吉林省盛夏降水季內(nèi)變化特征及大氣環(huán)流分析

李宇凡 徐士琦 襲祝香 邱譯萱 姜忠寶

(1.吉林省氣候中心，吉林 長春130062；2.吉林省氣象臺，吉林 長春130062)

引言

吉林省盛夏降水量在夏季降水乃至年降水總量中占據(jù)絕大比重，是季內(nèi)作物長勢及品質(zhì)產(chǎn)量、農(nóng)業(yè)及城市洪澇災(zāi)害最直接的氣象影響因素，研究揭示吉林省盛夏降水的變化特征及大氣環(huán)流影響機(jī)制，對指導(dǎo)本省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理、防洪減災(zāi)治理，提高本省盛夏降水預(yù)報及氣候變化預(yù)測能力均有重要意義。

中國東北地區(qū)及吉林省夏季降水的研究已取得了一定進(jìn)展，孫力等[1]針對中國東北夏季降水時空特征的診斷分析中，指出東北夏季降水可劃分為7個主要降水異常型，不同異常區(qū)降水周期變化存在差異。王學(xué)忠等[2]劃分了中國東北雨季，并指出東北雨季受東亞季風(fēng)影響。孫照渤等[3]對中國東北6月、7月、8月降水進(jìn)行分型，得出東北6月降水主要受到東北冷渦的影響，而7月和8月主要受到東亞夏季季風(fēng)影響。上述研究更多側(cè)重傳統(tǒng)夏季(6—8月)降水的特征，事實上，已有眾多學(xué)者從環(huán)流特征上更細(xì)致地分析了中國東北地區(qū)夏季降水的特征，如沈柏竹等[4]研究分析了影響東北地區(qū)夏季5—8月降水的大尺度環(huán)流特征，揭示出5月、6月(初夏)和7月、8月(盛夏)在年際變化上存在明顯的環(huán)流差異。胡泊等[5]同樣指出中國東北地區(qū)夏季降水以盛夏降水貢獻(xiàn)為主，并且盛夏降水與初夏降水特征及形成機(jī)制存在顯著差異，因此關(guān)于中國東北區(qū)域盛夏降水的異常變化受到了更多的關(guān)注。

關(guān)于中國盛夏降水方面的研究，國內(nèi)已有較多研究[6－10]，通過不同的分析方法得出很多有意義的結(jié)論[11－15]。如許智棋和陳海山[16]利用SEOF、回歸及合成分析等方法對中國華南盛夏降水進(jìn)行了研究；李菲和林蓉[17]利用EOF、回歸及合成分析等方法對遼寧盛夏降水進(jìn)行了分析。但針對吉林省盛夏降水的研究較少，且涉及的研究對象多數(shù)針對其平均降水[18－20]，而單純利用降水平均值表征整個區(qū)域盛夏降水異常存在一定局限性，因此本文通過對吉林省盛夏降水季內(nèi)差異及其成因的研究，進(jìn)一步掌握吉林省盛夏降水異常變化規(guī)律，以期為吉林省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理、防洪減災(zāi)治理以及盛夏降水預(yù)報業(yè)務(wù)提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

降水資料來源于國家信息中心提供的中國地面氣象要素月值數(shù)據(jù)集，選用1961—2017年7—8月盛夏降水資料較為完整的46個氣象站月降水?dāng)?shù)據(jù)，NCEP/NCAR全球月平均再分析資料的500 hPa高度場、850 hPa風(fēng)場數(shù)據(jù)(分辨率為2.5°×2.5°)。

1.2 研究方法

研究采用EOF分析，SEOF[21]分析，滑動相關(guān)，一元線性回歸及合成分析等方法。EOF分析針對氣象要素場主要模態(tài)的時空變化特征，而SEOF分析依賴于季節(jié)的經(jīng)驗正交函數(shù)分解，是對隨季節(jié)變化的變量場構(gòu)造矩陣并進(jìn)行EOF分析，可以得到此變量主要模態(tài)的空間分布特征和時間變化序列，同時可以反映主要模態(tài)月、季的演變。通過研究發(fā)現(xiàn)吉林省7月、8月降水在1986—2004年呈反位相特征，2005—2017年呈現(xiàn)同位相特征，因此將逐年46個站點的降水資料以7月在前、8月在后構(gòu)建矩陣進(jìn)行SEOF分析，以此來研究吉林省盛夏7月、8月降水的變化特征。

2 結(jié)果分析

2.1 吉林省盛夏降水基本特征

1961—2017年吉林省的7月、8月盛夏降水呈減少趨勢，年際變化較為明顯(圖1a和圖1b)。進(jìn)一步分析7月、8月降水處于同位相的年份有27 a，反位相的年份有30 a，出現(xiàn)同位相的年份可以用其兩個月的降水量均值表現(xiàn)吉林省盛夏降水特征，而反位相年份使用其均值會影響降水異常變化的差異，因此7月、8月降水之間的異同應(yīng)給重點關(guān)注。

圖1 1961—2017年吉林省7月(a)和8月(b)降水距平序列Fig.1 Variations of precipitation anomaly sequence in July(a)and August(b)in Jilin province from 1961 to 2017

通過對1961—2017年吉林省7月、8月降水進(jìn)行EOF分析，發(fā)現(xiàn)7月、8月降水的第一模態(tài)均表現(xiàn)為全區(qū)一致變化型(圖略)，其解釋方差分別為39.7%和42.8%。將7月、8月第一模態(tài)的時間系數(shù)序列與其對應(yīng)月份降水距平求相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)分別為0.998和0.993，均通過了α＝0.01的顯著性檢驗，從側(cè)面說明其主要模態(tài)足以表征吉林地區(qū)的降水特征。

2.2 吉林省盛夏降水季節(jié)內(nèi)差異

圖2 1961—2017年吉林省7月和8月降水距平標(biāo)準(zhǔn)化時間序列Fig.2 Variation of normalized time series of precipitation anomaly in July and August in Jilin province from 1961 to 2017

為了解吉林省盛夏降水季內(nèi)差異特征對7月、8月降水距平進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，1961—2017年吉林省57 a降水的距平標(biāo)準(zhǔn)化時間序列見圖2。從圖2可知，從20世紀(jì)60年代至80年代初期吉林省7月、8月降水存在正負(fù)兩個位相的波動變化，80年代中期至2004年降水幾乎處于反位相變化，2005—2017年則存在明顯的同位相變化。為了更好的合理劃分吉林省盛夏降水時段利用滑動相關(guān)系數(shù)法計算吉林省7月、8月降水的相關(guān)性，圖3給出了滑動相關(guān)曲線及其5 a滑動平均曲線。由圖3可知，20世紀(jì)80年代以前以負(fù)相關(guān)為主，80年代中期出現(xiàn)短暫的正相關(guān)之后至2004年出現(xiàn)一段時間較長的負(fù)相關(guān)，2005—2017年兩個月份又轉(zhuǎn)為正相關(guān)。

圖3 1961—2017年吉林省7月和8月降水空間相關(guān)系數(shù)Fig.3 Variation of spatial correlation coefficient of precipitation in July and August in Jilin province from 1961 to 2017

由前文分析可知，吉林省盛夏降水在1986—2004年存在明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系，而2005—2017年存在明顯的正相關(guān)關(guān)系。為了區(qū)別不同相關(guān)時段的吉林省盛夏7月、8月降水的基本特征，分別對1986—2004年和2005—2017年7月、8月降水進(jìn)行SEOF分解。圖4為其負(fù)相關(guān)及正相關(guān)時段吉林省盛夏7月、8月降水的演變特征。負(fù)相關(guān)期(1986—2004年)，吉林省盛夏降水SEOF第一模態(tài)的解釋方差為30.7%，空間上以全區(qū)一致性變化為主，即7月降水偏少(多)，8月降水偏多(少)的反相變化特征。正相關(guān)期(2005—2017年)，吉林盛夏降水SEOF第一 模態(tài)解釋方差為37.9%，空間同樣表現(xiàn)為全區(qū)一致變化，其空間分布與吉林省盛夏7月和8月EOF第一模態(tài)相似，即7月降水少(多)，8月降水少(多)同相變化特征。

圖4 1986—2004年反相期吉林省降水SEOF第一模態(tài)7月(a)、8月(b)和2005—2017年同相期降水SEOF第一模態(tài)7月(c)、8月(d)的空間分布及其反相期(e)和同相期(f)的時間系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化序列Fig.4 Spatial distributions of the first SEOF modes in July(a)and August(b)in out-of-phase from 1986 to 2004，and those in July(c)and August(d)in in-of-phase and variations of the normalized time series of time coefficient for out-(e)and in-(f)of-phase years in Jilin province from 2005 to 2017

圖4e與圖4f是標(biāo)準(zhǔn)化處理后的兩個模態(tài)時間系數(shù)序列，因后文所需以時間系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化序列的絕對值＞1選取吉林盛夏降水的異常年份。最終選取反位相年的低值年有1987年、1997年、1998年，高值年有1989年、1991年、2004年；同理同位相年的低值年有2009年、2014年，高值年有2010年、2013年。

2.3 吉林省盛夏降水季內(nèi)差異的環(huán)流特征

2.3.1 不同時段降水模態(tài)對應(yīng)的環(huán)流異常

為研究吉林省7月、8月降水在反位相期(1986—2004年)和同位相期(2005—2017年)的兩種不同模態(tài)所對應(yīng)的環(huán)流特征，將數(shù)據(jù)去除長期線性趨勢，并用一元線性回歸方法將高度場、風(fēng)場回歸到反位相年和同位相年SEOF第一模態(tài)的時間系數(shù)，以此來分析其對應(yīng)的環(huán)流特征。

圖5 1986—2004年反位相年7月(a)、8月(b)吉林省盛夏降水回歸得到的500 hPa高度場和7月(c)、8月(d)850 hPa風(fēng)場Fig.5 Graphs of geopotential height fields at 500 hPa in July(a)and August(b)，and wind fields at 850 hPa in July(c)and August(d)obtained by midsummer precipitation regression for out-of-phase years in Jilin province from 1986 to 2004

圖5為反位相年盛夏降水SEOF第一模態(tài)回歸得到的500 hPa高度場以及850 hPa風(fēng)場，7月(圖5a)對應(yīng)的500 hPa高度場北美東部存在一個正相關(guān)區(qū)，西部為負(fù)相關(guān)區(qū)，北美東西遙相關(guān)(NAEW)表現(xiàn)為正位相，東亞地區(qū)從低緯至高緯呈現(xiàn)出“－＋－”分布，其中心分布于菲律賓，日本，鄂霍茨克海以東，即東亞太平洋遙相關(guān)型(EAP)呈現(xiàn)正位相，同時副熱帶西太平洋存在一個正異常區(qū)域，而吉林省上空為負(fù)異常區(qū)域，此環(huán)流配置利于副熱帶高壓偏強(qiáng)、偏北，使向北輸送的水汽增多，結(jié)合圖5c吉林省上空受氣旋控制，產(chǎn)生上升氣流，降水增多。8月(圖5b)對應(yīng)的500 hPa歐洲存在一個正異常，烏拉爾山地區(qū)為負(fù)異常區(qū)域，貝加爾湖以東存在弱的正異常區(qū)域，歐亞呈現(xiàn)一個“＋－＋”的波列，近似歐亞遙相關(guān)型(EU)負(fù)位相，而副熱帶西太平洋地區(qū)為顯著的負(fù)異常，此時西太平洋副熱帶高壓偏弱，吉林上空表現(xiàn)為顯著的正異常，結(jié)合圖5d，吉林省受到反氣旋控制，降水減少。

圖6 2005—2017年同位相年7月(a)、8月(b)吉林省盛夏降水回歸得到的500 hPa高度場和7月(c)、8月(d)850 hPa風(fēng)場Fig.6 Graphs of geopotential height fields at 500 hPa in July(a)and August(b)，and wind fields at 850 hPa in July(c)and August(d)obtained by midsummer precipitation regression for in-of-phase years in Jilin province from 2005 to 2017

圖6為2005—2017年同位相年盛夏降水SEOF第一模態(tài)回歸得到的500 hPa高度場以及850 hPa風(fēng)場，同位相年7月(圖6a)與反位相年相比，西太平洋地區(qū)正異常區(qū)域更為顯著，此時副熱帶高壓異常偏強(qiáng)，同時吉林省上空受正異?？刂疲邭鈮撼霈F(xiàn)往往對應(yīng)副熱帶高壓異常西伸，結(jié)合圖6c吉林地區(qū)位于氣旋中心區(qū)域，利于產(chǎn)生上升運動，造成降水增多；同位相年8月(圖6b)在東亞低緯度的高度場配置與7月基本相同，均呈現(xiàn)顯著的正異常，副熱帶高壓強(qiáng)度同樣偏強(qiáng)，但吉林省上空受到負(fù)異常影響，副熱帶高壓異常偏北，結(jié)合圖6d吉林省受氣旋控制，降水特征與7月基本一致。

綜上可知，在吉林省盛夏降水的反位相年中7月降水與NAEW及東亞太平洋遙相關(guān)(EAP)有關(guān)；而8月降水與歐亞遙相關(guān)(EU)有關(guān)；同位相年中7月、8月降水則與副熱帶高壓、強(qiáng)度位置和日本上空高度異常有關(guān)，其中同位相年經(jīng)歷了強(qiáng)ENSO事件，副熱帶高壓偏西、偏北，吉林地區(qū)受氣旋環(huán)流影響，降水偏多。

2.3.2 兩種降水模態(tài)與西太平洋副熱帶高壓的關(guān)系

從上述正負(fù)位相年的500 hPa高度場可以看出，無論何種高度場配置，西太平洋副熱帶地區(qū)均存在異常。因此根據(jù)上文選取的反位相和同位相期間低值與高值年，選取588 dagpm包圍的反氣旋作為西太平洋副熱帶高壓進(jìn)行合成分析。圖7a是反位相年期間其低值和高值年在500 hPa副熱帶高壓分布情況，如圖所示高值年與低值年副熱帶高壓位置在7月南北變化顯著，8月東西變化顯著，而高值年7月降水多而8月少時，副熱帶高壓7月較8月偏強(qiáng)，偏西，反之亦然。圖7b是同位相年期間低值和高值年副熱帶高壓分布情況，高值年7月、8月副熱帶高壓較低值年異常偏西偏北，面積偏大，8月比7月更顯著，當(dāng)同位相年副熱帶高壓異常西伸北進(jìn)、面積增大時，此時吉林地區(qū)受氣旋控制，高層輻散，產(chǎn)生上升運動，這種情況下利于降水。

圖7 吉林省7月、8月西太平洋副熱帶高壓1986—2004年反位相年(a)和2005—2017年同位相年(b)位置合成Fig.7 Composite graphs of a position of the western Pacific subtropical high for out-of-phase years from 1986 to 2004(a)and in-of-phase years from 2005 to 2017(b)in July and August in Jilin province

3 結(jié)論

(1)吉林省7月、8月降水主要以全區(qū)一致變化為主，1961—2017年兩個月份存在正反兩個位相變化，整個吉林省均表現(xiàn)為正(負(fù))異常。

(2)吉林省7月、8月降水在1986—2004年基本呈現(xiàn)反位相變化，即7月多(少)，8月降水少(多)。2005—2017年呈現(xiàn)同位相變化，即7月少(多)，8月降水少(多)。

(3)1986—2004年吉林省反位相年中7月降水與NAEW及東亞太平洋遙相關(guān)(EAP)有關(guān)，而8月降水與歐亞遙相關(guān)(EU)有關(guān)，2005—2017年同位相年當(dāng)中7月、8月降水與副熱帶高壓強(qiáng)度和位置有關(guān)。

(4)吉林省盛夏降水同西太平洋副熱帶高壓有著密切關(guān)系。反位相年高、低值年副熱帶高壓東西位置差異顯著，同位相年期間副熱帶高壓異常西伸北進(jìn)、面積增大。