東北地區(qū)夏季降水異常年份分析*

王曉雪 高詩妍 趙美玲 張桂華 幺冬妮

(1.黑龍江省氣象臺，黑龍江 哈爾濱 150030; 2.福建省氣候中心，福建 福州 350001;3.黑龍江省氣象數(shù)據(jù)中心，黑龍江 哈爾濱 150030)

1 概述

東北地區(qū)地處我國中高緯度地區(qū)，四季分明，地形以平原為主，降水季節(jié)性變化顯著，夏季為主汛期。夏季降水受地形、前期冬季環(huán)流等多個因素影響。王曉芳等[1]利用哈得來環(huán)流中心海表降水、溫度資料、NCEP/NCAR再分析資料等，研究了60年間前期西太平洋暖池?zé)岷慨惓χ袊鴸|北地區(qū)夏季降水的影響，得出了其二者顯著負(fù)相關(guān)的結(jié)論。唐蘊(yùn)等[2]通過編程，分析了近50年來東北地區(qū)降水的時空特征，認(rèn)為降水從東南向西北遞減，具有顯著的周期性變化。整體上東北區(qū)域降水呈現(xiàn)弱的下降趨勢。李邦東[3]采用1961—2010年NCEP/NCAR再分析資料、中國東北地區(qū)90個地面氣象觀測站逐日氣溫資料，分別對不同時空尺度中國東北地區(qū)不同等級和類型的降水氣候特征進(jìn)行研究，分析表明東北地區(qū)四季間降水量差異很大，這與其位于高緯度地區(qū)且四季分明有關(guān)，不過近50年來這種差異逐漸減小；但降水量在年際間分布的不均勻性卻在近20年顯著增加，交替出現(xiàn)降水較常年偏多年與偏少年。

東北地區(qū)夏季降水總體呈下降趨勢[4,6]，降水頻率為顯著下降，遠(yuǎn)高于降水量的下降趨勢。而降水強(qiáng)度的變化趨勢表現(xiàn)為強(qiáng)降水強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)但頻率逐步下降。魏芳芳[5]研究發(fā)現(xiàn)，1961—2010年東北地區(qū)年平均降水量有平穩(wěn)中上升的趨勢，并且沒有發(fā)生特別明顯突變，存在短周期振蕩。東北地區(qū)夏季降水可分為東北西南部型、東北東南部型、東北東北部型、東北西北部型、東北中部型五種空間類型，其中夏季降水減少趨勢最明顯的是東北東南部型[6]。發(fā)生的小雨量級與中雨量級的降水逐漸減少，但暴雨量級卻呈增加趨勢[7]，側(cè)面體現(xiàn)近年來極端天氣的頻發(fā)，全球增暖對東北地區(qū)夏季降水的異常也可能有一定的影響[9-12]。

2 數(shù)據(jù)來源和方法

本文采用國家氣候中心整編的月平均降水資料，從中選取包含黑龍江省、吉林省、遼寧省的17個測站作為代表站表示東北地區(qū)(如圖1所示)。其中考慮到部分觀測資料缺失、站點(diǎn)遷移等對整體資料連續(xù)性的影響，最終選擇了1951—2012年的數(shù)據(jù)，使用數(shù)據(jù)的時間長度為62年。

圖1 選取的中國東北地區(qū)17個站點(diǎn)分布

本文利用t檢驗(yàn)計(jì)算相關(guān)系數(shù)，進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，以研究氣象要素在氣候變化過程中增減的定量程度，構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量：

遵從自由度是n-2的t分布。給定顯著性水平α，查t分布表，若t>tα，則拒絕原假設(shè)，認(rèn)為相關(guān)系數(shù)是顯著的[8]。

3 降水轉(zhuǎn)折年的選取

由于對中國東北地區(qū)進(jìn)行夏季降水特征變化的分析研究，必須要有較長的連續(xù)資料序列，而且在分析降水變化時，考慮到降水變量是離散的，如果采用單站降水變化代表較大區(qū)域降水變化的隨機(jī)性較大，且局地極端性強(qiáng)。因此，為了得到完整、連續(xù)的降水資料序列，可以考慮用平均降水量(1951—2012年東北區(qū)域17個站平均)序列代表東北地區(qū)降水量變化。本文采用了中國東北地區(qū)62年夏季區(qū)域平均，得到該地區(qū)62年間的降水平均值，為了方便對比，制作中國東北地區(qū)17站平均月總降水量時間序列，對其進(jìn)行九點(diǎn)平滑，十一點(diǎn)平滑，結(jié)果如圖2所示。圖2(a)中，點(diǎn)折線代表該地區(qū)62年逐年的降水平均值，中間折線表示進(jìn)行九點(diǎn)平滑之后的降水平均值，橫線為多年降水平均值。圖2(b)中，點(diǎn)折線表示進(jìn)行十一點(diǎn)平滑之后的降水平均值，橫線為多年降水平均值。

總體來說，東北地區(qū)62年間降水在振蕩中呈現(xiàn)下降趨勢，時常出現(xiàn)相鄰年份驟變，但沒有明顯的年際、年代際變化特征。1955—1969年月平均降水量高于多年降水平均值，在其時間范圍內(nèi)先升后降；1969—1990年總體低于平均水平但變化不大，而到了1990—1996年，中國東北地區(qū)月平均總降水量又呈現(xiàn)上升趨勢，高于平均值且變化不大，1996年之后逐年減少，2003年之后有再次回升的趨勢。1969—1996年東北地區(qū)夏季月平均降水維持在常年平均水平。本文暫且選取兩個關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)1969年和1996年作為降水轉(zhuǎn)折年份進(jìn)行分析。

(a)

(b)圖2 中國東北地區(qū)17站平均月總降水量時間序列

4 降水異常年份分析

根據(jù)對圖2的分析，可以得出降水轉(zhuǎn)折年為1969年和1996年，分別繪制1969年之前和1996年之后兩個時間段的500hPa平均高度場、850hPa平均高度場及其平均差值場。圖3為1951—1969年和1996—2012年夏季500hPa高度距平場的多年平均及其差值場。圖4為1951—1969年和1996—2012年夏季850hPa高度距平場的多年平均及其差值場。同時參考1969年和1996年劃分出來的三段500hPa高度場多年平均，得知西太平洋副熱帶高壓脊線大概西伸至25°N，138°E附近，500hPa高度場在整個西伯利亞地區(qū)呈現(xiàn)兩槽一脊型，西西伯利亞和東西伯利亞分別為一個淺槽，而中西伯利亞附近則為一個弱脊。

1951—1969年(圖3a)，中西伯利亞表現(xiàn)為一個負(fù)距平，負(fù)距平中心在貝加爾湖附近，淺槽加深，西太平洋副熱帶高壓偏西。眾所周知，西太平洋副熱帶高壓的東西進(jìn)退與我國東部的降水有著密切關(guān)系，西太平洋副熱帶高壓西進(jìn)，更有利于太平洋水汽向位于西側(cè)的東北地區(qū)輸送，充足的水汽為降水提供了有利條件。在此期間，副高整體范圍偏大，位置偏西，強(qiáng)度偏強(qiáng)，造成了東北地區(qū)夏季降水較多，高于氣候平均態(tài)。

同時，1996—2012年，位于中西伯利亞的脊表現(xiàn)為一個大范圍的正距平，正距平中心在貝加爾湖附近。從高度場分析可知，這一時段脊逐漸加強(qiáng)，而東西伯利亞地區(qū)的槽逐漸減弱，較氣候平均態(tài)來說，環(huán)流的經(jīng)向分量是逐漸減弱的，表示南北向的輸送減弱。而在1969年之前西太平洋負(fù)距平的區(qū)域也在1996年后轉(zhuǎn)為正距平。也就是說，在這一時段，西太平洋副熱帶高壓位置更向東，控制的范圍變小，其強(qiáng)度也逐漸減小。而此時，東北地區(qū)位于西太平洋副熱帶高壓的西北側(cè)，整個中高緯的槽脊系統(tǒng)減弱，南北輸送也逐步減弱，缺少了南北向的水汽輸送與交換，進(jìn)一步造成了東北地區(qū)降水量的減少。

為了分辨兩個時段在500hPa高度場上的特征，將兩個時段的高度場做差，獲得了圖3c。在圖3c中，可以明顯看出，在中西伯利亞地區(qū)，后一時段明顯低于前一時段，除了西太平洋副熱帶高壓控制范圍，在廣大的太平洋地區(qū)，后一時段的位勢高度普遍低于前一時段。

(a)1951—1969年夏季500hPa高度距平場多年平均

(b)1996—2012年500hPa高度距平場多年平均

(c)1951—1969年500hPa高度距平場與1996—2012年 500hPa高度距平場差值場(陰影部分通過顯著性檢驗(yàn))圖3

兩個時段在850hPa高度距平場(圖4)上的特征與500hPa高度場表現(xiàn)一致。1951—1969年在中西伯利亞地區(qū)表現(xiàn)為大范圍的負(fù)距平，負(fù)距平中心同樣在貝加爾湖附近，負(fù)距平值遠(yuǎn)大于500hPa高度場。而同樣的區(qū)域在1996—2012年間表現(xiàn)為較大范圍的正距平，正距平中心依舊位于貝加爾湖附近。正距平值與500hPa高度場上表現(xiàn)相近。因而導(dǎo)致其差值場在整個中西伯利亞地區(qū)有更大的差值。

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，1969年之前東北地區(qū)降水較常年偏多，與西太平洋副熱帶高壓位于中高緯地區(qū)西進(jìn)加強(qiáng)有關(guān)，而1996年之后東北地區(qū)降水較常年偏少，與西太平洋副熱帶高壓處于中高緯地區(qū)減弱東移有關(guān)。

(a)1951—1969年850hPa高度距平場多年平均

(b)1996—2012年850hPa高度距平場多年平均

(c)1951—1969年850hPa高度距平場與1996—2012年 850hPa高度距平場差值場(陰影部分通過顯著性檢驗(yàn))圖4

5 結(jié)論與討論

本文利用1951—2012年間國家氣候中心整編的中國東北地區(qū)月平均降水資料，利用相關(guān)分析與滑動平均等方法，分析研究中國東北地區(qū)夏季(5月—8月)降水異常年份。結(jié)果表明，近60年間東北地區(qū)夏季降水沒有明顯的年代際變化，1969年為一個轉(zhuǎn)折年份，在此之前東北地區(qū)夏季降水較氣候態(tài)常年偏高；1970年之后至2012年間，東北地區(qū)夏季降水量低于平均水平。同時，整體上東北地區(qū)的夏季降水呈現(xiàn)下降趨勢，但趨勢并不明顯。1969年之前東北地區(qū)降水較常年偏多，可能與西太平洋副熱帶高壓位于中高緯地區(qū)西進(jìn)加強(qiáng)有關(guān)，而1996年之后東北地區(qū)降水較常年偏少，可能與西太平洋副熱帶高壓處于中高緯地區(qū)減弱東移有關(guān)。