2 成都信息工程大学, 成都 610225
3 中国科学院气候变化研究中心, 北京 100029
2 Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225
3 Climate Change Research Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029
IPCC第五次报告指出,1880~2012年全球平均地表气温上升0.65~1.06℃,而1951~2012年的升温速率更是达到了0.08~0.14℃ (10 a)-1(IPCC, 2013)。在这种以全球平均气温升高为主导的气候变化背景下,降水也存在多种时间、空间尺度的变化。全球陆地年降水在20世纪50年代以前整体上升,之后到90年代都呈现减少的趋势,而后又开始表现为上升(Mitchell and Jones, 2005)。北半球中纬度降水在20世纪20年代至20世纪末总体增加,而热带和亚热带则与之相反(Bradley et al., 1987;Hulme, 1992)。这些信号远超过了气候自然变率,其成因可能是由于人类活动和火山活动共同造成的(Zhang et al., 2007)。
已有研究表明,中国降水对增暖同样具有很强的敏感性(Xu et al., 2009);随着全球变暖,中国区域降水趋于增加,降水的空间分布也发生了改变(Chen and Sun, 2014)。1961~2010年,降水强度总体加大,中国各区年代际降水强度变化也存在明显的差异(徐新创等,2014)。而且,降水总量、频率、持续性和极端降水事件都存在明显的区域性和季节性差异(Zhai et al., 2005;杨金虎等,2008;于文勇等,2012)。因此,针对中国地区开展不同时空尺度降水变化特征的研究十分必要。
回顾以往的研究不难发现,对于中国各季节降水时空分布的研究主要集中在降水总量的变化或极端降水事件的发生频率,以及降水变化的机理上(刘长征等,2004;姜江等,2015a)。上述研究主要关注了降水较多的夏季或夏半年,对降水较少的春、秋、冬季讨论较少,而对中国降水季节性这一问题的研究则十分有限。Zhai et al.(2005)通过对中国740个台站观测数据的分析发现,西部地区不论是年总降水还是各季降水量都存在增加趋势,而东部地区的南方与北方在不同季节变化情况都不相同。Ding et al.(2007)研究指出,1956~2002年间长江流域、东南沿海和西部大部分地区年降水总量显著增加,并主要由秋冬两季贡献;而黄河流域和华北年降水总量却在减小,并主要由夏秋两季降水减少引起。张国宏等(2011)利用中国579个台站资料研究了各季节降水量的分布、变化趋势、变率以及相对变率,指出东亚夏季风减弱可能是东北、华北与西南以及秋季东北降水减少的一个重要原因。随后,Sui et al.(2013)利用524个台站资料对中国降水季节性这一问题做了专门研究,得出中国平均降水最多出现在夏季,占全年降水的55.4%,冬季最少为5.6%,春秋两季相差不多,分别为19.8%、19.2%。并对不同季节降水百分率的空间分布与变化趋势做了分析。
需要说明的是,前人所使用的数据站点分布较为稀疏,覆盖区域相对有限。IPCC第五次评估报告也指出,陆地降水资料的不足会对结果造成较大的不确定性。因此,有必要使用全新高分辨率的降水资料,对中国降水季节性分布这一问题做进一步的研究。基于以上考虑,本文使用一套中国区域最新的高分辨率格点资料,通过计算各季节降水百分率的气候态、变化趋势、变率以及变率的变化趋势,集中分析了1961~2013年间中国各季降水占全年降水比例的气候态分布及其时空变化特征。
2 资料和方法 2.1 资料本文使用的降水资料是基于中国气象局所属的2416个观测台站数据,使用“距平逼近”插值方法得到的一套分辨率为0.25°×0.25°月降水资料(CN05.1格点化观测数据集;吴佳和高学杰,2013)。这套资料现已在多个研究中使用,尤其是在模式评估方面(姜江等,2015b;张武龙等,2015)。CN05.1中的降水资料有站点多、分辨率高等优点。
季节定义是3至5月为春季、6至8月为夏季、9至11月为秋季、12至次年2月为冬季。由于CN05.1中的降水资料的起止时间为1961年1月到2014年12月,为了完整地取到每年的各个季节,本研究选取的时段为1961年3月至2014年2月。
2.2 方法为了研究选取时段内中国降水百分率的变化趋势、气候突变及其变率的变化趋势,使用一元线性回归的回归系数作为变化趋势的依据,并做置信水平为95%的统计检验。使用滑动t检验的方法做气候突变检验,期间选取滑动点前后10个样本点做滑动t检验,并对t统计量做置信水平为99%的统计检验。在变率的讨论中,使用时间序列的标准差来表征变率;为研究变率随时间的变化,建立了9点滑动标准差的时间序列,即参考点和前后四点,共9点的标准差认为是参考点所处时刻的变率,并利用9点滑动标准差的时间序列的一元线性回归系数讨论变率的变化趋势,且同样对回归系数做置信水平为95%的统计检验。
为了细致讨论各区域降水的季节性分布,参照《第二次气候变化国家评估报告》(气候变化国家评估报告编写委员会,2011)将中国分为10个区,具体分区范围和区域名称详见表 1。需要说明的是,在本研究中采用与《第二次气候变化国家评估报告》相同的东北、华北、西北、高原和西南地区;为体现秦岭—淮河一线南北差异(李双双等,2015)与华南的双峰型降水特征(池艳珍等,2005;王遵娅和丁一汇,2008;高辉等,2013),对其中的华中、华东和华南范围有所调整,进一步分成关中、黄淮、华中、华东和华南。
就1961~2013年全国气候平均态而言,季节降水百分率最大是在夏季,占全年降水的56.5%;冬季最少,只有5.3%;春、秋两季相差不多,分别为19.3%和18.9%(表 2)。为了细致考察降水的季节性分布,需要了解各季节降水百分率的空间分布情况(图 1)。在春季,降水百分率大值区位于中国东南部,局部地区降水甚至超过了年降水的40%;小值区主要位于青藏高原的中西部、东北和华北。到了夏季,全国降水百分率迅速升高,在春季降水百分率较小的青藏高原中西部与东北、华北等地,降水百分率变为最大的地区,比例在局部达到70%以上;而在春季降水较多的东南部,降水百分率没有明显变化。秋季,华南、东北和高原北沿为降水百分率小值区;华西呈现降水百分率大值区,这与前人所提的华西秋雨相符(白虎志和董文杰,2004)。冬季,大值区发生在东南部,东北至高原一线为小值区。从各季节降水量的空间分布上看,雨带随季节变化而北进或南退(张国宏等,2011),降水百分率的空间分布同样可以体现这一特征。此外,由于西北等地降水量较少,各季降水百分率分布变化更能体现这些地区降水多寡随季节的演变特征。在青藏高原,使用不同降水资料绘制的各季降水百分率空间分布差异很大。与本文相比,齐文文等(2013)利用TRMM卫星数据绘制的高原降水百分率大(小)值区中心面积偏小、位置偏东,且数值差异也很大;需要说明的是,该研究指出TRMM卫星降水资料虽然融合了多种数据,但由于卫星观测的不连续等原因,卫星降水资料的质量一定程度依赖于站点观测数据,对于站点分布较为稀疏的地区,卫星估算的值与实际情况差异较大,因此对高原等站点分布稀疏的地区,增设观测站是减小研究结果不确定性的有效办法。
由以上分析可知,降水季节性存在很强的地域性。故利用降水百分率气候态,按照最大季节与次大季节做排序,结果存在四种排序方式(图 2)。首先是夏季降水最多、秋季次之,贯穿东北至高原与西南一线,新疆北部也有少量分布。其次是夏季降水最多、春季降水次之,主要分布在西北和东南。第三是春季降水最大而夏季次之,主要分布在湖南和江西及周边;万日金和吴国雄(2008)通过数值试验指出,江南春雨不仅与春季大气环流形式有关,高原热力性质随季节变化以及南岭、武夷山地形对江南春雨的形成也有一定作用。第四种是以秋雨为主导的地区,主要包括海南岛局部和新疆最北部小部分地区。
为了讨论各季节降水百分率的变化,进一步计算了1961~2013年中国全区各季降水百分率区域平均的时间序列(图 3)与变化趋势(表 2),显示各季节降水百分率存在明显的年际变化。冬季的降水百分率有明显的上升趋势,为0.25% (10 a)-1,其他季节表现为不同程度的上升或下降,但都未能通过显著性检验。夏秋两季为弱的下降趋势,分别为-0.23%(10 a)-1与-0.18%(10 a)-1,且夏季降水百分率在2000年前后出现一次负向突变。春季略呈现上升趋势,为0.17%(10 a)-1。与Sui et al.(2013)的研究相比,各季节变化趋势的方向是一致的,除春季数值较为接近外,其他三个季节趋势的数值差异较为明显,这说明了使用更多站点资料来分析降水季节性的必要性。
接下来分析这种变化趋势的空间分布(图 1)。春季,全国降水百分率变化趋势在-2.00%~1.72% (10 a)-1范围内。东北部(包括东北和华北大部)和西部(包括高原中东部和新疆东部)在1961~2013年间呈现增加趋势,其中东北中部和高原中西部尤为明显,而其余地区则为减少趋势,华东部分地区最为显著。东北和高原东部的显著增加主要是3月的贡献,而高原中部的增加与华东局部的减少主要是5月的贡献。与降水百分率的气候态相比,大致表现出高降水百分率的地区为减少的趋势,而降水百分率较低的地区为增加的趋势。虽然这种关系没有完全对应,但从大值中心来看,基本能够归纳出这一特征。
夏季,全国降水百分率变化趋势数值在-4.18%~3.40% (10 a)-1之间。东南部大部分地区和东北北部呈现上升趋势,这在东北北部、关中和华东局部较为显著,而其他地区均为下降趋势。东北大部、华北和高原中东部的显著减少主要是7、8月的贡献。与春季相似的是,大致呈现降水百分率的气候态和变化趋势反向的空间分布特征。
秋季,降水百分率的变化趋势值在-2.13%~2.30%(10 a)-1范围内。除内蒙、华北和高原东部呈现一定的上升外,其他地区均为下降趋势,其中长江流域的下降最为显著。9月对内蒙与华北的上升趋势有主要贡献,而高原东部的上升趋势主要来自于10月。与前述春夏季节变化不同的是,降水百分率的气候态与变化趋势的空间分布无明显的配置关系。
全国冬季降水百分率是四个季节中唯一表现为显著上升的季节。除东北北部等小部分地区外,全国大部均呈现上升的趋势,其中东北大部、西北北部、华北与华东部分地区呈现显著的增加。这种显著的增加趋势主要由12月和次年1月贡献,而且与降水百分率气候态分布无明显的空间对应关系。与以往工作相比较,上述降水百分率趋势的空间分布与Sui et al.(2013)的较为相似,但在局部地区亦存在一定差异;与Zhai et al.(2005)的研究结果相比则差异明显,有些地区甚至出现反向变化的情况,如冬季东部地区和夏季西北地区在变化趋势上是相反的。
3.3 各季降水百分率的变率及趋势在1961~2013年间,中国全区的降水百分率变率最大的是夏季,为7.76%;其次是秋季和春季,两个季节数值较为接近,分别是6.12%和5.99%;冬季最小,其变率仅为2.51%(表 3)。同样,给出季节降水百分率变率的空间分布做进一步分析(图 4)。首先发现,四个季节的降水百分率变率的空间分布与地形有明显的关系,二者相关系数的绝对值在四个季节都在0.4以上,且在99%的置信水平上显著。另外通过比较可以看到,这种相关关系在西部较大,但在东部并不明显。故以常用的青藏高原与中国东部的106°E为分界线,进一步计算了东、西两部分的空间相关系数,表明西部的相关系数绝对值明显大于东部(表 4),这可能与西部降水相对较少,降水形成受地形强迫等作用有关。同比东部各季节相关系数发现,在降水较少的冬季,变率与地形相关程度较大;而在降水较多的夏秋季,降水与地形几乎没有相关关系。对于西部,这种变率的空间分布随季节的变化程度不大,相对的高低值大致与地形匹配。而东部则随季节有较为明显的变化。例如,河南、山东进入夏秋两季其变率明显增大,变为大值区,且维持到秋季;到了冬季,随着降水百分率的下降,变率也随之下降,东南部成为我国东部的降水百分率变率的大值区。从各月份上看,空间分布与所对应的季节类似,数值大小呈现渐变态势。
由于不同季节降水百分率的气候态不同,季节间的变率并无直接可比性。为使讨论严谨,进一步计算了降水百分率的相对变率(图略),即在降水百分率标准差的基础上除以各季节降水百分率的气候态。这样算出的相对变率不再受气候态的影响,可在不同季节间比较。总体上,降水百分率相对变率的空间分布与变率相似;从数值上看,夏季的相对变率最小,冬季最大;就空间分布与相对大小而言,总体上与张国宏等(2011)研究结果相近,但本研究的空间分布在细节方面体现的更多,尤其是在西部地区。
为进一步考察降水百分率变率的趋势,使用前述的9点滑动标准差的方法,建立变率的时间序列。由图 5可见,降水百分率的变率存在明显的年际变化,同时还有一定的年代际变化。1961~2013年间,春季这种变率的变化表现为先减小再升高而后减小,在1984年前后有明显的正向突变,2000年前后有一次明显的负向突变。夏季的变率在60年代维持在2.0%左右,之后跃升至2.6%,1983年前后又回落到2.0%左右,而后波动幅度加大。秋季变率的趋势呈现明显的上升,斜率为0.14% (10 a)-1(表 3)。在1990年前后有一个明显的跃升,幅度超过0.6%;在2000年前后,又迅速回落。冬季的变率呈现明显的上升趋势,为0.08% (10 a)-1;呈现先减小,1982年前后有一次跃升,到了2000年又有一次明显的负向突变。
从各季节降水百分率变率趋势的空间分布来看(图 4),1961~2013年间,春季东北部地区与高原中部呈现变率显著增大的趋势,东南沿海、西南局部和西北大部呈现显著的减少;就具体月份而言(图略),只有4月与春季整体趋势的空间分布存在较大差异,体现为华北与内蒙中部减少,导致这些地区春季变率变化趋势不显著,其他两个月份与春季变率变化趋势的空间分布相似。夏季,东北北部、华北、西北中东部和高原西部等地为显著的降水百分率变率的增大,其他地区为变小趋势;对于变率增大的地区,主要是6月变率增大为主;而对于变率减小的地区,则是7、8月的贡献。秋季,西北东部与高原西北部成为变率增大的主要区域,其他地区以变率减小为主;这种分布从秋季各月份都可以看到,但在变率减小的区域,各个月份的分布差异较大,最明显的是东北,9月该地区为变率显著减小,而11月则为显著变大,这种情况在内蒙西部和云南也有体现。冬季,全国大部表现出降水百分率变率增大的现象,只是在东北北部、华北、东南沿海、高原与云南部分地区呈现减少趋势;各月份变率的趋势分布与季节类似,只是12月的南疆盆地与附近的高原呈现减小趋势,导致冬季这里变率增大的趋势不显著。四个季节的降水百分率变率的变化趋势与变率的空间分布没有发现明显的对应关系。
为更加细致地考察各区季节降水百分率的分布特征,参照《第二次气候变化国家评估报告》(气候变化国家评估报告编写委员会,2011)中的气候分区,综合考虑春夏两季降水百分率变化趋势的空间分布,以及秦岭—淮河一线南北差异,将中国分成10个区(图 1),并计算了各区季节(表 2)与月份(图略)降水百分率气候态的区域平均值。东北、华北、黄淮、关中、高原和西南地区存在三点相同的特征:一是夏季降水百分率最多,秋季次之,春季再次,冬季最少;二是7月降水百分比最大且仅为单峰型;三是8月降水百分率大于6月。其余四个区均为夏季降水百分率最大,春季次之,秋季再次,冬季最少。其中,西北地区7月降水最多,8月降水多于6月;华东和华中降水最大月份在6月,5月与7月的降水百分率基本持平;而华南除了6月为最大降水月份外,8月为另一降水峰值,但小于6月的降水百分率,呈现双峰型。各月降水百分率气候态与王遵娅和丁一汇(2008)的研究相比,在分区相近的区域有相似的特征,但对于长江中下游的三峰型与华西的双峰型特征在研究中没有显现,这一方面与分区有关,另一方面则是本文并未使用逐候数据,对于一些时间跨度较短的峰值无法刻画。
虽然多数分区的月降水百分率气候态表现出单峰型特征,但单峰程度有较大差异。其中,东北、华北和高原地区夏季降水百分率都在60%以上,超过全国平均水平,而冬季降水百分率却小于4%,从而有较强的单峰型特征。但华东、华中和关中夏季降水百分率均小于50%,并且华东和华中春季和夏季降水百分率较为接近,因此单峰型特征较弱。
冬季,各分区降水百分率均表现为增加,但幅度不尽相同。而且,仅有东北和西北的增加趋势通过了显著性检验,趋势系数分别为0.21% (10 a)-1与0.35% (10 a)-1,而这主要来自于12月的贡献。春季,降水百分率显著增加的地区有东北、高原和西南,分别为0.72%(10 a)-1、0.49% (10 a)-1和0.70% (10 a)-1,这主要源自3月和5月;华中、黄淮、关中、华南和西北呈现一定的减小趋势,主要是4月份的作用;华东以0.92% (10 a)-1的速度显著减小,主要是5月贡献。夏季,东北、西南和西北略呈现下降趋势,主要源自7、8月,而6月为增加趋势;华北与高原地区为显著减少趋势;黄淮和华南略有增加,而华东、华中和关中呈现显著的上升。秋季,东北、黄淮、关中、华南、高原和西南地区略有减少;华东和华中为显著减少,分别为-0.70%(10 a)-1和-0.68% (10 a)-1。
接下来考察各区域季节降水百分率的年际变化情况。图 6给出了各分区季节降水百分率区域平均值的时间序列。各区各季节降水百分率存在明显的年际变化,同时存在一定的年代际突变。东北与华南的秋季降水百分率在1995年前后发生了一次明显的负向突变。在1980年前后,华中春季出现了一次负向突变,而西北春季降水百分率则出现了一次正向突变。到了2000年,西北夏季降水百分率又出现了一次明显的负向突变,在1990年前后华东和华南的夏季降水百分率均出现了一次明显的正向突变,同时华东秋季降水百分率出现明显的负向突变。
通过考察不同分区各季节(表 3)和月份降水百分率的变率,可以发现各区普遍是夏季变率最大、冬季变率最小。其中东北、华北、黄淮、关中、高原和西南的秋季降水百分率变率大于春季,其余各区均为秋季变率小于春季。各区季节降水百分率变率的变化趋势也存在较大差异。春季,东北、华北、华中和关中的降水百分率变率有明显的增加,黄淮、高原和西南的变率增大但不明显,华东、华南和西北季节降水百分率的变率则表现为弱的变小。夏季,关中、高原和西南的季节降水百分率变率显著减小,东北、华东、华中、黄淮和华南略有减小,而华北和西北的降水百分率变率则为显著增加。秋季,华中、黄淮和西北的降水百分率变率显著增加,东北、华东和高原的显著减小,华北为减小趋势,其他地区的降水百分率变率均为略有增加。冬季,除华东和西南的降水百分率变率趋于减小外,其他地区均表现为增加,其中东北、高原和西北的变率增加显著。各季节降水百分率变率的变化趋势主要是由变化趋势通过置信水平检验的月份贡献。
进一步研究了不同时段各季节降水百分率变率的变化情况(图 7),表明不同时段的变率变化趋势各不相同。其中,华北、黄淮和关中的夏季与秋季、华东与黄淮春季的降水百分率变率在1990年前后经历先减小后变大的过程。黄淮和关中春季降水百分率变率在2000年前后呈现先增大后减小的形式。黄淮、关中和华南的冬季在80年代前后降水百分率变率都出现了一次快速上升,之后又以不同形式回落。东北、华北、高原、西南和西北的冬季降水百分率总体变化不大。
本文使用基于中国2416个台站的观测降水数据所建立的一套高分辨率降水资料,集中分析了中国全域及其10个分区内的季节降水百分率的气候态、变化趋势、年际变率及其趋势,得到如下结论:
(1)中国全区季节降水百分率最大在夏季,占全年降水的56.5%,最少为冬季,占全年降水的5.3%,春秋降水百分比相差不大,分别占全年降水的19.3%和18.9%。全国降水主要体现在夏季最多而秋季次之为主,其次是夏季最多而春季次之,南方局部则是春季最大而夏季次之。各分区之间季节降水百分率的分布存在一定差异。东北至西南一线全年降水呈现明显的单峰型分布,但峰值出现时间有所差异;在南方地区单峰型分布特征不明显,局部出现双峰型。
(2)就全国平均而言,各季节降水百分率变化趋势为冬季显著增加,其他季节少变。在10个分区内,冬季均表现为不同程度的增加。春夏两季降水百分率的变化趋势分布略呈现在高降水百分率地区减少,在低降水百分率地区增加。从各季节降水百分率的时间序列上看,存在明显的年际变率,多个区域的季节降水百分率在上世纪八九十年代出现突变。
(3)在西部地区,季节降水百分率的变率与海拔高度有明显负相关关系;夏季的降水百分率的变率最大,冬季的最小。东部降水百分率变率的大值区分布随季节变化;夏秋两季在河南、山东等地出现降水百分率变率大值中心,冬春两季则出现在华东和华南。各季节降水百分率的相对变率与降水百分率变率虽然在数值的相对大小上有差别(相对变率为冬季较大,夏季较小),但空间分布差别不大。
(4)各季节降水百分率变率存在明显年际变率与年代际变化。秋冬两季降水百分率变率有显著增加趋势,但在各区域之间有明显差异,例如东部地区(华北、黄淮和关中)在1990年前夏季降水百分率变率逐渐变小,后增大,到2000年再变小。
影响各季节降水量的因子有很多,如东亚季风变化,其强弱对于东亚地区的水汽输送、雨带进退和位置、降水时节均有较大影响。例如,丁一汇等(2013)在总结前人对亚洲夏季风的研究后提出,中国东部雨区从1951年表现为“正负正”的三极型,后转变为“负正负”,最后表现为“负正”的偶极型,与东亚夏季风的年代际减弱所引起的水汽输送、垂直速度场等的变化有着密切的关系。张国宏等(2011)的研究表明,1961年以来东亚夏季风出现了两次明显的减弱,东亚夏季风与夏秋降水有着密切的关系,并且东亚夏季风的减弱可能是东北、华北和西南夏季降水减少的重要原因。张洁等(2009)分析了中国春雨异常与水汽输送的联系,揭示西太平洋副热带高压与东亚西风急流的变化均会引起春季水汽输送的变化,从而影响春季降水。李春晖等(2010)的研究则显示,四季哈德莱环流上升与下沉支的南北推移、西风急流强弱和南北位置移动、大气层结干湿状态以及水汽输送均对中国1976年前后四季降水量的突变有影响。由此需要指出的是,降水季节性变化决定于全年降水在四季的分配,在现阶段讨论中国降水季节性变化的原因较为困难,寻找其影响因子亦十分复杂。单纯寻找影响季节降水量变化的因子并不足以解释降水季节性的变化,如文中提到东亚夏季风在70年代末减弱,并引发中国夏季降水减少(Wang, 2001),但中国夏季降水百分率在70年代末并未出现明显减少。各季节降水百分率变化的原因解析需要将各季节降水与年降水总量进行对比分析,并综合研究不同季节影响中国降水因子的变化。因此,有关中国降水季节性变化的原因,还有待进一步的深入工作。
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