中國(guó)東部夏季水汽輸送的年代際變化特征

郭志榮,陳旭紅,江燕如,董麗娜

(南京信息工程大學(xué)1.氣象臺(tái);2.氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044)

中國(guó)東部夏季水汽輸送的年代際變化特征

郭志榮1,陳旭紅1,江燕如1,董麗娜2

(南京信息工程大學(xué)1.氣象臺(tái);2.氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044)

基于1948—2012年NCEP/NCAR月平均再分析資料,采用9 a滑動(dòng)平均、EOF分析及合成分析方法,研究了我國(guó)東部夏季水汽輸送的年代際變化特征。結(jié)果表明:6—8月水汽輸送由強(qiáng)轉(zhuǎn)弱發(fā)生在1975年前后,水汽輸送異常顯著區(qū)域主要位于東部地區(qū);6月南海到我國(guó)東部地區(qū)的水汽輸送存在年代際變化,7月孟加拉灣、南海和西太平洋(8月印度洋、南海和西太平洋)到我國(guó)東部的水汽輸送同樣存在年代際變化;6—8月年代際變化前后水汽輸送矢量分布與相應(yīng)月份水汽輸送通量年代際特征向量場(chǎng)的空間分布基本一致;顯著的水汽通量散度輻合區(qū)位于華中以西經(jīng)華北到東北地區(qū),長(zhǎng)江以北水汽輻合(輻散)異常顯著區(qū)域由風(fēng)場(chǎng)的輻合(輻散)異常和水汽平流異常共同造成,長(zhǎng)江以南地區(qū)水汽輻合(輻散)異常顯著區(qū)域主要由風(fēng)場(chǎng)的輻合(輻散)異常造成。

中國(guó)東部;水汽輸送異常;年代際變化;夏季

0 引言

充沛的水汽輸送是持續(xù)性強(qiáng)降水形成的必要條件,因此分析降水的水汽來(lái)源及輸送狀況對(duì)于研究降水成因和機(jī)理有重要的意義。中國(guó)東部地區(qū)受亞洲季風(fēng)的影響,水汽輸送及其輻合輻散的變化直接影響到旱澇的發(fā)生,因此對(duì)該區(qū)域水汽輸送的研究不僅有利于揭示大氣環(huán)流系統(tǒng)和天氣系統(tǒng)的基本特征,而且對(duì)研究氣候異常、防災(zāi)減災(zāi)意義重大。

我國(guó)夏季降水的水汽輸送及來(lái)源研究一直受到國(guó)內(nèi)外氣象界高度關(guān)注。謝義炳和戴武杰(1959)最早研究了我國(guó)黃淮地區(qū)強(qiáng)降水過(guò)程與水汽輸送的關(guān)系。沈如桂和黃更生(1981)研究了中國(guó)長(zhǎng)江中下游夏季降水的水汽來(lái)源問(wèn)題,指出我國(guó)105～110°E以東地區(qū)夏季降水的水汽來(lái)源于外界輸入,主要來(lái)自于孟加拉灣、南海和西太平洋。陸渝蓉和高國(guó)棟(1987)也指出,我國(guó)東部的水汽輸送與東亞夏季風(fēng)進(jìn)退有關(guān)。Webster(1994)指出,水汽的輸送在形成大氣環(huán)流模態(tài)的過(guò)程中起著主要的作用。劉國(guó)緯(1997)指出,研究水汽在空間和時(shí)間上的輸送特點(diǎn)和收支狀況,對(duì)于進(jìn)一步研究整個(gè)流域的大氣水特征以及水文氣候特征具有重要的意義。蔣興文和李躍清(2009)指出,水汽異常是降水異常的一個(gè)重要因素。周連童(2009)分析了華北地區(qū)夏季降水偏多和偏少時(shí)東亞夏季風(fēng)輸送的水汽通量散度異常情況。張文君和譚桂容(2012)指出,隨著全球變暖,東亞夏季風(fēng)增強(qiáng),冬季風(fēng)減弱,使得冬夏季向中國(guó)區(qū)域輸送的水汽都增強(qiáng)。李進(jìn)等(2012)對(duì)黃河流域水汽的區(qū)域分布及演變特征進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)年平均及各月全流域和黃河中下游區(qū)水汽含量均趨于減少,其余各分區(qū)的演變趨勢(shì)各異。黃榮輝等(1998)討論了夏季東亞季風(fēng)區(qū)水汽輸送特征及其與南亞季風(fēng)區(qū)水汽輸送的差別,指出東亞季風(fēng)區(qū)的水汽輸送以經(jīng)向輸送為主,其水汽的輻合主要是由季風(fēng)氣流引起的水汽平流所造成的。Simmonds et al.(1999)發(fā)現(xiàn)東南亞、印度季風(fēng)從南海和孟加拉灣攜帶大量的水汽到中國(guó)東南部,而中國(guó)東北部的水汽則來(lái)自中緯度。Zhang(2001)認(rèn)為,孟加拉灣水汽輸送和西太平洋的水汽輸送強(qiáng)度是相反的,孟加拉灣水汽輸送強(qiáng)時(shí),西太平洋水汽輸送強(qiáng)度弱,長(zhǎng)江中下游的降水少;反之亦然。田紅等(2002)分析了夏季水汽輸送特征,揭示了中國(guó)夏季降水異常模態(tài)對(duì)應(yīng)的水汽輸送形式;此外,田紅等(2004)對(duì)比分析了存在于中國(guó)的四條水汽輸送通道的輸送強(qiáng)度及其與之相聯(lián)系的降水區(qū)。謝安等(2002)研究了孟加拉灣水汽和南海水汽對(duì)長(zhǎng)江中下游旱澇年的不同貢獻(xiàn)。Zhou and Yu(2005)發(fā)現(xiàn),中國(guó)東部地區(qū)夏季降水異常年對(duì)應(yīng)的水汽來(lái)源與降水正常年的水汽來(lái)源不同。不少學(xué)者的研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了來(lái)自孟加拉灣的水汽輸送對(duì)中國(guó)東南部及江淮地區(qū)夏季降水的重要性(Ninomiya and Kobayashi,1998,1999;Ding and Sun,2001;朱瑋等,2007);也有許多學(xué)者的研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了來(lái)自孟加拉灣、中國(guó)南海及西太平洋的水汽輸送對(duì)中國(guó)東部夏季降水的重要影響(丁一匯和胡國(guó)權(quán),2003;徐祥德等,2003;周述學(xué)等,2008;黃榮輝和陳際龍,2010),認(rèn)為來(lái)自孟加拉灣經(jīng)中南半島和南海的水汽輸送以及南海和西太平洋的水汽輸送是我國(guó)東部水汽的主要來(lái)源。

查閱大量資料發(fā)現(xiàn),有關(guān)我國(guó)東部地區(qū)夏季水汽輸送的年代際演變特征的研究較少。夏季6—8月逐月雨帶有南北推進(jìn)的過(guò)程;事實(shí)上,水汽輸送逐月轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵時(shí)段、關(guān)鍵區(qū)域和關(guān)鍵征兆對(duì)于逐月預(yù)報(bào)是至關(guān)重要的,它們?cè)谒斔蛷?qiáng)、弱年的特點(diǎn)有顯著差異,水汽輸送的年際、年代際變化與中國(guó)東部旱澇變化特征密切相關(guān)。那么,6—8月逐月水汽輸送的變化怎樣?針對(duì)該問(wèn)題,本文采用NCEP/NCAR風(fēng)場(chǎng)、濕度場(chǎng)以及氣壓場(chǎng)等逐月再分析資料,利用EOF等方法來(lái)討論夏季中國(guó)東部水汽輸送的年代際變化特征。

1 資料和方法

1.1 資料

采用1948—2012年NCEP/NCAR(美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心/國(guó)家大氣研究中心)2.5°×2.5°逐月再分析資料,包括1 000、925、850、700、600、500、400、300 hPa緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)和比濕,以及地面氣壓場(chǎng)。

1.2 方法

采用黃榮輝等(1998)方法,計(jì)算地表至300 hPa整層水汽輸送通量及水汽輸送通量散度。同時(shí)采用9 a滑動(dòng)平均、合成分析和經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(EOF)等方法。

2 中國(guó)東部夏季水汽輸送年代際變化的時(shí)空特征

為了研究6—8月水汽輸送的年代際變化特征,先計(jì)算1948—2012年夏季逐月的經(jīng)、緯向水汽輸送通量的標(biāo)準(zhǔn)化距平場(chǎng),對(duì)其進(jìn)行9 a滑動(dòng)平均,再進(jìn)行EOF分解,獲取其年代際變化主分量的時(shí)空演變特征。6月、7月、8月EOF第一模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率分別為30.8%、43.2%、47.3%,本文主要研究它們的第一模態(tài)。

圖1 6月(a,b)、7月(c,d)和8月(e,f)年代際水汽輸送的EOF第一特征向量(a,c,e)及其時(shí)間系數(shù)(b,d,f)Fig.1 (a,c,e)The first EOF eigenvectors and (b,d,f)their time coefficients of interdecadal water vapor transport in (a,b)June,(c,d)July,and (e,f)August

由整層水汽輸送通量年代際分量EOF分解的第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)(圖1b、d、f)可以看出,夏季水汽輸送通量第一特征向量對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)的年代際變化相似,且變化趨勢(shì)也較為一致,即6月和8月在1975年前后為顯著的“正轉(zhuǎn)負(fù)”的轉(zhuǎn)折點(diǎn),其中1952—1975年為正值,1976—2005年基本為負(fù)值,7月顯著的“正轉(zhuǎn)負(fù)”的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在1973年;總體而言,1975年前我國(guó)東部夏季水汽輸送處于偏強(qiáng)階段,之后處于偏弱階段。EOF模型分解第一特征向量時(shí)間系數(shù)的年代際變化“轉(zhuǎn)折”時(shí)段,與郭其蘊(yùn)等(2003)及Zhou and Yu(2005)的研究結(jié)果一致,即20世紀(jì)中葉以來(lái),許多環(huán)流指數(shù)和東亞夏季風(fēng)出現(xiàn)了突變或明顯減弱,一次發(fā)生在60年代中期,另一次發(fā)生在70年代中期,此后東亞夏季風(fēng)一直維持偏弱狀態(tài)。同時(shí),該結(jié)果與施小英等(2009)近50 a來(lái)東亞大陸東部經(jīng)向水汽輸送從1974年起由強(qiáng)變?nèi)醯摹稗D(zhuǎn)折點(diǎn)”特征及其年代際減弱變化趨勢(shì)一致;該結(jié)果與黃榮輝等(2011)1978年前后我國(guó)東部夏季降水異常出現(xiàn)相反分布的結(jié)果也一致。

由圖1a可見,6月整層水汽輸送通量年代際分量EOF分解第一特征向量矢量場(chǎng)的主要特征是,水汽輸送年代際變化的異常顯著區(qū)主要位于我國(guó)東部。結(jié)合其時(shí)間系數(shù)可知,在1952—1975年水汽輸送偏強(qiáng)階段,南海到我國(guó)東部地區(qū)的水汽輸送異常偏強(qiáng);1976—2008年(1995—1999年除外)水汽輸送偏弱階段,該地區(qū)的水汽輸送異常偏弱。這表明,6月南海到我國(guó)東部地區(qū)的水汽輸送存在年代際變化。

7月水汽輸送異常區(qū)(圖1c)與6月(圖1a)大體相同,水汽輸送異常顯著區(qū)仍主要位于中國(guó)東部地區(qū)。1952—1973年水汽輸送偏強(qiáng)階段,從印度洋經(jīng)孟加拉灣到我國(guó)東部地區(qū)的水汽輸送明顯異常偏強(qiáng),此外南海和西太平洋到我國(guó)東部地區(qū)的水汽輸送也異常偏強(qiáng),這3個(gè)年代際變化相對(duì)較強(qiáng)的水汽輸送異常顯著區(qū)域與黃榮輝等(1998)給出的到達(dá)東亞季風(fēng)區(qū)的水汽輸送4支中的前3支一致。1974—2008年水汽輸送偏弱階段,這三個(gè)地區(qū)到我國(guó)東部地區(qū)的水汽輸送異常偏弱。這表明,7月印度洋、南海和西太平洋到中國(guó)東部地區(qū)的水汽輸送存在年代際變化。

8月水汽輸送異常區(qū)(圖1e)與6月、7月情況基本相似,主要位于中國(guó)東部地區(qū)。1952—1975年水汽輸送偏強(qiáng)階段,孟加拉灣、南海和西太平洋到中國(guó)東部地區(qū)的水汽輸送異常偏強(qiáng)。1976—2008年水汽輸送偏弱階段,這三個(gè)地區(qū)到我國(guó)東部地區(qū)的水汽輸送異常偏弱。這表明,8月孟加拉灣、南海和西太平洋到中國(guó)東部地區(qū)的水汽輸送存在年代際變化。

3 我國(guó)東部夏季平均水汽輸送年代際變化特征

述分析表明,6—8月水汽輸送由“強(qiáng)”轉(zhuǎn)“弱”的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在1975年前后。下面分別對(duì)轉(zhuǎn)折點(diǎn)前后的兩個(gè)時(shí)段的整層水汽輸送通量進(jìn)行合成分析,探討年代際變化前后我國(guó)東部夏季的水汽輸送狀況。

圖2為水汽輸送偏強(qiáng)年和偏弱年6、7和8月水汽輸送通量矢量的距平合成分布?？芍?通過(guò)0.05信度顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域位于我國(guó)東部地區(qū),說(shuō)明水汽輸送年代際變化的異常顯著區(qū)主要位于我國(guó)東部地區(qū)。由圖2a可知:6月從南海到我國(guó)東部區(qū)域有較顯著的南風(fēng)及西南風(fēng)方向的異常水汽輸送,這與圖1a描述的中國(guó)東部6月水汽異常分布狀況相吻合。由圖2c可知:7月從阿拉伯海經(jīng)印度半島和孟加拉灣到我國(guó)東北的水汽輸送最強(qiáng),有較顯著的南風(fēng)及西南風(fēng)方向的異常水汽輸送,其次是來(lái)自于南海和西太平洋的異常水汽輸送,與圖1c描述的中國(guó)7月水汽異常分布狀況相吻合。由圖2e可知:8月孟加拉灣、南海和熱帶西太平洋到我國(guó)東部地區(qū)的水汽輸送異常較顯著,與圖1e中水汽輸送的異常顯著區(qū)基本一致,與圖1e描述的中國(guó)東部8月水汽異常分布狀況相吻合。

由水汽輸送偏弱年6、7和8月水汽輸送通量矢量合成分布(圖2b、2d和2f)可知,水汽輸送偏弱年反映的情況與水汽輸送偏強(qiáng)年反映的情況基本一致,水汽輸送異常顯著區(qū)都位于我國(guó)東部地區(qū),水汽輸送通量的強(qiáng)度有所減弱。這進(jìn)一步證明,我國(guó)東部夏季逐月的水汽輸送在20世紀(jì)70年代中期發(fā)生了明顯的年代際變化。

4 中國(guó)東部夏季水汽輸送通量輻合(輻散)的年代際變化特征

Starr and Peixoto(1958)早在20世紀(jì)50年代就指出,局地水汽含量與水汽輸送通量的輻合(輻散)密切相關(guān)。黃榮輝等(1998)指出,季風(fēng)區(qū)水汽輸送通量的輻合(輻散)是表征降水變化的一個(gè)很重要的物理量。水汽通量的大小只能表示水汽通過(guò)區(qū)域上空的數(shù)量,并不能說(shuō)明水汽在區(qū)域的集中,能否產(chǎn)生強(qiáng)降水與水汽的輻合程度密切相關(guān)(單磊等,2014)。因此,本文計(jì)算出6—8月總的水汽輸送通量散度、由風(fēng)場(chǎng)輻合(輻散)和水汽平流所引起的水汽輸送通量散度,并對(duì)水汽輸送通量散度的距平場(chǎng)進(jìn)行了9 a濾波處理。由于6—8月各月之間水汽通量散度在強(qiáng)弱年的分布都非常相似,故僅以7月為例分析水汽輸送通量散度,以進(jìn)一步了解我國(guó)東部夏季水汽輸送的年代際變化特征。

圖2 水汽輸送偏強(qiáng)年(a,c,e)和偏弱年(b,d,f)6—8月水汽輸送通量矢量距平分布(單位:kg/(s·cm);陰影表示通過(guò)0.05信度的顯著性檢驗(yàn)) a,b.6月;c,d.7月;e,f.8月Fig.2 Anomaly distributions of JJA water vapor transport flux vectors in (a,c,e)the strong years and (b,d,f)the weak years(units:kg/(s·cm);shadings passing the significance test at 95% confidence level) a,b.June;c,d.July;e,f.August

圖3為7月水汽輸送偏強(qiáng)年和偏弱年的水汽輸送通量散度的合成分布?？梢?顯著的水汽輸送通量輻合區(qū)位于華中西部經(jīng)華北到東北地區(qū),這與水汽輸送通量矢量分布(圖2c)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的大值區(qū)走向較一致,輻合區(qū)稍向西偏移。偏弱年情況(圖3b)與偏強(qiáng)年情況(圖3a)基本相反。說(shuō)明我國(guó)東部夏季逐月水汽輸送通量的散度場(chǎng)在20世紀(jì)70年代中期也發(fā)生了明顯的年代際變化。

圖3 水汽輸送偏強(qiáng)年(a;陰影小于0)和偏弱年(b;陰影大于0)7月水汽輸送通量散度的合成分布(單位:g/(cm2·s))Fig.3 Composite distributions of water vapor transport flux divergence in July in (a)the strong years(shadings are less than 0) and (b)the weak years(shadings are larger than 0)(units:g/(cm2·s))

圖4 水汽輸送偏強(qiáng)年(a,c;陰影小于0)和偏弱年(b,d;陰影大于0)7月由風(fēng)場(chǎng)散度(a,b)和水汽平流(c,d)引起的水汽輸送通量散度的合成分布(單位:g/(cm2·s))Fig.4 Composite distributions of water vapor transport flux divergence caused by (a,b)wind divergence and (c,d)moisture advection in July in (a,c)the strong years(shadings are less than 0) and (b,d)the weak years(shadings are larger than 0)(units:g/(cm2·s))

7月水汽輸送偏強(qiáng)年和偏弱年由風(fēng)場(chǎng)散度所引起水汽輸送通量的散度場(chǎng)(圖4a、4b)與水汽輸送通量散度場(chǎng)(圖3a、3b)較一致,說(shuō)明由風(fēng)場(chǎng)輻合引起的水汽輸送異常輻合大值區(qū)位于華中西部經(jīng)華北到東北地區(qū)。從7月水汽輸送偏強(qiáng)年和偏弱年由水汽平流所引起水汽輸送通量的散度場(chǎng)(圖4c、4d)來(lái)看,7月由水汽平流引起的水汽輸送輻合(輻散)異常區(qū)位于長(zhǎng)江以北,輻合(輻散)異常區(qū)的邊界線隨月份來(lái)回?cái)[動(dòng),6月偏南,7月北上到長(zhǎng)江以北地區(qū),8月又南落到長(zhǎng)江以南地區(qū)(6月和8月情況略)。從合成的7月風(fēng)輻散場(chǎng)和水汽平流場(chǎng)來(lái)看:長(zhǎng)江以北,水汽輻合(輻散)異常顯著區(qū)域由風(fēng)場(chǎng)的輻合(輻散)異常和水汽平流異常共同造成;長(zhǎng)江以南,水汽輻合(輻散)異常顯著區(qū)域主要由風(fēng)場(chǎng)的輻合(輻散)異常造成。

5 結(jié)論

1)我國(guó)東部地區(qū)6—8月水汽輸送由強(qiáng)轉(zhuǎn)弱發(fā)生在1975年前后。水汽輸送異常顯著區(qū)主要位于我國(guó)東部地區(qū)。6月南海到我國(guó)東部地區(qū)的水汽輸送存在明顯的年代際變化,7月孟加拉灣、南海和西太平洋(8月印度洋、南海和西太平洋)到我國(guó)東部地區(qū)的水汽輸送同樣存在明顯的年代際變化。

2)6—8月年代際變化前后水汽輸送矢量分布與對(duì)應(yīng)月份水汽輸送通量年代際分量第一特征向量場(chǎng)的空間分布基本一致,說(shuō)明6—8月我國(guó)東部的水汽輸送在20世紀(jì)70年代中期發(fā)生了明顯的年代際變化。

3)6—8月我國(guó)東部水汽輸送通量的散度場(chǎng)在20世紀(jì)70年代中期也存在明顯的年代際變化特征。顯著的水汽通量散度輻合區(qū)位于華中西部經(jīng)華北到東北地區(qū),輻合區(qū)稍微向西偏移。長(zhǎng)江以北,水汽輻合(輻散)異常顯著區(qū)域由風(fēng)場(chǎng)的輻合(輻散)異常和水汽平流異常共同造成;長(zhǎng)江以南,水汽輻合(輻散)異常顯著區(qū)域主要由風(fēng)場(chǎng)的輻合(輻散)異常造成。

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(責(zé)任編輯：倪東鴻)

InterdecadalvariationcharacteristicsofwatervaportransferovereasternChinainsummer

GUO Zhi-rong1,CHEN Xu-hong1,JIANG Yan-ru1,DONG Li-na2

(1.Meteorological Observatory;2.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,NUIST,Nanjing 210044,China)

Based on NCEP/NCAR monthly reanalysis data from 1948 to 2012,the interdecadal variation of summer water vapor transport over eastern China is investigated using the 9-yr moving average,EOF analysis and compositive analysis methods.Results show that summer(June—August) water vapor transport is characterized with a turning point from strong to weak around 1975.The abnormal area of water vapor transport mainly locates in the eastern China.Water vapor transport from South China Sea to eastern China has interdecadal variation in June.Water vapor transport from the Bay of Bengal,South China Sea and western Pacific in July(Indian Ocean,South China Sea and western Pacific in August) to eastern China also has interdecadal variation.Distribution of summer water vapor transport flux vectors is consistent with that of the first component of interdecadal water vapor transport before and after the interdecadal variation.Significant water vapor flux convergence zone locates in the southwest to the northeast China.In the northern Yangtze River,water vapor convergences(divergence) are caused by the wind field convergence(divergence) and the water vapor advection,but in the southern Yangtze River,which is mainly caused by the wind field convergence(divergence).

eastern China;water vapor transport anomaly;interdecadal variation;summer

2013-05-28;改回日期2014-04-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41075069)

郭志榮,工程師,研究方向?yàn)闅夂蜃兓?gzryj@nuist.edu.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130528001.

1674-7097(2014)05-0568-07

P466

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130528001

郭志榮,陳旭紅,江燕如，等.2014.中國(guó)東部夏季水汽輸送的年代際變化特征[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),37(5):568-574.

Guo Zhi-rong,Chen Xu-hong,Jiang Yan-ru,et al.2014.Interdecadal variation characteristics of water vapor transfer over eastern China in summer[J].Trans Atmos Sci,37(5):568-574.(in Chinese)