不同年代際背景下1963年和1996年華北盛夏降水及其原因的對比分析

龐慶兵, 顧建峰, 張智超, 劉海文,4

(1.成都信息工程學院大氣科學學院,四川成都610225;2.中國氣象局預報司,北京100081;3.中國民用航空華東地區空中交通管理局福建分局,福建福州350200,4.重慶市氣象局,重慶401147)

0 引言

針對特殊年份或者不同年代際背景下的天氣氣候的研究一直就有。比如,張慶云等[1]研究分析了1998年夏嫩江松花江流域持續性暴雨的環流條件及其演變特征。毛江玉和吳國雄[2]研究了1991年梅雨期間江淮洪澇區降水的季節內振蕩及其環流特征,著重考察了不同層次副熱帶高壓的低頻變化與降水的關系。孫安健等[3]利用觀測資料分析了1983與1985年夏季北半球500hPa高度場大氣低頻波的振蕩特征。丁一匯和馬曉青[4]對2004年12月22日～2005年1月1日的強寒潮事件進行等熵位渦分析。孫建華等[5]、張慶云等[6]分別對2003年中國天氣的氣候異常進行了研究。Li等[7]分析了2006年夏季發生在中國西南地區的嚴重干旱特征及其大氣環流異常。丁一匯等[8]研究了2008年1月中國南方罕見低溫雨雪冰凍災害發生的原因及其與氣候變暖的關系。龐子琴和郭品文[9]研究了不同年代際背景下北極濤動與冬季中國東北氣溫年際異常關系的變化情況。Wu和Wang[10]對比分析了1962～1977年和1978～1993年東亞夏季風與ENSO的關系。這些研究表明,針對特殊年份或者不同年代際背景下的年份的天氣、氣候的對比分析研究顯得非常重要。

關于1963年和1996年華北夏季降水,大都是針對暴雨研究。比如,1963年8月上旬河北省停滯性低氣壓暴雨,給人民的生命財產帶來了損失[11];馮伍虎等[12]和孫建華等[13]都對發生在1996年中國河南、山西、河北等省的一次特大暴雨過程進行了分析研究。圖1給出了1951～2011年華北盛夏降水的標準化時間序,可見60多年來,華北盛夏降水有明顯的一個下降趨勢,而且存在著鮮明的年際和年代際變化特征[14-16]。在年代際尺度上,有研究表明,以1970年末期為界,在之前華北夏季降水處于異常偏多階段,在之后華北夏季降水處于降水異常偏少階段[14-20]。1963年的華北盛夏降水為60余年來降水的最大值,伴隨著東亞夏季風在20世紀70年代際末期的年代際減弱,華北盛夏降水出現了明顯的減少趨勢。而1996年華北盛夏降水又出現了一個降水極大值。因此,選取1963年和1996年這兩個處于不同的年代際背景下的華北盛夏降水的強降水年來進行對比分析。分析和研究不同的年代際背景場對華北盛夏降水調制作用的異同,這對加深認識華北盛夏降水規律的認識,顯然具有非常重要的科學意義。

圖1 1951～2011年華北盛夏降水的準化時間序列

1 資料和方法

所用資料包括:

(1)中國氣象局國家氣象信息中心提供的中國160站逐月降水資料,時間跨度為1951～2011年。

(2)1958～2002年ECWMF全球2.5°×2.5°逐月 500hPa高度場、850hPa風場、海平面氣壓場、比濕場等資料。

文中的華北盛夏指的是7、8兩個月。根據劉海文和丁一匯[21]對華北區域范圍的研究,定義35°N～43°N,110°E～120°E的區域作為華北研究范圍。

其中,從地面到300 hPa垂直積分的水汽通量計算[22]:緯向水汽通量:

經向水汽通量:

文中還使用了合成分析,統計t檢驗等方法。

2 1963年和1996年中國東部盛夏降水的差別

為了研究1963年和1996年華北盛夏降水的空間分布的異同。圖2分別給出了1963年、1996年華北盛夏期間的中國160站降水與1951～2011年平均的差值分布。由圖2(a)可見,對處于華北盛夏降水偏多階段的1963年而言,中國東部降水呈顯著的“北澇南旱”異常型分布。異常偏多的降水中心主要位于山西中南部,距平0線大致沿長江中下游流域,長江以南地區為降水負距平,這樣的降水異常分布是和華北盛夏降水處以偏多階段時,中國東部地區處于“北澇南旱”[23-25]的年代際背景是相一致的。而在圖2(b)中,對于華北盛夏降水處于異常偏少階段的1996年,整個中國東部降水的絕大部分地區都異常偏多,通過顯著性檢驗的區域仍然位于山西省境內,但是和圖2(a)相比較,其位置略偏北。從淮河流域到中國長江以南的地區的降水都異常偏多,盡管這些區域沒有通過顯著性水平信度檢驗。

圖2 1963年、1996年華北盛夏期間的中國160站降水與1951～2011年平均的差值分布(單位:mm/月)(陰影區域通過了0.05的顯著性水平檢驗;矩形方框表示華北地區)

綜上所述,1963年和1996年中國東部地區夏季降水異常分布有明顯的年代際背景信號。在1963年,中國東部地區降水呈現出明顯的年代際背景特征,即“北澇南旱”;但是對于1996年而言,華北盛夏降水的年代際背景處于異常偏少階段,盡管中國東部地區降水并沒有出現“南澇北旱”[26-27]的年代際背景特征,但是“南澇”的年代際背景特征還是有所顯示。

3 影響1963年和1996年華北盛夏降水的大氣環流

圖3分別給出了1963年和1996年華北盛夏期間500hPa高度場與1958～2002年氣候平均的差值分布。由圖3a可見,對于1963年而言,從北到南,在歐亞大陸中國東部地區,500hPa位勢高度場為異常的“北高南低”型分布。在貝加爾湖東北側有一正距平中心,且通過了0.1的顯著性水平檢驗;黃河以南地區為負距平,臺灣島以東為正距平,表明1963年副熱帶高壓異常偏強,而副熱帶高壓的異常偏強有利于華北盛夏降水的異常偏多[28-29]。

而在圖3(b)中,對于1996年而言,從北到南,整個中國東部地區為異常的“西高東低”型分布。貝加爾湖附近存在兩個異常的正距平中心,在中國南方地區、上海出口處和臺灣島以東地區存在3個異常低值中心。華北盛夏雨量主要取決于1～2場暴雨[30]。研究表明,1996年8月初發生在河北和山西的特大暴雨過程主要是由于“9608”號臺風登陸北上引起的[13]。所以在圖3(b)中,在中國南方地區、上海出口處和臺灣島以東地區分別存在的3個低值中心,可能與“9608”號臺風有關。

圖3 1963年、1996年華北盛夏期間的500hPa高度場與1958～2002年氣候平均的差值分布(單位:gpm)(陰影區域通過0.1的顯著性水平檢驗)

圖4 1963年、1996年華北盛夏期間的850hPa高度場與1958～2002年氣候平均的差值分布(單位:m/s)(陰影區域通過0.1的顯著性水平檢驗)

對應對流層中高層500hPa位勢高度場的差值分布,圖4分別給出了1963年和 1996年華北盛夏期間850hPa風場與1958～2002年氣候平均的差值分布。由圖4(a)可見,來自副熱帶高壓南部的異常偏東氣流在南海轉向向北后與來自貝加爾湖以南地區的異常偏北氣流在華北地區上空相遇,形成了一個異常的氣旋性環流,使得華北夏季降水異常偏多。在圖4(a)中,中國東部地區為異常偏南氣流控制,東亞夏季風強度偏強,因此,1963年降水可稱之為季風降水。

圖4(b)和圖4(a)相比,卻有很大的不同。南海和副熱帶高壓南部分別為異常偏北和偏西氣流,東南海岸線附近為異常偏北氣流,表明季風異常偏弱[31-35]。在1996年,西伯利亞反氣旋南側的偏北冷氣流與北上的偏南暖濕氣流在華北地區相遇,產生輻合,導致降水偏多。因此,從氣候學意義上講,1996年降水是系統降水,而非季風降水。

4 影響1963和1996年華北盛夏降水的大尺度降水條件的異同

源源不斷的水汽供應是形成降水的一個必要條件[36]。圖5分別給出了1963和1996年華北盛夏期間的整層垂直積分的水汽通量與1958～2002年氣候平均的差值分布。由圖5可見,影響1963年華北盛夏降水的水汽通道主要有3條,它們的源地分別是南海、副熱帶高壓南部的太平洋地區和鄂霍次克海;而在1996年,影響華北盛夏降水的水汽通道與1963年相比則存在著很大的不同。上述3條水汽通道基本不存在,影響華北盛夏降水的水汽主要是在長江中下游地區的一個異常水汽輻合,通過遠距離相互作用,使得1996年華北盛夏降水異常偏多。

圖5 1963年、1996年華北盛夏期間的整層大氣(地面-300hPa)垂直積分水汽通量與1958～2002年氣候平均的差值分布(單位:kg·m-1s-1,陰影區域通過0.1的顯著性水平檢驗)

圖6 110°E～120°E平均的距平全風速(等值線圖,單位:m/s)和距平垂直速度(填色圖,單位:0.01pa·s-1)的經向剖面

強烈的上升運動是形成降水的另一個必要條件[36]。為了研究1963年和1996年華北盛夏異常上升運動的差別,圖6分別給出了1963年和1996年的110°E～120°E平均的距平全風速和距平垂直速度的經向剖面。由圖6(a)可見,對于1963年而言,在對流層頂附近200hPa高度上,25°N附近有一大風核,這一正距平一直延伸至華北上空,華北地處此正距平的右側。研究表明,在大風速核右側,存在一個暖空氣下沉,冷空氣上升的逆環流圈[36]。華北正處于這一逆環流的上升運動區,圖6(a)中的異常上升運動正說明了這一點,所以異常強的上升運動,有利于華北1963年夏季降水偏多。

對于1996年而言,對流層頂層的距平全風速和圖6(a)有著明顯不同。在華北上空有一個負距平中心,這表明副熱帶西風氣流較之氣候平均要小得多,因此在1996年,導致華北異常上升運動的并不是異常西風急流所產生的上升運動。從異常上升運動距平圖可以看出,1996年華北上空對流要比1963年的強,這也使得華北盛夏降水異常偏多。

綜上所述,導致華北1963年和1996年夏季降水的大尺度降水條件有很大不同。從水汽來源上講,在1963年影響中國東部夏季降水的水汽通道有3條,其水汽源地分別是南海、副熱帶高壓南部的太平洋地區和鄂霍次克海,而1996年的水汽條件,主要是由長江中下游地區的異常氣旋性環流通過遠距離作用為華北提供水汽。此外,在1963年盛夏,華北地處高空大風速核出口區右側,而高空大風速核出口區右側有利于產生一個逆環流圈,使得華北處于異常上升運動區,因此華北1963年夏季降水異常偏多;而在1996年盛夏,雖然華北上空副熱帶高空急流異常偏弱,但是1996年華北盛夏上空大氣的異常對流要比1963年的強。

5 結論

利用1951～2011年全國160個測站的逐月降水資料及1958～2002年ECMWF逐月再分析資料,采用統計t檢驗,合成分析等方法對不同年代際氣候背景下華北盛夏降水進行了對比分析,得到如下結論:

(1)對于處于不同年代際背景下的1963年和1996年華北盛夏降水而言,中國東部地區盛夏降水也表現出很大區別。1963年中國東部盛夏降水的主要特征是“北澇南旱”,但是對于1996年而言,整個中國東部絕大部分地區降水都異常偏多。1963年華北盛夏降水要多于1996年華北盛夏降水。

(2)導致處于不同年代際背景下華北盛夏降水不同的大氣環流特征是,在1963年,500hPa高度距平分布中,整個中國東部地區的位勢高度場為異常的“北高南低”型分布,異常偏南的西南氣流與來自貝加爾湖以南的異常偏北氣流在華北地區上空相遇,形成了一個異常的氣旋性環流,導致華北盛夏降水異常偏多,故1963年華北盛夏降水屬于季風降水;而1996年500hPa位勢高度距平則在整個中國東部地區為異常的“西高東低”型分布,影響1996年華北盛夏降水的主要系統為長江中下游地區的異常氣旋性環流北部的異常東風和來自北方的異常偏北氣流在華北地區上空交綏,導致華北盛夏降水異常偏多,其屬于系統降水。

(3)1963年和1996年的大尺度降水條件也不相同。在1963年影響中國東部夏季降水水汽通道主要有3條,其水汽源地分別是南海、副熱帶高壓南部的太平洋地區和鄂霍次克海,而1996年的水汽條件主要是由長江中下游地區存在的異常氣旋性環流通過遠距離作用為華北提供水汽。在1963年盛夏,華北地處高空大風速核出口區右側,處于間接環流上升運動區;在1996年盛夏,華北上空副熱帶高空急流則異常偏弱,但同時其上空大氣對流要比1963年的強。

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