海河流域夏季降水与北半球环流异常的相关

海河流域夏季降水与北半球环流异常的相关
马宁;谢均;郭军;何群
【摘要】使用1981-2013年6-8月的月平均海河流域站点降水资料以及NCEP/NCAR再分析资料,采用SVD方法分析了北半球高度场环流异常与海河流域夏季降水的关系.结果表明夏季海河流域的一致型降水异常主要受热带地区高度场异常的影响,而北半球中高纬的高度异常分布对海河流域东南部降水异常有重要作用.热带及中高纬地区的高度场异常与副热带西风急流和流域上空的水汽输送有一定的对应关系,急流强度和位置的变化以及水汽辐合异常造成海河流域降水异常,尤其中高纬高度异常的这种对应关系更加明显,并且两个地区的高度异常分布对应的海河流域异常水汽输送有不同来源.
【期刊名称】《气象科技》
【年(卷),期】2016(044)003
【总页数】8页(P400-407)
【关键词】环流异常;夏季降水;海河流域;SVD;水汽输送
【作者】马宁;谢均;郭军;何群
【作者单位】天津市气候中心,天津 300074;天津市气候中心,天津 300074;天津市气候中心,天津 300074;云南省气候中心,昆明 650034
【正文语种】中文
华北地区位于中纬度，夏季降水异常的影响因素复杂多样，其中北半球环流系统对华北夏季降水的作用尤其突出。

作为东亚夏季风系统的主要成员，西太平洋副高对
华北夏季降水有重要影响，研究表明副高位置与华北夏季降水关系尤为密切[1-3]。

中高纬大气环流也对华北夏季旱涝异常有重要影响，孙安健等[4]指出鄂霍茨克海
阻塞高压及亚洲中高纬“东高西低”环流型的稳定维持分别对华北平原的严重干旱与雨涝的形成起着重要作用，李春等[5-6]和梁平德等[7]的研究也证明了这一结论。

谭桂容等[8]指出贝加尔湖南侧大陆高压的异常频发是导致华北夏季降水偏少的一
个原因。

徐桂玉等[9]的研究还指出北半球环流异常对华北夏季降水的影响在年代
际和年际尺度上有明显差异。

此外，北极涛动与华北夏季降水在年代际尺度上有较密切的关系[10]，印度夏季风的异常变化[11]也对华北夏季降水有明显的影响。

海河流域地处华北地区东部，以京津冀为中心，人口及工农业非常集中，对水资源需求量极大。

受东亚夏季风影响，海河流域降水期主要集中在夏季(6—8月)，流域
夏季降水量占全年的65%[12]。

另一方面，海河流域夏季降水存在较大的年际变率，是大范围旱涝灾害的主要成因，因此海河流域夏季降水异常一直是气象工作中的一个重要研究对象。

然而以往对降水异常影响环流的研究工作多着眼于较大范围的华北地区，针对海河流域的相关研究还较少，大气环流与海河流域降水异常耦合分布方面的分析工作则更加有限。

为了分析影响海河流域夏季降水的异常大气环流型，本文就夏季北半球环流与海河流域降水的耦合关系及可能的影响途径进行讨论。

另外，研究指出海河流域及华北夏季降水在20世纪70年代末到80年代初发生
年代际突变[13-14]，因此本文将使用1981年以后的数据资料重点讨论最近气候
背景下北半球环流对海河流域夏季降水的影响。

本文所用资料包括1981—2013年6—8月海河流域169站的月平均降水资料，
以及NCEP/NCAR再分析月平均资料，包括经、纬向风、地面气压、相对湿度及500 hPa位势高度，分辨率均为2.5°×2.5°。

为保证所用资料的完整性，对1981
年以后存在资料缺测的站点进行了剔除，最终选取海河流域155站进行分析。

奇异值分解(SVD)是研究两个变量场相关结构的诊断方法，在气象场时空分布耦合
信号的诊断分析中具有普适性[15]；SVD可清晰展现场与场之间的相关结构，且
物理意义清晰, 在大尺度气象场遥相关型的诊断分析中应用广泛。

本文对海河流域
夏季降水及北半球500 hPa位势高度场进行SVD分析，并使用Monte Carlo统
计检验方法对SVD模态进行显著性检验[16]。

另外，本文还使用相关、合成等统
计方法对北半球环流影响海河流域降水异常的机制进行初步讨论。

对1981—2013年夏季(6—8月)平均北半球位势高度场及相同时段海河流域夏季
降水场进行SVD分析，结果如表1所示，前5个模态通过了95%置信度的Monte Carlo统计检验，其累积方差贡献率达到80.6%。

其中，前2个模态的累
积方差贡献率达到54.9%，对高度场和降水场的累积方差贡献率也分别达到了31.3%和34%，说明这2个模态可以反映北半球500 hPa高度场和海河流域夏季降水场耦合关系的主要信息。

第3模态可以解释总协方差的12.6%，但解释降水
场协方差的百分比较小(5.3%)，即反映的降水场信息较少。

本文着重讨论环流对降水的影响，所以只针对SVD的前2个模态进行分析。

第1对耦合模态可以解释两场总协方差的34.4%，对高度场和降水场的方差贡献
率也分别达到22.4%和19.2%，说明第1对模态不仅解释了两场相关信息的较大
部分，而且在两场各自变率中所起的作用也较大。

图1给出了第1模态高度场异
类相关、降水场同类相关及两场时间系数。

从降水场同类相关图(图1b)可以看出，全流域为一致的显著正相关分布，表明SVD第1模态海河流域夏季降水的空间分布主要表现为显著的一致分布特征。

相应的高度场异类相关图上(图1a)，北印度
洋及热带北大西洋到南美北部地区为大范围的显著负相关区，而北半球中高纬则仅贝加尔湖和太平洋东北部等地散布着小范围显著相关区，可见热带地区的高度场异常对海河流域夏季降水一致型分布影响较大。

当热带北大西洋和北印度洋的500 hPa高度场偏低时，有利于海河流域夏季整体降水偏多，反之亦然。

第1模态两场时间序列之间的相关系数为0.5，从两场时间系数的演变(图1c)可以
看出，两者的变化趋势较一致，且这种一致性在2000年之后更加明显。

另外，两场的时间系数都表现出线性减小的趋势，尤其高度场时间系数的减小趋势达到99%的置信度(R2=0.23)，表明1981年以来热带北大西洋和北印度洋地区的500 hPa 高度场有逐渐偏高的趋势，相应的海河流域夏季降水也有微弱的一致减少趋势。

第2模态解释了两场总协方差的20.5%，对降水场的方差贡献率为14.8%，说明
这对耦合模态对降水场变率也有较大的作用。

从第2模态降水场同类相关图上(图
2b)可以看出，海河流域东南部为显著正相关区，西北部相关不明显，即SVD第2模态主要揭示了海河流域夏季东南部的降水异常分布特征。

相应的高度场异类相关图上(图2a)，主要的显著相关区集中在北半球中高纬地区，以相关波列的形式分布，具体表现为：地中海附近、乌拉尔山和格陵兰地区以及日本到北太平洋中部为显著正相关区，北欧地区为显著负相关区。

由此可见，北半球中高纬的高度异常分布对海河流域东南部降水有重要影响，当地中海、乌拉尔山及日本到北太平洋中部地区出现正高度异常，同时北欧出现负高度异常时，有利于海河流域东南部降水偏多。

上述北半球中高纬的显著相关区与Ding等[17]提出的夏季存在于北半球的绕地遥相关型(CGT)的几个中心基本吻合，同时Ding等还指出，当CGT为正位相时，华北东部到日本一带为降水异常偏多中心，这也与本文所得结论是一致的。

另一方面，这种中高纬异常分布型与20世纪80年代以前华北降水偏多年的高度异常分
布[18]有着明显不同，与上述乌拉尔山和北太平洋中部的正高度异常及东亚中高纬的纬向型异常分布相比，20世纪80年代以前华北降水偏多年在贝加尔湖东北有
一明显的正高度异常中心，东亚中高纬为北高南低的经向型异常分布，同时乌拉尔山和北太平洋高度场偏低。

这种对比表明海河流域降水与北半球500 hPa高度场
异常的关系存在年代际差异，近30年气候背景下，乌拉尔山阻高和北太平洋阻高对海河流域、尤其流域东南部降水偏多的作用增强。

第2模态两场时间序列之间的相关系数为0.69，两场时间系数的变化趋势(图2c)
基本吻合，且都表现出线性上升的趋势，尤其高度场时间系数的上升趋势达到95%的置信度(R2=0.16)，表明1981年以来与图2a所示同位相的北半球中高纬异常
分布型有增强的趋势，即：地中海附近、乌拉尔山和格陵兰地区以及日本到北太平洋中部高度场升高、同时北欧地区高度场降低，这有利于夏季海河流域东南部降水出现增多的趋势。

通过北半球500 hPa高度场与海河流域夏季降水场的SVD分析已经知道，夏季热带北大西洋和北印度洋地区的高度异常主要影响海河流域降水的一致型异常分布，而中高纬地区的高度异常波列则主要影响流域东南部的降水异常。

根据SVD前两个模态高度场异类相关图(图1a、图2a)中的显著相关区，分别定义热带和中高纬环流指数。

根据图1a中的显著负相关区，将夏季热带北大西洋(40°～80°E,0°～20°N)及北印度洋(30°～70°W,0°～20°N)区域平均高度距平之和定义为热带环流
指数(Hidx1)；根据图2a中的中高纬显著相关区，将夏季地中海(20°W～
40°E,30°～45°N)、乌拉尔山(60°～90°E,55°～80°N)及北太平洋(140°E～
170°W,40°～50°N)3个正相关区的平均高度距平之和与北欧(0°～40°E,50°～70°N)负相关区的区域平均高度距平的差值定义为中高纬环流指数(Hidx2)，如下
所示：
其中ΔH表示相应区域的平均高度距平。

对两个环流指数进行标准化，并分别与SVD前两个模态的高度场标准化时间系数进行比较(图3)。

可以看出，Hidx1与SVD1高度场时间系数呈明显的反相变化特征(图3a)，两者之间的相关系数达到-0.88，同时，Hidx1与SVD1降水场时间系数之间的相关系数为-0.43(图略)；Hidx2与SVD2高度场时间系数的波动趋势基
本吻合(图3b)，两者相关系数为0.77，并且Hidx2与SVD2降水场时间系数间的相关系数也达到0.71(图略)。

这表明本文所定义的两个环流指数能够很好的代表SVD前两个模态高度场的变化特征，并能反应出SVD高度场异常特征与海河流域
降水异常的关系。

为了进一步验证所定义的两个环流指数对SVD前两个模态分布型的代表性，并分
析其对应的物理量场异常特征进而探索北半球环流对海河流域夏季降水的影响机理，根据这两个环流指数选取典型异常年份进行合成分析。

以0.8个标准差为阈值，将指数高于0.8个标准差和低于-0.8个标准差的年份分别定义为典型正、负异常年(表2)。

根据选定的正、负异常年，分别对北半球高度场和海河流域降水场进行合成，合成差值分布如图4所示。

热带环流指数异常年合成差值图中(图4a、b)北半球热带地区为显著的正高度距平分布，相应的海河流域为较一致的降水负距平，显著区域集中在流域西部；中高纬环流指数异常合成差值图中(图4c、d)北半球中高纬的显著正、负高度距平分布也与SVD2的高度场异类相关分布型基本一致，同
时海河流域东南部为降水正距平分布，显著区域主要集中在流域南部，而流域西北部为较弱的降水负距平。

可见，本文所定义的两个环流指数能较好的反应出SVD
前两个模态的主要分布特征。

同时值得注意的是，两个环流指数在1992年与1995年均为典型负异常、1998年为典型正异常，而1992年夏季海河流域降水
整体偏少、1995年与1998年夏季流域降水则整体偏多，可见当热带和中高纬高
度场异常表现出对流域降水影响效果相反的典型分布时，海河流域降水异常未表现出与前两个模态相对应的典型分布，这种情况下可能有其他降水影响因素起到了决定作用。

已经证明根据本文定义的两个环流指数所选的典型异常年对SVD前两个模态有较
好的代表性，为了探讨相应的环流分布特征对海河流域降水异常的影响机制，根据上一节中所选定的典型异常年，对850 hPa风场、200 hPa纬向风及水汽输送等
分别进行合成差值分析。

由于热带环流指数与海河流域降水为负相关，为了突出有利降水的环流异常，热带环流指数合成差值为负指数年减正指数年。

东亚副热带西风急流作为东亚夏季风系统的一个重要组成部分，其强度和位置与华
北夏季降水异常有密切联系[19-20],本文通过环流指数正负异常年夏季200 hPa
纬向风和850 hPa风场的合成差值分布(图5)，对典型环流异常年东亚副热带西风急流异常特征及相应的低层风场进行分析。

气候平均状态下(1981—2010年平均,图略)，200 hPa纬向风场上东亚副热带西风急流轴位于37.5°～40°N，急流中心(≥30 m/s)位于105°E以西；850 hPa风场上海河流域主要受偏南到西南风影响。

从热带环流指数异常年的合成差值(图5a)分布上可以看出，东亚副热带西风急流
异常不显著，但在海河流域(图中方框所示,下同)上空急流略偏强偏北，有利于流域上空高空辐散和低空辐合的增强；同时流域上空850 hPa为偏东到东南风距平，
有利于西太平洋地区的水汽向流域上空输送。

中高纬环流指数异常年的合成差值图上(图5b)，东亚副热带西风急流明显偏强，中心向东延伸，且急流轴位置北抬，
海河流域位于急流轴南侧，低空辐合加强；850 hPa上流域东部南风增强，反映
出东亚夏季风加强，有利于增加季风水汽输送，同时内蒙北部为气旋性距平环流，流域位于该气旋底部，也有利于加强低空辐合，这种蒙古气旋和夏季风的异常也是夏季华北地区年代际旱涝异常的重要原因之一[21]。

为了进一步了解相应的环流异常对水汽条件的影响，计算了两个环流指数正负异常年整层大气水汽输送的合成差值分布(图6)。

热带环流指数异常年的合成差值(图
6a)显示，海河流域东部为弱的负散度距平，流域受来源于西太平洋向西转而向北
的异常水汽输送影响，即热带环流指数为负异常时，向流域地区的水汽输送增强，同时东部有较强水汽辐合，有利于流域地区降水增多。

中高纬环流指数异常年的合成差值图上(图6b)，海河流域主要受偏西到西南的异常水汽输送影响，且正处于
从华中经华北到东北一带的负散度距平区中，尤其流域南部散度负距平较明显，
说明中高纬环流指数为正异常时海河流域、尤其南部地区水汽辐合增强。

从图中还可以看出，热带环流异常年流域地区的异常水汽输送主要来自西太平洋，而中高
纬环流异常年流域地区的异常水汽输送有两个来源：流域北部主要是西风带异常水
汽输送、流域南部则是我国南方向北转而向东的水汽输送，这与以往的研究结论是基本相符的[22-24]。

从以上分析还可以看出，与热带环流指数相比，中高纬环流指数异常对海河流域附近区域的风场和水汽条件异常的影响更加明显。

这可能由于海河流域位于中纬度地区，受西风带直接影响，因而分布于西风带及附近的中高纬环流异常对流域降水的影响也更加直接和显著；而热带地区环流异常对海河流域降水的影响机制更复杂，未能在本文的分析工作较好的表现出来。

通过对比前一节中所述3个特殊典型年(1992、1995、1998)夏季环流异常发现，1992年东亚夏季风明显偏弱[25]、西
太副高偏弱，而1995与1998年东亚夏季风则明显偏强，同时西太副高偏强；从ENSO事件看，1992年夏季为Elnino事件末期、而1995和1998年夏季则处于Lanina事件开始阶段。

可见作为年际气候变化中的最强信号，ENSO循环不仅影
响夏季风系统，其不同位相可能对北半球环流与海河流域降水异常的关系也有着重要的调节作用。

本文用SVD方法分析了北半球高度场环流异常与海河流域夏季降水的耦合关系，
结果显示，夏季海河流域的一致型降水异常主要受热带地区、尤其是热带北大西洋和北印度洋高度场异常的影响，而北半球中高纬的高度异常波列对海河流域东南部降水异常有重要作用。

热带及中高纬地区的高度场异常与副热带西风急流和流域上空的水汽输送有一定的对应关系，急流强度和位置的变化以及水汽辐合异常造成海河流域降水异常，尤其中高纬高度异常的这种对应关系更加明显。

另外，两个地区的高度异常分布对应的海河流域异常水汽输送有不同来源：热带高度场偏低时流域的异常水汽输送主要来源于西太平洋，而中高纬高度异常波列表现为有利降水位相时，流域同时受西风带异常水汽输送及来自我国南方向北转而向东的水汽输送影响。

除本文分析得到的夏季中高纬高度异常波列对同期海河流域降水的影响外，前冬及春季中高纬高度异常分布也对夏季流域地区降水有较明显的影响，且这种异常分布
从前冬到夏季表现出一定的传播和演变特征[26]，已有的研究也证明了这一点[27]。

可见，影响海河流域夏季降水的北半球高度异常在前期也是有迹可循的，但这种前期异常信号及其演变特征与影响途径仍需在今后的研究工作中做进一步详细和深入的探讨，此外，还需虑及海温异常对海河流域夏季降水影响环流的调节作用。