嫩江流域夏季降水氣候特征及前兆信號分析

李永生,王　瑩（.黑龍江省氣候中心，黑龍江哈爾濱50030；.黑龍江省氣象服務中心，黑龍江哈爾濱50030）

?

嫩江流域夏季降水氣候特征及前兆信號分析

李永生1,王瑩2
（1.黑龍江省氣候中心，黑龍江哈爾濱150030；2.黑龍江省氣象服務中心，黑龍江哈爾濱150030）

摘要：利用1961—2013年嫩江流域31個氣象觀測站的逐日降水資料和NCEP再分析資料，結合相關分析、合成分析等數理統計方法，分析了嫩江流域夏季降水氣候特征及前兆信號。結果發現，嫩江流域夏季降水存在著準25 a和5-7 a的周期變化；嫩江暴雨頻次對其夏季降水有著非常顯著的影響；前期的大氣環流和海溫的異常對嫩江流域夏季降水異常有重要作用，秋末冬初北半球500 hPa環流出現NAO正（負）位相，有利于翌年嫩江流域夏季降水偏多（少）；夏季發展（衰減）的東部型El Nino事件，有利于翌年嫩江流域夏季降水偏多（少）；春季烏拉爾山東部、黑海和里海附近積雪偏多（少）有利于嫩江流域夏季降水偏多（少）。

關鍵詞：嫩江流域;夏季降水;前兆信號

1　引言

嫩江流域位于中國東北地區西部，是全國七大水系之一松花江的北源，發源于大興安嶺支脈伊勒呼里山的南坡，由北向南，長1370 km,流域面積29.7 萬km2，流經內蒙古、吉林和黑龍江三省區，其支流有“東二西七”之稱,東側有訥漠爾河、烏裕河；西側有多布庫爾河、甘河、諾敏河、阿倫河、雅魯河、綽爾河、洮兒河。根據嫩江流域的地形、地貌和河谷特征，全流域分為上、中、下游3段[1]。已有研究表明，影響嫩江流域洪澇的主要氣象因素是降水，由于嫩江上游屬于山丘區，森林密布，河谷狹窄；中游和下游由丘陵逐漸過渡到平原，由上游河流漫散形成許多“無尾河流”，而且嫩江流域雨季主要集中在夏季，因此，嫩江流域夏季極易出現洪澇災害[2-3]。1970-1990年的20年間，旱災和澇災的發生頻率分別達到了33.3%和47.6%[1]。嫩江流域作為東北糧食基地的主產區，該地區夏季災害性天氣占的比重較大，而且大多與降水有著直接（或間接）的關系，給農業生產造成一定的損失，同時也對人們的生產和生活造成不同程度的影響。

本文利用黑龍江省、吉林、內蒙古31個氣象站點夏季逐日降水資料、NCEP/NCAR再分析大氣環流資料和海溫資料分析嫩江流域夏季降水氣候特征、尋找其前期大氣、海洋信號，以期進一步分析嫩江流域夏季降水多寡的成因，提高夏季降水氣候預測準確率，對防災減災服務具有一定的實際意義。

2　資料來源

本文氣象數據來源于國家氣象信息中心，嫩江流域31個氣象站（內蒙古9個臺站、吉林7個臺站、黑龍江15個臺站）1961-2013年夏季（6-8月）逐日降水資料，經過前期的EOF計算，本研究發現嫩江流域夏季降水具有全流域一致性的特點，第一空間模態全流域均為一致正值（圖略），其解釋總方差的比例超過60%，因此本文選取嫩江流域31站夏季平均降水量表征嫩江流域夏季降水。嫩江流域氣象站點分布見圖1，基本氣候態定義為1981-2010年30 a平均值。74項環流特征量來自國家氣候中心，其它資料來自美國海洋大氣局（NOAA）,文中除積雪資料的時間長度為1979-2013年，其余資料時間長度為1961-2013年。本文主要使用了相關分析法及合成分析法等方法[4]。

圖1　嫩江流域站點分布

3　嫩江流域夏季降水氣候特征

圖2是嫩江流域夏季降水時間變化序列，夏季降水總的趨勢略呈下降狀態，但是并沒有通過0.05的信度檢驗。在1970年代該地區夏季降水普遍偏少，1981年以后夏季雨量明顯增加，超過常年同期平均值，在1995年以后降水呈減少趨勢，但1998年降水量達到歷史極值，之后到21世紀初降水一直偏少。2003年以后，主要以降水偏多和降水偏少交替出現為主。嫩江流域夏季降水變化的Morlet小波變換（圖略）表示了嫩江流域夏季降水變化的多時間尺度特征。半個多世紀嫩江流域夏季降水存在著準25 a的周期變化，1980年以后存在著5-7 a的短周期變化。

圖2　嫩江流域1961-2013年夏季降水量時間序列

圖3　嫩江流域1961-2013年夏季暴雨頻次時間變化

嫩江流域1981-2010年夏季平均降水量空間分布（圖略），平均降水均值最小的地區位于嫩江的中游地區，在300 mm以下，最小值位于東岸的甘南，平均降水量低于270 mm，嫩江上游和下游的降水量都超過了300 mm，最大值地區位于嫩江的下游。從暴雨站次統計來看（圖3），1998年嫩江流域暴雨站次達到55次，居1961年以來第一位，是平均站次（19次）的3倍，黑龍江省甘南站發生6次暴雨，內蒙古阿榮旗站發生5次暴雨，均是有氣象記錄以來的極值；2013年暴雨站次達到30次，也大大超過了平均站次。計算嫩江流域夏季降水量時間序列與暴雨頻次時間序列相關，相關系數達到0.79，超過了0.001的信度檢驗。可見，暴雨也是促使嫩江流域夏季降水偏多的原因之一。

4　嫩江流域夏季降水的前兆信號

嫩江流域夏季降水具有明顯的年際變化特征和年代際變化特征，每年夏季的降水量多寡，與之相對應的大氣環流也會有差異。由于前期海溫、積雪等下墊面強迫因子和大氣環流發展變化會造成后期大氣環流的異常[6-8]，從而影響嫩江流域夏季降水的變化。因此，從前期海溫、積雪等下墊面強迫因子以及前期的大氣環流變化中提取對氣候預測有意義的前兆信號，可以為嫩江流域夏季降水預測提供參考依據。

4.1大氣環流前兆信號分析

通過嫩江流域夏季（6-8月）降水與前期（11-3月）大氣環流500 hPa的逐月相關，發現只有上年（11-12月）與嫩江流域夏季降水的相關較好，說明上年秋末冬初的500 hPa大氣環流形勢對嫩江流域夏季降水有一定的指示意義。由圖4可以看出，上年秋末冬初500 hPa高度場相關分布上，嫩江流域夏季降水與格陵蘭島北部上空呈明顯的負相關，而與北大西洋上空呈明顯的正相關，通過0.05的信度檢驗，類似NAO的模態。當NAO正異常時，有利于嫩江流域夏季降水偏多，反之亦然。與NAO相聯系的大氣環流系統異常信號位于我國上游地區，上游大氣異常信號以波列形式向下游傳播。Ogi et al[9]通過研究也指出，冬季NAO異常造成的海冰、雪蓋和海溫可以有較長的記憶，將其信號延續到夏季，從而對北半球夏季大氣環流起到調制作用，例如，冬季北極海冰密集度（Sea SIC Concentration）異常產生大氣低層熱通量異常，在復雜的熱、動力機制作用下，可以造成500 hPa位勢高度呈現明顯的歐亞波列異常結構和中高緯度阻塞高壓型異常，進而影響東亞地區夏季氣候的異常。嫩江流域夏季降水與歐洲西海岸500 hPa呈明顯的正相關，與烏拉爾山以東地區呈現明顯的負相關，通過0.05的信度檢驗，對應于歐亞大陸自西向東的“+，-”波列結構，類似于反EU（歐亞遙相關型）的分布，歐洲地區有高壓出現，烏拉爾山脊減弱，歐亞地區盛行緯向環流，東亞冬季風偏弱，進而影響翌年東亞地區夏季降水。針對EU的分析結果表明，在歐亞大陸上空，大氣內部存在與EU相聯系的波列從北大西洋傳播到烏拉爾山以東的歐亞大陸地區。

圖4　嫩江流域夏季降水量與上年秋末冬初500 hPa高度場相關

圖5　嫩江流域夏季降水量與上年5-12月逐月海溫場相關（陰影區為通過顯著性水平檢驗區域）

4.2海溫前兆信號分析

許多研究表明，ENSO是最強的年際氣候變化信號[10-13]，它對中國夏季降水變化有著重要的影響。熱帶太平洋地區海溫的變化，導致沃克環流變化，進而通過海氣耦合作用使得歐亞地區大氣環流發生了變化，從而使得歐亞地區夏季降水異常。通過嫩江流域夏季降水與前期海溫做逐月相關時發現，嫩江流域夏季降水與赤道東太平洋的海溫從上年6月開始直到12月相關性一直較好（圖5），超過0.05的信度檢驗，表明上述地區前期海溫是影響嫩江流域夏季降水的主要區域，對嫩江流域夏季降水具有一定的指示意義。大量研究表明[10-13]，El Nino事件發生過程有兩類，一類是東部型，一類是中部型，從圖中可以看出，嫩江流域夏季降水與El Nino東部型的發展過程有著明顯的對應關系。有研究指出赤道東太平洋前期為暖水期時，夏季西太平洋副高較強,范圍向西和向南伸展。冷水期反之,西太平洋副高較弱,位置偏東偏北。西太平洋副高的變化進一步影響東亞季風和我國的降水，這種影響在赤道東太平洋海溫變化后4-6個月最明顯。因此, El Nino東部型事件可以作為嫩江流域夏季降水短期氣候預測的前兆信號。

4.3積雪前兆信號分析

隨著積雪資料的增加和不斷深入的研究，積雪已經作為我國夏季旱澇預測的一個重要的前期信號來進行分析和應用，其所產生的氣候效應也倍受關注[14-18]，陳興芳和宋文玲[19-20]通過對高原積雪和歐亞積雪與我國夏季降水的相關分析和統計檢驗指出，冬春季雪蓋對我國夏季旱澇有重要影響，冬春季高原積雪和歐亞積雪與我國夏季降水的相關分布基本是相反的，其中高原積雪與長江中下游和西北東部地區夏季降水為正相關，歐亞積雪與東北和華北東部以及西南地區降水為正相關。楊秋明[21]則指出前期秋冬春季歐洲、中亞和東亞中高緯雪蓋異常不同的動態變化可以激發出具有不同持續性的東亞低頻流型，進而對夏季北方地區降水產生影響。圖6給出了嫩江流域夏季降水與春季歐亞積雪的相關，可以看出，只是在歐亞部分地區的積雪面積與嫩江流域的夏季降水有著顯著的正相關關系，也就是說嫩江流域夏季某些年份降水偏多是由于歐亞部分地區（烏拉爾山東部、黑海和里海附近）的積雪偏多造成的。許立言和武炳義[22]在研究歐亞大陸春季融雪量與東亞夏季風關系時指出巴爾喀什湖附近異常偏多的春季融雪量能夠在該地區促使位勢高度場表現為正異常，隨著時間的演變，可能造成夏季東亞地區的經向波列結構，進而對東亞的天氣和氣候產生影響，盡管有時環流型十分相似，但是兩者的夏季降水異常在局部地區存在差異。

圖6　嫩江流域夏季降水量與春季歐亞大陸積雪相關

5　結論

（1）20世紀60年代以來嫩江流域夏季降水存在典型的年代際和年際氣候特征，存在著準25 a的周期變化，1980年以后存在著5-7 a的短周期變化。嫩江暴雨頻次對其夏季降水有著非常顯著的影響。

（2）秋末冬初500 hPa環流上出現類似NAO、反EU的異常分布對翌年嫩江流域夏季降水有顯著影響，當前期NAO強度偏強、反EU偏強時，有利于嫩江流域夏季降水偏多。

（3）夏季發展的東部型El Nino事件，有利于翌年夏季嫩江流域降水偏多；春季歐亞大陸部分地區（烏拉爾山東部、黑海和里海附近）積雪偏多容易造成夏季嫩江流域降水偏多。致謝：感謝中國氣象局短期氣候預測國家級創新團隊提供的技術指導。

參考文獻

[1]水利部松遼委員會.松花江志[M].長春:吉林人民出版社，2002，50-93.

[2]徐東霞，章光新，尹雄銳.近50年嫩江流域徑流變化及影響因素分析.水科學進展，2009，20（3）：416-421.

[3]楊麗桃，李喜倉，候瓊.1961—2005年嫩江流域右岸氣候變化及對水資源的影響.氣象與環境學報，2008，24（5）：15-19.

[4]李輯,龔強.東北地區夏季氣溫變化特征分析[J]．氣象與環境學報.2006 ,22(1):8-12.

[5]白人海，李帥，王明潔.松花江、嫩江流域降水異常對水位變化的影響.氣象，2000，26（10）：28-33.

[6]楊秋明．歐亞雪蓋準2年振蕩對中國降水的影響[J]．氣候與環境研究，1997，2（1）：83-91．

[7]黃榮輝，周連童.我國重大氣候災害特征、形成機理和預測研究.自然災害學報，2002，11（1）：1-9.

[8]黃榮輝，蔡榕碩，陳際龍.我國旱澇氣候災害的年代際變化及其與東亞氣候系統變化的關系[J].大氣科學，2006，30（5）：732-742.

[9]Ogi M, Tachibana Y,Yamazaki K. Impact of the wintertime North Atlantic Oscillation (NAO) on the summertime atmospheric circulation [J]. Geophys Res Lett, 2003,30(13):1704.

[10]趙振國.中國夏季旱澇及環境場.北京:氣象出版社,1999.75-105.

[11]陳月娟，周任君，武海峰. Nino1＋2海區冷、暖水期西太平洋副高的特征及其對東亞季風的影響，大氣科學2002 26(3)：373-386 .

[12]陳桂英. El Nino和La Nina冬季增強型和減弱型及其對中國夏季旱澇的影響.應用氣象學報，2000,11 （2）:154-164.

[13]高輝，王永光. ENSO對中國夏季降水可預測性變化的研究.氣象學報，2007, 25（1）：131-138.

[14]趙溱.亞歐大陸雪蓋與東亞夏季風[J].氣象,1984, (7):27-29.

[15]徐國昌,李珊,洪波.青藏高原雪蓋異常對我國環流和降水的影響[J].應用氣象學報, 1994 , 5(1):62-67.

[16]翟盤茂,周琴芳.東亞冬、春季雪蓋對我國夏季降水的影響[M].“八五”長期天氣預報理論和方法的研究.北京:氣象出版社, 1996.124-128.

[17]陳興芳.青藏高原冬春積雪與中國夏季降水預測問題的討論[C].氣象預測評論.北京:國家氣候中心, 1998.116～121.

[18]韋志剛,羅四維,董文杰等.青藏高原積雪資料分析及其與我國夏季降水的關系[J].應用氣象學報, 1998 , 9(增刊)：39-46.

[19]陳興芳，宋文玲.歐亞和青藏高原冬春季積雪與我國夏季降水關系的分析和預測應用，高原氣象，2000,19（2）：214-223.

[20]陳興芳，宋文玲.冬季高原積雪和歐亞積雪對我國夏季旱澇不同影響關系的環流特征分析，大氣科學，2000，24（5）：585-593.

[21]楊秋明.東亞中緯冬季雪蓋異常對初夏環流的影響，應用氣象學報，1998,9（4）：410-417.

[22]許立言,武炳義. 2012.歐亞大陸春季融雪量與東亞夏季風的可能聯系[J].大氣科學, 36 (6): 1180-1190 .

Analysis on climate characteristics and the precursor signal of summer precipitation in Nenjiang Basin

LI Yong-sheng1,WANG Ying2
（1. Climate center of Heilongjiang province, Heilongjiang Harbin 150030; 2.Heilongjiang Meteorological Service Center, Heilongjiang Harbin 150030）

Abstract:Daily precipitation data and NCEP reanalysis data of 31 meteorological stations in Nenjiang basin from 1961 to 2013 was used to analyze the climate characteristics and the precursor signal of summer precipitation with the statistical methods such as synthesis analysis and correlation analysis. The results show that there is a periodic variation of quasi 25 a and 5-7 a in the summer precipitation in Nenjiang basin, and the frequency of heavy rain has significant effects on the summer precipitation. The anomalous atmospheric circulation and sea surface temperature play an important role in the summer rainfall anomalies in the Nenjiang River Basin,The occurrence of NAO positive (negative) phase in the 500 hPa circulation in northern hemisphere autumn and winter is prone to cause more (less) precipitation in the Nenjiang River Basin in next year summer.The developing (weakening) Eastern El Nino events are advantageous to the more (less) summer precipitation in Nenjiang Basin in the next year. At the same time, more (less)snow accumulation in the eastern part of Ural Mountain and the Black Sea and the Caspian Sea is in favor of the more (less) summer precipitation.

Keywords:Nenjiang Basin; summer precipitation; precursor signal

第一作者簡介：李永生（1984-），男，黑龍江省齊齊哈爾市人，南京信息工程大學，本科生，高級工程師.

收稿日期：2016－1－1

文章編號：1002－252X(2016)01－0013－05

中圖分類號：P468.0+24

文獻標識碼：A