中国夏季降水的时空变化

#中国夏季降水的时空变化中国地处东亚季风区，夏季降水的多少和雨带的分布均受到东亚夏季风的调控。而东亚夏季风的重要特点之一就是具有显著的多尺度变化，因而中国的夏季降水也表现出多尺度的复杂变化，导致各种旱涝灾害的频发。所以，分析研究夏季降水变化规律和机理是很有必要的中国夏季总降水量时空分布特征概况l@DC(a)6DD100(b)V3岔」12DdET以l@DC(a)6DD100(b)V3岔」12DdET以t.：A碾'Tinisn'tgG°Etna°E占空年FV扎的百片忙母132忙(C)CIua120SD6040i132°E96°EWB°E年际啞化的拆九圣血(C)CIua120SD6040i132°E96°EWB°E年际啞化的拆九圣血12DDE72°E图3.11951—2014年中国夏季降水概况（a）平均降水量，（b）站全年降水的百分比，（C）年际变化的标准差图3.1给出了1951—2014年中国夏季降水的气候状况。由图3.1（a）可见，中国夏季总降水量（STP）64年平均的分布，可以看出中国STP自东南向西北呈递减的趋势，降水量最多的区域为东南、华南及西南地区，总降水量可达到700mm以上，西藏东南部至内蒙古东部（东亚夏季风边缘区）STP可达200mm左右，而降水量最少的区域为西北内陆的新疆、内蒙古西部等非季风区，STP在100mm以内，有些地区不足50mm。由图3.1（b）可见，青藏高原至东北一带的北方地区及西南地区，STP占全年降水的50%以上，尤其是青藏和内蒙古东部地区所占的比例高达70%，表明这些地区雨季主要在夏季，而北疆、长江中原、江南和华南东部等地STP站全年降水比例低于50%，表明这些地区全年有多个雨期，如华南地区有前汛期和后汛期。STP的标准差分布（图3.1c）和STP多年平均的分布类似，也呈从东南向西北递减的局势，东南地区标准差在150mm以上，最大的地区为华南和长江下游地区，标准差达200mm以上，西北地区标准差在50mm以下，表明东南地区STP的年际变化大，而西北地区年际变化相对较小。中国夏季降水的年代际变化(b)19511959(a)19601969f0Di(c)1980—1989(d)1970—1979(f)19901999(e)20002009(g)2010—2014(g)2010—2014图3.2各年代的夏季

降水距平百分率合成图(a)1951—1959©1970—1979(e)1990—1999(g)2010—2014(b)1960—1961(d)1980—1989(f)2000—2009为了研究中国夏季降水的十年际尺度上的年代际变化特征，图3.2给出了20世纪50年代至21世纪10年代各年代的降水距平百分率合成图。从图3.2（a）可见，在50年代，长江以北地区降水整体偏多，正距平中心位于黄河中下游地区、华北地区及四川盆地东部，北疆降水也偏多，而南疆和江南等地降水偏少；60年代，从西南地区至东北地区降水整体偏多，主雨带呈西南至东北走向，降水中心位于环渤海湾地区和西南地区，而新疆至江南一线地区降水偏少，整个西北地区和江南地区降水异常偏少（图3.2b）；70年代，黄河流域、华北地区和西南南部地区降水继续偏多，而东北、西北西部、长江流域和江淮地区降水偏少（图3.2c）；80年代，黄河流域、华北地区和西南南部地区降水有偏多转为偏少，而东北大部、长江中上游和陕南地区降水有偏少转为偏多，此外北疆和长江以南地区降水偏少（图3.2d）；90年代，全国降水整体偏多，黄河以北地区和长江以南地区降水偏多，降水中心在华北北部和江南地区，西北地区降水也偏多，而长江和黄河之间地区降水偏少（图3.2e）；21世纪00年代，中国顶部地区从南至被呈“++”分布，华南至今年南部地区和黄淮地区降水偏多，降水中心为淮河流域，而长江流域和黄河以北地区降水偏少，华北北部至东北西部异常偏少（图3.2f）；2011—2014年，黄河流域以北地区降水整体偏多，长江下游地区降水也偏少，淮河流域、长江中游以南地区、及西南至华南地区降水偏少（图3.2g）。从以上中国夏季降水十年际的变化特征可见，中国夏季降水大致经历了以下几次年代际的转折；50年代至70年代末的北方多雨长江少雨阶段，80年代华北少雨而长江中上游转为多雨，90年代全国多雨，21世纪以后淮河流域降水偏多而华北降水偏少，而近几年来淮河转旱而转涝。大量研究表明：中国东部夏季降水的雨型存在多次明显年代际调整过程。例如：黄荣辉等（2011）研究指出，20世纪70年代中后期，中国东部雨型由北方多雨、长江和江淮少雨、南方多雨的“++”型向北方少雨、长江降水多雨、南方少雨的“+”型转变；20世纪90年代初期南方偶极子型降水模态作用加强，东部降水模态由“+”型向“++”型转变；90年代后期，21世纪初期又出现了北方降水异常偏少，长江和江淮降水偏多的降水模态。本章小结本章对中国夏季降水的气候概况和十年际尺度的年代际变化特征进行了分析，主要得出了以下结论：中国夏季降水量及其标准差均从东南向西北方向递减，华北、东北和西北大部夏季降水占全年降水的比例较大；中国夏季降水经历年代际的转折和模态转变，20世纪50年代至70年代北方多雨而长江流域少雨，20世纪80年代之后，中国东南部地区和黄淮地区降水呈增加趋势，而华北和东北等地降水呈减少趋势。ENSO对中国夏季降水指示意义的变化ENSO是热带太平洋地区海气系统年际气候变率的最强信号，它不仅是造成全球气候异常的一个重要原因，而且也是导致亚洲季风异常和我国旱涝发生的关键因素，所以ENSO的发生已经被作为预测中国年际气候异常的重要前期信号之一。ENSO与中国夏季雨带的演变规律存在较好的关系，但对中国夏季降水的影响却很复杂，不同时间段的ENSO的影响有很大不同，而且在长期变化中存在不稳定性。4.1Nino3.4区SST与STP相关性的变化4.1.1二者关系在三个独立时段下的不同选取1951—1971（时段1）、1973—1993（时段2）和1994—2014（时段3）年三个时间长度均为21年的时间段，分析三个时段前秋至前春逐月Nino3.4区海表温度与夏季160标准站降水的相关性，并应用t检验标准统计达到95%置信度（作为达到显著相关的临界）的站数。图4.1不同时段前秋至前春逐月Nino3.4区海表温度与夏季160站降水达到显著相关（95%置信度检验标准）的站数（红线表示降水时段为1951—1971年，绿线表示降水时段为1973—1993年，蓝线表示降水时段为1994—2014年）由图4.1可见，三个时段所对应的曲线之间有很大差异，并且各自曲线走势也有所不同。Nino3.4区海温与夏季降水达到显著相关的站数在第一时段（共104站）最多，在第二个时段（共61站）最少，而到第三时段达到显著相关的站数（共78站）又有回升的趋势。并且，时段1的曲线在冬季与其他两条曲线的差异最为明显。对于时段1，冬季3个月的显著相关站数为12、17、16站，而其他两个时段对应的站数只有6、7、6站（时段2）和8、9、6站（时段3）。时段2曲线和时段1曲线在秋季的差异最明显，显著相关的站数分别为6、4、6站和12、10、9站。单独针对某条曲线来说，时段1曲线相比春秋两季在冬季时对应较多的相关性站数，特别是冬季的1、2月份，即在1951—1971年时段内前冬海温对夏季降水的预测性比较强。由时段2曲线可以看出，曲线走势为上升趋势，即表明在1973—1993年时段内，前春相对于前冬和前秋有较好的预测性。时段3曲线大致呈下降趋势，即在1994—2014年时段内，前秋比其他两季的预测性要好。由以上分析可以得出结论，在20世纪50—60年代，Nino3.4区海温与中国夏季降水有很好的对应关系；在20世纪70年代中期—90年代中期，两者的对应关系有了很大程度的减弱；而在近20年，两者的关系又有了增强的趋势。并且，在三个独立的时段内，前秋至前春三个季节的海温与降水的关系也发生了变化，对应关系最强的季节分别为：前冬—前春—前秋。4.1.2SST和STP的滑动相关分析为更好地分析Nino3.4区前冬至前春海表温度与中国夏季降水的关系变化，采用滑动相关方法，分别计算1951—2014年中国160站各站夏季降水与前秋、前冬和前春Nino3.4区海温之间滑动窗口为21年的滑动相关系数，并统计每次滑动19£1-197111^1-190119£1-197111^1-190119&S-19S61971-19&11&76-197611^1-20011^6-20061991-20>111消动时段图4.2不同季节Nino3.4区SST与夏季160站降水21年滑动系数达到显著相关的站数变化（红线表示前秋，绿线表示前冬，蓝线表示前春）〔<--怎-rT'.-.--..亠出FIFr「图4.2给出了每21年滑动的利用前秋、前冬和前春Nino3.4区海温与夏季160站降水达到显著相关的站点变化。由图中曲线可以看出，前秋和前冬所对应的曲线差异不大，都呈现出先下降又上升的趋势。前春曲线与另两条曲线在前期有较大的差异，在后期差异逐渐减小，总体表现出先上升后下降又稍上升的趋势。在每一个时段都观察三条曲线中最大的显著相关站数（即max（前秋,前冬，前春）），整体趋势依然是先下降后上升。最大值曲线的最低点大致在“1980—2000”刻度处，表明在1980—2000年区间段前后，前秋，前冬和前春三个季节的海表温度与夏季降水的对应关系最弱。最大值曲线有两个峰值点，分别位于“1958—1978”和“1968—1988”两个刻度处，但是两个刻度所对应最大值曲线是两个不同的季节曲线，分别为前冬和前春；表明，在1958—1978区间段前后，前冬的海表温度与夏季降水有较强的对应关系；在1968—1988区间段前后，前春的海表温度对夏季降水有较强的对应关系。分析最大值曲线的组成变化，由图4.2可知，按时间段顺序，其组成是：前冬—前秋—前春—前秋。最大值曲线组成的变化表明了，在不同的时段，对夏季降水有较好预测的季节有所变化。在近几十年，前秋曲线高于其他两条曲线，表明在该时段内前秋海表温度与夏季降水的对应关系强于前冬和前春，与上一节得出的结论一致。由前春曲线的走势可见，在20世纪70年代左右的时段，前春海表温度对夏季降水有较好的指示意义，其他时段均不如前秋和前冬。前秋和前冬曲线走势大致相同，在1951—2014年整个时间段的前期和后期对夏季降水有比较好的指示意义。三条曲线在20世纪70—80年代均有很大程度的下降，其指示意义远不如其他时段，其原因可能是20世纪70年代中期赤道东太平洋海温、东亚夏季风及大气环流都发生的一次显著突变影响到了SST与STP的关系。总结以上分析，Nino3.4区的SST对中国夏季降水的指示意义，由前期的很强变为中期的很弱，而近几十年又有增强趋势，虽然增强的程度并不大，但上升的趋势很明显。不同时段内，三个季节的海表温度对夏季降水的指示意义程度均有不同，即随时间有明显的阶段性。在19世纪70年代中期前后，三个季节的指示意义几乎没有应用价值。所以，在预测业务中参考ENS0的作用是必须充分考虑不同时段二者的年代际变化。Nino3.4区海温对中国夏季降水距平的可预测性变化下面讨论不同季节Nino3.4区海温对中国夏季降水距平可预测性的影响。规定在某一研究时段内，若Nino3.4区海温距平（SSTA）与某站夏季降水距平同号（指正负号）年份占研究年份的2/3以上（包括2/3）或1/3以下（包括1/3）则认为ENSO对该站降水有预测意义4.2.1距平预测的滑动分析分别计算在1951—2014年内滑动窗口为21年的利用不同季节Nino3.4区海温距平对160站降水距平符号预测准确率达到66.7%的站数。1961-19711966-11961-19711966-197&1961-19011966-198619H-1K11W6-19961901-MO11966-20M1991-2011滑动吋段--整匕Fwwm图4.321年滑动的利用不同季节Nino3.4区SSTA预测中国夏季降水距平正负准确率在66.7%以上的站数变化（红线表示前秋，绿线表示前冬，蓝线表示前春）图4.3给出了每21年滑动的利用前秋、前冬和前春Nino3.4区海温距平预测中国夏季降水距平符号准确率在66.7%以上的站数变化。该图与图4.2差别不大，前秋和前冬，均是先下降再上升的走势，最小值所对应的时段也与图4.2相同。对于前秋曲线，其对降水距平符号的预测能力也是在1951—2014年整个时段的中期达到最强。近20多年,SSTA对夏季降水距平符号的预测能力，从站数上看虽有所增加，但是随着时段的改变，有预测意义的台站是否发生了变化，有预测意义的同一台站的降水距平符号与海温距平符号的关系是否发生了变化，从图中并得不出结论为了探讨这一问题，下面以前冬季节下的Nino3.4区海温在1954—1974，1972—1992，1994—2014三个特殊时段内对夏季降水距平符号的预测准确率达到66.7%的站点分布，以探究ENSO对夏季降水预测指示意义的区域性变化。

4.2.2距平预测的区域性变化图4.4基于前冬4.2.2距平预测的区域性变化图4.4基于前冬Nino3.4区SSTA预测夏季降水距平符号准确率在66.7%以上的站点分布（红点表示基于海温与降水距平同号预测；蓝点表示基于海温与降水距平异号预测）降水为1954—1974年降水为1972—1992年降水为1994—2014年伍叱匪哄>WE图4.4为上述三个时段内基于前冬Nino3.4区SSTA预测夏季降水距平符号率在66.7%以上的站点分布。比较以上3张图可以看出，站点的分布发生了很大的变化。在1954—1974年和1994—2014年两个时段内，降水距平符号预测准确率在66.7%以上的分别有59站（图4.4a）和39站（图4.4c），两图中站点较多，且相对集中，呈区域性分布；而1972—1992年的研究时段，所对应的图b中站点密度大幅度降低，仅有21站，而且站点分布比较分散，不利于开展区域性降水的预测。第一研究时段，在a图中可以看出站点的分布状态。可以明显看出，红点的个数远多于蓝点个数，即同号预测站数（44站）远多于异号测站数（15站），由此可看出，在1972—1992年这一时段内，前冬Nino3.4区海温距平符号对中国大部分地区的夏季降水距平符号预测为同号。观察红点的分布，同号预测站点主要分布在新疆北部、西北地区东部、华北及江南北部。其中，西北东部和华北地区的站点分布更为密集。说明，前冬海温对这些地区的夏季降水有较强的预测指示意义。观察蓝点的分布，其主要其中在黄淮地区，在西南地区东部和东北地区也有少数站点分布。位于黄淮地区的异号预测站尤为集中，表明该地区这些测站的夏季降水与前冬海温距平异号的概率超过了66.7%，两者的对应关系较强。在第二个研究时段，有预测意义的站点较少，且分布比较分散，不利于探究海温预测夏季降水的区域性。而到第三研究时段时，即在近20年，海温距平对降水距平有预测意义的站点又有了显著的增加。观察图4.4(c)中站点的分布，并与图4.4(a)对比会发现，虽然站点数有所增加，但与第一时段相比，却发生了显著的区域性变化，甚至在有些地区由原先的异号预测变成了同号预测。在第三时段，站点主要分布在中国东部，对西北地区和西南地区的降水预测意义大幅度减弱。预测依然以同号预测为主，同号预测站主要集中在黄淮流域和华北地区，而黄淮流域在第一研究时段为异号预测，即随着年代的变化海温距平对该地区的夏季降水距平的预测发生了相反的变化。长江中下游的沿海区域的一些测站降水与海温异号率在14年以上，与前两个研究时段相比，海温和降水两者的对应关系有所增加。值得一提的是，在第二时段，虽然前冬Nino3.4区海温对中国夏季降水距平没有较好的预测性，但是根据图3.3的最大值曲线可以看出，在1972—1992年前后对降水距平有较好预测的是前春海表温度，所以在该时段海温与降水的对应关系是否减弱，其区域性是否发生了变化，需要进一步的探究。根据提出的问题，在前春海温对夏季降水距平有较好预测意义的时段内，选取1964—1984年和1972—1992年两个时段作为代表，作出站点分布图。〔謔11花听"E妬FI站E林智壬lifTiW?瓚壬图4.5基于前春Nino3.4区SSTA预测夏季降水距平符号准确率在66.7%以上的站点分布(红点表示基于海温与降水距平同号预测；蓝点表示基于海温与降水距平异号预测)a.降水为1964—1984年b.降水为1972—1992年图4.5给出了两个代表时段基于前春Nino3.4区海温距平预测夏季降水距平符号准确率在66.7%以上的站点分布。比较以上两图可以看出，1964—1984年时段(图4.5(a))有预测意义的台站数明显多于1972—1992年时段(图4.5(b))；然而，仔细对比会发现,b图相对a图只是在站点数目上有所变化，并没有区域性的改变,而且每个区域的站点密度都是呈减小趋势。比较图4.5(a)和图4.4(a)，两图的同号预测站分布和异号预测站几乎相反。图4.4(a)中，1951—1971年时段内前冬海温对西北北部