2016年6月哈爾濱地區降水異常環流特征分析

歐娜音，周傳瑞，于凱旋

（1.哈爾濱市氣象局，黑龍江 哈爾濱150028；2.雙城區氣象局，黑龍江 雙城150100）

黑龍江省位于中國最東北部，而哈爾濱地區位于黑龍江省的西南部，松嫩平原東南端，其降水變化既受到全球氣候變化的影響，又具有本地區的特征。哈爾濱地區西部縣（市）地域平坦、低洼，東部縣（市）多山及丘陵地。東南臨張廣才嶺支脈丘陵，北部為小興安嶺山區，山勢不高，河流縱橫，平原遼闊。屬溫帶季風氣候，干旱和暴雨（引發洪澇）是主要的氣象災害。農作物生長的主要季節是夏季，而夏季也是降水比較集中的季節，糧食的產量深受降水量多少及分布的影響。

近年來，許多學者對東北及黑龍江省夏季降水異常進行了分析研究[1-3]。楊素英等[4]利用極端降水閾值分析了東北地區極端降水事件的時空演變特征，發現極端降水事件主要集中在6—9月。孫力、龔強等[5-6]通過對東北夏季降水的診斷分析，得出降水異常的空間分布既有整體一致的性質，也存在地域差異。已有很多學者對東北地區夏季降水異常的成因以及與大氣環流背景的關系進行了分析，姚秀萍等[7]認為鄂霍次克海阻高發展是東北三江流域夏季降水異常偏多的主要原因，同時也認為冬季的極渦強度指數與夏季我國東北地區的降水的正相關可以作為預測東北夏季持續強降水的一個信號。賈小龍等[8]認為鄂霍茨克海和日本海阻塞高壓的發展和減弱是造成東北8月降水異常的重要因子。孟慶濤等[9]通過對阻塞高壓、熱帶副熱帶系統和西風帶之間的相互關系，對暴雨過程的主要影響系統進行了分析。

對于東北地區尤其是黑龍江省的夏季降水有許多較好的研究成果，而針對黑龍江省某一特定地區的降水異常分析的研究還較少。比如許多學者研究了整個黑龍江省的降水時間和空間的異常概況，雖與哈爾濱地區降水異常特點趨勢一致，但具有當地降水異常特色指標的文章較少。許多前輩分析了盛夏7、8月的降水異常特點，而對于哈爾濱地區來說，6月是農作物的關鍵生長階段，極端天氣可能會導致農作物產量顯著降低。比如作為優質水稻產區的五常市來說，充沛的降水對水稻產量影響不大，但雨天的增加會出現日照時數減少和低溫，從而減少太陽輻射及水稻生長所要求的最佳溫度，導致小穗不育和減產率高。同時，降水異常偏多階段產生的大風天氣也會產生水稻大面積倒伏。因此降水異常對農作物的品質和產量影響重大。本文在已有諸多研究的基礎上，利用多種降水指數更加深入地分析了影響哈爾濱地區6月降水異常的特征。進一步探討該地區的降水異常的成因，不僅加深對哈爾濱地區降水異常變化規律的認識，對于提高哈爾濱地區預測旱澇災害也有一定的現實意義。

圖1 2016年6月哈爾濱地區降水量（單位：mm）（a）和降水量距平百分率（%）（b）空間分布

1 資料和方法

本文使用的資料包括黑龍江省氣象信息中心提供的哈爾濱地區13個臺站1961—2016年6月降水量資料。1961—2016年6月NCEP/NCAR再分析月平均資料，包括500 hPa高度場、700 hPa高度場和溫度場、850 hPa高度場、風場和溫度場、海平面氣壓場及水汽通量（分辨率為2.5°×2.5°）。

本文主要利用氣候統計方法合成與相關分析進行研究。整層積分的水汽輸送通量的計算公式為：

式中，g為重力加速度，ps為地表面氣壓，q為大氣比濕，V為矢量風，u和v分別為緯向和經向風速，p為氣壓。

2 2016年6月哈爾濱地區降水異常特征

2016年6月哈爾濱全市平均年降水量為181.6 mm，比歷年同期多100%，比2015年同期多86%，降雨量居1961年以來同期第1位。月降水日數全市平均為20.2 d，屬于全區多雨型。時間分布不均，降水主要集中在中下旬，分別比歷年同期多101%、155%。6月下旬異常偏多，降水強度大和局地強對流天氣使哈爾濱地區遭受暴雨洪澇和風雹災害。受強降水影響，部分農作物和經濟作物受災、農業設施被毀。另外，1998年和2016年都是厄爾尼諾次年，均受到強厄爾尼諾的影響，但2016年6月平均降水量卻是1998年6月平均降水量的4.8倍，可表明2016年6月降水的極端性。

從圖1a可看出，哈爾濱地區降水量大值區在哈爾濱市區以及東南部，即超過200mm的臺站有哈爾濱市區206 mm、尚志231 mm、延壽227 mm、木蘭237mm。其中哈爾濱、尚志、延壽、巴彥6月降水量分別居該臺站常年同期第一位，木蘭居該臺站常年同期第二位。降水量距平百分率的空間分布分析表明（圖1b），除依蘭縣與常年相比偏多較少外，西部和西南部降水量偏多50%～100%，尤其是哈爾濱中西部局地和東部大部分縣（市）降水量偏多100%以上。

3 哈爾濱逐日降水特征

從圖2明顯看出，整個6月降水日數較多，量級也較大。哈爾濱地區平均降水量在100～200 mm的天數共有4 d，超過200mm的天數共有4 d。較大降水過程主要有6次，其中4次降水過程持續時間較長，降雨量較大，6月10—11日平均降水量為366.2 mm，17—18日平均降水量為350.7 mm，6月22—23日連續3 d降水量都較大，平均降水量為577.8mm；6月29—30日平均降水量為321.1mm。此4次降水過程強度之大，也是哈爾濱地區罕見的。

圖2 2016年6月哈爾濱地區逐日平均降水量

4 哈爾濱地區降水異常成因分析

4.1 環流異常

2016年6月500 hPa高度場在歐亞大陸中高緯地區呈現“三槽兩脊”型特征（圖3），高度距平自西向東對應呈“負-正-負”分布，烏拉爾山以東位置和東北地區為低槽，貝加爾湖以西地區為高壓脊。東北地區槽后的冷空氣不斷向東南方向移動和補充，使得該地區冷槽不斷加強，成為深厚的系統。而在鄂霍茨克海偏西（65°N，160°E）有一阻塞系統，此阻塞高壓使得冷空氣被迫堆積在東北地區。700 hPa環流場上，東北地區同樣受鄂霍次克海高壓阻擋，使得低渦在東北地區發展（圖4a）。850 hPa環流場加強為低渦，表明2016年6月東北冷渦系統非常深厚（圖4b）。在850 hPa平均溫度場上可看出哈爾濱地區有暖脊存在，500 hPa冷槽疊加在850 hPa暖脊之上，中高層干冷的西北氣流疊加在低層暖濕氣流之上，造成東北地區大范圍位勢不穩定，午后到傍晚熱力和動力條件加強，觸發了對流的發展，使得哈爾濱地區產生了較頻繁的強對流天氣，對東北地區降水偏多具有較大的影響。因此，鄂霍次克海以西位置的阻塞高壓以及較活躍的冷空氣與南來暖濕氣流頻繁交匯產生的強對流天氣可能是引起此次降水異常的最直接原因。

4.2 水汽輸送異常

圖3 2016年6月500 hPa高度場（等值線，單位：dagpm）及距平（陰影區，單位：dagpm）

水汽輸送通量是表征一個地區上空水汽輸送的源地、路徑及強度的物理量[10]。通過2016年6月整層水汽輸送平均通量場圖不難看出（圖5a），黑龍江省地區有一強大的氣旋式環流，哈爾濱地區（40°～50°N，120°～130°E）的水汽主要來源于日本海，通過東北地區上空氣旋式環流輸送到哈爾濱地區；另一支是鄂霍次克海西北部的水汽，同樣受鄂海地區異常的反氣旋式環流輸送部分水汽到哈爾濱地區。兩支水汽來源與南來水汽在哈爾濱地區上空形成較強的水汽輻合，且冷暖氣流頻繁交匯，造成哈爾濱地區降水異常偏多。另外，海平面氣壓場上（圖6），哈爾濱地區位于低壓中心西部，吹東南風，低壓東部的氣壓梯度較大，因此低壓東部偏南風加大，使得日本海水汽源源不斷的向北輸送。這種中高緯度和低層較強水汽輸送的環流配置特征為6月較強降水起到了關鍵性的作用。整層較濕的特征，為哈爾濱地區降水異常偏多提供了有利條件。

而分析計算1981—2010年6月整層積分水汽輸送通量平均場的相關分布特征（圖5b），不難看出歷史同期西北太平洋依然存在較強的反氣旋式環流，但其西北側氣流以偏西為主，尤其是日本海區域，不利于水汽向北輸送。同時，東北地區維持著偏西為主的穩定氣流，無明顯水汽來源，水汽通量值小于100 kg/s·m，而2016年6月水汽通量值在100～150 kg/s·m之間，明顯大于歷年水汽通量值。另外，1981—2010年6月平均降水量為91mm，僅僅是2016年6月平均降水量的1/2。綜上所述，2016年6月哈爾濱地區水汽通量值較正常年明顯偏大，且該地區呈現明顯的水汽匯集區。因此，與常年同期異常的水汽差別造成了哈爾濱地區降水異常偏多。

圖4 2016年6月700 hPa（a）、850 hPa（b）平均高度場和溫度場（單位：℃）

圖5 2016年6月整層水汽輸送通量場平均場（a）和1981—2010年6月整層積分的水汽輸送通量平均場（b）（平均場和氣候態中矢量為水汽輸送q·V，陰影區為水汽輸送大小，單位kg/s·m）

圖6 2016年6月平均海平面氣壓場

4.3 動力條件診斷分析

4.3.1 渦度的垂直結構

500 hPa正渦度和負渦度是有無暴雨的特征之一。哈爾濱地區2016年6月4次較大降雨過程從925 hPa到200 hPa都是正渦度，尤其是較大降雨時段的暴雨區500 hPa以下各層均表現為正渦度區，暴雨區四周多為負渦度區。從正渦度中心伸出的正渦度舌區域為氣旋性曲率最大，與暴雨落區有正比關系。

4.3.2 垂直速度

暴雨中心從925～200 hPa都是深厚而持續的上升氣流。700 hPa和850 hPa上升速度達-15×10-3hPa/s，500 hPa垂直運動最強。表1列出了2016年6月4次較大降雨過程500 hPa最強上升氣流中心位置，中心強度和較大降雨落區的對應情況。可以看出，較大降雨落區與上升運動中心呈正比關系。較大降雨落區中心垂直速度可達-20×10-3hPa/s，哈爾濱東部有時達到-10×10-3hPa/s也能降暴雨。而且2016年6月強暴雨過程，往往整層大氣都是上升運動。

表1 較大降雨落區與上升氣流對應關系

4.3.3 散度的垂直結構

一般暴雨都具有低層輻合、高層輻散的動力結構，這種抽吸作用是上升運動的充分必要條件，也是低空水汽輻合的重要條件。哈爾濱地區2016年6月從低層到700 hPa為輻合，中低層輻合總量很大，最大輻合層均位于925 hPa，大值中心數值可達-2×10-6～-3×10-6/s，正是這一輻合層使空氣產生劇烈的上升運動，使500 hPa垂直速度達到最大值。

4.3.4 高空風場特征

200 hPa平均緯向風圖及經向風圖上能明顯看出，位于約140°E處存在一東亞副熱帶西風急流。緯向風的強急流中心強度為36m/s，而哈爾濱地區大部分區域處在10～14 m/s的風速線上，為東風，風速大值區對應了地面降水大值區。緯向風距平為正，說明比歷年的緯向風值要大（圖7a）。而經向風強急流中心為40m/s，哈爾濱地區處在12～14 m/s的風速線上，為南風，南風濕度較大，能夠供應充足的水汽。經向風距平也為正，距平值在0～20 m/s之間，緯向風和經向風異常偏強，有利于增強該地區的上升運動，此高低空的配置對哈爾濱地區降水非常有利。因此，2016年6月哈爾濱地區動力結構特征更有利于產生強降水（圖7b）。

圖7 2016年6月200 hPa平均緯向風和距平（a）、平均經向風和距平（b）（等值線，單位：m/s）（陰影區，單位：m/s）

5 結論

2016年6月，哈爾濱地區出現降水異常偏多，全市月平均降水量為1961年以來同期第一位，強降水導致了哈爾濱地區遭受暴雨洪澇和風雹災害。尤其是6月12日出現的歷史罕見冰雹天氣過程的影響，部分農作物和經濟作物受災嚴重、農業設施也遭到損毀。本文針對哈爾濱地區6月降水異常特征，從環流系統異常和水汽輸送異常以及動力條件特征等三方面展開分析，主要結論如下：

（1）歐亞大陸中高緯地區呈現了深厚的“兩槽一脊”型特征，異常的高低緯環流形勢配合，為哈爾濱地區降水異常偏多提供有利的環流背景。鄂霍次克海以西位置的阻塞高壓的出現和發展以及較活躍的冷空氣與南來暖濕氣流頻繁交匯產生的強對流天氣是造成哈爾濱地區6月降水異常偏多的最直接原因。

（2）中高緯度和低層的水汽輸送的環流配置特征起到了一定的作用，哈爾濱地區整層較濕的特征為該地區降水異常偏多提供了有利而充沛的水汽條件。

（3）近地面層強輻合和高層強輻散的配置增強了大氣的抽吸作用，導致較大降雨區上空出現較強的垂直上升運動，此高低空環流配置有利于增強上升運動，更有利于產生強降水。

參考文獻：

[1] 賈小龍，王謙謙，周寧芳.近50a東北地區降水異常的氣候特征分析[J].南京氣象學院學報，2003，26（2）：164-171.

[2] 龔強，陸維松，陶麗，等.東北春夏季降水氣溫異常的時空分布以及與旱澇的關系[J].南京氣象學院學報，2003，26（3）：349-357.

[3] 于天寵，曲驊倩，秦瑜，等.1979—2010年黑龍江省夏季降水異常特征及成因分析[J].現代農業科技，2016（3）：257-260.

[4] 楊素英，孫鳳華，馬建中，等.增暖背景下中國東北地區極端降水事件的演變特征[J].地理科學，2008，28（2）：224-228.

[5] 孫力，安剛，丁立，等.中國東北地區夏季降水異常的氣候分析[J].氣象學報，2000，58（1）：70-82.

[6] 龔強，王盤興，汪宏宇，等.東北夏季降水異常的年代際、年際構成及成因分析 [J].南京氣象學院學報;2005，28（2）：232-240.

[7] 姚秀萍，董敏.東北三江流域夏季旱澇基本特征分析[J].應用氣象學報，2000，11（3）：297-303.

[8] 賈小龍，王謙謙.東北地區汛期降水異常的大氣環流特征分析[J].高原氣象，2006，25（2）：309-318.

[9] 孟慶濤，孫建華，喬楓雪，等.20世紀90年代以來東北暴雨過程特征分析 [J].氣候與環境研究，2009，14（6）：596-612.

[10] 霍貝，陸桂華，何海，等.淮河流域旱澇年水汽輸送特征分析[J].水電能源科學，2012，30（2）：6-16.