近百年中國(guó)東部夏季降水年代際變化特征及其原因

呂俊梅1 祝從文1 琚建華2 林祥1

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近百年中國(guó)東部夏季降水年代際變化特征及其原因

呂俊梅祝從文琚建華林祥

1中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京100081;2云南省氣象局，昆明650034

本文利用測(cè)站降水觀測(cè)資料分析過去一百多年中國(guó)東部華北、長(zhǎng)江流域以及華南夏季降水的年代際變化特征發(fā)現(xiàn)，盡管這三個(gè)地區(qū)的夏季降水具有不同的年代際轉(zhuǎn)折時(shí)期，但是均同時(shí)在1910年代初期、1920年代初期、1940年代中期、1960年代中期、1970年代末期以及1990年代初期發(fā)生了躍變。近一百年間不同年代際時(shí)期東部夏季降水的分布型主要以南正北負(fù)或者南負(fù)北正的偶極型為主，并且無(wú)論是偶極型分布還是三極型分布，兩個(gè)相鄰年代際時(shí)期中國(guó)東部降水分布型發(fā)生完全反向變化的概率較高（60%）。此外，夏季的PDO、冬季的AO以及春季的北極海冰也同時(shí)在1920年代末期、1940年代中期、1970年代末期以及1990年代中期左右發(fā)生了躍變，這幾次躍變時(shí)期與中國(guó)東部三個(gè)不同地區(qū)夏季降水發(fā)生躍變的時(shí)期一致，表現(xiàn)出近百年來(lái)太平洋年代振蕩（PDO）、北極濤動(dòng)（AO）以及北極海冰這三個(gè)因子對(duì)中國(guó)東部夏季降水年代際變化的協(xié)同作用。

在年代際時(shí)間尺度上，夏季的PDO與華北夏季降水顯著負(fù)相關(guān)。PDO的年代際變化能夠在500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)中激發(fā)出太平洋—日本（PJ）型年代際遙相關(guān)波列；同時(shí)在850 hPa風(fēng)場(chǎng)中激發(fā)出類似于影響華北夏季降水年代際變化的大氣環(huán)流型，從而影響華北降水的年代際變化。冬半年的AO與長(zhǎng)江流域夏季降水存在顯著正相關(guān)關(guān)系。冬季到春季正位相的AO導(dǎo)致亞洲大陸南部處于濕冷狀態(tài)，土壤濕度的記憶性可將這種狀態(tài)延續(xù)到夏季。因此，夏季海陸熱力對(duì)比減弱，東亞夏季風(fēng)發(fā)生年代際減弱，相應(yīng)地長(zhǎng)江流域的降水年代際增多。春季北極海冰與華南夏季降水顯著負(fù)相關(guān)，北極海冰的年代際異常能在500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)中激發(fā)出與靜止Rossby波異常傳播相聯(lián)系的歐亞—華南年代際遙相關(guān)波列，從而影響華南降水的年代際變化。

中國(guó)東部 夏季降水 年代際變化

1 引言

氣候的變化具有多時(shí)間尺度特征，年代際氣候變化介于長(zhǎng)期氣候變化趨勢(shì)和年際氣候變化之間，并且為年際氣候變化提大的氣候背景。例如華北地區(qū)降水在1965年左右發(fā)生了一次躍變，降水由明顯偏多的時(shí)期進(jìn)入明顯偏少的時(shí)期；并且在1970年代末又發(fā)生了一次躍變，降水再次減少，華北干旱化持續(xù)并加劇，使得華北地區(qū)水資源日益缺乏（嚴(yán)中偉等，1990；嚴(yán)中偉，1992；黃榮輝等，1999；琚建華等，2006；Tu et al.，2010）。由于認(rèn)識(shí)到年代際氣候變化的重要性，人們對(duì)氣候年代際變化特征及其成因開展了大量的研究。結(jié)果表明，20世紀(jì)70年代后期到80年代初期全球氣候出現(xiàn)了一次年代際躍變。氣候躍變發(fā)生后，亞洲季風(fēng)環(huán)流發(fā)生年代際減弱（Wang，2001）；冬季西伯利亞冷高壓減 弱，500 hPa高度上北半球中高緯度的西風(fēng)環(huán)流更平直（Yu and Lin, 2002）。北大西洋濤動(dòng)（NAO）以及北太平洋濤動(dòng)（NPO）等大氣環(huán)流的年代際變化與此次氣候躍變之間也具有密切的聯(lián)系（Li and Li，2000）。此外，中國(guó)的降水和氣溫也具有明顯的年代際變化特征（Gong and Ho，2002；呂俊梅等，2004；顧薇等，2005）。中國(guó)夏季降水在1970年代末期發(fā)生了較為明顯的年代際轉(zhuǎn)折，在此之前，我國(guó)東部降水表現(xiàn)為南北澇中間旱（＋－＋）的特征；此后東部降水呈現(xiàn)中間澇南北旱（－＋－）的三極型分布。1990年代初期，我國(guó)東部降水又轉(zhuǎn)變成南澇北旱的偶極型分布（張慶云等，2007；黃榮輝等，2011；Ding et al., 2008；馬音等，2012）。

關(guān)于中國(guó)氣候發(fā)生年代際變化的原因， Ju et al.（2005）認(rèn)為北極濤動(dòng)（AO）在1970年代末期進(jìn)入正指數(shù)位相使得東亞夏季風(fēng)環(huán)流發(fā)生年代際減弱，這是導(dǎo)致中國(guó)東部夏季降水型發(fā)生年代際變化的主要原因。黃榮輝等（2006）指出發(fā)生在1970年代中后期的東亞氣候的年代際變化可能是由于熱帶中東太平洋發(fā)生了“類似于El Ni?o型”分布的年代際海溫距平異常，這不僅引起東亞和西太平洋上空太平洋—日本（PJ）型遙相關(guān)環(huán)流的年代際變化，還使得東亞夏季風(fēng)變?nèi)?。值得注意?是，1976/77年以后熱帶印度洋自身海溫變率增 強(qiáng)，其上空激發(fā)出的大氣異常通過波動(dòng)傳播到東亞地區(qū)，使得熱帶印度洋對(duì)東亞夏季氣候的影響明顯增強(qiáng)（Huang et al., 2010）。Ding et al.（2009）認(rèn)為1977年以后青藏高原冬春積雪增加，與此同時(shí)赤道中東太平洋增暖，導(dǎo)致東亞夏季風(fēng)減弱，中國(guó)雨帶位置偏南。還有研究發(fā)現(xiàn)華北降水的年代際異常與太平洋年代際振蕩（PDO）有顯著關(guān)系（楊修群等，2005；張慶云等，2007）。

我國(guó)氣象觀測(cè)站的資料大多起始于1951年，因此研究中國(guó)氣候年代際變化的資料長(zhǎng)度通常僅限于五十年左右。近來(lái)也有一些研究使用一百多年的資料來(lái)分析中國(guó)氣候的年代際變化，王紹武等（2002）利用重建的1880年以來(lái)中國(guó)東部35個(gè)站的四季降水量資料，研究了19世紀(jì)80年代到20世紀(jì)90年代中國(guó)年降水量的十年際變化特征。Ding et al.（2008，2009）用同樣的資料研究了一百多年來(lái)中國(guó)東部不同地區(qū)華北、長(zhǎng)江淮河流域以及華南夏季降水的年代變化特征及其與東亞夏季風(fēng)的關(guān)系。陳隆勛等（2004）研究了近80年來(lái)中國(guó)氣溫和降水的年代際變化特征。我們過去的研究表明近一百多年中國(guó)東部不同區(qū)域降水發(fā)生年代際躍變的時(shí)期有所不同（呂俊梅等，2009）。盡管人們對(duì)近百年中國(guó)氣候年代際變化特征有了初步的認(rèn)識(shí)，但是我們?nèi)匀徊磺宄诮邓l(fā)生躍變的不同時(shí)期中國(guó)東部不同區(qū)域夏季降水的分布型有何變化？過去大量的研究?jī)H僅考慮單個(gè)因子，例如PDO（楊修群等，2005）或者AO（Ju et al., 2005）對(duì)中國(guó)夏季降水年代際變化的作用，有必要探討多個(gè)因子的共同作用；進(jìn)而研究華北、長(zhǎng)江流域和華南這個(gè)三個(gè)地區(qū)降水發(fā)生年代際變化的物理原因。本文將針對(duì)這些問題進(jìn)行研究，期望能夠加深人們對(duì)近百年中國(guó)夏季降水年代際變化特征及其成因的認(rèn)識(shí)和理解。

2 資料和方法

本文使用王紹武等人根據(jù)降水觀測(cè)記錄和氣候歷史資料重建的1880～2002年中國(guó)東部35個(gè)站的四季降水量序列（王紹武等，2000）、新中國(guó)成立前中國(guó)氣象臺(tái)站月降水觀測(cè)資料（呂俊梅等，2009）以及中國(guó)160站1951～2010年的月降水資料，將這三套資料按相同站點(diǎn)在時(shí)間上連接起來(lái)得到1900～2010年的長(zhǎng)時(shí)間降水資料。華北地區(qū)的代表臺(tái)站選取太原、北京、天津、濟(jì)南、青島、西安、鄭州、徐州、呼和浩特及朝陽(yáng)；其中天津和青島站的降水資料在過去一百多年間無(wú)缺測(cè)，但是沒有包括在王紹武重建的35站中。長(zhǎng)江流域的代表臺(tái)站選取信陽(yáng)、南京、重慶、宜昌、漢口、九江、上海、長(zhǎng)沙、溫州。華南的代表臺(tái)站選取貴陽(yáng)、吉安、桂林、福州、南寧、廣州、汕頭。此外，我們用到1961～2010年的NCEP/ NCAR再分析資料（Kalnay et al., 1996），哈德萊中心1900～2010年的海溫海冰資料以及Chen et al.（2002）根據(jù)器測(cè)資料重建的全球陸地降水資料（PREC-L）。PDO指數(shù)（Mantua et al., 1997）和AO指數(shù)（Thompson and Wallace，1998）可以從網(wǎng)站上下載，時(shí)間同樣取1900～2010年。

離散功率譜分析被用于提取夏季降水的顯著變化周期；滑動(dòng)檢驗(yàn)被用于檢測(cè)過去一百多年華北、長(zhǎng)江流域以及華南夏季降水發(fā)生躍變的時(shí)期。為了分析年代際時(shí)間尺度上降水年代際變化的特征以及原因，我們將降水指數(shù)、PDO指數(shù)、AO指數(shù)、北極海冰指數(shù)以及大氣環(huán)流場(chǎng)進(jìn)行9年滑動(dòng)平均處理，再來(lái)進(jìn)行相關(guān)分析以及典型相關(guān)分析。由于濾波后有效自由度降低，本文使用蒙特卡羅方法計(jì)算得到9年和27 年滑動(dòng)平均濾波以后相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)的臨界值。此外，我們還計(jì)算了300 hPa等壓面上的E-P通量以便診斷靜止Rossby波的異常傳播特征，計(jì)算公式參見呂俊梅等（2006）。

3 近百年中國(guó)東部夏季降水年代際變化觀測(cè)事實(shí)

首先根據(jù)所選取的華北、長(zhǎng)江流域以及華南的代表測(cè)站構(gòu)造這三個(gè)區(qū)域1900～2010年的夏季降水指數(shù)，如圖1a所示。然后對(duì)這三個(gè)降水指數(shù)做離散功率譜分析，結(jié)果表明，華北和華南夏季降水最顯著的變化周期分別是13 a和27 a，屬于年代際時(shí)間尺度；而長(zhǎng)江流域夏季降水的最顯著周期是2.2 a，屬于年際時(shí)間尺度?？偟膩?lái)說(shuō)，東部三個(gè)地區(qū)的夏季降水在年代際時(shí)間尺度上具有40 a、27 a以及9 a的顯著周期；而在年際時(shí)間尺度上具有2 a和4 a的顯著變化周期（圖1b）。

圖1 1900～2010年中國(guó)東部（a，b）華北、（c，d）長(zhǎng)江流域以及（e，f）華南地區(qū)夏季降水指數(shù)（左）及其離散功率譜分析（右）

為了獲得三個(gè)地區(qū)夏季降水發(fā)生躍變的時(shí)期，我們分別對(duì)華北、長(zhǎng)江流域和華南的夏季降水指數(shù)做滑動(dòng)檢驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。1900～2010年華北夏季降水分別在1912年、1921年、1938年、1947年、1964年和1979年發(fā)生了躍變。長(zhǎng)江流域的夏季降水則在1922年、1948年、1958年、1979年、1992年以及2001年發(fā)生了躍變。華南夏季降水發(fā)生躍變的時(shí)期分別為1911年、1924年、1967年、1978年和1991年?？梢?，三個(gè)區(qū)域夏季降水發(fā)生躍變的時(shí)期各有不同，但是也大概同時(shí)在1910年代初期、1920年代初期、1940年代中期、1960年代中期、1970年代末期以及1990年代初期發(fā)生躍變。其中，1920年代初期、1960年代中期、1970年代末期的躍變已經(jīng)被過去很多研究所證實(shí)（Yamamoto et al.，1986；Fu and Fletcher，1988；嚴(yán)中偉，1992；Wang et al.，2004；呂俊梅等，2009），最近一次發(fā)生于1990年代初期的躍變也在Ding et al.（2008）以及黃榮輝等（2011）的研究中被發(fā)現(xiàn)。

根據(jù)中國(guó)東部三個(gè)地區(qū)夏季降水發(fā)生躍變的不同時(shí)期，我們將其中任何一個(gè)地區(qū)降水發(fā)生躍變的時(shí)間作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)劃分時(shí)間段，這樣可以將1900～2010年劃分為10個(gè)時(shí)期，再根據(jù)每個(gè)時(shí)期平均的各個(gè)臺(tái)站的降水距平百分率來(lái)畫不同降水躍變時(shí)期中國(guó)東部夏季降水距平百分率分布圖（圖3）。如圖3所示，過去一百多年中僅有三個(gè)時(shí)期，亦即1900～1911年、1968～1978年、1979～1992年中國(guó)東部夏季降水表現(xiàn)為“＋－＋”或者“－＋－”的三極型分布特征，其余七個(gè)時(shí)期降水均呈現(xiàn)南正北負(fù)或者南負(fù)北正的偶極型分布。值得注意的是1912～1923年降水的異常型為“－＋＋”，緊接下來(lái)的時(shí)期1924～1938年降水轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆喾吹摹埃碑惓Ｐ汀ｎ愃频兀?939～1947年降水異常型為“－－＋”，緊接著1948～1958年出現(xiàn)完全相反的 “＋＋－”的降水異常型。對(duì)于三極型降水異常型，分別在1968～1978年以及1979～1992年這兩個(gè)相鄰的時(shí)期出現(xiàn)了“＋－＋”向“－＋－”的反向變化。而1993～2001年以及2002～2010年降水連續(xù)表現(xiàn)出“－＋＋”的分 布特征，2002年以后長(zhǎng)江流域的降水稍微減少，主要的多雨帶從以前一時(shí)期的長(zhǎng)江流域北移到淮 河流域，但是“－＋＋”的分布特征仍然維持。此外，我們還注意到無(wú)論是三極型向偶極型降水轉(zhuǎn)變，還是偶極型向三極型降水轉(zhuǎn)變，最先的變化均發(fā)生于華南地區(qū)。例如1900～1911年以及1912～1923年這兩個(gè)時(shí)期，因?yàn)槿A南的降水由偏少變?yōu)槠啵邓姆植夹鸵蚕鄳?yīng)地由三極型變?yōu)榱伺紭O型。類似的還有1959～1967年以及1968～1978年這兩個(gè)時(shí)期，當(dāng)華南降水由偏少變?yōu)槠?，降水分布型由偶極型變?yōu)槿龢O型。

總之，在過去一百多年間我國(guó)東部夏季降水的年代際異常型主要是以偶極型分布為主，這與黃榮輝等人（2011）選用1958～2000年降水資料分析表明我國(guó)降水年代際變化的第一模態(tài)為三極型分布不同。不過黃榮輝等人也指出1993年以后偶極型模態(tài)的作用增強(qiáng)，這與我們得到的結(jié)論是一致的。此外，無(wú)論降水出現(xiàn)偶極型或是三極型異常，兩個(gè)相鄰時(shí)期降水分布型發(fā)生完全相反的轉(zhuǎn)變的可能性比較大（60%）。這為我們進(jìn)行中國(guó)東部降水型的年代際變化預(yù)測(cè)提供了新的思路。

圖2（a）華北、（b）長(zhǎng)江流域、（c）華南夏季降水指數(shù)的滑動(dòng)t檢驗(yàn)，圖中圓圈表示各個(gè)躍變時(shí)期降水指數(shù)的平均值

4 中國(guó)東部夏季降水年代際變化的物理原因

過去在研究中國(guó)降水發(fā)生年代際變化的原因時(shí)發(fā)現(xiàn)，1970年代后期以來(lái)AO進(jìn)入正指數(shù)位相、熱帶太平洋和印度洋海溫上升、青藏高原冬春積雪增加導(dǎo)致東亞夏季風(fēng)年代際減弱，從而中國(guó)降水也出現(xiàn)了華北和華南降水減少，相反長(zhǎng)江流域降水增多的年代際變化（Ju et al., 2005；Ding et al., 2009；黃榮輝等，2006）。這些研究主要從東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度變化的角度來(lái)統(tǒng)一地解釋中國(guó)東部不同地區(qū)降水發(fā)生年代際變化的原因。但是正如本文前面所指出的，中國(guó)東部不同地區(qū)夏季降水發(fā)生年代際躍變的時(shí)期并不完全相同。因此有必要分別研究華北、長(zhǎng)江流域以及華南這三個(gè)地區(qū)降水發(fā)生年代際變化的原因。

根據(jù)Wu et al.（2009）的研究，春季北極海冰EOF2模態(tài)表現(xiàn)為巴倫支海、喀拉海、拉普捷夫海、白令海以及巴芬灣海冰偏多，而格陵蘭海和北極區(qū)海冰偏少。海冰的這種異常型態(tài)能在夏季激發(fā)出沿歐亞大陸北部向華南傳播的波列，對(duì)華南降水有著重要影響作用。我們將春季北極海冰EOF2模態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)定義為北極海冰指數(shù)，以便研究在年代際時(shí)間尺度上春季北極海冰異常對(duì)降水的作用。因此，本文除了使用PDO和AO這兩個(gè)我們已經(jīng)知道的影響中國(guó)降水年代際變化的因子來(lái)進(jìn)行分析，還使用了北極海冰。

表1給出在年代際時(shí)間尺度上中國(guó)東部各區(qū)夏季降水與PDO、AO以及北極海冰指數(shù)的相關(guān)系數(shù)，其中PDO和AO指數(shù)的時(shí)間為1900～2010年。北極海冰資料雖然也有一百多年，但是根據(jù)過去的研究，北極海冰資料在1960年以后較為可信，所以這里我們選取1961～2010年的北極海冰指數(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算?？梢姡?jīng)過9年和27年滑動(dòng)平均濾波后，夏季的PDO與華北夏季降水存在顯著負(fù)相關(guān)，冬半年（Dec?Jan?Feb?Mar?Apr，DJFMA）的AO與長(zhǎng)江流域的夏季降水顯著正相關(guān)，春季的北極海冰與華南的夏季降水顯著負(fù)相關(guān)。此外，經(jīng)過27年滑動(dòng)濾波以后，冬半年的AO與華北夏季降水也存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

我們已經(jīng)知道在年代際時(shí)間尺度上，PDO指數(shù)與華北夏季降水指數(shù)具有較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。事實(shí)上，根據(jù)PDO指數(shù)與華北夏季降水指數(shù)9年滑動(dòng)平均曲線可見，在過去一百多年間，1925～1945年以及1977～2010年當(dāng)PDO處于暖位相時(shí)，華北降水年代際偏少，而1946～1976年當(dāng)PDO處于冷位相時(shí)，華北降水年代際偏多。并且華北夏季降水發(fā)生年代轉(zhuǎn)折的時(shí)間和PDO冷暖位相的轉(zhuǎn)折時(shí)間具有較好的一致性（圖略）。根據(jù)PDO指數(shù)、AO指數(shù)以及北極海冰指數(shù)的滑動(dòng)檢驗(yàn)可知（圖略），這三個(gè)因子均在1920年代末期、1940年代中期、1970年代末期以及1990年代中期左右發(fā)生了躍變，這些時(shí)期與前面我們給出的中國(guó)東部三個(gè)區(qū)域夏季降水發(fā)生年代際轉(zhuǎn)折的時(shí)期一致，暗示著過去一百年來(lái)夏季的PDO、冬季的AO以及春季的北極海冰的協(xié)同作用在某種程度上影響著中國(guó)東部夏季降水的年代變化。

圖3 1900～2010年不同降水躍變時(shí)期中國(guó)東部夏季降水距平百分率分布

Fig. 3 Distribution of summer rainfall percentage departures over eastern China in different shifting periods from year 1900 to 2010

圖4 華北（a）夏季降水指數(shù)以及（b）夏季PDO指數(shù)與夏季850hPa風(fēng)場(chǎng)的相關(guān)。綠色、藍(lán)色和紫色陰影表示全風(fēng)速通過0.10、0.05和0.01顯著性檢驗(yàn)，字母“C”表示氣旋中心，字母“A”表示反氣旋中心，由于PDO指數(shù)與降水為負(fù)相關(guān)關(guān)系，為了便于比較，（b）中的矢量乘以－1

下面分別討論P(yáng)DO、AO和北極海冰影響中國(guó)東部三個(gè)地區(qū)夏季降水的物理機(jī)制和過程。在此部分所有資料均取1961～2010年，首先對(duì)資料進(jìn)行9年滑動(dòng)平均處理，然后再進(jìn)行其他的分析和計(jì)算。圖4a給出了華北夏季降水指數(shù)與同期850 hPa風(fēng)場(chǎng)的相關(guān)。很明顯，導(dǎo)致華北降水年代際偏多的主要大氣環(huán)流異常型為蒙古國(guó)附近有一個(gè)異常氣旋性環(huán)流中心，臺(tái)灣以東的洋面上西太平洋副熱帶高壓異常偏強(qiáng)偏西。同時(shí)東亞夏季風(fēng)異常偏強(qiáng)，起源于印度洋和南海的西南季風(fēng)與副熱帶高壓外圍的西南氣流匯合并控制我國(guó)東部地區(qū)至華北。由于夏季的PDO與夏季華北降水顯著負(fù)相關(guān)，為了便于比較，我們將夏季的PDO指數(shù)乘于－1，再與同期的850 hPa風(fēng)場(chǎng)求相關(guān)，結(jié)果如圖4b所示?？梢奝DO的年代際變化所激發(fā)出來(lái)的大氣環(huán)流異常型與導(dǎo)致華北降水年代際異常的環(huán)流形勢(shì)非常類似，表明PDO是導(dǎo)致華北夏季降水年代際變化的重要原因。

表1 中國(guó)東部各區(qū)夏季（Jun?Jul?Aug，JJA）降水量與夏季PDO指數(shù)、冬半年（DJFMA）AO指數(shù)以及春季（Mar?Apr? May，MAM）北極海冰指數(shù)在年代際時(shí)間尺度上的相關(guān)系數(shù)

*通過0.10顯著性檢驗(yàn)，**通過0.05顯著性檢驗(yàn), ***通過0.01顯著性檢驗(yàn)

為了更進(jìn)一步揭示PDO影響華北夏季降水年代際變化的物理機(jī)制，我們將經(jīng)過9年滑動(dòng)平均處理的夏季500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)與同期太平洋海溫場(chǎng)進(jìn)行典型相關(guān)分析，結(jié)果見圖5。當(dāng)西北太平洋中高緯地區(qū)海溫偏冷，而赤道中東太平洋海溫偏暖，也即太平洋呈現(xiàn)PDO暖位相的分布型時(shí)，500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)表現(xiàn)為負(fù)的太平洋—日本（PJ）型遙相關(guān)。也即暖池附近至北美西部出現(xiàn)“＋－＋－＋”的負(fù)PJ型年代際遙相關(guān)波列。過去的研究表明（黃榮輝和孫鳳英，1994），負(fù)的PJ型遙相關(guān)波列使得長(zhǎng)江中下游至日本地區(qū)降水偏多，華北降水偏少。與此相反，當(dāng)PDO處于冷的年代際位相時(shí)期，500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)中激發(fā)出正的PJ型年代際遙相關(guān)波列，此時(shí)長(zhǎng)江中下游地區(qū)至日本出現(xiàn)干旱，華北降水偏多。因此，1976年左右PDO從冷的年代際位相進(jìn)入暖的年代際位相是導(dǎo)致太平洋—日本地區(qū)PJ型年代際遙相關(guān)波列由正位相轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)位相，從而導(dǎo)致華北夏季降水也相應(yīng)地發(fā)生年代際躍變的主要原因。

圖5 夏季（a）500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)與（b）太平洋海溫場(chǎng)的典型相關(guān)分析

Fig. 5 Canonical correlation between (a) geopotential height at 500 hPa and (b) SST in Pacific in summer

圖6 長(zhǎng)江流域（a）夏季降水指數(shù)以及（b）冬半年（DJFMA）AO指數(shù)與夏季850hPa風(fēng)場(chǎng)的相關(guān), 圖中綠色、藍(lán)色、紫色陰影表示全風(fēng)速通過0.10、0.05和0.01顯著性檢驗(yàn)

年代際時(shí)間尺度上長(zhǎng)江流域夏季降水指數(shù)與同期850 hPa風(fēng)場(chǎng)的相關(guān)如圖6a所示。蒙古國(guó)附近有一異常反氣旋中心，該反氣旋引導(dǎo)中高緯的異常偏北氣流南下，控制我國(guó)東北、華北和中部地區(qū),暗示著東亞夏季風(fēng)減弱。另外長(zhǎng)江口附近有一個(gè)異常氣旋中心，與之相應(yīng)的氣旋性切變導(dǎo)致長(zhǎng)江流域夏季降水年代際偏多。圖6b給出冬半年（DJFMA）AO指數(shù)與夏季850 hPa風(fēng)場(chǎng)的相關(guān)，可見與冬半年AO的年代際變化相關(guān)的大氣環(huán)流異常形勢(shì)和導(dǎo)致長(zhǎng)江流域夏季降水年代際偏多的環(huán)流形勢(shì)十分相似，表明冬半年AO的變化對(duì)長(zhǎng)江流域夏季降水的年代際變化有顯著的作用。

然而，有必要進(jìn)一步分析冬半年AO通過何種途徑影響夏季長(zhǎng)江流域的降水。圖7顯示冬半年AO指數(shù)與同期降水及地表面氣溫的相關(guān)。當(dāng)冬半年AO處于正位相的時(shí)候，南支西風(fēng)中的南支槽異常加深，青藏高原和我國(guó)西南、華南的降水異常偏多，中南半島中部以及印度半島南部的降水也偏多。與此同時(shí)中亞至青藏高原以及南亞東部、東南亞北部至我國(guó)西南地區(qū)地表面氣溫偏低。因此當(dāng)AO在1970年代末期進(jìn)入正指數(shù)位相使得冬春季青藏高原至華南以及南亞東部至東南亞北部持續(xù)偏冷偏濕，土壤濕度的記憶性使得下墊面濕冷的狀況持續(xù)到夏季，導(dǎo)致東亞夏季風(fēng)爆發(fā)時(shí)海陸熱力差較小，東亞夏季風(fēng)發(fā)生年代際減弱，長(zhǎng)江流域夏季降水年代際增多。

圖8a顯示年代際時(shí)間尺度上華南夏季降水指數(shù)與同期850 hPa風(fēng)場(chǎng)的相關(guān)。貝加爾湖以東地區(qū)存在一個(gè)異常的反氣旋中心，反氣旋東南側(cè)的東北氣流控制我國(guó)東北到華北地區(qū)，此外西太平洋副熱帶高壓偏強(qiáng)，位置偏東偏南，副熱帶高壓外圍的西南氣流控制我國(guó)東南沿海地區(qū)，華南地區(qū)存在一個(gè)氣旋性切變，有利于華南降水偏多。在對(duì)流層中層（圖8b），500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)上存在一個(gè)起源于巴倫支海附近，經(jīng)過喀拉海、貝加爾湖以東到華南的“＋－＋－”的年代際遙相關(guān)波列，根據(jù)Wu et al.（2009）的研究這個(gè)遙相關(guān)波列可以影響華南降水。我們將這個(gè)遙相關(guān)波列稱為歐亞—華南遙相關(guān)波列。因此，上述對(duì)流層高低層的大氣環(huán)流配置使得華南夏季降水年代際偏多。

圖7 冬半年（DJFMA）AO指數(shù)與同期（a）降水以及（b）地表面氣溫的相關(guān)，圖中淺灰、中灰、暗灰陰影表示通過0.10、0.05和0.01顯著性檢驗(yàn)

前面我們已經(jīng)提到過，春季北極海冰指數(shù)與華南夏季降水在年代際時(shí)間尺度上存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。同樣的，為了便于與圖8進(jìn)行比較，將經(jīng)過9年滑動(dòng)平均的春季北極海冰指數(shù)乘于－1再與夏季850 hPa風(fēng)場(chǎng)以及500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)求相關(guān)，結(jié)果如圖9所示。很清楚，前期春季北極海冰的異常能夠在500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)上激發(fā)出與圖8b幾乎一樣的沿歐亞大陸北部地區(qū)到華南地區(qū)的“＋－＋－”的年代際歐亞—華南遙相關(guān)波列（圖9b）。而與春季北極海冰異常相關(guān)的850 hPa風(fēng)場(chǎng)（圖9a）具有和圖8a非常類似的特征，唯一的差別是圖8a中位于貝加爾湖以東地區(qū)的異常反氣旋中心位置東南移至我國(guó)東北北部（圖9a）。因此，春季北極海冰的異常對(duì)華南降水的年代際變化有著重要影響作用。

事實(shí)上，從春季北極海冰指數(shù)以及華南夏季降水指數(shù)9年滑動(dòng)平均時(shí)間序列的演變來(lái)看（圖略），1970年代末北極海冰指數(shù)進(jìn)入正位相時(shí)期，相應(yīng)地華南降水進(jìn)入年代際偏少時(shí)期；而1992年左右北極海冰指數(shù)由正變?yōu)樨?fù)，此時(shí)巴倫支海、喀拉海、拉普捷夫海、白令海以及巴芬灣海冰偏少，而格陵蘭海和北極區(qū)海冰偏多，海冰的這種異常變化，在歐亞大陸北部至華南地區(qū)激發(fā)出“＋－＋－”的年代際歐亞—華南遙相關(guān)波列，使得華南的夏季降水由年代際偏少變?yōu)槠唷?/p>

為了解釋春季北極海冰異常導(dǎo)致夏季500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)中歐亞—華南遙相關(guān)波列產(chǎn)生的機(jī)制。圖10給出春季北極海冰指數(shù)與夏季300 hPa等壓面上E-P通量以及E-P通量散度的相關(guān)。圖中陰影表示E-P通量散度超過0.10以上的顯著性檢驗(yàn)的高相關(guān)區(qū)域，字母“C”和“D”分別表示輻合和輻散?？梢?，春季北極海冰異常延滯影響夏季北半球靜止Rossby波的傳播，春季巴倫支海、喀拉海的海冰偏多有利于夏季起源于巴倫支海附近的靜止Rossby波經(jīng)歐亞大陸北部地區(qū)向華南地區(qū)傳播，靜止Rossby波的能量頻散可以激發(fā)出歐亞大陸北部至華南地區(qū)的大氣遙相關(guān)波列，使得夏季華南降水異常偏少。因此，春季北極海冰通過激發(fā)出異常的靜止Rossby波向華南傳播從而影響華南夏季降水。

圖9 春季負(fù)的北極海冰指數(shù)與夏季850hPa風(fēng)場(chǎng)（a）以及500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)（b）的相關(guān), 圖中綠色、藍(lán)色和紫色陰影表示全風(fēng)速或位勢(shì)高度通過0.10、0.05和0.01顯著性檢驗(yàn)

圖10 春季北極海冰指數(shù)與夏季300hPa等壓面上Eliassen-Palm (E-P)通量的回歸（矢量，單位：m2/s2）以及春季北極海冰指數(shù)與EP通量散度的相關(guān)（等值線和陰影，陰影為通過顯著性檢驗(yàn)的相關(guān)區(qū)），圖中淺、中、深藍(lán)（黃）陰影表示相關(guān)系數(shù)通過0.10、0.05和0.01顯著性檢驗(yàn)，字母“C”表示輻合（藍(lán)色），字母“D”表示輻散（黃色）

5 結(jié)論和討論

近一百多年來(lái)中國(guó)東部華北、長(zhǎng)江流域和華南的夏季降水同時(shí)在1910年代初期、1920年代初期、1940年代中期、1960年代中期、1970年代末期以及1990年代初期發(fā)生年代際轉(zhuǎn)折，然而每個(gè)地區(qū)的夏季降水也有各自不同的年代際轉(zhuǎn)折時(shí)期。根據(jù)不同年代際時(shí)期三個(gè)地區(qū)夏季降水的分布型來(lái)看，過去一百多年中國(guó)東部夏季降水主要以偶極型的分布特征為主。然而無(wú)論是三極型分布還是偶極型分布，在兩個(gè)相鄰的年代際時(shí)期，降水分布型轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆喾吹姆植夹偷母怕瘦^高（60%）。需要注意的是，夏季的PDO、冬半年的AO、春季的北極海冰同時(shí)在1920年代末期、1940年代中期、1970年代末期以及1990年代中期左右發(fā)生了躍變。這些時(shí)期與中國(guó)東部三個(gè)不同地區(qū)夏季降水同時(shí)發(fā)生年代際轉(zhuǎn)折的時(shí)期相吻合，表明這三個(gè)因子在某種程度上對(duì)中國(guó)東部夏季降水的年代際變化具有協(xié)同一致的作用。

研究華北、長(zhǎng)江流域以及華南夏季降水發(fā)生年代際變化的原因發(fā)現(xiàn)，在年代際時(shí)間尺度上，夏季的PDO與夏季華北降水具有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；冬半年的AO與長(zhǎng)江流域的夏季降水顯著正相關(guān)；春季的北極海冰指數(shù)與華南夏季降水顯著負(fù)相關(guān)。進(jìn)一步分析PDO、AO和北極海冰影響中國(guó)東部不同地區(qū)夏季降水年代際變化的過程和機(jī)制，得出以下結(jié)論：

（1）夏季與PDO相聯(lián)系的太平洋海表面溫度的年代際異常不僅能夠在對(duì)流層下層的850 hPa風(fēng)場(chǎng)上激發(fā)出導(dǎo)致華北降水年代際變化的大氣環(huán)流異常型，也能夠在500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)上激發(fā)出年代際的PJ型遙相關(guān)波列，使得華北降水發(fā)生年代際異常變化。

（2）冬半年當(dāng)AO處于年代際的正位相時(shí)期，此時(shí)南支西風(fēng)中的南支槽異?；钴S加深，使得冬季到春季青藏高原至華南以及南亞東北部至東南亞北部地區(qū)降水偏多，同時(shí)這些地區(qū)的地表面氣溫偏低。大范圍的土壤濕度增加可以增強(qiáng)土壤的記憶性，使土壤將這種冷濕的信號(hào)持續(xù)記憶到夏季，從而夏季亞洲大陸南部偏冷，然而印度洋和西太平洋偏暖。因此，海陸熱力差減小，導(dǎo)致東亞夏季風(fēng)發(fā)生年代際的減弱，相應(yīng)地，長(zhǎng)江流域的夏季降水年代際增多。當(dāng)冬半年AO進(jìn)入年代際負(fù)位相時(shí)期時(shí)，情形正好相反。

（3）春季北極海冰的年代際變化同樣能在對(duì)流層低層的850 hPa風(fēng)場(chǎng)以及對(duì)流層中層的500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)上激發(fā)出導(dǎo)致華南夏季降水年代際變化的大氣環(huán)流形勢(shì)。春季北極海冰影響夏季華南降水的物理過程是，春季巴倫支海和喀拉海附近的北極海冰異常偏多使得夏季北半球高緯起源于巴倫支海附近的靜止Rossby波經(jīng)過歐亞大陸北部和東亞向華南傳播，Rossby波的能量頻散能夠激發(fā)出歐亞—華南型年代際遙相關(guān)波列，從而影響華南夏季降水的年代際變化。

總之，中國(guó)東部華北、長(zhǎng)江流域和華南的夏季降水發(fā)生年代際變化的原因各不相同，但是三個(gè)不同影響因子的協(xié)同作用也導(dǎo)致了中國(guó)東部三個(gè)地區(qū)的夏季降水同時(shí)發(fā)生了年代際轉(zhuǎn)折。因此，我們應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)夏季PDO、冬半年AO以及春季北極海冰年代際變化轉(zhuǎn)折時(shí)期的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)研究，以提高我們對(duì)中國(guó)東部不同地區(qū)夏季降水年代際變化的預(yù)測(cè)能力。

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Interdecadal Variability in Summer Precipitation over East China during the Past 100 Years and Its Possible Causes

Lü Junmei, ZHU Congwen, JU Jianhua, and LIN Xiang

1 Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081;2 Yunnan Provincial Meteorological Service, Kunming 650034

In this paper, the interdecadal variations of rainfall over North China, the Yangtze River valley, and South China during the past 100 years are examined using weather station data. The results show that the rainfall over these three regions underwent simultaneous shifts in the early 1910 s, the early 1920s, the middle 1940 s, the middle 1960s, the late 1970 s, and the early 1990 s, although there are different interdecadal shifting periods. During the past 100 years the distribution patterns of summer rainfall over eastern China are primarily characterized by dipoles, such as “positive south and negative north” or “positive north and negative south” in different interdecadal periods. Furthermore, the probability of the totally reverse distribution patterns during two adjacent interdecadal periods is higher (60%) whether they are dipolar or tripolar. In addition, summer Pacific Decadal Oscillation (PDO), winter Arctic Oscillation (AO), and spring arctic sea ice also showed synchronous shifts around the late 1920s, the middle 1940s, the late 1970s, and the middle 1990s, consistent with the shifting periods of summer precipitation over three regions of eastern China, suggesting that PDO, AO, and arctic sea ice have played a synergetic role in the interdecadal variation of summer rainfall over eastern China during the past 100 years.

At interdecadal time scales, PDO in summer is significantly negatively correlated with summer rainfall in North China. The interdecadal variability of PDO may generate interdecadal wave trains of Pacific-Japan (PJ) interconnection pattern at 500-hPa geopotential height and atmospheric circulation in the 850-hPa wind field, which is similar to that affecting the interdecadal variation of summer rainfall over North China. Consequently, summer rainfall over North China showed interdecadal variation. The AO in wintertime is significantly positively correlated with summer rainfall over the Yangtze River valley. When AO enters its positive interdecadal phase from winter to spring, it causes an increase of precipitation and a decrease in temperature over the southern Eurasian continent. The cold and wet state over the southern Eurasian continent persists from winter to summer because of the memory of soil humidity. It causes the weakening of sea–land contrast in summer. As a result, the East Asian summer monsoon experiences interdecadal weakening. Correspondingly, the rainfall over the Yangtze River valley shows interdecadal increase. Spring Arctic sea ice is significantly negatively correlated with summer rainfall over South China. Interdecadal variation in Arctic sea ice can generate interdecadal wave trains of the Eurasia–South China interconnection pattern associated with the anomalous propagation of stationary Rossby waves at 500-hPa geopotential height, which affects the interdecadal variation in rainfall over South China.

East China, Summer precipitation, Interdecadal variation

1006?9895(2014)04?0782?13

P467

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1401.13227

2013?07?28，2014?01?08收修定稿

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)子課題XDA05090408，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目2012CB417205，公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)項(xiàng)目GYHY200906017，中國(guó)氣象科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目2010Z001、2013Z002，人力資源和社會(huì)保障部留學(xué)回國(guó)人員擇優(yōu)資助項(xiàng)目

呂俊梅，女，1972年出生，副研究員，主要從事東亞季風(fēng)研究。E-mail: wind-ljm@163.com

琚建華，E-mail: jujh@cma.gov.cn