山西省春播期降水時空變化及環流異常特征

袁 杰，魏鳳英，馬曉玲

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

隨著全球氣候變化的發展，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，不同時期和區域的氣候變化對農業生產的影響不盡相同，其中異常降水事件除了與西風帶高空槽、阻塞高壓、西北太平洋副熱帶高壓等關鍵天氣系統的環流異常密切相關外，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雜，是重要的小雜糧產區，由于山西大部分地區光熱條件較好，降水成為影響農業生產的主要氣象因素，因此研究山西省春播期降水的時空變化規律及影響因素十分重要[7-10]。郭江勇等[11]對甘肅東部地區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流異常特征的研究還未涉及，本文利用72 個國家氣象站數據，結合大氣環流、海表溫度等資料，開展相關研究，可以彌補山西省關于春播期降水研究的不足，對春播期降水的中長期預測和合理安排春播期間的農業生產具有一定的意義。

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，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

采取經驗正交函數（EOF）方法分析山西省春播期（4—5 月）降水的區域特征；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律；采用合成分析方法進行異常年的大氣環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 個時段內春播期降水量呈北向南逐漸遞增的趨勢，在北中部地區存在U型分布特征，即東西兩側的降水量大于中部地區，在南部地區兩者的降水分布也較為相似。2 個時段內春播期降水具有很大的相似性，但也有不同之處，平均降水量場發生了一定的變化。結合圖1 可知，山西省春播期降水在北部中部地區存在的U 型分布特征與東西兩側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影響，也與地理位置、地形特征等多種因子密切相關[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），太原以南地區為正值區域，大值區位于臨汾、運城、長治、晉城等地；太原及其以北地區為負值區域，中心區域位于忻州西部、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構。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和北部的大同地區，中部的太原和陽泉地區存在最大正值中心，中部地區的降水量與南部、北部地區存在反位相分布的關系（圖3c）。

2.2 降水量的時間分布特征

特征向量的時間系數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為第1 特征向量的年份有38 a，占總數的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 特征向量出現的年份有15 a，占總數的25%；降水量場以第3 特征向量出現的年份有7 a，占總數的11.7%，具體年份見表2。春播期降水量場的3種分布形態與王振華、劉秀紅等[15，19]關于山西春季降水的分布形態研究結果較為相似，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，占總站數的58.3%，主要位于山西南部地區（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，占總數的69.4%，主要位于山西東南部和北部大部分地區，區域性特征明顯。從相關系數檢驗可知，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 月降水量的相關系數為-0.06，未通過顯著性檢驗，表明4、5 月降水量的相關性不高、連續性較差。

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，出現閉合中心。

3 異常降水年的環流特征

對山西省近60 年春播期降水量序列以超過一倍標準差為標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導致的環流異常。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，東亞中高緯地區表現為“東高、西低”和“+、-、+”的南北結構特征，低壓槽在烏拉爾山以東至貝加爾湖以西一帶生成并發展，山西省大部處于高空槽的東南側，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；在異常少雨年，東亞中高緯度地區500 hPa 位勢高度距平場為“東低、西高”和“-、+、-”的南北結構特征，山西省大部地區受北方干冷空氣的影響，水汽輸送條件轉差，不利于降水天氣的發生，這與劉秀紅等[19]人關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，但南北向的結構特征略有差異。

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矢量風場距平合成圖。異常多雨年850 hPa 風場，我國中東部地區盛行偏南氣流，在華北上空偏南氣流直達內蒙古地區，山西地區處于偏南氣流的左側，山西上空水汽條件較為充沛，水汽輻合利于降水天氣的發生。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或偏西風，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，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]關于春季典型干濕年水汽輸送特征的研究結果較為一致。

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為顯著的正距平分布，我國大部分地區為負距平分布，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處于均壓場中，中國大部地區海平面氣壓偏低，歐亞高緯度地區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

海表熱力異常會導致大氣環流異常變化，前期冬季海溫發生異?？梢酝ㄟ^大尺度遙相關型的變化導致我國降水發生異常[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，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，兩者所對應的SST 分布形態幾乎相反，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典型的El Nino 分布型，即赤道中東太平洋為正距平，西風漂流區為負距平，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]關于東北春季透雨與前期海溫關系的研究結果較為相似。

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、異常年對應的環流和海溫分布特征等進行分析，主要結論如下：

（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，東亞中高緯度地區表現為“東高、西低”和“+、-、+”的南北結構特征；850 hPa 風場我國中東部地區盛行偏南氣流，山西地區處于偏南氣流的左側，水汽條件較為充沛；海平面氣壓場呈北高南低分布，歐亞高緯度地區為正距平分布，我國大部分地區為負距平分布；前期冬季赤道中東太平洋呈現典型的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、降水日數等要素之間的關系，透雨這種天氣尺度過程所對應的環流形勢與春播期降水典型年對應的環流特征是否一致，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報預測水平和合理安排農業生產提供科學建議。