第51卷 第1期 2006年1月
论 文
长江流域汛期降水年代际和年际尺度变化
影响因子的差异
平 凡① 罗哲贤② 琚建华③
(① 中国科学院大气物理研究所, 北京 100029; ② 南京信息工程大学, 南京 210044; ③ 中国气象局培训中心, 北京 100081.
E-mail: )
摘要 长江流域汛期(6和7月)降水量的变化, 不仅具有年际变化特征, 而且具有明显的年代际变化特征. 自上世纪90年代以来, 中国长江流域汛期的降水明显增多, 表明在年代际尺度上, 长江流域汛期的降水进入了一个丰沛期. 研究表明, 近年来长江流域汛期降水具有高基本态和高变化率的特征, 它是由影响年代际变化的因子及年际变化的因子共同作用结果. 利用NCAR/NCEP资料分别对这两种时间长度的大气环流进行了分析和诊断, 发现影响年代际变化的因子和年际变化的因子是不同的. 因此要预测长江流域汛期的降水量变化, 必须将年代际变化和年际变化这两种时间尺度进行分离, 清楚地认识控制或影响各时间尺度的物理因素.
关键词 长江流域 年代际变化 年际变化 影响因子
长江流域汛期降水的预测是中国每年汛期降水预测的一个重要内容, 因此非常有必要认清长江流域夏季降水的变化规律及其产生的原因. 研究发现, 长江流域夏季降水存在着明显的准6~7年年的代际和年际变化: 在年代际时间尺度上, 20世纪50年代至1963年长江流域降水处于偏多阶段, 从1964年至20世纪70年代末降水明显减少, 90年代至今, 由于全球气候增暖趋势非常明显, 长江流域降水显著增 多. 在年际时间尺度上, 受东亚夏季风的年际变率大的影响, 长江流域汛期降水作为大尺度季风降水现象, 也具有相当显著的年际变化, 近年来长江流域的汛期降水量的变化明显加大, 特别是90年代以来, 1993, 1998, 1999年都有洪水或大洪水发生. 由于上述不同时间尺度之间的相互作用, 使得长江流域夏季降水的空间结构发生了显著变化, 使得对长江流域夏季降水的预测及研究十分困难.
全球大气海洋系统在20世纪70年代末一致性地经历了一次跃变, 其结果导致80年代以来, 全球大范围地区明显增暖, 赤道两侧的热带东太平洋、北美和南美西海岸等海域海表温度偏高, 这种东太平洋地区的海气系统的突变造成东亚夏季风长达数年的持续异常, 长江流域从20世纪90年代开始进入多雨 期[2,3]. 在年代际时间尺度上, 长江流域夏季降水从后20世纪50年代至1963年处于偏多阶段, 从1964年到20世纪70年代末处于偏少阶段, 20世纪90年
代以来处于显著偏多的阶段. 对产生这种年代际变化原因, 已有了一些研究. 葛旭阳认为, 赤道太平洋地区的海温有显著的年代际变化, 即存在着“年代际ENSO”现象. 赤道太平洋大范围海水增暖特别是中国东部近海海温的异常增暖, 将减弱海陆热力对比, 导致东亚夏季风强度明显减弱, 引起长江流域夏季降水的增加. 姜彤和施雅风指出, 全球气候变暖, 使得水循环加快, 势必导致海洋与陆地水体蒸发增加, 长江流域降水显著增加, 降水的极值事件频繁发生. 慕巧珍和王绍武则通过对近百年来西太平洋副高变化的模拟研究, 发现西太平洋副高的年代际变率与长江流域降水年代际变率有着密切的关系. 赵平和陈隆勋通过对35年来青藏高原大气热源特征的分析, 发现在年代际变化尺度上, 青藏高原春季热源对于长江流域的汛期降水有比较好的指示意义, 它与同期长江流域降水存在着明显的正相关. 尽管这些研究在一定程度上揭示了长江流域汛期降水的年代际变化, 但总体说来还未能得出比较概括性的结论.
由于东亚夏季风的年际变率大, 中国东部的夏季降水具有相当显著的年际变化特征. 一些研究分析了长江流域夏季降水年际变化及其原因. 郭燕娟和杨修群[9]通过对全球海气系统年际变化的时空特征分析, 表明SST最大的年际变化发生在赤道东太平洋, 第一EOF对应的时间序列表现为明显的年际
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ENSO振荡, 因此ENSO是影响中国长江流域降水年际变化的强信号. 龚道溢等指出, 在年代际尺度上, 近百年的5月北极涛动指数与夏季降水相关最高达−0.39, 超过99%信度水平. 如果春季北极涛动强, 随后夏季急流位置偏北, 雨带位置也北移, 从而造成长江流域降水的减少, 反之亦然. 薛峰[11]等的研究征实, 东亚夏季风降水与马斯克林高压和澳大利亚高压有密切关系. 当北半球从春至夏, 马斯克林高压增强时, 长江流域多雨, 华南少雨. 张顺利
等的研究则表明,
造成长江流域降水异常增多的条件是, 太平洋副热带高压、南海季风涌、中尺度冷空气和青藏高原中-α尺度对流系统的最佳组配. 总之, 目前对长江流域夏季降水的年际变化的成因, 还未能达到比较一致的看法.
考虑到长江流域汛期降水具有明显的年代际变化特征, 而目前在对长江流域降水年际变化进行研究时, 往往会将年代际变化也混淆近来, 特别是在利用较长时间序列资料进行分析时更是如此. 因此, 在本研究中, 我们将试图对长江流域降水变化中存在的年际时间尺度和年代际时间尺度进行分离, 并分别研究在两种不同的时间尺度上, 与长江流域降水相关联的海温、和大气环流异常, 以便对可能的物理成因有更深入的认识. 在此基础上, 对影响长江流域汛期降水的年代际和年际变化的因子进行分析, 给出分析和预测长江流域汛期降水的初步结论.
需要指出的是, 本文仅研究海温及大气环流变化对长江流域汛期降水的影响, 是基于如下的考虑. (ⅰ) 大量研究表明, 海温异常是影响长江流域汛期降水的第一强信号[11], 同时海温异常具有明显的年际与年代际变化特征. (ⅱ) 大气环流变化综合了各个因子对长江流域汛期降水的影响. 季风本身是大气环流系统的一部分; 而冰雪, 高纬度因子对长江流域汛期降水的影响是间接的, 其作用是引起大气环流的变化, 再由大气环流变化影响到长江流域汛期降水. 因此, 研究海温及大气环流变化异常, 能大致反映出长江流域汛期降水的基本特征.
1 资料和方法
1.1 资料简介
本研究所选用有以下几个来源, 主要资料为中国160个台站的月降水总量资料和NCEP/NCAR再分析资料, 月平均海温资料取自COADS, 从1950年
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1~2002年12月, 共52年.
中国160个台站夏季的月降水总量资料, 时间从 1951~2003年. 本研究中的长江地区位于102~124°E, 27~33°N范围内, 覆盖中国23个台站, 我们选取这包括台站的降水量作平均, 用来代表长江流域地区的降水量. 1.2 分析方法
由于本研究主要是从长时间序列资料中, 提取年际和年代际变化的信息. 拟采取的统计方法包括, 小波分析、带通滤波、合成分析等.
首先对长江流域汛期降水序列资料进行小波变换, 提取年代际变化的显著周期. 再对序列资料进行滑动平均, 提取年代际变化的信号并进行分析. 其次, 在选出降水量异常变化的年份的基础上, 对其序列的大气环流及海温场进行滤波, 以扣除年代际变化的信息, 再对其进行合成分析, 以了解与降水量年际变化相关的大气环流及海温异常. 最后分析出长江流域汛期降水的年代际和年际变化的影响因子.
2 年代际变化
长江流域汛期降水主要集中在6, 7月, 其降水的年代际变化也主要体现在6, 7月. 本文的汛期分析主要指6, 7月, 降水量是6月降水量与7月降水量的算术和.
为了给出长江流域汛期降水量年代际变化准确的周期, 我们利用序列资料(从1950~2002年)进行小波分析, 以Morlet函数为母小波, 通过对其实部的分析来提取序列资料的显著周期, 从长江流域汛期降水量小波变换中, 发现存在着明显的6~7年周期( 图略), 由此可认为长江流域汛期降水量的年代际变化是6~7年. 图1是1951年到2002年长江流域汛期降水量的年际变化曲线和7年滑动平均图, 由此可看出长江流域汛期降水明显地年代际变化. 长江流域降水在50年代末有显著的减少, 在60年代末至70年代初略有回升, 从70年代初至80年代末, 降水量维持在一个较低的水平上, 在90年代降水量显著增多.
在本文所选用的资料中, 降水在70年代初有回升, 因此我们选取72年至88年为长江流域汛期降水的旱期, 89年至02年为涝期. 72~88年这18年旱期降水的平均值为336 mm, 标准差为54 mm; 89~02年这14年涝期降水的平均值为414 mm, 标准差为70 mm. 两段时间降水的平均值差达78 mm, 这反映了长江
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图1 1951~2002年长江流域汛期降水量的变化
折线为7年滑动平均值; □, ■ 线分别表示小于和大于7年滑动平均
值0.5个标准差值的曲线, 中间实线段分别为1972~1988年和
1989~2002时间段的平均值(单位: mm)
流域汛期降水在90年以后有明显的突变.
在用NCEP再分析资料进行年合成分析时, 为了考虑NCEP再分析资料的不连续误差的可能影响, 我们用独立资料—日本气象厅历史气候月平均资料进行了检验, 发现NCEP的年合成资料与实测合成资料有较好地一致性, 因此NCEP再分析其可用于合成分析.
图2(a)是用涝期(89~02)平均海表温度减去其旱期(72~88)平均所得差值. 图中最明显增暖现象发生在El Niño 3区(5°N~5°S, 150°W~90°W), 海表异常增温可达0.6℃, 它为海温差范围最大地区. 可见, 在年代际时间尺度上, 确实存在着“年代际ENSO”现象, 即El Niño 3区的海表异常增温.
我们对旱、涝期的位势高度异常也进行了分析(图略). 结果表明, 在对流层低层涝期(相较于旱期而言)在贝加尔湖至鄂克次库海地区为正异常区, 中心在中国华北地区, 马斯克林高压(5°N~5°S, 150°W~ 90°W)也异常增强; 除上诉区域中心外的大部分区域未通过95%信度检验; 在对流层高层涝期与旱期位势高度异常场的差异不明显. 从时间序列资料上看, 影响中国气候较大的欧亚大陆对流层低层30°~60°N地区平均位势高度场进行诊断, 发现在1975年以前, 位势高度是明显的负异常, 在80年代开始出现位势高度正异常, 90年代则完全是位势高度正异常区.
上述结果说明, (ⅰ) 从贝加尔湖至鄂克次库海地区位势高度正异常, 意味着中国北方出现北风异常,
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而北风异常, 使得更强地冷空气南下, 并在中国长江流域与南方的暖湿空气的交汇, 造成中国长江流域汛期降水异常增多; (ⅱ) 南半球夏季的马斯克林高压异常增强, 将有利于长江流域汛期降水的增加. (ⅲ) 对流层低层的大气环流的异常是引起长江流域汛期降水年代际变化的主要因子, 而对流层高层的环流状况对其影响较小.
从对流层低层风场分析, 也可看出大气环流异常. 图3给出了850 hPa旱期和涝期各自的大气环流异常. 结果表明, 在涝期有持续的偏南气流向北输送, 带着大量水汽偏南气流在30°N附近长江流域辐合, 并与此地偏北干冷气相遇; 在旱期30°N附近的长江流域为偏北气流所控制, 并在此地有低层的气流辐散. 戴新刚[14]等在研究华北汛期降水时, 也发现850 hPa平均经向风的演变以年代际尺度成分为主, 华北夏季风的年代际衰变可能是华北干旱的主要原因之一.
3 年际变化
长江流域汛期降水既有年代际变化, 又有年际变化. 而这两种尺度常常混合在一起, 很难确定出其是影响年代际变化的因子或是影响年际变化的因子. 因此, 一个有效的方式是把长江流域汛期降水的年代际变化和年际变化相分离. 尽管目前的气候系统中多种尺度的相互作用, 但是对于中国区域季节降水而言, 最显著的影响因子是ENSO信号与东亚季风的影响, 目前的研究表明, 对于ENSO信号与东亚季风的年际与年代际尺度之间尚未发现能使二者联系在一起的物理过程, 因此为了了解长江流域汛期降水的年际与年代际变化特征, 对其年际与年代际变化信号分离, 在讨论年际变化时扣除年代际的变化.
图1中□, ■线分别表示超出或低于7年滑动平均半个标准偏差, 因将7年滑动平均以后的长江流域汛期降水当作年代际变化, 故将超出或低于这个年代际变化的量当作年际变化. 利用图1可知超过半个标准差的年份有如下: 1954, 1962, 1968, 1969, 1970, 1977, 1984, 1989, 1993, 1998和1999; 低于半个标准差的年份有如下: 1956, 1957, 1958, 1960, 1963, 1965, 1971, 1972, 1978, 1985, 1988, 2000和2001年, 因此这些年既有年代际信息, 又有年际信息, 可进行合成分析.
为扣除资料中的年代际信息, 采用了带通滤波方法. 首先对大气环流资料、海温资料进行带通滤波
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图2
(a) 在长江流域汛期降水量的年代际变化中, 涝期(1989~2002年)平均的海表温度减去旱期(1972~1988年)平均所得的差值; (b) 滤波后, 11涝年合成年
平均海温场减去13旱年合成年平均海温场的差值(单位: ℃, 等值线间隔均为0.1). 阴影区域区表示海温差值的绝对值大于0.4℃的区域
(扣除资料中6~7年以上信息); 其次用滤波后资料, 再进行涝、旱年的合成分析, 以了解扣除年代际信息后的年际变化.
图3(b)是滤波后涝合成年平均的海表温度减去旱合成年平均的海表温度所得差值. 图中最明显增暖现象发生在西太平洋暖池(0°~15°N, 125°E~145°E), 海表异常增温可达1.0℃, 它为海温差范围最大的地区. 可见, 在年际时间尺度上, “ENSO”也是影响长江
西太平洋暖池是影响长江流域汛期降水年际变化关键区. 西太平洋暖池海表异常增暖在年际长度上直接导致长江流域汛期降水增多.
为了进一步寻找影响中国长江流域汛期降水年际变化的因子, 我们对滤波后的旱年和涝年的大气环流场异常进行了研究. 结果表明, (ⅰ) 与长江流域汛期涝、旱相关的大气环流异常主要出现在对流层的中、高层. 200 hPa上, 欧亚大陆中、高纬出现正的位
流域汛期降水的强信号, 但与年代际影响不同的是, 势高度距平强度最大, 范围最广; 而500 hPa上, 欧亚
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图3 在长江流域降水年代际变化中的旱、涝期平均850 hPa等压面大气环流异常
(a) 涝期(1989~2002年); (b) 旱期(1972~1988年)
大陆中、高纬出现正距平强度减弱, 范围减小, 信度区域也大幅减小; 在850 hPa上, 上述区域出现了负距平, 没有通过信度检验. (ⅱ) 分析表明, 欧亚大陆中、高纬出现正的位势高度距平, 有利于鄂克次库海以及乌拉尔山阻塞高压的建立, 将使得长江流域汛期年际降水明显增多; (ⅲ) 南半球夏季的马斯克林高压及澳大利亚高压没有出现异常, 表明马斯克林高压的异常对长江流域汛期降水的影响是年代际信号.
综上所述, 可知与长江流域汛期年际降水相关的大气环流异常主要发生在对流层的中、高层, 而与长江流域汛期年代际降水相关的大气环流异常则发生在对流层的中、低层.
因此, 我们选取90年代(1989 ~2002年)后作为长江流域汛期降水在年代际尺度上的涝期, 70年代初期(1972~ 1988年)作为旱期.
已有的研究表明, 海温及大气环流异常是引发长江流域汛期降水变化的主要因子. 上世纪80年代末至90年代, 赤道两侧的热带东太平洋、北美和南美西海岸等海域海表温度明显偏高, 这种东太平洋地区的海气系统的突变造成东亚夏季风长达数年的持续异常[15,16], 长江流域从20世纪90年代开始进入多雨期. 我们的合成分析充分证实了这一点, 即长江流域汛期的涝年, 赤道东太平洋地区的海温明显增高, 尤其是El Niño 3区的海表异常增温最明显, 范围也最大. 此结果说明, 在赤道东太平洋地区, 尤其是El Niño 3区的海表温度有显著年代际变化, 即存在着“年代际ENSO”现象, 它对长江流域汛期降水年代际变化有显著影响.
合成的大气环流场的分析表明, 在对流层的中、低层, 长江流域的降水与欧亚大陆的位势高度异常有密切关系, 欧亚大陆的位势高度异常随时间的演变与长江利于汛期降水的年代际变化对应的较好; 而在对流层的各层, 长江流域的降水与马斯克林高压均有很好的正相关关系, 特别是在中、低层. 当马斯克林高压偏强时, 长江流域汛期降水偏多, 说明马斯克林高压与长江流域降水在年代际时间长度上有较好地对应关系. 从对流层低层风场分析, 也可看出大气环流异常. 在涝期有持续的偏南气流向北输送, 并在长江流域辐合; 而在旱期长江流域则为偏北气
4 结论和讨论
长江流域旱涝是受复杂的, 多种时间尺度气候系统相互作用、相互影响的. 长江流域的汛期降水不仅具有年际变化特征, 而且具有明显的年代际(6~7年)变化特征. 而气候系统中这多种时间尺度相互交织在一起, 使得长江流域的汛期降水的预测变得极为困难和复杂.
本研究通过滑动平均和带通滤波方法, 将长江流域汛期的降水变化中的年际和年代际这两种时间尺度进行分离, 并利用滑动平均资料和滤波后的资料分别进行海温、及大气环流异常的年合成分析.
通过小波分析方法, 我们发现长江流域汛期的降水变化存在着明显的6~7年周期; 再通过7年滑动平均, 大致可以把长江流域汛期的降水在年代际时间尺度上分成旱期和涝期, 我们发现在上世纪90年
代初, 长江流域汛期降水发生了突变, 降水显著增加, 流所控制, 并有气流辐散.
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我们在对年际和年代际这两种时间尺度进行分离, 首先选择有明显年际变化的年份, 其次对大气环 流资料、海温资料进行带通滤波, 最后进行旱、涝年的合成分析. 在年际时间尺度上, 涝年海温最明显的增暖现象发生在西太平洋暖池, 它也是海表温度差值以及范围最大的地区. 结果表明, 在年际时间尺度上, “ENSO”也是影响中国长江流域汛期降水的强信号, 但关键区是在西太平洋暖池, 它的异常增暖在年际长度上将直接导致长江流域汛期降水的增多. 对大气环流场异常分析表明, (ⅰ) 在年际尺度上, 与长江流域汛期涝、旱相关的大气环流异常主要出现在对流层的中、高层. 200, 500 hPa上, 涝年有明显的欧亚大陆中、高纬正的位势高度距平, 有利于长江流域汛期的降水. (ⅱ) 在年际尺度上, 没有明显的南半球夏季的马斯克林高压的异常, 说明马斯克林高压不是影响长江流域汛期降水的年代际变化因子.
从本文的分析结果看, 由于影响长江流域汛期降水的年际变化和年代际变化的因子是不同的, 长江流域汛期年际尺度变化相关的大气环流异常出现在对流层的中、高层, 而年代际尺度变化相关的大气环流异常出现在对流层的中、低层. 因此对长江流域汛期降水的变化进行年代际和年际尺度的分离是成功的, 我们可以通过其不同的影响因子的分析和诊断来分别了解和预测其年代际和年际的趋势, 从而对长江流域汛期降水趋势进行准确地预测.
致谢 审稿人指出了原稿中存在的许多错误与不足, 并且还提出了很好的修改建议, 作者在此深表感谢. 本研究得到国家自然科学基金面上青年项目(批准号: 40305010)、国家 自然科学基金重点项目(批准号: 40333028)和国家重点基 础研究发展规划项目(批准号: 2004CB418302)共同资助.
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参 考 文 献
1 杨秋明, 沈树勤. 苏南地区夏季面雨量与北半球500 hpa环流遥相关的年代际变化. 气象科技, 2003, 23(1): 40~45
2 王绍武, 蔡静宁, 朱锦红. 19世纪80年代到19世纪90年代中国年降水量的年代际变化. 气象学报, 2002, 60(5): 637~640 3 陈兴芳, 林入海. 中国年、季降水的年代际变化分析.气象, 2002, 28(7): 3~8
4 陈辉, 施能, 王永波. 长江中下游气候的长期变化及基本态特征.气象科技, 2001, 21(1): 44~53
5 葛旭阳. 中国夏季降水对太平洋海温年代际变化响应的数值实验. 南京气象学院, 2002, 23(4): 555~559
6 姜彤, 施雅风. 全球变暖、长江水灾与可能损失. 地球科学进展, 2003, 18(2): 277~284
7 慕巧珍, 王绍武, 蔡静宁, 等. 近百年西太平洋副热带高压变化的模拟研究. 大气科学. 2001, 25(6): 787~797
8 赵平, 陈隆勋. 35年来青藏高原大气热源气候特征及其与中国降水的关系. 中国科学, D辑, 2001, 31(4): 327~332
9 杨修群, 郭燕娟, 徐桂玉, 等. 年际和年代际气候变化的全球时空特征比较. 南京大学学报, 2002, 38(3): 308~317
10 龚道溢. 北极涛动对东亚夏季降水的预测意义. 气象, 2001,
29(6), 3~6
11 薛峰, 王会军, 何金海. 马斯克林高压和澳大利亚高压的年际
变化及其对东亚夏季风降水的影响. 科学通报, 2003, 48(3): 267~291
12 张顺利, 陶诗言, 张庆云, 等. 长江中下游致洪暴雨的多尺度条
件. 科学通报, 2002, 447(6): 467~473
13 苏志侠, 吕世华, 罗四维, 美国NCRP/NCAR全球再分析资料及
其初步分析. 高原气象, 1999, 18( 5): 209~218
14 戴新刚, 汪萍, 丑纪范. 华北汛期降水多尺度特征与夏季风年
代际衰变. 科学通报, 2003, 48(23): 483~2487
[PDF] 15 Wang Huijun. The weakening of the Asia monsoon circulation af-ter the end of 1970’s. Adv Atmos Sci, 2001, 18: 376~386 16 Krishnamurthy V, Goswami B N. Indian monsoon-ENSO rela-tionship on interdecadal timescale. J Climate, 2002, 13: 579~ 595
(2005-07-22收稿, 2005-09-29接受)
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长江流域汛期降水年代际和年际尺度变化
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摘要 长江流域汛期(6和7月)降水量的变化, 不仅具有年际变化特征, 而且具有明显的年代际变化特征. 自上世纪90年代以来, 中国长江流域汛期的降水明显增多, 表明在年代际尺度上, 长江流域汛期的降水进入了一个丰沛期. 研究表明, 近年来长江流域汛期降水具有高基本态和高变化率的特征, 它是由影响年代际变化的因子及年际变化的因子共同作用结果. 利用NCAR/NCEP资料分别对这两种时间长度的大气环流进行了分析和诊断, 发现影响年代际变化的因子和年际变化的因子是不同的. 因此要预测长江流域汛期的降水量变化, 必须将年代际变化和年际变化这两种时间尺度进行分离, 清楚地认识控制或影响各时间尺度的物理因素.
关键词 长江流域 年代际变化 年际变化 影响因子
长江流域汛期降水的预测是中国每年汛期降水预测的一个重要内容, 因此非常有必要认清长江流域夏季降水的变化规律及其产生的原因. 研究发现, 长江流域夏季降水存在着明显的准6~7年年的代际和年际变化: 在年代际时间尺度上, 20世纪50年代至1963年长江流域降水处于偏多阶段, 从1964年至20世纪70年代末降水明显减少, 90年代至今, 由于全球气候增暖趋势非常明显, 长江流域降水显著增 多. 在年际时间尺度上, 受东亚夏季风的年际变率大的影响, 长江流域汛期降水作为大尺度季风降水现象, 也具有相当显著的年际变化, 近年来长江流域的汛期降水量的变化明显加大, 特别是90年代以来, 1993, 1998, 1999年都有洪水或大洪水发生. 由于上述不同时间尺度之间的相互作用, 使得长江流域夏季降水的空间结构发生了显著变化, 使得对长江流域夏季降水的预测及研究十分困难.
全球大气海洋系统在20世纪70年代末一致性地经历了一次跃变, 其结果导致80年代以来, 全球大范围地区明显增暖, 赤道两侧的热带东太平洋、北美和南美西海岸等海域海表温度偏高, 这种东太平洋地区的海气系统的突变造成东亚夏季风长达数年的持续异常, 长江流域从20世纪90年代开始进入多雨 期[2,3]. 在年代际时间尺度上, 长江流域夏季降水从后20世纪50年代至1963年处于偏多阶段, 从1964年到20世纪70年代末处于偏少阶段, 20世纪90年
代以来处于显著偏多的阶段. 对产生这种年代际变化原因, 已有了一些研究. 葛旭阳认为, 赤道太平洋地区的海温有显著的年代际变化, 即存在着“年代际ENSO”现象. 赤道太平洋大范围海水增暖特别是中国东部近海海温的异常增暖, 将减弱海陆热力对比, 导致东亚夏季风强度明显减弱, 引起长江流域夏季降水的增加. 姜彤和施雅风指出, 全球气候变暖, 使得水循环加快, 势必导致海洋与陆地水体蒸发增加, 长江流域降水显著增加, 降水的极值事件频繁发生. 慕巧珍和王绍武则通过对近百年来西太平洋副高变化的模拟研究, 发现西太平洋副高的年代际变率与长江流域降水年代际变率有着密切的关系. 赵平和陈隆勋通过对35年来青藏高原大气热源特征的分析, 发现在年代际变化尺度上, 青藏高原春季热源对于长江流域的汛期降水有比较好的指示意义, 它与同期长江流域降水存在着明显的正相关. 尽管这些研究在一定程度上揭示了长江流域汛期降水的年代际变化, 但总体说来还未能得出比较概括性的结论.
由于东亚夏季风的年际变率大, 中国东部的夏季降水具有相当显著的年际变化特征. 一些研究分析了长江流域夏季降水年际变化及其原因. 郭燕娟和杨修群[9]通过对全球海气系统年际变化的时空特征分析, 表明SST最大的年际变化发生在赤道东太平洋, 第一EOF对应的时间序列表现为明显的年际
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ENSO振荡, 因此ENSO是影响中国长江流域降水年际变化的强信号. 龚道溢等指出, 在年代际尺度上, 近百年的5月北极涛动指数与夏季降水相关最高达−0.39, 超过99%信度水平. 如果春季北极涛动强, 随后夏季急流位置偏北, 雨带位置也北移, 从而造成长江流域降水的减少, 反之亦然. 薛峰[11]等的研究征实, 东亚夏季风降水与马斯克林高压和澳大利亚高压有密切关系. 当北半球从春至夏, 马斯克林高压增强时, 长江流域多雨, 华南少雨. 张顺利
等的研究则表明,
造成长江流域降水异常增多的条件是, 太平洋副热带高压、南海季风涌、中尺度冷空气和青藏高原中-α尺度对流系统的最佳组配. 总之, 目前对长江流域夏季降水的年际变化的成因, 还未能达到比较一致的看法.
考虑到长江流域汛期降水具有明显的年代际变化特征, 而目前在对长江流域降水年际变化进行研究时, 往往会将年代际变化也混淆近来, 特别是在利用较长时间序列资料进行分析时更是如此. 因此, 在本研究中, 我们将试图对长江流域降水变化中存在的年际时间尺度和年代际时间尺度进行分离, 并分别研究在两种不同的时间尺度上, 与长江流域降水相关联的海温、和大气环流异常, 以便对可能的物理成因有更深入的认识. 在此基础上, 对影响长江流域汛期降水的年代际和年际变化的因子进行分析, 给出分析和预测长江流域汛期降水的初步结论.
需要指出的是, 本文仅研究海温及大气环流变化对长江流域汛期降水的影响, 是基于如下的考虑. (ⅰ) 大量研究表明, 海温异常是影响长江流域汛期降水的第一强信号[11], 同时海温异常具有明显的年际与年代际变化特征. (ⅱ) 大气环流变化综合了各个因子对长江流域汛期降水的影响. 季风本身是大气环流系统的一部分; 而冰雪, 高纬度因子对长江流域汛期降水的影响是间接的, 其作用是引起大气环流的变化, 再由大气环流变化影响到长江流域汛期降水. 因此, 研究海温及大气环流变化异常, 能大致反映出长江流域汛期降水的基本特征.
1 资料和方法
1.1 资料简介
本研究所选用有以下几个来源, 主要资料为中国160个台站的月降水总量资料和NCEP/NCAR再分析资料, 月平均海温资料取自COADS, 从1950年
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1~2002年12月, 共52年.
中国160个台站夏季的月降水总量资料, 时间从 1951~2003年. 本研究中的长江地区位于102~124°E, 27~33°N范围内, 覆盖中国23个台站, 我们选取这包括台站的降水量作平均, 用来代表长江流域地区的降水量. 1.2 分析方法
由于本研究主要是从长时间序列资料中, 提取年际和年代际变化的信息. 拟采取的统计方法包括, 小波分析、带通滤波、合成分析等.
首先对长江流域汛期降水序列资料进行小波变换, 提取年代际变化的显著周期. 再对序列资料进行滑动平均, 提取年代际变化的信号并进行分析. 其次, 在选出降水量异常变化的年份的基础上, 对其序列的大气环流及海温场进行滤波, 以扣除年代际变化的信息, 再对其进行合成分析, 以了解与降水量年际变化相关的大气环流及海温异常. 最后分析出长江流域汛期降水的年代际和年际变化的影响因子.
2 年代际变化
长江流域汛期降水主要集中在6, 7月, 其降水的年代际变化也主要体现在6, 7月. 本文的汛期分析主要指6, 7月, 降水量是6月降水量与7月降水量的算术和.
为了给出长江流域汛期降水量年代际变化准确的周期, 我们利用序列资料(从1950~2002年)进行小波分析, 以Morlet函数为母小波, 通过对其实部的分析来提取序列资料的显著周期, 从长江流域汛期降水量小波变换中, 发现存在着明显的6~7年周期( 图略), 由此可认为长江流域汛期降水量的年代际变化是6~7年. 图1是1951年到2002年长江流域汛期降水量的年际变化曲线和7年滑动平均图, 由此可看出长江流域汛期降水明显地年代际变化. 长江流域降水在50年代末有显著的减少, 在60年代末至70年代初略有回升, 从70年代初至80年代末, 降水量维持在一个较低的水平上, 在90年代降水量显著增多.
在本文所选用的资料中, 降水在70年代初有回升, 因此我们选取72年至88年为长江流域汛期降水的旱期, 89年至02年为涝期. 72~88年这18年旱期降水的平均值为336 mm, 标准差为54 mm; 89~02年这14年涝期降水的平均值为414 mm, 标准差为70 mm. 两段时间降水的平均值差达78 mm, 这反映了长江
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图1 1951~2002年长江流域汛期降水量的变化
折线为7年滑动平均值; □, ■ 线分别表示小于和大于7年滑动平均
值0.5个标准差值的曲线, 中间实线段分别为1972~1988年和
1989~2002时间段的平均值(单位: mm)
流域汛期降水在90年以后有明显的突变.
在用NCEP再分析资料进行年合成分析时, 为了考虑NCEP再分析资料的不连续误差的可能影响, 我们用独立资料—日本气象厅历史气候月平均资料进行了检验, 发现NCEP的年合成资料与实测合成资料有较好地一致性, 因此NCEP再分析其可用于合成分析.
图2(a)是用涝期(89~02)平均海表温度减去其旱期(72~88)平均所得差值. 图中最明显增暖现象发生在El Niño 3区(5°N~5°S, 150°W~90°W), 海表异常增温可达0.6℃, 它为海温差范围最大地区. 可见, 在年代际时间尺度上, 确实存在着“年代际ENSO”现象, 即El Niño 3区的海表异常增温.
我们对旱、涝期的位势高度异常也进行了分析(图略). 结果表明, 在对流层低层涝期(相较于旱期而言)在贝加尔湖至鄂克次库海地区为正异常区, 中心在中国华北地区, 马斯克林高压(5°N~5°S, 150°W~ 90°W)也异常增强; 除上诉区域中心外的大部分区域未通过95%信度检验; 在对流层高层涝期与旱期位势高度异常场的差异不明显. 从时间序列资料上看, 影响中国气候较大的欧亚大陆对流层低层30°~60°N地区平均位势高度场进行诊断, 发现在1975年以前, 位势高度是明显的负异常, 在80年代开始出现位势高度正异常, 90年代则完全是位势高度正异常区.
上述结果说明, (ⅰ) 从贝加尔湖至鄂克次库海地区位势高度正异常, 意味着中国北方出现北风异常,
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而北风异常, 使得更强地冷空气南下, 并在中国长江流域与南方的暖湿空气的交汇, 造成中国长江流域汛期降水异常增多; (ⅱ) 南半球夏季的马斯克林高压异常增强, 将有利于长江流域汛期降水的增加. (ⅲ) 对流层低层的大气环流的异常是引起长江流域汛期降水年代际变化的主要因子, 而对流层高层的环流状况对其影响较小.
从对流层低层风场分析, 也可看出大气环流异常. 图3给出了850 hPa旱期和涝期各自的大气环流异常. 结果表明, 在涝期有持续的偏南气流向北输送, 带着大量水汽偏南气流在30°N附近长江流域辐合, 并与此地偏北干冷气相遇; 在旱期30°N附近的长江流域为偏北气流所控制, 并在此地有低层的气流辐散. 戴新刚[14]等在研究华北汛期降水时, 也发现850 hPa平均经向风的演变以年代际尺度成分为主, 华北夏季风的年代际衰变可能是华北干旱的主要原因之一.
3 年际变化
长江流域汛期降水既有年代际变化, 又有年际变化. 而这两种尺度常常混合在一起, 很难确定出其是影响年代际变化的因子或是影响年际变化的因子. 因此, 一个有效的方式是把长江流域汛期降水的年代际变化和年际变化相分离. 尽管目前的气候系统中多种尺度的相互作用, 但是对于中国区域季节降水而言, 最显著的影响因子是ENSO信号与东亚季风的影响, 目前的研究表明, 对于ENSO信号与东亚季风的年际与年代际尺度之间尚未发现能使二者联系在一起的物理过程, 因此为了了解长江流域汛期降水的年际与年代际变化特征, 对其年际与年代际变化信号分离, 在讨论年际变化时扣除年代际的变化.
图1中□, ■线分别表示超出或低于7年滑动平均半个标准偏差, 因将7年滑动平均以后的长江流域汛期降水当作年代际变化, 故将超出或低于这个年代际变化的量当作年际变化. 利用图1可知超过半个标准差的年份有如下: 1954, 1962, 1968, 1969, 1970, 1977, 1984, 1989, 1993, 1998和1999; 低于半个标准差的年份有如下: 1956, 1957, 1958, 1960, 1963, 1965, 1971, 1972, 1978, 1985, 1988, 2000和2001年, 因此这些年既有年代际信息, 又有年际信息, 可进行合成分析.
为扣除资料中的年代际信息, 采用了带通滤波方法. 首先对大气环流资料、海温资料进行带通滤波
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图2
(a) 在长江流域汛期降水量的年代际变化中, 涝期(1989~2002年)平均的海表温度减去旱期(1972~1988年)平均所得的差值; (b) 滤波后, 11涝年合成年
平均海温场减去13旱年合成年平均海温场的差值(单位: ℃, 等值线间隔均为0.1). 阴影区域区表示海温差值的绝对值大于0.4℃的区域
(扣除资料中6~7年以上信息); 其次用滤波后资料, 再进行涝、旱年的合成分析, 以了解扣除年代际信息后的年际变化.
图3(b)是滤波后涝合成年平均的海表温度减去旱合成年平均的海表温度所得差值. 图中最明显增暖现象发生在西太平洋暖池(0°~15°N, 125°E~145°E), 海表异常增温可达1.0℃, 它为海温差范围最大的地区. 可见, 在年际时间尺度上, “ENSO”也是影响长江
西太平洋暖池是影响长江流域汛期降水年际变化关键区. 西太平洋暖池海表异常增暖在年际长度上直接导致长江流域汛期降水增多.
为了进一步寻找影响中国长江流域汛期降水年际变化的因子, 我们对滤波后的旱年和涝年的大气环流场异常进行了研究. 结果表明, (ⅰ) 与长江流域汛期涝、旱相关的大气环流异常主要出现在对流层的中、高层. 200 hPa上, 欧亚大陆中、高纬出现正的位
流域汛期降水的强信号, 但与年代际影响不同的是, 势高度距平强度最大, 范围最广; 而500 hPa上, 欧亚
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论 文
图3 在长江流域降水年代际变化中的旱、涝期平均850 hPa等压面大气环流异常
(a) 涝期(1989~2002年); (b) 旱期(1972~1988年)
大陆中、高纬出现正距平强度减弱, 范围减小, 信度区域也大幅减小; 在850 hPa上, 上述区域出现了负距平, 没有通过信度检验. (ⅱ) 分析表明, 欧亚大陆中、高纬出现正的位势高度距平, 有利于鄂克次库海以及乌拉尔山阻塞高压的建立, 将使得长江流域汛期年际降水明显增多; (ⅲ) 南半球夏季的马斯克林高压及澳大利亚高压没有出现异常, 表明马斯克林高压的异常对长江流域汛期降水的影响是年代际信号.
综上所述, 可知与长江流域汛期年际降水相关的大气环流异常主要发生在对流层的中、高层, 而与长江流域汛期年代际降水相关的大气环流异常则发生在对流层的中、低层.
因此, 我们选取90年代(1989 ~2002年)后作为长江流域汛期降水在年代际尺度上的涝期, 70年代初期(1972~ 1988年)作为旱期.
已有的研究表明, 海温及大气环流异常是引发长江流域汛期降水变化的主要因子. 上世纪80年代末至90年代, 赤道两侧的热带东太平洋、北美和南美西海岸等海域海表温度明显偏高, 这种东太平洋地区的海气系统的突变造成东亚夏季风长达数年的持续异常[15,16], 长江流域从20世纪90年代开始进入多雨期. 我们的合成分析充分证实了这一点, 即长江流域汛期的涝年, 赤道东太平洋地区的海温明显增高, 尤其是El Niño 3区的海表异常增温最明显, 范围也最大. 此结果说明, 在赤道东太平洋地区, 尤其是El Niño 3区的海表温度有显著年代际变化, 即存在着“年代际ENSO”现象, 它对长江流域汛期降水年代际变化有显著影响.
合成的大气环流场的分析表明, 在对流层的中、低层, 长江流域的降水与欧亚大陆的位势高度异常有密切关系, 欧亚大陆的位势高度异常随时间的演变与长江利于汛期降水的年代际变化对应的较好; 而在对流层的各层, 长江流域的降水与马斯克林高压均有很好的正相关关系, 特别是在中、低层. 当马斯克林高压偏强时, 长江流域汛期降水偏多, 说明马斯克林高压与长江流域降水在年代际时间长度上有较好地对应关系. 从对流层低层风场分析, 也可看出大气环流异常. 在涝期有持续的偏南气流向北输送, 并在长江流域辐合; 而在旱期长江流域则为偏北气
4 结论和讨论
长江流域旱涝是受复杂的, 多种时间尺度气候系统相互作用、相互影响的. 长江流域的汛期降水不仅具有年际变化特征, 而且具有明显的年代际(6~7年)变化特征. 而气候系统中这多种时间尺度相互交织在一起, 使得长江流域的汛期降水的预测变得极为困难和复杂.
本研究通过滑动平均和带通滤波方法, 将长江流域汛期的降水变化中的年际和年代际这两种时间尺度进行分离, 并利用滑动平均资料和滤波后的资料分别进行海温、及大气环流异常的年合成分析.
通过小波分析方法, 我们发现长江流域汛期的降水变化存在着明显的6~7年周期; 再通过7年滑动平均, 大致可以把长江流域汛期的降水在年代际时间尺度上分成旱期和涝期, 我们发现在上世纪90年
代初, 长江流域汛期降水发生了突变, 降水显著增加, 流所控制, 并有气流辐散.
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我们在对年际和年代际这两种时间尺度进行分离, 首先选择有明显年际变化的年份, 其次对大气环 流资料、海温资料进行带通滤波, 最后进行旱、涝年的合成分析. 在年际时间尺度上, 涝年海温最明显的增暖现象发生在西太平洋暖池, 它也是海表温度差值以及范围最大的地区. 结果表明, 在年际时间尺度上, “ENSO”也是影响中国长江流域汛期降水的强信号, 但关键区是在西太平洋暖池, 它的异常增暖在年际长度上将直接导致长江流域汛期降水的增多. 对大气环流场异常分析表明, (ⅰ) 在年际尺度上, 与长江流域汛期涝、旱相关的大气环流异常主要出现在对流层的中、高层. 200, 500 hPa上, 涝年有明显的欧亚大陆中、高纬正的位势高度距平, 有利于长江流域汛期的降水. (ⅱ) 在年际尺度上, 没有明显的南半球夏季的马斯克林高压的异常, 说明马斯克林高压不是影响长江流域汛期降水的年代际变化因子.
从本文的分析结果看, 由于影响长江流域汛期降水的年际变化和年代际变化的因子是不同的, 长江流域汛期年际尺度变化相关的大气环流异常出现在对流层的中、高层, 而年代际尺度变化相关的大气环流异常出现在对流层的中、低层. 因此对长江流域汛期降水的变化进行年代际和年际尺度的分离是成功的, 我们可以通过其不同的影响因子的分析和诊断来分别了解和预测其年代际和年际的趋势, 从而对长江流域汛期降水趋势进行准确地预测.
致谢 审稿人指出了原稿中存在的许多错误与不足, 并且还提出了很好的修改建议, 作者在此深表感谢. 本研究得到国家自然科学基金面上青年项目(批准号: 40305010)、国家 自然科学基金重点项目(批准号: 40333028)和国家重点基 础研究发展规划项目(批准号: 2004CB418302)共同资助.
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参 考 文 献
1 杨秋明, 沈树勤. 苏南地区夏季面雨量与北半球500 hpa环流遥相关的年代际变化. 气象科技, 2003, 23(1): 40~45
2 王绍武, 蔡静宁, 朱锦红. 19世纪80年代到19世纪90年代中国年降水量的年代际变化. 气象学报, 2002, 60(5): 637~640 3 陈兴芳, 林入海. 中国年、季降水的年代际变化分析.气象, 2002, 28(7): 3~8
4 陈辉, 施能, 王永波. 长江中下游气候的长期变化及基本态特征.气象科技, 2001, 21(1): 44~53
5 葛旭阳. 中国夏季降水对太平洋海温年代际变化响应的数值实验. 南京气象学院, 2002, 23(4): 555~559
6 姜彤, 施雅风. 全球变暖、长江水灾与可能损失. 地球科学进展, 2003, 18(2): 277~284
7 慕巧珍, 王绍武, 蔡静宁, 等. 近百年西太平洋副热带高压变化的模拟研究. 大气科学. 2001, 25(6): 787~797
8 赵平, 陈隆勋. 35年来青藏高原大气热源气候特征及其与中国降水的关系. 中国科学, D辑, 2001, 31(4): 327~332
9 杨修群, 郭燕娟, 徐桂玉, 等. 年际和年代际气候变化的全球时空特征比较. 南京大学学报, 2002, 38(3): 308~317
10 龚道溢. 北极涛动对东亚夏季降水的预测意义. 气象, 2001,
29(6), 3~6
11 薛峰, 王会军, 何金海. 马斯克林高压和澳大利亚高压的年际
变化及其对东亚夏季风降水的影响. 科学通报, 2003, 48(3): 267~291
12 张顺利, 陶诗言, 张庆云, 等. 长江中下游致洪暴雨的多尺度条
件. 科学通报, 2002, 447(6): 467~473
13 苏志侠, 吕世华, 罗四维, 美国NCRP/NCAR全球再分析资料及
其初步分析. 高原气象, 1999, 18( 5): 209~218
14 戴新刚, 汪萍, 丑纪范. 华北汛期降水多尺度特征与夏季风年
代际衰变. 科学通报, 2003, 48(23): 483~2487
[PDF] 15 Wang Huijun. The weakening of the Asia monsoon circulation af-ter the end of 1970’s. Adv Atmos Sci, 2001, 18: 376~386 16 Krishnamurthy V, Goswami B N. Indian monsoon-ENSO rela-tionship on interdecadal timescale. J Climate, 2002, 13: 579~ 595
(2005-07-22收稿, 2005-09-29接受)
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