西太平洋副热带高压对黑龙江夏季降水的影响

2021-09-24康恒元周贺玲刘玉莲

河南科学 2021年8期

康恒元，周贺玲，刘玉莲

（1.哈尔滨市气象局，哈尔滨 150028； 2.廊坊市气象局，河北廊坊 131001； 3.黑龙江省气候中心，哈尔滨 150030）

西太平洋副热带高压（简称“西太副高”）是东亚-西太夏季风系统重要成员，我国的地理位置决定了受其影响很大. 西太副高的强度和位置与东亚季风区的降水和旱涝有着密切联系［1］. 西太副高西侧是东亚季风区主要的水汽辐合带和降雨区，西太副高的北跳南撤或西伸东退直接决定我国主雨带的位置［2］，与中国异常降水型相联系的水汽输送以及梅雨锋的位置偏移都与西太副高变动紧密联系［3］，西太副高的研究对于季风系统的变率分析以及进行气候预测都有重要意义［4-7］.

国家气候中心一直开展对西太副高的气候监测，并有相应的监测指数描述和业务规定. 2015年，鉴于以前西太副高指数存在的问题［6］（受资料质量限制，指数的定义标准是针对5°×10°的菱形网格；指数使用的500 hPa高度场数据已进行多次切换，而没有做系统性误差订正；根据原指数定义，只有将现有数据进行粗细插值进行计算，分辨率降低，信息丢失；原指数仅使用500 hPa高度场，而没有考虑其他环流场信息），国家气候中心基于气象行业标准《西北太平洋副热带高压监测指标》（QX/T 304—2015）［8］，利用NCEP/NCAR的再分析资料重建了西太副高实时监测业务. 由于新指数和原指数使用的高度场资料在分辨率和强度上有一定差别，定义也有调整，重建的新指数相对原指数整体表现偏弱偏北，不同月份差异也有不同［6］.

黑龙江省位于我国的东北端，属于温带大陆性季风气候区，降水主要集中在夏季. 由于农作物生长的主要季节在夏季，故黑龙江粮食产量受夏季降水量多少以及时空分布影响较大. 对西太副高与黑龙江夏季降水的关系进行分析，有利于提高对该省夏季环流的理解和预测能力，可对了解该省夏季降水变化规律及合理利用水资源、旱涝监测、防洪抗旱等提供科学依据.

以往对西太副高与我国降水的相关研究较多［9-10］，但对西太副高与黑龙江降水研究较少，本研究基于重建的西太副高新指数，分析西太副高与黑龙江夏季降水的气候特征及影响.

1 数据和方法

1.1 数据

所用降水数据为1961—2016年黑龙江省内观测连续及台站变动较少的61个地面气象台站的日降水数据（资料来自黑龙江省地面气象观测站网的地面降水监测数据）.

西太副高指数来自国家气候中心利用NCEP/NCAR再分析数据和按照气象行业标准《西北太平洋副热带高压监测指标》（QX/T 304—2015）［8］规定要求，重建的西太副高逐日（1981—2016年）和逐月（1961—2016年）指数集.

1.2 方法

西太副高指数包括副高面积（GM）、副高强度（GQ）、副高脊线位置（GX）和副高西伸脊点（GD）等，相关定义及计算公式详见行业标准［8］.

标准化变量采用Z-Score方法，标准化变量=距平/标准差［11］. 文中用到的气候统计方法计算及检验均依文献［11-12］.

采用REOF方法［13-15］，根据黑龙江夏季（6月—8月）降水量资料对其降水的变异性进行分区. 分区的临界相关系数确定为0.4（n=30，P=0.05），即将REOF 载荷向量值＞0.4 的区域划分为一个降水气候区. 选各区载荷向量最大的3个台站为代表站（图1）. 1区：龙江、林甸、齐齐哈尔；2区：穆棱、鸡西、林口；3区：宾县、木兰、通河；4区：双鸭山、集贤、佳木斯；5区：呼玛、孙吴、黑河. 图中红色圈台站为各区代表站. 以各区代表站的日平均降水量为分区日降水量（单位：mm），平均降水概率为分区日降水概率（单位：d），代表站最大雨强为分区日最大雨强（单位：mm/d）.

图1 台站分布及分区Fig.1 Station distribution and zone

区域降水平均采用算术平均，距平为相对分析期均值，文中显著相关未说明者均指通过0.05显著性水平检验. 年内日序按Julian Day［16］方法计数，6月1日为第152天，8月31日为第243天. 气候期取1981—2010年.

2 分析结果

2.1 黑龙江省夏季降水和西太副高的气候特征

黑龙江省1981—2010 年降水量平均526.2 mm，中部偏多，最多区域在张广才岭西麓（尚志，656.5 mm）和小兴安岭向三江平原过渡带（鹤岗，651.4 mm；伊春，626.2 mm）. 降水向外辐散减少，西部降水最少，最少区域在西南的泰来（397.1 mm）和杜尔伯特（419.5 mm）. 东部三江平原的中部向南张广才岭有一个条状少水区，向东降水又增多. 夏季降水量和年降水量空间分布多水区域基本一致，全省平均343.2 mm，中南部和中北部降水最多（尚志，424.9 mm；鹤岗，424.3 mm）. 少水区较分散，最少台站是西部的泰来（285.4 mm），其次是东部三江平原东北部的宝清（287.6 mm）和东南张广才岭的东宁（293.1 mm）. 年内大部的降水集中在夏季，全省平均为65.2%，夏季降水量占年降水量比例最大区域是西南部的松嫩平原，最大值是明水（72.9%）和安达（72.8%）. 夏季降水量占年降水量比例最小的区域是东部三江平原（虎林，54.2%）和张广才岭（绥芬河，57.1%；东宁，57.4%），全省在亚洲西太平洋季风区范围内［17］. 季内日降水量极值，6月份出现在富裕（2009-06-19，148.9 mm），7月份出现在双城（1988-07-17，152.9 mm），8月份出现在甘南（1998-08-10，201.6 mm）.

由图2 a可以看出：黑龙江夏季降水7月最多（139.9 mm），占夏季降水的40.8%，降水最多区域在中南部（尚志，183.9 mm）；6 月最少（85.8 mm），占夏季降水的25.0%，多水区在小兴安岭向三江平原过渡带（鹤岗，113.0 mm）；8 月降水（117.5 mm）占夏季降水的34.2%，降水最多在小兴安岭向三江平原过渡带（鹤岗，162.6 mm）. 由图2 b可以看出：降水量最多的旬是7月的第3旬（5、6侯，54.4 mm），其次是7月第2旬（3、4侯，44.0 mm）和8月第1旬（1、2侯，43.0 mm）；侯降水量最多是7月第6侯、第4侯和第2侯（30.2、24.8、24.3 mm），降水量最少的侯是6月的第1侯、第3侯和第5侯（9.4、14.0、14.9 mm）.

图2 黑龙江省降水量分配Fig.2 Distribution of precipitation in Heilongjiang Province

1981—2010年，夏季各月及季平均的西太副高面积和西太副高强度相关系数都＞0.96（通过0.001显著性水平检验），由西太副高面积和强度定义也可知，这两个指数较一致，对黑龙江夏季降水影响也相似，只分析西太副高强度，不单独分析西太副高面积. 由图3 a可见：7月西太副高最强；6月略小于7月，但脊线位置最南，西伸脊点最西；8月最小，脊线位置最北，脊点最东.

图3 夏季西太副高脊线、脊点位置和强度Fig.3 The ridgeline，ridge point and intensity of the western Pacific subtropical high

各月西太副高强度（GQ）与西太副高西伸脊点（GD）呈显著负相关（P＞0.001），这与西太副高的定义相符，即西太副高最西点位置偏东，强度易偏小；西太副高最西点偏西，强度易偏大. 1981—2010年的30年中，有13年的7月西太副高偏强，对应的脊点位置都偏东，无一例外；有14年的6月西太副高偏强，有12年的8月偏强，对应的脊点位置有2年略偏西，其他年份均偏东. 西太副高偏强较大时，脊点都是偏西较多. 西太副高偏弱的年份大部分对应脊点位置偏东，但也有略偏西者，但其指示性不如偏强年份.

6月和7月的西太副高强度与脊线位置（GX）负相关（P＞0.05），即西太副高脊线位置偏北时，西太副高强度易偏小；脊线位置偏南时，西太副高强度易偏大. 8月西太副高强度波动较6月和7月大，与脊线位置也无明显相关. 6月和7月，西太副高脊线位置与西伸脊点显著正相关，脊点偏西时，脊线易偏南，脊点偏东时，脊线易偏北，即6月、7月西太副高相对气候态易出现两种偏态——偏西偏南或偏东偏北.

2.2 黑龙江夏季降水和西太副高演变

1961—2016年黑龙江夏季降水呈不显著的下降趋势，西太副高强度呈显著增加趋势，20世纪70年代以前强度较弱且波动幅度较小，80年代以后，黑龙江西太副高强度明显增强且波动加大. 去除线性趋势，其演变和与该省夏季降水的10年滑动相关主要有3个阶段，即正相关、负相关和正相关，2000年以后的正相关高值区通过了0.05显著性水平检验. 许多研究指出［6-7，18-19］，20世纪70年代末期前后，大气环流和降水等多种气象变量出现明显的转折，根据夏季降水和西太副高的相关以及降水和西太副高自身演变，分析20 世纪80年代以来（1982—2016年）的夏季降水与西太副高的变化.

1982—2016年夏季，黑龙江降水减少不明显（图4 a），其中6月降水趋势不显著，7月无明显变化趋势，8月呈减少趋势（仅通过0.10显著性水平检验）. 夏季西太副高面积和强度明显增加，西伸脊点有显著减小（西进）趋势，脊线位置无变化. 6月和7月西太副高指数变化都不显著；8月西太副高面积、强度增加和脊点位置减小（偏西）的变化趋势都通过了0.05显著性水平检验.

当西太平洋地区有非孤立副高体，即西太副高指数都不为0时，西太平洋地区没有副高压生成. 1982—2016年（35年）夏季的3220 d（每年夏季92 d）中，仅18 d（0.56%）西太平洋地区没有副高压，可见几乎整个夏季西太平洋地区都受副高压影响. 当西太平洋地区有非孤立副高体时，夏季西太副高指数与黑龙江降水的逐日变化（图4 b），脊点位置是经历渐减再增的过程，其他变量都是渐增再渐减的过程.

图4 1982—2016年黑龙江夏季西太副高指数变化Fig.4 Change of the western Pacific subtropical high index in summer

以1982—1990年代表20世纪80年代，2011—2016年代表21世纪10年代，夏季西太副高指数和黑龙江降水的年代际变化如图5. 从图5 可以看到，夏季和季内各月降水量偏少的时间一致，都是2000 年最少.夏季和季内各月降水量偏多的时间2010年是在6月，1990年在7月，1980年在8月，季降水最多也在1980年.随着西太副高强度逐年增加，脊线位置也逐年增加（偏北），西伸脊点逐年减小（偏西），各指数（面积、强度、脊线位置和脊点）8月与夏季一致性最好.

图5 1982—2016年夏季西太副高和降水年代际及季节内变化Fig.5 Interdecadal and intraseasonal changes of the western Pacific subtropical high and precipitation in summer

2.3 西太副高对黑龙江夏季降水影响

对1982—2016年黑龙江夏季降水和同期西太副高指数做相关性分析，8月降水与西太副高面积正相关（0.05显著性水平），与西太副高西伸脊点负相关（0.01显著性水平），其他不显著. 标准化变量的8月降水与西太副高脊点的符号一致率为71%，与西太副高面积指数符号一致率为62%，西太副高西伸脊点是影响黑龙江8月降水的最主要因子.

统计西太平洋地区有非孤立副高体时，黑龙江省5个气候区夏季9个旬的降水差异如图6.

图6 各气候区夏季旬降水Fig.6 Summer precipitation in various climate zones

5个气候区中，仅4区的夏季降水与季内全省降水表现不同，是逐月增多，7月多于6月，8月又多于7月，月间差异在5个区中也是最小的，7月降水增多（29.1 mm），8月降水较7月多5.1 mm，可见4区夏季降水受西太副高影响最小. 其他各区夏季降水都是7月最多，6月最少. 月间降水差异以3区和1区各月间降水差异最大，7月降水集中，较6月多62.2～67.5 mm；8月降水明显减少，较7月少34.0～44.8 mm.

各区降水从旬来看，都是在第6旬（7月下旬）最多，4区旬间标准差最小，各旬降水量差异也最小；1区和5区标准差最大，各旬降水量差异也最大.

1区和5区8月各旬降水量渐减，而其他3个区8月中旬降水量减少（3区减少最多），而下旬又增多，且多于上旬. 前6旬降水各区以减增为主，1区第1旬降水量少的较多（6月上旬），第5旬（7月中旬）又表现出减少，少于第4旬；3区和4区6月上旬降水多于中旬，4区6月下旬降水又少于中旬.

夏季，1区平均降水概率最小，旬间波动最大，2区降水概率最大，旬间波动较小. 月平均降水概率2区、3区和5区都是7月最大，1区和4区6月最大. 旬降水概率1区最大在第4旬，5区最大在第6旬，其他3个区都是第1旬（6月上旬）最大，其原因可能与6月份黑龙江降水主要受东北冷涡影响有关.

平均最大降水强度出现在5区、1区和3区的第6旬（7月下旬）（分别是10.7、9.6、9.4 mm/d），2区的第5旬（7.5 mm/d）和4区的第9旬（6.6 mm/d）. 各旬平均最大雨强的季节内分布与旬降水量一致. 4区各旬最大雨强季内波动较小，5区波动较大.

以5°N和5°E为空间间隔，统计夏季副高脊线和脊点位置以及降水量，图7是5个分区夏季降水分布. 黑龙江夏季的较多降水（86.9%）的位置是在西太副高脊线20°～35°N，其中，38.5%的夏季降水（127.4 mm）发生于西太副高脊线位置处于25°～30°N时，28.0%的降水（92.9 mm）发生于脊线位置处于20°～25°N时，20.4%的降水（67.5 mm）发生于脊线位置处于30°～35°N时，脊线在其他位置带来的降水仅占13.1%（43.5 mm）. 黑龙江降水较多（56.2%）对应西太副高西伸脊点位于85°～90°E和105°～120°E时，17.5%的夏季降水（58.1 mm）发生于西太副高西伸脊点位于85°～90°E 时，14.1%的降水（46.6 mm）发生于西伸脊点位于110°～115°E 时，12.9%的降水（42.8 mm）发生于西伸脊点位于115°～120°E时，11.7%的降水（38.7 mm）发生于西伸脊点位于105°～110°E时，脊点在其他位置带来的降水占43.8%（145.1 mm）. 夏季降水较多发生在两个区域，一个是脊点位于105°～125°E和脊线位于20°～30°N，带来28.9%的降水，另一个是西伸脊点位于85°～90°E和脊线位于20°～35°N，带来14.9%的降水.

图7 夏季西太副高平均位置与降水量Fig.7 The average position and precipitation of the western Pacific subtropical high in summer

黑龙江降水最多（6.9%）的位置是西太副高脊线25°～30°N 和脊点85°～90°E，其次（6.3%）的降水是在脊线25°～30°N和脊点110°～115°E.

统计1982—2016年夏季西太副高脊线在不同位置时的黑龙江各分区降水量和降水强度：

1）6月，1区最多降水（10.7 mm，占该区夏季降水量的4.2%，6月降水量的13.4%）来自西太副高脊线20°～25°N、脊点110°～115°E区域；2区最多降水（10.4 mm，占该区夏季降水量的3.8%，6月降水量的12.2%）来自西太副高脊线20°～25°N、脊点115°～120°E区域；3区最多降水（10.1 mm，占该区夏季降水量的3.0%，6月降水量的11.1%）来自与2区相同的西太副高区域；4区最多降水（8.7 mm，占该区夏季降水量的3.2%，6月降水量的10.1%）来自西太副高脊线20°～25°N、脊点110°～115°E 区域；5 区最多降水（7.5 mm，占该区夏季降水量的2.5%，6月降水量的9.3%）来自与4区相同的西太副高区域.

2）7 月，1、2、3、4 区最多降水都来自西太副高脊线25°～30°N、脊点110°～115°E 区域. 其中，1 区降水18.2 mm，占该区夏季降水量的4.0%，7月降水量的12.8%；2区降水15.9 mm，占该区夏季降水量的4.2%，7月降水量的12.7%；3区降水15.8 mm，占该区夏季降水量的3.0%，7月降水量的10.0%；4区降水16.5 mm，占该区夏季降水量的4.6%，7月降水量的14.3%. 5区最多降水（14.4 mm，占该区夏季降水量的3.6%，7月降水量的10.9%）来自西太副高脊线25°～30°N、脊点85°～90°E区域.

3）8月，1、2、3、4区最多降水都来自西太副高脊线25°～30°N、脊点85°～90°E区域. 其中，1区降水11.7 mm，占该区夏季降水量的3.8%，8月降水量的12.0%；2区降水10.4 mm，占该区夏季降水量的3.2%，8月降水量的9.6%；3区降水17.2 mm，占该区夏季降水量的4.3%，8月降水量的13.8%；4区降水13.3 mm，占该区夏季降水量的3.6%，8月降水量的11.0%. 5区最多降水（13.2 mm，占该区夏季降水量的3.9%，8月降水量的11.9%）来自西太副高脊线30°～35°N、脊点85°～90°E区域.

分析1982—2016年夏季西太副高脊点在不同位置时的黑龙江各分区降水量和降水强度：

1）6月，西太副高脊线在30°～35°N、脊点在130°～135°E区域时，1区平均降水强度最大（24.7 mm/d）；西太副高脊线在15°～20°N、脊点在150°～155°E区域时，2区降水强度最大（33.7 mm/d）；西太副高脊线在10°～15°N、脊点在140°～145°E 区域时，3 区降水强度最大（14.2 mm/d）；西太副高脊线在15°～20°N、脊点在150°～155°E区域时，4区降水强度最大（19.6 mm/d）；西太副高脊线在15°～20°N、脊点在160°～165°E区域时，5区降水强度最大（11.8 mm/d）.

2）7月，西太副高脊线在35°～40°N、脊点在150°～155°E区域时，1区平均降水强度最大（36.1 mm/d）；西太副高脊线在35°～40°N、脊点在85°～90°E区域时，2区降水强度最大（21.1 mm/d）；西太副高脊线在15°～20°N、脊点在165°～170°E区域时，3区降水强度最大（30.7 mm/d）；西太副高脊线在25°～30°N、脊点在160°～165°E区域时，4区降水强度最大（31.2 mm/d）；西太副高脊线在35°～40°N、脊点在150°～155°E区域时，5区降水强度最大（58.2 mm/d）.

3）8月，西太副高脊线在40°～45°N、脊点在135°～140°E区域时1区平均降水强度最大（22.3 mm/d）；西太副高脊线在30°～35°N、脊点在165°～170°E区域时，2区降水强度最大（20.7 mm/d）；西太副高脊线在15°～20°N、脊点在95°～100°E区域时，3区降水强度最大（46.6 mm/d）；西太副高脊线在30°～35°N、脊点在145°～150°E 区域时，4区降水强度最大（29.0 mm/d）；西太副高脊线在30°～35°N、脊点在165°～170°E区域时5区降水强度最大（52.9 mm/d）.