氣候變化的中國降水特征分析

氣候變化的中國降水特征分析

1關(guān)于過渡帶的特征20世紀90年代以來，中國氣過渡區(qū)的氣候變化引起了當?shù)乜茖W(xué)家的關(guān)注。圖森斌和葉蒂正提出以下建議?！霸谥袊?，從內(nèi)蒙古到高原南部，東北到西南的半干帶就是典型的氣候過渡帶……雖然有一些跡象表明，過渡帶在環(huán)境變化中非常敏感，但幾乎沒有精確的依據(jù)?！庇嘘P(guān)學(xué)者研究指出過渡帶的動力學(xué)和生態(tài)特征,屬于大尺度氣候帶之間的邊界地區(qū)有強的氣候要素梯度,因而具有不穩(wěn)定性,同時亦為生態(tài)環(huán)境脆弱帶,有些地方還是荒漠化發(fā)展的顯著區(qū)域,還有的學(xué)者研究指出華中—華北地區(qū)降水則存在明顯的減少和長江中下游地區(qū)增加趨勢,對其變化機制進行了有益的探討。本文進一步揭示以降水變化特征為主的中國氣候變化干旱化40a(1961～2000年)發(fā)展趨勢的空間分布,著重從與東亞夏季風和極渦活動相關(guān)分析方面給予某些物理解釋。2雙程序式初至排放試驗下的高效低影響條件文中所用的中國大陸147站(因某些站點資料年限較短,故用到160個測站中的147個測站)1961～2000年的逐月降水量取自國家氣候中心,還采用1948～2002年NCEP/NCAR全球再分析資料。要素的趨勢變化通常用一元線性回歸方法:xt=a0+a1tt=1,2?n(1)t表示時間,xt表示要素逐年值,a1常稱為傾向率,單位為要素單位/a,a0為常數(shù)。rxt=n∑t=1(xt-ˉx)(t-n+12)√n∑t=1(xt-ˉx)2(t-n+12)2(2)rxt稱為xt與自然數(shù)列t相關(guān)系數(shù),亦為趨勢系數(shù),可以用t分布統(tǒng)計檢驗rxt的顯著性。a1=rxt?σx/σt(3)σx,σt分別為xt及自然數(shù)列t的均方差a0=ˉx-n+12a1(4)水汽輸送計算方法參見文獻。取850hPa候平均資料,作時間-緯圈剖面圖,將某年θse336K和南風風速≥4m/s等值線同時越過某一個緯度后,θse336K的持續(xù)候數(shù)hj與平均持續(xù)候數(shù)ˉh相比的標準化值定義為季風強度指數(shù)ΙSΜΦj=(Sj-ˉS)√2002∑j=1948(Sj-ˉS)2n其中Si=hiˉh取太平洋區(qū)域為150°E～120°W,用500hPa等壓面與極渦外界特征等高線所在的等高面之間的空氣質(zhì)量來表示太平洋極渦的強度,用下列公式計算Q=ρR2Δ?Δλ∑i∑j(Η0(Μ)-Ηij)cos?i其中ρ為大氣密度,R為地球半徑,Δ?和Δλ分別為500hPa月高度平均圖上相鄰格點的緯度差和經(jīng)度差,取經(jīng)度格距10°,緯度格距5°,則Δ?=π/36,Δλ=π/18,H0(M)為該月極渦南界特征等高線位勢高度。Hij為在特征等高線以北緯度?i,經(jīng)度λi格點上的位勢高度值。由于ρR2可視為常數(shù),取ρR2=0.1,由此計算得到太平洋極渦的強度指數(shù)。3中國氣候干旱趨勢顯著的地區(qū)的時空分布特征3.1年降水量時分布從1961～2000年中國147個測站年降水量的線性傾向率分布(圖1)可見:從內(nèi)蒙古中東部(40°～45°N,110°～115°E,),經(jīng)山西省、河南省、陜西省和甘肅省東部至湖北省西部、四川省西北部和重慶市,有一條較寬的東北—西南走向的a1負值傾向帶(其中相當部分為中國的氣候過渡帶),中心值為10mm/a以上,其南界可達25°N以南,該降水線性傾向負值帶的北段(35°～40°N)向東與華北地區(qū)東部(京津冀)、東北地區(qū)中南部、遼寧省的環(huán)渤海地區(qū),山東省和江蘇省北部連成寬廣的40a降水量負值傾向區(qū)域,面積近200×104km2;東北地區(qū)中北部、內(nèi)蒙古東部為較弱的正值傾向區(qū);淮河以南的長江中下游地區(qū)、東南部沿海和廣東省的大部分地區(qū)為較強的年降水量線性傾向正值區(qū)域,線性傾向中心值可在20～30mm/a。從1991～2000年中國147個測站年降水量距平分布(圖2)可見,20世紀90年代中國147個測站年降水量的正、負距平分布與圖1很相似,只是負距平區(qū)與圖1負傾向率分布區(qū)相比略有縮小(內(nèi)蒙古中東部和華北部分地區(qū)為弱的正距平,南界北收到27°N附近),面積約為190×104km2,其中年降水量負距平值為50～100mm,面積約為90×104km2。3.2干旱化區(qū)域分布格局將1961～2000年中國147個測站夏季降水量線性傾向分布(圖3)與圖1對比可見,由于重慶市、湖北省西部、陜西省南部夏季降水量線性傾向率為正值,氣候過渡帶干旱化區(qū)域顯著向西收縮,成為南北趨向的窄帶,但其北端仍然與華北、東北地區(qū)中南部、遼寧省環(huán)渤海區(qū)、山東省和江蘇省北部的干旱化區(qū)域連成一片;秋季降水量線性傾向表明,中國氣候過渡帶的干旱化區(qū)域明顯向東擴展,長江中下游的降水量線性傾向率的正值區(qū)僅收縮為江西和湖南兩省部分區(qū)域(圖略)。4通過氣候干旱分析了東亞夏季風和極軸活動4.1東亞夏季風變化的區(qū)域分布格局文中計算了沿30°N,102.5°E的東亞夏季風強度指數(shù)ISMΦ與中國147個測站7～8月降水總量相關(guān)系數(shù)分布圖(圖4)上有3片正的高相關(guān)區(qū)(相關(guān)系數(shù)≥30或≤-30的深灰色區(qū)域相應(yīng)α≥0.05),分別為西北地區(qū)東部、環(huán)渤海地區(qū)、東北地區(qū)的中南部,長江流域大部呈負相關(guān),其中高相關(guān)區(qū)位于長江下游地區(qū)。若將圖4與圖3相比發(fā)現(xiàn),正的相關(guān)區(qū)分布與1961～2000年中國147個測站夏季降水量線性傾向負值分布比較相似,而負的相關(guān)區(qū)與1961～2000年中國147個測站夏季降水量線性傾向正值區(qū)域相對應(yīng)。從850hPa候平均圖上θse的336K和南風風速≥4m/s等值線確定的東亞夏季風指數(shù)ISMΦ的時間序列(圖5,6)可見:沿40°N,117.5°E東亞夏季風指數(shù)ISMΦ1948～2002年演變(圖5)趨勢為自20世紀60年代中期以來,已持續(xù)進入了一個較長的負指數(shù)時期,表明東亞夏季風在華北地區(qū)活動減弱一直維持到20世紀末;沿35°N,105.0°EISMΦ的時間序列(圖6,代表氣候過渡帶區(qū)域)可見,自20世紀70年代初開始減弱,期間雖有幾年為正指數(shù),其他大多數(shù)年份均處于減弱期。4.2年降水量特征區(qū)域與夏季降水線性傾向負正率相關(guān)區(qū)域的關(guān)系從7～8月太平洋極渦強度指數(shù)與中國147個測站7～8月降水相關(guān)系數(shù)分布(圖7)可見,太平洋極渦強度指數(shù)與中國147個測站7～8月降水量有3片高相關(guān)區(qū),與華北的中西部地區(qū)和山東半島呈正相關(guān),與長江下游地區(qū)呈反相關(guān)(顯著性水平α>0.05),從圖7與圖3對比可發(fā)現(xiàn),太平洋極渦強度指數(shù)與中國147個測站7～8月降水量正負相關(guān)區(qū)域與夏季降水量線性傾向負正率分布區(qū)域比較相似,而且一一對應(yīng),尤其是與正線性傾向率分布區(qū)域相當吻合。從太平洋極渦強度指數(shù)時間序列分布(圖8)可見,1951～2002年太平洋極渦強度指數(shù)年代際變化趨勢為,20世紀50年代呈上升趨勢,20世紀60年代開始轉(zhuǎn)為下降趨勢,特別是自1976年顯著下降以來,除了20世紀80年代中期稍強以外,多數(shù)年份呈下降趨勢,尤其進入20世紀90年代以來僅有2個正指數(shù)年。從圖8中選取太平洋極渦強度強、弱指數(shù)各5a,其7～8月500hPa流場差值分布(圖9)表明,40°E～120°W的中高緯度地區(qū)呈現(xiàn)出三脊二槽的長波形勢,烏拉爾山、鄂霍茨克海和東太平洋至北美大陸的西北海岸地區(qū)為3個強大的長波脊,其中烏拉爾山和北美洲的西北海岸與太平洋地區(qū)已構(gòu)成完整的流場反氣旋阻塞形勢,蒙古至貝加爾湖地區(qū)和阿留申群島地區(qū)分別為流場低渦和長波槽區(qū),中國100°E以東,30°N以北地區(qū)的西南氣流明顯加強,一直延伸到50°N附近。5u3000汽化性質(zhì)比較1961～2000年1000～300hPa水汽輸送(1gqv)積分值(圖略)與1991～2000年1000～300hPa水汽輸送積分值(圖略),發(fā)現(xiàn)105°E以東,30°N以北的數(shù)值變化很大,40a水汽輸送積分平均數(shù)值為80的舌狀等值線伸向遼寧省南部,20世紀90年代已退縮到110°E以西、35°N以南地區(qū),數(shù)值為40的等值線往東移動了近10個經(jīng)距和往南移動近2個緯距。1991～2000年與1961～2000年的夏季1000～300hPa水汽輸送差值表明(圖10),中國長江中下游以南地區(qū)和西部地區(qū)的西部1991～2000年的水汽1gqv是增加的,其他地區(qū)均為減少,大體與上述氣候變化降水線性傾向負值區(qū)域相吻合。將1961～2000年水汽輸送1gqv矢量分布(圖11a)與1991～2000年水汽輸送1gqv矢量分布(圖11b)比較可見,1991～2000年水汽輸送(u,v)在105°E以東,32°N以北明顯減小。6中國降水干旱化趨勢與氣候變化的關(guān)系(1)降水量減少應(yīng)是某一地區(qū)氣候變化干旱化的一種表現(xiàn),由1961～2000年的年、季降水量的線性傾向率分布表明,經(jīng)中國內(nèi)蒙古中東部、山西省、河南省、陜西省、甘肅省東部至湖北省西部、四川省西北部和重慶市為年降水量線性下降較顯著區(qū)(其中相當部分為中國的氣候過渡帶),并向東與華北大部、東北地區(qū)中南部、環(huán)渤海地區(qū)、山東省和江蘇省北部年降水量線性下降較顯著區(qū)連成一片,構(gòu)成占中國國土面積約1/5的氣候變化降水干旱化區(qū)域,其季節(jié)變化主要為夏、秋兩季降水量銳減,其中20世紀90年代年平均降水量負距平為50～100mm的面積約達90×105km2;長江中下游、東南部沿海和廣東省大部分區(qū)域年降水量線性上升趨勢顯著,其中江西省為趨勢中心,20世紀90年代年降水量正距平為200mm以上。(2)1000～300hPa水汽輸送的1gqv值年際變化空間分布表明,與中國降水量干旱化發(fā)展趨勢區(qū)域相吻合。中國長江中下游以南地區(qū)和西部地區(qū)的西部1991～2000年的水汽1gqv是增加的,其他地區(qū)均為減少,大體與上述氣候變化降水線性傾向負值區(qū)域相吻合。(3)影響中國的東亞夏季風在30°N以北地區(qū)活動和極渦在太平洋地區(qū)活動強度自20世紀70年代前后明顯減弱,是導(dǎo)致中國40a降水干旱化空間分布的重要因子。影響中國年、季降水量的因子比較復(fù)雜,本文在文獻的基礎(chǔ)上,主要選取了東亞夏季風強度指數(shù)ISMΦ和極渦強度指數(shù)變化因子,經(jīng)與中國147個測站夏季7～8月降水量,相關(guān)分析表明:沿30°N,102.5°E東亞夏季風強度指數(shù)ISMΦ不僅與中國氣候過渡帶的西北地區(qū)東部降水,還與華北的環(huán)渤海地區(qū)和東北地區(qū)中南部降水有較顯著的正相關(guān)(顯著性水平α>0.05),與長江下游地區(qū)降水量呈較顯著的負相關(guān);反映在中國氣候過渡帶區(qū)域夏季風活動強度(沿35°N,105°E)ISMΦ自20世紀70年代初開始減弱,與氣候過渡帶40a降水線性下降趨勢變化相一致;反映在中國華北地區(qū)夏季風活動強度(沿40°N,117.5°E)ISMΦ自20世紀60年代中期就開始減弱,與陳隆勛等分析指出的“N區(qū)(華北地區(qū))1965年前為多雨而以后為少雨”氣候變化事實時間上是相當吻合的,華北地區(qū)夏季降水干旱化趨勢發(fā)展,是中國北方東部與氣候過渡干旱化區(qū)域連成一片的主要成因。另外,來自極地環(huán)流系統(tǒng)——極渦的強迫作用亦較明顯,太平洋極渦強度指數(shù)與氣候過渡帶、華北和山東半島的顯著正相關(guān)區(qū)以及東北地區(qū)中南部的正相關(guān)區(qū)與相同區(qū)域的夏季降水負線性傾向率區(qū)域分布吻合。丁一匯曾指出“觀測表明,西風帶最易在北半球的兩個地區(qū)崩潰:太平洋東部和大西洋西部”。本文的研究亦表明,太平洋極渦強度指數(shù)典型強、弱年500hPa流場差值分布主要特征是,中高緯