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目录 contents

    摘要

    基于京津冀地区逐日和逐时降水资料,对1970年以来变暖背景下该地区盛夏(7月和8月)和初秋(9月)降水的变化特征分析后:近46年京津冀地区盛夏降水显著减少,在1990年代末由多雨转为少雨位相,降水日变化上,不同时段的降水皆明显减少,其中持续性降水事件的变化对总降水量减少的贡献更大。而初秋降水明显增加,且在2000年代初发生跃变,由少雨转为多雨位相,夜间降水明显增加,并且持续性降水的增加和跃变是初秋降水增加的主要原因。进一步分析发现,日最高气温的变化与短时降水有较好的时间关系,盛夏时最高气温在1997年发生跃变,从较低位相跃变为较高位相,对应的,盛夏短时降水也同年发生跃变,由多雨转为少雨位相。而初秋的最高气温变化不明显,短时降水也没有发生跃变,无明显的变化趋势。此外,在环流场上,2000年代后,盛夏时欧亚中高纬阻高活动加强,阻碍了中纬度西风扰动输送水汽到京津冀地区,东亚急流偏南,京津冀地区上升气流受到抑制,不利于降水产生;而初秋时,输送至京津冀地区的水汽增加,东亚急流偏北,京津冀地区上升气流加强,贝加尔湖地区低槽受到东部高压阻挡,经向环流加强,有利于冷空气的活动,同时,西太平洋副高强度增强位置偏北,有利于降水的形成。东亚海陆热力差指数在初秋的增强反映出东亚夏季风在夏末秋初的南撤过程发生延迟,形成了以上有利于初秋降水的环流形势,导致了“夏雨秋下”的现象的出现。

    Abstract

    Based on daily and hourly precipitation data collected at 33 meteorological observational stations in Beijing-Tianjin-Hebei during 1970-2015, spatial and temporal characteristics of midsummer (July and August) and early Autumn (September) precipitation are analyzed. It is found that the midsummer precipitation decreases significantly during the past 46 years, and the midsummer shifts from rainy phase to rainless phase at the end of the 1990s. From the point of view of diurnal precipitation variation, accumulated precipitation at any intervals and individual hours of the day has been decreasing since the late 1990s. Decreases in long-duration precipitation make more contribution to the decreasing trend of total midsummer precipitation. On the other hand, precipitation in early autumn exhibits an increasing trend, and early autumn shifts from rainless phase to rainy phase at the beginning of the 2000s. There is an obvious increase of nocturnal precipitation during the recent decade. And increases in long-duration precipitation are largely responsible for the phase shift and increases in total precipitation in early autumn. Further analysis reveals that monthly mean daily maximum temperature shifts from low-temperature phase to high-temperature phase at 1997, accordingly, short-duration precipitation shifts from rainy phase to rainless phase in the midsummer. Note that monthly mean daily maximum temperature and short-duration precipitation in early autumn show no obvious trend. Also, it is found that the retreat of the East Asian summer monsoon delays during late summer and early autumn, leading to the phenomenon of delays of midsummer precipitation until early autumn in Beijing-Tianjin-Hebei. The results show that the blocking high has intensified over the mid-high latitudes of Eurasia in the midsummer since early 2000s, resulting in less water vapor transport by the mid-latitude westerly jet to Beijing-Tianjin-Hebei. Meanwhile, the East Asian jet shifts southward while the ascending motions over Beijing-Tianjin-Hebei become weak. The above circulation patterns lead to less precipitation in the midsummer. In contrast, more water vapor can be transported to Beijing-Tianjin-Hebei in early autumn due to the northward shift of the East Asia jet and intensified ascending motions over Beijing-Tianjin-Hebei since early 2000s. Meridional circulation also strengthens since the low trough in Lake Baikal is blocked by the high pressure system to its east, which is in favor of cold air activities. Meanwhile, the western Pacific subtropical high intensifies and shifts further north. The above circulation changes lead to more precipitation in early autumn in Beijing-Tianjin-Hebei. Besides, the index of land-sea thermal difference shows a significant increasing trend in early autumn, which may reflects a delayed southward retreat of the East Asian summer monsoon.

  • 1 前言

    IPCC第五次评估报告指出( IPCC,2013),自19世纪后叶开始,全球地表平均气温不断上升。而依据克劳修斯-克拉伯农关系,地面气温上升有助于提升大气中的水汽含量,增强大气的持水能力,这就为增加降水提供了有利的条件( Allen and Ingram,2002 Trenberth et al.,2003)。但在实际情况中,降水的变化趋势较为复杂,存在多种时间和空间尺度的变化,并且降水总量、频率、极端降水事件和降水的日变化特征等都存在明显的区域性和季节性差异( Zhai et al.,2005 杨金虎等,2008 Li et al.,2011)。

    京津冀是中国的“首都圈”,随着京津冀协同发展,城市群不断建设发展,其对水资源的需求日益加强。地表水和地下水是目前京津冀地区主要的水源,而降水是这两者的最终来源,因而是水资源中最重要的环节。但由于京津冀地区受到季风气候影响,降水量变率大,使得洪涝和干旱灾害频繁交替。而自1970年代以来华北地区降水减少的趋势非常显著(叶笃正和黄荣辉,1996 丁一汇等,2007),水资源日趋紧张。因此有必要深入分析和研究京津冀地区的降水特征和变化。

    已有的关于京津冀地区降水时空分布特征的研究主要集中在对降水总量的变化或者极端降水事件的发生频率上,研究时段也多是降水较多的夏季或盛夏。但对于盛夏至初秋时段的降水演变情况却少有关注。值得注意的是,模式模拟结果表明,受到变暖的影响,中国东部地区水汽输送和层结不稳定将加强,强降水的结束时间将出现推迟( 陈活泼,2013),并且华北地区雨季也会发生延迟( 布和朝鲁,2003 布和朝鲁和林永辉,2003)。考虑到未来的气温很有可能持续平稳增暖( 姜大膀等,2004 王绍武等,2012 赵宗慈等,2015 苏京志等,2016),再次审视和分析1970年代至今在全球变暖背景下的降水情况有利于对未来情景的预估和判断,而分析盛夏至初秋时段的降水变化情况将进一步完善现有的增暖背景对降水影响的认识。

    由于目前针对京津冀地区盛夏至初秋降水演变特征和环流影响方面的研究较为有限,因而本文利用逐日和逐时降水资料,在1970~2015年全球变暖加剧的背景下,探讨了盛夏(7月和8月)和初秋(9月)降水的变化趋势和特征,并初步探讨了大气环流和海温的影响,研究结果将进一步加深对该地区降水变化特征和趋势的认识。

  • 2 资料和方法

  • 2.1 京津冀地区站点资料与统计方法

    本文所用逐日和逐时降水资料是中国气象局国家气象信息中心整理,并通过气候极值检验、单站极值检验和数据一致性检验等质量控制。为防止偏差,文中进一步进行质量控制,将逐时降水资料与同站的逐日降水资料进行比对,如逐时资料累积的日降水量偏差大于逐日降水资料中降水量的10%,该日资料会被舍弃( Yu et al.,2010)。在此基础上,若某年有效观测数低于15%,则将该年数据记为缺测。1970~2015年有完整盛夏和初秋逐日和逐时降水资料的全国站点为760站,其中本文选取京津冀地区33个站点进行分析(站点的分布情况如图1)。文中所用时间均是北京时间。

    图1
                            1970~2015年京津冀地区月平均(a、b)降水量[单位:mm (10 a)−1]和(c、d)降水时数[单位:h (10 a)−1]在盛夏(左列)和初秋(右列)变化趋势的空间分布。实心点表示达到0.1显著性水平

    图1 1970~2015年京津冀地区月平均(a、b)降水量[单位:mm (10 a)−1]和(c、d)降水时数[单位:h (10 a)−1]在盛夏(左列)和初秋(右列)变化趋势的空间分布。实心点表示达到0.1显著性水平

    Fig. 1 Trends of monthly (a, b) precipitationamount [units: mm (10 a)−1] and (c, d) rainy hours [units: h (10 a)−1] in (a, c) midsummer and (b, d) early autumn in Beijing-Tianjin-Hebei from 1970 to 2015. Values statistically significant at the level of 0.1 are marked by solid circles

    本文对时间序列的跃变检验采用 Rodionov(2004,2006)提出的一种基于t检验的循序算法STARS(Sequential t-test Analysis of Regime Shift),该方法可以去除白噪音等不利信号的影响,有效判定跃变的时间点。文中也对降水序列的线性趋势和显著性作了Kendall-tau检验( Sen,1968),显著性水平取0.1。文中趋势图有相当一部分的站点没有通过显著性检验,这可能是由于降水的年际变化差异大造成的( Dai,1999 张焕等,2011)。

  • 2.2 格点资料和水汽计算

    本文也使用了NOAA海温资料和NCEP/NCAR再分析资料,包括风场(u、vω分量)、比湿(q)以及相应的地面气压(ps)资料。

    因为水汽主要集中在对流层中低层,忽略300 hPa以上大气中的水汽,则单位气柱整层大气水汽输送通量Q为(从地面积分到300 hPa)

    Q=1g300ps(Vq)dp .
    (1)

    分别可得在纬向和经向的水汽输送通量:

    Qλ=1g300ps(uq)dp
    (2)
    Qϕ=1g300ps(vq)dp
    (3)

    垂直积分的水汽通量散度的计算公式:

    Qdiv=1g300ps(Vq)dp=1g300psVqdp+1g300psqVdp
    (4)

    其中,右边两项分别为水汽平流和风场散度引起的水汽通量散度项,g为重力加速度,V为二维风矢量,uv分别为纬向和经向风速,q为比湿,ps为地面气压。

  • 2.3 东亚海陆热力差异指数

    利用东亚季风区(27°~35°N,105°E以东的大陆)范围内的气温(TEC)和副热带西北太平洋(15°~30°N,120°~150°E)的海表温度(SSTSTNWP)之差表示东西向热力差异,用华南地区(27°N以南,105°E以东的大陆)的气温(TSC)和南海(5°~8°N,105°~120°E)海表温度(SSTSCS)之差表示南北向海陆热力差, 孙秀荣等(2002)定义了一个东亚海陆热力差指数[Index of Land-Sea Thermal Difference,记为ILSTDILSTD=(TEC-SSTSTNWP)×0.8+(TSC-SSTSCS)×0.2],并讨论了东亚海陆热力差异和东亚环流的年际变化关系。结果表明,该指数能很好地反映东亚夏季风的年际异常变化,指数越大,夏季风越强;指数越小,夏季风越弱。所以ILSTD可称为东亚夏季风强度指数,(强)弱海陆热力差指数年,可以表示为(强)夏季风年。

  • 3 京津冀地区盛夏和初秋降水时空特征

    1为近46年京津冀地区盛夏和初秋月平均降水量和降水时数变化趋势的空间分布。图中可见,盛夏的月平均降水量和降水时数上,33个站点一致呈减少的变化趋势,降幅分别为2.12~18.08 mm (10 a)−1和0.46~7.97 h (10 a)−1,其中京津冀地区中北部降幅较大。但到9月,降水的变化趋势发生转折,除平泉、黄骅和遵化三站降水量呈弱减少的变化外,其余站点降水量增加,其增幅为0.31~12.36 mm (10 a)−1。此外,33站的降水时数一致呈增加趋势,其增幅为1.05~7.62 h (10 a)−1,其中东部的增幅相对较大。

    2为盛夏和初秋月平均的降水量和降水时数的时间序列。盛夏月平均降水量和降水时数都呈现下降的变化趋势,降幅分别为10.65 mm (10 a)−1和3.91 h (10 a)−1,回归方程的线性相关系数皆超过显著性检验,表明降水量和降水时数显著减少。但初秋降水量和降水时数都呈较强的增加趋势,增幅分别为4.64 mm (10 a)−1和3.59 h (10 a)−1,并通过了显著性检验,表明两者呈显著增长的变化。

    图2
                            1970~2015年京津冀地区月平均(a、b)降水量距平(单位:mm)和(c、d)降水时数距平(单位:h)在(a、c)盛夏和(b、d)初秋的时间序列。紫色实线:跃变检验曲线,黑色实线:线性趋势曲线

    图2 1970~2015年京津冀地区月平均(a、b)降水量距平(单位:mm)和(c、d)降水时数距平(单位:h)在(a、c)盛夏和(b、d)初秋的时间序列。紫色实线:跃变检验曲线,黑色实线:线性趋势曲线

    Fig. 2 Time series of monthly (a, b) precipitation anomalies (units: mm) and (c, d) rainy hours anomalies (units: h) in (a, c) midsummer and (b, d) early autumn in Beijing-Tianjin-Hebei from 1970 to 2015. Purple solid lines: the stepwise trend showing regime shifts in the mean detected by the sequential method; black solid lines: linear trend

    进一步采用STARS方法对距平序列作突变检验发现,盛夏的月平均降水量和降水时数分别在1999年和1997年发生突变,由多雨转为少雨位相。这与 胡泊等(2014)的研究结果一致,即1990年代末东亚夏季降水出现突变。但值得注意的是,初秋的降水量在2008年由少雨转为多雨位相,而去除边界效应的影响后,降水时数的突变时间更早,为2002年。

    月平均降水量的变化是由各种类型降水变化共同影响的,这就需要利用更高分辨率的降水资料来深入分析。 宇如聪等(2014)指出,基于小时降水资料开展的降水日变化研究会增强对区域气候特征的认识。

    3为京津冀地区站点平均的累积降水量和降水时数逐时分布。图中可见,京津冀地区降水在正午时段为谷值,较少出现,同时,还存在夜间和午后两个峰值,这与 李建等(2008) Li et al.(2011)的结果一致。图3a和c中可见,盛夏降水在1990年代末出现了明显的转折,其中夜间的累积降水量和降水时数明显减少,只在2000年代末至2010年代初出现高值,而午后的累积降水量在1990年代末后也出现减少,累积降水时数的减少更为明显。与此不同的是,初秋降水在2000年代初出现明显增加,夜间的累积降水量和降水时数增加更为明显。

    图3
                            1970~2015年京津冀地区站点平均的逐年累积的(a、b)降水量(单位:mm)和(c、d)降水时数(单位:h)在盛夏(左列)和初秋(右列)的逐时分布。横轴代表不同时刻,纵轴为年份

    图3 1970~2015年京津冀地区站点平均的逐年累积的(a、b)降水量(单位:mm)和(c、d)降水时数(单位:h)在盛夏(左列)和初秋(右列)的逐时分布。横轴代表不同时刻,纵轴为年份

    Fig. 3 Accumulated (a, b) precipitation (units: mm) and (c, d) rainy hours (units: h) in (a, c) midsummer and (b, d) early autumn at each hour of the day in individual years (by the station mean) in Beijing-Tianjin-Hebei from 1970 to 2015. The X-axis represents the time of the day, and the Y-axis represents years

    已有研究结果表明( 李建等,2008 Li et al.,2011),华北地区午后的降水峰值多与局地的热力条件相联系,而午夜至清晨降水峰值可能与大尺度环流等有关。并且持续时间较长(大于6 h)的降水主要表现为午夜至清晨的降水峰值,而短时阵性(小于等于6 h)降水则以午后峰值为主(图略)。考虑到短时阵性与持续性降水事件在降水日变化等方面存在明显不同,可以认为是两种不同性质的降水事件( Li et al.,2011)。

    本文分别对这两类降水事件的时间序列作STARS跃变检验分析。图4a为盛夏短时降水事件(≤6 h)累积的月平均降水量逐年变化趋势,考虑到边界效应的影响,除去2015年的跃变信号,降水量在1997年出现跃变,由多雨位相转为少雨位相。图4c为站点平均的盛夏持续性降水事件累积的月降水量逐年变化趋势,其降幅大于短时降水事件,为5.60 mm (10 a)−1。而考虑到持续性降水在盛夏总降水中所占比例更大,因此对盛夏降水量减少的贡献更大。除去边界效应的影响,盛夏持续性降水事件没有发生跃变。

    图4
                            1970~2015年京津冀地区(a、b)短时阵性降水和(c、d)持续性降水事件在(a、c)盛夏和(b、d)初秋累积的月平均降水量时间序列(单位:mm)。紫色实线:跃变检验曲线;红色实线:线性趋势曲线

    图4 1970~2015年京津冀地区(a、b)短时阵性降水和(c、d)持续性降水事件在(a、c)盛夏和(b、d)初秋累积的月平均降水量时间序列(单位:mm)。紫色实线:跃变检验曲线;红色实线:线性趋势曲线

    Fig. 4 Time series of monthly precipitation (units: mm) of (a, b) short-duration and (c, d) long-duration rainfall events during (a, c) midsummer and (b, d) early autumn in Beijing-Tianjin-Hebei from 1970 to 2015. Purple solid lines: the stepwise trend showing regime shifts in the mean detected by the sequential method; red solid lines: linear trend

    4b为初秋短时降水事件累积的降水量,变化趋势不明显,增幅仅为0.15 mm (10 a)−1,除去边界效应的影响,没有发生气候跃变。而从图4d中可以看到,除去边界效应的影响,初秋持续性降水事件的累积降水量在2003年发生了跃变,由少雨转为多雨,并且其变化趋势增幅更大,为5.28 mm (10 a)−1。可见初秋降水量的增加主要是由于持续性降水增加造成的。

    综合以上分析发现,盛夏降水在1990年代末由多雨转为少雨位相,降水的日变化上不同时段的降水皆明显减少,短时降水事件的降水量也在1990年代末跃变为少雨位相,而持续性降水事件的降幅更大,并且由于在盛夏降水总量中所占比例更大,因而对降水总量减少的贡献更大。初秋降水在2000年代初发生转折,由少雨转为多雨位相,夜间降水明显增加,并且持续性降水的增加和跃变是初秋降水增加的主要原因。

  • 4 盛夏和初秋降水影响因子分析

    已有的研究表明,华北降水与季风环流紧密相连,其年际年代际变化特征与近几十年来东亚大气环流的独特气候背景密切相关( 周连童和黄荣辉,2003 郝立生等,2011)。 Huang et al.(2013)指出,1990年代末中国东部降水发生了年代际突变,并且这种年代际变化在华北地区较为明显。考虑到盛夏和初秋降水分别在2000年前后发生了跃变,为分析对比环流的变化,故将研究时段划分为前期1970~2000年和后期2001~2015年。

  • 4.1 京津冀地区气温的变化及影响

    1970年以来全球及中国气温不断上升,但各个季节的变化趋势并不一致,并具有较强的区域性特征( 王绍武和叶瑾琳,1995)。从图5中可见,盛夏时,山西南部、陕西南部、河南东部和湖北北部及贵州地区在后期时气温略有下降,长江下游地区气温略有升高,华北和东北等北方地区增暖较为明显。初秋时,后期较前期偏暖的地区主要位于华北和东北等北方地区、西南地区和长江中下游地区。总的来说,东北大部、华北中北部和长江中下游地区初秋的增暖幅度大于盛夏。

    图5
                            1970~2015年中国(a)盛夏和(b)初秋平均气温差值场(后期减去前期;前期1970~2000年和后期2001~2015年)分布(单位:℃)

    图5 1970~2015年中国(a)盛夏和(b)初秋平均气温差值场(后期减去前期;前期1970~2000年和后期2001~2015年)分布(单位:℃)

    Fig. 5 Differences (later period minus early period; early period: 1970-2000, later period: 2001-2015) in temperature (units: ℃) in (a) midsummer and (b) early autumn in China from 1970 to 2015

    从京津冀地区盛夏和初秋平均气温变化趋势分布图上可见(如图6),盛夏时,除承德呈弱降温变化之外,其余站点都呈升温变化,其中北京和河北北部地区增暖更为明显。值得注意的是,该地区盛夏降水减少趋势也较为明显。初秋时的气温变化与盛夏基本一致,但弱降温的站点增加为三个,分别是河北承德、阜平和秦皇岛。

    图6
                            1970~2015年京津冀地区(a)盛夏和(b)初秋月平均气温变化趋势的空间分布[单位:℃(10 a)−1]。实心点表示达到0.1显著性水平

    图6 1970~2015年京津冀地区(a)盛夏和(b)初秋月平均气温变化趋势的空间分布[单位:℃(10 a)−1]。实心点表示达到0.1显著性水平

    Fig. 6 Trends of monthly mean temperature [units: ℃(10 a)−1] in (a) midsummer and (b) early autumn in Beijing-Tianjin-Hebei from 1970 to 2015. Values statistically significant at the level of 0.1 are marked by solid circles

    进一步对京津冀地区站点平均的气温时间序列分析发现(图略),盛夏和初秋的平均气温都呈显著升温,升温幅度分别为0.29℃ (10 a)−1和0.25℃ (10 a)−1,并通过了显著性检验,同时盛夏和初秋的平均气温分别在1997年和1998年跃变,从较低气温转为较高气温位相。

    已有的一些研究表明( Utsumi et al.,2011 孙溦等,20132014),温度升高有利于降水,但是当温度达到一定阈值时,随气温的升高相对湿度大幅减少,则不利于降水。并且这种变化在午后短时降水上更为明显。京津冀地区日最高气温主要出现在午后,并且短时降水也多发生在该时段。对比最高气温和短时降水的变化趋势发现,京津冀地区站点平均的盛夏最高气温同样在1997年发生跃变,由低温位相跃变为高温位相,而初秋时的最高气温没有发生跃变(图7)。对应于文中图4,京津冀地区盛夏短时降水在1997年发生跃变,由多雨转为少雨位相,而初秋时的短时降水没有发生跃变,无明显的变化趋势。

    图7
                            1970~2015年京津冀地区(a)盛夏和(b)初秋月平均的日最高气温(单位:℃)的时间序列。紫色实线:跃变检验曲线,红色实线:线性趋势曲线

    图7 1970~2015年京津冀地区(a)盛夏和(b)初秋月平均的日最高气温(单位:℃)的时间序列。紫色实线:跃变检验曲线,红色实线:线性趋势曲线

    Fig. 7 Time series of monthly meandaily maximum temperature (units: ℃) in (a) midsummer and (b) early autumn in Beijing-Tianjin-Hebei from 1970 to 2015. Purple solid lines: the stepwise trend showing regime shifts in the mean detected by the sequential method; red solid lines: linear trend

  • 4.2 京津冀地区水汽输送的变化

    京津冀地区的降水深受季风环流的影响,而这主要是通过制约水汽输送场的分布造成的( 张人禾,1999 周晓霞等,2008)。影响中国降水的水汽输送主要有四条路径:(1)西南通道:沿南亚季风的北支流经孟加拉湾向我国西南地区输送;(2)南海通道:由105°E附近越赤道气流与南亚季风的南支在南海南部汇合,流经南海北部到达我国南方地区;(3)东南通道:沿西太平洋副高西南侧的东南季风气流带来的水汽;(4)西北通道:从我国西北边境进入的向东输送,主要由中纬度西风扰动形成的水汽输送。这四条水汽通道都影响着华北地区的水汽输送( 黄荣辉等,1999b 田红等,2004)。

    8为后期减去前期的水汽通量差值场。从图8a中可以发现,相比前期,后期盛夏时的京津冀地区水汽辐散加强,西北通道输送的水汽明显减少。同时,沿西太副高西南侧的东南季风气流更多地将水汽输送到江淮地区,而通过东南通道输送到京津冀地区的水汽减少,这也反映了近些年来盛夏南涝北旱的形成。而图8b中,相比前期,后期初秋时的京津冀地区水汽辐合加强,通过东南通道有更多来自西北太平洋的水汽输送至京津冀地区。图8中的后期减去前期的水汽输送差值分布说明,后期盛夏时,京津冀地区南风水汽输送减少,水汽辐散加强,西北通道和东南通道的水汽输送条件较差,大气中水汽含量降低,不利于降水的产生。相反地,后期初秋时节,东南通道输送水汽的条件较好,中国东部地区受到来自西北太平洋的水汽输送加强,提供了充足的水汽条件,有利于持续性降水的产生,因而初秋时降水增加。

    图8
                            1970~2015年东亚地区(a)盛夏和(b)初秋水汽通量差值场(后期减去前期)。矢量为水汽输送q·V差值,单位:kg m−1 s−1,填色为水汽输送辐合辐散差值场,单位:10−5 kg m−2 s−1

    图8 1970~2015年东亚地区(a)盛夏和(b)初秋水汽通量差值场(后期减去前期)。矢量为水汽输送q·V差值,单位:kg m−1 s−1,填色为水汽输送辐合辐散差值场,单位:10−5 kg m−2 s−1

    Fig. 8 Differences (later period minus early period; vectors, units: kg m−1 s−1) in mean moisture fluxes and their divergences (shadings, units:10−5 kg m−2 s−1) vertically integrated from the surface to 300 hPa in (a) midsummer and (b) early autumn in East Asia from 1970 to 2015

    盛夏是东亚夏季风的盛行期,而在初秋时东亚夏季风减弱( 颜映,2012)。周晓霞等(2008)分析发现,从9月减去8月的水汽输送差值Q98分布上,中国大陆东部为偏北风异常,整个印度季风区以及南海和菲律宾以东的洋面基本上是较强的偏东风距平,表明9月亚洲夏季风的势力发生了明显减弱。图9a和b分别对应为前期和后期的Q98,两者都与周晓霞等(2008)的分析一致,反映了亚洲夏季风的衰减。但是进一步用后期的Q98(即图9 b)减去前期的Q98(即图9a)得到图9c,从图中可以看到,后期时我国华北和东北地区偏北风异常相对于前期减弱,通过西北通道向京津冀地区输送的水汽较前期加强,东南通道更多地将水汽输送到我国东部地区,并且京津冀地区水汽在初秋辐合较前期加强,孟加拉湾以及南海和菲律宾以东的洋面的偏东风距平明显减弱,表明后期时亚洲夏季风的衰减较前期延迟。

    图9
                            1970~2015年东亚地区水汽通量差值Q98(9月减去8月)分布:(a)前期;(b)后期;(c)后期减去前期。矢量为水汽输送q·V差值,单位:kg m−1 s−1,阴影区为水汽输送辐合辐散差值场,单位:10−5 kg m−2 s−1

    图9 1970~2015年东亚地区水汽通量差值Q98(9月减去8月)分布:(a)前期;(b)后期;(c)后期减去前期。矢量为水汽输送q·V差值,单位:kg m−1 s−1,阴影区为水汽输送辐合辐散差值场,单位:10−5 kg m−2 s−1

    Fig. 9 Changes in mean moisture fluxes (vectors, units: kg m−1 s−1) and theirdivergences (shadings, units: 10−5 kg m−2 s−1) (Q98, values in September minus those in August) during (a) early period and (b) later period in East Asia from 1970 to 2015, (c) the differences between the two periods (later period minus early period)

  • 4.3 东亚地区500 hPa位势高度场的变化

    观测事实和研究表明,水汽输送异常通常与大气环流异常有十分密切的联系,而影响东亚地区天气气候变化最重要的环流系统主要反映在500 hPa位势高度场上(周浩等,2008)。

    10a为后期减去前期的盛夏500 hPa位势高度差值场,日本海地区有一弱的负值区,而在贝加尔湖有一强正值区,阻塞高压阻挡了冷空气南下,这形成了“西高东低”的环流型,表明后期时的环流型不利于京津冀地区出现降水(梁平德等,2006)。另一方面,后期盛夏时,乌拉尔阻塞、贝加尔湖阻塞和鄂霍次克海阻塞较前期加强,抑制了中纬度西风带的水汽输送,水汽通道强度减小。田红等(2004)也指出,这三个阻塞高压与西北水汽输送通道有很强的相关,当阻塞高压越强,西北通道越弱,华北越容易出现少雨干旱。

    图10
                            1970~2015年东亚地区(a)盛夏和(b)初秋500 hPa位势高度差值场(后期减去前期;单位:gpm)。带点区表示达到0.05的显著性水平,绿色实线为前期的5880 gpm等值线,紫色实线为后期的5880 gpm等值线

    图10 1970~2015年东亚地区(a)盛夏和(b)初秋500 hPa位势高度差值场(后期减去前期;单位:gpm)。带点区表示达到0.05的显著性水平,绿色实线为前期的5880 gpm等值线,紫色实线为后期的5880 gpm等值线

    Fig. 10 Differences (later period minus earlyperiod; units: gpm) in 500 hPa geopotential height in (a) midsummer and (b) early autumn in East Asia from 1970 to 2015. Dotted areas indicate statistical significance at 0.05 level. Green solid line is the 5880 gpmin early period and purple solid line is the 5880 gpmin later period

    10b为后期减去前期的初秋时500 hPa位势高度差值场,后期时,东北亚地区为正位势高度异常,意味着东亚地区环流相对稳定少变,有利于低槽维持在贝加尔湖地区,从而冷空气活动增加,进而使得华北降水尤其是冷锋降水增多(郝立生等,2007)。并且后期的副高在初秋依然较强,位置偏北偏西,面积偏大,这有利于西太平洋的水汽沿副高西侧边界向京津冀地区输送。

    初秋时,北半球环流形势向冬季转变,中高纬地区的位势高度较盛夏降低,正如图11a和b的9月减去8月的500 hPa位势高度差值H98表现的特征。进一步用后期的位势高度差值场减去前期的差值场,即用图11b 的数值减去图11a的得到图11c,图中可见,欧亚大陆呈现“+-+”的分布,反映出乌拉尔山高压更强,贝加尔湖地区低槽加深,经向环流突出,冷空气活动加强,同时,受到东部高压阻挡影响,形成了有利于华北地区降水的环流形势。

    图11
                            1970~2015年东亚地区500 hPa位势高度差值H98(9月减去8月;单位:gpm):(a)前期;(b)后期;(c)后期减去前期

    图11 1970~2015年东亚地区500 hPa位势高度差值H98(9月减去8月;单位:gpm):(a)前期;(b)后期;(c)后期减去前期

    Fig. 11 Changes in 500 hPa geopotential heights (H98, units: gpm; values in September minus those in August) in (a) early period and (b) later period in East Asia from 1970 to 2015, (c) the differences between the two periods (later period minus early period)

  • 4.4 东亚地区风场的变化

    从准地转关系可知,位势高度场的调整会伴随着风场的改变。东亚副热带高空急流是影响东亚气候的重要系统之一,它的强度和南北位置与京津冀地区雨季的开始和结束密切相关(郝立生和丁一汇,2012)。从多年平均纬向分布图中可以发现(图略),东亚地区盛夏时急流中心位于青藏高原北侧上空,急流轴位于42°N附近(孙凤华等,2009),初秋时,急流加强,并且在日本海地区也有一个纬向风速大值区。

    从盛夏和初秋后期减去前期的纬向风的差值分布图上看到(图12),盛夏时,长江和黄河之间的华东东部地区至日本海为正距平,急流加强,而从我国华北东北地区和蒙古到鄂霍次克海地区为负距平,急流减弱,这表明急流位置偏南。此外,从里海周围经蒙古高原到我国东部和日本海上空呈现“-+-+”的分布,类似于“Silk Road”型遥相关波列分布。Wanget al.(2017)指出“Silk Road”型遥相关在1997年发生突变,是华北夏季降水减少的重要影响因子。初秋时,在100°~160°E内,华北南部地区依然为负距平,而长江和黄河之间的地区至日本海也为负距平,并且绝对值较大,同时,45°~60°N为正距平,这反映出急流位置偏北。

    图12
                            1970~2015年东亚地区(a)盛夏和(b)初秋200 hPa纬向风差值场(后期减去前期)(单位:m s−1)。带点区表示达到0.05的显著性水平

    图12 1970~2015年东亚地区(a)盛夏和(b)初秋200 hPa纬向风差值场(后期减去前期)(单位:m s−1)。带点区表示达到0.05的显著性水平

    Fig. 12 Differences (later period minus early period; units: m s−1) in 200 hPa zonal wind in (a) midsummer and (b) early autumn in East Asia from 1970 to 2015. Dotted areas indicate statistical significance at 0.05 level

    从8月向9月的风场演变上,初秋时15°~40°N的欧亚大陆纬向风加强,在前期的9月减去8月纬向风差值u98上,正值中心主要位于中国东部至日本海地区,而后期的初秋—盛夏纬向风场上,中国东部至日本海地区的正值减弱,正值中心位于千岛群岛东部地区(如图13)。进一步用后期的初秋—盛夏纬向风减去前期的风场可以更明显的发现(如图13c),在110°E~180°区域内,15°~40°N 为负距平,45°~60°N为正距平,这反映出后期盛夏向初秋转换时,东亚急流移动位置较前期偏北,增强程度较前期减弱。

    图13
                            1970~2015年东亚地区200 hPa纬向风差值u98(单位:m s−1;9月减去8月)分布:(a)前期;(b)后期;(c)后期减去前期

    图13 1970~2015年东亚地区200 hPa纬向风差值u98(单位:m s−1;9月减去8月)分布:(a)前期;(b)后期;(c)后期减去前期

    Fig. 13 Changes in 200 hPa zonal winds (u98, units: m s−1; values in September minus those in August) in (a) early period and (b) later period in East Asia from 1970 to 2015, (c) the differences between the two periods (later period minus early period)

    由于急流位置的移动会影响气流垂直运动的变化,因而急流轴的位置与高空气流辐散区和低空气流辐合区有密切关系。图14为后期减去前期的500 hPa垂直速度(ω)和纬向风的差值场,从中可见,后期的盛夏时,东亚急流较前期偏南,长江和黄河之间的地区至日本海地区纬向风加强,京津冀地区位于急流北侧,辐散下沉气流加强,垂直上升运动减弱,不利降水。而后期的初秋时,东亚急流较前期偏北,东亚东北部地区急流加强,京津冀地区位于急流南侧,辐合上升气流加强,对流层中低层水汽通量辐合加强,水汽供应加强,导致降水增加。

    图14
                            1970~2015年东亚地区(a)盛夏、(b)初秋500 hPa纬向风差值(后期减去前期,等值线,实线为正值,虚线为负值;单位:m s−1)和垂直速度差值场(后期减去前期,填色;单位:Pa s−1)。带点区表示达到0.05的显著性水平

    图14 1970~2015年东亚地区(a)盛夏、(b)初秋500 hPa纬向风差值(后期减去前期,等值线,实线为正值,虚线为负值;单位:m s−1)和垂直速度差值场(后期减去前期,填色;单位:Pa s−1)。带点区表示达到0.05的显著性水平

    Fig. 14 Differences (later period minus early period) in 500 hPa zonal mean winds (contours, solid lines indicate positive values and dashed lines indicate negative values; units: m s−1) and vertical winds (shaded; units: Pa s−1) in (a) midsummer and (b) early autumn in East Asia from 1970 to 2015. Dotted areas indicate statistical significance at 0.05 level

  • 4.5 海表面温度场

    诸多研究表明,海温是对东亚夏季风环流系统有重要影响的因子。从京津冀地区站点平均的盛夏和初秋降水与冬春夏季海温的相关分布上可以看到(图15),在太平洋上,与盛夏降水有较好负相关关系的海域,在冬季主要是中国海东部、黑潮区、千岛群岛和白令海西部等北太平洋海域,及东南太平洋海域。春季时太平洋海温与盛夏降水的负相关关系加强,负相关系数绝对值较大的区域为太平洋赤道中东部和北太平洋东北部地区的广大海域。夏季时,赤道中东太平洋海温对京津冀地区降水有较强影响。而初秋降水与太平洋海温的相关分布上,在赤道太平洋“暖池”海域有持续正相关系数分布,且达到0.05的显著性水平。在印度洋上,沃顿海盆地区与盛夏降水有负相关关系,而与初秋降水有正相关关系。

    图15
                            1970~2015年太平洋和印度洋(a、d)冬、(b、e)春、(c、f)夏季海表温度与盛夏(左列)、初秋(右列)降水相关系数的分布。带点区表示达到0.05的显著性水平

    图15 1970~2015年太平洋和印度洋(a、d)冬、(b、e)春、(c、f)夏季海表温度与盛夏(左列)、初秋(右列)降水相关系数的分布。带点区表示达到0.05的显著性水平

    Fig.15 Correlation coefficients between (a, d) winter, (b, e) spring, (c, f) summer sea surface temperature and precipitation amounts in (a, b, c) midsummer and (d, e, f) early autumn in the Pacific and the Indian Ocean from 1970 to 2015. Dotted areas indicate statistical significance at 0.05 level

    利用后期的冬、春、夏季海温减去前期的海温得到图16,由图中可见,在太平洋上,冬季海温差值场近于PDO(Pacific Decadal Oscillation)负位相的分布。春季分布与冬季相似,但是赤道冬太平洋地区为正距平。夏季时,赤道太平洋地区海温进一步较春季增暖。已有的研究通过分析海温对500 hPa位势高度场和低层风场的影响后发现(张庆云等,2003胡泊等,2014),太平洋海温PDO型的变化可能是东亚夏季风环流年代际变化的重要外强迫因子,并且海温的这种分布影响具有季节特点,冬季的影响较夏季强(李崇银和咸鹏,2003)。

    图16
                            1970~2015年太平洋和印度洋(a)冬季、(b)春季、(c)夏季海表温度差值场(后期减去前期,单位:℃)。带点区表示达到0.05显著性水平的区域

    图16 1970~2015年太平洋和印度洋(a)冬季、(b)春季、(c)夏季海表温度差值场(后期减去前期,单位:℃)。带点区表示达到0.05显著性水平的区域

    Fig. 16 Differences (later period minus early period) in sea surface temperatures in (a) winter (b) spring (c) summer (units: ℃) in the Pacific and the Indian Ocean from 1970 to 2015. Dotted areas indicate statistical significance at 0.05 level

    值得注意的是,从冬季到夏季的海温变化中,赤道中东太平洋呈逐步增暖的变化,类似于El Niño发展阶段。而研究发现,在El Niño发展阶段,华北夏季降水偏少;在El Niño衰减阶段,降水偏多(Zhang et al.,1996黄荣辉等,1999a陈文等,2006)。海温从冬至夏的这种海温演变作为外强迫因子,使得盛夏时输送至华北地区的水汽减少(如图8a),从而不利于京津冀地区降水(周连童和黄荣辉,2003)。

    此外,热带西太平洋“暖池”海域有较强的增温。“暖池”海温的变化,会引起东亚和西太平洋上空东亚—太平洋遥相关型(也称EAP型)的变化,从而通过影响西太副高而引起华北地区降水的变化。从图11c中可见,后期减去前期的500 hPa位势高度差值H98分布上,从东亚上空从南到北呈现“-+-”的分布,形成了近于EAP型的分布。可见,在初秋时,受到“暖池”海温增暖的影响,东亚—太平洋遥相关型的变化也有利于西太副高的维持。

    在图16中也发现,印度洋海温从冬至夏呈现逐步增温的变化。一些研究表明,印度洋海温的增暖是华北夏季降水减少的重要原因(李崇银和穆明权,2001)。热带印度洋全区一致海温模态(Indian Ocean Basin-wide Warming,简称IOBW),是印度洋海温最主要的模态,它可以在北半球中高纬度地区激发遥相关波列,对亚洲季风区的环流有重要作用(Guan and Yamagata,2003)。自1970年代印度洋IOBW指数开始明显升高,而1990年代末以来维持在高指数阶段(图略,请参见http://cmdp.ncc-cma.net/download/precipitation/diagnosis/IOBW [2018-6-20])。于晓澄等(2018)分析发现,IOBW指数和华北盛夏降水关系密切,其中前期6月IOBW指数的相关系数最高并达到0.01的显著性水平。本文计算前期各月IOBW指数与盛夏和初秋的位势高度场的相关后发现,相关系数的分布具有较好的时间连续性,其中6月IOBW指数与盛夏和初秋的位势高度场的相关系数分布特征较为明显(图17)。从图17中可见,盛夏时,日本海为弱的负值区,而在贝加尔湖地区为较强的正值区;初秋时,贝加尔湖以东地区为弱的负值区,东北亚地区为正值,相关系数的分布与图10中后期减去前期的盛夏和初秋500 hPa位势高度差值场较为相似,这反映出IOBW通过影响位势高度场的变化进而影响了京津冀地区盛夏和初秋降水的变化。

    图17
                            1970~2015年东亚地区(a)盛夏和(b)初秋的500 hPa位势高度场与6月IOBW指数相关系数分布。带点区表示达到0.05的显著性水平区域

    图17 1970~2015年东亚地区(a)盛夏和(b)初秋的500 hPa位势高度场与6月IOBW指数相关系数分布。带点区表示达到0.05的显著性水平区域

    Fig. 17 Correlation coefficients between June IOBW (Indian Ocean Basin-wide Warming) index and 500 hPa geopotential height in (a) midsummer and (b) early autumn in East Asia from 1970 to 2015. Dotted areas indicate statistical significance at 0.05 level

    海陆热力差异是季风形成的重要原因。利用中国南方地区气温和东中国海及邻近海域海温间的热力差异,孙秀荣等(2002)定义了一种东亚海陆热力差指数来讨论盛夏和初秋时海陆的热力差异变化,该指数可以较好地反映东亚夏季风环流的变化特征,又能表征夏季风降水的异常变化。

    为比较盛夏和初秋时的海陆热力差异,本文将盛夏和初秋时的指数做标准化来分析,从图18中可见,盛夏时,海陆温差变化不明显,而初秋时,东亚海陆热力差指数明显上升,达到0.05显著性水平。结合中国气温差值场来看(图5),盛夏时,陆面气温较海洋偏高,而中国中东部地区增暖较弱,海温也有一定的升温,海陆热力差指数变化较小。而初秋时,一般气温降低较海洋快,但中东部地区增暖较为明显,海温高于气温的幅度在减小,使得海陆热力差指数呈上升趋势。孙秀荣等(2002)的研究表明,东亚海陆热力差指数的增强有利于西太副高强度和位置的维持,使得亚洲夏季风的南撤过程延迟,进而为京津冀地区初秋降水提供了有利条件。

    图18
                            1970~2015年东亚地区海陆热力差标准化指数在盛夏(蓝色)和初秋(红色)的时间变化。虚线:东亚海陆热力差指数的线性趋势

    图18 1970~2015年东亚地区海陆热力差标准化指数在盛夏(蓝色)和初秋(红色)的时间变化。虚线:东亚海陆热力差指数的线性趋势

    Fig. 18 Time series of normalized index of land-sea thermal difference in the midsummer (blue) and early autumn (red) in East Asia from 1970 to 2015. Dashed line: the trend of normalized index of land-sea thermal difference

  • 5 结论与讨论

    本文分析了1970年以来的变暖背景下京津冀地区盛夏和初秋降水变化特征,并利用小时资料,统计了影响变化的主要降水类型,并进一步分析了东亚夏季风环流系统和海温的变化,得到了如下结论:

    盛夏降水在1990年代末由多雨转为少雨位相,降水的日变化上不同时段的降水皆明显减少。短时降水事件的降水量在1990年代末跃变为少雨位相,而持续性降水事件的降幅更大,并且由于在盛夏降水总量中所占比例更大,因而对降水总量减少的贡献更大。初秋降水在2000年代初发生转折,由少雨转为多雨位相,夜间降水明显增加,并且持续性降水的增加和跃变是初秋降水增加的主要原因。

    分析发现,盛夏和初秋时,京津冀地区气温都呈增暖的变化,并且中北部的增暖幅度略大。考虑到最高气温和短时降水的关系较为密切,本文对比最高气温和短时降水的变化趋势发现,盛夏时最高气温在1997年发生跃变,从较低位相跃变为较高位相,对应的,盛夏短时降水也同年发生跃变,由多雨转为少雨位相。而初秋的最高气温变化不明显,短时降水也没有发生跃变,无明显的变化趋势。

    水汽通量场上,后期输送至京津冀地区的水汽在盛夏时较前期减少,而在初秋时增加。在环流场上,盛夏时欧亚中高纬阻高活动在后期较强,阻碍了中纬度西风扰动输送水汽到京津冀地区,东亚急流偏南,京津冀地区上升气流受到抑制,且印度洋和太平洋“暖池”等海域冬春季海温偏暖,这不利于降水;而在初秋后期时,东亚急流偏北,京津冀地区上升气流加强,贝加尔湖地区低槽受到东部高压阻挡,经向环流加强,有利于冷空气的活动,同时,西太平洋副高强度增强位置偏北,这种环流有利于降水的形成。此外,东亚海陆热力差指数在初秋的增强反映出东亚夏季风在夏末秋初的南撤过程发生延迟,有利于形成上述初秋降水的环流形势,导致了“夏雨秋下”的现象出现。

    以往从海—气耦合模式模拟的结果发现,在全球变暖的背景下,未来东亚季风环流中夏季风将加强,华北地区的夏季降水量将显著增加(布和朝鲁,2003)。但从本文的分析来看,盛夏时,东亚夏季风并未能将更多的水汽输送至华北地区,反而在初秋时东亚夏季风衰减的变化过程延迟。1970年代以来,盛夏时京津冀地区降水减少,初秋时降水较早期明显增加。这与布和朝鲁和林永辉(2003)布和朝鲁(2003)采用模式模拟的结果相一致,即盛夏时的降水形势延迟了一个月,使得京津冀地区的多雨时节增加了一个月,形成了“夏雨秋下”的现象。

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梁苏洁

机 构:天津市气候中心,天津300074

Affiliation:Tianjin Climate Center, Tianjin 300074

邮 箱:liangsujie_zsu@163.com

作者简介:梁苏洁,女,1985年出生,博士,主要从事气候变化及预测技术研究。E-mail: liangsujie_zsu@163.com

丁一汇

机 构:国家气候中心,北京100081

Affiliation:National Climate Center, Beijing 100081

段丽瑶

机 构:天津市气象台,天津300074

Affiliation:Tianjin Meteorological Observatory, Tianjin 300074

郝立生

机 构:天津市气候中心,天津300074

Affiliation:Tianjin Climate Center, Tianjin 300074

李明财

机 构:天津市气候中心,天津300074

Affiliation:Tianjin Climate Center, Tianjin 300074

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图1 1970~2015年京津冀地区月平均(a、b)降水量[单位:mm (10 a)−1]和(c、d)降水时数[单位:h (10 a)−1]在盛夏(左列)和初秋(右列)变化趋势的空间分布。实心点表示达到0.1显著性水平

Fig. 1 Trends of monthly (a, b) precipitationamount [units: mm (10 a)−1] and (c, d) rainy hours [units: h (10 a)−1] in (a, c) midsummer and (b, d) early autumn in Beijing-Tianjin-Hebei from 1970 to 2015. Values statistically significant at the level of 0.1 are marked by solid circles

图2 1970~2015年京津冀地区月平均(a、b)降水量距平(单位:mm)和(c、d)降水时数距平(单位:h)在(a、c)盛夏和(b、d)初秋的时间序列。紫色实线:跃变检验曲线,黑色实线:线性趋势曲线

Fig. 2 Time series of monthly (a, b) precipitation anomalies (units: mm) and (c, d) rainy hours anomalies (units: h) in (a, c) midsummer and (b, d) early autumn in Beijing-Tianjin-Hebei from 1970 to 2015. Purple solid lines: the stepwise trend showing regime shifts in the mean detected by the sequential method; black solid lines: linear trend

图3 1970~2015年京津冀地区站点平均的逐年累积的(a、b)降水量(单位:mm)和(c、d)降水时数(单位:h)在盛夏(左列)和初秋(右列)的逐时分布。横轴代表不同时刻,纵轴为年份

Fig. 3 Accumulated (a, b) precipitation (units: mm) and (c, d) rainy hours (units: h) in (a, c) midsummer and (b, d) early autumn at each hour of the day in individual years (by the station mean) in Beijing-Tianjin-Hebei from 1970 to 2015. The X-axis represents the time of the day, and the Y-axis represents years

图4 1970~2015年京津冀地区(a、b)短时阵性降水和(c、d)持续性降水事件在(a、c)盛夏和(b、d)初秋累积的月平均降水量时间序列(单位:mm)。紫色实线:跃变检验曲线;红色实线:线性趋势曲线

Fig. 4 Time series of monthly precipitation (units: mm) of (a, b) short-duration and (c, d) long-duration rainfall events during (a, c) midsummer and (b, d) early autumn in Beijing-Tianjin-Hebei from 1970 to 2015. Purple solid lines: the stepwise trend showing regime shifts in the mean detected by the sequential method; red solid lines: linear trend

图5 1970~2015年中国(a)盛夏和(b)初秋平均气温差值场(后期减去前期;前期1970~2000年和后期2001~2015年)分布(单位:℃)

Fig. 5 Differences (later period minus early period; early period: 1970-2000, later period: 2001-2015) in temperature (units: ℃) in (a) midsummer and (b) early autumn in China from 1970 to 2015

图6 1970~2015年京津冀地区(a)盛夏和(b)初秋月平均气温变化趋势的空间分布[单位:℃(10 a)−1]。实心点表示达到0.1显著性水平

Fig. 6 Trends of monthly mean temperature [units: ℃(10 a)−1] in (a) midsummer and (b) early autumn in Beijing-Tianjin-Hebei from 1970 to 2015. Values statistically significant at the level of 0.1 are marked by solid circles

图7 1970~2015年京津冀地区(a)盛夏和(b)初秋月平均的日最高气温(单位:℃)的时间序列。紫色实线:跃变检验曲线,红色实线:线性趋势曲线

Fig. 7 Time series of monthly meandaily maximum temperature (units: ℃) in (a) midsummer and (b) early autumn in Beijing-Tianjin-Hebei from 1970 to 2015. Purple solid lines: the stepwise trend showing regime shifts in the mean detected by the sequential method; red solid lines: linear trend

图8 1970~2015年东亚地区(a)盛夏和(b)初秋水汽通量差值场(后期减去前期)。矢量为水汽输送q·V差值,单位:kg m−1 s−1,填色为水汽输送辐合辐散差值场,单位:10−5 kg m−2 s−1

Fig. 8 Differences (later period minus early period; vectors, units: kg m−1 s−1) in mean moisture fluxes and their divergences (shadings, units:10−5 kg m−2 s−1) vertically integrated from the surface to 300 hPa in (a) midsummer and (b) early autumn in East Asia from 1970 to 2015

图9 1970~2015年东亚地区水汽通量差值Q98(9月减去8月)分布:(a)前期;(b)后期;(c)后期减去前期。矢量为水汽输送q·V差值,单位:kg m−1 s−1,阴影区为水汽输送辐合辐散差值场,单位:10−5 kg m−2 s−1

Fig. 9 Changes in mean moisture fluxes (vectors, units: kg m−1 s−1) and theirdivergences (shadings, units: 10−5 kg m−2 s−1) (Q98, values in September minus those in August) during (a) early period and (b) later period in East Asia from 1970 to 2015, (c) the differences between the two periods (later period minus early period)

图10 1970~2015年东亚地区(a)盛夏和(b)初秋500 hPa位势高度差值场(后期减去前期;单位:gpm)。带点区表示达到0.05的显著性水平,绿色实线为前期的5880 gpm等值线,紫色实线为后期的5880 gpm等值线

Fig. 10 Differences (later period minus earlyperiod; units: gpm) in 500 hPa geopotential height in (a) midsummer and (b) early autumn in East Asia from 1970 to 2015. Dotted areas indicate statistical significance at 0.05 level. Green solid line is the 5880 gpmin early period and purple solid line is the 5880 gpmin later period

图11 1970~2015年东亚地区500 hPa位势高度差值H98(9月减去8月;单位:gpm):(a)前期;(b)后期;(c)后期减去前期

Fig. 11 Changes in 500 hPa geopotential heights (H98, units: gpm; values in September minus those in August) in (a) early period and (b) later period in East Asia from 1970 to 2015, (c) the differences between the two periods (later period minus early period)

图12 1970~2015年东亚地区(a)盛夏和(b)初秋200 hPa纬向风差值场(后期减去前期)(单位:m s−1)。带点区表示达到0.05的显著性水平

Fig. 12 Differences (later period minus early period; units: m s−1) in 200 hPa zonal wind in (a) midsummer and (b) early autumn in East Asia from 1970 to 2015. Dotted areas indicate statistical significance at 0.05 level

图13 1970~2015年东亚地区200 hPa纬向风差值u98(单位:m s−1;9月减去8月)分布:(a)前期;(b)后期;(c)后期减去前期

Fig. 13 Changes in 200 hPa zonal winds (u98, units: m s−1; values in September minus those in August) in (a) early period and (b) later period in East Asia from 1970 to 2015, (c) the differences between the two periods (later period minus early period)

图14 1970~2015年东亚地区(a)盛夏、(b)初秋500 hPa纬向风差值(后期减去前期,等值线,实线为正值,虚线为负值;单位:m s−1)和垂直速度差值场(后期减去前期,填色;单位:Pa s−1)。带点区表示达到0.05的显著性水平

Fig. 14 Differences (later period minus early period) in 500 hPa zonal mean winds (contours, solid lines indicate positive values and dashed lines indicate negative values; units: m s−1) and vertical winds (shaded; units: Pa s−1) in (a) midsummer and (b) early autumn in East Asia from 1970 to 2015. Dotted areas indicate statistical significance at 0.05 level

图15 1970~2015年太平洋和印度洋(a、d)冬、(b、e)春、(c、f)夏季海表温度与盛夏(左列)、初秋(右列)降水相关系数的分布。带点区表示达到0.05的显著性水平

Fig.15 Correlation coefficients between (a, d) winter, (b, e) spring, (c, f) summer sea surface temperature and precipitation amounts in (a, b, c) midsummer and (d, e, f) early autumn in the Pacific and the Indian Ocean from 1970 to 2015. Dotted areas indicate statistical significance at 0.05 level

图16 1970~2015年太平洋和印度洋(a)冬季、(b)春季、(c)夏季海表温度差值场(后期减去前期,单位:℃)。带点区表示达到0.05显著性水平的区域

Fig. 16 Differences (later period minus early period) in sea surface temperatures in (a) winter (b) spring (c) summer (units: ℃) in the Pacific and the Indian Ocean from 1970 to 2015. Dotted areas indicate statistical significance at 0.05 level

图17 1970~2015年东亚地区(a)盛夏和(b)初秋的500 hPa位势高度场与6月IOBW指数相关系数分布。带点区表示达到0.05的显著性水平区域

Fig. 17 Correlation coefficients between June IOBW (Indian Ocean Basin-wide Warming) index and 500 hPa geopotential height in (a) midsummer and (b) early autumn in East Asia from 1970 to 2015. Dotted areas indicate statistical significance at 0.05 level

图18 1970~2015年东亚地区海陆热力差标准化指数在盛夏(蓝色)和初秋(红色)的时间变化。虚线:东亚海陆热力差指数的线性趋势

Fig. 18 Time series of normalized index of land-sea thermal difference in the midsummer (blue) and early autumn (red) in East Asia from 1970 to 2015. Dashed line: the trend of normalized index of land-sea thermal difference

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