长江中下游地区春季降水的时空特征

黄亮,赵勇,刘敏

(1.南通市气象局,江苏南通 226006;2.沙漠气象研究所,新疆乌鲁木齐 830002; 3.江苏省气象局,江苏南京 210008)

长江中下游地区春季降水的时空特征

黄亮1,赵勇2,刘敏3

(1.南通市气象局,江苏南通 226006;2.沙漠气象研究所,新疆乌鲁木齐 830002; 3.江苏省气象局,江苏南京 210008)

使用41站日降水资料和NCEP/NCAR再分析月平均资料,研究了长江中下游地区春季降水的时空特征。结果表明,过去50多年来,长江中下游地区春季的雨日、雨量呈整体下降趋势,降水强度呈东减西增的趋势;该区春季连续性降水通常以2 d降水居多,江北地区以连续性中小降水为主,而江南地区则是独立性的强降水居多。春季长江中下游地区在近50 a里呈现出干旱化趋势,其和对流层中高层气温下降关系密切,由于气温相对下降,我国东部上空高层产生气旋性环流异常,不利于降水的发生。

雨量;雨日;强降水;连续性降水;年代际变化

Abstract:Based on daily precipitation data from 41 stations in China andmonthlyNCEP/NCAR reanalysis data,this paper studies the temporal and spatial features of spring precipitation in the middle and lower reaches of Yangtze River.The results indicate that,over the past 50 years,the rainfall amount and the numberof rainy day show a decreasing trend and the precipitation strength shows a decreasing trend in the east but an increasing trend in the west.The successive precipitation is mostly the 2-day precipitation. There is often successive and light precipitation to north of the Yangtze River,while independent strong precipitation often occurs to south of it.In recent 50 years,there is a trend of getting droughty in spring in the middle and lower reaches of the Yangtze River,which has a close relationship with the temperature descent in mid-and upper-troposphere.The temperature descent induces a cyclonic anomaly in high level in the east of China,which exerts negative effect on the occurrence of precipitation.

Key words:rainfall;rainy day;strong precipitation;successive precipitation;interdecadal variation

0 引言

降水变化是气候变化的一个重要标志,是气候研究中最重要的物理量之一。降水变化与人民生活和国家建设息息相关,特别是降水异常引起的旱涝灾害,给人类带来了巨大损失。受东亚夏季风的影响,我国旱涝频发,因此,对降水的研究,一直是我国学者关注的热点之一。

长江中下游地区是典型的东亚夏季风气候带,其汛期降水与夏季风的活动密切相关。一般把4—9月称为我国的汛期时段。4—5月,长江中下游地区降水主要集中在长江以南,6—7月,进入梅雨期降水,也是这一区域的主汛期时段。到了9月,则是淮河秋雨期。每一时期降水的异常,都会引起相应区域的旱涝灾害。

季风降水具有明显的年代际变化特征[1-2],就近期而言,20世纪50和60年代,夏季华北多雨而长江中下游流域少雨,而80和90年代,降水形势则相反。叶笃正和黄荣辉[3]分析了我国7个区域的降水发现,江淮地区在20世纪50年代和80年代夏季降水偏多,在60年代和70年代夏季降水偏少。王叶红和王谦谦[4]发现长江流域降水具有明显的年代际变化,年代际的转折点出现在70年代末。翟盘茂等[5]、Zhai等[6]、Qian和Lin[7]通过对我国降水的长期变化趋势的研究发现,我国华北地区降水减少趋势比较显著,而长江中下游地区和西北地区降水趋于增多。Wang和Zhou[8]分析了我国各季降水的变化趋势,发现我国华东地区降水增长主要发生在夏季。

由于夏季是我国东部的主要降水时期,因此对降水异常的研究主要集中在这一季节,而对其他季节降水的研究相对要少得多。任宏利等[9]分析了我国西北东部地区春季降水及其水汽输送特征,指出该地区春季降水时段集中、变率较大,具有明显的年际和年代际变化特征。高留喜等[10]诊断分析了北半球500 hPa高度场与山东春季降水异常的关系。杨素英等[11]分析了东北地区春季降水异常的气候特征,指出东北地区降水量年际变化及长期趋势有明显的区域差异,呈东多西少的分布特征。顾伟宗等[12]探讨了华北春季降水特征及其与印度洋海温的关系,指出华北春季降水与前期冬季印度洋海温异常之间有着比较明显的遥相关。王建波等[13]分析了华北5月降水的年际变化特征及其成因,指出中纬度西传Rossby波列与低纬赤道印度洋海温的变化是引起华北5月降水年际变化的重要原因。周连童和黄荣辉[14]分析了华北地区春季降水的年代际变化特征以及其可能成因,指出1951—1965年华北地区春季降水略偏少,1966—1976年华北地区春季降水更加偏少,春旱较严重,1977—2000年华北春季降水明显偏多。总体而言,对长江中下游地区春季降水的研究较少,而且以往工作大多针对降水量作分析,较少从雨日及降雨连续性方面进行诊断,故而本文重点针对长江中下游地区的春季降水,从雨量及雨日的空间分布、线性趋势和年代际变化几个方面去分析其气候特征。

图1 长江中下游地区站点分布Fig.1 The distribution of stations in the middle and lower reaches of the Yangtze River

1 资料和方法

资料包括:NCEP/NCAR再分析月平均资料;国家信息中心提供的全国743站日降水资料。本文的长江中下游地区(宜昌以东,28～34°N)共选取测站41个(图1),测站的分布较为均匀,可以较客观地表征这一区域的降水特征。月降水由月内的日降水累计得到,雨日由日降水≥0.1 mm确定;降水强度为雨量与雨日的比值;强降水贡献为强降水(≥25 mm/d)雨量与总雨量的比值;(雨量、雨日、强度)倾向率为线性趋势系数。

所用资料时间长度均为1954—2004年共51 a。与一般季节的划分不同,这里将4—5月降水称为春季降水,6—7月为夏季降水,划分理由如下。

汛期4—9月共183 d,处理成以候为单位,则为36候,汛期第1候在每年73候中为第19候。图2为汛期区域平均且51 a平均后雨量和雨日的逐候变化。由图2a可见,多年平均的候雨量呈单峰状,在第33—40候时期(6月中旬—7月中下旬),雨量明显大于其他时期,第36候达到极值(6月末)。这一时期是长江中下游地区的梅雨期,也是该地区的主汛期。梅雨期前后两个时期雨量的大小关系并不明显,前期雨量略大于后期。由图2b可见,雨日呈双峰状,除梅雨期雨日较多外,第19—28候(4月上旬—5月中旬)雨日也较多,平均每候雨日在2 d以上。而第40候后,雨日基本在2 d以下。如果以月为单位进行讨论,梅雨期的6—7月,雨量较大,雨日较多,可认为是夏季降水;梅雨期前的4—5月,雨日较多,可认为是春季降水。本文重点针对4—5月的春季降水进行研究。

2 春季降水的气候特征

图3给出长江中下游地区1954—2004共计51 a的气候平均降水分布特征,可以发现,春季江南地区平均雨量可达300 mm以上,江西东北部最大,可达420 mm以上,而江北淮河流域地区在200 mm左右,基本相差一倍左右,雨量的空间差异很大。雨日(图3b)与雨量的空间分布一致,也是南多北少,江西东北部雨日最多,可达33 d,淮河中上游最少,仅有22 d,二者相差10 d。长江中下游地区春季降水较为频繁,基本每2～3 d就有一次降水发生。强降水雨量(图3c)的空间差异也很明显,也是南多北少,江西东北部将近300 mm,而江北地区不足100 mm。强降水雨日(图3d)比起总雨日要少得多,江西北部最多,可达6 d,而江北地区不足2 d,和雨量的空间分布特征一致。

定义强降水发生率为有强降水的年数与总年数的比值,其中强降水年指某年发生一次或一次以上的强降水。考查春季强降水雨量和总雨量比值的多年平均分布以及强降水发生率的分布(图略)可知,春季江南地区强降水雨量可占总雨量的一半以上,江北地区要少些,不足四成。同时江南地区基本年年有强降水发生,江北地区则大概10 a没有强降水发生。江南地区春季属于强降水为主,并且基本年年发生,尤其是连续性的强降水,容易导致洪涝的发生,所以春季江南地区也是一个易发洪涝的区域。

3 春季降水的空间特征和趋势变化

3.1 空间特征

图4给出了长江中下游地区41站春季雨量EOF展开的前两个空间模态(EOF1和EOF2)和对应的时间序列。由于前两个模态的方差贡献分别为55%和16%,累计已达70%以上,远大于其他模态,这里主要讨论这两个模态的情况。由图4a可见,长江中下游地区为正值分布,中心位于江西、安徽和浙江的交界区域;对应的时间系数(图4c)呈现较明显的年代际变化,雨量呈减少趋势,1978年以前,雨量偏多,以后雨量偏少。第二模态(图4b)长江中下游地区呈南北反位相分布,大致以30°N为界;时间系数(图4d)的年代际变化特征较弱,以年际变化为主。

图2 51 a平均的汛期雨量(a;单位:mm)和雨日(b;单位:d)的逐候变化Fig.2 The 51-year average pentad-to-pentad variation of(a)rainfall(units:mm)and(b)rainy day(units:d)

图3 51 a平均雨量(a;单位:mm)、雨日(b;d)、强降水雨量(c;单位:mm)和强降水雨日(d;单位:d)分布Fig.3 The distribution of 51-year average(a)rainfall(units:mm),(b)rainy day(units:d),(c)strong rainfall(units: mm),and(d)strong rainy day(units:d)

图4 春季雨量EOF展开的空间模态及时间系数(a、c为第一模态特征向量和时间系数;b、d为第二模态特征向量和时间系数)Fig.4 (a,b)The first t wo modes and(c,d)their corresponding time coefficients of EOF analysis for spring rainfall

3.2 趋势变化

图5给出长江中下游地区春季降水的雨量、雨日及强度倾向率。由图5a可见,长江中下游地区春季雨量呈整体减少的趋势,尤其116°E以东区域,这种趋势是显著的。雨日(图5b)也是呈全区域减少, 116°E以东区显著减少的站点要比以西密集一些。降水强度(图5c)并非全是减少,除浙江及邻近区域是减少的外,其余区域是增多的。由此可以说明,长江中下游地区东部雨量的减少要比雨日的减少更为显著,从而造成降水强度减小;西部雨量的减少不及雨日减少显著,降水强度反而增大。

图5 春季降水的倾向率(●表示通过信度为0.05的统计检验的站点) a.雨量(单位:mm/a);b.雨日(单位:d/ a);c.降水强度(单位:mm/(d·a))Fig.5 The trend of(a)rainfall(units:mm/a),(b)rainy day(units:d/a)and(c)rain strength(units:mm/(d·a))of spring precipitation(The black dots indicate the stationswith significance of over 95%confidence level)

同样,对强降水的变化趋势也予以考查。强降水雨量除在湖北是呈增加趋势外,在其他区域都是减少的,尤其浙江,减少的趋势较为显著。强降水雨日和雨量的趋势基本一致,浙江也是减少最显著的区域。此外,强降水雨量与总雨量比呈东减西增的趋势,说明东部区域强降水雨量的减少多于总雨量的减少,因而造成强降水的比例呈下降趋势;西部区域强降水雨量的减少要少于总雨量的减少,造成强降水的比例呈上升趋势,但是这一趋势并不显著。强降水雨日与总雨日比也呈东减西增的趋势,东部区域,强降水雨日的减少多于总雨日的减少,所占比例呈下降趋势,西部区域则相反。

综上可得,长江中下游地区春季(4—5月)雨量和雨日呈显著的下降趋势,尤其东部省份。但是降水强度的趋势却有所不同,呈现出东减西增的趋势,说明东部雨量的减少要比雨日的减少更加显著,西部则相反。强降水的显著减少可能是造成总雨量减少的主要原因,尤其在东部区域。

3.3 连续性分析

连续性降水的多少对旱涝的形成与否有重要贡献,因此有必要对长江中下游春季降水的连续性作一分析。这里只给出了连续2 d、3 d和4 d的情况,由于连续5 d出现的概率很小,所以就不作讨论。图6给出了这3种情况在春季出现次数的多年平均分布。由图6a可见,平均来说,长江中下游地区每年春季连续2 d降水的次数可以出现3次左右,尤其是沿长江区域。连续3 d(图6b)的次数在江南地区接近2次,江北地区要少些,略大于1次。4 d(图6c)的情况和3 d的近似,江南地区可达一次以上,而江北地区则不足一次。研究发现,强降水基本无连续性,这里就不作讨论。

图6 连续2 d(a)、3 d(b)、4 d(c)降水的出现次数的多年平均分布(单位:次/a)Fig.6 The multi-annual average distribution(units:a-1)of occurrence frequency of(a)2-day,(b)3-day and(c)4-day successive precipitation

考查不同连续天数雨量与总雨量比值的平均分布(图略)可知,连续2 d的降水,雨量在江北地区可以占总雨量的30%以上,而江南地区则在20%左右;连续3 d时,分布形势为西北大,东南小,西北比值在20%以上,而东南部不足20%。连续4 d时,除东南部略大,可达15%外,其他地区差别不大,在10%～15%之间。综合来说,江南地区连续性降水占总雨量的比重要小于江北地区。结合第2节的分析可知,江北地区以连续性中小降水为主,而江南地区独立性的强降水要多于连续性中小降水。

从3.2节分析可知,长江中下游地区春季降水呈显著减少趋势,连续性降水雨量的变化又如何呢?图7给出了连续性降水雨量的趋势变化分布。可以看出,连续2 d降水的雨量(图7a)在沿长江区域主要呈增加的趋势,在东部浙江省却呈下降趋势;连续3 d降水的雨量(图7b),在湖南、湖北、江西的沿长江部分以及江苏南部、浙江东部区域主要呈增加趋势,而在其他区域则主要呈下降趋势;连续4 d降水的雨量(图7c),大致呈现出南增北减的趋势分布,在安徽江北地区和长江下游,减少趋势尤为显著。

4 春季降水的年代际特征

首先根据文献[15]中的方法确定长江中下游地区区域旱涝指数FD I(flood and drought indexes)。做法是:先算出单站的旱涝指标(取Z指数),然后按下式算出旱涝指数:

IFDI=Nor[(n1+n2+n3)/n-(n7+n6+n5)/n]。其中:Nor表示做标准化处理,其中n表示测站总数,本文为41个;n1、n2、n3、n5、n6、n7分别为长江中下游流域Z指数为1、2、3、5、6、7级的站数。Z指数等级的划分标准,详见文献[15],本文的标准与之相同,就不再重复。

对IFDI的年际变化序列作11a滑动平均可得其年代际变化特征(图略),从中可以发现,旱涝指数呈现明显的年代际变化特征,长江中下游地区春季呈干旱化趋势。1954—1977年,多偏涝,称为涝时期;1978—2000年,多偏旱,称为旱时期。两个时期的时间长度基本相当,下面给出这两个时期春季降水不同特征量距平的合成分布。

图7 连续性降水的倾向率分布(单位:mm/a;●表示通过0.05信度的统计检验的站点) a.2d;b.3d;c.4dFig.7 The trend(units:mm/a)of(a)2-day,(b)3-day and(c)4-day successive precipitation(The black dots indicate the stations w ith significance of over95%confidence level)

图8 涝时期雨量(a;单位:mm)、涝时期雨日(b;单位:d)、旱时期雨量(c;单位:mm)和旱时期雨日(d;单位:d)的降水距平合成分布Fig.8 The composite departure of precipitation:(a)the rainfall in w et period(units:mm),(b)the rainy day in wet period(units:day),(c)the rainfall in drought period(units:mm),(d)the rainy day in drought period(units:day)

图8 给出了长江中下游地区春季涝时期和旱时期两个时期雨量和雨日距平的合成分布。由图8a可见,在涝时期,雨量正异常幅度最大的区域位于江西和浙江的交界区,最大异常可达50mm。江北地区异常幅度在20～25mm之间,湖北西北部稍小些,不足20mm。总体上江南地区大于江北地区,东部大于西部。雨日异常分布(图8b)和雨量有所不同,正异常最大区域位于江苏,异常幅度在3d以上。此外,河南、安徽和湖北的交界区域,异常也达到了3d。其余区域,异常幅度基本相当,在2～3d之间。旱时期,雨量(图8c)异常的空间分布和涝时期相似,也是江南地区异常幅度大于江北。负异常最多可达50mm,和最大正异常相当,也位于江西东部,不同在于江西和湖南交界地区,还存在一个次中心,异常幅度也在-40mm左右。江北地区的异常在-20mm以下,和正异常基本相当。雨日的异常分布(图8d)和涝时期的特征基本类似,安徽、湖北交界区域以及江苏省的雨日平均减少3d以上,其他地区雨日减少2～3d。

同样考查旱涝时期的强降水雨量和雨日的合成特征(图略)可知:1)在涝时期,长江中下游地区春季强降水是整体增加的,江西东北区域是增幅最大的地区,中心可达40mm。湖北和河南是增幅最小的区域,不足10mm,其他地区在10～20mm之间。总的来说江南大于江北,东部大于西部,和总雨量异常的空间分布基本相似。雨日异常分布和雨量相似,也是江西和浙江的交界区域最大,近似1d,而湖北和河南区域,增幅较小,在0.2d以下。强降水贡献的异常分布则大致呈东南正西北负的形势,说明涝时期强降水雨量的增加是总雨量增加的主要原因。2)在旱时期,雨量整体减少,江南异常幅度大于江北,最小中心位于江西东北部,可达-35mm。江北地区的异常幅度大部分在-10mm以下,湖北和河南是减少最小的区域。雨日异常分布和雨量基本相似,江南地区存在两个中心,在0.5～1d之间。江北地区要小得多,在0.3d以下。强降水贡献异常的空间分布和涝时期相反,呈东南负西北正的形势,东部大于西部,江南多于江北。

综合来说,春季江南地区不仅雨量和雨日的平均量要大于江北地区,同时在不同年代际背景下,异常的幅度也大于江北。对于强降水也同样存在这种特征。

从上面的分析知道,长江中下游地区春季降水呈现明显的下降趋势,年代际变化明显。降水异常由环流异常决定,下面就从环流的角度讨论为何春季降水减少。分别选取850hPa、500hPa和200 hPa为低、中和高等压层代表。

图9给出了春季涝时期和旱时期不同高度环流畅的距平分布。由图9a可见,涝时期,850hPa流场的异常分布为在日本南部海面,存在异常反气旋环流,蒙古上空盛行异常气旋性环流,在这两个异常系统共同作用下,我国东部盛行异常偏南风。春季,长江中下游地区为锋面降水,这样的环流配置,易于低纬海洋上的暖湿空气北上,与春季盛行的干冷西北气流在长江中下游交汇,降水增加。旱时期(图9b),环流异常分布和涝时期基本相反,我国东部地区盛行异常偏北气流,由于不利于海洋上的暖湿水汽北上,因此降水减少。500hPa涝时期(图9c),环流的异常分布形势基本和850hPa一致,长江中下游地区盛行异常偏南气流,易于暖湿水汽北上,降水易于增多。旱时期(图9d),环流形势和涝时期基本相反。高层200hPa,涝时期(图9e)流场异常分布为,我国东部地区上空被异常反气旋环流控制,长江中下游地区盛行异常偏东风。旱时期(图9f)环流形势和涝时期基本相反,东部地区上空被异常气旋性环流控制,长江中下游地区盛行异常偏西风。

环流场的异常和温度场的异常关系密切,图10给出我国东部(100～125°E,20～45°N)区域平均的温度距平高度一时间演变。由图10可见,对流层中高层(600～200hPa),温度异常存在明显的年代际变化特征,和雨量的年代际变化相似,在1977年以前,对流层中高层的温度偏高,为正异常,1978年以后温度偏低,为负异常。尤其500～300hPa高度,这一特征更加明显。结合上面200hPa环流异常的特点,可以发现,在涝时期,我国东部300hPa温度正异常,对应200hPa上空盛行反气旋性异常环流;旱时期,300hPa温度负异常,对应200hPa上空盛行气旋性异常环流。

综合温度场和环流场的异常分布特点,说明春季长江中下游地区的雨量减少和同期对流层中高层温度降低密切相关,由于温度偏低,导致我国东部上空环流异常,从而降水减少。X in等[16]研究发现,我国春季对流层中高层温度的年代际变化,冬季NAO异常是影响其异常变化的重要原因之一,因此春季长江中下游地区的干旱化趋势可能与NAO的异常有密切关系。

5 结论

针对雨量、雨日这两个基本要素,本文对长江中下游地区春季降水的气候平均特征和时空变化特征进行了分析,主要得到如下结论:

(1)长江中下游地区春季的雨日、雨量呈下降趋势,而雨日的减少趋势尤为显著。降水强度东减西增,说明在该地区东部,雨量的减少要比雨日的减少更为显著,而西部则与之相反。强降水的变化趋势同总降水一致。

图9 850hPa涝时期(a)、850hPa旱时期(b)、500hPa涝时期(c)、500hPa旱时期(d)和200hPa涝时期(e)和200hPa旱时期(f)的风场距平合成分布(单位:m/s)Fig.9 The composite departure of w ind field(units:m/s):(a)the850hPa w ind in w et period,(b)the850hPa w ind in drought period,(c)the500hPa w ind in w et period,(d)the500hPa w ind in drought period,(e)the200hPa w ind in w et period,(f)the200hPa w ind in drought period

图10 我国东部(100～125°E,20～45°N)区域平均的温度距平的高度—时间演变(单位:℃)Fig.10 The height-ti m e variation of regional average temperature departure(units:℃)in East China(20—45°N, 100—125°E)

(2)春季江北地区以连续性中小降水为主,而江南地区独立性的强降水要多于连续性中小降水。在长期趋势上,2d连续性降水的雨量在沿长江区域增长较快,3d连续性降水的雨量在湖北和湖南的沿江区域增长较快,4d连续性降水的雨量则在江南地区增长较快。

(3)近50a来,长江中下游地区呈干旱化趋势, 1954—1977年为偏涝时期,1978—2000年为偏旱时期。两个时期雨量(强降水雨量)和雨日(强降水雨日)及强降水贡献异常基本呈相反分布。春季干旱化趋势和对流层中高层(500～300hPa)气温下降关系密切,由于气温相对下降,在我国东部上空高层(200hPa)产生气旋性环流异常,不利于降水的发生。

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(责任编辑:张福颖)

Temporal and Spati al Features of Spring Precipitation in theM iddle and Lower Reaches of the Yangtze River

HUANGLiang1,ZHAO Yong2,L I U Min3
(1.NantongMeteorologicalBureau,Nantong 226002,China; 2.Institute ofDesertMeteorology,Urumqi 830002,China;3.JiangsuMeteorologicalBureau,Nanjing 210008,China)

P426

A

1674-7097(2010)03-0375-10

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2008-03-14;改回日期:2009-07-21

中央级科研院所基本科研业务费专项(I DM200804)

黄亮(1980—),男,福建莆田人,工程师,研究方向为气候变化的诊断分析,skl-hl@163.com.