中国东部夏季降水特征及其与西太副高的关系

肖艳林，池再香，杨冬冬，陈　蕴，孔德璇

(1.贵州省六盘水市气象局 ，贵州 六盘水　553000；2.南京信息工程大学，江苏 南京　210044；3.贵州省水城县气象局，贵州 水城　553001)

1　引言

中国东部降水具有明显的地域和季节性差异特点，中国东部夏季降水雨带分布类型的研究，在实际应用上有很重要的意义[1]，陶诗言等[1-2]研究表明:中国东部雨带具有明显的3个阶段分布特征,第1阶段为4—6月华南前汛期降水，第2阶段为6月中旬—7月初的江淮梅雨，第3阶段为7月中旬—8月上旬的华北和东北地区降水。雨带的变化对中国东部旱涝分布具有十分重要的影响[ 3]。廖荃荪等[4-6]把中国东部夏季降水的雨带分为3个类型，第1类型雨带主要位于黄河流域及其以北地区，而江淮流域少雨；第2类型雨带主要分布在黄河与长江之间，而黄河以北地区和长江以南地区少雨；第3类型雨带主要分布在长江流域以南地区，而淮河以北地区和东南沿海少雨。雨带的变化是造成某地区洪涝或干旱灾害天气的主要原因，对生产生活影响较大。陈隆勋等[7]研究指出,造成南涝北旱的主要原因是南海夏季风的异常。李新周等[ 8]通过分析大气环流与中国北方干旱的年代际变化关系,得出北方干旱化的主要原因是由于东亚夏季风减弱造成的。张顺利等[9]通过研究指出,青藏高原冬、春季积雪的日益增加是导致南涝北旱分布格局的主要原因。张琼等[10-11]通过研究得出了南亚高压强度变化与西北、西南地区的降水关系十分密切。马端良[12]通过分析得到了南亚高压脊点位置的变化与中国东部夏季降水有较好的关系。池再香等[13]通过研究得出了西太平洋副热带高压位置的变化对贵州黔东南地区夏季局地暴雨落区具有较好的指示意义。王芬等[14]分析贵州黔西南5—6月暴雨天气发生时，200 hPa受南亚高压控制、500 hPa处于西太平洋副热带高压边缘，并有高空槽影响。Yu 等[ 15]指出东亚地区对流层上部的降温可以导致西太平洋副热带高压位置偏南,造成中国东部出现南涝北旱的现象。赵平等[ 16]指出夏季东亚大陆中纬度和西太平洋副热带地区的气压年际变化与长江流域降水异常有显著的关系。因此，西太平洋副热带高压(简称西太副高，下同)南北位置异常变化对中国东部夏季降水有着重要影响。本文通过分析中国东部夏季(6—8月)降水分布特征及其与西太副高的关系，对中国东部夏季降水的雨带变化及其预报具有十分重要的意义。

2　资料与方法

2.1　资料来源

降水资料为中国东部地区160个气象观测站1951—2012年6—8月的月平均降水量；西太副高资料为1951—2012年NCEP 1°×1°再分析资料中的500 hPa高度场数据，其范围为 0°～40°N,100°E—160°W。

2.2　方法

利用EOF研究方法，将某气候变量场的观测资料以矩阵形式给出:

(1)

式中m为空间点，n为时间序列长度。

然后把X分解为时间函数(Z)和空间函数(V),其表达式为：

X=VZ

(2)

或

(3)

上式中，把第i个格点上的第t次观测值看作是p个空间函数(z)和时间(V)函数的线性组合。

其中：

(4)

(5)

vj=(v1j,v2j,…,vmj)t

(6)

第t个空间场表示为：

(7)

式中， 把m个空间典型场表示第t个场，按不同的权重线性叠加而成。V的每一列分别表示一个空间典型场。

3　中国东部夏季降水气候特征

华南4月份开始进入汛期(俗称前汛期)，造成这种现象主要是降水发生在西太副高北侧的西风带中，到5月中旬降水量迅速增加，华南处于前汛期的盛期； 5月中旬之后，受东亚季风的影响，大雨带移至华南沿海地区，降水量继续增加。

图1给出了中国东部夏季降水分布情况。由图1a可知，6月降水大值区主要出现在华南地区，其降水量在200 mm以上。华南南岭以南存在一个大雨带,其中心为250 mm；华南武夷山—长江下游以南地区也存在一个大雨带，其中心值达300 mm。由此可知,6月雨带的分布属于第3类型雨带，即雨带主要位于长江流域以南，而淮河以北少雨。由图1b看出，长江以北和黄河以南存在两个降水大值区，一个分布在长江中下游与黄河下游之间，且呈东西向带状分布，从沿海伸向武汉附近，其中心为200 mm以上；另一个分布在重庆巫山附近，其中心为200 mm。将这两个降水中心看作一个大雨带，即长江以北与黄河以南地区降水量偏多，表明江淮流域进入梅雨期；而长江以南和黄河以北降水量偏少，其降水量在150 mm以下；但黄河以北地区7月份降水量比6月份明显增多，其降水量由50～100 mm增加到100～150 mm。综上所述，7月雨带的分布属于第2类型雨带。7月降水气候态图反映了江淮地区进入梅雨期。梅雨期间，长江中下游地区多阴雨天气，雨量充沛，相对湿度较大，日照时间短，降水具有连续性特征。由图1c看出，华南南部为降水大值区，其中心为200 mm；东北地区降水明显增多，长春一带的降水量由7月份的100 mm增加到150 mm；长江中下游、黄河流域和华南北部降水量减少，说明江淮流域已出梅。由此可见，8月雨带的分布属于第1类型雨带，即黄河以北地区降水量偏多，黄河以南地区以及长江流域降水量偏少，东北地区处于雨季。由图1d看出，中国东部夏季降水具有空间分布不均的特点，由东南沿海向西北内陆逐渐减少。夏季降水大值区主要集中在华南南部、云贵高原、四川盆地，其降水量达600 mm以上；其次为长江中下游以及浙江、福建等沿海地区，其降水量在500 mm以上；再次为华北和东北地区，其降水量为300～400 mm；降水量最少为中国东部地区的西北部，其降水量在200 mm以下。

综上所述，6月份，雨带位于华南地区，江淮流域、华北、东北地区降水量偏少。7月份，雨带位于江淮流域，江淮地区处于梅雨期，而长江以南地区降水量偏少，但华北、东北地区的降水量比6月份有所增加。8月份，雨带位于华北—东北地区，江淮流域和华南地区的降水量明显减少。

图1　中国东部6月(a)、7月(b)、8月(c)和夏季(d)降水量分布(单位：mm)Fig.1　Distribution of precipitation in June(a),July(b),August(c) and summer(d) in eastern China(unit: mm)

4　中国东部夏季降水与西太副高的关系

4.1　降水第1模态时空分布特征

利用EOF方法，得到中国夏季降水EOF第1模态(图2)。由图2a看出，在长江以北与黄河以南有降水大值中心存在，且呈带状分布，降水正中心可达0.15，表明该区域降水量偏多；华南为负值区，负值中心(-0.1)在武夷山附近，同时，华北地区也为负值区，其负值中心为-0.1，表明华南和华北地区降水量偏少。由此可见，江淮流域的降水变化与长江以南和黄河以北地区的降水呈反位相。由图2b看出，降水存在一个准3～5a的振荡周期；2000年之前，降水随时间序列振幅较大，说明夏季降水变化也较大，基本上是每3 a或5 a中国东部夏季降水就出现一个大值年或一个小值年，说明旱涝分布比较明显；2000年之后，降水随时间序列振幅较小，说明夏季降水变化也较小，旱涝灾害不明显。

图2　中国夏季降水EOF第1模态(a)及其时间序列分布(b)Fig.2　EOF first modal(a) and its time series distribution(b) of Chinese summer precipitation

4.1.1第一模态时间序数大值年降水与西太副高的关系在降水EOF第1模态的时间序列中，以1.8为标准，把序列值>1.8的降水定为大值年。在62 a中，降水大值年分别是1964年、1969年、1971年、1972年、1989年和1995年，并对6个大值年夏季降水距平及其对应的500 hPa高度场做合成。由图3a看出，江淮流域和黄河以北地区降水量偏多，华南和东北地区降水量偏少，与中国东部夏季降水EOF分析的第1空间模态相吻合。由图3b看出，西太副高的中心位置在25～30°N、165～175°E之间，副高范围(588 dagpm线)较小，说明副高强度偏弱，导致江淮流域降水量偏多，而华南和东北地区的降水量偏少。

图3　EOF的第1模态时间序数大值年份160个气象观测站降水合成(a)及其500 hPa高度场合成(b)(单位：mm、dagpm)Fig.3　EOF the first modal time ordinal number of large value year 160 meteorological observation stations precipitation synthesis (a) and its 500 hPa height(b) (unit: mm,dagpm)

4.1.2第1模态时间序数小值年降水与西太副高的关系在降水EOF第1模态的时间序列中，以-1.8为标准，把序列值<-1.8的降水定为小值年。在62 a中，降水小值年分别是1959年、1966年、1973年、1974年、1982年和1987年，并对6个小值年夏季降水距平及其对应的500 hPa高度场做合成。由图4a看出，中国东部夏季降水有3个大值区，一个分布在两广地区，一个分布在四川盆地，还有一个分布在华北—东北一线；而长江以北与黄河以南地区存在一个降水小值区，该降水小值区从山东一直向内陆延伸至陕西、重庆，其中心值达-30 mm。由图4b看出，西太副高的中心位置在22～32°N、145～172°E之间，副高范围(588 dagpm线)较大，说明副高强度偏强，导致华南和华北—东北地区降水量偏多，而江淮流域降水量偏少。

图4　EOF的第1模态时间序数小值年份160个气象观测站降水合成(a)及其500 hPa高度场合成(b)(单位：mm、dagpm)Fig.4　EOF the first modal time ordinal number of small year 160 meteorological observation stations precipitation synthesis(a) and its 500 hPa height(b) (unit: mm,dagpm)

4.2　降水第2模态时空分布特征

利用EOF方法，得到中国夏季降水EOF第2模态(图5)。由图5a看出，华北与长江流域存在降水大值区，其中心值为0.1，且呈自西向东带状分布，该带状比第1模态范围大，基本上覆盖了整个华北地区—长江流域，表明华北地区和长江流域降水量偏多；长江以南地区降水处于负值区，其负值中心位于南岭—武夷山一带，其负值中心为-0.15，表明长江以南地区降水量偏少。由此可见，降水是以长江为界，长江以北降水量偏多，长江以南降水量偏少，且它们之间呈反位相。由图5b看出，中国东部夏季降水存在1个准2～3a的振荡周期。1990年之前，降水的时间序列振幅较大，表示夏季降水的变化也较大，基本上是每隔2a或3a中国东部夏季降水就有一个大值年或一个小值年发生，说明旱涝分布明显；1990年之后，降水的时间序列振幅较小，表示夏季降水年际变化较小，说明旱涝灾害不明显。

图5　中国夏季降水EOF第2模态(a)及其时间序列分布(b)Fig.5　EOF second modal (a) and its time series distribution (b) of Chinese summer precipitation

4.2.1第2模态时间序数大值年份降水与西太副高的关系在降水EOF第2模态的时间序列中，以1.8为标准，把序列值>1.8的降水定为大值年。在62a中，降水大值年分别是1955年、1978年、1983年和1984年，并对4个大值年夏季降水距平及其对应的500 hPa高度场做合成。由图6a看出，长江以北与黄河以南降水量偏多，而黄河以北、长江以南降水量偏少，与中国东部夏季降水EOF分析的第2空间模态基本一致。由图6b看出，西太副高的中心位置在25～27.5°N、155～165°E之间，副高范围(588 dagpm线)较小，说明副高强度偏弱，导致江淮流域降水量偏多，而华南和东北地区的降水量偏少，与第1模态得出的结论一致。

图6　EOF的第2模态时间序数大值年份160个气象观测站降水合成(a)及其500hPa高度场合成(b)(单位：mm、dagpm)Fig.6　EOF the second modal time ordinal number of large value year 160 meteorological observation stations precipitation synthesis(a) and its 500hPa height(b) (unit: mm,dagpm)

4.2.2第2模态时间序数小值年份降水与西太副高的关系在降水EOF第2模态的时间序列中，以-1.8为标准，把序列值<-1.8的降水定为小值年。在62a中，降水小值年分别是1953年、1954年、1956年、1964年、1973年和1981年，并对6 a夏季降水距平及其对应的500 hPa高度场做合成。由图7a看出，在华北太行山脉—重庆巫山有一个降水大值区，其中心值为50mm，长江流域降水距平为20 mm；而山东和长江以南地区存在降水小值区，其中心值为-20 mm。由图7b看出，西太副高的中心(587 dagpm线)位置在135°E以东地区，说明西太副高位置偏南、强度偏弱，导致长江以北地区降水量偏多，长江以南地区降水量偏少。

图7　EOF的第2模态时间序数小值年份160个气象观测站降水合成(a)及其500hPa高度场合成(b)(单位：mm、dagpm)Fig.7　EOF the second modal time ordinal number of small year 160 meteorological observation stations precipitation synthesis(a) and its 500hPa height(b) (unit: mm,dagpm)

5　结论与讨论

5.1　结论

①中国东部雨带6月份位于华南地区，江淮流域、华北和东北地区降水量偏少；7月份雨带北抬至江淮流域，江淮地区处于梅雨期，而长江以南地区降水量偏少，但华北和东北地区的降水量比6月份有所增加；8月份雨带继续北抬到华北—东北地区，华北和东北地区降水量偏多，而江淮流域和华南地区的降水量明显减少。夏季降水具有空间分布不均的特点，由东南沿海向西北内陆逐渐减少，以华南南部、云贵高原、四川盆地降水量(600 mm以上)为最多，以中国东部地区的西北部降水量(200 mm以下)为最少。

②中国东部夏季降水第1模态表现为长江以北与黄河以南地区降水量偏多，而华南和华北地区降水量偏少，且降水存在一个准3～5a的振荡周期，同时夏季降水的变化对西太副高的位置、强度有较好的响应。2000年之前，中国东部夏季旱涝灾害特征明显；2000年之后，中国东部夏季旱涝灾害特征不明显。

③中国东部夏季降水第2模态表现为华北—长江流域降水量偏多，而长江以南地区降水量偏少，且降水存在一个准2～3a的振荡周期，同时夏季降水的变化对西太副高的位置、强度有较好的响应。1990年之前，中国东部夏季旱涝灾害特征明显；1990年之后，中国东部夏季旱涝灾害特征不明显。

5.2　讨论

Menon等[17]研究表明雨带位置通常位于西太副高脊线以北的6～10个纬距处，且雨带的走向大致和脊线平行。本文根据EOF方法研究得到的两种模态表明，中国东部夏季雨带位置的变化与西太副高的位置、强度变化有密切关系，西太副高位置的变化对雨带位置的变化影响较大，西太副高位置的不正常变化往往会造成中国东部各区域的旱涝变化，但第2模态下合成分析的西太副高较弱，而华北地区降水偏多，长江以南地区降水偏少，这与常识相悖，有待进一步开展研究。