中国东南部冬季降水变化及其环流特征

陈颖曼，曹杰，王传辉

(1.南京信息工程大学经济管理学院，江苏南京210044;2.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学)，江苏南京210044;3.安徽省公共气象服务中心，安徽合肥230061)

0 引言

中国大部分地区的降水集中在夏季，冬季相对偏少，因而冬季降水受关注的程度相对较低。然而，随着近年来冬季低温、寒潮、冻雨、暴雪等气象灾害频繁发生，中国冬季灾害性天气受到的关注开始增多(丁一汇和马晓青，2008;张自银等，2008;孙建华和黄翠银，2011;陶玥等，2012)。大多数灾害性天气都是伴随降水而发生的，且降水异常对人们的生产生活造成了严重影响。

近年来，中国冬季降水变化得到诸多研究。王林和冯涓(2011)利用EOF方法对中国冬季160站降水分析发现，长江以南地区降水量的一致变化是中国冬季降水的最主要模态，并具有显著的2～4 a周期。纪忠萍等(2009)发现广东冬季降水也存在准2 a的变化周期。智协飞等(2011)对中国南方冬季气候变暖前后极端降水事件进行分析发现，中国南方冬季气候变暖的突变发生在1991年前后，且气候变暖后中国南方冬季的极端降水强度普遍有所增加。

最近，关于中国南方冬季降水变化的成因已受到气象学者的广泛关注。冬季，中国处在旱季，水汽输送的变化是决定降水多少的关键因素。李秀珍等(2010)、吴蔚等(2011)指出，影响中国华南地区旱涝的水汽输送存在明显的季节性差异。春季水汽输送变化来源于南海和中国北方，而冬季水汽输送变化则主要来源于孟加拉湾和南海。索渺清和丁一汇(2009)在分析冬半年副热带南支西风槽结构和演变特征时认为，从气候平均看，冬季水汽输送较弱，上升运动浅薄，无强对流活动，南支槽前降水不明显，雨区主要位于高原东南侧昆明准静止锋至华南一带。冬季，中国主要处于西风带的控制之下，由于青藏高原地形作用，从高原南侧绕流部分形成南支槽，活跃的南支扰动向下游传播，南支槽前的西南气流将水汽从孟加拉湾向华南和江南输送，引起华南和江南降水偏多(彭京备，2011)。南支气流上多小槽脊活动，这些东移的小槽为江南、华南地区的降水提供水汽和扰动，是冬半年影响东亚的主要天气系统之一(索渺清和丁一汇，2009)。此外，南支槽的西南气流是南方冬季水汽的主要来源之一(何溪澄等，2006;张自银等，2008)。纪忠萍等(2009)认为，亚洲大陆中低纬度西风带低压扰动不活跃，南支槽活动偏弱，是导致广东冬半年产生连续干旱的共同原因。

总结上述对中国南方降水的研究发现，有的研究只是针对南方某个个别的省份，有的是从全国的角度出发，更多的研究是从环流系统出发。本文拟从中国冬季降水分布特点出发，选取更容易成灾的降水量较大且年际变化明显的区域来进行研究，重点分析该区域冬季降水的变化特征以及影响其变化的主要环流特征。

1 资料和方法

采用中国国家气候中心提供的1951—2011年160站月平均降水量资料;采用NCEP/NCAR再分析资料(Kalnay et al.，1996)，包括海平面气压、比湿、位势高度和风场，水平分辨率为2.5°×2.5°。文中冬季指12月—次年2月，如1951年冬季指1951年12月—1952年2月;冬季平均值指12月—次年2月的平均值;冬季降水指12月—次年2月降水总和。考虑水汽主要集中在300 hPa以下(Zhou，2003)，在计算水汽通量时积分上限pt取300 hPa。根据 Rasmusson 方程(Rsmusson，1967)，有:

式中:ps表示地面气压(单位:hPa);pt取为积分上限;g为重力加速度;u、v分别为纬向、经向风速(单位:m/s);q为比湿(单位:g/kg);水汽通量的单位为 kg·m－1·s－1。文中涉及到的散度是由 u、v 风场计算得来。

使用的统计方法为:滑动平均、Morlet小波变换、回归分析、相关分析等，文中使用的显著性检验均为t检验(魏凤英，2007)。

2 中国冬季降水分布的气候特征

2.1 中国冬季降水的空间分布

图1 1951—2010年冬季气候平均降水量(a)及标准差(b)分布(图1a中阴影为数值大于100 mm的区域;图1b中阴影为数值大于60 mm的区域，▲代表本文所选的28站位置;单位:mm)Fig.1 (a)The average precipitation and(b)its standard deviation in the winter of 1951—2010(the shaded area for value great than 100 mm in Fig.1a;the shaded area for value great than 60 mm，and ▲ for the position of 28 weather stations in Fig.1b;units:mm)

中国年平均降水量整体上呈现由东南沿海向西北内陆递减的分布特征，冬季降水也如此。由1951—2010年冬季平均降水量空间分布(图1a)可见，中国秦岭淮河以北降水普遍在50 mm以下，沿江江南在100 mm以上，大值中心位于江南至华南北部，最大值超过250 mm。冬季降水标准差的空间分布(图1b)与降水分布类似，也呈东南向西北递减的分布特征，黄河下游至云贵高原一线以北的广大地区普遍在20 mm以下，而沿江江南到北部湾一线以南普遍在60 mm以上，最大值位于东南沿海地区，达120 mm。

由于冬季长江以南地区降水的变化具有一致性(王林和冯涓，2011)，所以选取位于长江以南、降水均值和标准差均较大的中国东南部沿海区域进行研究。如图1b阴影区所示，选取位于其中且分布均匀的28个站点(站点信息见表1)平均的降水代表该区域冬季降水。

2.2 中国东南部冬季降水的时间演变

利用第2.1节中所选28站降水量的算术平均值来反映中国东南部降水的年际变化。图2a为区域平均降水的年际变化。可见，中国东南部冬季降水具有明显的年际和年代际变化。11 a滑动平均曲线表明，20世纪60—70年代中期、80—90年代中期中国东南部冬季降水偏少，而70年代后期及90年代后期—21世纪初降水偏多。1962年降水最少，仅60.0 mm;1997年降水最多，达397.5 mm。可见中国东南部冬季降水年际差异十分显著。

表1 中国东南部28个站点信息Table 1 The information of 28 stations over southeastern China

图228 站冬季平均降水的年际变化(a;单位:mm)及其小波能谱(b;阴影为通过0.1信度检验的去噪能谱)Fig.2 (a)The interannual variation of average precipitation(units:mm)of 28 stations in winter and(b)its wavelet analysis spectrums(shadings denote de-noise spectrums exceeding 0.1 confidence level)

通过对中国东南部冬季降水的时间序列做Morlet小波变换分析(图2b)可以看到，降水普遍存在2～4 a的年际变化，这与以往我国南方降水周期的分析结果(纪忠萍等，2009;王林和冯涓，2011)相似。此外，20世纪80—90年代中期准7 a的周期振荡较强。

3 与降水变化相联系的环流特征

大范围降水异常必然与相应的大气环流异常联系。由气候平均海平面气压场(图3a)可见，在亚洲由海洋向大陆腹地，海平面气压逐渐升高。在10°N以南的热带印度洋以及热带西太平洋洋面上，海平面气压低于1 012 hPa，中国大陆区域均超过1 020 hPa，蒙古上空最高，高压中心超过1 036 hPa。图3b给出了冬季海平面气压场对同期降水的回归系数分布。可见，当降水异常偏多(少)时，蒙古高压及中国广大南方地区海平面气压异常偏低(高)，而亚洲附近的洋面上则异常偏高(低)，尤其在西太平洋;该海平面气压异常分布与Li and Yang(2010)得到的强(弱)冬季风年情况相反，即亚洲陆地海平面气压偏低(高)、周围洋面上偏高，对应冬季风偏弱(强)。

冬季气候平均500 hPa高度场上，亚洲中高纬主要呈现为一脊一槽，高压脊位于巴尔喀什湖附近，低压槽线位于锡霍特山脉到朝鲜半岛一带(图3c)。冬季气候平均850 hPa风场上，亚洲主要处于西风带控制之下，在青藏高原地形作用下分为南北两支，南支在孟加拉湾北部形成半永久系统——南支槽，北支绕过高原后南下给中国大部分地区带来偏北风(图3c)。由冬季500 hPa位势高度场对降水的回归系数(图3d)可见，巴尔喀什湖附近位势高度为显著的负异常，而东亚大槽冬季位置处则为正异常，表明当中国东南部降水偏多(少)时，巴尔喀什湖附近高压脊和东亚大槽均偏弱(强)。张自银等(2008)指出，东亚大槽偏弱，200 hPa上中东急流异常偏强，有利于中国南方冬季降水偏多。图3d还表明:500 hPa上，当亚洲20°N以南热带地区也为显著正(负)异常时，亚洲经向气压梯度偏小(大);850 hPa上，当中国东部处在由青藏高原南侧和中国南海汇合后的异常偏南风控制之下时，中国东南部处在异常西南风的右侧，而这里一般为异常正涡度控制，有利于降水发生，反之则不利于降水发生(丁一汇等，2007)。

冬季200 hPa纬向风对降水的回归系数分布(图3e)显示，中东地区高空急流异常偏强，东亚地区以28°N为界，以北为负异常，以南为正异常，而气候态上西风急流中心纬度在30°N附近。说明当冬季中国东南部降水偏多(少)时，东亚高空西风急流异常偏弱(强)，中东地区高空急流异常偏强(弱)，这与中国南方冬季降水偏多(少)时环流形势的研究成果相似(毛睿等，2007;张自银等，2008;倪东鸿等，2010a，2010b)。

由110～120°E纬向平均的经向垂直速度场对降水的回归系数分布(图3f)可见，当中国东南部冬季降水异常偏多时(少)，中国南方地区(20～30°N)出现显著的异常上升(下沉)运动，大值区位于400～500 hPa，而低纬度地区(0°～10°N)出现显著的异常下沉(上升)运动，同时低层出现异常偏南(北)风，与图3d中异常风场相对应。表明来自低纬度的异常暖湿气流在中国长江以南发生辐合，产生上升运动，进而导致中国南方的降水异常偏多;反之，中国长江以南发生辐散，产生下沉运动，进而导致中国南方的降水异常偏少。

图3 冬季气候平均海平面气压场(a，单位:hPa)、海平面气压场对降水的回归(b，单位:hPa;深、浅阴影分别通过0.01和0.05信度的显著性检验)、冬季气候平均500 hPa位势高度场(等值线，单位:dagpm)及850 hPa风场(箭矢，单位:m/s)(c)、500 hPa位势高度场(等值线，单位:dagpm;深、浅阴影分别通过0.01和0.05信度的显著性检验)及850 hPa风场(箭矢，单位:m/s;粗、细箭矢分别通过0.01和0.05信度的显著性检验)对降水的回归(d)、200 hPa纬向风场对降水的回归(e，单位:m/s;阴影表示冬季200 hPa纬向风的气候平均，单位:m/s)、110～120°E平均的经向—垂直风速对降水的回归(f;垂直风速单位为10－2Pa/s，经向风速单位为m/s;深、浅阴影分别通过0.01和0.05信度的显著性检验)Fig.3 (a)Distribution of annual mean sea level pressure(units:hPa)in winter，(b)regression coefficients of sea level pressure against precipitation(units:hPa;thick and thin shadings pass the significance test at 99%and 95%confidence levels，respectively)，(c)distribution of annual mean 500 hPa geopotential height(isoline;units:dagpm)and 850 hPa wind field(vector;units:m/s)in winter，(d)regression coefficients of 500 hPa geopotential height(isoline with the unit of dagpm;thick and thin shadings pass the significance test at 99%and 95%confidence levels，respectively)and 850 hPa wind field(vector with the unit of m/s;thick and thin vectors pass the significance test at 99%and 95%confidence levels，respectively)against precipitation，(e)regression coefficients of 200 hPa zonal wind against precipitation(units:m/s;shadings show annual mean 200 hPa zonal wind in winter with the unit of m/s)，and(f)regression coefficients of meridional and vertical velocities averaged over 110—120°E against precipitation(vertical velocity with the unit of 10 －2Pa/s，and meridional velocity with the unit of m/s;thick and thin shadings pass the significance test at 99%and 95%confidence levels，respectively)

4 与降水变化相联系的水汽输送

垂直运动和水汽输送是降水形成的两个主要条件。前述利用回归方法对环流特征进行分析，发现来自中国南海的异常偏南气流在我国南方发生辐合上升，为中国南方降水提供很好的动力条件;中国冬季主要受北方干冷空气影响，空气湿度相对较低，因此水汽条件在降水形成过程中显得尤为重要。

对冬季整层水汽通量进行积分后对降水进行回归。图4给出了整层水汽通量及其散度对降水的回归系数，可见影响中国东南部降水的水汽主要有两条通道:其一，来自西风带绕高原的南支气流，经阿拉伯海和孟加拉湾向华南的水汽输送;其二来自低纬西太平洋，经中国南海向中国西南的水汽输送。这两支水汽输送气流在中国东南沿海汇合，使得长江以南为明显的水汽辐合区(水汽通量散度为负)。

为了进一步分析中国东南部空气中水汽含量及水汽通量散度对该区域降水的作用，选取中国东南部区域(图4黑框位置)，计算该区域空气中水汽含量及水汽通量散度。由图5可见，空气中水汽含量及水汽通量散度与降水的年际变化具有较好的一致性，它们的相关系数分别为0.53和－0.56，均通过0.01信度的显著性检验，说明空气中水汽含量及水汽通量散度对降水异常非常重要。

5 东亚冬季风对降水的影响

图4 整层水汽通量及其散度对降水的回归系数(箭矢表示水汽通量，单位为kg/(s·m);粗、细箭矢分别表示通过0.01和0.05信度的显著性检验;阴影表示水汽通量散度小于－6×10－5kg/(s·m2)的区域;粗虚线为地形高于1 500 m的区域)Fig.4 Regression coefficients of vertically integrated water vapor flux and its divergence against precipitation(vector for the water vapor flux with the unit of kg/(s·m);thick and thin vectors pass the significance test at 99%and 95%confidence levels，respectively;shadings with water vapor flux divergence less than－6×10－5kg/(s·m2);thick dashed lines show topography above 1 500 m)

冬季，中国处在东亚冬季风的控制之下，冬季风的强弱必然对中国东南部的降水产生重要影响。表2给出了各种冬季风指数与本研究区域降水的相关系数(由于定义存在差异，为便于比较，相关系数均取绝对值)。可见，东亚冬季风的强弱多由经向风、纬向风、海平面气压以及位势高度场等气象要素来进行描述。比较发现，利用经向风描述的冬季风指数与降水的相关较好，其中低纬经向风与降水的相关最好(相关系数达0.71)。

图5 冬季降水、空气中水汽含量及水汽通量散度的标准化距平的年际变化(图中水汽通量散度乘以－1)Fig.5 Interannual variations of normalized anomalies of precipitation，moisture content，water vapor flux divergence in winter(the divergence is multiplied by－1)

表2 东亚冬季风指数与中国东南部降水的相关系数Table 2 Correlation coefficient between East Asian winter monsoon index and precipitation in southeastern China

6 结论

根据中国冬季降水的空间分布及年际变化，选取了降水量较大且年际变化最明显的中国东南部进行研究，分析了该区域降水的年际变化及与之相关的环流和水汽输送特征，得到以下结论:

1)中国东南部冬季降水年际差异较大，降水普遍存在2～4 a的年际变化，且20世纪80年代—90年代中期准7 a的周期振荡较强。

2)当降水异常偏多(少)时，蒙古高压及中国广大南方地区海平面气压异常偏低(高)，而亚洲附近的洋面上则异常偏高(低);500 hPa上，巴尔喀什湖附近的高压脊和东亚大槽均偏弱(强);200 hPa上，东亚西风急流偏弱(强)，中东地区急流异常偏强(弱);中国东部20～30°N出现显著异常上升(下沉)运动，上升(下沉)大值区位于400～500 hPa，低纬度地区(0°～10°N)出现异常下沉(上升)运动。

3)影响中国东南部冬季降水变化的水汽输送主要有两支，其一，来自西风带绕高原的南支气流，经过阿拉伯海和孟加拉湾向华南的水汽输送;其二，来自低纬西太平洋，经南海向中国西南的水汽输送。

4)东亚冬季风与中国东南部降水呈较好的相关关系，在各种描述东亚冬季风的指数中，利用东亚低纬度经向风描述的冬季风指数与降水关系密切。

陈隽，孙淑清.1999.东亚冬季风异常与全球大气环流变化I.强弱冬季风影响的对比研究［J］.大气科学，23(1):101-111.

丁一汇，马晓青.2007.2004/2005年冬季强寒潮事件的等熵位涡分析［J］.气象学报，65(5):695-707.

丁一汇，柳俊杰，孙颖，等.2007.东亚梅雨系统的天气—气候学研究［J］.大气科学，31(6):1082-1101.

何溪澄，丁一汇，何金海，等.2006.中国南方地区冬季风降水异常的分析［J］.气象学报，64(5):594-604.

纪忠萍，温晶，方一川，等.2009.近50年广东冬半年降水的变化及连旱成因［J］.热带气象学报，25(1):29-36.

李秀珍，梁卫，温之平.2010.华南秋、冬、春季水汽输送特征及其与降水异常的联系［J］.热带气象学报，26(5):626-632.

毛睿，龚道溢，房巧敏.2007.冬季东亚中纬度西风急流对我国气候的影响［J］.应用气象学报，18(2):137-146.

倪东鸿，孙照渤，李忠贤，等.2010a.冬季中东急流与中国气候异常的联系［J］.气象科学，30(3):301-307.

倪东鸿，孙照渤，李忠贤，等.2010b.冬季中东急流时空变化特征及其与中国气候的关系［J］.解放军理工大学学报:自然科学版，11(3):354-359.

彭京备.2011.东印度洋海温对中国南方冬季降水的影响［J］.气候与环境研究，17(3):327-338.

施能.1996.近40年东亚冬季风强度的多时间尺度变化特征及其与气候的关系［J］.应用气象学报，7(2):175-182.

孙柏民，李崇银.1997.冬季东亚大槽的扰动与热带对流活动的关系［J］.科学通报，42(5):500-503.

孙建华，黄翠银.2011.山东半岛一次暴雪过程的海岸锋三维结构特征［J］.大气科学，35(1):1-15.

索渺清，丁一汇.2009.冬半年副热带南支西风槽结构和演变特征研究［J］.大气科学，33(3):425-442.

陶玥，史月琴，刘卫国.2012.2008年1月南方一次冰冻天气中冻雨区的层结和云物理特征［J］.大气科学，36(3):507-522.

王会军，姜大膀.2004.一个新的东亚冬季风强度指数及其强弱变化之大气环流场差异［J］.第四纪研究，24(1):19-27.

王林，冯娟.2011.我国冬季降水年际变化的主模态分析［J］.大气科学，35(6):1105-1116.

魏凤英.2007.现代气候统计诊断与预测技术［M］.2版.北京:气象出版社:20-25;35-37;47-49;106-112.

吴蔚，温之平，陈运光，等.2011.华南冬春降水的年际变化及其与水汽输送的联系［J］.热带气象学报，28(2):187-196.

张自银，龚道溢，郭栋，等.2008.我国南方冬季异常低温和异常降水事件分析［J］.地理学报，63(9):899-912.

智协飞，张玲，潘嘉露.2011.我国南方冬季气候变暖前后极端降水事件分析［J］.热带气象学报，27(2):166-172.

Chen W，Graf H F，Huang R H.2000.The interannual variability of East Asian winter monsoon and its relation to the summer monsoon［J］.Adv Atmos Sci，17(1):48-60.

Hu Z Z，Bengtsson L，Arpe K.2000.Impact of global warming on the Asian winter monsoon in a coupled GCM［J］.J Geophys Res，105(D4):4607-4624.

Ji L R，Sun S Q，Arpe K，et al.1997.Model study on the interannual variability of Asian winter monsoon and its influence［J］.Adv Atmos Sci，14(1):1-22.

Kalnay E，Kanamitsu M，Kistler R，et al.1996.The NCEP/NCAR 40-year reanalysis project［J］.Bull Amer Meteor Soc，77(3):437-471.

Li Y Q，Yang S.2010.A dynamical index for the East Asian winter monsoon［J］.J Climate，23(15):4255-4262.

Lu E，Chan J C L.1999.A unified monsoon index for South China［J］.J Climate，12:2375-2385.

Rsmusson E M.1967.Atmospheric water vapor transport and the water balance of North America:Part 1.Characteristics of the water vapor flux field［J］.Mon Wea Rev，95:403-426.

Yang S，Lau K M，Kim K M.2002.Variations of the East Asian jet stream and Asian-Pacific-American winter climate anomalies［J］.J Climate，15:306-325.

Zhou T J.2003.Comparison of the global air-sea freshwater exchange evaluated from independent datasets［J］.Progress in Natural Science，13(8):626-631.