袁 杰，魏鳳英，馬曉玲

（1.陽泉市氣象局，山西 陽泉045000；2.中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室，北京100081）

隨著全球氣候變化的發(fā)展，氣象工作者從多個方面對氣候變化的特征及其影響進行了研究，不同時期和區(qū)域的氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響不盡相同，其中異常降水事件除了與西風(fēng)帶高空槽、阻塞高壓、西北太平洋副熱帶高壓等關(guān)鍵天氣系統(tǒng)的環(huán)流異常密切相關(guān)外，還受到海洋、積雪等外強迫因子的影響，此外降水在不同的地理位置和地形地貌下也會表現(xiàn)出不同的特征[1-6]。春播期是越冬作物生長和春播作物播種、出苗等關(guān)鍵時期，其氣象條件對糧食豐收起著重要作用。山西省地處華北西部的黃土高原東翼，南北跨度大，地形地貌特征較為復(fù)雜，是重要的小雜糧產(chǎn)區(qū)，由于山西大部分地區(qū)光熱條件較好，降水成為影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要氣象因素，因此研究山西省春播期降水的時空變化規(guī)律及影響因素十分重要[7-10]。郭江勇等[11]對甘肅東部地區(qū)春播期干旱特征的變化進行了研究，趙玲、胡春麗等[12-13]對東北地區(qū)的春播期降水特征分別進行了分析，錢錦霞、王振華等[14-15]對2008 年以前山西省春季的氣候特征及干旱情況進行了研究。但目前專門針對山西省春播期降水時空變化及環(huán)流異常特征的研究還未涉及，本文利用72 個國家氣象站數(shù)據(jù)，結(jié)合大氣環(huán)流、海表溫度等資料，開展相關(guān)研究，可以彌補山西省關(guān)于春播期降水研究的不足，對春播期降水的中長期預(yù)測和合理安排春播期間的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有一定的意義。

1 資料與方法

1.1 資料來源

（1）選用1961—2020 年山西省春播期（4—5月）72 個國家氣象站的月降水量資料，站點分布均勻（圖1），具有代表性，所選資料全部連續(xù)，僅有個別年份缺測值使用該站所在地市的同期平均值代替。

圖1 山西省地形高度及72 個站點分布

（2）選用NECP/NCAR 的1961—2020 年500 hPa位勢高度場、850 hPa 風(fēng)場和海平面氣壓場的月平均再分析資料，空間分辨率為2.5°×2.5°。

（3）選用UKMO HADISST1 的1961—2020 年全球月平均海表溫度（SST），空間分辨率為1°×1° 。

1.2 研究方法

采取經(jīng)驗正交函數(shù)（EOF）方法分析山西省春播期（4—5 月）降水的區(qū)域特征；使用氣候傾向率、滑動平均、小波分析等方法，分析降水的時間變化規(guī)律；采用合成分析方法進行異常年的大氣環(huán)流和前期海表溫度特征研究[16]。其中使用的滑動平均方法具體步驟為：

（1）使用Butterworth 帶通濾波器，對氣候序列進行平滑；

（2）分別用模、斜率和粗糙度這3 種邊界約束方案計算出序列兩端的平滑值；

（3）分別計算3 種約束方案得到的平滑序列的均方誤差（MSE），選取最小MSE 的平滑序列作為最優(yōu)的平滑方案。

2 春播期降水的時空分布特征

1961—2020 年和1991—2020 年山西省春播期平均降水量分布見圖2。這2 個時段內(nèi)春播期降水量呈北向南逐漸遞增的趨勢，在北中部地區(qū)存在U型分布特征，即東西兩側(cè)的降水量大于中部地區(qū)，在南部地區(qū)兩者的降水分布也較為相似。2 個時段內(nèi)春播期降水具有很大的相似性，但也有不同之處，平均降水量場發(fā)生了一定的變化。結(jié)合圖1 可知，山西省春播期降水在北部中部地區(qū)存在的U 型分布特征與東西兩側(cè)的太行山脈和呂梁山脈的走勢分布較為吻合，降水既受到共同的天氣系統(tǒng)影響，也與地理位置、地形特征等多種因子密切相關(guān)[17-18]。

圖2 1961—2020 年（a）和1991—2020 年（b）山西省春播期平均降水量分布

2.1 降水量場空間分布特征

采用EOF 方法對山西省1961—2020 年春播期標(biāo)準化處理后的降水量場進行時空分解，表1 為計算后得到的前5 個特征向量的方差貢獻率和累計方差貢獻率。前3 個特征向量的特征值累計方差貢獻率達77.2%，第4～5 個特征向量所占的方差貢獻比例開始變得很小，因此，前3 個特征向量可以代表山西省春播期降水量場的主要空間分布特征。

表1 山西省春播期降水量EOF 分解的前5 個特征向量的方差貢獻率和累計方差貢獻率

第1 特征向量的方差貢獻率達59.3%，為山西省春播期降水的主要空間分布型。由山西省春播期降水量場的前3 個特征向量的空間分布（圖3）可知，第1 特征向量值在山西省范圍內(nèi)均為正值（圖3a），表明春播期的降水量在空間上具有全省一致的特征，高值中心位于山西省中部的呂梁、太原、晉中、陽泉等地，說明該區(qū)域降水量變化大。第2 特征向量的方差貢獻率為12.0%，其空間分布顯示（圖3b），太原以南地區(qū)為正值區(qū)域，大值區(qū)位于臨汾、運城、長治、晉城等地；太原及其以北地區(qū)為負值區(qū)域，中心區(qū)域位于忻州西部、朔州等地，表明降水量場存在以中部為分界線的南北反位相分布結(jié)構(gòu)。第3 特征向量的方差貢獻率僅為5.9%，最大負值中心位于南部的運城地區(qū)和北部的大同地區(qū)，中部的太原和陽泉地區(qū)存在最大正值中心，中部地區(qū)的降水量與南部、北部地區(qū)存在反位相分布的關(guān)系（圖3c）。

2.2 降水量的時間分布特征

特征向量的時間系數(shù)代表了空間分布隨時間的變化情況，其絕對值的大小，代表該型空間分布特征的強弱。對60 年來降水量場的空間分布特征進行分析可知，山西省春播期降水量場表現(xiàn)為第1 特征向量的年份有38 a，占總數(shù)的63.3%，說明山西省春播期降水以全省一致型的氣候特征為主；降水量場以第2 特征向量出現(xiàn)的年份有15 a，占總數(shù)的25%；降水量場以第3 特征向量出現(xiàn)的年份有7 a，占總數(shù)的11.7%，具體年份見表2。春播期降水量場的3種分布形態(tài)與王振華、劉秀紅等[15，19]關(guān)于山西春季降水的分布形態(tài)研究結(jié)果較為相似，但6 種降水量場年份的分布不完全一致，其中大部分年份有重疊，部分年份則不同。

表2 3 種分布形態(tài)的6 種降水量場年分布

2.3 降水變化趨勢空間特征

通過計算1961—2020 年4、5 月山西省各站的氣候變化傾向率，了解春播期降水量場變化速率的空間特征（圖4），4 月降水量大部（42 站）呈隨時間減小的變化特征，占總站數(shù)的58.3%，主要位于山西南部地區(qū)（圖4a）。5 月降水量變化趨勢較4 月幅度增大，空間分布呈大部增多，中西部減少的特征（圖4b），72 個站中共有50 站降水量呈增加趨勢，占總數(shù)的69.4%，主要位于山西東南部和北部大部分地區(qū)，區(qū)域性特征明顯。從相關(guān)系數(shù)檢驗可知，大部分站點4、5 月降水的氣候變化傾向率都沒有通過α=0.05的顯著性檢驗。4、5 月降水量的相關(guān)系數(shù)為-0.06，未通過顯著性檢驗，表明4、5 月降水量的相關(guān)性不高、連續(xù)性較差。

圖4 1961——2020 年山西省4 月（a）和5 月（b）降水量變化趨勢空間分布

2.4 降水時間變化特征

對1961—2020 年山西省春播期降水量時間序列使用滑動平均方法選取最優(yōu)平滑方案進行年代際尺度的氣候變化分析。表3 為10 a 滑動長度的3 種約束方案的MSE 值，圖5 為春播期降水序列3 種不同邊界約束的平滑序列。從表3 可知，3 種約束方案的MSE 分別為0.827、0.842、0.821，選取MSE 值最小的粗糙度約束方案計算的平滑趨勢較為合理。

表3 山西省春播期降水時間序列3 種約束方案的MSE 值

圖5 1961—2020 年山西省春播期降水量及其3 種方案的10 a 滑動長度平滑序列

由圖5 可知，取10 a 滑動長度時，粗糙度約束方案序列兩端的平滑值與觀測值比較接近，某些年份，模和斜率約束方案計算出的平滑值與觀測值偏差較大。1961—2020 年山西省春播期降水年際和年代際變化特征十分明顯，60 年來春播期降水經(jīng)歷了“多—少—多—少—多”的5 個氣候變化階段，可大致劃分為：1961—1970，1971—1982，1983—1994，1995—2004，2005—2020 年，特別是2005 年以后降水處于偏多的年代際。

表4 給出了各個氣候階段的平均值及相鄰兩階段的u 檢驗值，用于比較2 個階段的降水量平均值的差異性，所有的u 檢驗值都超過了95%的顯著性水平，表明在任意2 個相鄰階段春播期降水量的均值具有顯著性差異，這5 個階段的劃分具有一定的合理性。

表4 山西省春播期降水時間序列10 a 滑動長度后的各階段均值和u 檢驗值（uα=0.05 =1.96）

通過小波分析方法對山西省春播期降水量的周期性特征進行研究。山西省春播期降水的主要周期有2～3 和12～13 a。其中2～3 a 的周期性表現(xiàn)最為明顯，最大值中心為1963 年，但近10 年來4～5 a 周期也較為明顯，出現(xiàn)閉合中心。

3 異常降水年的環(huán)流特征

對山西省近60 年春播期降水量序列以超過一倍標(biāo)準差為標(biāo)準挑選異常降水年份，得到異常多雨年有8 a，分別為1963、1964、1970、1983、1985、1991、1998、2014 年；異常少雨年有9 a，分別為1962、1972、1974、1979、1981、1995、1997、2000、2001 年。

3.1 異常降水年的500 hPa 位勢高度場特征

影響山西省春播期降水異常分布主要因素是大尺度天氣系統(tǒng)導(dǎo)致的環(huán)流異常。圖6 為山西省春播期異常多雨年和少雨年500 hPa 位勢高度場距平合成圖。異常多雨年500 hPa 位勢高度距平場上烏拉爾山、貝加爾湖、巴爾喀什湖、鄂霍次克海附近為負距平中心，正距平中心主要位于華北東部和日本海以南的洋面上，此時，東亞中高緯地區(qū)表現(xiàn)為“東高、西低”和“+、-、+”的南北結(jié)構(gòu)特征，低壓槽在烏拉爾山以東至貝加爾湖以西一帶生成并發(fā)展，山西省大部處于高空槽的東南側(cè)，偏南暖濕氣流和北方冷空氣在此交匯，有利于多雨天氣出現(xiàn)；在異常少雨年，東亞中高緯度地區(qū)500 hPa 位勢高度距平場為“東低、西高”和“-、+、-”的南北結(jié)構(gòu)特征，山西省大部地區(qū)受北方干冷空氣的影響，水汽輸送條件轉(zhuǎn)差，不利于降水天氣的發(fā)生，這與劉秀紅等[19]人關(guān)于山西春季干旱成因研究中位勢高度場東西向的分布特征較為一致，但南北向的結(jié)構(gòu)特征略有差異。

圖6 山西省春播期異常多雨年（a）和少雨年（b）500 hPa 位勢高度場（單位：dagpm）的距平合成

3.2 異常降水年的850 hPa 風(fēng)場特征

圖7 為山西省春播期異常多雨年和少雨年850 hPa矢量風(fēng)場距平合成圖。異常多雨年850 hPa 風(fēng)場，我國中東部地區(qū)盛行偏南氣流，在華北上空偏南氣流直達內(nèi)蒙古地區(qū)，山西地區(qū)處于偏南氣流的左側(cè)，山西上空水汽條件較為充沛，水汽輻合利于降水天氣的發(fā)生。在異常少雨我國東北至華北北部一帶受冷空氣控制，山西上空盛行西北風(fēng)或偏西風(fēng)，無明顯水汽輸送通道，顯著的西南氣流主要位于華北東部地區(qū)，春播期間多冷空氣活動，而西南氣流偏弱，位置偏東，水汽不能輸送到山西一帶，造成降水偏少，這與周晉紅等[20-22]關(guān)于春季典型干濕年水汽輸送特征的研究結(jié)果較為一致。

圖7 山西省春播期異常多雨年（a）和少雨年（b）850 hPa 矢量風(fēng)場（單位：m/s）的距平合成

3.3 異常降水年的海平面氣壓場特征

圖8 為山西省春播期異常多雨年和少雨年海平面氣壓場距平合成。異常多雨年海平面氣壓場呈北高南低分布，尤其是歐亞高緯度地區(qū)為顯著的正距平分布，我國大部分地區(qū)為負距平分布，氣壓梯度較大，有利于北方冷空氣南下，對降水的觸發(fā)非常重要。而異常少雨年正好相反，海平面氣壓場呈南高北低分布，山西及周邊大部地區(qū)處于均壓場中，中國大部地區(qū)海平面氣壓偏低，歐亞高緯度地區(qū)有一顯著的負距平中心，不利于北方冷空氣南下，這與王曉玲、高娜等[23-25]研究結(jié)論較為相似。

圖8 山西省春播期異常多雨年（a）和少雨年（b）海平面氣壓場（單位：hPa）的距平合成

4 異常降水年的前期冬季海溫特征

海表熱力異常會導(dǎo)致大氣環(huán)流異常變化，前期冬季海溫發(fā)生異?？梢酝ㄟ^大尺度遙相關(guān)型的變化導(dǎo)致我國降水發(fā)生異常[2]?？紤]到海洋變化對我國降水的影響有一定時間的滯后效應(yīng)，圖9 為春播期異常多雨年和少雨年的前期冬季全球海表溫度（SST）的距平合成圖，山西省春播期降水異常年與全球SST 的不同配置相對應(yīng)，兩者所對應(yīng)的SST 分布形態(tài)幾乎相反，差異性顯著。其中異常多雨年的前期冬季赤道中東太平洋呈現(xiàn)典型的El Nino 分布型，即赤道中東太平洋為正距平，西風(fēng)漂流區(qū)為負距平，暖池亦為負距平，印度洋呈北正南負的偶極子分布型，大西洋呈“-、+、-”的三極子分布型。這與梁洪海等[26]關(guān)于東北春季透雨與前期海溫關(guān)系的研究結(jié)果較為相似。

圖9 山西省春播期異常多雨年（a）和少雨年（b）前期冬季海表溫度場（單位：℃）的距平合成

5 結(jié)論與討論

利用山西省72 個國家氣象站1961—2020 年4—5 月的降水量資料、NECP/NCAR 再分析資料和海表溫度等資料，對山西省春播期降水的時空變化、異常年對應(yīng)的環(huán)流和海溫分布特征等進行分析，主要結(jié)論如下：

（1）近60 年山西省春播期降水量場主要有全省一致型、南北差異型、南北與中部差異型3 種分布類型，分別占總年數(shù)的63.3%，25%和11.7%。其中春播期降水量增加趨勢不明顯，4 和5 月變化趨勢相反，降水量年際和年代際變化特征十分明顯，共經(jīng)歷了“多—少—多—少—多”5 個氣候變化階段。春播期降水的主要周期有2～3 和12～13 a，其中2～3 a 的周期表現(xiàn)最明顯。

（2）春播期異常多雨年500 hPa 高度場，東亞中高緯度地區(qū)表現(xiàn)為“東高、西低”和“+、-、+”的南北結(jié)構(gòu)特征；850 hPa 風(fēng)場我國中東部地區(qū)盛行偏南氣流，山西地區(qū)處于偏南氣流的左側(cè)，水汽條件較為充沛；海平面氣壓場呈北高南低分布，歐亞高緯度地區(qū)為正距平分布，我國大部分地區(qū)為負距平分布；前期冬季赤道中東太平洋呈現(xiàn)典型的El Nino 分布型，印度洋呈北正南負的偶極子型分布，大西洋呈“-、+、-”的三極子型分布。異常少雨年大氣環(huán)流形勢和前期冬季海表溫度分布型則基本相反。

本文僅對山西省春播期降水時空變化及異常環(huán)流特征進行了初步分析，而春播期間的總降水量、透雨量、降水日數(shù)等要素之間的關(guān)系，透雨這種天氣尺度過程所對應(yīng)的環(huán)流形勢與春播期降水典型年對應(yīng)的環(huán)流特征是否一致，降水如何影響土壤墑情的變化，進而影響春播期的進度，還需要進一步的研究，以期為提高山西省春播期降水的預(yù)報預(yù)測水平和合理安排農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)建議。