黑龍江初夏降水的主模態(tài)特征及其前兆海洋信號分析

班晉，王永光，王波，李永生，趙佳瑩，張健，于梅

(1. 黑龍江省氣候中心，黑龍江哈爾濱150030； 2. 國家氣候中心，北京100081)

1 引 言

黑龍江省位于中國東北地區(qū)北部，降水主要集中在夏季。診斷分析表明[1-10]，黑龍江省初夏降水(6月)與盛夏降水(7—8月)主要影響系統(tǒng)并不相同，影響初夏降水主要為中高緯環(huán)流系統(tǒng)，如東北冷渦和鄂霍次克海阻塞高壓(簡稱鄂海阻高)等，而副熱帶系統(tǒng)對盛夏降水有重要影響，如西太平洋副熱帶高壓(簡稱西太副高)等。近10 a年來，黑龍江省初夏氣候異常事件頻發(fā)，干旱和洪澇災(zāi)害對國家糧食安全造成嚴(yán)重負(fù)面影響，同時抑制了本省的經(jīng)濟發(fā)展。初夏是黑龍江農(nóng)作物生長的關(guān)鍵期，在氣候變化明顯的背景下，如何準(zhǔn)確預(yù)測黑龍江省初夏降水成為當(dāng)下重要的研究課題之一。

研究表明[11-15]，海溫是預(yù)測初夏降水最重要的前兆信號。Fang 等[11]研究表明，近 20 a 來，春季北大西洋三極子異常正位相在初夏貝加爾湖西北側(cè)誘發(fā)阻塞高壓增強，并伴隨東北冷渦增強，導(dǎo)致東北初夏降水偏多；高輝等[12]認(rèn)為黑潮區(qū)海溫通過海洋熱力異常持續(xù)性導(dǎo)致低層出現(xiàn)反氣旋環(huán)流，并在東北冷渦區(qū)形成氣旋環(huán)流，增強了東北冷渦；高晶等[13]則發(fā)現(xiàn)副熱帶東南太平洋海溫偏低是通過越赤道的遙相關(guān)波列激發(fā)我國東北地區(qū)夏季出現(xiàn)氣旋性環(huán)流，從而導(dǎo)致東北冷渦活動偏強，我國東北地區(qū)降水偏多；楊亞力等[14]分析El Ni?o 年對流層低層阿拉伯海及孟加拉灣東風(fēng)異常，水汽輸送減弱，云南大部地區(qū)降水偏少。種種研究均表明，前期海溫的異常直接導(dǎo)致我國大部地區(qū)夏季降水分布異常。

以往的研究[16-21]認(rèn)為ENSO 是影響黑龍江夏季降水的最主要前兆信號，受1998 年的超強El Ni?o 事件影響，嫩江、松花江流域發(fā)生特大洪水，而2016 年的超強El Ni?o 事件則導(dǎo)致嫩江流域異常干旱。由此可見，影響黑龍江省夏季降水的主要前兆信號可能并非傳統(tǒng)意義上的ENSO 事件，或者說ENSO 與黑龍江降水的關(guān)系也發(fā)生了年代際變化，前兆信號的變化使得黑龍江省初夏降水的預(yù)測更加困難?；谏鲜鰡栴}，本文分析黑龍江省初夏降水主模態(tài)的時間變化特征，重點研究不同年代際影響初夏降水的主要大氣環(huán)流系統(tǒng)以及海溫前兆信號，解釋前兆信號對初夏降水異常的可能影響機制，為黑龍江省初夏降水提供可靠的預(yù)測結(jié)果，提高氣象服務(wù)保障能力。

2 資料與方法

黑龍江省數(shù)據(jù)中心提供的1961—2018年全省62 個臺站初夏(6 月)降水資料；NCEP/NCAR 再分析資料，時間為1961—2018 年，要素為500 hPa 高度場、850 hPa矢量風(fēng)場和200 hPa緯向風(fēng)場，分辨率為 2.5 °×2.5 °；1960—2018 年 NOAA 擴展重建海溫(ERSSTv4)資料，分辨率為2.0 °×2.0 °。

采用經(jīng)驗正交分解(EOF)法提取主成分研究初夏降水距平的空間分布特征[22]。為了提高主模態(tài)的收斂性，采用每個地區(qū)選取一個代表站進行EOF 分解。選取代表站的方法，用某一地區(qū)所有站點平均值與該地區(qū)每個站點依次求相關(guān)，相關(guān)系數(shù)最大站點記為這一地區(qū)的代表站。由于七臺河地區(qū)只有兩個站點，統(tǒng)計站點時將其并入雙鴨山，這樣全省只有12 個地市，選取的代表站依次為：漠河、黑河、五營、甘南、肇州、青岡、延壽、佳木斯、雙鴨山、鶴崗、寧安、雞西。此外，本文還采用滑動t檢驗法研究主成分時間突變性，采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)研究降水與環(huán)流及海溫關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 黑龍江省初夏降水診斷分析

圖1 表示降水距平EOF 分解第一、第二模態(tài)的空間分布，其中模態(tài)解釋方差貢獻率分別為61.3%和17.4%，累計貢獻率達78.7%。第一模態(tài)為全省一致型空間分布，中心位于鶴崗、伊春地區(qū)。第二模態(tài)以伊春、哈爾濱東部為界，呈東西反向型空間分布。

圖1 第一(a)、第二(b)模態(tài)空間分布

圖2 表示降水距平EOF 分解第一、第二模態(tài)的時間系數(shù)。第一模態(tài)時間系數(shù)(簡稱PC1)年代際變化明顯，在1960—1970 年代一直處于負(fù)位相背景，從1980 年代初開始向正位相轉(zhuǎn)變，直到1990 年代中期再次轉(zhuǎn)為負(fù)位相，并持續(xù)至2010 年代中期，最近4 年連續(xù)出現(xiàn)正位相，標(biāo)志PC1 有可能進入一個新的年代際背景。第二模態(tài)時間系數(shù)(簡稱PC2)年代際變化并不明顯，但年際變化較突出，1990年代至今正負(fù)位相交替出現(xiàn)，很難出現(xiàn)連續(xù)多年正(負(fù))位相。

圖2 第一(PC1，a)、第二(PC2，b)模態(tài)時間系數(shù)序列

采用 11 a 滑動t檢驗法分別對 PC1 和 PC2 做突變檢驗(圖3)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PC1 在1993 年為主要突變點，PC2 則沒有明顯的突變點。降水與大氣環(huán)流以及海溫相關(guān)性在年代際尺度存在明顯變化，目前短期氣候預(yù)測業(yè)務(wù)使用1981—2010年平均作為氣候態(tài)，這里著重研究1981 年之后兩者的相關(guān)關(guān)系。對于PC1 在1993 年有明顯的突變，可分為突變前(1981—1993 年)和突變后(1994—2018 年)兩個時間段分析，對比兩個時段發(fā)現(xiàn)，突變前的13 a 中有8 a 降水偏多，而在突變后的25 a 里則只有9 a 降水偏多，表明突變前后降水的變化較明顯；PC2沒有明顯突變，因此只分析1961—2018年P(guān)C2與大氣環(huán)流的年際變化特征。

圖3 PC1(a)和 PC2(b)滑動 t檢驗

3.2 黑龍江初夏降水PC1、PC2與大氣環(huán)流的關(guān)系

圖4a、圖4b 分別為突變前和突變后PC1 與500 hPa 位勢高度相關(guān)，其中突變前PC1 與500 hPa 位勢高度顯著相關(guān)區(qū)在 120～140 °E 范圍內(nèi)，自北向南呈現(xiàn)“+，-，+”的波列分布。負(fù)相關(guān)區(qū)反映東北冷渦的影響，北部正相關(guān)區(qū)為阻塞高壓的建立，我國東北地區(qū)北部出現(xiàn)異常阻塞形勢，同時東北冷渦異常活躍，有利于黑龍江省降水明顯偏多。南部正相關(guān)區(qū)顯示副熱帶系統(tǒng)北推進程，西太副高脊線偏北同樣有利于黑龍江省降水異常偏多。從相關(guān)系數(shù)的顯著性來看，中高緯系統(tǒng)較強，而副熱帶系統(tǒng)較弱，這與前人研究的結(jié)論[2-7]一致。突變后PC1 與500 hPa 位勢高度相關(guān)分布型與突變前相差較小，同樣自北向南呈現(xiàn)“+，-，+”的波列分布，南部的正相關(guān)區(qū)西伸至高原以東，中高緯影響系統(tǒng)通過相關(guān)檢驗的范圍明顯增大。相對于突變前，鄂海阻高增強，東北冷渦增強南壓，西太副高偏南。分析突變前后PC1 與200 hPa 緯向風(fēng)相關(guān)，突變前(圖4c)顯示，東北地區(qū)上空北部東風(fēng)、南部西風(fēng)，表明黑龍江上空為冷渦環(huán)流，與圖4a分析結(jié)論一致。暖池上空西風(fēng)、東海東風(fēng)(不顯著)，表明對流層高層輻合、低層輻散，季風(fēng)槽偏弱。北歐的東風(fēng)、南側(cè)中緯度西風(fēng)(不顯著)，表明烏山及以西為槽區(qū)，阻塞高壓偏弱，冷空氣偏弱。繼續(xù)分析突變前后PC1 與850 hPa 矢量風(fēng)相關(guān)，突變前(圖4e)顯示，東北地區(qū)低層為顯著的氣旋性環(huán)流，西太平洋呈現(xiàn)反氣旋性環(huán)流；突變后(圖4e)依然呈現(xiàn)出在東北亞和西北太平洋的氣旋和反氣旋性環(huán)流，但反氣旋性環(huán)流位置略偏南。

突變后與突變前的區(qū)別在于，冷渦加強西伸南壓，烏拉爾山變?yōu)楦邏杭?，印度半島北側(cè)高層輻合、低層印度低壓減弱。突變前后季風(fēng)槽沒有變化，均呈現(xiàn)偏弱趨勢。6月高空西風(fēng)急流軸位置通常位于35～40 °N，圖4d 顯示正相關(guān)區(qū)位于40 °N以北一帶，這表明當(dāng)高空西風(fēng)急流軸西伸偏強時，黑龍江降水偏多。蘭明才等[23]研究東亞副熱帶急流與東北夏季降水表明東北夏季降水偏多年份，急流軸中心偏強并且向東北方向傾斜，與本文結(jié)論一致。

圖4 突變前PC1與500 hPa位勢高度(a)、200 hPa緯向風(fēng)(c)和850 hPa矢量風(fēng)(e)相關(guān)場，以及突變后PC1與500 hPa位勢高度(b)、200 hPa緯向風(fēng)(d)和850 hPa矢量風(fēng)(f)相關(guān)場

圖5 為 PC2 與 500 hPa 位勢高度(a)以及 200 hPa緯向風(fēng)(b)相關(guān)，時間為1961—2018年。如圖5所示，500 hPa 位勢高度在貝加爾湖偏南為顯著正相關(guān)，黑龍江省東部至日本海為顯著負(fù)相關(guān)。200 hPa 緯向風(fēng)在巴爾喀什湖的西、東分別呈現(xiàn)“+，-”相關(guān)，并且在東亞地區(qū)自北向南呈現(xiàn)“+，-，+”的相關(guān)分布。初夏降水第二模態(tài)空間分布為東西反向，當(dāng)貝加爾湖阻塞高壓明顯偏東、高空西風(fēng)急流軸偏弱、日本海上空為低渦時，對應(yīng)黑龍江省降水西少東多分布。PC2 模態(tài)解釋方差貢獻率僅為17.4%，因此本文接下來重點研究海溫與初夏降水PC1的超前相關(guān)。

圖5 PC2與500 hPa位勢高度(a)和200 hPa緯向風(fēng)(b)相關(guān)場

前文分析指出黑龍江省初夏降水PC1 與500 hPa位勢高度場、200 hPa緯向風(fēng)場以及850 hPa矢量風(fēng)場存在較好的相關(guān)關(guān)系，下面繼續(xù)分析海溫與黑龍江省初夏降水PC1的超前相關(guān)。

按照前文結(jié)論得到突變時間點為1993 年，分突變前(1981—1993 年)和突變后(1994—2018 年)兩個時間段分析海溫與降水的超前相關(guān)。分析相關(guān)的海溫場采用三個月滑動平均，從上一年秋季開始一直到當(dāng)年春季結(jié)束。經(jīng)分析，突變前后降水均與上年12 月—當(dāng)年2 月的海溫相關(guān)最好，因此重點分析上年此時段海溫與降水關(guān)系。圖6a給出1981—1993 年黑龍江省初夏降水PC1 與上年12 月—當(dāng)年2 月的海溫線性相關(guān)，可見顯著相關(guān)區(qū)位于澳洲西北海溫，簡稱A 區(qū)(100～130 °E，0 °～20 °S)，此區(qū)域相關(guān)中心通過0.05 顯著性檢驗。圖6b 給出1994—2018 年黑龍江省初夏降水PC1與上年12 月—當(dāng)年2 月的海溫線性相關(guān)，A 區(qū)的正相關(guān)減弱，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)趨勢，并且相關(guān)系數(shù)無法通過0.1 顯著性檢驗，A 區(qū)以東海區(qū)由不顯著負(fù)相關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)轱@著正相關(guān)，位置從澳洲東北部向東南方向延伸，在130 °E～180 °，0 °～30 °S 范圍內(nèi)大部區(qū)域均通過0.05 顯著性檢驗，此區(qū)域稱作澳洲東北海溫(簡稱B 區(qū))。通過對比發(fā)現(xiàn)，突變前后澳洲北部海溫相關(guān)由東向西的“+，-”型轉(zhuǎn)為“-，+”分布，顯著正相關(guān)區(qū)域明顯東移。圖7 給出A 區(qū)(a)和B 區(qū)(b)海溫距平標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)序列，突變前A 區(qū)海溫與PC1 變化趨勢一致，突變后海溫有變暖趨勢，兩者關(guān)系減弱；突變前B 區(qū)海溫與PC1 呈現(xiàn)反向關(guān)系，突變后海溫與PC1 年代際變化基本一致。關(guān)鍵區(qū)(A 區(qū)和B 區(qū))海溫如何影響黑龍江初夏降水以及為什么兩者相關(guān)性發(fā)生轉(zhuǎn)變，這是本文下一步研究的重點。

圖6 PC1突變前與12—2月海溫場相關(guān)(a)，以及PC1突變后與12—2月海溫場相關(guān)(b)

圖7 A區(qū)海溫(a)和B區(qū)海溫(b)距平標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)序列

3.3 可能機制解釋

冬季澳洲東北海溫在突變前后如何影響降水，為了討論可能的物理機制，圖8 給出了突變前A 區(qū)海溫與初夏500 hPa 位勢高度場以及200 hPa緯向風(fēng)場的線性相關(guān)。海溫與位勢高度在東北地區(qū)上空同樣關(guān)系密切，但是呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，海溫偏高(低)時，激發(fā)東北冷渦異常偏強(弱)，初夏黑龍江降水偏多(少)。此外海溫與200 hPa緯向風(fēng)在北印度洋、黃淮和華北南部、黑龍江以北相關(guān)顯著，當(dāng)海溫偏高(低)時，激發(fā)印度洋、青藏高原東部至朝鮮半島南部高空西風(fēng)急流偏強(弱)，青藏高壓偏弱(強)，東西伯利亞東風(fēng)偏強(弱)。

圖8 突變前A區(qū)海溫與500 hPa位勢高度(a)和200h Pa緯向風(fēng)(b)相關(guān)場

圖9 給出了突變后冬季B 區(qū)海溫與初夏500 hPa 位勢高度場以及200 hPa 緯向風(fēng)場的線性相關(guān)。B 區(qū)海溫與500 hPa 位勢高度場關(guān)系密切的區(qū)域依然在東北地區(qū)，200 hPa 緯向風(fēng)變化在華北以及東北南部、西伯利亞中部相關(guān)顯著。對比突變前后發(fā)現(xiàn)，500 hPa 東北區(qū)上空正相關(guān)轉(zhuǎn)為負(fù)相關(guān)，海溫偏低(高)時，中緯度西風(fēng)急流偏弱(強)，東西伯利亞東風(fēng)偏弱(強)，東北冷渦偏弱(強)，初夏黑龍江降水偏少(多)。與A區(qū)海溫影響相比，相對于突變前東北冷渦偏南，澳大利亞北部東風(fēng)明顯偏強。

圖9 突變后B區(qū)海溫與500 hPa位勢高度(a)和200 hPa緯向風(fēng)(b)相關(guān)場

分析海溫在降水突變前后的關(guān)系變化之后，還需要進一步研究海溫變化是如何激發(fā)出初夏東北冷渦和西風(fēng)急流軸的變化情況，這里主要研究突變前后兩者的關(guān)系。前人研究指出[24-28]，在對流層中低層南北半球的相互作用主要是冬季影響夏季；Zhou[24]認(rèn)為冬季澳大利亞東側(cè)海溫偏暖有利于夏季長江流域降水偏多，同時海溫通過自身持續(xù)性的調(diào)制作用影響東亞夏季環(huán)流；薛峰[25]和高輝等[26]也研究證實南半球高緯環(huán)流系統(tǒng)首先建立，通過越赤道氣流影響亞洲夏季風(fēng)的建立發(fā)展。為討論可能的影響機制，圖10 分析突變前冬季A區(qū)海溫與初夏850 hPa 矢量風(fēng)場的相關(guān)。當(dāng)冬季A 區(qū)海溫偏高時，初夏東南亞、非洲東岸，越赤道氣流為北風(fēng)距平，印度半島盛行東風(fēng)。同時在菲律賓以東出現(xiàn)反氣旋，我國東北地區(qū)以及西北太平洋呈現(xiàn)低壓氣旋，此時東北冷渦活動偏強。圖11 分析突變后冬季B 區(qū)海溫與初夏850 hPa 矢量風(fēng)場的相關(guān)。當(dāng)冬季B 區(qū)海溫偏高時，澳大利亞東部海溫激發(fā)兩條偏北的越赤道氣流，其中一條沿著爪哇島、蘇門答臘島一路向北到我國南海，并且在菲律賓一帶呈現(xiàn)出氣旋相關(guān)，南海季風(fēng)槽偏強。同時向北對應(yīng)出現(xiàn)反氣旋-氣旋交替波列，即在西北太平洋激發(fā)反氣旋，而在我國東北-華北激發(fā)出氣旋。850 hPa 東北-華北出現(xiàn)低壓氣旋環(huán)流對應(yīng)500 hPa也呈現(xiàn)低壓氣旋，導(dǎo)致東北冷渦異?；钴S。若B 區(qū)海溫偏低，則出現(xiàn)相反的變化，東北冷渦偏弱。對比突變前后全國多雨帶位置可發(fā)現(xiàn)(圖略)，突變前的 13 a 中，A 區(qū)海溫(圖 7a)有 7 a 海溫偏高，東亞呈“南高北低”型分布，東北冷渦偏強，我國北方呈現(xiàn)降水偏多趨勢，黃淮、江南地區(qū)降水偏少；突變后的 25 a 中，B 區(qū)海溫(圖 7b)有12 a 海溫偏低，東亞呈南北向的“+，-，+”分布，此時東北冷渦偏弱，東北中南部、華北大部、西北東部降水偏少，長江中下游和江南地區(qū)降水偏多明顯，多雨帶突變前后由北轉(zhuǎn)南與西太副高脊線的北轉(zhuǎn)南關(guān)系相吻合，同時前文研究表明突變后PC1 與850 hPa 矢量風(fēng)場在西北太平洋的反氣旋環(huán)流較突變前向南移動，這與突變后副高南移的結(jié)論完全一致。

圖10 突變前A區(qū)海溫與850 hPa矢量風(fēng)相關(guān)場

圖11 突變后B區(qū)海溫與850 hPa矢量風(fēng)相關(guān)場

進一步解釋前冬海溫影響初夏大氣環(huán)流變化的物理機制，當(dāng)冬季B 區(qū)海溫偏高時，初夏南半球的越赤道氣流顯著，并在東亞區(qū)激發(fā)一個明顯的PJ(Pacific-Japan)波列，結(jié)果使得西北太平洋反氣旋性環(huán)流異常，而在東北-華北地區(qū)氣旋性環(huán)流異常，對應(yīng)垂直氣流為上升運動，對流層中層為輻合區(qū)，導(dǎo)致初夏東北冷渦異?；钴S。通過激發(fā)出PJ波列，使得東亞季風(fēng)系統(tǒng)進程較常年偏早，強度偏強。反之，冬季B 區(qū)海溫偏低時，初夏南半球的越赤道氣流將變得不顯著，在東亞區(qū)激發(fā)反向的PJ波列，東亞季風(fēng)強度偏弱，東北-華北上空出現(xiàn)正的位勢高度距平，東北冷渦活動偏弱，這些都不利于黑龍江初夏降水偏多。

高空西風(fēng)急流作為冬夏季節(jié)轉(zhuǎn)換的主要環(huán)流系統(tǒng)之一，其北跳及南退對中國東部地區(qū)降水至關(guān)重要[29-34]。前文研究證實A 區(qū)海溫在突變前激發(fā)高空西風(fēng)急流軸比常年偏北，急流軸左側(cè)具有氣旋性切變，右側(cè)具有反氣旋性切變；突變后B 區(qū)海溫則激發(fā)高空西風(fēng)急流軸比常年偏南，急流軸左側(cè)具有反氣旋性切變，右側(cè)具有氣旋性切變。那么，對于海溫是如何激發(fā)高空西風(fēng)急流軸南移的，根據(jù)Huang 等[29]和董敏等[30]的研究指出，夏季熱帶西太平洋對流活動可影響西風(fēng)急流軸位置，當(dāng)熱帶西北太平洋對流活動偏強時，東亞地區(qū)高空急流軸北移，反之，熱帶西北太平洋對流活動偏弱時，東亞地區(qū)高空急流軸南移。B 區(qū)海溫偏高對應(yīng)著菲律賓(即西北太平洋)一帶出現(xiàn)低層氣旋式環(huán)流，這表明垂直上升運動，對流活動偏強，進而東亞地區(qū)高空急流軸北移，有利于黑龍江省初夏降水偏多。反之，當(dāng)B區(qū)海溫偏低時，菲律賓-北太平洋一帶出現(xiàn)低層反氣旋式環(huán)流，垂直方向為下沉運動，對流活動偏弱，東亞地區(qū)高空急流軸南移，不利于黑龍江省初夏降水偏多。

4 結(jié) 論

(1) 黑龍江省初夏降水主要模態(tài)為全省一致型和東西反向型，分別占解釋方差的61.3%和17.4%。通過滑動t檢驗發(fā)現(xiàn)PC1 在1993 年發(fā)生突變。

(2) 分析突變前后影響降水的環(huán)流因子發(fā)現(xiàn)，影響黑龍江初夏降水PC1 的主要因子為東北冷渦和高空西風(fēng)急流軸，冷渦偏強、急流軸偏北，降水偏多。

(3) 前兆影響信號主要在澳大利亞海域，突變前A 區(qū)海溫偏高東北冷渦偏強；突變后則是B 區(qū)海溫偏低東北冷渦偏弱。

(4) 分析突變后海溫對降水的影響機理發(fā)現(xiàn)，突變前澳大利亞A 區(qū)海溫偏高可以激發(fā)初夏越赤道氣流，菲律賓以東出現(xiàn)反氣旋，我國東北地區(qū)呈現(xiàn)氣旋，南高北低的高度距平，高空急流軸偏北；突變后，冬季澳大利亞B 區(qū)海溫偏低激發(fā)初夏反向越赤道氣流，在菲律賓出現(xiàn)反氣旋性環(huán)流，同時向北激發(fā)出一條南北向的“+，-，+”PJ波列，導(dǎo)致東北冷渦偏弱，高空急流位置偏南，造成黑龍江初夏降水偏少。