2018 年7 月黃河流域降水異常特征及其成因分析

劉 靜，王春青，靳莉君，張利娜，王 鵬

（黃河水利委員會 水文局，河南 鄭州 450004）

黃河是我國的第二大河，其降水資源是流域內(nèi)水資源的主要來源，對整個流域的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人民生活具有重要的作用［1-2］。 黃河流域大部分地區(qū)屬于干旱、半干旱地區(qū)，降水偏少、變率大［3-4］，且季節(jié)性明顯，汛期（6—9 月）降水量占全年的70%左右，主汛期（7—8 月）降水量占全年的40%以上，汛期洪澇災(zāi)害頻繁、季節(jié)性干旱缺水，嚴(yán)重影響沿黃地區(qū)人民群眾的生產(chǎn)和生活。 因此，對黃河流域汛期旱澇情況的研究是一項十分有意義的工作。 環(huán)流形勢的異常直接導(dǎo)致降水的異常，已有研究表明，黃河流域汛期降水受東亞副熱帶和中高緯大氣環(huán)流的共同影響，影響系統(tǒng)主要有南亞高壓、東亞高空急流、貝加爾湖附近低槽、西北太平洋副熱帶高壓等，東亞高度場負(fù)距平直接造成流域汛期降水偏少，而形勢場“西低東高”的配置造成降水偏多［5-11］。 海溫是影響大氣環(huán)流和天氣氣候的重要外強迫因子，其中赤道東太平洋海溫異常的作用尤為重要［7，12］，ENSO 的不同循環(huán)階段，大氣環(huán)流及降水分布對它的響應(yīng)是不同的［13］。 郝立生等［14］認(rèn)為，ENSO 事件的發(fā)展階段，中國江淮流域和長江中下游地區(qū)夏季降水偏多，而華北和江南降水偏少。 張善強［7］研究指出赤道東太平洋指數(shù)與黃河流域夏季降水成負(fù)相關(guān)關(guān)系。 除赤道東太平洋以外，熱帶西太平洋、北太平洋、印度洋等海域的海溫異常亦對中國氣候有重要影響［15-17］。

2018 年汛期黃河流域降水整體偏多，其中7 月偏多尤為明顯，平均降水量達140.3 mm，為2000 年以來第二多。 7 月強降水過程頻發(fā)，使干支流相繼漲水。黃河上游先后出現(xiàn)2 次編號洪水，蘭托（蘭州至托克托）區(qū)間多條支流出現(xiàn)建站以來最大流量，黃河最大支流渭河連續(xù)發(fā)生兩次洪水過程，潼關(guān)站出現(xiàn)中游入汛以來最大洪水。 本文在分析2018 年7 月黃河流域降水異常的基礎(chǔ)上，探討大氣環(huán)流和海溫異常對降水的可能影響，旨在為黃河流域汛期降水預(yù)測提供一定的依據(jù)。

1 資料和方法

本文采用的資料有：①中國氣象局國家氣象信息中心提供的244 站日降水資料，數(shù)據(jù)時段為1961—2018 年；②NCEP／NCAR 提供的高度場、風(fēng)場和比濕場的逐月再分析資料，水平分辨率為2.5°×2.5°；③英國氣象局Hadley 氣候預(yù)測和研究中心提供的1961—2018 年逐月海溫資料［18］，該資料主要源自英國氣象局海溫數(shù)據(jù)庫（MDB），缺乏觀測的地方用綜合海洋-大氣資料集（COADS）進行補充，空間范圍覆蓋全球，空間分辨率為1.0°×1.0°；④NOAA 提供的出射長波輻射（Outgoing Longwave Radiation，OLR）月平均資料，水平分辨率為2.5°×2.5°。 資料的氣候態(tài)為1981—2010年平均，冬季、春季分別為前一年12 月至當(dāng)年2 月、3—5 月。 本文使用了相關(guān)分析、回歸分析等統(tǒng)計方法。

2 2018 年7 月黃河流域降水異常特征

2018 年7 月，黃河流域平均降水量140.3 mm，較常年同期（99.2 mm）偏多41.5%，為1961 年以來第八多、2000 年以來第二多。 從空間分布（見圖1（a））上看，多雨區(qū)大致呈東北-西南走向，自山陜北部、汾河北部經(jīng)山陜南部、涇渭洛河上中游至蘭州一線東南部，其中累計降水量最大值為呼和浩特站284.6 mm；少雨區(qū)位于河源區(qū)、蘭托區(qū)間以及黃河下游，其中累計降水量最小值為長垣站16.1 mm。 從降水量距平百分率空間分布（見圖1（b））上看，黃河上中游大部降水偏多、下游偏少，統(tǒng)計各分區(qū)情況，蘭托區(qū)間、山陜北部、山陜南部、涇渭河、汾河偏多50%以上，下游偏少44.9%，其中蘭州以上、蘭托區(qū)間、涇渭河為1961 年以來前三多，山陜北部為第六多，而下游為第四少（見表1）。

圖1 2018 年7 月黃河流域降水實況

表1 2018 年7 月黃河流域分區(qū)降水量統(tǒng)計

3 2018 年7 月大尺度環(huán)流異常分析

大氣環(huán)流異常是導(dǎo)致降水異常的直接原因［19-20］。下面討論2018 年7 月對流層高、中、低層大氣環(huán)流異常對黃河流域降水的影響。

圖2（a）給出了200 hPa 位勢高度場，紅色虛線為氣候平均12 520 gpm 和12 560 gpm，陰影和綠色虛線分別為2018 年7 月和氣候平均副熱帶西風(fēng)急流（風(fēng)速大于20 m／s）。 可以看出，2018 年7 月南亞高壓強度異常偏強，影響范圍異常偏廣，向東延伸至日本。 此外，副熱帶西風(fēng)急流位置較常年偏北，黃河流域大部位于急流南側(cè)的輻散區(qū)內(nèi)。 已有研究表明，副熱帶西風(fēng)急流附近存在強烈的水平和垂直風(fēng)切變，其強度和位置的變化對東亞氣候有重要影響［14］，當(dāng)急流位置異常偏北時，有利于我國降水出現(xiàn)“北多南少”的分布態(tài)勢［2，21-22］。

500 hPa 高度距平場上，歐亞中高緯度呈現(xiàn)“+-+”的異常分布特征，烏拉爾山及鄂霍次克海以北的高壓脊向極地發(fā)展，極渦受擠壓向南延伸，在中西伯利亞—貝加爾湖—新疆地區(qū)形成一狹長的低壓槽（見圖2（b），紅色實線為氣候平均5 860 gpm 和5 880 gpm），槽后西北氣流引導(dǎo)極地冷空氣流入巴爾喀什湖—貝加爾湖一帶，造成中緯度不斷分裂低槽東移南下，挾帶冷空氣影響黃河流域。 同時，我國東北、華北、江淮一帶為正距平區(qū)，西北太平洋副熱帶高壓較常年同期明顯偏西偏北，有利于將大洋上的暖濕空氣向北輸送，并與來自中高緯度的冷空氣匯合，造成黃河流域降水異常偏多。

700 hPa 距平風(fēng)場（見圖2（c））上，菲律賓以東西北太平洋洋面上為異常氣旋式環(huán)流，而我國東北至日本海為異常反氣旋式環(huán)流，兩者之間形成了強大的異常偏東風(fēng)，經(jīng)華東沿海一帶進入我國上空后，其北部分支沿異常反氣旋西側(cè)發(fā)生轉(zhuǎn)向，在我國北方上空形成了一致的異常偏南風(fēng)。 低層風(fēng)場的這種異常分布有利于將西北太平洋的水汽向黃河流域輸送，并在流域上中游大部地區(qū)形成異常的水汽通量輻合區(qū)（見圖2（d）），為降水異常偏多提供了豐沛的水汽條件。

圖2 2018 年7 月環(huán)流形勢場和水汽場

通過對大氣環(huán)流異常的分析可知，2018 年7 月的環(huán)流形勢是黃河流域降水異常偏多年的典型環(huán)流形勢［7-10］，即南亞高壓異常加強東伸，東亞副熱帶西風(fēng)急流位置異常偏北，巴爾喀什湖至貝加爾湖一帶受低壓槽控制，西太平洋副高異常偏西偏北，東亞中高緯度環(huán)流呈現(xiàn)“西低東高”的配置，中高緯度不斷分裂南下的冷空氣與副高西北側(cè)的暖濕氣流在黃河流域交匯，造成黃河流域降水整體偏多。

4 2018 年7 月黃河流域降水異常與海溫的聯(lián)系

海溫通過海氣相互作用對大尺度大氣環(huán)流產(chǎn)生影響，它是降水預(yù)測必不可少的一個參考指標(biāo)［23-25］。2017 年秋季至2018 年春季赤道中東太平洋出現(xiàn)了一次弱拉尼娜事件，其冷中心位于赤道東太平洋［11］，6月赤道中東太平洋大部海溫已轉(zhuǎn)為弱的正距平，7 月正距平的范圍略有擴大（見圖3）。 此外值得關(guān)注的是，從春季開始，北太平洋中部海溫上升明顯，7 月更甚，距平中心達2 ℃。 下面將著重討論赤道中東太平洋以及北太平洋海溫對大氣環(huán)流以及黃河流域降水的可能影響。

圖3 2018 年各時段海溫距平場（單位：℃）

4.1 赤道中東太平洋海溫影響

在拉尼娜事件結(jié)束后，2018 年6 月、7 月赤道中東太平洋海溫已轉(zhuǎn)為正距平，但其上空仍存在較弱的異常下沉氣流，而熱帶西北太平洋上空為異常上升氣流，即沃克環(huán)流加強，仍表現(xiàn)為類拉尼娜狀態(tài)下的緯向環(huán)流異常響應(yīng)。 這說明前期赤道中東太平洋海溫對6月、7 月大氣環(huán)流有明顯的滯后影響。 統(tǒng)計1961—2018 年7 月黃河流域區(qū)域平均降水量與前期春季海溫的相關(guān)場（圖略），結(jié)果表明，赤道太平洋相關(guān)系數(shù)大值區(qū)位于東太平洋，與2017／2018 年拉尼娜事件的冷中心區(qū)相一致，因此采用Nino3 指數(shù)討論赤道太平洋海溫與大氣環(huán)流以及黃河流域降水的關(guān)系。

1961—2018 年春季Nino3 指數(shù)與同年7 月黃河流域平均降水量的相關(guān)系數(shù)為-0.15，與黃河流域各站點7 月降水量的相關(guān)場（圖略）顯示，當(dāng)春季Nino3 區(qū)海溫偏低時，7 月黃河流域大部地區(qū)降水偏多。 根據(jù)春季Nino3 指數(shù)回歸的7 月OLR 場和700 hPa 風(fēng)場（見圖4）顯示，當(dāng)春季Nino3 區(qū)海溫偏低時，后期7 月菲律賓以東熱帶西北太平洋上空的對流異常旺盛，并在低層出現(xiàn)一個異常氣旋式環(huán)流。 2018 年7 月OLR 場、700 hPa 風(fēng)場同回歸場非常相似，說明7 月大氣環(huán)流場對前期春季Nino3 區(qū)海溫異常有明顯的滯后響應(yīng)。 當(dāng)前期春季赤道中東太平洋海溫異常偏低時，后期7 月赤道東太平洋上空為異常下沉氣流，熱帶西北太平洋上空為異常上升氣流，強盛的對流活動在菲律賓以東激發(fā)出一個異常的氣旋式環(huán)流，使得西太平洋副高異常偏北［26-28］，有利于黃河流域降水偏多。

4.2 北太平洋海溫影響

由圖3 可知，從2018 年春季開始，中緯度北太平洋海溫持續(xù)偏高，已有的研究指出，北太平洋中部海溫偏高，有利于我國降水出現(xiàn)北多南少的形勢［17，29］。 為分析北太平洋海溫對大尺度大氣環(huán)流的影響，定義北緯30°—45°、東經(jīng)140°—西經(jīng)140°區(qū)域平均的海表溫度為北太平洋海溫指數(shù)，并計算了7 月海溫指數(shù)與500 hPa 位勢高度的相關(guān)場（圖5（c）），結(jié)果顯示，歐亞大陸中高緯的相關(guān)系數(shù)自西向東呈“+-+”分布，北太平洋呈“北+南-”分布，且中心區(qū)域均通過α＝0.1顯著性檢驗，表明當(dāng)7 月中緯度北太平洋海溫偏高時，同期500 hPa 高度場上烏拉爾山和鄂霍次克海附近為高壓脊控制，巴爾喀什湖至貝加爾湖之間受低壓槽控制，同時西太平洋副高異常偏北，這種分布形勢與2018 年7 月500 hPa 高度場（圖2（b））非常相似。 前期春季以及6 月北太平洋海溫指數(shù)與7 月500 hPa 高度的相關(guān)場（圖5（a）、圖5（b））同圖5（c）基本一致，但歐亞中高緯度上空通過顯著性檢驗的區(qū)域明顯縮小，說明大氣環(huán)流對北太平洋海溫的同期響應(yīng)較為顯著，而滯后響應(yīng)相對較弱。 由此可見，中緯度北太平洋海溫異?？勺鳛? 月黃河流域降水預(yù)測一個重要的參考指標(biāo)。

圖5 1961—2018 年各時段北太平洋海溫指數(shù)與同年7 月500 hPa 位勢高度相關(guān)場（陰影表示通過α＝0.1 顯著性檢驗的區(qū)域）

5 結(jié) 論

利用黃河流域244 個氣象站逐日降水資料、NCEP／NCAR 逐月再分析資料、英國氣象局Hadley 氣候預(yù)測和研究中心的月平均海溫資料等，首先揭示了2018 年7 月黃河流域降水的異常特征，然后分析了造成該異常的大氣環(huán)流特征，最后討論了海溫對降水異常的可能影響，主要結(jié)論如下。

（1）2018 年7 月，黃河流域平均降水量為140.3 mm，較常年同期偏多41.5%，為1961 年以來第八多、2000 年以來第二多。 就各分區(qū)而言，黃河上中游大部降水偏多、下游偏少，其中蘭托區(qū)間、山陜北部、山陜南部、涇渭河、汾河偏多50%以上。

（2）大氣環(huán)流異常是造成黃河流域降水異常偏多最直接的原因。 2018 年7 月，南亞高壓異常加強東伸，東亞副熱帶西風(fēng)急流位置異常偏北，黃河流域大部位于急流南側(cè)的輻散區(qū)內(nèi)；東亞中高緯度環(huán)流呈現(xiàn)“西低東高”的形勢，巴爾喀什湖至貝加爾湖一帶受低壓槽控制，西北太平洋副熱帶高壓異常偏西偏北，與東北亞的高壓脊同位相疊加，中高緯不斷分裂南下的冷空氣與副高西北側(cè)的暖濕氣流在黃河流域交匯，造成流域降水整體偏多。

（3）大氣環(huán)流異常在很大程度上受海溫異常的影響，2018 年7 月熱帶和副熱帶大氣環(huán)流場對前期春季Nino3 區(qū)海溫異常有明顯的滯后響應(yīng)。 前期春季Nino3 區(qū)海溫異常偏低，7 月赤道東太平洋上空為異常下沉氣流，熱帶西北太平洋上空為異常上升氣流，即熱帶太平洋仍表現(xiàn)為類拉尼娜狀態(tài)下的緯向環(huán)流異常響應(yīng)。 西北太平洋上空強盛的對流活動在菲律賓以東激發(fā)出異常的氣旋式環(huán)流，造成西太平洋副高異常偏北。此外，從春季開始持續(xù)偏高的北太平洋海溫亦對環(huán)流異常有明顯的影響，當(dāng)中緯度北太平洋海溫偏高時，亞

洲中高緯度出現(xiàn)“西低東高”的環(huán)流形勢，且西太平洋副高易偏北，有利于黃河流域降水偏多。