東北地區(qū)春季透雨早晚年的環(huán)流特征及與前期海溫的關(guān)系

梁洪海，徐士琦，2，3*，楊雪艷，3，程紅軍，石大明，房一禾，汪曉宏

（1.吉林省氣候中心，吉林 長(zhǎng)春 130062；2.東北冷渦研究重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110016；3.長(zhǎng)白山氣象與氣候變化吉林省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130062；4.沈陽(yáng)區(qū)域氣候中心，遼寧 沈陽(yáng) 110016）

東北地區(qū)是全國(guó)最大的商品糧食生產(chǎn)基地，糧食產(chǎn)量直接影響到我國(guó)的糧食安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。過(guò)去幾十年，氣象學(xué)者對(duì)于東北地區(qū)的天氣和氣候開(kāi)展了大量研究，但這些研究多數(shù)是針對(duì)東北地區(qū)冬季、夏季的氣溫和降水[1-4]，而對(duì)東北春季降水的研究較少。春季4—5月正值東北地區(qū)作物播種和出苗的關(guān)鍵期，自然降水是土壤水分的主要來(lái)源，也是作物增產(chǎn)的必要條件，這期間降水的多少及出現(xiàn)時(shí)間的早晚決定了土壤墑情[5-7]。春季透雨開(kāi)始的早晚是決定春季旱澇的關(guān)鍵，它直接影響著春耕生產(chǎn)、苗情長(zhǎng)勢(shì)以及全年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的年景。因此，研究春季透雨早晚對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。

目前已有很多氣象工作者對(duì)我國(guó)不同地區(qū)的春季透雨進(jìn)行了研究。納麗等[8]根據(jù)寧夏省業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，將3月以來(lái)首次降水量≥10 mm的降水過(guò)程日期定義為首場(chǎng)透雨日期，選用1961—2005年寧夏20個(gè)站的降水量，分析春季首場(chǎng)透雨出現(xiàn)日期的氣候特征及早晚年的環(huán)流背景發(fā)現(xiàn)，透雨偏早年前期赤道太平洋海溫以暖水位相為主，且3—4月寧夏處在500 hPa高度場(chǎng)正負(fù)距平交匯處，冷空氣可以源源不斷地進(jìn)入，孟加拉灣洋面上水汽向北輸送；透雨偏晚年前期海溫維持以冷水位相，受脊前西北氣流控制，不利于冷空氣出現(xiàn)，從貝加爾湖伴隨冷空氣帶來(lái)的向南輸送的水汽影響寧夏，不利于明顯降水。林紓等[9]將中國(guó)甘肅省河?xùn)|地區(qū)分成中部和隴東南2個(gè)區(qū)域，將3—5月第一次出現(xiàn)日降水量≥10 mm的降水日定義為首場(chǎng)透雨日期，分別討論了春季首場(chǎng)區(qū)域性透雨日期的年際和年代際變化特征。李輯等[10]將單站自4月1日開(kāi)始，第一次出現(xiàn)連續(xù)3 d過(guò)程雨量之和≥10 mm的最后一天日期記為該站當(dāng)年春季首場(chǎng)透雨日期，利用1961—2007年遼寧省14個(gè)站點(diǎn)4—5月的逐日降水資料進(jìn)行研究，指出遼寧省春播期透雨出現(xiàn)時(shí)間略有偏晚的趨勢(shì)；春播期透雨出現(xiàn)時(shí)間偏晚（早）年，透雨量偏大（小），春播期總降水量偏少（多）。沈玉敏等[11]指出遼寧省透雨偏早年，500 hPa高度場(chǎng)上歐亞地區(qū)呈現(xiàn)兩脊一槽型，遼寧大范圍被槽區(qū)覆蓋；偏晚年，500 hPa高度場(chǎng)上歐亞地區(qū)呈兩槽一脊型，遼寧處于高壓脊控制區(qū)。徐士琦等[12]研究分析了東北地區(qū)春季首場(chǎng)透雨出現(xiàn)日期的時(shí)空變化特征及其與透雨量和播種期降水量間的關(guān)系，以及對(duì)青藏高原地面加熱場(chǎng)強(qiáng)度異常的響應(yīng)和可能機(jī)制。

有關(guān)透雨的研究多集中于西北地區(qū)[8-9，13-15]或東北某一省份[10-11，16-17]，而對(duì)東北地區(qū)整體大范圍春季透雨的研究較少。本文擬在之前工作[12]的基礎(chǔ)上選取透雨出現(xiàn)的典型年份，對(duì)比分析透雨早、晚年對(duì)應(yīng)的環(huán)流場(chǎng)差異，尋找海溫對(duì)東北春季透雨的前兆影響，為提高東北地區(qū)春季透雨的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率提供參考依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料

選用1960—2017年中國(guó)氣象局提供的東北地區(qū)（39°～55°N，118°～135°E）109個(gè)站點(diǎn)4—5月逐日降水資料，研究范圍包括黑龍江、吉林、遼寧及內(nèi)蒙古東部、河北東部的部分地區(qū)，站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。同時(shí)選用美國(guó)氣象環(huán)境預(yù)報(bào)中心/國(guó)家大氣研究中心提供的NCEP/NCAR-I月平均再分析資料（包括位勢(shì)高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)等資料），垂直方向17層，水平分辨率為2.5°×2.5°，和美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局NOAA重構(gòu)的月平均海溫資料，全球180×89個(gè)格點(diǎn)，水平分辨率為2°×2°。

圖1 東北地區(qū)109個(gè)站點(diǎn)地理分布

1.2 方法

將單站自4月1日起，日降水量首次≥10 mm的日期記為該站當(dāng)年春季透雨開(kāi)始日期，并記錄透雨開(kāi)始日期與4月1日之間的日數(shù)差，如4月15日記為15，5月21日記為51。若透雨晚于6月1日出現(xiàn)，視為該年春季無(wú)透雨。從歷年所有站點(diǎn)透雨開(kāi)始日期平均值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（圖2）看，1960—2017年?yáng)|北春季透雨開(kāi)始時(shí)間為5月6日，最早為4月16日（2002年），最晚為5月26日（1965年）。

對(duì)透雨日期序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[18]，計(jì)算公式為：

式中，Yi為歷年透雨日期標(biāo)準(zhǔn)化序列，xi為歷年透雨實(shí)際開(kāi)始日期為歷年透雨平均開(kāi)始日期，n為統(tǒng)計(jì)年份。以偏離多年平均透雨日期1.0個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差為準(zhǔn)，將＜1.0的年份定義為“透雨偏早年”，＞1.0的年份定義為“透雨偏晚年”（圖2）。由此選出10個(gè)透雨偏 早 年（1969、1983、1990、1991、2002、2005、2010、2013、2015、2016年）和7個(gè)透雨偏晚年（1965、1970、1971、1972、1986、1989、2001年）。其中，透雨偏早年的日期均集中在4月中下旬，而偏晚年的日期均集中在5月中下旬。全文涉及到的統(tǒng)計(jì)方法包括合成分析、相關(guān)分析等。

圖2 東北地區(qū)春季透雨日期（曲線）及標(biāo)準(zhǔn)化后（柱狀）的時(shí)間序列

2 透雨典型年對(duì)應(yīng)的4月環(huán)流特征

大氣環(huán)流為降水提供重要的背景場(chǎng)，降水異常往往是環(huán)流異常的結(jié)果。對(duì)比透雨典型偏早和偏晚年4月不同高度層的環(huán)流場(chǎng)差異，分析有利或不利于透雨出現(xiàn)的環(huán)流背景。

透雨偏早年4月，200 hPa風(fēng)場(chǎng)（圖3a）上顯著的閉合環(huán)流主要出現(xiàn)在中高緯度地區(qū)，自北向南依次為烏拉爾山以南的反氣旋環(huán)流和貝加爾湖地區(qū)的氣旋環(huán)流，日本海附近為異常的反氣旋環(huán)流，東北地區(qū)處于氣旋環(huán)流的東南側(cè)和反氣旋環(huán)流的西北側(cè)，以西南風(fēng)為主。15°～30°N的東亞中低緯為偏西風(fēng)，表明4月高層西風(fēng)急流偏強(qiáng)有利于透雨偏早。500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)（圖3c）上，歐亞大陸的烏拉爾山地區(qū)、巴爾喀什湖與貝加爾湖之間區(qū)域、渤海灣到日本列島區(qū)域，自西向東沿緯向呈“+-+”的波列結(jié)構(gòu)；東亞地區(qū)維持西低東高、北高南低的形勢(shì)，東亞大槽位置偏西，我國(guó)東北和華北由負(fù)距平高度場(chǎng)控制，極地高緯度地區(qū)為顯著的正距平，烏拉爾山高壓脊有利于引導(dǎo)極地和貝加爾湖冷空氣南移，而鄂霍次克海地區(qū)高壓的存在又阻擋了冷空氣的侵入，使得冷空氣在我國(guó)北方堆積。850 hPa風(fēng)場(chǎng)（圖3e）與中高層環(huán)流場(chǎng)的對(duì)應(yīng)較好，東北至華北呈顯著的氣旋環(huán)流，其東部日本海附近為異常反氣旋環(huán)流，東北地區(qū)偏南風(fēng)距平顯著。上述環(huán)流形勢(shì)為降水提供了有利的動(dòng)力條件。

透雨偏晚年與偏早年環(huán)流形勢(shì)近乎相反。200 hPa風(fēng)場(chǎng)（圖3b）上，15°～30°N的東亞中低緯為偏東風(fēng)，4月高層西風(fēng)急流偏弱；500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)（圖3d）上，東亞中高緯度以緯向環(huán)流為主，北方大部地區(qū)為正距平，中心位于遼寧省附近，俄羅斯遠(yuǎn)東到鄂霍次克海地區(qū)為氣旋環(huán)流；850 hPa風(fēng)場(chǎng)（圖3f）上，東北和華北地區(qū)由中亞高壓脊前偏西或西北氣流控制。

圖3 透雨偏早年（a、c、e）和偏晚年（b、d、f）對(duì)應(yīng)的4月200 hPa矢量風(fēng)場(chǎng)（a和b，單位：m/s）、500 hPa高度場(chǎng)（c和d，單位：gpm）、850 hPa矢量風(fēng)場(chǎng)（e和f，單位：m/s）的距平合成

東北地區(qū)春季降水的發(fā)生同時(shí)受到上升氣流的影響，為分析垂直環(huán)流的異常，圖4給出了透雨典型偏早年和偏晚年沿39°～55°N緯向平均的垂直速度（Omega）場(chǎng)。透雨偏早年垂直速度場(chǎng)的異常分布（圖4a）顯示，4月東北地區(qū)上空為垂直運(yùn)動(dòng)負(fù)異常區(qū)，上升氣流可達(dá)200 hPa以上的高度，這種從低層到高層強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng)有利于降水的發(fā)生；反之，透雨偏晚年4月垂直運(yùn)動(dòng)（圖4b）的異常分布在東北地區(qū)表現(xiàn)為顯著的正異常，表明東北全區(qū)盛行下沉氣流，不利于產(chǎn)生降水。

圖4 透雨偏早年（a）和偏晚年（b）的4月緯向平均（39°～55°N）垂直速度合成（Pa/s）

降水產(chǎn)生的必要條件之一就是水汽條件，東北地區(qū)春季首場(chǎng)透雨的產(chǎn)生必然受到水汽輸送影響。整層大氣水汽通量Q的計(jì)算公式為：

式中，V為各層大氣的風(fēng)速矢量（m/s），q為各層大氣的比濕（g/kg）；Ps、Pt分別為大氣柱下界氣壓（取1 000 hPa）和上界氣壓（取300 hPa），g是重力加速度（m/s2），P為氣壓（hPa）。用公式（2）計(jì)算透雨早、晚年4月1 000～300 hPa整層大氣的經(jīng)、緯向水汽輸送及距平。

透雨出現(xiàn)偏早年4月（圖5a），有南北兩條水汽輸送帶（簡(jiǎn)稱(chēng)“南支”和“北支”）。南支來(lái)自北印度洋，途經(jīng)孟加拉灣向西北方向輸送的水汽和來(lái)自西太平洋副熱帶高壓西側(cè)經(jīng)過(guò)中國(guó)南海向北輸送的水汽，在120°E匯合形成較強(qiáng)的水汽輻合帶。北支是來(lái)自歐洲中高緯經(jīng)貝加爾湖伴隨冷空氣帶來(lái)的向東輸送的水汽，形成自西北向東南方向較弱的水汽輸送帶，影響中高緯地區(qū)。透雨出現(xiàn)偏晚年4月（圖5b），水汽輸送與偏早年不同，我國(guó)華南地區(qū)出現(xiàn)明顯的反氣旋環(huán)流，阻擋了南支水汽輸送。同時(shí)，日本海地區(qū)的水汽主要向我國(guó)華北地區(qū)輸送，到達(dá)東北地區(qū)的水汽輸送帶幾乎被切斷，在東北地區(qū)形成水汽輻散場(chǎng)。水汽條件不足，不利于產(chǎn)生降水。

圖5 透雨偏早年（a）和偏晚年（b）的4月1 000～300 hPa水汽通量（箭頭，單位：kg·m-1·s-1）和散度（填色，單位：10-5 kg·m-2·s-1）的距平合成

3 海溫對(duì)春季透雨出現(xiàn)早晚的影響

海水熱容量大，大量的氣候變化信息可以通過(guò)海洋儲(chǔ)存起來(lái)。海洋與大氣又有密不可分的聯(lián)系，二者時(shí)刻進(jìn)行著熱量和水汽的交換。海洋因此成為了氣候變化的調(diào)節(jié)器、緩沖器[19-21]。很多研究發(fā)現(xiàn)，前期西太平洋暖池?zé)岷慨惓?huì)激發(fā)東亞—太平洋型遙相關(guān)和中緯度高層沿亞洲西風(fēng)急流東傳波列并改變夏季東北冷渦強(qiáng)度，從而造成夏季東北地區(qū)降水異常[22]。除同期環(huán)流背景外，前期海溫異常在東北降水的影響中也常扮演重要角色。

圖6為1960—2017年春季首場(chǎng)透雨日期與前期1、2、3月及同期4月海溫的相關(guān)系數(shù)（等值線）及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果（陰影區(qū)）。從圖6中可以看出，全球海溫中最顯著（相關(guān)系數(shù)通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)）且季節(jié)（1—4月相關(guān)系數(shù)均通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)）持續(xù)性及空間連續(xù)性最好的信號(hào)分別位于熱帶印度洋、赤道太平洋及我國(guó)鄰近海域。前期（1—3月）關(guān)鍵區(qū)海溫偏高，有利于東北春季透雨偏早；反之，透雨偏晚。

圖6 透雨日期與前期1月（a）、2月（b）、3月（c）、4月（d）海表溫度的相關(guān)系數(shù)分布

4 結(jié)論與討論

利用1960—2017年4—5月東北地區(qū)109個(gè)站點(diǎn)逐日降水資料，NCEP/NCAR-I月平均再分析資料，以及NOAA重構(gòu)的月平均海溫資料，就東北春季透雨早、晚年對(duì)應(yīng)的環(huán)流場(chǎng)差異和與海溫的關(guān)系進(jìn)行了分析。結(jié)論如下：

（1）典型透雨偏早年的日期集中在4月中下旬，偏晚年則集中在5月中下旬。透雨偏早年4月，對(duì)流層中層歐亞大陸呈“兩脊一槽”型分布，東北地區(qū)上空為負(fù)高度距平場(chǎng)覆蓋，有利于北方冷空氣南下。對(duì)流層低層—高層的風(fēng)場(chǎng)顯示東北地區(qū)處于顯著偏南風(fēng)控制下，有利于暖濕氣流向該地區(qū)輸送；低層—高層表現(xiàn)為垂直上升運(yùn)動(dòng)，輻合動(dòng)力條件良好。此外，透雨偏早年有兩條明顯的水汽輸送帶，為降水的產(chǎn)生提供了有利的水汽條件。透雨偏晚年與上述情況基本相反，我國(guó)東北地區(qū)在對(duì)流層中層由正高度距平場(chǎng)控制，低層—高層表現(xiàn)為垂直下沉運(yùn)動(dòng)，偏北風(fēng)控制，且水汽輸送明顯減弱。東北地區(qū)春季透雨出現(xiàn)的早晚與前期熱帶印度洋、赤道太平洋和鄰近海域的海溫有關(guān)，前期關(guān)鍵區(qū)海溫偏暖（冷），有利于透雨出現(xiàn)偏早（晚）。

（2）值得注意的是，對(duì)典型透雨偏早年和偏晚年的4月大尺度環(huán)流場(chǎng)進(jìn)行合成，環(huán)流場(chǎng)差異顯著。但單個(gè)透雨早、晚年對(duì)應(yīng)的環(huán)流形勢(shì)并非完全線性相反，如1960年的大氣環(huán)流條件有利于東北地區(qū)降水的發(fā)生，但水汽條件不足，導(dǎo)致透雨出現(xiàn)偏晚。事實(shí)上，透雨這種天氣尺度過(guò)程不僅取決于大尺度環(huán)流背景，還受各種其他天氣尺度因子影響，只有這些條件充分配合，才會(huì)導(dǎo)致透雨的發(fā)生。

本文僅利用觀測(cè)資料分析了過(guò)去幾十年?yáng)|北地區(qū)春季透雨典型年的環(huán)流形勢(shì)及與海溫之間的初步關(guān)系，下一步還需結(jié)合氣候模式深入探討海溫影響東北地區(qū)透雨早晚的物理機(jī)制，加深理解大氣波列的傳播過(guò)程及中高緯度的響應(yīng)，以期利用數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品和統(tǒng)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)其客觀定量化預(yù)測(cè)，為提高東北地區(qū)春季透雨的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率進(jìn)一步提供科學(xué)依據(jù)。