馬斯克林高壓與華北盛夏降水的年際關(guān)系及其年代際變化

張婕，武芳，劉文菁，劉海文

(1.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院，四川成都610225;2.成都信息工程學(xué)院高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610225;3.安徽省六安市氣象局，安徽六安237008;4.江蘇省氣象局，江蘇南京210008)

0 引言

華北地區(qū)是我國水資源十分貧乏的地區(qū)之一(黃榮輝等，1999)，因此，對(duì)華北地區(qū)降水量的變化規(guī)律及其產(chǎn)生原因的認(rèn)識(shí)也就顯得越發(fā)重要(陸日宇，2002)。劉海文和丁一匯(2008)基于對(duì)汛期的理解，使用逐日降水資料對(duì)華北汛期的起訖日期進(jìn)行了確定。他們所確定的華北汛期起訖日期和Wang et al.(2008)等確定的北京汛期的開始和結(jié)束日期非常接近。孫密娜等(2011)研究了華北夏季降水異常與南太平洋夏季海表溫度變化主要模態(tài)的可能聯(lián)系。郝立生等(2010)分析了華北夏季降水減少與北半球大氣環(huán)流異常的關(guān)系。周天軍等(2008)、宇如聰?shù)?2008)以及Zhou et al.(2009a)對(duì)導(dǎo)致中國東部夏季降水產(chǎn)生“南澇北旱”型降水異常的原因進(jìn)行了總結(jié)。有愈來愈多的證據(jù)表明，東亞夏季風(fēng)的年代際減弱是全球陸地季風(fēng)減弱的組成部分(Zhou et al.，2008a)，與熱帶大洋的增暖有顯著聯(lián)系(Zhou et al.，2008b;Zhou et al.，2009b;Li et al.，2010)。

黃士松和湯明敏(1987)認(rèn)為，東亞夏季風(fēng)主要來源是南印度洋的索馬里越赤道氣流和北太平洋熱帶海洋上的信風(fēng)氣流，整個(gè)東亞夏季風(fēng)體系中最關(guān)鍵的兩個(gè)基本成員是西太平洋高壓和南印度洋馬高。對(duì)于影響馬高的因子，Xue et al.(2004)認(rèn)為，馬高的年際變化主要取決于南極濤動(dòng)影響;而崔錦和楊修群(2005)則認(rèn)為，馬高變化與ENSO有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)厄爾尼諾發(fā)生時(shí)，馬高增強(qiáng)，反之減弱。由于南半球的環(huán)流變化在南北半球大氣的相互作用過程中起到積極和主動(dòng)的作用(趙宗慈和王紹武，1979;王紹武和趙宗慈，1987;薛峰等，2003)。作為東亞夏季風(fēng)主要源地之一的南半球環(huán)流變化，尤其是馬斯克林高壓和澳大利亞高壓的變化對(duì)東亞夏季風(fēng)有重要影響(薛峰等，2003)。雖然導(dǎo)致降水異常的原因很多，但是大氣環(huán)流異常是直接原因(楊修群等，2005)。因此，撇開馬高是受ENSO影響還是受南極濤動(dòng)決定的討論，對(duì)作為東亞夏季風(fēng)基本成員之一的馬高和華北盛夏降水的關(guān)系進(jìn)行研究，也顯得非常必要。

20世紀(jì)90年代中期，年代際氣候變率成為國際氣候?qū)W研究的熱門問題(王紹武和朱錦紅，1999)。Kumar et al.(1999)利用140 a的歷史資料分析了ENSO和印度夏季風(fēng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，認(rèn)為這種關(guān)系在20世紀(jì)70年代中后期變?nèi)?。孫丹等(2012)針對(duì)不同的年代際背景下，研究了南半球環(huán)流變化對(duì)中國夏季降水的影響。華北夏季降水有著顯著的年代際變化特征(劉海文和丁一匯，2010，2011)。盡管Xue et al.(2004)認(rèn)為馬高處于負(fù)位相時(shí)，長江中下游地區(qū)夏季降水偏少，但是并未指出馬高與華北夏季降水之間的年際關(guān)系，而且Xue et al.(2004)使用的是1970—1999年30 a的資料，時(shí)間較短。若從更長的時(shí)間段來研究馬高和華北盛夏降水的年際關(guān)系，以及這種年際關(guān)系是否存在年代際變化，仍是值得研究的一個(gè)重要問題。

1 資料和方法

所用資料包括:1)NCEP/NCAR再分析資料集，包括月平均的海平面氣壓場、850 hPa風(fēng)場和位勢高度場，其水平分辨率為2.5°×2.5°網(wǎng)格，時(shí)間為1948年1月—2011年8月(Kalnay et al.，1996);2)中國國家氣象中心160站月平均降水資料(1951年1月—2011年8月)，該資料在研究中國季風(fēng)降水中被廣泛使用(Zhou and Yu，2005)。考慮到中國160站降水資料的年限，以上資料都從1951年開始，2011年結(jié)束。由于NCEP/NCAR再分析資料所分析的海平面氣壓年代際變化在某些區(qū)域存在著過分夸大的現(xiàn)象(Inoue and Matsumoto，2004;黃剛，2006)，所以又使用了1958—2002年的ERA－40再分析資料(Uppala et al.，2005)對(duì)本文的結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，所得結(jié)果在分析馬高與華北盛夏降水的年際關(guān)系及其年代際變化方面，大體一致。因此，為節(jié)約篇幅，本文僅給出NCEP/NCAR再分析資料的結(jié)果。

2 馬高和華北盛夏降水的年際關(guān)系

取承德、北京、天津、石家莊、德州、邢臺(tái)、安陽、煙臺(tái)、青島、濰坊、濟(jì)南、臨沂、菏澤、鄭州、長治、太原、臨汾17站降水平均值表示華北降水，這與“九五”重中之重項(xiàng)目執(zhí)行組所提出的該地區(qū)代表站是一致的。華北的雨季出現(xiàn)在7、8月(陸日宇，2002)，將華北7、8月的降水作為華北盛夏降水，并將其標(biāo)準(zhǔn)化作為華北盛夏降水指數(shù)。馬高強(qiáng)度按照文獻(xiàn)(Xue et al.，2004)的做法，用(40～90°E，25～35°S)海平面氣壓區(qū)域平均值來定義，其標(biāo)準(zhǔn)化值稱為馬高指數(shù)。

由1951—2011年華北盛夏降水指數(shù)和同期馬高指數(shù)的時(shí)間序列可見(圖1)，兩者均有明顯的年際變化和趨勢變化。馬高和華北盛夏降水在年際變率上存在著顯著的反相關(guān)關(guān)系，兩者的相關(guān)系數(shù)為－0.547，超過了0.05信度的顯著性檢驗(yàn)，去趨勢后兩者的相關(guān)系數(shù)值為－0.5，也超過了0.05信度的顯著性檢驗(yàn)。

圖1 華北盛夏降水指數(shù)(實(shí)線)和同期馬高指數(shù)(虛線)的時(shí)間序列Fig.1 The time series of the summer precipitation index in North China(solid line)and the simultaneous MH index(dashed line)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證華北盛夏期間馬高和華北盛夏降水在年際變率上存在著顯著的反相關(guān)關(guān)系，分別計(jì)算了華北盛夏時(shí)期馬高指數(shù)和中國160站降水的同期相關(guān)(圖2)，以及華北盛夏降水指數(shù)和南半球海平面氣壓場的同期相關(guān)(圖3)。由圖2可見，顯著的相關(guān)中心主要位于我國的華北和江南地區(qū)。在所選擇的華北地區(qū)，是一顯著的負(fù)相關(guān)中心，江南地區(qū)為顯著的正相關(guān)。圖3所示的華北盛夏降水與南半球海平面氣壓場的同期相關(guān)分布上，從非洲大陸經(jīng)南印度洋到澳大利亞以南的廣大區(qū)域有一顯著的負(fù)相關(guān)中心，馬高正處于這一區(qū)域之內(nèi)?？梢娫谌A北盛夏期間，馬高偏強(qiáng)(弱)，華北降水偏少(多)。

圖2 華北盛夏期間馬高與中國160站降水的年際相關(guān)分布(陰影區(qū)表示通過了0.05信度的顯著性檢驗(yàn))Fig.2 Spatial distributions of the interannual correlations between the MH index and the precipitation at 160 stations in North China in summer(The shaded areas denote the significance at 95%confidence level)

圖3 華北盛夏降水指數(shù)與南半球SLP的同期年際相關(guān)分布(陰影區(qū)表示通過了0.05信度的顯著性檢驗(yàn);矩形為所選馬高區(qū)域)Fig.3 Spatial distributions of the interannual correlations between the summer precipitation index in North China and the SLP in the Southern Hemisphere during the same period(The shaded areas denote the significance at 95%confidence level;The rectangle denotes the MH region)

3 馬高和華北盛夏降水的年際關(guān)系的年代際變化

參照Kumar et al.(1999)采用21 a滑動(dòng)相關(guān)技術(shù)來研究年際關(guān)系的年代際變化方法，圖4給出了1951—2011年華北盛夏降水指數(shù)與馬高指數(shù)的21 a滑動(dòng)相關(guān)。由圖可見，61 a來，馬高和華北盛夏降水的年際變化關(guān)系存在著顯著的年代際變化。若以相關(guān)系數(shù)值是否達(dá)到0.01信度的顯著性為標(biāo)準(zhǔn)，則1974年以前兩者的年際關(guān)系為強(qiáng)關(guān)系階段，而1974年以后，兩者顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系變?nèi)酢?/p>

圖4 1951—2011年華北盛夏降水指數(shù)與馬高指數(shù)的21 a滑動(dòng)相關(guān)(水平實(shí)(虛)直線通過0.01(0.05)信度的顯著性檢驗(yàn))Fig.4 The 21－year running average correlations between the summer precipitation index in North China and MH index during 1951—2011(Dashed(solid)line denotes the significance at 99%(95%)confidence level)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證馬高與華北盛夏降水的年際關(guān)系的年代際變化，圖5給出了1951—1973年和1974—2011年馬高與華北盛夏降水的同期相關(guān)關(guān)系分布。從圖5a可見，在華北盛夏期間，馬高與中國160站降水在年際變化時(shí)間尺度上相關(guān)系數(shù)分布呈現(xiàn)出“－+－”型。顯著的負(fù)相關(guān)中心正好位于所選的華北范圍內(nèi)。因此，在該階段馬高和華北盛夏降水相關(guān)較強(qiáng)，而馬高和我國長江中下游地區(qū)降水的相關(guān)關(guān)系并不顯著。但是在1974—2011年階段(圖5b)，馬高與中國160站降水在年際變化時(shí)間尺度上相關(guān)系數(shù)分布型發(fā)生了明顯改變，呈現(xiàn)出“－+”型分布。顯著的負(fù)相關(guān)中心主要位于河套以西地區(qū)，并不位于華北區(qū)域范圍內(nèi)，這說明了在該階段馬高與華北盛夏降水關(guān)系變?nèi)?另外，一個(gè)較小范圍的顯著的正相關(guān)中心則位于長江的出口處附近，表明在該階段馬高與長江中下游地區(qū)的正相關(guān)關(guān)系加強(qiáng)。因此，馬高與華北盛夏降水的年際關(guān)系的年代際變化，導(dǎo)致了中國東部地區(qū)降水呈現(xiàn)出明顯的“南澇北旱”的年代際變化特征(圖6)。

4 馬高與華北盛夏降水年際關(guān)系發(fā)生年代際變化的低空環(huán)流特征

圖5 不同的年代華北盛夏期間馬高與中國160站降水的年際相關(guān)分布(陰影區(qū)表示通過了0.05信度的顯著性檢驗(yàn))a.1951—1973年;b.1974—2011年Fig.5 Spatial distributions of the interannual correlations between the MH index and the precipitation at 160 stations in North China in summer in two different interdecadal periods(The shaded areas denote the significance at 95%confidence level)a.1951—1973;b.1974—2011

圖6 弱關(guān)系階段(1974—2011年)與強(qiáng)關(guān)系階段(1951—1973年)中國160站降水的差(單位:mm;陰影區(qū)分別表示通過了0.05信度的顯著性t檢驗(yàn))Fig.6 Changes(1974—2011 mean minus 1951—1973 mean)of summer rainfall at 160 stations(Units:mm;the shaded areas denote the significance at 95%confidence level by t－test)

全球大氣是一個(gè)連續(xù)的整體。南北半球相互作用不僅存在，而且在某些區(qū)域尤其是在季風(fēng)區(qū)域表現(xiàn)得尤為重要，南印度洋的馬高既是印度夏季風(fēng)體系的關(guān)鍵成員，又是東亞夏季風(fēng)體系的關(guān)鍵成員，其強(qiáng)度變化對(duì)南北兩半球環(huán)流變化起著十分重要的作用(趙宗慈和王紹武，1979)。華北盛夏降水與東亞夏季風(fēng)密切相關(guān)，華北盛夏干旱年，亞洲季風(fēng)偏弱，反之，亞洲季風(fēng)較強(qiáng)(薛峰等，2003)。那么，為什么華北處于降水偏多階段，馬高與華北盛夏存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而在華北盛夏降水處于偏少階段，馬高與華北盛夏降水的負(fù)相關(guān)關(guān)系又減弱呢?為此，分別對(duì)強(qiáng)關(guān)系階段(1951—1973年)和弱關(guān)系階段(1974—2011年)的850 hPa距平風(fēng)場和位勢高度場進(jìn)行了合成分析(圖7)。

由圖7a可見，在強(qiáng)關(guān)系階段，非洲大陸東岸存在兩個(gè)范圍較大的異常氣旋性環(huán)流，其中心分別位于坦桑尼亞東岸和所選馬高區(qū)域的西南部。馬高區(qū)域附近60°E以西的異常氣旋性環(huán)流及馬高范圍內(nèi)負(fù)的位勢高度距平，表明馬高異常偏弱。坦桑尼亞東岸的異常偏北氣流的存在，表明索馬里急流異常偏弱，這和馬高異常偏弱有關(guān)(Xue et al.，2004)。坦桑尼亞附近的異常氣旋性環(huán)流的西部偏南氣流，它和來自馬高區(qū)域西南部的異常偏南氣流，經(jīng)過南非，在剛果盆地及其以西地區(qū)形成一股偏強(qiáng)的異常南風(fēng)，該異常偏南氣流越過赤道后，一路東行，經(jīng)過孟加拉灣，然后和來自蘇門答臘島西部的偏南氣流匯聚，東行到中南半島，然后再和副熱帶高壓南部的偏東氣流匯聚，使得中國東部地區(qū)受異常偏強(qiáng)的西南氣流影響下，華北盛夏降水偏多。由于來自馬高的異常偏南氣流能夠給盛夏華北提供水汽，使得兩者存在較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

比較圖7a、b可以發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)關(guān)系階段非洲大陸東岸存在的異常氣旋性環(huán)流改變?yōu)楫惓５姆礆庑原h(huán)流。在馬高所選區(qū)域范圍內(nèi)，從流場上看為異常的反氣旋性環(huán)流，從位勢高度上而言，850 hPa位勢高度為正距平，這些均表明馬高異常偏強(qiáng)。位于馬高西北部的一股弱的異常偏南氣流北上，匯聚到坦桑尼亞東部的異常偏北氣流中，使得索馬里急流異常偏強(qiáng)。而偏強(qiáng)的索馬里越赤道氣流并不能到達(dá)我國的東部地區(qū)，同時(shí)，在剛果盆地及其以西地區(qū)為異常北風(fēng)控制，這些均使得中國東部的夏季風(fēng)減弱(Wang，2001)，導(dǎo)致華北夏季降水偏少。由于來自馬高的異常偏南氣流過赤道后，轉(zhuǎn)向西行，其不能夠?yàn)槭⑾娜A北提供異常的水汽輸送，所以其和華北盛夏降水的年際關(guān)系必然減弱。

從弱關(guān)系和強(qiáng)關(guān)系階段的距平差值圖上(圖7c)，可以進(jìn)一步地看到，由于馬高異常偏強(qiáng)，所選馬高區(qū)域西南部表現(xiàn)為異常反氣旋性環(huán)流，其北上后導(dǎo)致索馬里急流異常偏強(qiáng)，異常偏強(qiáng)的索馬里急流過赤道后，轉(zhuǎn)向西行，同時(shí)，近赤道南部非洲中西部地區(qū)也為異常北風(fēng)控制，中國東部地區(qū)受異常偏北風(fēng)影響，使得中國東部地區(qū)出現(xiàn)了“南澇北旱”的年代際變化(圖6)。

5 結(jié)論

利用NCEP/NCAR、ERA－40再分析資料和中國160站盛夏(7、8月)降水資料，分析了馬高與華北盛夏降水的年際關(guān)系及其年代際變化。結(jié)果表明，在華北盛夏期間，馬高與華北降水的年際關(guān)系存在著顯著的負(fù)相關(guān)。由于東亞夏季風(fēng)在20世紀(jì)70年代中期以后發(fā)生了年代際減弱，導(dǎo)致了馬高與華北盛夏降水的年際關(guān)系發(fā)生了年代際變化。

在1951—1973年階段，由于東亞夏季風(fēng)偏強(qiáng)，來自馬高的異常偏南氣流能夠給盛夏華北帶來較多的水汽，馬高與華北盛夏降水年際關(guān)系較強(qiáng)，而與我國長江中下游地區(qū)降水的年際關(guān)系并不顯著;在1974—2011年階段，由于東亞夏季風(fēng)偏弱，中國東部地區(qū)受異常偏強(qiáng)的西北氣流控制，并不受來自南半球馬高的異常偏南氣流影響，馬高和華北夏季降水的年際關(guān)系變?nèi)?，與我國長江中下游地區(qū)降水的正相關(guān)關(guān)系變強(qiáng)。馬高與華北盛夏降水的年際關(guān)系的年代際變化，是中國東部地區(qū)自20世紀(jì)70年代中期以來發(fā)生“南澇北旱”的原因之一。

圖7 華北盛夏期間850 hPa水平風(fēng)場和位勢高度距平合成(矢量:風(fēng)場，單位:m/s;等值線:位勢高度，單位:gpm;陰影區(qū)為全風(fēng)速值通過0.05信度的顯著性t檢驗(yàn);矩形為所選馬高區(qū)域)a.強(qiáng)關(guān)系階段(1951—1973年);b.弱關(guān)系階段(1974—2011年);c.弱關(guān)系階段減強(qiáng)關(guān)系階段Fig.7 Composite wind and geopotential height anomalies at 850 hPa in North China in summer(vector:850 hPa wind field，unit:m/s;isoline:geopotential height，unit:gpm;shaded area denotes the significance at 95%confidence level by t－test，and the rectangle denotes the MH region)a.Stronger period(1951—1973);b.Weaker period(1974—2011a);c.Changes(1974—2011 mean minus 1951—1973 mean)

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