嫩江流域夏季降水氣候特征及前兆信號(hào)分析

李永生,王　瑩（.黑龍江省氣候中心，黑龍江哈爾濱50030；.黑龍江省氣象服務(wù)中心，黑龍江哈爾濱50030）

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嫩江流域夏季降水氣候特征及前兆信號(hào)分析

李永生1,王瑩2
（1.黑龍江省氣候中心，黑龍江哈爾濱150030；2.黑龍江省氣象服務(wù)中心，黑龍江哈爾濱150030）

摘要：利用1961—2013年嫩江流域31個(gè)氣象觀測(cè)站的逐日降水資料和NCEP再分析資料，結(jié)合相關(guān)分析、合成分析等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，分析了嫩江流域夏季降水氣候特征及前兆信號(hào)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，嫩江流域夏季降水存在著準(zhǔn)25 a和5-7 a的周期變化；嫩江暴雨頻次對(duì)其夏季降水有著非常顯著的影響；前期的大氣環(huán)流和海溫的異常對(duì)嫩江流域夏季降水異常有重要作用，秋末冬初北半球500 hPa環(huán)流出現(xiàn)NAO正（負(fù)）位相，有利于翌年嫩江流域夏季降水偏多（少）；夏季發(fā)展（衰減）的東部型El Nino事件，有利于翌年嫩江流域夏季降水偏多（少）；春季烏拉爾山東部、黑海和里海附近積雪偏多（少）有利于嫩江流域夏季降水偏多（少）。

關(guān)鍵詞：嫩江流域;夏季降水;前兆信號(hào)

1　引言

嫩江流域位于中國東北地區(qū)西部，是全國七大水系之一松花江的北源，發(fā)源于大興安嶺支脈伊勒呼里山的南坡，由北向南，長1370 km,流域面積29.7 萬km2，流經(jīng)內(nèi)蒙古、吉林和黑龍江三省區(qū)，其支流有“東二西七”之稱,東側(cè)有訥漠爾河、烏裕河；西側(cè)有多布庫爾河、甘河、諾敏河、阿倫河、雅魯河、綽爾河、洮兒河。根據(jù)嫩江流域的地形、地貌和河谷特征，全流域分為上、中、下游3段[1]。已有研究表明，影響嫩江流域洪澇的主要?dú)庀笠蛩厥墙邓?，由于嫩江上游屬于山丘區(qū)，森林密布，河谷狹窄；中游和下游由丘陵逐漸過渡到平原，由上游河流漫散形成許多“無尾河流”，而且嫩江流域雨季主要集中在夏季，因此，嫩江流域夏季極易出現(xiàn)洪澇災(zāi)害[2-3]。1970-1990年的20年間，旱災(zāi)和澇災(zāi)的發(fā)生頻率分別達(dá)到了33.3%和47.6%[1]。嫩江流域作為東北糧食基地的主產(chǎn)區(qū)，該地區(qū)夏季災(zāi)害性天氣占的比重較大，而且大多與降水有著直接（或間接）的關(guān)系，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成一定的損失，同時(shí)也對(duì)人們的生產(chǎn)和生活造成不同程度的影響。

本文利用黑龍江省、吉林、內(nèi)蒙古31個(gè)氣象站點(diǎn)夏季逐日降水資料、NCEP/NCAR再分析大氣環(huán)流資料和海溫資料分析嫩江流域夏季降水氣候特征、尋找其前期大氣、海洋信號(hào)，以期進(jìn)一步分析嫩江流域夏季降水多寡的成因，提高夏季降水氣候預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率，對(duì)防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)具有一定的實(shí)際意義。

2　資料來源

本文氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心，嫩江流域31個(gè)氣象站（內(nèi)蒙古9個(gè)臺(tái)站、吉林7個(gè)臺(tái)站、黑龍江15個(gè)臺(tái)站）1961-2013年夏季（6-8月）逐日降水資料，經(jīng)過前期的EOF計(jì)算，本研究發(fā)現(xiàn)嫩江流域夏季降水具有全流域一致性的特點(diǎn)，第一空間模態(tài)全流域均為一致正值（圖略），其解釋總方差的比例超過60%，因此本文選取嫩江流域31站夏季平均降水量表征嫩江流域夏季降水。嫩江流域氣象站點(diǎn)分布見圖1，基本氣候態(tài)定義為1981-2010年30 a平均值。74項(xiàng)環(huán)流特征量來自國家氣候中心，其它資料來自美國海洋大氣局（NOAA）,文中除積雪資料的時(shí)間長度為1979-2013年，其余資料時(shí)間長度為1961-2013年。本文主要使用了相關(guān)分析法及合成分析法等方法[4]。

圖1　嫩江流域站點(diǎn)分布

3　嫩江流域夏季降水氣候特征

圖2是嫩江流域夏季降水時(shí)間變化序列，夏季降水總的趨勢(shì)略呈下降狀態(tài)，但是并沒有通過0.05的信度檢驗(yàn)。在1970年代該地區(qū)夏季降水普遍偏少，1981年以后夏季雨量明顯增加，超過常年同期平均值，在1995年以后降水呈減少趨勢(shì)，但1998年降水量達(dá)到歷史極值，之后到21世紀(jì)初降水一直偏少。2003年以后，主要以降水偏多和降水偏少交替出現(xiàn)為主。嫩江流域夏季降水變化的Morlet小波變換（圖略）表示了嫩江流域夏季降水變化的多時(shí)間尺度特征。半個(gè)多世紀(jì)嫩江流域夏季降水存在著準(zhǔn)25 a的周期變化，1980年以后存在著5-7 a的短周期變化。

圖2　嫩江流域1961-2013年夏季降水量時(shí)間序列

圖3　嫩江流域1961-2013年夏季暴雨頻次時(shí)間變化

嫩江流域1981-2010年夏季平均降水量空間分布（圖略），平均降水均值最小的地區(qū)位于嫩江的中游地區(qū)，在300 mm以下，最小值位于東岸的甘南，平均降水量低于270 mm，嫩江上游和下游的降水量都超過了300 mm，最大值地區(qū)位于嫩江的下游。從暴雨站次統(tǒng)計(jì)來看（圖3），1998年嫩江流域暴雨站次達(dá)到55次，居1961年以來第一位，是平均站次（19次）的3倍，黑龍江省甘南站發(fā)生6次暴雨，內(nèi)蒙古阿榮旗站發(fā)生5次暴雨，均是有氣象記錄以來的極值；2013年暴雨站次達(dá)到30次，也大大超過了平均站次。計(jì)算嫩江流域夏季降水量時(shí)間序列與暴雨頻次時(shí)間序列相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.79，超過了0.001的信度檢驗(yàn)?？梢姡┯暌彩谴偈鼓劢饔蛳募窘邓嗟脑蛑?。

4　嫩江流域夏季降水的前兆信號(hào)

嫩江流域夏季降水具有明顯的年際變化特征和年代際變化特征，每年夏季的降水量多寡，與之相對(duì)應(yīng)的大氣環(huán)流也會(huì)有差異。由于前期海溫、積雪等下墊面強(qiáng)迫因子和大氣環(huán)流發(fā)展變化會(huì)造成后期大氣環(huán)流的異常[6-8]，從而影響嫩江流域夏季降水的變化。因此，從前期海溫、積雪等下墊面強(qiáng)迫因子以及前期的大氣環(huán)流變化中提取對(duì)氣候預(yù)測(cè)有意義的前兆信號(hào)，可以為嫩江流域夏季降水預(yù)測(cè)提供參考依據(jù)。

4.1大氣環(huán)流前兆信號(hào)分析

通過嫩江流域夏季（6-8月）降水與前期（11-3月）大氣環(huán)流500 hPa的逐月相關(guān)，發(fā)現(xiàn)只有上年（11-12月）與嫩江流域夏季降水的相關(guān)較好，說明上年秋末冬初的500 hPa大氣環(huán)流形勢(shì)對(duì)嫩江流域夏季降水有一定的指示意義。由圖4可以看出，上年秋末冬初500 hPa高度場(chǎng)相關(guān)分布上，嫩江流域夏季降水與格陵蘭島北部上空呈明顯的負(fù)相關(guān)，而與北大西洋上空呈明顯的正相關(guān)，通過0.05的信度檢驗(yàn)，類似NAO的模態(tài)。當(dāng)NAO正異常時(shí)，有利于嫩江流域夏季降水偏多，反之亦然。與NAO相聯(lián)系的大氣環(huán)流系統(tǒng)異常信號(hào)位于我國上游地區(qū)，上游大氣異常信號(hào)以波列形式向下游傳播。Ogi et al[9]通過研究也指出，冬季NAO異常造成的海冰、雪蓋和海溫可以有較長的記憶，將其信號(hào)延續(xù)到夏季，從而對(duì)北半球夏季大氣環(huán)流起到調(diào)制作用，例如，冬季北極海冰密集度（Sea SIC Concentration）異常產(chǎn)生大氣低層熱通量異常，在復(fù)雜的熱、動(dòng)力機(jī)制作用下，可以造成500 hPa位勢(shì)高度呈現(xiàn)明顯的歐亞波列異常結(jié)構(gòu)和中高緯度阻塞高壓型異常，進(jìn)而影響東亞地區(qū)夏季氣候的異常。嫩江流域夏季降水與歐洲西海岸500 hPa呈明顯的正相關(guān)，與烏拉爾山以東地區(qū)呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)，通過0.05的信度檢驗(yàn)，對(duì)應(yīng)于歐亞大陸自西向東的“+，-”波列結(jié)構(gòu)，類似于反EU（歐亞遙相關(guān)型）的分布，歐洲地區(qū)有高壓出現(xiàn)，烏拉爾山脊減弱，歐亞地區(qū)盛行緯向環(huán)流，東亞冬季風(fēng)偏弱，進(jìn)而影響翌年東亞地區(qū)夏季降水。針對(duì)EU的分析結(jié)果表明，在歐亞大陸上空，大氣內(nèi)部存在與EU相聯(lián)系的波列從北大西洋傳播到烏拉爾山以東的歐亞大陸地區(qū)。

圖4　嫩江流域夏季降水量與上年秋末冬初500 hPa高度場(chǎng)相關(guān)

圖5　嫩江流域夏季降水量與上年5-12月逐月海溫場(chǎng)相關(guān)（陰影區(qū)為通過顯著性水平檢驗(yàn)區(qū)域）

4.2海溫前兆信號(hào)分析

許多研究表明，ENSO是最強(qiáng)的年際氣候變化信號(hào)[10-13]，它對(duì)中國夏季降水變化有著重要的影響。熱帶太平洋地區(qū)海溫的變化，導(dǎo)致沃克環(huán)流變化，進(jìn)而通過海氣耦合作用使得歐亞地區(qū)大氣環(huán)流發(fā)生了變化，從而使得歐亞地區(qū)夏季降水異常。通過嫩江流域夏季降水與前期海溫做逐月相關(guān)時(shí)發(fā)現(xiàn)，嫩江流域夏季降水與赤道東太平洋的海溫從上年6月開始直到12月相關(guān)性一直較好（圖5），超過0.05的信度檢驗(yàn)，表明上述地區(qū)前期海溫是影響嫩江流域夏季降水的主要區(qū)域，對(duì)嫩江流域夏季降水具有一定的指示意義。大量研究表明[10-13]，El Nino事件發(fā)生過程有兩類，一類是東部型，一類是中部型，從圖中可以看出，嫩江流域夏季降水與El Nino東部型的發(fā)展過程有著明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。有研究指出赤道東太平洋前期為暖水期時(shí)，夏季西太平洋副高較強(qiáng),范圍向西和向南伸展。冷水期反之,西太平洋副高較弱,位置偏東偏北。西太平洋副高的變化進(jìn)一步影響東亞季風(fēng)和我國的降水，這種影響在赤道東太平洋海溫變化后4-6個(gè)月最明顯。因此, El Nino東部型事件可以作為嫩江流域夏季降水短期氣候預(yù)測(cè)的前兆信號(hào)。

4.3積雪前兆信號(hào)分析

隨著積雪資料的增加和不斷深入的研究，積雪已經(jīng)作為我國夏季旱澇預(yù)測(cè)的一個(gè)重要的前期信號(hào)來進(jìn)行分析和應(yīng)用，其所產(chǎn)生的氣候效應(yīng)也倍受關(guān)注[14-18]，陳興芳和宋文玲[19-20]通過對(duì)高原積雪和歐亞積雪與我國夏季降水的相關(guān)分析和統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)指出，冬春季雪蓋對(duì)我國夏季旱澇有重要影響，冬春季高原積雪和歐亞積雪與我國夏季降水的相關(guān)分布基本是相反的，其中高原積雪與長江中下游和西北東部地區(qū)夏季降水為正相關(guān)，歐亞積雪與東北和華北東部以及西南地區(qū)降水為正相關(guān)。楊秋明[21]則指出前期秋冬春季歐洲、中亞和東亞中高緯雪蓋異常不同的動(dòng)態(tài)變化可以激發(fā)出具有不同持續(xù)性的東亞低頻流型，進(jìn)而對(duì)夏季北方地區(qū)降水產(chǎn)生影響。圖6給出了嫩江流域夏季降水與春季歐亞積雪的相關(guān)，可以看出，只是在歐亞部分地區(qū)的積雪面積與嫩江流域的夏季降水有著顯著的正相關(guān)關(guān)系，也就是說嫩江流域夏季某些年份降水偏多是由于歐亞部分地區(qū)（烏拉爾山東部、黑海和里海附近）的積雪偏多造成的。許立言和武炳義[22]在研究歐亞大陸春季融雪量與東亞夏季風(fēng)關(guān)系時(shí)指出巴爾喀什湖附近異常偏多的春季融雪量能夠在該地區(qū)促使位勢(shì)高度場(chǎng)表現(xiàn)為正異常，隨著時(shí)間的演變，可能造成夏季東亞地區(qū)的經(jīng)向波列結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)東亞的天氣和氣候產(chǎn)生影響，盡管有時(shí)環(huán)流型十分相似，但是兩者的夏季降水異常在局部地區(qū)存在差異。

圖6　嫩江流域夏季降水量與春季歐亞大陸積雪相關(guān)

5　結(jié)論

（1）20世紀(jì)60年代以來嫩江流域夏季降水存在典型的年代際和年際氣候特征，存在著準(zhǔn)25 a的周期變化，1980年以后存在著5-7 a的短周期變化。嫩江暴雨頻次對(duì)其夏季降水有著非常顯著的影響。

（2）秋末冬初500 hPa環(huán)流上出現(xiàn)類似NAO、反EU的異常分布對(duì)翌年嫩江流域夏季降水有顯著影響，當(dāng)前期NAO強(qiáng)度偏強(qiáng)、反EU偏強(qiáng)時(shí)，有利于嫩江流域夏季降水偏多。

（3）夏季發(fā)展的東部型El Nino事件，有利于翌年夏季嫩江流域降水偏多；春季歐亞大陸部分地區(qū)（烏拉爾山東部、黑海和里海附近）積雪偏多容易造成夏季嫩江流域降水偏多。致謝：感謝中國氣象局短期氣候預(yù)測(cè)國家級(jí)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)提供的技術(shù)指導(dǎo)。

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Analysis on climate characteristics and the precursor signal of summer precipitation in Nenjiang Basin

LI Yong-sheng1,WANG Ying2
（1. Climate center of Heilongjiang province, Heilongjiang Harbin 150030; 2.Heilongjiang Meteorological Service Center, Heilongjiang Harbin 150030）

Abstract:Daily precipitation data and NCEP reanalysis data of 31 meteorological stations in Nenjiang basin from 1961 to 2013 was used to analyze the climate characteristics and the precursor signal of summer precipitation with the statistical methods such as synthesis analysis and correlation analysis. The results show that there is a periodic variation of quasi 25 a and 5-7 a in the summer precipitation in Nenjiang basin, and the frequency of heavy rain has significant effects on the summer precipitation. The anomalous atmospheric circulation and sea surface temperature play an important role in the summer rainfall anomalies in the Nenjiang River Basin,The occurrence of NAO positive (negative) phase in the 500 hPa circulation in northern hemisphere autumn and winter is prone to cause more (less) precipitation in the Nenjiang River Basin in next year summer.The developing (weakening) Eastern El Nino events are advantageous to the more (less) summer precipitation in Nenjiang Basin in the next year. At the same time, more (less)snow accumulation in the eastern part of Ural Mountain and the Black Sea and the Caspian Sea is in favor of the more (less) summer precipitation.

Keywords:Nenjiang Basin; summer precipitation; precursor signal

第一作者簡(jiǎn)介：李永生（1984-），男，黑龍江省齊齊哈爾市人，南京信息工程大學(xué)，本科生，高級(jí)工程師.

收稿日期：2016－1－1

文章編號(hào)：1002－252X(2016)01－0013－05

中圖分類號(hào)：P468.0+24

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A