华南位于中国南部地区, 所处的纬度较低, 其天气气候变化深受热带季风 (南海季风) 活动的影响。华南与国内其他地区相比, 其平均年雨量最大、暴雨次数最多, 且雨季也最长。目前, 对华南降水主要集中在前汛期降水。对其空间变化特征 (吴尚森和梁建茵, 1992; 林爱兰和吴尚森, 1996; 李春晖等, 2004; 郑彬等, 2007), 影响因子, 如西太平洋副热带高压 (梁建茵, 1994; 覃武等, 1994; 邓立平和王谦谦, 2002)、海温 (郭其蕴和沙万英, 1998; 高波等, 1999)、积雪极冰 (蔡学湛等, 2000; 吴恒强等, 1998)、季风 (陶诗言, 1995; 李玉兰, 1995; 吴尚森, 1996; 孙颖和丁一汇, 2002) 和季节内振荡 (李崇银等, 1995; 史学丽和丁一汇, 2000; 纪忠萍等, 2010) 等都有较多研究。华南的春旱多发生在2-5月, 其特点是范围大、旱期同步性强。而春季正是华南农作物播种和生长期, 对农事影响较大, 因而研究华南春季降水具有重要的实际意义。但目前对其的研究较少。华南春季降水的空间分布具有全区一致性、东西反位相、南北反位相及东北西南反位相等特点 (纪忠萍等, 2007)。中高纬度环流异常、西太平洋副高的活动和前冬南半球环状模对春季旱涝有重要影响 (温之平等, 2007; 郑菲和李建平, 2012; 李宏毅等, 2013)。研究指出, 华南春季降水具有明显的年代际变化特征, 不过有些研究结果之间存在一定的差异。如, 有的研究指出, 20世纪70年代后期以后, 华南晚春的降水有急剧的减少, 其原因是中国中东部对流层中上层的温度有显著的下降 (Xin et al, 2006)。有研究 (Li et al, 2009) 认为, 由于春季水汽输送的年代际突变导致了华南春季降水经历了20世纪50年代末到70年代前期的少雨期以及70年代末和90年代前期的多雨期。也有研究 (吴林等, 2009) 认为20世纪80年代后, 华南春季降水明显减少, 旱年增多。乔云亭等 (2010)认为华南以东区域春季降水1994年以后具有显著的下降趋势, 由多雨区跃变为干旱区, 主要与南海-中南半岛的水汽输送密切相关。20世纪70年代前和90年代末至今, 华南春季降水明显偏少, Nino3.4海温异常起主要作用 (吴蔚等, 2011)。近年来的研究 (李宏毅等, 2010) 还表明, PDO、ENSO和北印度洋及其南海附近海温是影响华南3月降水年代际和年际异常的重要外强迫因子, 而华南4月、5月降水异常与前期中西太平洋海温异常有着密切的关系。

综合上述, 华南春季降水确实经历了明显的年代际变化, 不过所用的台站均是华南区域的。如换成全国台站资料, 这种变化是否还存在？对于夏季降水, 以上研究表明其具有明显的季节内振荡特征。Li et al (2015)也研究了华南夏季 (5-10月) 降水及其自身的季节内振荡 (ISO) 强度关系时得到两者具有很强的相关关系。那么, 华南春季降水与其自身季节内振荡强度是否也具有很好的相关关系？两者是否具有明显的年代际变化特征？这些是目前研究几乎没有涉及的, 本文将围绕此问题进行讨论。

研究所用资料主要为: (1) NCEP全球2.5°×2.5°逐日和逐月再分析资料, 垂直方向从1000 hPa到100 hPa有12层, 时间范围为1958-2007年。(2) 中国国家气候中心提供的737个站降水逐日资料, 时间范围为1958-2007年。(3) 重建的逐月海表温度资料 (Extended Reconstruction of Global Sea Surface Temperatures, ERSST)(Smith and Reynolds, 2003, 2004)(ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/ersst-v3/), 水平分辨率为2°×2°, 时间范围为1958-2007年。

分析方法主要有功率谱分析、Lanczos时间滤波 (Trenberth, 1984)、EOF分析、相关分析、合成分析和T-检验等。

根据以往研究成果, 选取华南区域为 (107°E-120°E, 20°N-27°N)。本文春季降水指的是35月降水。与其他滤波器相比, Lanczos时间滤波器能有效地抑制因有限截断而产生的虚假Gibbs波, 并且具有狭窄的过渡频带 (即最靠近过滤频率且响应函数为0和1的两个频率间的频率范围)。鉴于其性能的优越性, 本文将采用该滤波器对华南区域异常逐日降水 (即把每年逐日降水相应减去逐日年平均值得到) 进行滤波。

从华南春季降水逐日变化的功率谱曲线 (图 1) 可知, 该区域具有显著的10~50天振荡周期。为了表征华南春季降水ISO强度变化, 在此先通过Lanczos滤波方法, 对1958-2007年华南春季异常逐日降水先进行逐年10~50天滤波, 然后再计算每年的标准方差。通过EOF分析可知, 第一模态显示全国春季降水量以及降水ISO强度较大区域均分布在华南地区 (图 2a和c), 最大中心位于广东省。降水量第一模态的方差贡献率为26.9%, 降水ISO强度方差贡献率为14.2%, 均通过North准则检验。从第二模态分布来看 (图 2b、d), 无论是降水量还是降水ISO强度显示的均是长江中下游和华南区域的反相跷跷板变化, 其方差贡献率分别为14.7%和8.3%(通过North准则检验)。从时间系数来看, 第一模态主要体现的是春季降水量和降水ISO强度的年代际变化特征, 两者的相关系数为-0.82, 通过99%的置信水平检验。结合EOF空间场分布可知, 当春季降水量增多 (减少) 时, 对应降水ISO强度也强 (弱)。第一模态对应的时间系数9年滑动平均结果显示, 降水量和降水ISO强度在1958-2007年期间分别经历了3段年代际变化, 即偏少 (偏弱)、偏多 (偏强)、偏少 (偏弱) 的变化。第二模态主要呈现的是年际变化特征。从EOF分析结果来看, 即便用全国台站资料来分析, 华南春季降水也是占主体地位, 并且体现的是明显年代际变化特征, 与之前仅采用华南台站得到的研究结果相一致 (Xin et al, 2006; Li et al, 2009; 吴林等, 2009; 乔云亭等, 2010)。对EOF得到的第一特征向量对应的第一时间系数通过10年滑动T检验 (图 3) 可知, 降水量和降水ISO强度均在1970S中前期以及1990年发生年代际突变, 表明这种年代际变化特征比较显著, 为此, 将1958-2007年分为1958-1973年、1974-1990年和1991-2007年三个阶段来讨论华南春季降水与降水ISO强度的变化特征。把华南区域逐日降水量和降水ISO (逐日降水经过10~50天滤波) 超过1个标准方差的事件称为强降水和强降水ISO事件, 分别统计了不同年代间发生强降水和强降水ISO事件对应的总天数以及降水强度, 具体见表 1。从表 1可以看到, 与降水量EOF第一模态在三个年代间显示的偏少、偏多和偏少相对应, 强降水事件和强降水ISO事件天数 (强度) 也是经历了偏少 (弱)、偏多 (强) 和偏少 (弱) 的变化。从比率来看, 无论是事件天数还是降水强度, 强降水ISO占总强降水的比率均是减少的。表明在强降水事件中, 降水ISO的贡献在减弱, 而非ISO的影响在增强, 并且导致这种现象的原因至今还不清楚, 需要借助模式做进一步研究。

图 1(Figure 1)

图 1 1958-2007年春季华南区域 (107°E-120°E, 20°N-27°N) 平均逐日降水功率谱分布 (单位: mm·d-1) 虚线为0.05显著性水平 Figure 1 Power spectrum of spring daily rainfall time series ave-raged over the South China area (107°E-120°E, 20°N-27°N) from 1958 to 2007. The dash line represents have passed the significance level at 0.05

图 2(Figure 2)

图 2 华南春季降水量 (a, b, 单位: mm) 和降水ISO强度 (c, d, 单位: mm·d-1) EOF第一 (a, c) 和第二 (b, d) 模态时空分布及对应的标准化时间序列 (e, f) Figure 2 Dominant EOF1 (a, c) and EOF2 (b, d) patterns of interannual variability of spring rainfall (a, b, units: mm) and intraseasonal rainfall intensity (c, d, units: mm·d-1) and its standardization time evolutions of dominant EOF patterns (e, f) over the South China in spring.In Fig.2e and 2f, the column denotes spring rainfall, solid line denotes intraseasonal rainfall intensity, dash line denotes the 9-year moving average

图 3(Figure 3)

图 3 降水量 (a) 和降水ISO强度 (b) EOF第一特征向量对应的第一时间系数滑动T检验 粗、细虚线分别为0.1和0.05的显著性水平 Figure 3 Standardization time evolutions of dominant EOF1 patterns of interannual variability of spring rainfall (a) and intraseasonal rainfall intensity (b).The thick and thin dashed line represents have passed the significance level at 0.1 and 0.05, respectively

表 1(Table 1)

表 1 各年代强降水和强降水ISO事件天数、强度以及之间的比率 Table 1 Days, strength, and the ratio of Heavy rain and heavy rain ISO events 年代 强降水事件天数 (强度) 强降水ISO事件天数 (强度) 比率/% 1958-1973年 223天 (15.9 mm·d-1) 61天 (5.9 mm·d-1) 27.4(37.0) 1974-1990年 265天 (17.4 mm·d-1) 64天 (6.0 mm·d-1) 24.2(34.0) 1991-2007年 256天 (16.5 mm·d-1) 56天 (5.6 mm·d-1) 21.9(33.8) 注:比率分别为各年代对应的强降水ISO事件天数与强降水事件天数之比 (左列), 以及强降水ISO强度与强降水强度之比 (右列)

表 1 各年代强降水和强降水ISO事件天数、强度以及之间的比率 Table 1 Days, strength, and the ratio of Heavy rain and heavy rain ISO events

Li et al (2015)研究指出, 由于夏季大气平均环流的调节作用, 尤其是低层水汽的作用, 热源扰动得以发展, 从而增强降水和降水ISO强度。与夏季相比, 华南春季降水与降水ISO强度不仅在年际尺度上具有显著的正相关关系, 而且也有明显的年代际变化, 表明在不同年代际背景下, 春季大气平均环流对华南春季降水和降水ISO强度起了不同的作用。

首先, 在1958-1973年 (图 4), 华南区域温度以整层偏冷为主 (图 4a), 由静力方程可知, 气压为异常低压 (图 4b)。从纬向风场来看, 高层, 西风急流强度偏弱 (图 4c), 不利于南北热量交换。低层, 25°N以北为西风异常、以南为东风异常, 华南区域辐散增强。上层冷空气有利于下沉运动增强 (图 4e), 低层易形成反气旋环流异常, 南风增强 (图 4d), 但该年代水汽减少 (图 4f)、湿静力能减弱 (图 4g) 以及水汽辐散增强 (图 4h), 不利于降水。因此, 该年代华南春季降水以偏少、降水ISO强度偏弱为主。与1958-1973年不同的是, 在1974-1990年, 华南区域中部以北温度偏冷、以南偏暖 (图 5a), 位势高度以正异常为主 (图 5b)。西风急流位置偏南 (图 5c), 强度偏强, 加强高层辐散。根据质量守恒方程, 低层辐合也就增强, 如此就加强上升运动 (图 5e)。在低层, 25°N以北经向风为北风异常、以南为南风异常 (图 5d)。因此, 北边来的冷空气和南边暖空气交绥, 易形成锋面, 为降水的偏多提供有利的环境场。在1974-1990年, 华南区域水汽整层异常增多 (图 5f)、湿静力能也随之增强 (图 5g)、水汽辐合明显 (图 5h)。在以上异常环流影响下, 该年代华南春季降水以偏多、降水ISO强度以偏强为主。在1991-2007年, 虽然西风急流增强 (图 6c), 高层辐散, 有利于低层辐合, 垂直上升运动加强 (图 6e)。但该年代降水却整体偏少, 这是由于春季降水主要以锋面降水为主, 而该年代冷空气强度减弱。从图 6a可以看到, 除了中纬度对流层高层温度显著下降外, 对流层中低层由赤道往北温度均为正异常, 对应位势高度正异常 (图 6b)。水汽异常增多 (图 6f)、湿静力能增强 (图 6g) 和水汽辐合明显 (图 6h) 的区域位置偏南 (20°N附近)。因此, 在这种异常环流分布下, 因冷空气的整体减弱, 即使华南区域经向风为北风异常 (图 6d), 锋面不易形成。并且北风异常也不利于水汽向华南输送。故该年代降水偏少、降水ISO强度偏弱。由以上分析可见, 大气环流 (动力和热力因子) 在不同年代的异常分布的不同造成了华南春季降水与降水ISO强度整体变化的不同。

图 4(Figure 4)

图 4 1958-1973年温度 (a, 单位: ℃)、位势高度 (b, 单位: gpm)、纬向风 (c, 单位: m·s-1)、经向风 (d, 单位: m·s-1)、垂直速度 (e, 单位: Pa·s-1)、比湿 (f, 单位: g·kg-1)、湿静力能 (g, 单位: J·kg-1) 和水汽通量 (h, 单位: g·kg-1·s-1) 沿 (107°E-120°E) 纬向平均的纬度-高度剖面距平分布 深、浅阴影代表通过0.1和0.05的显著性水平检验, 水汽辐合通量正值代表辐合, 负值代表辐散 Figure 4 The Latitude-height cross section of differences of temperature (a, unit: ℃), geopotential height (b, unit: gpm), zonal wind (c, unit: m·s-1), meridional wind (d, unit: ms-1), p-vertical velocity (e, unit: Pa·s-1), specific humidity (f, unit: J·kg-1), moist static energy (g, unit: J·kg-1) and moisture flux convergence (h, unit: g·kg-1·s-1) averaged over (107°E-120°E) during 1958-1973.The dark and shallow shaded area indicates that the anomalies have passed the significance level at 0.1 and 0.05, respectively.The positive and negative anomalies of moisture flux convergence denote the convergence and divergence, respectively

图 5(Figure 5)

图 5 同图 4, 但为1974-1990年 Figure 5 Same as Fig.4, but for the period of 1974-1990

图 6(Figure 6)

图 6 同图 4, 但为1991-2007年 Figure 6 Same as Fig.4, but for the period of 1991-2007

华南春季降水除了受周边海温影响外 (郭其蕴和沙万英, 1998; 高波等, 1999), 还受到北太平洋海温的年代际变化 (PDO) 调控。研究指出, 当PDO处于冷位相 (北太平洋海温偏暖) 时, 阿留申低压和蒙古高压减弱, Hadley环流偏弱, 降水偏少, 反之偏多 (李宏毅等, 2010)。从春季不同年代850 hPa风场和海温场的距平分布来看 (图 7)。在1958-1973年, 南海及周边海域以冷异常为主, 根据Gill (1980)原理, 在对流的西侧即华南区域低空激发异常反气旋性Rossby波, 易导致下沉运动, 降水和降水ISO强度受到抑制。同时, 北太平洋海温偏暖 (图 7a), PDO处于冷位相, 与大气环流异常 (图 4) 相配置, 降水总体偏少。在1974-1990年, 南海及周边海域并没有表现明显的冷暖异常, 周边海温的影响不明显。此时, 北太平洋海温异常偏冷 (图 7b), PDO处于暖位相, 与大气环流异常 (图 5) 相配置, 有利于降水增多、降水ISO强度增强。与19581973年南海及周边海域冷异常相反, 在19912007年, 南海及周边海域海温明显增暖 (图 7c), 华南区域低空激发异常气旋性Rossby波, 上升运动增强。但该年代, 北太平洋海温以暖异常为主, 冷空气活动减弱, 水汽集中在20°N以南 (图 6), 锋面不易形成, 降水减少, 降水ISO强度减弱。

图 7(Figure 7)

图 7 春季海温场 (等值线) 和850 hPa风场 (矢量, m·s-1) 在3个不同年代际背景下的距平分布 (a) 1958-1973年, (b) 1974-1990年, (c) 1991-2007年深浅阴影分别表示海温场通过0.05显著性水平检验的正负值, 粗箭头表示850 hPa风场通过0.05显著性水平检验 Figure 7 The composite differences of spring sea surface temperature (contour, unit: ℃) and 850 hPa wind (vector, unit: m·s-1) during the three different interdecadal background years.The shaded denotes the difference of sea surface temperature have passed the significance level at 0.05, dark vector denotes the difference of 850 hPa wind have passed the significance level at 0.05

综上所述, 在不同的年代, 海温和大气环流异常的相互配置导致了华南春季降水和降水ISO强度的异常变化, 但其中的作用又各有不同。在1958-1973年, 周边海温、大气环流 (温度、纬向风、经向风和水汽等) 以及PDO均起了一致作用, 即周边冷的海温、弱的垂直上升运动、增强的南风、减少的水汽以及PDO的冷位相均使得降水偏少、降水ISO强度减弱。在1974-1990年, 周边海温冷暖异常并不显著, 主要是PDO的暖位相以及大气环流异常起主要作用。在1991-2007年, 即使周边海温异常增暖, 水汽条件充足, 但是由于PDO处于冷位相, 冷空气活动减弱, 锋面不易形成, 因而降水偏少。

利用NCEP和中国台站资料, 探讨了华南春季降水和降水ISO强度的年代际变化特征。得到如下主要结论:

(1) 从EOF分析结果可以看出, 第一模态显示全国春季降水量以及降水ISO强度最大区域均分布在华南地区。两者间的相关非常显著, 当春季降水量增多 (减少) 时, 对应降水ISO强度也强 (弱)。降水量和降水ISO强度均表现出明显的年代际变化, 分别经历了3段年代际变化, 即1958-1973年偏少 (偏弱)、1974-1990年偏多 (偏强) 以及1991-2007年偏少 (偏弱)。第二模态主要呈现的是年际变化特征, 显示的是长江中下游和华南区域降水和降水ISO强度的反相跷跷板变化。与第一模态对应的是, 强降水和强降水ISO事件天数和强度也经历了偏少 (偏弱)、偏多 (偏强) 和偏少 (偏弱) 的变化。但强降水ISO事件天数和强度占总强降水的比率呈现减少的趋势, 预示降水ISO对总强降水的贡献在减弱, 而非ISO的影响在增强。

(2) 在不同的年代, 平均环流和海温异常对降水和降水ISO强度的变化起了主要作用。在1958-1973年, 南海及周边海域偏冷, 华南受异常反气旋环流控制。PDO处于冷位相, 与大气环流异常 (上升运动减弱, 水汽减少等) 相配置, 降水偏少、降水ISO强度减弱。在1974-1990年, 南海及周边海域并没有表现明显的冷暖异常, PDO处于暖位相, 与大气环流异常 (上升运动增强, 水汽增多等) 相配置, 有利于降水增多、降水ISO强度增强。在1991-2007年, 南海及周边海域明显增暖, 华南区域受异常气旋环流控制, 上升运动增强。但该年代, 北太平洋海温以暖异常为主, 冷空气活动减弱, 水汽集中在20°N以南, 锋面不易形成, 降水减少, 降水ISO强度减弱。