引言

我国地处亚欧大陆东侧, 跨越宽广的纬度带, 其特殊的地理位置决定了它是世界上气候变化最复杂的国家之一, 夏半年暴雨洪涝灾害甚为频繁, 从50°N的东北地区到30°N的长江流域地区以至华南地区均会受到暴雨洪水的袭击, 造成严重的经济损失.对此, 我国气象工作者进行了大量的研究^[1~5].

1998年夏季, 我国东北地区的嫩江、松花江流域出现了百年不遇的特大洪涝灾害, 造成了严重的经济损失^[1].在正常年份, 嫩江、松花江流域的全年降水量为400 mm左右, 而1998年夏季嫩江、松花江流域降水量部分地区达500~700 mm, 较常年同期偏多20%~100%, 黑龙江省的干南县仅8月上旬的降水量就达到300多毫米. 1998年夏季东北地区降水的特点是雨季来得早, 降水持续时间长, 降水强度大, 从而造成了重大汛情.

通常, 东北地区8月降水量占整个夏季降水量的40%左右, 占全年降水量的25%左右.本文试图通过对8月份东北地区降水的分型及其环流形势的分析, 揭示1998年我国东北地区持续强降水过程产生的物理原因和动力机制.

1 资料及我国东北地区的降水分型

本文所用的资料是美国国家环境预报中心 (NCEP) 再分析的高空月平均资料, 其时间跨度从1958年1月至1998年8月, 空间层次为1000 hPa到10 hPa, 共17层, 水平分辨率为2.5°×2.5°的经纬度网格, 降水量资料为中国范围内的160个测站的月降水量, 其时间跨度为1951年1月至1999年3月.

为了分析东北地区的降水, 选择能代表东北地区特别是三江流域降水的嫩江 (50557)、齐齐哈尔 (50745)、佳木斯 (50873)、哈尔滨 (50953) 和海伦 (50756) 5个站, 根据5个测站的月降水量, 统计出6、7、8月以及夏季 (6~8月) 5站的平均降水量, 从而对东北地区的降水进行分型, 规定夏季5个测站的平均降水量大于400 mm且8月份的平均降水量超过130 mm的年份为多雨年; 5个测站的平均降水量小于270 mm且8月份的平均降水量少于90 mm的年份为少雨年.这样自1951年至今, 多雨年有9个, 它们是1951、1957、1961、1966、1969、1981、1985、1997和1998年, 少雨年有5个, 它们分别是1954、1970、1978、1979和1989年.

2 对流层中高层环流形势及其高度距平场特征 2.1 8月份500 hPa的环流形势特征

从8月份多雨年500 hPa的环流形势图 (图略) 上可以看出, 多雨年时我国东北地区极涡基本上为圆形, 极涡最内圈为540 dagpm, 其主体略偏向西半球; 在中、高纬贝加尔湖的西北 (90°E) 和东南 (120°E) 方向分别有一槽线, 其中东南方向的槽线正好位于我国东北地区, 这有利于槽后的冷空气向我国东北地区扩展.而8月份500 hPa的41年平均环流形势图 (图略) 上的极涡强度较弱, 最内圈等高线为544 dagpm, 贝加尔湖附近为一致的平直西风气流控制.

从8月份少雨年500 hPa的环流形势图 (图略) 上可以看出, 少雨年时东北地区极涡近似椭圆形, 极涡强度较多雨年时弱, 最内圈为544 dagpm, 极涡中心较多雨年更偏向西半球; 副热带高压由多雨年的两个主体合并为一, 中、高纬贝加尔湖的西北方向 (90°E) 有一槽线, 而其东侧为一致的平直西风气流所控制, 受平直西风气流影响我国东北地区出现少雨的天气.

2.2 8月份500 hPa高度距平场的分布特征

从8月份多雨年500 hPa距平场的分布 (图 1a) 上可以看出, 从贝加尔湖至我国东北地区为高度负距平区, 鄂霍茨克海和乌拉尔山附近为高度正距平区, 形成了从乌拉尔山到鄂霍茨克海的“+ - +”高度距平分布型, 我国东北地区处于负距平中心, 此时我国东北地区的高度场降低, 鄂霍茨克海和乌拉尔山阻塞高压的加强或出现持续发展, 有利于冷空气在我国东北地区的堆积, 出现多雨.

而从8月份少雨年500 hPa距平场的分布 (图 1b) 可以看出, 东半球高纬地区500 hPa高度距平大多为负距平分布, 表明在较高纬地区冷空气收缩; 负距平中心位于60°N以北, 较多雨年的负距平中心偏北15个纬距, 由于负距平区从贝加尔湖以北扩展至鄂霍茨克海附近, 使得鄂霍茨克海的阻塞高压减弱或无持续性阻高, 而我国东北地区处于高度的正距平区.此时, 较为偏北的冷空气在西风带系统的作用下不易在我国东北地区形成堆积, 从而减少了我国东北地区的降水, 出现少雨年.

2.3 1998年8月500 hPa环流形势及其高度距平场的分布特征

1998年8月500 hPa环流形势场 (图略) 与多年的形势相比, 极涡强度加强, 类似于多雨年情形, 最内圈为540 dagpm, 其主体偏向东半球; 副热带高压主体加强西伸, 比较平直的西风气流被波动较大的槽脊所代替; 东亚上空为两槽一脊的环流型, 贝加尔湖为阻塞高压所控制, 其东西两侧分别有一槽线, 其东南方向120°E附近为一槽区, 槽底在40°N附近, 此槽正好落在我国东北地区, 有利于东北地区降水的形成和发展.

从1998年8月500 hPa高度场的距平图上 (图 2) 可以看出, 我国东北地区处在高度场负距平区, 高度下降, 有利于东北低涡的形成和发展.与常年相比, 冷空气的活动更加活跃.总之, 1998年8月500 hPa的环流形势与多年平均的环流形势存在较大的差别, 而与多雨年的环流形势极其相似.与1954年8月500 hPa的环流形势 (图略) 相比, 可以发现, 1954年夏季鄂霍茨克海阻塞高压偏南, 东北地区出现少雨, 而1998年夏季鄂霍茨克海阻塞高压偏北, 东北地区出现洪涝; 这是由于当夏季鄂霍茨克海阻塞高压偏南时, 其南侧的西风急流和副高均相应偏南, 这就导致了我国江淮流域的多雨和东北地区的少雨甚至干旱, 而1998年鄂霍茨克海阻塞高压偏北, 此时西风带急流亦偏北, 从而使得夏季东北地区出现洪涝.因此, 鄂霍茨克海阻塞高压的位置与我国降水分布存在着相当密切的关系.

3 500 hPa高度上纬向风的分布特点

8月份500 hPa高度多年平均的纬向风 (图略) 在中高纬度为极锋急流区, 存在两个西风急流中心, 分别位于中太平洋 (180°附近) 和大西洋 (30°W附近) 上空, 中心强度均达到16 m/s以上.

从8月份多雨年500 hPa纬向风的分布 (图 3) 上可以看出, 在中高纬的东亚至太平洋地区上空的西风急流区 (120°E) 附近有一西风急流核, 其中心风速达12 m/s, 西风急流位于40°~45°N, 松嫩平原在其北侧.西风急流核的存在表明了这里是强锋区, 是冷暖空气对峙的地方, 有利于降水的增强.而8月份少雨年500 hPa纬向风的分布图 (图略) 上, 中高纬度120°E附近的西风急流核已消失, 我国东北地区只处于西风急流区中, 说明西风急流核的消失不利于降水的增强.

1998年8月纬向风的分布 (图略) 与多雨年平均纬向风的分布十分相似, 我国的东北地区和朝鲜一带处于中心风速达14m/s的西风急流核附近, 西风最强, 东北以北的贝加尔湖东侧为东风, 松嫩平原在强锋区控制之下, 对我国东北地区的降水增强十分有利.

4 对流层低层散度场的分布特征

从8月份对流层低层1000 hPa高度41年散度平均场上可以看出 (图略), 我国的东北地区处在散度的零等值线附近.

在8月份多雨年1000 hPa的散度场分布图 (图略) 上, 我国东北地区多雨年时处于负散度区, 中心散度值为-6.0×10^-6s^-1, 其四周为正散度区包围, 东北多雨年低层为强的辐合区, 低层的风场辐合有利于上升运动的加强, 其四周风场的辐散与中心风场的辐合所构成的垂直环流亦有利于辐合中心上升运动的加强; 而少雨年时 (图略) 正好相反, 我国东北地区处于正散度区内, 低层的散不利于上升运动的发展.

从8月份多雨年1000 hPa散度距平场的分布 (图 4) 可以看出, 东北地区为散度场的负距平区, 其中心值达到-3.0×10^-6s^-1, 可见多雨年东北地区的散度距平比常年偏小, 出现低层辐合的加强; 而少雨年东北地区的散度距平 (图略) 为正值, 中心数值达到3.0×10^-6s^-1, 低层风场辐合作用减弱.可见, 低层散度的加强对东北地区的降水增强十分有利.

1998年8月1000 hPa高度上东北地区的散度场分布 (图略) 属于典型的多雨年型, 东北地区为负散度区, 中心散度值达-7.0×10^-6s^-1, 东北地区也出现散度负距平, 负距平中心达到-4×10^-6s^-1.因此, 低层辐合场的加强是造成东北地区松嫩平原降水增强的重要原因之一.

5 水汽条件的分布特征

从8月份多雨年对流层低层850 hPa的水汽通量散度的距平场分布图 (图 5) 上, 可以看出我国东北地区处在水汽通量散度距平负值区中, 中心水汽通量散度值为-1.0×10^-11g/(hPa·s·cm^-2), 东北多雨年低层的水汽通量辐合加强; 而少雨年东北地区的水汽通量散度距平 (图略) 为正值, 低层水汽通量辐合作用减弱.

1998年8月850 hPa高度上东北地区的水汽通量散度距平场的分布 (图略) 属于典型的多雨年型, 东北地区处在水汽通量散度的负距平区, 低层水汽通量辐合增强, 因此, 低层水汽通量辐合的加强是造成东北地区松嫩平原降水增强的重要的水汽条件.

6 前期极涡活动与我国东北夏季降水的关系

我国东北地区位于中高纬度地区, 受高纬系统的影响较大, 研究表明, 我国东北地区的气温与100 hPa极涡存在密切关系^[7], 在参考有关的极涡特征参量计算^{[8, 9]}和冬季100 hPa极涡活动特点^[10]的基础上, 我们用关键区 (65°~85°N, 40°~80°E) 内100 hPa高度场的面积平均值, 定义了表征极涡强度的极涡强度指数.研究表明, 极涡强度指数越大则极涡强度越小.

计算极涡强度指数与我国160个站降水量的相关系数, 发现12月份或冬季的极涡强度指数与次年8月份或夏季我国东北地区降水存在较好的相关 (图 6).从图 6可以看出我国东北地区为相关系数正值区, 12月份的极涡强度指数与次年8月份我国东北地区降水存在明显的正相关, 在东北地区最大相关系数超过0.5, 信度达0.01;冬季的极涡强度指数与次年8月份或夏季我国东北地区降水也存在同样的相关 (图略).因此, 可以认为12月份或冬季的极涡强度对次年8月份或夏季我国东北地区的降水预报有一定的指导意义, 即当12月份或冬季的极涡强度指数增大时, 极涡强度减弱, 则次年夏季我国东北地区降水偏多.

7 小结

通过对8月份东北地区降水的分型及其环流形势的分析, 得到以下结论:

(1) 东北地区夏季多雨年和少雨年的环流形势存在明显的差异, 1998年夏季的环流形势与多雨年的十分相似.

(2) 8月份多雨年500 hPa高度距平从乌拉尔山到鄂霍茨克海为“+ - +”分布型, 鄂霍茨克海和乌拉尔山阻塞高压加强或持续发展, 少雨年500 hPa鄂霍茨克海和乌拉尔山阻塞高压减弱或无持续性阻高; 8月份多雨年500 hPa高度场距平在鄂霍茨克海附近的高度场正距平区较少雨年时偏北10个纬距左右; 多雨年500 hPa西风急流核处于我国东北地区, 少雨年则偏东.

(3) 对流层低层水汽通量辐合的增强, 是东北地区降水增强的重要水汽条件.

(4) 鄂霍茨克海阻塞高压出现和发展, 是造成嫩江、松花江流域夏季降水异常偏多的主要原因.我国东北地区多雨年时从乌拉尔山到鄂霍茨克海为“+ - +”高度距平分布, 鄂霍茨克海阻塞高压出现和发展, 导致中高纬度西风分支, 经向度加大, 使得我国东北地区长时间遭受低槽和冷涡的影响, 西风比常年偏强, 是造成嫩江、松花江流域夏季降水异常偏多的主要原因.

(5) 当12月份或冬季的极涡强度指数增大时, 极涡强度减弱, 则次年我国东北地区降水增强.可以认为12月份或冬季的极涡强度对次年8月份或夏季我国东北地区的降水预报具有一定的指导意义.