郭志荣,陈旭红,江燕如,董丽娜

(南京信息工程大学1.气象台;2.气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044)

中国东部夏季水汽输送的年代际变化特征

郭志荣1,陈旭红1,江燕如1,董丽娜2

(南京信息工程大学1.气象台;2.气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044)

基于1948—2012年NCEP/NCAR月平均再分析资料,采用9 a滑动平均、EOF分析及合成分析方法,研究了我国东部夏季水汽输送的年代际变化特征。结果表明:6—8月水汽输送由强转弱发生在1975年前后,水汽输送异常显著区域主要位于东部地区;6月南海到我国东部地区的水汽输送存在年代际变化,7月孟加拉湾、南海和西太平洋(8月印度洋、南海和西太平洋)到我国东部的水汽输送同样存在年代际变化;6—8月年代际变化前后水汽输送矢量分布与相应月份水汽输送通量年代际特征向量场的空间分布基本一致;显著的水汽通量散度辐合区位于华中以西经华北到东北地区,长江以北水汽辐合(辐散)异常显著区域由风场的辐合(辐散)异常和水汽平流异常共同造成,长江以南地区水汽辐合(辐散)异常显著区域主要由风场的辐合(辐散)异常造成。

中国东部;水汽输送异常;年代际变化;夏季

0 引言

充沛的水汽输送是持续性强降水形成的必要条件,因此分析降水的水汽来源及输送状况对于研究降水成因和机理有重要的意义。中国东部地区受亚洲季风的影响,水汽输送及其辐合辐散的变化直接影响到旱涝的发生,因此对该区域水汽输送的研究不仅有利于揭示大气环流系统和天气系统的基本特征,而且对研究气候异常、防灾减灾意义重大。

我国夏季降水的水汽输送及来源研究一直受到国内外气象界高度关注。谢义炳和戴武杰(1959)最早研究了我国黄淮地区强降水过程与水汽输送的关系。沈如桂和黄更生(1981)研究了中国长江中下游夏季降水的水汽来源问题,指出我国105～110°E以东地区夏季降水的水汽来源于外界输入,主要来自于孟加拉湾、南海和西太平洋。陆渝蓉和高国栋(1987)也指出,我国东部的水汽输送与东亚夏季风进退有关。Webster(1994)指出,水汽的输送在形成大气环流模态的过程中起着主要的作用。刘国纬(1997)指出,研究水汽在空间和时间上的输送特点和收支状况,对于进一步研究整个流域的大气水特征以及水文气候特征具有重要的意义。蒋兴文和李跃清(2009)指出,水汽异常是降水异常的一个重要因素。周连童(2009)分析了华北地区夏季降水偏多和偏少时东亚夏季风输送的水汽通量散度异常情况。张文君和谭桂容(2012)指出,随着全球变暖,东亚夏季风增强,冬季风减弱,使得冬夏季向中国区域输送的水汽都增强。李进等(2012)对黄河流域水汽的区域分布及演变特征进行了研究,发现年平均及各月全流域和黄河中下游区水汽含量均趋于减少,其余各分区的演变趋势各异。黄荣辉等(1998)讨论了夏季东亚季风区水汽输送特征及其与南亚季风区水汽输送的差别,指出东亚季风区的水汽输送以经向输送为主,其水汽的辐合主要是由季风气流引起的水汽平流所造成的。Simmonds et al.(1999)发现东南亚、印度季风从南海和孟加拉湾携带大量的水汽到中国东南部,而中国东北部的水汽则来自中纬度。Zhang(2001)认为,孟加拉湾水汽输送和西太平洋的水汽输送强度是相反的,孟加拉湾水汽输送强时,西太平洋水汽输送强度弱,长江中下游的降水少;反之亦然。田红等(2002)分析了夏季水汽输送特征,揭示了中国夏季降水异常模态对应的水汽输送形式;此外,田红等(2004)对比分析了存在于中国的四条水汽输送通道的输送强度及其与之相联系的降水区。谢安等(2002)研究了孟加拉湾水汽和南海水汽对长江中下游旱涝年的不同贡献。Zhou and Yu(2005)发现,中国东部地区夏季降水异常年对应的水汽来源与降水正常年的水汽来源不同。不少学者的研究结果强调了来自孟加拉湾的水汽输送对中国东南部及江淮地区夏季降水的重要性(Ninomiya and Kobayashi,1998,1999;Ding and Sun,2001;朱玮等,2007);也有许多学者的研究结果强调了来自孟加拉湾、中国南海及西太平洋的水汽输送对中国东部夏季降水的重要影响(丁一汇和胡国权,2003;徐祥德等,2003;周述学等,2008;黄荣辉和陈际龙,2010),认为来自孟加拉湾经中南半岛和南海的水汽输送以及南海和西太平洋的水汽输送是我国东部水汽的主要来源。

查阅大量资料发现,有关我国东部地区夏季水汽输送的年代际演变特征的研究较少。夏季6—8月逐月雨带有南北推进的过程;事实上,水汽输送逐月转换的关键时段、关键区域和关键征兆对于逐月预报是至关重要的,它们在水汽输送强、弱年的特点有显著差异,水汽输送的年际、年代际变化与中国东部旱涝变化特征密切相关。那么,6—8月逐月水汽输送的变化怎样?针对该问题,本文采用NCEP/NCAR风场、湿度场以及气压场等逐月再分析资料,利用EOF等方法来讨论夏季中国东部水汽输送的年代际变化特征。

1 资料和方法

1.1 资料

采用1948—2012年NCEP/NCAR(美国国家环境预测中心/国家大气研究中心)2.5°×2.5°逐月再分析资料,包括1 000、925、850、700、600、500、400、300 hPa纬向风、经向风和比湿,以及地面气压场。

1.2 方法

采用黄荣辉等(1998)方法,计算地表至300 hPa整层水汽输送通量及水汽输送通量散度。同时采用9 a滑动平均、合成分析和经验正交函数分解(EOF)等方法。

2 中国东部夏季水汽输送年代际变化的时空特征

为了研究6—8月水汽输送的年代际变化特征,先计算1948—2012年夏季逐月的经、纬向水汽输送通量的标准化距平场,对其进行9 a滑动平均,再进行EOF分解,获取其年代际变化主分量的时空演变特征。6月、7月、8月EOF第一模态的方差贡献率分别为30.8%、43.2%、47.3%,本文主要研究它们的第一模态。

图1 6月(a,b)、7月(c,d)和8月(e,f)年代际水汽输送的EOF第一特征向量(a,c,e)及其时间系数(b,d,f)Fig.1 (a,c,e)The first EOF eigenvectors and (b,d,f)their time coefficients of interdecadal water vapor transport in (a,b)June,(c,d)July,and (e,f)August

由整层水汽输送通量年代际分量EOF分解的第一模态时间系数(图1b、d、f)可以看出,夏季水汽输送通量第一特征向量对应的时间系数的年代际变化相似,且变化趋势也较为一致,即6月和8月在1975年前后为显著的“正转负”的转折点,其中1952—1975年为正值,1976—2005年基本为负值,7月显著的“正转负”的转折点在1973年;总体而言,1975年前我国东部夏季水汽输送处于偏强阶段,之后处于偏弱阶段。EOF模型分解第一特征向量时间系数的年代际变化“转折”时段,与郭其蕴等(2003)及Zhou and Yu(2005)的研究结果一致,即20世纪中叶以来,许多环流指数和东亚夏季风出现了突变或明显减弱,一次发生在60年代中期,另一次发生在70年代中期,此后东亚夏季风一直维持偏弱状态。同时,该结果与施小英等(2009)近50 a来东亚大陆东部经向水汽输送从1974年起由强变弱的“转折点”特征及其年代际减弱变化趋势一致;该结果与黄荣辉等(2011)1978年前后我国东部夏季降水异常出现相反分布的结果也一致。

由图1a可见,6月整层水汽输送通量年代际分量EOF分解第一特征向量矢量场的主要特征是,水汽输送年代际变化的异常显著区主要位于我国东部。结合其时间系数可知,在1952—1975年水汽输送偏强阶段,南海到我国东部地区的水汽输送异常偏强;1976—2008年(1995—1999年除外)水汽输送偏弱阶段,该地区的水汽输送异常偏弱。这表明,6月南海到我国东部地区的水汽输送存在年代际变化。

7月水汽输送异常区(图1c)与6月(图1a)大体相同,水汽输送异常显著区仍主要位于中国东部地区。1952—1973年水汽输送偏强阶段,从印度洋经孟加拉湾到我国东部地区的水汽输送明显异常偏强,此外南海和西太平洋到我国东部地区的水汽输送也异常偏强,这3个年代际变化相对较强的水汽输送异常显著区域与黄荣辉等(1998)给出的到达东亚季风区的水汽输送4支中的前3支一致。1974—2008年水汽输送偏弱阶段,这三个地区到我国东部地区的水汽输送异常偏弱。这表明,7月印度洋、南海和西太平洋到中国东部地区的水汽输送存在年代际变化。

8月水汽输送异常区(图1e)与6月、7月情况基本相似,主要位于中国东部地区。1952—1975年水汽输送偏强阶段,孟加拉湾、南海和西太平洋到中国东部地区的水汽输送异常偏强。1976—2008年水汽输送偏弱阶段,这三个地区到我国东部地区的水汽输送异常偏弱。这表明,8月孟加拉湾、南海和西太平洋到中国东部地区的水汽输送存在年代际变化。

3 我国东部夏季平均水汽输送年代际变化特征

述分析表明,6—8月水汽输送由“强”转“弱”的转折点在1975年前后。下面分别对转折点前后的两个时段的整层水汽输送通量进行合成分析,探讨年代际变化前后我国东部夏季的水汽输送状况。

图2为水汽输送偏强年和偏弱年6、7和8月水汽输送通量矢量的距平合成分布。可知,通过0.05信度显著性检验的区域位于我国东部地区,说明水汽输送年代际变化的异常显著区主要位于我国东部地区。由图2a可知:6月从南海到我国东部区域有较显著的南风及西南风方向的异常水汽输送,这与图1a描述的中国东部6月水汽异常分布状况相吻合。由图2c可知:7月从阿拉伯海经印度半岛和孟加拉湾到我国东北的水汽输送最强,有较显著的南风及西南风方向的异常水汽输送,其次是来自于南海和西太平洋的异常水汽输送,与图1c描述的中国7月水汽异常分布状况相吻合。由图2e可知:8月孟加拉湾、南海和热带西太平洋到我国东部地区的水汽输送异常较显著,与图1e中水汽输送的异常显著区基本一致,与图1e描述的中国东部8月水汽异常分布状况相吻合。

由水汽输送偏弱年6、7和8月水汽输送通量矢量合成分布(图2b、2d和2f)可知,水汽输送偏弱年反映的情况与水汽输送偏强年反映的情况基本一致,水汽输送异常显著区都位于我国东部地区,水汽输送通量的强度有所减弱。这进一步证明,我国东部夏季逐月的水汽输送在20世纪70年代中期发生了明显的年代际变化。

4 中国东部夏季水汽输送通量辐合(辐散)的年代际变化特征

Starr and Peixoto(1958)早在20世纪50年代就指出,局地水汽含量与水汽输送通量的辐合(辐散)密切相关。黄荣辉等(1998)指出,季风区水汽输送通量的辐合(辐散)是表征降水变化的一个很重要的物理量。水汽通量的大小只能表示水汽通过区域上空的数量,并不能说明水汽在区域的集中,能否产生强降水与水汽的辐合程度密切相关(单磊等,2014)。因此,本文计算出6—8月总的水汽输送通量散度、由风场辐合(辐散)和水汽平流所引起的水汽输送通量散度,并对水汽输送通量散度的距平场进行了9 a滤波处理。由于6—8月各月之间水汽通量散度在强弱年的分布都非常相似,故仅以7月为例分析水汽输送通量散度,以进一步了解我国东部夏季水汽输送的年代际变化特征。

图2 水汽输送偏强年(a,c,e)和偏弱年(b,d,f)6—8月水汽输送通量矢量距平分布(单位:kg/(s·cm);阴影表示通过0.05信度的显著性检验) a,b.6月;c,d.7月;e,f.8月Fig.2 Anomaly distributions of JJA water vapor transport flux vectors in (a,c,e)the strong years and (b,d,f)the weak years(units:kg/(s·cm);shadings passing the significance test at 95% confidence level) a,b.June;c,d.July;e,f.August

图3为7月水汽输送偏强年和偏弱年的水汽输送通量散度的合成分布。可见,显著的水汽输送通量辐合区位于华中西部经华北到东北地区,这与水汽输送通量矢量分布(图2c)通过显著性检验的大值区走向较一致,辐合区稍向西偏移。偏弱年情况(图3b)与偏强年情况(图3a)基本相反。说明我国东部夏季逐月水汽输送通量的散度场在20世纪70年代中期也发生了明显的年代际变化。

图3 水汽输送偏强年(a;阴影小于0)和偏弱年(b;阴影大于0)7月水汽输送通量散度的合成分布(单位:g/(cm2·s))Fig.3 Composite distributions of water vapor transport flux divergence in July in (a)the strong years(shadings are less than 0) and (b)the weak years(shadings are larger than 0)(units:g/(cm2·s))

图4 水汽输送偏强年(a,c;阴影小于0)和偏弱年(b,d;阴影大于0)7月由风场散度(a,b)和水汽平流(c,d)引起的水汽输送通量散度的合成分布(单位:g/(cm2·s))Fig.4 Composite distributions of water vapor transport flux divergence caused by (a,b)wind divergence and (c,d)moisture advection in July in (a,c)the strong years(shadings are less than 0) and (b,d)the weak years(shadings are larger than 0)(units:g/(cm2·s))

7月水汽输送偏强年和偏弱年由风场散度所引起水汽输送通量的散度场(图4a、4b)与水汽输送通量散度场(图3a、3b)较一致,说明由风场辐合引起的水汽输送异常辐合大值区位于华中西部经华北到东北地区。从7月水汽输送偏强年和偏弱年由水汽平流所引起水汽输送通量的散度场(图4c、4d)来看,7月由水汽平流引起的水汽输送辐合(辐散)异常区位于长江以北,辐合(辐散)异常区的边界线随月份来回摆动,6月偏南,7月北上到长江以北地区,8月又南落到长江以南地区(6月和8月情况略)。从合成的7月风辐散场和水汽平流场来看:长江以北,水汽辐合(辐散)异常显著区域由风场的辐合(辐散)异常和水汽平流异常共同造成;长江以南,水汽辐合(辐散)异常显著区域主要由风场的辐合(辐散)异常造成。

5 结论

1)我国东部地区6—8月水汽输送由强转弱发生在1975年前后。水汽输送异常显著区主要位于我国东部地区。6月南海到我国东部地区的水汽输送存在明显的年代际变化,7月孟加拉湾、南海和西太平洋(8月印度洋、南海和西太平洋)到我国东部地区的水汽输送同样存在明显的年代际变化。

2)6—8月年代际变化前后水汽输送矢量分布与对应月份水汽输送通量年代际分量第一特征向量场的空间分布基本一致,说明6—8月我国东部的水汽输送在20世纪70年代中期发生了明显的年代际变化。

3)6—8月我国东部水汽输送通量的散度场在20世纪70年代中期也存在明显的年代际变化特征。显著的水汽通量散度辐合区位于华中西部经华北到东北地区,辐合区稍微向西偏移。长江以北,水汽辐合(辐散)异常显著区域由风场的辐合(辐散)异常和水汽平流异常共同造成;长江以南,水汽辐合(辐散)异常显著区域主要由风场的辐合(辐散)异常造成。

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(责任编辑：倪东鸿)

InterdecadalvariationcharacteristicsofwatervaportransferovereasternChinainsummer

GUO Zhi-rong1,CHEN Xu-hong1,JIANG Yan-ru1,DONG Li-na2

(1.Meteorological Observatory;2.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,NUIST,Nanjing 210044,China)

Based on NCEP/NCAR monthly reanalysis data from 1948 to 2012,the interdecadal variation of summer water vapor transport over eastern China is investigated using the 9-yr moving average,EOF analysis and compositive analysis methods.Results show that summer(June—August) water vapor transport is characterized with a turning point from strong to weak around 1975.The abnormal area of water vapor transport mainly locates in the eastern China.Water vapor transport from South China Sea to eastern China has interdecadal variation in June.Water vapor transport from the Bay of Bengal,South China Sea and western Pacific in July(Indian Ocean,South China Sea and western Pacific in August) to eastern China also has interdecadal variation.Distribution of summer water vapor transport flux vectors is consistent with that of the first component of interdecadal water vapor transport before and after the interdecadal variation.Significant water vapor flux convergence zone locates in the southwest to the northeast China.In the northern Yangtze River,water vapor convergences(divergence) are caused by the wind field convergence(divergence) and the water vapor advection,but in the southern Yangtze River,which is mainly caused by the wind field convergence(divergence).

eastern China;water vapor transport anomaly;interdecadal variation;summer

2013-05-28;改回日期2014-04-08

国家自然科学基金资助项目(41075069)

郭志荣,工程师,研究方向为气候变化,gzryj@nuist.edu.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130528001.

1674-7097(2014)05-0568-07

P466

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130528001

郭志荣,陈旭红,江燕如，等.2014.中国东部夏季水汽输送的年代际变化特征[J].大气科学学报,37(5):568-574.

Guo Zhi-rong,Chen Xu-hong,Jiang Yan-ru,et al.2014.Interdecadal variation characteristics of water vapor transfer over eastern China in summer[J].Trans Atmos Sci,37(5):568-574.(in Chinese)