气候与环境研究  2016, Vol. 21 Issue (6): 621-632   PDF    
我国春夏季地气温差的时空变化特征及其与夏季降水的联系
周连童1 , 温李明2     
1 中国科学院大气物理研究所季风系统研究中心, 北京 100190;
2 成都市气象局, 成都 610072
摘要: 利用1960~2006年我国地温、气温逐日4个时次[02:00(北京时间,下同)、08:00、14:00和20:00]的和中国降水台站观测资料以及NCEP/NCAR再分析资料,分析了我国春季(3~5月)和夏季(6~8月)地气温差的时空变化特征及其与夏季降水的联系。分析结果表明:我国春季地气温差主要存在着3种空间模态分布,第1模态表现出我国西部地区地气温差为正值,我国东部地区从南至北呈现出“-、+、-、+”空间分布特征;而第2模态则呈现“+、-、+”的空间分布特征;第3模态则表现出一致的空间分布特征。我国夏季地气温差同样存在着3种空间模态分布,第1模态表现出我国东部和西部地区夏季地气温差反相的空间分布特征;第2模态则呈现出“-、+、-”的空间分布特征;而第3模态则表现出“+、-、+、-”的空间分布特征。 分析结果进一步表明我国春季和夏季地气温差第1模态与我国长江中下游地区夏季降水均存在正相关关系,而与华北地区出现负相关关系。而且,夏季更加显著。这主要是由于我国东部和西部热力差异增强,有利于在我国东部地区出现西北风异常,这说明东亚夏季风偏弱,不利于水汽向北输送,有利于华北地区降水偏少。并且,在我国东南部地区出现水汽辐合和上升运动,从而有利于我国长江中下游地区夏季降水偏多。
关键词: 地气温差      时空变化特征      夏季降水     
Characteristics of Temporal and Spatial Variations in Land-Air Temperature Difference in China and Its Association with Summer Rainfall
ZHOU Liantong1, WEN Liming2     
1 Center for Monsoon System Research, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190;
2 Chengdu Meteorological Bureau, Chengdu 610072
Abstract: Based on daily observations and NCEP/NCAR reanalysis data from 1960 to 2006, the characteristics of temporal and spatial variations in land-air temperature difference are analyzed by using EOF (Empirical Orthogonal Function) analysis. The results show that there are three principal spatial patterns of spring land-air temperature difference in China. The most dominant pattern shows a spatial distribution of "-" "+" "-" "+" from south to north in the spring land-air temperature difference. The second pattern shows spatial distribution of "+" "-" "+". The third pattern shows a spatially uniform distribution. There are also three principal spatial patterns of the summer land-air temperature difference in China. The most dominant pattern shows opposite spatial distributions of land-air temperature difference in eastern and western China. The second pattern shows a spatial distribution of "-" "+" "-". The third pattern shows a spatial distribution of "+" "-" "+". The analysis identifies a significant positive correlation between the land-air temperature difference and the summer rainfall in the middle and lower reaches of the Yangtze River, and a negative correlation over North China that more significant in the summer. The analysis results suggest that with increased thermal contrast between eastern and western China, northwesterly wind anomalies become more significant in eastern China. This will result in weaker than normal summer monsoon and is unfavorable for northward moisture transport. Moreover, under this circulation pattern, ascending motions and moisture convergence are located at southeastern China, which contribute to an increase in summer rainfall over the middle and lower reaches of the Yangtze River.
Key words: Land-air temperature difference     Temporal and spatial variation     Summer rainfall    

1 引言

目前,国际气候与环境问题的日益尖锐,气候变化异常以及所造成的灾害已成为各国人民和政府极为关注的重要科学问题。我国地域广大,幅员辽阔,同时也面临着种类繁多,分布广泛的各类气象灾害,尤其是以降水分布不均造成的大范围的旱涝灾害一直以来都极为严重地影响着我国的社会经济生活。同时,由于我国具有多种类型的典型下垫面,既有戈壁、沙漠等典型干旱区、黄土高原和草原等半干旱区,又有季风湿润区,还有全球最高的高原--青藏高原,这些全球具有代表性和典型性的下垫面的能量和水分循环特征的差异对于全球气候和水文的变化,特别是对气候灾害的发生都有严重影响。其中,我国东部地区是全球强季风区,华南和长江流域是年降水量在1400 mm以上的典型季风湿润区,这些区域植被茂密、土壤湿润,地表感热加热相对较弱;而我国西北是具有戈壁和沙漠的典型干旱区,这里年降水量不足50 mm,而且此区域太阳辐射强烈,年蒸发能力达到3000 mm以上,大片土地裸露或植被稀疏,土壤极为干燥,地表感热强,这个区域是典型干旱区。

在陆气相互作用的过程中,感热对于陆面和大气边界层热力交换起着极为重要的作用。(叶笃正和高由禧,1979赵平和陈隆勋,2001李栋梁等,2003赵勇和钱永甫,2007)。我国西北干旱区感热异常对我国气候也有着重要的影响。西北干旱区陆-气相互作用观测试验研究(NWC-ALIEX)的研究结果对于理解我国西北地陆气相互作用有着重要科学意义(张强等,2005)。布和朝鲁等(2002)利用再分析资料分析指出,我国西北干旱、半干旱区是整个欧亚大陆上陆面感热最强的区域之一。周连童和黄荣辉(2008)周连童(2010)利用观测资料计算得出,我国西北干旱、半干旱地区是欧亚大陆中的“热垫”(warm lying surface),是整个欧亚大陆陆面感热最强的地方之一。Zhou (2009)利用台站观测资料分析了我国西北地区1960~2000年春季和夏季的地表感热通量特征。而且,我国西北地区春季和夏季的地表感热通量存在显著的年代际变化特征(Zhou et al., 2010)。范丽军等(2004)指出,地气温差是计算地表感热通量的一个主要因子,并且分析了西北干旱区地气温差的时空变化特征。Wei et al.(2002)周连童和黄荣辉(2006)分析了我国西北干旱、半干旱区春季和夏季地气温差的年代际变化特征及其与夏季降水的联系。周连童和黄荣辉(2008)利用台站观测资料和再分析资料研究分析了我国西北干旱、半干旱地区感热与中国夏季降水的关系。Zhou and Huang (2010)则是从动力角度分析了西北地区感热输送的变化对该地区夏季降水的影响的物理过程。此外,周长春等(2009)指出我国西北地区感热对当地的温度和降水都有明显的影响。并且,高荣等(2008)利用数值模式模拟了西北地区感热异常影响局地和周围的大气环流异常。因此,从这些研究中我们可以发现,我国西北地区是一个显著的感热热源,并且对周围及局地地区的气候变化产生影响(周连童和黄荣辉,2008Zhou and Huang, 2010)。因此,研究我国陆面感热异常变化对气候的影响具有重要的科学意义和应用价值。

众所周知,季风是由海陆热力差异所引起的,我国西北干旱区与东部季风湿润区也同样存在明显的热力差异,这必然会引起大气环流的变化,从而对我国气候变化产生影响。并且,这些全球具有代表性和典型性的下垫面的感热通量的差异对于我国夏季降水的变化,特别是对气候灾害的发生有着重要的影响。汤懋苍等(1986)的研究指出了我国冬季地温与春夏降水的关系。汤懋苍等(1987, 1988)可以根据地温异常预报汛期的降水。因此,地温对于我国汛期降水的预报是一个重要物理因子之一。但是,关于我国陆气温差对我国气候影响的研究还比较少,之前的研究限于我国西北地区地气温差对降水的影响。曲迎乐等(2008)分析并比较了我国东部和西部地区气温和降水的差异,他们指出我国东部和西部地区在气温和降水方面有着明显的差别。Zhou and Huang (2014)利用再分析资料分析得出了我国东部和西部地区的感热和潜热通量存在明显的差异。温李明等(2014)利用台站资料分析我国东部和西部地区地气温差有显著差异。并且,Zhou and Du (2016)利用CMIP5模式资料分析也发现中国东部和西部的长波辐射、短波辐射以及感热和潜热通量都有显著差异。也指出感热通量的变化主要受到地气温差的影响(范丽军等,2004Zhou,2009)。但是,对于我国地气温差的时空变化特征以及对气候变化的影响还很少研究。因此,研究我国地气温差的时空变化特征及其与降水的联系具有重要的科学意义和应用价值。因此,本文主要将利用EOF方法分析我国春季和夏季地气温差的时空变化特征及其和我国夏季降水的联系。

2 资料

(1)中国218个台站观测的地表面温度和地表气温资料:1960~2006年中国218站的逐日4个时次[02:00(北京时间,下同)、08:00、14:00和20:00]的地温和气温观测资料(图 1);

图 1 本文所选我国218个台站的分布位置 Fig. 1 Locations of the 218 stations in China

(2)中国160个台站降水资料:1960~2006年中国160站的逐月降水观测资料;

(3) NCEP/NCAR再分析资料:1960~2006年各层次的风场、气温、比湿和海平面气压资料。

3 我国春季和夏季地气温差的时空变化特征

关于我国西北干旱区陆气相互作用的研究,近年来已经引起很多学者的关注和研究。周连童(2010)利用再分析资料分了欧亚大陆地区感热通量的时空变化特征。并且,我国西北干旱、半干旱地区的地气温差存在着明显的年代际变化特征(Wei et al., 2002周连童和黄荣辉,2006范丽军等,2004)。温李明等(2014)利用观测资料分别分析了东部地区和西部地气温差的年代际变化特征。因此,为了进一步深入了解我国地气温差的时空变化特征以及对降水的影响。有必要对我国春夏季地气温差的时空变化特征进行分析。本文选取我国218个台站的地温、气温逐日的4个时次(02:00、08:00、14:00和20:00)的站点资料,把每天4个时次观测值的平均值作为每日的地温(Ts)(0 m)、气温(Ta)(2 m)数据,然后根据此日资料计算出我国春季(3~5月)和夏季(6~8月)地气温差(地温减去气温)的距平,取1961~2000年各月平均值为气候值。下面,利用经验正交函数分析方法(EOF)对我国春季和夏季的地气温差的时空变化特征进行分析。经验正交函数分析(EOF)又称为主成份分析或者是主分量分析,它可以用来研究气象场主导的时空变化型,可以最大限度的解释原始数据的方差变化。因此,本文就采用此方法对我国春季和夏季地气温差的时空变化特征进行分析,以便对我国地气温差的时空变化特征有更为清晰的认识和了解。

3.1 我国春季地气温差的时空变化特征

图 2表示我国春季地气温差EOF的第1模态及其时间系数(第1模态的方差贡献占16.3%)。EOF第1模态表明,我国西北、东北以及长江中下游地区地气温差大部分为正值。而华南和华北地区则为负值。由此可见,东部地区从南至北呈现出“-、+、-、+”空间分布特征。第1模态的时间系数显示出地气温差呈现显著的年际变化特征,从20世纪70年代末期开始,时间系数跃变为正值,表明在20世纪70年代末期以后,我国西北、东北和长江中下游地区地气温差值显著大,而华南和华北地区地气温差值则明显减小。需要指出的是,我国西藏地区明显正的大值区,但是由于青藏高原地区几乎没有站点,由于插值原因,造成该地区数值偏大。其它模态和季节也出现类似问题。

图 2 我国春季地气温差的EOF (a)第1模态及其(b)时间系数 Fig. 2 (a) The first EOF mode of the spring land-air temperature difference in China and (b) the corresponding time coefficients

图 3表示我国春季地气温差EOF的第2模态及其时间系数(第2模态的方差贡献占11.2%)。EOF第2模态表明,我国西北大部分地区地气温差为负值,东部地区从南至北呈现“+、-、+”的空间分布特征。从时间系数可以发现,20世纪80年代中期以前大部分年份是负值,之后转变为大部分年份是正值,说明春季地气温差的第2模态表现出20世纪80年代中期发了显著的年代际变化。

图 3 我国春季地气温差的EOF (a)第2模态及其(b)时间系数 Fig. 3 (a) The second EOF mode of the spring land-air temperature difference in China and (b) the corresponding time coefficients

图 4表示我国春季地气温差EOF的第3模态及其时间系数(第3模态的方差贡献占10.3%)。EOF的第3模态表明,我国大部分地区是负值,即春季我国地气温差显示出一致空间分布特征。从其时间系数上看,20世纪60年代大部分为负值,70年代到90年代中后期转变为正值,90年代后期又转变为负值。第3模态显示出我国地气温差也表现出明显的年代际变化特征。

图 4 我国春季地气温差的EOF (a)第3模态及其(b)时间系数 Fig. 4 (a) The third EOF mode of spring land-air temperature difference in China and (b) the corresponding time coefficients
3.2 我国夏季地气温差的时空变化特征

图 5表示我国夏季地气温差EOF的第1模态及其时间系数(第1模态的方差贡献占20.1%)。EOF第1模态表明,我国西北地区除新疆西部小部分地区以外,其余大部分地区地气温差是正值,而华南地区、长江中下游地区以及华北地区为负值,即其空间分布呈现出东西反相的分布特征。从时间系数可以看到,20世纪70年代末以前为负值,70年代末以后跃变为正值,即我国西部地区地气温差从70年代末以后跃变增大,而东部地区则开始变小。

图 5 我国夏季地气温差的EOF (a)第1模态及其(b)时间系数 Fig. 5 (a) The first EOF mode of summer land-air temperature difference in China and (b) the corresponding time coefficients

图 6表示我国夏季地气温差EOF的第2模态及其时间系数(第2模态的方差贡献占8.9%)。EOF第2模态表明,我国西北地区地气温差为负值,华南地区为负值,华北地区为正值,而东北地区为负值,也即在我国东部地区夏季地气温差呈现出“-、+、-”的三极子空间分布特征。从时间系数来看,20世纪60年代主要为负值,自20世纪60年代末至90年代末主要为正值,之后又转变为负值,表明夏季的地气温差存在着比较明显的年代际变化特征。

图 6 我国夏季地气温差的EOF (a)第2模态及其(b)时间系数 Fig. 6 (a) The second EOF mode of summer land-air temperature difference in China and (b) the corresponding time coefficients

图 7表示我国夏季地气温差EOF的第3模态及其时间系数(第3模态的方差贡献占8.0%)。EOF第3模态表明,我国西北大部分地区地气温差为负值,而东部地区从南至北则表现出“+、-、+、-”的空间分布特征。从其时间系数的变化则可以看出地气温差存在年际变化特征。

图 7 我国夏季地气温差的EOF (a)第3模态及其(b)时间系数 Fig. 7 (a) The third EOF mode of summer land-air temperature difference in China and (b) the corresponding time coefficients
4 我国春夏季地气温差与我国夏季降水的联系

周连童和黄荣辉(2006, 2008)及Zhou and Huang (2010)的分析指出,西北地区地气温差以及感热的变化对我国夏季降水有着明显的影响。那么,我国地气温差的不同分布特征势必也会和我国夏季降水有着明显的联系。因此,本节将利用相关分析方法分析我国地气温差和我国夏季降水的联系。

我们首先分析了春季地气温差第1模态时间系数(PC1)与我国夏季降水的关系。图 8表示我国春季(3~5月)地气温差EOF第1模态PC1与我国夏季(6~8月)降水的相关系数分布。由图 8可见,我国春季地气温差第1模态与我国西北地区、长江中下游地区夏季降水存正相关区域,而在华北地区出现负相关区域。通过以上分析表明,我国春季地气温差和我国夏季降水有着密切的联系。

图 8 我国春季地气温差EOF第1模态PC1与我国夏季降水量的相关系数分布。深、浅填色区表示通过99%、95%信度的相关显著性检验 Fig. 8 Spatial pattern of the correlation coefficient between the first EOF mode (PC1) of spring land-air temperature difference and summer rainfall for the period of 1960-2006. The dark and light shaded regions indicate the correlation at/above the 99% and 95% confidence levels, respectively

对比图 2图 5可以发现,全国春季陆气温差大部分地区为正值,只有华南和华北小部分地区为负值,东部地区从南到北呈现“-、+、-、+”的分布。然而到了夏季,可以发现地气温差的负值区域增大了,整个东部地区变为负异常,造成我国东部和西部地区地气温差相反的分布特征。从而造成我国东部和西部地区热力差异增强,影响降水和环流异常

我们又分析了夏季地气温差第1模态PC1与我国夏季降水联系。图 9表示我国地区夏季地气温差EOF第1模态PC1与我国夏季降水的相关系数分布。由图 9可见,我国夏季地气温差第1模态与我国西北地区,长江中下游地区夏季降水存在显著的正相关,而在华北地区出现显著的负相关。通过以上分析表明,我国夏季东部和西部的地气温差的差异和我国夏季降水有着更显著的联系。这也说明从春季到夏季,我国东部和西部地区地气温差的差异增强,和我国夏季降水的联系越来越显著。

图 9 我国夏季地气温差EOF第1模态PC1与我国夏季降水量的相关系数分布。深、浅填色区表示通过99%、95%信度的相关显著性检验 Fig. 9 Spatial pattern of the correlation coefficient between PC1 of spring land-air temperature difference and summer rainfall for the period of 1960-2006. The dark and light shaded regions indicate the correlation is at/above the 99% and 95% confidence levels, respectively
5 我国春夏季地气温差与大气环流的联系

众所周知,降水异常与大气环流有着密切的联系。因此,本节将分析我国地气温差和大气环流的联系。图 10表示我国春季地气温差EOF第1模态PC1与夏季850 hPa风场、水汽辐合辐散和上升运动的回归及相关分析。从图 10a可以发现,在蒙古国地区上空出现了一个异常反气旋,这使得我国西部地区明显的南风异常。而使我国东部地区出现显著的西北风异常,这会有利于东亚夏季风环流减弱,同时不利于水汽向北输送。并且,华北地区上空出现水汽辐散(图 10b)和下沉运动(图 10c),有利于华北地区降水偏少。然而,从图 10a也可以发现东南部地区出现弱气旋性环流异常,容易造成水汽在我国南方地区出现水汽辐合(图 10b)和上升运动加强(图 10c),从而有利于我国长江中下游地区夏季降水偏多。

图 10 我国春季地气温差EOF第1模态与夏季(a)850 hPa风场(单位:m s-1)、(b)整层积分水汽辐合辐散(单位:102 g m-2 s-1)和(c)垂直运动(单位:102 Pa s-1)的回归分析。填色为超过99%信度的相关显著性检验 Fig. 10 Regressions of (a) summer winds at 850 hPa (m s-1), (b) the water vapor convergence (integrated over 1000-100 hPa, units: 102 g m-2 s-1), and (c) vertical velocity at 700 hPa (102 Pa s-1) with respect to PC1 of spring land-air temperature difference for the period of 1960-2006. The shaded regions are for values significant at/above the 99% confidence level

到了夏季,这种环流形式依然存在,而且,相比于春季,夏季地气温差和我国大气环流异常有着更加显著的关系(图 11)。

图 11 我国夏季地气温差EOF第1模态与夏季(a)850 hPa风场(单位:m s-1)、(b)整层积分水汽辐合辐散(单位:102 g m-2 s-1)和(c)垂直运动(单位:102 Pa s-1)的回归分析。填色为超过99%信度的相关显著性检验 Fig. 11 Regressions of (a) summer winds at 850 hPa (m s-1), (b) the water vapor convergence (integrated over 1000-100 hPa, units: 102 g m-2 s-1), and (c) vertical velocity at 700 hPa (102 Pa s-1) with respect to PC1 of summer land-air temperature difference for the period of 1960-2006. The shaded regions are for values significant at/above the 99% confidence level
6 结论

利用我国1960~2006年月平均的地温和气温观测资料对我国春季和夏季地气温差(地温减去气温)做了EOF分析。分析结果表明:我国春季地气温差主要存在着3种空间模态分布,第1模态表现了我国春季地气温差西北地区为正值,而东部地区从南至北呈现出“-、+、-、+”空间分布特征;第2模态也显示出我国西北地区地气温差大部分为负值,东部地区从南至北呈现“+、-、+”的空间分布特征;第3模态则表示我国春季地气温差空间分布的一致性。此外,地气温差的3个模态都表现出较为明显的年代际变化特征。

分析结果还表明,我国夏季地气温差同样存在着3种空间模态分布,第1模态比较明显表现出我国东部和西部地区夏季地气温差反相的空间分布特征;第2模态可以发现我国西北大部分地区地气温差为负值,而东部地区夏季地气温差呈现出“-、+、-”的三极子空间分布特征。第3模态表明,我国夏季西北大部分地区地气温差为负值,而东部地区从南至北则表现出“+、-、+、-”的空间分布特征。此外,第1模态和第2模态表现出较明显的地气温差的年代际变化特,而第3模态的年际变化则更为明显。

我国春季和夏季地气温差第1模态与我国西北地区,长江中下游地区夏季降水均存正相关关系,而在华北地区出现负相关关系。而且,夏季更加显著。由于夏季第1模态的地气温差表现东部和西部更加明显的反向变化特征。因此,我国东部和西部地区热力差异和我国夏季降水有着显著的联系。

我国春季和夏季地气温差与大气环流的相关分析表明,我国东部和西部热力差异增强,有利于在我国东部地区出现显著的西北风异常,这说明东亚夏季风环流减弱了,同时不利于水汽向北输送。并且,华北地区上空出现水汽辐散和下沉运动,有利于该地区降水偏少。然而在我国东南部地区出现水汽辐合和上升运动,从而有利于我国长江中下游地区夏季降水偏多。并且,从春季到夏季,我国东部和西部地区地气温差的差异的增强和我国夏季降水的联系越来越显著。

参考文献
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