嫩江流域夏季降水气候特征及前兆信号分析

李永生,王　莹（.黑龙江省气候中心，黑龙江哈尔滨50030；.黑龙江省气象服务中心，黑龙江哈尔滨50030）



嫩江流域夏季降水气候特征及前兆信号分析

李永生1,王莹2
（1.黑龙江省气候中心，黑龙江哈尔滨150030；2.黑龙江省气象服务中心，黑龙江哈尔滨150030）

摘要：利用1961—2013年嫩江流域31个气象观测站的逐日降水资料和NCEP再分析资料，结合相关分析、合成分析等数理统计方法，分析了嫩江流域夏季降水气候特征及前兆信号。结果发现，嫩江流域夏季降水存在着准25 a和5-7 a的周期变化；嫩江暴雨频次对其夏季降水有着非常显著的影响；前期的大气环流和海温的异常对嫩江流域夏季降水异常有重要作用，秋末冬初北半球500 hPa环流出现NAO正（负）位相，有利于翌年嫩江流域夏季降水偏多（少）；夏季发展（衰减）的东部型El Nino事件，有利于翌年嫩江流域夏季降水偏多（少）；春季乌拉尔山东部、黑海和里海附近积雪偏多（少）有利于嫩江流域夏季降水偏多（少）。

关键词：嫩江流域;夏季降水;前兆信号

1　引言

嫩江流域位于中国东北地区西部，是全国七大水系之一松花江的北源，发源于大兴安岭支脉伊勒呼里山的南坡，由北向南，长1370 km,流域面积29.7 万km2，流经内蒙古、吉林和黑龙江三省区，其支流有“东二西七”之称,东侧有讷漠尔河、乌裕河；西侧有多布库尔河、甘河、诺敏河、阿伦河、雅鲁河、绰尔河、洮儿河。根据嫩江流域的地形、地貌和河谷特征，全流域分为上、中、下游3段[1]。已有研究表明，影响嫩江流域洪涝的主要气象因素是降水，由于嫩江上游属于山丘区，森林密布，河谷狭窄；中游和下游由丘陵逐渐过渡到平原，由上游河流漫散形成许多“无尾河流”，而且嫩江流域雨季主要集中在夏季，因此，嫩江流域夏季极易出现洪涝灾害[2-3]。1970-1990年的20年间，旱灾和涝灾的发生频率分别达到了33.3%和47.6%[1]。嫩江流域作为东北粮食基地的主产区，该地区夏季灾害性天气占的比重较大，而且大多与降水有着直接（或间接）的关系，给农业生产造成一定的损失，同时也对人们的生产和生活造成不同程度的影响。

本文利用黑龙江省、吉林、内蒙古31个气象站点夏季逐日降水资料、NCEP/NCAR再分析大气环流资料和海温资料分析嫩江流域夏季降水气候特征、寻找其前期大气、海洋信号，以期进一步分析嫩江流域夏季降水多寡的成因，提高夏季降水气候预测准确率，对防灾减灾服务具有一定的实际意义。

2　资料来源

本文气象数据来源于国家气象信息中心，嫩江流域31个气象站（内蒙古9个台站、吉林7个台站、黑龙江15个台站）1961-2013年夏季（6-8月）逐日降水资料，经过前期的EOF计算，本研究发现嫩江流域夏季降水具有全流域一致性的特点，第一空间模态全流域均为一致正值（图略），其解释总方差的比例超过60%，因此本文选取嫩江流域31站夏季平均降水量表征嫩江流域夏季降水。嫩江流域气象站点分布见图1，基本气候态定义为1981-2010年30 a平均值。74项环流特征量来自国家气候中心，其它资料来自美国海洋大气局（NOAA）,文中除积雪资料的时间长度为1979-2013年，其余资料时间长度为1961-2013年。本文主要使用了相关分析法及合成分析法等方法[4]。

图1　嫩江流域站点分布

3　嫩江流域夏季降水气候特征

图2是嫩江流域夏季降水时间变化序列，夏季降水总的趋势略呈下降状态，但是并没有通过0.05的信度检验。在1970年代该地区夏季降水普遍偏少，1981年以后夏季雨量明显增加，超过常年同期平均值，在1995年以后降水呈减少趋势，但1998年降水量达到历史极值，之后到21世纪初降水一直偏少。2003年以后，主要以降水偏多和降水偏少交替出现为主。嫩江流域夏季降水变化的Morlet小波变换（图略）表示了嫩江流域夏季降水变化的多时间尺度特征。半个多世纪嫩江流域夏季降水存在着准25 a的周期变化，1980年以后存在着5-7 a的短周期变化。

图2　嫩江流域1961-2013年夏季降水量时间序列

图3　嫩江流域1961-2013年夏季暴雨频次时间变化

嫩江流域1981-2010年夏季平均降水量空间分布（图略），平均降水均值最小的地区位于嫩江的中游地区，在300 mm以下，最小值位于东岸的甘南，平均降水量低于270 mm，嫩江上游和下游的降水量都超过了300 mm，最大值地区位于嫩江的下游。从暴雨站次统计来看（图3），1998年嫩江流域暴雨站次达到55次，居1961年以来第一位，是平均站次（19次）的3倍，黑龙江省甘南站发生6次暴雨，内蒙古阿荣旗站发生5次暴雨，均是有气象记录以来的极值；2013年暴雨站次达到30次，也大大超过了平均站次。计算嫩江流域夏季降水量时间序列与暴雨频次时间序列相关，相关系数达到0.79，超过了0.001的信度检验。可见，暴雨也是促使嫩江流域夏季降水偏多的原因之一。

4　嫩江流域夏季降水的前兆信号

嫩江流域夏季降水具有明显的年际变化特征和年代际变化特征，每年夏季的降水量多寡，与之相对应的大气环流也会有差异。由于前期海温、积雪等下垫面强迫因子和大气环流发展变化会造成后期大气环流的异常[6-8]，从而影响嫩江流域夏季降水的变化。因此，从前期海温、积雪等下垫面强迫因子以及前期的大气环流变化中提取对气候预测有意义的前兆信号，可以为嫩江流域夏季降水预测提供参考依据。

4.1大气环流前兆信号分析

通过嫩江流域夏季（6-8月）降水与前期（11-3月）大气环流500 hPa的逐月相关，发现只有上年（11-12月）与嫩江流域夏季降水的相关较好，说明上年秋末冬初的500 hPa大气环流形势对嫩江流域夏季降水有一定的指示意义。由图4可以看出，上年秋末冬初500 hPa高度场相关分布上，嫩江流域夏季降水与格陵兰岛北部上空呈明显的负相关，而与北大西洋上空呈明显的正相关，通过0.05的信度检验，类似NAO的模态。当NAO正异常时，有利于嫩江流域夏季降水偏多，反之亦然。与NAO相联系的大气环流系统异常信号位于我国上游地区，上游大气异常信号以波列形式向下游传播。Ogi et al[9]通过研究也指出，冬季NAO异常造成的海冰、雪盖和海温可以有较长的记忆，将其信号延续到夏季，从而对北半球夏季大气环流起到调制作用，例如，冬季北极海冰密集度（Sea SIC Concentration）异常产生大气低层热通量异常，在复杂的热、动力机制作用下，可以造成500 hPa位势高度呈现明显的欧亚波列异常结构和中高纬度阻塞高压型异常，进而影响东亚地区夏季气候的异常。嫩江流域夏季降水与欧洲西海岸500 hPa呈明显的正相关，与乌拉尔山以东地区呈现明显的负相关，通过0.05的信度检验，对应于欧亚大陆自西向东的“+，-”波列结构，类似于反EU（欧亚遥相关型）的分布，欧洲地区有高压出现，乌拉尔山脊减弱，欧亚地区盛行纬向环流，东亚冬季风偏弱，进而影响翌年东亚地区夏季降水。针对EU的分析结果表明，在欧亚大陆上空，大气内部存在与EU相联系的波列从北大西洋传播到乌拉尔山以东的欧亚大陆地区。

图4　嫩江流域夏季降水量与上年秋末冬初500 hPa高度场相关

图5　嫩江流域夏季降水量与上年5-12月逐月海温场相关（阴影区为通过显著性水平检验区域）

4.2海温前兆信号分析

许多研究表明，ENSO是最强的年际气候变化信号[10-13]，它对中国夏季降水变化有着重要的影响。热带太平洋地区海温的变化，导致沃克环流变化，进而通过海气耦合作用使得欧亚地区大气环流发生了变化，从而使得欧亚地区夏季降水异常。通过嫩江流域夏季降水与前期海温做逐月相关时发现，嫩江流域夏季降水与赤道东太平洋的海温从上年6月开始直到12月相关性一直较好（图5），超过0.05的信度检验，表明上述地区前期海温是影响嫩江流域夏季降水的主要区域，对嫩江流域夏季降水具有一定的指示意义。大量研究表明[10-13]，El Nino事件发生过程有两类，一类是东部型，一类是中部型，从图中可以看出，嫩江流域夏季降水与El Nino东部型的发展过程有着明显的对应关系。有研究指出赤道东太平洋前期为暖水期时，夏季西太平洋副高较强,范围向西和向南伸展。冷水期反之,西太平洋副高较弱,位置偏东偏北。西太平洋副高的变化进一步影响东亚季风和我国的降水，这种影响在赤道东太平洋海温变化后4-6个月最明显。因此, El Nino东部型事件可以作为嫩江流域夏季降水短期气候预测的前兆信号。

4.3积雪前兆信号分析

随着积雪资料的增加和不断深入的研究，积雪已经作为我国夏季旱涝预测的一个重要的前期信号来进行分析和应用，其所产生的气候效应也倍受关注[14-18]，陈兴芳和宋文玲[19-20]通过对高原积雪和欧亚积雪与我国夏季降水的相关分析和统计检验指出，冬春季雪盖对我国夏季旱涝有重要影响，冬春季高原积雪和欧亚积雪与我国夏季降水的相关分布基本是相反的，其中高原积雪与长江中下游和西北东部地区夏季降水为正相关，欧亚积雪与东北和华北东部以及西南地区降水为正相关。杨秋明[21]则指出前期秋冬春季欧洲、中亚和东亚中高纬雪盖异常不同的动态变化可以激发出具有不同持续性的东亚低频流型，进而对夏季北方地区降水产生影响。图6给出了嫩江流域夏季降水与春季欧亚积雪的相关，可以看出，只是在欧亚部分地区的积雪面积与嫩江流域的夏季降水有着显著的正相关关系，也就是说嫩江流域夏季某些年份降水偏多是由于欧亚部分地区（乌拉尔山东部、黑海和里海附近）的积雪偏多造成的。许立言和武炳义[22]在研究欧亚大陆春季融雪量与东亚夏季风关系时指出巴尔喀什湖附近异常偏多的春季融雪量能够在该地区促使位势高度场表现为正异常，随着时间的演变，可能造成夏季东亚地区的经向波列结构，进而对东亚的天气和气候产生影响，尽管有时环流型十分相似，但是两者的夏季降水异常在局部地区存在差异。

图6　嫩江流域夏季降水量与春季欧亚大陆积雪相关

5　结论

（1）20世纪60年代以来嫩江流域夏季降水存在典型的年代际和年际气候特征，存在着准25 a的周期变化，1980年以后存在着5-7 a的短周期变化。嫩江暴雨频次对其夏季降水有着非常显著的影响。

（2）秋末冬初500 hPa环流上出现类似NAO、反EU的异常分布对翌年嫩江流域夏季降水有显著影响，当前期NAO强度偏强、反EU偏强时，有利于嫩江流域夏季降水偏多。

（3）夏季发展的东部型El Nino事件，有利于翌年夏季嫩江流域降水偏多；春季欧亚大陆部分地区（乌拉尔山东部、黑海和里海附近）积雪偏多容易造成夏季嫩江流域降水偏多。致谢：感谢中国气象局短期气候预测国家级创新团队提供的技术指导。

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Analysis on climate characteristics and the precursor signal of summer precipitation in Nenjiang Basin

LI Yong-sheng1,WANG Ying2
（1. Climate center of Heilongjiang province, Heilongjiang Harbin 150030; 2.Heilongjiang Meteorological Service Center, Heilongjiang Harbin 150030）

Abstract:Daily precipitation data and NCEP reanalysis data of 31 meteorological stations in Nenjiang basin from 1961 to 2013 was used to analyze the climate characteristics and the precursor signal of summer precipitation with the statistical methods such as synthesis analysis and correlation analysis. The results show that there is a periodic variation of quasi 25 a and 5-7 a in the summer precipitation in Nenjiang basin, and the frequency of heavy rain has significant effects on the summer precipitation. The anomalous atmospheric circulation and sea surface temperature play an important role in the summer rainfall anomalies in the Nenjiang River Basin,The occurrence of NAO positive (negative) phase in the 500 hPa circulation in northern hemisphere autumn and winter is prone to cause more (less) precipitation in the Nenjiang River Basin in next year summer.The developing (weakening) Eastern El Nino events are advantageous to the more (less) summer precipitation in Nenjiang Basin in the next year. At the same time, more (less)snow accumulation in the eastern part of Ural Mountain and the Black Sea and the Caspian Sea is in favor of the more (less) summer precipitation.

Keywords:Nenjiang Basin; summer precipitation; precursor signal

第一作者简介：李永生（1984-），男，黑龙江省齐齐哈尔市人，南京信息工程大学，本科生，高级工程师.

收稿日期：2016－1－1

文章编号：1002－252X(2016)01－0013－05

中图分类号：P468.0+24

文献标识码：A