1、华南夏季风降水开始日的异常与前冬大气环流和海温的关系第 32 卷第 1 期2008 年 1 月大气科学ChineseJournalofAtmosphericSciencesVo1.32No.1Jan.2008华南夏季风降水开始日的异和海温的关常与前冬系谷德军梁建茵郑彬林爱兰李春晖中国气象局热带海洋气象研究所/热带季风重点实验室 ,广州 510080大气环流摘要利用 19512004 年 NCEP/NCAR 再分析资料及 ERSST 海温资料,研究了华南夏季风降水开始日期的变化特征及其与前期冬季大气环流和海温的关系.小波分析表明,夏季风降水开始日期具有明显的年际和年代际变化,年际变化以准 23
2、年变化为主,年代际变化周期约 16 年.华南夏季风降水开始偏早年在大气环流上的前兆信号表现为前期冬季乌拉尔山阻塞高压偏强,东亚大槽较深,阿留申低压偏强,冷空气活动偏强.冬季,鄂霍次克海附近的海温异常为华南夏季风降水开始迟早有物理意义的,稳定正相关前兆信号.合成分析表明,冬季鄂霍次克海附近 SST 正异常时 ,5 月 100hPa 青藏高压偏东偏北偏弱 ,异常偏西风控制华南;850hPa 环流在华南表现为东北风,华南受冷空气影响为主,华南夏季风降水开始日期偏晚.相反时,若冬季鄂霍次克海附近 SST 负异常,5 月 100hPa 青藏高压偏西偏南偏强,异常偏东风控制华南;850hPa 环流在华南表
3、现为偏南风,华南受热带系统影响为主,华南夏季风降水开始日期偏早.并提出冬季中高纬度地区冷空气活动影响华南夏季风降水开始日异常的物理机制.关键词夏季风降水年代际变化前兆信号青藏高压冷空气活动文章编号 10069895(2008)01015510 中图分类号 P426 文献标识码 AVariationofStartingDateofSummerMonsoonRaininSouthChinaandItsRelationtoAtmosphericCirculationandSSTinthePrecedingWinterGUDe.Jan,LIANGJian-Yin,ZHENGBin,LINAiLan,a
4、ndLIChun-HuiGuangzhouInstituteofTropicalandMaHneMeteorology/KeyOpenLaboratoryforTropicalMonsoon,ChinaMeteorologicalAdministration,Guangzhou510080AbstractThevariationcharacteristicsofstartingdateofsummermonsoonraininSouthChinaanditsrelationtoatmosphericcirculationandSSintheprecedingwinterarestudiedus
5、ingNCEP/NCARreanalysisdataandERSS,r(ExtendedReconstructionofglobalSeaSurfaceTemperatures)dataduring19512004.ThewaveletanalysisexhibitssignificantinterannualandinterdecadalvariationinthesequenceofSDSMR(StartingDateofSummerMonsoonRain).Theinterannualvariationisdominatedbyquasi-bitriermiumperiodicoscil
6、lationandtheperiodofinterdecadalvariationiSabout16years.Buttheinterdecadalvariationbecameweakerfromtheearly1990s.TheUralMountainsblockinghighisstronger,theEastAsiatroughisdeeper,theAleutianlowisstrongerandthecoldairactivityisstrongerduringtheprecedingwinterforyearsofearlierSD.TheSeasurfacetemperatur
7、e(SS,r)anomaliesneartheOkhotskSeaarestableprecursorysignalwithpositivecorrelationforsDSMRandCanlastforwinterandspring.ThecompositeanalysisshowsthattheTibetanhighisweakerandislocatedeastandnorth,anomalouswesterlycontrolsSouthChinaat100hPainMay.andtheSDSMRiSlaterWhentheSSTanomaliesnearthe收稿日期 20060809
8、,20061222 收修定稿资助项目广东省自然科学基金资助项目 04003915,国家自然科学基金资助项目40675054作者简介谷德军,男,1966 年出生,副研究员,主要从事季风和海气相互作用,气候变化研究.E-mail:大气科学ChineseJournalofAtmosphericSciences32 卷Vo1.32OkhotskSeaispositive.ThenortheastwindprevailsinSouthChinaat850hPameanwhile,SOthecoldairdominatesSouthChina.Contrarily,whentheSanomaliesnea
9、rtheOkhotskSeaisnegative.theTibetanhighisstrongerandis1ocatedwestandsouth.anor/lalouseasterlycontrolsSouthChinaat100hPainMayandtheSDSMRiSearlier.ThesoutherlyprevailsinSouthChinaat850hPa,SOthetropicalcirculationsystemdominatesSouthChina.TheprecursorysignalsforSDSMRinatmosphericcirculationandSareconsi
10、stent.Apossiblephysicalprocessisasfollows.Thestrongercoldairduringwinterincreasesthetota1windspeedandcoolsSSTneartheOkhotskSeathroughenhancedsurfaceevaporatiorLThenegativeSanomaliesduringwinterintheOkhotskSeamaketheOkhotskSeablockinghighweakenduringspring,EastAsiatroughbecomesweaker,andhencethecolda
11、iractivityaffectingeasternChinaduringspringbecomesweaker.SoSouthChinaiseasilyaffectedbythetropicalsynopticsystern,sDSMRiSearlier.andviceversa.Keywordssummermonsoonrain,interdecada1variation,precursorysignals,Tibetanhigh,COldairactivity1 引言46 月是广东的主要雨季,俗称前汛期.前汛期的雨季盛期,暴雨集中期及防汛最紧张时段均出现在 56 月.例如 1994 年
12、6 月中旬,华南发生大范围持续性致洪暴雨,导致珠江流域的西江,北江同时发生 50 年一遇的特大洪涝,两广直接经济损失高达 540 亿口;2005 年 6 月广东的河源,龙门等地遭受四百年一遇的特大暴雨袭击,西江,北江发生百年一遇的洪水灾害,给国民经济也造成不少损失.据谢炯光等2统计,广东 56 月出现连续暴雨(持续 3 天以上的暴雨过程)的几率达87,而 4 月出现连续暴雨的几率只有 13.文献 I-3-1 的统计也表明,连续暴雨以每年 5 月底至 6月初出现的几率最大.早在 1980 年代初,沈如桂等4就指出, 前汛期初期的华南降水“北强南弱“的气候特征与西风带南支气流及南海高压脊北侧偏西气
13、流相联系;而随着南海夏季风的建立和加强,华南前汛期降水由“北强南弱 “转为“北弱南强“ 分布 .陈隆勋等 5也指出,东亚地区自春到夏存在副热带季风雨季和热带季风雨季,相应的华南前汛期降水可分为前期的锋面降水和后期的夏季风降水.池艳珍等对华南前汛期不同降水时段的特征分析也表明,锋面降水时段主要集中在 4 月,为典型的由冬到夏过渡的环流形势,夏季风降水时段盛期主要集中在 6 月.左瑞亭等 l8利用模式计算结果发现西风带和热带的降水性质有着本质差别,前者与风暴轴有关,为大尺度抬升凝结降水,后者受控于大气层结,为对流性降水.由此可以看出,华南前汛期初期降水和后期降水具有完全不同的性质,应该将它们区分开
14、来.据李春晖等的研究9, 南海夏季风向北推进影响到华南地区的时间存在明显的差异,最早的可以一天就推进影响到华南地区,最晚的却要 42 天.故南海夏季风爆发后并不意味着华南夏季风降水的开始,直到南海夏季风推进到华南地区,才开始出现季风降水,从而造成华南前汛期降水的第二峰值.因此,有必要直接深入研究华南夏季风降水开始 Et 的变化规律并寻找其前兆信号,对做好前汛期后期的夏季风降水开始的预测及对防汛抗洪具有重大意义.郑彬等10=分析了气候平均状态下锋面降水和季风降水期间大气性质和特征的差异,得到华南夏季风降水开始 Et 期的基本判据:华南地区 100hPa纬向风由西风转为东风并维持 5 天以上,并利
15、用该判据得到 19512004 年逐年华南前汛期锋面降水和季风降水的划分日期.合成分析的结果表明,该判据能将锋面降水和季风降水期间大气特点的显着差别区分开来.郑彬等】l=研究表明,华南前汛期的锋面降水和季风降水分布主要有三种类型全区旱涝型,西南涝(旱) 东北旱(涝) 型,东南涝(旱) 西北旱 (涝)型;各分布型的时间系数与 850hPa 风场的相关结果表明不同的分布对应着不同的低层环流形势;统计结果显示华南前汛期锋面降水的分布形式与季风降水的分布形式有一定的对应关系.本文基于郑彬等】0=确定的逐年华南前汛期锋面降水和夏季风降水的划分 Et 期(以下简称为夏季风降水开始日)时间序列,研究华南夏季
16、风降水开始迟早的变化特征及其在前期冬季大气环流和海温场的前兆信号,并研究这些前兆信号影响华南夏季风降水开始迟早的物理过程.1 期NO.1谷德军等:华南夏季风降水开始日的异常与前冬大气环流和海温的关系GUDe-Juneta1.VariationofStartingDateofSummerMonsoonRaininSouthChina.1572 资料和方法 3 华南夏季风降水开始日变化特征本文所用资料如下:郑彬等10确定的逐年华南夏季风降水开始日期时间序列;重建的海表温度资料 ERSST1.(ftp:/ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/erss 卜 v2/),水平分辨率为 2.
17、2.;NCEP/NCAR 全球 2.5.2.5.的月平均 100hPa风场,500hPa 高度场和 850hPa 风场资料 l1.采用的研究方法有以墨西哥帽为小波母函数的小波分析,相关分析和合成分析等.小波变换主要用于研究华南夏季风降水开始日期变化特征,相关分析主要用于研究华南夏季风降水开始日期与前期大气环流及海温场的关系,合成分析用于研究前期冬季海温异常对应的 5 月份大气环流异常.器焉g0善号量葚0C山图 1a 为华南夏季风降水开始日期的逐年距平,线性倾向变化及其高斯 9 点平滑变化曲线.零值代表 19512004 年华南夏季风降水开始日期的平均值(5 月 3O31 日). 可见,华南夏季
18、风降水开始日期具有较明显的年际和年代际变化特征,逐年的开始日期差异也较大:最早的为 1951 年 5 月 13日,最晚的为 1996 年 6 月 1913,相差达 37 天.从线性倾向变化直线可见,夏季风降水开始 13 期有逐渐变晚的趋势.线性倾向值 60.11,反映近 54 年来夏季风降水开始 13 期以 0.11d/a 的线性倾向变晚;相关系数为 0.251,可以通过 a:=0.1 显着性水平检验,说明变晚趋势较明显.另外,从高斯 9 点避.n 圳19952Oo0图 1 华南夏季风降水开始日期距平序列(a,斜直线为线性拟合趋势线 ,实横线为 1倍标准差值,实曲线为高斯 9 点平滑曲线)及其
19、小波变换(b, 交叉平行网状线为受边界外影响区域,浅阴影和深阴影为通过 a=O.1 和a=O.05 的显着性水平检验)Fig.1(a)TheanomaliesofthestartingdateofsummermonsoonrainoverSouthChina(tiltinglineisforlinearfittingtrend,solidhorizontallineforone-timestandarddeviation,solidcurvelinefor9-pointGaussiansmoothing)and(b)itswavelettransform(thecross-hatchedreg
20、ionsonbothbottomsindicatetheareaswithboundaryeffects.lightanddarkshadingspassthetestata=O.1and0.05significancelevelsrespectively)4158大气科学ChineseJournalofAtmosphericSciences32 卷V01.32平滑变化曲线可见,夏季风降水开始日期具有较明显的年代际变化特征.即 1950 年代前中期夏季风降水开始日期偏早,1950 年代末1960 年代前期正常,1960 年代后期1970 年代前期偏晚,1970年代后期1980 年代前期偏早,1
21、980 年代后期1990 年代前期偏晚,1990 年代中期2000 年代前期正常.夏季风降水开始日期序列的标准差 a=8,本文取距平值为夏季风降水开始日期偏晚年;距平值一为偏早年.则夏季风降水开始日期偏早年Period/a图 219512004 年华南夏季风降水开始日期的小波方差(虚线为 aO.05 的显着性水平)Fig.2Thewaveletvarianceofthestartingdateofsummermons00nrainoverSouthChinafrom1951to2004(dashedlineisfora 一 0.05significanceleve1)有 10 年:1951,1
22、953,1956,1964,1967,1979,1986,1994,1995 和 2001 年;夏季风降水开始偏晚年有 8 年:1957,1972,1973,1987,1989,1991,1996 和 2003 年.从图 1b 小波系数的分布可见,夏季风降水开始日期具有明显的准 23 年和 1018 年的年代际周期振荡.其中准 23 年振荡主要出现在 1950 年代前中期,1960 年代中期,1980 年代中期,1990年代中期及 2000 年代前后;准 1018 年的年代际变化在 1950 年代1990 年代初一直存在.1990 年代中期的变化特征以 45 年为主.1970 年代1990 年
23、代初的年代际变化都通过了 95 的显着性检验.从小波方差图(图 2)可见,华南夏季风降水开始日期的主要周期为 23 年和 16 年;从功率谱(图略 )可以看出 ,13 年,2.9 年和 2.4 年为明显的峰值.功率谱确定的低频周期 13 年和小波方差方法确定的低频周期 16 年不一致,是由于功率谱在低频段分辨率较低所导致.故华南夏季风降水开始日期具有明显的准 23 的年际和 16 年的年代际周期振荡.4 华南夏季风降水开始迟早与前期冬季大气环流的关系图 3 给出了华南夏季风降水开始日期与前期冬图 3(a)华南夏季风降水开始日期与前期冬季北半球海平面气压场的相关系数(阴影区通过 a 一 0.05
24、 的显着性检验 );(b)华南夏季风降水开始日期异常偏早年与偏迟年前期冬季气压场差值(单位:hPa)Fig.3(a)Corre1ationc0efficlentbetweenthestartingdateofsummermonsoonrainoVerSouthChinaandsealevelpressureintheNorthemHemisphereintheprecedingwnter(shadedareaspass 口一 O.05significanceleveltest)and(b)compositedifferenceofsealevelpressue(hPa)intheprecedi
25、ngwinterbetweentheearlierandlateryearsofthestartingdateofsummermonsoonrain1 期No.1谷德军等:华南夏季风降水开始日的异常与前冬大气环流和海温的关系GUDe-Juneta1.VariationofStartingDateofSummerMonsoonRaininSouthChina.159图 4(a)华南夏季风降水开始日期与前期冬季 500hPa 高度场的相关系数(阴影区通过 a=0.05 的显着性水平检验);(b)华南夏季风降水开始偏早年与偏晚年前期冬季 500hPa 高度场差值(单位:dagpm)Fig.4(a)C
26、orrelationcoefficientbetweenthestartingdateofsummermonsoonrainoverSouthChinaand500hPageopotentialheightintheNorthemHemisphereintheprecedingwinter(shadedareaspassa=O.05significanceleveltest)and(b)compositedifferenceof500hPageopotentialheight(dagpm)intheprecedingwinterbetweentheearlierandlateryearsofthestartingdateofsummermonsoonrain
