西南秋季降水及其影響要素的氣候變化特征

譚志強,余錦華

(1.南京信息工程大學氣象災害省部共建教育部重點實驗室,江蘇南京 210044;2.南京信息工程大學大氣科學學院,江蘇南京 210044)

水是自然環(huán)境中最活躍的因素之一,也是人類賴以生存的重要資源.降水量是最基本的氣候要素之一,它的多寡直接與人們的生活、工農業(yè)生產緊密相連.近年來,氣候變化日益引起人們的關注[1-2],關于其對區(qū)域降水量影響的研究[3-6]已取得一定的進展.

2009年秋季到2010春季我國西南片區(qū)(云南、貴州、廣西、四川、重慶)發(fā)生了近幾十年最嚴重的干旱,給當地人們的生活、生產帶來了嚴重的影響,引起了廣泛關注.關于西南片區(qū)降水及其與相關氣候要素的變化特征已有不少研究成果,這些成果表明:(a)西南片區(qū)的西部高原地區(qū)降水資源呈增加趨勢,而其東部除重慶地區(qū)外,大部分地區(qū)降水資源有所減少[7],四季降水量都表現出較強的負增長趨勢,且秋季降水量大于春季[8];(b)西南片區(qū)年平均氣溫在20世紀60—80年代中期經歷了一個由暖變冷的過程后,80年代后期開始呈現明顯的上升趨勢[9-10];(c)在西南片區(qū)的干旱形成過程中,降水量所起的作用比溫度所起的作用大[11].此外,對西南片區(qū)各省市的氣候變化研究也取得相當大的進展[12-14].然而,上述研究大多集中在全年及局部區(qū)域,對西南片區(qū)秋季的區(qū)域平均降水及其影響要素的氣候變化特征涉及不多.筆者通過對西南片區(qū)地面氣溫的分析,認為2009年秋季到2010春季我國西南片區(qū)的氣溫偏高使地面潛在蒸發(fā)增加,是引起西南片區(qū)干旱的一個重要因素.氣溫(特別是對流層中層氣溫)是影響降水的一個基本和重要的因素,筆者將重點分析西南片區(qū)降水及其影響因素的變化特征,研究氣溫和水汽等對西南片區(qū)降水的影響,希望從熱力(包括溫度、水汽)和動力因素的角度對西南片區(qū)2009年秋季降水異?，F象進行物理解釋.

1 研究資料與方法

1.1 研究資料

研究資料包括:(a)1948年1月至2010年3月NCEP/NCAR再分析資料的全球逐月平均資料集,分辨率為2.5°×2.5°,包括各等壓面溫度、濕度(比濕)和風場;(b)1960年1月至2010年2月中國160站逐月降水資料,中國753站逐日降水、地面氣溫和相對濕度資料.

1.2 研究方法

選用雙諧樣條插值法對西南片區(qū)降水及其影響要素進行細化插值,取其區(qū)域平均得到各要素的時間序列;用諧波分析分離出8a以下的年際變化和8a以上的年代際變化,進而分析各要素不同時間尺度的變化特征;用空間相似系數分析各要素對降水的影響.

2 西南片區(qū)降水的氣候變化特征

根據1960—2009年中國160個雨量站的逐月降水資料,得到我國秋季降水量占全年總降水量百分比.本文所選的西南片區(qū)為東經98°～110°、北緯22.5°～30°的矩形區(qū)域.西南片區(qū)秋季降水量占全年降水量的比例在大部分區(qū)域為20%以上,部分區(qū)域甚至可以達到25%以上,而冬季該片區(qū)的降水量只占全年降水量的5%左右.由此可見,在西南片區(qū),秋季降水的多寡對全年降水的貢獻不容忽視.

利用西南片區(qū)50個氣象站記錄的逐日降水數據,用雙諧樣條插值方法插值成0.5°×0.5°的格點數據,取區(qū)域平均降水量代表西南片區(qū)降水量,得到西南片區(qū)的秋季降水時間序列(圖1(a),對站點溫度、比濕和水平散度采用同樣方法得到相應的時間序列).可見,西南片區(qū)秋季降水量具有顯著的減少趨勢,每10a減少9.9mm.將線性趨勢去除,對序列做8a以下的諧波分離以得到降水的年代際變化和年際變化(圖1(b)).線性趨勢、年際和年代際方差貢獻分別為9%,75%和16%,由此可見,西南片區(qū)降水的年際變化在降水變化中占主要地位.從圖1(b)可以看出:1960—1980年間降水量年代際變化表現為圍繞平均值約10a周期較大振幅的振蕩;1980—2000年間除1994和1995年為弱的負距平外,年代際降水均為正距平,表明在這段時期年代際降水偏多;2000年以來西南片區(qū)的年代際降水進入偏少時期.

2009年西南片區(qū)秋季降水達到1960年以來的最小值154mm,由圖1可見該降水量極小是由降水的線性減少趨勢、年際和年代際變化共同作用的結果.

圖1 西南片區(qū)1960—2009年秋季降水量的時間演變Fig.1 Temporal variation of rainfall in Southwest China in autumn from 1960 to2009

3 西南片區(qū)降水影響要素的氣候變化特征

西南片區(qū)秋季地面氣溫時間序列如圖2(a)所示.在1960—2009年間,西南片區(qū)秋季地面氣溫呈現顯著增暖趨勢,其線性趨勢達到每10a增溫0.18℃,對序列總方差有27%的貢獻.

圖2(b)是去除線性趨勢后的秋季地面氣溫時間序列所得到的年際、年代際變化,其中年際、年代際方差貢獻分別為50%和23%.從圖中可以看出,在1960—1980年間表現出10a左右的周期振蕩,20世紀80年代到90年代中期,年代際變化的氣溫偏低,1996年以后年代際變化的氣溫處于偏高時期.由圖2不難看出,2009年西南片區(qū)秋季氣溫偏高主要是線性增溫趨勢和年代際變化的貢獻.

圖2 西南片區(qū)1960—2009年秋季地面氣溫的時間演變Fig.2 Temporal variation of surface air temperature in Southwest China in autumn from 1960 to2009

降水與地面氣溫的相關系數只有-0.22,未通過0.05的顯著性檢驗.西南片區(qū)2009年地面氣溫異常偏高是引起該地區(qū)干旱的一個重要因素,但與降水減少的關系并不密切.

對流層中層氣溫的高低直接影響到水汽距離飽和的程度,通過計算西南片區(qū)秋季降水與該地區(qū)上空各等壓面溫度的相關系數得到兩者在氣壓500hPa時相關最顯著(相關系數為-0.34,通過0.05信度檢驗).由圖3(a)可見,在1960—2009年期間,西南片區(qū)秋季氣壓500hPa時溫度沒有顯著的增暖趨勢,但2009年的溫度卻達到50a來的歷史最高值-5.2℃.圖3(b)是氣壓500hPa時溫度的年際和年代際變化序列.可見,2009年西南片區(qū)秋季氣壓500hPa的異常高溫主要是年際和年代際變化的貢獻,與該年地面異常高溫的性質不完全相同.在年際尺度上,該序列與降水的相關系數為-0.47(通過0.01信度檢驗),而在年代際尺度上,該序列與降水的相關系數是-0.01(未通過檢驗),這說明氣壓500hPa時溫度在年際尺度上對降水有顯著影響.

圖3 西南片區(qū)1960—2009年秋季氣壓500hPa時溫度的時間演變Fig.3 Temporal variation of temperature at 500hPa in Southwest China in autumn from 1960 to 2009

由西南片區(qū)秋季降水與該地區(qū)上空各層比濕的相關廓線(圖略)可知,在氣壓600hPa時兩者的相關系數最大(為0.30,通過了0.05的顯著性T檢驗).西南片區(qū)秋季氣壓600hPa時的比濕時間序列如圖4(a)所示.在1960—2009年間,西南片區(qū)秋季氣壓600hPa時比濕呈現顯著減小的趨勢,線性趨勢為-0.006g/(kg?a),占總方差的10%.圖4(b)是其年際和年代際變化序列,方差貢獻分別為50%和40%.年代際時間序列顯示,20世紀70年代中期到20世紀末,比濕大多處于偏大時期,而近10a來比濕的年代際變化處于偏小時期,與降水的相關系數達到0.69.其年際變化與降水的相關系數只有0.05,但在2009年為強的負距平.可見,比濕線性減小趨勢、年際和年代際變化共同作用使2009年西南片區(qū)對流層的中層秋季空氣濕度異常偏干.

圖4 西南片區(qū)1960—2009年秋季氣壓600hPa時比濕的時間演變Fig.4 Temporal variation of specific humidity at 600hPa in Southwest China in autumn from 1960 to 2009

由西南片區(qū)秋季降水與該地區(qū)上空各層水平散度的相關廓線(圖略)可知,在氣壓700hPa時兩者的相關性最好(相關系數為-0.29,通過了0.05的顯著性T檢驗),故采用西南片區(qū)上空氣壓700hPa的區(qū)域平均水平散度作為該地區(qū)影響降水的動力因子.

圖5是西南片區(qū)秋季氣壓700hPa的水平散度時間序列及其年際和年代際變化.在1960—2009年間,西南片區(qū)秋季氣壓700hPa的水平散度具有線性減小的趨勢,占總方差的5%,但并不顯著,年際和年代際變化方差貢獻分別為56%和39%.年代際變化表現為:20世紀80年代之前水平散度的年代際振蕩強;80年代后期到21世紀初水平散度的年代際振蕩較小;2006年后水平散度顯著增大,輻散加強;2009年水平散度達到50a來第六大值.2009年秋季水平散度年際變化為歷史第三大值.可見,2009年西南片區(qū)秋季對流層中下層氣壓700hPa時水平散度異常偏強是年際和年代際變化的貢獻.該序列年際和年代際變化與降水的相關系數分別為-0.39(通過0.01的顯著性檢驗)和-0.45.

4 西南片區(qū)2009年秋季降水及其影響要素異常的空間分布

圖6(a)為2009年秋季西南片區(qū)降水距平百分率的空間分布.可見,西南片區(qū)均為負距平百分率,大部分地區(qū)降水較常年偏少40%以上,部分地區(qū)降水偏少60%以上.圖6(b)(c)分別是2009年秋季氣壓500hPa時的溫度距平和氣壓600hPa時的比濕距平百分率分布.可見,該年西南片區(qū)秋季對流層中層氣溫增暖和濕度減少都很明顯,增暖明顯區(qū)溫度偏高1.6℃,比濕減少顯著區(qū)達到20%,其空間分布與降水異常的空間型很相似,對應的空間相似系數分別為-0.93和0.85.圖6(d)為西南片區(qū)上空氣壓700hPa時的秋季散度距平分布,與西南片區(qū)降水異常分布的相似系數僅為-0.46,遠小于熱力因素與降水的空間相似系數,與前面得到的西南片區(qū)區(qū)域平均降水與對流層中層氣溫和濕度的相關性都比其與散度的相關性顯著的結果一致,表明2009年秋季西南片區(qū)降水的減少是熱力和動力因素共同作用所致,但動力因子的作用小于熱力因素的影響.

圖5 西南片區(qū)1960—2009年秋季氣壓700hPa時水平散度的時間演變Fig.5 Temporal variation of horizontal divergenceat 700 hPa in Southwest China in autumn from 1960 to 2009

圖6 西南片區(qū)2009年秋季降水及其影響要素空間分布Fig.6 Spatial distribution of rainfall and impact factors in Southwest China in autumn of 2009

5 結 論

a.1960—2009年以來西南片區(qū)秋季降水量呈現減少的趨勢,2009年秋季更是達到50a來的降水最小值154mm,該結果是由降水線性減少趨勢、年際和年代際變化共同作用的結果.

b.西南片區(qū)地面氣溫存在0.018℃/a的線性增暖趨勢,2009年秋季地面氣溫的顯著偏高除了增暖的趨勢外,還有年際和年代際變化的貢獻.地面氣溫異常偏高是引起西南片區(qū)干旱的一個重要因素,該地區(qū)降水與地面氣溫的關系并不密切,與對流層中層氣壓500hPa時的溫度具有顯著的負相關(相關系數為-0.34).1960—2009年間該區(qū)溫度沒有線性增暖趨勢,2009年秋季西南片區(qū)氣壓500hPa時的溫度達到50a來的最大值-5.2℃,主要是年際和年代際變化的貢獻.該序列氣溫年際變化與降水的相關系數達到-0.47.

c.西南片區(qū)降水與對流層中層氣壓600hPa時濕度的相關系數為0.30,通過了0.05的顯著性 T檢驗.該地區(qū)氣壓600 hPa時比濕存在-0.006g/(kg?a)的減小趨勢,序列年代際變化的方差貢獻為40%,與降水的相關系數達到0.69.2009年秋季對流層中層空氣濕度異常偏干是由濕度線性減小趨勢、年際和年代際變化共同作用所致.

d.西南片區(qū)降水與對流層中下層氣壓700 hPa時的水平散度存在顯著負相關(相關系數為-0.29).2009年秋季該層輻散異常偏強,其水平散度為50a來第4大值,是由年際和年代際變化共同作用所形成.該序列水平散度與降水的相關系數為-0.39.

e.西南片區(qū)秋季降水和對流層中層氣壓500hPa時的溫度、氣壓600hPa時的比濕和氣壓700hPa時的水平散度存在顯著相關,各相關性大小差異不明顯.2009年秋季降水異常偏少的空間型與氣壓500hPa時的溫度異常偏高型、氣壓600hPa時的比濕異常偏小型以及氣壓700 hPa時的水平散度異常偏強型的空間相似系數都很顯著,前兩者相差不大,后者較小,表明西南片區(qū)2009年秋季降水異常偏少是局地對流層中層氣溫異常偏暖、濕度異常偏低以及水平輻散異常偏強共同作用的結果,其中以溫度和濕度的影響較大,水平散度作用較弱.

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