应用气象学报  2006, 17 (1): 1-9   PDF    
引用本文
高辉. 淮河夏季降水与赤道东太平洋海温对应关系的年代际变化[J]. 应用气象学报, 2006, 17(1): 1-9.
Gao Hui. Decadal Variation of the Relationship Between Summer Precipitation along the Huaihe River Valley and SST over the Equatorial Eastern Pacific[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2006, 17(1): 1-9  
淮河夏季降水与赤道东太平洋海温对应关系的年代际变化
高辉     
国家气候中心 中国气象局气候研究开放实验室, 北京 100081
2005-02-28 收到, 2005-06-30 收到修改稿.
资助项目: 国家自然科学基金项目 (40505014) 和国家气候中心课题QHBH-YW-2005-7共同资助    
摘要: 基于我国台站降水观测资料、NCEP/NCAR再分析资料和NOAA的ERSST资料讨论了淮河夏季降水与赤道东太平洋海表温度对应关系的年代际变化。结果表明:淮河夏季降水在20世纪70年代中期发生了一次明显的突变, 在突变之前, 其降水呈线性减少趋势, 而在其后降水呈线性增加趋势; 同时, 淮河夏季降水与前期ENSO的对应关系在突变前后有明显的差异, 在突变前, 降水与赤道东太平洋的海温为显著的负相关, 而在突变后, 相关值转为弱的正相关。滑动相关结果显示:近20年是整个研究时段中二者对应关系最弱的时期。进一步研究发现:淮河降水与西太平洋副热带高压位置和强度的对应关系也在20世纪70年代中期前后经历了一个年代际变化, 在突变前, 淮河夏季降水与副高强度呈正相关, 突变后则为负相关。其中淮河8月降水在突变前主要受副高脊线位置和副高北界影响, 突变后则主要受副高面积和强度影响。即ENSO对淮河夏季降水预测的参考意义正在减弱, 同时副高对降水的作用方式正在转变。
关键词: 淮河夏季降水    赤道东太平洋海温    西太平洋副热带高压    年代际变化    
Decadal Variation of the Relationship Between Summer Precipitation along the Huaihe River Valley and SST over the Equatorial Eastern Pacific
Gao Hui     
Laboratory for Climate Studies, National Climate Center, CMA, Beijing 100081
Abstract: The precipitation along the Huaihe River valley plays an important role for the position and the intensity of the rainbelt in eastern China in summer. Based on monthly rainfall data from 160 primary stations in China during 1951—2003 and the NOAA extended reconstruction sea surface temperatures (ERSSTs) data in the same period, the decadal variation of the relationship between summer precipitation along the Huaihe River valley and the SSTs over the equatorial eastern Pacific is studied. Results show that the precipitation is characterized by a remarkable interannual variability, especially by a quasi-biennial oscillation (QBO) during the 1950s to mid-1960s and after the 1980s. Besides the interannual variation, it also contains a distinct abrupt change in the mid-1970s. The precipitation decreases significantly before the abrupt change time while increases after that. The relationship between the summer precipitation and the SSTs in previous winters over the Niño3 regions also differs remarkably with significant negative correlation coefficients before 1974 but with weak and positive values after 1980. Similar patterns can also be found in the composed global SST anomaly (SSTa) fields according to five wettest and driest years in each period along this valley. A 24-year moving window correlation results reveal that the relation in the last two decades is the weakest among the whole research periods. This weakening relationship can also be found in the SSTa fields in previous autumns. Besides this, the relationship between the precipitation and the intensity of the western Pacific subtropical high (WPSH) also possesses a decadal variation with positive coefficients before 1974 but negative after 1980, especially for that of August. During August, the correlation coefficients between the precipitation and the longitudes of the ridge location of the high are -0.56 and 0.03 respectively in the first and second period, while -0.18 and 0.53 respectively for the intensity of the high. That is to say, the rainfall in August is mainly affected by the position of the WPSH in the first period while by its intensity in the second. Above results indicate that the significance of ENSO as a predictor of the summer precipitation along the Huaihe River valley is weakening and the influencing approach of the WPSH is changing. This weakening significance has increased the difficulties of the prediction of China summer rainfall.
Key words: summer precipitation along the Huaihe River valley     SSTs over the equatorial eastern Pacific     western Pacific subtropical high     decadal variation    
引言

淮河流域位于东亚季风区内陆, 属于亚热带半湿润气候区, 是我国重要的粮棉基地。但是, 淮河流域从古至今旱涝灾害频频发生, “大雨大灾, 小雨小灾, 无雨旱灾”是其一大特点。仅2003年淮河暴雨就造成了约181.7亿元的直接经济损失, 受灾人口高达4751.8万人。旱涝灾害严重制约着当地的经济发展, 同时也引起了气象学家们的广泛关注。早在20世纪30年代, 竺可桢先生就论述了季风对1931年江淮涝灾的影响[1]; 20世纪60年代初期, 陶诗言等[2]研究发现, 当夏季江淮流域出现持久性旱涝时, 中纬度和副热带地区流型均甚稳定。Nitta[3], 黄荣辉[4]及Shi等[5]先后讨论了东亚大气环流遥相关 (PJ波列或EAP遥相关型) 异常与我国江淮流域夏季旱涝的密切关系。尹树新等[6]认为夏季风的异常是影响我国江淮地区严重旱涝的重要因素。孙淑清等[7]则从冬季风的角度分析江淮旱涝的原因, 发现旱年前冬冬季风强, 涝年弱。

在外界因子方面, ENSO无疑是淮河夏季降水最重要的影响因素之一。王钟睿等[8]指出, Niño3区海温对江淮流域降水的影响要比亚洲纬向环流指数重要。励申申等[9]指出, 秋冬季增暖的厄尔尼诺事件对应江淮流域夏季降水偏多, 而春夏季开始发展的ENSO事件易使江淮流域夏季降水偏少。张秉伦等[10]用更长时段的资料论述了二者的关系。此外, 淮河夏季降水还受到北太平洋海温的影响[11]。

由于淮河是我国七大江河中流程最短、流域面积较小的河流, 空间尺度小, 旱涝随机性大。同时, 淮河以南属亚热带, 以北为暖温带, 南北年降水量相差达400~500 mm。空间尺度小和气候过渡带的双重特性大大增加了淮河流域旱涝的预测难度, 历史上淮河几次大水如1975年、1991年和2003年都未能成功预测。过去的一些研究常把淮河和长江中下游作为一个整体进行分析, 但计算表明, 在6—8月, 淮河与长江中下游17站降水的相关系数分别为-0.08, 0.15和0.07, 也即二者是相互独立的, 因此有必要将淮河流域降水作单独分析。此外, 过去有关淮河旱涝与大气或海温异常关系的研究无一例外地建立于整个资料时段。但从后面的结果可以知道, 淮河夏季降水经历了一个非常明显的年代际变化过程, 突变时间集中在20世纪70年代中期, 而这一时期正是北太平洋海温[12]、赤道东太平洋海温[13]包括东亚夏季风[14-15]和大气环流[16]发生突变的时期。而且ENSO与东亚夏季风的相互关系在这一时期前后也出现了间断性[17-18]。因此, 淮河旱涝与大气环流和前期海温场的对应关系是否也出现了年代际变化需要作进一步分析。

1 资料

国家气候中心气候系统诊断预测室提供的1951—2003年逐月我国160测站降水和西太平洋副热带高压特征参数 (副高面积、强度、脊线、北界和西伸脊点)。为了反映各地区的降水状况, 根据地理位置和气候特征, 将这160站分为15个区。其中淮河区代表站有9个, 分别为新浦、清江、徐州、蚌埠、阜阳、南阳、信阳、东台和郧县。

与降水同时段的NCEP/NCAR 500 hPa位势高度场再分析资料, 资料水平分辨率为2.5°×2.5°。

海温资料为1950年1月—2003年11月NOAA的ERSST资料 (Extended Reconstructed Sea Surface Temperature), 资料水平分辨率为2°×2°。

若无特别说明, 文中夏季均指当年6—8月, 前秋为前一年9—11月, 前冬为前一年12月至当年2月, 前春为当年3—5月。

2 淮河夏季降水变化特征

图 1为夏季淮河流域9站平均降水序列。可见, 淮河夏季降水有着非常显著的年际变化, 且在20世纪50年代至60年代中期和80年代后期以准两年振荡 (QBO) 为主。此外, 降水还呈现出明显的年代际变化, 在20世纪70年代中期以前, 降水呈线性减少趋势, 趋势值约为-3.62 mm/a, 而在80年代之后, 降水有明显的线性增加, 增加趋势值约为2.36 mm/a; 换言之, 70年代中期为淮河夏季降水最少期, 在这一时期, 降水趋势发生了一个明显的突变。因此, 在下面的讨论中, 取1951—1974年为降水趋势突变前研究时段, 1980—2003年为突变后研究时段。这两个时段分别处于20世纪70年代中期海温和大气环流年代际突变之前和之后, 对研究海气相互作用的年代际变化具有很好的代表性。两个时段降水线性趋势值如图 1中虚线所示。

为后文合成分析所需, 根据图 1, 分别选取两个时段标准化值最大和最小各5年作为降水偏多和偏少年。其中1951—1974年时段的5个降水偏多和年为1954, 1956, 1963, 1965年和1971年, 5个降水偏少年依次为1959, 1961, 1966, 1967年和1973年; 1980—2003年时段的5个降水偏多年为1980, 1982, 1991, 2000年和2003年, 降水偏少年为1985, 1988, 1992, 1994年和1999年。上述年份的标准化值都大于0.5或小于-0.5。

图 1. 1951—2003年淮河9站夏季降水量及其线性趋势分布 (细实线: 降水量, 粗实线: 1971—2000年平均降水量, 单位: mm; 虚线分别为1951—1974年和1980—2003年两个时段降水线性趋势线, 单位: mm·a-1)

3 淮河夏季降水与前期海温对应关系的年代际变化

图 2为上述两个时段淮河夏季降水与前冬海温场的相关。可见, 在1951—1974年 (图 2a), 二者相关场主要以负相关为主, 其中赤道中东太平洋是最显著的负相关区, 大部分区域的相关系数低于-0.5, 接近99%置信度t检验标准。赤道印度洋和南印度洋为另一显著的负相关区。北太平洋大片区域则为正相关区, 其中千岛群岛附近的相关超过95%的置信度检验。另外, 在南太平洋, 显著正负相关交替出现。而在突变后的1980—2003年 (图 2b), 赤道中东太平洋与淮河夏季降水呈弱的正相关, 南印度洋也由负相关转为正相关区且相关系数通过95%置信度检验。北太平洋仍为正相关区, 并且显著正相关的范围有所扩大和东移。淮河夏季降水与前秋海温在两个时段的相关场分布与图 2非常类似 (图略), 尤其是在上述几个海温关键区, 这主要是因为在秋、冬季海温有很好的异常持续性和自相关性 (图略)。

图 2. 淮河流域夏季降水与前冬SST相关场 (a) 1951—1974年, (b) 1980—2003年

图 3为1951—1974年淮河夏季降水偏多偏少年前冬全球海温距平场, 海温信号相反的区域也是位于赤道中东太平洋, 在降水偏多年前冬, 整个赤道中东太平洋为-0.5 ℃以下的海温负距平控制; 相反, 在降水偏少年, 该海区前冬为正距平, 180°~120°W范围的正距平超过0.5 ℃。这一结果和图 2a一致。其他海区海温的合成结果也大都与相关分析的结论符合。但在1980—2003年 (图 4), 无论是淮河夏季降水偏多年还是偏少年, 前冬赤道东太平洋都为弱的正海温距平。因此, 对于近20年而言, 东太平洋海温 (或ENSO) 对淮河夏季降水的预测并无太多的预测参考价值。

图 3. 1951—1974年淮河夏季降水偏多年 (a) 和偏少年 (b) 前冬海温距平合成场 (阴影区表示海温距平大于0.5 ℃或小于-0.5 ℃)

图 4. 1980—2003年淮河夏季降水偏多年 (a) 和偏少年 (b) 前冬海温距平合成场 (说明同图 3)

进一步以21年作为窗口长度计算前冬Niño3区海温和淮河夏季降水的滑动相关 (图 5)。可见, 二者负相关系数值呈现出非常显著的增加趋势, 在1984年之前, 每一个21年时段的相关值都能通过95%置信度检验, 但在此后, 二者的相关强度越来越弱。近20年相关系数绝对值甚至不到0.1。从图 5可以更清楚地看出, 前期ENSO对淮河夏季降水预测参考意义减弱。

图 5. 前冬Niño3区SST与淮河夏季降水的滑动相关 (滑动窗口长度为21年, 横坐标上数值表示滑动相关取该年前后各10年的21年, 水平虚线为95%置信度检验线)

赤道东太平洋海表温度与淮河夏季降水对应关系的年代际变化从表 1可以更清楚地得到显示。在1951—1974年, 前期海温和夏季各月降水几乎均呈负相关, 其中前期9—11月海温与6月降水的负相关通过了95%置信度检验, 另外, 前期9月至当年2月的Niño3区海温与淮河8月降水的负相关也很强, 部分系数值也通过95%置信度检验, 表明在这一时段秋冬季Niño3区SST在淮河夏季降水尤其是6月和8月降水预测中的重要参考作用。而在1980—2003年, 二者关系有了非常明显的转变。对于6月降水, 其和前期Niño3区海温的负相关性大大减弱, 9个相关系数中没有一个能够通过90%的置信度检验。7月与8月降水与前期海温的相关性则由负相关转为正相关, 尤其是8月降水, 其与2月及4月海温的正相关甚至通过了95%的置信度检验。这样就导致了前期赤道东太平洋海温在淮河8月降水预测中参考信息的完全相反, 如果不能注意到二者关系的年代际变化, 可能得出完全相反的结论。

表 1 不同时段Niño3区海温与淮河夏季降水的相关

Niño3.4区及Niño4区海温与淮河夏季各月降水的相关结果与表 1类似, 也反映出在20世纪70年代中期以前各区海温与淮河夏季各月降水呈较强的超前负相关, 但在80年代之后, 负相关减弱或转为正相关。

4 淮河夏季降水与西太平洋副热带高压对应关系的年代际变化

已有的研究认为, 赤道中东太平洋海温与夏季西太平洋副热带高压位置和强度有很好的对应关系, 而副高位置强度的异常在很大程度上影响着我国东部雨带的位置和降水强度[19-20]。图 6为前述两个时段淮河夏季降水与同期500 hPa位势高度场的相关。很显然, 两时段的相关场有很大差别。在前一时段 (图 6a), 除西太平洋的局部地区外, 亚洲—中太平洋的热带地区为负相关区, 这意味着当副高强度偏弱时有利于淮河夏季降水偏多; 反之, 当副高偏强时, 淮河降水偏少。而在后一时段 (图 6b), 情况刚好相反, 副高主体位置区为正相关, 即在这一时段副高的偏强或偏弱对应淮河夏季降水的偏多或偏少。

图 6. 淮河流域夏季降水与同期500 hPa位势高度场相关 (a) 1951—1974年, (b) 1980—2003年 (阴影区表示通过95%置信度检验)

表 2列出了6—8月西太平洋副热带高压各特征参数与淮河降水的同期相关。在1951—1974年, 除6月副高脊线与降水为弱正相关外, 其他副高特征参数与降水的相关系数均为负值, 其中8月副高脊线、副高北界与同月降水的相关值都通过了99%的置信度检验。而在1980—2003年, 相应的相关值却迅速减低为0.03和0.09, 二者几乎无相关性。另外, 在1980—2003年, 8月副高的面积和强度与同期淮河降水溪很强的正相关, 相关系数通过95%置信度检验, 而在1951—1974年, 对应的相关值为负, 这些结果与图 6是一致的。

表 2 6—8月副高特征参数与淮河降水的同期相关

表 2的结果表明:在20世纪50年代至70年代中期, 8月淮河降水主要受副高脊线位置和副高北界的影响, 当副高主体偏南时, 淮河降水易偏多, 反之偏少, 而受副高面积、强度及西伸脊点影响不大。但在20世纪80年代之后, 8月淮河降水主要受副高面积和强度影响, 当副高偏强时, 淮河降水易偏多, 反之偏少; 8月淮河降水受副高脊线和其北界位置影响不大。另外, 在1980—2003年, 6月淮河降水与同期副高脊线也有较好的对应关系。这些都表明副高异常作用对淮河夏季降水的方式正在发生转变。

5 结论和讨论

本文讨论了20世纪70年代中期前后各24年淮河夏季降水和前期海温场及同期西太平洋副热带高压的对应关系。初步研究结果表明:淮河夏季降水除有非常显著的年际变化 (以准两年周期为主) 外, 还在20世纪70年代中期发生了一次明显的突变, 在突变之前, 其降水呈线性减少趋势, 而在其后, 淮河夏季降水呈线性增加趋势。这两个时段淮河降水与前期海温的对应关系发生了明显的变化。在突变前, 淮河夏季降水与赤道东太平洋及赤道印度洋和南印度洋的海温为显著的负相关, 而在突变后, 赤道东太平洋区相关值转为弱的正相关, 换言之, 在突变后赤道东太平洋已不再是影响淮河夏季降水的海温关键区。进一步研究发现, 淮河夏季降水与同期西太平洋副热带高压的位置和强度的对应关系也在20世纪70年代中期前后经历了一个年代际变化。在突变前, 淮河夏季降水与副高强度呈正相关, 突变后则为负相关。其中8月淮河降水在突变前主要受副高脊线位置和副高北界的影响, 当副高主体偏南时, 淮河降水易偏多, 反之偏少; 突变后, 8月淮河降水主要受副高面积和强度影响, 当副高偏强时, 淮河降水易偏多, 反之偏少。由此表明, 研究淮河夏季旱涝的影响因子时需充分考虑其和海温及大气环流关系的年代际变化。

本文只是初步揭示了淮河夏季降水与海温及大气环流对应关系的年代际变化, 具体机制尚未作分析。关于ENSO与印度夏季风 (全印度夏季降水) 关系的减弱及其机理已有了一些研究。如Kumar等[21]基于140年的资料得出20世纪80年代开始, 印度夏季降水与Niño3区海表温度反位相的关系出现了中断, 并提出两种可能的原因:其一是近20年来, 与El Niño相伴的Walker环流偏东偏南, 即印度上空的下沉气流减弱; 另一种原因是冬春季欧亚气温升高, 加大了海陆气压梯度, 导致季风偏强。但Chang等[22]认为大西洋急流强度的加强和位置的偏极可能是更主要的原因, 急流的这一变化促使冬季西欧上空气温和后期季风降水关系增强, 这一经向温差的效应足以瓦解ENSO对季风降水的影响。而对于ENSO和我国东部夏季降水关系减弱的机理目前还不是很清楚, 因为东亚夏季风远比印度夏季风复杂, 不能简单地用降水来衡量。这一关系的减弱可能和年代际的冷暖背景有关。例如, 徐建军等[23]基于数值模拟发现, 在年代际的冷、暖背景下, 降水响应的异常场在ENSO的不同发展阶段表现出显著的不同, 但其中的具体过程和机制还有待进一步研究和证实。同样, Walker环流、欧亚雪盖 (气温) 及大西洋急流等是否也是导致ENSO和东亚夏季风关系减弱的主要因子也需要验证。另外, 东亚夏季风环流尤其是西太平洋副热带高压在ENSO和我国夏季降水关系间断性中起怎样的作用目前也不十分清楚。这些都是短期气候预测中最基本的也是最重要的问题, 这些问题都有待下一阶段继续分析。

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