淮河流域5～6月降水的年际及年代际变化

王 然,于 非,司广成

(1.中国科学院 海洋环流与波动重点实验室,山东 青岛 266071;2.中国科学院大学,北京 100049;3.中国科学院 海洋研究所,山东 青岛 266071)

WANG Ran1, 2,YU Fei1, 3,SI Guang-cheng3

(1.Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves,Chinese Academy of Sciences,Qingdao 266071,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;3.Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Qingdao 266071,China)

淮河流域(111.9°～121.4°E,30.9°～36.6°N)地处我国东部,介于长江和黄河两流域之间,面积为27万km2。洪泽湖以下为淮河下游,水分三路下泄,其中一路在洪泽湖东岸出高良涧闸,经苏北灌溉总渠在扁担港入黄海。

图1 2006年现场调查的苏北近岸海域盐度分布Fig.1 Distribution of salinity in investigation field in 2006

在近几年的海洋环境调查中,发现苏北近岸海域盐度小于 30(图 1),而在 1992年渤海、黄海、东海海洋图集中,苏北近海的盐度均大于 30,因此,苏北近岸海域出现异常低盐水。同时,南黄海中西部绿潮频发,尤其是2008年北京奥运会前夕,5月底在青岛东南方的黄海西部海域(34.5°～35.7°N,121.7°～122°E)出现了大范围绿潮,并持续到当年7月[1]。尽管目前对于绿潮形成机制的认识尚不明确,海水富营养化应该是导致绿潮发生最主要的因素[2]。降水量增加会导致径流量上升,地表径流将陆地上的农田化肥、农药和其他污染物中的氮磷等营养盐带入近海,从而加剧近海水域富营养化的程度,导致绿潮的发生[3]。

淮河流域降水异常导致淮河支流在苏北近海的入海淡水通量增加,并将淮河流域人类活动产生的大量生源物质更多地带入近岸海区,加剧海水的富营养化,从而为绿潮的发生提供海洋环境背景条件。同时,绿潮的发生与区域性环境因素密切相关,在营养充足的情况下,光照强度和温度是诱发绿潮的关键性因素[4]。5～6月份正值春末夏初,海面光照加强,海水温度升高,结合强营养盐通量的输入,将加大海水中绿潮出现的可能性。因此,通过对淮河流域5～6月的降水特征及其与气候异常的相关性进行分析,对于预测黄海中西部绿潮爆发是有重要的意义,同时也可为苏北区域应对洪涝灾害提供指导意见。

1 资料来源

国家气象信息中心发布的1951～2011年全国197个站的逐月降水资料。其中选取淮河流域10个站对淮河流域降水进行分析,并选取长江流域15个站,对淮河流域和长江流域的降水异常进行对比分析,站点分布见图2a。

美国国家海洋和大气管理局(NOAA)气候预测中心(CPC)发布的太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation,PDO)指数,资料来源于http: //www.cdc.noaa.gov/ClimateIndices/List/。

日本气象厅Jamstec发布的1958～2010年逐月印度洋偶极子指数(Dipole Mode Index,DMI),DMI指数是赤道印度洋西侧海域(50°～70°E,10°S～10°N)与赤道印度洋东南侧海域(90°～110°E,10°S～10°N)之间的海表面温度梯度,资料来源于 http://www.jamstec.go.jp/frsgc/research/d1/iod/e/iod/dipole_mode_index.html。

Hadley中心发布的水平分辨率为1°×1°的1870～2011年逐月海表面温度资料。

2 结果与讨论

2.1 淮河流域5～6月降水异常特征

首先,使用国家气象信息中心 1951～2011年逐月降水数据,选取位于淮河流域的 10个站点,和位于长江流域的15个站点,取站点降水平均值得到分别代表淮河流域和长江流域 1951～2011年逐月降水数据,并求得相应的逐月降水异常数据。

图2b是2000～2011年与1951～1999年淮河流域5～6月平均降水做差得到的图,正值表示在淮河流域 2000～2011年平均降水高于 1951～1999年平均降水,图2b中,淮河流域显示为正值,表明2000年后,淮河流域 5～6月平均降水出现正异常,处于降水增多的趋势。而2000年以后,黄海沿岸绿潮开始大规模爆发,要了解绿潮频发与淮河流域的降水异常之间的关系,就需要通过对淮河流域 5～6月平均降水异常的振荡周期进行分析,掌握其变化特征。

图3是淮河流域和长江流域5～6月平均降水异常的时间序列。从图 3以看出,20世纪 50年代～60年代末、80年代～90年代末,淮河流域与长江流域5～6月降水异常的位相变化方向基本一致;20世纪70年代初～80年代初以及2000～2010年,淮河流域和长江流域 5～6月降水异常的变化趋势呈现了明显的反位相变化,即淮河流域降水正异常变化,而长江流域降水负异常变化。Xuan等[5]在2011的研究也指出,1980年以后,江淮流域夏季降水增加,并且在2000年后,淮河流域夏季降水明显增加, 长江流域夏季降水呈明显下降的态势。这说明淮河流域在5～6月的平均降水异常也可能存在年代际尺度的变化周期,所以对它的降水异常进行小波频率谱分析。

图4表明淮河流域5～6月平均降水异常有明显的年际和年代际变化周期,年际变化周期为 2～7 a,年代际变化周期表现为10 a左右以及16 a,这些周期都通过了95%的信度检验。再利用Morlet小波变换对淮河流域10个站点在5～6月的平均降水异常进行小波分析。由于小波变换将降水量异常在时间和频率两个方向展开,这样可以得到不同时间尺度振荡随时间变化的二维图像(图5),图中横坐标为时间参数,纵坐标为频域参数(周期),实线表示正值,虚线表示负值。

图2 淮河流域和长江流域的站点分布(a)以及2000～2011年和1951～1999年淮河流域5～6月平均降水异常差值(cm)图(b)Fig.2 Stations located in the Huaihe River Valley and the Changjiang River Valley (a)and difference(cm)of precipitation anomalies in the Huaihe River Valleys during May to June between 2000～2011 and 1951～1999(b)

图3 淮河流域(a)及长江流域(b)5～6月平均降水异常时间序列Fig.3 Mean rainfall anomalies’ timeseries in the Huaihe River Valley (a)and the Changjiang River Valley (b)during May to June

图4 淮河流域5～6月平均降水异常小波频率谱Fig.4 Wavelet spectrum of mean precipitation anomalies during May to June in the Huaihe River Valley

图5 淮河流域5～6月平均降水异常小波能量谱Fig.5 Wavelet power spectrum of mean precipitation anomalies during May to June in the Huaihe River Valley

根据图5中周期的分布,年际变化表现为20世纪60年代初到80年代末以及90年代末的3 a振荡的负位相;年代际变化表现为准10 a振荡;准16 a振荡表现为20世纪90年代末的正位相;20世纪60年代～70年代中期以及90年代末,存在明显的准6 a振荡的负位相,而20世纪70年代末～80年代末,则表现为准8 a振荡的负位相。从图5中可以看出,整个20世纪50年代,淮河流域5～6月处于年代际降水正异常期;20世纪60年代～80年代末,淮河流域5～6月处于年代际降水负异常期,这主要是由准3 a、准6 a和准8 a振荡负位相叠加体现的;20世纪90年代末至今,淮河流域 5～6月处于年代际降水正异常期,主要是由准10 a和准16 a振荡正位相叠加体现的。已有的研究表明,20世纪70年代末以及2000年左右,中国东部夏季降水均产生了明显的突变[6]。根据图5显示,淮河流域 5～6月平均降水异常在 20世纪 90年代中期开始由负位相向正位相转化,受年代际信号影响,开始进入降水偏多期。

2.2 淮河降水异常与气候异常

上面的分析指出,淮河流域的降水异常具有明显的年际和年代际振荡信号。目前,已经有很多研究分析讨论了淮河流域降水和 ENSO之间的关系[7-10],指出 ENSO事件是影响淮河流域降水的因素。影响淮河流域降水的年际、年代际变化的其他因素,值得进一步探讨。

江淮流域的夏季降水实际上就是东亚夏季季风推进的产物,其变化与东亚夏季季风的进退紧密相关[10]。陈际龙等[11]在2008年研究了亚洲夏季风水汽输送的年际、年代际变化与中国降水异常的关系,结果表明,如果南亚夏季风纬向水汽输运较强(弱),东亚—西北太平洋地区水汽输运的偶极型异常将有利于江淮流域的水汽辐合负(正)异常。唐位亚等[12]研究指出印度洋海温偶极振荡异常引起了大气环流的异常,影响到季风强度和雨带分布。那么,接下来要讨论DMI与淮河流域5～6月平均降水异常的关系。

图6是淮河流域5～6月平均降水异常与DMI指数的时间序列分析图。图6中的时间序列可发现,淮河流域5～6月平均降水异常与DMI指数之间存在滞后相关关系,为此我们对这种关系做进一步分析。淮河流域5～6月平均降水异常在滞后DMI指数6个月时达到最大正相关,相关系数为0.263,置信度超过95%。因此,淮河流域5～6月平均降水的年际变化可能受到了DMI的影响,前期冬季的印度洋偶极振荡越强烈,下一年淮河流域5～6月的平均降水异常越明显。

图6 1951～2011年淮河流域5～6月降水异常与DMI指数变化Fig.6 Precipitation departure in May and June and DMI index

图7 1951～2011年淮河流域5～6月降水异常与PDO指数变化Fig.7 Precipitation Departure in May and June and PDO indexs

图7是淮河流域5～6月平均降水异常与PDO指数的时间序列分析图。前文提到的淮河流域降水在20世纪70年代末以及2000年左右的突变,正对应了PDO的位相转换,1977～1998年,北太平洋正处于PDO暖位相[13],20世纪90年代末至今,北太平洋处于PDO冷位相(图7),图4中淮河流域5～6月平均降水异常时间序列显示,2000年后,淮河流域5～6月平均降水处于偏多期,这正印证了魏凤英[14]在2009年得到的结论,PDO冷位相时,淮河流域夏季降水呈偏多趋势。为了进一步确认PDO与淮河流域5～6月平均降水的关系,做降水异常相对于PDO指数变化的滞后相关。淮河流域5～6月平均降水滞后PDO指数异常 20个月负相关系数为-0.371 6,置信度超过95%。在PDO负位相时,淮河流域5～6月处于年代际多雨期,并且在滞后 PDO指数负异常20个月后,淮河流域5～6月降水异常达到最大正异常。

3 结论

淮河流域5～6月平均降水在2000年后呈现偏多趋势,并且与同时期长江流域的降水呈反位相的变化。对淮河流域5～6月平均降水异常进行小波分析,得到的结论证明,淮河流域 5～6月平均降水具有准10 a以及准16 a的年代际振荡周期,并且表现为正位相,2000年后的多雨趋势也正是这两个正位相叠加的结果。

通过对淮河流域5～6月降水异常与DMI指数进行滞后相关分析,发现,降水异常在滞后DMI指数6个月时,二者达到最大正相关,相关系数为 0.2630,置信度超过 95%。说明前期冬季印度洋海温偶极振荡的越剧烈,淮河流域5～6月降水异常越明显。

通过对淮河流域5～6月降水异常与PDO指数进行滞后相关分析,发现,降水异常在滞后 PDO指数20个月时,二者达到最大负相关,负相关系数为-0.3716,置信度超过99%。这说明,PDO对淮河流域5～6月降水异常存在一定的影响。

综上所述,淮河流域降水异常受到来自年代际气候异常信号的影响,导致径流异常,从而导致入海淡水输运异常,这对于海水中营养盐含量将产生影响,继而导致绿潮藻类的异常增殖或者减少。2000年后,黄海中西部5～7月绿潮频发,这是否与淮河流域2000年后5～6月的降水异常的年代际变化相关,还需要进一步研究。

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