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我国大部分地区位于典型季风区,降水季节变化明显。受海陆分布、地形差异等因素影响,降水的季节变化特征复杂多样,地区特征明显,不仅仅是简单的“冬干夏湿”的特征,而是具有降水多峰值分布特征和峰值时间的非同步特征,降水季节演变中还有更丰富的内涵。因此,进一步全面系统地分析我国降水季节演变的规律,是认知局地天气气候规律的基础,对于提高天气气候预报预测能力、科学调度利用水资源都具有重要意义,也是评估和改进数值模式的重要途径之一。
本文基于1961-2007年我国2467个气象台站观测逐日降水资料,系统分析了中国大陆降水季节变化的区域特征,并利用NCEP再分析环流场资料,研究了与不同降水峰值特征相关联的环流场演变特征。同时,分析了上个世纪六十年代以来降水的年代际演变对季节性降水峰值的影响。最后,依据降水峰值建立了一个模式评估指标,并初步评估了NCAR高低两个分辨率版本大气环流模式CAM5对我国季节性降水峰值特征的模拟能力。主要结论如下:
1.系统给出了中国大陆降水季节变化的区域差异。从季节上看,大部分地区降水最多的季节在夏季,而江南地区和横断山脉中西部地区降水最多的季节是在春季、南海地区降水最多的季节是在秋季。从月降水峰值和滑动3个月平均降水峰值上看,可以看出我国季节性降水的大致演变特征,降水最早发生在我国江南地区和藏东南滇西北的横断山脉中西部地区并最先达到峰值,然后降水范围由我国江南地区向南、向西、向北扩展。从候降水峰值特征上分析,可以得到我国季节性降水多峰值的空间分布特征和细致演变特征。我国北方大多数台站的降水峰值特征是单峰型,发生在夏季风降水最鼎盛的时期。在东南部的许多地区,降水呈现出双峰型和三峰型的峰值特征。其中,双峰型的站点,除夏季的峰值外,在春季或秋季还存在一个峰值;三峰型的站点,除夏季的峰值外,在春季和秋季均存在一个峰值。候降水主峰值大部分发生在夏季,与夏季风的推进,副热带高压(以下简称副高)的北迸西伸相一致,特殊的有两个降水峰值时间最早地区(峰值时间在春季)和两个降水峰值时间最晚的地区(峰值时间在秋季)。候降水主峰值出现最早的两个地区是藏东南滇西北的横断山脉中西部地区以及湖南南部、广东广西北部的南岭山区。候降水主峰值出现最晚的两个地区是秦岭北侧的关中地区以及广东沿海及海南地区,同时,这两个地区也是我国雨季结束较晚的地区。横断山脉中西部地区雨季开始最早,持续时间最长,其峰值特征最丰富;华北地区雨季来的迟,结束的早,是我国雨季最短的地区之一。
2.揭示了横断山脉中西部地区和江南地区降水的多峰值季节变化特征。我国春季降水主要集中于我国副热带地区,特征最显著的就是存在一东一西两个明显的春雨区:横断山脉中西部地区和江南地区,从其全年降水演变上看,两个地区有着类似的特征:雨季时间发生早,3月份开始进入雨季,4月左右就发生第一个降水峰值;降水峰值多,候降水峰值类型三峰型,三个峰值分别发生在春季、夏季和秋季;年降水总量大,年降水量超过1200mm。横断山脉中西部地区由于位置特殊,常年处于西南风辐合上升的地区,其降水的季节演变与风场的季节演变存在较好的相关。从大气环流季节转换的角度看,横断山脉中西部地区和江南地区的春雨发生较早均与大气环流的季节转换有关。从第10候起,中南半岛西部和印度半岛附近地面感热通量迅速增加,低层(850hPa)大气温度迅速升高,很快气温超过了年平均气温水平,低层气温上升后,中层(700hPa)位势高度增加,在中南半岛西部和印度半岛附近到青藏高原南侧的横断山脉中西部地区之间的位势高度梯度增加,西风风速增加,横断山脉中西部地区西风辐合加强,全年第一个雨季开始。同时,青藏高原东南侧西南急流风速中心使得其下游江南地区西南风速辐合明显,从而直接导致了江南地区水汽的辐合明显,导致了江南春雨的形成。
3.揭示了我国秋雨的区域差异和季节演变规律。我国秋季降水特征也存在两个明显的雨区:华西秋雨和南海秋雨。在广大的华西秋雨区中,又以关中平原地区最为显著,其秋季的降水峰值超过了夏季降水峰值,因而成为大陆上峰值时间发生最晚的地区。关中平原的显著秋雨特征与秦岭的大地形作用密不可分。对秦岭北侧的关中平原而言,夏季由于秦岭的阻挡,增加了水汽到达关中地区的难度,使得夏季降水峰值较秦岭南侧的陕南地区要少很多,而秋季南下的冷空气,由于秦岭的作用在关中平原地区辐合上升,更加有利于降水。南海秋雨降水主要集中于8-10月,主要与低层的南海低压以及中层副高的位置密切相关。低层的南海低压有利于从海上带来的水汽辐合,中层副高西南侧的东南气流,有利于台风、热带低压等东风带天气系统的活动沿着副高西南侧从南海向西北方向发展,形成南海地区有利的降水条件。而热带太平洋的海温对副高位置有重要影响,故热带太平洋海温对南海秋雨也有重要影响。8-10月份Nino3.4指数和同期海南岛站点平均降水量之间的相关能够达到-0.47,超前三个月(即5-7月)的相关亦能达到-0.43。因此,5-7月的Nino3.4指数可以作为预测8-10月南海秋雨的重要参考指标。
4.揭示了降水年代际变化对降水季节变化特征的影响。发生在上个世纪70年代末期的年代际降水事件,使我国降水空间格局发生了变化。年代际降水变化的季节差异对我国季节性降水的峰值特征也产生了重要影响。发生在4-5月的江南春雨减少和发生在9月的华西秋雨减少,使得江南春雨区的春季峰值降水量和华西秋雨区的秋季峰值降水量都减小;同时,从月峰值看,春雨区和秋雨区的范围显著缩小。4-5月春雨区降水的减少有鲜明的区域差异,在其西南部4月降水减少较为明显,而在东北部则是5月降水减少较为明显。发生在7-8月的“南涝北旱”现象,使得峰值特征发生了相应变化,长江下游地区夏季峰值降水增加,而华北地区夏季峰值降水减少。“南涝北旱”特征也呈现出区域差异,在江南降水增加的地区,西部以7月增加较为显著,而东部以8月增加较为显著;在华北降水减少的地区,南部以7月减少较为显著,而北部则是8月减少较为显著。总体上看,降水呈现出往夏季集中的趋势,降水的时空分布更加不均匀。云南中北部地区是近年干旱化程度较重的地区,其降水年代际变化表现出显著减少,主峰值降水量减少且主峰值时间也向前移,使得云南中北部的干旱化,特别是传统“干季”(冬春季)的干旱面临更加严峻形势。
5.建立了模式评估标准,开展了模式评估。大气环流模式对我国季节性降水峰值特征有一定的模拟能力。高低分辨率的大气环流模式无论从季节峰值、月峰值还是候峰值,均能将季节性降水主峰值在我国江南地区最早发生然后逐步向北、向西、向南发展的总体特征模拟出来,同时,南海秋雨地区从北到南降水最集中的时间的差异,峰值降水季节出现时间呈现出由北向南滞后的特征均能表现出来。相对低分辨率模式而言,高分辨率模式由于分辨率的提高,对于一些季节性降水峰值区域特征显著的地区,模拟能力有明显的提高。比如能模拟出较早发生在横断山脉中西部地区春雨的春季峰值,以及华西秋雨地区峰值时间最晚到来的特征。同时,高低分辨率的大气环流模式,在模拟上也存在着一些不足,主要表现在夏季降水模拟偏弱,导致长江以北的地区月降水峰值特征比实际的要早1个月,江南地区降水的候峰值时间也明显偏早。