长江淮河流域梅雨降水经向跷跷板型的分布及在气候异常年的特点外文翻译资料

长江淮河流域梅雨降水经向跷跷板型的分布及在气候异常年的特点

ZHU Xia Ying, HE Jin Hai amp; WU Zhi Wei

摘要 虽然长江淮河流域的梅雨降水在大多数年份里有同相的空间异常分布，但当降水在整个流域趋于几乎正常时，在长江北部和南部，一些年有像跷跷板一样的分布，这将不可避免地使降水短期预报变得更加困难。为此，我们对1951-2004年6月到7月15个相关站点的降水进行了EOF分析，表明EOF2模态在很大程度显示了南北跷跷板的模型，从而，我们将梅雨模型分为两类：“北旱南涝（NDSF）”和“北涝南旱（NFSD）”。随后，作者利用NCEP第一套再分析资料和第二套扩展重建的SST资料研究了当这两类异常型发生时的海气特征。结果表明，在北旱南涝年，低层锋区和水汽辐合中心位置更南面，伴有东亚地区弱副热带夏季风，并且西太平洋副热带高压和200 hPa南亚高压更向南。北半球和南半球环状模态比二月之前的正常值更强；SST比中国北方的冬季和春季的值更高，在北涝南旱年情况相反。同时，这种跷跷板模式的梅雨降水分布可能在一定程度会受到ENSO事件的影响。

关键词 梅雨 旱涝 空间分布 海气异常

自20世纪30年代以来，梅雨降水作为长江淮河流域夏季降水的一个重要组成部分，我们已经对其进行了大量研究，因为在它对夏季洪涝和干旱方面有重要的意义。总体而言，这些研究更侧重于整个流域的干旱/洪涝以及其相关因素。事实上，除了整个流域比正常情况下更加干燥或湿润，也可能的情况是整个流域正常但局部洪涝或干旱，当整个流域均遭遇洪涝（干旱）的影响时，部分地区受到干旱（洪涝）的影响。以典型的丰水年1991年为例，其间九江市，屯溪，南昌和长江南部的长沙等地区出现负异常，其中南昌降雨量最小，其达到228毫米的负异常。因此，在1991年长江以南的一带是比正常更加干燥，与北方地区形成鲜明对比。吴等人揭示了在正常夏季风年，长江中下游地区的干旱、洪水并存的现象，表明在夏季风正常年，但平均降雨量接近整个流域的正常状态，在一段时间间隔内有干燥和湿润。现在，在一个空间内是否有可能发生洪涝和干旱共存是我们的关注的重点。这意味着，对于在江淮地区梅雨几乎正常的降水，干旱和洪水同时发生，一个在长江流域南部一个在长江流域以北的其他地区，这是一个似乎已被发现的小问题，而且对那里的人类活动是非常重要的。并且局地不一致增加了梅雨降水短期气候预测的困难。因此，为了找出其异常的空间形态以及典型年，我们试图对所研究区域6月-7月的梅雨降水场进行EOF分析，并以跷跷板型的降水分布和异常年海气特征为重点。

1 资料和方法

利用全国160站1951~2004年6~7月份累计降水量，根据Ting和Wang对降水区域的划分方法对江淮梅雨的空间范围进行划分。得到江淮流域降水变率最大的是安庆站作为基础点，与全国160站进行单点相关（图1），图中阴影区域为相关系数超过95%的置信区间，将该地区定义为梅雨地区，选取110°E以东的15站作为梅雨特征站点。对15站点的54a的梅雨量距平场进行EOF分析，得到前两个模态和时间系数，发现第二模态显示为我们将要讨论的经向跷跷板型。为了了解模态现在和过去的海气背景特征，利用NCEP第一套再分析资料（水平分辨率为2.5°times;2.5°）以及美国国家海洋和大气管理局（NOAA）提供的第二套扩建的海表温度资料对其进行分析。

图1 以安庆站为基点的6~7月份梅雨期降水量单点相关图

阴影区为相关系数超过95%置信度检验

2 江淮梅雨降水南北跷跷板型分布特征

根据EOF分析，我们发现前7个特征向量的累计方差贡献率达90%（如表1）。其中第一特征向量达51%，空间分布特点为全区同相变化，之前，主要研究这种空间分布情况。第二特征向量的方差贡献率为16%，空间特征为以长江为界，呈经向跷跷板南北反相型，其中长沙和东台为极值中心（如图2a）。图2b为对应的时间系数，发现有显著的年际变化，约有25a的周期，但整体趋势不明显。

表1 江淮梅雨降水距平场EOF分析前7个特征量的方差贡献率和累计方差贡献率

图2 梅雨第二特征向量空间分布（a）和其对应的时间系数变化曲线（b）

接下来，将前2个主要特征向量的时间系数进行比较，选出第二模态前2个特征向量的标准化时间系数绝对值大于0.8的年份为典型年。重叠的年份选取绝对值最大的那个模态（因为当第一模态的标准化时间系数绝对值大于第二模态的标准化时间系数绝对值时，往往表现为第一模态的空间分布），我们挑选得到南涝（旱）北旱（涝）的典型年份（如表2）。为了验证这些年份梅雨期将水的经向非均匀特征，又计算了江淮地区15站，长江以南7站和长江以北8站54a的标准化梅雨量S₁₅，S_sth7和S_nth8，并定义降水量距平绝对值小于0.5为标准差，即标准化降水量在[-0.5，0.5]之间的为正常年份，其余的为涝（旱）年。

表2 江淮梅雨期南涝北旱（南旱北涝）异常年及标准化的梅雨量^a)

a)S₁₅，S_sth7和S_nth8分别为江淮地区15站，长江以南7站（图2（c））中负值区）和长江以北8站（图2（c）中正值区）的标准化梅雨量

由表2可知，梅雨期降水经向分布异常年，除1996，1991和1993年，别的年份降水距平绝对值均小于0.5个标准差，即整个江淮地区降水量属于正常范围内。但是长江以南和以北地区的标准化降水量值的符号基本相反，其中1957，1991，1993和1995最明显，长江以南或以北地区的标准化降水量绝对值大于1，其他年份至少有一侧（长江以南或以北）地区标准化降水量绝对值大于0.5，表明该地区梅雨降水异常偏多或偏少。由此可以看出，表2选出的江淮梅雨期降水经向非均匀分布异常年是比较合理的。

南旱北涝年，长江以南地区标准化降水量几乎都为正值，除了1966年。长江以北地区都是负值，说明长江以南地区降水偏多，长江以北地区偏少。1966年，虽然3个标准化值均小于0，但是长江以南的标准化值趋于0，事实上，长沙、常德和岳阳等地降水明显偏多，因此归类为南涝北旱年。1993年，江淮地区15个站的总降水量偏多，但长江以北地区偏少，长江以南地区异常偏多，其降水距平值接近2个标准差，因此1993年克归类为南涝北旱年。为了验证上述结果，又计算了南涝北旱年降水距平场合成图（图略），可以发现：长江以南为正距平区，最大值区岳阳、南昌、常德等地的降水距平超过120毫米，长江以北为负距平区，距平最少可达-136毫米左右。

南旱北涝年，长江以南地区大部分标准化降水量为负值，除1960年，长江以北地区均为正值，这与南涝北旱的情况恰好情况相反。对于整个江淮地区，6年中有5年的降水距平绝对值小于0.5个标准差，属于正常的降水年份；而1991年降水距平值远大于0.5个标准差，为涝年，以往的研究都比较关注这点，却很少注意到长江以南降水量偏少的情况，特别是南昌比正常偏少228毫米，因此1991年归类为南旱北涝年才更为客观。虽然在1960年3个标准化值均小于0，但是长江以北的标准化值趋于0，事实上，钟祥、合肥等地区降水量明显偏多，因此归类为南旱北涝年。同样的，由南旱北涝降水量距平合成图（图略）可以较为简单地发现：长江以南旱情最严重的长沙降水距平小于-160毫米，而长江以北的东台的降水距平大于230毫米。

综上所述，江淮梅雨期降水存在经向非均匀分布特征，南涝北旱的典型年份有1964，1966，1973，1977，1993，1994和1995，南旱北涝的年份有1956，1957，1960，1975，1991和2003。可以看出，20世纪80年代几乎没有出现典型的南北跷跷板型分布的异常年，这说明这种南北经向非均匀分布型可能存在年代际变化。我们也发现之前提到的年份，南旱北涝比南涝北旱强，不过梅雨降水量大部分年份还是接近正常值。

3 江淮梅雨期降水经向非均匀分布异常年同期的大气背景

梅雨锋是冷暖气团的交汇区，雨带的位置可能与气团的强度有关。1000hPa温度距平合成场（图略）显示，在南旱北涝年，长江以南地区为正异常，长江以北地区为负异常，这说明冷暖气团都较强，而0距平线位于长江以北，表明梅雨锋可能更向北偏。在南涝北旱年，冷暖气团势力也很强，0线位于长江以南，梅雨锋更靠南。

江淮梅雨是亚洲夏季风北进到长江流域的产物，一次梅雨的异常与亚洲夏季风异常有密切关系。由850hPa风场合成差值图（南涝北旱减南旱北涝）可见（图略），东亚副热带地区大部分为显著的东北气流，表明梅雨期降水经向非均匀分布异常年东亚副热带夏季风具有很大差异，南涝北旱年西南风较弱，而南旱北涝年西南风较强，这可能有利于水汽向更北的方向输送。此外，在副热带西太平洋上空为气旋式差值环流，表明南涝北旱年的西太平洋副高可能比南旱北涝年的强度弱。

如图3（a），850hPa水汽输送合成差值场显示东亚上空大范围的东北差值水汽输送区，说明南涝北旱弱于南旱北涝，触发这种情况的条件可能是偏西风水汽输送的强弱。副高南侧偏东风水汽输送的差异较小，这与Zhuo等人的研究结果相一致。此外，水汽通量散度图表明虽然南北非均匀分布异常年的水汽辐合中心的强度大小差异不大，但是位置差异显著。我们发现，在南涝北旱年水汽辐合中心在30°N以南（图略），而南旱北涝年水汽辐合中心较为偏北，在30°N附近（如图3（b））。

图3 梅雨期850hPa水汽通量合成差值（a）和南旱北涝850hPa水汽通量散度合成（b）

（a）中南涝北旱年减南旱北涝年，单位为g·cm^-1·s^-1，阴影区超过95%置信度检验；（b）单位为10^-8g·cm^-2·s^-1

当前已有研究表明，江淮梅雨降水发生异常时，500hPa位势高度场也有相应的异常。500hPa位势高度距平合成显示，南涝北旱（如图4（a）），从低纬到高纬在欧洲东部为“ - -”的距平波列，表明西太平洋副高偏南，高纬度鄂霍次克海阻塞形势偏强；南旱北涝年（如图4（b）），距平波列从低纬到高纬欧洲东部形势为“- - ”，这说明西太平洋副高偏北，高纬度鄂霍次克海的阻塞高压也很明显。

图4 梅雨同期降水经向分布异常年500hPa位势高度距平场合成图

单位为gpm：（a）南涝北旱年；（b）南旱北涝年

梅雨与南亚高压有着密切关系。图5为南涝北旱年200hPa位势高度距平合成场。我们可以看出，北半球极区为负距平区，即位势高度场偏低，表明极涡偏强。欧亚大陆高纬度地区位势高度距平大部分为负值区，中、低纬度地区，90°E以西为正距平区，即位势高度偏高；90°E以东，20°N以北位势高度偏低，20°N以南位势高度偏高，表明南亚高压偏西南方向。而南旱北涝年的情况与其基本相反，即极涡偏弱，南亚高压偏东北方向。

从梅雨期6月~7月低层到高层的温度场、风场、水汽通量场和位势高度场的分析可以看出，梅雨降水南北非均匀分布异常年梅雨同期的大气特征存在明显的差异。南涝北旱（南旱北涝）年，低层梅雨锋区和水汽辐合中心偏南（北），东亚副热带夏季风偏弱（强），500hPa西太平洋副高和高层南亚高压偏南（北）。

图5 梅雨同期南涝北旱年200hPa位势高度距平合成图（单位：gmp）

4 江淮梅雨期降水经向非均匀分布异常年前期海气背景特征

由图2看出，第二特征向量的时间系数大于0表明梅雨带偏北，时间系数小于0表明梅雨带偏南，时间系数绝对值的大小与南北旱涝的情况呈正相关关系，因此本文将标准化的第二特征向量时间系数序列作为参数来表征梅雨量南北非均匀分布异常，定义其为“南北指数”。

越来越多的研究表明梅雨与前期冬季、春季的大气环流异常有密切关系，尤其是2月份，通过计算南北指数和南北环流指数的相关，发现梅雨量经向非均匀分布与前期冬季的北半球环形模式（NAW）有较好的负相关关系，2月份尤其显著，相关系数最高，达-0,29，南北指数与前期2月和4月的南半球环形模式（SAM）的相关系数分别为-0.3和-0.23，均超过95%的信度检验。图6是前期2月海平面气压场和南北指数的相关图，中低纬地区大部分地区为负相关区，特别是在太平洋和非洲上空相关系数达-0.3（图6（a）），在高纬度地区则由正相关区控制，相关系数最高可达0.4，表明在高、低纬度地区的海平面气压场在梅雨量南北非均匀分布异常年呈反位相变化的特征，这验证了南北指数与南北半球环形模式的相关性。

图6 南北指数与前期2月海平面气压场的相关图

阴影区未超过95%置信度检验：（a）北半球；（b）南半球

之前的学者研究发现，不仅热带海表面温度异常对梅雨量有重要影响，而且中国近海地区（包括黑海地区）也对江淮梅雨有着重要影响。从南北系数和前期海表温度的相关图看出，前期冬季（图7（a）），赤道中东太平洋为显著负相关区，说明梅雨降水经向非均匀分布的年际变化可能与ENSO有一定的关系，即在冬季时ENSO温度上升阶段，后期梅雨带可能偏南，长江以北少雨；在冬季ENSO降温阶段，后期梅雨带可能偏北，长江以南少雨。位于低纬度地区的西太平洋为负相关区所控制，尤其南海和黑潮地区负相关最为显著，表明这些海区的海温异常对后期江淮梅雨降水的经向非均匀分布可能具有一定程度的影响，即海温偏高时，梅雨带有极大的可能偏南，海温偏低时，梅雨带偏北的可能性较大。前期春季（如图7（b）），我国渤海、黄海、东海和南海北部海域为显著负相关区，说明该海区有正海温异常时，后期梅雨带偏南的可能性较大，负海温异常时，后期梅雨带偏北的可能性较大。

综上所述，梅雨期降水经向非均匀分布异常年前期的大气环流和海温存在明显差异，南涝北旱（南旱北涝）年，前期2月的北

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