黑龍江省雨季開(kāi)始異常氣候特征及信號(hào)分析

李永生，趙佳瑩，班 晉

（黑龍江省氣候中心，黑龍江 哈爾濱150030）

1 引言

黑龍江省位于東北地區(qū)的北部，屬于溫帶濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，該氣候決定了黑龍江只適合種植一年一熟的農(nóng)作物，夏季是黑龍江農(nóng)作物的主要生長(zhǎng)季，夏季降水對(duì)黑龍江農(nóng)作物具有重要影響。受東亞夏季風(fēng)影響，每年7-8月季風(fēng)雨帶北移到華北、東北地區(qū)，形成了華北、東北雨季[1]。王學(xué)忠等人[2]利用旬降水量對(duì)東北的主要降水時(shí)段進(jìn)行了雨季劃分，東北雨季于7月中上旬開(kāi)始，8月中上旬結(jié)束，夏季降水集中期主要集中在7月中旬-8月上旬。沈柏竹等[3]分析得到影響東北地區(qū)初夏降水的系統(tǒng)主要是東北冷渦，影響東北地區(qū)盛夏降水的系統(tǒng)主要是東亞夏季風(fēng)。王遵婭等[4]在劃分中國(guó)雨季的研究中也提出了華北、東北雨季的平均日期是在39-45候，并且是單峰型降水。由于中國(guó)國(guó)土面積較大，且氣候復(fù)雜多變，所以各地區(qū)的雨季也有著不同的日期。近些年，關(guān)于雨季的研究也從定性化逐步轉(zhuǎn)向了定量化，用到的降水量也從月、旬轉(zhuǎn)到了候、日。目前，我國(guó)對(duì)于東北雨季的研究還相對(duì)有限，很少有一個(gè)統(tǒng)一、定量、客觀的雨季指標(biāo)對(duì)東北雨季進(jìn)行系統(tǒng)研究，中國(guó)氣象局預(yù)報(bào)與網(wǎng)絡(luò)司根據(jù)國(guó)家級(jí)和省級(jí)天氣氣候業(yè)務(wù)及服務(wù)需求，制定了《東北雨季監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)規(guī)定》，采取地理行政分區(qū)與氣候分區(qū)相結(jié)合的方式對(duì)東北雨季監(jiān)測(cè)區(qū)進(jìn)行了劃分，對(duì)東北雨季監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)研究具有十分重要意義。

東北雨季是東亞夏季風(fēng)北上過(guò)程中的最末階段，之后東亞夏季風(fēng)南撤。而黑龍江省位于東北的最北端，是東亞夏季風(fēng)的北邊緣地帶，除了受東亞夏季風(fēng)影響，還受中高緯的環(huán)流系統(tǒng)影響，這就使得其氣候復(fù)雜。目前，已有很多學(xué)者對(duì)東北地區(qū)夏季降水異常的成因及其大氣環(huán)流背景以及外強(qiáng)迫因子進(jìn)行了分析，例如鄒立堯等[5]指出黑龍江省旱澇趨勢(shì)比較復(fù)雜，具有地域特點(diǎn)，并用數(shù)值模式對(duì)旱澇的形成機(jī)理進(jìn)行了模擬；何金海等[6]指出前期2月北半球環(huán)狀模（NAM）偏弱，為東北冷渦偏弱年，造成降水偏少。由上可見(jiàn)，雖然針對(duì)東北夏季降水已有了不少研究，目前關(guān)于東北雨季的氣候特征研究相對(duì)較少，對(duì)黑龍江省雨季的研究更是少之又少，以往對(duì)黑龍江省降水的研究主要集中在夏季，研究焦點(diǎn)聚集在黑龍江省夏季降水的年際、年代際變化以其對(duì)應(yīng)的環(huán)流系統(tǒng)，還有海溫等外強(qiáng)迫信號(hào)對(duì)黑龍江省夏季降水的影響[7-8]。由于黑龍江省夏季降水主要集中在雨季，而黑龍江省雨季開(kāi)始早晚年際差異較大，黑龍江省雨季開(kāi)始的早晚一方面是防汛的關(guān)鍵期，另一方面對(duì)農(nóng)業(yè)影響至關(guān)重要[9]。因此分析黑龍江省雨季的早晚及其影響因子，可為雨季開(kāi)始日期的預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)防災(zāi)、減災(zāi)具有重要意義。

2 資料與方法

黑龍江省雨季是按照中國(guó)氣象局預(yù)報(bào)與網(wǎng)絡(luò)司2016年發(fā)布的《東北雨季監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)規(guī)定（試行）》中的監(jiān)測(cè)指標(biāo)確定的，監(jiān)測(cè)區(qū)域包括黑龍江省62個(gè)氣象站，黑龍江省雨季監(jiān)測(cè)所需基本氣象資料：監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)62個(gè)氣象站的逐日（前日20時(shí)至當(dāng)日20時(shí)）降水量資料。單站雨季開(kāi)始日定義為：自6月1日起，當(dāng)單站某日5天滑動(dòng)累計(jì)降水量大于等于該站6-9月（氣候態(tài)1981-2010年）平均日降水量的8倍，且這5日中至少有一天日降水量≥10 mm，則首個(gè)≥10 mm的日期即為該站雨季開(kāi)始日。氣候態(tài)為1981-2010年的平均，“5天滑動(dòng)累計(jì)降水量”指當(dāng)日與前四日的累計(jì)降水量。黑龍江省雨季開(kāi)始日：雨季已經(jīng)開(kāi)始的累計(jì)站點(diǎn)比例達(dá)到或超過(guò)該區(qū)域總站點(diǎn)的55%時(shí)，則將該日定為黑龍江省的雨季開(kāi)始日；在雨季監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，降水稀少、降水時(shí)段不集中，以致無(wú)法確定雨季的起止日期，稱之為空汛?？昭茨晔侵附邓恐挡荒苓_(dá)到該區(qū)域監(jiān)測(cè)指標(biāo)的要求。關(guān)于黑龍江省雨季結(jié)束日期、雨強(qiáng)、雨量等其他業(yè)務(wù)規(guī)范請(qǐng)參考中國(guó)氣象局預(yù)報(bào)與網(wǎng)絡(luò)司2016年發(fā)布的《東北雨季監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)規(guī)定（試行）》。

所用其它資料包括：美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心/大氣研究中心（NCEP/NCAR）發(fā)布的逐日和逐月的再分析資料，包括高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)等，水平空間分辨率為2.5°×2.5°，垂直方向從1000-10 hPa共17層等壓面；美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）的月平均海表溫度重建資料，水平空間分辨率為2°×2°，中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心（NCC）提供的大氣環(huán)流指數(shù)，時(shí)段均為1961年1月至2018年12月。

3 結(jié)果分析

3.1 黑龍江省雨季開(kāi)始早晚氣候特征

圖1給出了1961-2018年黑龍江省雨季開(kāi)始日期的距平變化及線性趨勢(shì)變化，可以看出，黑龍江省雨季開(kāi)始日期存在明顯的年代際變化和年際變化，1961-2018年黑龍江省雨季開(kāi)始日期主要集中在6、7月，其中6月開(kāi)始的有26 a，7月開(kāi)始的有28 a，8月開(kāi)始的有3 a，1976年是空汛，雨季開(kāi)始最早日期為6月1日，最晚為8月28日，最早和最晚相差88 d。1961-2018年黑龍江省雨季開(kāi)始平均日期是7月3日，標(biāo)準(zhǔn)差為19 d。從其變化趨勢(shì)上看，趨勢(shì)系數(shù)為-1.8 d/10 a，黑龍江省雨季開(kāi)始日期整體呈偏早趨勢(shì)，通過(guò)了0.05的顯著性檢驗(yàn)，雨季開(kāi)始日期偏早趨勢(shì)顯著。

圖1 1961-2018年黑龍江省雨季開(kāi)始日期距平序列圖，直線表示線性趨勢(shì)

此外，采用Mann-kendall法對(duì)黑龍江省1961-2018年雨季開(kāi)始日期序列進(jìn)行突變性檢驗(yàn)，并結(jié)合滑動(dòng)t檢驗(yàn)來(lái)分析突變情況，結(jié)果表明（圖略），MK統(tǒng)計(jì)量UF曲線一度超過(guò)了α=0.05顯著性水平線，正序列線（UF）在1964-1974年雨季開(kāi)始日期序列以上升趨勢(shì)為主，之后變?yōu)橄陆第厔?shì)，1981年以后總體表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，并在1981年前后UF和UB曲線在兩信度線之間多次相交，表明在這段時(shí)期雨季開(kāi)始日期發(fā)生了突變，再根據(jù)滑動(dòng)T檢驗(yàn)（圖2），表明在1981年發(fā)生了突變。從變化來(lái)看，在20世紀(jì)80年代和90年代雨季日期以偏早為主，進(jìn)入21世紀(jì)以后雨季日期以偏晚為主，這和圖1的分析結(jié)果是一致的。

圖2 黑龍江省雨季開(kāi)始日期的滑動(dòng)t統(tǒng)計(jì)量曲線

3.2 影響黑龍江省雨季開(kāi)始早晚的環(huán)流系統(tǒng)

分析影響黑龍江省雨季開(kāi)始早晚的環(huán)流系統(tǒng)，采用約1.1倍的標(biāo)準(zhǔn)差，即雨季開(kāi)始偏早22 d和偏晚22 d以上的標(biāo)準(zhǔn)劃分黑龍江省雨季開(kāi)始異常的年份，得到雨季偏晚年有7 a（1968年、1978年、1982年、2001年、2005年、2007年、2015年），雨季偏早年有10 a（1974年、1977年、1990年、1992年、1997年、1998年、2002年、2009年、2012年、2016年）。將這17個(gè)異常年進(jìn)行合成分析，得到影響黑龍江省雨季異常的環(huán)流系統(tǒng)。

首先分析500 hPa高度場(chǎng)相關(guān)分布，圖3是黑龍江省雨季開(kāi)始時(shí)間與6月高度場(chǎng)相關(guān)分布，其中在中國(guó)東北地區(qū)上空是正相關(guān)，鄂霍次克海地區(qū)上空及其鄰近地區(qū)是負(fù)相關(guān)，北太平洋中部地區(qū)是正相關(guān)，均通過(guò)了0.05以上的顯著性檢驗(yàn)，在副熱帶地區(qū)沒(méi)有明顯的相關(guān)關(guān)系，表明黑龍江省雨季開(kāi)始早晚與東北冷渦和鄂霍次克海阻塞高壓有一定的關(guān)系，當(dāng)東北冷渦偏強(qiáng)，鄂霍次克海阻塞高壓偏強(qiáng)的時(shí)候，黑龍江省雨季開(kāi)始日期偏早，反之，黑龍江省雨季開(kāi)始日期偏晚。對(duì)比了500 hPa高度場(chǎng)（125°E-135°E平均）黑龍江省雨季開(kāi)始偏早年和偏晚年的時(shí)間－緯度剖面圖（圖略），在雨季開(kāi)始偏早年的6月份，大多數(shù)時(shí)間黑龍江省上空500 hPa地區(qū)是負(fù)距平控制，說(shuō)明東北冷渦活躍；而在雨季開(kāi)始偏晚年，東北冷渦不活躍。對(duì)比了黑龍江省雨季開(kāi)始偏早、晚異常年850 hPa經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)的時(shí)間—緯度剖面圖（圖略），雨季偏早年，6月黑龍江省（42°N-54°N）多為南風(fēng)距平，說(shuō)明南風(fēng)偏強(qiáng)，有利于水汽向黑龍江地區(qū)輸送，有利于黑龍江省雨季開(kāi)始偏早。偏晚年則正好相反，6月大多時(shí)間呈北風(fēng)距平，表明北風(fēng)偏強(qiáng)，不利于南方水汽向黑龍江地區(qū)輸送，導(dǎo)致黑龍江省雨季開(kāi)始日期偏晚。

圖3 1961-2018年黑龍江省雨季開(kāi)始時(shí)間與6月500 hPa高度場(chǎng)和850 hPa風(fēng)場(chǎng)相關(guān)分

由此可以看出，影響黑龍江省雨季開(kāi)始時(shí)間早晚的環(huán)流系統(tǒng)只有中高緯環(huán)流，副熱帶地區(qū)的環(huán)流并沒(méi)有起到關(guān)鍵的作用，并且在東北冷渦的演變過(guò)程中，西太平洋副熱帶高壓并未明顯北抬，說(shuō)明初夏副熱帶環(huán)流系統(tǒng)對(duì)東北冷渦形成發(fā)展的直接影響很小。這與傳統(tǒng)的季風(fēng)雨季的日期和影響系統(tǒng)有較大區(qū)別，傳統(tǒng)雨季開(kāi)始早晚是東亞大氣環(huán)流系統(tǒng)從南向北推進(jìn)快慢的結(jié)果，中國(guó)東部主要是季風(fēng)雨季，自南向北推進(jìn)，華北、東北雨季開(kāi)始于39-45候。雨季開(kāi)始日期不同的主要原因在于雨季的劃分方法的不同。

由上述可知：東北冷渦對(duì)黑龍江省雨季開(kāi)始早晚影響顯著，如果能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出東北冷渦的發(fā)生時(shí)間，相對(duì)應(yīng)的也就能預(yù)測(cè)出雨季開(kāi)始的日期。東北冷渦是北半球中高緯度西風(fēng)帶環(huán)流形勢(shì)在東北地區(qū)特定條件下的產(chǎn)物，是東亞地區(qū)大氣環(huán)流的重要組成部分。基于對(duì)東北冷渦天氣學(xué)特征和氣候背景的研究結(jié)果，對(duì)東北冷渦的定義方式和識(shí)別方法也有多種[10]。通過(guò)前人的分析得出，850 hPa風(fēng)場(chǎng)能夠描述初夏東北冷渦演變過(guò)程的氣候特征，清楚地反映了東北冷渦形成、發(fā)展、減弱和消亡的氣候特征，整個(gè)過(guò)程歷時(shí)約1周。黑龍江省位于東北的最北端，只有東北冷渦中的北渦或部分中渦影響到黑龍江省，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)北部冷渦偏多時(shí)，黑龍江省雨季開(kāi)始日期容易偏早，而當(dāng)北部冷渦偏少時(shí)，雨季開(kāi)始日期容易偏晚。丁婷等[11]研究也指出，6月份東北地區(qū)氣候異常主要受東北冷渦和鄂霍茨克海阻塞高壓的影響，當(dāng)6月東北冷渦活動(dòng)偏多，鄂霍次克海阻塞高壓建立時(shí)，東北地區(qū)降水容易偏多。本研究發(fā)現(xiàn)：黑龍江省6月降水與黑龍江省雨季開(kāi)始日期呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)指數(shù)達(dá)到了-0.58，通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)，當(dāng)雨季日期開(kāi)始偏早時(shí)，黑龍江省6月降水易偏多。

3.3 影響黑龍江省雨季開(kāi)始早晚的海溫外強(qiáng)迫信號(hào)

由于目前的氣候預(yù)測(cè)模式對(duì)歐亞中高緯度地區(qū)的環(huán)流預(yù)測(cè)和降水預(yù)測(cè)技巧較低，因此中高緯地區(qū)夏季降水的預(yù)測(cè)還需要考慮前期SST等外強(qiáng)迫的影響。以往研究表明,太平洋、印度洋和大西洋等不同區(qū)域SST異常對(duì)東北地區(qū)夏季降水異常均有較好的預(yù)示作用。

分析1961-2018年黑龍江省雨季開(kāi)始日期與上一年冬季、當(dāng)年春季以及6-7月的海表溫度的相關(guān)分布，發(fā)現(xiàn)在3月和4月的海表溫度相關(guān)場(chǎng)上，赤道中東太平洋是負(fù)相關(guān)區(qū)，而赤道西太平洋地區(qū)是正的相關(guān)區(qū)（見(jiàn)圖4）。表明當(dāng)春季是El Nino狀態(tài)時(shí)，有利于黑龍江省雨季開(kāi)始日期偏早；當(dāng)春季是La Nina狀態(tài)時(shí)，有利于黑龍江省雨季開(kāi)始日期偏晚。

圖4 1961-2018年黑龍江省雨季開(kāi)始日期與春季（3-4月）海表溫度的相關(guān)分布（a）3月，（b）4月

但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，這種相關(guān)并不是很明顯，只是冷暖狀態(tài)影響黑龍江省雨季開(kāi)始早晚，而且隨著對(duì)El Nino的深入研究，不同類型El Nino事件不同階段對(duì)大氣的影響不同，對(duì)中國(guó)降水的影響也存在較大差異，且厄爾尼諾產(chǎn)生的影響也不同。表1將1961-2018年的El Nino事件列舉出，分析El Nino當(dāng)年和次年的黑龍江省雨季開(kāi)始日期的早晚。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在發(fā)生的17個(gè)El Nino事件開(kāi)始年中，有10 a雨季開(kāi)始日期偏早，特別是從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，雨季開(kāi)始日期偏早的概率較大，17個(gè)El Nino事件結(jié)束年中，有10 a雨季開(kāi)始偏晚，但規(guī)律不明顯。又統(tǒng)計(jì)了1961年以來(lái)發(fā)生的13次La Nina事件（表略），發(fā)現(xiàn)在La Nina開(kāi)始年，有10 a黑龍江省雨季開(kāi)始日期偏早，La Nina結(jié)束年，有7 a黑龍江省雨季開(kāi)始偏晚，1 a空汛，規(guī)律不明顯。

表1 1961-2018年El Nino事件當(dāng)年和次年對(duì)應(yīng)雨季開(kāi)始早晚

4 結(jié)論與討論

（1）黑龍江省雨季開(kāi)始時(shí)間具有顯著的年際和年代際變化特征，1961-2018年黑龍江省雨季開(kāi)始時(shí)間平均在7月3日，雨季開(kāi)始最早出現(xiàn)在6月1日，最晚出現(xiàn)在8月28日，雨季開(kāi)始集中在6、7月，雨季開(kāi)始日期在1981年左右發(fā)生一次突變，前期是以偏晚為主，后期是以偏早為主。

（2）黑龍江省雨季開(kāi)始早、晚與東北冷渦和鄂霍次克海阻塞高壓有一定的關(guān)系，與副熱帶地區(qū)沒(méi)有明顯的相關(guān)關(guān)系，當(dāng)東北冷渦偏強(qiáng)，鄂霍次克海阻塞高壓偏強(qiáng)的時(shí)候，黑龍江省雨季開(kāi)始日期偏早，反之，黑龍江省雨季開(kāi)始日期偏晚。

（3）黑龍江省雨季開(kāi)始早晚與ENSO有一定的關(guān)系，從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，El Nino事件和La nina事件當(dāng)年，黑龍江省雨季開(kāi)始日期偏早的概率較大。

（4）本研究通過(guò)診斷分析，研究了影響黑龍江省雨季的關(guān)鍵環(huán)流系統(tǒng)配置和ENSO事件對(duì)黑龍江省雨季開(kāi)始早晚的影響，后續(xù)還需要通過(guò)氣候模擬試驗(yàn)進(jìn)一步闡述ENSO是通過(guò)什么樣的過(guò)程影響黑龍江省雨季開(kāi)始早晚的物理機(jī)制。