华北汛期降水长期变化规律研究新进展

刘海文,袁帅,杨朝虹,武凯军,朱玉祥,林一骅

① 中国民航大学 空中交通管理学院航空气象系,天津 300300;② 中国气象局 气象干部培训学院,北京 100081;③ 中国科学院 大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室,北京 100029；④ 中国科学院大学 地球与行星科学学院，北京 100049

华北是我国人口密集、经济发达、土地和矿产资源丰富的地区,也是我国工农业主要生产基地之一。然而,华北又是我国水资源十分贫乏的地区之一,水资源的缺乏已严重妨碍华北地区工农业生产的进一步发展,也严重影响着华北地区城乡人民的生活,可以说,水资源缺乏是华北今后经济发展中亟待解决的重大问题(黄荣辉等,1999)。

华北汛期降水一直是气候界研究和每年汛期降水预报关注的重要问题之一。本文在对华北汛期降水研究进行较为详细的回顾和总结后,对一些亟待解决的科学问题进行简单讨论和总结。

1 华北汛期的定义及汛期降水的构成特征

目前对于华北汛期时间的确定,基本上是按照天文月份来进行,且月份的选择并不统一。比如,陆日宇(2002,2003,2005)将7、8月降水量称为华北汛期降水量。冯丽文(1980)则将4—9月作为华北的汛期。戴新刚等(2003a)则将7—9月作为华北汛期。相对于“汛期”一词的使用,还有对华北雨季的降水规律进行研究。比如,赵汉光(1994)根据旬降水量资料,对华北雨季进行了划分,认为华北雨季开始期主要集中在7月中旬左右,结束期主要集中在8月中旬左右,即所谓的“七下八上”的华北雨季。因此,对华北汛期的客观识别显得十分重要。

图1 1971—2000年平均的华北地区汛期日降水EOF第一模态的时间系数(6月14日—8月6日)的Mann-Kendal检验结果(a;水平直线表示0.05信度的显著性检验临界线)及其滑动t检验(b;直线表示0.01信度的显著性检验临界线)(引自刘海文(2009))Fig.1 (a)Mann-Kendall test results of time coefficients of the first EOF mode of daily (from 14 June to 6 August) precipitation in flood season in North China averaged from 1971 to 2000 (Horizontal straight line denotes the 95% confidence level),and (b)the moving t-test (Horizontal straight line denotes the 99% confidence level) (from Liu(2009))

图2 1971—2000年平均的华北地区汛期日降水EOF第一模态的时间系数(8月6日—9月12日)的Mann-Kendal检验结果(a;水平直线表示0.05信度的显著性检验临界线)及其滑动t检验(b;直线表示0.01信度的显著性检验临界线)(引自刘海文(2009))Fig.2 (a)Mann-Kendall test results of time coefficients of the first EOF mode of daily (from 6 August to 12 September) precipitation in flood season in North China averaged from 1971 to 2000 (Horizontal straight line denotes the 95% confidence level),and (b)the moving t-test (Horizontal straight line denotes the 99% confidence level) (from Liu(2009))

Samel et al.(1999)利用半客观分析的方法,确定了6月14日—9月12日的时间范围作为华北汛期降水的持续时间,具有较好的时空分布特征。刘海文(2009)使用Samel et al.(1999)研究华北雨带的半客观分析方法和EOF分解以及趋势分析法,也从6月14日—9月12日来确定华北汛期开始和结束的时间,图1即为1971—2000年平均的华北44站汛期日降水量EOF分析所得的第一特征向量对应的时间序数的Mann-Kendal以及滑动检验的结果。由图1a可见,时间序列在6月28日左右发生了突变,表明华北日降水在这天发生了突变。因此,结合突变分析和Samel et al.(1999)的半客观方法,可以认定6月30日左右基本上是华北汛期的开始日期。同理,图2给出了1971—2000年平均的华北汛期日降水EOF分解第一特征向量对应的时间系数中8月6日—9月12日时间序列Mann-Kendal检验以及滑动检验的结果。由图2可见,Mann-Kendall统计曲线中有好几个相交点,显然其中第一个突变点为汛期结束的日期,这个突变日期大约是8月22日,由于Mann-Kendall 统计曲线也不在信度内,因此又进行了滑动检验趋势分析,表明8月18日超过了0.01信度的显著性检验。虽然Mann-Kendall统计结果和滑动检验趋势分析结果相差比较大,但是滑动检验趋势分析结果和Samel et al.(1999)半客观方法确定的华北汛期结束日期基本一致,因此,从气候学上讲,8月18日左右是华北汛期的结束日。

2 华北汛期降水多时间尺度的变化特征

华北汛期降水具有多时间尺度的变化特征(李红梅等,2008),这里所指的变化包括了长期趋势、年际和年代际等所有时间尺度上的信号。华北汛期降水在年际时间尺度存有很大的变率(赵声蓉等,2003)。研究表明,华北汛期降水量在年际时间尺度上存在着准2 a、准5 a的周期振荡(戴新刚,2003b)。除了华北汛期降水自身的周期振荡外,大气环流异常是导致华北汛期降水异常的主要原因。梁平德等(2006)根据华北历史上几个重旱年逐日的500 hPa环流分布,综合得出华北夏季干旱年东亚地区上空大气环流的3种基本流型。赵声蓉和宋正山(1999)利用1980—1994年NCEP/NCAR月平均高度场和我国测站降水量资料,探讨了华北汛期降水与500、200 hPa欧亚中高纬大气环流异常的关系,得到与华北汛期旱涝有关的两类异常环流型。毕慕莹(1990)发现,华北旱年贝加尔湖附近易有阻塞高压生成,阻塞高压进而使得西风带分支,华北处于两个分支之间的弱锋区。余锦华等(2005)研究表明,华北地区汛期降水与青藏高原5—6月地表温度具有显著的正相关。最近,聂俊等(2021)在将副高指数分为3类的基础上,指出用于表征副高强度的绝对强度指数与东亚遥相关型具有较好的相关关系,而东亚遥相关型指数为正位相时,华北汛期降水偏少。

华北汛期降水具有鲜明的年代际变化特征。华北汛期降水量首先在1965年左右有一次明显的减少(严中伟等,1990a;陆日宇,2002),然后在20世纪70年代上半段略有回升之后,于70年代下半段出现了又一次的明显减少(陆日宇,2002;杨修群等,2005),1990年代又有回升的趋势(陆日宇,2002),而这个上升趋势直到1996左右突然停止(Liu et al.,2020)。陆日宇(2002)研究认为,华北汛期年代际时间尺度的降水量和年际时间尺度的降水量之间呈线性关系。因此,不少研究者(陆日宇,2002;杨修群等,2005)将华北汛期降水量进行尺度分离,进而研究影响华北汛期降水量在两个不同时间尺度降水量上的归因差别。张婕等(2012)和于勇等(2009)还研究了南半球环流系统与华北盛夏(7、8月)降水的年际关系及其年代际变化,表明南半球环流系统对华北汛期降水也具有十分重要的作用。

为了进一步研究华北汛期降水多寡长期变化的内在因素,刘海文和丁一汇(2010)在把华北日降水量划分为小雨、中雨、大雨、暴雨以及大暴雨五种类型的基础上,研究了华北汛期降水、五类降水频率和贡献率,三者的长期变化特征。研究认为,华北汛期降水长期变化特征三者都有一定的下降趋势,但是三者的下降趋势程度并不相同。其中,华北汛期降水量下降趋势最明显。五类降水频率中,小雨频率下降趋势最大,暴雨和大暴雨的下降频率并不显著。五类降水贡献率中,暴雨贡献率下降趋势最大,小雨贡献率下降趋势最小。华北汛期大雨发生的频率和暴雨的贡献率决定了华北汛期降水量的多寡(刘海文和丁一汇,2010)。

3 华北汛期降水多时间尺度周期振荡的年代际变化

如上所述,华北汛期降水呈现出多时间尺度的周期振荡。李崇银(1992)研究表明,华北汛期降水具有比较明显的准两年周期振荡和约为16 a的周期振荡,华北汛期降水在时间尺度上具有多时间尺度的周期振荡特征。朱锦红等(2003)认为,华北降水的80 a振荡与东亚夏季风强度的长期变化有很好的对应关系。戴新刚等(2003b)使用小波分析等方法,通过研究1951—2002年华北汛期的降水资料,发现华北汛期降水量存在着准10 a、准18 a和大约50 a时间尺度周期的谱分量,其中年际尺度部分约占总方差的85%。在年际时间尺度上,华北汛期多雨年份,其汛期降水量有明显季节内(30～60 d)的振荡;而在汛期少雨年份,降水量的30～60 d振荡周期却不太明显(李崇银,1992)。

在月内时间尺度周期振荡上,华北汛期降水量也存在着明显的年代际变化。图3和图4分别给出了华北处于不同年代际阶段,华北汛期降水量月内时间周期振荡的年代际变化的差异。由图3可见,在华北汛期降水偏多阶段,其降水量有着显著的3～8 d时间尺度的周期振荡,这个时间尺度的周期振荡在华北整个汛期一直存在,并一直持续到9月上旬后才减弱。且华北汛期日降水主要以3～8 d时间尺度周期为主,其周期比较单一(刘海文和丁一汇,2011a)。但是在华北汛期降水偏少阶段,华北汛期降水的月内时间尺度的周期振荡和降水偏多阶段相比却有很大不同(图4)。首先,华北入汛后,华北降水并没有出现天气时间尺度的高频降水,而是过了7月上旬以后,才突显出显著的天气时间尺度的高频降水特征。另外,在华北汛期降水偏少阶段,华北汛期日降水存在着两个时间尺度的周期振荡,一个是3～8 d的天气时间尺度,另一个是10～20 d准双周振荡周期。

图3 1957—1978年(华北汛期降水偏多阶段)平均的4月1日—9月30日华北降水量去除年循环时间序列的Morlet小波实部(a)和标准功率谱(b)(虚线为受边界影响区域,阴影区表示通过0.05信度的显著性检验;引自刘海文(2009))Fig.3 Morlet wavelet (a)real part and (b)standard power spectrum of the time series of daily precipitation (removing annual cycle) in North China from 1 April to 30 September averaged from 1957 to 1978 (The precipitation in flood season in North China is more than normal) (dashed lines:the boundary effect;shaded areas:passing the significance test at 0.05 level;from Liu(2009))

图4 1979—2006年(华北汛期降水偏少阶段)平均的4月1日—9月30日华北降水量去除年循环时间序列的Morlet小波实部(a)和标准功率谱(b)(虚线为受边界影响区域,阴影区表示通过0.05信度的显著性检验;引自刘海文(2009))Fig.4 Morlet wavelet (a)real part and (b)standard power spectrum of the time series of daily precipitation (removing annual cycle) in North China from 1 April to 30 September averaged from 1979 to 2006 (The precipitation in flood season in North China is less than normal) (dashed lines:the boundary effect;shaded areas:passing the significance test at 0.05 level;from Liu(2009))

4 华北汛期降水与大气遥相关型的关系

自从Wallace and Gutzler(1981)使用一点相关的方法,揭示出北半球冬季大气存在着5种遥相关型的事实后,关于遥相关及其对区域气候的影响研究得到广泛开展。比如:Kripalani and Kulkarni(1997,2001)以及张人禾(1999)利用多种气候资料,发现印度夏季风与中国华北和日本夏季降水存在遥相关关系。Ding and Liu(2008)认为,在夏季风盛行期间,由印度西北部经青藏高原到中国华北地区存着一支西南-东北走向的“北支”遥相关型。随后,Liu and Ding(2008)又用区域气候模式对这支遥相关型加以验证,并进一步揭示华北汛期旱涝前期遥相关经向波列的传播能量路径及其机制。苗峻峰和徐祥德(1993)使用滤波以及尺度分离等方法,发现了定常行星波尺度的PNA、EAP型遥相关波列与华北汛期旱涝的相互关联。张庆云等(2003)研究表明,夏季华北降水偏少的一种主要大气环流型是:500 hPa位势高度场上40°～50°N的欧亚大陆位势高度偏高并叠加欧亚(EU)遥相关型。林大伟等(2016)在分析大气环流对夏季华北降水与印度降水之间的关系时认为,对流层中高层环半球遥相关型波列(CGT)对华北夏季(汛期)降水有着重要影响(Ding and Wang,2005)。最近,Wang and He(2015)研究了近60年以来的华北干旱年的原因,认为华北干旱与丝绸之路遥相关型,太平洋-日本型以及欧亚遥相关型有关。

5 华北汛期降水量增多趋势的停滞

如前所述,华北汛期降水量在20世纪90年代左右又有回升的趋势(陆日宇,2002),而这个上升趋势直到1996左右突然停止(Liu et al.,2020)。图5给出了华北汛期降水量的长期变化的时间序列和Mann-Kendal趋势检验(Liu et al.,2020)。由图5可见,华北汛期降水量在1979—1996年有一个显著的上升趋势,1996年华北汛期降水量出现了峰值,随后在1997年后,华北汛期降水量又进入了停滞期。导致华北汛期降水量进入停滞期的原因,除了东亚夏季风减弱以外,西风带向华北输送的水汽减少也是华北汛期降水量又进入停滞期的原因之一(Liu et al.,2020)。

图5 1979—2016年ISPNC17的时间序列(a;水平虚线表示多年平均值,1979—1996年的实线表示年代际趋势,竖虚线表示年代际偏移点),以及ISPNC17的Mann-Kendall检验结果(b;绿点线表示后向统计秩序列,蓝点线表示前向统计秩序列;两条黑线表示置信度为95%的显著性水平)(引自Liu et al.(2020))Fig.5 (a)Time series of ISPNC17 from 1979 to 2016 (Horizontal dashed line indicates the multi-year average value,solid line from 1979 to 1996 indicates the interdecadal trend,and vertical dashed line indicates the interdecadal shift point),and (b)Mann-Kendall test results of ISPNC17 (Green dotted line shows the backward statistical rank series,and blue dotted line shows the forward statistical rank series.Two black lines show the 95% confidence level) (from Liu et al.(2020))

6 华北汛期降水多寡的年代际变化的归因

在20世纪70年代中期以前,华北汛期降水处于降水偏多阶段;70年代中期以后,华北汛期降水进入了偏少阶段(陆日宇,2002)。自此,中国东部地区形成了“南涝北旱”的降水格局(Wang and Lin,2002;Yu et al.,2004)。关于“南涝北旱”的研究很多,Hu and Fu(2007)研究认为,华北夏季的对流层变暖比中纬度其他经度地区变暖要大得多,由于纬向平均的Hadley环流的向北延伸,使得中国东部地区出现“南涝北旱”。Zhang et al.(2007)研究表明,1925—1999年,北半球副热带地区降水在减少,而且Hu and Fu(2007)认为,北半球副热带地区降水的减少可能和副热带旱区的向北扩张有关。关于“南涝北旱”的研究文献很多,宇如聪等(2008)曾对“南涝北旱”的研究进行了总结:其形成原因主要涉及季风减弱(郭其蕴等,2003;陈隆勋等,2004)、青藏高原热状况异常(朱玉祥等,2009;Zhao et al.,2010)、南亚高压的变化(毕云和钱永甫,2001;张琼和吴国雄,2001)、北太平洋年代际振荡(杨修群等,2004)、ENSO(Wu and Wang,2002;Huang et al.,2003;黄荣辉等,2003)、人为气溶胶排放(Xu,2001;Menon et al.,2002)以及大气环流异常变化(赵声蓉和宋正山,1999)。

“南涝北旱”的“北旱”,主要是指1978年后华北汛期降水量进入了严重的干旱阶段。马柱国(2007)通过计算地表湿润指数,分析了中国华北地区1951—2005年干湿变化的年代际趋势特征,结果表明,中国华北地区气候及环境干湿变化存在显著的年代际趋势和突变特征,20世纪70年代中后期至今处于一个暖而降水少的干旱时段。张庆云等(2003)也认为20世纪80年代以来华北地区降水持续偏少,干旱强度有所增加。影响华北汛期降水年代际变化的原因很多,涉及的主要因子有大范围的温度改变导致的热力梯度(严中伟等,1990a,1990b)、赤道中东太平洋海温(周连童和黄荣辉,2003)、印度洋和大西洋海温(Yang and Lau,2004;Sun and Yuan,2009;Sun et al.,2009;Wang et al.,2009)、中纬度海-气相互作用(李崇银和廖清海,1996)、位于东亚副热带高压的年代际变化(Nitta and Hu,1996)、冬季北极海冰(武炳义等,1999;刘海文等,2004)、北大西洋涛动(NAO)和北太平洋涛动(NPO)(Li and Li,1999)、季风环流减弱(Wang,2001)以及青藏高原春季积雪(朱玉祥等,2009)。除此以外,PDO(Zhang et al.,1997;Chang et al.,2000;Yang and Lau,2004)、黑炭气溶胶(Menon et al.,2002)、大尺度降水条件的改变(刘海文和丁一汇,2011b)包括水汽输送的改变(周晓霞等,2008)、东亚上空平流层底以及对流层顶变冷(Yu and Zhou,2007;宇如聪等,2008)也造成了华北汛期降水的减少。Ren et al.(2004)还发现了华北汛期降水和萨赫勒地区降水存在年代际时间尺度上的联系。魏建宁和张杰(2021)研究认为,亚非副热带西风急流入口区位置及其伴随的动能异常对中国华北盛夏年代际干旱有重要的影响。戴新刚等(2003a)从华北降水频谱变化来研究华北汛期降水的年代际变化的归因,认为华北汛期降水年代际较弱主要是年际振荡成分的衰减,且20世纪70年代后准2 a成分也逐渐减弱。

众所周知,夏季我国降水雨带的位置决定了中国东部汛期降水的多寡。早在20世纪80年代,王德瀚(1981)、查良松和邹进上(1985)都揭示出夏季在华北地区存在一条“南北”向雨带。刘海文和丁一汇(2011c)研究认为,华北夏季(7、8月)降水的年代际变化与华北雨带的年代际变化密不可分。刘海文和丁一汇(2011c)研究表明,华北汛期期间,华北地区呈现出“南北”向雨带和“东西”向两条雨带;而且,在华北汛期降水偏多阶段,中国东部地区,“北方”雨带和“南方”雨带呈“断裂”状分布,“北方”雨带和“南方”雨带之间形成一个较大范围的降水低值区;而在华北汛期降水偏多阶段,“北方”雨带和“南方”打通,“北方”雨带和“南方”雨带之间形成的降水低值区区域变小。华北雨带分布的年代际变化和东亚大气环流以及东亚夏季风的年代际变化有关(刘海文和丁一汇,2011c)。

中国主雨带以二次北跳,三次准静止的阶段性方式随季节向北推进(Ding,1992；丁一汇等,2004)。当中国主雨带处于第3个停滞期,则华北和东北进入雨季,即所谓的“七下八上”。赵平和周秀骥(2006)还研究了近40年来我国东部降水持续时间和雨带移动的年代际变化特征,认为从春末到夏季,冷位相时我国东部强降水带表现出从华南、经过长江流域向华北移动的特征,而在暖位相时强降水主要集中在长江流域,从华南向华北移动的特征不明显。李爱华和江志红等(2007)利用中国东部355站夏季逐日降水资料,研究认为中国东部夏季雨带推进强度在1966年和1979年发生明显突变,1957—1966年雨带推进偏强,而在1979—1989年雨带推进偏弱。

7 华北汛期降水的预测和数值模拟研究

范可等(2008)鉴于华北汛期降水和对流层大气有准两年振荡的特点。建立了一种通过预测汛期降水的年际增量,然后再预测华北汛期降水距平百分率的新方法,能够提高华北汛期降水预测水平,具有一定的应用价值。王革丽和杨培才(2003)使用时空序列预测分析方法,对华北旱涝进行了预测研究,表明场时间序列方法对华北地区旱涝预测有一定的能力。陈丽娟等(2019)根据影响华北汛期降水的主要因子绘制了华北汛期降水的预测模型,并且强调华北雨季降水的强弱不仅与ENSO循环的位相有关,更多受到ENSO演变速率的影响,强调了ENSO事件演化对华北汛期降水的作用和重要性。

在华北汛期降水量的数值模拟方面,吕世华和陈玉春(1999)使用美国NCAR区域气候模式RegCM2对1991和1994年我国华北夏季降水进行了气候模拟研究。模拟结果表明,该模式对华北夏季降水的主要分布特征有一定的模拟能力。李栋梁等(2003)通过数值模拟研究发现,夏季青藏高原大面积感热异常偏强时,黄河流域降水偏多;反之,华北干旱。最近,胡一阳等(2021)基于参与CMIP6高分辨率模式比较计划(HighResMIP)9个模式组的18个全球气候模式模拟数据,评估了不同分辨率气候模式对中国区域1961—2014年降水特征的模拟能力。结果表明,模式分辨率的提高确实能在一定程度上改善模式对中国降水模拟能力。

8 新的研究方向展望

华北地区是我国水资源十分贫乏的地区之一,华北出现的年代际干旱一直是气候界关心的重要研究课题。虽然关于华北汛期降水的研究和成果很多,得出的结论也很多,但是未来关于华北汛期降水的研究,仍然有以下几个方面值得关注:

1)华北汛期降水年代际变化最显著的就是7月和8月,6月年代际变化并不显著,因此建议研究华北汛期降水的年代际变化最好集中于这两个月份或者本文用客观的方法定义的华北雨季,这样对华北汛期降水多少的归因研究结果,具有较好的可比性。

2)尽管影响华北汛期降水的因素很多,但是到目前为止,学术界尚未得到统一的认识,其中的机制中既有人类活动的影响(Menon et al.,2002),也有华北汛期降水的自然变率。其中华北汛期降水年代际变化的最本质的原因是什么,仍值得大家深入研究。

3)华北汛期在1996年后出现的年代际降水停滞,对这一新现象,关注的或者研究的文章还比较少。

4)华北汛期降水的谱系分析中,为什么华北汛期降水主要是年际振荡成分的衰减,且20世纪70年代后准2 a成分也逐渐减弱(戴新刚等,2003a),以及华北汛期降水在不同年代际背景下,高频的天气振荡和准双周周期振荡表现不同,其背后的原因是什么,这方面的研究仍值得关注。

5)华北汛期降水与大气遥相关型的变化,一种是随着急流波导传播的,比如CGT型,另一种是沿着大圆路径传播的,比如欧亚型,但这两类遥相关型在影响华北汛期降水时的相互作用方面,也值得大家研究和关注。

6)华北汛期降水的预测方面,包括中国东部雨带的空间分布,对华北的汛期降水多寡起着十分重要的作用。如何提高模式对东亚夏季风年际变率和年代际变率的模拟效果,这对每年的汛期降水的预测起着至关重要的作用;另外,在预测方法上,能否将模式结果或者统计结果(包括统计降尺度方法)和现在兴起的人工智能,机器学习等方面结合在一起,用来提高华北汛期降水的预测能力,也是值得研究者去尝试和努力的方向。

综上所述,华北汛期降水的多少的变化的归因问题是个非常复杂的问题,在年际变化中又有年代际变化成分,在年代际干旱化趋势过程中又有可能出现某个年份降水的突然增加,这些问题,无论是对华北汛期降水的研究还是对华北汛期降水的预测,都带来了一定的难度。