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  暴雨灾害   2020, Vol. 39 Issue (4): 317-324.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-9045.2020.04.001

综述

DOI

10.3969/j.issn.1004-9045.2020.04.001

资助项目

安徽省重点研究与开发计划(201904a07020099);国家重点研发计划项目(2018YFC1507200,2017YFC1501402);国家自然科学基金项目(91837310,41075041)

第一作者

傅云飞, 主要从事大气物理学、大气探测和遥感学的研究。E-mail:fyf@ustc.edu.cn.

文章历史

收稿日期:2020-06-14
定稿日期:2020-07-07
夏季江淮地区降水的气候变化研究进展
傅云飞1 , 罗晶1 , 王东勇2 , 邱学兴2 , 周胜男2     
1. 中国科学技术大学地球和空间科学学院, 合肥 230026;
2. 安徽省气象台, 合肥 230031
摘要:针对夏季江淮地区降水的气候变化进行了文献综述和展望。首先回顾了中国大陆东部夏季降水进退研究情况,然后重点概述了中国大陆东部降水气候变化的研究成果、江淮梅雨气候变化和该地区夏季极端降水的研究成果、中国大陆中东部对流降水与层状降水的气候变化研究现状,随后对引起江淮地区夏季降水气候变化的影响机理研究做了回顾。文章最后指出未来要加强五个方面的研究,即江淮地区降水气候变化的综合机理研究、天气学研究、大气污染作用研究、云物理学研究和观测技术方法研究。
关键词江淮地区    降水    气候变化    降水类型    影响机理    
A review of studies on climate change of summer precipitation in the Jianghuai region
FU Yunfei1 , LUO Jing1 , WANG Dongyong2 , QIU Xuexing2 , ZHOU Shengnan2     
1. School of Earth and Space Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei 230026;
2. Anhui Meteorological Observatory, Hefei 230031
Abstract: In this paper, the climate change of precipitation in summer around Jianghuai region is reviewed and prospected. Firstly, the north-south movement of summer precipitation in the east of continental China was reviewed. Then, the research achievements on the cli-mate change of precipitation in eastern China, the climate change of Jianghuai Meiyu together with summer extreme precipitation, the cli-mate change of convective and stratiform precipitation in eastern China were presented. Subsequently, the mechanism of the climate change on summer precipitation in Jianghuai was summarized. At last, the paper points out that the research in five aspects should be strengthened in the future, that is, the comprehensive mechanism, the synoptic science, the actions of atmospheric pollution, and cloud physics as well as observation technology and methods of precipitation climate change in Jianghuai.
Key words: Jianghuai    precipitation    climate change    precipitation type    influence mechanism    
引言

狭义上江淮地区指长江、淮河之间的地区,而广义上可以理解为中国大陆中东部地区(以下用此名称),地理行政区划包括上海市、山东省、江苏省、安徽省、江西省、浙江省、福建省六省一市,还包括河南和湖北东部。在这样的大空间范围里,其地形地貌复杂,主要水系有淮河、长江、鄱阳湖、巢湖和太湖;自北向南的地形地貌有淮河以北的平原、江淮之间的丘陵、长江沿岸的河谷、江南至东南沿海的山地及丘陵,这一地区西部有大别山区。由于这里地处副热带季风区,雨量充沛,植被好。这一地区宜居,人口密度高,交通便利、工业和农业发达、人文等社会活动丰富。

中国大陆中东部夏季主要为西北太平洋副热带高压(简称西太副高)脊控制。在大气低层(如850 hPa),西太副高西南侧的东南暖湿气流、来自南海的偏南暖湿气流和孟加拉湾的西南暖湿气流与北方相对干冷气流时常相遇于中国大陆东部,并形成准东西向雨带(丁一汇,2005),该雨带随着上述偏南暖湿气流和偏北干冷气流的强弱(弱强)而北进(南退),进而造成夏季长江流域至日本南部雨量的变化(陶诗言等,1979Ding,1992张庆云和陶诗言,1998丁一汇等,2002闫俊岳等,2003靳莉君和赵平,2012)和东亚梅雨时间长短变化,并形成梅雨锋独特结构特征(丁一汇等,2007)。

夏季中国大陆中东部的江淮地区因冷暖空气时常交汇于此,形成江淮梅雨期,期间暴雨肆虐并引发洪水。为此中国科学家对梅雨及暴雨时空分布及其机理做了大量研究,并与日本科学家进行了合作研究。如通过计算分析大气运动学和热力学参量、大气运动频谱特性、季风多尺度系统的相互作用及西太平洋副热带高压活动等特征,来理解江淮地区积云对流活动和暴雨形成机制(丁一汇和王笑芳,1988杨福全和杨大升,1996丁一汇和陆尔,1997陆尔等,1997Zhang et al., 2002; 张庆云等,2003刘芸芸和丁一汇,2009姚秀萍等,2017丁一汇等,2018)。学者们还特别重视了水汽输送对江淮地区暴雨发生发展的作用(Ninomita,1999丁一汇和胡国权,2003张庆云等,2003刘芸芸和丁一汇,2009)

针对以往对中国大陆中东部地区降水的研究多基于再分析数据或数值模拟,中日韩三国的大气科学相关单位联合开展了淮河流域能量与水分循环试验(HUBEX),旨在通过一段时间(1998年5—8月的42 d)多仪器的加密观测(IOP)获取夏季以安徽为中心的中国大陆中东部的地面辐射、水汽、云、热通量、边界层通量梯度等观测数据,用以研究认知东亚季风区(主要是梅雨区)中尺度降水系统的能量与水分循环过程,提高对能量和水分循环的模拟能力(张雁,1998胡国权和丁一汇,2001林朝晖等,2001张雁等,2001Liu et al., 2003)。毫无疑问,利用这些观测结果来认知夏季中国大陆中东部地区的云降水及其相关大气参量的时空变化和机理,将是对以往使用模式数据或再分析数据研究结果的必要补充。

2020年夏季江淮地区遇到了罕见的长时间梅雨期,由于降水时间长、降水强度大、降水落区集中,引发洪水等次生灾害,造成了很大的经济损失。由此可见夏季江淮地区降水的气候变化需要继续研究,以提高其气候变化的预测能力。本文将回顾江淮地区夏季降水的气候变化研究成果,并展望今后应予以重视的研究内容。

1 中国大陆东部降水的气候变化趋势

在研究气候变化时,学者们时常把注意力放在一个较大的空间内(如中国或东亚或全球),希望从整体上把握大区域或全球范围内的大气参数长时间变化特点,如陈隆勋等(1991)翟盘茂(1999)任国玉等(2000)分析中国大陆降水的气候变化空间分布特征,指出大陆年降水量呈减少趋势,但大陆西部降水量增长趋势明显;长江中下游地区年和夏季降水量具有明显增加趋势等。任国玉等(2005)系统地分析了中国大陆地区1951年以来近地表主要气候要素的时空变化特征,指出平均降水量变化趋势不明显,但1956年以来略有增加;降水变化的空间特征明显而相对稳定,其中长江中下游的东南部地区降水增多。对中国1954—2000年中国雨日的气候变化研究表明,雨日已经明显减少,而且雨日的减少比降水量的减少明显多,平均每10 a减少雨日3.8 d(王颖等,2006)。而对东亚近60 a的日降水气候变化分析表明,平均总降水量没有显著下降趋势,降水日数也没有出现趋势性变化,平均日降水强度稍有减小(战云健等,2013)。上述研究的特点是从整体上揭示了大范围降水的气候变化特征,为认知大范围区域的气候变化做出了贡献。

在分析大范围气候变化的同时,学者们还将大范围与小区域气候变化进行比较分析,以发现整体与局地的气候变化异同。如陈隆勋等(1998)利用中国大陆200多个气象观测站的观测结果,分析中国大陆近45 a的气候变化特点时,也对华东等八个区域的气候变化做了分析,从他们绘制的1995年之前的近45 a华东地区降水量距平变化看,该地区的降水量呈现了六次高峰和六次低谷变化,整体变化曲线没有表现明显的增加或减少趋势,但在江淮地区降水稍有增加的趋势。王遵娅等(2004)利用中国大陆740个气象站逐日资料,对中国大陆近50 a气候变化特点进行了分析,并将长江中下游与大陆的夏季降水距平做了比较,指出自1951年以来,大陆年降水略有减少,长江为南涝北旱分布的界线。长江中下游地区自20世纪90年代以后降水大幅度增加。

对于中国大陆中东部降水的气候变化研究,主要集中在江淮地区,因为这里夏季梅雨时常发生洪水灾害;此外还因江淮地区地理位置特殊,夏季南方暖湿空气与北方相对干冷空气时常交汇于此。钱永甫等(2007)对江淮流域的灾害背景、气候特征及其影响因子等作了分析,发现20世纪80年代后该区降水显著增加的趋势,而引起降水变化的因子非常复杂,但可归纳为四大因子:ENSO(El Niño–Southern Oscilla⁃ tion)、中国邻海海温、对流层和平流层环流包括季风环流、青藏高原地表热力状况,这些因子的异常变化会导致江淮地区降水异常(张顺利和陶诗言,2002王慧和王谦谦,2002赵勇和钱永甫, 2007, 2009)。他们的数值模拟研究表明,有时以某个因子为主导,有时是多个因子共同作用,而在诊断分析中很难将它们分离,使各个因子的作用具有不确定性。这就为江淮流域的旱涝预测带来困难,如何比较准确地预测中国大陆东部降水,尚需努力。

2 江淮梅雨气候变化与极端降水

在研究中国大陆中东部地区降水气候变化时,学者们非常关注狭义江淮地区梅雨期降水的气候变化,对梅雨期的天气学或气候学定义(或划分)也有着不同的理解。由于大气科学所说的梅雨期具有地域性和季节性特征,通常指发生在长江流域和淮河流域这一宽广地带的仲夏时节,不仅有雨量多少的要求,还有降水持续时间的要求,其现象背后则对应特定天气系统间的空间配置(徐群,1965陶诗言等,1988陶祖钰和胡爱学,1994王建新等,1994杨义文,2002魏凤英和张京江,2004)。廖荃荪和赵振国(1992)依据根据中国夏季旱涝分布基本特点及其大气环流特征,提出了中国夏季降水的三种基本型,大体反映江淮梅雨多寡。而利用几个代表性强的气象站(如上海、南京、芜湖、九江和汉口气象站)的日降水量与西太副高脊线位置,也能大体定义梅雨期(徐群,1998)。

正如钱永甫等(2007)数值模拟试验研究指出等那样,影响江淮梅雨的因子多,且各个因子的影响梅雨的程度存在不确定性,因此学者们也就发现了利用几个测站的降水量,有时不能同时表征长江中下游与淮河流域的梅雨期(徐群等,2001杨义文等,2001)。针对这一问题,胡娅敏等(2008)定义了“广义梅雨评定标准”,用以表征长江中下游地区和淮河流域地区在内的江淮地区的梅雨特征,这个新定义的梅雨标准大体上涵盖了中国大陆中东部地区。利用这个广义梅雨评定标准,他们研究指出江淮梅雨存在明显的年际和年代际变化,其变化周期呈现多变的特点,但江淮地区梅雨在1965年前后、上世纪70年代末至80年代初、90年代初发生了三次显著的气候突变。

由于梅雨出现时间和结束时间、梅雨强度及空间位置复杂多变,对梅雨期的划定存在着极大的挑战。为了合理和准确地给出江淮地区梅雨划分标准,梁萍等(2010)利用江淮区域梅汛期降水变率一致的36个气象站观测结果,分析梅雨空间分布的持续性特征和西太副高脊线位置,来确定江淮区域入梅和出梅的时间。由于他们的方法既能表征梅雨系统大范围持续性空间分布,又能反映典型梅雨系统的天气学环流等气象条件,故此江淮地区梅雨划分标准的效果较好。

中国大陆中东部地区空间范围大,降水通常也不是在同一时间段密布整个地区,降水空间分布通常呈现连续移动或间断跳跃,由此造成在大范围不同区域不同时间降水气候分布的差异,在江淮地区也是类似,如胡娅敏等(2010)通过分析2005年以前50多年江淮梅雨的降水空间分布特征,发现了江淮梅雨存在5种空间分布雨型,即全流域丰梅型、全流域枯梅型、南丰北枯型、北丰南枯型和南北丰中间枯型,并揭示了它们各自的大气环流场的特征。指出上述各型空间分布均具有明显的年代际变化特点,比如20世纪90年代江淮地区以全流域丰梅型和南丰北枯型分布为主,而2000年以后则以全流域枯梅型、北丰南枯型和南北丰中间枯型为主。他们的研究还指出20世纪60年代梅雨强度最弱、梅雨期最短且雨量少,而90年代梅雨最强、梅雨期最长且雨量多。

近年来,学者们开始关注全球气候变化对江淮地区降水的影响、江淮地区极端降水的时空分布和气候变化特点。方思达和江志红(2013)根据百分位数确定极端降水阈值的方法,分析了1961—2006年江淮地区80个气象站的逐日降水资料,发现全球气候气温暖年较冷年,江淮地区极端降水日数比增加30%以上,极端降水总量比增加13%左右。这从整体上给出了江淮地区极端降水对全球气温增暖的反应。实际上,江淮地区的不同区域极端降水现象,会因地形地貌不同呈现不同特点。王静等(2015)利用阈值技术、分串技术和广义Pareto分布函数方法,通过分析1961—2011年江淮地区5—9月无缺测的71站逐日降水资料,发现江淮地区中东部多存在连续性极端降水,而皖赣鄂交界处则极端降水发生概率大。进一步等分析表明安徽省5—9月气温低于25 ℃时,极端降水量随着气温的升高而增加;而气温高于25 ℃时,随着气温的升高,极端降水量出现不同程度的下降(黄丹青等,2017)。如果这一研究结果正确的话,则安徽等极端降水很少发生在盛夏。

江淮梅雨气候变化和极端降水事件还很少从云物理学视角去研究,如大气污染物与水汽和云的相互作用(即气溶胶间接效应)等。此外,江淮梅雨气候变化若干特征、因子之间相互联系的物理图像还需要进一步分析、梳理和总结。

3 中国中东部对流降水与层状降水气候变化趋势

众所周知,降水由不同天气系统引起,但从云物理学角度看,大体上可以分为层状降水云和对流降水云。地面气象站雨量计观测降水只能给出分钟或小时或日降水量,不能给出该降水量究竟是层状降水云还是对流降水云造成。如果分析降水气候变化仅仅停留在不加区分降水类型的降水气候变化,显然是缺憾的事,因为不同类型降水,如对流性降水或层状性降水,既反映了产生降水天气系统的特点,如慢行冷锋锋面或准静止锋面或梅雨锋面,多产生层状降水;而局地热对流或飑线等,则多产生对流降水。

对流性降水或层状性降水还反映了降水云的微物理特性差异,如层状降水云中相变主要发生在云的中上部,因此云的中上部相变释放潜热,而在云的下部云粒子碰并增长过程占优,这里不但没有潜热加热,雨粒子在下降过程中蒸发还要吸热,故层状降水云的下部潜热为负。对于对流降水云而言,整个云柱中不断有液态云粒子和固态云粒子形成,并相互转化,因此整个云柱的潜热为正值,通常云柱中部潜热最大(Tao et al. 1993)。由此可见,分析不同性质降水的气候变化,能揭示天气系统和云微物理特点相应的气候变化。如能揭示云的微物理参数的气候变化,无疑是气候变化研究的一大进步。

目前不同性质降水的探测主要依赖测雨雷达,地面测雨雷达通常能探测到400 km内的降水强度和降水性质,多普勒测雨雷达还可以反演推算出降水云中的流场。如果将地基多部测雨雷达进行组网探测,则可以得到大范围(如中国东部)的降水强度和性质的分布,长时间数据的积累,便可进行不同性质降水气候变化的分析。遗憾的是目前这类研究甚少,其原因多方面,如多部(几十部或上百部)测雨雷达参数是否长时间保持一致,不同测雨雷达探测结果如何标准化等,直接影响地基测雨雷达探测结果的气候分析。

然而,星载测雨雷达长时间的探测结果,可以克服包括上述的很多不利因素,为研究大范围不同类型降水气候变化提供了途径。首部星载测雨雷达(PR)搭载于热带测雨卫星(TRMM)上,PR于1997年底开始工作,进行了长达17 a (1997—2013年)之久的运行,积累了热带和副热带降水观测的大量数据。该雷达不但提供降水廓线和降水回波反射率因子廓线,还给出降水性质(对流降水和层状降水)。通过分析PR的长时间的降水观测数据,学者们揭示了包括中国东部在内的东亚和亚洲、热带和副热带地区对流降水和层状降水的强度等参数的气候分布特点(Fu et al., 2003Fu and Liu, 2003傅云飞等,2008刘鹏和傅云飞,2010傅云飞等,2011Fu et al., 2017)。10 a气候态分析结果表明中国大陆中东部夏季对流降水强度为10~15 mm·h-1、层状降水强度为1~3 mm·h-1;这两类降水气候态的频次分别为0.5%~1.5%和3%~6% (傅云飞等,2008)。日变化分析表明夏季中国大陆中东部地区对流降水主要出现在午后,而层状降水出现时间倾向稍弱(刘鹏和傅云飞,2010)。图 1所示为PR探测夏季中国南方对流降水和层状降水频次峰值出现时间分布。对PR 10 a探测结果的分析表明,夏季特大暴雨(降水强度为55~70 mm·h-1的对流降水)自大别山西侧至江淮之间和黄淮东部分布,其频次大于0.015%(傅云飞等,2011)。上述研究结果初步给出了包括江淮的中国大陆中东部地区两类主要降水类型的降水气候分布特点,但还需要利用更长时间的星载测雨雷达探测结果来仔细研究。继TRMM后,2014年美国发射了全球测雨卫星(GPM),该卫星搭载了双频测雨雷达(DPR),其中ku波段测雨雷达与TRMM的PR波段相同。因此,整合两颗卫星上相同波段测雨雷达探测的降水数据,获得更长时间具有降水性质的降水数据,将有助于认知不同类型降水的气候变化规律。

图 1 1998—2007年PR探测中国南方夏季对流降水(a)和层云降水(b)频次峰值出现时间分布(刘鹏和傅云飞,2010) Fig. 1 Peak time of summer (a) convective and (b) stratiform precipitation frequency in southern China detected by TRMM PR from 1998 to 2007 (Liu and Fu, 2020).

尽管TRMM的PR探测时间比地面气象站观测降水数据的时间短,但PR近15 a之久探测的对流降水与层状降水数据,还是可以用来分析其气候变化趋势。Fu等(2016)利用这些数据首先分析了夏季中国大陆东部地区这两类降水强度和频次的空间分布,发现30°N以南和以北区域,即中国大陆东部偏南(113°— 122°E,26°—30°N)和偏北(113°—122°E,30°—35°N)区域,这两类降水气候变化趋势存在明显差异,偏北区域两类降水的平均强度均大于偏南地区,但偏南区域两类降水频次高于偏北区域。气候趋势分析表明中国大陆中东部偏南区域对流降水和层状降水的降雨频率呈上升趋势,偏北区域则呈下降趋势,其中偏北区域的层状降水频次趋势减少率是对流降水的两倍;在偏南区域对流降水频次趋势增加明显高于层状降水(图 2)。其分析结果还表明对流降水和层状降水的降水强度在中国大陆中东部的大部分区域呈下降趋势。结合地面探空站的大气温湿数据和卫星光谱遥感的气溶胶光学厚度数据分析,他们指出在中国大陆中东部偏北区域,气溶胶浓度增多趋势与两类降水云的降水强度和频次减小趋势基本一致,其中层状降水强度和频次减少更为明显,这表明偏北区域的气溶胶间接效应突出;在中国大陆中东部偏南区域,大气可降水量和水汽输送的增加趋势、大气气溶胶浓度减小趋势与两类降水云的频次增加趋势一致,说明偏南区域大气变得干洁、水汽增多造成降水频次增多。他们的研究结果需要独立数据或方法来检验,比如利用数值模式研究,来确定中国大陆中东部气溶胶变化与水汽条件变化,究竟对两类降水的强度和频次有多大的作用。

图 2 中国中东部偏南地区(SEC)和偏北地区(NEC)面积平均的降水强度(a, b)和降水频次(c, d)标准化的异常百分比之时间序列, 其中(a, c)为对流降水, (b, d)为层状降水。红、蓝色虚线分别表示NEC..SEC的线性趋势。双星号和单星号分别表示95%和85%的置信水平的统计显著性(基于Fu等(2016)重新绘制) Fig. 2 Area-averaged time series of annual normalized anomalies (%) of (a, b) rain rate and (e, d) rain frequency, in southern Fast China (SEC) and northern East China (NEC), for (a, c) convective and (b, d) stratiform precipitation. Red and blue dashed lines denote linear trends in NEC and SEC. Double and single asterisks denote statistical significance at the 95% and 85% confidence levels, respectively. Redrawn based on Fu et al. (2016).
4 影响机理研究

因为江淮降水特别是暴雨造成的灾害大,国内学者对影响江淮地区降水的因子做了大量研究,这些研究大体上从大气环流异常变化、海温异常变化、青藏高原积雪面积变化等方面入手。通常这些研究利用长时间序列的观测数据或再分析数据,处理得到气候距平数据,然后对这些距平数据进行波谱分析或时间序列分析,从而获得梅雨偏多或偏少的年份等信息。如魏凤英(2006)利用三次样条函数方法,对2000年以前的近百年长江中下游夏季降水量与太阳黑子活动、地球自转速率变化、赤道东太平洋海温和北极涛动等因子,进行了时间序列分析,将年代际和年际尺度分离,得到这些因子与降水量的年代际尺度位相特征,指出在年代际尺度上,太阳活动、地球自转速率和北极涛动对江淮降水影响大;在年际尺度上,前期秋季和同期夏季的赤道东太平洋海温、前期冬春季北极涛动对长江中下游夏季降水影响大。在这之前,他们的分析结果指出长江中下游梅雨年代际尺度变化趋势与全球海表温度的年代际变化趋势基本一致(魏凤英和宋巧云,2005)。由此可见,影响江淮地区降水的因子非常复杂,或许同样的方法分析不同的数据、同样的数据用不同方法,得到的结果可能差异甚大。

在分析江淮梅雨异常偏多或偏少时,学者们通常采用统计学方法,首先分析江淮地区降水空间分布型,然后寻找各分布型相应的大气环流特征或海温高低分布特征等。如宗海峰等(2005, 2006)利用经验正交函数(EOF)方法分析梅雨期降水距平,获得3种长江流域梅雨期降水空间分布类型,然后利用小波分析(Wavelet analysis)方法和线性相关分析方法,计算得到多个气象站梅雨期降水和全球海温的相关系数空间分布,进而揭示了影响不同时间尺度梅雨期降水的海温关键区。孙凤华等(2009)利用类似的方法揭示了东亚副热带西风急流位置的南北变化与中国东部夏季降水异常之间的关系。黄荣辉等(2011)利用EOF可以识别参数场空间多个模态,挑出夏季我国东部季风区降水异常主模态,进而分析其年代际变化特征与东亚上空水汽输送通量时空变化的关系,来解释中国大陆东部夏季降水异常。更进一步是利用统计学的奇异值分解(SVD)方法,它可以计算两个参量空间分布之间的相关性,即计算参量空间分布时间序列与另一参量空间时间分布序列之间的相关系数,而不是气象站点参量时间序列与另一参量空间分布时间序列的相关。邓伟涛等(2009)利用此方法分析了中国东部夏季降水型的年代际变化特征及其与北太平洋海温的可能联系。由于地球环境中气象参数彼此之间很难严格独立,相关计算总能得到一个相关系数,而且是线性相关系数,但这相关系数背后的物理联系才是最难寻觅的。另一方面,统计规律通常适用于多数情况,而极端气象事件往往是那些统计规律不适应的少数情况,这就为预测带来了困难,也为气象工作者不断努力留下了空间。

为了研究江淮梅雨异常期相应的大气环流特征,学者们通过定义入梅和出梅时间点,挑选得到丰梅和枯梅时段,然后通过对多个丰梅或枯梅时段相应大气参数场的合成分析,得到丰梅或枯梅的大气环流特征。如利用这种方法分析多个丰梅期100 hPa南亚高压、500 hPa极涡、乌拉尔山高压脊、鄂霍茨克海阻塞高压、蒙古高压、东亚大槽、西太副高脊线等系统的空间配置特征,发现它们之间配置合适,会导致大气低层辐合增强、高层辐散增强,造成垂直运动增强的环境,将使得江淮地区对流旺盛,梅雨则异常偏多(毛文书等,2008)。

学者们还通过季内大气参数变化,寻找中国大陆中东部梅雨期降水时空分布特点,这些研究注重影响雨带南北进退的因素。比较一致的结论是夏季雨带两次向北推进(被称为突变),即6月中旬雨带从华南向北突变至江淮,对应这里的梅雨期;7月下旬雨带再次北进至中国华北和东北,造成中国北方雨季(赵振国等,1999)。研究表明雨带的这两次突变与西太副高两次北跳及热带地区对流活动加强有关(张庆云和陶诗言,1999),而有关西太副高与夏季风活动之间关系及其对雨带空间位置和强度影响的分析不胜枚举。如苏同华和薛峰(2010)利用再分析大气参数数据和卫星多仪器结合反演的降水数据,采用曾庆存等(2005)提出的变差度和相似度的理论和方法,分析了东亚夏季风环流的演变特征与中国大陆中东部雨带空间位置移动之间的关系,指出雨带北移至江淮流域的梅雨主要是南海地区对流活动加强的结果。而江淮地区强降水释放潜热则阻碍西太副高北进,有利于雨带在江淮流域维持,形成这里的持续性降水(王黎娟等,2011)。研究还指出夏季长江和淮河流域降水异常有各自不同的年际、年代际变化特征,长江和淮河流域梅雨期降水异常偏多年,两者对应的500 hPa位势高度场、水汽来源和高空西风急流均有不同的形式(张庆云和郭恒,2014)。

总体上,我国学者在梅雨机理方面做了大量研究,取得了丰富的成果。虽然通过梅雨期降水空间分布特点,得到了相应大气环流特征或海温分布特征或多种涛动的大气环流型,但反过来的问题是:出现了这类大气环流特征、海温分布特征、涛动的大气环流型特征,是否就意味着出现梅雨相应的降水分布特征呢?对此的研究却十分有限!而如果能搞清楚这些问题,将无疑会提高梅雨的预测。

5 展望

本文对近30 a来夏季江淮地区降水气候变化研究进行了文献综述,梳理该领域多年来的研究成果,探讨存在的不足,旨在促进江淮地区降水气候变化方面的研究,达到准确预测江淮地区旱涝的目的。根据前文对江淮地区降水气候变化研究结果的分析,作者对此领域未来研究重点展望如下:

(1) 加强江淮地区降水气候变化的综合机理研究。只有认知影响江淮地区降水气候变化的诸多因子,才能有效地对江淮地区降水异常变化进行预测。只有综合分析这些因子,才能克服盲人摸象式的机理分析。建议研究江淮地区降水气候变化时,与世界其它地区降水的气候变化研究成果相结合,因为气候变化全球发生,而通过多地区降水气候变化的比较分析,可拓宽视野,从整体上认知整体与局部气候变化的关系。比如提出某海域(如热带东太平洋或西太平洋)海水温度(SST)使得江淮地区降水异常,是否也应该疑问这片海域的SST难道就不会导致其它地区的降水产生异常吗?回答好诸如此类问题,有助于我们真正认清影响江淮地区降水气候变化的因子,服务于该地区的旱涝预测。

(2) 加强江淮地区降水气候变化的天气学研究。气候变化指气象参数长时间的演变情况,而影响这些参数气候变化的因子很多。但是,气象参数长时间的变化,都是由诸多相对短时间尺度变化所组成,其中天气尺度过程对气象参数变化具有决定性的影响,因此可以认为区域或局地长时间的天气过程变化构成了该区域或局地的气候变化。那么引起江淮地区降水气候变化的天气过程这么多年来发生了哪些变化?哪些影响因子(特别是距离江淮地区空间非常遥远的那些因子)与江淮地区降水气候变化之间是通过什么天气过程相联系的?如果不搞清楚这些问题,则研究结果不能帮助江淮地区旱涝预测。

(3) 加强气溶胶对江淮地区降水气候变化影响的研究。大气污染对云降水影响的概念已经为科学研究所认知,但江淮地区的大气污染较为严重,该地区降水的气候变化在多大程度上受到了大气污染物的作用?能否回答本地排放的大气污染与外地输送的大气污染对江淮地区降水气候变化有多大的影响?如果用数值模拟方法研究,数值模拟结果是否有可靠的观测事实检验?这方面的研究既提升江淮降水气候变化的认知,又服务于国家经济和生态建设的需求。

(4) 加强江淮地区降水气候变化的云物理学研究。降水由云产生,那么引起江淮地区降水气候变化的云有怎样的气候变化?这包括云水含量、云厚度、云底及云顶高度等参数的气候变化,还包括水汽条件的气候变化。是否能利用近30 a的地基测雨雷达探测结果对此进行分析?或利用卫星搭载的可见光/红外观测仪器结果进行分析?搞清楚这些问题,将走出传统气候变化研究的思路和方法,推进区域和全球气候变化研究的进步。

(5) 加强江淮地区大气参数、地表参数的观测技术方法研究,积累长时间数据。大气科学也是一门信息科学,观测数据是该学科的源头。如果仅限于模式研究气候变化,或限于模式产生的再分析数据研究气候变化,则如同雾里看花。除了常规的大气观测参数外,希望能进行降水强度和类型、大气污染物浓度和成分(组分)、大气温湿风廓线、地表温度和土壤湿度的同步观测,这就要求加强探测技术方法的研究。希望在江淮地区能有长时间上述参数的观测积累,经过若干年后,也许能正确回答目前我们尚不能回答的很多问题。

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