趙 杰，喬云亭，王 超

(1. 中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院∥季風(fēng)與環(huán)境研究中心，廣東 廣州 510275；2. 黔南布依族苗族自治州氣象局，貴州 都勻 558000；3. 貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550000)

湖南冬季降水的年代際突變及其影響因子*

趙 杰1,2，喬云亭1，王 超3

(1. 中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院∥季風(fēng)與環(huán)境研究中心，廣東 廣州 510275；2. 黔南布依族苗族自治州氣象局，貴州 都勻 558000；3. 貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550000)

利用1960-2010年湖南20個(gè)測站的降水資料，采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(EOF)等方法分析了湖南冬季降水的年代際變化特征及其影響因子。結(jié)果表明：1973-2009年湖南冬季降水經(jīng)歷了兩次年代際突變，分別出現(xiàn)在1988和1998年。1973-1987年湖南冬季降水偏少，1988-1997年降水偏多，1998-2009年降水再次偏少。湖南降水的年代際變化與西伯利亞高壓、北極濤動(AO)、東亞西風(fēng)急流和歐亞遙相關(guān)型年代際變化的協(xié)同作用有關(guān)。西伯利亞高壓偏弱、AO指數(shù)偏強(qiáng)、東亞西風(fēng)急流偏弱以及歐亞遙相關(guān)型為負(fù)位相這些因子的共同作用導(dǎo)致1988-1997年期間湖南冬季降水偏多。而1973-1987年和1998-2009年，湖南冬季降水偏少時(shí)期，上述影響因子的變化則基本相反。

冬季降水；湖南；EOF分析；年代際突變

湖南省位于長江中游以南，處在東南季風(fēng)和西南季風(fēng)相交的地帶，降水分布不均勻，年際變化較大[1]。張劍明等[1-3]針對湖南降水開展了許多研究，分析了空間分布特征、變化趨勢及區(qū)域差異，并對湖南降水進(jìn)行了周期分析及突變分析。張瑞等[4]簡要分析了湖南各季降水的氣候趨勢。此外，也有研究分別針對湖南汛期降水[5]、夏季降水[6]、極端連續(xù)降水[7]、極端強(qiáng)降水[8]及湖南暴雨[9]等進(jìn)行分析。李巧媛[10]則分析了近50年湖南各量級降水的年代際特征。上述研究所得結(jié)果對認(rèn)識湖南降水的時(shí)空變化規(guī)律有重要意義。它們主要對湖南年降水或夏季(汛期)降水的變化特征進(jìn)行了較好的分析，而較少對冬季降水進(jìn)行探討。此外，上述研究著重揭示了湖南降水的一些特征，而并未探討特征背后的可能原因。因此，本文擬利用較長時(shí)間的資料，著眼于湖南冬季降水的年代際變化特征，并探討其可能原因。

關(guān)于我國冬季氣候的影響因子，龔道溢等[11-12]指出當(dāng)北極濤動偏強(qiáng)時(shí)，我國大部分地區(qū)氣溫偏高，降水偏多。此外，西伯利亞高壓對中高緯亞洲大陸平均溫度和降水都有顯著影響，西伯利亞高壓偏強(qiáng)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)，亞洲大陸的大部分地區(qū)降水都減少5%以上。施能[13]則研究了冬季東亞季風(fēng)強(qiáng)度變化與我國天氣氣候的關(guān)系，指出弱冬季風(fēng)時(shí)，我國天氣氣候是暖、濕；強(qiáng)冬季風(fēng)時(shí)，則冷、干。劉毓赟[14]等指出當(dāng)歐亞遙相關(guān)型處于正位相時(shí)，東亞地區(qū)上空的急流增強(qiáng)、東亞大槽加深，導(dǎo)致東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)，我國東部降水減少；反之，當(dāng)歐亞遙相關(guān)型處于負(fù)位相時(shí)，我國東部降水增加。陳穎曼等[15]則指出當(dāng)中國東南部冬季降水異常偏多(少)時(shí)，巴爾喀什湖附近的高壓脊和東亞大槽均偏弱(強(qiáng))。毛睿等[16]的研究表明：當(dāng)西風(fēng)急流強(qiáng)度偏強(qiáng)時(shí)，其位置偏北，導(dǎo)致冬季風(fēng)強(qiáng)度偏強(qiáng)，華北、華中和長江中下游地區(qū)降水偏少。本文將側(cè)重分析這些影響因子的協(xié)同變化對湖南冬季降水年代際變化的影響。

1 資料和方法

圖1 湖南各站點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of rain gauge stations over Hunan

本文研究時(shí)間為1960年12月到2010年2月。所用降水資料為中國氣象局提供的全國756個(gè)測站降水資料，文中選取了湖南省的20個(gè)站點(diǎn)(圖1)。由圖1可以看出，所選取的站點(diǎn)較均勻地分布在湖南各地，具有較好的代表性。海平面氣壓、風(fēng)場和位勢高度場資料來自NCEP/NCAR再分析資料，水平分辨率為2.5°×2.5°。AO指數(shù)資料來自NOAA Climate Prediction Center (http:∥www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/CWlink/daily_ao_index/ao.shtml)。文中以當(dāng)年的12月和次年的1-2月作為當(dāng)年的冬季。冬季降水采用3個(gè)月總和，其余資料均采用3個(gè)月平均。本文主要采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(EOF)、滑動t檢驗(yàn)和合成分析等統(tǒng)計(jì)方法。

2 湖南冬季降水時(shí)空變化特征

對湖南冬季降水距平資料進(jìn)行EOF分解，分析其時(shí)空變化特征。前四個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)分別為73.2%，11.2%，4.2%和3.1%?？梢姷谝荒B(tài)的方差貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于其他模態(tài)，表明第一模態(tài)在原距平場的變化中占非常重要的地位。采用North等[17]提出的方法進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明前兩個(gè)模態(tài)均通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，其累積方差貢獻(xiàn)達(dá)84.4%。因此第一、二模態(tài)能反映湖南冬季降水的主要時(shí)空變化特征。圖2(a)和(b)為湖南冬季降水的第一、二特征向量的空間分布，可見第一模態(tài)全區(qū)都為正值，即全區(qū)一致的分布型；第二模態(tài)則反映出南北反相的分布特征。

由第一模態(tài)對應(yīng)的時(shí)間序列及9點(diǎn)滑動平均圖(圖2(c))可以看出湖南冬季降水大致分為3個(gè)階段，1960-1987年以負(fù)值為主，即降水偏少；1988-1997年以正值為主，即降水偏多；而1998-2009年又以負(fù)值為主，即降水再次偏少，但該階段降水偏少的程度較弱，存在3年降水明顯偏多的年份。由第二模態(tài)對應(yīng)的時(shí)間序列(圖2d)可以看出：1977年之前，正負(fù)距平交替出現(xiàn)，表明該時(shí)段主要以年際變化為主，1978年開始，第二模態(tài)也表現(xiàn)出顯著的年代際變化，1978-1997年以負(fù)值為主，降水南多北少；而1998-2009年則以正值為主，即降水北多南少。

圖2 1960-2009年湖南冬季降水距平EOF分析空間分布及時(shí)間序列圖(曲線為9點(diǎn)滑動平均)Fig.2 The first two EOF patterns and PCs of winter rainfall anomaly over Hunan during 1960-2009 The lines denote the 9-point running average

3 湖南冬季降水的兩次年代際突變

為了更好地研究湖南冬季降水的年代際變化特征，取湖南省20個(gè)站點(diǎn)冬季降水的平均值代表湖南省某一年冬季的降水，其距平序列如圖3所示，并對降水距平進(jìn)行8年滑動t檢驗(yàn)。由圖3可見，在1972年之前，降水的年際變化非常顯著，正負(fù)距平交替出現(xiàn)。而1973年起，轉(zhuǎn)變?yōu)檩^明顯的年代際變化特征，相應(yīng)地，此時(shí)t值出現(xiàn)負(fù)的極大值，表明降水在該年發(fā)生較明顯的年代際突減。1973-1978年連續(xù)6年降水均為負(fù)距平。將研究時(shí)段再往后推移，可發(fā)現(xiàn)降水的年代際偏少大致持續(xù)到1987年。1988年降水距平轉(zhuǎn)為顯著的正距平并持續(xù)，t值出現(xiàn)正的極大值。即在1988年降水發(fā)生年代際突增，降水偏多持續(xù)至1997年。1998年起再次轉(zhuǎn)變?yōu)榻邓?fù)距平，t值也于該年表現(xiàn)為負(fù)的極大值，降水進(jìn)入年代際偏少階段。綜上所述，1973-2009年湖南冬季降水的年代際變化特征為：1973-1987年降水偏少；1988-1997年降水偏多；1998-2009年降水再次偏少。

對3個(gè)時(shí)間段降水距平進(jìn)行t檢驗(yàn)，1973-1987年與1988-1997年相比，|t|=2.866>2.069，通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，1988-1997年與1998-2009年相比，|t|=1.979>1.725，通過α=0.10的顯著性檢驗(yàn)，再次驗(yàn)證了湖南冬季降水在1988年和1998年發(fā)生顯著的年代際突變。其中1988年所發(fā)生的湖南降水年代際突增與王林等[18]的研究結(jié)果一致。

圖3 1960-2009年湖南冬季降水距平時(shí)間序列(柱狀)、滑動t檢驗(yàn)值(曲線)和各時(shí)段平均距平值(直線)Fig.3 Time series (bar) and the sliding t-test values (dash line) of winter rainfall anomaly over Hunan during 1960-2009 and the average anomalies in various periods (solid lines)

以1973-2009年平均值為基準(zhǔn)，計(jì)算各年降水距平值可得(圖略)：1973-1987年降水明顯偏少，平均距平值為-17.413mm；1988-1997年降水顯著偏多，平均距平值為37.595mm；1998-2009年降水又偏少，平均距平值為-9.563mm。這更加突出了這三個(gè)時(shí)期降水的差異。需要說明的是，1998-2009年負(fù)距平值相對較小，這是由于該時(shí)期盡管以負(fù)距平為主，但有些年份表現(xiàn)為正距平，因此其降水的年代際偏少相對較弱，但它依然通過了顯著性檢驗(yàn)，所以可認(rèn)為與1988-1997年相比，1998-2009年湖南冬季降水顯著變少。因此，下文將1973-2009年湖南降水劃分為三個(gè)年代進(jìn)行研究，分別為1973-1987，1988-1997和1998-2009年。

圖4 三個(gè)時(shí)期的湖南冬季降水(mm)差值Fig.4 Differences of winter rainfall (mm) over Hunan

分別計(jì)算了1973-1987，1988-1997和1998-2009年3個(gè)時(shí)期湖南各站點(diǎn)降水的平均值，并求出各時(shí)期降水值之差(圖4)，以反映湖南冬季降水年代際變化的空間特征。圖4(a)上全部為正值，即1988-1997年湖南各地冬季降水均比1973-1987年偏多，差值呈南部大，北部相對較小的分布，即湖南南部冬季降水偏多量較多，最大差值超過80mm，北部降水偏多量相對較少。圖4(b)上，1998-2009年湖南冬季降水整體比1988-1997年偏少，差值的絕對值呈由西北向東南遞增趨勢，即與前一個(gè)時(shí)期相比，湖南南部降水量偏少更加嚴(yán)重，絕對值最大值超過100mm。圖4(b)的分布形勢與前面EOF分析的結(jié)果一致。對比上文的EOF分析結(jié)果，第一模態(tài)在1998-2009年表現(xiàn)為全區(qū)一致的降水偏少，而第二模態(tài)在1998-2009年表現(xiàn)為北多南少的空間分布，即兩個(gè)模態(tài)在湖南北部地區(qū)的變化是相反的，而在湖南南部地區(qū)的變化均為減少。由于第一模態(tài)的方差貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于第二模態(tài)，因此二者的共同作用表現(xiàn)為在湖南全省降水都偏少，但北部地區(qū)偏少的程度較弱，南部地區(qū)的偏少程度劇烈。

特別要說明的是，前面的內(nèi)容中對于湖南區(qū)域平均降水曲線的研究表明，1988-1997年與1973-1987年的差值較大，而1998-2009年與1988-1997年的差值相對較小。而其空間分布圖上(圖4)，湖南南部降水在后兩個(gè)時(shí)期差的絕對值甚至比前兩個(gè)時(shí)期的對應(yīng)值還要大?？梢姳M管從區(qū)域平均而言，第二次年代際突變的程度較輕，這主要是因?yàn)榈诙瓮蛔兦昂蠛媳辈康貐^(qū)降水差值較小，而對于湖南南部地區(qū)，第二次年代際突變也非常顯著。

4 湖南冬季降水年代際變化的影響因子

4.1 西伯利亞高壓的影響

采用龔道溢等[19]的定義計(jì)算西伯利亞高壓強(qiáng)度指數(shù)，選取(60°-130°E，30° -70°N)歐亞大陸的廣大地區(qū)，共有493個(gè)格點(diǎn)。圖5為1973-2009年冬季西伯利亞高壓強(qiáng)度指數(shù)距平的時(shí)間序列。由圖5可以看出，1973-1987年冬季，西伯利亞高壓強(qiáng)度稍偏強(qiáng)；1988-1997年冬季，西伯利亞高壓強(qiáng)度顯著偏弱；1998-2009年冬季，西伯利亞高壓強(qiáng)度則偏強(qiáng)。對比湖南冬季降水的年代際變化特征，可見西伯利亞高壓偏強(qiáng)時(shí)，對應(yīng)湖南冬季降水偏少，而西伯利亞高壓偏弱時(shí)，對應(yīng)湖南冬季降水偏多。仔細(xì)研究西伯利亞高壓指數(shù)的時(shí)間變化序列，可發(fā)現(xiàn)其于1988年由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值，而在1998年則由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值，它發(fā)生轉(zhuǎn)變的時(shí)間與湖南冬季降水年代際突變的時(shí)間完全一致，說明西伯利亞高壓強(qiáng)度的變化與湖南冬季降水的兩次突變都有密切聯(lián)系。

圖5 1973-2009年冬季西伯利亞高壓強(qiáng)度指數(shù)距平的時(shí)間序列Fig.5 Time series of anomalous Siberian High index in winter during 1973-2009

按照西伯利亞高壓強(qiáng)度指數(shù)的定義，可以用海平面氣壓大于1 028hPa的區(qū)域表示為西伯利亞高壓。圖6為西伯利亞高壓范圍圖，由圖可以看出1988-1997年冬季平均西伯利亞高壓比1973-1987年和1998-2009年冬季平均西伯利亞高壓范圍偏小，高壓偏弱，因此西伯利亞高壓的范圍也有明顯的年代際差異，與降水年代際變化對應(yīng)較好。

西伯利亞高壓的變化與東亞冬季風(fēng)有密切聯(lián)系。圖7為3個(gè)時(shí)期850hPa風(fēng)場差值圖。由圖7可見，與1973-1987年相比，1988-1997年期間西伯利亞和東亞大部分區(qū)域包括我國東部大部地區(qū)及南海-西太平洋均為偏南風(fēng)距平，表明西伯利亞高壓偏弱時(shí)，其南下的偏北氣流較弱，東亞冬季風(fēng)則偏弱；而來自低緯洋面的偏南氣流較強(qiáng)，對我國南方地區(qū)影響較大，有利于向我國南方地區(qū)輸送更多的水汽。而1998-2009年相比前一個(gè)時(shí)期，西伯利亞、南海-西太平洋都為偏北風(fēng)距平，表明西伯利亞高壓偏強(qiáng)時(shí)，其南下的偏北氣流較強(qiáng)，東亞冬季風(fēng)則偏強(qiáng)，它沿105°E附近一直南下，在25°-30°N之間轉(zhuǎn)向，將干冷空氣吹到湖南，中國南方在距平反氣旋的控制下，因此湖南冬季降水偏少。這與施能等[13]得到的東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)時(shí)我國冬季降水偏少的結(jié)論一致。

圖6 三個(gè)時(shí)期冬季海平面氣壓1 028 hPa等值線圖Fig.6 The average sea level pressure in each period. Only 1 028 hPa is contoured

圖7 三個(gè)時(shí)期冬季850 hPa風(fēng)場(m/s)差值圖 Fig.7 Differences of 850 hPa winds (m/s) in winter

4.2 北極濤動(AO)的影響

圖8為1973-2009年冬季AO指數(shù)的時(shí)間序列。1973-1987年AO指數(shù)為負(fù)，平均值為-0.42；1988-1997年AO指數(shù)為正，平均值為0.71；1998-2009年AO指數(shù)為負(fù)，平均值為-0.07，因此AO指數(shù)也具有明顯的年代際變化，這與湖南冬季降水的年代際變化對應(yīng)較好。仔細(xì)分析AO指數(shù)的時(shí)間序列可見，1988年AO指數(shù)由負(fù)值轉(zhuǎn)變?yōu)檎?，并持續(xù)了很長一段時(shí)間，這與湖南降水第一次突變時(shí)間及降水異常特征相對應(yīng)，而在1998年AO并未表現(xiàn)出由正轉(zhuǎn)負(fù)的特征，在1998-2009年期間，AO指數(shù)呈現(xiàn)顯著的年際變化特征，其平均值僅為-0.07，表明該時(shí)期AO并未出現(xiàn)顯著的年代際偏弱，這與湖南降水第二次突變及此后降水持續(xù)偏少對應(yīng)不好。綜上所述，1973-1987年湖南冬季降水偏少時(shí)對應(yīng)AO處于低指數(shù)時(shí)期，而1988-1997年湖南降水偏多對應(yīng)AO處于高指數(shù)時(shí)期，這與龔道溢等[11]和胡秀玲等[20]的研究結(jié)果一致。但AO與湖南冬季降水的第二次年代際突變的關(guān)系并不密切。

圖8 1973-2009年冬季AO指數(shù)距平的時(shí)間序列Fig.8 Time series of anomalous AO index during 1973-2009

4.3 東亞西風(fēng)急流的影響

圖9為三個(gè)時(shí)期冬季200hPa緯向風(fēng)的差值圖。由圖9(a)可以看出東亞地區(qū)為大范圍的負(fù)值區(qū)，說明與1973-1987年相比，1988-1997年東亞西風(fēng)急流強(qiáng)度偏弱。根據(jù)毛睿等[16]的研究：當(dāng)東亞西風(fēng)急流強(qiáng)度偏強(qiáng)(弱)時(shí)，東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度偏強(qiáng)(弱)。因此，1988-1997年東亞冬季風(fēng)偏弱，有利于低緯的暖濕氣流輸送至湖南，從而使得1988-1997年湖南降水偏多。而圖9(b)上東亞地區(qū)的分布形勢則相反，表明1998-2009年東亞西風(fēng)急流偏強(qiáng)，相應(yīng)地東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)，有利于冷干空氣南下，此時(shí)湖南降水偏少。

圖9 三個(gè)時(shí)期冬季200 hPa緯向風(fēng)(m/s)差值圖Fig.9 Differences of 200-hPa zonal wind (m/s) in winter

4.4 歐亞遙相關(guān)型的影響

圖10為三個(gè)時(shí)期冬季500hPa位勢高度差值圖。由圖10(a)可以看出1988-1997年相比于1973-1987年，在歐亞大陸上空呈現(xiàn)正-負(fù)-正的波列分布，對應(yīng)歐亞遙相關(guān)型的負(fù)位相[21]。圖10(a)上巴爾喀什湖附近為負(fù)值中心，東亞為正值區(qū)，表明此時(shí)巴爾喀什湖附近的高壓脊和東亞大槽都偏弱，不利于槽后偏北氣流南下，使得來源于低緯的偏南氣流到達(dá)中國南方地區(qū)，造成湖南降水偏多。圖10(b)上，歐亞遙相關(guān)型為正位相分布，巴爾喀什湖附近的高壓脊和東亞大槽都偏強(qiáng)，整體形勢與圖10(a)幾乎相反，對應(yīng)于1998-2009年我國東南部地區(qū)降水偏少。

圖10 三個(gè)時(shí)期冬季500 hPa位勢高度(gpm)差值圖Fig.10 Differences of 500-hPa geopotential height (gpm) in winter

5 結(jié) 論

本文使用1960-2010年湖南測站降水資料及海平面氣壓、風(fēng)場、位勢高度場和北極濤動指數(shù)等資料，采用EOF分析、滑動t檢驗(yàn)和合成分析等方法，研究了湖南冬季降水的時(shí)空變化特征以及冬季降水的年代際突變及影響因子，得出如下結(jié)論：

1) 湖南冬季降水距平的EOF分析第一模態(tài)為全區(qū)一致型分布，第二模態(tài)為南北反相型分布。前兩個(gè)模態(tài)可以很好地反映湖南冬季降水的主要變化特征。

2) 1973-2009年湖南冬季降水發(fā)生了兩次年代際突變：1973-1987年為降水偏少時(shí)期，1988-1997年為降水偏多時(shí)期，1998-2009年降水再次偏少。湖南南部地區(qū)的年代際突變比北部地區(qū)更明顯。

3) 湖南冬季降水的年代際變化與西伯利亞高壓、北極濤動、東亞西風(fēng)急流和歐亞遙相關(guān)型的協(xié)同變化有關(guān)。1988-1997年冬季降水偏多時(shí)期，西伯利亞高壓偏弱、北極濤動指數(shù)偏強(qiáng)、東亞西風(fēng)急流偏弱、歐亞遙相關(guān)型為負(fù)相位，這些影響因子的共同作用抑制了冷干氣流的南下，有利于低緯暖濕氣流輸送至湖南，從而使得湖南冬季降水偏多。而1973-1987年和1998-2009年湖南冬季降水偏少時(shí)期，上述影響因子的變化則基本相反。

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Interdecadal change of winter rainfall over Hunan and its physical factors

ZHAOJie1,2,QIAOYunting1,WANGChao3

(1. School of Atmospheric Sciences∥Center for Monsoon and Environment Research,Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China；2. Qiannan Buyi and Miao Minority Autonomous Prefecture Meteorological Bureau, Duyun 558000, China；3. Guiyang City Bureau of Meteorology, Guiyang 550000, China)

Based on the monthly rain gauge data (1960-2010) from 20 stations in Hunan Province, the interdecadal change of winter precipitation over Hunan and its physical factors are investigated. The results indicate that there were two abrupt changes of winter precipitation, which appeared in 1988 and 1998, respectively. The precipitation was less during the years of 1973-1987 and 1998-2009, while the precipitation was more during the years of 1988-1997. The interdecadal change of winter precipitation in Hunan was attributed to the collaborative variations of Siberian High, Arctic Oscillation, the East Asian jet stream and Eurasian teleconnection pattern. During the 1988-1997 period, the intensity of Siberian High and the East Asian jet stream was weaker, Arctic Oscillation index was higher, and the Eurasian teleconnection pattern was in the negative phase. The aforementioned factors worked cooperatively to induce more precipitation. During the periods of 1973-1987 and 1998-2009, these factors showed roughly opposite changes, resulting in less winter rainfall.

winter precipitation; Hunan; EOF analysis; interdecadal change

10.13471/j.cnki.acta.snus.2016.02.024

2015-02-24

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2014CB953901)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41575069)；公益性行業(yè)專項(xiàng)資助項(xiàng)目 (GYHY201406018)；江蘇省氣候變化協(xié)同創(chuàng)新中心資助項(xiàng)目

趙杰(1991年生)，男；研究方向：區(qū)域氣候變化；通訊作者：喬云亭;E-mail:qiaoyt@mail.sysu.edu.cn

P467

A

0529-6579(2016)02-0143-08