山東省夏季降水的年代際變化和年際變化

劉永平　張瀟瀟　薛峰（ 山東省郯城縣氣象局，郯城 7600； 中國科學院大氣物理研究所國際氣候與環(huán)境科學中心，北京 0009；3 中國科學院大學，北京 00049）

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山東省夏季降水的年代際變化和年際變化

劉永平1張瀟瀟2,3薛峰2
（1 山東省郯城縣氣象局，郯城 276100；2 中國科學院大氣物理研究所國際氣候與環(huán)境科學中心，北京 100029；3 中國科學院大學，北京 100049）

摘要：基于山東省7個臺站的觀測資料和其他多種資料，分析了山東夏季降水的年代際和年際變化。結果表明，山東省夏季降水經(jīng)歷了顯著的年代際變化，20世紀50—70年代末為多雨期，70年代末到21世紀初為少雨期。70年代末之后，太平洋年代際振蕩（PDO）從負位相轉變?yōu)檎幌?，東亞夏季風減弱，導致山東省夏季降水減少。此外，年代際背景還影響到山東夏季降水的年際變化。在1951—1977年期間，降水與熱帶中太平洋（Ni?o4區(qū)）海表溫度呈顯著負相關，但在1978年之后，這種相關關系明顯減弱。值得注意的是，PDO指數(shù)在2003年之后再次由正轉負，山東夏季有可能再次轉變?yōu)槎嘤辍?/p>

關鍵詞：年代際變化，年際變化，山東，夏季降水，太平洋年代際振蕩

0　引言

山東省地處中緯度沿海地區(qū)，受季風氣候影響，年降水量主要集中在夏季，夏季降水的多少在很大程度上決定著全年的旱澇情況。山東位于華北與江淮之間的過渡地帶，獨特的地理位置以及復雜的地形條件，使得山東夏季降水與華北和江淮地區(qū)既有聯(lián)系又有所差異。陳菊英指出，山東汛期降水既與全國大部地區(qū)汛期降水分布特征具有一致性，又有本地區(qū)的特殊性[1]。胡桂芳認為山東夏季雨型與全國雨型有一定的聯(lián)系，但并不完全一致[2]。王慶等指出全國性的大范圍雨帶位置預報，常常與山東降水實況相差較大[3]。因此，山東夏季降水變化有其明顯的區(qū)域特征。

受東亞夏季風強弱變化的影響，山東省夏季降水呈現(xiàn)出顯著的年際變化和年代際變化。特別是由于東亞夏季風在20世紀70年代末的衰退，山東省夏季降水明顯減少，由多雨期轉變?yōu)樯儆昶?。研究表明，東亞夏季風的年代際減弱與太平洋年代際振蕩（PDO）位相轉換造成的熱帶海洋變暖有關[4-7]。楊修群等[8]研究了華北降水年代際變化及相關的海氣異常型，發(fā)現(xiàn)當華北地區(qū)降水偏少時，熱帶中東太平洋海溫偏高，北太平洋中部海溫偏低，表現(xiàn)為PDO的正位相。顧薇等[9]和鄧偉濤等[10]發(fā)現(xiàn)20世紀70年代中后期，北太平洋中緯度海溫由正距平向負距平轉變，PDO由負位相向正位相轉變，西太平洋副熱帶高壓偏南，東亞夏季風由強變?nèi)?，華北由多雨轉為少雨。

年代際背景的變化還影響到氣候系統(tǒng)的年際變化及其預測。Gershunov等[11]發(fā)現(xiàn)PDO不同位相階段ENSO對北美天氣氣候的影響明顯不同。朱益民等[12]指出ENSO對中國夏季降水異常的影響受到PDO背景的調(diào)制。高輝等[13]發(fā)現(xiàn)1980年之后ENSO與我國夏季降水異常相關關系及其在預測中的指示意義明顯減弱。與此同時，南半球環(huán)流對中國夏季降水的影響趨于增強[14]。但考慮到山東省夏季降水的區(qū)域特征，上述有關結論的適用性尚需進一步研究。本文利用山東省7個測站的夏季降水資料，分析了其長期變化規(guī)律，并將夏季分為多雨期和少雨期，對比分析了兩個階段的大氣環(huán)流和海溫背景及其年際變化。在此基礎上，根據(jù)21世紀以來PDO的變化趨勢，展望了山東夏季降水的未來變化。

1　資料

本文使用以下觀測和再分析資料：1）中國氣象局國家氣候中心提供的全國160站1951—2013年夏季（6—8月）降水資料，選取其中7個站（德州、煙臺、青島、濰坊、濟南、臨沂、荷澤）作為山東省的代表站；2）海表溫度（SST）數(shù)據(jù)來自美國國家海洋大氣管理局（NOAA）延伸重建的月平均海表溫度資料，分辨率2°×2°[15]；3）美國國家環(huán)境預報中心/美國國家大氣研究中心（NCEP/NCAR）提供的大氣環(huán)流再分析數(shù)據(jù)集，分辨率為2.5°×2.5°[16]；4）美國環(huán)境預報中心提供的不同Ni?o分區(qū)的海溫指數(shù)（http://www.cpc.ncep.noaa.gov/data/indices），包括Ni?o3區(qū)（5°N—5°S，150°—90°W），Ni?o4區(qū)（5°N—5°S，160°E—150°W）和Ni?o3.4區(qū)（5°N—5°S，170°—120°W）。5）美國華盛頓大學提供的月平均太平洋年代際振蕩（PDO）指數(shù)（http://jisao.washington.edu/pdo/PDO.latest），PDO指數(shù)為北太平洋地區(qū)（20°N以北）SST正交函數(shù)分解的第一模態(tài)。文中冬季指前一年12月和當年1月和2月的平均值，春季和夏季分別為3—5月和6—8月的平均值。

2　夏季降水的年代際變化

圖1為山東省夏季降水距平百分率的時間序列及9年滑動平均。除年際變化外，夏季降水還呈現(xiàn)顯著的年代際變化。在1977年之后，滑動平均值由正變負，表明山東省降水由多雨期轉變?yōu)樯儆昶凇Ａ硗庵档米⒁獾氖牵?003年之后，滑動平均值再次改變，因此山東省夏季降水有可能發(fā)生再次轉折。以1977年為分界點，將1951—2003年共53年分為兩個時期，1951—1977年為多雨期（27年），1978—2003年為少雨期（26年）。在多雨期，表現(xiàn)為20世紀60年代初和70年代中期的雙峰分布，降水距平在1964年達到次峰值（48%），在1971年達到最大峰值（60%）。在少雨期，也出現(xiàn)了20世紀80年代中期和90年代末—21世紀初的兩個降水低谷，最大負異常在2002年（－55%）。另外，在兩個時期降水的年際變化均非常顯著，多雨期降水偏少年共6次，少雨期降水偏多年共7次。在上述13年中，1966—1969年的降水偏少年和1993—1996年的偏多年持續(xù)4年，1958—1959年降水偏少持續(xù)2年，其余年份的降水異常均呈現(xiàn)交替發(fā)生的現(xiàn)象。

圖1　1951—2013年山東省夏季降水距平百分率時間序列（虛線）及其9年滑動平均（實線）（單位：%）Fig.1　Time series of summer rainfall anomaly percentage in Shandong Province from 1951 to 2013(dash line)and its 9-year running mean(solid line)(unit:%)

上述降水的年代際變化與全球和東亞大氣環(huán)流的變化有關。如圖2所示，全球海平面氣壓發(fā)生了顯著變化，熱帶氣壓升高，其中尤以東亞地區(qū)最為顯著。同時，南半球高緯度氣壓降低，南極濤動處于正位相，使西太平洋副熱帶高壓偏南[14,17]。同時，東亞沿海出現(xiàn)偏北風異常，西南季風減弱（圖3），不利于水汽向北方輸送，山東夏季降水隨之減少。

圖2　1978—2003年與1951—1977年夏季海平面氣壓場的差異（單位：hPa）（陰影區(qū)為超過0.05顯著性水平的區(qū)域）Fig.2　Sea level pressure difference in summer between 1978-2003 and 1951-1977(unit:hPa),regions over 5% significance level are shaded

圖3　1978—2003年與1951—1977年夏季850hPa風場的差異（單位：m/s）Fig.3　850 hPa wind difference in summer between 1978-2003 and 1951-1977(unit:m/s)

圖4為兩個時期SST的差異。在冬季（圖4a），全球大部分海域SST普遍升高，其中以熱帶東太平洋和印度洋以及南大洋最為明顯，但北太平洋和北大西洋SST降低。這種SST異常分布持續(xù)到夏季，太平洋和印度洋升溫更為顯著，但北太平洋和北大西洋的降溫則有所減弱（圖4b）。上述SST異常分布型類似于PDO的正位相，說明山東省夏季降水的年代際減弱可能與PDO位相轉換有關。

圖4　1978—2003年與1951—1977年海表溫度的差異（單位：℃）（陰影區(qū)為超過0.05顯著性水平區(qū)域）Fig.4　Sea surface temperature difference between 1978-2003 and 1951-1977(unit:℃,regions over 5% significance level are shaded)

圖5進一步給出PDO指數(shù)的變化及其9年滑動平均。類似于降水和環(huán)流場的變化，PDO也表現(xiàn)出明顯的年代際變化特征。在20世紀70年代末期，PDO從負指數(shù)（冷位相）轉變?yōu)檎笖?shù)（暖位相），對應于熱帶大洋的變暖和北太平洋的變冷（圖4）。對比山東省夏季降水與PDO指數(shù)的9年滑動平均（圖6），可以發(fā)現(xiàn)二者呈現(xiàn)明顯的反相關關系，原始序列中夏季降水與PDO的相關系數(shù)為－0.327，而 9年滑動平均的相關系數(shù)則高達－0.877，均通過了置信度為1%的顯著性檢驗。1951—1977年多雨時期對應于PDO的冷位相，而1978—2003年少雨時期對應于PDO的暖位相。此外，PDO指數(shù)由負轉正的轉折點也出現(xiàn)在1977年前后，與山東夏季降水第一個轉折點是一致的。值得注意的是，PDO指數(shù)滑動平均值在2003年前后由正轉負，有再次向冷位相轉變的趨勢，而山東夏季降水也隨之變?yōu)檎惓＃叩霓D變時間也大致相同。

圖5　1951—2013年PDO指數(shù)時間序列（虛線）及其9年滑動平均（實線）Fig.5　Time series of the Pacific decadal oscillation index(dashed)and its 9-year running mean(solid)from 1951 to 2013

圖6　標準化后的9年滑動PDO指數(shù)（虛線）和山東夏季降水距平百分率（實線）的時間序列Fig.6　Normalized 9-year running mean Pacific decadal oscillation index(dash line)and normalized summer rainfall anomaly percentage in Shandong Province(solid　line)

3　不同年代際背景下降水的年際變化

已有研究表明，年代際背景的變化不僅影響到中國夏季降水的分布，而且其年際變化的影響因子也有很大差異，特別是年代際背景直接調(diào)制了ENSO與中國夏季降水的關系[12-13]。圖7為山東夏季降水在兩個時期與冬季SST的相關分布。在前一個時期（1951—1977，圖7a），在熱帶中太平洋為顯著負相關，在熱帶西太平洋為正相關，這種相關分布持續(xù)到春季；到夏季則明顯減弱（圖略）。換言之，當冬季Ni?o4區(qū)SST偏高時，山東夏季降水偏少。但在后一個時期（1978—2003，圖7b），上述相關分布完全消失，山東夏季降水與熱帶太平洋SST無顯著相關，說明ENSO對山東夏季降水的影響顯著減弱。

圖7　山東省夏季降水與冬季海表溫度的相關分布（陰影區(qū)為超過0.05顯著性水平的區(qū)域）Fig.7　Correlation coefficient between summer rainfall in Shandong Province and sea surface temperature in winter,regions over 5% significance level are shaded

與整個中國夏季降水有所不同的是，影響山東夏季降水的關鍵區(qū)并非熱帶東太平洋（Ni?o3.4區(qū)）而是熱帶中太平洋（Ni?o4區(qū)）。圖8給出兩個時期Ni?o4區(qū)SST異常與山東夏季降水的時間序列。在前期（1951—1977年，圖8a），降水與Ni?o4區(qū)SST呈顯著負相關，相關系數(shù)為－0.39，通過0.05的顯著性檢驗；而后期的相關關系顯著減弱，相關系數(shù)僅為0.16。表1進一步給出各季節(jié)Ni?o區(qū)域SST與山東夏季降水的相關系數(shù)。在前后兩個時期的各個季節(jié)，降水與Ni?o3和Ni?o3.4區(qū)的SST相關均不顯著，未通過0.05的顯著性檢驗。最顯著相關為前期降水與Ni?o4區(qū)SST的相關，最大相關系數(shù)超過0.45，通過0.02的顯著性檢驗。但這一相關關系在后期顯著減弱，相關系數(shù)較低。因此，年代際背景對山東夏季降水預測有重要意義，選取汛期降水的預報因子必須考慮年代際背景。當PDO處于負位相時，Ni?o4區(qū)SST對山東夏季降水有較好的預測意義。當PDO處于正位相時，Ni?o4區(qū)SST不再適合作為預測因子。

表1　山東夏季降水和各Ni?o區(qū)海溫的相關系數(shù)（黑體字超過0.05顯著性水平）Table 1 Correlation coefficients between summer rainfall in Shandong Province and sea surface temperature over various Ni?o regions(correlation coefficients over 5% significance level are indicated with the bold type)

圖8　標準化后的山東省夏季降水（實線）與Ni?o4 區(qū)SST（虛線）的時間序列Fig.8　Normalized summer rainfall in Shandong Province(solid line)and normalized sea surface temperature over Ni?o4 region(dash line)

4　結論

基于山東省7個測站的降水資料并結合其他多種資料，本文分析了山東夏季降水的年代際變化。結果表明，山東夏季降水經(jīng)歷了從多雨期到少雨期的年代際變化，轉折點出現(xiàn)在1977年前后，20世紀50—70年代末為多雨期， 70年代末—21世紀初期為少雨期。進一步分析表明，太平洋年代際振蕩（PDO）在70年代末從冷位相轉變?yōu)榕幌?，東亞夏季風隨之減弱，導致了山東夏季降水減少。

PDO的位相轉變還影響到山東夏季降水的年際變化及其預測。1977年之前，山東夏季降水與Ni?o4區(qū)海溫有顯著的相關關系，當冬春季熱帶中太平洋海溫偏高時，山東夏季降水偏少。但在1978年之后，二者的相關關系明顯減弱，Ni?o4區(qū)海溫不能作為山東夏季降水的預測因子，其他一些因子如南半球環(huán)流對東亞夏季風的影響明顯增強[14,17]。因此，夏季降水的預測必須考慮到年代際背景。

PDO是太平洋海氣耦合系統(tǒng)的一種周期振蕩現(xiàn)象，其位相一般可持續(xù)20～30年，而且從20世紀70年代末到現(xiàn)在的正位相已持續(xù)30年，因此PDO位相有可能再次開始轉變。從PDO時間序列可以看到，2003年之后PDO指數(shù)的9年滑動平均值再次從負異常轉變?yōu)檎惓＃瑩?jù)此可以推斷，山東省夏季降水有可能發(fā)生再次轉折，從少雨期轉變?yōu)槎嘤昶?，這總體上有利于水資源相對匱乏的山東省的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。同時也應該注意，夏季發(fā)生暴雨的可能性也隨之增加，應注意加強預測和防范。

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Interdecadal and Interannual Variabilities of Summer Rainfall in Shandong Province

Liu Yongping1,Zhang Xiaoxiao2,3,Xue Feng2
(1 Tancheng Meteorological Bureau,Shandong Province,Tancheng 2761002 ICCES,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing,1000293 University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049)

Abstract:Based on the 7-station observation in Shandong Province and other datasets,interdecadal and interannual variabilities of summer rainfall in Shandong Province are analyzed.The result showed that summer rainfall underwent a pronounced interdecadal variability,with more rainfall from 1950s to the late 1970s and less rainfall from the late 1970s to the beginning of the 21st century.After the late 1970s,there occurred a transition for the Pacific decadal oscillation from a negative phase to a positive one,thus leading to a decreased East Asian summer monsoon and less summer rainfall in Shandong Province.In addition,the decadal background plays a role in interannual variability of summer rainfall.During 1951—1977,there was a significantly negative correlation between summer rainfall and sea surface temperature in the tropical central Pacific(Ni?o4 region).After 1978,however,this relation decreased dramatically.It is also noted that summer rainfall in Shandong Province seems to have entered a more rainfall period along with a transition of PDO from a positive phase to a negative one after 2003.

Keywords:interdecadal variability,interannual variability,Shandong,summer rainfall,Pacific decadal oscillation

收稿日期：2014年6月3日；修回日期：2014年7月21日

DOI：10.3969/j.issn.2095-1973.2016.01.003

第一作者：劉永平（1963—），Email:13508997296@139.com

資助信息：中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（XDA05110201）；國家重點基礎研究發(fā)展計劃（2010CB951901）