孫即霖，寶樂爾其木格

（中國海洋大學(xué)物理海洋實(shí)驗(yàn)室，海洋大氣－大氣相互作用與氣候?qū)嶒?yàn)室，山東青島266100）

黃河流域降水異常與渤、黃海水溫，大氣環(huán)流異常變化及入海流量關(guān)系的研究＊

孫即霖，寶樂爾其木格

（中國海洋大學(xué)物理海洋實(shí)驗(yàn)室，海洋大氣－大氣相互作用與氣候?qū)嶒?yàn)室，山東青島266100）

利用1948—2004年CPC／NCEP的月平均降水資料、NCEP的850hPa風(fēng)場和500hPa位勢高度場資料，應(yīng)用EOF方法、小波分析方法、合成法及相關(guān)分析法，分析了黃河流域降水主模態(tài)的空間分布及其時(shí)間變化特征和異常環(huán)流特征。利用黃河利津站1950—2002年月平均入海流量資料分析了入海流量和降水關(guān)系。基于NOAA的1982—2004年月平均海溫資料分析了渤、黃海3月海溫和黃河流域7月降水的關(guān)系。結(jié)果表明：黃河流域降水空間模態(tài)主要表現(xiàn)為全流域一致型、南北型、東西型分布，黃河流域降水主要周期為2～4a。黃河利津站入海流量和黃河流域年總降水量、降水第一模態(tài)有密切聯(lián)系。黃河流域降水水汽輸送受孟加拉灣水汽輸送和西太平洋副熱帶高壓外圍風(fēng)場影響，副高偏西不利于黃河流域降水，巴爾喀什湖附近異常低槽的發(fā)展有利于黃河流域的降水。3月份渤、黃海海溫可作為考察當(dāng)年黃河流域降水量的指標(biāo)。

黃河流域；降水時(shí)空特征；入海流量；異常環(huán)流

黃河發(fā)源于青藏高原巴顏喀拉山，流經(jīng)9省，自治區(qū)，在山東墾利縣注入渤海。黃河流域處于我國半干旱半濕潤地區(qū)，水資源短缺十分嚴(yán)重。降水是重要的水資源，劉曉東等［1］，徐宗學(xué)和張楠［2］分析指出，由于黃河流域內(nèi)地形地勢差異，流域內(nèi)降水分布很不均勻，年總降水量由東南向西北遞減［1－2］。關(guān)于黃河流域降水研究以流域的某個(gè)區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象的較多，其中以黃河流域上游降水的研究更多［3－4］。自1960年起黃河上游地區(qū)有干旱趨勢且在1980年代該流域降水有1次明顯的由濕潤變?yōu)楦珊档耐蛔儯?］。黃河流域降水具有較明顯的周期性，短周期表現(xiàn)為準(zhǔn)3a的周期，這可能是受到“海－氣”相互作用的結(jié)果；中長周期一般表現(xiàn)為11和22a左右的周期［5］。李占杰等［6］指出黃河流域降水序列明顯存在著60a的代際尺度，14、25a的年代際尺度和3、9a左右的年際尺度變化周期。馬柱國［7］分析指出斷流時(shí)間提前、斷流長度逐年增加、斷流時(shí)間增長是黃河徑流的顯著特征。人類用水量的增加，地表干旱化是影響黃河徑流減少的重要原因。而地表干旱化是由于區(qū)域增暖引起的蒸發(fā)增加和流域降水的減少［7］。盧秀娟等［8］指出黃河中游地區(qū)徑流量異常與降水量異常一致，而在上游不一致。張士鋒等［9］指出降水在空間上的不均勻?qū)Ξa(chǎn)流的影響更重要，而時(shí)間的不均勻性對(duì)年徑流量影響并不顯著。

國外關(guān)于河流流域降水的研究發(fā)現(xiàn)，某一地區(qū)地表水由降水、流量和蒸發(fā)決定［10－11］。降水和徑流量有著密切的聯(lián)系，降水在整個(gè)流域不同區(qū)域有不同特征。密西西比河流域降水量和徑流量有相同的變化（增長）趨勢。1948—2004年間整個(gè)流域降水量增加，而流域中部地區(qū)增強(qiáng)最大。降水在整個(gè)流域的變化不均勻，在中部和東部地區(qū)降水量增加，這由增強(qiáng)的徑流量和較少量的蒸發(fā)來平衡。在西部降水量增大導(dǎo)致蒸發(fā)加強(qiáng)，但對(duì)徑流量影響不大［10］?；趯?duì)薩斯奎哈納河歷史資料和模式結(jié)果的分析均表明：年徑流量的百分變化率為年降水百分變化率的2倍，且在6、7月份兩者關(guān)系更密切。溫度和徑流量存在較弱的負(fù)相關(guān)［11］?；趯?duì)勒那河的分析指出較大范圍地區(qū)徑流量和降水變化與大范圍大氣環(huán)流變化有關(guān)［12］。明尼蘇達(dá)河年平均徑流量變化與年總降水量變化有著密切的聯(lián)系［13］。

本文著眼于分析整個(gè)黃河流域降水特征及其與入海通量的關(guān)系。給出了整個(gè)流域降水的3種模態(tài)。降水異常和大氣環(huán)流異常聯(lián)系密切，本文對(duì)黃河流域降水異常和大氣環(huán)流異常的聯(lián)系，進(jìn)行了初步探索。

1 資料和方法介紹

利用Climate Prediction Center／National Centers for Environmental Prediction（CPC／NCEP）的1948—2004年空間分辨率為0.5（°）×0.5（°）的月平均降水資料，單位為0.1mm／d、NCEP的1948—2004年空間分辨率為2.5（°）×2.5（°）的850hPa月平均經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)資料、500hPa月平均位勢高度場資料、黃河利津站1950—2002年月平均入海流量資料、NOAA Optimum Interpolation Sea Surface Temperature Analysis的1982—2004年空間分辨率為1（°）×1（°）的月平均海溫資料和EOF（Empirical Orthogonal Function）分析方法［3，14－16］，得出黃河流域降水時(shí)空分布主模態(tài)，同時(shí)采用小波分析方法分析了黃河流域降水周期?？紤]到氣候突變是氣候從1種穩(wěn)定態(tài)跳躍式地轉(zhuǎn)變到另1種穩(wěn)定態(tài)的現(xiàn)象，表現(xiàn)為氣候在時(shí)空上從1個(gè)統(tǒng)計(jì)特性到另1個(gè)統(tǒng)計(jì)特性的急劇變化［17］。本文利用Mann－Kendall突變檢驗(yàn)方法對(duì)降水進(jìn)行了突變分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃河流域降水的時(shí)空主模態(tài)

本文對(duì)黃河流域（96°E～119°E，33.5°N～42°N）降水進(jìn)行EOF分析，利用North［18－19］準(zhǔn)則進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)，前8個(gè)模態(tài)均為有價(jià)值的信號(hào)，得到的方差貢獻(xiàn)如圖1。前8個(gè)模態(tài)的累積方差貢獻(xiàn)為77.10%，第一模態(tài)的方差貢獻(xiàn)達(dá)到33.63%，前3個(gè)模態(tài)的累積方差貢獻(xiàn)為59.46%，且它們之間的差異也比較大，從第4個(gè)特征向量開始減少逐漸緩慢，彼此之間差異變小，在整個(gè)方差貢獻(xiàn)中所占的百分比已很小。本文選取前3個(gè)模態(tài)作為研究對(duì)象。

圖1 EOF分解前8個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)Fig.1 The variance percentage of the first 8EOF modes

圖2 EOF分解的第一模態(tài)（a）空間分布；（b）年總降水量與時(shí)間系數(shù)（實(shí)線：年總降水量；虛線：時(shí)間系數(shù)）；（c）M－K檢驗(yàn)（實(shí)線：UF；虛線：UB）；（d）時(shí)間系數(shù)的小波分析Fig.2 The first EOF mode（a）spatial pattern；（b）yearly precipitation and time series；（c）Mann－Kendall significance test（solid line：UF；dashed line：UB）；（d）wavelet analysis for first principal component

第一模態(tài)占總方差的33.63%。從圖2（a）可以看出此模態(tài)主要顯示出在整個(gè)流域有很好的一致性，整個(gè)流域地區(qū)以澇（或旱）為主要特征，最大值中心位于該流域東南地區(qū)，以該最大值為中心向西北，北方向逐漸減少。這可能與季風(fēng)影響范圍，和大尺度環(huán)流形勢有關(guān)。本結(jié)論與劉曉東等［1］，徐宗學(xué)和張楠［2］分析的結(jié)論相似。由圖2（b）看出，第一時(shí)間序列和黃河流域年總降水量變化趨勢較一致，時(shí)間系數(shù)在1964年左右達(dá)到最大值，1956和2003年左右降水也偏大。而在1992年左右達(dá)到最小值，降水最少。由圖2（c）Mann－Kendall檢驗(yàn)結(jié)果可以看出在1948—2004年期間UF線呈下降趨勢，結(jié)合空間分布，看出在整個(gè)流域降水有減少趨勢，在上世紀(jì)60年代末70年代初黃河流域降水有1次明顯的突變，大約在1969年左右發(fā)生。由小波分析結(jié)果（見圖2（d））看出黃河流域降水第一模態(tài)以2～4a周期較顯著，其中在1950—1960年間4～8a的周期也較顯著。

圖3 EOF分解的第二模態(tài)（a）空間分布；（b）時(shí)間系數(shù)；（c）時(shí)間系數(shù)的小波分析Fig.3 The second EOF mode（a）spatial pattern；（b）time series；（c）wavelet analysis for the principal component

第二模態(tài)能夠解釋黃河流域降水15.64%方差的特征，其空間分布（見圖3（a））與第一模態(tài)有很大的差別，呈南北型分布，南旱（澇）北澇（旱），在渭河流域有一正值中心，最大負(fù)值中心位于環(huán)渤海地區(qū)，且負(fù)值范圍與正值相比較大，向北延伸到整個(gè)黃河流域北部。正負(fù)值過渡線：零線從黃河流域下游一直延伸到黃河流域上游。這種分布形式可能與離海洋的遠(yuǎn)近，西南季風(fēng)影響范圍，強(qiáng)度有關(guān)。時(shí)間序列最大正值出現(xiàn)在1983年左右，最小值出現(xiàn)在1960年左右，南部地區(qū)在1983年左右降水異常多而北部地區(qū)異常少，南澇北旱型，而在1960年左右南部降水異常少，北部異常多，南旱北澇型分布。第二模態(tài)時(shí)間系數(shù)小波分析表明，在不同時(shí)段以2～8a的周期較為顯著。

圖4 EOF分解的第三模態(tài)（a）空間分布；（b）時(shí)間系數(shù)；（c）時(shí)間系數(shù)的小波分析Fig.4 The third EOF mode（a）spatial pattern；（b）time series；（c）wavelet analysis for the principal component

第三模態(tài)方差貢獻(xiàn)為10.19%，空間向量分布形式與前2個(gè)模態(tài)有很大差別，呈東西型分布：東澇（旱）西旱（澇），東部地區(qū)為正值，黃河下游東南地區(qū)有一較大范圍的正值區(qū)，負(fù)值中心在黃河中游地區(qū)。這種分布形式也可能與離海洋的遠(yuǎn)近和地形有關(guān)。第三時(shí)間系數(shù)分布較均勻，最小值出現(xiàn)在1968年和2001年左右，東部旱西部澇型分布，最大值出現(xiàn)在1963年左右，呈西部旱東部澇型分布。第三模態(tài)小波能量也主要集中在2～4a，在1955—1975年間4～16a的周期特征也較明顯。

綜合以上分析，黃河流域降水空間分布主要為全流域一致型、南北型、東西型分布。第一模態(tài)在1960年代末有1次突變，降水主要周期2～4a。

2.2 黃河入海流量與黃河流域降水關(guān)系

對(duì)黃河流域年總降水量與年平均入海流量和EOF第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)進(jìn)行了相關(guān)分析。年平均降水量和年平均入海流量的相關(guān)系數(shù)為0.64（通過99%的顯著性檢驗(yàn)），由圖5（a，b）看出，黃河流域年總降水量變化趨勢與入海流量較一致。年平均入海通量與第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)的變化趨勢較一致，入海通量和第一時(shí)間系數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.36（通過99%的顯著性檢驗(yàn)），因?yàn)榈谝惶卣飨蛄吭谡麄€(gè)黃河流域?yàn)檎?，因此整個(gè)流域降水與入海流量正相關(guān)，黃河流域降水少（多）時(shí)入海流量也較少（多）。

圖5 （a）年平均入海流量和年總降水量和第一時(shí)間序列和；（b）年平均入海流量和第一時(shí)間序列Fig.5 （a）Yearly runoff and yearly precipitation and；（b）yearly runoff and the first principal component

2.3 黃河流域降水異常環(huán)流形勢分析

從黃河流域年總降水量（見圖6）看出，在1948—2003年間以偏旱的年較多，從1964—1965年降水有較大幅度的變化，從1968年開始整個(gè)流域降水總量減少，且幅度較大，該結(jié)論與2.1節(jié)分析的突變時(shí)間相對(duì)應(yīng)。

根據(jù)距平值為標(biāo)準(zhǔn)差的1.5倍選?。?0］1948—2004年間降水較多的4a，分別為1949，1964，1967，2003年，和降水較少的3a：1965，1986，1997年。選取降水多的年份和少的年份850hPa經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)進(jìn)行合成得到了水汽通量場和850hPa異常環(huán)流場，本文選取7月進(jìn)行分析。

圖6 黃河流域年總降水量Fig.6 Yearly precipitation in Yellow River Basin

由多年平均圖7（e）看出，黃河流域降水水汽主要來源為西南夏季風(fēng)的輸送。水汽源地阿拉伯海上空有很強(qiáng)的南轉(zhuǎn)西南的氣流（在整個(gè)區(qū)域最強(qiáng)），該氣流向東輸送經(jīng)過孟加拉灣上空，在印度洋東岸分為偏東和偏北氣流，偏東氣流通過中南半島到達(dá)南海西岸時(shí)與從太平洋副熱帶高壓外圍分離出來的偏南氣流匯合加強(qiáng)，往東北，西北方向輸送水汽。由圖7看出，在降水偏多年份（圖7（a）），黃河流域偏西南氣流明顯偏強(qiáng)于多年平均（圖7（e）），且距平場（圖7（b））也較強(qiáng)，有利于輸送充分的暖濕氣流，有利于黃河流域降水，而降水偏少的年份則明顯弱于多年平均且距平場也較弱，不利于水汽的輸送。

由圖8（e）多年平均場看出，500hPa高度場在黃河流域附近沒有明顯的槽脊，在降水多的年份，距平場（圖8（a））巴爾喀什湖地區(qū)有較大的負(fù)異常，而在貝加爾湖北側(cè)有較大的正異常，對(duì)應(yīng)的平均場（圖8（c））在巴爾喀什湖地區(qū)有槽發(fā)展（見圖8（c）），貝加爾湖北側(cè)有脊發(fā)展黃河流域位于槽前有利于降水，西太平洋上588線范圍較常年明顯減小。

降水少的年份，在距平場（圖8（b））巴爾喀什湖西北側(cè)有較大的負(fù)異常中心，貝加爾湖東北側(cè)為較大的正異常，與降水多的年份相比其中心值絕對(duì)值更大，負(fù)值中心位于更偏西北位置，正值中心則更偏東北，在對(duì)應(yīng)平均場（圖8（d））上中高緯度的槽和更高緯度的脊，黃河流域上游地區(qū)為弱的脊控制，西北太平洋588線范圍擴(kuò)大，向西、北方向延伸。

圖7 降水異常年份850hPa環(huán)流特征：降水多年份平均場（a）和距平場（b）；降水少年份平均場（c）和距平場（d）；多年平均場（e）Fig.7 850hPa wind field in anomalous years：mean field（a），anomaly field（b）in anomalies high years；mean field（c），anomaly field（d）in anomalies low years

圖8 降水異常年份500hPa環(huán)流場：降水多的年份距平場（a）和平均場（b）；降水少的年份距平場（c）和平均場（d）；多年平均場（e）Fig.8 500hPa geopotential height field in anomalous years：anomaly field（a），mean field（b）in anomalies high years；anomaly field（c），mean field（d）in anomalies low years

綜合來看，黃河流域降水主要為季風(fēng)降水，西南季風(fēng)給降水提供充分的暖濕氣流，降水多（少）的年份西南氣流偏強(qiáng)（弱）。西太平洋副熱帶高壓范圍與黃河流域降水有關(guān)，西太平洋副熱帶高壓西北側(cè)的西南氣流是向黃河流域輸送水汽的主要通道。西北太平洋副高東退時(shí)有利于黃河流域降水，而西進(jìn)時(shí)卻不利于黃河流域降水。降水多的年份在貝加爾湖上游地區(qū)有淺槽發(fā)展，黃河利于位于槽前，有利于降水，而降水少的年份則為一個(gè)弱脊。

2.4 渤、黃海3月份海溫異常與黃河流域降水的關(guān)系

圖9 3月份渤、黃海海溫和7月份黃河流域降水相關(guān)場Fig.9 Correlation coefficient field between sea surface temperature of the Bohai and Huanghai sea in March and precipitation of Yellow River basin in July

圖9為春季異常渤、黃海（117°E～125°E，37°N～41°N）海溫與黃河流域7月降水的關(guān)系圖。從圖中看出，當(dāng)3月渤、黃海海溫偏低時(shí)，黃河流域容易出現(xiàn)干旱。其物理機(jī)制為：由于海水的熱容量大，3月異常低的水溫可持續(xù)影響到夏季。異常低的海溫對(duì)上空的冷卻導(dǎo)致在其上空出現(xiàn)異常熱力強(qiáng)迫槽，槽后氣流恰好可以影響黃河中游地區(qū)。因此，3月份渤、黃海的海溫可作為考察當(dāng)年黃河流域降水量的指標(biāo)。

3 結(jié)論

（1）本文應(yīng)用EOF分解方法分析了黃河流域降水時(shí)空變化特征，其降水呈現(xiàn)出全流域一致型、南北型和東西型分布，降水周期主要為2～4a，降水在1960年代末發(fā)生了1次由多到少的突變。

（2）降水和入海流量關(guān)系研究表明年入海通量與整個(gè)流域年總降水量為正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為0.64），并且與第一模態(tài)的時(shí)間系數(shù)也呈正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為0.36）。（3）影響黃河流域降水的主要環(huán)流特征為夏季850 hPa風(fēng)場來自孟加拉灣的水汽輸送，西南季風(fēng)加強(qiáng)可以給黃河流域降水帶來充沛的水汽，500hPa巴爾喀什湖槽發(fā)展有利于上升運(yùn)動(dòng)的維持。西太平洋副熱帶高壓東退時(shí)有利于黃河流域降水，而西進(jìn)時(shí)不利于黃河流域降水。

（4）3月份渤、黃海的海溫可作為考察當(dāng)年黃河流域降水量的指標(biāo)之一。

［1］ 劉曉東，安芷生，方建剛，等.全球氣候變暖條件下黃河流域降水的可能變化［J］.地理科學(xué)，2002，22（5）：513－519.

［2］ 徐宗學(xué)，張楠.黃河流域近50年降水變化趨勢分析［J］.地理研究，2006，25（1）：27－34.

［3］ 楊志峰，李春暉.黃河流域上游降水時(shí)空結(jié)構(gòu)特征［J］.地理科學(xué)進(jìn)展，2004，23（2）：27－33.

［4］ Zhao Fangfang，Xu Zongxue，Huang Junxiong.Long－Term trend and abrupt change for major climate variables in the upper Yellow River basin［J］.Acta Meteorological Sinica，2007，21（2）：204－214.

［5］ 朱厚華，秦大庸，周祖昊，等.黃河流域降水演變規(guī)律研究［J］.人民黃河，2005，27（11）：17－20.

［6］ 李占杰，魚京善.黃河流域降水要素的周期特征分析［J］.北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，46（3）：401－404.

［7］ 馬柱國.黃河徑流量的歷史演變規(guī)律及成因［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2005，48（6）：1270－1275.

［8］ 盧秀娟，張耀存，王國剛.黃河流域代表水文站徑流和降水量變化的初步分析［J］.氣象科學(xué)，2003，23（2）：192－199.

［9］ 張士鋒，賈紹鳳.降水不均勻性對(duì)黃河天然徑流量的影響［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2001，20（4）：355－363.

［10］ Qian Taotao，Dai Aiguo，Trenberth Kevin E.Hydroclimatic trends in the Mississippi River basin from 1948to 2004［J］.Journal of Climate，2010，20：4599－4614.

［11］ Najjar R G.The water balance of the Susquehanna River basin and its response to climate change［J］.Journal of Hydrology，1999（219）：7－19.

［12］ Sveta Berezovskaya，Daqing Yang，Larry Hinzman.Long－term annual water balance analysis of the Lena River［J］.Global and Planetary Change，2005，48：84－95.

［13］ Eric V Novotny，Heinz G Stefan.Stream flow in Minnesota：In－dicator of climate change［J］.Journal of Hydrology，2007，334：319－333.

［14］ 覃衛(wèi)堅(jiān)，苗春生，陳麗，等.EOF在廣西春季降水分析中的應(yīng)用［J］.氣象研究與應(yīng)用，2007，28（2）：42－45.

［15］ 高留喜，劉秦玉.山東春季降水的時(shí)空變化特征分析［J］.高原氣象，2005，24（5）：811－815.

［16］ 曾廣恩，練樹民，程旭華，等.東、黃海海表面溫度季節(jié)內(nèi)變化特征的EOF分析［J］.海洋科學(xué)進(jìn)展，2006，24（2）：146－155.

［17］ 符淙斌，王強(qiáng).氣候突變的定義和檢測［J］.大氣科學(xué)，1992，16（4）：482－493.

［18］ North G R，Bell T L，Cahalan R F，et al.Sampling errors in the estimation of empirical orthogonal functions［J］.Monthly Weather Review，1982，110：699－706.

［19］ 魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測技術(shù)［M］.第2版.北京：氣象出版社，2007.

［20］ 譚凌志.梧州市月降水異常分析［J］.貴州氣象，1992，16（3）：16－18.

Research on Relationship Between Abnormal Precipitation in Yellow River Basin and Bohai，Huanghai Sea Surface Temperature，Abnormal Circulation and Runoff

SUN Ji－Lin，Baoleerqimuge
（Physical Oceanography Laboratory ＆Ocean－Atmosphere Interaction and Climate Laboratory，Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

Based on the CPC／NCEP monthly precipitation data during 1948—2004and NCEP monthly geopotential height data at 500hPa and wind data at 850hPa，the spatial and temporal patterns of Yellow River Basin precipitation and abnormal circulation is analyzed by using EOF，wavelet analysis，synthesis analysis and correlation analysis.1950—2002monthly runoff data at Lijin Gauge is used to analyze the relationship between runoff and precipitation.NOAA 1982—2004monthly sea surface temperature is used to analyze the relationship between precipitation in July and sea surface temperature in March.The result shows that：the spatial pattern is consistency in the whole basin，south－north distribution，east－west distribution，the major cycle of the precipitation is 2～4years.The runoff is closely related to yearly precipitation and the first mode.The water transport in Yellow River basin is affected by southwest airflow from the Bay of Bengal and west pacific high.When the west pacific high locates westerly，it is not propitious to rainfall in Yellow River basin，the development of trough over Balkhash Lake is propitious to rainfall in Yellow River basin.The sea surface temperature of Bohai and Huanghai sea can be a reference for Yellow River precipitation.

Yellow River Basin；spatial and temporal pattern of precipitation；runoff into the sea；abnormal atmospheric circulation

P434＋.5

A

1672－5174（2012）1－2－001－07

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（40930844，10735030）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（40676012）資助

2011－03－29；

2011－04－27

孫即霖（1956－），教授，博導(dǎo)。E－mail：sunjilin＠ouc.edu.cn

責(zé)任編輯 龐 旻