不同年代际背景下1963年和1996年华北盛夏降水及其原因的对比分析

庞庆兵, 顾建峰, 张智超, 刘海文,4

(1.成都信息工程学院大气科学学院,四川成都610225;2.中国气象局预报司,北京100081;3.中国民用航空华东地区空中交通管理局福建分局,福建福州350200,4.重庆市气象局,重庆401147)

0 引言

针对特殊年份或者不同年代际背景下的天气气候的研究一直就有。比如,张庆云等[1]研究分析了1998年夏嫩江松花江流域持续性暴雨的环流条件及其演变特征。毛江玉和吴国雄[2]研究了1991年梅雨期间江淮洪涝区降水的季节内振荡及其环流特征,着重考察了不同层次副热带高压的低频变化与降水的关系。孙安健等[3]利用观测资料分析了1983与1985年夏季北半球500hPa高度场大气低频波的振荡特征。丁一汇和马晓青[4]对2004年12月22日～2005年1月1日的强寒潮事件进行等熵位涡分析。孙建华等[5]、张庆云等[6]分别对2003年中国天气的气候异常进行了研究。Li等[7]分析了2006年夏季发生在中国西南地区的严重干旱特征及其大气环流异常。丁一汇等[8]研究了2008年1月中国南方罕见低温雨雪冰冻灾害发生的原因及其与气候变暖的关系。庞子琴和郭品文[9]研究了不同年代际背景下北极涛动与冬季中国东北气温年际异常关系的变化情况。Wu和Wang[10]对比分析了1962～1977年和1978～1993年东亚夏季风与ENSO的关系。这些研究表明,针对特殊年份或者不同年代际背景下的年份的天气、气候的对比分析研究显得非常重要。

关于1963年和1996年华北夏季降水,大都是针对暴雨研究。比如,1963年8月上旬河北省停滞性低气压暴雨,给人民的生命财产带来了损失[11];冯伍虎等[12]和孙建华等[13]都对发生在1996年中国河南、山西、河北等省的一次特大暴雨过程进行了分析研究。图1给出了1951～2011年华北盛夏降水的标准化时间序,可见60多年来,华北盛夏降水有明显的一个下降趋势,而且存在着鲜明的年际和年代际变化特征[14-16]。在年代际尺度上,有研究表明,以1970年末期为界,在之前华北夏季降水处于异常偏多阶段,在之后华北夏季降水处于降水异常偏少阶段[14-20]。1963年的华北盛夏降水为60余年来降水的最大值,伴随着东亚夏季风在20世纪70年代际末期的年代际减弱,华北盛夏降水出现了明显的减少趋势。而1996年华北盛夏降水又出现了一个降水极大值。因此,选取1963年和1996年这两个处于不同的年代际背景下的华北盛夏降水的强降水年来进行对比分析。分析和研究不同的年代际背景场对华北盛夏降水调制作用的异同,这对加深认识华北盛夏降水规律的认识,显然具有非常重要的科学意义。

图1 1951～2011年华北盛夏降水的准化时间序列

1 资料和方法

所用资料包括:

(1)中国气象局国家气象信息中心提供的中国160站逐月降水资料,时间跨度为1951～2011年。

(2)1958～2002年ECWMF全球2.5°×2.5°逐月 500hPa高度场、850hPa风场、海平面气压场、比湿场等资料。

文中的华北盛夏指的是7、8两个月。根据刘海文和丁一汇[21]对华北区域范围的研究,定义35°N～43°N,110°E～120°E的区域作为华北研究范围。

其中,从地面到300 hPa垂直积分的水汽通量计算[22]:纬向水汽通量:

经向水汽通量:

文中还使用了合成分析,统计t检验等方法。

2 1963年和1996年中国东部盛夏降水的差别

为了研究1963年和1996年华北盛夏降水的空间分布的异同。图2分别给出了1963年、1996年华北盛夏期间的中国160站降水与1951～2011年平均的差值分布。由图2(a)可见,对处于华北盛夏降水偏多阶段的1963年而言,中国东部降水呈显著的“北涝南旱”异常型分布。异常偏多的降水中心主要位于山西中南部,距平0线大致沿长江中下游流域,长江以南地区为降水负距平,这样的降水异常分布是和华北盛夏降水处以偏多阶段时,中国东部地区处于“北涝南旱”[23-25]的年代际背景是相一致的。而在图2(b)中,对于华北盛夏降水处于异常偏少阶段的1996年,整个中国东部降水的绝大部分地区都异常偏多,通过显著性检验的区域仍然位于山西省境内,但是和图2(a)相比较,其位置略偏北。从淮河流域到中国长江以南的地区的降水都异常偏多,尽管这些区域没有通过显著性水平信度检验。

图2 1963年、1996年华北盛夏期间的中国160站降水与1951～2011年平均的差值分布(单位:mm/月)(阴影区域通过了0.05的显著性水平检验;矩形方框表示华北地区)

综上所述,1963年和1996年中国东部地区夏季降水异常分布有明显的年代际背景信号。在1963年,中国东部地区降水呈现出明显的年代际背景特征,即“北涝南旱”;但是对于1996年而言,华北盛夏降水的年代际背景处于异常偏少阶段,尽管中国东部地区降水并没有出现“南涝北旱”[26-27]的年代际背景特征,但是“南涝”的年代际背景特征还是有所显示。

3 影响1963年和1996年华北盛夏降水的大气环流

图3分别给出了1963年和1996年华北盛夏期间500hPa高度场与1958～2002年气候平均的差值分布。由图3a可见,对于1963年而言,从北到南,在欧亚大陆中国东部地区,500hPa位势高度场为异常的“北高南低”型分布。在贝加尔湖东北侧有一正距平中心,且通过了0.1的显著性水平检验;黄河以南地区为负距平,台湾岛以东为正距平,表明1963年副热带高压异常偏强,而副热带高压的异常偏强有利于华北盛夏降水的异常偏多[28-29]。

而在图3(b)中,对于1996年而言,从北到南,整个中国东部地区为异常的“西高东低”型分布。贝加尔湖附近存在两个异常的正距平中心,在中国南方地区、上海出口处和台湾岛以东地区存在3个异常低值中心。华北盛夏雨量主要取决于1～2场暴雨[30]。研究表明,1996年8月初发生在河北和山西的特大暴雨过程主要是由于“9608”号台风登陆北上引起的[13]。所以在图3(b)中,在中国南方地区、上海出口处和台湾岛以东地区分别存在的3个低值中心,可能与“9608”号台风有关。

图3 1963年、1996年华北盛夏期间的500hPa高度场与1958～2002年气候平均的差值分布(单位:gpm)(阴影区域通过0.1的显著性水平检验)

图4 1963年、1996年华北盛夏期间的850hPa高度场与1958～2002年气候平均的差值分布(单位:m/s)(阴影区域通过0.1的显著性水平检验)

对应对流层中高层500hPa位势高度场的差值分布,图4分别给出了1963年和 1996年华北盛夏期间850hPa风场与1958～2002年气候平均的差值分布。由图4(a)可见,来自副热带高压南部的异常偏东气流在南海转向向北后与来自贝加尔湖以南地区的异常偏北气流在华北地区上空相遇,形成了一个异常的气旋性环流,使得华北夏季降水异常偏多。在图4(a)中,中国东部地区为异常偏南气流控制,东亚夏季风强度偏强,因此,1963年降水可称之为季风降水。

图4(b)和图4(a)相比,却有很大的不同。南海和副热带高压南部分别为异常偏北和偏西气流,东南海岸线附近为异常偏北气流,表明季风异常偏弱[31-35]。在1996年,西伯利亚反气旋南侧的偏北冷气流与北上的偏南暖湿气流在华北地区相遇,产生辐合,导致降水偏多。因此,从气候学意义上讲,1996年降水是系统降水,而非季风降水。

4 影响1963和1996年华北盛夏降水的大尺度降水条件的异同

源源不断的水汽供应是形成降水的一个必要条件[36]。图5分别给出了1963和1996年华北盛夏期间的整层垂直积分的水汽通量与1958～2002年气候平均的差值分布。由图5可见,影响1963年华北盛夏降水的水汽通道主要有3条,它们的源地分别是南海、副热带高压南部的太平洋地区和鄂霍次克海;而在1996年,影响华北盛夏降水的水汽通道与1963年相比则存在着很大的不同。上述3条水汽通道基本不存在,影响华北盛夏降水的水汽主要是在长江中下游地区的一个异常水汽辐合,通过远距离相互作用,使得1996年华北盛夏降水异常偏多。

图5 1963年、1996年华北盛夏期间的整层大气(地面-300hPa)垂直积分水汽通量与1958～2002年气候平均的差值分布(单位:kg·m-1s-1,阴影区域通过0.1的显著性水平检验)

图6 110°E～120°E平均的距平全风速(等值线图,单位:m/s)和距平垂直速度(填色图,单位:0.01pa·s-1)的经向剖面

强烈的上升运动是形成降水的另一个必要条件[36]。为了研究1963年和1996年华北盛夏异常上升运动的差别,图6分别给出了1963年和1996年的110°E～120°E平均的距平全风速和距平垂直速度的经向剖面。由图6(a)可见,对于1963年而言,在对流层顶附近200hPa高度上,25°N附近有一大风核,这一正距平一直延伸至华北上空,华北地处此正距平的右侧。研究表明,在大风速核右侧,存在一个暖空气下沉,冷空气上升的逆环流圈[36]。华北正处于这一逆环流的上升运动区,图6(a)中的异常上升运动正说明了这一点,所以异常强的上升运动,有利于华北1963年夏季降水偏多。

对于1996年而言,对流层顶层的距平全风速和图6(a)有着明显不同。在华北上空有一个负距平中心,这表明副热带西风气流较之气候平均要小得多,因此在1996年,导致华北异常上升运动的并不是异常西风急流所产生的上升运动。从异常上升运动距平图可以看出,1996年华北上空对流要比1963年的强,这也使得华北盛夏降水异常偏多。

综上所述,导致华北1963年和1996年夏季降水的大尺度降水条件有很大不同。从水汽来源上讲,在1963年影响中国东部夏季降水的水汽通道有3条,其水汽源地分别是南海、副热带高压南部的太平洋地区和鄂霍次克海,而1996年的水汽条件,主要是由长江中下游地区的异常气旋性环流通过远距离作用为华北提供水汽。此外,在1963年盛夏,华北地处高空大风速核出口区右侧,而高空大风速核出口区右侧有利于产生一个逆环流圈,使得华北处于异常上升运动区,因此华北1963年夏季降水异常偏多;而在1996年盛夏,虽然华北上空副热带高空急流异常偏弱,但是1996年华北盛夏上空大气的异常对流要比1963年的强。

5 结论

利用1951～2011年全国160个测站的逐月降水资料及1958～2002年ECMWF逐月再分析资料,采用统计t检验,合成分析等方法对不同年代际气候背景下华北盛夏降水进行了对比分析,得到如下结论:

(1)对于处于不同年代际背景下的1963年和1996年华北盛夏降水而言,中国东部地区盛夏降水也表现出很大区别。1963年中国东部盛夏降水的主要特征是“北涝南旱”,但是对于1996年而言,整个中国东部绝大部分地区降水都异常偏多。1963年华北盛夏降水要多于1996年华北盛夏降水。

(2)导致处于不同年代际背景下华北盛夏降水不同的大气环流特征是,在1963年,500hPa高度距平分布中,整个中国东部地区的位势高度场为异常的“北高南低”型分布,异常偏南的西南气流与来自贝加尔湖以南的异常偏北气流在华北地区上空相遇,形成了一个异常的气旋性环流,导致华北盛夏降水异常偏多,故1963年华北盛夏降水属于季风降水;而1996年500hPa位势高度距平则在整个中国东部地区为异常的“西高东低”型分布,影响1996年华北盛夏降水的主要系统为长江中下游地区的异常气旋性环流北部的异常东风和来自北方的异常偏北气流在华北地区上空交绥,导致华北盛夏降水异常偏多,其属于系统降水。

(3)1963年和1996年的大尺度降水条件也不相同。在1963年影响中国东部夏季降水水汽通道主要有3条,其水汽源地分别是南海、副热带高压南部的太平洋地区和鄂霍次克海,而1996年的水汽条件主要是由长江中下游地区存在的异常气旋性环流通过远距离作用为华北提供水汽。在1963年盛夏,华北地处高空大风速核出口区右侧,处于间接环流上升运动区;在1996年盛夏,华北上空副热带高空急流则异常偏弱,但同时其上空大气对流要比1963年的强。

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