2016年6月哈爾濱地區(qū)降水異常環(huán)流特征分析

歐娜音，周傳瑞，于凱旋

（1.哈爾濱市氣象局，黑龍江 哈爾濱150028；2.雙城區(qū)氣象局，黑龍江 雙城150100）

黑龍江省位于中國(guó)最東北部，而哈爾濱地區(qū)位于黑龍江省的西南部，松嫩平原東南端，其降水變化既受到全球氣候變化的影響，又具有本地區(qū)的特征。哈爾濱地區(qū)西部縣（市）地域平坦、低洼，東部縣（市）多山及丘陵地。東南臨張廣才嶺支脈丘陵，北部為小興安嶺山區(qū)，山勢(shì)不高，河流縱橫，平原遼闊。屬溫帶季風(fēng)氣候，干旱和暴雨（引發(fā)洪澇）是主要的氣象災(zāi)害。農(nóng)作物生長(zhǎng)的主要季節(jié)是夏季，而夏季也是降水比較集中的季節(jié)，糧食的產(chǎn)量深受降水量多少及分布的影響。

近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)東北及黑龍江省夏季降水異常進(jìn)行了分析研究[1-3]。楊素英等[4]利用極端降水閾值分析了東北地區(qū)極端降水事件的時(shí)空演變特征，發(fā)現(xiàn)極端降水事件主要集中在6—9月。孫力、龔強(qiáng)等[5-6]通過(guò)對(duì)東北夏季降水的診斷分析，得出降水異常的空間分布既有整體一致的性質(zhì)，也存在地域差異。已有很多學(xué)者對(duì)東北地區(qū)夏季降水異常的成因以及與大氣環(huán)流背景的關(guān)系進(jìn)行了分析，姚秀萍等[7]認(rèn)為鄂霍次克海阻高發(fā)展是東北三江流域夏季降水異常偏多的主要原因，同時(shí)也認(rèn)為冬季的極渦強(qiáng)度指數(shù)與夏季我國(guó)東北地區(qū)的降水的正相關(guān)可以作為預(yù)測(cè)東北夏季持續(xù)強(qiáng)降水的一個(gè)信號(hào)。賈小龍等[8]認(rèn)為鄂霍茨克海和日本海阻塞高壓的發(fā)展和減弱是造成東北8月降水異常的重要因子。孟慶濤等[9]通過(guò)對(duì)阻塞高壓、熱帶副熱帶系統(tǒng)和西風(fēng)帶之間的相互關(guān)系，對(duì)暴雨過(guò)程的主要影響系統(tǒng)進(jìn)行了分析。

對(duì)于東北地區(qū)尤其是黑龍江省的夏季降水有許多較好的研究成果，而針對(duì)黑龍江省某一特定地區(qū)的降水異常分析的研究還較少。比如許多學(xué)者研究了整個(gè)黑龍江省的降水時(shí)間和空間的異常概況，雖與哈爾濱地區(qū)降水異常特點(diǎn)趨勢(shì)一致，但具有當(dāng)?shù)亟邓惓Ｌ厣笜?biāo)的文章較少。許多前輩分析了盛夏7、8月的降水異常特點(diǎn)，而對(duì)于哈爾濱地區(qū)來(lái)說(shuō)，6月是農(nóng)作物的關(guān)鍵生長(zhǎng)階段，極端天氣可能會(huì)導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量顯著降低。比如作為優(yōu)質(zhì)水稻產(chǎn)區(qū)的五常市來(lái)說(shuō)，充沛的降水對(duì)水稻產(chǎn)量影響不大，但雨天的增加會(huì)出現(xiàn)日照時(shí)數(shù)減少和低溫，從而減少太陽(yáng)輻射及水稻生長(zhǎng)所要求的最佳溫度，導(dǎo)致小穗不育和減產(chǎn)率高。同時(shí)，降水異常偏多階段產(chǎn)生的大風(fēng)天氣也會(huì)產(chǎn)生水稻大面積倒伏。因此降水異常對(duì)農(nóng)作物的品質(zhì)和產(chǎn)量影響重大。本文在已有諸多研究的基礎(chǔ)上，利用多種降水指數(shù)更加深入地分析了影響哈爾濱地區(qū)6月降水異常的特征。進(jìn)一步探討該地區(qū)的降水異常的成因，不僅加深對(duì)哈爾濱地區(qū)降水異常變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，對(duì)于提高哈爾濱地區(qū)預(yù)測(cè)旱澇災(zāi)害也有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 2016年6月哈爾濱地區(qū)降水量（單位：mm）（a）和降水量距平百分率（%）（b）空間分布

1 資料和方法

本文使用的資料包括黑龍江省氣象信息中心提供的哈爾濱地區(qū)13個(gè)臺(tái)站1961—2016年6月降水量資料。1961—2016年6月NCEP/NCAR再分析月平均資料，包括500 hPa高度場(chǎng)、700 hPa高度場(chǎng)和溫度場(chǎng)、850 hPa高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)、海平面氣壓場(chǎng)及水汽通量（分辨率為2.5°×2.5°）。

本文主要利用氣候統(tǒng)計(jì)方法合成與相關(guān)分析進(jìn)行研究。整層積分的水汽輸送通量的計(jì)算公式為：

式中，g為重力加速度，ps為地表面氣壓，q為大氣比濕，V為矢量風(fēng)，u和v分別為緯向和經(jīng)向風(fēng)速，p為氣壓。

2 2016年6月哈爾濱地區(qū)降水異常特征

2016年6月哈爾濱全市平均年降水量為181.6 mm，比歷年同期多100%，比2015年同期多86%，降雨量居1961年以來(lái)同期第1位。月降水日數(shù)全市平均為20.2 d，屬于全區(qū)多雨型。時(shí)間分布不均，降水主要集中在中下旬，分別比歷年同期多101%、155%。6月下旬異常偏多，降水強(qiáng)度大和局地強(qiáng)對(duì)流天氣使哈爾濱地區(qū)遭受暴雨洪澇和風(fēng)雹災(zāi)害。受強(qiáng)降水影響，部分農(nóng)作物和經(jīng)濟(jì)作物受災(zāi)、農(nóng)業(yè)設(shè)施被毀。另外，1998年和2016年都是厄爾尼諾次年，均受到強(qiáng)厄爾尼諾的影響，但2016年6月平均降水量卻是1998年6月平均降水量的4.8倍，可表明2016年6月降水的極端性。

從圖1a可看出，哈爾濱地區(qū)降水量大值區(qū)在哈爾濱市區(qū)以及東南部，即超過(guò)200mm的臺(tái)站有哈爾濱市區(qū)206 mm、尚志231 mm、延壽227 mm、木蘭237mm。其中哈爾濱、尚志、延壽、巴彥6月降水量分別居該臺(tái)站常年同期第一位，木蘭居該臺(tái)站常年同期第二位。降水量距平百分率的空間分布分析表明（圖1b），除依蘭縣與常年相比偏多較少外，西部和西南部降水量偏多50%～100%，尤其是哈爾濱中西部局地和東部大部分縣（市）降水量偏多100%以上。

3 哈爾濱逐日降水特征

從圖2明顯看出，整個(gè)6月降水日數(shù)較多，量級(jí)也較大。哈爾濱地區(qū)平均降水量在100～200 mm的天數(shù)共有4 d，超過(guò)200mm的天數(shù)共有4 d。較大降水過(guò)程主要有6次，其中4次降水過(guò)程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，降雨量較大，6月10—11日平均降水量為366.2 mm，17—18日平均降水量為350.7 mm，6月22—23日連續(xù)3 d降水量都較大，平均降水量為577.8mm；6月29—30日平均降水量為321.1mm。此4次降水過(guò)程強(qiáng)度之大，也是哈爾濱地區(qū)罕見的。

圖2 2016年6月哈爾濱地區(qū)逐日平均降水量

4 哈爾濱地區(qū)降水異常成因分析

4.1 環(huán)流異常

2016年6月500 hPa高度場(chǎng)在歐亞大陸中高緯地區(qū)呈現(xiàn)“三槽兩脊”型特征（圖3），高度距平自西向東對(duì)應(yīng)呈“負(fù)-正-負(fù)”分布，烏拉爾山以東位置和東北地區(qū)為低槽，貝加爾湖以西地區(qū)為高壓脊。東北地區(qū)槽后的冷空氣不斷向東南方向移動(dòng)和補(bǔ)充，使得該地區(qū)冷槽不斷加強(qiáng)，成為深厚的系統(tǒng)。而在鄂霍茨克海偏西（65°N，160°E）有一阻塞系統(tǒng)，此阻塞高壓使得冷空氣被迫堆積在東北地區(qū)。700 hPa環(huán)流場(chǎng)上，東北地區(qū)同樣受鄂霍次克海高壓阻擋，使得低渦在東北地區(qū)發(fā)展（圖4a）。850 hPa環(huán)流場(chǎng)加強(qiáng)為低渦，表明2016年6月東北冷渦系統(tǒng)非常深厚（圖4b）。在850 hPa平均溫度場(chǎng)上可看出哈爾濱地區(qū)有暖脊存在，500 hPa冷槽疊加在850 hPa暖脊之上，中高層干冷的西北氣流疊加在低層暖濕氣流之上，造成東北地區(qū)大范圍位勢(shì)不穩(wěn)定，午后到傍晚熱力和動(dòng)力條件加強(qiáng)，觸發(fā)了對(duì)流的發(fā)展，使得哈爾濱地區(qū)產(chǎn)生了較頻繁的強(qiáng)對(duì)流天氣，對(duì)東北地區(qū)降水偏多具有較大的影響。因此，鄂霍次克海以西位置的阻塞高壓以及較活躍的冷空氣與南來(lái)暖濕氣流頻繁交匯產(chǎn)生的強(qiáng)對(duì)流天氣可能是引起此次降水異常的最直接原因。

4.2 水汽輸送異常

圖3 2016年6月500 hPa高度場(chǎng)（等值線，單位：dagpm）及距平（陰影區(qū)，單位：dagpm）

水汽輸送通量是表征一個(gè)地區(qū)上空水汽輸送的源地、路徑及強(qiáng)度的物理量[10]。通過(guò)2016年6月整層水汽輸送平均通量場(chǎng)圖不難看出（圖5a），黑龍江省地區(qū)有一強(qiáng)大的氣旋式環(huán)流，哈爾濱地區(qū)（40°～50°N，120°～130°E）的水汽主要來(lái)源于日本海，通過(guò)東北地區(qū)上空氣旋式環(huán)流輸送到哈爾濱地區(qū)；另一支是鄂霍次克海西北部的水汽，同樣受鄂海地區(qū)異常的反氣旋式環(huán)流輸送部分水汽到哈爾濱地區(qū)。兩支水汽來(lái)源與南來(lái)水汽在哈爾濱地區(qū)上空形成較強(qiáng)的水汽輻合，且冷暖氣流頻繁交匯，造成哈爾濱地區(qū)降水異常偏多。另外，海平面氣壓場(chǎng)上（圖6），哈爾濱地區(qū)位于低壓中心西部，吹東南風(fēng)，低壓東部的氣壓梯度較大，因此低壓東部偏南風(fēng)加大，使得日本海水汽源源不斷的向北輸送。這種中高緯度和低層較強(qiáng)水汽輸送的環(huán)流配置特征為6月較強(qiáng)降水起到了關(guān)鍵性的作用。整層較濕的特征，為哈爾濱地區(qū)降水異常偏多提供了有利條件。

而分析計(jì)算1981—2010年6月整層積分水汽輸送通量平均場(chǎng)的相關(guān)分布特征（圖5b），不難看出歷史同期西北太平洋依然存在較強(qiáng)的反氣旋式環(huán)流，但其西北側(cè)氣流以偏西為主，尤其是日本海區(qū)域，不利于水汽向北輸送。同時(shí)，東北地區(qū)維持著偏西為主的穩(wěn)定氣流，無(wú)明顯水汽來(lái)源，水汽通量值小于100 kg/s·m，而2016年6月水汽通量值在100～150 kg/s·m之間，明顯大于歷年水汽通量值。另外，1981—2010年6月平均降水量為91mm，僅僅是2016年6月平均降水量的1/2。綜上所述，2016年6月哈爾濱地區(qū)水汽通量值較正常年明顯偏大，且該地區(qū)呈現(xiàn)明顯的水汽匯集區(qū)。因此，與常年同期異常的水汽差別造成了哈爾濱地區(qū)降水異常偏多。

圖4 2016年6月700 hPa（a）、850 hPa（b）平均高度場(chǎng)和溫度場(chǎng)（單位：℃）

圖5 2016年6月整層水汽輸送通量場(chǎng)平均場(chǎng)（a）和1981—2010年6月整層積分的水汽輸送通量平均場(chǎng)（b）（平均場(chǎng)和氣候態(tài)中矢量為水汽輸送q·V，陰影區(qū)為水汽輸送大小，單位kg/s·m）

圖6 2016年6月平均海平面氣壓場(chǎng)

4.3 動(dòng)力條件診斷分析

4.3.1 渦度的垂直結(jié)構(gòu)

500 hPa正渦度和負(fù)渦度是有無(wú)暴雨的特征之一。哈爾濱地區(qū)2016年6月4次較大降雨過(guò)程從925 hPa到200 hPa都是正渦度，尤其是較大降雨時(shí)段的暴雨區(qū)500 hPa以下各層均表現(xiàn)為正渦度區(qū)，暴雨區(qū)四周多為負(fù)渦度區(qū)。從正渦度中心伸出的正渦度舌區(qū)域?yàn)闅庑郧首畲?，與暴雨落區(qū)有正比關(guān)系。

4.3.2 垂直速度

暴雨中心從925～200 hPa都是深厚而持續(xù)的上升氣流。700 hPa和850 hPa上升速度達(dá)-15×10-3hPa/s，500 hPa垂直運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)。表1列出了2016年6月4次較大降雨過(guò)程500 hPa最強(qiáng)上升氣流中心位置，中心強(qiáng)度和較大降雨落區(qū)的對(duì)應(yīng)情況?？梢钥闯觯^大降雨落區(qū)與上升運(yùn)動(dòng)中心呈正比關(guān)系。較大降雨落區(qū)中心垂直速度可達(dá)-20×10-3hPa/s，哈爾濱東部有時(shí)達(dá)到-10×10-3hPa/s也能降暴雨。而且2016年6月強(qiáng)暴雨過(guò)程，往往整層大氣都是上升運(yùn)動(dòng)。

表1 較大降雨落區(qū)與上升氣流對(duì)應(yīng)關(guān)系

4.3.3 散度的垂直結(jié)構(gòu)

一般暴雨都具有低層輻合、高層輻散的動(dòng)力結(jié)構(gòu)，這種抽吸作用是上升運(yùn)動(dòng)的充分必要條件，也是低空水汽輻合的重要條件。哈爾濱地區(qū)2016年6月從低層到700 hPa為輻合，中低層輻合總量很大，最大輻合層均位于925 hPa，大值中心數(shù)值可達(dá)-2×10-6～-3×10-6/s，正是這一輻合層使空氣產(chǎn)生劇烈的上升運(yùn)動(dòng)，使500 hPa垂直速度達(dá)到最大值。

4.3.4 高空風(fēng)場(chǎng)特征

200 hPa平均緯向風(fēng)圖及經(jīng)向風(fēng)圖上能明顯看出，位于約140°E處存在一東亞副熱帶西風(fēng)急流。緯向風(fēng)的強(qiáng)急流中心強(qiáng)度為36m/s，而哈爾濱地區(qū)大部分區(qū)域處在10～14 m/s的風(fēng)速線上，為東風(fēng)，風(fēng)速大值區(qū)對(duì)應(yīng)了地面降水大值區(qū)。緯向風(fēng)距平為正，說(shuō)明比歷年的緯向風(fēng)值要大（圖7a）。而經(jīng)向風(fēng)強(qiáng)急流中心為40m/s，哈爾濱地區(qū)處在12～14 m/s的風(fēng)速線上，為南風(fēng)，南風(fēng)濕度較大，能夠供應(yīng)充足的水汽。經(jīng)向風(fēng)距平也為正，距平值在0～20 m/s之間，緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)異常偏強(qiáng)，有利于增強(qiáng)該地區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)，此高低空的配置對(duì)哈爾濱地區(qū)降水非常有利。因此，2016年6月哈爾濱地區(qū)動(dòng)力結(jié)構(gòu)特征更有利于產(chǎn)生強(qiáng)降水（圖7b）。

圖7 2016年6月200 hPa平均緯向風(fēng)和距平（a）、平均經(jīng)向風(fēng)和距平（b）（等值線，單位：m/s）（陰影區(qū)，單位：m/s）

5 結(jié)論

2016年6月，哈爾濱地區(qū)出現(xiàn)降水異常偏多，全市月平均降水量為1961年以來(lái)同期第一位，強(qiáng)降水導(dǎo)致了哈爾濱地區(qū)遭受暴雨洪澇和風(fēng)雹災(zāi)害。尤其是6月12日出現(xiàn)的歷史罕見冰雹天氣過(guò)程的影響，部分農(nóng)作物和經(jīng)濟(jì)作物受災(zāi)嚴(yán)重、農(nóng)業(yè)設(shè)施也遭到損毀。本文針對(duì)哈爾濱地區(qū)6月降水異常特征，從環(huán)流系統(tǒng)異常和水汽輸送異常以及動(dòng)力條件特征等三方面展開分析，主要結(jié)論如下：

（1）歐亞大陸中高緯地區(qū)呈現(xiàn)了深厚的“兩槽一脊”型特征，異常的高低緯環(huán)流形勢(shì)配合，為哈爾濱地區(qū)降水異常偏多提供有利的環(huán)流背景。鄂霍次克海以西位置的阻塞高壓的出現(xiàn)和發(fā)展以及較活躍的冷空氣與南來(lái)暖濕氣流頻繁交匯產(chǎn)生的強(qiáng)對(duì)流天氣是造成哈爾濱地區(qū)6月降水異常偏多的最直接原因。

（2）中高緯度和低層的水汽輸送的環(huán)流配置特征起到了一定的作用，哈爾濱地區(qū)整層較濕的特征為該地區(qū)降水異常偏多提供了有利而充沛的水汽條件。

（3）近地面層強(qiáng)輻合和高層強(qiáng)輻散的配置增強(qiáng)了大氣的抽吸作用，導(dǎo)致較大降雨區(qū)上空出現(xiàn)較強(qiáng)的垂直上升運(yùn)動(dòng)，此高低空環(huán)流配置有利于增強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，更有利于產(chǎn)生強(qiáng)降水。

參考文獻(xiàn)：

[1] 賈小龍，王謙謙，周寧芳.近50a東北地區(qū)降水異常的氣候特征分析[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，26（2）：164-171.

[2] 龔強(qiáng)，陸維松，陶麗，等.東北春夏季降水氣溫異常的時(shí)空分布以及與旱澇的關(guān)系[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，26（3）：349-357.

[3] 于天寵，曲驊倩，秦瑜，等.1979—2010年黑龍江省夏季降水異常特征及成因分析[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2016（3）：257-260.

[4] 楊素英，孫鳳華，馬建中，等.增暖背景下中國(guó)東北地區(qū)極端降水事件的演變特征[J].地理科學(xué)，2008，28（2）：224-228.

[5] 孫力，安剛，丁立，等.中國(guó)東北地區(qū)夏季降水異常的氣候分析[J].氣象學(xué)報(bào)，2000，58（1）：70-82.

[6] 龔強(qiáng)，王盤興，汪宏宇，等.東北夏季降水異常的年代際、年際構(gòu)成及成因分析 [J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào);2005，28（2）：232-240.

[7] 姚秀萍，董敏.東北三江流域夏季旱澇基本特征分析[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2000，11（3）：297-303.

[8] 賈小龍，王謙謙.東北地區(qū)汛期降水異常的大氣環(huán)流特征分析[J].高原氣象，2006，25（2）：309-318.

[9] 孟慶濤，孫建華，喬楓雪，等.20世紀(jì)90年代以來(lái)東北暴雨過(guò)程特征分析 [J].氣候與環(huán)境研究，2009，14（6）：596-612.

[10] 霍貝，陸桂華，何海，等.淮河流域旱澇年水汽輸送特征分析[J].水電能源科學(xué)，2012，30（2）：6-16.