吉林省盛夏降水季内变化特征及大气环流分析

李宇凡 徐士琦 袭祝香 邱译萱 姜忠宝

(1.吉林省气候中心，吉林 长春130062；2.吉林省气象台，吉林 长春130062)

引言

吉林省盛夏降水量在夏季降水乃至年降水总量中占据绝大比重，是季内作物长势及品质产量、农业及城市洪涝灾害最直接的气象影响因素，研究揭示吉林省盛夏降水的变化特征及大气环流影响机制，对指导本省农业生产管理、防洪减灾治理，提高本省盛夏降水预报及气候变化预测能力均有重要意义。

中国东北地区及吉林省夏季降水的研究已取得了一定进展，孙力等[1]针对中国东北夏季降水时空特征的诊断分析中，指出东北夏季降水可划分为7个主要降水异常型，不同异常区降水周期变化存在差异。王学忠等[2]划分了中国东北雨季，并指出东北雨季受东亚季风影响。孙照渤等[3]对中国东北6月、7月、8月降水进行分型，得出东北6月降水主要受到东北冷涡的影响，而7月和8月主要受到东亚夏季季风影响。上述研究更多侧重传统夏季(6—8月)降水的特征，事实上，已有众多学者从环流特征上更细致地分析了中国东北地区夏季降水的特征，如沈柏竹等[4]研究分析了影响东北地区夏季5—8月降水的大尺度环流特征，揭示出5月、6月(初夏)和7月、8月(盛夏)在年际变化上存在明显的环流差异。胡泊等[5]同样指出中国东北地区夏季降水以盛夏降水贡献为主，并且盛夏降水与初夏降水特征及形成机制存在显著差异，因此关于中国东北区域盛夏降水的异常变化受到了更多的关注。

关于中国盛夏降水方面的研究，国内已有较多研究[6－10]，通过不同的分析方法得出很多有意义的结论[11－15]。如许智棋和陈海山[16]利用SEOF、回归及合成分析等方法对中国华南盛夏降水进行了研究；李菲和林蓉[17]利用EOF、回归及合成分析等方法对辽宁盛夏降水进行了分析。但针对吉林省盛夏降水的研究较少，且涉及的研究对象多数针对其平均降水[18－20]，而单纯利用降水平均值表征整个区域盛夏降水异常存在一定局限性，因此本文通过对吉林省盛夏降水季内差异及其成因的研究，进一步掌握吉林省盛夏降水异常变化规律，以期为吉林省农业生产管理、防洪减灾治理以及盛夏降水预报业务提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

降水资料来源于国家信息中心提供的中国地面气象要素月值数据集，选用1961—2017年7—8月盛夏降水资料较为完整的46个气象站月降水数据，NCEP/NCAR全球月平均再分析资料的500 hPa高度场、850 hPa风场数据(分辨率为2.5°×2.5°)。

1.2 研究方法

研究采用EOF分析，SEOF[21]分析，滑动相关，一元线性回归及合成分析等方法。EOF分析针对气象要素场主要模态的时空变化特征，而SEOF分析依赖于季节的经验正交函数分解，是对随季节变化的变量场构造矩阵并进行EOF分析，可以得到此变量主要模态的空间分布特征和时间变化序列，同时可以反映主要模态月、季的演变。通过研究发现吉林省7月、8月降水在1986—2004年呈反位相特征，2005—2017年呈现同位相特征，因此将逐年46个站点的降水资料以7月在前、8月在后构建矩阵进行SEOF分析，以此来研究吉林省盛夏7月、8月降水的变化特征。

2 结果分析

2.1 吉林省盛夏降水基本特征

1961—2017年吉林省的7月、8月盛夏降水呈减少趋势，年际变化较为明显(图1a和图1b)。进一步分析7月、8月降水处于同位相的年份有27 a，反位相的年份有30 a，出现同位相的年份可以用其两个月的降水量均值表现吉林省盛夏降水特征，而反位相年份使用其均值会影响降水异常变化的差异，因此7月、8月降水之间的异同应给重点关注。

图1 1961—2017年吉林省7月(a)和8月(b)降水距平序列Fig.1 Variations of precipitation anomaly sequence in July(a)and August(b)in Jilin province from 1961 to 2017

通过对1961—2017年吉林省7月、8月降水进行EOF分析，发现7月、8月降水的第一模态均表现为全区一致变化型(图略)，其解释方差分别为39.7%和42.8%。将7月、8月第一模态的时间系数序列与其对应月份降水距平求相关，其相关系数分别为0.998和0.993，均通过了α＝0.01的显著性检验，从侧面说明其主要模态足以表征吉林地区的降水特征。

2.2 吉林省盛夏降水季节内差异

图2 1961—2017年吉林省7月和8月降水距平标准化时间序列Fig.2 Variation of normalized time series of precipitation anomaly in July and August in Jilin province from 1961 to 2017

为了解吉林省盛夏降水季内差异特征对7月、8月降水距平进行标准化处理，1961—2017年吉林省57 a降水的距平标准化时间序列见图2。从图2可知，从20世纪60年代至80年代初期吉林省7月、8月降水存在正负两个位相的波动变化，80年代中期至2004年降水几乎处于反位相变化，2005—2017年则存在明显的同位相变化。为了更好的合理划分吉林省盛夏降水时段利用滑动相关系数法计算吉林省7月、8月降水的相关性，图3给出了滑动相关曲线及其5 a滑动平均曲线。由图3可知，20世纪80年代以前以负相关为主，80年代中期出现短暂的正相关之后至2004年出现一段时间较长的负相关，2005—2017年两个月份又转为正相关。

图3 1961—2017年吉林省7月和8月降水空间相关系数Fig.3 Variation of spatial correlation coefficient of precipitation in July and August in Jilin province from 1961 to 2017

由前文分析可知，吉林省盛夏降水在1986—2004年存在明显负相关关系，而2005—2017年存在明显的正相关关系。为了区别不同相关时段的吉林省盛夏7月、8月降水的基本特征，分别对1986—2004年和2005—2017年7月、8月降水进行SEOF分解。图4为其负相关及正相关时段吉林省盛夏7月、8月降水的演变特征。负相关期(1986—2004年)，吉林省盛夏降水SEOF第一模态的解释方差为30.7%，空间上以全区一致性变化为主，即7月降水偏少(多)，8月降水偏多(少)的反相变化特征。正相关期(2005—2017年)，吉林盛夏降水SEOF第一 模态解释方差为37.9%，空间同样表现为全区一致变化，其空间分布与吉林省盛夏7月和8月EOF第一模态相似，即7月降水少(多)，8月降水少(多)同相变化特征。

图4 1986—2004年反相期吉林省降水SEOF第一模态7月(a)、8月(b)和2005—2017年同相期降水SEOF第一模态7月(c)、8月(d)的空间分布及其反相期(e)和同相期(f)的时间系数标准化序列Fig.4 Spatial distributions of the first SEOF modes in July(a)and August(b)in out-of-phase from 1986 to 2004，and those in July(c)and August(d)in in-of-phase and variations of the normalized time series of time coefficient for out-(e)and in-(f)of-phase years in Jilin province from 2005 to 2017

图4e与图4f是标准化处理后的两个模态时间系数序列，因后文所需以时间系数标准化序列的绝对值＞1选取吉林盛夏降水的异常年份。最终选取反位相年的低值年有1987年、1997年、1998年，高值年有1989年、1991年、2004年；同理同位相年的低值年有2009年、2014年，高值年有2010年、2013年。

2.3 吉林省盛夏降水季内差异的环流特征

2.3.1 不同时段降水模态对应的环流异常

为研究吉林省7月、8月降水在反位相期(1986—2004年)和同位相期(2005—2017年)的两种不同模态所对应的环流特征，将数据去除长期线性趋势，并用一元线性回归方法将高度场、风场回归到反位相年和同位相年SEOF第一模态的时间系数，以此来分析其对应的环流特征。

图5 1986—2004年反位相年7月(a)、8月(b)吉林省盛夏降水回归得到的500 hPa高度场和7月(c)、8月(d)850 hPa风场Fig.5 Graphs of geopotential height fields at 500 hPa in July(a)and August(b)，and wind fields at 850 hPa in July(c)and August(d)obtained by midsummer precipitation regression for out-of-phase years in Jilin province from 1986 to 2004

图5为反位相年盛夏降水SEOF第一模态回归得到的500 hPa高度场以及850 hPa风场，7月(图5a)对应的500 hPa高度场北美东部存在一个正相关区，西部为负相关区，北美东西遥相关(NAEW)表现为正位相，东亚地区从低纬至高纬呈现出“－＋－”分布，其中心分布于菲律宾，日本，鄂霍茨克海以东，即东亚太平洋遥相关型(EAP)呈现正位相，同时副热带西太平洋存在一个正异常区域，而吉林省上空为负异常区域，此环流配置利于副热带高压偏强、偏北，使向北输送的水汽增多，结合图5c吉林省上空受气旋控制，产生上升气流，降水增多。8月(图5b)对应的500 hPa欧洲存在一个正异常，乌拉尔山地区为负异常区域，贝加尔湖以东存在弱的正异常区域，欧亚呈现一个“＋－＋”的波列，近似欧亚遥相关型(EU)负位相，而副热带西太平洋地区为显著的负异常，此时西太平洋副热带高压偏弱，吉林上空表现为显著的正异常，结合图5d，吉林省受到反气旋控制，降水减少。

图6 2005—2017年同位相年7月(a)、8月(b)吉林省盛夏降水回归得到的500 hPa高度场和7月(c)、8月(d)850 hPa风场Fig.6 Graphs of geopotential height fields at 500 hPa in July(a)and August(b)，and wind fields at 850 hPa in July(c)and August(d)obtained by midsummer precipitation regression for in-of-phase years in Jilin province from 2005 to 2017

图6为2005—2017年同位相年盛夏降水SEOF第一模态回归得到的500 hPa高度场以及850 hPa风场，同位相年7月(图6a)与反位相年相比，西太平洋地区正异常区域更为显著，此时副热带高压异常偏强，同时吉林省上空受正异常控制，高气压出现往往对应副热带高压异常西伸，结合图6c吉林地区位于气旋中心区域，利于产生上升运动，造成降水增多；同位相年8月(图6b)在东亚低纬度的高度场配置与7月基本相同，均呈现显著的正异常，副热带高压强度同样偏强，但吉林省上空受到负异常影响，副热带高压异常偏北，结合图6d吉林省受气旋控制，降水特征与7月基本一致。

综上可知，在吉林省盛夏降水的反位相年中7月降水与NAEW及东亚太平洋遥相关(EAP)有关；而8月降水与欧亚遥相关(EU)有关；同位相年中7月、8月降水则与副热带高压、强度位置和日本上空高度异常有关，其中同位相年经历了强ENSO事件，副热带高压偏西、偏北，吉林地区受气旋环流影响，降水偏多。

2.3.2 两种降水模态与西太平洋副热带高压的关系

从上述正负位相年的500 hPa高度场可以看出，无论何种高度场配置，西太平洋副热带地区均存在异常。因此根据上文选取的反位相和同位相期间低值与高值年，选取588 dagpm包围的反气旋作为西太平洋副热带高压进行合成分析。图7a是反位相年期间其低值和高值年在500 hPa副热带高压分布情况，如图所示高值年与低值年副热带高压位置在7月南北变化显著，8月东西变化显著，而高值年7月降水多而8月少时，副热带高压7月较8月偏强，偏西，反之亦然。图7b是同位相年期间低值和高值年副热带高压分布情况，高值年7月、8月副热带高压较低值年异常偏西偏北，面积偏大，8月比7月更显著，当同位相年副热带高压异常西伸北进、面积增大时，此时吉林地区受气旋控制，高层辐散，产生上升运动，这种情况下利于降水。

图7 吉林省7月、8月西太平洋副热带高压1986—2004年反位相年(a)和2005—2017年同位相年(b)位置合成Fig.7 Composite graphs of a position of the western Pacific subtropical high for out-of-phase years from 1986 to 2004(a)and in-of-phase years from 2005 to 2017(b)in July and August in Jilin province

3 结论

(1)吉林省7月、8月降水主要以全区一致变化为主，1961—2017年两个月份存在正反两个位相变化，整个吉林省均表现为正(负)异常。

(2)吉林省7月、8月降水在1986—2004年基本呈现反位相变化，即7月多(少)，8月降水少(多)。2005—2017年呈现同位相变化，即7月少(多)，8月降水少(多)。

(3)1986—2004年吉林省反位相年中7月降水与NAEW及东亚太平洋遥相关(EAP)有关，而8月降水与欧亚遥相关(EU)有关，2005—2017年同位相年当中7月、8月降水与副热带高压强度和位置有关。

(4)吉林省盛夏降水同西太平洋副热带高压有着密切关系。反位相年高、低值年副热带高压东西位置差异显著，同位相年期间副热带高压异常西伸北进、面积增大。