1961—2017年黑龙江省夏季降水异常成因的分析

石红艳，杨 宁，潘华盛

(1.双鸭山市气象局，黑龙江 双鸭山 155100；2．黑龙江省气象服务中心，哈尔滨 150030；3.黑龙江省气象台，哈尔滨 150030)

0 引 言

黑龙江省1998 年嫩江、松花江流域由于夏季超强降水影响发生了超百年一遇的特大洪水, 国民经济直接损失达296.1 亿元人民币。2013 年全省降水异常偏多，全省夏季平均降水量为456.9 mm，比常年偏多33%，为1961 年以来第1位，导致自1998 年之后的又一次大洪水。冷春香等[1]采用EOF经验正交函数分析和聚类相结合的方法，对中国主汛期降水进行了8 类雨型的空间分布分析，对我国的降水预报起到了很好的作用。对降水异常的成因分析，大多采用环流特征[2-8]、ENSO的影响[9-12]和统计及数值模拟[13-16]等技术。本文基于降水趋势分析、EOF展开、环流成因分析等方法，揭示出黑龙江省降水存在16 a多、少转换周期,2012年开始进入多水期。

1 资料与方法

资料：①国家气候中心气候系统监测预测评估网站提供西太平洋副热带高压资料；②NCEP/NCAR 再分析资料包括北半球1961—2017年夏季500 hPa高度经纬网格点5°×5°；③黑龙江省气象信息中心提供全省62站夏季平均降水量。

方法： 自然正交函数展开(EOF)及相关系数计算[17]。

图1 1961—2017年夏季降水变化 Fig.1 Summer precipitation variance from 1961 to 2017

2 黑龙江省夏季降水变化特点

2.1 降水年际年代际变化

1961—2017年黑龙江省夏季降水呈稍降趋势，见图1。由多项式拟合划分3个长时段：1967—1980年14 a少水，平均降水301.1 mm；1981—1998年18 a多水,平均降水362.7 mm；1999—2012年14 a少水,平均312. 2 mm。2013—2017年多水,平均降水349.7 mm，已进入多水时期。降水最多年份出现在2013年456.9 mm,最少年份出现在2007年201.1 mm。多水段雨量与第1和第3段少水段雨量之差分别为61.6 mm、50.5 mm。另外1961—1966年，也为多水时段，但它属于前期多水期的一部分。由降水等级划分(表1)取降水量特多特少量级统计，在多水年时段共有29 a，其中有25 a异常偏多占多水时段的86%；而少水时段共28 a，出现异常偏少26 a占少水时段93%；多、少水时段的划分接近t=0.10显著性检验。多少水变化周期在33 a左右，平均半周期为16 a左右，而且多、少水年数基本持平。从年代际变化来看，上世纪80—90年代多水，70年代和本世纪初10年代少水。

表1 夏季降水等级标准

2.2 夏季降水分型

2.2.1 夏季降水EOF 展开分型

将1961—2017年全省62站夏季平均降水，进行EOF展开取前4个特征向量，它们的方差见表2。第一特征向量方差最大为0.40,第二特征向量方差为0.11，其它特征向量越来越小。全省62站降水展开的第一特征向量值、第二特征向量值、第三特征向量值、第四特征向量值分布见图2。第一特征向量分布型式即全省降水分布一致多(或少)见图2(a)，其降水中心位于齐齐哈尔市的克山和拜泉，哈尔滨市的阿城、五常、巴彦、木兰、延寿、依兰，佳木斯市和鹤岗市。这种降水形势主要受来自南来气旋和西移蒙古气旋共同影响。第二特征向量分布型式即西多东少型(或西少东多型)见图2(b)，多水主要分布在黑河以南包括齐齐哈尔、大庆、绥化所辖区，其中齐齐哈尔市的甘南、龙江、克山、拜泉降水最大，降水最少区主要分布在哈尔滨市的通河、依兰，佳木斯市的富锦，牡丹江市的林口，七台河市的勃利，鸡西市和双鸭山市的宝清及鹤岗市的萝北等地。主要受来自西部的蒙古气旋和河套气旋以及来自西部的鄂霍次克海阻塞高压共同影响。第三特征向量分布型式为南多北少加东部少型见图2(c)，其主要降水在哈尔滨市的阿城、双城、五常、尚志和齐齐哈尔市的泰来，大庆市的杜蒙、林甸。少水主要分布在大兴安岭和黑河市及辖区，降水中心在黑河市及孙吴、逊克。主要受到来自西南的河套气旋和西北的贝加尔湖高压的影响。第四特征向量分布型式为中多东西部少型见图2(d)，其主要降水中心分布在伊春市，绥化市的庆安。少水主要分布在东部的完达山脉临近区域，包括牡丹江市东部各县(市)，鸡西辖区各县(市)还有绥芬河市。西部少水区域主要包括齐齐哈尔市全区及大庆西部的杜蒙和林甸；少水中心在齐齐哈尔市的龙江、甘南和泰来。主要受到来自南部的华北、渤海气旋及台风的影响。

表2 黑龙江省夏季降水EOF展开前四个特征向量方差及累计方差

图2 1961—2017年夏季降水EOF展开前四个特征向量分布型Fig.2 Distribution types of the first four eigenvector EOF expansion on the summer precipitation from 1961 to 2017

2.2.2 EOF展开特征向量时间系数与降水变化关系

2.2.2.1 夏季降水与EOF1时间系数变化关系

全省夏季降水与EOF1时间系数变化见图3，两条曲线升降变化基本一致，相关系数为0.64，远超0.01信度检验。降水距平符号与EOF1时间系数“+、-”变化一致率为0.74。如取降水距平百分率≥0.15或≤0.15，则与时间系数相同符号达0.83，仅有1982、1991和2009年符号关系相反，表明变化关系不在EOF1时间系数变化之内，而是在其它降水形式之内，如1982年夏季降水应在EOF3形势控制之下，1991年应在EOF4形式控制之下。全省降水EOF1特征向量值分布与时间系数变化，可以反映全省夏季降水的变化情景。

2.2.2.2 夏季降水与EOF2时间系数变化关系

选取图2(b)降水西多东少型代表站西部拜泉和东部勃利降水作与EOF2时间变化关系见图4。1961—2017年拜泉降水与EOF2时间变化呈反位相变化关系，相关系数为-0.28通过0.05信度检验；勃利降水与EOF2时间系数呈正位相变化关系，相关系数为0.49通过0.001信度检验，东部降水与EOF2时间系数变化关系要好于西部。经统计拜泉降水取“+、-”距平符号对应时间系数正确率仅为50%，取降水距平百分率≥0.20或≤0.20对应时间系数正确率达60%，取降水距平百分率≥0.40或≤0.40对应时间系数正确率达83%，随降水的增多与减少与时间系数的反相变化的正确率在增加。勃利降水同样取“+、-”距平符号对应时间系数正确率达70%, 取降水距平百分率≥0.20或≤0.20对应时间系数正确率达70%，取降水距平百分率≥0.40或≤0.40对应时间系数正确率达87%。不论西部或东部降水越大(小)，东西部降水反相变化大，则EOF2型分布越明显。

图3 黑龙江省夏季降水与EOF1时间系数变化关系 Fig.3 Relationship between the Heilongjiang summer precipitation and EOF1 time coefficient change

图4 拜泉、勃利夏季降水与EOF2时间系数变化关系Fig.4 Relationship between the Baiquan and Boli summer precipitation and EOF2 time coefficient change

3 大气环流变化对黑龙江省主要降水形势的影响

3.1 大气环流变化对全省降水EOF1型的影响

3.1.1 EOF1时间系数与500 hPa高度场相关分析

全省降水EOF1型占总方差40.39%，EOF1型时间系数与全省平均降水相关系数为0.64，因此EOF1时间系数变化类似全省降水变化。1961—2017年6—8月EOF1降水时间系数与北半球高空500 hPa高度场相关计算分析见图5 。在东亚区500 hPa高度场中高纬地区“+、-”相关区分布明显，其主要“-”相关区位于100～130°E，45～50°N相关系数为-0.30通过0.01信度检验。中心位于110～125°E，45～50N°相关系数为-0.40以上通过0.001信度检验相关很高。此区正是位于贝加尔湖东南部，蒙古国以东内蒙东北及黑龙江全省。“-”相关则表明系数越低，则EOF1时间系数值越大，黑龙江省降水越多的反位相变化。同时也表明内蒙东北及黑龙江受高空东亚低槽长时间控制，地面经常受蒙古低压、河套低压及南来系统的影响造成多雨。位于西伯利亚地区80～100°E,65～75°N为“+”相关区，相关系数为0.30以上通过0.01信度检验，表明系数越高则EOF1时间系数值越大，黑龙江省降水越大的正位相变化。另外在我国东海东部海域，即西太平洋副高区域也维持正相关较高值，而且位置偏北。也即西伯利亚的泰米尔地区长时间维持阻塞高压，我国东北区受低槽控制则黑龙江省降水偏多。从整个东亚中高纬地区高度场形势来看，呈北高南低形势，黑龙江省降水则盛行EOF1分布形势，全省降水偏多或特多。

图5 全省降水EOF1时间系数与500 hPa高度场相关系数分布(等值线为相关系数分布，阴影为通过显著性水平α=0.05的t检验)Fig.5 Distribution of the relationship coefficient between provincial precipitation EOF1 time coefficient and 500 hPa height fields

3.1.2 EOF1型下多水年高空500 hPa环流形式分析

选取EOF1时间系数大又是黑龙江省夏季降水特多的1981、1985、1991、1994和2013年做高空500 hPa高度场平均合成图6 。在中高纬地区盛行两脊两槽型，我国东北区与哈萨克斯坦上空为低槽控制，鄂霍茨克海和贝加尔湖为高脊控制。冷空气沿贝加尔湖高脊前部进入东北与西南方向和副高外缘东南方向相叠加的暖湿空气相遇交绥，前部又受到稳定的鄂海高压阻挡，西太平洋副高脊线偏北，西伸脊点位置偏东保证有充足的水汽供应，造成黑龙江省长时间降水。

图6 多水年1981、1985、1991、1994、2013年夏季500 hPa平均高度场合成Fig.6 Average composition of the 500 hPa height on 1981、1985、1991、1994、2013 of much water years

图7 全省降水EOF2时间系数与500 hPa高度场相关系数分布(等值线为相关系数分布，阴影为通过显著性水平α=0.05的t检验)Fig.7 Distribution of the relationship coefficient between provincial precipitation EOF2 time coefficient and 500 hPa height fields

3.2 大气环流变化对全省降水EOF2型的影响

3.2.1 EOF2时间系数与500 hPa高度场相关分析

全省降水EOF2型占总方差11.16%，与夏季降水相关系数为0.12,这种形式的降水在全省占第二位，主要影响的是区域降水。同样做1961—2017年6—8月EOF2型降水时间系数与北半球高空500 hPa高度场相关计算分析见图7 。在东亚区500 hPa高度场中高纬地区主要盛行一脊一槽型。位于鄂霍茨克海及周边地区长期维持阻塞高压(简称鄂高)中心140～150°E,50～60°N,相关系数为0.30以上。另在80°E以西，75°N以北喀拉海区域也维持一个通过信度检验的正相关区，即受高压控制。而在我国东北，华北东部及内蒙东北为低槽所控制，虽然“-”相关区未通过显著性检验，但对于全省降水EOF2型分布即西多东少型分布是显著的。另外此相关形式所见西太平洋副热带高压区脊线是偏北偏西的。

3.2.2 EOF2型下多水年高空500 hPa环流形式分析

选取EOF2时间系数大又是黑龙江省降水特多的1966、1969、1984、1998和2003年做高空500 hPa高度场平均合成见图8，其基本形式相似图7相关系数分布。但不同的是在中高纬地区基本呈北脊南槽型，65°N及以北地区为高压带，贝加尔湖以东中国东北华北为高空低槽控制。此种形式对短期天气过程来说，常有切断低压或东北冷涡较长期盛行维持造成多雨。而西太平洋副高脊线大部偏南西伸脊点偏西，大量的暖湿气体由副高西部边缘随强大的西南气流进入黑龙江，与贝加尔湖东南下的冷空气相遇造成强降水。这种形式基本符合1969和1998年夏季黑龙江省西部发生强降水造成嫩江-松花江大洪水。

图8 多水年的西多东少型1966、1969、1984、1998、2003年夏季500 hPa平均高度场合成Fig.8 Average composition of the summer 500 hPa height for west more east little type much water years in 1966、1969、1984、1998、2003

图9 西太平洋副热带高压脊线与夏季降水变化关系Fig.9 Relationship between the western pacific subtropical high ridge position and summer precipitation change

3.2.3 夏季西太平洋副热带高压对黑龙江省夏季降水的影响

夏季西太平洋副热带高压(以下简称副高)变化对我国东部地区降水影响是很大的[7]，黑龙江降水也同样受它的影响。经计算夏季副高面积、强度、脊线、西伸与黑龙江降水的相关系数分别为0.03、0.02、0.2、0.0,仅有脊线位置变化与降水相关一项刚好达到0.10信度检验标准。由副高脊线与降水关系(图9)分析，降水距平符号“+、-”检验正确率达60%，降水偏多年距平百分率≥0.11共16年，其中脊线偏北有11年正确率达69%；降水特多年距平百分率≥0.15共11年，其中1961、1963、1981、1984、1985、1991、1994、2009、2013年脊线偏北正确率达82%；如降水距平百分率≥0.20有1981、1985、1991、1994、2009、2013年脊线偏北正确率达100%。降水偏多年份脊线大部偏北且西伸脊点大多偏东；1998年降水特多发生百年不遇的嫩江-松花江特大洪水，脊线偏南脊点且异常偏西；与它类似1969年也是降水偏多发生了嫩江-松花江大洪水，同样是脊线偏南脊点且异常偏西，表明若脊线偏南脊点偏西降水中心在黑龙江省西部，盛行全省降水西多东少型。另外降水特少大部脊线偏南，如其中个别脊线偏北的，但也是绝大多数西伸脊点偏西。

4 结 论

黑龙江省夏季经常受到来自西风带系统和南来系统影响且水汽充足，降水量较大且规律性明显具有多、少15～16 a转换时段；1961—2017年降水趋势变化不大。采用EOF方法对黑龙江省降水进行展开，分析了全省降水EOF1和EOF2型与高空500 hPa环流影响系统的关系，指出了位于西北部泰米尔高压发展和在它东南部的我国东北和内蒙为低槽控制的一脊一槽形势和东北部鄂霍茨克海高压控制下的一槽一脊形势，加之西太平洋副高脊线偏北共同影响造成降水异常偏多。