干旱从3月开始,一直持续至年底,且在空间上更是成片发展、连续分布。

2.2 干旱面积及强度时间变化

图2是2012年各月中美两国干旱面积百分比。可以看出,只有2月中国的干旱面积占比略大于美国,其余月份均为美国干旱面积占比大,中国各月的干旱面积百分比基本在50%以下,而美国多个月份干旱面积百分比在50%以上,特别是6月和11月的干旱面积百分比达70%以上[图2(a)]。比较不同等级干旱面积百分比[图2(b)]发现,除个别月份外,不同等级的干旱面积百分比均为美国高于中国。

图2

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图2   2012年中美两国干旱面积占比逐月变化

(a)干旱总面积百分比,(b)不同等级干旱面积百分比

Fig.2   The monthly changes of percentage of drought area in China and the United States in 2012

(a) percentage of total drought area, (b) percentage of drought area with different grades


从干旱区域平均强度[图3(a)]来看,1月中美两国干旱程度接近,2月干旱程度中国略强于美国,其余各月美国干旱强度更大,其中3—9月美国SPI一直小于-1.5,普遍达到重旱级别。从不同等级干旱强度[图3(b)]看,除2月外,其余各月不同等级干旱的区域平均SPI美国均小于中国,表现为干旱更加严重;在旱情发展速度上,美国干旱也快于中国。2012年美国从无旱状态快速发展到极端干旱,旱情从美国中部快速蔓延到全国范围,是典型的骤旱事件[21],也是1895年以来干旱面积位列第四位的干旱事件,更是1956年以来最严重的干旱[22]。

图3

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图3   2012年各月中美两国干旱强度对比

(a)区域平均SPI,(b)不同等级平均SPI

Fig.3   Comparison of drought intensity between China and the United States in each month of 2012

(a) regional average SPI, (b) average SPI with different grades


3 2012年中美两国干旱成因

3.1 气温异常

在全球变暖背景下,高温天气会在干燥土壤和大气之间发生反馈,当土壤干燥时,蒸发几乎不发生,这会加速变暖,使干旱更加严重。图4是中美两国平均气温的年际变化和2012年中美两国较大区域平均气温距平。可以看出,中国2012年年平均气温略低于多年平均值[图4(a)],除西南地区气温显著偏高外,其余大部分地区年平均气温接近常年或略微偏低,其中东北和华北地区年平均气温显著低于多年平均值[图4(b)];美国2012年年平均气温是1961年以来的最高值,且大部分地区气温异常偏高[图4(c)]。经统计,2012年美国康涅狄格州、密苏里州等18个州出现了创历史纪录的高温。异常高温天气导致水分流失加剧,干旱范围扩大,干旱程度加重,还造成了至少74人死亡[1]。

图4

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图4   1961—2012年中美两国平均气温年际变化(a)及2012年中国(b)和美国(c)较大区域的年平均气温距平

Fig.4   The inter-annual change of average temperature in China and the United States during 1961-2012 (a) and annual average temperature anomaly in several large regions of China (b) and the United States (c) in 2012


高温加剧干旱的原因,可以从下垫面能量平衡来分析,其方程[23]表示如下:

Q+Fa=RL+HS+HL+G

式中:Q(W·m-2)为到达地面的太阳总辐射;Fa(W·m-2)为大气逆辐射;RL、HS、HL(W·m-2)分别为下垫面发出的长波辐射、感热及潜热;G(W·m-2)为地层之间的热量交换,为分析方便,可忽略G的变化。在干旱背景下,当气温显著升高时,太阳向地表输送的辐射异常强,这些辐射将直接加热近地面大气,使得近地面的空气相对湿度变得更小,导致下垫面蒸散发大幅减少,潜热释放大幅降低。若要达到下垫面能量平衡,必须由下垫面的感热增加以及向上的长波辐射来补偿。另外,大气温度升高,会抑制云的生成,从而引起降水减少,使干旱程度加剧。因此,异常显著的高温天气在2012年美国干旱过程中起到重要作用。

3.2 拉尼娜事件

拉尼娜事件是全球许多地区干旱发生的背景因素[7,8]。在2010—2012年发生了2次拉尼娜事件,第一次拉尼娜事件开始于2010年7月,到2011年4月结束,其峰值强度绝对值达1.5,是一次中等强度的拉尼娜事件;第二次拉尼娜事件从2011年9月持续到2012年2月,其峰值强度绝对值为1,是一次强度较弱的拉尼娜事件[图5(a)]。另外发现,这2次拉尼娜事件的中断期,Niño3.4指数始终在零以下波动,暖水只出现在赤道东太平洋较小范围内,而赤道中太平洋仍为冷水覆盖[图5(b)],表明2次拉尼娜事件并非严格意义上中断。

图5

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图5   2010—2012年Niño3.4指数月际变化(a)和赤道太平洋(5°S—5°N)平均海温距平的经度-时间剖面(b, 单位: ℃)

Fig.5   The monthly change of Niño3.4 index (a) and longitude-time section of average SST anomaly in the equatorial Pacific (5°S-5°N) (b, Unit: ℃) from 2010 to 2012


有研究认为,2012年美国干旱是由自然多变性导致的,不需要长期稳定的大气背景强迫[20],且前期北美地区并没有大规模的前兆[5]。事实上,正是由于拉尼娜事件的出现,赤道中东太平洋长时间处于冷水控制下,使得大气产生持续的下沉运动,导致热带、副热带地区大气环流系统发生变化(这一点将在下一节进行分析)。因此,拉尼娜事件,特别是连续出现的拉尼娜事件,是2012年中美干旱的背景因素。

3.3 大气环流异常

3.3.1 垂直环流

拉尼娜事件发生时,赤道中东太平洋海温异常偏冷,导致Walker环流下沉支显著增强,同时赤道西太平洋异常增暖,导致Walker环流上升支显著增强,对流活动强于正常时期[24]。当Walker环流异常时,必将引起大气的垂直环流出现异常。因此,下面将从大气的垂直运动进行分析。

美国和中国分别位于太平洋的东、西海岸,受拉尼娜事件的影响不同。为详细了解拉尼娜事件期间中美地区大气垂直运动状况,分别做中国(70°E—135°E)和美国(70°W—125°W)区域平均垂直运动的纬度-高度剖面(图6和图7)。从图6(a)看出,在2011/2012年冬季,北半球垂直上升气流从赤道延伸到12°N附近,下沉气流出现在10°N—55°N之间,最强烈的下沉运动出现在15°N—30°N和35°N—45°N之间,且从对流层顶一直延展到近地面层,北支下沉运动区的下沉速度明显大于南支下沉运动区,这2个下沉运动强烈区与干旱区[图1(b)]相对应,其中北支强的下沉运动区对应的干旱更严重。拉尼娜事件期间,赤道西太平洋暖池增强,使得这一地区的上升运动异常强烈,哈德莱环流也明显增强[25,26]。在2011年秋冬季到2012年春季期间,正是拉尼娜持续时期,赤道至30°N之间的垂直环流距平均为正值,表明哈德莱环流增强,从而引起副热带高压(简称“副高”)发生变化,进而必将导致其控制区的气候异常。通常,在中纬度地区出现下沉运动,表明有高压系统存在。在2011/2012冬季图上,北支下沉运动强烈,表明冬季受到较强的西伯利亚高压控制。

图6

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图6   2011—2012年中国地区季节平均经向风(单位:m·s-1)和垂直速度(单位: 10-2 Pa·s-1)的合成(箭矢)及垂直速度距平(阴影,单位: 10-2 Pa·s-1)的纬度-高度剖面

(a)2011/2012年冬季,(b)2012年春季,(c)2012年夏季,(d)2012年秋季

Fig.6   The meridional vertical sections of composition (vectors) of average meridional wind (Unit: m·s-1) and vertical velocity (Unit: 10-2 Pa·s-1) and vertical velocity anomaly (shadows, Unit: 10-2 Pa·s-1) over China in each season from 2011 to 2012

(a) winter of 2011 to 2012, (b) spring of 2012, (c) summer of 2012, (d) autumn of 2012


图7

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图7   2011—2012年美国地区季节平均经向风(单位:m·s-1)和垂直速度(单位: 10-2 Pa·s-1)的合成(箭矢)及垂直速度距平(阴影,单位: 10-2 Pa·s-1)的纬度-高度剖面

(a)2011/2012年冬季,(b)2012年春季,(c)2012年夏季,(d)2012年秋季

Fig.7   The meridional vertical sections of composition (vectors) of average meridional wind (Unit: m·s-1) and vertical velocity (Unit: 10-2 Pa·s-1) and vertical velocity anomaly (shadows, Unit: 10-2 Pa·s-1) over the United States in each season from 2011 to 2012

(a) winter of 2011 to 2012, (b) spring of 2012, (c) summer of 2012, (d) autumn of 2012


在2012年春季[图6(b)],拉尼娜事件开始减弱,在赤道及副热带地区的上升运动减弱,下沉运动出现在10°N—20°N之间的对流层顶附近和35°N—50°N之间的对流层中下层,对应中国地区干旱减弱状况。在2012年夏季[图6(c)],拉尼娜现象完全消失,中国上空垂直环流的上升运动范围扩大,仅在45°N—50°N范围内出现弱的下沉运动,对应中国地区干旱进一步缓解,夏季旱情较轻。在2012年秋季[图6(d)],下沉运动重新出现在35°N以北地区,中国部分地区出现较弱的秋旱。

就美国而言,在2011/2012年冬季[图7(a)],上升气流从赤道延伸到18°N附近,下沉气流位于20°N—50°N范围,最强烈的下沉运动出现在20°N—30°N之间,且从对流层顶延伸到近地面层,与美国干旱区域相对应。在2012年春季[图7(b)],拉尼娜事件开始减弱,赤道至10°N之间对流运动加强,15°N—35°N范围为下沉运动区,其中在15°N—30°N之间对流层中下层的下沉运动明显偏强,不利于墨西哥湾潮湿空气向北移动。格里格等[19]研究表明,墨西哥湾的潮湿空气在2012年春末并未像往常一样北移,这是2012年美国中部大平原水汽输送不足、降水稀少的一个原因。在2012年夏季[图7(c)],拉尼娜现象完全消失,在30°N—40°N范围内对流层下层出现弱的上升运动,而美国其他范围仍以下沉运动为主。在2012年秋季[图7(d)],在20°N以北地区下沉运动再次出现,最强烈的下沉运动出现在20°N—35°N范围内,导致美国南部地区的干旱再次加重。

3.3.2 水平环流

拉尼娜事件对大气环流的影响,不仅影响到垂直环流,也显著引起了水平环流系统的变化。图8是2011—2012年各季节850 hPa高度场及其距平分布,其中1520 gpm线表示副高位置。可以看出,2011/2012年冬季,850 hPa高度场上中纬度地区呈现“两高一低”的分布型,低压位于北太平洋,2个高压分别位于欧洲和北美上空,副高明显偏强,其中心位于北太平洋并靠近北美西部,这种分布型在随后的几个季节内基本保持不变。从2011/2012年冬季到2012年秋季,北美上空始终为高压脊控制,与垂直环流的下沉运动相一致;中国上空也为高压脊控制,但在2012年春季和夏季中国上空的环流较弱,干旱不严重。

图8

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图8   2011—2012年850 hPa位势高度场(等值线)及其距平(阴影)分布(单位:gpm)

(1520 gpm橙色虚线为副高的多年平均位置)

(a)2011/2012年冬季,(b)2012年春季,(c)2012年夏季,(d)2012年秋季

Fig.8   The distribution of 850 hPa geopotential height field (contours) and its anomaly (shadows) from 2011 to 2012 (Unit: gpm)

(the orange dotted lines with 1520 gpm for the average location of the subtropical high)

(a) winter of 2011 to 2012, (b) spring of 2012, (c) summer of 2012, (d) autumn of 2012


图9是2012年西太平洋副热带高压(简称“西太副高”)指数和北美—北大西洋副热带高压(简称“北美—北大西洋副高”)指数距平的逐月变化。可以看到,北美—北大西洋副高面积和强度指数在2012年6—8月都为正距平,且北界位置与常年接近,说明2012年整个夏季北美—北大西洋副高对美国的控制面积明显大于常年,增强的副高造成更强烈的下沉运动,致使美国气温高于常年,大气更加干燥,必然导致强烈的干旱发生。反观西太副高,其面积和强度指数只在个别月份比常年偏大和偏强,在整个春、夏季节西太副高均比常年偏小和偏弱;夏季和秋季,西太副高北界指数、西伸脊点指数均为正距平,表明西太副高位置偏北、偏东。可见,2011—2012年各季节西太副高更多时候位于太平洋上空,而非控制中国大陆。通常,西太副高夏季开始西进,影响中国大陆地区,但2012年整个夏季西太副高的面积和强度均小于或略大于常年,对中国影响较小。因此,2012年夏季中国干旱并不严重。

图9

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图9   2012年西太平洋副热带高压和北美—北大西洋副热带高压指数距平逐月变化

(a)面积指数,(b)强度指数,(c)北界位置指数,(d)西伸脊点指数

Fig.9   The monthly changes of anomalies of the western Pacific subtropical high index and North American-North Atlantic subtropical high index in 2012

(a) area index, (b) intensity index, (c) northern boundary position index, (d) western extension ridge point index


4 结论

(1)2012年,中国旱情较轻,且时间不连续、空间零散分布;美国旱情严重,干旱从3月开始自中部地区向外蔓延,夏季和秋季干旱几乎遍及全国,且在时空上表现为连续变化特征。无论干旱强度,还是干旱面积,美国干旱均远强于中国。

(2)2012年,中国年平均气温接近于常年,只有西南地区气温较常年偏高,而美国年平均气温显著高于常年,各大区域年平均气温偏高0.4~1.9 ℃,其中18个州出现了创纪录的高温,高温使得美国干旱进一步加剧。

(3)2010—2012年连续出现2次拉尼娜事件,其间只间隔了短短4个月,造成北美地区2012年持续受高压脊控制,大气盛行下沉运动,加之夏季北美—北大西洋副高显著增强,难于产生降水,不仅造成美国多季干旱,还导致美国夏季出现更强烈的干旱。在最强的第二个拉尼娜事件秋冬季,亚洲大陆持续受高压控制,下沉运动强烈,中国出现冬季干旱;在2012年春季拉尼娜减弱期,中国北方以下沉运动为主,干旱较重;在2012年夏季,西太副高偏南、偏东,其对中国大陆的控制范围较小,中国地区为弱的下沉运动,干旱并不严重;2012年秋季,中国受高压脊控制,盛行下沉气流,干旱相对偏强。

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