王 然,于 非,司廣成

(1.中國科學(xué)院 海洋環(huán)流與波動重點實驗室,山東 青島 266071;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049;3.中國科學(xué)院 海洋研究所,山東 青島 266071)

WANG Ran1, 2,YU Fei1, 3,SI Guang-cheng3

(1.Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves,Chinese Academy of Sciences,Qingdao 266071,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;3.Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Qingdao 266071,China)

淮河流域(111.9°～121.4°E,30.9°～36.6°N)地處我國東部,介于長江和黃河兩流域之間,面積為27萬km2。洪澤湖以下為淮河下游,水分三路下泄,其中一路在洪澤湖東岸出高良澗閘,經(jīng)蘇北灌溉總渠在扁擔(dān)港入黃海。

圖1 2006年現(xiàn)場調(diào)查的蘇北近岸海域鹽度分布Fig.1 Distribution of salinity in investigation field in 2006

在近幾年的海洋環(huán)境調(diào)查中,發(fā)現(xiàn)蘇北近岸海域鹽度小于 30(圖 1),而在 1992年渤海、黃海、東海海洋圖集中,蘇北近海的鹽度均大于 30,因此,蘇北近岸海域出現(xiàn)異常低鹽水。同時,南黃海中西部綠潮頻發(fā),尤其是2008年北京奧運會前夕,5月底在青島東南方的黃海西部海域(34.5°～35.7°N,121.7°～122°E)出現(xiàn)了大范圍綠潮,并持續(xù)到當(dāng)年7月[1]。盡管目前對于綠潮形成機制的認(rèn)識尚不明確,海水富營養(yǎng)化應(yīng)該是導(dǎo)致綠潮發(fā)生最主要的因素[2]。降水量增加會導(dǎo)致徑流量上升,地表徑流將陸地上的農(nóng)田化肥、農(nóng)藥和其他污染物中的氮磷等營養(yǎng)鹽帶入近海,從而加劇近海水域富營養(yǎng)化的程度,導(dǎo)致綠潮的發(fā)生[3]。

淮河流域降水異常導(dǎo)致淮河支流在蘇北近海的入海淡水通量增加,并將淮河流域人類活動產(chǎn)生的大量生源物質(zhì)更多地帶入近岸海區(qū),加劇海水的富營養(yǎng)化,從而為綠潮的發(fā)生提供海洋環(huán)境背景條件。同時,綠潮的發(fā)生與區(qū)域性環(huán)境因素密切相關(guān),在營養(yǎng)充足的情況下,光照強度和溫度是誘發(fā)綠潮的關(guān)鍵性因素[4]。5～6月份正值春末夏初,海面光照加強,海水溫度升高,結(jié)合強營養(yǎng)鹽通量的輸入,將加大海水中綠潮出現(xiàn)的可能性。因此,通過對淮河流域5～6月的降水特征及其與氣候異常的相關(guān)性進行分析,對于預(yù)測黃海中西部綠潮爆發(fā)是有重要的意義,同時也可為蘇北區(qū)域應(yīng)對洪澇災(zāi)害提供指導(dǎo)意見。

1 資料來源

國家氣象信息中心發(fā)布的1951～2011年全國197個站的逐月降水資料。其中選取淮河流域10個站對淮河流域降水進行分析,并選取長江流域15個站,對淮河流域和長江流域的降水異常進行對比分析,站點分布見圖2a。

美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)氣候預(yù)測中心(CPC)發(fā)布的太平洋年代際振蕩(Pacific Decadal Oscillation,PDO)指數(shù),資料來源于http: //www.cdc.noaa.gov/ClimateIndices/List/。

日本氣象廳Jamstec發(fā)布的1958～2010年逐月印度洋偶極子指數(shù)(Dipole Mode Index,DMI),DMI指數(shù)是赤道印度洋西側(cè)海域(50°～70°E,10°S～10°N)與赤道印度洋東南側(cè)海域(90°～110°E,10°S～10°N)之間的海表面溫度梯度,資料來源于 http://www.jamstec.go.jp/frsgc/research/d1/iod/e/iod/dipole_mode_index.html。

Hadley中心發(fā)布的水平分辨率為1°×1°的1870～2011年逐月海表面溫度資料。

2 結(jié)果與討論

2.1 淮河流域5～6月降水異常特征

首先,使用國家氣象信息中心 1951～2011年逐月降水?dāng)?shù)據(jù),選取位于淮河流域的 10個站點,和位于長江流域的15個站點,取站點降水平均值得到分別代表淮河流域和長江流域 1951～2011年逐月降水?dāng)?shù)據(jù),并求得相應(yīng)的逐月降水異常數(shù)據(jù)。

圖2b是2000～2011年與1951～1999年淮河流域5～6月平均降水做差得到的圖,正值表示在淮河流域 2000～2011年平均降水高于 1951～1999年平均降水,圖2b中,淮河流域顯示為正值,表明2000年后,淮河流域 5～6月平均降水出現(xiàn)正異常,處于降水增多的趨勢。而2000年以后,黃海沿岸綠潮開始大規(guī)模爆發(fā),要了解綠潮頻發(fā)與淮河流域的降水異常之間的關(guān)系,就需要通過對淮河流域 5～6月平均降水異常的振蕩周期進行分析,掌握其變化特征。

圖3是淮河流域和長江流域5～6月平均降水異常的時間序列。從圖 3以看出,20世紀(jì) 50年代～60年代末、80年代～90年代末,淮河流域與長江流域5～6月降水異常的位相變化方向基本一致;20世紀(jì)70年代初～80年代初以及2000～2010年,淮河流域和長江流域 5～6月降水異常的變化趨勢呈現(xiàn)了明顯的反位相變化,即淮河流域降水正異常變化,而長江流域降水負(fù)異常變化。Xuan等[5]在2011的研究也指出,1980年以后,江淮流域夏季降水增加,并且在2000年后,淮河流域夏季降水明顯增加, 長江流域夏季降水呈明顯下降的態(tài)勢。這說明淮河流域在5～6月的平均降水異常也可能存在年代際尺度的變化周期,所以對它的降水異常進行小波頻率譜分析。

圖4表明淮河流域5～6月平均降水異常有明顯的年際和年代際變化周期,年際變化周期為 2～7 a,年代際變化周期表現(xiàn)為10 a左右以及16 a,這些周期都通過了95%的信度檢驗。再利用Morlet小波變換對淮河流域10個站點在5～6月的平均降水異常進行小波分析。由于小波變換將降水量異常在時間和頻率兩個方向展開,這樣可以得到不同時間尺度振蕩隨時間變化的二維圖像(圖5),圖中橫坐標(biāo)為時間參數(shù),縱坐標(biāo)為頻域參數(shù)(周期),實線表示正值,虛線表示負(fù)值。

圖2 淮河流域和長江流域的站點分布(a)以及2000～2011年和1951～1999年淮河流域5～6月平均降水異常差值(cm)圖(b)Fig.2 Stations located in the Huaihe River Valley and the Changjiang River Valley (a)and difference(cm)of precipitation anomalies in the Huaihe River Valleys during May to June between 2000～2011 and 1951～1999(b)

圖3 淮河流域(a)及長江流域(b)5～6月平均降水異常時間序列Fig.3 Mean rainfall anomalies’ timeseries in the Huaihe River Valley (a)and the Changjiang River Valley (b)during May to June

圖4 淮河流域5～6月平均降水異常小波頻率譜Fig.4 Wavelet spectrum of mean precipitation anomalies during May to June in the Huaihe River Valley

圖5 淮河流域5～6月平均降水異常小波能量譜Fig.5 Wavelet power spectrum of mean precipitation anomalies during May to June in the Huaihe River Valley

根據(jù)圖5中周期的分布,年際變化表現(xiàn)為20世紀(jì)60年代初到80年代末以及90年代末的3 a振蕩的負(fù)位相;年代際變化表現(xiàn)為準(zhǔn)10 a振蕩;準(zhǔn)16 a振蕩表現(xiàn)為20世紀(jì)90年代末的正位相;20世紀(jì)60年代～70年代中期以及90年代末,存在明顯的準(zhǔn)6 a振蕩的負(fù)位相,而20世紀(jì)70年代末～80年代末,則表現(xiàn)為準(zhǔn)8 a振蕩的負(fù)位相。從圖5中可以看出,整個20世紀(jì)50年代,淮河流域5～6月處于年代際降水正異常期;20世紀(jì)60年代～80年代末,淮河流域5～6月處于年代際降水負(fù)異常期,這主要是由準(zhǔn)3 a、準(zhǔn)6 a和準(zhǔn)8 a振蕩負(fù)位相疊加體現(xiàn)的;20世紀(jì)90年代末至今,淮河流域 5～6月處于年代際降水正異常期,主要是由準(zhǔn)10 a和準(zhǔn)16 a振蕩正位相疊加體現(xiàn)的。已有的研究表明,20世紀(jì)70年代末以及2000年左右,中國東部夏季降水均產(chǎn)生了明顯的突變[6]。根據(jù)圖5顯示,淮河流域 5～6月平均降水異常在 20世紀(jì) 90年代中期開始由負(fù)位相向正位相轉(zhuǎn)化,受年代際信號影響,開始進入降水偏多期。

2.2 淮河降水異常與氣候異常

上面的分析指出,淮河流域的降水異常具有明顯的年際和年代際振蕩信號。目前,已經(jīng)有很多研究分析討論了淮河流域降水和 ENSO之間的關(guān)系[7-10],指出 ENSO事件是影響淮河流域降水的因素。影響淮河流域降水的年際、年代際變化的其他因素,值得進一步探討。

江淮流域的夏季降水實際上就是東亞夏季季風(fēng)推進的產(chǎn)物,其變化與東亞夏季季風(fēng)的進退緊密相關(guān)[10]。陳際龍等[11]在2008年研究了亞洲夏季風(fēng)水汽輸送的年際、年代際變化與中國降水異常的關(guān)系,結(jié)果表明,如果南亞夏季風(fēng)緯向水汽輸運較強(弱),東亞—西北太平洋地區(qū)水汽輸運的偶極型異常將有利于江淮流域的水汽輻合負(fù)(正)異常。唐位亞等[12]研究指出印度洋海溫偶極振蕩異常引起了大氣環(huán)流的異常,影響到季風(fēng)強度和雨帶分布。那么,接下來要討論DMI與淮河流域5～6月平均降水異常的關(guān)系。

圖6是淮河流域5～6月平均降水異常與DMI指數(shù)的時間序列分析圖。圖6中的時間序列可發(fā)現(xiàn),淮河流域5～6月平均降水異常與DMI指數(shù)之間存在滯后相關(guān)關(guān)系,為此我們對這種關(guān)系做進一步分析?；春恿饔?～6月平均降水異常在滯后DMI指數(shù)6個月時達到最大正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.263,置信度超過95%。因此,淮河流域5～6月平均降水的年際變化可能受到了DMI的影響,前期冬季的印度洋偶極振蕩越強烈,下一年淮河流域5～6月的平均降水異常越明顯。

圖6 1951～2011年淮河流域5～6月降水異常與DMI指數(shù)變化Fig.6 Precipitation departure in May and June and DMI index

圖7 1951～2011年淮河流域5～6月降水異常與PDO指數(shù)變化Fig.7 Precipitation Departure in May and June and PDO indexs

圖7是淮河流域5～6月平均降水異常與PDO指數(shù)的時間序列分析圖。前文提到的淮河流域降水在20世紀(jì)70年代末以及2000年左右的突變,正對應(yīng)了PDO的位相轉(zhuǎn)換,1977～1998年,北太平洋正處于PDO暖位相[13],20世紀(jì)90年代末至今,北太平洋處于PDO冷位相(圖7),圖4中淮河流域5～6月平均降水異常時間序列顯示,2000年后,淮河流域5～6月平均降水處于偏多期,這正印證了魏鳳英[14]在2009年得到的結(jié)論,PDO冷位相時,淮河流域夏季降水呈偏多趨勢。為了進一步確認(rèn)PDO與淮河流域5～6月平均降水的關(guān)系,做降水異常相對于PDO指數(shù)變化的滯后相關(guān)?；春恿饔?～6月平均降水滯后PDO指數(shù)異常 20個月負(fù)相關(guān)系數(shù)為-0.371 6,置信度超過95%。在PDO負(fù)位相時,淮河流域5～6月處于年代際多雨期,并且在滯后 PDO指數(shù)負(fù)異常20個月后,淮河流域5～6月降水異常達到最大正異常。

3 結(jié)論

淮河流域5～6月平均降水在2000年后呈現(xiàn)偏多趨勢,并且與同時期長江流域的降水呈反位相的變化。對淮河流域5～6月平均降水異常進行小波分析,得到的結(jié)論證明,淮河流域 5～6月平均降水具有準(zhǔn)10 a以及準(zhǔn)16 a的年代際振蕩周期,并且表現(xiàn)為正位相,2000年后的多雨趨勢也正是這兩個正位相疊加的結(jié)果。

通過對淮河流域5～6月降水異常與DMI指數(shù)進行滯后相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn),降水異常在滯后DMI指數(shù)6個月時,二者達到最大正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為 0.2630,置信度超過 95%。說明前期冬季印度洋海溫偶極振蕩的越劇烈,淮河流域5～6月降水異常越明顯。

通過對淮河流域5～6月降水異常與PDO指數(shù)進行滯后相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn),降水異常在滯后 PDO指數(shù)20個月時,二者達到最大負(fù)相關(guān),負(fù)相關(guān)系數(shù)為-0.3716,置信度超過99%。這說明,PDO對淮河流域5～6月降水異常存在一定的影響。

綜上所述,淮河流域降水異常受到來自年代際氣候異常信號的影響,導(dǎo)致徑流異常,從而導(dǎo)致入海淡水輸運異常,這對于海水中營養(yǎng)鹽含量將產(chǎn)生影響,繼而導(dǎo)致綠潮藻類的異常增殖或者減少。2000年后,黃海中西部5～7月綠潮頻發(fā),這是否與淮河流域2000年后5～6月的降水異常的年代際變化相關(guān),還需要進一步研究。

[1]衣立,張?zhí)K平,殷玉齊.2009年黃海綠潮爆發(fā)與漂移的水文氣象環(huán)境[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報,2010,40(10): 15-23.

[2]唐啟升,張曉雯,葉乃好,等.綠潮研究現(xiàn)狀與問題[J].中國科學(xué)基金,2010,1: 5-9.

[3]梁宗英,林祥志,馬牧,等.綠潮漂流聚集綠潮現(xiàn)象的初步分析[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版,2008,38(4): 601-604.

[4]Taylor R,Fletcher R L,Raven J A.Preliminary studies on the growth of selected “green tide” algae in laboratory culture: effects of irradiance,temperature,salinity and nutrients on growth rate[J].Botanica Marina,2001,44: 327-336.

[5]Xuan Shouli,Zhang Qingyun,Sun Shuqing.Anomalous midsummer rainfall in Yangtze River-Huaihe River Valleys and its association with the East Asia Westerly Jet[J].Advance in Atmospheric Sciences,2011,28(2): 387-397.

[6]Zhu Yali,Wang Huijun,Zhou Wen.Recenr changes in the summer precipitation pattern in East China and the background circulation[J].Clim Dyn,2011,36: 1463-1473.

[7]Huang Ronghui,Wu Yifang,The influence of ENSO on the summer climate change in China and its mechanisms[J].Advance in Atmospheric Sciences,1989,6: 21-32.

[8]Zhang R,Akimasa S,Masahide k.A diagnostic study of El Nino on the precipitation in China[J].Advances in Atmospheric Sciences,1999,16(2): 229-241.

[9]Lin Zhongda,Lu Riyu.The ENSO’s Effect on Eastern China rainfall in the following early summer[J].Advances in Atmospheric Sciences,2009,26(2): 333-342.

[10]涂長望,黃士松.中國夏季風(fēng)之進退[J].氣象學(xué)報,1944,18: 1-20.

[11]陳際龍,黃榮輝.亞洲夏季風(fēng)水汽輸送的年際年代際變化與中國旱澇的關(guān)系[J].地球物理學(xué)報,2008,51(2): 352-359.

[12]唐衛(wèi)亞,孫照渤.印度洋海溫偶極震蕩對東亞環(huán)流及降水影響[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報,2005,28(3): 316-322.

[13]楊修群,朱益民,謝倩,等.太平洋年代際震蕩的研究進展[J].大氣科學(xué),2004,28(6): 979-992.

[14]魏鳳英,張婷.淮河流域夏季降水的振蕩特征及其與氣候背景的聯(lián)系[J].中國科學(xué)D輯: 地球科學(xué),2009,39(10): 1360-1374.