2019年12月吉林省降水異常偏多成因分析

李天宇 張麗 付冬雪 李曉帆 劉寧

(1.吉林省氣候中心，吉林 長春 130062；2.河北省氣候中心，河北 石家莊 050021)

引言

在全球變暖的背景下，由于極端氣候事件對平均氣候態(tài)的異常表現(xiàn)更加敏感，氣候態(tài)的異常引起的極端氣候事件發(fā)生強(qiáng)度和頻率的明顯變化，特別是山洪、泥石流、雨雪冰凍等災(zāi)害的極端降水事件，受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-4]。許多研究表明，極端降水事件在不同強(qiáng)度、不同區(qū)域上存在顯著的差異[5-8]。在時間尺度上，北方地區(qū)極端降水事件存在年代際變化——20世紀(jì)80年代中期之后明顯偏多；在空間尺度上，中國東北西部有增加趨勢，而東北東部和華北大部分地區(qū)則趨于減少[9]。陳海山等[10]通過對大氣內(nèi)部天氣尺度的研究，分析了長江中下游地區(qū)冬季極端降水事件的成因，指出天氣尺度瞬變波動的異常和傳播可能是影響冬季極端降水事件的重要條件。陳傳雷等[11]在對2013年7月大連降水異常偏多的成因進(jìn)行診斷分析時，指出鄂霍茨克海阻塞高壓、貝加爾湖附近低壓槽以及西風(fēng)急流等高空天氣系統(tǒng)的配合為降水異常提供了充足的熱力和動力條件。除了環(huán)流異常，海洋、積雪等外強(qiáng)迫異常通過“海氣”、“冰氣”相互作用間接對區(qū)域降水異常也產(chǎn)生了顯著影響[12-14]。Fang 等[15]指出，4—5月的黑潮海溫升高激發(fā)了初夏的EU型遙相關(guān)造成東北冷渦降水減少。前期冬季北太平洋海溫異?？梢酝ㄟ^影響夏季副熱帶高壓、東亞夏季風(fēng)的變化引起中國東北降水異常[16-17]。Lian 等[18]的數(shù)值模式試驗結(jié)果表明，赤道中東太平洋海溫異常通過影響初夏東北冷渦的異常間接影響東北氣溫和降水異常。郭恒和肖子牛[19]在研究中國東北地區(qū)5月降水時，提出熱帶北大西洋海溫異常通過激發(fā)歐亞大陸位勢高度波列從而影響降水的年代際變化。這些結(jié)果表明，降水異常具有很強(qiáng)的區(qū)域性和年際變化特征，不同區(qū)域的異常降水受到不同系統(tǒng)和外強(qiáng)迫作用的影響。在討論吉林省降水異常時，不僅要研究環(huán)流的異常特征，對前兆外強(qiáng)迫信號的研究也很有必要。

吉林省位于中國東北腹地，是中國重要的糧食產(chǎn)地，氣候變率較大，自然災(zāi)害頻發(fā)，雖然冬季常年平均降水量不多，但由于溫度較低，降水異常的發(fā)生在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、水利和交通等各個方面引起嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。特別在近年來氣候異常變化的背景下，防災(zāi)減災(zāi)的服務(wù)需求日益增大，對氣候預(yù)測的業(yè)務(wù)要求日益增加。本文針對2019年12月吉林省異常降水(為常年同期降水量的227.5%，居1981年以來同期多雨雪第4位)的特征及其成因進(jìn)行了分析，并梳理了與之密切相關(guān)的日本附近關(guān)鍵區(qū)海溫的可能影響，為進(jìn)一步做好短期氣候預(yù)測業(yè)務(wù)、提高服務(wù)水平提供參考。

1 資料與方法

本文所使用的大氣環(huán)流資料為美國環(huán)境預(yù)報中心和國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)的再分析資料，包括逐月、水平分辨率為2.5°×2.5°、垂直層數(shù)為17層的位勢高度場(z)、水平風(fēng)場(u、v)、水汽場(q)等，時間為1981年1月至2019年12月。海溫數(shù)據(jù)取自美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)，水平分辨率為2°×2°，時間為1981年1月至2019年12月。觀測資料為吉林省50個臺站逐日降水?dāng)?shù)據(jù)。分析方法主要有相關(guān)分析、經(jīng)驗正交函數(shù)分解(EOF)、合成分析等。本文秋季平均為當(dāng)年9—11月的平均值，冬季平均為當(dāng)年12月和次年1月、2月的平均值。氣候態(tài)為1981—2010年的平均值。

2 結(jié)果分析

2.1 2019年12月吉林省降水異常特征

1981—2019年12月吉林省降水年際和年代際變化見圖1。由圖1可知，1981年以來吉林省12月降水有明顯增多的趨勢，20世紀(jì)80—90年代降水異常偏少，經(jīng)過21世紀(jì)初期的短暫振蕩調(diào)整，轉(zhuǎn)為降水年代際偏多的氣候背景。2019年12月吉林全省降水量為18.2 mm，為常年同期降水量的227.5%，降水明顯偏多，居1981年以來同期多雨雪第4位。

圖1 1981—2019年12月吉林省降水距平的年際和9 a滑動平均序列

由2019年12月吉林省降水距平百分率空間分布可以發(fā)現(xiàn)(圖2a)，除延邊中東部地區(qū)較常年偏少以外，其余吉林全省大部均較常年偏多。其中，中西部的白城、松原、長春和四平大部以及吉林城郊和舒蘭較常年同期多201%—664%，其余地區(qū)多4%—196%。12月出現(xiàn)3次主要降水過程(圖2b)，分別為9—13日、16—17日和28—30日，較常年分別多1倍、16倍和6倍，其中16—17日和28—30日兩次過程時段累積降水均為歷史同期第1位。2019年12月降水主要集中在中下旬，中下旬吉林全省平均降水較常年同期多172%，突破歷史同期多雨雪極值。

圖2 2019年12月吉林省降水距平百分率空間分布(a)和逐日時間序列(b)

2.2 2019年12月吉林省降水異常偏多的成因

2.2.1 大氣環(huán)流異常特征

2019年12月500 hPa位勢高度異常場見圖3a，歐洲至太平洋上空為“負(fù)—正—負(fù)—正”異常型分布，歐洲西部為位勢高度負(fù)異常，烏拉爾山附近上空為正高度異常，貝加爾湖及其以東地區(qū)上空為負(fù)高度異?？刂?，日本附近的西北太平洋上空為一反氣旋異常中心，中心距平達(dá)到70 gpm，這一反氣旋異常中心在低層的中心距平可以達(dá)到40 gpm(圖略)。東亞大槽從鄂霍茨克海向西南延伸，副熱帶高壓位置偏西略偏強(qiáng)，中國東北地區(qū)處于負(fù)高度距平控制下。此時，西北太平洋上空充足的水汽沿著反氣旋西側(cè)輸送到了中國東北地區(qū)上空，提供了水汽條件。配合貝加爾湖附近槽區(qū)的西風(fēng)氣流帶來的冷空氣，來自西北太平洋的暖濕氣流與來自貝加爾湖的冷空氣相遇，使得中國東北地區(qū)降水異常偏多。由海平面氣壓場及其距平場可知(圖3b)，歐洲至貝加爾湖附近地區(qū)為負(fù)異常，西伯利亞高壓偏弱，日本附近的西北太平洋為異常正距平。在850 hPa矢量風(fēng)距平場中(圖3c)，由于東亞冬季風(fēng)系統(tǒng)的減弱，中國東北地區(qū)為偏南風(fēng)異常，中國南方及西北太平洋上空的矢量風(fēng)將充足的水汽吹向中國東北，使水汽輸送在吉林省上空輻合，這在水汽輸送及輻合輻散距平場(圖3d)中也有所體現(xiàn)。這種高度場與水汽輸送的配合共同決定了吉林省12月降水異常偏多。

圖a等值線為位勢高度場，間隔為100 gpm，填色區(qū)域為位勢高度距平場；圖b等值線為海平面氣壓場，間隔為5 hPa，填色區(qū)域為海平面氣壓距平場；圖d 矢量箭頭為整層水汽輸送，單位為kg·m-1·s-1，填色區(qū)域為整層水汽通量散度，單位為10-5 kg·s-1·m-2

2.2.2 海溫異常對降水的影響

為了研究前期海溫異常對12月降水的影響，對1981—2019年吉林省50站12月降水量進(jìn)行了EOF分解，其中第一模態(tài)方差貢獻(xiàn)為64.7%，圖4a為第一模態(tài)空間特征向量，可以看出第一模態(tài)主要表現(xiàn)為降水全區(qū)一致型異常分布。計算第一模態(tài)空間特征向量所對應(yīng)的時間序列(圖4b)與前期秋季海溫場相關(guān)關(guān)系(圖4c)，發(fā)現(xiàn)西北太平洋日本附近區(qū)域存在顯著的正相關(guān)，對應(yīng)2019年秋季海溫異常偏高(圖4d)，中心距平達(dá)到了3 ℃以上，表明日本周邊的海溫異常變化可能引起后期冬季吉林省的降水異常變化。

圖c 等值線為相關(guān)系數(shù)，深、淺陰影分別為通過95%、90%信度的顯著性檢驗

圖5a為1981—2019年12月吉林省降水量與同期海溫的相關(guān)系數(shù)，二者在日本海及其東南的太平洋為顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.4以上，通過信度為95%的顯著性檢驗。圖5b至圖5d為9月海表面溫度分別與后期10月、11月、12月海溫的相關(guān)系數(shù)，即每個格點上各自的9月海溫序列分別與后期10月、11月、12月海溫序列的相關(guān)系數(shù)。9月海溫與10—12月海溫存在顯著正相關(guān)，9月與10月的海溫相關(guān)系數(shù)在日本東南部的太平洋區(qū)域達(dá)到0.8，這種相關(guān)性一直維持到12月。此時，日本東北及西南的太平洋區(qū)域相關(guān)系數(shù)有所減小，但日本海及其東南的太平洋區(qū)域維持顯著，關(guān)鍵區(qū)海溫增暖可以從9月持續(xù)至12月。

等值線為相關(guān)系數(shù)，深、淺陰影分別為通過95%、90%信度的顯著性檢驗

定義前期秋季關(guān)鍵區(qū)海溫指數(shù)(Sea Surface Temperature Index，SSTI)為與第一模態(tài)相關(guān)顯著的(25°—50°N,135°—160°E)區(qū)域平均的前期秋季海表面溫度。圖6為SSTI年際變化及其對應(yīng)的9 a滑動平均序列，可以看出關(guān)鍵區(qū)海溫存在明顯的年代際變化，自20世紀(jì)80年代初期開始存在明顯的升溫趨勢，80—90年代中期海溫異常偏低，90年代中期至今海溫異常偏高。12月吉林省降水的年代際變化(圖1)與關(guān)鍵區(qū)海溫的變化趨勢類似，二者年際變化序列相關(guān)系數(shù)為0.353，通過90%信度的顯著性檢驗。2019年12月為吉林省同期多雨雪第4位，關(guān)鍵區(qū)海溫指數(shù)為歷史同期第5位。1981—2019年的39 a中，海溫指數(shù)與降水同時為正(或負(fù))距平的年份占總年份的70%；在降水大于1倍標(biāo)準(zhǔn)差的7 a明顯多雨雪年份中，二者同時為正距平的年份有6 a；在降水小于1倍標(biāo)準(zhǔn)差的5 a少雨雪年份中，二者同時為負(fù)距平的年份為3 a。選定的關(guān)鍵區(qū)海溫正異常對降水偏多的指示效果好于負(fù)異常對降水偏少的指示效果。前期秋季關(guān)鍵區(qū)海溫的異常增暖可以作為12月吉林省降水異常增多的前兆信號。

圖6 1981—2019年秋季日本附近關(guān)鍵區(qū)海溫指數(shù)(SSTI)年際變化序列及其對應(yīng)的9 a滑動平均序列

圖7a為前期秋季關(guān)鍵區(qū)海溫異常偏暖年12月500 hPa高度及距平合成場，中高緯地區(qū)為經(jīng)向型環(huán)流，自歐洲西部至北太平洋為“負(fù)—正—負(fù)—正”型分布，歐洲西部為負(fù)異常中心，烏拉爾山附近為顯著正異常，貝加爾湖至中國東北部地區(qū)為深厚的負(fù)異常，北太平洋上空為正異常并向西南延伸至日本附近，烏拉爾山和鄂霍茨克海阻塞高壓活躍，東亞大槽異常偏強(qiáng)偏西。由海平面氣壓及距平合成場可知(圖7b)，北半球高緯地區(qū)為正異常，歐洲和貝加爾湖附近為負(fù)異常，北太平洋為“北正南負(fù)”型異常分布，東亞冬季風(fēng)減弱，有南風(fēng)異常，西伯利亞高壓偏弱，這在低層矢量風(fēng)距平合成場中也有所體現(xiàn)(圖7c)。由圖7c可知，日本附近的西北太平洋上空為反氣旋性異常，中國東部沿海為東南風(fēng)距平，進(jìn)而影響到中國東北地區(qū)轉(zhuǎn)為西南風(fēng)距平，中緯度歐亞大陸上為西風(fēng)距平，而北太平洋上空為強(qiáng)盛的東風(fēng)距平。與此同時，貝加爾湖附近的氣旋性異常在其東部有南風(fēng)異常，這種南風(fēng)異常也有利于日本附近海溫正異常的維持。

圖a、圖d等值線為500 hPa位勢高度合成場，單位為gpm，填色為距平合成場，單位為gpm，打點區(qū)域為通過90%信度的顯著性檢驗區(qū)域；圖b等值線為海平面氣壓合成場，單位為hPa，填色為距平合成場，單位為hPa，打點區(qū)域為通過90%信度的顯著性檢驗區(qū)域

與2019年12月的環(huán)流異常分布(圖3)對比可以看出，二者十分相似，特別是在日本以西地區(qū)，環(huán)流經(jīng)向度大，亞洲中高緯地區(qū)呈西低東高型分布，西伯利亞高壓偏弱，東亞冬季風(fēng)偏弱，有南風(fēng)異常。這種異常分布表明，當(dāng)前期秋季日本附近關(guān)鍵區(qū)海溫異常升高時，12月環(huán)流異常表現(xiàn)為，鄂霍茨克海至日本上空為異常反氣旋，阻塞高壓活躍，貝加爾湖附近地區(qū)為負(fù)高度距平，而這一區(qū)域在氣候平均場中為大陸冷高壓(西伯利亞高壓)，因此東亞冬季風(fēng)系統(tǒng)減弱，局地海溫的異常升高也導(dǎo)致水汽蒸發(fā)增加，配合減弱的東亞冬季風(fēng)為吉林省上空帶來了充足的水汽。另一方面，由于中緯度45°N附近為西風(fēng)距平，為中國東北地區(qū)帶來冷空氣，在槽前正渦度平流作用下，有上升運(yùn)動，這就為降水提供了動力條件。

在海溫異常偏冷年，異常環(huán)流的位置和形狀發(fā)生變化。圖7d為前期秋季日本附近關(guān)鍵區(qū)海溫異常偏冷年12月500 hPa高度及距平合成場，東北亞地區(qū)沿岸由北向南為“負(fù)—正—負(fù)”型異常分布，60°N以北的高緯度地區(qū)為顯著的氣旋性異常，30°—60°N的歐亞大陸東岸至西北太平洋為反氣旋性異常，副熱帶太平洋上空為顯著的氣旋性異常。海平面氣壓及其距平合成場(圖略)的異常分布與對流層中層相對應(yīng)，貝加爾湖以北的負(fù)距平使得60°N有強(qiáng)盛的西風(fēng)異常，中國東北地區(qū)盛行西風(fēng)異常，西伯利亞高壓偏強(qiáng)，東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)，中國東部沿海有北風(fēng)異常，這在低層矢量風(fēng)距平合成場(圖略)中也有所體現(xiàn)。與前期秋季日本附近關(guān)鍵區(qū)海溫異常偏暖年12月(圖7a至圖7c)及2019年12月環(huán)流異常分布對比(圖3)，冷海溫年時，貝加爾湖以北為顯著的負(fù)距平，西伯利亞高壓偏強(qiáng)，東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)，北風(fēng)異常。這種異常風(fēng)壓場配置無法為吉林省降水提供充足的水汽和動力條件，使得吉林省降水異常偏少。

3 結(jié)論與討論

(1)1981—2019年吉林省12月降水有明顯增多的趨勢，近幾年在降水年代際偏多的氣候背景下，2019年全省降水明顯偏多，居1981年以來同期多雨雪第4位。

(2)前期秋季日本附近關(guān)鍵區(qū)海溫異常偏高是12月吉林省降水異常偏多的驅(qū)動條件之一，在前期海溫異常偏暖年，12月環(huán)流異常表現(xiàn)為：鄂霍茨克海至日本上空為異常反氣旋，阻塞高壓活躍，貝加爾湖附近地區(qū)為負(fù)高度距平，東亞冬季風(fēng)系統(tǒng)減弱，局地海溫的異常升高使其上空的水汽含量增加，配合東亞冬季風(fēng)異常為吉林省上空帶來了充足的水汽；另一方面，由于中緯度45°N附近為西風(fēng)距平，為中國東北地區(qū)帶來冷空氣，在槽前正渦度平流作用下，有上升運(yùn)動，為降水提供了動力條件。

(3)在前期海溫異常偏冷年，12月環(huán)流異常表現(xiàn)為：東北亞地區(qū)沿岸由北向南為“負(fù)—正—負(fù)”型異常分布，高緯度地區(qū)為氣旋性異常，歐亞大陸東岸至西北太平洋為反氣旋性異常，副熱帶太平洋上空為顯著的氣旋性異常，中國東北地區(qū)盛行西風(fēng)，東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)，中國東部沿海有北風(fēng)異常，西伯利亞高壓偏強(qiáng)，吉林省降水的水汽和動力條件不足，降水異常偏少。

(4)吉林省處于中高緯地區(qū)，受到海洋、海冰、大氣等復(fù)雜因子的影響，這些因子之間是否存在協(xié)同作用，存在怎樣的協(xié)同作用，特別是對于2019年，印度洋海溫秋季至冬季持續(xù)異常，印度洋偶極子維持強(qiáng)正位相，印度洋海溫的強(qiáng)異常信號是否與日本附近海溫共同對大氣環(huán)流有所影響，從而對吉林省12月降水異常產(chǎn)生影響，這些影響的物理機(jī)制又是怎樣的，這些均有待進(jìn)一步的深入研究。