黑龍江省冬季降雪的變化特征及其影響因子分析

壽佳慧

關(guān)鍵詞：黑龍江省;降雪;變化特征;影響因子

1 引言

黑龍江省位于中高緯地區(qū)，是中國最北部的一個(gè)省。每年從9月份起至翌年的5月份，黑龍江省的降水形式表現(xiàn)為降雪。隨著全球地表溫度的日趨增高，兩極地區(qū)的冰川和高原上的積雪將融化，這必將對周圍大氣中平均水汽含量有著重要的影響。本文選取黑龍江省24個(gè)代表站點(diǎn)資料（呼瑪、嫩江、孫吳、北安、克山、富裕、海倫、明水、伊春、富錦、泰來、北林（綏化）、安達(dá)、鐵力、佳木斯、依蘭、寶清、哈爾濱、通河、尚志、雞西、虎林、牡丹江、綏芬河），冬季12月資料從1960-2009年，1月資料從1961-2010年，2月資料從1961-2010年。利用2.5°×2.5°NCEP/NCAR再分析（NCEP/NCAR：有時(shí)不同的氣象個(gè)例中往往會(huì)包含著共同的物理本質(zhì)，或者不同的個(gè)例之間具有統(tǒng)計(jì)上的某些相似特征。合成分析方法可以分析在不同氣候背景條件下，變量有無明顯的不同，或者說多種氣候態(tài)是否對變量有顯著影響）。逐月資料，包括850hPa風(fēng)場、500hPa高度場、200hPa風(fēng)場資料，對黑龍江省近50年來冬季平均降雪的年代際變化特征進(jìn)行了研究，重點(diǎn)分析了冬季平均降雪的時(shí)空異常特征和影響降雪變化的主要因子，以期待對黑龍江省冬季降雪變化的研究工作和日常的氣象業(yè)務(wù)工作有一定的幫助。

2 黑龍江省冬季降雪時(shí)空變化特征

對1960-2009年黑龍江省冬季（12，1，2月）平均降雪距平場進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（EOF）分析（EOF主要的功能是從氣象變量場的資料集中識別出主要的相互正交的空間分布型和從多變量序列中提取主要的相互正交獨(dú)立的新變量序列，用少數(shù)幾個(gè)新變量序列來反映原來多個(gè)變量的變化信息），以研究近50年黑龍江省冬季平均降雪時(shí)空變化特征。黑龍江省冬季平均降雪距平EOF分析中第一、二、三模態(tài)的方差貢獻(xiàn)分別為53.5%、13.5%、7.7%。

圖1a呈現(xiàn)出全區(qū)一致型的分布，而且空間變率表現(xiàn)為西部小東部大的特征。這樣的分布形式充分表明，盡管黑龍江省地形種類較多，但冬季平均降雪異常的空間分布非常一致。圖1b表現(xiàn)出明顯的年際和年代際變化特征。1960-1979年期間第一時(shí)間系數(shù)為明顯的負(fù)值。20世紀(jì)80和90年代，第一時(shí)間系數(shù)出現(xiàn)準(zhǔn)2-4年震蕩的特征;而進(jìn)入21世紀(jì)后，第一時(shí)間系數(shù)為明顯的正值。由此說明黑龍江省的降雪從20世紀(jì)80年代之后呈現(xiàn)明顯的增加趨勢。

圖2a呈現(xiàn)出南正北負(fù)的反向分布特征。圖2b表現(xiàn)出明顯的年際和年代際變化特征。1960-1999年期間的絕大多數(shù)年份的第二時(shí)間系數(shù)為正數(shù)。而進(jìn)入21世紀(jì)后，第一時(shí)間系數(shù)為明顯的負(fù)值，表明21世紀(jì)初期黑龍江地區(qū)降雪為北多南少的變化趨勢。

圖3a表現(xiàn)出黑龍江省中西部與東部反位相的分布。圖3b表現(xiàn)出明顯的年際和年代際變化特征。20世紀(jì)90年代之前第三時(shí)間系數(shù)在零值附近波動(dòng)，20世紀(jì)70年代表現(xiàn)出準(zhǔn)2-4年震蕩的特征。而進(jìn)入20世紀(jì)90年代之后，第三時(shí)間系數(shù)相對之前發(fā)生了較大的波動(dòng)，年與年之間差異較大。再者，絕大多數(shù)年份的時(shí)間系數(shù)為負(fù)值。

3 黑龍江省冬季平均降雪年代際變化的成因分析

在對黑龍江省冬季平均降雪年代際異常進(jìn)行研究時(shí)，除了考慮高緯冷空氣的活動(dòng)情況，還要考慮水汽輸送對降雪的影響。本文將從500hPa位勢高度場、850hPa風(fēng)場出發(fā)，討論黑龍江省冬季平均降雪年代際變化與大氣環(huán)流異常之間的關(guān)系。

圖4給出了時(shí)間段A和B兩個(gè)時(shí)期冬季500hPa平均位勢高度和距平場的分布。由圖4a可知，時(shí)間段A冬季平均降雪量異常偏少時(shí)，500hPa位勢高度在極地和亞洲中高緯地區(qū)為大范圍的負(fù)距平區(qū)域。平均的位勢高度場表明極地低壓強(qiáng)度較平均年偏強(qiáng)，范圍偏大。極地低壓偏強(qiáng)使得冷空氣都在極地聚集，不易向低緯度地區(qū)輸送。東亞大槽位于日本海附近，槽區(qū)為位勢高度為負(fù)異常，說明東亞大槽較常年深厚。貝加爾湖至我國內(nèi)蒙古地區(qū)在500hPa位勢高度場上為一脊，強(qiáng)度較平均年變化不明顯。黑龍江省位于貝加爾湖高壓脊的前部和東亞大槽的后部西北氣流的控制下，且東亞大槽偏強(qiáng)，經(jīng)向環(huán)流更強(qiáng)，不利于南方暖濕空氣向北的輸送，從而使得冬季平均降雪量異常偏少。

由圖4b可知，時(shí)間段B冬季平均降雪量異常偏多時(shí)，500hPa位勢高度與時(shí)間段A情況幾乎相反，在極地和亞洲中高緯地區(qū)為大范圍的正異常。500hPa平均的位勢高度場可以看出，這個(gè)時(shí)期極地低壓的范圍相比降雪偏少時(shí)要小，中心位置偏向格陵蘭島和北美洲。此外極地地區(qū)的500hPa位勢高度距平場為正異常，表明極渦強(qiáng)度小于多年平均值，即極渦偏弱。這使得冷空氣不易在極地區(qū)域聚集，容易向周圍擴(kuò)散，特別是向中緯度地區(qū)輸送。東亞大槽位于日本海附近，槽區(qū)為位勢高度為正異常，說明東亞大槽較常年強(qiáng)度偏弱，位置偏西。貝加爾湖至我國內(nèi)蒙古地區(qū)在500hPa位勢高度場上為一脊，強(qiáng)度較平均年變化不明顯。黑龍江省位于貝加爾湖高壓脊的前部和東亞大槽的后部偏西氣流的控制下，且東亞大槽偏弱，經(jīng)向環(huán)流較弱，緯向氣流增強(qiáng)。緯向環(huán)流形勢的增加有利于熱帶以及西北太平洋地區(qū)暖濕空氣向北的輸送，與中高南下的干冷空氣交匯，從而使得冬季平均降雪量異常偏多。

根據(jù)準(zhǔn)地轉(zhuǎn)關(guān)系我們知道，當(dāng)500hPa平均位勢高度場發(fā)生變化時(shí)，高低層風(fēng)場必然會(huì)伴隨著相應(yīng)調(diào)整。因此下面從850hPa風(fēng)場出發(fā)，探討850hPa風(fēng)場異常與黑龍江省冬季平均降雪年代際異常之間的關(guān)系。

圖5a給出了時(shí)間段A中850hPa風(fēng)場距平分布，由圖可知，在高緯存在異常的氣旋性環(huán)流，表明極地冷空氣向南輸送的強(qiáng)度較常年較弱。貝加爾湖東部地區(qū)對流層中低層存在一反氣旋性異常環(huán)流，內(nèi)蒙古高原為一異常氣旋性，黑龍江省位于異常反氣旋性環(huán)流的前部偏北氣流控制下。鄂霍次克海存在異常的反氣旋環(huán)流，存在暖濕水汽的輸送，但水汽未能到達(dá)黑龍江省而是至俄羅斯境內(nèi)。日本海為一弱的氣旋環(huán)流，中國南方地區(qū)上空存在異常的反氣旋環(huán)流，黃河地區(qū)為異常的偏西氣流，這表明南方的水汽未能向北輸送。綜上可知，冷空氣向南輸送偏弱，暖濕水汽未能達(dá)到黑龍江地區(qū)，所以時(shí)間段A冬季平均降雪量異常偏少。

圖5b給出了時(shí)間段B中850hPa風(fēng)場距平分布，由圖可知，在高緯存在異常的反氣旋性環(huán)流，高緯以偏北氣流為主，這表明極地冷空氣向南輸送的強(qiáng)度較常年較強(qiáng)。高緯貝加爾湖地區(qū)對流層中低層為氣旋性異常環(huán)流控制，內(nèi)蒙古高原為一異常反氣旋性環(huán)流，黑龍江省位于異常氣旋性環(huán)流的前部西南氣流控制下。日本海存在異常的反氣旋環(huán)流，它將西北太平洋暖濕的水汽輸送至我國的黑龍江省。同時(shí)中國南方地區(qū)上空存在異常的氣旋環(huán)流，這個(gè)氣旋環(huán)流也將有助于引導(dǎo)西太平洋暖濕水汽經(jīng)我國沿海地區(qū)北上。綜上可知，冷空氣向南輸送偏強(qiáng)，加上暖濕水汽輸送到黑龍江地區(qū)，所以時(shí)間段B冬季平均降雪量異常偏多。

下面將從高低層相互作用的角度來討論黑龍江省冬季平均降雪量異常成因，主要是探討散度場變化情況。當(dāng)散度數(shù)值大于零時(shí)表示輻散流場，數(shù)值小于零時(shí)表示輻合流場。圖6a給出了時(shí)間段A中850hPa散度距平場分布情況。由圖可知這期間我國內(nèi)蒙古地區(qū)850hPa散度距平值為正，表明存在著風(fēng)場的異常輻散，對應(yīng)著下沉氣流增強(qiáng)，上升氣流減弱。圖6c給出了時(shí)間段B中850hPa散度距平場分布情況，兩個(gè)時(shí)期850hPa散度場距平場基本表現(xiàn)為相反的位相分布。由圖可知這期間我國內(nèi)蒙古地區(qū)850hPa散度距平值為負(fù)，表明存在著風(fēng)場的異常輻合，對應(yīng)著上升氣流增強(qiáng)，下沉氣流減弱。由圖6b可知，時(shí)間段A內(nèi)蒙古地區(qū)上空300hPa散度距平值為負(fù)，表明存在著風(fēng)場的異常輻合，低層輻散、高層輻合表現(xiàn)為下沉運(yùn)動(dòng)，所以這個(gè)時(shí)間段A冬季平均降雪量異常偏少。由圖6d可知，時(shí)間段B內(nèi)蒙古地區(qū)上空300hPa散度距平值為正，表明存在著風(fēng)場的異常輻散，低層輻合、高層輻散表現(xiàn)為上升運(yùn)動(dòng)，所以在時(shí)間段B冬季平均降雪量異常偏多。

綜上所述可知，當(dāng)?shù)蛯拥?50hPa風(fēng)場表現(xiàn)為輻合流場，高層的300hPa風(fēng)場表現(xiàn)為輻散流場時(shí)，黑龍江省冬季平均降雪量異常往往偏多，反之亦然。

4 結(jié)論

本文利用黑龍江省24個(gè)氣象觀測站降水資料，對近50年來黑龍江省冬季平均降雪的時(shí)空異常特征和影響降雪變化的主要因子進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：（1）黑龍江省冬季各月年平均降雪量空間上呈現(xiàn)西少東多的特征。（2）黑龍江省冬季平均降雪距平EOF分析中第一模態(tài)呈現(xiàn)出全區(qū)一致型的分布，而且空間變率表現(xiàn)為西部小東部大的特征。第二模態(tài)呈現(xiàn)出南正北負(fù)的分布特征。第三模態(tài)表現(xiàn)出黑龍江省中西部與北部及東部反位相的三極型分布。（3）1960-2009年期間黑龍江省冬季平均降雪量呈現(xiàn)出整體的上升趨勢，且在1998年冬季平均降雪發(fā)生了顯著的年代際轉(zhuǎn)折。（4）500hPa位勢高度場上極地低壓以及東亞大槽強(qiáng)度偏弱，有利于日本海和西太平洋洋面上暖濕水汽向我國黑龍江省輸送;850hPa風(fēng)場上，黑龍江省位于異常氣旋性環(huán)流的前部西南氣流控制下;低層的850hPa風(fēng)場表現(xiàn)為輻合流場，高層的300hPa風(fēng)場表現(xiàn)為輻散流場時(shí)，這樣的環(huán)流形勢有利于黑龍江省冬季平均降雪量異常偏多，反之亦然。