黑龙江省7月降水与全国雨型及大气环流关系的分析

2012-07-06吴玉影王凤玲潘华盛

黑龙江大学工程学报 2012年3期

吴玉影，王凤玲，潘华盛

（1.成都信息工程学院，成都 610225；2.黑龙江省气象信息中心，哈尔滨 150030；3.黑龙江省气候中心，哈尔滨 150030；4.黑龙江省气象台，哈尔滨 150030）

我国的气象研究人员在对全国旱涝雨型的划分上做了大量工作，在20世纪70、80年代，中央气象台长期科就对中国东部地区主汛期（6～8月）进行了3个类型的雨带划分[1－3]。90年代后，有的研究人员采用了主分量分析方法对中国月降水日数进行了分型[4]；还有的采用EOF（即经验正交函数Empirical Orthogonal Function，EOF）分析和聚类分析相结合的方法，对中国主汛期（6～8月）进行了8类雨型的空间分布[5－6]；对我国的汛期降水预报发挥了很好的作用。另外对影响我国汛期降水的成因方面的研究工作，也取得了显著进展。90年代初就提出了引起我国夏季旱涝的东亚大气环流异常遥相关的机制理论[7]；提出了江淮梅雨与副热带高压低频振荡[8]；青藏高原积雪对我国夏季旱涝的影响[9－10]；研究了ENSO事件与中国区域降水的关系[11－13]等等。

采用EOF方法分析全国大范围雨型的分布和旱涝气候的影响，是一种有效的方法。但对一个区域和一个省来说，分析就显得有些粗浅。过去采用EOF方法，结合大气环流特征分析黑龙江省夏季降水也做过一些工作，但是深入不够[14]。本文紧密结合对黑龙江省有显著影响的特征向量，较深入地分析与全国降水的关系、造成7月多水的环流及副高、Elnino因子等。

黑龙江省多年平均年降水量为516mm，夏季占全年年降水量的65%，7月降水量占夏季降水量的40%，占全年降水量的26%，可见，7月的降水量对夏季降水有着重要的贡献，且对全年的降水都有重要的影响。因此研究7月的降水与全国雨型、大气环流、成因及预报很有必要。1951～2010年降水资料来自国家气候中心、黑龙江省气候中心。

1 黑龙江省7月降水与全国雨型分析

EOF展开，就是将m个相互关联的变量，每个变量有n个样本构成矩阵形式Xm×n，对X进行线性变换，即由P个变量线性组合为一新变量。这一过程将原多个变量的大部分信息最大限度地集中到少数独立变量的主分量上。再将由m个空间点n次观测构成的变量Xm×n看作是P个空间特征向量和对应的时间权重系数的线性组合：

式中T为时间系数；V为空间特征向量。这一过程将变量场的主要信息集中由几个典型特征向量表现出来。

作全国7月降水EOF展开，一般根据研究问题对象来定模态的个数，最多不超过10个为好。因此本文提取前6个模态进行分析，结果见表1。

表1 前6个模态方差贡献及模态时间系数与7月黑龙江省降水相关系数值Table1 Previous Six modal variance and modal coefficient in and July the Heilongjiang precipitation correlation coefficient

前6个模态对应特征值累计方差贡献已接近50%。与7月降水相关系数，其中第二、三模态时间系数与黑龙江省7月降水相关系数值较大，达0.32、0.35，通过信度0.01检验。因此选取与黑龙江省降水关系较大的第二、三模态进行分析。

图1 全国7月降水EOF第二模态空间结构Fig.1 National precipitation EOF second mode spatial structure in July

1.1 全国7月降水EOF第二模态空间结构与黑龙江省降水的关系分析

作全国7月降水第二模态空间结构见图1，全国雨型分布特点基本呈纬向型即 “＋、－、＋、－”型，即黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古东北部为多雨区，新疆、甘肃、宁夏及陕西北部为少雨区，长江以北黄、淮流域为多雨区，长江以南为少雨区。多雨中心区有2个，一个在辽宁，另一个在四川东部、湖北北部、河南南部、江苏北部及山东南部一线区域，即江淮雨带，也是7月主要雨带。主要少雨区也有2块，一块在华北北部、甘肃西北和新疆；另一块在广东、广西、江西、湖南及福建等省，即江淮以南少雨区域。从中不难看出，影响我国多雨的水汽通道主要有2条，一条来自孟加拉湾，经康藏高原、黄河流域，在黄海与另一条来自副高西部外缘的水汽相遇汇合，水汽量大增，北上进入东北，所经之处造成多雨。还有一条来自欧洲大陆的水汽。我国江淮以南地区大部被西太平洋副热带高压和大陆高压所控制，造成高温少雨。

1.2 全国7月降水EOF第二模态时间系数与黑龙江省降水关系的分析

由表1可见第二模态时间系数与黑龙江省同期降水相关系达0.32。作1954～2010年时间系数与降水关系见图2，黑龙江省降水偏多年份有：1956、1961、1962、1963、1965、1977、1981、1983、1988、1989、1991、1994、1996、2003、2005、2006年共16a，其中除1981、1994、1996、2006年外，其余12a对应时间系数正值占总年数的81%，而且有11a正值在260以上。造成全省降水特多的雨涝年（雨量＞140%）共3次，全部在此特征向量内，包括1956、1962、1991年。在降水偏少年中，1954、1958、1960、1968、1974、1976、1979、1980、1982、1992、1993、1997、1999、2007、2008年共15a，除1960、1979、1982年外，其余12a对应时间系数负值占总年数的80%，而且有10a负值＞200。造成全省降水特少的严重干旱年（雨量＜40%）共3次，其中有2次在此特征向量内，包括1954、2007年。系数权重大表明典型场正负（多、少雨）分离清楚，正负中心差别大。

图2 全国7月降水EOF第二模态时间系数与黑龙江省降水关系Fig.2 National precipitation EOF second mode time coefficient and Heilongjiang precipitation

1.3 全国7月降水EOF第三模态空间结构与黑龙江省降水的关系分析

同样给出全国7月降水第三模态空间结构见图3，我国中、东部的雨型分布特点基本呈经向型即“＋、－、＋”型，120°E以东为 “＋”即黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古东部、山东东部、江苏为多雨区；在110°E～120°E为 “－”即内蒙古中部、河北、河南、湖北、湖南、江西、贵州、福建和浙江为少雨区；在黄河河套以南、长江中游以北地区，即陕西、甘肃东部、四川也为多雨区；另外南岭以南的广东、广西、云南也为多雨区。多雨中心有2个，一个在吉林，另外一个在陕西北部。这种形势下，影响黑龙江省多雨的主要水汽通道来自我国东部的西太平洋副热高压东南洋面上。

图3 全国7月降水EOF第三模态空间结构Fig.3 National precipitation EOF third mode spatial structure in July

1.4 全国7月降水EOF第三模态时间系数与黑龙江省降水关系的分析

由表1可见第三模态时间系数与黑龙江省同期降水相关系达0.35，通过0.01信度检验。作1954～2010年第三模态时间系数与降水关系见图4，在降水偏多年中（年份同前），除1962、1983、1989、1996年外，其余12a对应时间系数正值占总年数的81%，其中有1963、1981、1991、1994年共4a正值＞300；降水特多年除1962年外1956、1991年时间系数均为正值。在降水偏少年中（年份同前），除1958、1960、1974、1980、1982、1997年6a外，其余9a对应时间系数负值占总年数的60%；造成全省降水特少的严重干旱年（雨量＜40%）共3次，均在此特征向量内，包括1954、1979、2007年，表明这几年第三特征向量的典型性很好。

图4 全国7月降水EOF第三模态时间系数与黑龙江省降水关系Fig.4 National precipitation EOF the third mode time coefficient and Heilongjiang precipitation

1.5 全国7月降水EOF第四模态空间结构与黑龙江省降水的关系分析

给出全国7月降水第四模态空间结构见图5，我国的雨型分布特点基本呈纬向型即 “＋、－、＋”型，黄河以南、长江以北为少雨区，也是我国中部地区；而在它的南北两侧为多雨区。即黑龙江、吉林、辽宁、山东、河北、内蒙古、甘肃大部、新疆为多雨区，基本在40°N以北。而山西、陕西、甘肃东南、宁夏、青海、西藏、河南、湖北、四川及云南为少雨区，纵横跨越10个省范围，也基本在30°N～40°N之间。除浙江、福建、江西中东部外，长江中下游以南地区为多雨区。多雨中心区有2个，一个在山东，另一个在湖南东南部。少雨中心也有2个，一个在陕西南部，另一个在浙江南部。从中不难看出，我国长江以北，黄河以南地区大部被大陆暖高压所控制；影响黑龙江省多雨的水汽通道主要有2条，一条来自孟加拉湾，沿东北方向经四川、河南、江苏北部与来自西太平洋副高东南方向水汽汇合，经黄海，北上进入东北；另一条来自欧洲经新疆、华北进入东北，或经贝加尔湖进入东北影响黑龙江省造成多雨。

1.6 全国7月降水第四模态时间系数与黑龙江省降水关系的分析

图5 全国7月降水EOF第四模态空间结构Fig.5 National precipitation EOF the fourth mode spatial structure in July

作1954～2010年时间系数与降水关系见图6，在黑龙江省降水偏多的16a中（年份同前），其中除1956、1981、1983、1988、1989、2005年外，其余10a对应特征向量时间系数正值占总年数63%。造成全省降水特多的雨涝年（雨量＞140%）共3次，其2a即1962、1991年在此特征向量内。在降水偏少年15a中（年份同前），除1954、1960、1974、2007、2008年外，其余10a对应特征向量时间系数负值占总年数的67%，而且有7a负值＞220。造成全省降水特少的严重干旱年（雨量＜40%）共3次，仅有1次1979年在此特征向量内。

图6 全国7月降水EOF第四模态时间系数与黑龙江省降水关系Fig.6 National precipitation EOF the fourth mode time coefficient and Heilongjiang precipitation

2 黑龙江省7月降水与全国降水关系

做7月黑龙江省与全国160站的降水相关系数的空间分布见图7。从我国中东部即105°E以东地区来看，呈 “＋、－、＋”型式，主要有二大片正相关区域，其中黄河中下游以东以北地区，包括黑龙江、吉林、辽宁、河北、山东、山西、陕西和宁夏为多雨区；另外还有一小片，分布在广东和广西东南部地区为多雨区，在二 “＋”之间长江南北广大地区为负相关区即少雨区。最大正相关区即多雨区，分布在黑龙江省和山东省西部，表明影响黑龙江省的系统，常常是西风带系统及河套气旋东北上及黄海、渤海北上气旋造成多雨；另外两广地区主要受台风影响造成多雨。最大负相关区主要分布在安徽南部、湖北及长江以南广大地区。表明我国雨带明显移到黄河流域及以北地区，而江淮、长江以南地区为西太平洋副热带高压控制，造成高温少雨。此种相关形势与全国降水第二、三、四模态中的第三模态的空间结构较为相似。

图7 黑龙江省7月降水与全国160站的降水相关系数的分布Fig.7 Heilongjiang and the correlation coefficient of the 160stations precipitation distribution

3 影响7月多水的第三模态时间系数、环流、海温因子与大气环流的关系的分析

3.1 环流因子、Elnino指数、第三模态时间系数与黑龙江省7月多水的关系

选取西太平洋副热带高压副高面积、北界、西伸脊点、Elnino指数、第三模态时间系数与黑龙江省7月多水关系见表2。在15a的多雨年代中，全国降水第三模态时间系数为正的占12／15；副高面积＞19的占12／15；副高北界偏北≥31°N的占12／15；副高脊点全部偏西，而且偏西的较多；赤道西太平洋海表温度为暖水位相占11／15，Elnino年，其中在11a里占7／11为Elnino年。表2统计结果表明，黑龙江省7月多水，西太平洋副热带高压强面积大，北界偏北，西伸脊点偏西，赤道西太平洋海表温度为暖水位相。由表2可见，上世纪90年代后的多水年，全部发生在第三模态时间系数为正，副热带高压强大，北界偏北，脊点偏西并全部发生在赤道西太平洋海表温度为暖水位相，在Elnino事件出现的当年。

表2 影响7月多雨的环流、海温因子Table2 Influence the July rainy factor of circulation，sea surface temperature

3.2 大气环流形势变化与7月多水

从表2选取典型多水年1963、1981、1991、1994、2003、2005、2006年共7a作高空500hPa高度场距平场合成平均图8。由图8可见，欧洲北部为强大的高脊所控制，极涡偏在东半球位于新地岛与泰米尔半岛之间，南伸；在东亚区中高纬基本维持平直环流，锋区偏在40°N～50°N，西太平洋副热带高压偏北偏西。这种形势下决定了东亚区中高纬，特别是我国东北地区经常受到来自西北部泰米尔－贝加尔湖的低压或者来自西南部的河套低压东北上，造成黑龙江省7月多水。另外，所选个例大部气温偏高，因此很少有冷涡天气在东北区停留，东北区高度场下降的不明显。

图8 7月多水年500hPa高度场距平场合成平均Fig.8 Average of composition of the 500hPa height anomaly field situation in the July more water

3.3 全国7月降水EOF第三模态时间系数与高空500hPa环流形势关系的分析

作全国7月降水EOF第三模态时间系数与高空500hPa位势高度相关关系分布见图9。从相关系数场明显地看出，亚洲中纬地区相关场基本呈纬向 “－、＋、－”型分布。0相关线基本将全国分为二大部分，东北、内蒙古北部、甘肃北部和新疆北部，称北方 “－”相关区，还有两广，云南、湖南南部、江西南部，为南方 “－”相关区，表明北方经常维持低槽活动，南方经常维持东风气流，有台风活动，这也是我国7月的南北两条雨带。最大负相关系数－0.20～－0.30基本分布在贝加尔湖以东，东北区以西区域，而且有一向南伸展的低槽，这与图9南伸槽位置基本一致也与图3、图5全国降水第三、四模态南北两条雨带基本相符。“＋”相关主要分布在两条雨带中间我国中部广大地区；最大 “＋”相关系数0.20～0.30分布在东部沿海的山东和江苏；表明此种形势盛行，西太平洋副热带高压位置，是偏北和偏西的。

图9 全国7月降水EOF第三模态时间系数与同月高空500hPa相关系数分布Fig.9 July precipitation EOF third mode time coefficients of the same month，high-altitude 500hPa correlation coefficient distribution

4 结语

黑龙江省7月降水对汛期的汛情有无非常重要，因此研究7月降水的雨型、影响因子对预报很有意义。研究结果表明：黑龙江省7月降水与全国EOF第三、四模态空间结构有很好的关系。7月多水，全国多盛行 “＋、－、＋”雨型，它与多水年份涵盖率达81%，即黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古东部为多雨区；内蒙古中部、河北、河南、湖北、湖南、江西、贵州、福建和浙江为少雨区；广东、广西、云南为多雨区。7月黑龙江省与全国降水相关系数的分布形势与第三模态全国雨型较为相似。主要相关区分布有两块，东北三省、内蒙古东北部为正相关区，长江以南、两广以北，还有湖北大部为负相关区。表明我国雨带明显移到黄河流域及以北地区，而江淮，长江以南地区为西太平洋副热带高压控制。第三模态时间系数与高空500hPa环流形势相关分析表明，在中纬地区，盛行纬向的“－、＋、－”高度场形势。与全国两条雨带相对应。另外多水的影响因子，西太平洋副热带高压强面积大，北界偏北，西伸脊点偏西，赤道西太平洋海表温度为暖水位相；多水500hPa环流特征，是欧洲北部为强大的高脊所控制，极涡偏在东半球位于新地岛与泰米尔半岛之间，有南伸槽。这些特征，利用前期西太平洋副热带高压、海表温度的稳定持续的特点和大气环流演变规律，就可以有效地预报7月降水。

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