龐慶兵, 顧建峰, 張智超, 劉海文,4

(1.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院,四川成都610225;2.中國(guó)氣象局預(yù)報(bào)司,北京100081;3.中國(guó)民用航空華東地區(qū)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(duì)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(xù)性暴雨的環(huán)流條件及其演變特征。毛江玉和吳國(guó)雄[2]研究了1991年梅雨期間江淮洪澇區(qū)降水的季節(jié)內(nèi)振蕩及其環(huán)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(guān)系。孫安健等[3]利用觀測(cè)資料分析了1983與1985年夏季北半球500hPa高度場(chǎng)大氣低頻波的振蕩特征。丁一匯和馬曉青[4]對(duì)2004年12月22日～2005年1月1日的強(qiáng)寒潮事件進(jìn)行等熵位渦分析。孫建華等[5]、張慶云等[6]分別對(duì)2003年中國(guó)天氣的氣候異常進(jìn)行了研究。Li等[7]分析了2006年夏季發(fā)生在中國(guó)西南地區(qū)的嚴(yán)重干旱特征及其大氣環(huán)流異常。丁一匯等[8]研究了2008年1月中國(guó)南方罕見低溫雨雪冰凍災(zāi)害發(fā)生的原因及其與氣候變暖的關(guān)系。龐子琴和郭品文[9]研究了不同年代際背景下北極濤動(dòng)與冬季中國(guó)東北氣溫年際異常關(guān)系的變化情況。Wu和Wang[10]對(duì)比分析了1962～1977年和1978～1993年?yáng)|亞夏季風(fēng)與ENSO的關(guān)系。這些研究表明,針對(duì)特殊年份或者不同年代際背景下的年份的天氣、氣候的對(duì)比分析研究顯得非常重要。

關(guān)于1963年和1996年華北夏季降水,大都是針對(duì)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(cái)產(chǎn)帶來(lái)了損失[11];馮伍虎等[12]和孫建華等[13]都對(duì)發(fā)生在1996年中國(guó)河南、山西、河北等省的一次特大暴雨過程進(jìn)行了分析研究。圖1給出了1951～2011年華北盛夏降水的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序,可見60多年來(lái),華北盛夏降水有明顯的一個(gè)下降趨勢(shì),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(lái)降水的最大值,伴隨著東亞夏季風(fēng)在20世紀(jì)70年代際末期的年代際減弱,華北盛夏降水出現(xiàn)了明顯的減少趨勢(shì)。而1996年華北盛夏降水又出現(xiàn)了一個(gè)降水極大值。因此,選取1963年和1996年這兩個(gè)處于不同的年代際背景下的華北盛夏降水的強(qiáng)降水年來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析。分析和研究不同的年代際背景場(chǎng)對(duì)華北盛夏降水調(diào)制作用的異同,這對(duì)加深認(rèn)識(shí)華北盛夏降水規(guī)律的認(rèn)識(shí),顯然具有非常重要的科學(xué)意義。

圖1 1951～2011年華北盛夏降水的準(zhǔn)化時(shí)間序列

1 資料和方法

所用資料包括:

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

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

文中的華北盛夏指的是7、8兩個(gè)月。根據(jù)劉海文和丁一匯[21]對(duì)華北區(qū)域范圍的研究,定義35°N～43°N,110°E～120°E的區(qū)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(jì)算[22]:緯向水汽通量:

經(jīng)向水汽通量:

文中還使用了合成分析,統(tǒng)計(jì)t檢驗(yàn)等方法。

2 1963年和1996年中國(guó)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(guó)160站降水與1951～2011年平均的差值分布。由圖2(a)可見,對(duì)處于華北盛夏降水偏多階段的1963年而言,中國(guó)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(zhǎng)江中下游流域,長(zhǎng)江以南地區(qū)為降水負(fù)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(shí),中國(guó)東部地區(qū)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(duì)于華北盛夏降水處于異常偏少階段的1996年,整個(gè)中國(guó)東部降水的絕大部分地區(qū)都異常偏多,通過顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域仍然位于山西省境內(nèi),但是和圖2(a)相比較,其位置略偏北。從淮河流域到中國(guó)長(zhǎng)江以南的地區(qū)的降水都異常偏多,盡管這些區(qū)域沒有通過顯著性水平信度檢驗(yàn)。

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

綜上所述,1963年和1996年中國(guó)東部地區(qū)夏季降水異常分布有明顯的年代際背景信號(hào)。在1963年,中國(guó)東部地區(qū)降水呈現(xiàn)出明顯的年代際背景特征,即“北澇南旱”;但是對(duì)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(guó)東部地區(qū)降水并沒有出現(xiàn)“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(huán)流

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

而在圖3(b)中,對(duì)于1996年而言,從北到南,整個(gè)中國(guó)東部地區(qū)為異常的“西高東低”型分布。貝加爾湖附近存在兩個(gè)異常的正距平中心,在中國(guó)南方地區(qū)、上海出口處和臺(tái)灣島以東地區(qū)存在3個(gè)異常低值中心。華北盛夏雨量主要取決于1～2場(chǎng)暴雨[30]。研究表明,1996年8月初發(fā)生在河北和山西的特大暴雨過程主要是由于“9608”號(hào)臺(tái)風(fēng)登陸北上引起的[13]。所以在圖3(b)中,在中國(guó)南方地區(qū)、上海出口處和臺(tái)灣島以東地區(qū)分別存在的3個(gè)低值中心,可能與“9608”號(hào)臺(tái)風(fēng)有關(guān)。

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

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

對(duì)應(yīng)對(duì)流層中高層500hPa位勢(shì)高度場(chǎng)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(fēng)場(chǎng)與1958～2002年氣候平均的差值分布。由圖4(a)可見,來(lái)自副熱帶高壓南部的異常偏東氣流在南海轉(zhuǎn)向向北后與來(lái)自貝加爾湖以南地區(qū)的異常偏北氣流在華北地區(qū)上空相遇,形成了一個(gè)異常的氣旋性環(huán)流,使得華北夏季降水異常偏多。在圖4(a)中,中國(guó)東部地區(qū)為異常偏南氣流控制,東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度偏強(qiáng),因此,1963年降水可稱之為季風(fēng)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(fēng)異常偏弱[31-35]。在1996年,西伯利亞反氣旋南側(cè)的偏北冷氣流與北上的偏南暖濕氣流在華北地區(qū)相遇,產(chǎn)生輻合,導(dǎo)致降水偏多。因此,從氣候?qū)W意義上講,1996年降水是系統(tǒng)降水,而非季風(fēng)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(yīng)是形成降水的一個(gè)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(qū)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(zhǎng)江中下游地區(qū)的一個(gè)異常水汽輻合,通過遠(yuǎn)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(qū)域通過0.1的顯著性水平檢驗(yàn))

圖6 110°E～120°E平均的距平全風(fēng)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(jīng)向剖面

強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)是形成降水的另一個(gè)必要條件[36]。為了研究1963年和1996年華北盛夏異常上升運(yùn)動(dòng)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(fēng)速和距平垂直速度的經(jīng)向剖面。由圖6(a)可見,對(duì)于1963年而言,在對(duì)流層頂附近200hPa高度上,25°N附近有一大風(fēng)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(cè)。研究表明,在大風(fēng)速核右側(cè),存在一個(gè)暖空氣下沉,冷空氣上升的逆環(huán)流圈[36]。華北正處于這一逆環(huán)流的上升運(yùn)動(dòng)區(qū),圖6(a)中的異常上升運(yùn)動(dòng)正說(shuō)明了這一點(diǎn),所以異常強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng),有利于華北1963年夏季降水偏多。

對(duì)于1996年而言,對(duì)流層頂層的距平全風(fēng)速和圖6(a)有著明顯不同。在華北上空有一個(gè)負(fù)距平中心,這表明副熱帶西風(fēng)氣流較之氣候平均要小得多,因此在1996年,導(dǎo)致華北異常上升運(yùn)動(dòng)的并不是異常西風(fēng)急流所產(chǎn)生的上升運(yùn)動(dòng)。從異常上升運(yùn)動(dòng)距平圖可以看出,1996年華北上空對(duì)流要比1963年的強(qiáng),這也使得華北盛夏降水異常偏多。

綜上所述,導(dǎo)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(lái)源上講,在1963年影響中國(guó)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(qū)和鄂霍次克海,而1996年的水汽條件,主要是由長(zhǎng)江中下游地區(qū)的異常氣旋性環(huán)流通過遠(yuǎn)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(fēng)速核出口區(qū)右側(cè),而高空大風(fēng)速核出口區(qū)右側(cè)有利于產(chǎn)生一個(gè)逆環(huán)流圈,使得華北處于異常上升運(yùn)動(dòng)區(qū),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(duì)流要比1963年的強(qiáng)。

5 結(jié)論

利用1951～2011年全國(guó)160個(gè)測(cè)站的逐月降水資料及1958～2002年ECMWF逐月再分析資料,采用統(tǒng)計(jì)t檢驗(yàn),合成分析等方法對(duì)不同年代際氣候背景下華北盛夏降水進(jìn)行了對(duì)比分析,得到如下結(jié)論:

(1)對(duì)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(guó)東部地區(qū)盛夏降水也表現(xiàn)出很大區(qū)別。1963年中國(guó)東部盛夏降水的主要特征是“北澇南旱”,但是對(duì)于1996年而言,整個(gè)中國(guó)東部絕大部分地區(qū)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(dǎo)致處于不同年代際背景下華北盛夏降水不同的大氣環(huán)流特征是,在1963年,500hPa高度距平分布中,整個(gè)中國(guó)東部地區(qū)的位勢(shì)高度場(chǎng)為異常的“北高南低”型分布,異常偏南的西南氣流與來(lái)自貝加爾湖以南的異常偏北氣流在華北地區(qū)上空相遇,形成了一個(gè)異常的氣旋性環(huán)流,導(dǎo)致華北盛夏降水異常偏多,故1963年華北盛夏降水屬于季風(fēng)降水;而1996年500hPa位勢(shì)高度距平則在整個(gè)中國(guó)東部地區(qū)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(tǒng)為長(zhǎng)江中下游地區(qū)的異常氣旋性環(huán)流北部的異常東風(fēng)和來(lái)自北方的異常偏北氣流在華北地區(qū)上空交綏,導(dǎo)致華北盛夏降水異常偏多,其屬于系統(tǒng)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(guó)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(qū)和鄂霍次克海,而1996年的水汽條件主要是由長(zhǎng)江中下游地區(qū)存在的異常氣旋性環(huán)流通過遠(yuǎn)距離作用為華北提供水汽。在1963年盛夏,華北地處高空大風(fēng)速核出口區(qū)右側(cè),處于間接環(huán)流上升運(yùn)動(dòng)區(qū);在1996年盛夏,華北上空副熱帶高空急流則異常偏弱,但同時(shí)其上空大氣對(duì)流要比1963年的強(qiáng)。

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