黑龙江省雨季开始异常气候特征及信号分析

2021-12-08李永生赵佳莹

黑龙江气象 2021年3期

李永生，赵佳莹，班晋

（黑龙江省气候中心，黑龙江哈尔滨150030）

1 引言

黑龙江省位于东北地区的北部，属于温带湿润、半湿润大陆性季风气候，该气候决定了黑龙江只适合种植一年一熟的农作物，夏季是黑龙江农作物的主要生长季，夏季降水对黑龙江农作物具有重要影响。受东亚夏季风影响，每年7-8月季风雨带北移到华北、东北地区，形成了华北、东北雨季[1]。王学忠等人[2]利用旬降水量对东北的主要降水时段进行了雨季划分，东北雨季于7月中上旬开始，8月中上旬结束，夏季降水集中期主要集中在7月中旬-8月上旬。沈柏竹等[3]分析得到影响东北地区初夏降水的系统主要是东北冷涡，影响东北地区盛夏降水的系统主要是东亚夏季风。王遵娅等[4]在划分中国雨季的研究中也提出了华北、东北雨季的平均日期是在39-45候，并且是单峰型降水。由于中国国土面积较大，且气候复杂多变，所以各地区的雨季也有着不同的日期。近些年，关于雨季的研究也从定性化逐步转向了定量化，用到的降水量也从月、旬转到了候、日。目前，我国对于东北雨季的研究还相对有限，很少有一个统一、定量、客观的雨季指标对东北雨季进行系统研究，中国气象局预报与网络司根据国家级和省级天气气候业务及服务需求，制定了《东北雨季监测业务规定》，采取地理行政分区与气候分区相结合的方式对东北雨季监测区进行了划分，对东北雨季监测、预测研究具有十分重要意义。

东北雨季是东亚夏季风北上过程中的最末阶段，之后东亚夏季风南撤。而黑龙江省位于东北的最北端，是东亚夏季风的北边缘地带，除了受东亚夏季风影响，还受中高纬的环流系统影响，这就使得其气候复杂。目前，已有很多学者对东北地区夏季降水异常的成因及其大气环流背景以及外强迫因子进行了分析，例如邹立尧等[5]指出黑龙江省旱涝趋势比较复杂，具有地域特点，并用数值模式对旱涝的形成机理进行了模拟；何金海等[6]指出前期2月北半球环状模（NAM）偏弱，为东北冷涡偏弱年，造成降水偏少。由上可见，虽然针对东北夏季降水已有了不少研究，目前关于东北雨季的气候特征研究相对较少，对黑龙江省雨季的研究更是少之又少，以往对黑龙江省降水的研究主要集中在夏季，研究焦点聚集在黑龙江省夏季降水的年际、年代际变化以其对应的环流系统，还有海温等外强迫信号对黑龙江省夏季降水的影响[7-8]。由于黑龙江省夏季降水主要集中在雨季，而黑龙江省雨季开始早晚年际差异较大，黑龙江省雨季开始的早晚一方面是防汛的关键期，另一方面对农业影响至关重要[9]。因此分析黑龙江省雨季的早晚及其影响因子，可为雨季开始日期的预测提供科学依据，对防灾、减灾具有重要意义。

2 资料与方法

黑龙江省雨季是按照中国气象局预报与网络司2016年发布的《东北雨季监测业务规定（试行）》中的监测指标确定的，监测区域包括黑龙江省62个气象站，黑龙江省雨季监测所需基本气象资料：监测区域内62个气象站的逐日（前日20时至当日20时）降水量资料。单站雨季开始日定义为：自6月1日起，当单站某日5天滑动累计降水量大于等于该站6-9月（气候态1981-2010年）平均日降水量的8倍，且这5日中至少有一天日降水量≥10 mm，则首个≥10 mm的日期即为该站雨季开始日。气候态为1981-2010年的平均，“5天滑动累计降水量”指当日与前四日的累计降水量。黑龙江省雨季开始日：雨季已经开始的累计站点比例达到或超过该区域总站点的55%时，则将该日定为黑龙江省的雨季开始日；在雨季监测时段内，降水稀少、降水时段不集中，以致无法确定雨季的起止日期，称之为空汛。空汛年是指降水量值不能达到该区域监测指标的要求。关于黑龙江省雨季结束日期、雨强、雨量等其他业务规范请参考中国气象局预报与网络司2016年发布的《东北雨季监测业务规定（试行）》。

所用其它资料包括：美国国家环境预报中心/大气研究中心（NCEP/NCAR）发布的逐日和逐月的再分析资料，包括高度场、风场等，水平空间分辨率为2.5°×2.5°，垂直方向从1000-10 hPa共17层等压面；美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的月平均海表温度重建资料，水平空间分辨率为2°×2°，中国气象局国家气候中心（NCC）提供的大气环流指数，时段均为1961年1月至2018年12月。

3 结果分析

3.1 黑龙江省雨季开始早晚气候特征

图1给出了1961-2018年黑龙江省雨季开始日期的距平变化及线性趋势变化，可以看出，黑龙江省雨季开始日期存在明显的年代际变化和年际变化，1961-2018年黑龙江省雨季开始日期主要集中在6、7月，其中6月开始的有26 a，7月开始的有28 a，8月开始的有3 a，1976年是空汛，雨季开始最早日期为6月1日，最晚为8月28日，最早和最晚相差88 d。1961-2018年黑龙江省雨季开始平均日期是7月3日，标准差为19 d。从其变化趋势上看，趋势系数为-1.8 d/10 a，黑龙江省雨季开始日期整体呈偏早趋势，通过了0.05的显著性检验，雨季开始日期偏早趋势显著。

图1 1961-2018年黑龙江省雨季开始日期距平序列图，直线表示线性趋势

此外，采用Mann-kendall法对黑龙江省1961-2018年雨季开始日期序列进行突变性检验，并结合滑动t检验来分析突变情况，结果表明（图略），MK统计量UF曲线一度超过了α=0.05显著性水平线，正序列线（UF）在1964-1974年雨季开始日期序列以上升趋势为主，之后变为下降趋势，1981年以后总体表现为下降趋势，并在1981年前后UF和UB曲线在两信度线之间多次相交，表明在这段时期雨季开始日期发生了突变，再根据滑动T检验（图2），表明在1981年发生了突变。从变化来看，在20世纪80年代和90年代雨季日期以偏早为主，进入21世纪以后雨季日期以偏晚为主，这和图1的分析结果是一致的。

图2 黑龙江省雨季开始日期的滑动t统计量曲线

3.2 影响黑龙江省雨季开始早晚的环流系统

分析影响黑龙江省雨季开始早晚的环流系统，采用约1.1倍的标准差，即雨季开始偏早22 d和偏晚22 d以上的标准划分黑龙江省雨季开始异常的年份，得到雨季偏晚年有7 a（1968年、1978年、1982年、2001年、2005年、2007年、2015年），雨季偏早年有10 a（1974年、1977年、1990年、1992年、1997年、1998年、2002年、2009年、2012年、2016年）。将这17个异常年进行合成分析，得到影响黑龙江省雨季异常的环流系统。

首先分析500 hPa高度场相关分布，图3是黑龙江省雨季开始时间与6月高度场相关分布，其中在中国东北地区上空是正相关，鄂霍次克海地区上空及其邻近地区是负相关，北太平洋中部地区是正相关，均通过了0.05以上的显著性检验，在副热带地区没有明显的相关关系，表明黑龙江省雨季开始早晚与东北冷涡和鄂霍次克海阻塞高压有一定的关系，当东北冷涡偏强，鄂霍次克海阻塞高压偏强的时候，黑龙江省雨季开始日期偏早，反之，黑龙江省雨季开始日期偏晚。对比了500 hPa高度场（125°E-135°E平均）黑龙江省雨季开始偏早年和偏晚年的时间－纬度剖面图（图略），在雨季开始偏早年的6月份，大多数时间黑龙江省上空500 hPa地区是负距平控制，说明东北冷涡活跃；而在雨季开始偏晚年，东北冷涡不活跃。对比了黑龙江省雨季开始偏早、晚异常年850 hPa经向风场的时间—纬度剖面图（图略），雨季偏早年，6月黑龙江省（42°N-54°N）多为南风距平，说明南风偏强，有利于水汽向黑龙江地区输送，有利于黑龙江省雨季开始偏早。偏晚年则正好相反，6月大多时间呈北风距平，表明北风偏强，不利于南方水汽向黑龙江地区输送，导致黑龙江省雨季开始日期偏晚。

图3 1961-2018年黑龙江省雨季开始时间与6月500 hPa高度场和850 hPa风场相关分

由此可以看出，影响黑龙江省雨季开始时间早晚的环流系统只有中高纬环流，副热带地区的环流并没有起到关键的作用，并且在东北冷涡的演变过程中，西太平洋副热带高压并未明显北抬，说明初夏副热带环流系统对东北冷涡形成发展的直接影响很小。这与传统的季风雨季的日期和影响系统有较大区别，传统雨季开始早晚是东亚大气环流系统从南向北推进快慢的结果，中国东部主要是季风雨季，自南向北推进，华北、东北雨季开始于39-45候。雨季开始日期不同的主要原因在于雨季的划分方法的不同。

由上述可知：东北冷涡对黑龙江省雨季开始早晚影响显著，如果能准确预测出东北冷涡的发生时间，相对应的也就能预测出雨季开始的日期。东北冷涡是北半球中高纬度西风带环流形势在东北地区特定条件下的产物，是东亚地区大气环流的重要组成部分。基于对东北冷涡天气学特征和气候背景的研究结果，对东北冷涡的定义方式和识别方法也有多种[10]。通过前人的分析得出，850 hPa风场能够描述初夏东北冷涡演变过程的气候特征，清楚地反映了东北冷涡形成、发展、减弱和消亡的气候特征，整个过程历时约1周。黑龙江省位于东北的最北端，只有东北冷涡中的北涡或部分中涡影响到黑龙江省，通过分析发现，当北部冷涡偏多时，黑龙江省雨季开始日期容易偏早，而当北部冷涡偏少时，雨季开始日期容易偏晚。丁婷等[11]研究也指出，6月份东北地区气候异常主要受东北冷涡和鄂霍茨克海阻塞高压的影响，当6月东北冷涡活动偏多，鄂霍次克海阻塞高压建立时，东北地区降水容易偏多。本研究发现：黑龙江省6月降水与黑龙江省雨季开始日期呈显著负相关关系，相关指数达到了-0.58，通过了0.01的显著性检验，当雨季日期开始偏早时，黑龙江省6月降水易偏多。

3.3 影响黑龙江省雨季开始早晚的海温外强迫信号

由于目前的气候预测模式对欧亚中高纬度地区的环流预测和降水预测技巧较低，因此中高纬地区夏季降水的预测还需要考虑前期SST等外强迫的影响。以往研究表明,太平洋、印度洋和大西洋等不同区域SST异常对东北地区夏季降水异常均有较好的预示作用。

分析1961-2018年黑龙江省雨季开始日期与上一年冬季、当年春季以及6-7月的海表温度的相关分布，发现在3月和4月的海表温度相关场上，赤道中东太平洋是负相关区，而赤道西太平洋地区是正的相关区（见图4）。表明当春季是El Nino状态时，有利于黑龙江省雨季开始日期偏早；当春季是La Nina状态时，有利于黑龙江省雨季开始日期偏晚。

图4 1961-2018年黑龙江省雨季开始日期与春季（3-4月）海表温度的相关分布（a）3月，（b）4月

但同时也发现，这种相关并不是很明显，只是冷暖状态影响黑龙江省雨季开始早晚，而且随着对El Nino的深入研究，不同类型El Nino事件不同阶段对大气的影响不同，对中国降水的影响也存在较大差异，且厄尔尼诺产生的影响也不同。表1将1961-2018年的El Nino事件列举出，分析El Nino当年和次年的黑龙江省雨季开始日期的早晚。通过分析发现，在发生的17个El Nino事件开始年中，有10 a雨季开始日期偏早，特别是从20世纪80年代开始，雨季开始日期偏早的概率较大，17个El Nino事件结束年中，有10 a雨季开始偏晚，但规律不明显。又统计了1961年以来发生的13次La Nina事件（表略），发现在La Nina开始年，有10 a黑龙江省雨季开始日期偏早，La Nina结束年，有7 a黑龙江省雨季开始偏晚，1 a空汛，规律不明显。