东北地区春季透雨早晚年的环流特征及与前期海温的关系

梁洪海，徐士琦，2，3*，杨雪艳，3，程红军，石大明，房一禾，汪晓宏

（1.吉林省气候中心，吉林 长春 130062；2.东北冷涡研究重点开放实验室，辽宁 沈阳 110016；3.长白山气象与气候变化吉林省重点实验室，吉林 长春 130062；4.沈阳区域气候中心，辽宁 沈阳 110016）

东北地区是全国最大的商品粮食生产基地，粮食产量直接影响到我国的粮食安全和国民经济的发展。过去几十年，气象学者对于东北地区的天气和气候开展了大量研究，但这些研究多数是针对东北地区冬季、夏季的气温和降水[1-4]，而对东北春季降水的研究较少。春季4—5月正值东北地区作物播种和出苗的关键期，自然降水是土壤水分的主要来源，也是作物增产的必要条件，这期间降水的多少及出现时间的早晚决定了土壤墒情[5-7]。春季透雨开始的早晚是决定春季旱涝的关键，它直接影响着春耕生产、苗情长势以及全年农业生产的年景。因此，研究春季透雨早晚对农业生产具有重要的意义。

目前已有很多气象工作者对我国不同地区的春季透雨进行了研究。纳丽等[8]根据宁夏省业务标准，将3月以来首次降水量≥10 mm的降水过程日期定义为首场透雨日期，选用1961—2005年宁夏20个站的降水量，分析春季首场透雨出现日期的气候特征及早晚年的环流背景发现，透雨偏早年前期赤道太平洋海温以暖水位相为主，且3—4月宁夏处在500 hPa高度场正负距平交汇处，冷空气可以源源不断地进入，孟加拉湾洋面上水汽向北输送；透雨偏晚年前期海温维持以冷水位相，受脊前西北气流控制，不利于冷空气出现，从贝加尔湖伴随冷空气带来的向南输送的水汽影响宁夏，不利于明显降水。林纾等[9]将中国甘肃省河东地区分成中部和陇东南2个区域，将3—5月第一次出现日降水量≥10 mm的降水日定义为首场透雨日期，分别讨论了春季首场区域性透雨日期的年际和年代际变化特征。李辑等[10]将单站自4月1日开始，第一次出现连续3 d过程雨量之和≥10 mm的最后一天日期记为该站当年春季首场透雨日期，利用1961—2007年辽宁省14个站点4—5月的逐日降水资料进行研究，指出辽宁省春播期透雨出现时间略有偏晚的趋势；春播期透雨出现时间偏晚（早）年，透雨量偏大（小），春播期总降水量偏少（多）。沈玉敏等[11]指出辽宁省透雨偏早年，500 hPa高度场上欧亚地区呈现两脊一槽型，辽宁大范围被槽区覆盖；偏晚年，500 hPa高度场上欧亚地区呈两槽一脊型，辽宁处于高压脊控制区。徐士琦等[12]研究分析了东北地区春季首场透雨出现日期的时空变化特征及其与透雨量和播种期降水量间的关系，以及对青藏高原地面加热场强度异常的响应和可能机制。

有关透雨的研究多集中于西北地区[8-9，13-15]或东北某一省份[10-11，16-17]，而对东北地区整体大范围春季透雨的研究较少。本文拟在之前工作[12]的基础上选取透雨出现的典型年份，对比分析透雨早、晚年对应的环流场差异，寻找海温对东北春季透雨的前兆影响，为提高东北地区春季透雨的预测准确率提供参考依据。

1 资料和方法

1.1 资料

选用1960—2017年中国气象局提供的东北地区（39°～55°N，118°～135°E）109个站点4—5月逐日降水资料，研究范围包括黑龙江、吉林、辽宁及内蒙古东部、河北东部的部分地区，站点分布见图1。同时选用美国气象环境预报中心/国家大气研究中心提供的NCEP/NCAR-I月平均再分析资料（包括位势高度场、风场等资料），垂直方向17层，水平分辨率为2.5°×2.5°，和美国国家海洋和大气管理局NOAA重构的月平均海温资料，全球180×89个格点，水平分辨率为2°×2°。

图1 东北地区109个站点地理分布

1.2 方法

将单站自4月1日起，日降水量首次≥10 mm的日期记为该站当年春季透雨开始日期，并记录透雨开始日期与4月1日之间的日数差，如4月15日记为15，5月21日记为51。若透雨晚于6月1日出现，视为该年春季无透雨。从历年所有站点透雨开始日期平均值的统计结果（图2）看，1960—2017年东北春季透雨开始时间为5月6日，最早为4月16日（2002年），最晚为5月26日（1965年）。

对透雨日期序列进行标准化处理[18]，计算公式为：

式中，Yi为历年透雨日期标准化序列，xi为历年透雨实际开始日期为历年透雨平均开始日期，n为统计年份。以偏离多年平均透雨日期1.0个标准差为准，将＜1.0的年份定义为“透雨偏早年”，＞1.0的年份定义为“透雨偏晚年”（图2）。由此选出10个透雨偏 早 年（1969、1983、1990、1991、2002、2005、2010、2013、2015、2016年）和7个透雨偏晚年（1965、1970、1971、1972、1986、1989、2001年）。其中，透雨偏早年的日期均集中在4月中下旬，而偏晚年的日期均集中在5月中下旬。全文涉及到的统计方法包括合成分析、相关分析等。

图2 东北地区春季透雨日期（曲线）及标准化后（柱状）的时间序列

2 透雨典型年对应的4月环流特征

大气环流为降水提供重要的背景场，降水异常往往是环流异常的结果。对比透雨典型偏早和偏晚年4月不同高度层的环流场差异，分析有利或不利于透雨出现的环流背景。

透雨偏早年4月，200 hPa风场（图3a）上显著的闭合环流主要出现在中高纬度地区，自北向南依次为乌拉尔山以南的反气旋环流和贝加尔湖地区的气旋环流，日本海附近为异常的反气旋环流，东北地区处于气旋环流的东南侧和反气旋环流的西北侧，以西南风为主。15°～30°N的东亚中低纬为偏西风，表明4月高层西风急流偏强有利于透雨偏早。500 hPa位势高度场（图3c）上，欧亚大陆的乌拉尔山地区、巴尔喀什湖与贝加尔湖之间区域、渤海湾到日本列岛区域，自西向东沿纬向呈“+-+”的波列结构；东亚地区维持西低东高、北高南低的形势，东亚大槽位置偏西，我国东北和华北由负距平高度场控制，极地高纬度地区为显著的正距平，乌拉尔山高压脊有利于引导极地和贝加尔湖冷空气南移，而鄂霍次克海地区高压的存在又阻挡了冷空气的侵入，使得冷空气在我国北方堆积。850 hPa风场（图3e）与中高层环流场的对应较好，东北至华北呈显著的气旋环流，其东部日本海附近为异常反气旋环流，东北地区偏南风距平显著。上述环流形势为降水提供了有利的动力条件。

透雨偏晚年与偏早年环流形势近乎相反。200 hPa风场（图3b）上，15°～30°N的东亚中低纬为偏东风，4月高层西风急流偏弱；500 hPa位势高度场（图3d）上，东亚中高纬度以纬向环流为主，北方大部地区为正距平，中心位于辽宁省附近，俄罗斯远东到鄂霍次克海地区为气旋环流；850 hPa风场（图3f）上，东北和华北地区由中亚高压脊前偏西或西北气流控制。

图3 透雨偏早年（a、c、e）和偏晚年（b、d、f）对应的4月200 hPa矢量风场（a和b，单位：m/s）、500 hPa高度场（c和d，单位：gpm）、850 hPa矢量风场（e和f，单位：m/s）的距平合成

东北地区春季降水的发生同时受到上升气流的影响，为分析垂直环流的异常，图4给出了透雨典型偏早年和偏晚年沿39°～55°N纬向平均的垂直速度（Omega）场。透雨偏早年垂直速度场的异常分布（图4a）显示，4月东北地区上空为垂直运动负异常区，上升气流可达200 hPa以上的高度，这种从低层到高层强烈的垂直上升运动有利于降水的发生；反之，透雨偏晚年4月垂直运动（图4b）的异常分布在东北地区表现为显著的正异常，表明东北全区盛行下沉气流，不利于产生降水。

图4 透雨偏早年（a）和偏晚年（b）的4月纬向平均（39°～55°N）垂直速度合成（Pa/s）

降水产生的必要条件之一就是水汽条件，东北地区春季首场透雨的产生必然受到水汽输送影响。整层大气水汽通量Q的计算公式为：

式中，V为各层大气的风速矢量（m/s），q为各层大气的比湿（g/kg）；Ps、Pt分别为大气柱下界气压（取1 000 hPa）和上界气压（取300 hPa），g是重力加速度（m/s2），P为气压（hPa）。用公式（2）计算透雨早、晚年4月1 000～300 hPa整层大气的经、纬向水汽输送及距平。

透雨出现偏早年4月（图5a），有南北两条水汽输送带（简称“南支”和“北支”）。南支来自北印度洋，途经孟加拉湾向西北方向输送的水汽和来自西太平洋副热带高压西侧经过中国南海向北输送的水汽，在120°E汇合形成较强的水汽辐合带。北支是来自欧洲中高纬经贝加尔湖伴随冷空气带来的向东输送的水汽，形成自西北向东南方向较弱的水汽输送带，影响中高纬地区。透雨出现偏晚年4月（图5b），水汽输送与偏早年不同，我国华南地区出现明显的反气旋环流，阻挡了南支水汽输送。同时，日本海地区的水汽主要向我国华北地区输送，到达东北地区的水汽输送带几乎被切断，在东北地区形成水汽辐散场。水汽条件不足，不利于产生降水。

图5 透雨偏早年（a）和偏晚年（b）的4月1 000～300 hPa水汽通量（箭头，单位：kg·m-1·s-1）和散度（填色，单位：10-5 kg·m-2·s-1）的距平合成

3 海温对春季透雨出现早晚的影响

海水热容量大，大量的气候变化信息可以通过海洋储存起来。海洋与大气又有密不可分的联系，二者时刻进行着热量和水汽的交换。海洋因此成为了气候变化的调节器、缓冲器[19-21]。很多研究发现，前期西太平洋暖池热含量异常会激发东亚—太平洋型遥相关和中纬度高层沿亚洲西风急流东传波列并改变夏季东北冷涡强度，从而造成夏季东北地区降水异常[22]。除同期环流背景外，前期海温异常在东北降水的影响中也常扮演重要角色。

图6为1960—2017年春季首场透雨日期与前期1、2、3月及同期4月海温的相关系数（等值线）及显著性检验结果（阴影区）。从图6中可以看出，全球海温中最显著（相关系数通过0.05的显著性检验）且季节（1—4月相关系数均通过0.05的显著性检验）持续性及空间连续性最好的信号分别位于热带印度洋、赤道太平洋及我国邻近海域。前期（1—3月）关键区海温偏高，有利于东北春季透雨偏早；反之，透雨偏晚。

图6 透雨日期与前期1月（a）、2月（b）、3月（c）、4月（d）海表温度的相关系数分布

4 结论与讨论

利用1960—2017年4—5月东北地区109个站点逐日降水资料，NCEP/NCAR-I月平均再分析资料，以及NOAA重构的月平均海温资料，就东北春季透雨早、晚年对应的环流场差异和与海温的关系进行了分析。结论如下：

（1）典型透雨偏早年的日期集中在4月中下旬，偏晚年则集中在5月中下旬。透雨偏早年4月，对流层中层欧亚大陆呈“两脊一槽”型分布，东北地区上空为负高度距平场覆盖，有利于北方冷空气南下。对流层低层—高层的风场显示东北地区处于显著偏南风控制下，有利于暖湿气流向该地区输送；低层—高层表现为垂直上升运动，辐合动力条件良好。此外，透雨偏早年有两条明显的水汽输送带，为降水的产生提供了有利的水汽条件。透雨偏晚年与上述情况基本相反，我国东北地区在对流层中层由正高度距平场控制，低层—高层表现为垂直下沉运动，偏北风控制，且水汽输送明显减弱。东北地区春季透雨出现的早晚与前期热带印度洋、赤道太平洋和邻近海域的海温有关，前期关键区海温偏暖（冷），有利于透雨出现偏早（晚）。

（2）值得注意的是，对典型透雨偏早年和偏晚年的4月大尺度环流场进行合成，环流场差异显著。但单个透雨早、晚年对应的环流形势并非完全线性相反，如1960年的大气环流条件有利于东北地区降水的发生，但水汽条件不足，导致透雨出现偏晚。事实上，透雨这种天气尺度过程不仅取决于大尺度环流背景，还受各种其他天气尺度因子影响，只有这些条件充分配合，才会导致透雨的发生。

本文仅利用观测资料分析了过去几十年东北地区春季透雨典型年的环流形势及与海温之间的初步关系，下一步还需结合气候模式深入探讨海温影响东北地区透雨早晚的物理机制，加深理解大气波列的传播过程及中高纬度的响应，以期利用数值预报产品和统计方法实现对其客观定量化预测，为提高东北地区春季透雨的预测准确率进一步提供科学依据。