中國東部夏季降水特征及其與西太副高的關(guān)系

肖艷林，池再香，楊冬冬，陳　蘊(yùn)，孔德璇

(1.貴州省六盤水市氣象局 ，貴州 六盤水　553000；2.南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京　210044；3.貴州省水城縣氣象局，貴州 水城　553001)

1　引言

中國東部降水具有明顯的地域和季節(jié)性差異特點(diǎn)，中國東部夏季降水雨帶分布類型的研究，在實(shí)際應(yīng)用上有很重要的意義[1]，陶詩言等[1-2]研究表明:中國東部雨帶具有明顯的3個(gè)階段分布特征,第1階段為4—6月華南前汛期降水，第2階段為6月中旬—7月初的江淮梅雨，第3階段為7月中旬—8月上旬的華北和東北地區(qū)降水。雨帶的變化對(duì)中國東部旱澇分布具有十分重要的影響[ 3]。廖荃蓀等[4-6]把中國東部夏季降水的雨帶分為3個(gè)類型，第1類型雨帶主要位于黃河流域及其以北地區(qū)，而江淮流域少雨；第2類型雨帶主要分布在黃河與長江之間，而黃河以北地區(qū)和長江以南地區(qū)少雨；第3類型雨帶主要分布在長江流域以南地區(qū)，而淮河以北地區(qū)和東南沿海少雨。雨帶的變化是造成某地區(qū)洪澇或干旱災(zāi)害天氣的主要原因，對(duì)生產(chǎn)生活影響較大。陳隆勛等[7]研究指出,造成南澇北旱的主要原因是南海夏季風(fēng)的異常。李新周等[ 8]通過分析大氣環(huán)流與中國北方干旱的年代際變化關(guān)系,得出北方干旱化的主要原因是由于東亞夏季風(fēng)減弱造成的。張順利等[9]通過研究指出,青藏高原冬、春季積雪的日益增加是導(dǎo)致南澇北旱分布格局的主要原因。張瓊等[10-11]通過研究得出了南亞高壓強(qiáng)度變化與西北、西南地區(qū)的降水關(guān)系十分密切。馬端良[12]通過分析得到了南亞高壓脊點(diǎn)位置的變化與中國東部夏季降水有較好的關(guān)系。池再香等[13]通過研究得出了西太平洋副熱帶高壓位置的變化對(duì)貴州黔東南地區(qū)夏季局地暴雨落區(qū)具有較好的指示意義。王芬等[14]分析貴州黔西南5—6月暴雨天氣發(fā)生時(shí)，200 hPa受南亞高壓控制、500 hPa處于西太平洋副熱帶高壓邊緣，并有高空槽影響。Yu 等[ 15]指出東亞地區(qū)對(duì)流層上部的降溫可以導(dǎo)致西太平洋副熱帶高壓位置偏南,造成中國東部出現(xiàn)南澇北旱的現(xiàn)象。趙平等[ 16]指出夏季東亞大陸中緯度和西太平洋副熱帶地區(qū)的氣壓年際變化與長江流域降水異常有顯著的關(guān)系。因此，西太平洋副熱帶高壓(簡稱西太副高，下同)南北位置異常變化對(duì)中國東部夏季降水有著重要影響。本文通過分析中國東部夏季(6—8月)降水分布特征及其與西太副高的關(guān)系，對(duì)中國東部夏季降水的雨帶變化及其預(yù)報(bào)具有十分重要的意義。

2　資料與方法

2.1　資料來源

降水資料為中國東部地區(qū)160個(gè)氣象觀測(cè)站1951—2012年6—8月的月平均降水量；西太副高資料為1951—2012年NCEP 1°×1°再分析資料中的500 hPa高度場數(shù)據(jù)，其范圍為 0°～40°N,100°E—160°W。

2.2　方法

利用EOF研究方法，將某氣候變量場的觀測(cè)資料以矩陣形式給出:

(1)

式中m為空間點(diǎn)，n為時(shí)間序列長度。

然后把X分解為時(shí)間函數(shù)(Z)和空間函數(shù)(V),其表達(dá)式為：

X=VZ

(2)

或

(3)

上式中，把第i個(gè)格點(diǎn)上的第t次觀測(cè)值看作是p個(gè)空間函數(shù)(z)和時(shí)間(V)函數(shù)的線性組合。

其中：

(4)

(5)

vj=(v1j,v2j,…,vmj)t

(6)

第t個(gè)空間場表示為：

(7)

式中， 把m個(gè)空間典型場表示第t個(gè)場，按不同的權(quán)重線性疊加而成。V的每一列分別表示一個(gè)空間典型場。

3　中國東部夏季降水氣候特征

華南4月份開始進(jìn)入汛期(俗稱前汛期)，造成這種現(xiàn)象主要是降水發(fā)生在西太副高北側(cè)的西風(fēng)帶中，到5月中旬降水量迅速增加，華南處于前汛期的盛期； 5月中旬之后，受東亞季風(fēng)的影響，大雨帶移至華南沿海地區(qū)，降水量繼續(xù)增加。

圖1給出了中國東部夏季降水分布情況。由圖1a可知，6月降水大值區(qū)主要出現(xiàn)在華南地區(qū)，其降水量在200 mm以上。華南南嶺以南存在一個(gè)大雨帶,其中心為250 mm；華南武夷山—長江下游以南地區(qū)也存在一個(gè)大雨帶，其中心值達(dá)300 mm。由此可知,6月雨帶的分布屬于第3類型雨帶，即雨帶主要位于長江流域以南，而淮河以北少雨。由圖1b看出，長江以北和黃河以南存在兩個(gè)降水大值區(qū)，一個(gè)分布在長江中下游與黃河下游之間，且呈東西向帶狀分布，從沿海伸向武漢附近，其中心為200 mm以上；另一個(gè)分布在重慶巫山附近，其中心為200 mm。將這兩個(gè)降水中心看作一個(gè)大雨帶，即長江以北與黃河以南地區(qū)降水量偏多，表明江淮流域進(jìn)入梅雨期；而長江以南和黃河以北降水量偏少，其降水量在150 mm以下；但黃河以北地區(qū)7月份降水量比6月份明顯增多，其降水量由50～100 mm增加到100～150 mm。綜上所述，7月雨帶的分布屬于第2類型雨帶。7月降水氣候態(tài)圖反映了江淮地區(qū)進(jìn)入梅雨期。梅雨期間，長江中下游地區(qū)多陰雨天氣，雨量充沛，相對(duì)濕度較大，日照時(shí)間短，降水具有連續(xù)性特征。由圖1c看出，華南南部為降水大值區(qū)，其中心為200 mm；東北地區(qū)降水明顯增多，長春一帶的降水量由7月份的100 mm增加到150 mm；長江中下游、黃河流域和華南北部降水量減少，說明江淮流域已出梅。由此可見，8月雨帶的分布屬于第1類型雨帶，即黃河以北地區(qū)降水量偏多，黃河以南地區(qū)以及長江流域降水量偏少，東北地區(qū)處于雨季。由圖1d看出，中國東部夏季降水具有空間分布不均的特點(diǎn)，由東南沿海向西北內(nèi)陸逐漸減少。夏季降水大值區(qū)主要集中在華南南部、云貴高原、四川盆地，其降水量達(dá)600 mm以上；其次為長江中下游以及浙江、福建等沿海地區(qū)，其降水量在500 mm以上；再次為華北和東北地區(qū)，其降水量為300～400 mm；降水量最少為中國東部地區(qū)的西北部，其降水量在200 mm以下。

綜上所述，6月份，雨帶位于華南地區(qū)，江淮流域、華北、東北地區(qū)降水量偏少。7月份，雨帶位于江淮流域，江淮地區(qū)處于梅雨期，而長江以南地區(qū)降水量偏少，但華北、東北地區(qū)的降水量比6月份有所增加。8月份，雨帶位于華北—東北地區(qū)，江淮流域和華南地區(qū)的降水量明顯減少。

圖1　中國東部6月(a)、7月(b)、8月(c)和夏季(d)降水量分布(單位：mm)Fig.1　Distribution of precipitation in June(a),July(b),August(c) and summer(d) in eastern China(unit: mm)

4　中國東部夏季降水與西太副高的關(guān)系

4.1　降水第1模態(tài)時(shí)空分布特征

利用EOF方法，得到中國夏季降水EOF第1模態(tài)(圖2)。由圖2a看出，在長江以北與黃河以南有降水大值中心存在，且呈帶狀分布，降水正中心可達(dá)0.15，表明該區(qū)域降水量偏多；華南為負(fù)值區(qū)，負(fù)值中心(-0.1)在武夷山附近，同時(shí)，華北地區(qū)也為負(fù)值區(qū)，其負(fù)值中心為-0.1，表明華南和華北地區(qū)降水量偏少。由此可見，江淮流域的降水變化與長江以南和黃河以北地區(qū)的降水呈反位相。由圖2b看出，降水存在一個(gè)準(zhǔn)3～5a的振蕩周期；2000年之前，降水隨時(shí)間序列振幅較大，說明夏季降水變化也較大，基本上是每3 a或5 a中國東部夏季降水就出現(xiàn)一個(gè)大值年或一個(gè)小值年，說明旱澇分布比較明顯；2000年之后，降水隨時(shí)間序列振幅較小，說明夏季降水變化也較小，旱澇災(zāi)害不明顯。

圖2　中國夏季降水EOF第1模態(tài)(a)及其時(shí)間序列分布(b)Fig.2　EOF first modal(a) and its time series distribution(b) of Chinese summer precipitation

4.1.1第一模態(tài)時(shí)間序數(shù)大值年降水與西太副高的關(guān)系在降水EOF第1模態(tài)的時(shí)間序列中，以1.8為標(biāo)準(zhǔn)，把序列值>1.8的降水定為大值年。在62 a中，降水大值年分別是1964年、1969年、1971年、1972年、1989年和1995年，并對(duì)6個(gè)大值年夏季降水距平及其對(duì)應(yīng)的500 hPa高度場做合成。由圖3a看出，江淮流域和黃河以北地區(qū)降水量偏多，華南和東北地區(qū)降水量偏少，與中國東部夏季降水EOF分析的第1空間模態(tài)相吻合。由圖3b看出，西太副高的中心位置在25～30°N、165～175°E之間，副高范圍(588 dagpm線)較小，說明副高強(qiáng)度偏弱，導(dǎo)致江淮流域降水量偏多，而華南和東北地區(qū)的降水量偏少。

圖3　EOF的第1模態(tài)時(shí)間序數(shù)大值年份160個(gè)氣象觀測(cè)站降水合成(a)及其500 hPa高度場合成(b)(單位：mm、dagpm)Fig.3　EOF the first modal time ordinal number of large value year 160 meteorological observation stations precipitation synthesis (a) and its 500 hPa height(b) (unit: mm,dagpm)

4.1.2第1模態(tài)時(shí)間序數(shù)小值年降水與西太副高的關(guān)系在降水EOF第1模態(tài)的時(shí)間序列中，以-1.8為標(biāo)準(zhǔn)，把序列值<-1.8的降水定為小值年。在62 a中，降水小值年分別是1959年、1966年、1973年、1974年、1982年和1987年，并對(duì)6個(gè)小值年夏季降水距平及其對(duì)應(yīng)的500 hPa高度場做合成。由圖4a看出，中國東部夏季降水有3個(gè)大值區(qū)，一個(gè)分布在兩廣地區(qū)，一個(gè)分布在四川盆地，還有一個(gè)分布在華北—東北一線；而長江以北與黃河以南地區(qū)存在一個(gè)降水小值區(qū)，該降水小值區(qū)從山東一直向內(nèi)陸延伸至陜西、重慶，其中心值達(dá)-30 mm。由圖4b看出，西太副高的中心位置在22～32°N、145～172°E之間，副高范圍(588 dagpm線)較大，說明副高強(qiáng)度偏強(qiáng)，導(dǎo)致華南和華北—東北地區(qū)降水量偏多，而江淮流域降水量偏少。

圖4　EOF的第1模態(tài)時(shí)間序數(shù)小值年份160個(gè)氣象觀測(cè)站降水合成(a)及其500 hPa高度場合成(b)(單位：mm、dagpm)Fig.4　EOF the first modal time ordinal number of small year 160 meteorological observation stations precipitation synthesis(a) and its 500 hPa height(b) (unit: mm,dagpm)

4.2　降水第2模態(tài)時(shí)空分布特征

利用EOF方法，得到中國夏季降水EOF第2模態(tài)(圖5)。由圖5a看出，華北與長江流域存在降水大值區(qū)，其中心值為0.1，且呈自西向東帶狀分布，該帶狀比第1模態(tài)范圍大，基本上覆蓋了整個(gè)華北地區(qū)—長江流域，表明華北地區(qū)和長江流域降水量偏多；長江以南地區(qū)降水處于負(fù)值區(qū)，其負(fù)值中心位于南嶺—武夷山一帶，其負(fù)值中心為-0.15，表明長江以南地區(qū)降水量偏少。由此可見，降水是以長江為界，長江以北降水量偏多，長江以南降水量偏少，且它們之間呈反位相。由圖5b看出，中國東部夏季降水存在1個(gè)準(zhǔn)2～3a的振蕩周期。1990年之前，降水的時(shí)間序列振幅較大，表示夏季降水的變化也較大，基本上是每隔2a或3a中國東部夏季降水就有一個(gè)大值年或一個(gè)小值年發(fā)生，說明旱澇分布明顯；1990年之后，降水的時(shí)間序列振幅較小，表示夏季降水年際變化較小，說明旱澇災(zāi)害不明顯。

圖5　中國夏季降水EOF第2模態(tài)(a)及其時(shí)間序列分布(b)Fig.5　EOF second modal (a) and its time series distribution (b) of Chinese summer precipitation

4.2.1第2模態(tài)時(shí)間序數(shù)大值年份降水與西太副高的關(guān)系在降水EOF第2模態(tài)的時(shí)間序列中，以1.8為標(biāo)準(zhǔn)，把序列值>1.8的降水定為大值年。在62a中，降水大值年分別是1955年、1978年、1983年和1984年，并對(duì)4個(gè)大值年夏季降水距平及其對(duì)應(yīng)的500 hPa高度場做合成。由圖6a看出，長江以北與黃河以南降水量偏多，而黃河以北、長江以南降水量偏少，與中國東部夏季降水EOF分析的第2空間模態(tài)基本一致。由圖6b看出，西太副高的中心位置在25～27.5°N、155～165°E之間，副高范圍(588 dagpm線)較小，說明副高強(qiáng)度偏弱，導(dǎo)致江淮流域降水量偏多，而華南和東北地區(qū)的降水量偏少，與第1模態(tài)得出的結(jié)論一致。

圖6　EOF的第2模態(tài)時(shí)間序數(shù)大值年份160個(gè)氣象觀測(cè)站降水合成(a)及其500hPa高度場合成(b)(單位：mm、dagpm)Fig.6　EOF the second modal time ordinal number of large value year 160 meteorological observation stations precipitation synthesis(a) and its 500hPa height(b) (unit: mm,dagpm)

4.2.2第2模態(tài)時(shí)間序數(shù)小值年份降水與西太副高的關(guān)系在降水EOF第2模態(tài)的時(shí)間序列中，以-1.8為標(biāo)準(zhǔn)，把序列值<-1.8的降水定為小值年。在62a中，降水小值年分別是1953年、1954年、1956年、1964年、1973年和1981年，并對(duì)6 a夏季降水距平及其對(duì)應(yīng)的500 hPa高度場做合成。由圖7a看出，在華北太行山脈—重慶巫山有一個(gè)降水大值區(qū)，其中心值為50mm，長江流域降水距平為20 mm；而山東和長江以南地區(qū)存在降水小值區(qū)，其中心值為-20 mm。由圖7b看出，西太副高的中心(587 dagpm線)位置在135°E以東地區(qū)，說明西太副高位置偏南、強(qiáng)度偏弱，導(dǎo)致長江以北地區(qū)降水量偏多，長江以南地區(qū)降水量偏少。

圖7　EOF的第2模態(tài)時(shí)間序數(shù)小值年份160個(gè)氣象觀測(cè)站降水合成(a)及其500hPa高度場合成(b)(單位：mm、dagpm)Fig.7　EOF the second modal time ordinal number of small year 160 meteorological observation stations precipitation synthesis(a) and its 500hPa height(b) (unit: mm,dagpm)

5　結(jié)論與討論

5.1　結(jié)論

①中國東部雨帶6月份位于華南地區(qū)，江淮流域、華北和東北地區(qū)降水量偏少；7月份雨帶北抬至江淮流域，江淮地區(qū)處于梅雨期，而長江以南地區(qū)降水量偏少，但華北和東北地區(qū)的降水量比6月份有所增加；8月份雨帶繼續(xù)北抬到華北—東北地區(qū)，華北和東北地區(qū)降水量偏多，而江淮流域和華南地區(qū)的降水量明顯減少。夏季降水具有空間分布不均的特點(diǎn)，由東南沿海向西北內(nèi)陸逐漸減少，以華南南部、云貴高原、四川盆地降水量(600 mm以上)為最多，以中國東部地區(qū)的西北部降水量(200 mm以下)為最少。

②中國東部夏季降水第1模態(tài)表現(xiàn)為長江以北與黃河以南地區(qū)降水量偏多，而華南和華北地區(qū)降水量偏少，且降水存在一個(gè)準(zhǔn)3～5a的振蕩周期，同時(shí)夏季降水的變化對(duì)西太副高的位置、強(qiáng)度有較好的響應(yīng)。2000年之前，中國東部夏季旱澇災(zāi)害特征明顯；2000年之后，中國東部夏季旱澇災(zāi)害特征不明顯。

③中國東部夏季降水第2模態(tài)表現(xiàn)為華北—長江流域降水量偏多，而長江以南地區(qū)降水量偏少，且降水存在一個(gè)準(zhǔn)2～3a的振蕩周期，同時(shí)夏季降水的變化對(duì)西太副高的位置、強(qiáng)度有較好的響應(yīng)。1990年之前，中國東部夏季旱澇災(zāi)害特征明顯；1990年之后，中國東部夏季旱澇災(zāi)害特征不明顯。

5.2　討論

Menon等[17]研究表明雨帶位置通常位于西太副高脊線以北的6～10個(gè)緯距處，且雨帶的走向大致和脊線平行。本文根據(jù)EOF方法研究得到的兩種模態(tài)表明，中國東部夏季雨帶位置的變化與西太副高的位置、強(qiáng)度變化有密切關(guān)系，西太副高位置的變化對(duì)雨帶位置的變化影響較大，西太副高位置的不正常變化往往會(huì)造成中國東部各區(qū)域的旱澇變化，但第2模態(tài)下合成分析的西太副高較弱，而華北地區(qū)降水偏多，長江以南地區(qū)降水偏少，這與常識(shí)相悖，有待進(jìn)一步開展研究。