长江中下游1—5月降水分布型及其成因

张勇,杨春瑰,唐卫亚

(1.南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室,江苏 南京 210044;2.南京信息工程大学 经济管理学院,江苏 南京 210044;3.南京信息工程大学 大气科学学院,江苏 南京 210044)



长江中下游1—5月降水分布型及其成因

张勇1,2,杨春瑰1,2,唐卫亚1,3

(1.南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室,江苏 南京 210044;2.南京信息工程大学 经济管理学院,江苏 南京 210044;3.南京信息工程大学 大气科学学院,江苏 南京 210044)

采用中国160站降水资料、NCEP/NCAR逐月再分析资料、NOAA第2套扩展重建海温资料及CPC指数,利用经验正交函数(empirical orthogonal function,EOF)分解方法,研究了1951—2013年1—5月长江中下游地区降水的分布型及其成因。结果表明:长江中下游地区降水主要呈现全区一致型、南北反相型、沿江型3种分布型;3种降水分布型对应的环流背景各不相同,环流异常的维持分别与自欧洲出发沿西风带传播的波列、由大西洋穿越极区到长江中下游的波列以及北半球环状模有关;一致型降水与Nino3.4海温指数相关最显著,而南北反相型和沿江型降水与东太平洋海温异常存在联系。

长江中下游;降水型;环流特征

0 引言

长江中下游地区降水分布的气候特征明显,为江南多、江北少(陈艺敏和钱永甫,2004;张天宇等,2007)。影响长江中下游降水异常的因子主要包括年代际尺度因子和年际尺度因子两类(魏凤英,2006),降水异常的最直接原因是大气环流异常,且是不同纬度环流因子共同作用的结果。有关不同纬度环流及其相互作用对中国东部夏季降水影响的研究己取得一系列成果(黄荣辉,1990;张庆云和陶诗言,1998;陶诗言等,2001;苗长明等,2013)。夏季东亚低纬度热带环流、特别是西太平洋副热带高压位置及形态等变化对中国东部降水分布有直接影响(钱代丽等,2010);亚洲中高纬度环流、特别是乌拉尔山或鄂霍次克海阻塞高压的建立和维持与中国东部降水异常关系密切。大气环流模式及观测资料研究表明,东亚中纬度高空西风急流经向位置变化对中国东部降水异常有重要作用(Wang et al.,2002;Yang et al.,2002)。东亚季风对长江中下游降水异常影响显著(Wu and Wang,2000;Wang et al.,2002),而东亚季风又受到诸多因素的影响,如西太平洋暖池热状态以及菲律宾周围上空对流活动、ENSO循环的不同阶段以及欧亚大陆和青藏高原的积雪等(Huang and Sun,1992;黄荣辉和孙凤英,1994)。

长江中下游降水异常受到不同海域海温的不同程度影响,海温对降水的影响实际上是通过大气环流对海温的响应来完成的(王黎娟等,2014)。大量统计、诊断以及数值试验结果表明,热带海温异常对亚洲低、中、高纬度大气环流异常变化有重要影响(Qian et al.,2002;Li et al.,2008;冯娟等,2011)。当热带西太平洋暖池增暖时,从中印半岛经南海到菲律宾以东地区上空的对流活动将增强,西太平洋副高的位置偏北,对应我国江淮流域夏季降水偏少(黄荣辉和孙凤英,1994)。唐卫亚和孙照渤(2005,2008)研究认为,印度洋海温异常也可引起长江中下游夏季降水空间分布异常。陈烈庭(1977)指出赤道东太平洋海温偏高(低),江淮降水偏少(多),同时他提出了一个有关东太平洋赤道地区海温影响我国汛期降水的可能机制。ENSO影响只在某些地区较为显著,这可能与ENSO发展不同阶段的热带太平洋海温异常引起的流场调整有关。不同季节增暖的厄尔尼诺事件对长江中下游地区夏季降水的多寡影响明显不同(刘永强和丁一汇,1995;励申申和寿绍文,2000)。ENSO是影响中国夏季降水的主要因子之一,ENSO冷、暖事件及其发展或消亡对副热带高压、海洋及大气环流型等均有影响,并造成亚洲、中国东部旱涝等降水异常(黄荣辉,1990;刘永强和丁一汇,1995)。

降水异常尤其是干旱、洪涝,将给社会生产和人民生活带来不利影响,甚至造成严重灾害。研究指出,春季长江中下游降水同样存在显著的年际、年代际变化(王永光等,2005)。近60 a来长江中下游冬春季降水总量呈减少趋势(Zhai et al.,2005;Xin et al.,2006)。尤其是2011年1—5月长江中下游地区经历了一场特大持续性干旱,为该区域过去60 a里最为严重的干旱事件。2011年1—5月长江中下游区域平均降水量仅为265 mm,较常年同期偏少4～6成,其中两湖盆地及长江下游降水偏少6成以上。近60 a来,长江中下游地区1—5月降水量占全年降水量的42.5%,而2011年仅为24.8%。由此可见,长江中下游1—5月降水年际差异显著。迄今为止,有关降水、环流及与海温关系的研究主要集中在冬、夏两季降水异常的成因及机理上。近年来,春、秋季的降水异常事件同样对工农业生产及国民经济造成重大损失。而春季正值农作物的播种和生长季节,同时也是东亚冬季风环流向夏季风环流转换的时期。目前人们对长江中下游冬春异常降水分布及其变化规律的认识还不够,对其成因及机理也不十分清楚,因此有必要对长江中下游1—5月降水分布类型进行研究,试图寻找与降水分布类型相联系的环流特征及外强迫特征,为深刻认识长江中下游降水变化规律以及预测极端气候事件提供线索。

1 资料和方法

所用资料有:中国国家气候中心整编的160站逐月降水资料;NCEP/NCAR再分析资料(Kalnay et al.,1996),包括月平均位势高度场、风场和湿度场(2.5°×2.5°);NOAA海温资料(2°×2°)。所用资料时段均为1951—2013年1—5月;文中气候均值采用1951—2013年共63 a平均。

采用EOF(empirical orthogonal function)分析、小波分析、合成和相关分析等方法;还采用谐波分析方法研究降水的年代际变化特征。

2 长江中下游降水的分布特征

从中国国家气候中心整编的中国160站降水资料中,选取了位于中国东部地区(110°E以东、25°N以北34°N以南地区)沿长江及两侧的清江、蚌埠、阜阳、信阳、东台、南京、合肥、上海、杭州、安庆、屯溪、九江、汉口、钟祥、岳阳、宜昌、常德、宁波、衢县、浦城、贵溪、南昌、广昌、吉安、长沙、衡阳、零陵共27站资料,代表长江中下游地区降水。长江中下游区域平均降水采用上述27站平均。

长江中下游1—5月降水空间分布的气候特征为由南向北递减,降水中心位于江南中部;区域平均降水的时间序列显示,过去60多年长江中下游降水呈现为20世纪50年代异常偏多,60年代偏少,随后缓增至70年代中后期又减少,80年代中后期开始增多至90年代初期,随后在波动中减少,年代际变化特征明显(图1)。江志红和丁裕国(1994)利用旋转经验正交函数(REOF)分析1951—1989年全国降水得知,长江中下游第一主成分从20世纪50年代中期起呈下降趋势至60年代,随后呈上升趋势至70年代后期,然后又缓慢

减少,80年代略有上升。王叶红等(1999)对1951—1998年长江中下游6—7月降水进行分析,发现长江中下游降水存在三个明显的气候段:20世纪50年代为多雨期,60—70年代为干旱期,80—90年代为多雨期。显然,这些结果与1—5月长江中下游降水的年代际变化趋势较一致。本文利用谐波分析方法,计算了1—5月长江中下游降水不同时间尺度变化在总方差中所占比重。结果表明:年际变化(l～9 a)的方差贡献达81.7%,年代际变化(10 a及以上)的方差贡献仅为18.3%。这表明1—5月长江中下游降水最显著的特征是年际变化,且降水呈减少趋势(图1b)。

区域平均降水时间序列的小波能量谱分析(图2)表明,长江中下游降水准2 a周期在20世纪50年代初显著,2～3 a周期在20世纪60年代中后期到70年代显著且强度增大,2～4 a周期在20世纪90年代至今显著且强度增大;随着时间的推移,年际尺度周期越来越长。此外,长江中下游冬春降水在20世纪90年代之前还表现出16～20 a的显著周期,之后周期强度减弱。

图1 长江中下游降水的空间分布(a;单位:mm;圆点表示选取的站点,阴影表示超过区域平均降水)和区域平均降水距平的年际变化(b;实线表示年代际变化)

图2 1951—2013年1—5月区域平均降水标准化距平的Morlet小波分析

为了反映长江中下游地区降水的空间分布特征和时间变化规律,采用经验正交函数展开(EOF)对选取的27站1—5月降水距平场进行分析。经North检验(North et al.,1982),前三个特征值可分离。前三个特征向量的方差贡献率分别为47.0%、19.6%和6.6%,前三个特征向量的累积方差贡献率为73.2%。第1特征向量的空间分布显示全区一致性变化的特点,极值中心位于沿江及江南北部;第2特征向量空间分布呈南北反相;第3特征向量的空间分布表现为中间沿江地区与其南北两侧反相的分布特征(图3)。EOF分解反映的长江中下游降水的变化型主要表现为全区一致型、南北反相型、沿江型3种分布特征;3种分布型均反映了降水的经向差异,很可能与季风的活动或低纬海洋的影响有关。谐波分析表明,前3个特征向量所对应的时间系数以年际变化为主,年代际变化特征也较明显,方差贡献与总体降水的相近。长江中下游降水呈现出总体减少、经向差异减小及沿江降水略有增多的趋势,但变化趋势不显著。在年代际时间尺度上,第1模态存在准20 a周期变化,周期强度随时间减小;第2模态在20世纪60年代到90年代初周期明显,其中80年代前后周期强度变化大;第3模态在20世纪70年代中期以后周期较明显(图略)。

图4 EOF前3个模态的空间型与长江中下游地区1—5月降水距平场的空间相似系数(a,c,e)及EOF前3个模态对应时间系数的标准化序列(b,d,f) a,b.EOF1;c,d.EOF2;e,f.EOF3

进一步分析长江中下游1—5月降水EOF第1—3空间模态究竟在哪些年份出现。参照王盘兴等(1998)的分析思路,分别计算了前3个特征向量与长江中下游地区27站1—5月63 a平均降水距平场的空间相似系数的时间序列(图4a、4c、4e)。相似系数绝对值超过0.5的年份的降水距平实际分布与相应特征向量的空间分布相似,特征向量的空间分布能够很好地反映出这些年份的降水异常的空间分布。将EOF前3个模态对应的时间系数进行标准化(图4b、4d、4f),定义绝对值超过1的年份为异常年,再结合空间相似性的结果,确定旱涝异常年份,也称为EOF空间模态典型年份。前3个模态对应的旱涝异常年见表1,有些年份出现交叉,是由于降水空间分布不均匀导致出现类似空间型。

表1 EOF模态的典型年份

Table 1 Typical years of EOF modes

涝年旱年EOF11954,1973,1989,1998,20101979,1997,2008,2011EOF21953,1961,1975,1981,1984,2010,20121963,1974,1987,1993,1998,20007EOF31954,1967,1973,1977,1995,1999,20121970,1972,1980,1981,1997

3 长江中下游地区不同降水分布型的成因

3.1 3个降水模态对应的环流特征

众所周知,大气环流异常对降水有直接影响。本文对EOF前3个模态对应的典型旱涝年的高度场进行合成分析,以探讨影响1—5月长江中下游降水的关键系统和环流形势。图5为对流层高、中、低层位势高度在典型涝年与旱年的差值分布。

第1模态对应的差值场显示,相对于旱年,涝年对流层低层850 hPa上,贝加尔湖—中国东部为负异常,而欧洲北部及北太平洋为正异常(图5a);涝年对流层中层500 hPa上,东亚沿岸呈现“南正北负”的异常分布(图5d),表明东亚大槽、西太平洋副高均偏强,且南北位势梯度较大,锋区较强;涝年对流层高层200 hPa上,长江中下游为正异常,大气的抽吸上升作用偏强,有利于长江中下游降水偏多(图5g)。对流层异常高度场在长江中下游表现为随高度向西北方向倾斜的斜压结构。

第2模态对应的差值场显示,对流层旱涝年环流差异显著。相对于旱年,涝年对流层低层850 hPa上,长江中下游为负异常(图5b);涝年对流层中层500 hPa上,东亚为自南向北的“正负正” 异常分布(图5e);涝年对流层高层200 hPa上,正异常中心位于江南,有利于长江以南降水偏多(图5h)。东亚异常高度场在垂直方向上呈现出高低空反位相分布的特点。

图5 EOF前3个模态对应时间系数(PC1对应a、d、g;PC2对应b、e、h;PC3对应c、f、i)反映的涝年与旱年1—5月位势高度场的合成差值(单位:gpm;阴影表示通过0.1信度的显著性检验) a,b,c.850 hPa;d,e,f.500 hPa;g,h,i.200 hPa

第3模态对应的差值场显示,相对于旱年,涝年对流层低层850 hPa上,东亚为经向分布的正异常区,其东西两侧为负异常区,北太平洋位势高度显著偏低(图5c);涝年对流层中、高层上,东亚为“南负北正”的异常分布(图5f、i),其中200 hPa上负异常中心位于长江流域,导致的异常下沉运动有利于沿江地区降水偏少。

3.2 与3个降水模态联系的遥相关型

1—5月长江中下游地区降水的前3个EOF模态对应的环流异常的维持机制可能与北半球大气遥相关型有关。表2给出了EOF前3个模态对应典型年份的时间序列与各遥相关型指数的相关系数,其中南方涛动(SO)、北大西洋涛动(NAO)、北极涛动(AO)指数取自NOAA气候预报中心,欧亚遥相关型(EU)、太平洋西部型(WP)、太平洋北美型(PNA)、大西洋西部型(WA)及大西洋东部型(EA)1—5月平均指数参照Wallace and Gutzler(1981)对遥相关型指数的定义,采用NCEP/NCAR 500 hPa高度场资料计算得到。

第1模态对应的时间序列与WP、EU、SO指数有显著的负相关关系(|r|α=0.1=0.52),均通过0.1信度的显著性检验,且与PNA的相关系数也较高,可见太平洋及欧亚大陆的扰动对长江中下游地区降水具有显著影响。第1模态对应的对流层不同层次位势高度差值场(图5a、d、g)呈现出自欧洲西部、经西伯利亚、至日本列岛的“正负正”异常分布及北太平洋“南正北负”的异常分布,与Wallace and Gutzler(1981)指出的北半球负EU型遥相关及负WP型遥的特征类似。可见长江中下游全区一致型降水受自欧洲出发沿中高纬西风传播的波列及东亚西风急流影响。此外,SO与全区降水一致型有较好的相关关系,反映了热带大气波动异常对长江中下游降水分布有影响。

第2模态对应的时间序列与EU指数有显著的正相关关系(|r|α=0.1=0.44),与WA和EA指数的相关系数也较高。徐海明等(2000)指出,北半球冬季WA遥相关型与后期长江中游至黄河中游及长江下游地区降水显著相关。图5b、e不仅在欧亚地区表现出正EU遥相关型的异常分布,还呈现出从大西洋穿越极区到长江中下游地区的波列,影响长江中下游降水,有利于长江中下游地区降水呈现南北反相的分布特征。

图6 EOF前3个模态对应时间系数反映的涝年与旱年1—5月1 000～300 hPa整层水汽输送(箭矢;单位:10 kg·m-1·s-1)及水汽通量散度(阴影表示辐合;单位:10-5 kg·m-2·s-1)的合成差值(粗箭头表示通过0.1信度的显著性检验) a.PC1;b.PC2;c.PC3

第3模态对应的时间系数与AO、SO、NAO、PNA指数都有一定的相关关系(|r|α=0.1=0.46)。NAO被认为是AO在北大西洋的一种表现形式,可以通过亚洲急流影响东亚和北太平洋(Wallace,2000;Watanabe,2004)。图5c、f在不同程度上表现出了AO、NAO及PNA正位相的环流特征,异常环流通过遥相关影响长江流域降水。北半球环状模处于正位相时不利于冷空气南扩,导致沿江地区降水偏少。

表2 EOF前3个模态对应的典型年份时间序列与同期各遥相关指数的相关系数

Table 2 Correlation coefficients between the time series in the typical years of first three EOF modes and the indices of different teleconnection patterns

注：1)表示通过0.1信度的显著性检验.

3.3 3个降水模态对应的水汽输送特征

水汽输送特别是垂直积分的整层水汽输送的辐合辐散直接影响降水。因此分析降水的水汽来源及输送状况对研究降水分布型成因和机理有重要的意义。图6为1—5月长江中下游降水的前3个模态对应典型年份的1 000～300 hPa整层垂直积分的水汽输送差值场。

第1模态对应的差值场显示,相对于旱年,涝年长江中下游全区处于水汽辐合区,且来自南海的较强异常偏南风给此地带来充沛的水汽,有利于全区降水偏多(图6a)。第2模态对应的差值场显示,涝年江南为明显的水汽辐合区 (图6b),从而造成涝年降水异常呈现南多北少的分布特征。第3模态对应的差值场显示,相对于旱年,涝年长江中下游沿江地区为水汽辐散区,易造成沿江地区降水偏少(图6c)。

3.4 3个降水模态对应的海温特征

赤道太平洋海温异常可引起长江中下游春季降水异常(Zhang and Sumi,2002;Yang and Lau,2004;Zhang et al.,2009)。长江中下游1—5月降水可能也受到赤道太平洋海温异常的影响。为了解海温对降水EOF1—3分布型的影响,计算了EOF模态典型年份(表1)PC1—3与相应年份海温指数的超前及同时相关系数(表3)。结果表明,PC1与各Nino区海温指数相关较好,均呈正相关关系,这与El Nino期间长江中下游地区降水偏多(刘永强和丁一汇,1995;黄荣辉等,1999)的结论一致;Nino3.4海温指数与PC1的相关最显著,海温超前2季的相关最高。可见赤道太平洋海温变化与长江中下游一致型降水的相关显著,且显著的相关关系在降水发生前持续2～3季。PC2与各Nino区海温指数同期及超前1～2季均为负相关关系,相关都不显著;其中与Nino1+2区超前1季的相关程度最好,且同期相关也最高。PC3与各Nino区海温指数超前3季的相关程度最好,且超前1～3季多为负相关关系,但与同期Nino1+2区及Nino4区海温指数为正相关关系。可见南北反相型及沿江型降水分布与东太平洋海温异常有一定联系。

表3 EOF前3个模态对应的典型年份时间序列与Nino指数的相关系数((0)表示同时相关,(-1)表示海温超前1季,(-2)表示海温超前2季,(-3)表示海温超前3季)

Table 3 Correlation coefficients between the time series in the typical years of first three EOF modes and Nino indices((0) presents SST at the same time,(-1) SST ahead of 1 season,(-2) SST ahead of 2 seasons,(-3) SST ahead of 3 seasons)

注：1)表示通过0.1信度的显著性检验.

综上所述,长江中下游地区全区一致型降水分布时环流异常的维持与自欧洲出发沿西风带传播的波列有关、南北反相型降水分布与大西洋穿越极区到长江中下游的波列关系密切、沿江型降水分布与北半球环状模有关。长江中下游地区全区一致型降水与Nino3.4海温指数相关最显著,而南北反相型及沿江型降水分布与东太平洋海温异常有一定联系。

4 结论

针对长江中下游1—5月降水,利用中国国家气候中心整编的160站降水资料、NCEP/NCAR再分析月平均高度场和风场资料,以及NOAA月平均海温资料及CPC指数,采用EOF、小波分析、合成及相关分析方法,研究了长江中下游地区降水分布型及成因,得到以下结论:

1)长江中下游地区降水主要呈现全区一致型、南北反相型、沿江型3种空间分布型,方差贡献分别为47.0%、19.6%和6.6%。这3种降水分布型具有2～4 a的变化周期。

2)3种降水分布型对应的环流背景各不相同,相对于旱年,涝年在对流层中层东亚地区分别呈现出“南正北负”、“正负正”、“南负北正”的异常分布,异常环流的垂直分布均为斜压结构。环流异常的维持与遥相关型有关,其中WP、EU、AO分别与全区一致型、南北反相型、沿江型有较好的相关关系,在一定程度上反映出自欧洲出发沿中高纬西风传播的波列,由大西洋穿越极区到长江中下游的波列以及北半球环状模分别对3种降水分布型的影响。

3)太平洋海温变化与长江中下游一致型降水的正相关关系显著,尤其是Nino3.4海温指数与其相关最显著,超前两季的相关系数最高。而南北反相型及沿江型降水分布与东太平洋海温异常有一定联系。

上述结果可为进一步认识长江中下游降水变化规律及预测极端气候事件提供线索。

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(责任编辑：张福颖)

Precipitation patterns in the middle and low reaches of Yangtze River during January-May and their causes

ZHANG Yong1,2,YANG Chun-gui1,2,TANG Wei-ya1,3

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China;2.School of Economics and Management,NUIST,Nanjing 210044,China;3.School of Atmospheric Sciences,NUIST,Nanjing 210044,China)

Based on the rainfall data at 160 stations of China,the NCEP/NCAR monthly reanalysis data,the monthly extended reconstructed sea surface temperature(ERSST) data supplied by NOAA and CPC(NOAA) indices,by using the EOF(empirical orthogonal function) analysis,this paper investigates JFMAM(January-May) precipitation patterns in the middle and low reaches of Yangtze River(MLRYR) during 1951—2013 and their causes.The results show that JFMAM precipitation of MLRYR has three EOF modes:the first mode with in-phase change,the second mode with north-south out-of-phase change,and the third mode with rainfall anormaly distribution along the Yangtze River.The aforementioned three modes are related to different circulaion anomalies.The maintenance of the anomalous circulations related to the three patterns are found to be related to,respectively,the perturbations originating from Europe and propagating easterward along the westerly belt,the wave train from Atlantic and passing through the Arctic areas to MLRYR,and the Northern Hemisphere Annual Mode.The in-phase rainfall pattern is well correlated with Nino3.4 index.The north-south out-of-phase pattern and the rainfall pattern along the Yangtze River are linked to sea surface temperature anomaly in the eastern Pacific.

the middle and low reaches of Yangtze River;precipitation pattern;circulaion feature

2013-09-13；改回日期：2014-02-05

国家自然科学基金资助项目(41330425);江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)

杨春瑰,教授,硕士生导师,研究方向为气候变化经济,ycg@nuist.edu.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130913005.

1674-7097(2015)01-0111-09

P466

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130913005

张勇,杨春瑰,唐卫亚.2015.长江中下游1—5月降水分布型及其成因[J].大气科学学报,38(1):111-119.

Zhang Yong,Yang Chun-gui,Tang Wei-ya.2015.Precipitation patterns in the middle and low reaches of Yangtze River during January-May and their causes[J].Trans Atmos Sci,38(1):111-119.(in Chinese)