吳玉影，王鳳玲，潘華盛

（1.成都信息工程學(xué)院 ，成都 610225；2.黑龍江省氣象信息中心，哈爾濱 150030；3.黑龍江省氣候中心，哈爾濱 150030；4.黑龍江省氣象臺，哈爾濱 150030）

我國的氣象研究人員在對全國旱澇雨型的劃分上做了大量工作，在20世紀70、80年代，中央氣象臺長期科就對中國東部地區(qū)主汛期（6～8月）進行了3個類型的雨帶劃分[1－3]。90年代后，有的研究人員采用了主分量分析方法對中國月降水日數(shù)進行了分型[4]；還有的采用EOF（即經(jīng)驗正交函數(shù)Empirical Orthogonal Function，EOF）分析和聚類分析相結(jié)合的方法，對中國主汛期（6～8月）進行了8類雨型的空間分布[5－6]；對我國的汛期降水預(yù)報發(fā)揮了很好的作用。另外對影響我國汛期降水的成因方面的研究工作，也取得了顯著進展。90年代初就提出了引起我國夏季旱澇的東亞大氣環(huán)流異常遙相關(guān)的機制理論[7]；提出了江淮梅雨與副熱帶高壓低頻振蕩[8]；青藏高原積雪對我國夏季旱澇的影響[9－10]；研究了ENSO事件與中國區(qū)域降水的關(guān)系[11－13]等等。

采用EOF方法分析全國大范圍雨型的分布和旱澇氣候的影響，是一種有效的方法。但對一個區(qū)域和一個省來說，分析就顯得有些粗淺。過去采用EOF方法，結(jié)合大氣環(huán)流特征分析黑龍江省夏季降水也做過一些工作，但是深入不夠[14]。本文緊密結(jié)合對黑龍江省有顯著影響的特征向量，較深入地分析與全國降水的關(guān)系、造成7月多水的環(huán)流及副高、Elnino因子等。

黑龍江省多年平均年降水量為516mm，夏季占全年年降水量的65%，7月降水量占夏季降水量的40%，占全年降水量的26%，可見，7月的降水量對夏季降水有著重要的貢獻，且對全年的降水都有重要的影響。因此研究7月的降水與全國雨型、大氣環(huán)流、成因及預(yù)報很有必要。1951～2010年降水資料來自國家氣候中心、黑龍江省氣候中心。

1 黑龍江省7月降水與全國雨型分析

EOF展開，就是將m個相互關(guān)聯(lián)的變量，每個變量有n個樣本構(gòu)成矩陣形式Xm×n，對X進行線性變換，即由P個變量線性組合為一新變量。這一過程將原多個變量的大部分信息最大限度地集中到少數(shù)獨立變量的主分量上。再將由m個空間點n次觀測構(gòu)成的變量Xm×n看作是P個空間特征向量和對應(yīng)的時間權(quán)重系數(shù)的線性組合：

式中T為時間系數(shù)；V為空間特征向量。這一過程將變量場的主要信息集中由幾個典型特征向量表現(xiàn)出來。

作全國7月降水EOF展開，一般根據(jù)研究問題對象來定模態(tài)的個數(shù)，最多不超過10個為好。因此本文提取前6個模態(tài)進行分析，結(jié)果見表1。

表1 前6個模態(tài)方差貢獻及模態(tài)時間系數(shù)與7月黑龍江省降水相關(guān)系數(shù)值Table1 Previous Six modal variance and modal coefficient in and July the Heilongjiang precipitation correlation coefficient

前6個模態(tài)對應(yīng)特征值累計方差貢獻已接近50%。與7月降水相關(guān)系數(shù)，其中第二、三模態(tài)時間系數(shù)與黑龍江省7月降水相關(guān)系數(shù)值較大，達0.32、0.35，通過信度0.01檢驗。因此選取與黑龍江省降水關(guān)系較大的第二、三模態(tài)進行分析。

圖1 全國7月降水EOF第二模態(tài)空間結(jié)構(gòu)Fig.1 National precipitation EOF second mode spatial structure in July

1.1 全國7月降水EOF第二模態(tài)空間結(jié)構(gòu)與黑龍江省降水的關(guān)系分析

作全國7月降水第二模態(tài)空間結(jié)構(gòu)見圖1，全國雨型分布特點基本呈緯向型即 “＋、－、＋、－”型，即黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古東北部為多雨區(qū)，新疆、甘肅、寧夏及陜西北部為少雨區(qū)，長江以北黃、淮流域為多雨區(qū)，長江以南為少雨區(qū)。多雨中心區(qū)有2個，一個在遼寧，另一個在四川東部、湖北北部、河南南部、江蘇北部及山東南部一線區(qū)域，即江淮雨帶，也是7月主要雨帶。主要少雨區(qū)也有2塊，一塊在華北北部、甘肅西北和新疆；另一塊在廣東、廣西、江西、湖南及福建等省，即江淮以南少雨區(qū)域。從中不難看出，影響我國多雨的水汽通道主要有2條，一條來自孟加拉灣，經(jīng)康藏高原、黃河流域，在黃海與另一條來自副高西部外緣的水汽相遇匯合，水汽量大增，北上進入東北，所經(jīng)之處造成多雨。還有一條來自歐洲大陸的水汽。我國江淮以南地區(qū)大部被西太平洋副熱帶高壓和大陸高壓所控制，造成高溫少雨。

1.2 全國7月降水EOF第二模態(tài)時間系數(shù)與黑龍江省降水關(guān)系的分析

由表1可見第二模態(tài)時間系數(shù)與黑龍江省同期降水相關(guān)系達0.32。作1954～2010年時間系數(shù)與降水關(guān)系見圖2，黑龍江省降水偏多年份有：1956、1961、1962、1963、1965、1977、1981、1983、1988、1989、1991、1994、1996、2003、2005、2006年共16a，其中除1981、1994、1996、2006年外，其余12a對應(yīng)時間系數(shù)正值占總年數(shù)的81%，而且有11a正值在260以上。造成全省降水特多的雨澇年（雨量＞140%）共3次，全部在此特征向量內(nèi)，包括1956、1962、1991年。在降水偏少年中，1954、1958、1960、1968、1974、1976、1979、1980、1982、1992、1993、1997、1999、2007、2008年共15a，除1960、1979、1982年外，其余12a對應(yīng)時間系數(shù)負值占總年數(shù)的80%，而且有10a負值＞200。造成全省降水特少的嚴重干旱年（雨量＜40%）共3次，其中有2次在此特征向量內(nèi)，包括1954、2007年。系數(shù)權(quán)重大表明典型場正負（多、少雨）分離清楚，正負中心差別大。

圖2 全國7月降水EOF第二模態(tài)時間系數(shù)與黑龍江省降水關(guān)系Fig.2 National precipitation EOF second mode time coefficient and Heilongjiang precipitation

1.3 全國7月降水EOF第三模態(tài)空間結(jié)構(gòu)與黑龍江省降水的關(guān)系分析

同樣給出全國7月降水第三模態(tài)空間結(jié)構(gòu)見圖3，我國中、東部的雨型分布特點基本呈經(jīng)向型即“＋、－、＋”型，120°E以東為 “＋”即黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古東部、山東東部、江蘇為多雨區(qū)；在110°E～120°E為 “－”即內(nèi)蒙古中部、河北、河南、湖北、湖南、江西、貴州、福建和浙江為少雨區(qū)；在黃河河套以南、長江中游以北地區(qū)，即陜西、甘肅東部、四川也為多雨區(qū)；另外南嶺以南的廣東、廣西、云南也為多雨區(qū)。多雨中心有2個，一個在吉林，另外一個在陜西北部。這種形勢下，影響黑龍江省多雨的主要水汽通道來自我國東部的西太平洋副熱高壓東南洋面上。

圖3 全國7月降水EOF第三模態(tài)空間結(jié)構(gòu)Fig.3 National precipitation EOF third mode spatial structure in July

1.4 全國7月降水EOF第三模態(tài)時間系數(shù)與黑龍江省降水關(guān)系的分析

由表1可見第三模態(tài)時間系數(shù)與黑龍江省同期降水相關(guān)系達0.35，通過0.01信度檢驗。作1954～2010年第三模態(tài)時間系數(shù)與降水關(guān)系見圖4，在降水偏多年中（年份同前），除1962、1983、1989、1996年外，其余12a對應(yīng)時間系數(shù)正值占總年數(shù)的81%，其中有1963、1981、1991、1994年共4a正值＞300；降水特多年除1962年外1956、1991年時間系數(shù)均為正值。在降水偏少年中（年份同前），除1958、1960、1974、1980、1982、1997年6a外，其余9a對應(yīng)時間系數(shù)負值占總年數(shù)的60%；造成全省降水特少的嚴重干旱年（雨量＜40%）共3次，均在此特征向量內(nèi)，包括1954、1979、2007年，表明這幾年第三特征向量的典型性很好。

圖4 全國7月降水EOF第三模態(tài)時間系數(shù)與黑龍江省降水關(guān)系Fig.4 National precipitation EOF the third mode time coefficient and Heilongjiang precipitation

1.5 全國7月降水EOF第四模態(tài)空間結(jié)構(gòu)與黑龍江省降水的關(guān)系分析

給出全國7月降水第四模態(tài)空間結(jié)構(gòu)見圖5，我國的雨型分布特點基本呈緯向型即 “＋、－、＋”型，黃河以南、長江以北為少雨區(qū)，也是我國中部地區(qū)；而在它的南北兩側(cè)為多雨區(qū)。即黑龍江、吉林、遼寧、山東、河北、內(nèi)蒙古、甘肅大部、新疆為多雨區(qū)，基本在40°N以北。而山西、陜西、甘肅東南、寧夏、青海、西藏、河南、湖北、四川及云南為少雨區(qū)，縱橫跨越10個省范圍，也基本在30°N～40°N之間。除浙江、福建、江西中東部外，長江中下游以南地區(qū)為多雨區(qū)。多雨中心區(qū)有2個，一個在山東，另一個在湖南東南部。少雨中心也有2個，一個在陜西南部，另一個在浙江南部。從中不難看出，我國長江以北，黃河以南地區(qū)大部被大陸暖高壓所控制；影響黑龍江省多雨的水汽通道主要有2條，一條來自孟加拉灣，沿東北方向經(jīng)四川、河南、江蘇北部與來自西太平洋副高東南方向水汽匯合，經(jīng)黃海，北上進入東北；另一條來自歐洲經(jīng)新疆、華北進入東北，或經(jīng)貝加爾湖進入東北影響黑龍江省造成多雨。

1.6 全國7月降水第四模態(tài)時間系數(shù)與黑龍江省降水關(guān)系的分析

圖5 全國7月降水EOF第四模態(tài)空間結(jié)構(gòu)Fig.5 National precipitation EOF the fourth mode spatial structure in July

作1954～2010年時間系數(shù)與降水關(guān)系見圖6，在黑龍江省降水偏多的16a中（年份同前），其中除1956、1981、1983、1988、1989、2005年外，其余10a對應(yīng)特征向量時間系數(shù)正值占總年數(shù)63%。造成全省降水特多的雨澇年（雨量＞140%）共3次，其2a即1962、1991年在此特征向量內(nèi)。在降水偏少年15a中（年份同前），除1954、1960、1974、2007、2008年外，其余10a對應(yīng)特征向量時間系數(shù)負值占總年數(shù)的67%，而且有7a負值＞220。造成全省降水特少的嚴重干旱年（雨量＜40%）共3次，僅有1次1979年在此特征向量內(nèi)。

圖6 全國7月降水EOF第四模態(tài)時間系數(shù)與黑龍江省降水關(guān)系Fig.6 National precipitation EOF the fourth mode time coefficient and Heilongjiang precipitation

2 黑龍江省7月降水與全國降水關(guān)系

做7月黑龍江省與全國160站的降水相關(guān)系數(shù)的空間分布見圖7。從我國中東部即105°E以東地區(qū)來看，呈 “＋、－、＋”型式，主要有二大片正相關(guān)區(qū)域，其中黃河中下游以東以北地區(qū)，包括黑龍江、吉林、遼寧、河北、山東、山西、陜西和寧夏為多雨區(qū)；另外還有一小片，分布在廣東和廣西東南部地區(qū)為多雨區(qū)，在二 “＋”之間長江南北廣大地區(qū)為負相關(guān)區(qū)即少雨區(qū)。最大正相關(guān)區(qū)即多雨區(qū)，分布在黑龍江省和山東省西部，表明影響黑龍江省的系統(tǒng)，常常是西風(fēng)帶系統(tǒng)及河套氣旋東北上及黃海、渤海北上氣旋造成多雨；另外兩廣地區(qū)主要受臺風(fēng)影響造成多雨。最大負相關(guān)區(qū)主要分布在安徽南部、湖北及長江以南廣大地區(qū)。表明我國雨帶明顯移到黃河流域及以北地區(qū)，而江淮、長江以南地區(qū)為西太平洋副熱帶高壓控制，造成高溫少雨。此種相關(guān)形勢與全國降水第二、三、四模態(tài)中的第三模態(tài)的空間結(jié)構(gòu)較為相似。

圖7 黑龍江省7月降水與全國160站的降水相關(guān)系數(shù)的分布Fig.7 Heilongjiang and the correlation coefficient of the 160stations precipitation distribution

3 影響7月多水的第三模態(tài)時間系數(shù)、環(huán)流、海溫因子與大氣環(huán)流的關(guān)系的分析

3.1 環(huán)流因子、Elnino指數(shù)、第三模態(tài)時間系數(shù)與黑龍江省7月多水的關(guān)系

選取西太平洋副熱帶高壓副高面積、北界、西伸脊點、Elnino指數(shù)、第三模態(tài)時間系數(shù)與黑龍江省7月多水關(guān)系見表2。在15a的多雨年代中，全國降水第三模態(tài)時間系數(shù)為正的占12／15；副高面積＞19的占12／15；副高北界偏北≥31°N的占12／15；副高脊點全部偏西，而且偏西的較多；赤道西太平洋海表溫度為暖水位相占11／15，Elnino年，其中在11a里占7／11為Elnino年。表2統(tǒng)計結(jié)果表明，黑龍江省7月多水，西太平洋副熱帶高壓強面積大，北界偏北，西伸脊點偏西，赤道西太平洋海表溫度為暖水位相。由表2可見，上世紀90年代后的多水年，全部發(fā)生在第三模態(tài)時間系數(shù)為正，副熱帶高壓強大，北界偏北，脊點偏西并全部發(fā)生在赤道西太平洋海表溫度為暖水位相，在Elnino事件出現(xiàn)的當(dāng)年。

表2 影響7月多雨的環(huán)流、海溫因子Table2 Influence the July rainy factor of circulation，sea surface temperature

3.2 大氣環(huán)流形勢變化與7月多水

從表2選取典型多水年1963、1981、1991、1994、2003、2005、2006年共7a作高空500hPa高度場距平場合成平均圖8。由圖8可見，歐洲北部為強大的高脊所控制，極渦偏在東半球位于新地島與泰米爾半島之間，南伸；在東亞區(qū)中高緯基本維持平直環(huán)流，鋒區(qū)偏在40°N～50°N，西太平洋副熱帶高壓偏北偏西。這種形勢下決定了東亞區(qū)中高緯，特別是我國東北地區(qū)經(jīng)常受到來自西北部泰米爾－貝加爾湖的低壓或者來自西南部的河套低壓東北上，造成黑龍江省7月多水。另外，所選個例大部氣溫偏高，因此很少有冷渦天氣在東北區(qū)停留，東北區(qū)高度場下降的不明顯。

圖8 7月多水年500hPa高度場距平場合成平均Fig.8 Average of composition of the 500hPa height anomaly field situation in the July more water

3.3 全國7月降水EOF第三模態(tài)時間系數(shù)與高空500hPa環(huán)流形勢關(guān)系的分析

作全國7月降水EOF第三模態(tài)時間系數(shù)與高空500hPa位勢高度相關(guān)關(guān)系分布見圖9。從相關(guān)系數(shù)場明顯地看出，亞洲中緯地區(qū)相關(guān)場基本呈緯向 “－、＋、－”型分布。0相關(guān)線基本將全國分為二大部分，東北、內(nèi)蒙古北部、甘肅北部和新疆北部，稱北方 “－”相關(guān)區(qū)，還有兩廣，云南、湖南南部、江西南部，為南方 “－”相關(guān)區(qū)，表明北方經(jīng)常維持低槽活動，南方經(jīng)常維持東風(fēng)氣流，有臺風(fēng)活動，這也是我國7月的南北兩條雨帶。最大負相關(guān)系數(shù)－0.20～－0.30基本分布在貝加爾湖以東，東北區(qū)以西區(qū)域，而且有一向南伸展的低槽，這與圖9南伸槽位置基本一致也與圖3、圖5全國降水第三、四模態(tài)南北兩條雨帶基本相符。“＋”相關(guān)主要分布在兩條雨帶中間我國中部廣大地區(qū)；最大 “＋”相關(guān)系數(shù)0.20～0.30分布在東部沿海的山東和江蘇；表明此種形勢盛行，西太平洋副熱帶高壓位置，是偏北和偏西的。

圖9 全國7月降水EOF第三模態(tài)時間系數(shù)與同月高空500hPa相關(guān)系數(shù)分布Fig.9 July precipitation EOF third mode time coefficients of the same month，high-altitude 500hPa correlation coefficient distribution

4 結(jié) 語

黑龍江省7月降水對汛期的汛情有無非常重要，因此研究7月降水的雨型、影響因子對預(yù)報很有意義。研究結(jié)果表明：黑龍江省7月降水與全國EOF第三、四模態(tài)空間結(jié)構(gòu)有很好的關(guān)系。7月多水，全國多盛行 “＋、－、＋”雨型，它與多水年份涵蓋率達81%，即黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古東部為多雨區(qū)；內(nèi)蒙古中部、河北、河南、湖北、湖南、江西、貴州、福建和浙江為少雨區(qū)；廣東、廣西、云南為多雨區(qū)。7月黑龍江省與全國降水相關(guān)系數(shù)的分布形勢與第三模態(tài)全國雨型較為相似。主要相關(guān)區(qū)分布有兩塊，東北三省、內(nèi)蒙古東北部為正相關(guān)區(qū)，長江以南、兩廣以北，還有湖北大部為負相關(guān)區(qū)。表明我國雨帶明顯移到黃河流域及以北地區(qū)，而江淮，長江以南地區(qū)為西太平洋副熱帶高壓控制。第三模態(tài)時間系數(shù)與高空500hPa環(huán)流形勢相關(guān)分析表明，在中緯地區(qū)，盛行緯向的“－、＋、－”高度場形勢。與全國兩條雨帶相對應(yīng)。另外多水的影響因子，西太平洋副熱帶高壓強面積大，北界偏北，西伸脊點偏西，赤道西太平洋海表溫度為暖水位相；多水500hPa環(huán)流特征，是歐洲北部為強大的高脊所控制，極渦偏在東半球位于新地島與泰米爾半島之間，有南伸槽。這些特征，利用前期西太平洋副熱帶高壓、海表溫度的穩(wěn)定持續(xù)的特點和大氣環(huán)流演變規(guī)律，就可以有效地預(yù)報7月降水。

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