2018 年7 月黄河流域降水异常特征及其成因分析

刘 静，王春青，靳莉君，张利娜，王 鹏

（黄河水利委员会 水文局，河南 郑州 450004）

黄河是我国的第二大河，其降水资源是流域内水资源的主要来源，对整个流域的工农业生产以及人民生活具有重要的作用［1-2］。 黄河流域大部分地区属于干旱、半干旱地区，降水偏少、变率大［3-4］，且季节性明显，汛期（6—9 月）降水量占全年的70%左右，主汛期（7—8 月）降水量占全年的40%以上，汛期洪涝灾害频繁、季节性干旱缺水，严重影响沿黄地区人民群众的生产和生活。 因此，对黄河流域汛期旱涝情况的研究是一项十分有意义的工作。 环流形势的异常直接导致降水的异常，已有研究表明，黄河流域汛期降水受东亚副热带和中高纬大气环流的共同影响，影响系统主要有南亚高压、东亚高空急流、贝加尔湖附近低槽、西北太平洋副热带高压等，东亚高度场负距平直接造成流域汛期降水偏少，而形势场“西低东高”的配置造成降水偏多［5-11］。 海温是影响大气环流和天气气候的重要外强迫因子，其中赤道东太平洋海温异常的作用尤为重要［7，12］，ENSO 的不同循环阶段，大气环流及降水分布对它的响应是不同的［13］。 郝立生等［14］认为，ENSO 事件的发展阶段，中国江淮流域和长江中下游地区夏季降水偏多，而华北和江南降水偏少。 张善强［7］研究指出赤道东太平洋指数与黄河流域夏季降水成负相关关系。 除赤道东太平洋以外，热带西太平洋、北太平洋、印度洋等海域的海温异常亦对中国气候有重要影响［15-17］。

2018 年汛期黄河流域降水整体偏多，其中7 月偏多尤为明显，平均降水量达140.3 mm，为2000 年以来第二多。 7 月强降水过程频发，使干支流相继涨水。黄河上游先后出现2 次编号洪水，兰托（兰州至托克托）区间多条支流出现建站以来最大流量，黄河最大支流渭河连续发生两次洪水过程，潼关站出现中游入汛以来最大洪水。 本文在分析2018 年7 月黄河流域降水异常的基础上，探讨大气环流和海温异常对降水的可能影响，旨在为黄河流域汛期降水预测提供一定的依据。

1 资料和方法

本文采用的资料有：①中国气象局国家气象信息中心提供的244 站日降水资料，数据时段为1961—2018 年；②NCEP／NCAR 提供的高度场、风场和比湿场的逐月再分析资料，水平分辨率为2.5°×2.5°；③英国气象局Hadley 气候预测和研究中心提供的1961—2018 年逐月海温资料［18］，该资料主要源自英国气象局海温数据库（MDB），缺乏观测的地方用综合海洋-大气资料集（COADS）进行补充，空间范围覆盖全球，空间分辨率为1.0°×1.0°；④NOAA 提供的出射长波辐射（Outgoing Longwave Radiation，OLR）月平均资料，水平分辨率为2.5°×2.5°。 资料的气候态为1981—2010年平均，冬季、春季分别为前一年12 月至当年2 月、3—5 月。 本文使用了相关分析、回归分析等统计方法。

2 2018 年7 月黄河流域降水异常特征

2018 年7 月，黄河流域平均降水量140.3 mm，较常年同期（99.2 mm）偏多41.5%，为1961 年以来第八多、2000 年以来第二多。 从空间分布（见图1（a））上看，多雨区大致呈东北-西南走向，自山陕北部、汾河北部经山陕南部、泾渭洛河上中游至兰州一线东南部，其中累计降水量最大值为呼和浩特站284.6 mm；少雨区位于河源区、兰托区间以及黄河下游，其中累计降水量最小值为长垣站16.1 mm。 从降水量距平百分率空间分布（见图1（b））上看，黄河上中游大部降水偏多、下游偏少，统计各分区情况，兰托区间、山陕北部、山陕南部、泾渭河、汾河偏多50%以上，下游偏少44.9%，其中兰州以上、兰托区间、泾渭河为1961 年以来前三多，山陕北部为第六多，而下游为第四少（见表1）。

图1 2018 年7 月黄河流域降水实况

表1 2018 年7 月黄河流域分区降水量统计

3 2018 年7 月大尺度环流异常分析

大气环流异常是导致降水异常的直接原因［19-20］。下面讨论2018 年7 月对流层高、中、低层大气环流异常对黄河流域降水的影响。

图2（a）给出了200 hPa 位势高度场，红色虚线为气候平均12 520 gpm 和12 560 gpm，阴影和绿色虚线分别为2018 年7 月和气候平均副热带西风急流（风速大于20 m／s）。 可以看出，2018 年7 月南亚高压强度异常偏强，影响范围异常偏广，向东延伸至日本。 此外，副热带西风急流位置较常年偏北，黄河流域大部位于急流南侧的辐散区内。 已有研究表明，副热带西风急流附近存在强烈的水平和垂直风切变，其强度和位置的变化对东亚气候有重要影响［14］，当急流位置异常偏北时，有利于我国降水出现“北多南少”的分布态势［2，21-22］。

500 hPa 高度距平场上，欧亚中高纬度呈现“+-+”的异常分布特征，乌拉尔山及鄂霍次克海以北的高压脊向极地发展，极涡受挤压向南延伸，在中西伯利亚—贝加尔湖—新疆地区形成一狭长的低压槽（见图2（b），红色实线为气候平均5 860 gpm 和5 880 gpm），槽后西北气流引导极地冷空气流入巴尔喀什湖—贝加尔湖一带，造成中纬度不断分裂低槽东移南下，挟带冷空气影响黄河流域。 同时，我国东北、华北、江淮一带为正距平区，西北太平洋副热带高压较常年同期明显偏西偏北，有利于将大洋上的暖湿空气向北输送，并与来自中高纬度的冷空气汇合，造成黄河流域降水异常偏多。

700 hPa 距平风场（见图2（c））上，菲律宾以东西北太平洋洋面上为异常气旋式环流，而我国东北至日本海为异常反气旋式环流，两者之间形成了强大的异常偏东风，经华东沿海一带进入我国上空后，其北部分支沿异常反气旋西侧发生转向，在我国北方上空形成了一致的异常偏南风。 低层风场的这种异常分布有利于将西北太平洋的水汽向黄河流域输送，并在流域上中游大部地区形成异常的水汽通量辐合区（见图2（d）），为降水异常偏多提供了丰沛的水汽条件。

图2 2018 年7 月环流形势场和水汽场

通过对大气环流异常的分析可知，2018 年7 月的环流形势是黄河流域降水异常偏多年的典型环流形势［7-10］，即南亚高压异常加强东伸，东亚副热带西风急流位置异常偏北，巴尔喀什湖至贝加尔湖一带受低压槽控制，西太平洋副高异常偏西偏北，东亚中高纬度环流呈现“西低东高”的配置，中高纬度不断分裂南下的冷空气与副高西北侧的暖湿气流在黄河流域交汇，造成黄河流域降水整体偏多。

4 2018 年7 月黄河流域降水异常与海温的联系

海温通过海气相互作用对大尺度大气环流产生影响，它是降水预测必不可少的一个参考指标［23-25］。2017 年秋季至2018 年春季赤道中东太平洋出现了一次弱拉尼娜事件，其冷中心位于赤道东太平洋［11］，6月赤道中东太平洋大部海温已转为弱的正距平，7 月正距平的范围略有扩大（见图3）。 此外值得关注的是，从春季开始，北太平洋中部海温上升明显，7 月更甚，距平中心达2 ℃。 下面将着重讨论赤道中东太平洋以及北太平洋海温对大气环流以及黄河流域降水的可能影响。

图3 2018 年各时段海温距平场（单位：℃）

4.1 赤道中东太平洋海温影响

在拉尼娜事件结束后，2018 年6 月、7 月赤道中东太平洋海温已转为正距平，但其上空仍存在较弱的异常下沉气流，而热带西北太平洋上空为异常上升气流，即沃克环流加强，仍表现为类拉尼娜状态下的纬向环流异常响应。 这说明前期赤道中东太平洋海温对6月、7 月大气环流有明显的滞后影响。 统计1961—2018 年7 月黄河流域区域平均降水量与前期春季海温的相关场（图略），结果表明，赤道太平洋相关系数大值区位于东太平洋，与2017／2018 年拉尼娜事件的冷中心区相一致，因此采用Nino3 指数讨论赤道太平洋海温与大气环流以及黄河流域降水的关系。

1961—2018 年春季Nino3 指数与同年7 月黄河流域平均降水量的相关系数为-0.15，与黄河流域各站点7 月降水量的相关场（图略）显示，当春季Nino3 区海温偏低时，7 月黄河流域大部地区降水偏多。 根据春季Nino3 指数回归的7 月OLR 场和700 hPa 风场（见图4）显示，当春季Nino3 区海温偏低时，后期7 月菲律宾以东热带西北太平洋上空的对流异常旺盛，并在低层出现一个异常气旋式环流。 2018 年7 月OLR 场、700 hPa 风场同回归场非常相似，说明7 月大气环流场对前期春季Nino3 区海温异常有明显的滞后响应。 当前期春季赤道中东太平洋海温异常偏低时，后期7 月赤道东太平洋上空为异常下沉气流，热带西北太平洋上空为异常上升气流，强盛的对流活动在菲律宾以东激发出一个异常的气旋式环流，使得西太平洋副高异常偏北［26-28］，有利于黄河流域降水偏多。

4.2 北太平洋海温影响

由图3 可知，从2018 年春季开始，中纬度北太平洋海温持续偏高，已有的研究指出，北太平洋中部海温偏高，有利于我国降水出现北多南少的形势［17，29］。 为分析北太平洋海温对大尺度大气环流的影响，定义北纬30°—45°、东经140°—西经140°区域平均的海表温度为北太平洋海温指数，并计算了7 月海温指数与500 hPa 位势高度的相关场（图5（c）），结果显示，欧亚大陆中高纬的相关系数自西向东呈“+-+”分布，北太平洋呈“北+南-”分布，且中心区域均通过α＝0.1显著性检验，表明当7 月中纬度北太平洋海温偏高时，同期500 hPa 高度场上乌拉尔山和鄂霍次克海附近为高压脊控制，巴尔喀什湖至贝加尔湖之间受低压槽控制，同时西太平洋副高异常偏北，这种分布形势与2018 年7 月500 hPa 高度场（图2（b））非常相似。 前期春季以及6 月北太平洋海温指数与7 月500 hPa 高度的相关场（图5（a）、图5（b））同图5（c）基本一致，但欧亚中高纬度上空通过显著性检验的区域明显缩小，说明大气环流对北太平洋海温的同期响应较为显著，而滞后响应相对较弱。 由此可见，中纬度北太平洋海温异常可作为7 月黄河流域降水预测一个重要的参考指标。

图5 1961—2018 年各时段北太平洋海温指数与同年7 月500 hPa 位势高度相关场（阴影表示通过α＝0.1 显著性检验的区域）

5 结 论

利用黄河流域244 个气象站逐日降水资料、NCEP／NCAR 逐月再分析资料、英国气象局Hadley 气候预测和研究中心的月平均海温资料等，首先揭示了2018 年7 月黄河流域降水的异常特征，然后分析了造成该异常的大气环流特征，最后讨论了海温对降水异常的可能影响，主要结论如下。

（1）2018 年7 月，黄河流域平均降水量为140.3 mm，较常年同期偏多41.5%，为1961 年以来第八多、2000 年以来第二多。 就各分区而言，黄河上中游大部降水偏多、下游偏少，其中兰托区间、山陕北部、山陕南部、泾渭河、汾河偏多50%以上。

（2）大气环流异常是造成黄河流域降水异常偏多最直接的原因。 2018 年7 月，南亚高压异常加强东伸，东亚副热带西风急流位置异常偏北，黄河流域大部位于急流南侧的辐散区内；东亚中高纬度环流呈现“西低东高”的形势，巴尔喀什湖至贝加尔湖一带受低压槽控制，西北太平洋副热带高压异常偏西偏北，与东北亚的高压脊同位相叠加，中高纬不断分裂南下的冷空气与副高西北侧的暖湿气流在黄河流域交汇，造成流域降水整体偏多。

（3）大气环流异常在很大程度上受海温异常的影响，2018 年7 月热带和副热带大气环流场对前期春季Nino3 区海温异常有明显的滞后响应。 前期春季Nino3 区海温异常偏低，7 月赤道东太平洋上空为异常下沉气流，热带西北太平洋上空为异常上升气流，即热带太平洋仍表现为类拉尼娜状态下的纬向环流异常响应。 西北太平洋上空强盛的对流活动在菲律宾以东激发出异常的气旋式环流，造成西太平洋副高异常偏北。此外，从春季开始持续偏高的北太平洋海温亦对环流异常有明显的影响，当中纬度北太平洋海温偏高时，亚

洲中高纬度出现“西低东高”的环流形势，且西太平洋副高易偏北，有利于黄河流域降水偏多。