东北初夏和盛夏降水时空变化及大气环流因子新特征分析

林益同 赵春雨 房一禾 李倩 方晓 李璇 孙琳琳 林蓉

(1.中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁 沈阳 110166； 2.沈阳区域气候中心，辽宁 沈阳 110166； 3.东北冷涡研究重点开放实验室，辽宁 沈阳 110166； 4.辽宁省气象信息中心 辽宁 沈阳 110166； 5.朝阳市气象局，辽宁 朝阳 122000； 6.盘锦市气象局，辽宁 盘锦 124000)

引言

中国东北地区广义上是指山海关以北的黑龙江、吉林、辽宁以及内蒙古自治区东部[1]。中国东北地区地处中纬度地带，受西风带系统的影响，夏季暖湿气流北上的同时，冷空气活动也十分频繁，冷暖空气交馁往往会在短时间内造成很强的降水，夏季的降水量占全年的60%以上[2]。东北地区是中国重要的农牧业基地和产粮区，降水对自然生态系统、农业发展和人类社会都有重大影响[3-4]。作为气候变化的重要研究对象，降水的影响因子很多，也相对复杂，它是多种因子综合配置产生的结果。由此可见，有必要对东北地区夏季降水的时空分布特征进行探讨，以便在此基础上分析东北地区夏季降水异常发生的时空分布规律及成因。

以往对于降水的研究大多关注全国气候或者南方降水异常，对于东北地区夏季降水的研究相对较少，前人针对中国不同地区的降水时空分布特征进行了一系列研究[5-13]，值得借鉴和思考。龚强等[14]、李俊乐等[15]和孙力等[16]对东北地区夏季降水量的空间异常特征和时间变化规律进行了诊断研究，指出东北地区夏季降水异常的空间分布既有整体一致的特征，也存在南北部及东西部反向变化的差异。韩艳凤等[17]研究了东北地区不同区域夏季降水的长期变化特征，指出东北地区夏季降水呈减少趋势，并存在14 a和2—4 a的变化周期。陆维松等[18]研究了东北春夏降水异常的空间特征和时间规律及其与旱涝事件的关系，指出东北地区夏季降水时间系数出现极值的年份与东北地区不同区域发生的较严重旱涝事件有较好的对应关系。在夏季降水对应的环流特征分析方面，何金海等[19]研究了东北夏季降水和东北冷涡的关系，指出夏季东北冷涡强度偏强有利于东北夏季降水增多。杨文艳等[20]分析了辽宁夏季降水大气环流特征，发现辽宁夏季降水主要受到东亚夏季风强度、西太平洋副热带高压位置和南亚高压位置等因素的影响。沈柏竹等[21]指出，东北地区初夏和盛夏降水及其影响因子存在明显差别，东北地区初夏降水主要受东北冷涡的影响，东亚夏季风在盛夏对东北地区降水产生影响。以往的研究多针对整个夏季的降水开展[22-23]，本文基于最新的东北夏季降水数据，区分初夏和盛夏，分别开展降水时空变化特征分析，以期更好地为东北初夏和盛夏降水的诊断和预测提供基础。

1 资料与方法

1.1 资料来源

所用资料为国家气象信息中心提供的辽宁省、吉林省、黑龙江省和内蒙古东部地区共245个气象站1961—2019年夏季(6月、7月、8月)逐日降水量，图1为东北地区245个气象站的空间分布。本文中夏季为每年6—8月，依据东北气候预测业务标准并参考前人研究方法[21]，将夏季划分初夏(6月)和盛夏(7月和8月)。

图1 中国东北地区245个气象站的空间分布Fig.1 Spatial distribution of 245 weather stations in Northeast China

1.2 研究方法

本文主要运用了经验正交函数方法(EOF)、累计距平方法、滑动t检验以及小波分析方法对东北初夏和盛夏降水的时空特征进行了分析，并利用相关分析方法探究了与东北初夏和盛夏降水相关的大气环流因子。

2 结果分析

2.1 东北初夏和盛夏降水的空间特征

2.1.1 东北初夏和盛夏降水空间分布

由图2可以看到，初夏东北东部和南部地区降水量较大，向西北方向逐渐递减，辽宁省东南部、吉林省东南部以及黑龙江省东北部皆存在降水大值中心(图2a)。东北盛夏降水具有明显的东南多、西北少，由沿海向内陆逐渐降低的分布趋势，降水大值中心位于辽宁省东南部和吉林省南部，与初夏相比，盛夏的降水量明显增大(图2b)。可以注意到，东北初夏和盛夏降水量都有自东南向西北呈现递减的趋势，这与东北地区地形密切相关，东北地区东南部处于长白山脉南侧，北上的暖湿气流受到地形的作用抬升，水汽凝结导致在迎风坡有降水生成，因此东北地区东南侧降水相对较多，且存在降水中心。从空间分布上看，盛夏的主要降水区域更集中于东北东南部地区，而初夏东北地区北部和东北部降水量也较多，这可能与初夏东北冷涡的影响有关。

图2 1961—2019年中国东北地区初夏(a)和盛夏(b)累积降水空间分布Fig.2 Spatial distributions of accumulative precipitation in early summer (a) and mid-summer (b) in Northeast China from 1961 to 2019

2.1.2 东北初夏和盛夏降水主模态分析

对1961—2019年中国东北地区初夏多年平均降水距平序列进行了EOF分析，得到前四个特征向量(图3)，占总方差贡献的58.53%。降水第一特征向量占总方差的33.66%，表现为全区一致的变化特征；第二模态中的特征向量场占总方差的13.49%，初夏第二模态降水场呈现出西南与东北反向的空间分布特征，降水正异常中心集中在辽宁西南部和蒙东的南部地区，降水负异常主要位于黑龙江地区；第三模态中的第三特征向量占总方差的5.83%，初夏第三模态展现出西北部为正(负)和东南部为负(正)的反位相的变化特征。第四模态的特征向量场占总方差的5.55%，表现为整个东北地区降水场自北向南呈负—正—负(正—负—正)的位相变化。

图3 中国东北地区初夏降水EOF第一(a)、第二(b)、第三(c)和第四(d)模态Fig.3 Spatial patterns of the first (a),second(b),third(c),and fourth(d) EOF modes of early summer precipitation in Northeast China

对1961—2019年中国东北地区盛夏时期多年平均降水距平序列进行了EOF分析，得到前四个特征向量(图4)，前四个模态的总方差贡献为57.35%。第一模态方差贡献为29.23%，盛夏降水第一模态表现为全区一致的变化特征。第二模态中的第二特征向量场占总方差的14.64%，从整体上看，盛夏降水空间场大致以辽宁北部—吉林南部为界呈现出南多(少)北少(多)的反位相变化特征。第三模态的方差贡献为7.48%，夏季降水场大致以黑龙江省西部—吉林中部—辽宁东部为界呈现东多(少)西少(多)的反位相变化。第四模态的特征向量场占总方差的6.00%，第四模态中东北地区盛夏降水场自北向南呈负—正—负(正—负—正)的位相变化。

图4 中国东北地区盛夏降水EOF第一(a)、第二(b)、第三(c)和第四(d)模态Fig.4 Spatial patterns of the first (a),second (b),third (c),and fourth (d) EOF modes of midsummer precipitation in Northeast China

2.2 东北初夏和盛夏降水时间变化特征

2.2.1 降水时间变化特征

从图5a可以看到，20世纪60年代初期到70年代初期东北初夏少雨占优势，70年代初期到90年代初期，转为多雨占优势，90年代初期后进入少雨期，且降水年际变化振幅较之前相比明显增大，近10 a东北初夏降水量又有增加趋势。从盛夏年降水量变化可见(图5b)，东北地区盛夏降水也存在明显的年代际变化，20 世纪 60 年代中后期到80年代初期处于少雨期，80 年代中期到 90 年代后期处于多雨期，90 年代末开始，则转为少雨为主。

图5 中国东北地区1961—2019年初夏(a)和盛夏(b)降水量逐年变化Fig.5 Interannual changes of precipitation in early summer (a) and mid-summer (b) in Northeast China during 1961 to 2019

从东北初夏阶段的降水累积距平来看(图6a)，20世纪60—70年代中期降水呈现减少趋势。1973年左右，降水由减少转为增加，但在80年代初期到90年代初期经历了两次波动。1996年左右降水开始转为减少，此外，近年来东北初夏降水量又有增加趋势。从东北地区盛夏降水的逐年累积距平来看(图6b)，20世纪60年代中期以前降水呈现增加趋势，1966年发生了转折，降水由增加转为减少。1983年发生了第2次转折，此后直到90年代末，降水总体上为增加趋势，但在80年代中后期到90年代中期降水增加趋势经历了一次波动。1998年左右，盛夏降水由增加趋势转为明显的减少趋势，在2010—2013年前后出现一次波动。

图6 中国东北地区1961—2019年初夏(a)和盛夏(b)降水量的累积距平曲线Fig.6 Cumulative anomaly curves of precipitation in early summer (a) and mid-summer (b) in Northeast China during 1961 to 2019

2.2.2 突变特征及周期特征

从东北初夏阶段降水的滑动t检验结果可见(图7a)，东北初夏降水t统计量有两处通过了90%的显著性检验，分别在1972年左右和1993年，说明在这两个时期降水发生了突变。20世纪70年代初期开始降水趋势呈现增加状态，80年代初期到90年代初期经历了两次波动，直到1993年降水由增加趋势转为减少。由盛夏阶段东北降水滑动t检验结果可知(图7b)，该时间段内盛夏降水发生了3次突变。第1次突变在1970年之前，降水开始呈现减少趋势，第2次突变在1982年左右，降水趋势由减少转为增加。1999年左右发生了第3次突变，盛夏降水由增加转为减少。可以注意到，滑动t检验结果与2.2.1中结论较为一致。

图7 1961—2019年中国东北地区初夏(a)和盛夏(b)降水滑动t统计量Fig.7 Statistic curves of moving t-test of precipitation in early summer (a) and mid-summer (b) in Northeast China during 1961 to 2019

由图8可以看出，东北地区初夏和盛夏降水皆存在显著不同的多时间尺度振荡周期。从初夏降水的小波变换可见(图8a)，东北初夏降水在20世纪80—90年代存在显著的准6 a振荡周期，而90年代后期开始，准3 a周期较为显著；而东北盛夏降水存在较为显著的准12 a年代际主振荡周期(图8b)，同时20世纪90年代之后3—4 a左右的年际尺度振荡周期显著。

打点处为通过95%显著性检验区域，网格处为边界效应，右侧折线为功率谱图8 中国东北地区1961—2019年初夏(a)和盛夏(b)降水量的Morlet小波图Fig.8 Wavelet coefficients and wavelet variance of precipitation in early summer (a) and midsummer (b) in Northeast China from 1961 to 2019

2.3 东北初夏和盛夏降水与环流场的关系

综合2.2节中的结论发现，东北初夏降水在1961—2019年发生了2次转折，第1次出现在1972年左右，降水由减少转为增加，第2次出现在1995年左右，降水趋势转为减少。由此将东北地区初夏降水分为1972—1995年(初夏时段1)和1996—2019年(初夏时段2)两个阶段，并分别探究了两个时段初夏降水与环流场的关系。由图9可以看到，初夏时段1中500 hPa上30°N附近和中高纬地区有显著的正相关，东北地区为负相关，但不显著。对应东北冷涡和黄海高压相配合，中高纬地区有阻塞形势配合。初夏时段2中，贝加尔湖到东北为大范围显著负相关区，东北冷涡的影响较第一时段明显加强，60°—70°N范围为显著正相关区，对应大范围阻塞高压与东北冷涡配合。

打点为通过90%显著性检验图9 中国东北地区1972—1995年(a)和1996—2019年(b)初夏降水标准化时间序列与500 hPa高度场的相关分布Fig.9 Correlation coefficients between the 500 hPa height field and the standardized time series of precipitation in early summer during 1972-1995(a) and 1996-2019(b) in Northeast China

由图10a可以看到，初夏时段1中850 hPa上存在明显的西南风急流，东北地区上空850 hPa为气旋环流控制，其东南部有明显的反气旋与之相配合，对应东北地区东南侧200 hPa上也存在明显的反气旋环流(图10c)。从图10b可以看到，初夏时段2中850 hPa上气旋性环流比前一时段明显加强，且200 hPa上对应东北西部存在一个气旋性环流。由此可见，第二时段中东北冷涡对东北初夏降水的影响比第一时段明显加强，这与500 hPa高度场得到的结论较一致。

阴影为通过90%显著性检验图10 中国东北地区1972—1995年(a，c)和1996—2019年(b，d)初夏降水标准化时间序列与850 hPa风场(a，b)和200 hPa风场(c，d)的相关分布Fig.10 Correlation coefficients between the 850 hPa (a,b),200 hPa (c,d) height fields and the standardized time series of precipitation in early summer during 1972-1995(a,c) and 1996-2019(b,d) in Northeast China

同理，盛夏降水发生了3次转折，第1次在1966年左右，降水由增加转为减少，第2次发生在1983年左右，降水由减少转为增加，第3次出现在1998年左右，降水转为减少趋势。由此将东北地区盛夏降水分为1966—1983年(盛夏时段1)、1984—1998年(盛夏时段2)和1999—2019年(盛夏时段3)3个时段。图11分别给出了各个时段东北地区盛夏降水与500 hPa高度场的相关分布，由图11a可以看到，盛夏时段1中，中国近海到日本地区为显著正相关区，对应西太平洋副热带高压位置偏西偏北，这表明该时段东北盛夏降水受副热带高压影响为主，该环流型与沈柏竹等[21]的结论一致，东北地区低涡位置偏北。盛夏时段2中东亚地区呈现出从低纬到高纬“正—负—正”的东亚—太平洋(EAP)遥相关型(图11b)，盛夏时段3中500 hPa也表现为EAP遥相关型，在强度上与盛夏时段2略有差异。可见，时段2和时段3期间，东北地区主要受40°N附近的西风带系统影响，副热带高压的影响较时段1有所减弱。

打点为通过90%显著性检验图11 中国东北地区1966—1983年(a)、1984—1998年(b)和1999—2019年(c)盛夏降水标准化时间序列与500 hPa高度场的相关分布Fig.11 Spatial distribution of correlation coefficients between the 500 hPa height field and the standardized time series of precipitation in mid-summer during 1966-1983(a),1984-1998(b) and 1999-2019(c) in Northeast China

由图12a和图12d可以看到，盛夏时段1中850 hPa上副热带高压位置偏北，东北地区位于副热带高压西北侧，异常气旋性环流位置偏北，说明该时段中盛夏降水异常主要受副热带高压影响。200 hPa上异常反气旋式环流位于东北南部，东北地区处于异常反气旋北部的偏西气流中(图12b)。盛夏时段2中(图12b和图12e)，850 hPa上东北地区处于异常气旋性环流中，对应200 hPa上也为气旋性环流，说明东北地区降水受中纬西风低值系统的影响。从图12c和图12f中可以看到，盛夏时段3与初夏时段2相似，副热带反气旋位置偏南，850 hPa上东北上空为异常气旋性环流，对应200 hPa上存在异常气旋性环流。

阴影为通过90%显著性检验图12 中国东北地区1966—1983年(a，d)、1984—1998年(b，e)和1999—2019年(c，f)盛夏降水标准化时间序列与850 hPa风场(a—c)和200 hPa风场(d—f)的相关分布Fig.12 Spatial distribution of correlation coefficients between the 850 hPa (a-c),200 hPa (d-f) wind fields and the standardized time series of precipitation in mid-summer during 1966-1983(a,d),1984-1998(b,e) and 1999-2019(c,f) in Northeast China

综上所述，盛夏时段1中东北盛夏降水主要受副热带高压的影响，盛夏时段2和盛夏时段3中东北降水受中纬西风带系统的影响加强，副热带高压的影响相对减弱。这里，分别从盛夏时段2(1985年、1994年和1998年)和盛夏时段3(2010年、2013年和2019年)中各选取降水偏多的典型年份，对500 hPa高度场和风场进行了合成分析(图略)，结果与图11中一致，进一步印证了3个时段东北盛夏降水主要环流系统发生变化的事实。

3 结论

(1)东北初夏和盛夏降水的空间分布存在明显差异，盛夏主要降水区域集中于东北东南部地区，而初夏除东南部地区降水量较大以外，东北地区北部和东北部降水量也较多，这可能与初夏东北冷涡的影响有关。

(2)东北初夏和盛夏降水的EOF第一和第四模态分别呈现全区一致的变化特征和自北向南“负—正—负”(正—负—正)的变化特征。初夏第二模态降水场呈现出西南与东北反向的空间分布特征，第三模态展现出西北部为正(负)和东南部为负(正)的反位相的变化特征。盛夏第二模态为南多(少)北少(多)的反位相变化特征，第三模态呈现东多(少)西少(多)的反位相变化。

(3)东北初夏降水在1961—2019年发生了2次突变，第1次出现在1972年左右，降水由减少转为增加，第2次出现在1995年左右，降水趋势转为减少。盛夏降水发生了3次突变，第1次发生在1966年左右，降水由增加转为减少趋势，第2次发生在1983年左右，降水由减少转为增加，第三次突变点出现在1998年左右，降水转为减少趋势。东北初夏降水在20世纪80—90年代存在显著的准6 a振荡周期，90年代后期开始准3 a周期较为显著；盛夏降水存在12 a左右的主振荡周期，且20世纪90年代之后3—4 a左右的年际尺度振荡周期显著。

(4)通过对不同时段东北初夏和盛夏降水环流相关场的分析，发现20世纪90年代中期之后，东北初夏降水受东北冷涡的影响明显加强，盛夏降水在80年代中期之前主要受副热带高压的影响，80年代中期之后受中纬度西风带系统的影响增强。