华南前汛期降水时空变异规律
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摘要
华南前汛期是东亚副热带地区雨带向中国大陆推进的第一个典型阶段。华南前汛期开始和结束日期的确定、降水型和环流异常特征以及大气和海温如何影响前汛期降水的机制一直是人们关注的热点问题。本文利用NCEP/NCAR再分析资料以及中国790站逐日降水等资料,使用多种统计方法,通过合成分析、动力和天气学诊断,对上述问题进行了较为系统深入的分析。取得的主要成果有：
(1)提出了在确定华南前汛期开始／结束日期的问题上,主要应考虑环流背景(表现为大气环流的转变及雨带的建立)和区域集中降水两个方面,来选择研究区域和站点,并由此定义了划分华南前汛期开始和结束日期的客观标准。结果表明,华南前汛期开始于4月第1候(19候),结束于6月第4候(34候),其降水具有明显的阶段性特征。其中开始阶段(4月份)的降水以锋面降水为主,而5、6月份的盛期降水则主要是季风降水。前汛期开始前,环流形势有利于华南地区增暖增湿；开始以后则有利于冷空气南下,造成连续降水,使华南进入前汛期。而前汛期的结束,则是由于东亚大气环流的季节调整,尤其是副热带高压的第次北跳所造成的。
(2)定义了一个能够表征前汛期降水特征的华南前汛期降水指数,分析发现华南前汛期降水具有显著的年际变化特征,主要存在2-4年和准8年的年际振荡周期。近48年来,华南前汛期降水年际异常总体表现为下降趋势,该趋势是造成华南区域年总降水量减少的趋势的主要原因。前汛期降水具有4种不同的空间分布型(即全区一致旱、涝型,东多(少)西少(多)型,南多(少)北少(多)和中间偏多(少)而东、西偏少(多)型),其中以全区一致偏涝／旱为主要分布型。前汛期开始日或结束的迟、早对前汛期雨量大小影响很大,这两个日期之间具有弱的正相关关系。
(3)华南前汛期降水偏多时,亚洲东部上空300N附近存在一个以北太平洋风暴轴为轴线对称分布的正、负偶极子形势。前期冬季副高偏强,位置偏南、西伸明显；极涡较强,西伯利亚平原为高压控制,中纬度冷空气活动频繁,东亚大槽深厚、位置偏南,南支槽活跃时,是华南前汛期降水偏多的有利环流条件。降水偏多还对应着强的北太平洋涛动(NPO)、强的北大西洋涛动(NAO)和正的南方涛动(SO)指数。位于西太平洋地区的热带大气环流异常将通过类似EAP型的遥相关波列间接影响华南前汛期降水。
(4)赤道东、西太平洋等主要关键区的海温异常与华南前汛期降水指数的时滞相关关系,在大约2-3年(30个月左右)的时间里,经历了一个从正(或负)相关到负(或正)相关的位相转换。该时滞相关过程及海温异常的变化型式,同热带太平洋SST年际变化主模态,即ENSO振荡类似。西太平洋暖池区120°E～180,20°S～20°N是前汛期降水具有预报意义的负相关海温关键区。赤道太平洋海温影响华南前汛期降水的主模态,是ENSO模态,即：当处于ENSO模态的正位相时,前期冬季热带西太平洋暖池海温异常偏冷、赤道东太平洋海温异常偏暖分布时,则华南前汛期降水将偏多；当处于ENSO模态的负位相时,则降水偏少。另外还发现热带西太平洋海温异常信号要比赤道东太平洋的异常信号提前4个月左右出现。
(5)前期冬季海温关键区影响前汛期降水的可能物理过程是：当热带西太平洋暖池偏暖时,菲律宾周围对流活动会加强,这将引起北半球Nitta波列行星尺度扰动的异常。暖池附近对流活动异常,还可能导致Walker环流和东亚太平洋中、低纬局地Hadley环流的异常；而局地Hadley环流的异常可通过影响大气环流的遥相关波列,即使前汛期期间北半球500hPa高度场上出现有利于西太平洋副高偏东(偏西),东亚中纬度槽减弱(加深)及鄂海阻高减弱(加强)的形势,从而造成华南前汛期降水偏少(多)
(6)近50年来,华南前汛期开始日期有逐渐推迟趋势,而结束日期有逐渐提前趋势,因此,前汛期雨期长度总体有缩短趋势。华南前汛期雨季开始早晚与前期冬季大气环流存在显著的相关。当冬季北半球中高纬度具有较强的西风急流时,其北侧气旋环流越强(东亚大槽强)、南侧北太平洋副热带反气旋越强(副高强),欧亚经向环流分量大,东亚冬季风强,有利于冷空气南下,造成前汛期开始日期偏早,反之前汛期开始就越晚。而对于结束日期偏早的年份,前期冬季副热带高压异常偏强、位置西伸,东亚大槽位置偏南、强度偏强,南北气压梯度大,东亚地区具有异常强大的冬季风。
(7)华南前汛期开始日期早、晚年海温距平分布差异显著。当开始日期偏早,前期冬季热带西太平洋暖池海温异常偏低,东亚大陆东部沿海至北太平洋西部海温偏高,而赤道东太平洋海温异常偏低；对于偏晚年份,海温异常相反。海温场与华南前汛期结束日期的相关分析结果表明,前期冬季北太平洋中部到东亚沿岸以及热带西太平洋暖池海域的海温,是影响结束日期的正、负显著相关区。当前汛期结束日期偏早时,前期冬季暖池区海温偏高,而北太平洋中、西部海温偏低。晚结束年正好相反。
The First Rainy Season (FRS) in South China is the first typical stage of the rain belt in East Asian subtropical area which progresses stage by stage on China mainland. The definitions on the onset and end dates of FRS, its spatio-temporal precipitation varivbilities, the anomalies of circulation features and its possible mechanisms influenced by the atmosphere and the oceans are always hot issues in this field. By using NCEP/NCAR reanalysis data, and760stations daily precipitation data in china, composite analysis, dynamic and synoptic diagnosis analysis are performed generally to investigate the above scientific issues on FRS via multiplicate statistical methods. The major conclusions are as follows:
(1) Onset and end of FRS in China are examined for the period1957-2004. Two aspects, one is the circulation background which represents the transformation of the general circulations and the setup of the rain belt and the other is the regional concentration of precipitation which has been treated with5-day averages (pentads), are the primary factors to mark off the dates. After choosing the appropriate research area and stations in South China, the onset and end dates are determined objectively by a set of thresholds. Results show that the FRS begins in the19th pentad (1st pentad in April) and ends in the34th pentad (4th pentad in June) in which the rainfall has distinctive staggered features. FRS is composed of the frontal precipitation period and the summer monsoon precipitation period. It is found that the general circulation favors the increase in temperature and humidity around the beginning so as to consequently cause the remarkable rainfall while the ending of the FRS is due to the seasonal transition of the general circulation in East Asia, especially with the first northward shift of the Western Pacific Subtropical High (WPSH).
(2) An index of FRS is defined which can represent the features of precipitation during FRS. Results show that the precipitation have obvious interannual variability with2-4years and quasi-8years periods. Its interannual trend descends substantively in recent48years which might be the main reason for the decrease in annually total rainfall in South China. The spatial distribution of FRS precipitation has four different patterns in which the whole region rains identically more or less is the main mode. Being early or late of the beginning or ending dates of FRS has remarkable influence on its precipitation and there has a weak positive relationship between the onset and the end.
(3) When it rains more during FRS, there exits a kind of dipoles circulation which distribute symmetrically around the northern Pacific storm track at30°N over East Asia. The favorite conditions for positive anomalies in precipitation include a stronger WPSH shifting westward and migrating southward, the strengthened Asian polar vortex, a high pressure dominating on the Siberian Plain, activities of the cold air in mid-latitude with high frequency, a deeper Asian trough moving southward, and an active southern branch trough in Indo-China Peninsula. These anomaly patterns also correspond to the strong Northern Pacific Oscillation (NPO), the strong northern Atlantic oscillation and the positive index of Southern Oscillation (SO). The tropic circulation anomaly in Western Pacific will have an indirect influence on the FRS precipitation via a kind of teleconnection similar to the East Asia-Pacific teleconnection wave train.
(4) The lag and simultaneous correlations between precipitation in South China and the sea surface temperature (SST) in some key regions, such as the western and eastern Pacific Ocean, experiences a shift of inversion which changes from positive to negative in2～3years (that is about30months). The course of these correlations and the sea surface temperature anomaly (SSTA) pattern is similar to the El Nino-Southern Oscillation (ENSO). The area of120°E～180,20°S～20°N is a key region in western Pacific warm pool whose SSTA is negatively sensitive to FRS rainfall. The leading mode that the SSTA in tropic Pacific Ocean exerts its influence on FRS rainfall is ENSO mode. When it is in positive phase of ENSO cycle with cold SSTA in the Western Pacific Warm Pool and warm SSTA in the equatorial Eastern Pacific, it rains more than usual during the FRS. While in its negative phase of ENSO cycle, the rainfall is relative less. The abnormal signal in tropical Western Pacific appears4months earlier than that in the equatorial Eastern Pacific Ocean.
(5) The possible mechanism that the key regional SSTA in pre-winter influences the FRS precipitation might be:when the tropical Western Pacific SST is warmer, the convective activities over the sea near Philippines will be strengthened. This will generate an anomalous planet-scale disturbance like Nitta waveband in Northern hemisphere. The anomalous convective activities will also bring on the anomalies of Walker circulation and regional Hadley circulation in mid-low latitude over Eastern Asian Pacific. The latter, via the East Asia-Pacific teleconnection wave train, will play its role on the abnormal of500hPa geopotential height in Northern hemisphere. This type of distribution will be benefit to the east (west) shifting of the WPSH, the weakening of the mid-latitude trough in East Asia and the dropping of the Okhotsk high. Consequently, these will induce it rains more than usual during FRS.
(6) The beginning of FRS has a delaying trend while the ending shows a trend of ahead over the past50years. So the total length of FRS days tends to be shorter. The dates of beginning and ending have significant correlations with the pre-winter circulations. When the Northerri'hemisphere Westerlies Jet is stronger in mid-high latitude, with the strengthened abnormal cyclonic circulation on the north side of the Jet (showing a deeper East Asia trough) and the strengthened anti-cyclonic circulation on the south side (displaying a stronger subtropical high), indicating that the meridinal circulation is dominant and the winter monsoon is powerful. This is in favor of the southward invasion of the cold air and results in an earlier onset of FRS, and vice versa. As for the earlier end years, it shows a stronger and more westward WPSH in the previous winter, with a southward migrating and stronger East Asia trough in mid-high latitude. The meridinal pressure gradient is much greater indicating that the winter monsoon is abnormally intensified.
(7) The SSTA displays significant differences between the early and late onset years. For the early years, the pre-winter SST in tropic Western Pacific warm pool is colder while the SST from the coastal of East Asia to the west part of North Pacific is warmer with colder SSTA in equatorial East Pacific. As for the late years, the SSTA has opposite features. Results also show that the two regions, on lies from the middle of Northern Pacific to the coastal of East Asia and the other is in the warm pool of Western Pacific, are the significantly positive or negative sea areas correlated with the end of FRS in pre-winter, respectively. When FRS ends earlier, it has positive SST anomalies in warm pool and negative anomalies in mid-west Northern Pacific, and vice versa.
(1)提出了在确定华南前汛期开始／结束日期的问题上,主要应考虑环流背景(表现为大气环流的转变及雨带的建立)和区域集中降水两个方面,来选择研究区域和站点,并由此定义了划分华南前汛期开始和结束日期的客观标准。结果表明,华南前汛期开始于4月第1候(19候),结束于6月第4候(34候),其降水具有明显的阶段性特征。其中开始阶段(4月份)的降水以锋面降水为主,而5、6月份的盛期降水则主要是季风降水。前汛期开始前,环流形势有利于华南地区增暖增湿；开始以后则有利于冷空气南下,造成连续降水,使华南进入前汛期。而前汛期的结束,则是由于东亚大气环流的季节调整,尤其是副热带高压的第次北跳所造成的。
(2)定义了一个能够表征前汛期降水特征的华南前汛期降水指数,分析发现华南前汛期降水具有显著的年际变化特征,主要存在2-4年和准8年的年际振荡周期。近48年来,华南前汛期降水年际异常总体表现为下降趋势,该趋势是造成华南区域年总降水量减少的趋势的主要原因。前汛期降水具有4种不同的空间分布型(即全区一致旱、涝型,东多(少)西少(多)型,南多(少)北少(多)和中间偏多(少)而东、西偏少(多)型),其中以全区一致偏涝／旱为主要分布型。前汛期开始日或结束的迟、早对前汛期雨量大小影响很大,这两个日期之间具有弱的正相关关系。
(3)华南前汛期降水偏多时,亚洲东部上空300N附近存在一个以北太平洋风暴轴为轴线对称分布的正、负偶极子形势。前期冬季副高偏强,位置偏南、西伸明显；极涡较强,西伯利亚平原为高压控制,中纬度冷空气活动频繁,东亚大槽深厚、位置偏南,南支槽活跃时,是华南前汛期降水偏多的有利环流条件。降水偏多还对应着强的北太平洋涛动(NPO)、强的北大西洋涛动(NAO)和正的南方涛动(SO)指数。位于西太平洋地区的热带大气环流异常将通过类似EAP型的遥相关波列间接影响华南前汛期降水。
(4)赤道东、西太平洋等主要关键区的海温异常与华南前汛期降水指数的时滞相关关系,在大约2-3年(30个月左右)的时间里,经历了一个从正(或负)相关到负(或正)相关的位相转换。该时滞相关过程及海温异常的变化型式,同热带太平洋SST年际变化主模态,即ENSO振荡类似。西太平洋暖池区120°E～180,20°S～20°N是前汛期降水具有预报意义的负相关海温关键区。赤道太平洋海温影响华南前汛期降水的主模态,是ENSO模态,即：当处于ENSO模态的正位相时,前期冬季热带西太平洋暖池海温异常偏冷、赤道东太平洋海温异常偏暖分布时,则华南前汛期降水将偏多；当处于ENSO模态的负位相时,则降水偏少。另外还发现热带西太平洋海温异常信号要比赤道东太平洋的异常信号提前4个月左右出现。
(5)前期冬季海温关键区影响前汛期降水的可能物理过程是：当热带西太平洋暖池偏暖时,菲律宾周围对流活动会加强,这将引起北半球Nitta波列行星尺度扰动的异常。暖池附近对流活动异常,还可能导致Walker环流和东亚太平洋中、低纬局地Hadley环流的异常；而局地Hadley环流的异常可通过影响大气环流的遥相关波列,即使前汛期期间北半球500hPa高度场上出现有利于西太平洋副高偏东(偏西),东亚中纬度槽减弱(加深)及鄂海阻高减弱(加强)的形势,从而造成华南前汛期降水偏少(多)
(6)近50年来,华南前汛期开始日期有逐渐推迟趋势,而结束日期有逐渐提前趋势,因此,前汛期雨期长度总体有缩短趋势。华南前汛期雨季开始早晚与前期冬季大气环流存在显著的相关。当冬季北半球中高纬度具有较强的西风急流时,其北侧气旋环流越强(东亚大槽强)、南侧北太平洋副热带反气旋越强(副高强),欧亚经向环流分量大,东亚冬季风强,有利于冷空气南下,造成前汛期开始日期偏早,反之前汛期开始就越晚。而对于结束日期偏早的年份,前期冬季副热带高压异常偏强、位置西伸,东亚大槽位置偏南、强度偏强,南北气压梯度大,东亚地区具有异常强大的冬季风。
(7)华南前汛期开始日期早、晚年海温距平分布差异显著。当开始日期偏早,前期冬季热带西太平洋暖池海温异常偏低,东亚大陆东部沿海至北太平洋西部海温偏高,而赤道东太平洋海温异常偏低；对于偏晚年份,海温异常相反。海温场与华南前汛期结束日期的相关分析结果表明,前期冬季北太平洋中部到东亚沿岸以及热带西太平洋暖池海域的海温,是影响结束日期的正、负显著相关区。当前汛期结束日期偏早时,前期冬季暖池区海温偏高,而北太平洋中、西部海温偏低。晚结束年正好相反。
The First Rainy Season (FRS) in South China is the first typical stage of the rain belt in East Asian subtropical area which progresses stage by stage on China mainland. The definitions on the onset and end dates of FRS, its spatio-temporal precipitation varivbilities, the anomalies of circulation features and its possible mechanisms influenced by the atmosphere and the oceans are always hot issues in this field. By using NCEP/NCAR reanalysis data, and760stations daily precipitation data in china, composite analysis, dynamic and synoptic diagnosis analysis are performed generally to investigate the above scientific issues on FRS via multiplicate statistical methods. The major conclusions are as follows:
(1) Onset and end of FRS in China are examined for the period1957-2004. Two aspects, one is the circulation background which represents the transformation of the general circulations and the setup of the rain belt and the other is the regional concentration of precipitation which has been treated with5-day averages (pentads), are the primary factors to mark off the dates. After choosing the appropriate research area and stations in South China, the onset and end dates are determined objectively by a set of thresholds. Results show that the FRS begins in the19th pentad (1st pentad in April) and ends in the34th pentad (4th pentad in June) in which the rainfall has distinctive staggered features. FRS is composed of the frontal precipitation period and the summer monsoon precipitation period. It is found that the general circulation favors the increase in temperature and humidity around the beginning so as to consequently cause the remarkable rainfall while the ending of the FRS is due to the seasonal transition of the general circulation in East Asia, especially with the first northward shift of the Western Pacific Subtropical High (WPSH).
(2) An index of FRS is defined which can represent the features of precipitation during FRS. Results show that the precipitation have obvious interannual variability with2-4years and quasi-8years periods. Its interannual trend descends substantively in recent48years which might be the main reason for the decrease in annually total rainfall in South China. The spatial distribution of FRS precipitation has four different patterns in which the whole region rains identically more or less is the main mode. Being early or late of the beginning or ending dates of FRS has remarkable influence on its precipitation and there has a weak positive relationship between the onset and the end.
(3) When it rains more during FRS, there exits a kind of dipoles circulation which distribute symmetrically around the northern Pacific storm track at30°N over East Asia. The favorite conditions for positive anomalies in precipitation include a stronger WPSH shifting westward and migrating southward, the strengthened Asian polar vortex, a high pressure dominating on the Siberian Plain, activities of the cold air in mid-latitude with high frequency, a deeper Asian trough moving southward, and an active southern branch trough in Indo-China Peninsula. These anomaly patterns also correspond to the strong Northern Pacific Oscillation (NPO), the strong northern Atlantic oscillation and the positive index of Southern Oscillation (SO). The tropic circulation anomaly in Western Pacific will have an indirect influence on the FRS precipitation via a kind of teleconnection similar to the East Asia-Pacific teleconnection wave train.
(4) The lag and simultaneous correlations between precipitation in South China and the sea surface temperature (SST) in some key regions, such as the western and eastern Pacific Ocean, experiences a shift of inversion which changes from positive to negative in2～3years (that is about30months). The course of these correlations and the sea surface temperature anomaly (SSTA) pattern is similar to the El Nino-Southern Oscillation (ENSO). The area of120°E～180,20°S～20°N is a key region in western Pacific warm pool whose SSTA is negatively sensitive to FRS rainfall. The leading mode that the SSTA in tropic Pacific Ocean exerts its influence on FRS rainfall is ENSO mode. When it is in positive phase of ENSO cycle with cold SSTA in the Western Pacific Warm Pool and warm SSTA in the equatorial Eastern Pacific, it rains more than usual during the FRS. While in its negative phase of ENSO cycle, the rainfall is relative less. The abnormal signal in tropical Western Pacific appears4months earlier than that in the equatorial Eastern Pacific Ocean.
(5) The possible mechanism that the key regional SSTA in pre-winter influences the FRS precipitation might be:when the tropical Western Pacific SST is warmer, the convective activities over the sea near Philippines will be strengthened. This will generate an anomalous planet-scale disturbance like Nitta waveband in Northern hemisphere. The anomalous convective activities will also bring on the anomalies of Walker circulation and regional Hadley circulation in mid-low latitude over Eastern Asian Pacific. The latter, via the East Asia-Pacific teleconnection wave train, will play its role on the abnormal of500hPa geopotential height in Northern hemisphere. This type of distribution will be benefit to the east (west) shifting of the WPSH, the weakening of the mid-latitude trough in East Asia and the dropping of the Okhotsk high. Consequently, these will induce it rains more than usual during FRS.
(6) The beginning of FRS has a delaying trend while the ending shows a trend of ahead over the past50years. So the total length of FRS days tends to be shorter. The dates of beginning and ending have significant correlations with the pre-winter circulations. When the Northerri'hemisphere Westerlies Jet is stronger in mid-high latitude, with the strengthened abnormal cyclonic circulation on the north side of the Jet (showing a deeper East Asia trough) and the strengthened anti-cyclonic circulation on the south side (displaying a stronger subtropical high), indicating that the meridinal circulation is dominant and the winter monsoon is powerful. This is in favor of the southward invasion of the cold air and results in an earlier onset of FRS, and vice versa. As for the earlier end years, it shows a stronger and more westward WPSH in the previous winter, with a southward migrating and stronger East Asia trough in mid-high latitude. The meridinal pressure gradient is much greater indicating that the winter monsoon is abnormally intensified.
(7) The SSTA displays significant differences between the early and late onset years. For the early years, the pre-winter SST in tropic Western Pacific warm pool is colder while the SST from the coastal of East Asia to the west part of North Pacific is warmer with colder SSTA in equatorial East Pacific. As for the late years, the SSTA has opposite features. Results also show that the two regions, on lies from the middle of Northern Pacific to the coastal of East Asia and the other is in the warm pool of Western Pacific, are the significantly positive or negative sea areas correlated with the end of FRS in pre-winter, respectively. When FRS ends earlier, it has positive SST anomalies in warm pool and negative anomalies in mid-west Northern Pacific, and vice versa.
引文
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