四川南部秋季降水變化及相應(yīng)大氣環(huán)流異常特征

李 剛，江曉華，聞 斌，白 濤

(1.61741部隊(duì)，北京 100094；2.西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，四川 西昌 615000；2.94188部隊(duì)氣象中心，西安 710077)

0 引言

四川地區(qū)降水變化受季風(fēng)活動(dòng)和青藏高原影響顯著，尤其是青藏高原東側(cè)到四川盆地西緣的區(qū)域是整個(gè)四川地區(qū)地形等高線(xiàn)最密集區(qū)（封二圖1），從綿陽(yáng)至雅安一帶，在東西不足100 km的范圍內(nèi)地形高度最大差值超過(guò)2 500 m，形成陡峭上升地形[1]，受此地形影響，該地區(qū)的降水具有局地性強(qiáng)等特征。四川降水異常變化極易導(dǎo)致該地區(qū)旱澇災(zāi)害的發(fā)生，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失[2]。例如，2006年入夏后，四川出現(xiàn)了近50 a以來(lái)最嚴(yán)重的高溫伏旱，導(dǎo)致四川平均降水量?jī)H有309.9 mm，與同期相比，降水偏少136.2 mm，為1951年以來(lái)歷史同期最少；2011年6月下旬的強(qiáng)降水導(dǎo)致四川遭受?chē)?yán)重洪澇災(zāi)害。因此，有必要對(duì)四川降水進(jìn)行深入研究。

四川降水空間分布不均，且干濕季轉(zhuǎn)換明顯[3]。四川東、西部降水變化的不一致性是該地區(qū)降水變化的最重要特征之一。劉燕等[4]指出，川東地區(qū)僅存在一個(gè)汛期，而川西和四川盆地均存在兩個(gè)汛期，此外，川東和川西地區(qū)的夏季降水趨勢(shì)不明顯，而四川盆地的夏季降水存在明顯減小的趨勢(shì)。馬振鋒等[5]發(fā)現(xiàn)1961—2000年川西高原地區(qū)的年降水量呈明顯增加趨勢(shì)，而同期四川盆地的年降水量則呈現(xiàn)出減少趨勢(shì)。除了東、西部降水趨勢(shì)存在差異以外，該地區(qū)降水呈現(xiàn)出顯著的東西反位相變化特征[6]。針對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的四川盆地西部地區(qū)，不少研究指出該地區(qū)降水變化并不是一個(gè)局地現(xiàn)象[7]，它與華北地區(qū)降水存在顯著正相關(guān)關(guān)系，而與長(zhǎng)江中下游地區(qū)降水存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

四川降水除了存在東、西差異以外，還存在明顯的南、北差異。但是，關(guān)于四川南部地區(qū)降水的研究相對(duì)偏少，而四川南部降水具有獨(dú)立的變化特征[8-10]，此外，對(duì)四川南部降水的研究主要集中在年平均和夏季。眾所周知，秋季不僅是夏、冬季風(fēng)的過(guò)渡時(shí)期，該時(shí)期降水異常變化對(duì)西南地區(qū)旱澇分布有重要影響，特別是自20世紀(jì)90年代之后，由秋季降水異常引起的干旱頻繁發(fā)生在包括四川在內(nèi)的西南大部分地區(qū)[11]，這些旱災(zāi)給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了重大損失。但是針對(duì)四川南部秋季降水變化及其影響因素方面的研究明顯偏少。此外，四川南部擁有國(guó)內(nèi)外著名的航天發(fā)射場(chǎng)-西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，降水異常變化對(duì)航天發(fā)射任務(wù)有重要影響[12-13]。因此，本文將重點(diǎn)分析四川南部秋季降水變化及其相應(yīng)的大氣環(huán)流和海溫異常特征，以期為提高該地區(qū)降水預(yù)測(cè)水平提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)制定合理的防災(zāi)、減災(zāi)對(duì)策，為高密度航天發(fā)射任務(wù)提供可靠氣象保障。

1 資料和方法

采用的資料包括：（1）國(guó)家氣象信息中心提供的中國(guó)756站逐日降水觀(guān)測(cè)資料，本文選取無(wú)缺測(cè)值的四川南部地區(qū)（26°～29.2°N，100.8°～130.6°E）的8個(gè)站點(diǎn)（封二圖1）來(lái)表示該地區(qū)降水變化，這8個(gè)站點(diǎn)分別是木里、九龍、越西、昭覺(jué)、雷波、鹽源、西昌和會(huì)理，從圖1中可看出，這8個(gè)站點(diǎn)的海拔高度基本介于川西高原和四川盆地之間；（2）美國(guó)NOAA-CIRES的20CR月平均再分析資料[14]，空間分辨率為2°×2°，垂直方向分為24層，本文所用到的要素包括風(fēng)、位勢(shì)高度、垂直速度和比濕等；（3）英國(guó)Hadley中心提供的全球月平均海表溫度資料（HadISST1），空間分辨率為1°×1°[15]。

本文采用的方法主要有相關(guān)分析、合成分析，并采用小波分析法來(lái)研究降水的周期變化特征[16]，使用Student檢驗(yàn)對(duì)以上分析方法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。研究時(shí)段為1961—2014年（共54 a）的秋季（9—11月）。除特別說(shuō)明外，文中的氣候態(tài)均指1961—2014年秋季的多年平均。此外，我們采用一元線(xiàn)性回歸方法去除了所有資料的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)。

2 結(jié)果分析

2.1 降水變化特征分析

首先對(duì)1961—2014年四川南部的8個(gè)臺(tái)站的秋季平均降水量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，定義為四川南部秋季降水指數(shù)（SSCI），將該指數(shù)作為反映該地區(qū)秋季降水變化的一個(gè)指標(biāo)。圖2a（封二）給出的是1961—2014年秋季SSCI的時(shí)間序列（柱狀圖）。從圖中可看出，秋季SSCI具有明顯的年際變化特征，較為顯著的年際變化主要出現(xiàn)在1970年前后、1980年代前半期和2000年以后；從9 a滑動(dòng)平均可見(jiàn)（黑實(shí)線(xiàn)），它還表現(xiàn)出顯著的年代際變化特征，1970年代前半期和1990年代后半期以負(fù)位相為主，而1970年代后半期至1990年代前半期以正位相為主，2000年以后年代際變化特征明顯減弱。

以上分析表明，秋季SSCI具有明顯的年際和年代際變化特征，為詳細(xì)分析其周期變化特征，圖2b（封二）給出了秋季SSCI的小波局地功率譜。結(jié)果表明，在年際時(shí)間尺度上，四川南部秋季降水在1960年代末至1970年代初存在準(zhǔn)3 a的顯著周期，從1970年代末至1980年代中期存在2～4 a的顯著周期，在2000和2010年代前期分別存在2～3 a的周期，此外，在2000年代中期還存在準(zhǔn)6 a的周期；在年代際時(shí)間尺度上，四川南部秋季降水在1960年代后期至1990年代后期存在9～15 a的顯著周期，需要指出的是，1970年代中期以前的年代際周期處于受邊界影響的區(qū)域內(nèi)，其可信度偏低。

2.2 四川南部降水與全國(guó)降水的關(guān)系

為了分析四川南部秋季降水與同期全國(guó)降水的關(guān)系，圖3a（封二）給出了秋季SSCI與同期全國(guó)降水的相關(guān)關(guān)系分布。從圖中可看出，四川南部秋季降水與整個(gè)中國(guó)西南地區(qū)同期降水存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，但是與黃淮流域的同期降水存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，這表明當(dāng)四川南部秋季降水異常偏多時(shí)，整個(gè)西南地區(qū)的同期降水異常偏多，而黃淮地區(qū)的同期降水異常偏少，反之亦然。為了定量分析黃淮地區(qū)秋季降水量的變化特征，我們將相關(guān)系數(shù)超過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)地區(qū)（封二圖2a，黑色虛線(xiàn)方框）的區(qū)域平均降水量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，定義為秋季黃淮降水指數(shù)（YHI）（封二圖3b，藍(lán)色線(xiàn)）。從圖3b可看出，與SSCI相似，YHI同樣表現(xiàn)出顯著的年際和年代際變化特征，兩者的相關(guān)系數(shù)高達(dá)-0.47，通過(guò)99%顯著性檢驗(yàn)，這進(jìn)一步說(shuō)明四川南部秋季降水與同期黃淮降水存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2.3 與四川南部秋季降水有關(guān)的環(huán)流特征

為了分析四川南部秋季降水對(duì)應(yīng)的大氣環(huán)流特征，我們將SSCI大于0.6的年份定義為多雨年，將SSCI小于0.6的年份定義為少雨年，從而在1961—2014年中選出13 a為多雨年，14 a為少雨年（表1）。在下面的分析中，我們將對(duì)降水異常年份的氣象要素進(jìn)行合成差值分析（除特別說(shuō)明，均為多雨年減去少雨年）。

表1 四川南部地區(qū)秋季多雨年和少雨年

2.3.1 位勢(shì)高度

圖4（封三）給出的是基于秋季SSCI的多雨年和少雨年合成的同期歐亞地區(qū)不同層次上位勢(shì)高度的合成差分布。從圖中可看出，當(dāng)四川南部秋季降水異常偏多時(shí)，在200 hPa位勢(shì)高度上自北大西洋至東亞存在一個(gè)顯著的正-負(fù)-正-負(fù)遙相關(guān)波列（封三圖4a），兩個(gè)顯著的正位勢(shì)高度中心分別位于北大西洋中部和蒙古西部地區(qū)，后者的強(qiáng)度要大于前者的；負(fù)位勢(shì)高度中心則分別位于俄羅斯西部和東亞地區(qū)，后者的強(qiáng)度明顯小于前者的。為方便起見(jiàn)，本文將此波列定義為北大西洋—俄羅斯西部—蒙古西部—東亞（NRMA）遙相關(guān)波列。NRMA遙相關(guān)波列在對(duì)流層中（封三圖4b）、低層（封三圖4c）的位勢(shì)高度場(chǎng)中均存在，而且其強(qiáng)度隨高度的降低而減小，總體上看，該波列具有一定的準(zhǔn)正壓特征。

2.3.2 風(fēng)場(chǎng)

位勢(shì)高度的變化與風(fēng)場(chǎng)的變化關(guān)系密切。為研究與四川南部秋季降水相對(duì)應(yīng)的風(fēng)場(chǎng)特征，圖5（封三）給出了基于秋季SSCI的多雨年和少雨年合成的同期歐亞地區(qū)上空不同層次的風(fēng)場(chǎng)合成差分布。當(dāng)四川南部秋季降水異常偏多時(shí)，NRMA遙相關(guān)波列同樣出現(xiàn)在200 hPa風(fēng)場(chǎng)中（封三圖5a），具體來(lái)看，與位勢(shì)高度相對(duì)應(yīng)的是（封三圖4a），兩個(gè)顯著反氣旋性環(huán)流分別位于北大西洋中部和蒙古西部地區(qū)，而兩個(gè)氣旋性環(huán)流分別位于俄羅斯西部和東亞地區(qū)，此外，在孟加拉灣上空還存在一個(gè)準(zhǔn)反氣旋性環(huán)流。在500 hPa（封三圖5b）和700 hPa（封三圖5c）上，雖然這兩個(gè)層次上的風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度較200 hPa的強(qiáng)度有所減弱，但從北大西洋至東亞地區(qū)依然存在顯著的NRMA遙相關(guān)波列，反映了該波列的準(zhǔn)正壓特征。特別是在700 hPa上（封三圖5c），中國(guó)東海上空存在一個(gè)顯著的氣旋性環(huán)流，它在中國(guó)東部地區(qū)上空產(chǎn)生顯著的異常東北氣流，這對(duì)西南地區(qū)向外的水汽輸送起到了一定的阻擋作用，有利于水汽在西南地區(qū)的匯集；另一方面，中南半島西側(cè)存在一個(gè)弱反氣旋性環(huán)流，該環(huán)流西北側(cè)存在異常西南氣流，這有利于孟加拉灣的水汽向中國(guó)西南地區(qū)輸送?？傊?，中國(guó)東部的異常東北氣流和由中南半島西側(cè)的反氣旋性環(huán)流引起的異常西南氣流在中國(guó)西南地區(qū)交匯，為該地區(qū)降水的產(chǎn)生提供了動(dòng)力和水汽條件。

2.3.3 動(dòng)力和水汽條件

為了進(jìn)一步研究與四川南部秋季降水相關(guān)的動(dòng)力和水汽條件，我們分別給出了基于秋季SSCI的多雨年和少雨年合成的同期東亞地區(qū)500 hPa垂直速度（封三圖6a）和整層水汽通量（封三圖6b）的合成差分布。從封三圖6a中可看出，當(dāng)四川南部降水異常偏多時(shí)，包括四川南部在內(nèi)的大部分西南地區(qū)上空為負(fù)差值控制，表明存在顯著的上升運(yùn)動(dòng)，有利于該地區(qū)降水的產(chǎn)生；同時(shí)，中國(guó)東部為正差值控制，表示存在顯著的下沉運(yùn)動(dòng)，不利于黃淮地區(qū)降水的產(chǎn)生。從封三圖6b可看出，中國(guó)東海上空存在一個(gè)異常氣旋性環(huán)流，其西側(cè)存在偏北氣流，阻塞了南方的水汽向北輸送，有利于水汽在中國(guó)西南地區(qū)的堆積，另外，中南半島北側(cè)存在一個(gè)異常準(zhǔn)反氣旋性環(huán)流，有利于將孟加拉灣的暖濕水汽輸送至四川南部地區(qū)；從圖中還可看出，四川南部地區(qū)存在顯著的負(fù)水汽通量散度，表明該地區(qū)存在顯著的水汽輻合，這為降水的產(chǎn)生提供了有利的水汽條件。

2.3.4 波作用通量

從以上對(duì)位勢(shì)高度和風(fēng)場(chǎng)的分析可知，在歐亞地區(qū)中高緯度地區(qū)上空存在一個(gè)顯著的遙相關(guān)波列，已有研究表明，影響云貴高原晚秋前冬及汛期降水的環(huán)流系統(tǒng)異常可能與大尺度準(zhǔn)定常波的傳播有關(guān)[17-18]。那么，北半球中高緯度西風(fēng)帶中羅斯貝波列的傳播對(duì)該遙相關(guān)波列的產(chǎn)生與維持有什么樣的作用？下面我們給出了基于秋季SSCI的多雨年和少雨年合成的同期對(duì)流層不同層次上的流函數(shù)和波作用通量的合成差分布。

從對(duì)流層高層的流函數(shù)和波作用通量的合成差值來(lái)看（封三圖7a），在歐亞大陸中高緯度地區(qū)上空存在顯著的NRMA遙相關(guān)波列，具體來(lái)看，北大西洋中高緯度地區(qū)和西亞至貝加爾湖一帶上空為流函數(shù)的正異常區(qū)，而俄羅斯西部地區(qū)和東亞地區(qū)上空為流函數(shù)的負(fù)異常區(qū)。此外，從北大西洋中高緯度地區(qū)上空，有明顯的波作用通量傳播至東亞地區(qū)，波擾動(dòng)能量在俄羅斯西部和東亞地區(qū)上空輻合，產(chǎn)生并維持這兩個(gè)地區(qū)上空的流函數(shù)異常。需要指出的是，波擾動(dòng)能量雖然來(lái)自北大西洋中高緯度地區(qū)上空，但是能明顯觀(guān)察到能量從俄羅斯西部地區(qū)開(kāi)始分為兩支，分別沿貝加爾湖西部地區(qū)和西亞地區(qū)向下游地區(qū)頻散，然后它們同時(shí)在東亞地區(qū)上空輻合。在對(duì)流層的中低層（封三圖7b、7c），同樣存在著明顯的NRMA遙相關(guān)波列，流函數(shù)異常在歐亞大陸中高緯度地區(qū)上空呈現(xiàn)出正-負(fù)-正-負(fù)的分布型，表明NRMA遙相關(guān)波列在垂直方向上是一個(gè)深厚系統(tǒng)。在波作用通量的傳播上，對(duì)流層中低層與高層的傳播路徑有所不同，波擾動(dòng)能量同樣來(lái)自北大西洋地區(qū)上空，但是能量?jī)H通過(guò)俄羅斯西部至貝加爾湖西部這一條路徑向東亞地區(qū)傳播，該能量在東亞地區(qū)上空堆積，產(chǎn)生并維持該地區(qū)上空的流函數(shù)異常。此外，對(duì)流層中低層的波作用通量沒(méi)有高層的強(qiáng)。

3 結(jié)論

本文利用1961—2014年全國(guó)756站逐日降水資料和NOAA-CIRES的20CR再分析資料，研究了四川南部秋季降水變化及其對(duì)應(yīng)的大氣環(huán)流異常特征，主要結(jié)論如下：

（1）四川南部秋季降水具有顯著的年際和年代際變化特征，在年際時(shí)間尺度上，其變化周期以2～4 a和準(zhǔn)6 a為主；在年代際時(shí)間尺度上，變化周期以9～15 a為主。它與黃淮流域的同期降水存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即當(dāng)四川南部秋季降水異常偏多時(shí)，黃淮地區(qū)的同期降水異常偏少，反之亦然。

（2）影響四川南部秋季降水的主要大氣環(huán)流結(jié)構(gòu)是同期歐亞大陸中高緯度地區(qū)上空的北大西洋—俄羅斯西部—蒙古西部—東亞（NRMA）遙相關(guān)波列，NRMA波列是一個(gè)深厚系統(tǒng)，具有準(zhǔn)正壓特征。當(dāng)四川南部秋季降水異常偏多時(shí)，整個(gè)對(duì)流層從上至下自北大西洋至東亞存在一個(gè)顯著的正-負(fù)-正-負(fù)遙相關(guān)結(jié)構(gòu)，兩個(gè)顯著的正異常中心分別位于北大西洋中部和蒙古西部地區(qū)，對(duì)應(yīng)兩個(gè)顯著反氣旋性環(huán)流，負(fù)異常中心則分別位于俄羅斯西部和東亞地區(qū)，對(duì)應(yīng)兩個(gè)氣旋性環(huán)流。位于東亞的氣旋性環(huán)流在中國(guó)東部引發(fā)異常偏北氣流，這一方面有利于南方的水汽在西南地區(qū)堆積，另一方面，偏北氣流與位于中南半島西北側(cè)的準(zhǔn)反氣旋性環(huán)流引起的西南氣流在西南地區(qū)匯合，以上環(huán)流型為四川南部秋季降水的形成提供了充足的水汽條件和動(dòng)力條件。波作用通量的傳播對(duì)NRMA波列的產(chǎn)生起到了重要作用。