1961—2017年黑龍江省夏季降水異常成因的分析

石紅艷，楊 寧，潘華盛

(1.雙鴨山市氣象局，黑龍江 雙鴨山 155100；2．黑龍江省氣象服務(wù)中心，哈爾濱 150030；3.黑龍江省氣象臺(tái)，哈爾濱 150030)

0 引 言

黑龍江省1998 年嫩江、松花江流域由于夏季超強(qiáng)降水影響發(fā)生了超百年一遇的特大洪水, 國(guó)民經(jīng)濟(jì)直接損失達(dá)296.1 億元人民幣。2013 年全省降水異常偏多，全省夏季平均降水量為456.9 mm，比常年偏多33%，為1961 年以來(lái)第1位，導(dǎo)致自1998 年之后的又一次大洪水。冷春香等[1]采用EOF經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析和聚類相結(jié)合的方法，對(duì)中國(guó)主汛期降水進(jìn)行了8 類雨型的空間分布分析，對(duì)我國(guó)的降水預(yù)報(bào)起到了很好的作用。對(duì)降水異常的成因分析，大多采用環(huán)流特征[2-8]、ENSO的影響[9-12]和統(tǒng)計(jì)及數(shù)值模擬[13-16]等技術(shù)。本文基于降水趨勢(shì)分析、EOF展開(kāi)、環(huán)流成因分析等方法，揭示出黑龍江省降水存在16 a多、少轉(zhuǎn)換周期,2012年開(kāi)始進(jìn)入多水期。

1 資料與方法

資料：①國(guó)家氣候中心氣候系統(tǒng)監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)評(píng)估網(wǎng)站提供西太平洋副熱帶高壓資料；②NCEP/NCAR 再分析資料包括北半球1961—2017年夏季500 hPa高度經(jīng)緯網(wǎng)格點(diǎn)5°×5°；③黑龍江省氣象信息中心提供全省62站夏季平均降水量。

方法： 自然正交函數(shù)展開(kāi)(EOF)及相關(guān)系數(shù)計(jì)算[17]。

圖1 1961—2017年夏季降水變化 Fig.1 Summer precipitation variance from 1961 to 2017

2 黑龍江省夏季降水變化特點(diǎn)

2.1 降水年際年代際變化

1961—2017年黑龍江省夏季降水呈稍降趨勢(shì)，見(jiàn)圖1。由多項(xiàng)式擬合劃分3個(gè)長(zhǎng)時(shí)段：1967—1980年14 a少水，平均降水301.1 mm；1981—1998年18 a多水,平均降水362.7 mm；1999—2012年14 a少水,平均312. 2 mm。2013—2017年多水,平均降水349.7 mm，已進(jìn)入多水時(shí)期。降水最多年份出現(xiàn)在2013年456.9 mm,最少年份出現(xiàn)在2007年201.1 mm。多水段雨量與第1和第3段少水段雨量之差分別為61.6 mm、50.5 mm。另外1961—1966年，也為多水時(shí)段，但它屬于前期多水期的一部分。由降水等級(jí)劃分(表1)取降水量特多特少量級(jí)統(tǒng)計(jì)，在多水年時(shí)段共有29 a，其中有25 a異常偏多占多水時(shí)段的86%；而少水時(shí)段共28 a，出現(xiàn)異常偏少26 a占少水時(shí)段93%；多、少水時(shí)段的劃分接近t=0.10顯著性檢驗(yàn)。多少水變化周期在33 a左右，平均半周期為16 a左右，而且多、少水年數(shù)基本持平。從年代際變化來(lái)看，上世紀(jì)80—90年代多水，70年代和本世紀(jì)初10年代少水。

表1 夏季降水等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 夏季降水分型

2.2.1 夏季降水EOF 展開(kāi)分型

將1961—2017年全省62站夏季平均降水，進(jìn)行EOF展開(kāi)取前4個(gè)特征向量，它們的方差見(jiàn)表2。第一特征向量方差最大為0.40,第二特征向量方差為0.11，其它特征向量越來(lái)越小。全省62站降水展開(kāi)的第一特征向量值、第二特征向量值、第三特征向量值、第四特征向量值分布見(jiàn)圖2。第一特征向量分布型式即全省降水分布一致多(或少)見(jiàn)圖2(a)，其降水中心位于齊齊哈爾市的克山和拜泉，哈爾濱市的阿城、五常、巴彥、木蘭、延壽、依蘭，佳木斯市和鶴崗市。這種降水形勢(shì)主要受來(lái)自南來(lái)氣旋和西移蒙古氣旋共同影響。第二特征向量分布型式即西多東少型(或西少東多型)見(jiàn)圖2(b)，多水主要分布在黑河以南包括齊齊哈爾、大慶、綏化所轄區(qū)，其中齊齊哈爾市的甘南、龍江、克山、拜泉降水最大，降水最少區(qū)主要分布在哈爾濱市的通河、依蘭，佳木斯市的富錦，牡丹江市的林口，七臺(tái)河市的勃利，雞西市和雙鴨山市的寶清及鶴崗市的蘿北等地。主要受來(lái)自西部的蒙古氣旋和河套氣旋以及來(lái)自西部的鄂霍次克海阻塞高壓共同影響。第三特征向量分布型式為南多北少加?xùn)|部少型見(jiàn)圖2(c)，其主要降水在哈爾濱市的阿城、雙城、五常、尚志和齊齊哈爾市的泰來(lái)，大慶市的杜蒙、林甸。少水主要分布在大興安嶺和黑河市及轄區(qū)，降水中心在黑河市及孫吳、遜克。主要受到來(lái)自西南的河套氣旋和西北的貝加爾湖高壓的影響。第四特征向量分布型式為中多東西部少型見(jiàn)圖2(d)，其主要降水中心分布在伊春市，綏化市的慶安。少水主要分布在東部的完達(dá)山脈臨近區(qū)域，包括牡丹江市東部各縣(市)，雞西轄區(qū)各縣(市)還有綏芬河市。西部少水區(qū)域主要包括齊齊哈爾市全區(qū)及大慶西部的杜蒙和林甸；少水中心在齊齊哈爾市的龍江、甘南和泰來(lái)。主要受到來(lái)自南部的華北、渤海氣旋及臺(tái)風(fēng)的影響。

表2 黑龍江省夏季降水EOF展開(kāi)前四個(gè)特征向量方差及累計(jì)方差

圖2 1961—2017年夏季降水EOF展開(kāi)前四個(gè)特征向量分布型Fig.2 Distribution types of the first four eigenvector EOF expansion on the summer precipitation from 1961 to 2017

2.2.2 EOF展開(kāi)特征向量時(shí)間系數(shù)與降水變化關(guān)系

2.2.2.1 夏季降水與EOF1時(shí)間系數(shù)變化關(guān)系

全省夏季降水與EOF1時(shí)間系數(shù)變化見(jiàn)圖3，兩條曲線升降變化基本一致，相關(guān)系數(shù)為0.64，遠(yuǎn)超0.01信度檢驗(yàn)。降水距平符號(hào)與EOF1時(shí)間系數(shù)“+、-”變化一致率為0.74。如取降水距平百分率≥0.15或≤0.15，則與時(shí)間系數(shù)相同符號(hào)達(dá)0.83，僅有1982、1991和2009年符號(hào)關(guān)系相反，表明變化關(guān)系不在EOF1時(shí)間系數(shù)變化之內(nèi)，而是在其它降水形式之內(nèi)，如1982年夏季降水應(yīng)在EOF3形勢(shì)控制之下，1991年應(yīng)在EOF4形式控制之下。全省降水EOF1特征向量值分布與時(shí)間系數(shù)變化，可以反映全省夏季降水的變化情景。

2.2.2.2 夏季降水與EOF2時(shí)間系數(shù)變化關(guān)系

選取圖2(b)降水西多東少型代表站西部拜泉和東部勃利降水作與EOF2時(shí)間變化關(guān)系見(jiàn)圖4。1961—2017年拜泉降水與EOF2時(shí)間變化呈反位相變化關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.28通過(guò)0.05信度檢驗(yàn)；勃利降水與EOF2時(shí)間系數(shù)呈正位相變化關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.49通過(guò)0.001信度檢驗(yàn)，東部降水與EOF2時(shí)間系數(shù)變化關(guān)系要好于西部。經(jīng)統(tǒng)計(jì)拜泉降水取“+、-”距平符號(hào)對(duì)應(yīng)時(shí)間系數(shù)正確率僅為50%，取降水距平百分率≥0.20或≤0.20對(duì)應(yīng)時(shí)間系數(shù)正確率達(dá)60%，取降水距平百分率≥0.40或≤0.40對(duì)應(yīng)時(shí)間系數(shù)正確率達(dá)83%，隨降水的增多與減少與時(shí)間系數(shù)的反相變化的正確率在增加。勃利降水同樣取“+、-”距平符號(hào)對(duì)應(yīng)時(shí)間系數(shù)正確率達(dá)70%, 取降水距平百分率≥0.20或≤0.20對(duì)應(yīng)時(shí)間系數(shù)正確率達(dá)70%，取降水距平百分率≥0.40或≤0.40對(duì)應(yīng)時(shí)間系數(shù)正確率達(dá)87%。不論西部或東部降水越大(小)，東西部降水反相變化大，則EOF2型分布越明顯。

圖3 黑龍江省夏季降水與EOF1時(shí)間系數(shù)變化關(guān)系 Fig.3 Relationship between the Heilongjiang summer precipitation and EOF1 time coefficient change

圖4 拜泉、勃利夏季降水與EOF2時(shí)間系數(shù)變化關(guān)系Fig.4 Relationship between the Baiquan and Boli summer precipitation and EOF2 time coefficient change

3 大氣環(huán)流變化對(duì)黑龍江省主要降水形勢(shì)的影響

3.1 大氣環(huán)流變化對(duì)全省降水EOF1型的影響

3.1.1 EOF1時(shí)間系數(shù)與500 hPa高度場(chǎng)相關(guān)分析

全省降水EOF1型占總方差40.39%，EOF1型時(shí)間系數(shù)與全省平均降水相關(guān)系數(shù)為0.64，因此EOF1時(shí)間系數(shù)變化類似全省降水變化。1961—2017年6—8月EOF1降水時(shí)間系數(shù)與北半球高空500 hPa高度場(chǎng)相關(guān)計(jì)算分析見(jiàn)圖5 。在東亞區(qū)500 hPa高度場(chǎng)中高緯地區(qū)“+、-”相關(guān)區(qū)分布明顯，其主要“-”相關(guān)區(qū)位于100～130°E，45～50°N相關(guān)系數(shù)為-0.30通過(guò)0.01信度檢驗(yàn)。中心位于110～125°E，45～50N°相關(guān)系數(shù)為-0.40以上通過(guò)0.001信度檢驗(yàn)相關(guān)很高。此區(qū)正是位于貝加爾湖東南部，蒙古國(guó)以東內(nèi)蒙東北及黑龍江全省?！?”相關(guān)則表明系數(shù)越低，則EOF1時(shí)間系數(shù)值越大，黑龍江省降水越多的反位相變化。同時(shí)也表明內(nèi)蒙東北及黑龍江受高空東亞低槽長(zhǎng)時(shí)間控制，地面經(jīng)常受蒙古低壓、河套低壓及南來(lái)系統(tǒng)的影響造成多雨。位于西伯利亞地區(qū)80～100°E,65～75°N為“+”相關(guān)區(qū)，相關(guān)系數(shù)為0.30以上通過(guò)0.01信度檢驗(yàn)，表明系數(shù)越高則EOF1時(shí)間系數(shù)值越大，黑龍江省降水越大的正位相變化。另外在我國(guó)東海東部海域，即西太平洋副高區(qū)域也維持正相關(guān)較高值，而且位置偏北。也即西伯利亞的泰米爾地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間維持阻塞高壓，我國(guó)東北區(qū)受低槽控制則黑龍江省降水偏多。從整個(gè)東亞中高緯地區(qū)高度場(chǎng)形勢(shì)來(lái)看，呈北高南低形勢(shì)，黑龍江省降水則盛行EOF1分布形勢(shì)，全省降水偏多或特多。

圖5 全省降水EOF1時(shí)間系數(shù)與500 hPa高度場(chǎng)相關(guān)系數(shù)分布(等值線為相關(guān)系數(shù)分布，陰影為通過(guò)顯著性水平α=0.05的t檢驗(yàn))Fig.5 Distribution of the relationship coefficient between provincial precipitation EOF1 time coefficient and 500 hPa height fields

3.1.2 EOF1型下多水年高空500 hPa環(huán)流形式分析

選取EOF1時(shí)間系數(shù)大又是黑龍江省夏季降水特多的1981、1985、1991、1994和2013年做高空500 hPa高度場(chǎng)平均合成圖6 。在中高緯地區(qū)盛行兩脊兩槽型，我國(guó)東北區(qū)與哈薩克斯坦上空為低槽控制，鄂霍茨克海和貝加爾湖為高脊控制。冷空氣沿貝加爾湖高脊前部進(jìn)入東北與西南方向和副高外緣東南方向相疊加的暖濕空氣相遇交綏，前部又受到穩(wěn)定的鄂海高壓阻擋，西太平洋副高脊線偏北，西伸脊點(diǎn)位置偏東保證有充足的水汽供應(yīng)，造成黑龍江省長(zhǎng)時(shí)間降水。

圖6 多水年1981、1985、1991、1994、2013年夏季500 hPa平均高度場(chǎng)合成Fig.6 Average composition of the 500 hPa height on 1981、1985、1991、1994、2013 of much water years

圖7 全省降水EOF2時(shí)間系數(shù)與500 hPa高度場(chǎng)相關(guān)系數(shù)分布(等值線為相關(guān)系數(shù)分布，陰影為通過(guò)顯著性水平α=0.05的t檢驗(yàn))Fig.7 Distribution of the relationship coefficient between provincial precipitation EOF2 time coefficient and 500 hPa height fields

3.2 大氣環(huán)流變化對(duì)全省降水EOF2型的影響

3.2.1 EOF2時(shí)間系數(shù)與500 hPa高度場(chǎng)相關(guān)分析

全省降水EOF2型占總方差11.16%，與夏季降水相關(guān)系數(shù)為0.12,這種形式的降水在全省占第二位，主要影響的是區(qū)域降水。同樣做1961—2017年6—8月EOF2型降水時(shí)間系數(shù)與北半球高空500 hPa高度場(chǎng)相關(guān)計(jì)算分析見(jiàn)圖7 。在東亞區(qū)500 hPa高度場(chǎng)中高緯地區(qū)主要盛行一脊一槽型。位于鄂霍茨克海及周邊地區(qū)長(zhǎng)期維持阻塞高壓(簡(jiǎn)稱鄂高)中心140～150°E,50～60°N,相關(guān)系數(shù)為0.30以上。另在80°E以西，75°N以北喀拉海區(qū)域也維持一個(gè)通過(guò)信度檢驗(yàn)的正相關(guān)區(qū)，即受高壓控制。而在我國(guó)東北，華北東部及內(nèi)蒙東北為低槽所控制，雖然“-”相關(guān)區(qū)未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，但對(duì)于全省降水EOF2型分布即西多東少型分布是顯著的。另外此相關(guān)形式所見(jiàn)西太平洋副熱帶高壓區(qū)脊線是偏北偏西的。

3.2.2 EOF2型下多水年高空500 hPa環(huán)流形式分析

選取EOF2時(shí)間系數(shù)大又是黑龍江省降水特多的1966、1969、1984、1998和2003年做高空500 hPa高度場(chǎng)平均合成見(jiàn)圖8，其基本形式相似圖7相關(guān)系數(shù)分布。但不同的是在中高緯地區(qū)基本呈北脊南槽型，65°N及以北地區(qū)為高壓帶，貝加爾湖以東中國(guó)東北華北為高空低槽控制。此種形式對(duì)短期天氣過(guò)程來(lái)說(shuō)，常有切斷低壓或東北冷渦較長(zhǎng)期盛行維持造成多雨。而西太平洋副高脊線大部偏南西伸脊點(diǎn)偏西，大量的暖濕氣體由副高西部邊緣隨強(qiáng)大的西南氣流進(jìn)入黑龍江，與貝加爾湖東南下的冷空氣相遇造成強(qiáng)降水。這種形式基本符合1969和1998年夏季黑龍江省西部發(fā)生強(qiáng)降水造成嫩江-松花江大洪水。

圖8 多水年的西多東少型1966、1969、1984、1998、2003年夏季500 hPa平均高度場(chǎng)合成Fig.8 Average composition of the summer 500 hPa height for west more east little type much water years in 1966、1969、1984、1998、2003

圖9 西太平洋副熱帶高壓脊線與夏季降水變化關(guān)系Fig.9 Relationship between the western pacific subtropical high ridge position and summer precipitation change

3.2.3 夏季西太平洋副熱帶高壓對(duì)黑龍江省夏季降水的影響

夏季西太平洋副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱副高)變化對(duì)我國(guó)東部地區(qū)降水影響是很大的[7]，黑龍江降水也同樣受它的影響。經(jīng)計(jì)算夏季副高面積、強(qiáng)度、脊線、西伸與黑龍江降水的相關(guān)系數(shù)分別為0.03、0.02、0.2、0.0,僅有脊線位置變化與降水相關(guān)一項(xiàng)剛好達(dá)到0.10信度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。由副高脊線與降水關(guān)系(圖9)分析，降水距平符號(hào)“+、-”檢驗(yàn)正確率達(dá)60%，降水偏多年距平百分率≥0.11共16年，其中脊線偏北有11年正確率達(dá)69%；降水特多年距平百分率≥0.15共11年，其中1961、1963、1981、1984、1985、1991、1994、2009、2013年脊線偏北正確率達(dá)82%；如降水距平百分率≥0.20有1981、1985、1991、1994、2009、2013年脊線偏北正確率達(dá)100%。降水偏多年份脊線大部偏北且西伸脊點(diǎn)大多偏東；1998年降水特多發(fā)生百年不遇的嫩江-松花江特大洪水，脊線偏南脊點(diǎn)且異常偏西；與它類似1969年也是降水偏多發(fā)生了嫩江-松花江大洪水，同樣是脊線偏南脊點(diǎn)且異常偏西，表明若脊線偏南脊點(diǎn)偏西降水中心在黑龍江省西部，盛行全省降水西多東少型。另外降水特少大部脊線偏南，如其中個(gè)別脊線偏北的，但也是絕大多數(shù)西伸脊點(diǎn)偏西。

4 結(jié) 論

黑龍江省夏季經(jīng)常受到來(lái)自西風(fēng)帶系統(tǒng)和南來(lái)系統(tǒng)影響且水汽充足，降水量較大且規(guī)律性明顯具有多、少15～16 a轉(zhuǎn)換時(shí)段；1961—2017年降水趨勢(shì)變化不大。采用EOF方法對(duì)黑龍江省降水進(jìn)行展開(kāi)，分析了全省降水EOF1和EOF2型與高空500 hPa環(huán)流影響系統(tǒng)的關(guān)系，指出了位于西北部泰米爾高壓發(fā)展和在它東南部的我國(guó)東北和內(nèi)蒙為低槽控制的一脊一槽形勢(shì)和東北部鄂霍茨克海高壓控制下的一槽一脊形勢(shì)，加之西太平洋副高脊線偏北共同影響造成降水異常偏多。