北方农牧交错带夏季降水变率及环流背景分析.docx

华北农牧交错带夏季降水变率及其与前期下垫面热力状况的关系*龚道溢史培军北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室，资源科学研究所北京100875 摘要：华北农牧交错带夏季降水有很大的变率，频繁的干旱对农牧业生产有严重影响本文 分析了 1880年以来的夏季降水变化特征，近百年来农牧交错带夏季降水有明显的阶段性 功率谱分析显示有35年左右的周期年代际尺度的波动是干湿变化的重要背景以250mm 等雨量线表示的农牧交错带南北位置，也有明显的年际和年代际的变化，在1978年以前和 以后的两段时期，平均位置有显著的差别，前后平均有大约1.5个纬度的变化农牧交错带 夏季降水与前期春季亚欧地区大范围的温度异常有较好的关系印度和巴基斯坦及相邻印度 洋地区是显著的正相关区；亚州西部的内陆地区是显著的负相关区这两个地区春季的温度 能解释农牧交错带夏季降水方差的15%左右关键词：华北，农牧交错带，夏季降水，下垫面1前言华北农牧交错带处于干旱和半干旱地区的过渡地带,这一地区也是环境变化的敏感和脆 弱地区近几十年来，干旱频繁发生，给农牧业生产造成很大影响，如一些研究都发现1950 年代以来华北地区有干旱化的趋势。

而华北降水与夏季风的变化密切相关，以往的研究表明， 我国华北地区夏季降水与夏季风的变化间的关系比较好夏季风强时华北地区易出现洪涝， 夏季风弱的时候容易出现干旱山华北地区降水与印度降水有较高的正相关当然西南季 风只是影响我国的亚洲季风的一个部分，来自太平洋的季风气流可能有更重要的作用黄荣 辉等⑶指出南亚季风和东亚季风的水汽输送特征是有差别的不过从整个整个东亚季风系统 的成因看，主要还是亚欧大陆与海洋之间的热力差异的对比造成的最近几十年全球近地面 温度变暖趋势明显，而其中欧亚大陆冬季和春季的变暖最为显著巴也必然影响亚洲季风的 波动⑶因此，本文的研究目的有两个，一是根据近百年来的资料分析北方农牧交错带夏季降水 的变化特征，二是研究前期亚欧大陆下垫面热力状况与随后夏季华北北方降水的关系研究 这一地区的夏季降水变化规律对理解东亚气候系统的变率有重要意义，而且研究前期下垫面 热力状况与夏季降水的关系，还有一定的预测应用价值2夏季降水变率分析2.1降水序列研究区域选择的是季风影响的北部边界区，年降水量处于200~600mm之间.即通常所说 的季风尾闾区，见图1该地区的降水应该说是对夏季风的变化比较敏感的一个指标。

夏季 降水占年总降水量的60%左右在研究区内选择18个观测站，降水资料从1951年开始 另外，该区内还有四个站有1880年以来的降水资料，包括北京，朝阳，呼和浩特和太原 资料取自文献冏图2中给出了 18个站和4个站平均夏季降水量距平，距平取对1961 -1990 年不过山于计算平均的站点数不同，两者之间的标准差有明显的区别，1961 — 1990年30 年期间，18站平均序列标准差为47.0mm,而4站平均序列则为74.2mm但二者的变化特 征则非常一致，在1951-1999年共49年期间，18站平均和4站平均序列之间的相关系数国家重点基础研究发展规划项目(G1999043404)资助 达到了 0.94,可见关系非常好，因此用4站平均也能很好代表整个研究区的情况图1.研究区范围，平行四边形所围区域为研究区，圆点站资料1951年开始,4个站(方块表示 站点)资料从1880年开始Fig. 1. The geographical location of target region (shaded). Black dots are stations since 1951, four stations in square begin in 1880.年份图2研究区平均夏季降水距平序列，(a)为18个站平均，⑹为4个站平均(距平对1961- 1990 年)Fig.2. Summer rainfall anomalies for (a) means of eighteen stations, and (b) means of four stations. With respect to 1961-1990.2.2夏季降水的变化特征根据图2可以看到，农牧交错带夏季降水整体来看从1950年代以来是呈下降的趋势。

如果将其变化阶段划分得更详细一些，则又可以再分出两段:从1950年代到1970年代后期, 是显著的下降趋势，而从1980年代初以来，则有增加的趋势从长期变化来看，有明显的 低频波动在1880到1890年代中期，1920—1930年代，1950年代，以及1990年代中期， 降水都是处于偏多的时期；而在1900到1910年代，1940年代，1970到1980年代则是偏干 的时期为了更清楚地显示农牧交错带夏季降水的变化特征，这里进行了功率谱分析，结果 见图3可见，突出的降水周期主要体现在两种时间尺度上，一是年际尺度，包括2.5年和 5.0年，另外是年代际尺度的35年周期需要特别注意的是年代际尺度的变化，因为其对于 降水长期的偏干与偏湿背景特征有重要的影响其它许多研究都曾指出过这个问题，如黄嘉 佑(1992)⑺发现北京夏季的旱涝状况存在2.5、3.5、7.5、30和60年的变化周期，而年的旱涝状况有3.7、7.8和35年周期Liang等冈也曾指出北方旱涝存在30-40多年的周期 因此，农牧交错带降水存在长时间尺度的变化是客观存在的事实根据近百年来的年代际变化特征看，1990年代以来的一段时期应该是处于降水偏多的背 景下，但严重的干旱仍然频繁发生，这一方面可能受降水的强烈年际变化影响，此外也可能 与人类活动的加强有关。

0 08 H 2.535.0 5 00.04-0.00 11 11 T I 11 1 -1 III 1 I 1 -I I I I I I0 5 10 15 20 25 30 35波数图3.夏季降水的功率谱分析.图中标出的数字为突出周期年数.虚线为95%信度水平Fig.3. Power spectra of the summer rainfall series. Peaks of periods are shown in figure.2.3农牧交错带界限的波动农牧交错带的位置受农牧业生产活动，气候变化等因素的影响但是降水量的变化是造 成农牧交错带位置波动的一个重要自然因了本文只是从降水变化的角度来分析农牧交错带 的可能变化研究区内平均夏季降水为292mm.o这里定义一个指标来表示农牧交错带的纬- 1 11度位置，即“一工Qi,表示研究区250mm等雨量线的平均纬度位置，这里咖是各经度上 n m250mm年降水量出现的纬度，n是所选的经度，这里取112.5E, 115E, 117.5E和12(TE 共4个经度(n=4), &是整个研究区的250mm夏季降水量线出现的平均纬度1950 1960 1970 1980 1990 2000420-2-4-6图4夏季250mm等雨量线平均位置的变化.Fig.4. Averaged locations of the 250-mm isohyet in target region.图4是计算得到的平均位置的变化序列。

很明显，其年际波动非常大，有时比正常位置 偏北达3个纬度，而有时则偏南超过4个纬度这种雨带位置的强烈波动与降水量木身的高 变率一起，必然对农牧交错带的生态环境及农业生产产生重要影响另外，还可以看到，除 了强烈的年际变化外，雨带位置还有明显的年代际差别，在1970年代后期以前和以后的两段时期，平均位置有显著的差别，前后平均有大约1.5个纬度的变化图5中给出了 1951 -1959年平均以及1980-1989年两段时期的250mm等雨量线的分布情况，很明显，1980 年代的位置比1950年代显著南移图5. 1950年代和1980年代夏季250mm等雨量线的位置.Fig.5. Locations of the 250-mm isohyet for summer in 1950s and 1980s.3前期下垫面热力状况的影响一些研究曾分析过全球变暖与华北降水的可能联系Bl〕，不过最近几十年来近地面温度变 化最显著是发生在冬季和春季而下垫面热力状况的改变必然会影响大气环流，进而影响降 水这里我们只分析春季的地面温度与随后农牧交错带夏季降水的关系所分析的范围如图 6所示图6.农牧交错带夏季降水与欧亚地区春季地面温度的相关系数分布.阴影区达95%信度.Fig.6. Correlation between summer rainfall in northern China and surface temperature in spring.Areas above 95% confidence level are shaded.图6是农牧交错带夏季降水与春季地面温度的相关系数(1951-1999年)。

可见与夏季降 水密切相关的地区有两个一是印度和巴基斯坦及相邻印度洋地区，此外还有亚州西部的内 陆地区前者是显著的正相关，而后者是显著的负相关这说明当春季在南亚地区温度高时, 有利于印度低压的建立和加强，因此，印度夏季风强，能迅速推进到我国华北地区，华北降水偏多而春季内陆地区温度偏高时则不利于夏季华北降水，可能原因是大气环流的异常， 具体的机制还需要进一步的分析取相关明显的两个中心地区平均，一是50-80E, 10-30N区域，有完整地面温度资料 的有15格点（平均温度序列用T1表示）,二是60-100E, 40-60N区域，有16格点（平均温 度序列用T2表示）T1与夏季华北18站平均降水序列的相关系数达+0.38, T2与夏季华北 降水的相关系数-0.17 （1951-1999共49年，95%信度水平值为0.28）比较而言南亚地区的影 响更大一些如果用T1和T2这两个因子来预测农牧交错带夏季降水，能解释方差的比例 有多少呢？表1中是降水与这两个地区春季温度的多元回归分析的结果，回归模型是显著 的，F值达4.02o图7是计算的夏季降水与观测降水的比较此回归模型的结果与观测值之 间的复相关系数为0.39,说明用T1和T2两个变量能解释夏季农牧交错带降水方差的15% 左右。

表1.农牧交错带夏季降水与温度的回归分析Table 1. Summary statistics from the multivariate regression using T1 and T2 as the independent variable and summer precipitation as dependent variables (i.e., y=axj+bx2+c9 where Xj is Tl, x2 is T2, c is the intercept, y is the summer Tainfall). 回归系数误差t-值显著性（P>ltl）a18.777.902.380.02b-6.496.92-0.940.35c =3.04R= 0.39F=4.02 (P>0.025)图7.由T1和T2计算的夏季降水(实线:观测值；虚线:计算值).模型见表1.Fig.7. Calculated summer rainfall using spring temperatures. Model used here is described in Table 1. Solid line is the observations, dashed line is the cal。