刘 炜,赵艳丽,冯晓晶
(1.内蒙古自治区气候中心,内蒙古 呼和浩特 010051; 2.东北冷涡研究重点开放实验室,辽宁 沈阳 110166)
夏季降水对国民经济特别是农业生产影响极大,深入探究汛期降水机理,提前准确预测旱涝分布,对人民生命财产安全和国家经济建设具有重要意义[1-2]。研究表明,500 hPa高度场上,东西伯利亚(或鄂霍茨克海)阻塞高压、亚洲中高纬地区东高西低分布的稳定维持以及西太平洋副热带高压(简称“西太副高”)的南北和东西位置均对华北地区夏季旱涝形成起着重要作用[3-5],西太副高面积偏大、强度偏强并非对应内蒙古地区多雨,只有与日本海高压合并加强时内蒙古地区才可能多雨[6]。华北地区典型旱涝年降水与南亚高压的异常增强或减弱、中心位置的经纬度偏差均存在密切联系[7]。亚洲纬向环流异常通过影响西风急流轴位置和强度,进一步影响内蒙古地区夏季降水[8]。内蒙古地处中国北方内陆地区,其夏季降水在一定程度上也受东亚夏季风的影响,当夏季风较强时,大气环流和水汽输送均有利于内蒙古地区夏季降水[6,9-10]。海温作为外源强迫对大气环流及天气气候,特别是华北地区降水的影响有不可忽视的作用。印度洋偶极子(Indian Ocean dipole,IOD)与厄尔尼诺和南方涛动(El Nio and southern oscillation, ENSO)联合发生时,正位相年河套、华北地区夏季降水偏少[11]。华北夏季降水还与西太平洋暖池附近、大西洋西部和北太平洋的海温存在显著的相关关系[12]。
20世纪90年代以来,季节内降水异常研究备受关注,其与夏季降水量同样重要,对水资源调配、工农业生产和人民生活有重大影响[13],其中“旱涝急转”现象是降水季节内变化的突出体现。环流形势的异常变化是一个地区发生旱涝转折的重要原因[14-16]。研究表明,初夏我国华北天气过程与盛夏华北环流型有显著关联[17],这为华北盛夏降水预测提供了客观依据;海河流域盛汛期旱涝急转与初汛期北太平洋涛动(north Pacific oscillation,NPO)、南半球环状模(southern hemisphere annular mode, SAM)存在显著正相关,这些环流因子可作为旱涝急转事件的前期信号[18];青海旱涝急转期间,极涡面积、高原位势高度场、东亚槽位置以及西太副高位置均存在较大差异[19]。此外,前期相关海区的海温异常也可作为夏季旱涝急转事件的预测信号之一,如海南岛后汛期长周期旱涝急转指数与前期春季、6月和同期热带中太平洋海温均呈显著负相关[20];湖南夏季长周期旱涝急转指数与前一年夏、秋、冬季和当年春季太平洋相关海区海温存在显著相关性[21]。
近年来,内蒙古地区夏季旱涝时有发生,但从季节内来看并非单一的旱或涝,因此,探究内蒙古地区夏季旱涝急转现象及机制十分必要。为此,本文利用气象站降水量和气候监测指数以及再分析资料、海表温度资料,基于夏季旱涝急转指数对内蒙古地区进行气候分区,在此基础上针对典型旱涝急转异常年同期大气环流及前期海温特征进行分析,探寻前兆信号,建立内蒙古各气候区夏季旱涝急转预测模型,并对预测效果检验,以期为内蒙古夏季旱涝转折预测提供一定参考。
所用资料包括:(1)中国气象局国家气象信息中心提供的内蒙古自治区116个气象观测站1981—2019年5—8月逐月降水量和国家气象业务内网130项气候监测指数(http://10.1.64.154/portal/web-link.index?inid=1001);(2)美国国家环境预报中心/国家大气研究中心(National Center for Enviromental Prediction / National Center for Atmospheric Research,NCEP/NCEP)1981—2019年逐月再分析资料,包括位势高度场、风场、垂直速度场和相对湿度场,水平分辨率为 2.5°×2.5°[22];(3)美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)扩展重建的1981—2019年逐月海表温度资料(ERSSTV4b),水平分辨率为2°×2°。选定1981—2010年平均值为气候态。文中涉及的内蒙古行政边界是基于内蒙古自治区标准地图服务网站下载的审图号为蒙S(2019)33的标准地图制作,底图无修改。
内蒙古地区干湿季分明,5—9月为雨季,其中6—8月降水最为集中,大部地区降水量占全年的65%以上。内蒙古大部地区5月和9月的降水量较为接近,但9月西部地区降水受华西秋雨影响较大,呈现秋雨的特点;5月正值春末夏初,环流场分布与6月具有一定的连续性,因此5、6月降水分布具有一定的相似性[23],而7、8月降水主要受西太副高的影响[24-25],故而内蒙古地区夏季旱涝急转时间尺度为2个月,旱转涝是指5—6月旱、7—8月涝,而涝转旱则是指5—6月涝、7—8月旱。
为定量研究内蒙古地区旱涝急转特征,参考吴志伟等[26]定义的旱涝急转指数(drought-flood abrupt alternation index, DFAI),其计算公式如下:
DFAI=(R78-R56)(|R56|+|R78|)×
1.8-|R56+R78|
(1)
式中:R78、R56分别为7—8月和5—6月标准化降水量;(R78-R56)为旱涝急转强度项;|R56|+|R78|为旱涝强度项;1.8-|R56+R78|为权重系数,其作用是增加旱涝急转事件所占的权重,降低全旱或全涝事件的权重。
经验正交分解(empirical orthogonal function,EOF)展开得到的前几个特征向量可以最大限度地表征气候变量场整个区域的变率结构,但分离出的空间分布结构无法清晰反映不同地理区域的特征,且还存在较大取样误差(取整体和取部分会造成不同的分析结果)的缺陷,而旋转经验正交分解(rotated empirical orthogonal function,REOF)克服了上述缺点,旋转后的典型场空间结构清晰,可以较好反映不同地域的变化特征[27]。考虑到内蒙古地区东西跨度大,各区域降水分布不均,为了能够突出夏季旱涝急转发生频次的地域特征,对内蒙古地区116站1981—2019年夏季标准化DFAI逐年序列做REOF分析。表1是旋转前后前4个模态对总方差的贡献率和累积贡献率,发现旋转前、后前4个模态的累积方差贡献率占总方差的56%。
根据REOF前4个旋转空间模态的高载荷分布,将内蒙古夏季旱涝急转异常特征划分为4个气候区(图1),基本概括了该区夏季旱涝急转的主要分布特征。按各自方差贡献从大到小的顺序:1区代表西部地区,2区代表东部偏南地区,3区代表东部偏北地区,4区代表中部地区。
为了验证内蒙古各气候区夏季DFAI能否体现旱涝急转(旱转涝或涝转旱)现象,以及是否可据此确定旱涝急转异常年,表2给出内蒙古4个分区1981—2019年夏季DFAI高值年和低值年5—6月、7—8月的降水距平百分率,并将降水距平百分率小
表1 EOF和REOF前4个模态对总方差的 贡献率和累积贡献率Tab.1 Contribution rate and cumulative contribution rate of the first four modes of EOF and REOF to total variance 单位:%
图1 基于夏季DFAI的内蒙古气候分区Fig.1 The climatic regions in Inner Mongolia based on summer DFAI
表2 1981—2019年内蒙古夏季DFAI高(低)值年及其降水距平百分率Tab.2 High (low) value years of summer DFAI and corresponding precipitation anomaly percentages in Inner Mongolia from 1981 to 2019
于-20%定义为偏旱,大于20%定义为偏涝。可以看出,夏季DFAI高值年中绝大多数年份5—6月降水距平百分率小于-20%,而7—8月降水距平百分率在绝大多数年份大于20%;夏季DFAI低值年中,绝大多数年份5—6月降水距平百分率大于20%、7—8月降水距平百分率小于-20%,说明夏季DFAI基本能够反映内蒙古各区域夏季旱涝急转现象。需要说明的是,虽然个别年份5—6月降水距平百分率略小于20%(或略大于-20%),但同年7—8月降水距平百分率均小于-30%(或大于30%),为了提高样本数量,将这些年份也作为旱涝急转事件的发生年。综上可见,DFAI基本能够反映内蒙古地区夏季旱涝急转的变化特征,高DFAI对应“旱转涝”,而低DFAI对应“涝转旱”。通过分析4个气候区夏季DFAI的时间演变特征(图略),发现近39 a来内蒙古各气候区夏季DFAI均呈下降趋势,即4个区域从春末夏初到盛夏由旱转涝的特征趋于减弱,而由涝转旱的特征趋于增强。其中,内蒙古东部
偏北地区(3区)夏季DFAI下降趋势最为显著,进入21世纪以来该区域绝大多数年份均呈现较为显著的“涝转旱”特征。
当DFAI>0.6或DFAI<-0.6时,内蒙古地区夏季易发生旱涝急转事件(表2),为此将DFAI>0.6的年份定义为旱转涝事件发生年,DFAI<-0.6的年份定义为涝转旱事件发生年。由于影响内蒙古中部和西部地区、内蒙古东部偏北和偏南地区的天气气候系统较为相似,为避免重复分析,下文仅分析西部地区(1区)和东部偏北地区(3区)“旱转涝”年和“涝转旱”年的大气环流特征。
内蒙古1区,夏季旱转涝年的旱期,东亚大槽偏西偏强,内蒙古西部地区盛行西北气流[图2(a)];涝期,巴尔喀什湖附近存在浅槽,内蒙古西部地区位于槽前,西太副高强度略偏强、脊线略偏北,有充足的暖湿气流输送至内蒙古西部地区,致使降水易偏多[图2(c)]。涝转旱年的涝期,贝加尔湖西侧有一低槽,东侧为高压脊控制,内蒙古西部地区受槽前及脊后偏南气流控制,有利于降水产生[图2(b)];旱期,内蒙古西部地区受贝加尔湖附近的高压脊控制,冷空气较弱,西太副高虽偏西偏北,但高低纬的配置不利于降水产生[图2(d)]。
内蒙古3区,夏季旱转涝年的旱期,500 hPa贝加尔湖和鄂霍次克海附近均为高度负距平[图3(a)],东亚地区呈北低南高的分布型,来自海洋的水汽供应不足,不利于内蒙古东部偏北地区降水产生;涝期,东北冷涡偏强,其中心位于东北地区南部,同时鄂霍次克海高压偏强,西太副高偏强偏西,有利于鄂霍次克海南侧和东北冷涡北侧的偏东暖湿气流向内蒙古东北部地区输送,因此降水易偏多[图3(c)]。涝转旱年的涝期,东北冷涡偏强,鄂霍次克海高压异常偏强,内蒙古东部偏北地区受偏东南水汽输送的影响有利于降水产生[图3(b)];旱期,内蒙古东部地区为高压脊控制,冷空气较弱,暖湿水汽供应不足,不利于该地区降水偏多[图3(d)]。
综上可见,内蒙古西部和东部偏北地区均受副高强度、西伸脊点、脊线位置以及中高纬环流的共同影响,其中东北冷涡对内蒙古东部偏北地区降水有重要影响。
图3 内蒙古3区旱转涝(a,c)和涝转旱(b,d)年的旱期(a,d)、涝期(b,c) 500 hPa位势高度场(黑色等值线,单位:dagpm)和距平场(阴影,单位:dagpm) 以及586 dagpm和588 dagpm气候平均态(红色等值线)分布Fig.3 The distribution of composite 500 hPa geopotential height fields (black contours, Unit: dagpm) and anomaly fields (shadows, Unit: dagpm), and 586, 588 dagpm climate mean states (red contours) at the drought stages (a, d) and the flood stages (b, c) of alternation years from drought to flood (a, c) and flood to drought (b, d) over the 3rd climatic region of Inner Mongolia
图4是内蒙古1区和3区夏季旱转涝年与涝转旱年850 hPa水汽通量差值场。可以看出,1区5—6月差值场[图4(a)]上,朝鲜半岛附近为气旋式水汽通量差值,内蒙古中、西部地区主要存在偏北的水汽输送差值,不利于降水的产生;7—8月,在朝鲜半岛附近为强大的反气旋式水汽通量差值,内蒙古中、西部地区存在偏南的水汽输送差值[图4(b)],有利于降水产生。研究表明,内蒙古中、西部地区的水汽主要来源于东亚季风区的偏东南水汽输送[8],7—8月沿副高边缘北上的暖湿水汽输送偏弱(强)是该地区降水偏少(偏多)的必要条件。3区,5—6月差值场[图4(c)]上,内蒙古中、东部地区存在反气旋式水汽通量差值,内蒙古东部偏北地区主要表现为偏西北的水汽输送差值,不利于降水的产生;7—8月,内蒙古东部地区受强大的气旋式水汽通量差值控制,东部偏北地区表现为偏东的水汽输送差值,有利于降水产生[图4(d)]。
图4 内蒙古1区(a,b)和3区(c,d)旱转涝年与涝转旱年5—6月(a,c)、7—8月(b,d) 850 hPa水汽通量差值场(箭头,单位:kg·hPa-1·m-1·s-1) (阴影区通过α=0.05的显著性检验)Fig.4 Composite differences of 850 hPa water vapor flux field (arrows, Unit: kg·hPa-1·m-1·s-1) from May to June (a, c) and from July to August (b, d) between drought to flood and flood to drought alternation years over the 1st (a, b) and 3rd (c, d) climatic regions of Inner Mongolia (The shaded passed the 0.05 significance test)
除了水汽输送条件外,垂直运动为降水的产生提供了必要的动力条件[4]。为此,分别计算内蒙古1区和3区旱转涝年与涝转旱年700 hPa垂直速度及其距平场(图5)。可以看出,旱转涝年的旱期,1区和3区均为垂直速度正值区,同时也是垂直速度正距平区,表明2个区域低层主要为下沉运动,动力条件不利于降水[图5(a)、图5(e)];涝期,2个区域均为明显的垂直速度负值区和负距平区,表明低层辐合上升运动旺盛,有利于降水[图5(c)、图5(g)]。涝转旱年与旱转涝年正相反[图5(b)、图5(d)、图5(f)、图5(h)]。综上可见,旱期1区和3区700 hPa表现为一致的下沉运动,而涝期则表现为一致的辐合上升运动。
前文分析发现,内蒙古各气候区在典型的旱转涝和涝转旱年同期大气环流存在显著差异。海温异常是气候异常的主要触发因子之一[28],为此分别对内蒙古各区域夏季DFAI与上年9月至当年4月全球海温作相关分析,探寻影响内蒙古各气候区夏季DFAI的海温前兆信号。
内蒙古1区和4区夏季DFAI与上年11月至当年4月热带印度洋海区海温持续存在显著负相关,考虑到篇幅的原因,文中只给出2个区域夏季DFAI与当年4月全球海温的相关性分布[图6(a)、图6(d)]。研究表明,热带印度洋海盆模有“电容器”效应,该效应在春季达峰值位相后可以持续到夏季,对春、夏季的大气环流都有显著影响,热带印度洋冬、春季暖(冷)海盆模通常对应后期中国西北地区东部春末夏初全区一致的降水异常偏多(少),所以冬、春季热带印度洋SSTA海盆模和内蒙古中、西部地区春末夏初降水异常的持续显著负相关关系,可能是热带印度洋海盆模“电容器”效应的一种体现[29]。此外,1区夏季DFAI在当年3月和4月分别与黑潮延伸区和热带西太平洋暖池区海温呈显著负相关。图6(b)为2区夏季DFAI与上年10月海温的相关性分布,事实上2区夏季DFAI与上年9—11月南印度洋海区海温持续呈偶极型相关分布。3区夏季DFAI与上年9月至当年2月热带印度洋海区和热带西太平洋暖池区海温持续呈现负相关,本文仅给出与当年1月海温的相关分布[图6(c)]。
图5 内蒙古1区(a,b,c,d)和3区(e,f,g,h)旱转涝年(a,c,e,g) 与涝转旱年(b,d,f,h)的旱期(a,d,e,h)、涝期(b,c,f,g) 700 hPa垂直速度场(等值线)及其负距平区(阴影)(单位:10-2 Pa·s-1) (虚线方框代表1区和3区)Fig.5 The composite 700 hPa vertical velocity field (contours) and its negative anomaly area (shadows) at the drought stages (a, d, e, h) and the flood stages (b, c, f, g) of alternation years from drought to flood (a, c, e, g) and flood to drought (b, d, f, h) over the 1st (a, b, c, d) and the 3rd (e, f, g, h) climatic regions of Inner Mongolia (Unit: 10-2 Pa·s-1) (The boxes with dotted line represent the 1st and the 3rd climatic regions of Inner Mongolia)
图6 内蒙古各气候区夏季DFAI与前期海温场的相关性分布 (阴影区通过α=0.05的显著性检验) (a)1区夏季DFAI与当年4月海温,(b)2区夏季DFAI与上一年10月海温, (c)3区夏季DFAI与当年1月海温,(d)4区夏季DFAI与当年4月海温Fig.6 Correlation distributions between summer DFAI in each climatic region of Inner Mongolia and previous SST (The shaded passed the 0.05 significance test) (a) summer DFAI in the 1st region and SST in April, (b) summer DFAI in the 2nd region and SST in last October, (c) summer DFAI in the 3rd region and SST in January, (d) summer DFAI in the 4th region and SST in April
研究表明,热带印度洋海温异常和IOD可通过影响东亚季风、水汽输送、副高等来影响中国华北地区夏季旱涝分布[30],其影响机制如何?研究指出,IOD能导致印度季风区气流低层辐合、高层辐散,高层的辐散扰动激发向东北方向传播的Rossby波,从印度东北部出发,向东北方向发展,进入北半球中高纬度和北极地区[31];大气行星波的能量传播是IOD和北半球对流层气候异常之间遥相关的一种可能联系方式[32]。
根据前文旱涝急转年大气环流和前期海温的分析结果,选取对内蒙古地区影响较为显著的21个(上年9月至当年4月)环流指数和海温指数,分别与1981—2015年内蒙古各气候区夏季旱涝急转指数作相关分析,将通过显著性检验的指数作为预测因子,利用多元线性回归法建立预测模型。
从表3看出,针对1区通过显著性检验的指数有当年3月副高强度(X1)、脊线位置(X2),当年1月亚洲经向环流(X3),当年4月西太暖池强度(X4),当年3月黑潮区海温(X5),当年4月冷空气次数(X6)和上年12月热带印度洋海温一致模态(Indian Ocean basin-wide mode, IOBW)(X7),其中IOBW指数选择了相关系数最显著的月份。因此,1区夏季旱涝急转指数与前期显著相关的上述7个指数建立的多元线性回归模型:
表3 内蒙古1区夏季旱涝急转指数与前期(上年9月至当年4月)环流和海温指数的相关系数Tab.3 Correlation coefficients between summer DFAI in the 1st climatic region of Inner Mongolia and previous (from last September to April) circulation and SST indexes
针对2区(表略),通过显著性检验的指数有上年10月副高脊线位置(X1),上年11月北半球极涡经向位置(X2),当年1月北半球极涡纬向位置(X3),上年12月亚洲纬向环流(X4),当年2月亚洲经向环流(X5)和东亚槽位置(X6),上年10月东亚槽强度(X7)和副热带南印度洋偶极子(subtropical south Indian Ocean dipole, SIOD)(X8)共8个。利用上述显著相关的8个指数,构建2区夏季旱涝急转指数的多元线性回归模型:
针对3区(表略),通过显著性检验的指数有上年10月副高脊线位置(X1),当年4月北半球极涡中心强度(X2),上年12月北半球极涡经向位置(X3),上年12月亚洲纬向环流(X4),当年1月亚洲经向环流(X5),当年3月东亚槽位置(X6)和强度(X7),上年12月西太暖池面积(X8),当年1月冷空气次数(X9),上年10月北大西洋海温三极子模态(north Atlantic three-pole mode, NAT)(X10)和IOBW(X11),上年9月热带印度洋偶极子(tropical Indian Ocean dipole, TIOD)(X12)和上年10月SIOD(X13),其中亚洲纬向环流、IOBW和SIOD指数均选择相关系数最显著的月份。利用上述显著相关的13个指数,构建3区夏季旱涝急转指数的多元线性回归模型:
针对4区(表略),通过显著性检验的指数有当年3月副高脊线(X1),当年1月东亚槽强度(X2),当年2月印缅槽强度(X3)和上年12月IOBW(X4),其中印缅槽强度和IOBW指数均选择相关系数最显著的月份。利用上述显著相关的4个指数,构建4区夏季旱涝急转指数的多元线性回归模型:
Y=61.81735-0.36148X1-0.00214X2-0.01132X3-1.43446X4
(5)
综上所述,内蒙古中、西部地区(4区和1区)夏季DFAI与当年西太副高强度或脊线位置、上年IOBW指数均存在显著相关关系,且西部地区夏季DFAI还与当年亚洲经向环流、西太暖池强度、黑潮区海温和冷空气次数存在密切关系;内蒙古东部地区(2区和3区)夏季DFAI与当年东亚槽强度、北半球极涡经向或纬向位置、SIOD指数及亚洲经纬向环流指数均存在显著相关关系,且东部偏北地区夏季DFAI还与西太暖池面积、NAT、TIOD、IOBW及冷空气次数等有显著关系。
为了检验内蒙古各气候区夏季旱涝急转指数回归模型的预测能力,绘制1981—2019年各气候区预测模型的拟合和预测值与实况值的对比曲线(图7)。统计发现(表4),内蒙古4个气候区的预测模型对1981—2015年旱涝急转指数的拟合相关系数均达0.71以上(均通过α=0.05的显著性检验),其中3区高达0.88;拟合符号一致率均在70%以上,其中4区最高达80%;对2016—2019年的预测符号一致率均达75%以上,其中1区和4区预测值与实况值的符号一致率均为100%。近4 a的预测中,1区和4区的预测模型均对2018年典型旱转涝年作出较为准确的预测,2区的预测模型对2017年典型旱转涝年作出较为准确的预测,3区的预测模型对2016年典型涝转旱年作出较为准确的预测。综合以上分析,内蒙古4个气候区旱涝急转预测模型对本地区春末夏初至盛夏的旱涝急转现象均有较好的预测效果,可为旱涝急转预测提供一定参考。
图7 1981—2019内蒙古各气候区夏季旱涝急转预测模型的拟合和预报值(虚线)与实况(实线)的对比 (a)1区,(b)2区,(c)3区,(d)4区Fig.7 The comparison between fitted or predicted value (dotted line) by summer DFAI forecast models and real value (solid line) in each climatic region of Inner Mongolia during 1981-2019 (a) the 1st region, (b) the 2nd region, (c) the 3rd region, (d) the 4th region
表4 内蒙古各气候区夏季DFAI预测模型检验Tab.4 Test of summer DFAI prediction model in different climatic regions of Inner Mongolia
(1)基于夏季旱涝急转指数,内蒙古地区可划分为4个气候区。近39 a来,4个气候区从春末夏初到盛夏由旱转涝的特征趋于减弱,而由涝转旱的特征趋于增强。
(2)1区旱转涝年的旱期,东亚大槽偏西偏强,内蒙古西部地区盛行西北气流,水汽输送不足,垂直方向为下沉运动,不利于降水偏多;涝期,西太副高偏强偏西偏北,内蒙古西部地区位于副高西侧,有充足的偏南暖湿气流,垂直方向为上升运动,有利于降水偏多。涝转旱年的情况正相反。
(3)3区旱转涝年的旱期,内蒙古东部地区受西风控制,水汽输送偏弱,垂直方向表现为下沉运动,致使东部偏北地区干旱少雨;涝期,东北冷涡偏强,西太副高偏弱偏南,内蒙古东部偏北地区有充足的偏东暖湿气流输送,垂直方向表现为上升运动,利于降水增多。涝转旱年的情况正相反。
(4)内蒙古地区夏季旱涝急转指数与前期印度洋和热带西太平洋暖池区、黑潮区及北太平洋东北部海温存在显著的负相关。
(5)基于前期海温指数和大气环流指数构建的内蒙古各气候区夏季旱涝急转指数预测模型,对全区春末夏初至盛夏的旱涝急转现象均有较好的预测效果,可为旱涝急转预测提供一定参考。