1961-2020年ENSO事件下黑龍江省盛夏降水異常大尺度環(huán)流成因分析

石紅艷，潘華盛，楊 寧，孫 琪

（1.雙鴨山市氣象局，黑龍江雙鴨山 155100；2.黑龍江省氣象臺，黑龍江哈爾濱 150030；3.黑龍江省氣象服務(wù)中心，黑龍江哈爾濱 150036）

引言

黑龍江省位于中國東北部是中國位置最北的省份（121°E～135°E，43.5°N～53.5°N），西北、北部有大、小興安嶺，東南部有完達(dá)山，西南及東北部有松嫩平原和三江平原，松花江貫穿兩大平原。黑龍江省是我國糧食產(chǎn)量和商品糧輸出第一大省，年平均降水量525 mm，其中盛夏降水量占全年降水量49%，占夏季降水量75%。1998年松花江-嫩江流域發(fā)生超百年一遇嚴(yán)重洪澇、2007年發(fā)生建國以來最嚴(yán)重的少水干旱，給國民經(jīng)濟造成嚴(yán)重?fù)p失，兩次災(zāi)害均發(fā)生在ENSO事件背景下。研究降水異常成因?qū)μ岣哳A(yù)測水平，應(yīng)對極端事件發(fā)生，做好應(yīng)急保障工作具有重要意義。黑龍江省具有特殊的寒溫帶氣候特點，既有東北地區(qū)降水一致的特點又有差異性［1-2］。1980年RASMUSSON等［3］提出了ENSO循環(huán)的季節(jié)“鎖相”特征，李春暉等［4］根據(jù)El Ni?o事件的爆發(fā)時間將El Ni?o分為2種類型：一類是4～6月爆發(fā)為春季型；另一類7～10月爆發(fā)為夏季型。影響東北夏季降水主要是春季爆發(fā)型，當(dāng)年夏季（5～10月）全國降水為南少北多（黑龍江南部和吉林遼寧大部多水），次年降水呈相反形式。劉楚薇等［5］指出在QBO西風(fēng)位相下El Ni?o和La Ni?a發(fā)展年，東北地區(qū)大部降水偏少；El Ni?o衰減年東北夏季降水偏多。賈小龍等［6］分析了東北區(qū)（7～8月）降水異常的大氣環(huán)流特征，多（少）水年，500 hPa中高緯西風(fēng)帶經(jīng)向加強（減弱），高度場呈“+-+（-+-）”波列分布。沈柏竹，胡泊等［7-8］分析5～6月和7～8月（盛夏）具有明顯差異性；初夏降水異常以冷渦活動影響為主，盛夏則以東亞夏季風(fēng)影響為主，西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱西太副高）西伸北進(jìn)影響東北地區(qū)盛夏降水偏多。李輯等［9-10］指出2010年盛夏遼寧降水嚴(yán)重偏多西太副高西伸北進(jìn)環(huán)流特征。周秀杰、張健等［11-12］對黑龍江省汛期降水進(jìn)行了分型。于梅［13］指出3～5月10°S以北的太平洋SST場EOF展開前3個模態(tài)時間系數(shù)與黑龍江省夏季降水關(guān)系密切。上述研究指出，影響東北區(qū)降水偏多環(huán)流特征主要是夏季（盛夏）850 hPa南風(fēng)偏強，西太副高西伸北進(jìn)；反之降水偏少。ENSO與北太平洋SST對夏季降水異常研究著重春、夏季。文中主要將盛夏（7～8月）降水作為研究對象，側(cè)重研究影響盛夏降水異常500 hPa環(huán)流為“亞洲環(huán)流/Ⅰ”即“ACI”型與盛夏ENSO SST遙相關(guān)影響下環(huán)流相互作用的關(guān)系，而涉及西太副高較少，并揭示ENSO事件下大尺度環(huán)流高、低空急流與流場分布的不同配置關(guān)系對降水異常影響。上述研究特點前人尚未提及。

1 資料和方法

高度場、風(fēng)場均選用NCEP/NCAR再分析資料包括1961-2020年7～8月1 000～100 hPa逐層位勢高度場及緯向風(fēng)850 hPa風(fēng)場；采用2.5°×2.5°水平經(jīng)緯網(wǎng)格計算；國家氣候中心提供的逐月西太副高指數(shù)以及赤道中東太平洋5°S～5°N，170°W～150°W區(qū)域內(nèi)海表溫度距平，即Ni?o3.4 SST指數(shù)、ENSO歷史事件資料；黑龍江省氣候中心提供1961-2020年黑龍江省盛夏62站7～8月62 d降水量。位勢高度場、Ni?o3.4 SST場網(wǎng)格資料采用（7、8月）平均；降水量和位勢高度的均值采用1981-2010年30年均值計算；盛夏降水量等級劃分（表1）。

表1 盛夏降水距平百分率等級標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Mid-summer precipitation anomaly percentage grade standard %

1.1 采用相關(guān)系數(shù)（以下簡稱相關(guān)）［14］計算

式中：xi，yi表示2個樣本變量監(jiān)測值表示2個樣本變量均值；r為2個變量序列相關(guān)系數(shù)；n為樣本長度n=60年。

1.2 整層垂直速度計算

垂直速度計算方法［15］其公式：

式中：ωp0和ωp為等壓面上p0和p上的垂直速度為水平散度，假定D隨p的變化是線性的，中間層分別是等壓面上p0和p上的散度，即可從低層逐層向高層計算各層的ωp。

垂直速度訂正：頂層訂正，在計算逐層ωp時，當(dāng)出現(xiàn)D=0層時ω值最大，隨高度升高ω值應(yīng)逐漸減?。贿_(dá)到對流層頂時ωp應(yīng)趨于零ωp=0。但有時ω值隨高度升高而增加，這樣須做適當(dāng)訂正。文中采用線性訂正公式計算（略）。地面層訂正，采用地形坡度水平氣流爬坡引起上升速度公式（略）。由邊界層摩擦輻合造成的ω公式（略）。地面ω隨高度衰減很快，可用奇次ω方程和地面邊界條件求得（見文獻(xiàn)［15］），不再贅述。

1.3 流場方法

流線法，流線各點切線方向與風(fēng)向一致。風(fēng)速大流線較密，反之較稀疏。為更確切的表示風(fēng)速大小，在流線場添加等風(fēng)速線，使流場分析更清楚［15］。

1.4 定義亞洲環(huán)流/I型

亞洲環(huán)流/I型（Asian Circulation/I Pattern）簡稱“ACI”環(huán)流型。500 hPaACI環(huán)流指數(shù)表達(dá)式：

式中：ACI為500 hPa高度距平（單位：gpm）；（Zyh）'為中亞區(qū)（100°～115°E，65～75°N）平均高度距平；（Fg）'為西太副高區(qū)（130°～140°E，25°～40°N）平均高度距平；（Dyd）'為東亞槽區(qū)（110°～130°E，40°～50°N）高度距平；ACI指數(shù)為正（負(fù)）值表示高度距平場經(jīng)向為“+（-）、-（+）、+（-）”波列形勢。

1.5 其它方法

多（少）水年高度場、風(fēng)場、高低空急流等物理量場，采用合成分析方法，反映差異的顯著性。

2 春季與盛夏ENSO事件對500 hPa高度場及降水影響

2.1 春季ENSO事件對盛夏高度場及降水影響

春季Ni?o3.4指數(shù)與盛夏500 hPa高度場相關(guān)分布（圖1），亞洲中高緯地區(qū)“+、-”相關(guān)區(qū)較明顯，中亞中心區(qū)域與降水正相關(guān)0.4，通過0.01水平的顯著性檢驗。負(fù)相關(guān)位于我國東北區(qū)及以東日本海區(qū)相關(guān)0.1～-0.1之間；春季Ni?o3.4 SST變化對盛夏西太副高影響較大，與副高面積、強度、西伸脊點均通過0.01水平的顯著性檢驗。春季Ni?o3.4指數(shù)與當(dāng)年盛夏降水相關(guān)0.14，未通過檢驗。近60年春季發(fā)生6次El Ni?o事件（1965、1972、1982、1991、1997、2002），當(dāng)年盛夏與次年盛夏降水正常或偏多概率92%，是值得重視的預(yù)測信號。

2.2 盛夏ENSO事件對同期高度場及降水影響

1961-2020年盛夏Ni?o3.4指數(shù)與同期500 hPa高度場相關(guān)分布（圖2），最大的負(fù)相關(guān)通過0.02水平的顯著性檢驗，主要位于130°～180°E，40°～50°N區(qū)域。表明Ni?o3.4區(qū)SST為暖位相時，易引起我國東北區(qū)東部至西北太平洋海域高度場降低，有利于東亞槽加強。西太副高中心區(qū)位于140°～160°E，20°～30°N正相關(guān)區(qū)域，通過0.10水平的顯著性檢驗；盛夏較春季Ni?o 3.4 SST對中亞區(qū)高度場影響由正距平轉(zhuǎn)為負(fù)距平場。正距平東移至貝加爾湖以北為正相關(guān)0.1控制區(qū)域。表明盛夏Ni?o3.4 SST為暖位相時，東亞區(qū)500 hPa高度場易引起“高、低、高”遙相關(guān)經(jīng)向波列形式。盛夏Ni?o3.4指數(shù)與同期降水相關(guān)0.19，接近0.10水平的顯著性檢驗，較春季Ni?o3.4與盛夏降水關(guān)系增強（圖3）；春、夏季發(fā)生El Ni?o事件11年，其中8年降水正常偏多概率73%，次年達(dá)82%概率。La Ni?a事件發(fā)生于春、夏季共9年，當(dāng)年與降水偏少概率僅56%，但次年盛夏降水偏少概率達(dá)89%。

圖2 1961-2020年盛夏Ni?o3.4指數(shù)與同期500 hPa高度場相關(guān)系數(shù)分布Fig.2 Distribution of correlation coefficient between the mid-summer Ni?o3.4 index and mid-summer the 500 hPa height fields for the year 1961-2020

圖3 1961-2020年盛夏Ni?o3.4指數(shù)與同期降水距平百分率變化關(guān)系Fig.3 Relationship between the mid-summer Ni?o3.4 index and mid-summer precipitation anomaly percentage in 1961-2020

3 盛夏大氣環(huán)流變化對降水影響

3.1 盛夏降水與同期500 hPa高度場相關(guān)分析

降水與500 hPa高度場相關(guān)分布（圖4（a）），降水偏多東亞區(qū)呈“+、-、+”遙相關(guān)波列分布。位于正、負(fù)相關(guān)中心通過0.10、0.01水平的顯著性檢驗，有助于中亞區(qū)高壓和東亞區(qū)低槽發(fā)展。且負(fù)相關(guān)區(qū)較盛夏Ni?o3.4 SST影響下負(fù)相關(guān)區(qū)明顯西移約50個經(jīng)度；降水偏多與文獻(xiàn)［6］汛期（7～8月）東北區(qū)降水偏多850 hPa環(huán)流波列形式較一致，但黑龍江省多水波列位置明顯偏西偏南。表明無ENSO熱源環(huán)境下，西風(fēng)帶影響系統(tǒng)較熱源影響下系統(tǒng)要偏西一些，而較影響東北區(qū)降水的西風(fēng)系統(tǒng)更偏西。

3.2 大氣環(huán)流ACI型對降水影響

為表征東亞區(qū)“高、低、高”環(huán)流系統(tǒng)之間配置關(guān)系A(chǔ)CI型對降水影響，計算ACI指數(shù)與降水相關(guān)0.40，通過0.01水平的顯著性檢驗。降水距平百分率≥20%或≤-20%與ACI指數(shù)同號率74%，表明ACI型環(huán)流盛行對降水異常有很大影響（見圖4（b））。其中降水最多2019年偏多62%，ACI指數(shù)41.7；1998年大水年ACI指數(shù)36.2；最少年2007年降水偏少42%，ACI指數(shù)-20.0。

圖4 1961-2020年盛夏降水與500 hPa高度場相關(guān)系數(shù)分布及距平百分率與同期ACI指數(shù)關(guān)系Fig.4 Distribution of correlation coefficient between the mid-summer precipitation and 500 hPa height field and relation between the anomaly percentage and mid-summer ACI index in 1961-2020

3.3 Ni?o3.4 SST與西風(fēng)環(huán)流對盛夏降水影響關(guān)系

為揭示熱源、西風(fēng)環(huán)流及其它因子對降水影響貢獻(xiàn)關(guān)系（圖3、圖4（b）），采用距平符號比較法規(guī)定如下：（1）將ACI環(huán)流指數(shù)設(shè)為因子A，Ni?o3.4指數(shù)設(shè)為因子B，降水距平分為正負(fù)兩檔進(jìn)行統(tǒng)計；（2）考慮因子與降水正相關(guān)關(guān)系，因子A與B與降水距平符號相同年進(jìn)行單因子累計；（3）如果兩個因子與降水同號，記AB一次，與降水反號記其它因子C，影響結(jié)果（表2）。西風(fēng)帶系統(tǒng)A與Ni?o3.4 SST因子B對降水共同影響貢獻(xiàn)率占總年份37%，是主要因素，西風(fēng)系統(tǒng)影響次之，最后是Ni?o3.4 SST對降水影響，其它因子影響小。

表2 1961-2020年各因子對降水影響貢獻(xiàn)關(guān)系Table 2 Contribution relationship of the each factor to precipitation in 1961-2020

4 ENSO暖、冷事件下多、少水年環(huán)流場、差值及降水響應(yīng)

4.1 ENSO暖事件下多水年環(huán)流形勢

El Ni?o與西風(fēng)系統(tǒng)共同影響多水年1963、1969、1987、1991、2003年500 hPa環(huán)流與距平合成（圖5（a）），東亞區(qū)盛行北脊南槽型，110°～130°E，45°～55°N東亞槽區(qū)，北部100°～170°E，65°～75°N中亞高壓與鄂海高壓結(jié)合為強大高壓區(qū)，西太副高脊線27°N偏南，脊點略偏西。距平場呈“+、-、+”形式與圖4（a）相關(guān)場分布較一致。ACI指數(shù)平均40.5，平均降水量比歷年偏多28.2%。

4.2 ENSO冷事件下少水年環(huán)流形勢

La Ni?a與西風(fēng)系統(tǒng)共同影響少水年1970、1975、2000、2007、2011年500 hPa環(huán)流和距平合成（圖5（b）），東亞區(qū)呈“低、高、低”環(huán)流形勢，中亞地區(qū)為明顯低槽，我國東北及西北太平洋為大陸高壓與鄂海高壓控制，西太副高較弱，距平場呈“-、+、-”波列形式，ACI平均指數(shù)-14.0，降水量較歷年偏少20.0%。

4.3 盛夏多、少水年高空環(huán)流差異

兩個主要關(guān)鍵區(qū)（圖5（c）），一是位于東亞低槽區(qū)的蒙古國、我國東北及西北太平洋地區(qū)差值20～30 dagpm；二是中亞高壓區(qū)的泰米爾高度差值-40～-50 dagpm，均通過0.01水平的顯著性檢驗，ACI指數(shù)為明顯正（負(fù)）關(guān)系。

圖5 500 hPa高度場及距平合成與差值檢驗（單位：dagpm）Fig.5 Composite of 500 hPa height field and its anomaly and difference test（Unit：dagpm）

4.4 ENSO暖（冷）事件下降水異常響應(yīng)

多水年黑龍江省62站降水距平百分率分布（圖略），除漠河降水正常外，其它站降水偏多，其中44站降水距平百分率≥21%，占總站數(shù)71%。主要分布黑河市及松嫩平原包括齊齊哈爾、綏化、大慶轄區(qū)、哈爾濱市及所轄巴彥、木蘭等，中心位于松嫩平原北部的拜泉偏多71%；少水年（圖略）≤-20%共44站，占總站72%，主要分布在北部和東部地區(qū)包括黑河北部、伊春中部、佳木斯、鶴崗、雞西、雙鴨山和牡丹江轄區(qū)，中心三江平原北部的集賢偏少49%。

5 多、少水年物理量場分析

5.1 200 hPa高空急流的影響

多水年200 hPa緯向風(fēng)速分布（見圖6（a）），連接新疆西部，東至日本中部風(fēng)速24 m·s-1包圍一條風(fēng)速急流軸在42°N，較東北區(qū)多水年急流偏南［9］。最大急流中心區(qū)域32 m·s-1，所圍橢圓形區(qū)域稱急流核。急流軸入口及核北側(cè)風(fēng)速增加，且具有氣旋性切變氣流輻合，低層氣壓升高，中亞高壓加強。在急流核下游急流軸左側(cè)出口處，包括蒙古、我國東北和西北太平洋，氣塊運動不斷減速，風(fēng)速具有反氣旋性切變低層氣壓降低，東亞低槽發(fā)展，黑龍江省處于低槽中心，有利強降水發(fā)展。與此相反，在急流核下游急流軸右側(cè)出口處，氣流輻合下沉，低層氣壓升高，此區(qū)位于西太副高區(qū)。

圖6 多水年和少水年200 hPa緯向風(fēng)速（細(xì)實線）急流軸位置（粗實線）（單位：m·s-1）Fig.6 200 hPa zonal wind（thin solid line）in more water and less water and the position of axis of jet stream（the thick line）（Unit：m·s-1）

少水年位于多水年急流區(qū)消失，見圖6（b），少水年中心最大風(fēng)速28 m·s-1比多水年明顯減弱，下游北側(cè)位于東北區(qū)北部風(fēng)速較小、梯度稀疏，呈反氣旋性切變，上升氣流不明顯低層氣壓升高，長時間受西南風(fēng)或高壓控制，降水偏少。

5.2 850 hPa低空急流的影響

多水年低空850 hPa風(fēng)場分布（見圖7（a）），最大急流有2支，一支急流源自索馬里急流經(jīng)孟加拉灣、泰國及越南在我國南海海域與西太副高東風(fēng)氣流匯合后，轉(zhuǎn)向東北經(jīng)朝鮮半島南部和另一支日本海低空西風(fēng)急流匯合，轉(zhuǎn)向東北經(jīng)日本海的西南氣流進(jìn)入低渦系統(tǒng)，產(chǎn)生不穩(wěn)定層結(jié)和強的上升運動，觸發(fā)暴雨產(chǎn)生。

少水年風(fēng)場分布圖（見圖7（b）），少水年日本海西風(fēng)急流較多水年（36°N，130°E）緯度偏北6°，經(jīng)度偏東20°。表明少水年日本海低空急流攜帶大量水汽經(jīng)日本以東的洋面向東輸送，遠(yuǎn)離低渦，造成降水偏少。

圖7 多水年850 hPa風(fēng)場與少水年850 hPa風(fēng)場Fig.7 850 hPa wind field in more water years and 850 hPa wind field in less water years

5.3 850 hPa流場分析

多水年（見圖8（a）），位于貝加爾湖以北和日本北部鄂霍茨克海及周圍的2個反氣旋式距平環(huán)流和位于蒙古東部，內(nèi)蒙東北及大興安嶺地區(qū)的西南-東北向倒槽型氣旋式距平環(huán)流，中心位于蒙古國中部倒槽開口處。三支南風(fēng)氣流在我國東南沿海地區(qū)匯集加強北伸進(jìn)入倒槽。此外還有一支來自新地島極地西北距平氣流經(jīng)蒙古西部轉(zhuǎn)向東北進(jìn)入槽區(qū)與南來的暖濕氣流交綏，增強擾動造成強降水。表明降水偏多不僅與中高緯度天氣系統(tǒng)有直接關(guān)系，而且與熱帶和副熱帶大氣環(huán)流相互作用有密切聯(lián)系。

圖8 850 hPa流場距平合成（單位：m·s-1）Fig.8 Composite of 850 hPa flow field anomaly（Unit：m·s-1）

少水年（見圖8（b））流場與多水年恰好相反，黑龍江西部氣旋性環(huán)流由弱西南風(fēng)距平擴展至我國東部沿海及以東地區(qū)，即亞洲季風(fēng)系統(tǒng)影響有很大減弱。新地島西北風(fēng)距平氣流基本位于55°N以北，冷暖氣流得不到交綏長時間維持少水干旱氣候。多、少水年差值（圖略），亞洲中高緯有反氣旋式距平環(huán)流，蒙古及黑龍江省西部為氣旋式距平環(huán)流，中低緯反氣旋距平氣流較弱，冷暖氣流在黑龍江得不到交綏。

5.4 多水年垂直速度分布

45°～50°N整層垂直速度剖面（圖9），受東北低渦影響120°～140°E黑龍江區(qū)域整層有明顯輻合上升，600 hPa高空出現(xiàn)大值-1.5·10-2Pa·s-1～-2·10-2Pa·s-1。垂直速度隨高度逐漸減弱，100 hPa對流層上部上升氣流達(dá)最小。140°～150°E、110°～120°E區(qū)域處在鄂海高壓與中亞高壓脊區(qū)，出現(xiàn)兩個對稱的整層輻散下沉氣流，250～300 hPa高度東側(cè)區(qū)出現(xiàn)輻散下沉速度大值1.5·10-2Pa·s-1，隨高度降低至低層下沉速度基本保持1·10-2Pa·s-1。低層水汽質(zhì)量輻合產(chǎn)生強的上升運動，有利于強對流發(fā)展，為多水提供了動力條件。

圖9 多水年平均緯向45°-50°N剖面整層垂直速度場（單位：10-2Pa·s-1）Fig.9 The crossing section of mean zonal 45°-50°N vertical velocity field of the 1000 to 100 hPa in more water years（Unit：10-2 Pa·s-1）

6 結(jié)論和討論

（1）春、盛夏Ni?o3.4 SST為暖（冷）位相時，盛夏東亞區(qū)500 hPa高度場易引起西高（低）東低（高）型；El-Ni?o（La Ni?a）在春、夏發(fā)生時，當(dāng)年至次年降水正常偏多概率達(dá)73%～82%；尤其春季發(fā)生，當(dāng)年盛夏降水偏多概率達(dá)90%以上（偏少概率56%，次年偏少89%）。與文獻(xiàn)［4］中El Ni?o春季爆發(fā)型當(dāng)年夏季東北區(qū)降水偏多較一致。

（2）Ni?o3.4 SST的遙相關(guān)與ACI西風(fēng)環(huán)流相互作用是影響降水異常主要成因，其中西風(fēng)環(huán)流影響要大一些。1998年夏季松-嫩流域大洪水，是在1997年超強El Ni?o春季爆發(fā)型次年降水偏多的背景下發(fā)生。1998年春季～夏季Ni?o3.4 SST已由暖水轉(zhuǎn)為冷水，但強大的西風(fēng)環(huán)流ACI（指數(shù)36.2）型穩(wěn)定的控制東亞區(qū)，低渦偏西位于內(nèi)蒙東北及大興安嶺區(qū)域，東北部有加強的鄂海阻塞高壓維持，副高強，偏西偏南呈東北—西南向，有利南支水汽經(jīng)長江中游進(jìn)入低渦造成松—嫩流域超強降水。這也是東北區(qū)降水偏多特點所不完全具備的，文獻(xiàn)［6、7、9］值得探討。2007年嚴(yán)重的少水干旱年，具有La Ni?a遙相關(guān)與反ACI形勢共同影響的典型特點。

（3）多水年200 hPa位于42°N有一條中心風(fēng)速32 m·s-1的急流軸，急流中心出口左前方低空東北低渦發(fā)展；少水年急流軸消失。多水年850 hPa低空出現(xiàn)兩支急流，一支低空南支急流，另一支西南東北向日本海急流，兩支急流提供大量的暖濕空氣進(jìn)入氣旋。少雨年兩支急流風(fēng)速減弱，北部急流偏北偏東。

（4）多水年低空流場，內(nèi)蒙東北及大興安嶺為西南-東北向氣旋式距平氣流，與它北部兩個偶極型反氣旋式距平氣流和中低緯強大南支氣流相互作用，冷暖氣流交綏。少水年流場風(fēng)速較弱，氣旋式距平氣流偏西。