南亞高壓與長江中下游夏季降水異常的關(guān)系

馬端良，伯 玥，姜茹茵，陳星宇

(山東省煙臺經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)氣象局,山東 煙臺 264006)

1 引言

長江中下游地區(qū)是我國人口密集程度最大以及工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的區(qū)域之一。葉篤正等[1]的研究表明，長江中下游流域是我國旱澇災(zāi)害多發(fā)地區(qū)之一。長江中下游流域嚴(yán)重的旱澇災(zāi)害給當(dāng)?shù)厝嗣竦纳拓敭a(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅，同時也給我國經(jīng)濟(jì)造成了巨大的損失。因而，分析長江中下游流域降水異常成因，提高災(zāi)害性天氣的預(yù)測水平，已成為氣象工作者以及相關(guān)部門關(guān)注的科學(xué)問題。

南亞高壓，又稱為“青藏高壓”，是北半球?qū)α鲗由峡兆顬閺?qiáng)大且最為穩(wěn)定的環(huán)流系統(tǒng)[2]，也是夏季北半球高層最強(qiáng)大的高壓系統(tǒng)，同時是亞洲夏季風(fēng)的主要成員之一[3]。南亞高壓的異常移動和發(fā)展經(jīng)常能夠引起東亞季風(fēng)的異常。盛夏期間位于南亞上空的南亞高壓與我國大范圍旱澇的關(guān)系，已有諸多研究[4-8]。

1964年陶詩言[4]等聯(lián)系我國的實(shí)際，最早指出了南亞高壓東西振蕩的概念。朱?？礫9]等研究指出，南亞高壓的位置和強(qiáng)度存在著顯著的季節(jié)性變化，直接影響著北半球上大氣環(huán)流的季節(jié)變化。羅四維[6]等進(jìn)一步以100°E為界，將南亞高壓分為東部型、西部型和帶狀型，并將東部和西部型高壓之間的相互轉(zhuǎn)換稱為南亞高壓的東西振蕩。90年代中期以后，隨著資料增加和資料時間長度增長，南亞高壓的特征已經(jīng)被人們所熟知。許多學(xué)者[10-15]已經(jīng)指出南亞高壓面積、強(qiáng)度、脊線、東西界位置、中心位置都存在顯著的年際變化。張瓊[16]發(fā)現(xiàn)我國夏季各月的降水量與同期南亞高壓以及100 hPa高度場的時間相關(guān)系數(shù)很高，并得出南亞高壓異常對我國夏季降水有著直接影響的結(jié)論。

前人對于長江中下游流域降水異常與南亞高壓的關(guān)系的研究多集中在100 hPa等壓面[16-19]。本文在前人的基礎(chǔ)上著重分析1951—2013年，即63 a間長江中下游流域降水異常與南亞高壓在200 hPa等壓面上的關(guān)系。之后計算南亞高壓各個特征指數(shù)，比較對應(yīng)降水量異常年份特征參數(shù)與正常年份的異同，分析各個特征參數(shù)與降水異常年份降水量的相關(guān)性，并重點(diǎn)分析長江中下游流域降水異常與南亞高壓的關(guān)系。

2 采用資料及方法

2.1 采用資料

本文主要研究長江中下游流域夏季降水異常與南亞高壓的關(guān)系，定義每年6—8月份為夏季，參考黃燕燕等[17]的站點(diǎn)選取方式，取南京、合肥、上海、杭州、安慶、寧波、南昌、衢縣、長沙、屯溪、宜昌、鐘祥、常德、貴溪、漢口、岳陽、九江這17個站點(diǎn)代表長江中下游流域。采用的資料為NCEP/NCAR 再分析月平均高度場資料，水平分辨率為2.5°×2.5°。降水資料為1951—2013年全國160站6—8月逐月降水資料。

2.2 資料處理方法

運(yùn)用統(tǒng)計學(xué)方法處理臺站降水資料，分析出長江中下游夏季降水的時間分布序列，并對降水資料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理:

式中i=1,2,3……n，得出降水量隨時間的變化特征，以標(biāo)準(zhǔn)差絕對值大于1的年份作為夏季降水量異常年，分析自1951年以來長江中下游流域夏季區(qū)域降水異常年份。差值百分率定義為降水量異常年份特征參數(shù)值與特征參數(shù)值多年平均的差值占特征參數(shù)多年平均值的百分比。利用高度場資料，對200 hPa高度場進(jìn)行合成，將異常年份與平均年份高度場進(jìn)行對比分析其特征，之后計算分析南亞高壓各個特征參數(shù)，比較對應(yīng)降水異常年份特征參數(shù)與平均年份的異同，研究各個特征參數(shù)與異常年份降水量的相關(guān)性，分析比較找出與異常年份夏季降水量相關(guān)性較大的特征參數(shù)，目的是為了分析長江中下游流域夏季降水異常與南亞高壓的關(guān)系。

2.3 南亞高壓特征參數(shù)定義

本文中主要考慮了南亞高壓中心位置指數(shù)、強(qiáng)度指數(shù)、面積指數(shù)、東伸指數(shù)和脊線位置指數(shù)作為南亞高壓特征參數(shù)。結(jié)合王偉等[15]對南亞高壓特征參數(shù)的定義方法，選取區(qū)域為0～50°N,10～150°E，對200 hPa等壓面南亞高壓特征參數(shù)進(jìn)行定義：中心位置指數(shù)定義為最大位勢高度值所在的經(jīng)度；強(qiáng)度指數(shù)定義為大于12 512.5 gpm的格點(diǎn)值與12 512.5 gpm之差的總和；面積指數(shù)定義為區(qū)域內(nèi)大于等于12 512.5 gpm的格點(diǎn)數(shù)；東伸指數(shù)定義為12 512.5 gpm等值線東脊點(diǎn)經(jīng)度；脊線位置指數(shù)定義為區(qū)域內(nèi)經(jīng)線上緯度最大值的平均值。

另外，在計算5月南亞高壓的特征參數(shù)時，由于南亞高壓強(qiáng)度以及位置與夏季的不同，所選區(qū)域為20°S～50°N,10～180°E范圍，5月南亞高壓特征參數(shù)定義：中心位置指數(shù)定義為最大位勢高度值所在格點(diǎn)經(jīng)度；強(qiáng)度指數(shù)定義為大于12 440 gpm的格點(diǎn)值與12 440 gpm之差的總和；面積指數(shù)定義為區(qū)域內(nèi)大于等于12 440 gpm的格點(diǎn)數(shù)；東伸指數(shù)定義為12 440 gpm等值線東脊點(diǎn)經(jīng)度；脊線位置指數(shù)定義為區(qū)域內(nèi)經(jīng)線上緯度最大值的平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 長江中下游流域夏季降水異常分析

本次研究選取長江中下游流域17個代表性站點(diǎn)范圍在28～32°N,111～122°E內(nèi)。利用1951—2013年長江中下游流域17個站點(diǎn)的夏季降水資料，求得63 a間降水量平均值，之后對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，整理得到圖1，即1951—2013年17站夏季降水量平均值標(biāo)準(zhǔn)化序列圖。由圖1可以看出，1951—2013年間長江中下游夏季降水量呈振蕩趨勢。1954年為顯著的夏季降水量異常偏多年，此后1956—1968年間，除1962年為降水量偏多年外，其他均為降水量偏少年份，之后在1969年又一次出現(xiàn)了較為顯著的降水量異常偏多年。1970—1992年，其中1978年為較顯著的降水量異常偏少年份，1980年為較顯著的降水量異常偏多年份。80年代開始，降水情況出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，之后長江中下游流域降水偏多年增加，尤其是在90年代，1993—1999年均為降水量偏多年，其中1998年與1999年連續(xù)2 a降水量偏多，之后降水情況出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。2003—2007年連續(xù)5 a夏季降水量偏少，2011年夏季降水量偏多。

圖1 1951—2013年長江中下游流域夏季降水量距平標(biāo)準(zhǔn)化序列圖Fig.1 Standardized sequence diagram of summer precipitation anomaly in the middle and lower reaches of Yangtze River in 1951—2013 years

以標(biāo)準(zhǔn)差絕對值大于1的年份作為夏季降水量異常年，從圖中分析得到：①降水異常偏多年份有9 a：1954、1969、1980、1983、1993、1996、1998、1999、2011年， ②降水異常偏少年份有10 a：1958、1959、1961、1963、1966、1967、1972、1978、1981、1985年。

圖2給出了長江中下游流域夏季降水量異常偏多年份降水距平分布圖。由圖2可分析出，長江中下游夏季降水量異常偏多年份中，長江中下游區(qū)域內(nèi)有顯著地正距平，相當(dāng)范圍內(nèi)降水量距平值均在100 mm以上，且長江中下游流域降水量距平值相對于我國其他地區(qū)也明顯偏高，以上均證實(shí)上述年份具有顯著降水量異常偏多的特點(diǎn)。

圖2 1951—2013年間夏季降水量異常偏多年份降水量距平分布圖(單位：mm)Fig.2 1951—2013 anomalous distribution of summer precipitation over the years

圖3給出了長江中下游流域夏季降水量異常偏少年份降水距平分布圖，由圖3可看出，長江中下游夏季降水量異常偏少的年份中，長江中下游區(qū)域內(nèi)有普遍的負(fù)距平分布，部分地區(qū)距平值<-50 mm，特別是相對于臨近西南地區(qū)大范圍正距平區(qū)域，上述年份中長江中下游流域夏季降水量異常偏少。

圖3 1951—2013年間夏季降水量異常偏少年份降水量距平分布圖(單位：mm)Fig.3 1951—2013 abnormal distribution of summer rainfall over the past few years

3.2 夏季降水量異常年份同期南亞高壓特征分析

圖4為夏季長江中下游流域降水量異常年份同期200 hPa位勢高度場合成。圖4a為同期位勢高度場多年平均圖，圖4b與圖4c分別為中長江中下游流域夏季降水量異常偏多年份同期位勢高度場與降水量異常偏少年份同期位勢高度場。

圖4 夏季長江中下游流域降水異常年份的同期200 hPa位勢高度場合成分布(單位: gpm)Fig.4 Distribution of 200 hPa potential height field in the middle and lower reaches of Yangtze River in summer

分析圖4南亞高壓特征：①長江中下游流域夏季降水量異常偏多年份，南亞高壓中心位勢高度大于12 550 gpm，顯著大于多年平均中心位勢高度；位勢高度等值線12 525 gpm所圍面積大于多年平均，12 525 gpm等值線最東端位置達(dá)到110°E，南北位置與多年平均無太大差異；②長江中下游流域夏季降水異常偏少年份，位勢高度等值線12 500 gpm所圍面積小于多年平均，東伸范圍則并無明顯差別；③降水量異常偏多年南亞高壓中心強(qiáng)度比降水量異常偏少年強(qiáng)25 gpm；12 525 gpm位勢高度等值線所圍面積也明顯大于降水量異常偏少年，12 525 gpm等值線東脊點(diǎn)位置較于降水量異常偏少年偏東近10個經(jīng)度距離。

總體看來，長江中下游流域夏季降水量異常偏多年同期南亞高壓特征與多年平均特征差異較顯著，降水量異常偏少年份同期南亞高壓特征與多年平均特征差異較小，且降水量異常偏多年份南亞高壓中心強(qiáng)度偏強(qiáng)，位置偏東，降水量異常偏小年份南亞高壓高度中心強(qiáng)度偏弱，位置略微偏西。

3.3 夏季降水量異常年份與南亞高壓特征參數(shù)的關(guān)系

3.3.1 夏季南亞高壓特征參數(shù)分析 圖5為1951—2013年6—8月份南亞高壓各個特征參數(shù)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理的序列圖。圖5a和5b分別為南亞高壓強(qiáng)度指數(shù)距平標(biāo)準(zhǔn)化時間序列圖以及面積指數(shù)距平標(biāo)準(zhǔn)化序列圖，由圖可以看出這兩個特征參數(shù)變化趨勢基本一致，且在1978年出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。1978年之前為普遍負(fù)距平，之后轉(zhuǎn)為正距平，且之后大部分年份均呈較顯著的正距平分布。在這一點(diǎn)上與長江中下游流域降水量異常年份也出現(xiàn)了一定的吻合：降水量異常偏少年份多集中在1978年及之前，降水量異常偏多年份多集中在1980年及以后。圖5c為南亞高壓東伸指數(shù)距平標(biāo)準(zhǔn)化時間序列圖，其變化規(guī)律相比于強(qiáng)度指數(shù)和面積指數(shù)較不顯著，但在1977年也有負(fù)距平到正距平的轉(zhuǎn)折出現(xiàn)，這與上述二指數(shù)變化一致。圖5d和5e分別為中心位置經(jīng)度與脊線位置特征參數(shù)距平標(biāo)準(zhǔn)化時間序列圖，由圖可看出中心位置經(jīng)度正負(fù)距平振蕩明顯且幅度較大，其中1978—1993年除1981年為負(fù)距平，其他年份均為較大正距平，在這之中也出現(xiàn)了3 a夏季降水異常偏多年份。脊線位置特征參數(shù)距平標(biāo)準(zhǔn)化時間序列圖中，正負(fù)距平變化差異較大，規(guī)律不明顯。

表1給出了1951—2013年夏季南亞高壓各特征參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)。分析表1可知，南亞高壓的面積指數(shù)、強(qiáng)度指數(shù)和東伸指數(shù)三者間的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了α=0.01的顯著性檢驗，這3個指數(shù)之間存在顯著的線性相關(guān)性，這與前人的研究一致。但南亞高壓的中心位置經(jīng)度以及脊線位置與其他的特征參數(shù)的相關(guān)性較差。

表2是1951—2013年63 a間夏季南亞高壓各個特征指數(shù)與長江中下游流域17個臺站夏季降水平均值的相關(guān)系數(shù)。表2可看出，南亞高壓東伸指數(shù)與長江中下游夏季平均降水量相關(guān)系數(shù)達(dá)到了α=0.05的顯著性檢驗；其余4個指數(shù)相關(guān)系數(shù)均沒有通過α=0.05的顯著性檢驗，其中強(qiáng)度指數(shù)和面積指數(shù)雖沒通過α=0.05檢驗，但相關(guān)系數(shù)相對較高。以上分析表明夏季南亞高壓東伸指數(shù)特征參數(shù)對長江中下游流域夏季降水具有一定的預(yù)測作用。

圖5 1951—2013年6—8月南亞高壓各個特征參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化序列Fig.5 1951—2013 Standardized sequence of various characteristic parameters of South Asia high in 6—8 months

面積指數(shù)強(qiáng)度指數(shù)東伸指數(shù)中心位置經(jīng)度脊線位置面積指數(shù)1強(qiáng)度指數(shù)0.956 051東伸指數(shù)0.848 450.766 041中心位置經(jīng)度0.092 540.083 410.277 621脊線位置0.015 530.036 46-0.055 98-0.357 891

注：R0.05=0.250 0 R0.01=0.324 8

表2 1951—2013年5月南亞高壓各個特征指數(shù)與長江中下游流域夏季降水相關(guān)系數(shù)Tab.2 1951—2013 correlation coefficients of summer South Asian high pressure characteristics and summer precipitation in the middle and lower reaches of the Yangtze River in May

注：R0.05=0.250 0 R0.01=0.324 8

3.3.2 夏季降水量異常年份南亞高壓特征參數(shù)分析 表3為長江中下游流域夏季降水量異常偏多年南亞高壓特征參數(shù)值，表4為長江中下游流域夏季降水量異常偏少年南亞高壓特征參數(shù)值。表3、表4中差值百分率定義為降水量異常年份特征參數(shù)值與特征參數(shù)值多年平均的差值占特征參數(shù)多年平均值的百分比。

由表可以分析出：①降水量偏多年份，中心位置經(jīng)度的特征參數(shù)相較于多年平均值偏小，其他各個特征參數(shù)較于多年平均值都偏大，面積指數(shù)與強(qiáng)度指數(shù)較之于多年平均值差異較大，特別是強(qiáng)度指數(shù)與多年平均值的差值百分率達(dá)到了50%以上，脊線位置特征參數(shù)則與多年平均值差異不大；②降水量偏少年，中心位置經(jīng)度和脊線位置的特征參數(shù)相較于多年平均值偏大，其余各個特征參數(shù)相較于多年平均都偏小，其中東伸指數(shù)和脊線位置的特征參數(shù)相較于多年平均值差異較小，強(qiáng)度指數(shù)較之于多年平均差異較大，其差值百分率達(dá)到30%以上，這一點(diǎn)與降水量異常偏多年份也是一致的；③降水量異常偏多年與降水量異常偏少年南亞高壓各個特征參數(shù)值與夏季同期位置高度場特征是基本一致的。

表3 降水量異常偏多年南亞高壓特征參數(shù)值

表4 降水量異常偏少年南亞高壓特征參數(shù)值

3.4 夏季降水量異常年份前期5月南亞高壓特征分析

圖6為夏季長江中下游流域降水量異常年份前期5月200 hPa位勢高度場距平場合成。圖6a與圖6b分別為表1中長江中下游流域夏季降水量異常偏多年份與降水量異常偏少年份前期5月位勢高度場距平場。

分析圖6中南亞高壓前期5月份高度場特征：①5月份南亞高壓剛剛建立，較之于夏季6—8月份南亞高壓強(qiáng)度明顯偏弱，中心位置位于中南半島上空。②長江中下游流域夏季降水量異常偏多年份，位勢高度等值線12 475 gpm所圍面積范圍顯著大于多年平均高度場，呈東西帶狀分布，經(jīng)度跨度較大，且中心位置較多年平均偏南。③長江中下游流域夏季降水異常偏少年份，位勢高度等值線12 475 gpm所圍面積較之于多年平均高度場偏小，等值線東伸范圍較多年平均偏西近5個經(jīng)度距離。④降水量異常偏多年南亞高壓中心強(qiáng)度與降水量異常偏少年相比，12 475 gpm位勢高度等值線所圍面積也明顯大于降水量異常偏少年，強(qiáng)度較降水量異常偏小年大，東伸范圍顯著大于異常偏少年。

圖6 夏季長江中下游流域降水異常年份前期5月南亞高壓200 hPa高度場距平場(藍(lán)色實(shí)線為異常年份12 475 gpm線，紅色虛線為63 a平均12 475 gpm線) Fig.6 Summer precipitation anomaly in the middle and lower reaches of the Yangtze River in the summer May, the 200 hPa height field anomaly of the South Asia high in the early stage(The blue solid line is the abnormal year 12 475 gpm line, and the red dashed line is the 63 year average 12 475 gpm line)

總體看來，長江中下游流域夏季降水量異常偏多年5月份南亞高壓特征與多年平均特征差異較顯著，降水量異常偏少年份5月份南亞高壓特征與多年平均差異較小，且降水量異常偏多年份南亞高壓中心強(qiáng)度大，位置偏東，降水量異常偏小年份南亞高壓中心強(qiáng)度小。這與夏季6—8月份南亞高壓高度場特征一致。

3.5 夏季降水量異常年份與前期5月南亞高壓特征參數(shù)的關(guān)系

表5是1951—2013年63 a間5月南亞高壓各個特征指數(shù)與長江中下游流域17個臺站夏季降水平均值的相關(guān)系數(shù)。表5可看出，脊線位置與長江中下游夏季平均降水量相關(guān)系數(shù)<0，呈反相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)達(dá)到了α=0.01的顯著性檢驗；其余4個指數(shù)相關(guān)系數(shù)均沒有通過α=0.05的顯著性檢驗。以上分析表明5月份南亞高壓脊線位置特征參數(shù)對長江中下游流域夏季降水具有一定的預(yù)測作用。

表5 1951—2013年5月南亞高壓各個特征指數(shù)與長江中下游流域夏季降水相關(guān)系數(shù)Tab.5 1951—2013 correlation coefficients of summer South Asian high pressure characteristics and summer precipitation in the middle and lower reaches of the Yangtze River in May

注：R0.05=0.250 0 R0.01=0.324 8

4 結(jié)論

①長江中下游流域夏季降水異常偏多年份同期南亞高壓中心位勢高度較之多年平均高度場顯著偏大，位置偏東，南北位置與多年平均無太大差異。夏季降水量異常偏多年份前期5月南亞高壓面積明顯偏大，呈東西帶狀分布且東西跨度較大，整體位置偏南。

②長江中下游流域夏季降水異常偏少年份同期南亞高壓中心位勢高度較之多年平均高度場偏小，但差異不明顯。前期5月南亞高壓面積較之于降水量偏多年份則顯著偏小，且位置偏北。

③長江中下游流域夏季降水量異常偏多年，中心位置經(jīng)度的特征參數(shù)相較于多年平均值偏小，其他各個特征參數(shù)較于多年平均值都偏大，面積指數(shù)與強(qiáng)度指數(shù)較之于多年平均值差異較大，脊線位置特征參數(shù)則與多年平均值差異不明顯；偏少年，中心位置經(jīng)度與脊線位置的特征參數(shù)相較于多年平均值偏小，其余各個特征參數(shù)較于多年平均都偏小，其中東伸指數(shù)以及脊線位置的特征參數(shù)相較于多年平均值差異較小，強(qiáng)度指數(shù)較之于多年平均差異較大。

④5月南亞高壓脊線位置與長江中下游夏季降水相關(guān)性較好，表明5月份南亞高壓脊線位置特征參數(shù)對長江中下游流域夏季降水具有一定的預(yù)測作用。

總之，長江中下游流域夏季降水異常與南亞高壓存在一定的相關(guān)性，這些關(guān)系可通過南亞高壓的特征參數(shù)在一定程度上反應(yīng)出來。但是導(dǎo)致降水量異常的原因是多方面的，在降水量異常年份中，個別年份的特征參數(shù)特點(diǎn)與整體規(guī)律并不完全相符，有關(guān)于這一現(xiàn)象的原因還有待于進(jìn)一步研究。