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

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: pingf@)

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[1]. 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[4]. 对产生这种年代际变化原因, 已有了一些研究. 葛旭阳[5]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[6]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[7]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[8]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

论 文

第51卷 第1期 2006年1月

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[10]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

[12]

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

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