1961-ENSO事件下盛夏降水异常大尺度环流成因分析

1961-ENSO事件下黑龙江省盛夏降水异常大尺度环流成因分析

石红艳，潘华盛，杨宁，孙琪（1.双鸭山市气象局，黑龙江双鸭山155100；2.黑龙江省气象台，黑龙江哈尔滨150030；3.黑龙江省气象服务中心，黑龙江哈尔滨150036）引言黑龙江省位于中国东北部是中国位置最北的省份（121°E～135°E，43.5°N～53.5°N），西北、北部有大、小兴安岭，东南部有完达山，西南及东北部有松嫩平原和三江平原，松花江贯穿两大平原。黑龙江省是我国粮食产量和商品粮输出第一大省，年平均降水量525mm，其中盛夏降水量占全年降水量49%，占夏季降水量75%。1998年松花江-嫩江流域发生超百年一遇严重洪涝、2007年发生建国以来最严重的少水干旱，给国民经济造成严重损失，两次灾害均发生在ENSO事件背景下。研究降水异常成因对提高预测水平，应对极端事件发生，做好应急保障工作具有重要意义。黑龙江省具有特殊的寒温带气候特点，既有东北地区降水一致的特点又有差异性［1-2］。1980年RASMUSSON等［3］提出了ENSO循环的季节“锁相”特征，李春晖等［4］根据ElNiño事件的爆发时间将ElNiño分为2种类型：一类是4～6月爆发为春季型；另一类7～10月爆发为夏季型。影响东北夏季降水主要是春季爆发型，当年夏季（5～10月）全国降水为南少北多（黑龙江南部和吉林辽宁大部多水），次年降水呈相反形式。刘楚薇等［5］指出在QBO西风位相下ElNiño和LaNiña发展年，东北地区大部降水偏少；ElNiño衰减年东北夏季降水偏多。贾小龙等［6］分析了东北区（7～8月）降水异常的大气环流特征，多（少）水年，500hPa中高纬西风带经向加强（减弱），高度场呈“+-+（-+-）”波列分布。沈柏竹，胡泊等［7-8］分析5～6月和7～8月（盛夏）具有明显差异性；初夏降水异常以冷涡活动影响为主，盛夏则以东亚夏季风影响为主，西太平洋副热带高压（以下简称西太副高）西伸北进影响东北地区盛夏降水偏多。李辑等［9-10］指出2010年盛夏辽宁降水严重偏多西太副高西伸北进环流特征。周秀杰、张健等［11-12］对黑龙江省汛期降水进行了分型。于梅［13］指出3～5月10°S以北的太平洋SST场EOF展开前3个模态时间系数与黑龙江省夏季降水关系密切。上述研究指出，影响东北区降水偏多环流特征主要是夏季（盛夏）850hPa南风偏强，西太副高西伸北进；反之降水偏少。ENSO与北太平洋SST对夏季降水异常研究着重春、夏季。文中主要将盛夏（7～8月）降水作为研究对象，侧重研究影响盛夏降水异常500hPa环流为“亚洲环流/Ⅰ”即“ACI”型与盛夏ENSOSST遥相关影响下环流相互作用的关系，而涉及西太副高较少，并揭示ENSO事件下大尺度环流高、低空急流与流场分布的不同配置关系对降水异常影响。上述研究特点前人尚未提及。1资料和方法高度场、风场均选用NCEP/NCAR再分析资料包括1961-2020年7～8月1000～100hPa逐层位势高度场及纬向风850hPa风场；采用2.5°×2.5°水平经纬网格计算；国家气候中心提供的逐月西太副高指数以及赤道中东太平洋5°S～5°N，170°W～150°W区域内海表温度距平，即Niño3.4SST指数、ENSO历史事件资料；黑龙江省气候中心提供1961-2020年黑龙江省盛夏62站7～8月62d降水量。位势高度场、Niño3.4SST场网格资料采用（7、8月）平均；降水量和位势高度的均值采用1981-2010年30年均值计算；盛夏降水量等级划分（表1）。表1盛夏降水距平百分率等级标准Table1Mid-summerprecipitationanomalypercentagegradestandard%1.1采用相关系数（以下简称相关）［14］计算式中：xi，yi表示2个样本变量监测值表示2个样本变量均值；r为2个变量序列相关系数；n为样本长度n=60年。1.2整层垂直速度计算垂直速度计算方法［15］其公式：式中：ωp0和ωp为等压面上p0和p上的垂直速度为水平散度，假定D随p的变化是线性的，中间层分别是等压面上p0和p上的散度，即可从低层逐层向高层计算各层的ωp。垂直速度订正：顶层订正，在计算逐层ωp时，当出现D=0层时ω值最大，随高度升高ω值应逐渐减小；达到对流层顶时ωp应趋于零ωp=0。但有时ω值随高度升高而增加，这样须做适当订正。文中采用线性订正公式计算（略）。地面层订正，采用地形坡度水平气流爬坡引起上升速度公式（略）。由边界层摩擦辐合造成的ω公式（略）。地面ω随高度衰减很快，可用奇次ω方程和地面边界条件求得（见文献［15］），不再赘述。1.3流场方法流线法，流线各点切线方向与风向一致。风速大流线较密，反之较稀疏。为更确切的表示风速大小，在流线场添加等风速线，使流场分析更清楚［15］。1.4定义亚洲环流/I型亚洲环流/I型（AsianCirculation/IPattern）简称“ACI”环流型。500hPaACI环流指数表达式：式中：ACI为500hPa高度距平（单位：gpm）；（Zyh）'为中亚区（100°～115°E，65～75°N）平均高度距平；（Fg）'为西太副高区（130°～140°E，25°～40°N）平均高度距平；（Dyd）'为东亚槽区（110°～130°E，40°～50°N）高度距平；ACI指数为正（负）值表示高度距平场经向为“+（-）、-（+）、+（-）”波列形势。1.5其它方法多（少）水年高度场、风场、高低空急流等物理量场，采用合成分析方法，反映差异的显著性。2春季与盛夏ENSO事件对500hPa高度场及降水影响2.1春季ENSO事件对盛夏高度场及降水影响春季Niño3.4指数与盛夏500hPa高度场相关分布（图1），亚洲中高纬地区“+、-”相关区较明显，中亚中心区域与降水正相关0.4，通过0.01水平的显著性检验。负相关位于我国东北区及以东日本海区相关0.1～-0.1之间；春季Niño3.4SST变化对盛夏西太副高影响较大，与副高面积、强度、西伸脊点均通过0.01水平的显著性检验。春季Niño3.4指数与当年盛夏降水相关0.14，未通过检验。近60年春季发生6次ElNiño事件（1965、1972、1982、1991、1997、2002），当年盛夏与次年盛夏降水正常或偏多概率92%，是值得重视的预测信号。2.2盛夏ENSO事件对同期高度场及降水影响1961-2020年盛夏Niño3.4指数与同期500hPa高度场相关分布（图2），最大的负相关通过0.02水平的显著性检验，主要位于130°～180°E，40°～50°N区域。表明Niño3.4区SST为暖位相时，易引起我国东北区东部至西北太平洋海域高度场降低，有利于东亚槽加强。西太副高中心区位于140°～160°E，20°～30°N正相关区域，通过0.10水平的显著性检验；盛夏较春季Niño3.4SST对中亚区高度场影响由正距平转为负距平场。正距平东移至贝加尔湖以北为正相关0.1控制区域。表明盛夏Niño3.4SST为暖位相时，东亚区500hPa高度场易引起“高、低、高”遥相关经向波列形式。盛夏Niño3.4指数与同期降水相关0.19，接近0.10水平的显著性检验，较春季Niño3.4与盛夏降水关系增强（图3）；春、夏季发生ElNiño事件11年，其中8年降水正常偏多概率73%，次年达82%概率。LaNiña事件发生于春、夏季共9年，当年与降水偏少概率仅56%，但次年盛夏降水偏少概率达89%。图21961-2020年盛夏Niño3.4指数与同期500hPa高度场相关系数分布Fig.2Distributionofcorrelationcoefficientbetweenthemid-summerNiño3.4indexandmid-summerthe500hPaheightfieldsfortheyear1961-2020图31961-2020年盛夏Niño3.4指数与同期降水距平百分率变化关系Fig.3Relationshipbetweenthemid-summerNiño3.4indexandmid-summerprecipitationanomalypercentagein1961-20203盛夏大气环流变化对降水影响3.1盛夏降水与同期500hPa高度场相关分析降水与500hPa高度场相关分布（图4（a）），降水偏多东亚区呈“+、-、+”遥相关波列分布。位于正、负相关中心通过0.10、0.01水平的显著性检验，有助于中亚区高压和东亚区低槽发展。且负相关区较盛夏Niño3.4SST影响下负相关区明显西移约50个经度；降水偏多与文献［6］汛期（7～8月）东北区降水偏多850hPa环流波列形式较一致，但黑龙江省多水波列位置明显偏西偏南。表明无ENSO热源环境下，西风带影响系统较热源影响下系统要偏西一些，而较影响东北区降水的西风系统更偏西。3.2大气环流ACI型对降水影响为表征东亚区“高、低、高”环流系统之间配置关系ACI型对降水影响，计算ACI指数与降水相关0.40，通过0.01水平的显著性检验。降水距平百分率≥20%或≤-20%与ACI指数同号率74%，表明ACI型环流盛行对降水异常有很大影响（见图4（b））。其中降水最多2019年偏多62%，ACI指数41.7；1998年大水年ACI指数36.2；最少年2007年降水偏少42%，ACI指数-20.0。图41961-2020年盛夏降水与500hPa高度场相关系数分布及距平百分率与同期ACI指数关系Fig.4Distributionofcorrelationcoefficientbetweenthemid-summerprecipitationand500hPaheightfieldandrelationbetweentheanomalypercentageandmid-summerACIindexin1961-20203.3Niño3.4SST与西风环流对盛夏降水影响关系为揭示热源、西风环流及其它因子对降水影响贡献关系（图3、图4（b）），采用距平符号比较法规定如下：（1）将ACI环流指数设为因子A，Niño3.4指数设为因子B，降水距平分为正负两档进行统计；（2）考虑因子与降水正相关关系，因子A与B与降水距平符号相同年进行单因子累计；（3）如果两个因子与降水同号，记AB一次，与降水反号记其它因子C，影响结果（表2）。西风带系统A与Niño3.4SST因子B对降水共同影响贡献率占总年份37%，是主要因素，西风系统影响次之，最后是Niño3.4SST对降水影响，其它因子影响小。表21961-2020年各因子对降水影响贡献关系Table2Contributionrelationshipoftheeachfactortoprecipitationin1961-20204ENSO暖、冷事件下多、少水年环流场、差值及降水响应4.1ENSO暖事件下多水年环流形势ElNiño与西风系统共同影响多水年1963、1969、1987、1991、2003年500hPa环流与距平合成（图5（a）），东亚区盛行北脊南槽型，110°～130°E，45°～55°N东亚槽区，北部100°～170°E，65°～75°N中亚高压与鄂海高压结合为强大高压区，西太副高脊线27°N偏南，脊点略偏西。距平场呈“+、-、+”形式与图4（a）相关场分布较一致。ACI指数平均40.5，平均降水量比历年偏多28.2%。4.2ENSO冷事件下少水年环流形势LaNiña与西风系统共同影响少水年1970、1975、2000、2007、2011年500hPa环流和距平合成（图5（b）），东亚区呈“低、高、低”环流形势，中亚地区为明显低槽，我国东北及西北太平洋为大陆高压与鄂海高压控制，西太副高较弱，距平场呈“-、+、-”波列形式，ACI平均指数-14.0，降水量较历年偏少20.0%。4.3盛夏多、少水年高空环流差异两个主要关键区（图5（c）），一是位于东亚低槽区的蒙古国、我国东北及西北太平洋地区差值20～30dagpm；二是中亚高压区的泰米尔高度差值-40～-50dagpm，均通过0.01水平的显著性检验，ACI指数为明显正（负）关系。图5500hPa高度场及距平合成与差值检验（单位：dagpm）Fig.5Compositeof500hPaheightfieldanditsanomalyanddifferencetest（Unit：dagpm）4.4ENSO暖（冷）事件下降水异常响应多水年黑龙江省62站降水距平百分率分布（图略），除漠河降水正常外，其它站降水偏多，其中44站降水距平百分率≥21%，占总站数71%。主要分布黑河市及松嫩平原包括齐齐哈尔、绥化、大庆辖区、哈尔滨市及所辖巴彦、木兰等，中心位于松嫩平原北部的拜泉偏多71%；少水年（图略）≤-20%共44站，占总站72%，主要分布在北部和东部地区包括黑河北部、伊春中部、佳木斯、鹤岗、鸡西、双鸭山和牡丹江辖区，中心三江平原北部的集贤偏少49%。5多、少水年物理量场分析5.1200hPa高空急流的影响多水年200hPa纬向风速分布（见图6（a）），连接新疆西部，东至日本中部风速24m·s-1包围一条风速急流轴在42°N，较东北区多水年急流偏南［9］。最大急流中心区域32m·s-1，所围椭圆形区域称急流核。急流轴入口及核北侧风速增加，且具有气旋性切变气流辐合，低层气压升高，中亚高压加强。在急流核下游急流轴左侧出口处，包括蒙古、我国东北和西北太平洋，气块运动不断减速，风速具有反气旋性切变低层气压降低，东亚低槽发展，黑龙江省处于低槽中心，有利强降水发展。与此相反，在急流核下游急流轴右侧出口处，气流辐合下沉，低层气压升高，此区位于西太副高区。图6多水年和少水年200hPa纬向风速（细实线）急流轴位置（粗实线）（单位：m·s-1）Fig.6200hPazonalwind（thinsolidline）inmorewaterandlesswaterandthepositionofaxisofjetstream（thethickline）（Unit：m·s-1）少水年位于多水年急流区消失，见图6（b），少水年中心最大风速28m·s-1比多水年明显减弱，下游北侧位于东北区北部风速较小、梯度稀疏，呈反气旋性切变，上升气流不明显低层气压升高，长时间受西南风或高压控制，降水偏少。5.2850hPa低空急流的影响多水年低空850hPa风场分布（见图7（a）），最大急流有2支，一支急流源自索马里急流经孟加拉湾、泰国及越南在我国南海海域与西太副高东风气流汇合后，转向东北经朝鲜半岛南部和另一支日本海低空西风急流汇合，转向东北经日本海的西南气流进入低涡系统，产生不稳定层结和强的上升运动，触发暴雨产生。少水年风场分布图（见图7（b）），少水年日本海西风急流较多水年（36°N，130°E）纬度偏北6°，经度偏东20°。表明少水年日本海低空急流携带大量水汽经日本以东的洋面向东输送，远离低涡，造成降水偏少。图7多水年850hPa风场与少水年850hPa风场Fig.7850hPawindfieldinmorewateryearsand850hPawindfieldinlesswateryears5.3850hPa流场分析多水年（见图8（a）），位于贝加尔湖以北和日本北部鄂霍茨克海及周围的2个反气旋式距平环流和位于蒙古东部，内蒙东北及大兴安岭地区的西南-东北向倒槽型气旋式距平环流，中心位于蒙古国中部倒槽开口处。三支南风气流在我国东南沿海地区汇集加强北伸进入倒槽。此外还有一支来自新地岛极地西北距平气流经蒙古西部转向东北进入槽区与南来的暖湿气流交绥，增强扰动造成强降水。表明降水偏多不仅与中高纬度天气系统有直接关系，而且与热带和副热带大气环流相互作用有密切联系。图8850hPa流场距平合成（单位：m·s-1）Fig.8Compositeof850hPaflowfieldanomaly（Unit：m·s-1）少水年（见图8（b））流场与多水年恰好相反，黑龙江西部气旋性环流由弱西南风距平扩展至我国东部沿海及以东地区，即亚洲季风系统影响有很大减弱。新地岛西北风距平气流基本位于55°N以北，冷暖气流得不到交绥长时间维持少水干旱气候。多、少水年差值（图略），亚洲中高纬有反气旋式距平环流，蒙古及黑龙江省西部为气旋式距平环流，中低纬反气旋距平气流较弱，冷暖气流在黑龙江得不到交绥。5.4多水年垂直速度分布45°～50°N整层垂直速度剖面（图9），受东北低涡影响120°～140°E黑龙江区域整层有明显辐合上升，600hPa高空出现大值-1.5·10-2Pa·s-1～-2·10-2Pa·s-1。垂直速度随高度逐渐减弱，100hPa对流层上部上升气流达最小。140°～150°E、110°～120°E区域处在鄂海高压与中亚高压脊区，出现两个对称的整层辐散下沉气流，250～300hPa高度东侧区出现辐散下沉速度大值1.5·10-2Pa·s-1，随高度降低至低层下沉速度基本保持1·10-2Pa·s-1。低层水汽质量辐合产生强的上升运动，有利于强对流发展，为多水提供了动力条件。图9多水年平均纬向45°-50°N剖面整层垂直速度场（单位：10-2Pa·s-1）Fig.9Thecrossingsectionofmeanzonal45°-50°Nvertic