黄河流域降水异常与渤、黄海水温，大气环流异常变化及入海流量关系的研究＊

孙即霖，宝乐尔其木格

（中国海洋大学物理海洋实验室，海洋大气－大气相互作用与气候实验室，山东青岛266100）

黄河流域降水异常与渤、黄海水温，大气环流异常变化及入海流量关系的研究＊

孙即霖，宝乐尔其木格

（中国海洋大学物理海洋实验室，海洋大气－大气相互作用与气候实验室，山东青岛266100）

利用1948—2004年CPC／NCEP的月平均降水资料、NCEP的850hPa风场和500hPa位势高度场资料，应用EOF方法、小波分析方法、合成法及相关分析法，分析了黄河流域降水主模态的空间分布及其时间变化特征和异常环流特征。利用黄河利津站1950—2002年月平均入海流量资料分析了入海流量和降水关系。基于NOAA的1982—2004年月平均海温资料分析了渤、黄海3月海温和黄河流域7月降水的关系。结果表明：黄河流域降水空间模态主要表现为全流域一致型、南北型、东西型分布，黄河流域降水主要周期为2～4a。黄河利津站入海流量和黄河流域年总降水量、降水第一模态有密切联系。黄河流域降水水汽输送受孟加拉湾水汽输送和西太平洋副热带高压外围风场影响，副高偏西不利于黄河流域降水，巴尔喀什湖附近异常低槽的发展有利于黄河流域的降水。3月份渤、黄海海温可作为考察当年黄河流域降水量的指标。

黄河流域；降水时空特征；入海流量；异常环流

黄河发源于青藏高原巴颜喀拉山，流经9省，自治区，在山东垦利县注入渤海。黄河流域处于我国半干旱半湿润地区，水资源短缺十分严重。降水是重要的水资源，刘晓东等［1］，徐宗学和张楠［2］分析指出，由于黄河流域内地形地势差异，流域内降水分布很不均匀，年总降水量由东南向西北递减［1－2］。关于黄河流域降水研究以流域的某个区域为研究对象的较多，其中以黄河流域上游降水的研究更多［3－4］。自1960年起黄河上游地区有干旱趋势且在1980年代该流域降水有1次明显的由湿润变为干旱的突变［4］。黄河流域降水具有较明显的周期性，短周期表现为准3a的周期，这可能是受到“海－气”相互作用的结果；中长周期一般表现为11和22a左右的周期［5］。李占杰等［6］指出黄河流域降水序列明显存在着60a的代际尺度，14、25a的年代际尺度和3、9a左右的年际尺度变化周期。马柱国［7］分析指出断流时间提前、断流长度逐年增加、断流时间增长是黄河径流的显著特征。人类用水量的增加，地表干旱化是影响黄河径流减少的重要原因。而地表干旱化是由于区域增暖引起的蒸发增加和流域降水的减少［7］。卢秀娟等［8］指出黄河中游地区径流量异常与降水量异常一致，而在上游不一致。张士锋等［9］指出降水在空间上的不均匀对产流的影响更重要，而时间的不均匀性对年径流量影响并不显著。

国外关于河流流域降水的研究发现，某一地区地表水由降水、流量和蒸发决定［10－11］。降水和径流量有着密切的联系，降水在整个流域不同区域有不同特征。密西西比河流域降水量和径流量有相同的变化（增长）趋势。1948—2004年间整个流域降水量增加，而流域中部地区增强最大。降水在整个流域的变化不均匀，在中部和东部地区降水量增加，这由增强的径流量和较少量的蒸发来平衡。在西部降水量增大导致蒸发加强，但对径流量影响不大［10］。基于对萨斯奎哈纳河历史资料和模式结果的分析均表明：年径流量的百分变化率为年降水百分变化率的2倍，且在6、7月份两者关系更密切。温度和径流量存在较弱的负相关［11］。基于对勒那河的分析指出较大范围地区径流量和降水变化与大范围大气环流变化有关［12］。明尼苏达河年平均径流量变化与年总降水量变化有着密切的联系［13］。

本文着眼于分析整个黄河流域降水特征及其与入海通量的关系。给出了整个流域降水的3种模态。降水异常和大气环流异常联系密切，本文对黄河流域降水异常和大气环流异常的联系，进行了初步探索。

1 资料和方法介绍

利用Climate Prediction Center／National Centers for Environmental Prediction（CPC／NCEP）的1948—2004年空间分辨率为0.5（°）×0.5（°）的月平均降水资料，单位为0.1mm／d、NCEP的1948—2004年空间分辨率为2.5（°）×2.5（°）的850hPa月平均经向风和纬向风资料、500hPa月平均位势高度场资料、黄河利津站1950—2002年月平均入海流量资料、NOAA Optimum Interpolation Sea Surface Temperature Analysis的1982—2004年空间分辨率为1（°）×1（°）的月平均海温资料和EOF（Empirical Orthogonal Function）分析方法［3，14－16］，得出黄河流域降水时空分布主模态，同时采用小波分析方法分析了黄河流域降水周期。考虑到气候突变是气候从1种稳定态跳跃式地转变到另1种稳定态的现象，表现为气候在时空上从1个统计特性到另1个统计特性的急剧变化［17］。本文利用Mann－Kendall突变检验方法对降水进行了突变分析。

2 结果与分析

2.1 黄河流域降水的时空主模态

本文对黄河流域（96°E～119°E，33.5°N～42°N）降水进行EOF分析，利用North［18－19］准则进行了显著性检验，经检验，前8个模态均为有价值的信号，得到的方差贡献如图1。前8个模态的累积方差贡献为77.10%，第一模态的方差贡献达到33.63%，前3个模态的累积方差贡献为59.46%，且它们之间的差异也比较大，从第4个特征向量开始减少逐渐缓慢，彼此之间差异变小，在整个方差贡献中所占的百分比已很小。本文选取前3个模态作为研究对象。

图1 EOF分解前8个模态的方差贡献Fig.1 The variance percentage of the first 8EOF modes

图2 EOF分解的第一模态（a）空间分布；（b）年总降水量与时间系数（实线：年总降水量；虚线：时间系数）；（c）M－K检验（实线：UF；虚线：UB）；（d）时间系数的小波分析Fig.2 The first EOF mode（a）spatial pattern；（b）yearly precipitation and time series；（c）Mann－Kendall significance test（solid line：UF；dashed line：UB）；（d）wavelet analysis for first principal component

第一模态占总方差的33.63%。从图2（a）可以看出此模态主要显示出在整个流域有很好的一致性，整个流域地区以涝（或旱）为主要特征，最大值中心位于该流域东南地区，以该最大值为中心向西北，北方向逐渐减少。这可能与季风影响范围，和大尺度环流形势有关。本结论与刘晓东等［1］，徐宗学和张楠［2］分析的结论相似。由图2（b）看出，第一时间序列和黄河流域年总降水量变化趋势较一致，时间系数在1964年左右达到最大值，1956和2003年左右降水也偏大。而在1992年左右达到最小值，降水最少。由图2（c）Mann－Kendall检验结果可以看出在1948—2004年期间UF线呈下降趋势，结合空间分布，看出在整个流域降水有减少趋势，在上世纪60年代末70年代初黄河流域降水有1次明显的突变，大约在1969年左右发生。由小波分析结果（见图2（d））看出黄河流域降水第一模态以2～4a周期较显著，其中在1950—1960年间4～8a的周期也较显著。

图3 EOF分解的第二模态（a）空间分布；（b）时间系数；（c）时间系数的小波分析Fig.3 The second EOF mode（a）spatial pattern；（b）time series；（c）wavelet analysis for the principal component

第二模态能够解释黄河流域降水15.64%方差的特征，其空间分布（见图3（a））与第一模态有很大的差别，呈南北型分布，南旱（涝）北涝（旱），在渭河流域有一正值中心，最大负值中心位于环渤海地区，且负值范围与正值相比较大，向北延伸到整个黄河流域北部。正负值过渡线：零线从黄河流域下游一直延伸到黄河流域上游。这种分布形式可能与离海洋的远近，西南季风影响范围，强度有关。时间序列最大正值出现在1983年左右，最小值出现在1960年左右，南部地区在1983年左右降水异常多而北部地区异常少，南涝北旱型，而在1960年左右南部降水异常少，北部异常多，南旱北涝型分布。第二模态时间系数小波分析表明，在不同时段以2～8a的周期较为显著。

图4 EOF分解的第三模态（a）空间分布；（b）时间系数；（c）时间系数的小波分析Fig.4 The third EOF mode（a）spatial pattern；（b）time series；（c）wavelet analysis for the principal component

第三模态方差贡献为10.19%，空间向量分布形式与前2个模态有很大差别，呈东西型分布：东涝（旱）西旱（涝），东部地区为正值，黄河下游东南地区有一较大范围的正值区，负值中心在黄河中游地区。这种分布形式也可能与离海洋的远近和地形有关。第三时间系数分布较均匀，最小值出现在1968年和2001年左右，东部旱西部涝型分布，最大值出现在1963年左右，呈西部旱东部涝型分布。第三模态小波能量也主要集中在2～4a，在1955—1975年间4～16a的周期特征也较明显。

综合以上分析，黄河流域降水空间分布主要为全流域一致型、南北型、东西型分布。第一模态在1960年代末有1次突变，降水主要周期2～4a。

2.2 黄河入海流量与黄河流域降水关系

对黄河流域年总降水量与年平均入海流量和EOF第一模态时间系数进行了相关分析。年平均降水量和年平均入海流量的相关系数为0.64（通过99%的显著性检验），由图5（a，b）看出，黄河流域年总降水量变化趋势与入海流量较一致。年平均入海通量与第一模态时间系数的变化趋势较一致，入海通量和第一时间系数的相关系数为0.36（通过99%的显著性检验），因为第一特征向量在整个黄河流域为正值，因此整个流域降水与入海流量正相关，黄河流域降水少（多）时入海流量也较少（多）。

图5 （a）年平均入海流量和年总降水量和第一时间序列和；（b）年平均入海流量和第一时间序列Fig.5 （a）Yearly runoff and yearly precipitation and；（b）yearly runoff and the first principal component

2.3 黄河流域降水异常环流形势分析

从黄河流域年总降水量（见图6）看出，在1948—2003年间以偏旱的年较多，从1964—1965年降水有较大幅度的变化，从1968年开始整个流域降水总量减少，且幅度较大，该结论与2.1节分析的突变时间相对应。

根据距平值为标准差的1.5倍选取［20］1948—2004年间降水较多的4a，分别为1949，1964，1967，2003年，和降水较少的3a：1965，1986，1997年。选取降水多的年份和少的年份850hPa经向风和纬向风进行合成得到了水汽通量场和850hPa异常环流场，本文选取7月进行分析。

图6 黄河流域年总降水量Fig.6 Yearly precipitation in Yellow River Basin

由多年平均图7（e）看出，黄河流域降水水汽主要来源为西南夏季风的输送。水汽源地阿拉伯海上空有很强的南转西南的气流（在整个区域最强），该气流向东输送经过孟加拉湾上空，在印度洋东岸分为偏东和偏北气流，偏东气流通过中南半岛到达南海西岸时与从太平洋副热带高压外围分离出来的偏南气流汇合加强，往东北，西北方向输送水汽。由图7看出，在降水偏多年份（图7（a）），黄河流域偏西南气流明显偏强于多年平均（图7（e）），且距平场（图7（b））也较强，有利于输送充分的暖湿气流，有利于黄河流域降水，而降水偏少的年份则明显弱于多年平均且距平场也较弱，不利于水汽的输送。

由图8（e）多年平均场看出，500hPa高度场在黄河流域附近没有明显的槽脊，在降水多的年份，距平场（图8（a））巴尔喀什湖地区有较大的负异常，而在贝加尔湖北侧有较大的正异常，对应的平均场（图8（c））在巴尔喀什湖地区有槽发展（见图8（c）），贝加尔湖北侧有脊发展黄河流域位于槽前有利于降水，西太平洋上588线范围较常年明显减小。

降水少的年份，在距平场（图8（b））巴尔喀什湖西北侧有较大的负异常中心，贝加尔湖东北侧为较大的正异常，与降水多的年份相比其中心值绝对值更大，负值中心位于更偏西北位置，正值中心则更偏东北，在对应平均场（图8（d））上中高纬度的槽和更高纬度的脊，黄河流域上游地区为弱的脊控制，西北太平洋588线范围扩大，向西、北方向延伸。

图7 降水异常年份850hPa环流特征：降水多年份平均场（a）和距平场（b）；降水少年份平均场（c）和距平场（d）；多年平均场（e）Fig.7 850hPa wind field in anomalous years：mean field（a），anomaly field（b）in anomalies high years；mean field（c），anomaly field（d）in anomalies low years

图8 降水异常年份500hPa环流场：降水多的年份距平场（a）和平均场（b）；降水少的年份距平场（c）和平均场（d）；多年平均场（e）Fig.8 500hPa geopotential height field in anomalous years：anomaly field（a），mean field（b）in anomalies high years；anomaly field（c），mean field（d）in anomalies low years

综合来看，黄河流域降水主要为季风降水，西南季风给降水提供充分的暖湿气流，降水多（少）的年份西南气流偏强（弱）。西太平洋副热带高压范围与黄河流域降水有关，西太平洋副热带高压西北侧的西南气流是向黄河流域输送水汽的主要通道。西北太平洋副高东退时有利于黄河流域降水，而西进时却不利于黄河流域降水。降水多的年份在贝加尔湖上游地区有浅槽发展，黄河利于位于槽前，有利于降水，而降水少的年份则为一个弱脊。

2.4 渤、黄海3月份海温异常与黄河流域降水的关系

图9 3月份渤、黄海海温和7月份黄河流域降水相关场Fig.9 Correlation coefficient field between sea surface temperature of the Bohai and Huanghai sea in March and precipitation of Yellow River basin in July

图9为春季异常渤、黄海（117°E～125°E，37°N～41°N）海温与黄河流域7月降水的关系图。从图中看出，当3月渤、黄海海温偏低时，黄河流域容易出现干旱。其物理机制为：由于海水的热容量大，3月异常低的水温可持续影响到夏季。异常低的海温对上空的冷却导致在其上空出现异常热力强迫槽，槽后气流恰好可以影响黄河中游地区。因此，3月份渤、黄海的海温可作为考察当年黄河流域降水量的指标。

3 结论

（1）本文应用EOF分解方法分析了黄河流域降水时空变化特征，其降水呈现出全流域一致型、南北型和东西型分布，降水周期主要为2～4a，降水在1960年代末发生了1次由多到少的突变。

（2）降水和入海流量关系研究表明年入海通量与整个流域年总降水量为正相关（相关系数为0.64），并且与第一模态的时间系数也呈正相关（相关系数为0.36）。（3）影响黄河流域降水的主要环流特征为夏季850 hPa风场来自孟加拉湾的水汽输送，西南季风加强可以给黄河流域降水带来充沛的水汽，500hPa巴尔喀什湖槽发展有利于上升运动的维持。西太平洋副热带高压东退时有利于黄河流域降水，而西进时不利于黄河流域降水。

（4）3月份渤、黄海的海温可作为考察当年黄河流域降水量的指标之一。

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Research on Relationship Between Abnormal Precipitation in Yellow River Basin and Bohai，Huanghai Sea Surface Temperature，Abnormal Circulation and Runoff

SUN Ji－Lin，Baoleerqimuge
（Physical Oceanography Laboratory ＆Ocean－Atmosphere Interaction and Climate Laboratory，Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

Based on the CPC／NCEP monthly precipitation data during 1948—2004and NCEP monthly geopotential height data at 500hPa and wind data at 850hPa，the spatial and temporal patterns of Yellow River Basin precipitation and abnormal circulation is analyzed by using EOF，wavelet analysis，synthesis analysis and correlation analysis.1950—2002monthly runoff data at Lijin Gauge is used to analyze the relationship between runoff and precipitation.NOAA 1982—2004monthly sea surface temperature is used to analyze the relationship between precipitation in July and sea surface temperature in March.The result shows that：the spatial pattern is consistency in the whole basin，south－north distribution，east－west distribution，the major cycle of the precipitation is 2～4years.The runoff is closely related to yearly precipitation and the first mode.The water transport in Yellow River basin is affected by southwest airflow from the Bay of Bengal and west pacific high.When the west pacific high locates westerly，it is not propitious to rainfall in Yellow River basin，the development of trough over Balkhash Lake is propitious to rainfall in Yellow River basin.The sea surface temperature of Bohai and Huanghai sea can be a reference for Yellow River precipitation.

Yellow River Basin；spatial and temporal pattern of precipitation；runoff into the sea；abnormal atmospheric circulation

P434＋.5

A

1672－5174（2012）1－2－001－07

国家自然科学基金重点项目（40930844，10735030）；国家自然科学基金项目（40676012）资助

2011－03－29；

2011－04－27

孙即霖（1956－），教授，博导。E－mail：sunjilin＠ouc.edu.cn

责任编辑 庞 旻