近50年江淮梅雨年際變化特征與大氣環(huán)流關(guān)系

楊易航 程煥友 王子牛

摘 要：本文運用我國160站50年（1961年到2010年）的降水觀測資料、美國氣象環(huán)境預(yù)報中心和國家大氣研究中心（NCEP/NCAR）提供的再分析資料，采用EOF分析、MK檢驗、合成分析等方法對我國江淮地區(qū)（28°N-34°N，114°E-121°E）梅雨期（6月和7月）降水的年際變化特征和環(huán)流特征進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：我國江淮地區(qū)梅雨期降水主要表現(xiàn)為東南—西北的反位相分布模態(tài)，時間上主要表現(xiàn)為1到2年的年際變化。豐梅年，南亞高壓中心強(qiáng)度增強(qiáng)，東伸脊點明顯偏東，西伸脊點略微偏西;副熱帶高壓增強(qiáng)，烏拉爾山高壓脊加強(qiáng)，印度半島季風(fēng)槽加深，貝加爾湖以東的鄂霍次克海阻塞高壓增強(qiáng)，枯梅年則反之。

關(guān)鍵詞：梅雨;年際變化;大氣環(huán)流異常

1 引言

梅雨，每年6月中旬到7月上旬，長江中下游地區(qū)相對濕度大、日照時長短、連續(xù)性的降水，其特征是雨量充沛、多伴有短時的陣雨或者雷雨。梅雨作為東亞氣候系統(tǒng)的一員，受到西太平洋副高、南亞高壓、中緯度地區(qū)西風(fēng)環(huán)流、中高緯度地區(qū)阻塞高壓等多種大尺度環(huán)流的影響。

本文將根據(jù)相關(guān)時間的降水?dāng)?shù)據(jù)討論江淮梅雨期降水的年際變化，并研究與梅雨期降水異常相關(guān)聯(lián)的大氣環(huán)流異常情況。

2 資料和方法

本文所使用的資料包括中國國家氣候中心整編的中國160個測站的月降水資料，水平分辨率為2.5°×2.5°的NCEP/NCAR月平均再分析資料，其中再分析資料主要使用了500hPa位勢高度場、200hPa位勢高度場、500hPa風(fēng)場。本文研究時段為1961年到2010年，共計50年。

在查閱了以往對于梅雨的研究論文后發(fā)現(xiàn)，多使用6、7、8月份的降水代表夏季降水量進(jìn)行分析。根據(jù)現(xiàn)在的研究成果：我國夏季降水分為華南前汛期（5-6月份）、江淮梅雨期（6-7月份）和華北雨季（8月份）這三部分，所以說如果用6、7、8這三個月的降水資料并不能準(zhǔn)確的來分析梅雨季的降水，因為使用這種做法可能會模糊降水區(qū)域隨時間分布的不均勻性，從而導(dǎo)致不同雨期降水變化特征的混淆[1]。本文主要討論江淮梅雨的年際變化特征于大氣環(huán)流關(guān)系，所以將會用6、7月份降水資料考察梅雨期的年際變化特征。

本文運用了經(jīng)驗正交函數(shù)分解（EOF）方法。EOF能夠從一個氣象場多次觀測資料中識別出主要的空間型及其時間演變規(guī)律。由于目前的氣象臺站在做當(dāng)?shù)氐臍庀笠刳厔蓊A(yù)報時，往往要解決的問題是單點某種時間尺度的分布狀態(tài)。所以，運用正交經(jīng)驗分解方法來研究單站要素的時間空間二維分布是比較具有現(xiàn)實意義的。

本文還運用了Mann—Kendall方法檢驗降水序列中是否存在降水突變，可以確定出突變發(fā)生的時間。

3 我國江淮地區(qū)降水趨勢與時空變化規(guī)律

3.1江淮地區(qū)降水趨勢

基于中國國家氣候中心整編的中國160個測站的月降水資料，對我國1961-2010年（共50年）江淮地區(qū)夏季6、7月份平均降水進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，在這里劃定選取的區(qū)域的緯度范圍是28°N-34°N，經(jīng)度范圍是114°E-121°E，共得出16個站點，分別為淮陰（清江）、蚌埠、阜陽、信陽、東臺、南京、合肥、杭州、安慶、屯溪、九江、武漢、衢州、溫州、貴溪、南昌。

對所得的1961～2010年50年所選江淮地區(qū)16站平均降水量與全國平均降水量進(jìn)行相關(guān)系數(shù)計算，結(jié)果如圖一所示，江南地區(qū)的相關(guān)系數(shù)在0.3以上，最高可達(dá)到0.45以上。其中相關(guān)系數(shù)均通過0.05的顯著性檢驗。這表示江南地區(qū)的某一年的區(qū)域旱澇指數(shù)可以較好的體現(xiàn)該年江淮地區(qū)的夏季降水的總體情況?；春拥貐^(qū)相關(guān)系數(shù)為0.1到0.3，相關(guān)并不顯著，下文將會通過EOF分析方法驗證江淮地區(qū)南北是否具有差異。

再對這16個站點進(jìn)行距平分析，得到16站50年的降水距平值如圖二。從圖二中可以看出，1980年到2010年存在很明顯的年際變化，周期基本為2-3年。從降水的增減趨勢來看，1961年到1969年、1978年到1983年和1985年到1998年為增加的趨勢，1969年到1978年、1982年到1985年和1998到2010為減少的趨勢。其中1998年到2001年降水減少趨勢十分顯著。

若將江淮地區(qū)16站1961-2010年6、7月份降水量距平值超過100mm作為梅雨異常多（豐梅年）的標(biāo)準(zhǔn)，低于-100作為梅雨異常少（枯梅年）的標(biāo)準(zhǔn)，由圖一可以得出：在近50年中，豐梅年有7年，它們分別是，1969年、1983年、1991年、1993年、1996年、1998年和1999年;枯梅年有8年，它們分別是1961年、1963年、1966年、1967年、1978年、1985年、1988年和2004年。在下文中會對豐梅年和枯梅年所對應(yīng)的大氣環(huán)流進(jìn)行討論，找出梅雨期異常與大氣環(huán)流異常的聯(lián)系。

再對這16個站的距平資料進(jìn)行累計距平處理， 得出圖三，從圖中可以看出，江淮地區(qū)16站梅雨期降水從1961年到1990年總體上呈現(xiàn)出持續(xù)減少的趨勢，1990年到2000年整體上呈現(xiàn)為上升的趨勢，2000年到2010年累積距平表現(xiàn)較為平穩(wěn)。并且，從1961年到1968年和從1975年1979年這兩個階段，下降的趨勢明顯，從1990年到2000年上升的趨勢明顯，其它年份趨于平穩(wěn)增加和減少趨勢。綜上所述，我國江淮地區(qū)所選取16站夏季梅雨期降水總體上為上升趨勢，20世紀(jì)60年代后降水年變化都有較大變化，特別是1998年，對應(yīng)的也是我國98年長江流域特大洪災(zāi)。

進(jìn)一步應(yīng)用Mann-Kendall檢驗判斷江淮地區(qū)50年來的平均降雨量是否存在降水量突變，如果降水量確定存在突變，通過觀察繪制的UF和UB曲線圖，可以清楚的找出較為明顯的突變點，如圖四。

圖四中出現(xiàn)多個突變點，分別為1969年、1971年、1974年、1976年、1980年、2000年、2002年和2004年，夏季降水在1978年到2010年均呈現(xiàn)上升的趨勢。從圖中可以看出江淮地區(qū)夏季梅雨在近50年確實發(fā)生了突變，根據(jù)上述分析可知降水總體上呈現(xiàn)較為顯著的增加趨勢。從圖中還可以看出1998年和1999年這兩年數(shù)值超過+1.96，說明這兩年江淮地區(qū)有特大降水，也對應(yīng)著我國1998年發(fā)生的長江流域特大洪澇災(zāi)害。

3.2江淮地區(qū)梅雨期降水的時空變化規(guī)律

對我國1961-2010年（共50年）江淮地區(qū)夏季6、7月份平均降水進(jìn)行EOF分析，由于本文最終討論的是江淮梅雨的年際變化特征，因此本文所選取的區(qū)域的緯度范圍是28°N-34°N，經(jīng)度范圍是114°N-121°N，EOF的空間模態(tài)用特征向量場對距平化的時間序列進(jìn)行回歸后得到的空間時間分布來表示。

EOF一共分析了5個模態(tài)，得出了5個模態(tài)下的特征量和方差貢獻(xiàn)（表一）。從表一可以看出前三個模態(tài)的方差貢獻(xiàn)為14.43%、11.81%和11.09%均超過10%，累積方差貢獻(xiàn)為37.33%，而后面兩個模態(tài)的方差貢獻(xiàn)不足10%，將不予討論。

我國江淮地區(qū)降水EOF分析的第一個模態(tài)如圖五，第一模態(tài)解釋了總方差的14.43%。從EOF第一模態(tài)（EOF1）空間場可以看出，我國江淮地區(qū)梅雨期降水最主要的模態(tài)表現(xiàn)為江蘇、安徽、湖南、浙江一帶降水異常與湖北、河南一帶的反位相分布型;也就是說江蘇——湖南一帶梅雨期降水異常偏少時，湖北——河南一帶往往降水異常偏多，反之亦然。圖五中，安徽北部和江蘇沿海地區(qū)表現(xiàn)出了極大的反位相分布，說明江蘇沿海梅雨異常多的時候，安徽北部降水異常少。相應(yīng)的時間序列表現(xiàn)出明顯的年際變化特征，特別是20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初表現(xiàn)出的1-2年周期的年際變化特征。從時間序列圖上可以看出1977年表現(xiàn)出了極大的異常。結(jié)合時間場和空間場分析得出，江蘇一帶降水距平小于0，1977年梅雨期較前一年降水量減少很多。

圖六給出了EOF的第二模態(tài)（EOF2）的空間時間分布型。解釋了總方差的11.81%。從EOF第二模態(tài)（EOF2）空間場可以看出，江淮大部分地區(qū)表現(xiàn)為一致的降水異常，在湖南小部分地區(qū)有很弱的相反的降水異常，總體上呈現(xiàn)出南北反位相異常分布。并且，與此相應(yīng)的時間序列存在非常明顯的年際變化。

圖七給出了EOF的第三模態(tài)（EOF3）的空間時間分布型。解釋了總方差的11.09%。從EOF第三模態(tài)（EOF3）可以看出，我國江淮地區(qū)梅雨期降水最主要的模態(tài)表現(xiàn)長江中游、湖北一帶降水異常與淮河流域、江南大部分地區(qū)的反位相分布型，在湖南小部分地區(qū)有很弱的相反的降水異常。并且，與此相應(yīng)的時間序列存在非常明顯的時間變化，在0值附近逐年交替，顯著的顯示了年際變化規(guī)律。也可以很清楚的看出1963年和1978年這兩年存在較大的降水異常，1963年表現(xiàn)出江浙一帶和湖南河南一帶降水的增多，1978年表現(xiàn)了江淮西北一帶的降水異常增多。

綜合上面三個模態(tài)的分析，我國1961年到2010年江淮流域6、7月份平均降水距平EOF分析主要表現(xiàn)為東南—西北型的反位相分布型，三個模態(tài)共解釋了總方差的37.33%，從三個模態(tài)的時間序列圖上，總體上可以明顯的看出1—2年的年際變化特征。這樣印證了上文相關(guān)系數(shù)所表現(xiàn)的江淮地區(qū)南北有差異的情況。

4 梅雨異常年份的大氣環(huán)流特征

4.1 梅雨異常與南亞高壓的關(guān)系

南亞高壓是夏季出現(xiàn)在青藏高原及其鄰近地區(qū)上空的對流層上部的大型高壓系統(tǒng)，它是北半球夏季200hPa層上最強(qiáng)大、最穩(wěn)定的控制型環(huán)流系統(tǒng)，對夏季我國大范圍旱澇分布以及亞洲天氣都有重大影響[2]。Mason等最早根據(jù)國際地球物理年資料分析指出，除極渦外，南亞高壓是北半球200hpa等壓面上最強(qiáng)大、最穩(wěn)定的環(huán)流系統(tǒng)，它與夏季北半球大氣環(huán)流和亞洲天氣氣候有著密切的關(guān)系[3];1964年陶詩言等聯(lián)系我國實際情況，進(jìn)一步研究了南亞高壓與西太平洋副熱帶高壓在大陸上的進(jìn)退關(guān)系，并最早的提出了南亞高壓的東西震蕩的概念[4]。為了研究南亞高壓與江淮梅雨的異常是否有影響，在這里分別對豐梅年和枯梅年200hPa位勢高度場進(jìn)行合成分析，得出圖八和圖九，從圖中可以看出，梅雨期南亞高壓大部分位于青藏高原和印度半島，但是從圖中可以清楚的發(fā)現(xiàn)，豐梅年南亞高壓的中心位置比枯梅年明顯偏東。豐梅年南亞高壓12500gpm線所圍的面積比枯梅年明顯偏大，南亞高壓的中心強(qiáng)度明顯比枯梅年中心強(qiáng)度偏強(qiáng)，豐梅年的東伸脊點明顯偏東，超過了130°E，西伸脊點略微向西移動，超過了30°E。對比兩張圖，可以看到中高緯度枯梅年有寬廣的槽區(qū)，而豐梅年上顯示的就比較的平滑，并且可以看出枯梅年的高壓脊偏東達(dá)到日本一帶，這些都直接影響了江淮梅雨期的降水量。通過上面的分可以得出：梅雨期間200hPa整個環(huán)流形勢和南亞高壓的平均特征對梅雨特征和梅雨年型有著很好的對應(yīng)關(guān)系。南亞高壓具有非常明顯的東西震蕩特征，在豐梅年，南亞高壓高壓中心強(qiáng)度偏強(qiáng)，南亞高壓面積偏大，長江淮河地區(qū)降水量增多，枯梅年則反之，并且在枯梅年，高壓脊的主體偏東到達(dá)日本一帶，中高緯度有寬廣槽區(qū)。

4.2 梅雨異常年份的500hPa環(huán)流特征

江淮地區(qū)梅雨降水的異常必然對應(yīng)著大氣環(huán)流的異常，分別對豐梅年和枯梅年500hPa高度場進(jìn)行合成分析（圖十和圖十一）。對比豐梅年和枯梅年副熱帶高壓的5880gpm位勢高度線，豐梅年稍微西移一些，更加靠近我國臺灣地區(qū);鄂霍次克海的高壓脊在豐梅年較枯梅年偏西。

將1961年到2010年6、7月份的500hPa風(fēng)場資料進(jìn)行合成分析（圖十二），以及豐梅年和枯梅年的500hPa風(fēng)場進(jìn)行合成分析（圖十三）。通過對比發(fā)現(xiàn)：豐梅年中高緯度在貝加爾湖西側(cè)為氣旋型環(huán)流，在貝加爾湖以南到蒙古高原、貝加爾湖以東到鄂霍次克海、日本島以南為反氣旋型環(huán)流。在中低緯地區(qū)，在青藏高原的北部，西風(fēng)急流明顯減弱，東風(fēng)急流加強(qiáng)，南支急流消失。而枯梅年則完全相反。

在豐梅年，烏拉爾山高壓脊加強(qiáng)，印度半島季風(fēng)槽加深，貝加爾湖以東的鄂霍次克海阻塞高壓增強(qiáng)，西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度增強(qiáng)，副熱帶高壓的脊線一直穩(wěn)定在22-25°N左右。上面的這些環(huán)流形勢有利于來自孟加拉灣、西太平洋副熱帶高壓西部、南海的暖濕氣流和來自西伯利亞的北方冷空氣在我國長江淮河地區(qū)上空交集，所以導(dǎo)致梅雨期降水增多。枯梅年則相反。

5 總結(jié)和討論

（1）基于中國國家氣候中心整編的1961年到2010年共50年的中國160個測站的月降水資料，NCEP/NCAR月平均再分析資料，水平分辨率為2.5°×2.5°，本文通過選取我國江淮地區(qū)16個典型站，并于同期全國降水進(jìn)行了相關(guān)系數(shù)計算，發(fā)現(xiàn)江南地區(qū)相關(guān)性顯著，最高達(dá)到0.45，而江南以及淮河流域相關(guān)性不是很高。對16個站50年來夏季6、7月份數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，定義出豐梅年7年（1969年、1983年、1991年、1993年、1996年、1998年和1999年），枯梅年有8年（1961年、1963年、1966年、1967年、1978年、1985年、1988年和2004年），并做了這16個站總體平均的M-K檢驗，得出1969年、1971年、1974年、1976年、1980年、2000年、2002年和2004年這些年，江淮梅雨期降水存在突變的現(xiàn)象，并分析出1998年和1999年降水異常增多。

（2） 本文利用正交經(jīng)驗函數(shù)（EOF）方法對我國江淮地區(qū)夏季梅雨期（6、7月份）降水的時空分布特征進(jìn)行了分析，分析了三個模態(tài)后發(fā)現(xiàn)我國江淮地區(qū)50年來的降水總體上呈現(xiàn)為東南—西北型反相位型，并顯示出非常明顯的1—2年的年際變化特征。三個模態(tài)一共解釋了總方差的37.33%，并且在三個模態(tài)的時間序列圖上，可以明顯的看出1—2年的年際變化特征。

（3） 梅雨期間200hPa整個環(huán)流形勢和南亞高壓的平均特征對梅雨特征和梅雨年型有著很好的對應(yīng)關(guān)系。南亞高壓顯示出了很明顯的東西震蕩特征，在豐梅年，南亞高壓面積偏大，南亞高壓高壓中心強(qiáng)度偏強(qiáng)，江淮地區(qū)梅雨期的降水量增多，枯梅年反之，并且在枯梅年，高壓脊的主體偏東到達(dá)日本一帶，中高緯度有寬廣槽區(qū)。

500hPa環(huán)流形勢上，豐梅年，在貝加爾湖以東到鄂霍次克海、貝加爾湖以南到蒙古高原和日本島以南地區(qū)為反氣旋型環(huán)流，中高緯度在貝加爾湖西側(cè)為氣旋型環(huán)流。在中低緯地區(qū)，在青藏高原的北部，西風(fēng)急流明顯減弱，東風(fēng)急流加強(qiáng)，南支急流消失。而枯梅年則完全相反。并且在豐梅年，烏拉爾山高壓脊加強(qiáng)，印度半島季風(fēng)槽加深，貝加爾湖以東的鄂霍次克海阻塞高壓增強(qiáng)，西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度增強(qiáng)，副熱帶高壓的脊線一直穩(wěn)定在22-25°N左右。上面的這些環(huán)流形勢有利于來自孟加拉灣、西太平洋副熱帶高壓西部、南海的暖濕氣流和來自西伯利亞的北方冷空氣在我國長江淮河地區(qū)上空交集，所以導(dǎo)致梅雨期降水增多?？菝纺陝t相反。

參考文獻(xiàn)：

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