华北夏季降水异常的变化及其与大气环流的联系

2010-01-30孙燕朱伟军王谦谦赵凯

大气科学学报 2010年1期

孙燕,朱伟军,王谦谦,赵凯

(1.南京信息工程大学大气科学学院,江苏南京 210044;2.江苏省气象台,江苏南京 210008)

0 引言

我国是典型的季风国家,降水主要集中于夏季,因此夏季降水预报是我国短期气候变化研究和预测最重要的课题,许多学者均在亚洲季风[1-2]、青藏高原热源[3]、海冰作用[4]、副高影响[5]等因素对我国降水的影响方面做了大量研究。

华北交通便利,经济发达,地理位置极为重要,关于华北降水变化的规律已经有不少研究[6-8],唐瑜和余锦华[9]发现青藏高原4月感热与华北夏季降水具有较显著的负相关,高关键区位于高原的北部。黄燕燕和钱永甫[10]发现南亚高压异常增强,易造成华北干旱;南亚高压异常减弱,易造成华北涝。吴志伟等[11]对近50 a华南前汛期降水、江淮梅雨和华北雨季旱涝特征进行对比分析,发现华北干旱与洪涝强度相当,华北雨季总体呈偏旱的趋势;梁平德等[12]发现若6月500 hPa华北出现异常增高过程时,则盛夏多出现“西高东低”流型,华北少雨。孙燕等[13]研究了华北夏季降水与全球海温异常的关系,当年1—3月北太平洋中部海区(155°E～155°W,15～35°N)海温异常升高(降低)时,对应当年华北夏季降水偏多(少)。建军和余锦华[14]指出华北中部和东部夏季降水量与登陆我国台风频数存在着显著的正相关,中心在华北中部的河北饶阳和保定一带。

本文把全国降水的变化情况作为大背景,首先分析华北夏季降水异常的时空变化特征,然后对华北夏季多、少雨年同期的大尺度环流异常特征进行合成对比分析,寻找影响华北夏季降水异常的同期因子。

1 资料

1)华北17个代表站(承德、北京、天津、石家庄、德州、刑台、安阳、烟台、青岛、潍坊、济南、临沂、荷泽、郑州、长治、太原、临汾;为了使“九五”重中之重项目在汛期旱涝的研究方面集中力量,进行典型个例研究分析,且不同课题与专题、动力与统计方法之间的结果有可比性,针对我国东部的华南、长江中下游、华北夏季(6—8月)降水,项目执行专家组确定了华北、长江中下游、华南3区代表站名称,本文所选站点与其一致)的月平均降水资料,取自国家气候中心整编的中国160站降水资料,资料年限为1951年1月—2005年12月。

2)美国NCEP/NCAR再分析资料中1958年1月—1997年12月的平均高度场,网格距2.5°×2.5°。

2 华北夏季降水的时间变化特征

2.1 华北降水的季节、年际变化特征

为讨论方便,定义第1类距平为各月降水与该月多年(55 a)平均降水的差,表示降水的异常。定义第2类距平为多年平均的各月降水与多年的年平均降水的差,表示降水的季节变化。参见文献[15]。

华北降水的第2类距平曲线(图1)为明显的单峰型,如果定义雨季是一年中第2类降水距平为正的月份,则华北的雨季是6—9月。华北的雨季较短,雨季降水非常集中,华北雨量在7月急剧上升,到了9月又急剧减少,降水主要集中在7、8月。

图1 华北1951—2005年逐月降水第2类距平的季节变化Fig.1 Seasonal variation of the second type rainfall anomaly in North China during 1951—2005

为了进一步了解降水异常发布的季节差异,给出华北逐月降水量第1类距平的季节—年际变化(图2)。从图中可以看到,降水异常的季节分布和年际分布都不均匀。在季节分布上,5—10月尤其是7、8两个月降水异常发生的频率是最高的,其他月份降水异常发生的较少。为了使该地区降水异常季节分布特征一目了然,以第1类距平绝对值大于20 mm作为一次异常事件,统计50 a来各月出现正负异常的频次。可以看到,该地区降水的正异常2—11月都有出现,主要出现在5、7、8、9月;而降水的负异常比较集中,只出现在4—10月。应注意的是,不论是降水的正异常还是降水的负异常,都是在7、8月发生的频率最高。20世纪80年代以后,出现降水负异常的频次明显增多,且主要在7、8月。由图1知华北降水主要集中在7、8月,80年代以后7、8月降水负异常事件的频繁出现,加剧了华北干旱化的趋势。以下本文将重点分析华北夏季降水的年代际、年际变化的时空特征。

2.2 华北夏季降水异常的年际变化特征

2.2.1 华北夏季降水异常的小波分析

图2 华北1951—2005年逐月降水第1类距平的季节—年际变化(阴影区绝对值大于20;单位: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,对华北55 a的降水异常作最大熵谱分析(图略),分析中所取的最大波数M=27,横坐标为波数L,对应的周期T=2M/L。华北夏季降水异常的谱曲线所对应的主周期为3 a左右,次周期为6 a左右。利用最大熵谱分析可以反映出时间序列整体上哪些频率占优势及这些频率的相对贡献大小,但不能给出频率的变化情况。利用小波分析的方法可以克服功率谱分析的上述缺点,它把时间和频率作为独立变量,将一维信号在时间和频率两个方向上展开,因此可以较好地揭示信号中各种频率的时间结构。本文对华北55 a各季降水的标准化距平时间序列,运用Morlet小波分析不同时间尺度的变化特征(图3)。

图3 华北夏季降水标准化距平的小波系数Fig.3 The wavelet coefficients of normalized summer rainfall anomaly in North China

从图3可以看到,华北夏季降水存在显著的准3 a左右和17～19 a的振荡周期,周期为3 a左右的振荡主要发生在80年代中期到90年代中期,这与最大熵谱分析中得到的3 a左右的主周期相一致;周期为17～19 a的振荡表现较稳定,55 a以来始终存在,且周期几乎不变。另外,在70年代以后还存在准10 a左右的周期;在50年代到60年代存在准8 a左右的周期;70年代中期以后存在准6a左右的周期,这与最大熵谱分析中得到的6 a左右的次周期相一致。黄嘉佑和张镡[16]曾对黄河流域19站(1951—1990年)降水作功率谱得到2.6 a的主周期。杨辉和宋正山[17]运用Morlet小波对华北26站(1951—1997年)降水进行分析,得到2～3 a、5～6 a的主要年际变化周期。

2.2.2 华北夏季降水异常年份的选取

图4(折线)是华北夏季降水的标准化距平,可以从中看到华北夏季降水的异常情况。以标准化降水距平绝对值0.5作为标准,即对应的降水距平为均方差的0.5倍,来选取华北夏季的多、少雨年。华北夏季多雨年为1954、1956、1963、1964、1971、1973、1996年,共7 a;少雨年为1965、1968、1972、1980、1983、1986、1989、1992、1997、2002年,共10 a。降水正异常的峰值出现在1956年,降水负异常的峰值出现在1997年。旱涝频率共占31%,即平均3 a左右就有一年是多雨年或少雨年,且少雨年出现的频率明显多于多雨年,说明华北夏季在这55 a里以降水偏少为主,而且在1979年以后,降水出现负异常的年份明显增多,这与前文所分析华北夏季的干旱化趋势相一致。

图4 华北夏季降水的标准化距平、11 a二项式平滑曲线(斜线是趋势线)Fig.4 Sequence of normalized summer rainfall anomaly in North China and its 11-yr running mean(the bias is trendline)

2.3 华北夏季降水异常的年代际变化特征

从华北夏季标准化降水距平值的11 a二项式滑动平均曲线(图4平滑曲线)和趋势线(斜线),可以明显看到华北夏季降水在55 a里总的趋势是减少的,干旱化趋势非常明显。通过计算,得到趋势线的回归系数为-0.012 4,相关系数为0.357 5,表明这种减少趋势通过了0.01显著性水平检验,说明华北夏季降水趋势确实是明显减少的。在50年代至60年代中期为多雨期,60年代后期降水减少;70年代夏季降水量又相对增多,进入相对多雨期;到了80年代,夏季华北降水量又急剧减少,进入干旱期,直至90年代中期降水才有所增加,但之后又有明显的减少。

3 华北夏季降水异常的空间分布特征

3.1 同期全国降水的空间分布特征

为了说明华北降水异常时的空间分布特征,本文做了华北夏季多雨年和少雨年降水距平百分率合成(图5)。可以看到,华北夏季多雨年时,除了东北北部、江南、华南北部为负距平外,全国大部分地区为正距平,华北夏季降水与东北北部、江南和华南北部呈反位相。少雨年(图5b),长江中下游地区、江南和华南东部地区呈现降水正距平,且大值中心主要位于江南、华南一带。可见在华北夏季降水异常的年份,华北夏季降水通常与江南和华南的夏季降水呈现反位相。

3.2 夏季降水趋势系数的空间分布

为了分析华北夏季降水变化的长期演变趋势,通过趋势系数计算给出全国夏季降水趋势系数的空间分布(图6)。由图可见,降水趋势自北向南呈现正、负、正的位相分布特点,华北、东北大部、河套地区、淮河流域至四川盆地及云南降水为负趋势,其中负中心分别位于华北和四川盆地,即该地区变干的趋势最明显;除此之外的全国大部分地区均为正趋势,其中长江中下游地区尤为显著,可见夏季长江中下游降水有偏多的趋势,而华北、四川盆地降水却有偏少的趋势。

4 同期环流异常特征

华北夏季降水异常是该地区大气环流异常直接影响的结果,以前对于华北降水环流场的研究,大多数只分析了前期环流异常的特征[18],发现河套华北出现涝时,北半球高纬度高度场普遍偏高,特别是两大洋和欧洲地区的反气旋性环流增强,出现旱时则相反。下面将进一步了解华北夏季多、少雨年同期大气环流的基本特征,为了和环流场的资料相对应,取1958—1997年中的5个多雨年,9个少雨年进行分析。

图5 华北多雨年(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 低层850 hPa平均流场和经向风距平

把华北多、少雨年850 hPa平均流场作合成分析(图7),由图可见,多雨年(图7a)的南半球越赤道气流到达北半球后,与来自孟加拉湾的西南季风和副高西北侧的西南风汇合,形成一股强劲的偏南风(位于华北东北部的急流中心风速大于6 m/s)向北偏东伸向华北,有利于华北暖湿气流的输送。少雨年(图7b)时,越赤道气流到达北半球后,与孟加拉湾的西南气流和副高西侧的偏南气流汇合,经台湾以西伸向日本群岛,整个中国东部的偏南气流相对较弱,只是在华南西部和西南一带出现中心风速大于4 m/s的急流中心,华北偏南气流很弱,没有出现急流中心。

图6 全国夏季降水趋势系数的空间分布Fig.6 Spatial distribution of summer rainfall trend coefficients in most areas of China

多、少雨年850 hPa经向风距平场也存在着明显的差别(图略)。多雨年在中国东部均为偏南风距平,中心在华北及长江中游地区,中南半岛、南海海面上也都为偏南风距平,说明华北多雨年暖湿偏南气流活跃。孟加拉湾、印度偏南风距平显著,但在孟加拉湾东北地区却为偏北风距平,这就阻截了偏南暖湿气流向中国东部地区输送。华北多雨年暖湿偏南气流主要来自于南部和东部,而受孟加拉湾西南气流影响较小。而少雨年刚好相反,中国东部地区为偏北风距平所代替,负距平中心位于华北北部,不论孟加拉湾还是中国东南沿海都是偏北风距平,说明华北少雨年偏南暖湿气流被大大削弱。对比850 hPa冷空气南侵同样也有差别,多雨年冷空气关键区偏北风距平较强,西北路冷空气较活跃;少雨年冷空气关键区的偏北风距平异常强,冷空气在中路表现出强的负距平,华北处于偏北风距平中心。

图7 华北多雨(a)、少雨(b)年850 hPa风矢量场Fig.7 850 hPa wind vector fields in(a)the flood and(b)drought years ofNorth China

以上把夏季降水异常的年份进行了合成分析,从合成图上可以看到对应的主要环流形势,下面将进一步用相关分析来说明它的可靠性。根据文献[19],分别计算了1958—1997年夏季降水量异常序列与同期850 hPau/v分量异常序列的相关系数(图略)。华北夏季降水异常与贝加尔湖地区的东北气流、中南半岛的西南气流及青藏高原北侧的偏西气流成显著正相关,显著相关区流场与合成分析结果对应较好,说明合成分析结果可靠。

4.2 华北多、少雨年500 hPa大气环流特征

图8是华北夏季500 hPa多、少雨年合成的距平高度场的分布情况。由图可见,夏季华北多雨年,乌拉尔山到日本海一带为西低东高的距平配置,表明华北低槽明显,北方冷空气比较活跃;另外,西太平洋副热带高压虽然偏弱,但位置偏西、偏北,有利于南方暖湿气流向北输送,冷暖气流的活动有利于华北多雨。夏季华北少雨年正好相反,强的正距平中心位于华北以西地区,而华北以东的日本海一带则为弱的负距平,这种西高东低的距平配置使华北处在高压系统的控制下,冷空气路径偏东;另外,西太平洋副热带高压虽然偏强,但位置偏东、偏南,不利于暖湿气流的向北输送。显然,冷暖气流的活动都不利于华北多雨。

另外,为了能定量地反映华北夏季多、少雨年500 hPa环流特征,本文还统计了多、少雨年时的副高强度、副高面积等特征量,并与50 a(1951—2000年)平均值相比较,结果如表1所示。

图8 华北地区夏季多、少雨年同期500 hPa高度距平(gmp)场合成 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 华北夏季多、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副高脊线、北界位置可知,华北夏季多雨年较少雨年副热带高压偏北;由强度、面积可知,华北夏季多雨年较少雨年副热带高压明显偏弱;由西伸脊点可知,华北夏季多雨年较少雨年副热带高压偏西。华北多、少雨年平均的副高西伸脊点位置的这种差异也直接影响孟加拉湾的西南气流和副高西侧的偏南气流交汇的位置及其后的伸展方向,也影响华北多、少雨年的主要水汽来源和降水强度。

5 结论

(1)55 a来华北夏季降水55 a来总的趋势是减少的,20世纪50年代至60年代中期为多雨期,60年代后期降水减少,70年代为相对多雨期,80年代降水量又急剧减少,进入干旱期,直至90年代中期降水才有所增加,但之后又有明显的减少。

(2)华北夏季降水存在准3 a、准6 a、准8 a的年际周期和17～19 a的年代际振荡周期。

(3)在华北夏季降水异常的年份,华北夏季降水通常与江南和华南的夏季降水呈反位相。

(4)在低层850 hPa,当贝加尔湖地区的东北气流、中南半岛的西南气流及青藏高原北侧的偏西气流较常年偏强(弱)时,华北夏季降水较常年偏多(少);中层500 hPa,副高较常年偏弱(强)、偏北(南)、偏西(东),冷空气偏强(弱),低纬热带季风活跃(不活跃),南方水汽也供应充沛(不充沛),从而华北多(少)雨。

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