1961-2019年中国东北地区夏季降水特征及其与前期ENSO的关系.pdf
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1、第39 卷第4期2023 年8 月孟鑫,张瑜,赵婷婷,等.196 12 0 19年中国东北地区夏季降水特征及其与前期ENSO的关系J.气象与环境学报,2 0 2 3,39(4):103-113.MENG Xin,ZHANG Yu,ZHAO Tingting,et al.Characteristics of summer precipitation and its relationship with previous ENSO inNortheast China from 1961 to 2019 J.Journal of Meteorology and Environment,2023,39(
2、4):103-113.1961一2 0 19年中国东北地区夏季降水特征及其与前期月ENSO的关系气象与环境学报JOURNAL OF METEOROLOGY AND ENVIRONMENTVol.39 No.4August 2023孟鑫张瑜?赵婷婷3王迪4马云龙张旭(1.丹东市气象台,辽宁丹东118 0 0 0;2.地理信息工程国家重点实验室,陕西西安7 10 0 54;3.辽阳市气象台,辽宁辽阳1110 0 0;4.辽宁省气象服务中心,辽宁沈阳110 16 6)摘要:选用196 12 0 19年中国东北地区2 0 4个站日降水量资料、NCEP/NCAR逐月再分析资料及美国国家气候预测中心(CP
3、C)提供的Nino3.4指数,利用相关分析、小波分析、M-K突变、合成分析等方法,分析东北地区夏季降水变化特征,探讨其与前期厄尔尼诺一南方涛动(ElNino-Southern Oscillation,ENSO)的联系。结果表明:中国东北地区夏季年降水量呈递减趋势,以2.39mm/10a速率减少,空间变化呈西南部减少、东北部增加趋势,辽宁地区减少趋势最显著。夏季降水存在显著的2 3a、6 7 a 和8 9a振荡周期。196 1198 2 年和1998 2 0 19年为相对千早时期,198 31997 年为相对湿润时期,突变年份为1983年和1998 年。中国东北地区夏季降水与前一年夏季ENSO关
4、系密切,1997 2 0 19年二者呈显著的正相关。1997 一2019年,前一年夏季Nino3.4区海温异常变化,引起水汽输送异常和局地垂直运动变化,对东北地区夏季降水产生显著影响,Nino3.4指数可以作为次年中国东北地区夏季降水的预测因子。关键词:年代际变化;海温异常;降水量中图分类号:P468.0*24引言气候变化已经成为社会普遍关注的热点问题之一,受到各国政府、公众和科研人员的高度重视。气候变化、环境变化及人类活动的共同作用,地表水循环以及降水分布正在发生较为剧烈的变化,对生态系统造成广泛影响。作为淡水资源的重要来源,降水量的变化直接导致区域水资源的增减,触发旱涝灾害、山体滑坡、泥石
5、流等自然灾害,造成巨大经济损失和社会影响。降水时空分布对农业生产与经济发展具有决定性作用,因此开展降水量时空变化分析研究,能为实现可持续发展提供重要参考。中国东北地区地处北半球中高纬,地域辽阔,地形复杂多样,是全球气候变化的敏感区之一 1。相较于中国其他地区,以往对东北地区气候的关注多集中在冬季降雪和气温方面 2-3。随着气候持续变暖,东北地区旱涝异常事件的发生频率显著升高,不断有研究针对该地区相关的降水变化展开分析。研究表明 4,东北地区降水分布呈现出不均衡加剧和极端化的趋势。另外,东北地区年内降水分配不均造成区域性旱涝灾害风险增大 5。由于东北地区大收稿日期:2 0 2 2-0 8-18;
6、修订日期:2 0 2 2-10-19。资助项目:国家自然科学基金重大研究计划集成项目(91937 30 1)资助。作者简介:孟鑫,女,198 7 年生,高级工程师,主要从事短期气候预测,E-mail:。文献标识码:Adoi:10.3969/j.issn.1673-503X.2023.04.013田作物的主要生长季和降水均集中均在夏季(6 一8月),进行东北地区夏季降水时空分布变化分析,对该地区气候变化研究及水资源利用均具有重要意义。中国东北地区夏季降水受多种气候因子共同影响,变异机制较为复杂。研究表明 6 ,亚洲夏季风指数与中国东北地区降水相关;北极极涡中心位于北极西部时,东北地区夏季降水量增
7、加,易发生洪涝灾害 7 。大气环流方面,东北地区上空急流中心强度和急流轴方向与该地区降水相关 8 ;初夏的东北冷涡活跃程度与东北地区降水相关 9。此外,海洋热力条件方面,海温异常与东北地区降水相关,尤其热带太平洋地区的海温变化;前期西太平洋暖池热含量异常【10 和黑潮海温异常变化 均会引发大气环流异常,导致中国东北地区降水异常。厄尔尼诺一南方涛动(El Nino-Southern Oscilla-tion,ENSO)是热带太平洋海一气耦合相互作用的最强年际信号之二 12-14,ENSO可直接或间接引发全球各地的天气和气候异常,导致气象灾害发生,造成巨大损失 15-17 。研究表明 18-19,
8、ENSO与中国地区降水变化存在密切相关。中国长江流域夏季降水量104与EP型ENSO事件呈正相关,而华南夏季降水量则与CP 型和EP 型ENSO事件呈负相关 2 0 。此外,ENSO对气候的影响存在一定的滞后性 2 1-2 3,如 CP型厄尔尼诺发生的次年夏季,中国长江、黄淮流域降水偏多,而江南、华南地区降水偏少 2 4关于中国东北地区夏季降水时空特征的研究大多聚焦在2 0 15 年以前,基于不断累积和更新的气象观测站点和气候资料,东北地区夏季降水的气候特征变化与已有的研究结果可能存在差异,利用更新的气象观测数据和较长时间序列分析中国东北地区夏季降水气候特征,可得到较高时空分辨率的结果。另外,
9、ENSO与中国东北地区夏季降水的关系还有待于深入解析。本文利用196 1一2 0 19年最新资料分析中国东北地区夏季降水时空分布特征,并讨论ENSO与中国东北地区夏季降水的关系,以期为该地区夏季降水预报、降水效应研究以及防灾减灾、气候变化应对提供参考。1资料与方法1.1资料来源选用中国国家气象信息中心整编的逐日降水量数据集,东北地区范围(38 56 N,117135E)内筛选的2 0 4个观测站分布见图1。筛选条件为:1961一2 0 19年连续观测的站点;排除资料不全或缺测日数大于1%的站点。筛选后的数据能保持较好的连续性,空间分布较均匀。逐日降水量为2 0 时至次日2 0 时的降水量。选用
10、美国国家环境预报中心(NationalCentersforEnvironmental Prediction,NCEP)和美国国家大气研究中心(National Center for Atmospheric Research,NCAR)逐月再分析资料,水平分辨率为2.52.5,垂直方向为17 个气压层;美国国家气候预测中心(Climate Prediction Center,CPC)提供的逐月 Nino150r(a)y=-0.2386x+7.1581R=0.005610050-50-100-1501961Fig.2 Time series(a)and M-K mutation test(b)of
11、 summer precipitation in Northeast China from 1961 to 2019气象与环境学报3.4指数,以上选取数据的时间段均为19 6 1一2019年,夏季为每年6 一8 月。54N50NH46N42N38N115E图1选用的中国东北地区2 0 4个气象站空间分布Fig.1 The spatial distribution of 204 selectedmeteorological stations in Northeast China1.2统计方法应用线性倾向估计法和小波分析方法分析变化趋势程度和周期波动情况;Pearson相关、滑动相关分析以及线性回
12、归方法用于相关程度的计算;应用Mann-Kendall 突变检验方法判定突变时间;应用合成分析和差值分析法计算距平特征;显著性检验采用T检验方法。1.3降水等级参考降水量等级标准 2 5 ,2 4 h 降水量划分为4 个等级,分别为小雨(0.1 9.9 mm)、中雨(10.0 2 4.9 mm)、大雨(2 5.0 49.9 mm)和暴雨(大于50.0 mm)。2结果分析2.1东北地区夏季降水特征2.1.1日时间分布1961一2 0 19年中国东北地区夏季降水量距平时间序列及M-K突变检验见图2。由图2 a可知,东3 r(b)20-12-319711981降水量距平;一降水趋势图2 196 12
13、 0 19年中国东北地区夏季降水距平时间序列(a)及M-K突变检验(b)第39卷120E125E19912001年份130E20112019135E196119711981-UF;-UB1991年份200120112019第4期北地区夏季平均降水量呈递减趋势,以2.39 mm/10 a速率减少,但未通过显著性检验。研究表明 2 6 ,2000年后东亚季风有所减弱,影响季风携带水汽进中国东北地区,导致水汽输送减少,净水汽收人减少,可能是导致东北区域降水量统计角度上整体呈减少趋势的原因之一。另外,东北地区夏季降水量呈显著的年际波动和年代际振荡。枯水期有两段,分别为2 0 世纪6 0 8 0 年代初
14、期和2 1世纪0 0 年代至今。近10 a降水量略有增大,丰水期出现在2 0 世纪8 0 年代后期到90 年代。54N/(a)孟鑫等:196 12 0 19年中国东北地区夏季降水特征及其与前期ENSO的关系105由图2 b可知,2 0 世纪6 0 年代到19 8 3年UF为减小趋势,且在197 8 198 3年通过95%显著性检验,198 3年开始呈增大趋势,一直持续到1998 年。UB自198 3年后为增大趋势,1998 年通过了置信度为0.0 5的显著性检验,1998 年后UF为减小趋势。与图2 a结果一致,可以确定突变时间为198 3年和1998 年,这与丁婷等 2 7 的研究结论一致。
15、2.1.2空间分布1961一2 0 19 年中国东北地区夏季降水量气候态分布见图3a。由图3a可知,东北地区夏季降水量气54N/(b)50N50N46NF46N42N42N38N115E250300350400450500550mm图b实心点为通过9 0%置信度检验。图3196 12 0 19年中国东北地区夏季降水量气候态分布(a)和降水趋势(b)分布Fig.3 Climate states(a)and precipitation trend(b)distribution of summer precipitation in候态为由东南沿海向西北内陆逐渐递减,鸭绿江口附近为降水量极大值中心,年
16、平均夏季降水量超过700 mm。研究表明 2 8 ,该地区降水量偏多的主要原因为地理位置以及地形影响,南低北高的地形分布,使来自南部近海丰富的水汽在该区域抬升产生降水;受东亚季风影响,水汽和热量由南向北推进,最先到达辽宁南部,形成降水。降水低值区集中在内蒙古地区。大兴安岭地形阻隔使湿润空气难以到达内蒙古地区,是导致该地区降水偏少的原因之一。以上结果与沈柏竹等 9 分析结果一致。可见,中国东北地区夏季降水的空间分布受大气环流和地形条件共同影响。1961一2 0 19年中国东北地区夏季降水量降水趋势见图3b。由图3b可知,东北地区夏季降水量呈东北一西南反相分布,西南部为减少趋势,东北部为增加趋势。
17、由此可知,降水量不仅受大尺度大气环流的影响,还受局地小气候和周边系统影响。统计结果表明,辽宁省降水趋势为减少趋势的站点数最多,占比高达8 4.0 0%,黑龙江省降水量呈增加趋势的站点数较多,占比达6 8.8 5%。图3b表明,除黑龙江省38N120E125E130ENortheast China from 1961 to 2019135E115E-14-10-6降水量呈增加趋势外,其余地区降水量均呈减少趋势,辽宁省降水量减少最显著。另外,位于内蒙古自治区东北部少雨区的降水量呈减少趋势,且最大减少速率为34.48 mm/10a,表明夏季内蒙古自治区少雨区干旱化程度加剧,可能导致该地区生态环境变化
18、,草原退化加速。2.1.3降水阶段划分将196 1一2 0 19年中国东北地区的夏季降水量变化根据突变时间分为3个阶段:第1阶段(196 1一1982年)、第2 阶段(198 31997 年)和第3阶段(1998 2 0 19年),3阶段空间差值结果见图4。由图4a可知,2 0 世纪8 0 年代初(198 2 198 3年)东北地区夏季降水量发生突变,第2 阶段较第1阶段降水量普遍偏多,整体表现为西南部降水量增量较少,东北部降水量增量较多。东北冷涡 2 9-30 1是影响东北夏季降水的重要系统之一,尤其东北北部地区更为显著,第2 阶段东北冷涡活动加强 2 7 或许是东北部降水量增量较大的原因之
19、一。2 0 世纪9 0 年代末(1997 1998 年)东北地区夏季降水量再次发生年代际突变,第3阶段东北地区降水量较第2 阶段减120E125E-2130E26mm/10a135E106气象与环境学报第39卷少(图4b),减少量较大的区域比较分散。西风带系54N50N统对夏季东北地区降水有重要影响,尤其在2 0 世纪54NF4530603050N3053046N3046N42N42M30()38N115E图4196 12 0 19年中国东北地区夏季降水第2 阶段与第1阶段(a)和第3阶段与第2 阶段(b)差值Fig.4 The difference between phase 2 and p
20、hase 1(a)and phase 3 and phase 2(b)of summer precipitation80年代以后 30 。第3 阶段西风带系统减弱 30 和东北冷涡减弱 2 7 可能是导致第3阶段降水量减少,且减少量较大且区域分散的原因之一。综上所述,东北地区夏季196 1198 2 年和19982019年为相对干旱阶段,198 31997 年为相对湿润阶段。2.1.4周期变化1961一2 0 19年东北夏季降水量时间序列小波功率谱见图5。由图5可知,东北地区2 0 世纪6 0 一161.51.00.50.538NL120E125Ein Northeast China from
21、 1961 to 20190.52.01.0130E图中降水差值单位为mm。件均具有显著准2 a 的周期变化 3-4,该周期较好地解释了东北地区夏季降水显著的准2 a的周期变化特征。2 0 世纪7 0 年代中期至8 0 年代末期显著周期增大至8 9a,20世纪90 年代到2 1世纪0 0 年代初除了存在显著的2 3 a 周期振荡外,还存在8 9a周期振荡,此外,近10 a的显著周期为6 7 a周期振荡。2.1.5降水等级针对夏季降水进行等级划分,对各等级降水的变化情况进行分析,有助于了解区域降水变化情况。1961一2 0 19年中国东北地区夏季小雨、中雨、大雨和暴雨降水趋势空间分布见图6。由图
22、6 a可知,135E115E120E125E130E135E83.03.51.52.00.2.5/2.041.01.521970图519612019年中国东北地区夏季降水时间序列小波功率谱Fig.5 Wavelet power spectrum of time series ofsummer precipitation in Northeast China70年代前期和90 年代至2 1世纪0 0 年代初主要为显著的准2 a周期振荡,表明东北地区夏季降水量存在显著的准2 a周期。这与以往中国东部地区降水量的变化周期分析结果一致 31-32 。东亚夏季风、ENSO均对中国东北地区降水有影响,而东
23、亚季风、东亚西风带强度、西太平洋副热带高压和ENSO事近59a东北地区夏季小雨呈整体减少趋势。其中50.52.50.50.50.50.51.03.00.52.00.50.519801990年份from 1961 to 201990.20%的站点降水量为减少趋势,近1/3的站点降2.0水量减少趋势通过置信度90%以上的显著性检验,主要集中分布在辽宁省和吉林省。中雨分布存在区域性差异(图6 b),西部仍以减少趋势为主,通过置信度90%以上显著性检验的站点主要位于辽宁省,(0.5000.51.520002010增加趋势的站点数占总站点数的34.31%,主要位于东部。大雨和暴雨的趋势空间分布相似(图6
24、 c和图6d),均呈西南部减少,东北部大部地区增加的趋势,通过置信度90%显著性检验的站点数仅为10%左右,表明东北地区大雨和暴雨的降水量变化不明显。以上结果与陈东辉等 35 利用东北地区96 个站分析东北地区夏季不同等级降水变化特征的结论一致。综上所述,东北地区夏季西南部各等级降水量均主要为减少趋势,且小雨降雨量的减少趋势显著,东北部则在大雨及以上量级的降水量以增加趋势为主。2.1.6降水量贡献率1961一2 0 19年中国东北地区夏季小雨、中雨、大雨和暴雨降水贡献率见图7。由图7 可知,东北地区第4期夏季各等级降水的贡献率分布存在明显区域性差异。小雨对内蒙古自治区的降水量贡献最大(图7 a
25、),表明小雨在内蒙古自治区出现的频率较大,对辽宁省的降水贡献最小,不足2 0%。中雨对内蒙古自治区和黑龙江省的降水贡献相对较大(图7 b),超过降水量的40%,而辽宁南部相对较小。54N(a)孟鑫等:196 1一2 0 19年中国东北地区夏季降水特征及其与前期ENSO的关系107大雨的分布差异不大(图7 c),西南部略大于东北部。暴雨的贡献率分布差异明显(图7 d),为东南部大,西北部小,大值中心位于辽宁南部,占比超过38%。表明暴雨是辽宁西南部夏季降水的主要类型。综上可知,小雨和中雨对内蒙古自治区、黑龙江省以及吉林省大部分地区降水量的贡献最大,大雨(b)54N50N50N46N46N42N4
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