1961—2020年华北地区7—8月份极端降水频次趋势转折及可能原因分析❋

郭敬环, 刁一娜, 邵建红, 刘逸璋

(中国海洋大学海洋与大气学院海洋气象学系, 山东 青岛 266100)

全球变暖的背景下,天气事件的极端性变强,降水量以及降水空间分布变化较大,即使降水量减少,降水的极端性也存在增强的趋势[1-6],在全球尺度上,预计气温每增暖1 ℃,极端日降水事件将增加约7%[6]。极端降水破坏性很强,会造成严重洪涝或者地质灾害[7-8],且华北地区是中国农业主产区,人口密集,极端降水会影响作物生产和人们的生活,所以了解极端降水的变化特征对防洪减灾以及保障人身财产安全有重要意义。

夏季的降水量变化与极端降水量关系密切[9],并且极端降水频率对极端降水趋势起主导作用[10]。前人研究表明,华北地区夏季降水整体呈现减少的趋势[11-15]。Ding等[16]和吕俊梅等[17]研究指出,1970年代末华北地区夏季降水量发生减少的突变,极端降水量和降水日数在1990年之后减少[18],持续性极端暴雨事件有同样的特征[19-20]。但也有研究认为,华北地区夏季降水量总体呈下降趋势,但极端降水天气发生的次数并没有减少,强度也呈增加趋势[21-22],所以华北地区夏季降水可能存在突变或者年代际的变化。对于华北地区夏季降水在1970年代末存在突变是比较明确的,而之后是否存在突变还比较模糊,并且极端降水是不是有同样的变化,是否一直处于减少趋势,还有待研究。

华北地区夏季降水受到东亚夏季风、西太平洋副热带高压(西太副高)脊线位置的影响,季风强、西太副高偏北会通过影响水汽输送使华北地区降水偏多[23-26],并且冬春季青藏高原积雪和夏季西太平洋海温会通过东亚夏季风影响华北地区降水[18-27]。太平洋和印度洋的海温可以通过影响东亚夏季风、西北太平洋异常反气旋和遥相关波列来影响华北地区降水,如太平洋年代际振荡(Pacific decadal oscillation, PDO)[17-28]和厄尔尼诺-南方涛动(El Nio-southern oscillation, ENSO)[29-31]可以通过太平洋-日本(Pacific-Japan, PJ)遥相关影响华北地区夏季降水。可以作为背景要素的北极海冰,其年代际变化可以通过环流和静止Rossby波影响中国东部降水的年代际转变[17]。Guo等[32]研究表明,春季北极海冰异常会通过环流影响北太平洋海温并且可以持续到夏季,最终影响东亚夏季风和东亚降水,在不同时期影响华北地区夏季降水与海冰面积的相关性是否一致还有待研究。

前人主要通过滑动t检验来研究降水量和频次的突变特征[16-17],关注均值变化,本文更关注趋势变化,探究华北地区的区域性极端降水频次是否不只有减少而存在增多现象,以及趋势转折原因。

1 数据与方法

1.1 数据

本文使用数据包括:(1)中国地面气候资料日值数据集(V3.0)699个基准站逐日降水资料,为了保证数据的连续性和完整性,保留其中659个站点数据,华北地区在地理范围与气象地理范围划分不太一致,本文的华北地区指34.5°N—44°N,110°E—123°E区域,其中包括130个基准站;(2)美国国家环境预测中心/国家大气研究中心(National Center for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research, NCEP/NCAR)日平均和月平均的再分析资料,包括地面气压场、垂直17层的位势高度场、风分量(u、v)场、比湿场,空间分辨率为2.5°×2.5°[33];(3)英国Hadley中心月平均海冰密集度资料(HadISST SIC),空间分辨率为1.0°×1.0°[34];(4)国家气候中心西太平洋副热带高压脊线位置和西伸脊点位置的逐月资料。本文所用数据的时间范围为1961—2020年,气候态为1961—2020年60 a的平均值,异常值均去除60 a长期趋势。

1.2 方法

极端降水阈值采用百分位法[1]确定,将1961—2020年7—8月份所有湿日(至少有0.1 mm降水)从小到大排序,选取第95个百分位的值作为阈值,超过这一阈值就称为极端降水。根据标准化极端降水天数进行经验正交函数(Empirical orthogonal functions, EOF)分解后的空间分布,确定选取区域性极端降水(Regional extreme precipitation, REP)事件的代表站点。代表站点中至少30%日降水量达到1 mm,至少10%日降水量达到极端降水阈值,则称为REP发生。REP事件包括单日和连续REP(允许有间断),事件之间至少间隔7 d,否则视为一个REP事件(参考Xu等[35]关于REP事件的定义)。

东亚夏季风指数采用施能[36]的定义,即20°N—50°N范围内,110°E、160°E纬向标准化海平面气压差的和,再次进行标准化的序列。西太副高指数定义为标准化后西太副高脊线位置与西伸脊点位置差值的再次标准化序列。中纬度西风急流指数定义为35°N—45°N,30°E—150°E区域200 hPa纬向风最大值的标准化序列。北极海冰范围指数定义为北半球海冰范围(海冰浓度至少为15%)标准化序列。以上指数所用数据均为1961—2020年7—8月平均值。

本文采取滑动斜率差异t检验[37]对1961—2020年华北地区7—8月份的区域性极端降水天数进行趋势划分,该方法可以更好地识别趋势的转折信号,包括同号但斜率数值差异较大的转折,并可以关注我们感兴趣的尺度。本文将时间尺度设定为11 a,以探寻年代际尺度上的趋势变化。本文还采用合成分析、相关分析、显著性t检验研究REP相关环流和影响因子,利用Takaya and Nakamura[38]定义的波作用通量分析其传播过程。

2 华北地区7—8月份极端降水天数变化特征

华北地区的降水主要集中在7—8月份,尤其是极端降水[19-39],所以本文夏季指7—8月份。对于极端降水的定义主要分为绝对阈值和相对阈值,我国通常把日降水量超过50 mm降水称为暴雨,超过25 mm称为大雨,在北方大雨和暴雨都可以称为强降水。考虑到降水的区域性,本文采用相对阈值的百分位法定义极端降水。对通过百分位法算取的夏季极端降水天数标准化处理之后进行EOF分解,其第一模态的方差贡献为13.78%,空间分布(见图1(a))基本同为正号,尤其是36°N—42°N范围内,说明华北地区的夏季极端降水天数变化基本具有空间一致性,为我们研究区域极端降水提供支持。

((a)中大圆点表示选取REP事件代表站点;(b)中绿色数字表示相关系数通过1%显著性水平。(a) Large dots indicate representative stations selected for REP events; (b) Green data represents the correlation coefficients significant at the 1% significance level.)图1 (a)1961—2020年华北地区7—8月份极端降水天数EOF第一模态空间分布及(b)对应时间系数(黑色实线)和REP天数(红色实线)的标准化序列及两者的不同时段线性趋势(虚线)Fig.1 (a) The first EOF of July-August extreme precipitation days from 1961 to 2020 in North China and (b) the standardized series corresponding principal components (PC1, black solid line), REP days (red solid line) and their linear trend (dashed line)

由于EOF空间分布载荷量越大,信息越集中,一致性越强,所以我们选取空间分布大于0.3的站点(见图1(a)中大圆点)作为选取REP事件的代表站点,共68个,并根据1.2节方法选取出REP天数以及REP事件。发现REP天数与华北地区夏季极端降水天数EOF分解后第一模态对应的时间序列(EOF-PC1)相关系数可以达到0.85(见图1(b)),通过1%显著性水平,说明华北地区夏季极端降水天数EOF第一模态基本可以代表REP天数特征,下文将EOF-PC1的标准化序列作为华北地区夏季REP频次指数。

2.1 时间变化特征

为了解华北地区夏季极端降水天数EOF-PC1和REP天数时间变化特征,对两个序列采用11 a时间尺度的滑动斜率差异t检验,分析了其趋势和转折情况,如图1(b)所示,存在1986、1995和2003年三个显著的趋势转折点(通过10%显著性水平)。华北地区夏季REP天数在1961—1985年(P1)和1995—2002年(P3)两个时间段内存在减少趋势,在1986—1994年(P2)、2003—2020年(P4)两个间段内有增多趋势,除了P2由于斜率较大、时间较短且方差较大没有通过显著性检验之外,其余时段趋势均通过10%显著性水平。所以华北地区夏季极端降水天数并不是一直处于减少的状态,反而在近些年来有增多的趋势,这与何佳和牛玉梅[21]以及李建平等[22]研究结果一致。而且P3时期华北地区7—8月份REP天数的显著减少趋势与Tu等[40]研究采用十年滑动t检验发现的华北地区夏季极端降水日数在20世纪90年代末显著变少表现一致,但本文其他趋势转折与该研究并不相同。

2.2 空间变化特征

为了更直观地表现华北地区7—8月份极端降水天数变化的空间分布,图2给出了各站点不同时段REP天数的线性趋势。从图中可以发现,在P1、P3(见图2(a)、(c))大部分站点为减少趋势,P2、P4(见图2(b)、(d))表现出增多趋势,并且P2、P3中斜率大于P1、P4,这与图1(b)表现一致,而各时期趋势变化的站点位置有所不同。P1(见图2(a))中REP天数减少趋势站点主要集中在41°N以南、117°E以西的华北地区,而P3(见图2(c))中的站点分布更广,遍布整个华北地区。增加趋势的两个阶段中站点分布也比较广泛,P2(见图2(b))时期REP天数增加趋势站点主要在京津冀地区和37°N以南的华北地区,P4(见图2(d))时期主要分布在110°E—114°E和116°E—121°E的华北地区,并且这两个时期山东地区REP天数都有显著增多趋势,而在另两个时期的减少趋势较小,所以总体来说有增加趋势。

(大圆点表示通过10%显著性水平。Large dots indicate through the 10% significance level.)图2 不同时段华北地区7—8月份REP天数线性趋势(填色,单位:d/a)的空间分布Fig.2 Spatial distribution of linear trend of July—August REP days (shading, Unit: d/a) for different periods in North China

3 与区域极端降水事件有关的水汽输送和环流条件

3.1 水汽输送与环流分布特征

如上文所述,华北地区夏季REP天数在不同时段变化趋势不同,那么其水汽输送和环流条件是否会发生相应变化呢?本文将选取出来的REP事件发生第一天REP的时间作为lag0天进行合成分析,查看其环流特征以及差异,每个时段分别有48、14、16、31个REP事件。

图3显示了不同时段华北地区夏季REP事件发生时的整层水汽通量异常及其散度合成情况,四个时段内REP事件发生时整层水汽输送至华北地区并在此辐合,在P1、P3(见图3(a)、(c))两个REP天数减少时期,在华北地区内的异常水汽输送为南-北向,水汽通量辐合大值区主要位于38°N—48°N、114°E—125°E范围;而P2、P4(见图3(b)、(d))两个REP天数增多时期华北地区内的异常水汽输送为西南-东北走向,水汽通量辐合大值区扩大并且南移,38°N以南的华北地区辐合增强,所以该区域REP天数增多(见图2(b)、(d))。

(黑色矢量和网格分别表示水汽通量和水汽通量散度合成通过10%显著性水平,红色线和绿色线分别为500 hPa合成的5 880 m等高线和气候态5 880 m等高线,灰色框为本文研究的华北地区。The black vector and grid indicate the water vapor flux and its divergence anomalies through the 10% significance level, respectively. The red and green lines indicate the 500 hPa composite 5 880 m contour and the climatic state 5 880 m contour. Gray boxes are North China region of this study.)图3 REP事件(lag0天)整层(地面至300 hPa)水汽通量输送(矢量,单位:(m/s)/(g/kg))及其散度异常(填色,单位:g/(m2·s))在不同时段的合成场Fig.3 Composite of vertically integrated (surface to 300 hPa) water vapor flux transport (vector, unit: (m/s)/(g/kg)) and its divergence anomalies (shading, Unit: g/(m2·s)) for REP events (lag0 day) at different periods

P1、P2(见图3(a)、(b))时期的异常水汽输送主要来自印度洋和西北太平洋,而P3、P4(见图3(c)、(d))主要来自西北太平洋,这可能是东亚夏季风减弱、西太副高增强的结果。由图3中气候态以及REP事件合成的5 880 m线也可以发现,P1时期REP事件发生时西太副高很弱,而在后三个时段西太副高西伸北抬,有利于西北太平洋向华北地区输送水汽,对REP事件的影响变大。

为定量表现不同时期华北地区极端降水的水汽情况,图4给出了每个时段7—8月季节水汽通量散度和其中与REP有关水汽通量散度的变化趋势。发现在P2、P4时期,与REP相关的水汽通量散度减小,即辐合增强,且P2时期比P4时期的斜率大,这与REP天数增多表现一致;P3时期,与REP相关的水汽通量散度显著增大,辐合减小,不利于REP的形成;P1时期的REP水汽通量散度基本不变,这可能是由于尽管REP天数减少,但是发生的降水强,所以水汽辐合依旧很强造成的。此外该时段7—8月总的水汽通量散度有显著的增大趋势,为0.024 g·(m2·s)-1/a,这是东亚夏季风减弱的表现,不利于水汽向华北地区输送,所以在P1阶段REP天数减少,并且发现季节水汽通量散度一直处于增加趋势,这与东亚夏季风持续减弱有关。

(三角形表示趋势通过10%显著性水平。Triangle indicates trend through the 10% significance level.)图4 不同时段7—8月(绿色)以及其中与REP有关(蓝色)的总水汽通量散度的线性趋势Fig.4 Linear trend of total divergence of moisture flux in July—August (green) and among them in relation to REP(blue) at different periods

在高空200 hPa位势高度异常环流合成(见图5)中可以发现,REP事件发生时中国东北部至朝鲜半岛上空(35°N—50°N、110°E—130°E)有异常高压(东北高压)存在,并且该高压在200 hPa层最强(图未显示),其西侧存在低压中心,在高压西侧和低压东侧地区有利于形成偏北风,使得低纬度的水汽向华北地区输送(见图3),并在后三个时期可以配合西太副高,形成接力作用,将来自印度洋-西北太平洋的水汽输送至华北地区,并产生上升运动,形成降水[41]。

(绿色框为本文研究的华北地区。Green boxes are North China region of this study.)图5 不同时段7—8月REP事件lag0天200 hPa位势高度异常(黑色等值线,单位:m,间隔20 m,填色为通过10%显著性水平)和纬向风(灰色等值线,只画了20和30 m两条等值线)的合成场Fig.5 Composite 200 hPa geopotential height anomaly (black contour, Unit: m, 20 m interval,Shading indicates through the 10% significance level) and zonal wind (gray contour, only mark the lines of 20 and 30 m) for the July—August REP events lag0 day at different periods

REP天数增多时期与减少时期相比,东北高压位置偏南,这与P2、P4时期华北南部REP天数呈现增多趋势相对应(见图2(b)、(d))。此外,欧亚大陆高纬度对流层高层活动中心振幅增强。P1、P3(见图5(a)、(c))时期活动中心主要沿中纬度西风急流呈纬向型分布,在中亚地区存在类似于Lu等[42]提出的丝绸之路波列(Silk Road pattern, SRP);P2、P4(见图5(b)、(d))东北高压位置偏南,与其西侧低压中心配合使水汽自西南向东北输送(见图3(b)、(d)),并向高纬度活动中心发展。此外,P2(见图5(b))时期中纬度西风急流最强,所以沿急流分布的纬向活动中心也强,而P4(见图5(d))时期急流弱,尤其是里海附近,其上空活动中心也弱,东北高压上游的活动中心主要分布在高纬度,这可能是急流减弱之后建立的能量传播新路径。

3.2 逐日环流演变

图5发现华北地区REP事件发生时对流层高层伴随着东北高压而存在,所以我们通过REP事件发生时的200 hPa逐日环流演变来探究不同时段此异常高压的形成过程。

P1(见图6)时期REP事件发生之前,波活动通量自地中海附近进入亚洲地区,沿中纬度西风急流传播,其波源似乎位于更上游的位置,东北高压的出现是类似于SRP活动中心发展的过程。lag-6天自地中海向东传播的波活动通量使得中亚地区活动中心发展,80°E和日本海地区存在异常高压中心。lag-4天80°E异常高压中心减弱,50°N、90°E异常低压中心增强,原本位于日本海附近的异常高压西退至我国东北地区并在lag-2天增强。lag-2天位于90°E的异常低压中心向南延伸,里海至日本的中亚地区形成类似于SRP的“正-负-正”波列。lag0天时其他活动中心很弱,东北高压达到最强。虽然东北高压发展期间北欧附近有异常高压出现,但没有波作用能量的传输,所以该高压并不影响东北高压的发展。

图6 1961—1985年7—8月REP事件lag-6、lag-4、lag-2和lag0天200 hPa位势高度异常(黑色等值线,单位:m,间隔10 m,填色为通过10%显著性水平)和波作用通量(绿色矢量,单位:m2/s2,只显示通过10%显著性水平)的合成场Fig.6 Composite 200 hPa geopotential height anomaly (black contour, Unit: m, 10 m interval, Shading indicates through the 10% significance level) and wave-activity flux (green vector, Unit: m2/s2, Shown only through the 10% significance level) on lag-6, lag-4, lag-2, and lag0 of the July—August REP events from 1961 to 1985

P2(见图7)时期中纬度西风急流(图中未显示)较P1(见图6)增强,位于其上的活动中心也较强,并且在乌拉尔山附近(55°N—75°N、50°E—90°E)出现异常高压。在lag-6天波活动通量自西欧分为两支,一支自黑海附近进入中纬度西风急流向东传输,使里海至朝鲜半岛地区形成类似SRP的“正-负-正”波列;另一支进入高纬度地区,促进乌拉尔山附近异常高压的发展并在lag-4天达到最强,并且该高压也会向中纬度传输波活动通量。lag-4天之后40°N、70°E附近异常高压逐渐消失,乌拉尔山异常高压占据主导,lag-2天我国黄河中游地区出现异常高压中心,随着波活动通量的下传逐步增强且东移,在lag0天移动到120°E并发展最强,形成东北高压。

图7 1986—1994年7—8月REP事件lag-6、lag-4、lag-2和lag0天200 hPa位势高度异常(黑色等值线,单位:m,间隔20 m,填色为通过10%显著性水平)和波作用通量(绿色矢量,单位:m2/s2,只显示通过10%显著性水平)的合成场Fig.7 Composite 200 hPa geopotential height anomaly (black contour, Unit: m, 20 m interval, Shading indicates through the 10% significance level) and wave-activity flux (green vector, Unit: m2/s2, Shown only through the 10% significance level) on lag-6, lag-4, lag-2, and lag0 of the July—August REP events from 1986 to 1994

P3(见图8)时期东北高压的发展过程与P1(见图6)相似,都是沿中纬度西风急流传输的波活动通量所致,该时段急流较弱(图中未显示)。在lag-6天来自大西洋的波活动通量使60°E附近出现异常高压中心,lag-4天100°E附近出现异常低压中心。在lag-2天北大西洋异常高压中心达到最强,使得由该异常高压向地中海输送的波活动通量增多,进入中纬度西风急流波导,中亚地区活动中心发展更强,黄河中下游出现异常高压中心,里海至朝鲜半岛形成“正-负-正”类SRP波列。在lag0天类SRP波列东移,其中左侧两个的活动中心减弱,120°E附近异常高压发展到最强,为东北高压。

图8 1995—2002年7—8月REP事件lag-6、lag-4、lag-2和lag0天200 hPa位势高度异常(黑色等值线,单位:m,间隔20 m,填色为通过10%显著性水平)和波作用通量(绿色矢量,单位:m2/s2,只显示通过10%显著性水平)的合成场Fig.8 Composite 200 hPa geopotential height anomaly (black contour, Unit: m, 20 m interval, Shading indicates through the 10% significance level) and wave-activity flux (green vector, Unit: m2/s2, Shown only through the 10% significance level) on lag-6, lag-4, lag-2, and lag0 of the July—August REP events from 1995 to 2002

P4(见图9)时期中纬度西风急流弱,尤其是地中海-里海附近(图中未显示),所以自地中海进入中亚地区的波活动通量减少,导致急流波导上的活动中心弱,东北高压发展过程中并未出现类似于SRP的波列。从lag-6天开始自大西洋向欧洲高纬度地区传输的波活动通量促使60°E附近异常高压发展并逐渐增强,并在lag-2天范围扩大,位于30°E—90°E,该异常高压向下游输送波作用通量增多,110°E附近异常高压发展,使得lag-4天出现在100°E附近的异常高压中心逐渐增强并且东移到黄河中下游,在lag0天移动到东北地区并达到最强形成东北高压。

图9 2003—2020年7—8月REP事件lag-6、lag-4、lag-2和lag0天200 hPa位势高度异常(黑色等值线,单位:m,间隔20 m,填色为通过10%显著性水平)和波作用通量(绿色矢量,单位:m2/s2,只显示通过10%显著性水平)的合成场Fig.9 Composite 200 hPa geopotential height anomaly (black contour, Unit: m, 20 m interval, Shading indicates through the 10% significance level) and wave-activity flux (green vector, Unit: m2/s2, Shown only through the 10% significance level) on lag-6, lag-4, lag-2, and lag0 of the July—August REP events from 2003 to 2020

P1、P3(见图6、8)时期东北高压形成和发展是沿着中纬度西风急流传播的波作用通量的结果,类似于SRP活动中心的发展过程,与高纬度没有关系,而P3时期中纬度西风急流较弱,不利于东北高压的形成。在P2、P4(见图7、9)时期,东北高压的发展过程中高纬度活动中心增强并发挥作用,并且P2时段中纬度西风急流也很强,所以波活动通量沿着中纬度西风急流和高纬度活动中心两支路径传输,有利于东北高压的发展,而P4时期由于中纬度西风急流弱,波作用通量主要沿高纬度活动中心传输,在P3时期西风急流减弱之后建立新的波作用通量传播路径,有利于东北高压的发展,这一路径的建立也可能是华北地区夏季REP天数增多的原因。

3.3 季节环流

为了解有利于华北地区夏季REP发生的背景环流是否与REP事件发生时的环流一致,图10给出了不同时期7—8月平均200 hPa位势高度回归到华北地区7—8月份极端降水天数EOF-PC1的环流分布。从图中可以发现四个时段东北高压都存在,但在两个REP天数减少趋势阶段(见图10(a)、(c))该高压较弱,中纬度西风急流上的纬向型波列显著,与欧亚高纬度地区活动中心关系不大,在中亚地区存在类似于SRP的波列,但P3时期东北高压位置较REP事件合成(见图5(c))偏南;而在REP天数增多的两个时期(见图10(b)、(d)),东北高压强,并且高纬度活动中心增强。在P2阶段,中纬度和高纬度活动中心都较强,而P4时期中纬度西风急流弱,不利于波作用通量沿中纬度传播,所以与高纬度活动中心的关系更加显著。中纬度西风急流在后两个时期较之前减弱,尤其在里海附近,与REP事件合成(见图5)结果一致。

(填色表示通过10%显著性水平,浅灰色和深灰色等值线为纬向风均值(分别表示20、30 m/s),绿色框为本文研究的华北区域。The shading indicates through the 10% significance level; The light and dark gray contours are the zonal wind averages (indicating 20 and 30 m/s); The green boxes are North China region of this study.)图10 四个时期中7—8月份200 hPa 位势高度异常(等值线,单位:m)回归到华北地区7—8月极端降水天数EOF-PC1Fig.10 The 200 hPa geopotential height anomaly (contour, Unit: m) in July—Augustregressed to the July—August extreme precipitation days EOF-PC1 in North China at the four periods

4 不同时段华北地区7—8月份区域极端降水天数年际变化的可能原因

东亚夏季风和西太副高的强弱会通过影响水汽输送来影响华北地区夏季降水[23-26],在REP事件发生时可以发现自南向北的水汽通量输送并且西太副高的强度也有所变化(见图3),在对流层高层的环流合成图(见图5)中发现前三个时段中纬度高空西风急流波导上会出现类似于SRP的波列,促使东北高压的形成和发展,并且不同时段急流强度不同,所以我们计算了东亚夏季风、西太副高、中纬度西风急流指数(见图11),并得到了各指数在不同时段对华北地区7—8月份极端降水天数EOF-PC1的解释方差以及指数的趋势(见图12)。

(数字为不同时段各指数与EOF-PC1的相关系数(去除长期趋势),绿色数字表示通过10%显著性水平。The numbers are the correlation coefficients between each index and EOF-PC1 at different periods (long term trend removed); Green numbers indicate through the 10% significance level.)图11 华北地区7—8月份极端降水天数EOF-PC1(黑色)、东亚夏季风(EASM,红色)、西太平洋副热带高压(WPSH,蓝色)、中纬度西风急流(WJS,紫色)和北极海冰范围(SIE,橘色)指数标准化后序列Fig.11 Normalized series of July—August extreme precipitation days EOF-PC1 in North China (black), East Asian summer monsoon (EASM, red), western Pacific subtropical high (WPSH, blue), mid-latitude westerly jet stream (WJS, purple) and Arctic sea ice extent (SIE, orange) indices

(EASM:东亚夏季风;WPSH:西太平洋副热带高压;WJS:中纬度西风急流;SIE:北极海冰范围。三角形表示趋势通过10%显著性水平。EASM: East Asian summer monsoon; WPSH: western Pacific subtropical high; WJS: mid-latitude westerly jet stream; SIE: Arctic sea ice extent. Red indicates a positive trend; Blue indicates a negative trend and triangle indicates the trend through the 10% significance level.)图12 不同时段图11中各指数对华北地区7—8月份极端降水天数EOF-PC1的解释方差(绿色)及指数的趋势Fig.12 Explained variance (green) of each index for the July—August extreme precipitation days EOF-PC1 in North China at different periods and the trend of each index in fig.11

由图11发现,华北地区7—8月份极端降水天数EOF-PC1与东亚夏季风除却P3时期没有通过显著性水平之外,相关性一直较好,但东亚夏季风长期来看处于减小趋势[16-18],与西太副高的相关性逐渐增强,且该指数长期来看有增大趋势[18],和图3的REP事件合成结果一致;与中纬度西风急流在前两个时期相关性较好,之后减弱。

东亚夏季风和中纬度西风急流在P1、P2(见图12(a)、(b))时期对华北地区7—8月份极端降水频次的解释方差较大。P1(见图12(a))东北高压依赖于沿急流传输的波作用通量发展,但该指数变化小,而该时期东亚夏季风显著减弱,不利于向华北地区输送水汽达到极端降水条件,使得REP天数减少。P2(见图12(b))东亚夏季风和西太副高均有较弱的增强趋势,有利于水汽输送,并且与东北高压发展关系密切的中纬度西风急流显著增强,有利于华北地区REP天数的增多。P3(见图12(c))时期东亚夏季风减小,不利于水汽向华北输送,并且中纬度西风急流减小,不利于东北高压的发展,共同作用下使得REP天数减少。P4(见图12(d))时期东亚夏季风和西太副高对华北地区7—8月份极端降水频次的解释方差较大,虽然西太副高的增大趋势不显著,但在该时期的均值显著大于之前(图未显示),结合图3发现,西太副高对华北地区REP天数的影响增强,保证了在东亚夏季风减弱之后向华北地区的水汽输送,有利于REP天数的增多。

由于在P4时期东北高压的发展与高纬度活动中心联系紧密,所以我们还添加了北极海冰范围指数(见图11、12),查看高纬度对华北地区7—8月份极端降水频次的影响,华北地区7—8月份极端降水天数EOF-PC1与北极海冰范围指数在前两个时期关系不大,而在后两个时期相关性显著增强(见图11),两者相关性的变化可能是随着气候增暖,北极海冰减少,其对中纬度天气气候的影响越来越强的结果[43]。在P3时期北极海冰范围指数对华北地区7—8月份极端降水天数的解释方差很大,但是该时期东北高压的发展主要依赖于中纬度西风急流上波活动通量的下传(见图8),与高纬度活动中心关系不大,那么北极海冰是否会通过影响急流或者其他因素来影响华北地区7—8月份极端降水频次有待后续研究。P4时期北极海冰范围对华北地区7—8月份极端降水频次的解释方差较大,北极海冰范围的减小可能在中纬度西风急流减弱之后建立新的波活动通量传播路径(见图9),通过影响欧亚高纬度活动中心来影响东北高压的发展,有利于REP天数的增多。

5 讨论

华北地区极端降水的长时间研究显示,华北地区夏季极端降水呈现减少或者趋势不明显的现象,但是有可能存在突变,比如李建平等[22]研究表明,近十年华北地区夏季极端降水呈现增加趋势。华北地区夏季的降水主要集中在7—8月份,所以本文将7—8月份称为夏季,探究了华北夏季区域极端降水(REP)天数的趋势突变及不同时段环流特征和年际变化的可能原因。

对于华北地区7—8月份极端降水天数EOF-PC1以及选取出的REP天数进行11年尺度滑动斜率差异t检验,发现存在1986、1995和2003年三个突变点,并在1961—1985年(P1)和1995—2002年(P3)时段呈现减少趋势,1986—1994年(P2)和2003—2020年(P4)时段呈现增多趋势。P1、P3中REP天数减少趋势站点主要集中117°E以西的华北地区,P2、P4中REP天数增加的站点主要分布在京津冀地区和37°N以南的华北地区,并且P3、P4时期较P1、P2时期站点分布更广。

REP事件发生时,均有低纬度水汽向华北地区输送并产生辐合,且东北至朝鲜半岛(35°N—50°N、110°E—130°E)在对流层高层有异常高压(东北高压)存在。P1、P3时期异常水汽输送在华北地区为自南向北走向,水汽辐合区主要位于38°N—48°N、114°E—125°E,而在P2、P4时期异常水汽通量为西南-东北走向,辐合范围扩大并且南移,38°N以南的华北地区辐合增强,与对流层高层活动中心位置有关。在P1、P2时期异常水汽来自印度洋和西北太平洋,而在P3、P4时期东亚夏季风减弱、西太副高增强的作用下,只剩下来自西北太平洋的异常水汽通道。在两个REP天数减少时期(P1、P3)东北高压的发展主要依靠沿中纬度西风急流传输的波作用通量形成类似SRP的纬向型波列,而在两个REP天数增多时期(P2、P4)东北高压偏南,并且在季节背景上该高压较强,P2时期促使东北高压发展波活动通量来自中纬度西风急流和高纬度活动中心两支传播路径,而P4时期由于急流很弱,波活动通量主要沿高纬度传播。

东亚夏季风对华北地区7—8月份极端降水频次的影响一直较大,西太副高和北极海冰范围对其影响逐渐增强,而中纬度西风急流对其影响逐渐减弱。东亚夏季风和中纬度西风急流在P1、P2时期对华北地区7—8月份极端降水频次的解释方差较大,P1时期REP天数减少主要是东亚夏季风显著减弱不利于水汽向华北地区输送的结果,P2时期REP天数增多是因为中纬度西风急流的显著增强,有利于东北高压的发展;P3时期REP天数的减少是东亚夏季风减小和中纬度西风急流减弱共同作用所导致的;在P4时期东亚夏季风、西太副高和北极海冰范围对华北地区7—8月份极端降水频次的解释方差较大,西太副高的增强保证了东亚夏季风减弱之后向华北地区的水汽输送,并且北极海冰范围的减小可能通过影响高纬度活动中心,在中纬度西风急流减弱之后建立起由高纬度向华北地区传输的波活动通量新路径,两者共同作用使得REP天数增多。

6 结语

本文主要明确了华北地区7—8月份REP天数的趋势突变,确定不同时段REP事件发生的水汽输送和环流分布特征,并发现影响因子在不同时段的重要性不同。在P3和P4时期北极海冰范围指数对华北地区7—8月份REP天数的解释方差较大,但是在P3时期东北高压的发展与高纬度活动中心关系不大,北极海冰对东亚气候的影响有多条路径[44],是怎样影响华北地区7—8月份REP频次还有待研究,并且其变化是否还受到其他因子的影响,如ENSO、大西洋海温[45-47]等,还有待讨论,且预报因子还有待探寻,本文所发现的2003年之后新波活动通量传播路径建立的机制还有待确定。