2020年7月黑龙江极端少雨成因初探

娄德君，李永生，王永光，陈 晨，张 健

（1. 黑龙江省齐齐哈尔市气象局，黑龙江 齐齐哈尔 161006；2. 黑龙江省气候中心，黑龙江 哈尔滨 150030；3. 国家气候中心，北京 100081）

引 言

近20 多年来，中国东北地区干旱频次显著增加、强度明显增强［1-2］，干旱造成的经济损失年平均在数十亿人民币以上，特别是2007年仅黑龙江省旱灾直接经济损失超过147 亿元人民币［3-4］。黑龙江省位于中国东北部，是国家重要的商品粮生产基地，其夏季降水量约占全年总降水量的65%，干旱灾害严重影响当地社会经济发展。因此，开展该省夏季干旱研究对社会经济发展和防灾减灾意义重大。

中国东北地区夏季降水受中高纬大气环流和亚洲季风诸系统共同影响，主要的环流影响因子有东北冷涡、鄂霍茨克海阻塞高压、西太平洋副热带高压（简称“西太副高”）、极涡、东亚大槽、东亚副热带西风急流等［5-8］，还与东亚沿岸的经向波列和中纬度西风带的纬向波列密切相关［9-10］。海温、海冰、积雪等变化是中国东北地区夏季降水异常的前兆信号，当前期冬春季赤道中东太平洋海温偏冷且西风漂流区海温偏暖［11］、冬季黑潮区海温偏暖［12］和北大西洋海温南冷北暖［13］、10－11月西太平洋暖池热量偏高［14］以及春季北冰洋和格陵兰海海冰偏多［15］、青藏高原冬春季多雪［16］时，易导致随后的中国东北地区夏季降水偏少。研究表明，赤道中东太平洋海温异常通过西传的Rossby 波列和西北太平洋对流活动激发经向波列，进而影响东亚副热带西风急流的南北偏移［17-18］，青藏高原东南部热力作用也对急流的南北位移有重要影响［19］。当东亚副热带西风急流位置偏南时，中国降水呈现江淮流域多、华南和华北地区少的三极结构［20］；当急流位置偏北时，雨带随之北移，中国东北地区降水易偏多［8］。然而，以往中国东北地区夏季降水研究更侧重于东北冷涡、中高纬阻塞高压和西太副高等环流系统的影响［21-23］。东亚副热带西风急流（East Asia subtropi⁃cal westerly jet，EASWJ）是东亚夏季风系统的重要成员之一，在东亚季风降水中扮演重要角色，其对中国东部地区降水影响关注较多［24-25］，而与东北地区北部降水的关联研究不足。7 月是黑龙江省全年降水最多的月份，也正值作物需水关键期。2020 年7 月黑龙江降水量为1961 年以来历史同期第2 少，仅多于2007年，部分区域发生严重干旱。根据张庆云等［26］定义的EASWJ 位置指数计算，2020 年7 月EASWJ 异常偏南，为1961 年以来历史同期第4 位。为此，本文利用多源数据资料，探讨2020 年7 月黑龙江省极端少雨与历史同期少雨年环流的异同、EASWJ 位置异常的关联等，以期加深对黑龙江7 月旱涝成因的理解，为汛期旱涝预测提供一定参考。

1 资料和方法

所用资料包括：（1）黑龙江省气象局提供的1961—2020 年全省62 个气象站夏季逐月降水量观测资料；（2）美国国家环境预报中心提供的1961—2020 年月平均位势高度、风场等再分析资料［27］，水平分辨率为2.5°×2.5°，垂直方向17 层；（3）美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmo⁃spheric Administration，NOAA）提供的1961—2020年月海表温度ERSST（extended reconstructed sea sur⁃face temperature）资料［28］，水平分 辨 率为2°×2°；（4）中国气象局国家气候中心提供的1961—2020 年130 项检测监测指数、西太副高指数［29］和黑龙江省气候中心提供的东北冷涡指数［30］以及NOAA/CPC（NOAA Climate Prediction Center）提供的北大西洋涛动指数［31］。气候态为1981—2010 年平均值。分析方法包括相关分析、合成分析、回归分析等［32］。文中黑龙江省及地市行政边界基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2017）3320号的标准地图绘制，底图无修改。

2 2020年7月黑龙江极端少雨成因

2.1 实况及环流形势

2020年7月，黑龙江省气温普遍偏高，降水严重偏少，全省平均降水量为75.0 mm，比历史同期偏少46%，为1961 年以来历史同期第2 少，略多于2007年（64.7 mm）［图1（a）］。从降水空间分布［图1（b）］来看，除黑龙江西北部、中北部、东北部地区外，全省大部地区降水较历史同期偏少，中西部和东南部部分区域偏少5~8成，黑河市孙吴、齐齐哈尔部分市县、大庆杜尔伯特、鹤岗市区、佳木斯西部、双鸭山市区、哈尔滨延寿、牡丹江林口等地降水量不足50.0 mm，高温少雨导致农田大面积发生干旱。

图1 黑龙江省1961—2020年7月降水距平百分率时间序列（a）和2020年7月降水距平百分率空间分布（b，单位：%）Fig.1 The time series of precipitation anomaly percentage in July from 1961 to 2020（a）and its spatial distribution in July 2020 in Heilongjiang Province（b，Unit：%）

2020 年7 月，500 hPa 欧亚中高纬环流呈“两脊一槽”型分布［图2（a）］，乌拉尔山、中国东北地区至东西伯利亚为高压脊，中西伯利亚高原和巴尔喀什湖附近为低压槽，黑龙江受强高压脊控制，且东北冷涡活动少、强度弱（图略），冷空气活动较弱；东亚沿岸朝鲜半岛附近为低压槽，西太副高偏强偏西，低纬至高纬地区呈“正、负、正”的波列分布。200 hPa EASWJ 位 置 比 多 年 平 均（40°N）［26］明 显 偏 南［图2（b）］；低层风场由南至北呈“反气旋、气旋、反气旋”的异常分布，黑龙江上空受反气旋环流控制（图略），整层水汽辐散［图2（c）］，不利于降水发生，致使黑龙江省降水偏少。

图2 2020年7月500 hPa位势高度场（黑色等值线，单位：gpm）及距平场（填色区，单位：gpm）（a）、200 hPa纬向风距平场（b，单位：m·s-1）和整层水汽通量（矢量，单位：kg·m-1·s-1）及水汽通量散度（填色区，单位：10-5 kg·m-2·s-1）距平场（c）（蓝色等值线为气候平均5880 gpm线，粗黑色线条为黑龙江省边界。下同）Fig.2 The 500 hPa geopotential height（black contours，Unit：gpm）and its anomaly field（color shaded areas，Unit：gpm）（a），200 hPa zonal wind anomaly field（b，Unit：m·s-1）and integrated water vapor flux（vectors，Unit：kg·m-1·s-1）and water vapor flux divergence（color shaded areas，Unit：10-5 kg·m-2·s-1）anomaly field（c）（the blue contours for the climatic mean 5880 gpm lines，the thick black line for the boundary of Heilongjiang Province. the same as below）

2.2 2020年7月与少雨年7月环流形势对比

以降水量标准化（降水距平除以标准差σ）时间序列绝对值大于等于1σ为标准划分降水异常年，得到1961 年以来黑龙江7 月异常多雨年为1961、1962、1963、1991、1994、2003、2013、2018、2019 年，异常少雨年为1974、1976、1979、1982、2007、2015、2016、2017、2020年。

为进一步分析2020 年7 月环流场异常特征，对异常年份同期环流场进行合成（图3）。可以看出，异常少雨年7 月500 hPa 位势高度东亚中高纬地区为正距平，其中心位于中国东北地区西部，巴尔喀什湖至蒙古高原为显著正异常区，黄海附近以负距平为主，低纬地区以正距平为主［图2（a）］，东亚沿岸自南向北呈“正、负、正、负”的波列分布［图3（a）］；200 hPa EASWJ 位置较常年［26］明显偏南，其北侧蒙古高原和贝加尔湖以北分别为负、正距平区，东亚沿岸自南向北呈现“负、正、负、正”的波列分布，且在100°E—130°E 范围内有3 个显著的正负异常中心（通过α=0.05 的显著性检验）［图3（b）］；850 hPa中国东北地区为大范围异常反气旋式环流，黄海至日本南部为异常气旋式环流，东亚沿岸以异常偏北风为主［图3（c）］，黑龙江上空整层水汽通量散度表现为辐散［图3（d）］。可见，少雨年7 月EASWJ 异常偏南、环流场经向波列分布特征等与2020 年7 月相似。不同的是，与少雨年同期相比，2020年7月东亚副热带西风急流中心及40°N—55°N 负异常区强度明显偏强，且中心略有东移，急流出口区左侧的气旋式环流促使渤海湾附近东风加强，从而引起黄海附近气旋式环流和黑龙江反气旋环式流明显增强，东亚沿岸对流层风场的经向波列更加清晰。

图3 7月异常少雨年合成的500 hPa位势高度场（a，等值线，单位：gpm）、200 hPa纬向风场（b，等值线，单位：m·s-1）、850 hPa风场（c，矢量，单位：m·s-1）和整层水汽通量（矢量，单位：kg·m-1·s-1）及水汽通量散度（填色区，单位：10-5 kg·m-2·s-1）（d）距平（深、浅灰色区分别为通过α=0.01、0.05显著性检验的少雨年与多雨年环流差值场）Fig.3 Composite anomaly fields of 500 hPa geopotential height（a，contours，Unit：gpm），200 hPa zonal wind（b，contours，Unit：m·s-1），850 hPa wind field（c，vectors，Unit：m·s-1）and integrated water vapor flux（vectors，Unit：kg·m-1·s-1）and water vapor flux divergence（color shaded areas，Unit：10-5 kg·m-2·s-1）（d）in years with abnormally less rain in July（Dark and light grey areas indicate the differences between circulations in July of less and more rain years passing the significance tests at 0.01 and 0.05 level，respectively）

另外，对少雨年个例分析发现，9 个异常少雨年7 月环流特征也存在差异（图略）。500 hPa 位势高度距平场上黑龙江虽均为相对的局地高压，但有2 a（2016、2017 年）东亚中高纬地区以50°N 为界呈“北低南高”分布，而有6 a 与2020 年类似，东亚沿岸呈现相对的“正、负、正”经向波列分布，不同年份高值中心的位置和强度有所差异；200 hPa纬向风距平场分布有6 a 与2020 年类似，呈典型的“正、负、正”异常分布，风向切变使得黑龙江南侧东风加大，进一步促使黑龙江上空局地高压环流增强，而2016、2017 年则沿华北—黑龙江—外兴安岭呈“负、正、负”的异常分布，这与500 hPa 位势高度距平场的“北低南高”分布一致。

2.3 引起降水异常的关键环流因子

2.3.1 西太平洋副热带高压

西太平洋副热带高压（western Pacific subtropi⁃cal high，WPSH）是东亚夏季风系统的重要成员之一，其西进东退、北跳南落直接影响东亚雨带分布［33］。经计算，黑龙江省7 月降水量与WPSH 脊线位置指数呈显著正相关（通过α=0.01 的显著性检验），而与WPSH 强度、西伸脊点指数的相关性不显著。2020 年7 月，WPSH 异常偏强偏西、略偏南，偏强和偏西程度均位列1961 年以来历史同期第2 位，但脊线位置比多年平均仅偏南0.4 个纬度［图4（a）］。从月尺度分析，WPSH 脊线位置无明显异常特征。

2.3.2 东北冷涡

东北冷涡也是影响黑龙江夏季降水的重要天气系统，其频次和强度变化能够引起月尺度气候异常［34-35］。经计算，黑龙江省7 月降水量与东北冷涡的频次和强度均呈不显著正相关（未通过α=0.05的显著性检验），冷涡频次少、强度弱时，黑龙江降水偏少。2020 年7 月，东北冷涡频次偏少、强度偏弱，偏少和偏弱程度分别位列1961年以来历史同期第4和第8 位（图略），东北冷涡异常偏弱与黑龙江上空受强高压脊控制相一致［图2（a）］，对同期黑龙江少雨产生一定影响。

2.3.3 东亚副热带西风急流

东亚副热带西风急流异常偏南是2020年7月环流异常的一个突出特征，因此定义了急流强度指数（jet intensity index，JII）和位置指数（jet position index，JPI）。JII 是某一范围内标准化200 hPa 纬向风平均值，而JPI则是2个区域JII的差值。计算公式如下：

式中：JIIa、JIIb、JIIc分别为95°E—125°E、54°N—62°N，106°E—125°E、42°N—47.5°N，100°E—125°E、24°N—34°N 范围的JII；-U200对应上述范围内标准化的200 hPa纬向风平均值。

分别计算上述5 个指数与黑龙江7 月降水量的相关系数，发现JPI 与黑龙江7 月降水量相关性最好，相关系数达0.492，且通过α=0.01 的显著性检验。JPI 为正值时，说明中高纬地区强西风带在42°N—47.5°N 范围附近，即东亚副热带西风急流位置偏北。

从JPI 距平逐年变化［图4（b）］看出，近60 a JPI整体呈减小趋势，2000 年以后以负距平居多。经计算，JPI 与WPSH 脊线位置呈显著正相关（通过α=0.01 的显著性检验），即当东亚副热带西风急流位置偏北时，WPSH 脊线位置易偏北；反之，急流位置偏南时，WPSH 脊线位置易偏南。另外，黑龙江7 月降水量与上述2 个指数11 a 滑动相关［图4（c）］表明，黑龙江7 月降水量与2 个指数均呈正相关，与WPSH 脊线位置的相关性在20 世纪70 年代中期至80 年代初期和90 年代较为显著，而与JPI 的相关性则在近20 a 更显著。其中，2020 年7 月WPSH 脊线位置距平在0 值附近，而JPI 距平为-2.16，为1961年以来历史同期第8 低，表明东亚副热带西风急流异常偏南。因此，下文侧重分析急流位置异常对黑龙江7月降水的影响。

2.4 JPI负异常对黑龙江7月降水的影响

JPI 异常偏南（负异常）如何影响黑龙江7 月降水？为此，基于标准化的7月JPI负指数回归同期环流距平场。可以看到，7 月JPI 为负值时，500 hPa 蒙古国至中国东北地区为大范围正位势高度距平，东亚沿岸类似为负位相的东亚-太平洋遥相关型（East Asia-Pacific teleconnection，EAP）分布；200 hPa副热带西风急流位置偏南，其北侧蒙古国至中国东北地区和贝加尔湖以北区域分别为异常的西风减弱和加强区，东亚中高纬地区对流层整层为以贝加尔湖至中国东北地区西部为中心的反气旋式环流（图略），黑龙江省整层水汽辐散［图5（a）］，不利于降水产生。

从120°E—135°E 范围（黑龙江省）平均垂直速度距平的纬度-高度剖面［图5（b）］看出，东亚沿岸垂直速度距平沿经向呈“负、正、负”分布，35°N—60°N 范围为正距平，整层以下沉运动为主。其中，47°N—57°N 范围300 hPa 高度以下下沉运动较为显著（通过α=0.05 的显著性检验），中心值超过0.5×10-2Pa·s-1。另外，JPI 回归的黑龙江7 月降水量全省一致偏少，显著偏少区域主要位于黑龙江中部（图略），降水异常分布与2020 年7 月降水空间分布相似度很高。综上分析可知，东亚副热带西风急流指数负异常（即急流偏南）时，42°N—47.5°N 区域西风较常年偏弱，500 hPa位势高度距平场东亚沿岸呈EAP 波列分布［36］，东亚中高纬地区对流层整层为反气旋式异常环流，黑龙江省受高压脊控制，处于异常的下沉运动和水汽通量辐散区，导致7 月降水异常偏少。

图5 7月JPI负指数回归的同期整层水汽通量（矢量，通过α=0.05的显著性检验，单位：kg·m-1·s-1）及水汽通量散度（填色区，单位：10-5 kg·m-2·s-1）距平场（a）和120°E—135°E范围平均垂直速度距平的纬度-高度剖面（b，等值线，单位：10-2 Pa·s-1）（灰色区通过α=0.05的显著性检验）Fig.5 The anomaly fields of contemporaneous integrated water vapor flux（vectors，passing significance test at 0.05 level，Unit：kg·m-1·s-1）and water vapor flux divergence（shaded areas，Unit：10-5 kg·m-2·s-1）（a），and the latitude-height profile of average vertical velocity anomaly over 120°E-135°E（b，contours，Unit：10-2 Pa·s-1）regressed by negative JPI in July（The grey areas pass the significance test at 0.05 level）

2.5 JPI异常的可能影响机制

2.5.1 北大西洋涛动

夏季，亚洲副热带西风急流中的准静止Rossby波主要在地中海地区被激发［37］，并通过斯堪的纳维亚半岛至中亚地区的准静止波与北大西洋涛动（North Atlantic Oscillation，NAO）相联系［38］，NAO 指数与东亚夏季风显著相关，其对东亚大气环流及中国天气、气候有重要影响［39-40］。因此，进一步分析JPI与NAO的关系，发现7月JPI与同期NAO指数呈显著正相关（通过α=0.05的显著性检验），相关系数为0.31。

从7 月JPI 负异常年合成的波作用通量和500 hPa位势高度距平场（图6）看出，当7月JPI负异常时，500 hPa 格陵兰岛为正高度距平，其南侧大西洋至西欧一带为负高度距平，类似NAO 负位相分布型；从副极地到东亚地区位势高度正负异常交替出现，这些异常中心在欧亚大陆呈纬向波列特征，并伴有异常波作用通量传递至东亚地区，从而使黑龙江地区位势高度正异常得以维持和加强。2020年7月500 hPa 高度距平场也呈现NAO 负位相型分布（NAO 指数为1961 年以来历史同期第10 低），在欧亚中高纬斯堪的纳维亚半岛至太平洋中纬度地区存在“负、正、负、正”的纬向Rossby 波列［图2（a）］，通过波流相互作用，使得东亚副热带西风急流位置偏南。有研究指出，夏季负位相的NAO 可以改变欧亚大陆上空的驻波活动，在东亚中北部形成偶极子，从而引起100.5°E—135.5°E、45.5°N—55.5°N区域水汽低层辐散、高层辐合，有利于该区域夏季降水偏少［40］。这与本文结果一致。

图6 7月JPI负异常年合成的波作用通量（矢量，单位：m2·s-2）和500 hPa位势高度距平（等值线，单位：gpm）（深、浅灰色区分别为通过α=0.01、0.05显著性检验的500 hPa位势高度距平）Fig.6 Composite wave activity flux（vectors，Unit：m2·s-2）and 500 hPa geopotiential height anomaly（contours，Unit：gpm）in negative anomalous years of July JPI（Dark and light grey areas indicate the 500 hPa geopotiential height anomaly passing the significance tests at 0.01 and 0.05 level，respectively）

2.5.2 大气热源

青藏高原大气热源异常对200 hPa 西风急流有显著影响，其指数能够定量反映西风急流位置变化［41］，高层风场变化与大气热力异常联系紧密，急流异常分布主要受对流层经向温度梯度影响［42］。分析7月JPI与前期大气热源的关系发现，7月JPI与前期5月大气热源相关性最好。

从7 月JPI 负指数回归的5 月大气热源距平场（图7）看出，JPI 负异常年，前期春末东亚中低纬地区主要分布有2 个偶极子：一是高原西北部大气热源偏弱、东南部偏强，且显著相关区域较小；二是南海西部至南沙群岛大气热源偏弱、长江中下游至东海地区偏强，且显著相关区域较大，其中南海和长江流域部分区域热源异常通过α=0.01 的显著性检验。由此可知，当前期春末南海西部大气热源异常偏弱、长江流域附近热源偏强时，随后的7月东亚副热带西风急流略偏南。

图7 7月JPI负指数回归的前期5月大气热源距平场（等值线）分布（单位：W·m-2）（深、浅灰色区分别通过α=0.01、0.05的显著性检验）Fig.7 The distribution of atmospheric heat source anomaly field in May（contours）regressed by negative JPI in July（Unit：W·m-2）（Dark and light grey areas pass the significance tests at 0.01 and 0.05 level，respectively）

热带印度洋偏暖的海温通过Kelvin波活动抑制西太平洋地区的对流活动，结合副热带西风急流气候态位置附近的偏东风切变，在东亚沿岸激发出EAP 遥相关型分布，并在东亚地区对流层高层形成气旋式异常环流，导致东亚副热带西风急流向南移动［43］。5月南海西部大气热源与前期印度洋海温的相关分析［图8（a）］发现，5 月南海附近关键区平均大气热源与前期各月印度洋全区一致海温模态指数（Indian Ocean basin-wide index，IOBW）一致呈负相关，大多数月份通过α=0.01 的显著性检验，其中同期的相关性最好。从5 月IOBW 指数回归的同期南海附近关键区（0°—20°N）平均垂直环流分布［图8（b）］可知，当5月印度洋海温一致偏暖时，热带印度洋至西太平洋地区出现异常垂直环流，上升支位于热带西印度洋，下沉支位于南海和西太平洋暖池区域。由此可见，印度洋暖海温通过强上升运动影响南海区域的大气环流和大气热源。2020 年前期各月IOBW 指数一致为正距平（图略），受印度洋暖海温影响，5 月南海附近大气热源异常偏弱，导致随后的7 月副热带西风急流位置异常偏南，进而造成黑龙江省降水偏少。

图8 5月南海关键区大气热源与前期各月IOBW指数的相关系数（a）和5月IOBW指数回归的同期0°—20°N平均纬向垂直环流（b，流线，其垂直速度值扩大2000倍，单位：Pa·s-1）（灰色区通过α=0.05的显著性检验）Fig.8 Correlation coefficients between atmospheric heat sources in the key areas of the South China Sea in May and previous monthly IOBW indices（a）and average zonal vertical circulation over 0°-20°N in the same period regressed by IOBW in May（b，streamlines，the vertical speed multiplied by 2000，Unit：Pa·s-1）（The grey areas pass the significance test at 0.05 level）

3 结 论

（1）2020年7月黑龙江省降水异常偏少，全省平均降水量为75.0 mm，为1961年以来历史第2少。

（2）黑龙江7 月异常少雨年，同期500 hPa 东亚沿岸自低纬向高纬呈EAP 负位相分布，EASWJ 明显偏南，低层中国东北地区至黄海附近呈现异常的反气旋-气旋式环流，黑龙江上空整层水汽辐散。2020 年7 月EASWJ 异常偏南及环流场波列特征等与少雨年同期相似，但急流中心及其北侧负异常区较少雨年明显偏强，且中心略有东移，东亚沿岸对流层整层风场的经向波列更为清晰。

（3）7 月，当JPI 为负异常（即EASWJ 偏南）时，42°N—47.5°N 范围内西风较常年偏弱，东亚中高纬对流层整层为反气旋式异常环流，黑龙江处于异常下沉运动和水汽辐散区，致使降水异常偏少。EASWJ 异常偏南是2020 年7 月黑龙江省降水异常偏少的关键环流因子。

（4）2020 年5 月南海附近异常偏弱的大气热源和7 月负位相分布的北大西洋涛动，分别通过东亚沿岸经向EAP 遥相关波列和欧亚中高地区纬向波列促使7 月EASWJ 异常南移，从而导致黑龙江省降水偏少。

4 讨 论

青藏高原东南部热力作用与EASWJ 南北位移有密切联系［19］。通过回归分析发现，当高原东南部大气热源偏强时，EASWJ位置偏南，黑龙江7月降水易偏少。然而，2020 年7 月高原东南部大气热源偏弱，同期黑龙江降水异常偏少，与上述结论不一致，其原因还需进一步研究。另外，通过自定义的急流位置指数探析EASWJ 位置的年际变化对黑龙江7月降水的影响及可能机制，发现黑龙江7 月降水和JPI都具有年代际尺度变化特征，且二者的滑动相关关系在2000年以后更加密切。因此，年代际尺度上黑龙江7月降水与急流位置相关关系的变化及可能影响机制值得进一步研究。从异常年筛选结果发现，2000年以来黑龙江7月降水的年际变率显著，18个异常年中有11 a 出现在1990 年后的全球显著增暖期，这与李邦东等［44］“1961—2010 年中国东北地区降水量年际不均匀性增加，夏、秋季表现更明显”的结论一致。可见，黑龙江降水异常与气候变暖背景相关，二者的关联性还有待进一步研究。

致谢：感谢中国气象局培训中心朱玉祥教授提供高原大气热源资料。