引言

河北省地处华北平原东北部，由于受到气候因素、地表因素及社会因素等的共同影响，使得河北省成为一个受气象灾害影响严重的地区，主要灾害有旱灾、水灾、风灾、雹灾、雷电灾和冻灾(寒潮、霜冻)等多种气象灾害。而在这些气象灾害中尤其以旱涝灾害最为频繁、影响最大。

形成降水异常的因子很多，其中大气环流和海温异常被公认为直接原因和最重要的大气外部强迫因素之一。卫捷等(2003；2004)对华北干旱期的大气环流异常特征和1999及2000年夏季华北严重干旱气候灾害及其物理成因进行了分析，认为华北夏季典型干旱年的前期(冬季和春季)及同期，北半球中高纬度500 hPa高度距平场出现EU型遥相关分布，华北地区长期处于大陆暖高压控制下。而在1999及2000年夏季华北严重干旱持续时期，欧亚35°~45°N范围的纬度带也存在EU型静止波列。这个静止波列的遥相关强迫作用以及干旱灾害区域下垫面的正反馈作用是造成1999及2000年夏季持续性干旱最重要的物理因子；魏凤英等(1998；2003)以降水量为主，考虑底墒及蒸发状况，定义了华北地区站春、夏季干旱指数，并对华北地区干旱的气候背景及其前兆强信号以及华北地区干旱强度的表征形式及其气候变异进行了研究；孙淑清(1999)和张庆云(1999)研究了华北地区干旱的年代际变化及与东亚环流和海温异常的关系；郭其蕴(1992)从遥相关的角度分析了华北旱涝与印度夏季风的联系。杨修群等(2005)研究了华北降水的年代际变化特征及相关的海气异常型。最近几年研究人员(高辉等，2008；孙冷等，2012；王遵娅等，2012)分别对2007年、2011年8月及夏季我国的气候异常特征进行了深入分析，得出许多有意义的结论。

虽然许多气象学家对华北地区降水量做了大量的研究，但是这些研究基本上是针对夏季降水量的(宫德吉，1997；朱平盛等，1997；孙安健等，2000；何有海等，2003)。对华北地区冬季降水异常的研究却极少，针对河北的研究更是少之又少，而且在众多研究华北地区旱涝的文献中一般只选取河北省的几个站点，这不能准确代表河北旱涝的真实状况。事实上华北(河北)冬季干旱也是一个严重的问题，冬季降水的多少对华北地区影响很大，冬季干旱致使地下水位急剧下降，井水干枯，人畜饮水困难，森林草原火险等级维持在最高级别，极易发生火灾。冬季干旱对农业影响也非常严重，使得受灾地区失、欠墒严重，冬春连旱造成土地难以下种，并且冬季降水量的多少对夏季乃至全年干旱都有重大影响。本文应用Z指数的方法，探讨河北冬季降水异常的时间变化特征，分析形成冬季旱涝的大气、海洋等因子的影响，从而为减轻该区域旱涝灾害损失、合理利用水资源，同时为政府和决策部门制作农业生产计划、采取防灾减灾措施提供科学依据。

1 资料和方法

本文所用资料主要包括河北省序列较长的71个台站及北京、天津站的1960年12月至2009年12月逐月的降水资料。NCEP/NCAR再分析资料中东北半球500 hPa逐月平均高度场格点资料，网格距均为2.5°×2.5°；NOAA逐月太平洋海表温度资料，网格距2.0°×2.0°；所用资料均做了中心化处理(中心化处理就是将原始资料减去其均值)。由于海温的线性趋势较强，处理资料时将太平洋海温资料做了去趋势化处理(去趋势化处理就是对资料进行线性趋势计算，再将原资料减去其线性趋势)。并且由于高度场和海温的南北跨度大，相隔同一经度，距离相差较大，因此高度场和海温资料又乘上了纬度的余旋。以上资料时间均为1960年12月至2009年12月。研究方法：合成分析、SVD(魏凤英, 2007)、蒙特卡罗统计检验(施能，1996；施能等，1997)等统计方法。

SVD分析的同性相关系数是指同一个场各个空间或时间点的距平序列与模态时间系数之间的相关性, 表征模态时间系数对该场距平序列的代表性。当同性相关系数大时, 说明模态时间系数对该距平序列代表性好; 当同性相关系数小时, 代表性差或没有代表性.而异性相关系数是指左场(或右场)距平序列与右场(或左场)模态时间系数之间的相关性, 其值的大小反映了左场(或右场)距平序列受控于右场(或左场)模态时间系数的程度(施能，1995；张万诚等，2002；钱永甫等，2004)。

2 冬季典型旱涝年份的确定

为了进行合成分析，选用能客观反映河北旱涝的降水Z指数来表征河北冬季旱涝程度。Z指数的转换公式(Kife，1978)为：

$ {Z_i} = \frac{6}{{{C_s}}}{\left({\frac{{{C_s}}}{2}{\varphi _i} + 1} \right)^{1/3}} - \frac{6}{{{C_s}}}{\rm{ + }}\frac{{{C_s}}}{6} $

式中，${\varphi _i}{\rm{ = }}\frac{{{x_i} - \overline x }}{\sigma }$和${C_s} = \frac{{\frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {{{\left({{x_i} - \overline x } \right)}^3}} }}{{{\sigma ^3}}}$分别为标准化变量和偏度系数。

根据73站冬季降水资料，对各站1961—2009年逐年冬季降水量进行Z指数转换，组成各站1961—2009年逐年冬季Z指数序列，然后进行逐年73站Z指数平均，组成河北区域1961—2009年逐年冬季平均Z指数序列，然后根据各级旱涝指标(鞠笑生等，1997)，定义平均Z指数序列中重涝、大涝年份：1967、1969、1979、1987、1989、1998和2008年为冬季典型湿润年，定义重旱、大旱年份：1961、1971、1981、1991、2001和2002年为冬季典型干旱年。

3 河北冬季降水异常的时间变化特征 3.1 冬季降水异常的年代际变化特征

对河北区域73站的冬季Z指数进行EOF分析，前5个特征向量的累积方差贡献率达到86%以上，第一特征向量(图 1a)的方差贡献率为73.3%，其空间变化幅度最大中心位于河北省东北部的唐山。第一特征向量对应的时间系数能反映河北作为一个整体的区域干旱指数随时间的变化特征。图 1b是冬季Z指数EOF分析第一特征向量对应时间系数及其4次多项式拟合曲线, 可以看出河北省冬季降水指数有明显的年代际变化，冬季时间系数在20世纪60年代到70年代中期呈下降趋势，70年代末期到90年代中期呈上升趋势，之后处于下降趋势。

3.2 冬季降水异常的周期性

对研究区域73站的冬季Z指数EOF分析第一特征向量对应的时间系数做Morlet小波变换分析(图 2)。由图 2可见，近49年河北冬季Z指数存在显著的8~10 a周期变化。另外，20世纪60年代中后期到70年代初，2~3 a周期的年际变化显著。

4 河北冬季降水异常的同期大气环流场和太平洋海温场异常特征分析 4.1 大气环流场特征 4.1.1 500 hPa高度场

图 3是冬季典型干旱与湿润年500 hPa平均位势高度距平场的合成。冬季典型干旱年(图 3a)，500 hPa平均位势高度场的负距平中心主要位于日本海到北太平洋西部附近；正距平的中心则位于乌拉尔山的西南部、东西伯利亚。典型湿润年(图 3b)基本与干旱年相反，正距平的中心位于北太平洋，而负距平的中心区则位于中西伯利亚。不同的是旱年冬季在青藏高原东部为正距平区，进一步说明高原距平的异常变化与河北冬季干旱有密切的联系。对照常年平均图可知：冬季当欧洲东部大槽加强时，贝加尔湖西部高脊和东亚大槽加强，河北省处于脊前槽后的西北气流控制下，出现冬旱；反之则降水偏多，冬季湿润。

4.1.2 850 hPa风场

图 4给出了冬季典型干旱和湿润年份850 hPa风矢量距平合成分布。冬季典型干旱年(图 4a)，贝加尔湖地区出现一个明显的气旋式环流距平，华北北部地区出现明显的偏北风距平，而以日本海及其东部西太平洋为中心，从鄂霍次克海到我国东北及东部海上存在异常的反气旋式环流，江淮流域的西风距平阻碍了中南半岛北上的暖湿气流，因此暖湿气流不易输送到河北地区，造成该地区降水偏少，河北出现冬旱。冬季典型湿润年(图 4b)，我国中西部存在弱的气旋式环流异常，日本海存在反气旋式环流异常；偏南风距平从江南向华北南部伸展，与从我国东部沿海向西北方伸展的东南风距平在河北相遇合并加强，河北处于偏南风距平中，冬季降水偏多，气候湿润。

4.2 太平洋海温场特征

图 5给出了冬季典型干旱和湿润年份太平洋SSTA合成分布。冬季典型干旱年(图 5a)赤道东太平洋海温偏低，最低中心位于Nino3区东部海域，而典型湿润年(图 5b)该区域成为正距平中心；冬季典型湿润年，西北太平洋海盆的南部和东北部各有一个正负距平的中心存在，中心值为0.2℃。而冬季典型干旱年在西北太平洋海盆的北部及东北太平洋海盆也各有一个正、负距平中心存在，但正距平中心值较典型湿润年高。可见冬季典型干旱、湿润年份赤道及北太平洋海温存在明显差异。

5 冬季降水异常与同期500 hPa高度场和太平洋海温场异常的耦合关系 5.1 500 hPa高度场异常型态与河北冬季降水异常的关系

以河北区域73个台站1961—2009年冬季的Z指数为左场，同期东北半球500 hPa位势高度场为右场，进行SVD分析。结果表明第一对模态的协方差贡献率达84%以上，并且经蒙特卡罗统计检验，第一对模态通过了0.01的显著性水平检验，相应的模态相关系数为0.49。

从图 6a分析看，500 hPa平均高度场异性相关系数第一模态的负相关区范围大于正相关区范围。负相关区位于欧洲东部到亚洲中高纬的广大区域，负值中心位于鄂霍次克海(关键区1)，中心区域的相关系数为-0.4，通过0.005显著性水平检验。正相关区位于新地岛以西的洋面及我国东部到北太平洋，正值中心主要位于斯瓦尔巴群岛及日本岛(关键区2)，中心区域的相关系数为0.3，通过0.05显著性水平检验。该型最显著的特点是，东亚地区从低纬到中高纬呈正、负、正的东亚—太平洋(EAP)遥相关型分布。对应的冬季Z指数第一模态异性相关系数场分布结构：全省一致的正相关，均通过0.05的显著性水平检验(图 6b)，大值区出现在河北省东部的沧州及承德的东部。这对空间型表明：当冬季关键区1内的平均高度场为负距平，关键区2的平均高度场为正距平时，全省冬季降水偏多，河北省的沧州及承德的东部表现最明显；反之，亦然。

从对应的时间系数(图 6c)演变看，二者为显著正相关。时间系数为正时，关键区l内的冬季500 hPa平均高度为负距平，关键区2内的冬季500 hPa平均高度为正距平，河北冬季整体湿润，河北省的沧州及承德的东部表现最明显；反之出现冬旱。从曲线多项式拟合看，时间系数年代际的变化明显，20世纪60年代、80年代中后期至90年代末期，时间系数处于负值区，在此期间关键区l内的冬季500 hPa平均高度出现正异常，关键区2内的冬季500 hPa平均高度出现负异常，河北冬季整体干旱；20世纪70年代初至80年代初期、21世纪初以来，时间系数处于正值区，在此期间关键区500 hPa平均高度出现相反变化，河北冬季整体湿润。

5.2 河北冬季降水异常与太平洋海温场异常的可能联系

以1961—2009年河北及周边73站冬季Z指数为左场，同期北太平洋(20°S~60°N，120°E~90°W)SSTA场为右场，进行SVD分析。SVD分析结果表明第一模态的协方差贡献率达69%，并且通过了0.01的蒙特卡罗显著性检验，相应的模态相关系数为0.57。为了更好地揭示北太平洋海温对河北冬季降水的控制作用，海温场采用同性相关系数，冬季Z指数场采用异性相关系数。

从图 7a海温场的空间分布型看出，海温场大致呈现西北—东南反相的分布型态，负相关区(关键区1) 位于西北太平洋、赤道西太平洋及其向东南方向延伸到大洋洲中部的广大海域，中心区域的相关系数为-0.7，通过0.001显著性水平检验。北太平洋的分布型态类似PDO遥相关型分布。其他海域为正相关区(关键区2)，中心区域的相关系数为0.4，通过0.005显著性水平检验。赤道太平洋的分布型态类似El Niño模态。冬季Z指数的空间分布型：全省一致的正相关(图 7b)，高值区位于邢台、邯郸、沧州一带，相关系数高于0.54，其相关系数通过0.001的显著性水平检验。这对空间型表明：当冬季关键区1内的海温偏低，关键区2内的海温偏高时，全省冬季Z指数偏大，降水偏多，河北省的邢台、邯郸、沧州一带表现更明显；反之，亦然。

从相应的时间系数变化(图 7c)看，在20世纪60年代初至90年代初为显著正相关。当时间系数为正时，日本东部40°N、150°~180°E附近海域及大洋洲的西部海温异常偏低，冬季河北降水易偏多，河北省的邢台、邯郸、沧州一带表现更明显；反之冬季降水易偏少。

6 结论

(1) 河北冬季降水存在明显的年代际变化和周期变化。从10 a以下尺度看，近49年河北省冬季降水存在8~10和2~3 a的变化周期。

(2) 冬季当欧洲东部大槽加强时，贝加尔湖西部高脊和东亚大槽加强，亚洲中高纬环流经向度加大，河北省处于脊前槽后的西北气流控制下，出现冬旱；反之则降水偏多，冬季湿润。

(3) 当华北北部地区出现明显的偏北风距平，江淮流域的西风距平阻碍了中南半岛北上的暖湿气流时，河北冬季干旱；而典型雨涝年，偏南风距平从江南向华北南部伸展，与向西北方伸展的东南风距平在河北相遇加强，河北处于偏南风距平控制中，冬季降水偏多。

(4) 冬季东亚地区500 hPa高度场从低纬到中高纬呈正、负、正的东亚—太平洋(EAP)遥相关型时，河北降水偏多，最明显的区域主要位于河北省的沧州和承德的东部；当北太平洋SSTA为PDO模态，赤道中太平洋SSTA为El Niño型时，河北省冬季多雨，邢台、邯郸、沧州一带表现更明显。