近64 a来南京夏季降水峰期变化及其异常环流分析

王羱　张立凤　朱鹏　关吉平　张晓慧

摘要 利用1951—2014年南京站逐日降水资料、NCEP/NCAR逐日再分析资料和NO-AA逐月海表温度资料，分析了南京夏季降水的逐候演变特征及其异常环流。结果表明：1）南京夏季降水集中在6月第5候至7月第3候，在气候态上降水强度存在峰期位于6月第5候和7月第1候的双峰结构。降水峰期还存在准10 a的年代际变化。2）不同年份降水的候演变特征呈现为峰期在6月第5候、7月第2候的单峰结构以及双峰结构这三种状态之间转换。3）当降水单峰出现在7月第2候（6月第5候）时，同年6月第5候，西太副高偏弱（强）偏东（西）、东亚大槽和贝加尔湖浅槽偏弱（强）、南京附近对流层低层水汽异常辐散（辐合）、中层盛行下沉（上升）運动；同年7月第2候，西太副高偏强（弱）偏西（东）、东亚大槽和贝加尔湖浅槽偏强（弱）、南京附近对流层低层水汽异常辐合（辐散）、中层盛行上升（下沉）运动。4）南京夏季降水的峰期变化与前期冬季（175°E～50°W，10～20°N）区域的SST（Sea Surface Temperature）异常有着较好的相关性。

关键词 南京 夏季降水 峰期变化 异常环流 海表温度异常

南京作为长三角城市群的中心城市，经济繁荣、人口密集，气象灾害往往会造成巨大的经济损失。而南京地处长江下游，属亚热带季风气候，位于梅雨区范围内，故夏季降水十分充沛，且变化规律复杂，降水的变化是造成灾害性天气频发的重要因素。因此，研究南京夏季降水的变化特征有助于当地防范气象灾害。

多年来，气象学界针对南京的致灾因素开展了大量的研究（潘文卓等，2008；潘航，2011；刘寿东等，2014）。在全球变暖的背景下，针对温度变化的研究结果相对较多（唐国利和丁一汇，2006；缪启龙等，2008；杨英宝和江南，2009；孙燕等，2010）。而针对南京降水要素的研究则相对偏少，毛宇清等（2012）研究了近50 a南京夏季降水的气候特征，发现降水量、雨日和暴雨日均呈增加趋势，同时又具有明显的年代际变化特征。

南京的降水主要集中在夏季梅雨期。因此，在候时间尺度上研究南京夏季降水变率，从而揭示南京降水的演变特点及其大气环流背景的特征，有助于了解南京降水的发生机理、实现南京降水的精细化预报。本文将利用近64 a来南京站降水资料，在候时间尺度上分析南京夏季降水的演变特征和环流背景。

1资料和方法

研究所用资料包括：1951—2014年南京站夏季（6—8月）逐日降水资料；1951—2014年美国国家环境预测中心/国家大气环境中心（NCEP/NCAR）逐日再分析资料，分辨率为2.5°×2.5°；1950—2014年美国国家海洋和大气管理局（NOAA）逐月海表温度（Extended Reconstructed Sea Surface Tempera-ture，ERSST）资料，分辨率为2。×2。。

研究所用方法主要有经验正交函数（Empirical Orthogonal Function，EOF）分解、线性趋势分析、合成分析、相关分析、小波分析、回归分析和显著性t检验等。

2夏季降水的逐候演变特征

2.1气候态特征

图l给出了近64 a来南京站平均夏季降水强度的候演变分布。可以看到，从6月第1—4候，降水强度的变化不大，且数值较小，在4 mm/d左右。从6月第4—5候，降水强度突然增加，从4.6 mm/d跃升至9.4 mm/d，在经历了第6候的小幅下降后，在7月第1候又重新回到9.4 mm/d的高降水强度。此后，降水强度开始下降，7月第2候和第3候的强度依然维持在6 mm/d以上的较高水平。从第4候开始，直到8月第6候，降水强度虽有波动，但变化不大，平均值为4.5 mm/d。

总体来看，南京夏季降水主要集中在6月第5候到7月第3候的5个候中，且存在显著的双峰结构，峰期位于6月第5候和7月第1候，其他时期的降水强度均较小。从6月第4—5候，降水强度突然增加，具有突变特征，而7月第1候之后降水强度的减小则较为平缓，有明显的过渡期。

已有的研究表明（朱乾根等，2000；孙照渤等，2001），在6月下旬，西太副高北跳至22°N附近，东亚夏季风从南方带来暖湿空气，与北下的冷空气在江淮流域相遇，形成降水；由于冷暖空气势力相当，江淮流域进入梅雨期；直到7月上半月，副高继续北跳，江淮梅雨期结束。这解释了南京夏季降水为何从6月第4—5候突然增加，且集中于6月第5候到7月第3候的原因。

2.2夏季候平均降水的EOF分解

为进一步了解南京夏季降水的演变特征，对64a的夏季候平均降水强度进行EOF分解，前两个主分量的方差贡献率分别为40.7%和11.4%，其余主分量的方差贡献率皆不足10%，且前两个主分量对应的特征值均通过了North显著性检验。

从图2中可以看到，第一主分量的分布型（图2a）与图1中南京夏季逐候降水强度的气候态演变特征非常相似，二者的相关系数高达0.97，都表现为双峰分布；而其对应时间系数都为正值（图2b），且与南京夏季总降水的相关系数为0.93，可见该主分量反映了南京夏季降水的气候特征。时间系数的11 a滑动平均表现出缓慢上升的趋势，其趋势系数通过了0.1的显著性f检验，这表明近64 a来南京夏季降水总体呈上升趋势，这与毛宇清等（2012）的研究结论一致。

第二主分量最显著的特征表现为单峰单谷分布，单谷即负异常的极大值出现在6月第5候，单峰即正异常的极大值出现在7月第2候。第二主分量对应的时间系数有正负变化。还应当注意到，7月第1候的正异常值也较大，仅次于7月第2候，而其他时间对应异常的数值都较小。

由于EOF分解的前两个主分量的总贡献已达到52%，综合考虑前两个主分量的作用可以发现，若第二主分量的时间系数为较大正值，则其对应6月第5候的降水会异常偏少，而7月第1候与第2候的降水会异常偏多，与第一主分量的双峰分布叠加，会使得双峰结构（气候态）消失，降水集中到7月第1候与第2候，即这些年份的降水表现为单峰分布；反之，若第二主分量的时间系数为较大负值，则降水会集中到6月第5候，同样这些年份的降水表现为单峰分布。这说明南京夏季降水的逐候分布虽然在气候态上表现为双峰结构，但在不同的年份还可表现为单峰分布。

2.3降水的合成分析

为了验证在第二主分量主导下，降水双峰结构消失、出现单峰结构的特征，先对第二主分量时间系数进行标准化处理，而后选出标准化值大于1.0的年份（1969、1981、1987、1989、1991、2003、2007和2009年）和小于-1.0的年份（1972、1975、1976、1979、1993、2004和2011年），分别对降水进行合成分析。从图3中可见，在时间系数正异常的年份（虚线），6月第5候的降水较气候态偏少（通过了0.1的显著性检验），而7月第1候和第2候的降水显著偏多（通过了0.01的显著性检验），降水明显集中于7月第1候和第2候，形成了单峰结構，其中，7月第2候的降水强度达到了31.6mm/d，而6月第5候的降水强度在整个夏季仅多于6月第4候。在时间系数负异常的年份（点线），6月第5候的降水明显偏多（通过了0.01的显著性检验），高达35.0 mm/d，而7月第1候和第2候的降水偏少，其中第2候的降水强度为整个夏季最小，降水出现集中于6月第5候的单峰结构。

进一步讨论第二主分量时间系数接近于0时的降水分布情况，挑选出标准化时间系数的绝对值小于等于0.25的年份（1958、1959、1965、1967、1970、1974、1978、1988、1990、1994、1996、1997、1998、2001和2014年），对降水进行合成分析（图3中实线）。可见，降水呈现出明显的双峰结构，峰期位于6月第5候与7月第1候，这两候的降水强度分别达到9.5mm/d和9.2 mm/d。合成的降水分布型与降水的气候态以及EOF分解第一主分量的分布型非常相似，且峰期的降水强度与气候态的峰期降水强度也十分接近。这说明，当第二主分量时间系数接近于0时，第一主分量占主导，降水呈现出与气候态相似的双峰结构。

综合以上分析可知，南京夏季降水的气候态具有双峰结构，且在异常情况下还存在两种单峰结构。而这些结构之间的转换由EOF分解的第二主分量所主导，在主分量时间系数为较大正值的年份，降水会出现峰期位于7月第2候的单峰结构；在时间系数为较大负值的年份，降水会出现峰期位于6月第5候的单峰结构；而在时间系数接近于0的年份，降水会出现峰期位于6月第5候和7月第1候的双峰结构。因此，第二主分量的时间系数可以用来描述降水峰期的变化情况，故可将其定义为南京夏季降水峰期变化指数（以下简称峰期指数）。

2.4降水峰期的年代际变化

从峰期指数的11a滑动平均（图2b中点线）可见，其演变存在显著的年代际特征，在1950s中期至1960s末期和1980s中期至1990s中期主要为正，在1960s末期至1980s中期和1990s中期至2000s末期主要为负。

进一步对峰期指数进行小波分析，从小波功率谱（图4）中可以看出，1970s到1980s期间的峰期指数有着显著的准4 a周期，从2000s开始出现准2 a周期。而显著的准10 a周期则稳定存在于整个研究时间段内。

以上结果表明，南京夏季降水的峰期存在着显著的年代际变化。而峰期指数与EOF分解的第一主分量时间系数及南京夏季总降水的相关系数分别仅为0.19和0.18，说明这种准10 a振荡独立于降水总趋势的变化而稳定存在。

3降水峰期异常的环流特征

综合上节的分析结果可知，南京夏季降水在气候态上呈现为峰期位于6月第5候和7月第1候的双峰分布，但是在不同年份其候演变特征亦呈现出双峰结构以及峰期位于6月第5候的单峰结构、峰期位于7月第2候的单峰结构三种状态之间的转换。当降水出现单峰结构时，说明降水峰期相对于气候态发生了异常。在气候态的大气环流背景下，南京降水为双峰结构，而降水峰期出现异常的直接原因必然是相应时段内大气环流相对于气候态发生了异常，故本节重点分析降水峰期异常时的环流特征。

首先对逐日的NCEP/NCAR再分析资料进行候平均处理，得到逐候演变资料。然后对峰期指数和逐候演变资料扣除64 a线性趋势，使用标准化峰期指数对逐候演变资料进行回归分析，其回归系数的空间分布即反映了降水峰期异常时的环流特征。其中，所分析的500 hPa高度场和垂直速度场是对NCEP再分析资料的候平均处理结果，850 hPa水汽通量散度则由同高度的NCEP/NCAR再分析资料的纬向风、经向风和比湿经诊断得到，而对峰期指数进行标准化处理是为了保证得到的回归系数与原始物理量有着相同的量纲。

3.1 500 hPa高度场

从500 hPa高度场的回归异常分布（图5）中看到，6月第5候，在长江中下游与江南地区及其东侧的海上存在着负异常中心，在勘察加半岛附近存在正异常中心，在贝加尔湖附近的南北两侧分别存在正负异常中心；而在7月第2候，长江中下游和江南地区变为正异常中心，勘察加半岛和贝加尔湖附近出现负异常中心。这说明，当峰期指数发生正（负）异常，即南京夏季降水在7月第2候（6月第5候）出现单峰时，同年6月第5候西太副高偏弱偏东（偏强偏西），东亚大槽和贝加尔湖浅槽势力都偏弱（强），7月第二候西太副高偏强偏西（偏弱偏东），东亚大槽和贝加尔湖浅槽偏强（弱）。

3.2 500 hPa垂直速度场

从图6中可以看出，6月第5候在长江下游及其以东的海上存在500 hPa垂直运动的正异常中心，在台湾附近存在呈纬向带状分布的负异常中心；而在7月第2候，长江中下游及江南大部分地区出现负异常，负异常中心位于安徽中部，长江中下游完全处于负异常的控制之下。这表明当峰期指数发生正（负）异常，即南京夏季降水在7月第2候（6月第5候）出现单峰时，同年6月第5候南京上空对流层中层盛行下沉（上升）运动，在7月第2候转为强烈的上升（下沉）运动。

3.3 850 hPa水汽通量散度

从图7中看到，6月第5候，在安徽和浙江的交界处附近，850 hPa存在水汽通量散度的正异常中心，江苏省处于正异常的外围；而7月第2候，几乎在与前期正异常中心相同的位置变为了负异常，且异常中心向江苏省南部扩张，整个江苏省都呈现显著的负异常。这说明，当峰期指数发生正（负）异常，即南京夏季降水在7月第2候（6月第5候）出现单峰时，6月第5候南京上空对流层低层的水汽与历史同期相比异常辐散（辐合），而在7月第2候，对流层低层的水汽又出现异常辐合（辐散）。

3.4环流配置影响降水峰期的原因分析

为了进一步验证回归分析结果的可信性，选择标准化峰期指数大于1.0和小于-1.0的年份，对500 hPa高度场、垂直速度场和850 hPa水汽通量散度场分别进行合成分析。从峰期指数正、负异常年500 hPa位势高度的合成差值分布（图8）可以看到，其正、负异常的分布区域与回归分布型（图5）大致一致。结合峰期指数正、负异常年各自的合成分布（图略）可知，在峰期指数正异常年，也就是南京降水在7月第2候出现单峰的年份，同年6月第5候（7月第2候），西太副高偏弱偏东（偏强偏西），东亚大槽和贝加尔湖浅槽偏弱（偏强）；而在峰期指数负异常年，也就是南京降水在6月第5候出现单峰的年份，同年6月第5候（7月第2候），西太副高偏强偏西（偏弱偏东），东亚大槽和贝加尔湖浅槽偏强（偏弱）。由此可见，无论是用合成分析还是回归分析的方法，其结果反映的异常环流特征是一致的。500 hPa垂直速度场和850 hPa水汽通量散度的合成分析（图略）结果也与回归分析一致，不再赘述。

由上，南京降水峰期异常与大气环流的配置关系可总结为（表1）：当南京夏季降水呈现峰期位于7月第2候的单峰结构，即峰期指数正异常时，同年6月第5候，西太副高偏弱偏东，东亚大槽和贝加尔湖浅槽偏弱，在南京上空，对流层中层盛行下沉运动，低层水汽异常辐散。在7月第2候，西太副高偏强偏西，东亚大槽和贝加尔湖浅槽加强，南京上空对流层中层盛行上升运动，低层水汽异常辐合。6月第五候西太副高偏弱偏东，偏南夏季风会增强，同时东亚大槽和贝加尔湖浅槽的偏弱，减弱了北方冷空气的南下。这些系统的综合作用，使得冷暖空气难以在江淮流域汇合，对流层中层盛行下沉运动，再加上低层水汽异常辐散，位于长江中下游的南京降水较历史同期自然会减少（乔云亭等，2002；张庆云和陶诗言，2003；王黎娟等，2005；张玲和智协飞，2010；余丹丹等，2014；周放和孙照渤，2014；苗春生等，2015）。而在7月第2候，西太副高偏强偏西，偏南夏季风减弱，同时东亚大槽和贝加尔湖浅槽加强，北方的冷空气南下更加活跃，在江淮流域，维持了冷暖空气的汇合，对流层低层的水汽趋于辐合，辅以中层的上升运动，有利于南京降水较历史同期显著增加。这样的环流配置易于造成6月第五候的降水减少，7月第二候的降水增多，使得降水出现峰期位于7月第2候的单峰结构。

类似的，当南京夏季降水呈现峰期位于6月第5候的单峰结构（即峰期指数负异常）时，同年6月第5候，西太副高偏强偏西，东亚大槽和贝加尔湖浅槽偏强，在南京上空，对流层中层盛行上升运动，低层水汽异常辐合。而在7月第2候，西太副高偏弱偏东，东亚大槽和贝加尔湖浅槽偏弱，南京上空对流层中层盛行下沉运动，低层水汽异常辐散。这种环流配置与降水出现位于7月第2候的单峰结构时的环流异常型刚好相反，从而造成南京在6月第5候的降水较历史同期显著增加，在7月第2候的降水较历史同期显著减少，降水向7月第5候集中，出现单峰结构。

4降水峰期异常与前期冬季（12—2月）太平洋SST的关系

大量研究表明（Wang et al.，2001；Liu et al.，2006；Wen et al.，2007：Frankignoul and Sennechael.2010；Hu et al.，2013），前期冬季太平洋海表面溫度（Sea Surface Temperature，SST）的异常会影响后期夏季的大气环流，从而与中国东部的夏季降水和温度有着显著的相关性。为探究南京夏季降水峰期异常与前期冬季SST是否也存在较好的关系，计算了峰期指数与前期冬季太平洋SST的相关系数。相关资料在进行计算前都已扣除了线性趋势。

从图9可见，相关系数自北至南大致呈现“+-+-+”的分布形态，有三个主要正相关区域，第一个位于45。N以北的北太平洋，呈带状分布；第二个区域范围较大，大致分布在（160°E～110°W，20°S～20°N）的广阔海域；第三个区域位于高纬南太平洋的中部。而负相关区域主要位于中纬度北太平洋、热带西太平洋暖池区附近、澳大利亚以东和东南的海域以及高纬南太平洋的东部。其中，除了暖池区和高纬南太平洋的东部，其他区域均有明显的相关系数极值区通过了0.1的显著性t检验，这表明这些区域前期冬季SST的异常均与后期南京夏季降水的峰期异常有着一定程度的相关性。而热带中太平洋（175°E～150°W，10～20°N）区域内的SST与降水峰期异常的相关更为显著，正相关系数通过了0.01的显著性检验。这表明，当该区域前期冬季SST异常偏暖（冷）时，后期南京夏季降水分布趋向于出现峰期位于7月第2候（6月第5候）的单峰结构。该区域前期冬季的SST异常可以作为后期南京夏季降水峰期异常的一个很好的预报因子。

5结论

本文对1951—2014年的南京夏季降水的逐候演变特征及其环流异常进行了分析，主要结论有：

1）近64 a来，南京夏季降水主要集中在6月第5候和7月第3候之间，期间平均降水强度为8.2mm/d。而6月第1—3候的平均降水强度以及7月第4候到8月第6候的平均降水强度分别只有4mm/d和4.5 mm/d。从6月第4—5候，降水强度的增加具有突变性。

2）从气候态来看，在6月第5候和7月第l候分别出现9.4 mm/d的降水强度极大值，降水的候演变呈现双峰结构。在此背景下，南京夏季降水的峰期还存在着准10 a的年代际变化，候演变特征呈现为峰期在6月第5候的单峰结构、峰期在7月第2候的单峰结构以及双峰结构三种状态之间的转换。

3）对降水峰期异常时大气环流的分析表明，当降水呈现峰期在7月第2候的单峰结构时，同年在6月第5候，出现不利于南京降水产生的环流配置，西太副高偏弱偏东、东亚大槽和贝加尔湖浅槽偏弱、南京附近对流层低层水汽异常辐散、中层盛行下沉运动；而在7月第1和第2候，出现了利于降水产生的环流配置，西太副高偏强偏西、东亚大槽和贝加尔湖浅槽偏强、南京附近对流层低层水汽异常辐合、中层盛行上升运动。当降水呈现峰期在6月第5候的单峰结构时，环流特征相反。

4）对峰期指数与前期冬季太平洋SST的相关性分析发现，相关系数自北至南呈现“+-+-+”的分布形态，其中（175°E～150°W，10～20°N）区域的SST异常与峰期指数的相关性最好。当该区域前期冬季SST异常偏暖（冷），后期南京夏季降水趋向于出现峰期位于7月第2候（6月第5候）的单峰结构。该区域前期冬季SST异常可作为南京夏季降水峰期异常的预报因子。