大气科学  2019, Vol. 43 Issue (1): 107-118   PDF    
华北雨季开始早晚与大气环流和海表温度异常的关系
于晓澄1,2, 赵俊虎2, 杨柳1, 支蓉2, 封国林1,2     
1 兰州大学大气科学学院, 兰州 730000
2 国家气候中心中国气象局气候研究开放实验室, 北京 100081
摘要: 本文利用国家气候中心的1961~2016年华北雨季监测资料、美国国家环境预报中心/大气研究中心(NCEP/NCAR)的大气再分析资料、NOAA海表温度资料,分析了华北雨季开始早晚的气候特征,然后利用合成分析、回归分析等方法,研究了华北雨季开始早晚与大气环流系统和关键区域海表温度的关系。结果表明,56 a来华北雨季开始最早在7月6日,最晚在8月10日,1961~2016年华北雨季开始平均日期是7月18日。华北雨季开始时间具有显著的年际变化,但雨季发生早晚的长期变化趋势不太明显。华北雨季开始早晚与西太平洋副热带高压(简称副高)、东亚副热带西风急流、东亚夏季风等环流系统的活动关系密切,当对流层高层副热带西风急流建立偏早偏强,中层西太平洋副高第二次北跳偏早,低层东亚夏季风北进提前时,华北雨季开始偏早,反之华北雨季开始偏晚。华北雨季开始早晚与春、夏季热带印度洋、赤道中东太平洋海表温度关系显著且稳定,当Niño3.4指数和热带印度洋全区海表温度一致模态(IOBW)为正值时,贝加尔湖大陆高压偏强,副高偏强偏南,东亚夏季风偏弱,导致华北雨季开始偏晚;当海表温度指数为负值时,则华北雨季开始偏早。
关键词: 华北雨季开始    大气环流    赤道东太平洋    印度洋海表温度    
The Relationship between the Onset Date of the Rainy Season in North China and the Atmospheric Circulation and SST
YU Xiaocheng1,2, ZHAO Junhu2, YANG Liu1, ZHI Rong2, FENG Guolin1,2     
1 College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000
2 Laboratory for Climate Studies, National Climate Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081
Abstract: Using atmospheric data of NCEP/NCAR re-analysis, NOAA Sea Surface Temperature (SST) data, and monitoring data of the rainy season in North China from 1961-2016, the climatic characteristics of the onset date of rainy season in North China (OSDRS_NC) is analyzed. Through synthetic analysis and regression analysis, the relationship between OSDRS_NC and the atmospheric circulation system as well as SST anomalies (SSTA) is analyzed. The results show that the mean OSDRS_NC was July 18 in the past 56 years. The earliest OSDRS_NC was July 6, and the latest was August 10. The OSDRS_NC shows significant inter-annual variation, and its long-term variation trend is not obvious. The OSDRS_NC is closely linked to the activities of the western Pacific subtropical high (WPSH), the East Asian westerly jet stream (EAWJS) and the East Asian summer monsoon (EASM). When the establishment of the EAWJS, the second northward jump of the WPSH, and the northward movement of the EASM are earlier than normal, the OSDRS_NC is earlier than normal, and vice versa. The relationship between the OSDRS_NC and the SST over the Tropical Indian Ocean and the equatorial central and eastern Pacific is significant and stable in the spring and summer. When the Niño3.4 index and the Indian Ocean Basin-wide Warming (IOBW) display positive (negative) anomalies, the WPSH enhances (weakens) and shifts to the south, the Lake Baikal high enhances (weakens) and the EASM weakens (enhances). These anomalies lead to late (early) onset of the rainy season in North China.
Keywords: Rainy season onset in North China    Atmospheric circulation    Equatorial East Pacific SST    Indian Ocean SST    
1 引言

华北雨季指的是每年7月中下旬至8月中上旬在中国华北地区出现的以持续多雨为主要特征的气候现象,雨季的长短和雨量多寡,都与夏季风雨带的进退、移动和停滞有关(竺可桢,1934赵汉光,1994施能等,1996张庆云等,2003),雨季平均降水量一般达到夏季总降水量的50%(赵振国,1999)。华北雨季是东亚夏季风季节性北推过程中的重要阶段,这一时期中国东部雨带主要徘徊在淮河以北,并往往伴随着持续性暴雨、洪涝灾害的发生,给国家和人民的生命财产等带来巨大损失。因此,揭示华北雨季的变化规律及其异常成因,具有重要的科学意义,对防灾、减灾也具有十分重要的指导意义。

过去几十年,国内外气象学者对华北地区的天气和气候开展了大量的研究。但这些研究多数是针对华北夏季的旱涝,而对华北雨季的研究较少。例如张庆云(1999)通过分析1880年以来华北地区的降水变化,发现1883~1997年华北地区降水存在丰沛或偏少的年代际变化。张利平等(2008)分析发现,华北地区降水存在明显的季节变化、准2 a震荡和准19 a周期变化特征,且具有明显的阶段性。郭彦和李建平(2012)研究指出华北汛期(7~8月)降水具有年际变率和年代际变率,并以华北汛期降水为例,利用分离时间尺度的统计降尺度模型开展了预测研究。丁一汇和刘芸芸(2008)提到与华北雨季相关的两个系统是印度夏季风系统和西北太平洋夏季风系统,印度夏季风强(弱)时,华北地区容易出现降水偏多(少)的天气,华北地区降水偏多(少)时,印度夏季风偏强(弱)的机率却低一些。华北地区降水还间接受到热带太平洋海表温度、印度洋海表温度、北大西洋海表温度、南海海表温度等因素的影响。吴志伟等(2006)发现华北雨季降水年代际变化显著,与西太平洋暖池、大西洋西部和北太平洋的海表温度有着显著的相关关系。陈文等(2006)研究发现,我国华北地区的降水异常跟热带中、东太平洋海表温度变化显著相关,并且从比较长的时间尺度来看,华北地区的降水从1965年左右开始减少,特别是大约1976年后有显著的减少,而与这种异常现象显著关联的海表温度异常关键区包括太平洋、印度洋以及热带和南大西洋。

此外,张天宇等(2007)研究了华北雨季降水集中度和集中期的时空变化特征,发现华北东部地区的降水较西部更为集中,且华北地区雨季集中期和雨季降水量与东亚夏季风具有较好的正相关关系,华北北部地区为集中期与东亚夏季风的显著相关区。闵锦忠等(2016)指出在华北雨季开始前后,最显著的变化特征是蒙古低压的建立和西伯利亚地区、菲律宾海环流的变化。近来,赵树云等(2017)利用国家气候中心发布的华北雨季新监测标准,分析了ENSO位相转换对华北雨季降水的影响,发现华北雨季降水异常偏多年通常发生在El Niño结束且当年转为La Niña的年份,而华北雨季降水异常偏少年通常发生在赤道中东太平洋冷水位相结束且当年发展成El Niño事件的年份。

综上可见,大气环流的变化和海表温度异常对华北地区降水有重要影响,以往大部分关于华北降水的研究主要是聚焦到华北夏季降水的年际、年代际变化及其影响系统,而对于华北雨季开始早晚的研究极少。由于华北夏季降水主要集中在华北雨季,而雨季开始早晚年际差异较大,会给防汛和抗旱工作带来较大的影响。雨季开始早晚的年际变化,对华北雨季降水量也有一定影响,那么雨季开始早晚与大气环流的是否密切相关?与海表温度异常是否存在显著关系?是否与华北地区旱涝变化,华北暴雨的发生频率有关?这都是需要进一步研究的科学问题。总之,对华北雨季开始早晚进行深入研究,有很大的科学价值。同时国家气候中心2014年发布了新的华北雨季开始日期的监测业务规定,那么在新的雨季开始划分标准下,雨季开始早晚的异常与环流、海表温度的关系如何?基于此,本文利用1961~2016年华北雨季检测资料,重点分析了近56 a来华北雨季的气候变化特征,及影响华北雨季开始早晚的关键环流系统,以及关键海表温度因子与华北雨季开始早晚的关系,以期对华北雨季预测提供科学依据。

2 资料和方法

所用资料包括:美国国家环境预报中心和国家大气研究中心(NCEP/NCAR)发布的全球日和月平均高度场(H)、风场(UV分量)再分析资料,水平空间分辨率为2.5°×2.5°,垂直方向从1000~10 hPa共17层等压面(Kalnay et al., 1996);美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的全球2°×2°月平均海表温度重建资料(Reynolds et al., 2002),中国气象局国家气候中心(NCC)提供的Niño1.2、Niño3.4、印度洋全区海表温度一致模态(IOBW)指数,时段均为1961年1月至2016年12月。

华北雨季是按照国家气候中心监测指标来确定,华北雨季监测区主要包括北京、天津、河北(京津冀)、山西、内蒙古共236站(图 1)。确定区域雨季开始、结束和长度的主要依据是区域内各监测站的降水条件,华北雨季典型环流形势等为辅助条件,具体方法如下:

图 1 华北雨季监测站点空间分布示意图(紫点为北京监测区站点,蓝点为天津监测区站点,红点为河北监测区站点,黄点为山西监测区站点,绿点为内蒙古监测区站点) Figure 1 Schematic diagram of the division of the monitoring area and spatial distribution of the rainy season monitoring stations in North China (purple spots are stations in Beijing, blue spots are stations in Tianjin, red spots are stations in Hebei, yellow spots are stations in Shanxi, green spots are stations in Inner Mongolia)

(1)单站雨季开始日期:自7月初开始,若监测区内某站任意连续5天累计降水量≥35(25)毫米,并且5天内至少出现一次日降水量≥10毫米的雨日,则将首个≥10毫米的雨日定义为该站雨季开始日期。

(2)单站雨季结束日期:雨季开始后,若监测区内某站截止某日时,向前连续10天中逐日5天滑动累计降水量≤35(25)毫米,则将此日定为雨季结束日期。

(3)区域雨季起讫日期:某区域内,截止某日雨季已开始(结束)的累计站点比率(即累计达标站点数与区域总站数的比率)达到相应开始(结束)的比率阈值时(累计站点比率见表 1),则将该日确定为该区域雨季的开始(结束)日期。

表 1 区域雨季开始(结束)累计站点比率 Table 1 The cumulative regional site ratio on rainy season beginning (end) date

(4)华北雨季起讫日期:以京津冀、山西、内蒙古三个区域中,最早进入雨季区域的日期作为华北雨季的开始日期;上述三个区域中,最晚结束雨季区域的日期作为华北雨季的结束日期。

关于华北雨季开始、结束和雨量的其他业务规范请参考中国气象局预报与网络司2014年发布的《华北雨季监测业务规定》,这里不再赘述。

① 中国气象局预报与网络司. 2014.关于印发《华北雨季监测业务规定》的通知, 气预函(2014)117号[R].

3 华北雨季开始早晚气候特征

图 2为1961~2016年华北雨季开始日期(Onset data of the rainy season in North China,简称OSDRS_NC)距平的年际变化、线性趋势以及9 a滑动平均。由图 2可见,OSDRS_NC存在明显的年际变化,表 2为1961~2016年的华北雨季开始日期,也体现了华北雨季近56 a以来的年际特征,1961~2016年华北雨季开始时间集中在7、8月,其中从7月中下旬开始的有54 a,其次是8月上旬(2 a),开始最早的有5 a,发生在7月6日(1963、1964、1973、1977、1981、1988、1994、1999和2000年),开始最晚的只有一年,发生在8月10日(1980年),最早与最晚相差35天。1961~2017年华北雨季开始平均日期是7月18日,标准差为8天。为研究华北雨季开始早晚的影响系统,采用雨季开始偏早和偏晚10天及以上的标准来划分华北雨季开始异常偏早晚年,得到偏早年共12年(1962、1963、1964、1973、1977、1981、1988、1994、1999、2000、2012、2013年),偏晚年共8年(1965、1980、1983、1987、2002、2007、2010、2014年)。对这20个异常年进行合成典型场分析,研究影响华北雨季开始偏早晚异常的环流系统。

图 2 1961~2016年华北雨季开始日期(OSDRS_NC)距平序列图,直线表示线性趋势,曲线表示9 a滑动平均 Figure 2 Anomaly sequence chart of onset dates of the rainy season in North China (OSDRS_NC) from 1961 to 2016, where the straight line represents the linear trend and the curve represents the 9-year running average

表 2 1961~2016年华北雨季开始时间(日)与西太平洋副热带高压(简称副高)第二次北跳时间(候) Table 2 Onset dates of the rainy season in North China and the time (pentad) of second northward jump of the WPSH (western Pacific subtropical high) from 1961 to 2016

图 2 OSDRS_NC的9 a平滑曲线看出其存在显著的年代际变化:20世纪60年代一直到80年代初,偏早偏晚变化不明显,在正常附近波动,从80年代中期一直到90年代以偏早为主,从21世纪初以来以偏晚为主。对1961~2016年OSDRS_NC进行小波功率谱分析表明(图略),近56 a来OSDRS_NC存在显著的4年周期。线性趋势直线说明近56 a来OSDRS_NC呈现不太明显的偏晚的长期变化趋势。

4 影响华北雨季开始早晚与环流系统的关系

华北雨季受东亚夏季风环流系统向北推进的影响,首先从环流形势的角度出发,分析OSDRS_NC与高层到低层大气环流系统的关系。图 3给出了OSDRS_NC与7月对流层各层大气环流场的相关系数分布。由OSDRS_NC与高层(200 hPa)纬向风场(U)的相关分布(图 3a)可见,华北北部至东北呈显著的负相关,长江至日本一带呈显著的正相关。7月东亚副热带西风急流(西风急流)主体基本在40°N及其以北地区。图 4给出了华北雨季开始偏早年和偏晚年东亚(110°~140°E平均)上空200 hPa纬向风的时间—纬度剖面图。偏早年(图 4a),在6月下旬至8月中旬,40°N以北为正距平,以南为负距平,表明西风急流北跳偏早;而在偏晚年(图 4b),在6月下旬至7月中旬,40°N以北为负距平,以南为正距平,7月下旬40°N以北转为正距平,表明西风急流北跳偏晚。图 5a对比了1961~2016年西风急流位置变化与华北雨季开始早晚的年际变化,其中西风急流位置指数为200 hPa的U风场所在区域内最大风速所在纬度的区域平均(卫玮和黄卓禹,2012)。两者的相关系数为-0.33,置信水平达到95%,从图中可以看出西风急流位置变化与华北雨季开始早晚基本一致,当西风急流位置偏北,距平值为正时,56 a华北雨季开始时间基本偏早,距平值负,这种同步在20世纪90年代之后更加明显,即6月下旬至7月西风急流偏北(南),有利于华北雨季开始偏早(晚)。

图 3 1961~2016年华北雨季开始时间与7月各层环流场的相关分布:(a)200 hPa纬向风场;(b)500 hPa高度场;(c)850 hPa经向风场。浅、深阴影区分别表示置信水平达到95%和99% Figure 3 Correlation maps between OSDRS_NC and (a) 200 hPa zonal wind, (b) 500 hPa geopotential height, (c) 850 hPa meridional wind during 1961–2016. The light and dark shadings indicate values at the 95% and 99% confidence levels, respectively

图 4 华北雨季开始偏早年(左列)和偏晚年(右列)各层环流场的时间—纬度剖面:(a、b)东亚110°~140°E平均的200 hPa纬向风(单位:m s−1);(c、d)东亚110°~140°E平均的500 hPa高度场(单位:gpm);(e、f)沿110°~122.5°E平均的850 hPa经向风场(单位:m s−1)。虚线表示气候平均副高脊线,实线表示异常年平均副高脊线 Figure 4 Time–latitude cross sections of (a, b) zonal wind (units: m s−1) at 200 hPa and (c, d) geopotential height (units: gpm) at 500 hPa averaged over 110°–140°E. (e, f) Time–latitude cross sections of meridional wind at 850 hPa (units: m s−1) averaged over 110°–122.5°E. (a, c, e) are for early OSDRS_NC years, (b, d, f) are for late OSDRS_NC years. The dotted line represents the climatological mean subtropical high ridge line, and the solid line represents the mean subtropical high ridge line in anomalous years

图 5 1961~2016年华北雨季开始时间与(a)副热带西风急流位置(纬度)、(b)副高第二次北跳时间(候)、(c)东亚夏季风强度指数距平的年际变化 Figure 5 Interannual variability of the onset date of the rainy-season in North China and that of (a) the latitude of the EAWJS (East Asian westerly jet stream), (b) the time of the second northward jump of WPSH (the western Pacific subtropical high), and (c) the intensity index of EASM (East Asian summer monsoon) from 1961 to 2016

西太平洋副热带高压(简称副高)的南北移动可以直接影响华北雨季的开始早晚和雨季长度(张庆云和陶诗言,2000赵俊虎等, 2012, 2014Ye et al, 2014, 2015)。图 3b给出了OSDRS_NC与7月500 hPa高度场的相关系数分布图。雨季开始与7月500 hPa高度场在副热带地区呈显著正相关,与东北地区高度场呈显著负相关,表明副高偏强偏北、东北冷涡活跃时,华北雨季开始偏早,反之则偏晚。图 5b进一步给出了1961~2016年华北雨季开始早晚与副热带高压第二次北跳(候)时间的年际变化,两者相关系数为0.36,置信水平达到99%,可清楚地看到,两者变化是基本一致的,当副高第二次北跳偏晚,距平值为正时,对应华北雨季开始偏晚,距平值为正,尤其是到20世纪90年代以来,变化更加同步。表 2给出了1961~2016年副热带高压第2次北跳时间,对比华北雨季开始日期,进一步验证了两者的显著关系。图 c4d对比了500 hPa高度场(110°~140°E平均)偏早年和偏晚年的时间-纬度剖面图。偏早年(图 4c),副高脊线在6月末有一次明显的北跳,7月初脊线达到27°N以北,并一直较气候平均偏北,而偏晚年(图 4d)基本与偏早年相反,副高脊线一直较气候平均偏南,在7月下旬才达到27°N。由此可见,华北雨季开始偏早晚与副高的北跳早晚有关,副高北跳偏早(晚)有利于华北雨季开始偏早(晚)。

低层环流系统可以直接反应越赤道气流、东亚夏季风爆发早晚及其强弱、及水汽的辐合辐散等。图 3c是OSDRS_NC与7月850 hPa V风场的相关系数分布。由图可见,雨季开始日期与长江至华北地区的V风场呈显著的负相关,表明7月东亚季风偏强时,有利于水汽向北方输送,进而有利于华北降水。图 5给出了1961~2016年7月东亚夏季风强度指数与华北雨季开始早晚的年际变化,其中东亚夏季风指数使用王会军定义(Wang, 2002),根据图 3b的相关显著区域,选取(30°~50°N,110°~125°E)为异常风速平均区域,两者相关系数-0.31,置信水平达到95%,两者变化基本一致,当夏季风偏强时,华北雨季开始偏早,在20世纪90年代以后这种同步变化更加明显。图 4ef对比了华北雨季开始偏早、晚异常年850 hPa V风场的时间—纬度剖面图。偏早年,6月下旬至7月下旬,中国东部地区从南至北(25°~50°N)多为南风距平,说明夏季风爆发偏早、偏强,有利于水汽向华北地区输送,有利于华北雨季开始偏早。偏晚年则正好相反,中国东部呈北风距平,表明东亚夏季风爆发偏晚、偏弱,不利于水汽向华北地区输送,导致华北雨季开始偏晚。

综上可见,华北雨季开始早晚是东亚大气环流系统从南向北推进快慢的结果,具体而言,从对流层高层到低层,与6月下旬至7月上旬,西风急流北跳偏早、副高第二次北跳偏早和东亚夏季风向北推进的较快,有利于华北雨季开始偏早,偏晚年则相反,而且这种环流配置建立早晚、强度与华北雨季开始早晚的异常在20世纪90年代后同步变化明显增加。

5 华北雨季开始早晚与前期至同期海表温度(SST)的关系

ENSO对中国降水有重大影响,是导致亚洲季风异常和我国旱涝发生的关键因素,郝立生和丁一汇(2012)指出在ENSO事件发展阶段,华北降水偏少,多干旱。同时印度洋海表温度也在影响华北地区降水,华北地区夏季降水的减少,是由于热带印度洋海表温度升高造成的(郝立生,2011),而且ENSO与中国夏季降水之间的年际变化关系存在变化,在不同年代背景下,其对中国夏季降水的影响有不同的表现(宗海锋等,2010),黄荣辉等(1999)分析华北地区干旱化发现,赤道中、东太平洋海表温度的升高与降低,对华北地区干旱化趋势有很大影响。同时也有研究发现,Niño3区海表温度与印度季风的关系是变化的(Webster et al., 1998)。

分析1961~2016年NCRSSD与前冬(上一年12月至当年2月)、春季(3~5月)和夏季(6~7月)的SST场相关系数分布(图 6),在前冬SST相关场上,热带印度洋和赤道东太平洋出现显著正相关区(图 6a),但显著区域比较小;到3~5月,春季SST相关场上(图 6b),热带印度洋显著正相关区域强度大小基本不变,但赤道中东太平洋显著正相关区域范围变大,中心最大值达到99%的置信水平,在太平洋北部出现了显著负相关区;在夏季SST相关场上(图 6c),热带印度洋仍呈显著的正相关,最大显著区域出现在北印度洋,相关区域较春季变大,强度变强,中心最大值达到99%的置信水平,在印度洋中心区域也出现了一个显著相关区,中心最大值通过99%的置信水平,春季出现在太平洋北部的显著负相关区在夏季消失,太平洋的显著正相关区域变大,强度增强。表明春季El Niño发展,春夏季印度洋偏暖时,华北雨季开始偏晚;反之则偏早。

图 6 1961~2016年华北雨季开始日期与海表温度的相关系数分布:(a)冬季;(b)春季;(c)6~7月。浅、深阴影区分别表示置信水平达到95%和99% Figure 6 Correlation maps between OSDRS_NC and SST (Sea Surface Temperature) in the (a) winter, (b) spring, and (c) June and July during 1961–2016. The light and dark shadings indicate values at the 95% and 99% confidence levels, respectively

由此可见,与OSDRS_NC有关的显著关键海表温度区域为赤道中东太平洋和热带印度洋。为了进一步了解赤道太平洋海表温度和印度洋海表温度异常与OSDRS_NC的关系,选取Niño3.4指数、Niño1.2指数和热带印度洋全区一致海表温度模态指数(IOBW),分析SST逐月指数与华北雨季开始时间的相关系数变化(图 7)。由图 7可见,三个SST指数与OSDRS_NC一直是正相关,相关系数从1月到6月逐渐升高,相关显著月份集中在4~6月,达到了95%的置信水平,其中Niño1.2指数与OSDRS_NC相关最大月份为4月,Niño3.4指数、IOBW指数与OSDRS_NC相关最大月份均为6月,Niño3.4指数在6月的相关系数接近0.5,达到了99%的置信水平。

图 7 1961~2016年华北雨季开始日期与关键区域海表温度指数的逐月相关系数。虚(实)线表示置信水平达到95%(99%) Figure 7 Correlation coefficients between the OSDRS_NC and monthly SST [Niño1.2, Niño3.4, and IOBW (Indian Ocean Basin-wide Warming)] indexes from 1961–2016. The dashed and solid lines indicate values at the 95% and 99% confidence levels, respectively

进一步检验关键区SST与OSDRS_NC的相关关系是否发生年代际转变,分别计算三个指数(4月Niño1.2指数、6月Niño3.4指数和IOBW指数)与OSDRS_NC的21年滑动相关(图 8)。Niño1.2指数与OSDRS_NC的相关系数在1995年之前呈显著的正相关关系,之后相关系数逐步下降;Niño3.4指数与OSDRS_NC的相关系数在2000年之前呈显著的正相关关系,2000年之后相关系数略有下降;IOBW指数与OSDRS_NC的相关系数在1972年之前呈负相关,之后转为正相关,且相关关系一直增强,20世纪90年代之后呈显著的正相关关系。以上分析说明,6月Niño3.4和IOBW对OSDRS_NC的影响相对显著和稳定。

图 8 华北雨季开始时间与海表温度指数相关最大月份的21年滑动相关,虚(实)线表示置信水平达到95%(99%) Figure 8 21-year sliding window correlations between the OSDRS_NC and the SST indexes in the months the correlation coefficients are largest. The dashed and solid lines indicate values at the 95% and 99% confidence levels, respectively

用6月的IOBW指数和Niño3.4指数分别回归7月大气环流(图 9)首先,从IOBW回归的7月500 hPa高度场(图 9a)可见,热带至副热带30°N以南地区、贝加尔湖及其周边地区为显著的正高度场,表明副高偏强偏南,大陆高压偏强;从IOBW回归的7月850 hPa经向风场(图 9c)可见,黄淮、华北、东北地区为显著的北风距平。即6月IOBW指数为正时,大陆高压偏强,副高偏强偏南,东亚夏季风偏弱,导致华北雨季开始偏晚。

从6月的Niño3.4指数回归的7月500 hPa高度场(图 9b)可见,在日本岛东南面的西太平洋为显著正值区,朝鲜半岛至鄂霍次克海为显著负值区;在6月的Niño3.4指数回归的7月850 hPa风场上(图 9d),我国华北和东北为负值区。表明当6月Niño3.4指数为正时,7月副高偏强、偏南,东亚夏季风偏弱,导致华北雨季开始偏晚,指数为负时则相反。

图 9 1961~2016年6月IOBW指数(左列)和Niño3.4指数(右列)回归的7月(a、b)500 hPa高度场和(c、d)850 hPa经向风场。浅、深阴影区分别表示置信水平达到95%和99% Figure 9 (a, b) Geopotential height at 500 hPa (units: gpm) and (c, d) horizontal wind at 850 hPa (units: m s−1) in July linearly regressed onto (a, c) IOBW and (b, d) Niño3.4 indexes in June. The light and darkshadings indicate values at the 95% and 99% confidence levels, respectively
6 结论与讨论

华北地处东亚大陆和太平洋交界处,华北雨季受到热带和副热带多个系统的综合影响,华北雨季开始偏早晚的成因复杂。本文利用国家气候中心对1961~2016年华北雨季开始日期的监测资料、NCEP/NCAR再分析资料,NOAA海表温度资料等,采用中国气象局对华北雨季监测的业务规定,分析了1961~2016年华北雨季开始早晚的气候特征,以及影响华北雨季开始偏早晚的关键环流系统和海表温度异常强迫作用,得到的主要结论如下:

(1)华北雨季开始时间具有显著的年际变化特征,雨季开始最早出现在7月6日(9 a),最晚出现在8月10日(1 a),雨季开始集中在7、8月,1961~2016年华北雨季开始时间平均在7月18日,呈现不太明显的偏晚的长期变化趋势。

(2)华北雨季开始早、晚与副热带西风急流、副热带高压、和东亚夏季风等各层环流系统的演变有关,当高层西风急流建立较早,强度较强,中层副高第二次北跳偏早,低层东亚夏季风向我国北方推进偏早时,有利于水汽向北输送,导致华北雨季开始偏早;若上述环流系统演变特征相反,华北雨季开始将会偏晚;

(3)华北雨季开始早晚与全球海表温度场存在两个主要相关区域,即赤道中东太平洋区域和热带印度洋,春、夏季赤道中东太平洋与华北雨季开始早晚呈显著的正相关,夏季热带印度洋海表温度与华北雨季开始早晚呈显著的正相关,且Niño3.4指数和IOBW指数与华北雨季开始日期的相关系数较稳定,没发生显著的年代际变化;

(4)Niño3.4与IOBW与华北雨季相关最大月份均为6月,当6月Niño3.4和IOBW指数为正值时,7月副高偏强、偏南,东亚夏季风偏弱,不利于水汽向华北地区输送,导致华北雨季开始偏晚;当两个指数为负值时,东亚环流系统则呈相反的特点,导致华北雨季开始偏早。

本研究通过观测资料的诊断分析,研究了影响华北雨季的关键环流系统配置和前期海表温度信号,还需要通过数值试验进一步阐述相关结论的物理机制。此外,我们将继续开展华北雨季降水量的影响系统和预测信号研究,给华北雨季预测提供一些依据。

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