華北夏季降水異常的變化及其與大氣環(huán)流的聯(lián)系

孫燕,朱偉軍,王謙謙,趙凱

(1.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇南京 210044;2.江蘇省氣象臺,江蘇南京 210008)

0 引言

我國是典型的季風(fēng)國家,降水主要集中于夏季,因此夏季降水預(yù)報(bào)是我國短期氣候變化研究和預(yù)測最重要的課題,許多學(xué)者均在亞洲季風(fēng)[1-2]、青藏高原熱源[3]、海冰作用[4]、副高影響[5]等因素對我國降水的影響方面做了大量研究。

華北交通便利,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),地理位置極為重要,關(guān)于華北降水變化的規(guī)律已經(jīng)有不少研究[6-8],唐瑜和余錦華[9]發(fā)現(xiàn)青藏高原4月感熱與華北夏季降水具有較顯著的負(fù)相關(guān),高關(guān)鍵區(qū)位于高原的北部。黃燕燕和錢永甫[10]發(fā)現(xiàn)南亞高壓異常增強(qiáng),易造成華北干旱;南亞高壓異常減弱,易造成華北澇。吳志偉等[11]對近50 a華南前汛期降水、江淮梅雨和華北雨季旱澇特征進(jìn)行對比分析,發(fā)現(xiàn)華北干旱與洪澇強(qiáng)度相當(dāng),華北雨季總體呈偏旱的趨勢;梁平德等[12]發(fā)現(xiàn)若6月500 hPa華北出現(xiàn)異常增高過程時(shí),則盛夏多出現(xiàn)“西高東低”流型,華北少雨。孫燕等[13]研究了華北夏季降水與全球海溫異常的關(guān)系,當(dāng)年1—3月北太平洋中部海區(qū)(155°E～155°W,15～35°N)海溫異常升高(降低)時(shí),對應(yīng)當(dāng)年華北夏季降水偏多(少)。建軍和余錦華[14]指出華北中部和東部夏季降水量與登陸我國臺風(fēng)頻數(shù)存在著顯著的正相關(guān),中心在華北中部的河北饒陽和保定一帶。

本文把全國降水的變化情況作為大背景,首先分析華北夏季降水異常的時(shí)空變化特征,然后對華北夏季多、少雨年同期的大尺度環(huán)流異常特征進(jìn)行合成對比分析,尋找影響華北夏季降水異常的同期因子。

1 資料

1)華北17個(gè)代表站(承德、北京、天津、石家莊、德州、刑臺、安陽、煙臺、青島、濰坊、濟(jì)南、臨沂、荷澤、鄭州、長治、太原、臨汾;為了使“九五”重中之重項(xiàng)目在汛期旱澇的研究方面集中力量,進(jìn)行典型個(gè)例研究分析,且不同課題與專題、動力與統(tǒng)計(jì)方法之間的結(jié)果有可比性,針對我國東部的華南、長江中下游、華北夏季(6—8月)降水,項(xiàng)目執(zhí)行專家組確定了華北、長江中下游、華南3區(qū)代表站名稱,本文所選站點(diǎn)與其一致)的月平均降水資料,取自國家氣候中心整編的中國160站降水資料,資料年限為1951年1月—2005年12月。

2)美國NCEP/NCAR再分析資料中1958年1月—1997年12月的平均高度場,網(wǎng)格距2.5°×2.5°。

2 華北夏季降水的時(shí)間變化特征

2.1 華北降水的季節(jié)、年際變化特征

為討論方便,定義第1類距平為各月降水與該月多年(55 a)平均降水的差,表示降水的異常。定義第2類距平為多年平均的各月降水與多年的年平均降水的差,表示降水的季節(jié)變化。參見文獻(xiàn)[15]。

華北降水的第2類距平曲線(圖1)為明顯的單峰型,如果定義雨季是一年中第2類降水距平為正的月份,則華北的雨季是6—9月。華北的雨季較短,雨季降水非常集中,華北雨量在7月急劇上升,到了9月又急劇減少,降水主要集中在7、8月。

圖1 華北1951—2005年逐月降水第2類距平的季節(jié)變化Fig.1 Seasonal variation of the second type rainfall anomaly in North China during 1951—2005

為了進(jìn)一步了解降水異常發(fā)布的季節(jié)差異,給出華北逐月降水量第1類距平的季節(jié)—年際變化(圖2)。從圖中可以看到,降水異常的季節(jié)分布和年際分布都不均勻。在季節(jié)分布上,5—10月尤其是7、8兩個(gè)月降水異常發(fā)生的頻率是最高的,其他月份降水異常發(fā)生的較少。為了使該地區(qū)降水異常季節(jié)分布特征一目了然,以第1類距平絕對值大于20 mm作為一次異常事件,統(tǒng)計(jì)50 a來各月出現(xiàn)正負(fù)異常的頻次。可以看到,該地區(qū)降水的正異常2—11月都有出現(xiàn),主要出現(xiàn)在5、7、8、9月;而降水的負(fù)異常比較集中,只出現(xiàn)在4—10月。應(yīng)注意的是,不論是降水的正異常還是降水的負(fù)異常,都是在7、8月發(fā)生的頻率最高。20世紀(jì)80年代以后,出現(xiàn)降水負(fù)異常的頻次明顯增多,且主要在7、8月。由圖1知華北降水主要集中在7、8月,80年代以后7、8月降水負(fù)異常事件的頻繁出現(xiàn),加劇了華北干旱化的趨勢。以下本文將重點(diǎn)分析華北夏季降水的年代際、年際變化的時(shí)空特征。

2.2 華北夏季降水異常的年際變化特征

2.2.1 華北夏季降水異常的小波分析

圖2 華北1951—2005年逐月降水第1類距平的季節(jié)—年際變化(陰影區(qū)絕對值大于20;單位:mm)Fig.2 The seasonal and interannual variations of the first type rainfall anomaly in North China during 1951—2005(absolute values greater than 20 are shaded;units:mm)

首先,對華北55 a的降水異常作最大熵譜分析(圖略),分析中所取的最大波數(shù)M=27,橫坐標(biāo)為波數(shù)L,對應(yīng)的周期T=2M/L。華北夏季降水異常的譜曲線所對應(yīng)的主周期為3 a左右,次周期為6 a左右。利用最大熵譜分析可以反映出時(shí)間序列整體上哪些頻率占優(yōu)勢及這些頻率的相對貢獻(xiàn)大小,但不能給出頻率的變化情況。利用小波分析的方法可以克服功率譜分析的上述缺點(diǎn),它把時(shí)間和頻率作為獨(dú)立變量,將一維信號在時(shí)間和頻率兩個(gè)方向上展開,因此可以較好地揭示信號中各種頻率的時(shí)間結(jié)構(gòu)。本文對華北55 a各季降水的標(biāo)準(zhǔn)化距平時(shí)間序列,運(yùn)用Morlet小波分析不同時(shí)間尺度的變化特征(圖3)。

圖3 華北夏季降水標(biāo)準(zhǔn)化距平的小波系數(shù)Fig.3 The wavelet coefficients of normalized summer rainfall anomaly in North China

從圖3可以看到,華北夏季降水存在顯著的準(zhǔn)3 a左右和17～19 a的振蕩周期,周期為3 a左右的振蕩主要發(fā)生在80年代中期到90年代中期,這與最大熵譜分析中得到的3 a左右的主周期相一致;周期為17～19 a的振蕩表現(xiàn)較穩(wěn)定,55 a以來始終存在,且周期幾乎不變。另外,在70年代以后還存在準(zhǔn)10 a左右的周期;在50年代到60年代存在準(zhǔn)8 a左右的周期;70年代中期以后存在準(zhǔn)6a左右的周期,這與最大熵譜分析中得到的6 a左右的次周期相一致。黃嘉佑和張鐔[16]曾對黃河流域19站(1951—1990年)降水作功率譜得到2.6 a的主周期。楊輝和宋正山[17]運(yùn)用Morlet小波對華北26站(1951—1997年)降水進(jìn)行分析,得到2～3 a、5～6 a的主要年際變化周期。

2.2.2 華北夏季降水異常年份的選取

圖4(折線)是華北夏季降水的標(biāo)準(zhǔn)化距平,可以從中看到華北夏季降水的異常情況。以標(biāo)準(zhǔn)化降水距平絕對值0.5作為標(biāo)準(zhǔn),即對應(yīng)的降水距平為均方差的0.5倍,來選取華北夏季的多、少雨年。華北夏季多雨年為1954、1956、1963、1964、1971、1973、1996年,共7 a;少雨年為1965、1968、1972、1980、1983、1986、1989、1992、1997、2002年,共10 a。降水正異常的峰值出現(xiàn)在1956年,降水負(fù)異常的峰值出現(xiàn)在1997年。旱澇頻率共占31%,即平均3 a左右就有一年是多雨年或少雨年,且少雨年出現(xiàn)的頻率明顯多于多雨年,說明華北夏季在這55 a里以降水偏少為主,而且在1979年以后,降水出現(xiàn)負(fù)異常的年份明顯增多,這與前文所分析華北夏季的干旱化趨勢相一致。

圖4 華北夏季降水的標(biāo)準(zhǔn)化距平、11 a二項(xiàng)式平滑曲線(斜線是趨勢線)Fig.4 Sequence of normalized summer rainfall anomaly in North China and its 11-yr running mean(the bias is trendline)

2.3 華北夏季降水異常的年代際變化特征

從華北夏季標(biāo)準(zhǔn)化降水距平值的11 a二項(xiàng)式滑動平均曲線(圖4平滑曲線)和趨勢線(斜線),可以明顯看到華北夏季降水在55 a里總的趨勢是減少的,干旱化趨勢非常明顯。通過計(jì)算,得到趨勢線的回歸系數(shù)為-0.012 4,相關(guān)系數(shù)為0.357 5,表明這種減少趨勢通過了0.01顯著性水平檢驗(yàn),說明華北夏季降水趨勢確實(shí)是明顯減少的。在50年代至60年代中期為多雨期,60年代后期降水減少;70年代夏季降水量又相對增多,進(jìn)入相對多雨期;到了80年代,夏季華北降水量又急劇減少,進(jìn)入干旱期,直至90年代中期降水才有所增加,但之后又有明顯的減少。

3 華北夏季降水異常的空間分布特征

3.1 同期全國降水的空間分布特征

為了說明華北降水異常時(shí)的空間分布特征,本文做了華北夏季多雨年和少雨年降水距平百分率合成(圖5)?？梢钥吹?華北夏季多雨年時(shí),除了東北北部、江南、華南北部為負(fù)距平外,全國大部分地區(qū)為正距平,華北夏季降水與東北北部、江南和華南北部呈反位相。少雨年(圖5b),長江中下游地區(qū)、江南和華南東部地區(qū)呈現(xiàn)降水正距平,且大值中心主要位于江南、華南一帶。可見在華北夏季降水異常的年份,華北夏季降水通常與江南和華南的夏季降水呈現(xiàn)反位相。

3.2 夏季降水趨勢系數(shù)的空間分布

為了分析華北夏季降水變化的長期演變趨勢,通過趨勢系數(shù)計(jì)算給出全國夏季降水趨勢系數(shù)的空間分布(圖6)。由圖可見,降水趨勢自北向南呈現(xiàn)正、負(fù)、正的位相分布特點(diǎn),華北、東北大部、河套地區(qū)、淮河流域至四川盆地及云南降水為負(fù)趨勢,其中負(fù)中心分別位于華北和四川盆地,即該地區(qū)變干的趨勢最明顯;除此之外的全國大部分地區(qū)均為正趨勢,其中長江中下游地區(qū)尤為顯著,可見夏季長江中下游降水有偏多的趨勢,而華北、四川盆地降水卻有偏少的趨勢。

4 同期環(huán)流異常特征

華北夏季降水異常是該地區(qū)大氣環(huán)流異常直接影響的結(jié)果,以前對于華北降水環(huán)流場的研究,大多數(shù)只分析了前期環(huán)流異常的特征[18],發(fā)現(xiàn)河套華北出現(xiàn)澇時(shí),北半球高緯度高度場普遍偏高,特別是兩大洋和歐洲地區(qū)的反氣旋性環(huán)流增強(qiáng),出現(xiàn)旱時(shí)則相反。下面將進(jìn)一步了解華北夏季多、少雨年同期大氣環(huán)流的基本特征,為了和環(huán)流場的資料相對應(yīng),取1958—1997年中的5個(gè)多雨年,9個(gè)少雨年進(jìn)行分析。

圖5 華北多雨年(a)、少雨年(b)同期降水距平百分率合成Fig.5 Composite distributions of summer rainfall anomaly percentage in most areas of China in(a)the flood and(b)drought years ofNorth China

4.1 低層850 hPa平均流場和經(jīng)向風(fēng)距平

把華北多、少雨年850 hPa平均流場作合成分析(圖7),由圖可見,多雨年(圖7a)的南半球越赤道氣流到達(dá)北半球后,與來自孟加拉灣的西南季風(fēng)和副高西北側(cè)的西南風(fēng)匯合,形成一股強(qiáng)勁的偏南風(fēng)(位于華北東北部的急流中心風(fēng)速大于6 m/s)向北偏東伸向華北,有利于華北暖濕氣流的輸送。少雨年(圖7b)時(shí),越赤道氣流到達(dá)北半球后,與孟加拉灣的西南氣流和副高西側(cè)的偏南氣流匯合,經(jīng)臺灣以西伸向日本群島,整個(gè)中國東部的偏南氣流相對較弱,只是在華南西部和西南一帶出現(xiàn)中心風(fēng)速大于4 m/s的急流中心,華北偏南氣流很弱,沒有出現(xiàn)急流中心。

圖6 全國夏季降水趨勢系數(shù)的空間分布Fig.6 Spatial distribution of summer rainfall trend coefficients in most areas of China

多、少雨年850 hPa經(jīng)向風(fēng)距平場也存在著明顯的差別(圖略)。多雨年在中國東部均為偏南風(fēng)距平,中心在華北及長江中游地區(qū),中南半島、南海海面上也都為偏南風(fēng)距平,說明華北多雨年暖濕偏南氣流活躍。孟加拉灣、印度偏南風(fēng)距平顯著,但在孟加拉灣東北地區(qū)卻為偏北風(fēng)距平,這就阻截了偏南暖濕氣流向中國東部地區(qū)輸送。華北多雨年暖濕偏南氣流主要來自于南部和東部,而受孟加拉灣西南氣流影響較小。而少雨年剛好相反,中國東部地區(qū)為偏北風(fēng)距平所代替,負(fù)距平中心位于華北北部,不論孟加拉灣還是中國東南沿海都是偏北風(fēng)距平,說明華北少雨年偏南暖濕氣流被大大削弱。對比850 hPa冷空氣南侵同樣也有差別,多雨年冷空氣關(guān)鍵區(qū)偏北風(fēng)距平較強(qiáng),西北路冷空氣較活躍;少雨年冷空氣關(guān)鍵區(qū)的偏北風(fēng)距平異常強(qiáng),冷空氣在中路表現(xiàn)出強(qiáng)的負(fù)距平,華北處于偏北風(fēng)距平中心。

圖7 華北多雨(a)、少雨(b)年850 hPa風(fēng)矢量場Fig.7 850 hPa wind vector fields in(a)the flood and(b)drought years ofNorth China

以上把夏季降水異常的年份進(jìn)行了合成分析,從合成圖上可以看到對應(yīng)的主要環(huán)流形勢,下面將進(jìn)一步用相關(guān)分析來說明它的可靠性。根據(jù)文獻(xiàn)[19],分別計(jì)算了1958—1997年夏季降水量異常序列與同期850 hPau/v分量異常序列的相關(guān)系數(shù)(圖略)。華北夏季降水異常與貝加爾湖地區(qū)的東北氣流、中南半島的西南氣流及青藏高原北側(cè)的偏西氣流成顯著正相關(guān),顯著相關(guān)區(qū)流場與合成分析結(jié)果對應(yīng)較好,說明合成分析結(jié)果可靠。

4.2 華北多、少雨年500 hPa大氣環(huán)流特征

圖8是華北夏季500 hPa多、少雨年合成的距平高度場的分布情況。由圖可見,夏季華北多雨年,烏拉爾山到日本海一帶為西低東高的距平配置,表明華北低槽明顯,北方冷空氣比較活躍;另外,西太平洋副熱帶高壓雖然偏弱,但位置偏西、偏北,有利于南方暖濕氣流向北輸送,冷暖氣流的活動有利于華北多雨。夏季華北少雨年正好相反,強(qiáng)的正距平中心位于華北以西地區(qū),而華北以東的日本海一帶則為弱的負(fù)距平,這種西高東低的距平配置使華北處在高壓系統(tǒng)的控制下,冷空氣路徑偏東;另外,西太平洋副熱帶高壓雖然偏強(qiáng),但位置偏東、偏南,不利于暖濕氣流的向北輸送。顯然,冷暖氣流的活動都不利于華北多雨。

另外,為了能定量地反映華北夏季多、少雨年500 hPa環(huán)流特征,本文還統(tǒng)計(jì)了多、少雨年時(shí)的副高強(qiáng)度、副高面積等特征量,并與50 a(1951—2000年)平均值相比較,結(jié)果如表1所示。

圖8 華北地區(qū)夏季多、少雨年同期500 hPa高度距平(gmp)場合成 a.多雨年;b.少雨年Fig.8 Composite distributions of 500 hPa height anomaly(gpm)in(a)the flood and(b)drought years of North China in summer

表1 華北夏季多、少雨年的500 hPa副高的特征量Table1 Characteristic quantities of500hPa subtropical high in(a)the flood and(b)drought years of N orth China in summ er

由500hPa副高脊線、北界位置可知,華北夏季多雨年較少雨年副熱帶高壓偏北;由強(qiáng)度、面積可知,華北夏季多雨年較少雨年副熱帶高壓明顯偏弱;由西伸脊點(diǎn)可知,華北夏季多雨年較少雨年副熱帶高壓偏西。華北多、少雨年平均的副高西伸脊點(diǎn)位置的這種差異也直接影響孟加拉灣的西南氣流和副高西側(cè)的偏南氣流交匯的位置及其后的伸展方向,也影響華北多、少雨年的主要水汽來源和降水強(qiáng)度。

5 結(jié)論

(1)55 a來華北夏季降水55 a來總的趨勢是減少的,20世紀(jì)50年代至60年代中期為多雨期,60年代后期降水減少,70年代為相對多雨期,80年代降水量又急劇減少,進(jìn)入干旱期,直至90年代中期降水才有所增加,但之后又有明顯的減少。

(2)華北夏季降水存在準(zhǔn)3 a、準(zhǔn)6 a、準(zhǔn)8 a的年際周期和17～19 a的年代際振蕩周期。

(3)在華北夏季降水異常的年份,華北夏季降水通常與江南和華南的夏季降水呈反位相。

(4)在低層850 hPa,當(dāng)貝加爾湖地區(qū)的東北氣流、中南半島的西南氣流及青藏高原北側(cè)的偏西氣流較常年偏強(qiáng)(弱)時(shí),華北夏季降水較常年偏多(少);中層500 hPa,副高較常年偏弱(強(qiáng))、偏北(南)、偏西(東),冷空氣偏強(qiáng)(弱),低緯熱帶季風(fēng)活躍(不活躍),南方水汽也供應(yīng)充沛(不充沛),從而華北多(少)雨。

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