山东省夏季降水与大气环流型关系分析

滕华超

(山东省气候中心，山东 济南 250031)



山东省夏季降水与大气环流型关系分析

滕华超

(山东省气候中心，山东 济南 250031)

基于欧洲中期天气预报中心(ECMWF)逐日海平面气压场(MSLP)再分析资料和山东省122个台站逐日降水资料，采用Lamb-Jenkinson大气环流分型方法，将1958—2013年逐日海平面气压场分型，分析不同时间尺度下影响山东省的主要大气环流型出现频率分布特征，对山东省夏季降水与大气环流型关系进行初步研究，给出夏季各类环流型降水概率、降水强度及降水贡献率的时间变化特征。结果表明：(1)山东省全年主要环流型为SW、NE、A、SE、S、NW、N和C型；(2)8种主要环流型中，NE、NW、A和N型的出现频率在夏季为“低谷期”，冬季为“高峰期”，而SW、SE、C和S型则与之相反；(3)S、SE、SW、C型是夏季主要降水环流型，但是某些较为少见的环流型出现时，出现降水的概率非常大，可以为预报员提供参考；(4)夏季4种主要降水环流型的降水贡献率时间变化特征存在明显差异，S型和SE型呈现准周期振荡，SW型自1980年代以后持续降低，2011年以来仅为4%左右，为历史最低；1970年代以来，C型降水贡献率持续增加，由不足10%增至21%。

Lamb-Jenkinson；客观环流分型；山东；夏季降水

引 言

研究发现，中国东部夏季降水具有明显的年代际变化特征[1-3]，20世纪70年代后期发生了较为明显的年代际转折，形成南涝北旱的分布[4]。山东省处于南北气候过渡带，在全球变暖背景下，夏季降水及其关键影响因子表现出复杂性和不确定性。近年来，多位学者从降水强度[5]、雨型分布[6]、西太平洋副热带高压[7]、海温场[8-9]等角度对山东夏季降水进行了深入研究。

大气环流形势一般会决定全球或区域天气气候的类型及其变化[10]，大气环流的持续异常会引起气候的异常变化，甚至导致极端天气气候事件发生。尽管气候要素的变化不是完全由大气环流变化所决定，但研究大气环流与气温、降水等气候要素的关系是研究区域气候变化规律的一种有效方法，并有利于理解影响区域气候的物理机制，可以为气候预测提供参考。

大气环流分型主要有客观和主观两类，客观分型方法主要用统计方法进行分型，具有可重复性且很容易在计算机上执行，但是在数学上具有局限性且过分依赖原始资料；主观分型法直观且物理意义明显，但这类方法主要依靠人为经验，具有明显的主观性。因此，有学者提出可以通过定义客观标准将主观分型法客观化，进行定量分型，既可以克服其主观性的缺点，又可以结合客观法的优点。Jenkinson等[11]通过定义指数及量化分型标准将Lamb主观分型法客观化，发展成Lamb-Jenkinson分型法(以下简称L-J法)，该方法计算量小，且具有明确的天气学意义，瑞典、英国、西班牙、葡萄牙等国在降尺度分析[12-13]、气候预测[14-15]及气候变化[16]研究中得到了成功应用。我国在L-J大气环流分型法的应用上也开展了一些工作，如朱艳峰等[17]分析中国16个区域不同季节各种环流型出现的频率及变化特征，结果表明在中国不同区域利用该环流分型法都可以清晰地分辨出各区域不同的环流配置型，说明该方法在我国大部分地区是适用的；贾丽伟等[18]研究了东北地区月平均大气环流型与哈尔滨气候的关系；马占良[19]、周荣卫[20]等分别对青海省和北京地区大气环流型特征进行了分析；段雯瑜[21]和邓伟涛[22]等分别将该方法应用于淮河流域冬季气温和夏季降水的预测中。

本文将L-J法应用于山东省，对以山东省为中心区域的逐日海平面气压场进行环流型定量划分，分析主要环流型在不同时间尺度下的变化特征，进而研究山东省夏季降水与大气环流型的关系，以期为建立基于该方法的降尺度预测模型提供参考依据。

1 资料及方法

1.1 资料

所用资料为欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的1958年1月1日—2013年12月31日逐日海平面气压场(MSLP)再分析资料，空间分辨率为0.125°×0.125°。ERA-40[23-24]是ECMWF于2003年完成的第2代再分析资料，相对于第一代的NCEP-1和NCEP-2有很大改进，资料时段为1957年9月1日—2002年8月31日；ERA-Interim[25-26]是ECWMF第3代再分析资料，较ERA-40资料实现了质量提升，其时段为1979年1月1日至今。因此，文中1958年1月1日—1978年12月31日选用ERA-40资料，1979年1月1日至2013年12月31日选用ERA-Interim资料。全省平均降水观测资料是由山东省气象信息中心提供的山东省122个台站1958—2013年逐日数据，站点分布如图1所示。

图1 山东省122个气象台站分布

1.2 方法

山东省地处黄河下游，东临黄海，北濒渤海，境内中部山地突起，西南、西北低洼平坦，东部缓丘起伏。选取以山东省为中心的107°E—131°E、32°N—40°N为研究区域，在所选区域内取16个点，如图2所示，覆盖整个山东地区，对该范围内的逐日海平面气压场进行Lamb-Jensinson环流分型计算。

图2 计算环流分型的格点分布

利用所选的16个网格点的逐日海平面气压值，通过中央差分计算出中心点C(36°N,119°E)的6个环流指数，具体计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

上式中，P(n)(n=1,2,3…,16)是格点n上的海平面气压值。α、α1、α2分别为C、A1、A2的纬度值。V是地转风，u、v分别为地转风纬向分量和经向分量，ξ是地转涡度，ξu是u的经向梯度，ξv是v的纬向梯度，6个环流指数的单位是hPa·(4°)-1。根据地转风速、风向及涡度值将环流型划分为平直气流型、旋转型和混合型3类，共27种(表1)。若环流型为C型，说明受低压(气旋)控制；N型表示受偏北的地转风气流控制；CN型表示该区域为低压系统控制下的偏北地转风影响，依此类推。具体分型方法参见文献[18]。

表1 Lamb-Jenkinson环流分型表

2 主要环流型特征

2.1 环流型出现频率

要研究环流型与区域降水的关系，首先必须了解各种环流型的特点。对1958年1月1日—2013年12月31日共20 454 d的环流型进行逐日统计，结果表明：全年只有UD型没有出现，其他26种环流型均有出现(图3)。70%以上的环流型出现频率低于5%，符合山东省的气候特征[27]，说明较少的几种环流型就能代表山东省的大气环流形势。如果将一年中出现频率超过5%的环流型定义为主要环流型，可以看到有8种常出现，分别是：SW型(16.7%)、NE型(11.7%)、A型(8.4%)、SE型(7.9%)、S型(7.6%)、NW型(6.5%)、N型(6.1%)和C型(5.6%)，8种环流型出现频率之和为70.5%，因此可以认为出现频率高的几种环流型是山东省的主要环流形势。

图3 1958—2013年山东省27种环流型的频率分布

2.2 环流型出现频率的季节变化

1958—2013年，各种环流型的出现频率有一定的季节变化：春季，受蒙古高压和蒙古气旋影响，以平直偏南型(SW、SE、S，下同)和反气旋型为主，平直偏北型(NW、NE、N，下同)出现频率也不可忽视；夏季，受西太平洋副热带高压和大陆热低压控制，以平直偏南型和气旋环流型为主；秋冬季，山东位于强大干冷的蒙古高压东南部，盛行偏北风，环流型出现频率的分布非常相似，都以平直偏北型和反气旋型为主(图4)。

为了更清楚地了解各环流型的时间变化特点，找出主要环流型的变化规律，表2给出1958—2013年各种环流型的逐月频率变化。可以看出：8种主要环流型中，NE型、NW型、A型和N型的出现频率在夏季为“低谷期”，冬季为“高峰期”，而SW型、SE型、C型和S型则与之相反。SW型和NE型、SE型和NW型、C型和A型、S型和N型互为反相关关系，相关系数分别为-0.91、-0.94、-0.85、-0.86。SW型是春夏季出现频率最高的环流型，4—7月出现频率均在20%以上；NE型则是秋冬季出现频率最高的环流型，9月—次年2月多在15%以上。

3 环流型与夏季降水的关系

3.1 夏季主要降水环流型

不同的环流型往往对应不同的天气，找到大气环流型与区域气候要素之间的统计关系是建立统计降尺度预测模型的基础。表3给出各种环流型对应的降水日数、环流型出现日数、降水概率、降水强度和降水贡献率的统计结果。以降水贡献率达到10%作为判别主要降水环流型的判据，则山东省夏季主要降水环流型为SE型(21.9%)、S型(16.9%)、C型(13.2%)、SW型(11.6%)。1958—2013年夏季3 984个降水日中，四者的出现日数均在500 d以上，且降水贡献率均在10%以上；CSE、CS、E、CE、ANW、CNE等6种环流型降水贡献率较低，其中，CNE、CE和ANW型降水贡献率不足2%，但是其降水概率都达到85%以上，说明夏季当这些较为少见的环流型出现时，发生降水的可能性非常大。将不同环流型的出现频率、降水概率等信息与气候模式的逐日输出结果相结合，建立降尺度预测模型，可以在短期气候预测中得以应用。

图4 1958—2013年山东省27种大气环流型出现频率的季节分布

环流型1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月NE18．715．410．46．83．82．02．112．419．314．517．318．3NW10．87．56．36．75．91．30．52．25．37．811．412．8N13．99．95．32．72．20．90．22．15．27．49．414．1A10．416．916．08．96．32．31．22．08．311．29．28．2AE1．82．72．31．30．90．40．11．32．72．11．72．0AW0．30．61．11．10．50．40．10．20．21．00．40．6AS0．61．61．61．62．11．20．60．71．92．01．10．5AN1．71．60．51．10．20．00．00．20．51．81．41．3ASE2．13．22．92．32．01．71．42．23．63．51．91．7ASW1．21．83．33．33．11．10．30．51．82．42．11．0ANE5．65．24．32．41．70．20．31．03．44．44．05．1ANW1．31．92．11．61．00．20．10．20．91．61．01．5W3．93．43．94．15．41．91．51．61．63．34．34．3合计72．471．560．144．035．313．58．326．754．963．065．171．5SE2．63．86．17．98．814．015．016．08．25．43．92．4SW8．211．318．426．528．128．121．710．611．713．112．79．3S1．62．74．67．210．519．217．512．65．54．83．61．6C3．92．82．84．04．39．913．910．64．72．82．84．5CE0．10．20．20．60．50．20．31．00．70．40．30．2CW0．70．60．40．50．70．51．40．50．50．61．41．3CS0．10．20．60．91．42．34．52．10．40．30．30．2CN1．70．50．20．50．70．20．30．51．10．60．80．9CSE0．50．40．70．90．91．93．72．51．00．60．50．3CSW1．41．21．52．33．25．89．65．11．71．51．11．8CNE1．00．50．70．81．01．00．32．81．31．11．41．3CNW2．10．80．50．71．40．91．11．11．50．92．32．2E3．73．53．13．13．32．52．38．06．84．93．82．6合计27．628．539．956．064．786．591．773．345．137．034．928．5UD0．00．00．00．00．00．00．00．00．00．10．00．0

表3 夏季各环流型降水日数、降水概率、降水强度及降水贡献率

图5是夏季4种主要降水环流型对应的逐日海平面气压场合成结果。可以看到：当出现C型时，山东省位于气旋中心位置，中心气压在1 003 hPa左右。气旋是影响山东的重要天气系统，可以分为南方气旋和北方气旋，其中南方气旋主要发生在3—7月，是影响山东的主要降水系统[27]。山东夏季降水与西太平洋副热带高压脊线位置关系密切[7-9]，当夏季副高脊线位置偏北时，山东位于其西北侧的西南气流中，水汽充沛，南侧的热带系统和台风也容易北上产生暴雨天气[28]，此时，山东省以SW、SE和S环流型为主，三者出现频率之和占比达51.4%。当出现SW型时，黑龙江以西的蒙古地区存在一个中心气压约为1 002 hPa的低压中心，该区域是蒙古气旋出现最频繁的区域，山东位于其东侧的西南气流中，水汽较为充沛，但冷空气势力很弱，冷锋南下常锋消，产生降水的概率远低于黄河气旋，从表3中也可以看到，SW型的降水概率、强度和贡献率在4种主要降水环流型中都是最低的。

3.2 夏季主要降水环流型的降水贡献率变化

夏季4种主要降水环流型的降水贡献率在不同时期有明显差异，其中C型的降水贡献率呈增多趋势，其他3种均呈减少趋势。图6为4种主要降水环流型降水贡献率5 a滑动平均及年代际变化，可以看到： S型在1958—1980年、1981—1997年经历了2个完整的周期变化，这与1970年代后期山东沿海地区夏季降水发生突变是一致的[29]，“波峰”时段的降水贡献率在22%左右，“波谷”阶段约为15%，2001年以后又由20%降至13%左右，目前正处于“波谷”阶段；SE型的降水贡献率也呈现准周期振荡，但有明显下降的变化趋势，在1960、1970年代约为25%，1980年代开始减少，1990年代降至18%，进入21世纪后又有所增加；SW型降水贡献率总体呈下降趋势，1980年代达到峰值(18.8%)，随后开始持续降低，21世纪前10 a平均仅为8.2%，2011年以来仅为4%左右，为历史最低；1970年代以来，C型降水贡献率持续增加，由不足10%增至21%。

图5 夏季4种主要降水环流型对应的逐日海平面气压平均场(单位：hPa)

图6 夏季4种主要降水环流型降水贡献率的年代际变化

4 结 论

(1)Lamb-Jenkinson大气环流分型结果显示：山东省除UD型外，其他26种环流型均有出现。按照出现频率高低确定影响山东省的环流型主要有SW、NE、A、SE、S、NW、N和C型，8种环流型出现频率之和为70.5%。

(2)春季以平直偏南型和反气旋型为主，夏季以平直偏南型和气旋环流型为主，秋冬季以平直偏北型和反气旋型为主。8种主要环流型中，NE型、NW型、A型和N型的出现频率在夏季为“低谷期”，冬季为“高峰期”，而SW型、SE型、C型和S型则与之相反。SW型和NE型、SE型和NW型、C型和A型、S型和N型互为反相关关系，相关系数分别为-0.91、-0.94、-0.85、-0.86。

(3)从降水贡献率来看，山东省夏季主要降水环流型为SE型、S型、C型和SW型。CSE、CS、E、CE、ANW、CNE等6种环流型降水贡献率较低，其中，CNE、CE和ANW型降水贡献率不足2%，但是其降水概率都达到85%以上，夏季当这些较为少见的环流型出现时，应引起预报员注意。

(4)山东省夏季4种主要降水环流型的降水贡献率的时间变化特征存在明显差异，S型和SE型呈现准周期振荡，SW型自1980年代以后持续降低，2011年以来仅为4%左右，为历史最低；1970年代以来，C型降水贡献率持续增加，由不足10%增至21%。

致谢：感谢欧洲中期天气预报中心(ECMWF)和山东省气象信息中心提供的数据集

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TENG Huachao

(ShandongClimateCenter,Ji’nan250031,China)

Based on ECMWF MSLP reanalysis dataset and daily precipitation in 122 weather stations in Shandong Province, the Lamb-Jenkinson circulation classification scheme was applied to obtain circulation types in Shandong Province. The frequencies of circulation types under different time scales were computed and described, and the relationship between circulation types and summer precipitation in Shandong Province was studied preliminary. The probability of precipitation, precipitation intensity and contribution rates of all circulation types to summer precipitation were given out, and the temporal characteristics of precipitation contribution rates of four major circulation types in summer were analyzed. The results show that the dominant circulation types the whole year in Shandong were SW, NE, A, SE, S, NW, N and C type, among them, the occurrence frequencies of NE, NW, A and N type in summer were smaller, while in winter they were larger, but for SW, SE, C and S type, they were opposite compared to the former. There were 3 984 rainy days in summer of Shandong from 1958 to 2013, the S, SE, SW and C circulation types occurred more than 500 days, and their contribution rate to summer precipitation was beyond 10%, so they were major circulation types for summer precipitation. The temporal characteristics of precipitation contribution of four major circulation types in summer were obviously different, for S and SE type it presented quasi-periodic oscillation, while for SW type, it decreased continuously since the 1980s, and the lowest contribution occurred in 2011(4%), but for C type, it increased since the 1970s and run up to 21%.

Lamb-Jenkinson circulation classification; Shandong; summer precipitation

10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0789

2016-03-03；改回日期：2016-05-31

山东省气象局气象科学技术研究项目(2012sdqx10、2015sdqxm06)共同资助

滕华超(1986- )，男，山东荣成人，硕士，工程师，主要从事气候变化服务与研究工作. E-mail:thc_sdqx@163.com

1006-7639(2016)-05-0789-07 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0789

P466

A

滕华超.山东省夏季降水与大气环流型关系分析[J].干旱气象，2016，34(5)：789-795, [TENG Huachao. Relationship Between Circulation Patterns and Summer Precipitation in Shangdong Province[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(5):789-795],