1880—2010年中国东部夏季降水年代际变化特征

任永建,宋连春,肖莺



1880
—2010年中国东部夏季降水年代际变化特征

任永建①②③*,宋连春②,肖莺③

① 南京信息工程大学 大气科学学院,江苏 南京 210044;

② 中国气象局 国家气候中心,北京 100081;

③ 武汉区域气候中心,湖北 武汉 430074

2016-01-01收稿，2016-01-28接受

湖北省气象局重点项目(2015Z03);国家自然科学基金青年科学基金项目(41405077)

摘要利用1880—2010年中国东部66站夏季降水数据,开展夏季长序列降水的年代际变化特征研究。结果表明,中国东部夏季降水年代际变化特征显著,华北、江淮和华南地区存在明显的差异。经验正交分解结果表明,偶极型(“-+”和“+-”)和三极型(“+-+”和“-+-”)分布是中国东部夏季的两种主要降水模态。夏季500 hPa高度场年代际分量与同期太平洋SST典型相关分析(BP-CCA)得出,太平洋年代际振荡(PDO,Pacific Decadal Oscillation)正位相可以激发出负的PJ型遥相关波列,导致长江中下游地区降水偏多,华北降水偏少;反之亦然。同时,通过滑动相关分析发现,中国东部不同区域的夏季降水对PDO不同位相的响应特征存在差异。

关键词

年代际变化

夏季降水

中国东部

太平洋年代际

振荡

从20世纪90年代中期起,年代际气候变化已成为国际气候学研究的热门问题之一,也是气候变化和可预测性研究计划(CLIVAR)的重要研究内容之一。中国处于东亚季风区,由于受到季风的影响,气候的年代际变化与全球的年代际变化有不同之处,降水比气温有更明显的年代际变化。

全球陆地绝大多数格点的年降水量在20世纪70—80年代发生了一次年代际趋势转折(施晓辉和徐祥德,2008)。研究表明,我国夏季降水有明显的年代际变化。1965年前后发生了一次气候跃变,此后华北地区夏季降水明显减少(黄荣辉等,1999)。1976年前后发生了一次明显的气候跃变(周连童和黄荣辉,2003)。20世纪80年代末出现了一次明显的年代际气候转型,伴随着这次年代际转型,80年代末以后中国东部南方地区降水明显增多(张人禾等,2008)。在20世纪90年代末,中国东部夏季降水发生了年代际突变,在1999—2010年期间降水异常从以往的经向三极子分布变成了经向偶极子分布,形成了“南涝北旱”(除长江沿岸地区)的特征(Huang et al.,2013;孙照渤等,2016)。最近一百多年来长江中下游共发生了5次年代际尺度的跃变,华北以及华南的降水均发生了4次年代际尺度的跃变,各区降水同时在20世纪20年代初期、40年代中期、60年代中期以及70年代中期发生跃变(吕俊梅等,2009)。

热带海洋变暖是20世纪70年代末东亚夏季风年代际减弱的主要因素,这与太平洋年代际振荡(PDO,Pacific Decadal Oscillation)的位相转变有关(陈红和薛峰,2013)。而中国东部夏季降水型及东亚夏季风环流年代际变化趋势与大气外强迫因子PDO关系密切(朱益民和杨修群,2003;张庆云等,2007)。PDO能够在对流层低层激发出与年代际东亚夏季风环流较为相似的大气环流异常特征,最终导致东亚夏季风降水发生年代际变化(唐民和吕俊梅,2007)。PDO是华北降水年代际异常的可能原因之一(杨修群等,2005;Ma,2007)。美国西部和中部地区年代际变化在很大程度上也受到太平洋年代际振荡的影响(Liu,2013)。这些研究结果充分说明了PDO对气候的重大影响(李崇银等,2002)。

上述这些研究对开展中国东部夏季降水年代际变化及相关研究奠定了科学基础,在本文的研究中,拟采用1880—2010年长时间序列的东部夏季降水开展变化特征研究,揭示东部夏季降水的主要分布模态;结合1900—2010年夏季PDO指数,简要分析东部夏季降水对PDO不同位相的响应特征并对可能的物理机制进行探讨。通过本文的研究,可以提高对中国东部夏季降水的变化特征尤其是年代际特征的认识,为改进中国东部夏季降水预报的能力提供帮助。

1　资料和方法

本文使用的降水资料包括两部分,1880—1950年东部(105～122°E)66站降水资料来源于王绍武等(2000)整编的降水资料,1951—2010年的数据选自国家气候中心160站月降水资料。PDO的数据主要来自http://jisao.washington.edu/pdo/PDO.latest,时段为1900—2010年逐月资料。再分析数据选用1961—2010年逐月的NCEP/NCAR的500 hPa高度场,分辨率为2.5°×2.5°。

为了解析东部夏季降水所对应气候场在空间分布上的差异,对近130 a夏季降水进行了经验正交函数分解(Empirical Orthogonal Function,EOF)。还使用了常规的合成分析、t显著性检验以及滑动相关分析。为分析年代际特征,采用傅立叶时间尺度滤波处理(10 a滤波)。文中出现的距平表示实际值与气候态均值之差,这里采用1981—2010年气候平均作为气候态均值。中国东部划分为:华北地区(35～40°N)、江淮流域(30～35°N)及华南地区(20～30°N)。

为了揭示海温SST与500 hPa位势高度场年代际分量之间的关系,还采用了典型相关分析的方法(BP-CCA)。BP-CCA可以很好地揭示大尺度环流与温度、降水的内在联系,并且物理意义清晰(贾小龙等,2010)。BP-CCA方法是在对两个场做主成分分析的基础上的CCA,即先对两个场做经验正交函数(EOF),截取前几个标准化的主成分,然后进入CCA步骤。这样截取了两个场的主要大尺度时空变化信息,滤去了小尺度振动和噪音的干扰,减少了资料中不必要的“噪音”部分,同时也降低了维数,减少了计算量。BP-CCA方法的详细介绍可参见魏凤英(2007)。

2　东部夏季降水年代际变化特征

华北地区在1880—1910年代、1940年代中期—1970年代降水偏多,1920—1940年代初、1980—2000年代降水偏少(图1a);江淮流域在1880年代、1900—1910年代以及1980年代中期—2000年代降水偏多,1890—1900年代初、1920—1980年代降水持续偏少(图1b)。华南地区在1890—1900年代、1950—1960年代初以及1970年代后期—1990年代中期降水偏少,其他年代降水偏多(图1c)。根据突变检验的结果(图略),华北分别在1920年代初、1940年代末和1970年代末发生3次突变,江淮地区分别在1920年代初、1940年左右、1950年代末以及1970年代末共发生4次突变,江南地区分别在1900年代末、1940年代末以及1970年代初。可见,东部不同区域夏季降水发生转变的时间并不一致。Ding et al.(2008)指出东亚夏季风在1960年代中期、1970年代末或1980年代初、1992—1993年发生突变。而中国东部不同区域夏季降水的年代际变化与东亚夏季风的变化又存在一定的差异,原因可能是东部不同地区降水型对东亚和西太平环流变化的响应与转型并不同步(黄荣辉等,2011)。

图1　1880—2010年华北地区(a)、江淮流域(b)和华南地区(c)夏季降水距平的逐年变化(虚线是低频滤波曲线)Fig.1　Annual variation of summer precipitation in (a)North China,(b)the Yangtze and Huaihe river basin,and (c)South China,during 1880—2010(dashed line is the low-frequency filtering line)

图2给出了1880—2010年华北、江淮和华南降水距平逐年代变化。可以发现,1880、1910及1980年代,华北、江淮和华南降水存在同步变化;1890—1900、1920、1940—1950、1990—2000年代,华北和华南降水均表现为相反的变化。华北地区1880、1910—1940、1960—1970及1990—2000年代降水偏多,1890—1900、1950及1980年代降水偏少;江淮流域1920—1980年代连续出现降水偏少;华南地区除1920和1940年代以外,1880—1970年代降水均偏多,1980—2000年代转为降水偏少。

图2　1880—2010年华北、江淮和华南降水距平逐年代变化Fig.2　Decadal variation of summer precipitation in (a)North China,(b)the Yangtze and Huaihe river basin,and (c)South China,during 1880—2010

图3　1880—2010年中国东部夏季降水年代际分量EOF分析第1(a)、第2(b)、第3(c)和第4(d)模态的空间分布Fig.3　Summer precipitation spatial distribution of (a)EOF1,(b)EOF2,(c)EOF3, and (d)EOF4,in eastern China,1880—2010

图4　1880—2010年中国东部夏季降水年代际分量EOF分析第1(a)、第2(b)、第3(c)和第4(d)的时间系数Fig.4　Summer precipitation time coefficients of (a)EOF1,(b)EOF2,(c)EOF3,and (d)EOF4,in eastern China,1880—2010

为获取年代际变化特征,对中国东部1880—2010年夏季降水进行年代际时间尺度的滤波处理,进行EOF分解,获取年代际变化的时空特征(图3—图4)。由第一特征向量的空间分布(图3a,方差贡献为28.7%)可以发现,中国东部夏季降水年代际分量从北向南呈“-+”的分布,30°N以北的大部北方地区夏季降水的年代际变化与长江以南地区的变化相反,即“南涝北旱”的空间结构。从第一特征向量的时间系数变化(图4a)可见,1910年代初和1990年代初出现显著“负转正”的转折,1940年代末则表现为“正转负”的转折;EOF1时间系数曲线所揭示的变化特征与华南地区年代际降水变化比较一致(图1c)。Ding et al.(2008)指出1992年中国东部夏季降水转型特征显著,长江以南地区夏季降水在20世纪90年代之前“偏少”,90年代以后转变为“偏多”,这次转型与1990年代出现显著的转折对应。

第二特征向量的空间分布(图3b,方差贡献为18.2%)可见,与EOF1揭示的空间特征正好相反,中国东部夏季降水年代际分量从北向南呈“+-”的分布,即“南旱北涝”的空间结构。从EOF2时间系数(图4b)可见,1930年代初发生了一次显著“正转负”的转折。第三特征向量(图3c,方差贡献为15.1%)可见,从北向南呈“+-+”分布,华北和华南南部地区为正距平,江淮和华南北部地区为负距平。从EOF3时间系数曲线(图4c)可以看出,1920年代初发生显著“负转正”的转折,在70年代末出现“正转负”的转折。EOF4的空间特征(图3d,方差贡献为9.4%)与EOF3正好相反,为“-+-”空间分布,华北和江淮北部、华南南部为负距平,江淮南部和华南北部为正距平。1900年代初、1970年代末表现为明显的“负转正”转折,1940年代末、1990年代末为明显的“正转负”转折(图4d)。

可见,偶极型和三极型降水是中国东部夏季产生的两种主要降水模态(丁一汇等,2013)。顾薇等(2005)发现长周期的年代际变化能较好地体现出“南涝北旱”和“北涝南旱”两种形势,表明我国东部夏季降水存在更长时间尺度的准周期变化,主要受到1960—1980年年代际振荡的影响。

图5　1900—2010年夏季PDO指数的逐年演变曲线(虚线为低频滤波曲线)Fig.5　Annual variation of summer PDO index for 1880—2010(dashed line is the low-frequency filtering line)

3　不同年代际夏季海温的特征

图5给出了1900—2010年夏季PDO指数的逐年演变曲线,可以看出,PDO指数的年代际变化特征非常显著。1920年代中期到1940年代中期,PDO表现为明显的正位相,1940年代后期到1970年代后期为负位相,1980年代到2000年代中期PDO则又表现为正位相。根据低频滤波的结果,选取1929—1944年为PDO正位相年,1945—1977年为PDO负位相年,1978—2005年为正位相年。

图6给出了PDO不同位相降水距平的空间分布情况。图6a表明,在1929—1944年的PDO正位相期间,中国东部总体自北向南呈现“-+”偶极分布,华南南部表现为正距平,主雨带位于华南南部,江淮流域和华南北部表现为负距平,负距平大值区出现在长江中下游流域。在1945—1977年的PDO负位相期间,中国东部则表现为“+-+”的经向分布,主雨带位置华北和华南南部,江淮南部和华南北部为负距平(图6b)。1978—2005年PDO正位相时,空间结构上为“-+”分布,降水分布与之前一次的正位相时存在显著的差异,中国东部主雨带位于江淮地区,华北东部和华南东部为负距平(图6c)。可见,主雨带的位置不仅受PDO的影响,同时与西太平洋副热带高压、东亚遥相关以及东亚阻塞高压等环流系统异常有关(赵振国等,2008)。

图6　PDO不同位相降水距平分布　　a.1929—1944;b.1945—1977;c.1978—2005Fig.6　Precipitation anomaly in different PDO phases:(a)1929—1944;(b)1945—1977;(c)1978—2005

图7　1929—1944年(a)、1945—1977年(b)、1978—2005年(c)中国夏季降水与PDO指数与的空间相关(阴影区表示通过0.1信度的显著性检验)Fig.7　Spatial correlation distribution of the PDO index and summer precipitation in eastern China during (a)1929—1944,(b)1945—1977,and (c)1978—2005(shaded areas are statistically significant at the 90% confidence level)

为了描述中国夏季降水与热带太平洋之间的关系,计算了不同位相期间PDO指数与夏季降水之间的关系。可以看出(图7a),PDO指数与华北中部、华南大部存在显著的正相关,而与江淮流域大部存在负相关,相关系数均通过0.1信度的显著性检验;表明1929—1944年PDO为正位相时,华北中部、华南大部降水偏多,而江淮流域大部降水偏少。1945—1977年PDO负位相期间,PDO指数与东部大部地区存在正相关,但均不显著,仅华北东部、华南西部和南部的部分地区的负相关通过了显著性检验。1978—2005年PDO正位相期间,PDO指数与华南大部、江淮北部、华北南部地区的夏季降水存在显著的负相关,与江淮南部、华南北部、华北西部的夏季降水存在正相关;表明1978—2005年PDO表现为暖位相时,华南大部、江淮北部、华北南部地区的夏季降水偏少,江淮南部、华南北部、华北西部的夏季降水偏多。

图8　1900—2010年PDO指数与东部夏季降水的25 a滑动相关系数曲线Fig.8　Moving correlation coefficient of the PDO index and summer precipitation in eastern China during 1900—2010

图8给出了1900—2010年夏季PDO指数与东部降水的25 a滑动相关曲线。可以看出,在不同时段,东部夏季降水对PDO的响应存在一定的差异。PDO指数与华北夏季降水在1920年以前为正相关,1920—1960年间为负相关,1965—1985年左右为负相关,1985—2000年为正相关;仅当1924—1956年、1968—1982年、1986—2000年这段时间内是通过显著性检验的。PDO指数与江淮夏季降水在1910—1924年、1966—1992年为正相关,1924—1964年为负相关;仅当1910—1920年、1926—1950年、1968—1990年期间可以通过显著性检验。PDO指数与华南夏季降水在1910—1932年为负相关,1932—1960年为正相关,1960—2000年为负相关;仅当1940—1958年、1962—2000年期间通过显著性检验。通过滑动相关分析进一步表明,东部不同区域夏季降水在PDO不同时段的响应特征存在显著差异。

4　可能的影响机制

为了揭示PDO影响中国东部夏季年代际降水的物理机制,首先对夏季500 hPa高度场进行9 a滑动平均,求取其年代际分量;其次利用高度场年代际分量与同期太平洋SST进行典型相关分析,结果如图9所示。当西北太平洋中高纬度偏暖,赤道中东太平洋偏冷,对应PDO负位相。500 hPa高度场表现为正的太平洋—日本(PJ)型遥相关,从暖池到北太平洋西部为“-+-+-”的遥相关波列。可见,PDO可能通过大气环流的调制影响中国东部的夏季降水(Zhu et al.,2011)。

早期的研究指出(黄荣辉和孙凤英,1994),PDO负位相可以激发出正的PJ型遥相关波列。此时,从菲律宾周围经南海到中印半岛上空的对流活动将增强,西太平洋高压位置偏北,导致长江中下游至日本地区降水偏少,华北降水偏多。相反地,PDO正位相可以激发出负的PJ型遥相关波列。菲律宾周围的对流活动减弱,副热带高压位置偏南,导致长江中下游至日本地区降水偏多,华北降水偏少。PDO不同位相对中国东部夏季降水的影响在前文的研究中均有体现(图6、图7)。

可以发现,PDO不同位相可以激发出不同类型的PJ型波列,导致菲律宾对流活动变化,影响副热带高压的南北位置,从而对东部夏季降水产生影响。同时,袁杰等(2013)研究发现,冬季黑潮区SST和南印度洋偶极子(SIOD)年代际异常也会对我国东部夏季降水产生影响。

5　结论和讨论

通过1880—2010年中国东部夏季降水的年代际变化特征和1900—2010年PDO不同位相变化东部夏季降水的响应特征开展了分析,得出相关结论如下:

1)中国东部不同区域的年代际变化特征存在显著差异,华北地区在1880—1910年代、1940年代中期—1970年代降水偏多,1920—1940年代初、1980—2000年代降水偏少;江淮流域在1880年代、1900—1910年代以及1980年代中期—2000年代降水偏多,1890—1900年代初、1920—1980年代降水持续偏少。华南地区在1890—1900年代、1950—1960年代初以及1970年代后期—1990年代中期降水偏少,其他年代降水偏多。

2)偶极型和三极型降水是中国东部夏季产生的两种主要降水模态。EOF1揭示中国东部夏季降水年代际分量从北向南呈“-+”的分布,30°N 以北的大部北方地区夏季降水的年代际变化与长江以南地区的变化相反。EOF2与EOF1揭示的空间特征正好相反,中国东部夏季降水年代际分量从北向南呈“+-”的分布。EOF3从北向南呈“+-+”分布,华北和华南南部地区为正距平,江淮和华南北部地区为负距平。EOF4与EOF3正好相反,为“-+-”空间分布,华北和江淮北部、华南南部为负距平,江淮南部和华南北部为正距平。

图9　典型相关分析(阴影表示超过0.1信度的显著性检验)　　a.500 hPa位势高度;b.夏季太平洋海温Fig.9　Canonical correlation between (a)geopotential height at 500 hPa and (b)summer SST in the Pacific(shading indicates statistical significance at the 90% confidence level)

3)中国东部不同区域的夏季降水对PDO不同位相的响应特征并不一致。1929—1944年PDO暖位相时,华北中部、华南大部降水偏多,而江淮流域大部降水偏少;1945—1977年PDO冷位相,华北东部、华南西部和南部的部分地区降水偏多;1978—2005年PDO暖位相时,华南大部、江淮北部、华北南部地区的夏季降水偏少,江淮南部、华南北部、华北西部的夏季降水偏多。

本研究中,仅仅分析了东部不同区域夏季降水对PDO不同位相的响应,但对PDO如何影响东部夏季降水的机制,以及为何PDO前后两次暖位相时东部夏季降水存在显著的差异?对于这些问题仍需做进一步的研究。

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The interdecadal variability of precipitation in eastern China is studied based on data from 66 meteorological stations for the period 1880—2010.Combined with the summer Pacific Decadal Oscillation(PDO) during 1900—2010 and NCEP/NCAR data for the period 1961—2010,summer precipitation in eastern China is analyzed corresponding to the different phases of the PDO,and the possible underlying physical mechanism is discussed.In order to resolve the spatial distribution differences,empirical orthogonal function(EOF) analysis is carried out on the summer precipitation in the near 130-year period.Conventional synthesis analysis,thet-test of statistical significance,and sliding correlation analysis are also used.Decadal features are obtained using Fourier filtering,which filtered out less than 10 years.The work presented in this paper is useful in improving our understanding of the decadal characteristics of summer precipitation in eastern China,especially in the context of promoting the forecasting ability of summer precipitation.

The results show that the interdecadal variability of precipitation in eastern China is significant,with obvious differences in North China,the Jianghuai region,and South China.Three change-points occur in North China(in the early 1920s,1940s and early 1970s),four in the Jianghuai region(in the early 1920s,1940,late 1950s and 1970s),and three in South China(in the late 1900s,1940s and early 1970s).A dipole(negative-positive or positive-negative) and tripole(negative-positive-negative or positive-negative-positive) distribution are the two main modes of summer precipitation in eastern China,as determined by EOF analysis.In 1929—1944 (positive PDO),summer rainfall in eastern China presents a negative-positive dipole distribution,which indicates the main rain belt to be located in South China,with the negative anomaly in the Jianghuai basin.During 1945—1977(negative PDO),the meridional distribution of summer rainfall in eastern China is characterized by a positive-negative-positive tripole pattern,with the main rain belt in North China and South China.In another positive phase of the PDO(1978—2005),the spatial structure of precipitation follows a negative-positive dipole distribution-opposite to that of the previous positive PDO phase—with the main rain belt in eastern China located in the Jianghuai region and the negative anomaly in North China and South China.We also find through sliding correlation analysis that summer precipitation in different areas of eastern China show response characteristics according to the different phases of the PDO.It is apparent that the location of the main rain belt is not only affected by the phase of the PDO,but also by the main circulation system(e.g.the western Pacific subtropical high,East Asia teleconnection and East Asia blocking high).The interdecadal components of the 500-hPa height field and Pacific SST in the summer,via canonical correlation analysis,indicates that the positive phase of the PDO can trigger a negative wave train of the Pacific—Japan teleconnection.This negative teleconnection wave train can lead to more precipitation over the middle and lower reaches of the Yangtze river,less precipitation over North China,and vice versa.

interdecadal variability;summer precipitation;eastern China;PDO

(责任编辑：张福颖)

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20160101033

Interdecadal change of summer precipitation in eastern China during 1880—2010

REN Yongjian1,2,3,SONG Lianchun2,XIAO Ying3

1SchoolofAtmosphericScience,NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044,China;2NationalClimateCenter,ChinaMeteorologicalAdministration,Beijing100081,China;3WuhanRegionalClimateCenter,HubeiMeteorologicalAdministration,Wuhan430074,China

引用格式：任永建,宋连春,肖莺,2016.1880—2010年中国东部夏季降水年代际变化特征[J].大气科学学报,39(4):445-454.

Ren Y J,Song L C,Xiao Y,2016.Interdecadal change of summer precipitation in eastern China during 1880—2010[J].Trans Atmos Sci,39(4):445-454.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20160101033.(in Chinese).

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