中國夏季降水年代際變化的研究進展

中國夏季降水年代際變化的研究進展

1年際及年代際氣候變化與海洋的關系數(shù)值模擬結果表明，在世界溫暖的背景下，中緯度地區(qū)干燥，但這種變化具有明顯的地區(qū)差異。在中國北方,西北西部(主要是新疆北部)降水量在1987年以后明顯增加,而西北東部、華北和東北大部分地區(qū)降水量近20年卻嚴重偏少,這造成當前在北方東、西部降水趨勢相反的空間分布格局。干濕檢測說明:西北東部、華北和東北過去50年為明顯的干化趨勢,盡管新疆北部降水量增加,但卻沒有明顯的變濕趨勢,原因是該地區(qū)的異常增暖可能導致地表蒸散增加。造成這種異常氣候時空分布格局的原因是什么?目前仍沒有令人信服的解釋。過去的研究指出,赤道中太平洋地區(qū)年代際變化與中國東部旱澇36年周期密切相關;黃榮輝等發(fā)現(xiàn)ENSO及其不同的發(fā)展過程對中國夏季降水具有不同的影響,華北地區(qū)的少雨與ENSO的發(fā)展有關。于淑秋等指出:1976/1977年的北太平洋海溫轉型前后所對應的中國區(qū)域降水是不同的,轉型前東北地區(qū)降水偏少,華北地區(qū)偏少,長江流域偏少,華南偏多,轉型后則相反。黃榮輝等進一步研究指出,中國夏季降水的年代際變化可能與赤道中東太平洋的海溫變化有關。朱益民等的研究表明,中國區(qū)域降水和氣溫的變化與太平洋年際振蕩(PacificDecadalOscillation,簡稱PDO)有關,不同區(qū)域氣候變化與PDO的相關關系具有較大的差異。這些研究從不同方面說明我國年際及年代際氣候變化與海洋的變化有密切關系。太平洋年代際振蕩(PDO)最早由Mantua等在1997年提出,也有一些研究稱之為年代際太平洋濤動(InterdecadalPacificOscillation,簡稱IPO)或北太平洋濤動(theNorthPacificOscillation,簡稱NPO)。太平洋年代際振蕩是北太平洋海溫年代際循環(huán)的海洋現(xiàn)象,關于它的特征及作用已在文獻中進行了全面的概括和總結。簡單地講,PDO的暖位相在海溫上表現(xiàn)為中北太平洋異常低溫,而北美洲的西海岸是顯著的高溫帶,類似于ElNin?n?o的海溫分布,但位置在中北太平洋;在氣壓圖上,對應11月到3月北太平洋異常低的氣壓,從而加強了該地區(qū)的反氣旋風,副熱帶太平洋對應高的海平面氣壓,赤道西太平洋是異常高的海平面氣壓,而赤道東太平洋是異常低的海平面氣壓,這恰好與一個相對弱的南方濤動(SO)負位相對應。冷位相的PDO特征則反之。研究表明,PDO存在15～25年和50～70年的年代際周期變化。大量的研究還揭示了PDO和年代際氣候變率及太平洋生物的年代際變率有關。近年來,作為人類生存環(huán)境變化研究的一個重要方面,年際及年代際氣候變化問題也受到了廣泛的關注,特別是對全球或者區(qū)域尺度干濕演變規(guī)律的研究。地表干濕的年際及年代際變化在特定時段往往表現(xiàn)為一種變化趨勢(如干旱化),在另一段時間呈現(xiàn)另一種變化趨勢,而干濕變化的特征則是由氣候變化決定,即由地表的降水和氣溫決定。過去的許多研究表明,中國區(qū)域氣候變化與ENSO、NAO(北大西洋濤動)、PDO等年際和年代際現(xiàn)象密切相關,但以前的研究多針對降水和氣溫等的分別研究上,而對于這些年際及年代際變化的強信號與中國區(qū)域干濕變化(降水和氣溫長期變化的綜合效應)的關系還知之甚少,特別是對當前中國北方干濕變化的趨勢與PDO的關系。鑒于此,本文擬在過去研究的基礎上,通過分析PDO和我國北方干濕變化的相互聯(lián)系來揭示太平洋年代際振蕩(PDO)對我國環(huán)境長期變化的綜合效應,為進一步進行環(huán)境的年際及年代際變化的研究及預測提供證據(jù)。2濕地指數(shù)變化的物理意義本文所用資料為ClimateResearchUnit(CRU)1901～2002年全球0.5°×0.5°網(wǎng)格點月降水和月平均氣溫資料(關于這個資料在文獻中已有詳細的說明)。為了進一步考察這套資料在中國區(qū)域的質量,我們用160個觀測站點的月降水和平均氣溫資料對我國區(qū)域的網(wǎng)格點資料進行了檢驗,結果表明:除青藏高原西部外,大部分地區(qū)格點資料都和實測資料吻合得很好(詳細的檢驗結果將另文①發(fā)表)。太平洋年代際振蕩(PDO)指數(shù)取自/pdo/PDO.latest。有關濕潤指數(shù)的建立,文獻已有詳細的介紹,在此只簡單地說明這個指數(shù)的物理意義?？刂频乇砀蓾駹顩r變化的兩個主要影響因子是降水和地表蒸發(fā),而地表蒸發(fā)大小和地表蒸發(fā)潛力有比較一致的關系,且受溫度的影響(特別在北方地區(qū))。降水增多有利于地表變濕,而地表蒸發(fā)潛力增大可使地表變干?；谶@些考慮,我們把年濕潤指數(shù)H定義為H=P?∑Pei,(1)Η=Ρ-∑Ρei,(1)其中,P為年降水的觀測值,Pei為第i個月的潛在蒸發(fā),可由經(jīng)過改進的Thomthwaite方法求得,其表達式如下:其中,d為每月天數(shù)除以30,a=0.49239+1.792×10-2-7.71×10-5I2+6.75×10-7I3,I=∑112iΙ=∑112i為月總加熱指數(shù),i=(Ti/5)1.514為月平均加熱指數(shù),其中Ti為第i個月的月平均溫度,a1=-415.8547,a2=32.2441,a3=-0.4325。Thomthwaite方法的優(yōu)點在于計算簡單,且僅依賴于月平均氣溫,根據(jù)(1)和(2)式即可計算出年地表濕潤指數(shù)。地表濕潤指數(shù)(H)的意義就在于既考慮降水變化又考慮溫度變化對地表濕潤狀況的影響,彌補了僅用降水變化研究地表干濕變化的缺陷。對突變的檢測采用常用的Mann-Kendall方法(簡稱M-K法),這個方法是一種無參數(shù)檢驗方法,它的優(yōu)點是樣本不必遵從某一特定的分布,同時也不受個別極端值的影響,能夠較客觀地表征樣本序列的整體變化趨勢,計算方便,因此經(jīng)常被用來分析時間序列的變化趨勢及其突變點的檢測(該方法已在文獻中詳細介紹)。另外,采用離散功率譜分析方法進行時間序列的周期分析。3結果分析3.1區(qū)域平均濕潤指數(shù)的變化特征為了表征干濕變化的區(qū)域特征,把中國北方分為四個典型區(qū)域(見圖1),分別稱為西北西部[分區(qū)1:(40°N～47.5°N,82°E～95°E)]、西北東部[分區(qū)2:(32.5°N～40°N,100°E～107.5°E)]、華北區(qū)[分區(qū)3:(35°N～42.5°N,110°E～117.5°E)]和東北[分區(qū)4:(42.5°N～50°N,120°E～130°E)],分別計算其濕潤指數(shù)的區(qū)域平均值,以此分析四個區(qū)各自區(qū)域平均狀況的變化特征。圖2為1901～2002年四個區(qū)域平均濕潤指數(shù)5年滑動的變化曲線?？梢钥闯?在西北西部,40年代以前,濕潤指數(shù)有一個明顯的減小趨勢,說明這個時段該區(qū)域是明顯的變干趨勢,到40年代初達到20世紀最干,從40年代末以后干濕呈現(xiàn)波動變化的特征,而變差明顯增大;1999年為歷史干旱的第二低。在西北的東部,最強的兩次干旱發(fā)生在20年代末和1940年,1930年以前為明顯的干化(濕潤指數(shù)減小)趨勢,從1940年開始,轉為明顯的變濕(濕潤指數(shù)增大)趨勢,這種變濕趨勢在60年代中期達到最濕,以后濕潤指數(shù)明顯減小,為一個干化時段,近100年該地區(qū)的干濕變化趨勢可大致分為三個時段,1901～1940年為第一階段,是變干趨勢;第二階段是1940～1965年,為變濕趨勢;1965年以后直至現(xiàn)在為第三階段,是弱的變干趨勢。華北和西北東部類似,20年代末和40年代初期為兩個極端干旱的時期,之后為一個濕潤指數(shù)增加的趨勢,而60年代以后又轉為一個下降趨勢,其中80年代為一個干旱時段,在90年代中期以后又出現(xiàn)一個明顯的下降趨勢,2001年濕潤指數(shù)達到歷史最低值?？傮w來看,華北從50年代后期也是一個濕潤指數(shù)下降的趨勢,也就是說,這個時段為一個干化趨勢,而最近的2001年為極端干旱時段,與20世紀20年代的干旱相當,但降水卻多了23mm,兩者的濕潤指數(shù)差為7mm,這與該地區(qū)溫度的升高有關,溫度變化加劇了干旱的程度,在后面將進行詳細的估算和分析。在東北,濕潤指數(shù)存在明顯的周期變化,其中1923年的濕潤指數(shù)最小,干旱的程度最強,2001年次之。仔細分析圖2d發(fā)現(xiàn),從1930年以后,濕潤指數(shù)波動變化的峰值和谷值呈波動式下降,說明在波動式干濕變化上疊加有一個干旱化趨勢。利用Mann-Kendall方法對四個區(qū)的區(qū)域平均濕潤指數(shù)的突變特征進行了檢測(圖2a、b、c、d的下圖)。分析發(fā)現(xiàn),在西北西部,1901～2002年間共出現(xiàn)兩次突變,一次出現(xiàn)在20世紀的初期,另一次出現(xiàn)在20世紀20年代的后半期;在西北東部,第一個突變點出現(xiàn)在20世紀開始10年的后期,第二突變點在20世紀70年代的中期;在華北,同樣存在兩個突變點,第一個突變點和上述兩個地區(qū)的第一突變點相似,也出現(xiàn)在20世紀的初期,而第二突變點出現(xiàn)在20世紀60年代的中期;在東北,突變點一個在20世紀的第二個十年里,而另一個在20世紀20年代。這與符淙斌的研究所發(fā)現(xiàn)的三個氣候突變(20世紀初、20世紀20年代、20世紀60年代)是一致的,但在同一個地區(qū)三個突變不一定都出現(xiàn),在北方這四個地區(qū),沒有一個地區(qū)三個突變都出現(xiàn)。比較四個區(qū)域的干濕突變點可以發(fā)現(xiàn),在兩個高緯度地區(qū),突變點一般發(fā)生在20世紀的初期,多在20世紀第二個十年和20世紀20年代出現(xiàn),然而中緯度的兩個地區(qū)的兩次突變一個在20世紀20年代,另一個在20世紀60年代或者在20世紀70年代。上面分析提到,各個區(qū)域都存在著周期性的干濕變化,從圖2可直觀地看出,不同區(qū)域周期的大小不同。為了更清楚地了解四個典型區(qū)干濕的周期性變化,利用功率譜方法進行了分析。分析發(fā)現(xiàn):在西北西部,干濕變化的主要周期為5.7年、3.8年和2.9年;西北東部主要為3年和2.1年的周期變化;華北主要為3.1年和51年的周期變化;東北地區(qū)存在25.5年、3.6～3.8年和2.8年的周期變化?？傮w來看,2.8～3.8年周期變化是四個地區(qū)所共有的特征。以上用年濕潤指數(shù)給出我國北方四個典型地區(qū)干濕變化的年際及年代際特征,這個指數(shù)的特點是考慮了溫度變化對干濕特征的影響,彌補了單一用降水量變化表征干濕變化的不足。因為溫度變化特別是當前增暖也是一個重要的影響因素,以下的分析充分說明了這一點。3.2不同時代濕潤指數(shù)的特征關于中國北方地區(qū)的氣候變化特征過去已有許多研究,這里不再作詳細分析。為了比較濕潤指數(shù)和降水在表征干濕變化時的差異,我們用類似圖2的分析,給出了四個區(qū)域平均降水的變化(圖3)。比較圖3a和圖2a發(fā)現(xiàn),在1960年以后,西北西部降水有一個明顯的上升趨勢,而在圖2a上,這種上升趨勢不存在,只是干濕振蕩的振幅增大(變率增大)。表1統(tǒng)計了年濕潤指數(shù)、降水距平異號的年份。可以看出:在西北兩個區(qū),1999～2002年四年間,其中三個年份的降水距平為正,而濕潤指數(shù)為負值,說明在這些年份,盡管降水多于正常值,但仍然表現(xiàn)為干旱特征,這說明在增暖背景下,降水量的少量增加還不能改變干旱的特征,而溫度的增加將形成或者加劇干旱化程度。分析溫度距平發(fā)現(xiàn),西北西部的增暖發(fā)生在1977年以后,西北東部起始于1978年,華北開始于1975年,東北開始于1988年。對比降水和濕潤指數(shù)距平可知,在增暖時段,當降水量距平為負值的年份,濕潤指數(shù)距平值小于降水距平,說明增溫加劇了由降水減少所引起的干旱,這樣的現(xiàn)象在西北西部有8年,西北東部為7年,華北為10年,東北為8年;降水距平為正時,濕潤指數(shù)為正值但小于降水距平的,西北西部有6年,西北東部5年,華北為6年,東北為5年;降水距平為正而濕潤指數(shù)距平為負的年份西北西部有4年,西北東部4年,東北1年。看來在西北干旱和半干旱區(qū),溫度的升高更容易引起干旱的發(fā)生,這種現(xiàn)象主要發(fā)生在增暖幅度比較大的最近幾年(1999、2001和2002年),而在東部,增暖年份多為降雨偏少的年份,在華北,少雨年份占增暖時段的63%,在東北占53%,而溫度升高使得地表蒸發(fā)潛力增大,不利于地表水分的保持,加劇了由降水所引起的干旱化的強度?？傮w來看,除降水外,溫度升高是引起和加劇干旱的一個重要原因,因此在干旱檢測時必須考慮溫度的影響。在20世紀,降水的突變基本上與濕潤指數(shù)的特征類似(圖3a、b、c、d的下圖),所不同的是西北東部的第二個突變點出現(xiàn)在20世紀60年代,早于濕潤指數(shù)突變發(fā)生的時間,這與該時段溫度的變化有關。綜合以上分析,在20世紀,濕潤指數(shù)存在著幾次明顯的突變特征,在北方的高緯度地區(qū),突變多發(fā)生在20世紀初,在20世紀20年代以后無突變發(fā)生;在緯度相對較低的地區(qū)(西北東部和華北地區(qū)),20世紀初和20世紀60、70年代的突變均比較明顯,而高低緯的這種差別是否具有普遍性還有待于進一步的分析。從趨勢分析來看,過去一個世紀四個區(qū)的濕潤指數(shù)盡管都存在著不同的變化趨勢:西北東部和華北存在干化趨勢,西北西部和東北有微弱的變濕趨勢,但這些趨勢都沒有通過顯著性檢驗,說明在過去百年尺度上,我國北方?jīng)]有明顯的變化趨勢,只是在干濕振蕩的基礎上疊加了一個微弱的變化趨勢。3.3區(qū)域氣候要素以上分析說明,中國北方典型區(qū)域干濕變化既存在周期變化,也存在著長期的變化趨勢。西北東部、華北和東北地區(qū)都存在著不同程度的干化趨勢,這些現(xiàn)象的發(fā)生是降水和溫度變化綜合影響的表現(xiàn)。那么,是什么原因導致干濕變化具有這些特征?近50年的資料分析說明,不同位相的太平洋年代際振蕩對中國區(qū)域氣溫和降水的影響不同,暖位相對應中國北方大部分地區(qū)高溫和少雨,冷位相結果相反。從過去的研究可知,溫度升高引起和加劇了北方許多地區(qū)的干旱化趨勢,由于干濕變化是溫度和降水變化等因素共同作用的結果,因此,干旱化趨勢的分布既不同于溫度的變化又與降水變化有差異。盡管過去的工作已經(jīng)分析了中國區(qū)域氣候變化與海溫(SST)的年際、年代際變化,但中國北方干濕變化與這些因素的關系尚不清楚。由于PDO是年代際變化的強信號,所以,為了探尋兩者之間的聯(lián)系,我們對年濕潤指數(shù)和年PDO指數(shù)的關系進行了分析。圖4給出了中國區(qū)域降水、表面氣溫和濕潤指數(shù)與PDO的同期相關分布?？梢钥闯?降水和PDO同期相關的顯著地區(qū)主要分布在35°N和45°N之間,幾個強的相關中心分布在華北、西北東部和天山的南部地區(qū),另外一個顯著的地區(qū)在西南地區(qū)。在華北和西北東部,年降水和PDO指數(shù)呈顯著的反相關關系;而在青藏高原的西部卻呈現(xiàn)正相關關系。年降水和年PDO指數(shù)相關的另一個顯著特點是東西部(以100°E為界)相關系數(shù)反號,其形成原因將有待于進一步研究。圖4b,年平均溫度與年PDO指數(shù)在中國大部分地區(qū)均為正的相關,只有青藏高原的西南部和橫斷山脈及其周圍為負相關,相關顯著的地區(qū)分布在東部地區(qū),北方主要在華北和中原地區(qū),南方主要分布在湖南、貴州和廣西的部分地區(qū)。概括起來,PDO暖的位相對應我國東部高溫少雨,特別是華北和西北東部,這與澳大利亞的情況類似;而青藏高原卻相反,PDO的暖位相對應低溫多雨?？梢钥闯?中國氣候變化與PDO有密切的關系,那么由此引起的干濕變化與PDO的關系是什么?圖4c給出了PDO指數(shù)與中國區(qū)域年濕潤指數(shù)的同期相關系數(shù)分布。由圖4c可以看出,年濕潤指數(shù)與年PDO的相關空間分布與圖4a的特征大致相似,只是顯著相關的范圍明顯增大,特別是在天山以南和西南地區(qū),西南地區(qū)的反相關和天山以南的正相關范圍均較圖4a的顯著性相關范圍大,對比圖4a、b還發(fā)現(xiàn),PDO對中國區(qū)域干濕變化的影響遠大于對某個單一的氣候要素的作用,同時也說明了溫度變化對干濕變化的影響。這些結果啟發(fā)我們可以利用兩者的密切相關關系進行我國北方地區(qū)干旱變化的預測,也就是說,可以把PDO作為一個預報干濕變化的一個重要指標。為了更進一步地分析中國北方地區(qū)干濕變化與PDO的關系,我們對兩個和PDO顯著相關的地區(qū)西北東部和華北進行區(qū)域平均,然后計算出各個區(qū)域平均濕潤指數(shù)、降水和氣溫,進一步對各序列進行11年滑動平均,計算出序列相對于1961～1990平均值的距平,并與年PDO距平對照比較。圖5為華北和西北東部區(qū)域平均濕潤指數(shù)、PDO指數(shù)、降水和氣溫的11年滑動距平。可以看出,在華北和西北東北,年代際時間尺度PDO的變化和干濕變化存在顯著的反相關關系。在20世紀20年代末期以后,年PDO指數(shù)存在明顯的負位相和兩個顯著的正位相,每個位相的持續(xù)時間大約在25～30年,時間分布為正、負、正,而濕潤指數(shù)對應是負、正、負,濕潤指數(shù)異常的持續(xù)時間與PDO指數(shù)異常的持續(xù)時間相當,也在25～30年之間,這說明我國西北東部和華北的干濕存在50年左右的周期,與PDO指數(shù)的變化相吻合。如果按這個周期規(guī)律來推算,未來年PDO指數(shù)將向負位相轉變,對應這兩個地區(qū)將應該轉濕,但溫度在近20年是明顯的上升趨勢,這種升溫趨勢不利于轉濕,增加了轉型預測的不確定性,特別是在干旱少雨的地區(qū),增溫的影響不可忽視。表2給出四個區(qū)區(qū)域平均年濕潤指數(shù)與逐月及年PDO指數(shù)的同期相關系數(shù)?？梢钥闯?逐月和年相關最好的是西北東部,其中冬春和夏初(6月)的相關最好,且都達到99%的信度檢驗,而7～11月的相關系數(shù)的信度也在95%以上。其次相關較好的是華北,除6～10月,其他月份相關系數(shù)都達到了99%的信度檢驗,7～11月不能通過顯著性檢驗。西北西部僅有5、7、8三個月的相關系數(shù)能夠達到95%的信度檢驗。東北地區(qū)兩者的相關性最差,無一個月能達到信度檢驗。從這些結果可以斷定,冬春夏初及秋末的PDO指數(shù)與華北及西北東部的關系密切。以上給出了濕潤指數(shù)與太平洋年代際變化(PDO)指數(shù)的同期相關關系。那么,前期的PDO指數(shù)對后期的濕潤指數(shù)是否有影響?為此,我們分析了四個區(qū)區(qū)域平均年濕潤指數(shù)和年PDO指數(shù)的時間滯后關系,發(fā)現(xiàn)東北和西北西部年濕潤指數(shù)與年PDO指數(shù)的時滯相關較差,不能通過較高的信度檢驗;而西北東部和華北兩者的相關性較好。圖6給出了西北東部和華北兩個地區(qū)年濕潤指數(shù)和年PDO指數(shù)的時間滯后相關系數(shù)分布,從圖中可以看出,在滯后時間為6.5年以下,西北東部的時間相關系數(shù)均達到了95%的信度檢驗,當時滯時間為5年時,兩者的時滯相關系數(shù)能夠達到99%的信度檢驗;在華北,滯后時間在0～10