1880
—2010年中國東部夏季降水年代際變化特征

任永建,宋連春,肖鶯

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1880
—2010年中國東部夏季降水年代際變化特征

任永建①②③*,宋連春②,肖鶯③

① 南京信息工程大學 大氣科學學院,江蘇 南京 210044;

② 中國氣象局 國家氣候中心,北京 100081;

③ 武漢區域氣候中心,湖北 武漢 430074

2016-01-01收稿，2016-01-28接受

湖北省氣象局重點項目(2015Z03);國家自然科學基金青年科學基金項目(41405077)

摘要利用1880—2010年中國東部66站夏季降水數據,開展夏季長序列降水的年代際變化特征研究。結果表明,中國東部夏季降水年代際變化特征顯著,華北、江淮和華南地區存在明顯的差異。經驗正交分解結果表明,偶極型(“-+”和“+-”)和三極型(“+-+”和“-+-”)分布是中國東部夏季的兩種主要降水模態。夏季500 hPa高度場年代際分量與同期太平洋SST典型相關分析(BP-CCA)得出,太平洋年代際振蕩(PDO,Pacific Decadal Oscillation)正位相可以激發出負的PJ型遙相關波列,導致長江中下游地區降水偏多,華北降水偏少;反之亦然。同時,通過滑動相關分析發現,中國東部不同區域的夏季降水對PDO不同位相的響應特征存在差異。

關鍵詞

年代際變化

夏季降水

中國東部

太平洋年代際

振蕩

從20世紀90年代中期起,年代際氣候變化已成為國際氣候學研究的熱門問題之一,也是氣候變化和可預測性研究計劃(CLIVAR)的重要研究內容之一。中國處于東亞季風區,由于受到季風的影響,氣候的年代際變化與全球的年代際變化有不同之處,降水比氣溫有更明顯的年代際變化。

全球陸地絕大多數格點的年降水量在20世紀70—80年代發生了一次年代際趨勢轉折(施曉輝和徐祥德,2008)。研究表明,我國夏季降水有明顯的年代際變化。1965年前后發生了一次氣候躍變,此后華北地區夏季降水明顯減少(黃榮輝等,1999)。1976年前后發生了一次明顯的氣候躍變(周連童和黃榮輝,2003)。20世紀80年代末出現了一次明顯的年代際氣候轉型,伴隨著這次年代際轉型,80年代末以后中國東部南方地區降水明顯增多(張人禾等,2008)。在20世紀90年代末,中國東部夏季降水發生了年代際突變,在1999—2010年期間降水異常從以往的經向三極子分布變成了經向偶極子分布,形成了“南澇北旱”(除長江沿岸地區)的特征(Huang et al.,2013;孫照渤等,2016)。最近一百多年來長江中下游共發生了5次年代際尺度的躍變,華北以及華南的降水均發生了4次年代際尺度的躍變,各區降水同時在20世紀20年代初期、40年代中期、60年代中期以及70年代中期發生躍變(呂俊梅等,2009)。

熱帶海洋變暖是20世紀70年代末東亞夏季風年代際減弱的主要因素,這與太平洋年代際振蕩(PDO,Pacific Decadal Oscillation)的位相轉變有關(陳紅和薛峰,2013)。而中國東部夏季降水型及東亞夏季風環流年代際變化趨勢與大氣外強迫因子PDO關系密切(朱益民和楊修群,2003;張慶云等,2007)。PDO能夠在對流層低層激發出與年代際東亞夏季風環流較為相似的大氣環流異常特征,最終導致東亞夏季風降水發生年代際變化(唐民和呂俊梅,2007)。PDO是華北降水年代際異常的可能原因之一(楊修群等,2005;Ma,2007)。美國西部和中部地區年代際變化在很大程度上也受到太平洋年代際振蕩的影響(Liu,2013)。這些研究結果充分說明了PDO對氣候的重大影響(李崇銀等,2002)。

上述這些研究對開展中國東部夏季降水年代際變化及相關研究奠定了科學基礎,在本文的研究中,擬采用1880—2010年長時間序列的東部夏季降水開展變化特征研究,揭示東部夏季降水的主要分布模態;結合1900—2010年夏季PDO指數,簡要分析東部夏季降水對PDO不同位相的響應特征并對可能的物理機制進行探討。通過本文的研究,可以提高對中國東部夏季降水的變化特征尤其是年代際特征的認識,為改進中國東部夏季降水預報的能力提供幫助。

1　資料和方法

本文使用的降水資料包括兩部分,1880—1950年東部(105～122°E)66站降水資料來源于王紹武等(2000)整編的降水資料,1951—2010年的數據選自國家氣候中心160站月降水資料。PDO的數據主要來自http://jisao.washington.edu/pdo/PDO.latest,時段為1900—2010年逐月資料。再分析數據選用1961—2010年逐月的NCEP/NCAR的500 hPa高度場,分辨率為2.5°×2.5°。

為了解析東部夏季降水所對應氣候場在空間分布上的差異,對近130 a夏季降水進行了經驗正交函數分解(Empirical Orthogonal Function,EOF)。還使用了常規的合成分析、t顯著性檢驗以及滑動相關分析。為分析年代際特征,采用傅立葉時間尺度濾波處理(10 a濾波)。文中出現的距平表示實際值與氣候態均值之差,這里采用1981—2010年氣候平均作為氣候態均值。中國東部劃分為:華北地區(35～40°N)、江淮流域(30～35°N)及華南地區(20～30°N)。

為了揭示海溫SST與500 hPa位勢高度場年代際分量之間的關系,還采用了典型相關分析的方法(BP-CCA)。BP-CCA可以很好地揭示大尺度環流與溫度、降水的內在聯系,并且物理意義清晰(賈小龍等,2010)。BP-CCA方法是在對兩個場做主成分分析的基礎上的CCA,即先對兩個場做經驗正交函數(EOF),截取前幾個標準化的主成分,然后進入CCA步驟。這樣截取了兩個場的主要大尺度時空變化信息,濾去了小尺度振動和噪音的干擾,減少了資料中不必要的“噪音”部分,同時也降低了維數,減少了計算量。BP-CCA方法的詳細介紹可參見魏鳳英(2007)。

2　東部夏季降水年代際變化特征

華北地區在1880—1910年代、1940年代中期—1970年代降水偏多,1920—1940年代初、1980—2000年代降水偏少(圖1a);江淮流域在1880年代、1900—1910年代以及1980年代中期—2000年代降水偏多,1890—1900年代初、1920—1980年代降水持續偏少(圖1b)。華南地區在1890—1900年代、1950—1960年代初以及1970年代后期—1990年代中期降水偏少,其他年代降水偏多(圖1c)。根據突變檢驗的結果(圖略),華北分別在1920年代初、1940年代末和1970年代末發生3次突變,江淮地區分別在1920年代初、1940年左右、1950年代末以及1970年代末共發生4次突變,江南地區分別在1900年代末、1940年代末以及1970年代初。可見,東部不同區域夏季降水發生轉變的時間并不一致。Ding et al.(2008)指出東亞夏季風在1960年代中期、1970年代末或1980年代初、1992—1993年發生突變。而中國東部不同區域夏季降水的年代際變化與東亞夏季風的變化又存在一定的差異,原因可能是東部不同地區降水型對東亞和西太平環流變化的響應與轉型并不同步(黃榮輝等,2011)。

圖1　1880—2010年華北地區(a)、江淮流域(b)和華南地區(c)夏季降水距平的逐年變化(虛線是低頻濾波曲線)Fig.1　Annual variation of summer precipitation in (a)North China,(b)the Yangtze and Huaihe river basin,and (c)South China,during 1880—2010(dashed line is the low-frequency filtering line)

圖2給出了1880—2010年華北、江淮和華南降水距平逐年代變化。可以發現,1880、1910及1980年代,華北、江淮和華南降水存在同步變化;1890—1900、1920、1940—1950、1990—2000年代,華北和華南降水均表現為相反的變化。華北地區1880、1910—1940、1960—1970及1990—2000年代降水偏多,1890—1900、1950及1980年代降水偏少;江淮流域1920—1980年代連續出現降水偏少;華南地區除1920和1940年代以外,1880—1970年代降水均偏多,1980—2000年代轉為降水偏少。

圖2　1880—2010年華北、江淮和華南降水距平逐年代變化Fig.2　Decadal variation of summer precipitation in (a)North China,(b)the Yangtze and Huaihe river basin,and (c)South China,during 1880—2010

圖3　1880—2010年中國東部夏季降水年代際分量EOF分析第1(a)、第2(b)、第3(c)和第4(d)模態的空間分布Fig.3　Summer precipitation spatial distribution of (a)EOF1,(b)EOF2,(c)EOF3, and (d)EOF4,in eastern China,1880—2010

圖4　1880—2010年中國東部夏季降水年代際分量EOF分析第1(a)、第2(b)、第3(c)和第4(d)的時間系數Fig.4　Summer precipitation time coefficients of (a)EOF1,(b)EOF2,(c)EOF3,and (d)EOF4,in eastern China,1880—2010

為獲取年代際變化特征,對中國東部1880—2010年夏季降水進行年代際時間尺度的濾波處理,進行EOF分解,獲取年代際變化的時空特征(圖3—圖4)。由第一特征向量的空間分布(圖3a,方差貢獻為28.7%)可以發現,中國東部夏季降水年代際分量從北向南呈“-+”的分布,30°N以北的大部北方地區夏季降水的年代際變化與長江以南地區的變化相反,即“南澇北旱”的空間結構。從第一特征向量的時間系數變化(圖4a)可見,1910年代初和1990年代初出現顯著“負轉正”的轉折,1940年代末則表現為“正轉負”的轉折;EOF1時間系數曲線所揭示的變化特征與華南地區年代際降水變化比較一致(圖1c)。Ding et al.(2008)指出1992年中國東部夏季降水轉型特征顯著,長江以南地區夏季降水在20世紀90年代之前“偏少”,90年代以后轉變為“偏多”,這次轉型與1990年代出現顯著的轉折對應。

第二特征向量的空間分布(圖3b,方差貢獻為18.2%)可見,與EOF1揭示的空間特征正好相反,中國東部夏季降水年代際分量從北向南呈“+-”的分布,即“南旱北澇”的空間結構。從EOF2時間系數(圖4b)可見,1930年代初發生了一次顯著“正轉負”的轉折。第三特征向量(圖3c,方差貢獻為15.1%)可見,從北向南呈“+-+”分布,華北和華南南部地區為正距平,江淮和華南北部地區為負距平。從EOF3時間系數曲線(圖4c)可以看出,1920年代初發生顯著“負轉正”的轉折,在70年代末出現“正轉負”的轉折。EOF4的空間特征(圖3d,方差貢獻為9.4%)與EOF3正好相反,為“-+-”空間分布,華北和江淮北部、華南南部為負距平,江淮南部和華南北部為正距平。1900年代初、1970年代末表現為明顯的“負轉正”轉折,1940年代末、1990年代末為明顯的“正轉負”轉折(圖4d)。

可見,偶極型和三極型降水是中國東部夏季產生的兩種主要降水模態(丁一匯等,2013)。顧薇等(2005)發現長周期的年代際變化能較好地體現出“南澇北旱”和“北澇南旱”兩種形勢,表明我國東部夏季降水存在更長時間尺度的準周期變化,主要受到1960—1980年年代際振蕩的影響。

圖5　1900—2010年夏季PDO指數的逐年演變曲線(虛線為低頻濾波曲線)Fig.5　Annual variation of summer PDO index for 1880—2010(dashed line is the low-frequency filtering line)

3　不同年代際夏季海溫的特征

圖5給出了1900—2010年夏季PDO指數的逐年演變曲線,可以看出,PDO指數的年代際變化特征非常顯著。1920年代中期到1940年代中期,PDO表現為明顯的正位相,1940年代后期到1970年代后期為負位相,1980年代到2000年代中期PDO則又表現為正位相。根據低頻濾波的結果,選取1929—1944年為PDO正位相年,1945—1977年為PDO負位相年,1978—2005年為正位相年。

圖6給出了PDO不同位相降水距平的空間分布情況。圖6a表明,在1929—1944年的PDO正位相期間,中國東部總體自北向南呈現“-+”偶極分布,華南南部表現為正距平,主雨帶位于華南南部,江淮流域和華南北部表現為負距平,負距平大值區出現在長江中下游流域。在1945—1977年的PDO負位相期間,中國東部則表現為“+-+”的經向分布,主雨帶位置華北和華南南部,江淮南部和華南北部為負距平(圖6b)。1978—2005年PDO正位相時,空間結構上為“-+”分布,降水分布與之前一次的正位相時存在顯著的差異,中國東部主雨帶位于江淮地區,華北東部和華南東部為負距平(圖6c)。可見,主雨帶的位置不僅受PDO的影響,同時與西太平洋副熱帶高壓、東亞遙相關以及東亞阻塞高壓等環流系統異常有關(趙振國等,2008)。

圖6　PDO不同位相降水距平分布　　a.1929—1944;b.1945—1977;c.1978—2005Fig.6　Precipitation anomaly in different PDO phases:(a)1929—1944;(b)1945—1977;(c)1978—2005

圖7　1929—1944年(a)、1945—1977年(b)、1978—2005年(c)中國夏季降水與PDO指數與的空間相關(陰影區表示通過0.1信度的顯著性檢驗)Fig.7　Spatial correlation distribution of the PDO index and summer precipitation in eastern China during (a)1929—1944,(b)1945—1977,and (c)1978—2005(shaded areas are statistically significant at the 90% confidence level)

為了描述中國夏季降水與熱帶太平洋之間的關系,計算了不同位相期間PDO指數與夏季降水之間的關系。可以看出(圖7a),PDO指數與華北中部、華南大部存在顯著的正相關,而與江淮流域大部存在負相關,相關系數均通過0.1信度的顯著性檢驗;表明1929—1944年PDO為正位相時,華北中部、華南大部降水偏多,而江淮流域大部降水偏少。1945—1977年PDO負位相期間,PDO指數與東部大部地區存在正相關,但均不顯著,僅華北東部、華南西部和南部的部分地區的負相關通過了顯著性檢驗。1978—2005年PDO正位相期間,PDO指數與華南大部、江淮北部、華北南部地區的夏季降水存在顯著的負相關,與江淮南部、華南北部、華北西部的夏季降水存在正相關;表明1978—2005年PDO表現為暖位相時,華南大部、江淮北部、華北南部地區的夏季降水偏少,江淮南部、華南北部、華北西部的夏季降水偏多。

圖8　1900—2010年PDO指數與東部夏季降水的25 a滑動相關系數曲線Fig.8　Moving correlation coefficient of the PDO index and summer precipitation in eastern China during 1900—2010

圖8給出了1900—2010年夏季PDO指數與東部降水的25 a滑動相關曲線。可以看出,在不同時段,東部夏季降水對PDO的響應存在一定的差異。PDO指數與華北夏季降水在1920年以前為正相關,1920—1960年間為負相關,1965—1985年左右為負相關,1985—2000年為正相關;僅當1924—1956年、1968—1982年、1986—2000年這段時間內是通過顯著性檢驗的。PDO指數與江淮夏季降水在1910—1924年、1966—1992年為正相關,1924—1964年為負相關;僅當1910—1920年、1926—1950年、1968—1990年期間可以通過顯著性檢驗。PDO指數與華南夏季降水在1910—1932年為負相關,1932—1960年為正相關,1960—2000年為負相關;僅當1940—1958年、1962—2000年期間通過顯著性檢驗。通過滑動相關分析進一步表明,東部不同區域夏季降水在PDO不同時段的響應特征存在顯著差異。

4　可能的影響機制

為了揭示PDO影響中國東部夏季年代際降水的物理機制,首先對夏季500 hPa高度場進行9 a滑動平均,求取其年代際分量;其次利用高度場年代際分量與同期太平洋SST進行典型相關分析,結果如圖9所示。當西北太平洋中高緯度偏暖,赤道中東太平洋偏冷,對應PDO負位相。500 hPa高度場表現為正的太平洋—日本(PJ)型遙相關,從暖池到北太平洋西部為“-+-+-”的遙相關波列。可見,PDO可能通過大氣環流的調制影響中國東部的夏季降水(Zhu et al.,2011)。

早期的研究指出(黃榮輝和孫鳳英,1994),PDO負位相可以激發出正的PJ型遙相關波列。此時,從菲律賓周圍經南海到中印半島上空的對流活動將增強,西太平洋高壓位置偏北,導致長江中下游至日本地區降水偏少,華北降水偏多。相反地,PDO正位相可以激發出負的PJ型遙相關波列。菲律賓周圍的對流活動減弱,副熱帶高壓位置偏南,導致長江中下游至日本地區降水偏多,華北降水偏少。PDO不同位相對中國東部夏季降水的影響在前文的研究中均有體現(圖6、圖7)。

可以發現,PDO不同位相可以激發出不同類型的PJ型波列,導致菲律賓對流活動變化,影響副熱帶高壓的南北位置,從而對東部夏季降水產生影響。同時,袁杰等(2013)研究發現,冬季黑潮區SST和南印度洋偶極子(SIOD)年代際異常也會對我國東部夏季降水產生影響。

5　結論和討論

通過1880—2010年中國東部夏季降水的年代際變化特征和1900—2010年PDO不同位相變化東部夏季降水的響應特征開展了分析,得出相關結論如下:

1)中國東部不同區域的年代際變化特征存在顯著差異,華北地區在1880—1910年代、1940年代中期—1970年代降水偏多,1920—1940年代初、1980—2000年代降水偏少;江淮流域在1880年代、1900—1910年代以及1980年代中期—2000年代降水偏多,1890—1900年代初、1920—1980年代降水持續偏少。華南地區在1890—1900年代、1950—1960年代初以及1970年代后期—1990年代中期降水偏少,其他年代降水偏多。

2)偶極型和三極型降水是中國東部夏季產生的兩種主要降水模態。EOF1揭示中國東部夏季降水年代際分量從北向南呈“-+”的分布,30°N 以北的大部北方地區夏季降水的年代際變化與長江以南地區的變化相反。EOF2與EOF1揭示的空間特征正好相反,中國東部夏季降水年代際分量從北向南呈“+-”的分布。EOF3從北向南呈“+-+”分布,華北和華南南部地區為正距平,江淮和華南北部地區為負距平。EOF4與EOF3正好相反,為“-+-”空間分布,華北和江淮北部、華南南部為負距平,江淮南部和華南北部為正距平。

圖9　典型相關分析(陰影表示超過0.1信度的顯著性檢驗)　　a.500 hPa位勢高度;b.夏季太平洋海溫Fig.9　Canonical correlation between (a)geopotential height at 500 hPa and (b)summer SST in the Pacific(shading indicates statistical significance at the 90% confidence level)

3)中國東部不同區域的夏季降水對PDO不同位相的響應特征并不一致。1929—1944年PDO暖位相時,華北中部、華南大部降水偏多,而江淮流域大部降水偏少;1945—1977年PDO冷位相,華北東部、華南西部和南部的部分地區降水偏多;1978—2005年PDO暖位相時,華南大部、江淮北部、華北南部地區的夏季降水偏少,江淮南部、華南北部、華北西部的夏季降水偏多。

本研究中,僅僅分析了東部不同區域夏季降水對PDO不同位相的響應,但對PDO如何影響東部夏季降水的機制,以及為何PDO前后兩次暖位相時東部夏季降水存在顯著的差異?對于這些問題仍需做進一步的研究。

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The interdecadal variability of precipitation in eastern China is studied based on data from 66 meteorological stations for the period 1880—2010.Combined with the summer Pacific Decadal Oscillation(PDO) during 1900—2010 and NCEP/NCAR data for the period 1961—2010,summer precipitation in eastern China is analyzed corresponding to the different phases of the PDO,and the possible underlying physical mechanism is discussed.In order to resolve the spatial distribution differences,empirical orthogonal function(EOF) analysis is carried out on the summer precipitation in the near 130-year period.Conventional synthesis analysis,thet-test of statistical significance,and sliding correlation analysis are also used.Decadal features are obtained using Fourier filtering,which filtered out less than 10 years.The work presented in this paper is useful in improving our understanding of the decadal characteristics of summer precipitation in eastern China,especially in the context of promoting the forecasting ability of summer precipitation.

The results show that the interdecadal variability of precipitation in eastern China is significant,with obvious differences in North China,the Jianghuai region,and South China.Three change-points occur in North China(in the early 1920s,1940s and early 1970s),four in the Jianghuai region(in the early 1920s,1940,late 1950s and 1970s),and three in South China(in the late 1900s,1940s and early 1970s).A dipole(negative-positive or positive-negative) and tripole(negative-positive-negative or positive-negative-positive) distribution are the two main modes of summer precipitation in eastern China,as determined by EOF analysis.In 1929—1944 (positive PDO),summer rainfall in eastern China presents a negative-positive dipole distribution,which indicates the main rain belt to be located in South China,with the negative anomaly in the Jianghuai basin.During 1945—1977(negative PDO),the meridional distribution of summer rainfall in eastern China is characterized by a positive-negative-positive tripole pattern,with the main rain belt in North China and South China.In another positive phase of the PDO(1978—2005),the spatial structure of precipitation follows a negative-positive dipole distribution-opposite to that of the previous positive PDO phase—with the main rain belt in eastern China located in the Jianghuai region and the negative anomaly in North China and South China.We also find through sliding correlation analysis that summer precipitation in different areas of eastern China show response characteristics according to the different phases of the PDO.It is apparent that the location of the main rain belt is not only affected by the phase of the PDO,but also by the main circulation system(e.g.the western Pacific subtropical high,East Asia teleconnection and East Asia blocking high).The interdecadal components of the 500-hPa height field and Pacific SST in the summer,via canonical correlation analysis,indicates that the positive phase of the PDO can trigger a negative wave train of the Pacific—Japan teleconnection.This negative teleconnection wave train can lead to more precipitation over the middle and lower reaches of the Yangtze river,less precipitation over North China,and vice versa.

interdecadal variability;summer precipitation;eastern China;PDO

(責任編輯：張福穎)

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20160101033

Interdecadal change of summer precipitation in eastern China during 1880—2010

REN Yongjian1,2,3,SONG Lianchun2,XIAO Ying3

1SchoolofAtmosphericScience,NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044,China;2NationalClimateCenter,ChinaMeteorologicalAdministration,Beijing100081,China;3WuhanRegionalClimateCenter,HubeiMeteorologicalAdministration,Wuhan430074,China

引用格式：任永建,宋連春,肖鶯,2016.1880—2010年中國東部夏季降水年代際變化特征[J].大氣科學學報,39(4):445-454.

Ren Y J,Song L C,Xiao Y,2016.Interdecadal change of summer precipitation in eastern China during 1880—2010[J].Trans Atmos Sci,39(4):445-454.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20160101033.(in Chinese).

*聯系人，E-mail:renyj@nuist.edu.cn