1961-ENSO事件下盛夏降水異常大尺度環(huán)流成因分析

1961-ENSO事件下黑龍江省盛夏降水異常大尺度環(huán)流成因分析

石紅艷，潘華盛，楊寧，孫琪（1.雙鴨山市氣象局，黑龍江雙鴨山155100；2.黑龍江省氣象臺，黑龍江哈爾濱150030；3.黑龍江省氣象服務(wù)中心，黑龍江哈爾濱150036）引言黑龍江省位于中國東北部是中國位置最北的省份（121°E～135°E，43.5°N～53.5°N），西北、北部有大、小興安嶺，東南部有完達山，西南及東北部有松嫩平原和三江平原，松花江貫穿兩大平原。黑龍江省是我國糧食產(chǎn)量和商品糧輸出第一大省，年平均降水量525mm，其中盛夏降水量占全年降水量49%，占夏季降水量75%。1998年松花江-嫩江流域發(fā)生超百年一遇嚴重洪澇、2007年發(fā)生建國以來最嚴重的少水干旱，給國民經(jīng)濟造成嚴重損失，兩次災(zāi)害均發(fā)生在ENSO事件背景下。研究降水異常成因?qū)μ岣哳A(yù)測水平，應(yīng)對極端事件發(fā)生，做好應(yīng)急保障工作具有重要意義。黑龍江省具有特殊的寒溫帶氣候特點，既有東北地區(qū)降水一致的特點又有差異性［1-2］。1980年RASMUSSON等［3］提出了ENSO循環(huán)的季節(jié)“鎖相”特征，李春暉等［4］根據(jù)ElNi?o事件的爆發(fā)時間將ElNi?o分為2種類型：一類是4～6月爆發(fā)為春季型；另一類7～10月爆發(fā)為夏季型。影響東北夏季降水主要是春季爆發(fā)型，當年夏季（5～10月）全國降水為南少北多（黑龍江南部和吉林遼寧大部多水），次年降水呈相反形式。劉楚薇等［5］指出在QBO西風位相下ElNi?o和LaNi?a發(fā)展年，東北地區(qū)大部降水偏少；ElNi?o衰減年東北夏季降水偏多。賈小龍等［6］分析了東北區(qū)（7～8月）降水異常的大氣環(huán)流特征，多（少）水年，500hPa中高緯西風帶經(jīng)向加強（減弱），高度場呈“+-+（-+-）”波列分布。沈柏竹，胡泊等［7-8］分析5～6月和7～8月（盛夏）具有明顯差異性；初夏降水異常以冷渦活動影響為主，盛夏則以東亞夏季風影響為主，西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱西太副高）西伸北進影響東北地區(qū)盛夏降水偏多。李輯等［9-10］指出2010年盛夏遼寧降水嚴重偏多西太副高西伸北進環(huán)流特征。周秀杰、張健等［11-12］對黑龍江省汛期降水進行了分型。于梅［13］指出3～5月10°S以北的太平洋SST場EOF展開前3個模態(tài)時間系數(shù)與黑龍江省夏季降水關(guān)系密切。上述研究指出，影響東北區(qū)降水偏多環(huán)流特征主要是夏季（盛夏）850hPa南風偏強，西太副高西伸北進；反之降水偏少。ENSO與北太平洋SST對夏季降水異常研究著重春、夏季。文中主要將盛夏（7～8月）降水作為研究對象，側(cè)重研究影響盛夏降水異常500hPa環(huán)流為“亞洲環(huán)流/Ⅰ”即“ACI”型與盛夏ENSOSST遙相關(guān)影響下環(huán)流相互作用的關(guān)系，而涉及西太副高較少，并揭示ENSO事件下大尺度環(huán)流高、低空急流與流場分布的不同配置關(guān)系對降水異常影響。上述研究特點前人尚未提及。1資料和方法高度場、風場均選用NCEP/NCAR再分析資料包括1961-2020年7～8月1000～100hPa逐層位勢高度場及緯向風850hPa風場；采用2.5°×2.5°水平經(jīng)緯網(wǎng)格計算；國家氣候中心提供的逐月西太副高指數(shù)以及赤道中東太平洋5°S～5°N，170°W～150°W區(qū)域內(nèi)海表溫度距平，即Ni?o3.4SST指數(shù)、ENSO歷史事件資料；黑龍江省氣候中心提供1961-2020年黑龍江省盛夏62站7～8月62d降水量。位勢高度場、Ni?o3.4SST場網(wǎng)格資料采用（7、8月）平均；降水量和位勢高度的均值采用1981-2010年30年均值計算；盛夏降水量等級劃分（表1）。表1盛夏降水距平百分率等級標準Table1Mid-summerprecipitationanomalypercentagegradestandard%1.1采用相關(guān)系數(shù)（以下簡稱相關(guān)）［14］計算式中：xi，yi表示2個樣本變量監(jiān)測值表示2個樣本變量均值；r為2個變量序列相關(guān)系數(shù)；n為樣本長度n=60年。1.2整層垂直速度計算垂直速度計算方法［15］其公式：式中：ωp0和ωp為等壓面上p0和p上的垂直速度為水平散度，假定D隨p的變化是線性的，中間層分別是等壓面上p0和p上的散度，即可從低層逐層向高層計算各層的ωp。垂直速度訂正：頂層訂正，在計算逐層ωp時，當出現(xiàn)D=0層時ω值最大，隨高度升高ω值應(yīng)逐漸減小；達到對流層頂時ωp應(yīng)趨于零ωp=0。但有時ω值隨高度升高而增加，這樣須做適當訂正。文中采用線性訂正公式計算（略）。地面層訂正，采用地形坡度水平氣流爬坡引起上升速度公式（略）。由邊界層摩擦輻合造成的ω公式（略）。地面ω隨高度衰減很快，可用奇次ω方程和地面邊界條件求得（見文獻［15］），不再贅述。1.3流場方法流線法，流線各點切線方向與風向一致。風速大流線較密，反之較稀疏。為更確切的表示風速大小，在流線場添加等風速線，使流場分析更清楚［15］。1.4定義亞洲環(huán)流/I型亞洲環(huán)流/I型（AsianCirculation/IPattern）簡稱“ACI”環(huán)流型。500hPaACI環(huán)流指數(shù)表達式：式中：ACI為500hPa高度距平（單位：gpm）；（Zyh）'為中亞區(qū)（100°～115°E，65～75°N）平均高度距平；（Fg）'為西太副高區(qū)（130°～140°E，25°～40°N）平均高度距平；（Dyd）'為東亞槽區(qū)（110°～130°E，40°～50°N）高度距平；ACI指數(shù)為正（負）值表示高度距平場經(jīng)向為“+（-）、-（+）、+（-）”波列形勢。1.5其它方法多（少）水年高度場、風場、高低空急流等物理量場，采用合成分析方法，反映差異的顯著性。2春季與盛夏ENSO事件對500hPa高度場及降水影響2.1春季ENSO事件對盛夏高度場及降水影響春季Ni?o3.4指數(shù)與盛夏500hPa高度場相關(guān)分布（圖1），亞洲中高緯地區(qū)“+、-”相關(guān)區(qū)較明顯，中亞中心區(qū)域與降水正相關(guān)0.4，通過0.01水平的顯著性檢驗。負相關(guān)位于我國東北區(qū)及以東日本海區(qū)相關(guān)0.1～-0.1之間；春季Ni?o3.4SST變化對盛夏西太副高影響較大，與副高面積、強度、西伸脊點均通過0.01水平的顯著性檢驗。春季Ni?o3.4指數(shù)與當年盛夏降水相關(guān)0.14，未通過檢驗。近60年春季發(fā)生6次ElNi?o事件（1965、1972、1982、1991、1997、2002），當年盛夏與次年盛夏降水正?；蚱喔怕?2%，是值得重視的預(yù)測信號。2.2盛夏ENSO事件對同期高度場及降水影響1961-2020年盛夏Ni?o3.4指數(shù)與同期500hPa高度場相關(guān)分布（圖2），最大的負相關(guān)通過0.02水平的顯著性檢驗，主要位于130°～180°E，40°～50°N區(qū)域。表明Ni?o3.4區(qū)SST為暖位相時，易引起我國東北區(qū)東部至西北太平洋海域高度場降低，有利于東亞槽加強。西太副高中心區(qū)位于140°～160°E，20°～30°N正相關(guān)區(qū)域，通過0.10水平的顯著性檢驗；盛夏較春季Ni?o3.4SST對中亞區(qū)高度場影響由正距平轉(zhuǎn)為負距平場。正距平東移至貝加爾湖以北為正相關(guān)0.1控制區(qū)域。表明盛夏Ni?o3.4SST為暖位相時，東亞區(qū)500hPa高度場易引起“高、低、高”遙相關(guān)經(jīng)向波列形式。盛夏Ni?o3.4指數(shù)與同期降水相關(guān)0.19，接近0.10水平的顯著性檢驗，較春季Ni?o3.4與盛夏降水關(guān)系增強（圖3）；春、夏季發(fā)生ElNi?o事件11年，其中8年降水正常偏多概率73%，次年達82%概率。LaNi?a事件發(fā)生于春、夏季共9年，當年與降水偏少概率僅56%，但次年盛夏降水偏少概率達89%。圖21961-2020年盛夏Ni?o3.4指數(shù)與同期500hPa高度場相關(guān)系數(shù)分布Fig.2Distributionofcorrelationcoefficientbetweenthemid-summerNi?o3.4indexandmid-summerthe500hPaheightfieldsfortheyear1961-2020圖31961-2020年盛夏Ni?o3.4指數(shù)與同期降水距平百分率變化關(guān)系Fig.3Relationshipbetweenthemid-summerNi?o3.4indexandmid-summerprecipitationanomalypercentagein1961-20203盛夏大氣環(huán)流變化對降水影響3.1盛夏降水與同期500hPa高度場相關(guān)分析降水與500hPa高度場相關(guān)分布（圖4（a）），降水偏多東亞區(qū)呈“+、-、+”遙相關(guān)波列分布。位于正、負相關(guān)中心通過0.10、0.01水平的顯著性檢驗，有助于中亞區(qū)高壓和東亞區(qū)低槽發(fā)展。且負相關(guān)區(qū)較盛夏Ni?o3.4SST影響下負相關(guān)區(qū)明顯西移約50個經(jīng)度；降水偏多與文獻［6］汛期（7～8月）東北區(qū)降水偏多850hPa環(huán)流波列形式較一致，但黑龍江省多水波列位置明顯偏西偏南。表明無ENSO熱源環(huán)境下，西風帶影響系統(tǒng)較熱源影響下系統(tǒng)要偏西一些，而較影響東北區(qū)降水的西風系統(tǒng)更偏西。3.2大氣環(huán)流ACI型對降水影響為表征東亞區(qū)“高、低、高”環(huán)流系統(tǒng)之間配置關(guān)系A(chǔ)CI型對降水影響，計算ACI指數(shù)與降水相關(guān)0.40，通過0.01水平的顯著性檢驗。降水距平百分率≥20%或≤-20%與ACI指數(shù)同號率74%，表明ACI型環(huán)流盛行對降水異常有很大影響（見圖4（b））。其中降水最多2019年偏多62%，ACI指數(shù)41.7；1998年大水年ACI指數(shù)36.2；最少年2007年降水偏少42%，ACI指數(shù)-20.0。圖41961-2020年盛夏降水與500hPa高度場相關(guān)系數(shù)分布及距平百分率與同期ACI指數(shù)關(guān)系Fig.4Distributionofcorrelationcoefficientbetweenthemid-summerprecipitationand500hPaheightfieldandrelationbetweentheanomalypercentageandmid-summerACIindexin1961-20203.3Ni?o3.4SST與西風環(huán)流對盛夏降水影響關(guān)系為揭示熱源、西風環(huán)流及其它因子對降水影響貢獻關(guān)系（圖3、圖4（b）），采用距平符號比較法規(guī)定如下：（1）將ACI環(huán)流指數(shù)設(shè)為因子A，Ni?o3.4指數(shù)設(shè)為因子B，降水距平分為正負兩檔進行統(tǒng)計；（2）考慮因子與降水正相關(guān)關(guān)系，因子A與B與降水距平符號相同年進行單因子累計；（3）如果兩個因子與降水同號，記AB一次，與降水反號記其它因子C，影響結(jié)果（表2）。西風帶系統(tǒng)A與Ni?o3.4SST因子B對降水共同影響貢獻率占總年份37%，是主要因素，西風系統(tǒng)影響次之，最后是Ni?o3.4SST對降水影響，其它因子影響小。表21961-2020年各因子對降水影響貢獻關(guān)系Table2Contributionrelationshipoftheeachfactortoprecipitationin1961-20204ENSO暖、冷事件下多、少水年環(huán)流場、差值及降水響應(yīng)4.1ENSO暖事件下多水年環(huán)流形勢ElNi?o與西風系統(tǒng)共同影響多水年1963、1969、1987、1991、2003年500hPa環(huán)流與距平合成（圖5（a）），東亞區(qū)盛行北脊南槽型，110°～130°E，45°～55°N東亞槽區(qū)，北部100°～170°E，65°～75°N中亞高壓與鄂海高壓結(jié)合為強大高壓區(qū)，西太副高脊線27°N偏南，脊點略偏西。距平場呈“+、-、+”形式與圖4（a）相關(guān)場分布較一致。ACI指數(shù)平均40.5，平均降水量比歷年偏多28.2%。4.2ENSO冷事件下少水年環(huán)流形勢LaNi?a與西風系統(tǒng)共同影響少水年1970、1975、2000、2007、2011年500hPa環(huán)流和距平合成（圖5（b）），東亞區(qū)呈“低、高、低”環(huán)流形勢，中亞地區(qū)為明顯低槽，我國東北及西北太平洋為大陸高壓與鄂海高壓控制，西太副高較弱，距平場呈“-、+、-”波列形式，ACI平均指數(shù)-14.0，降水量較歷年偏少20.0%。4.3盛夏多、少水年高空環(huán)流差異兩個主要關(guān)鍵區(qū)（圖5（c）），一是位于東亞低槽區(qū)的蒙古國、我國東北及西北太平洋地區(qū)差值20～30dagpm；二是中亞高壓區(qū)的泰米爾高度差值-40～-50dagpm，均通過0.01水平的顯著性檢驗，ACI指數(shù)為明顯正（負）關(guān)系。圖5500hPa高度場及距平合成與差值檢驗（單位：dagpm）Fig.5Compositeof500hPaheightfieldanditsanomalyanddifferencetest（Unit：dagpm）4.4ENSO暖（冷）事件下降水異常響應(yīng)多水年黑龍江省62站降水距平百分率分布（圖略），除漠河降水正常外，其它站降水偏多，其中44站降水距平百分率≥21%，占總站數(shù)71%。主要分布黑河市及松嫩平原包括齊齊哈爾、綏化、大慶轄區(qū)、哈爾濱市及所轄巴彥、木蘭等，中心位于松嫩平原北部的拜泉偏多71%；少水年（圖略）≤-20%共44站，占總站72%，主要分布在北部和東部地區(qū)包括黑河北部、伊春中部、佳木斯、鶴崗、雞西、雙鴨山和牡丹江轄區(qū)，中心三江平原北部的集賢偏少49%。5多、少水年物理量場分析5.1200hPa高空急流的影響多水年200hPa緯向風速分布（見圖6（a）），連接新疆西部，東至日本中部風速24m·s-1包圍一條風速急流軸在42°N，較東北區(qū)多水年急流偏南［9］。最大急流中心區(qū)域32m·s-1，所圍橢圓形區(qū)域稱急流核。急流軸入口及核北側(cè)風速增加，且具有氣旋性切變氣流輻合，低層氣壓升高，中亞高壓加強。在急流核下游急流軸左側(cè)出口處，包括蒙古、我國東北和西北太平洋，氣塊運動不斷減速，風速具有反氣旋性切變低層氣壓降低，東亞低槽發(fā)展，黑龍江省處于低槽中心，有利強降水發(fā)展。與此相反，在急流核下游急流軸右側(cè)出口處，氣流輻合下沉，低層氣壓升高，此區(qū)位于西太副高區(qū)。圖6多水年和少水年200hPa緯向風速（細實線）急流軸位置（粗實線）（單位：m·s-1）Fig.6200hPazonalwind（thinsolidline）inmorewaterandlesswaterandthepositionofaxisofjetstream（thethickline）（Unit：m·s-1）少水年位于多水年急流區(qū)消失，見圖6（b），少水年中心最大風速28m·s-1比多水年明顯減弱，下游北側(cè)位于東北區(qū)北部風速較小、梯度稀疏，呈反氣旋性切變，上升氣流不明顯低層氣壓升高，長時間受西南風或高壓控制，降水偏少。5.2850hPa低空急流的影響多水年低空850hPa風場分布（見圖7（a）），最大急流有2支，一支急流源自索馬里急流經(jīng)孟加拉灣、泰國及越南在我國南海海域與西太副高東風氣流匯合后，轉(zhuǎn)向東北經(jīng)朝鮮半島南部和另一支日本海低空西風急流匯合，轉(zhuǎn)向東北經(jīng)日本海的西南氣流進入低渦系統(tǒng)，產(chǎn)生不穩(wěn)定層結(jié)和強的上升運動，觸發(fā)暴雨產(chǎn)生。少水年風場分布圖（見圖7（b）），少水年日本海西風急流較多水年（36°N，130°E）緯度偏北6°，經(jīng)度偏東20°。表明少水年日本海低空急流攜帶大量水汽經(jīng)日本以東的洋面向東輸送，遠離低渦，造成降水偏少。圖7多水年850hPa風場與少水年850hPa風場Fig.7850hPawindfieldinmorewateryearsand850hPawindfieldinlesswateryears5.3850hPa流場分析多水年（見圖8（a）），位于貝加爾湖以北和日本北部鄂霍茨克海及周圍的2個反氣旋式距平環(huán)流和位于蒙古東部，內(nèi)蒙東北及大興安嶺地區(qū)的西南-東北向倒槽型氣旋式距平環(huán)流，中心位于蒙古國中部倒槽開口處。三支南風氣流在我國東南沿海地區(qū)匯集加強北伸進入倒槽。此外還有一支來自新地島極地西北距平氣流經(jīng)蒙古西部轉(zhuǎn)向東北進入槽區(qū)與南來的暖濕氣流交綏，增強擾動造成強降水。表明降水偏多不僅與中高緯度天氣系統(tǒng)有直接關(guān)系，而且與熱帶和副熱帶大氣環(huán)流相互作用有密切聯(lián)系。圖8850hPa流場距平合成（單位：m·s-1）Fig.8Compositeof850hPaflowfieldanomaly（Unit：m·s-1）少水年（見圖8（b））流場與多水年恰好相反，黑龍江西部氣旋性環(huán)流由弱西南風距平擴展至我國東部沿海及以東地區(qū)，即亞洲季風系統(tǒng)影響有很大減弱。新地島西北風距平氣流基本位于55°N以北，冷暖氣流得不到交綏長時間維持少水干旱氣候。多、少水年差值（圖略），亞洲中高緯有反氣旋式距平環(huán)流，蒙古及黑龍江省西部為氣旋式距平環(huán)流，中低緯反氣旋距平氣流較弱，冷暖氣流在黑龍江得不到交綏。5.4多水年垂直速度分布45°～50°N整層垂直速度剖面（圖9），受東北低渦影響120°～140°E黑龍江區(qū)域整層有明顯輻合上升，600hPa高空出現(xiàn)大值-1.5·10-2Pa·s-1～-2·10-2Pa·s-1。垂直速度隨高度逐漸減弱，100hPa對流層上部上升氣流達最小。140°～150°E、110°～120°E區(qū)域處在鄂海高壓與中亞高壓脊區(qū)，出現(xiàn)兩個對稱的整層輻散下沉氣流，250～300hPa高度東側(cè)區(qū)出現(xiàn)輻散下沉速度大值1.5·10-2Pa·s-1，隨高度降低至低層下沉速度基本保持1·10-2Pa·s-1。低層水汽質(zhì)量輻合產(chǎn)生強的上升運動，有利于強對流發(fā)展，為多水提供了動力條件。圖9多水年平均緯向45°-50°N剖面整層垂直速度場（單位：10-2Pa·s-1）Fig.9Thecrossingsectionofmeanzonal45°-50°Nvertic