气候变化的中国降水特征分析

气候变化的中国降水特征分析

1关于过渡带的特征20世纪90年代以来，中国气过渡区的气候变化引起了当地科学家的关注。图森斌和叶蒂正提出以下建议。“在中国，从内蒙古到高原南部，东北到西南的半干带就是典型的气候过渡带……虽然有一些迹象表明，过渡带在环境变化中非常敏感，但几乎没有精确的依据。”有关学者研究指出过渡带的动力学和生态特征,属于大尺度气候带之间的边界地区有强的气候要素梯度,因而具有不稳定性,同时亦为生态环境脆弱带,有些地方还是荒漠化发展的显著区域,还有的学者研究指出华中—华北地区降水则存在明显的减少和长江中下游地区增加趋势,对其变化机制进行了有益的探讨。本文进一步揭示以降水变化特征为主的中国气候变化干旱化40a(1961～2000年)发展趋势的空间分布,着重从与东亚夏季风和极涡活动相关分析方面给予某些物理解释。2双程序式初至排放试验下的高效低影响条件文中所用的中国大陆147站(因某些站点资料年限较短,故用到160个测站中的147个测站)1961～2000年的逐月降水量取自国家气候中心,还采用1948～2002年NCEP/NCAR全球再分析资料。要素的趋势变化通常用一元线性回归方法:xt=a0+a1tt=1,2⋯n(1)t表示时间,xt表示要素逐年值,a1常称为倾向率,单位为要素单位/a,a0为常数。rxt=n∑t=1(xt-ˉx)(t-n+12)√n∑t=1(xt-ˉx)2(t-n+12)2(2)rxt称为xt与自然数列t相关系数,亦为趋势系数,可以用t分布统计检验rxt的显著性。a1=rxt⋅σx/σt(3)σx,σt分别为xt及自然数列t的均方差a0=ˉx-n+12a1(4)水汽输送计算方法参见文献。取850hPa候平均资料,作时间-纬圈剖面图,将某年θse336K和南风风速≥4m/s等值线同时越过某一个纬度后,θse336K的持续候数hj与平均持续候数ˉh相比的标准化值定义为季风强度指数ΙSΜΦj=(Sj-ˉS)√2002∑j=1948(Sj-ˉS)2n其中Si=hiˉh取太平洋区域为150°E～120°W,用500hPa等压面与极涡外界特征等高线所在的等高面之间的空气质量来表示太平洋极涡的强度,用下列公式计算Q=ρR2ΔϕΔλ∑i∑j(Η0(Μ)-Ηij)cosϕi其中ρ为大气密度,R为地球半径,Δϕ和Δλ分别为500hPa月高度平均图上相邻格点的纬度差和经度差,取经度格距10°,纬度格距5°,则Δϕ=π/36,Δλ=π/18,H0(M)为该月极涡南界特征等高线位势高度。Hij为在特征等高线以北纬度ϕi,经度λi格点上的位势高度值。由于ρR2可视为常数,取ρR2=0.1,由此计算得到太平洋极涡的强度指数。3中国气候干旱趋势显著的地区的时空分布特征3.1年降水量时分布从1961～2000年中国147个测站年降水量的线性倾向率分布(图1)可见:从内蒙古中东部(40°～45°N,110°～115°E,),经山西省、河南省、陕西省和甘肃省东部至湖北省西部、四川省西北部和重庆市,有一条较宽的东北—西南走向的a1负值倾向带(其中相当部分为中国的气候过渡带),中心值为10mm/a以上,其南界可达25°N以南,该降水线性倾向负值带的北段(35°～40°N)向东与华北地区东部(京津冀)、东北地区中南部、辽宁省的环渤海地区,山东省和江苏省北部连成宽广的40a降水量负值倾向区域,面积近200×104km2;东北地区中北部、内蒙古东部为较弱的正值倾向区;淮河以南的长江中下游地区、东南部沿海和广东省的大部分地区为较强的年降水量线性倾向正值区域,线性倾向中心值可在20～30mm/a。从1991～2000年中国147个测站年降水量距平分布(图2)可见,20世纪90年代中国147个测站年降水量的正、负距平分布与图1很相似,只是负距平区与图1负倾向率分布区相比略有缩小(内蒙古中东部和华北部分地区为弱的正距平,南界北收到27°N附近),面积约为190×104km2,其中年降水量负距平值为50～100mm,面积约为90×104km2。3.2干旱化区域分布格局将1961～2000年中国147个测站夏季降水量线性倾向分布(图3)与图1对比可见,由于重庆市、湖北省西部、陕西省南部夏季降水量线性倾向率为正值,气候过渡带干旱化区域显著向西收缩,成为南北趋向的窄带,但其北端仍然与华北、东北地区中南部、辽宁省环渤海区、山东省和江苏省北部的干旱化区域连成一片;秋季降水量线性倾向表明,中国气候过渡带的干旱化区域明显向东扩展,长江中下游的降水量线性倾向率的正值区仅收缩为江西和湖南两省部分区域(图略)。4通过气候干旱分析了东亚夏季风和极轴活动4.1东亚夏季风变化的区域分布格局文中计算了沿30°N,102.5°E的东亚夏季风强度指数ISMΦ与中国147个测站7～8月降水总量相关系数分布图(图4)上有3片正的高相关区(相关系数≥30或≤-30的深灰色区域相应α≥0.05),分别为西北地区东部、环渤海地区、东北地区的中南部,长江流域大部呈负相关,其中高相关区位于长江下游地区。若将图4与图3相比发现,正的相关区分布与1961～2000年中国147个测站夏季降水量线性倾向负值分布比较相似,而负的相关区与1961～2000年中国147个测站夏季降水量线性倾向正值区域相对应。从850hPa候平均图上θse的336K和南风风速≥4m/s等值线确定的东亚夏季风指数ISMΦ的时间序列(图5,6)可见:沿40°N,117.5°E东亚夏季风指数ISMΦ1948～2002年演变(图5)趋势为自20世纪60年代中期以来,已持续进入了一个较长的负指数时期,表明东亚夏季风在华北地区活动减弱一直维持到20世纪末;沿35°N,105.0°EISMΦ的时间序列(图6,代表气候过渡带区域)可见,自20世纪70年代初开始减弱,期间虽有几年为正指数,其他大多数年份均处于减弱期。4.2年降水量特征区域与夏季降水线性倾向负正率相关区域的关系从7～8月太平洋极涡强度指数与中国147个测站7～8月降水相关系数分布(图7)可见,太平洋极涡强度指数与中国147个测站7～8月降水量有3片高相关区,与华北的中西部地区和山东半岛呈正相关,与长江下游地区呈反相关(显著性水平α>0.05),从图7与图3对比可发现,太平洋极涡强度指数与中国147个测站7～8月降水量正负相关区域与夏季降水量线性倾向负正率分布区域比较相似,而且一一对应,尤其是与正线性倾向率分布区域相当吻合。从太平洋极涡强度指数时间序列分布(图8)可见,1951～2002年太平洋极涡强度指数年代际变化趋势为,20世纪50年代呈上升趋势,20世纪60年代开始转为下降趋势,特别是自1976年显著下降以来,除了20世纪80年代中期稍强以外,多数年份呈下降趋势,尤其进入20世纪90年代以来仅有2个正指数年。从图8中选取太平洋极涡强度强、弱指数各5a,其7～8月500hPa流场差值分布(图9)表明,40°E～120°W的中高纬度地区呈现出三脊二槽的长波形势,乌拉尔山、鄂霍茨克海和东太平洋至北美大陆的西北海岸地区为3个强大的长波脊,其中乌拉尔山和北美洲的西北海岸与太平洋地区已构成完整的流场反气旋阻塞形势,蒙古至贝加尔湖地区和阿留申群岛地区分别为流场低涡和长波槽区,中国100°E以东,30°N以北地区的西南气流明显加强,一直延伸到50°N附近。5u3000汽化性质比较1961～2000年1000～300hPa水汽输送(1gqv)积分值(图略)与1991～2000年1000～300hPa水汽输送积分值(图略),发现105°E以东,30°N以北的数值变化很大,40a水汽输送积分平均数值为80的舌状等值线伸向辽宁省南部,20世纪90年代已退缩到110°E以西、35°N以南地区,数值为40的等值线往东移动了近10个经距和往南移动近2个纬距。1991～2000年与1961～2000年的夏季1000～300hPa水汽输送差值表明(图10),中国长江中下游以南地区和西部地区的西部1991～2000年的水汽1gqv是增加的,其他地区均为减少,大体与上述气候变化降水线性倾向负值区域相吻合。将1961～2000年水汽输送1gqv矢量分布(图11a)与1991～2000年水汽输送1gqv矢量分布(图11b)比较可见,1991～2000年水汽输送(u,v)在105°E以东,32°N以北明显减小。6中国降水干旱化趋势与气候变化的关系(1)降水量减少应是某一地区气候变化干旱化的一种表现,由1961～2000年的年、季降水量的线性倾向率分布表明,经中国内蒙古中东部、山西省、河南省、陕西省、甘肃省东部至湖北省西部、四川省西北部和重庆市为年降水量线性下降较显著区(其中相当部分为中国的气候过渡带),并向东与华北大部、东北地区中南部、环渤海地区、山东省和江苏省北部年降水量线性下降较显著区连成一片,构成占中国国土面积约1/5的气候变化降水干旱化区域,其季节变化主要为夏、秋两季降水量锐减,其中20世纪90年代年平均降水量负距平为50～100mm的面积约达90×105km2;长江中下游、东南部沿海和广东省大部分区域年降水量线性上升趋势显著,其中江西省为趋势中心,20世纪90年代年降水量正距平为200mm以上。(2)1000～300hPa水汽输送的1gqv值年际变化空间分布表明,与中国降水量干旱化发展趋势区域相吻合。中国长江中下游以南地区和西部地区的西部1991～2000年的水汽1gqv是增加的,其他地区均为减少,大体与上述气候变化降水线性倾向负值区域相吻合。(3)影响中国的东亚夏季风在30°N以北地区活动和极涡在太平洋地区活动强度自20世纪70年代前后明显减弱,是导致中国40a降水干旱化空间分布的重要因子。影响中国年、季降水量的因子比较复杂,本文在文献的基础上,主要选取了东亚夏季风强度指数ISMΦ和极涡强度指数变化因子,经与中国147个测站夏季7～8月降水量,相关分析表明:沿30°N,102.5°E东亚夏季风强度指数ISMΦ不仅与中国气候过渡带的西北地区东部降水,还与华北的环渤海地区和东北地区中南部降水有较显著的正相关(显著性水平α>0.05),与长江下游地区降水量呈较显著的负相关;反映在中国气候过渡带区域夏季风活动强度(沿35°N,105°E)ISMΦ自20世纪70年代初开始减弱,与气候过渡带40a降水线性下降趋势变化相一致;反映在中国华北地区夏季风活动强度(沿40°N,117.5°E)ISMΦ自20世纪60年代中期就开始减弱,与陈隆勋等分析指出的“N区(华北地区)1965年前为多雨而以后为少雨”气候变化事实时间上是相当吻合的,华北地区夏季降水干旱化趋势发展,是中国北方东部与气候过渡干旱化区域连成一片的主要成因。另外,来自极地环流系统——极涡的强迫作用亦较明显,太平洋极涡强度指数与气候过渡带、华北和山东半岛的显著正相关区以及东北地区中南部的正相关区与相同区域的夏季降水负线性倾向率区域分布吻合。丁一汇曾指出“观测表明,西风带最易在北半球的两个地区崩溃:太平洋东部和大西洋西部”。本文的研究亦表明,太平洋极涡强度指数典型强、弱年500hPa流场差值分布主要特征是,中高纬