第39卷第4期 大气科学 V_01.39 No.4 2015年7月 Chinese Journal ofAtmospheric Sciences Ju1.20l5 周秀华,肖子牛.2015.我国西南周边地区夏秋季节降水变化及相应环流特征分析[J]_大气科学,39(4):653-666.Zhou Xiuhua,Xiao Ziniu.2015. Analysis on the variation characteristics of summer-autumn precipitation over hte surrounding regions of Southwest China and the corresponding circulation[J] Chinese Journal ofAtmospheric Sciences(in Chinese),39(4):653-666,doi:10.3878/j.issn.1006—9895.1412.13317. 我国西南周边地区夏秋季节降水变化及 相应环流特征分析 周秀华 肖子牛2 1广西壮族自治区气候中心,南宁530022 2中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室,北京100029 摘要利用云南省124站观测资料及CRU(Climatic Research Unit)高分辨率降水数据分析了我国西南周边地 区的降水时空变化特征,并进一步对该地区夏、秋季节降水的周期、降水与季风活动的关系以及旱涝时期环流 背景做出分析,以探讨其年代际变化的可能影响机制。结果表明,我国西南周边地区的降水空间分布随季节演 变,西南地区处于降水量相对小值区,各季节降水量存在明显的年际变化以及年代际振荡特征。通过周期分析发 现,研究区域夏、季秋季降水均存在明显的年代际尺度周期,近年来西南地区连续干旱很可能是由夏季和秋季的 年代际尺度周期负位相配合造成,并且降水的减少与夏季风活动偏弱、季风持续时间偏短有关。夏季秋季少雨时 期与多雨时期环流场存在显著差异,表现为少雨时期我国东部低层异常的偏北风,青藏高原附近高层异常的反气 旋型环流,多雨时期则相反。 关键词 西南干旱周期分析季风活动环流异常 文章编号 1006.9895(2015)04—0653-14 中图分类号P461 文献标识码A doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1412.13317 Analysis on the Variation Characteristics of Summer-Autumn Precipitation over the Surrounding Regions of Southwest China and the C0rresp0nding Circulation ZHOU Xiuhua and XIAO Ziniu 1 Guangxi Climate Center,Nanning 530022 2 State Key Laboratory ofNumerical Modelingfor Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics,Institute foAtmospheric Ph ics ChineseAcademy ofSciences,Beijing 100029 Abstract The temporal and spatial characteristics of precipitation over Southwest China and the surrounding regions were analyzed using observation data from 124 stations in Yunnan Province and high-resolution Climatic Research Unit precipitation data.The precipiattion was analyzed for summer and autumn.The relationship between precipiattion and monsoon activity,and the circulation background during drought and flood periods were also analyzed to investigate the possible mechanisms affecting the decadal variabilities.The results show that the spatial distribution of precipitation in these areas evolve with the seasons.with a relatively small value over Southwest China.Precipitation in all seasons has 收稿日期2013-11-25;网络预出版日期2015—01—06 项目资助国家自然科学基金项目41175051、41205067,国家自然科学基金委 云南省联合基金重点项目u1133603,云南省应用基础研究专项 2010CDl38 作者简介周秀华,女,1987年出生,硕士,研究方向为气候与亚洲季风活动、短期气候预测。E-mail:xiuxiu000945@163.com 通讯作者肖子牛,E—mail:xiaozn@lasg.iap.ac.cn 大654 气科学 39卷 Vb1.39 Chinese Journal ofAtmospheric Sciences obvious interannual variability and interdecadal oscillation characteristics.By further analyzing the decada1.scale period of precipRation in summer and autumn,this study shoWS that the continuous drought that has occurred in Southwest China in recent years is likely caused by the decadal—scale periodic negative phase cooperation ofprecipitation in summer nd autaumn.In addition,the precipitation reduction is associated with the weaker summer monsoon activity and its shorter duration.There are significant differences in the atmospheric circulation during drought periods and flood periods in summer and autumn,respectively.Anomalous northerly winds appear in the lower troposphere during the drought period,and nomalous aanticyclonic circulation Occurs around the Tibetan Plateau in the upper troposphere,and vice versa. Keywords Drought over Southwest China,Period analysis,Monsoon activity,Circulation anomaly 1 引言 我国西南周边地区近年来出现了连续干旱的 极端事件,主要有2005年春季云南异常干旱,2006 年夏季川渝地区特大干旱,以及2009年秋至2010 年春以云南、贵 I'1为中心的5个省份的旱灾(黄荣 辉等,2012),造成了难以估量的损失,备受人们 关注。其中从2009年秋季至2010年春季我国西南 地区发生的严重干旱,无论持续时间和发生区域或 降水减少程度都是近50年来所罕见的,一些专家 学者从不同角度对该事件做出了分析(宋洁等, 2011;黄荣辉等,2012;钱维宏和张宗婕,2012)。 该区域气候多变,近年发生的持续性干旱,其中的 影响因素很多,物理机制也较复杂,值得我们深入 探讨研究。 该地区降水量时空分布变化很大,降水空间分 布不均,并有明显的干湿季之分,雨季降水量约占 全年的85%以上,干季仅占15%左右(段旭等, 2000)。可见夏季和秋季降水在整个西南地区的年 降水中占有重要比例,夏、秋两季降水的变化直接 影响到全年降水的变化形势。刘丽等(2011)的研 究结果指出,云南省的年总降水量和强降水事件的 发生分布均具有明显的年代际变化特征,而20世 纪70年代至90年代初期为强降水事件的稀发时 期。近60年以来,我国西南地区年平均降水呈现 明显减少趋势,其中秋季降水距平线性减少12%, 秋季降水和年平均降水趋势均呈现显著减少(李聪 等,2012)。 我国西南周边地区地处低纬高原,受到东亚季 风和南亚季风的共同影响,是两支季风的交汇区, 也是季风变异的敏感区,因此其气候受季风活动影 响明显。季风活动存在多时间尺度的变化特征,是 气候系统多要素相互作用的结果。很多研究指出亚 洲季风存在减弱的趋势(Wang,2001),东亚季风 的减弱造成了中国南涝北旱的格局(王会军和范 可,2013;丁一汇等,2013)。从20世纪70年代 中期开始,东亚夏季风和冬季风呈减弱趋势,齐冬 梅等(2012)分析认为,东亚夏季风减弱是西南地 区年降水减少的一个重要影响原因。另有研究发现 云南地区降水与南亚季风的关系比东亚季风更紧 密(Li et al,2014)。云南等西南地区秋冬春连旱偏 多的原因之一可能与孟加拉湾季风结束偏早有关 (李聪等,2012)。也有很多研究针对西南地区降 水的年代际变化特征的相关背景做出了研究(陶云 等,2003;陆曼云等,1987;李永华等,2012;杨 辉等,2012),认为在少雨时期和多雨时期,高低 空大气环流有差异较明显的分布型态,包括高低空 急流、南亚高压位置、孟加拉湾南支槽活动等系统 均有体现。 那么西南周边地区这种连年干旱的发生是偶然 的极端事件,是年际变化振荡,还是更长的年代或 年代际以上的变化趋势?这是一个有重要现实意义 的科学问题。前人对我国西南周边地区降水特征已 经开展了较多研究,并分析了影响降水的大气环流 背景。但是,上述研究中缺少合理描述影响研究区 域夏、秋季节降水的季风活动的指标,另外特别针 对影响降水年代际大气环流异常探究较少,尤其是 秋季的情形。本文着重分析西南周边地区夏、秋季 节降水的变化特征,将从季风活动、环流场背景等 方面探讨降水变化的可能影响机制。西南区域气候 变化直接关系到区域经济可持续发展、水资源利用、 环境变化、人民生活等一系列重大问题。因此,开 展西南周边地区降水变化特征的分析,特别是该区 域湿润季节的变化趋势分析有着重要的科学意义, 对我们的防灾减灾工作提供信息。 2资料和方法 在本文中,降水观测数据包括云南省124站 1961 ̄'2009年观测资料,以及来自CRU(Climatic Research Unit)1 901 ̄2009年高分辨率(0.5。×0.5。) 4期 No.4 周秀华等:我国西南周边地区夏秋季节降水变化及相应环流特征分析 ZHOU Xiuhua et a1.Analysis on the Variation Characteristics of Summer-Autumn Precipitation over the 655 全球格点月平均地面数据集CRU TS 3.10(Harris et a1.,2014)。与其他类似资料相比,CRU资料在其 重建过程中包括了严格的时间均一性检验,空间分 辨率更高,时间尺度更长,已经被广泛用于全球气 候变化的科学研究中(Folland et a1.,2001;Jones et a1.,2001)。风场资料采用NCEP/NCAR(National Centers for Environmental Prediction/National Center ofr Atmospheric Research)的1 960 ̄2009年逐月的 再分析资料(2.5。×2.5。)(Kalnay et a1.,1996)。 我们选择西南周边地区(10。~30。N,90。~ 115 ̄E)作为研究区域。采用的主要统计方法有相 关分析,合成分析,Morlet小波分析,滑动平均处 理,利用最小二乘法计算线性趋势等。 3我国西南周边地区降水的变化特征 3.1 四季降水时空变化特征 图1给出了西南周边地区降水量分布及其季节 演变图,可以看到该区域降水量呈现出明显的空间 分布不均特征。春季大值中心位于云南西侧的高原 南麓和华南区域,达到400 mill,而云南等区域的 降水量较小;夏季沿孟加拉湾东岸的中南半岛西部 降水量最多,超过1800 mlTl的范围形成明显的雨 带,而西南地区及其以南的中南半岛中部仍然是相 对的降水量小值区;秋季降水量由半岛东南西三面 沿海地带向北递减,沿海地带降水量达到400 mm 以上;冬季整个区域进入干旱季节,只在中南半岛东 部沿岸及我国华南有少量降水。总体上,从西南周边 地区的降水量的气候分布图可以看到,各个季节东南 西三面沿海地带降水量多于内陆,东西两侧沿海地区 降水量较大,夏季至冬季降水量分布大值区从西向东 推移,我国西南地区处于降水量相对小值区。这一分 布特征的形成和其地形有关,也和季风活动有关。一 般认为,西南地区东面的区域是受到东亚季风的控 制,其西面恰好是受到南亚季风的影响。 从云南省内124站实测降水、云南地区(20。~ 30。N,97。~107。E)及整个西南周边地区(10。~ 30。N,90。~1 1 0E)CRU全年累积降水量的逐年演 变曲线可以看到(图2),云南地区和西南周边地区 两个区域全年降水量的年际变化特征具有较高一 致性,旱涝年份都有很好的对应,而且两个区域四 个季节降水量序列也体现同样的关系(图略)。这 体现了它们的降水性质相似,影响因素相近。因此, 本文通过进一步分析研究区域的降水时间变化特 征,试图找出近年来我国西南地区连续干旱的可能 原因。 近50年来西南周边地区不同季节降水量的变 化特征在图3中给出。从其原始序列可以看到(图 3a、3c、3e、3g),各季节降水量除了存在各自的年 际变化特征外,还存在明显的年代际振荡特征,尤 其是春、夏、秋三个季节。从九点滑动平均处理后 的曲线(红色实线)可知,春季降水量在20世纪 70年代至80年代初,该区域降水量处于异常多的 时期,之后直到20世纪末为降水量负异常时期, 进入21世纪主要呈现另一个多雨时期。夏季降水 从1975年之后进入降水量偏少时期,1995年后又 回复到降水量正距平。而秋季降水从1990年之后 进入降水量偏少时期。值得注意的是,2005年以后, 夏、秋季降水同时呈现降水负异常。事实上1960 年至今,在我国西南地区夏季降水量线性趋势 一170.4 mrlf(100 a)~,秋季降水量线性趋势--62.5 mm(100 a) (图略),均呈现减少趋势。 图3b、3d、3f和3h给出了累积降水量异常的 逐年演变曲线,更明显的呈现出各季节降水量发生 了多次转折,存在多个年代际振荡的相位,曲线的 拐点的位置表示多雨期和少雨期交替出现的时间。 例如夏季在1975年的极大值说明在该年之后降水 量开始出现负距平,并能一直持续到下一个极小值 点1993年。另外,春季和冬季的累积距平基本保 持负值,不同的是春季降水量正负振荡相比冬季较 多。春季降水量累计距平曲线在20世纪70年代中 期以及90年代末以后呈上升趋势,冬季降水量累 计距平则从20世纪80年代末开始一直上升,这表 明降水量在相应时段具有较明显的增加趋势,而冬 季降水量1990之前的极小值点可以初步识别为突 变点。同时期对比夏季和秋季,累积降水量距平曲 线基本是相反的走势。 综上所述,西南周边地区不同季节的降水量有 明显的年际、年代际变化差异,但更为主要的是季 节降水量在过去50年各时段的变化趋势是不相同 的,我国西南地区夏、秋累积降水量呈现显著减少 趋势。西南周边地区降水量的年际变化图(图3) 显示,夏季降水量在2000年以后处于一个降水减 少时期,同时秋季降水在2000年以后仍处于一个 降水量负异常阶段。 3.2夏、秋季及其累积降水特征和周期分析 由于受到季风活动的影响,西南周边地区的降 4期 No.4 周秀华等:我国西南周边地区夏秋季节降水变化及相应环流特征分析 ZHOU Xiuhua et a1.Analysis on the Variation Characteristics of Summer-Autumn Precipitation over the 659 意义。 4季风活动对西南干旱年的影响 由于研究区域地处亚洲季风区,西南周边地区 同时受南亚季风和东亚季风的影响,夏季风的活动 强度必然影响着该区域的实际降水量。很多研究指 出我国云南初夏5月降水量与孟加拉湾季风有密切 关系(晏红明等,2003;郑建萌和段旭,2005;陈 艳等,2006)。也有研究(李聪等,2012)指出孟 加拉湾季风结束偏早使得云南干季降水量减少。而 马锋波等(2009)认为南海季风强度指数强弱对于 云南年降水量的影响大于南亚季风强度指数,另外 云南年降水量与亚洲季风指数相关性存在明显的 年代际振荡变化。Wang and Lin(2002)的研究还 发现,亚洲地区在南亚季风区和西太平洋季风区之 间,即中南半岛和云贵高原一带,还存在着一个过 渡区,在该过渡区内季风降水量的变化与其他几个 季风区的不同。Ln et a1.(2006)提出亚洲夏季风最 先在中南半岛南端及其毗邻的安达曼海爆发(平均 在5月2候),并且该区域的季风活动强弱能对西 南周边地区整个雨季降水有持续的影响作用。因 此,在本节我们考察西南周边地区降水量与中南半 岛季风活动的关系。采用该区域的季风指数来代表 中南半岛季风的强度,季风指数的表征参考Webster and Yang(1992)的定义,计算区域中南半岛南端 及其毗邻的安达曼海域(10。~15。N,90。~110。E) 的850 hPa和200 hPa平均纬向风的差。 考察发现,研究区域秋季降水量序列与所取秋 季季风指数相关性,相比夏季的降水量与夏季指数 好,特别是与10月份的季风指数相关系数很高。 如图5所示,整个秋季降水量与10月季风指数相 关系数为0.34,10月降水量与1O月季风指数达 0。47,均通过了95%的信度检验。9~11月是夏季 风逐渐南撤时期,一般认为,该区域的夏季风结束 于10月,该月平均季风指数大小是此时夏季风强 度以及季风结束时间早晚的重要表征之一。同时注 意到,大约从1990年开始,10月份季风强度指数 序列显示该区域夏季风进入偏弱的历史时期,可能 原因是夏季风的年代际减弱变化趋势或者是夏季 风结束偏早,而这个减弱时期与秋季降水量年代际 变化负位相时期恰好吻合,由此我们认为,季风活 动的减弱是影响研究区域湿季降水量的重要原因。 由该区域(10。~15。N,90。~110。E)逐候的 高低空纬向风切变季风指数,进一步得到季风活动 日期序列。我们参考了前人的工作(李聪等,2012; 晏红明等,2003,2013),将季风开始日期监控期 定为4、5月,即18~30候,结束日期监控期为10、 11月,即54 ̄66候。以0 1TI S 为临界指数,季风 指数持续2候超过临界指数的第一候确定为中南半 岛季风开始候,持续2候小于临界指数并且200 hPa 转为东风的第一候确定为季风结束候,两者之问所 经历的时间为季风持续时间。如此得到中南半岛季 风爆发的平均日期在第25候,撤退的平均日期在 第63候(图略),与前人研究结果相近(Lti et a1., 2006;柳艳菊和丁一汇,2007)。结果表明季风开 始日期与研究区域春季降水量、季风结束日期与秋 季降水量、季风持续日期与湿季降水量均有显著的 相关关系,部分结果在图6中给出。 分析发现西南周边地区秋季降水量多少与中 南半岛季风结束早晚有一定的对应关系。图6a为 1960 ̄2009年西南周边地区秋季降水量距平和中 南半岛季风结束候的变化。可以看到,1979、1993、 1994、1998、2004、2009年,这些季风结束均偏晚 3候以上的年份秋季降水量偏少;相反,中南半岛 季风结束偏晚的大部分年份则秋季降水量偏多,例 如1972、1973、1983、1989、1996、1999、2008 年。1960 ̄2009年西南周边地区秋季降水量距平和 中南半岛季风结束时间变化的相关达0.39。我们观 察图6b发现,季风持续时间偏短年份,秋季降水 量往往偏少,而且,季风持续时间偏长时秋季降水 量偏多。这种关系与上述图6a的情况相比更好, 特别在季风偏强年的对应关系。这就说明在亚洲夏 季风逐渐减弱撤退的季节,西南周边地区的降水量 多寡不仅受季风结束时间的影响,同时也和季风爆 发的早晚有一定关系,其中10月降水量与季风开 始候序列相关达一0.46(图略)。上述图6b呈现的 相关关系本身存在着年代际的转变,在20世纪7O 年代以后两者关系更为密切。另外考察发现季风持 续时间长短与夏、秋季累积降水量以及全年降水量 都有显著的相关性(信度水平为99%)(图6c、6d)。 当季风持续42候以上的年份,西南周边地区湿季 降水量和全年降水量出现偏多或者正常,当季风持 续不足34候时,湿季降水量和全年降水量容易出 现偏少。一般认为,在季风偏弱的年份不仅爆发偏 晚同时结束偏早,造成季风持续时间也较短,反之 亦然(李聪等,2012),所以会呈现以上有关的对 大气科学 39卷 V_01.39 Chinese Journal ofAtmosFlheric Sciences lla),位于亚洲急流轴北侧50。N附近,有一条异 常环流的波型,从格陵兰岛南部一直延伸至阿拉斯 加上空。图8b欧洲东部上空的反气旋性环流异常 是此波型的一部分。同时发现,在急流轴南侧的 30。N附近也存在另一条波型,从我国上空延伸至东 太平洋。而在秋季亚洲上空急流增强,波型扰动的 分布更加紧凑(图1lb)。位于急流轴北侧,从大西 洋东北部一直延伸至广泛的西伯利亚地区,在急流 轴南侧的波型,从北非西部发展延伸至北太平洋, 图10b发现的“中东一青藏高原一东亚”一线扰动 型态是它的中间部分。 类似上述这种绕球尺度的波型已得到许多学 者的关注(Ding and Wang,2005:Huang et a1., 2011)。与前人研究情况有所不同的是,我们所得 到的波型是从降水年代际异常的条件下所得,因此 结果也与前人有所差异。波型的分布位置并不与亚 洲急流中心吻合,而是位于急流轴的两侧,沿着急 流两侧不对称分布。一方面,夏季北侧波型比南侧 波型分布更规律,秋季南侧波型比北侧波型扰动中 心分布更密集。另一方面,北侧的波型波长随季节 变化不大,南侧波型随着秋季急流增强,扰动波长 变小。再者,夏、秋两季相比,夏季波型发展延伸 得更远,可能与夏季急流中心分布狭长,风速相对 较缓有关。 Watanabe(2004)的研究认为,冬季位于欧洲 一大西洋的NAO信号首先在亚洲急流入口的涡度 源处集中,随后通过急流波导东传至东亚和北太平 洋。另有研究发现,南亚季风区北部的对流活动激 发了Rossby波的响应,对东北大西洋至东亚上空 的波型有加强作用(Ding and Wang,2007)。而本 文给出的波型也明显开始于东北大西洋一欧洲一 带区域(图11),进一步追溯其源头,可能与极地 附近的异常反气旋环流有关。可见由急流引导的对 流层高层扰动波型对西南周边地区气候乃至亚洲 气候都带来一定影响。 6结论 利用云南省124站观测资料及CRU高分辨率 的降水观测数据,分析了我国西南周边地区的降水 量时空变化特征。并进一步对该地区夏、秋季节降 水量的周期以及降水量与季风活动的关系、旱涝时 期环流背景做出分析,以探讨其年代际变化的可能 影响机制。本文研究得到以下主要结论: (1)我国西南周边地区的降水量空间分布随季 节演变,总体来看,中南半岛东部西部沿海地区降 水量较大,而我国西南地区处于降水量相对小值 区。各季节区域平均降水量序列具有明显的年际变 化以及年代际振荡特征,呈现各自的正负相位特征 时期。 (2)西南周边地区的降水具有明显的干、湿季 节分别。夏、秋两季累积降水量约占全年的75%, 为该区域主要的湿润季节。小波分析得出其年代际 尺度以上的主要周期,夏季降水量为25 ̄30年周 期,秋季降水量为35年和准1O年周期,夏、秋累 积降水量为3O年周期。2005年之后,夏季降水量 进入25 ̄30年周期的负位相时期,同时秋季降水 量仍处于35年周期的负位相,两者相配合意味着 西南周边地区的湿季降水量将迎来一个偏少的时 期,可能是近年来西南地区连续干旱的重要原因。 (3)通过考察该区域季风指数与降水量序列的 相关性,发现秋季降水量和季风活动密切相关,尤 其与季风的结束有直接的联系,表现为该区域l0 月季风指数与秋季降水量相关性很强。从1 990年 开始,该月的夏季风进入偏弱的历史时期,这个减 弱时期与秋季降水量年代际变化负位相时期恰好 吻合。另外,季风开始日期与研究区域春季降水量、 季风结束日期与秋季降水量、季风持续日期与湿季 降水量均有显著的相关关系。因此,季风活动的减 弱是影响研究区域湿季降水量的重要原因。 (4)夏季秋季少雨时期与多雨时期环流场存在 显著差异。在700 hPa,夏季和秋季的少雨时期均 在我国东部地区呈现异常偏北风,中南半岛为异常 偏东风,这是夏季风相对弱的体现,或与夏季风活 动的开始、持续、结束时间有关。造成夏季少雨和 秋季少雨的200 hPa环流结构异常有较大不同,夏 季少雨时期我国上空呈现显著的反气旋性异常环 流,而秋季少雨时期高原上呈现显著的反气旋性异 常环流,其两侧为气旋性异常环流,“中东一青藏 高原一东亚”一线形成“气旋一反气旋一气旋” 参考文献(References) 水异常的影响[J]_大气科学,3O(1):25—37.Chen Yan,Ding Yihui, Xiao Ziniu,et a1.2006.The impact 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