淮河流域多尺度极端气象事件时空特征及遥相关研究

第1章绪论 1.1 问题提出 70%的地球表面被海水覆盖，海洋通过接收太阳辐射的能量，从而调节地球的热量与温度[1-3]。海洋热量的变化引起大气环流的异常，进而引起全球气温、降水等气候要素的变化，对区域气候变化产生影响[1，4]。气候是影响陆地生态系统的一个重要驱动因子[5]，气候变化不仅影响整个生态系统的稳定性，对社会、经济的和谐发展也有很重要的影响。 尼尔尼诺-南方涛动(El Nino and southern oscillation，ENSO)是指示气候年际变化或更长尺度变化的主要信号[6]。ENSO事件不仅直接造成热带太平洋地区的天气气候异常，还会以遥相关的方式间接地影响全球的气候变化，成为近年来全球气候变化研究的热点问题之一[7-9]。厄尔尼诺(El Nino)是指在南美洲秘鲁－厄瓜多尔沿岸秘鲁洋流异常增暖的现象。相反地，若秘鲁洋流出现异常低温现象，则称为拉尼娜(La Nina)。厄尔尼诺、拉尼娜是ENSO事件的暖、冷两种位相，合在一起统称为厄尔尼诺。南方涛动(southern oscillation，SO)是指横跨东西南太平洋的海平面气压场呈相反变化的现象，即当东南太平洋的高压减弱时，印度洋低压槽(从印度尼西亚到北澳大利亚)也相应地减弱，呈现“跷跷板”式的变化[10]。Bjerknes[11，12]发现厄尔尼诺和南方涛动有密切的联系，厄尔尼诺现象发生时海平面气压也会发生改变，于是将厄尔尼诺和南方涛动并称为厄尔尼诺-南方涛动。 ENSO在全球气候和大气环流中起到重要的作用[13]。大气环流的异常直接导致异常天气气候现象的发生[14]。ENSO通过影响大气环流，不仅能够加剧极端水文气象灾害事件的发生，而且由ENSO循环引起的干旱、洪水、极端的高低温等自然灾害会带来巨大的社会经济损失[15-26]。例如，1997～1998年强厄尔尼诺造成全球多个区域出现暴雨、洪水、干旱等灾害，至少20000人死亡，经济损失达340多亿美元[26]。正是由于ENSO对区域气候以及大气环流具有重要影响，有关ENSO的区域响应问题已经成为全球气候变化研究的热点之一，尤其是ENSO对亚洲东部、非洲、美洲等区域降水和气温的影响近年来引起了广泛的关注[27-29]。 国内外学者尝试从ENSO这一指示气候年际变化或更长尺度变化的主要信号中探寻气候年际变化的规律，以期指导农业生产、合理防灾避灾、科学规划利用水资源。随着全球气候变化研究的深入，人们发现ENSO循环呈现多样性。近期有研究表明，存在一种表征赤道太平洋中部海表温度异常增温的厄尔尼诺事件[30-33]，我们称其为新型厄尔尼诺(El Nino Modoki)事件。这种新型厄尔尼诺事件对全球气候的影响与传统厄尔尼诺事件不同[34-39]，它对很多地区的降水都有显著影响，如日本、新西兰、美国西海岸等，且与传统ENSO事件的影响相反。新型厄尔尼诺事件使ENSO对区域气候变化的影响更加复杂。 除了ENSO事件之外，还有很多影响区域降水的大尺度气候因子。例如，北大西洋涛动(north Atlantic oscillation，NAO)对青藏高原北部降水有显著影响[40]；ENSO和太平洋十年际振荡(Pacific decadal oscillation，PDO)对中国降水产生联合影响，在El Nino/PDO的暖位相下我国大部分地区的降水减少，反之亦然[41]。ENSO、NAO、印度洋偶极子(Indian Ocean dipole，IOD)、PDO和大西洋多年代际振荡(Atlantic multidecadal oscillation，AMO)等大尺度气候因子通过影响东亚季风[42-44]，进而影响中国区域降水特征[8，39-41]。 不同的ENSO事件对区域降水时空变异的影响有何不同？不同的ENSO事件对流域的季节降水有何具体影响？在不同ENSO事件的背景下，叠加NAO、PDO、IOD等不同气候因子，其对流域降水的综合影响有何不同？ 我国大部分区域处在季风区，气候变化受东亚季风、南亚季风影响显著。已有研究发现，ENSO、PDO、IOD等大尺度气候因子通过影响东亚季风，进而对我国气候变化产生影响。 ENSO事件是能够反映全球气候变化异常的重要指示信号之一。ENSO事件的变化异常对全球区域尺度的降水、气温等气候均有重要影响，但由于区域地形地貌、气候背景等因素的不同，ENSO事件对区域的影响强度和方式等不尽相同[45]。早在20世纪30年代，我国就开展了ENSO事件对中国气候的影响方面的研究。例如，涂长望[46]分析了南方涛动指数等与我国降水、气温及气压的关系及其可能的联系机制，并尝试通过建立这种遥相关关系来预测我国夏季旱涝灾害。20世纪80年代以来，国内学者围绕中国夏季台风、旱涝和东北地区低温与ENSO事件的遥相关关系开展了大量研究[47，48]。20世纪90年代以来，学者们更加深入地揭示了ENSO对我国流域气候、洪旱灾害、河川径流变化及土地覆被等的影响。 淮河流域是我国十大流域之一，流域涉及河南、湖北、安徽、山东、江苏5省，流域面积约27万km2。它地处我国东部的南北气候过渡带，具有“有降水涝、无降水旱、强降水洪”的特点。淮河流域是我国重要的商品粮、棉、油基地之一，其在我国农业生产中已占有举足轻重的地位，在保障国家粮食安全和促进经济、社会、生态和谐发展方面均具有重要的作用。 在气候变化和人类活动的影响下，淮河流域因灾损失逐年增多，其旱涝灾害风险有增加的趋势[49]。相关的研究成果表明，淮河流域旱涝灾害的变化与ENSO事件有遥相关关系。基于此，本书研究不同ENSO事件对淮河流域不同时间尺度的降水的影响，揭示淮河流域不同尺度降水时空分布演变特征及其与ENSO事件的遥相关关系；基于不同的ENSO事件，耦合PDO、IOD、NAO等气候因子综合分析对流域季节降水与极端降水时空演变的影响。本书对提升淮河流域极端气象发生规律的认识，对管理流域水资源、合理规划农业生产及科学防洪抗旱减灾等具有重要的理论与现实意义。 1.2 研究动态与趋势 1.2.1 ENSO对区域降水的影响研究动态 1.ENSO指数的多样性方面的研究动态与趋势 为了研究ENSO对区域气候的影响，学者们提出了许多不同的指数作为划分ENSO事件的依据，这些ENSO事件类型大致可分为增暖区位于热带东太平洋的经典型(EP)和增暖区位于赤道中太平洋的增暖型(CP)这两类[50]。这两种增暖型ENSO事件可引起沿赤道的海面温度(sea surface temperature，SST)分布的不同，从而导致热带大气环流的异常[51]。 许多学者针对不同区域的特征，提出了不同的指数。例如。Trenberth和Stepaniak[32]提出了一个表征中太平洋和南美地区SST梯度的TNI(trans-Nino index)，TNI和Ni.o3.4指数联合可以监测El Nino的演变过程；Ashok等[30]设计并提出了表征三极型海温异常分布的EMI(ENSO Modoki index)；Li等[52]改进了EMI，提出了修正的IEMI(improved El Nino Modoki index)；Ren和Jin[53]在前人研究的基础上，得到一组新指数CTI(cold-tongue index)和WPI(warm-pool index)；Wang等[54-59]根据增暖中心位置的不同，将EMI划分为I和II两类；国家气候中心则是采用1区、2区、3区、4区海温距平指数之和作为判定厄尔尼诺事件的依据[60，61]。无论哪一种指数，均是为了更好地分析ENSO对区域气候的影响，以便更好地发挥ENSO的指示作用。 2.ENSO的年代际变化的影响 一些研究发现，ENSO事件本身的强度、周期、冷暖事件不对称性等具有明显的时间变化特征，这种时间上的变化差异导致其对区域气候的影响也具有时间变化特征[62]。已有的研究普遍认为20世纪70～80年代是ENSO事件年代际变化的明显分界线：Rasmusson和Carpenter[63]认为20世纪80年代前后ENSO事件发生了明显变化，Wang[64]则认为1976年以后厄尔尼诺事件发生了显著的变化。在ENSO事件发生年代际变化的同时，大气环流、南方涛动、海温背景场等均发生变化[65-67]。此外，ENSO的不同位相也发生变化，并能够引起海气耦合的加剧，激发更强烈的ENSO循环振荡[61]。在厄尔尼诺发生年代际变化的同时，热带太平洋有效位能(available potential energy，APE)的振幅、频率均有不同程度的变化[68]。热带太平洋的海温异常变化与热带印度洋的海温异常变化也有联系，而且这种联系因季节而不同：对冬季而言，1976年之前两者的联系较为显著，之后两者的联系相对较弱；对夏季而言，两者的联系则与冬季相反[69]。 3.ENSO对我国降水的影响 El Nino可以改变大气环流的异常波动，进而影响东亚季风，从而对我国大部分地区的降水产生影响[70]。 在El Nino成熟期，中国南部冬季、春季及秋季降水增多；中国南部和北部夏季降水减少，淮河以南、长江以北之间的地区降水增多[39]。Zhang等[39]的研究发现El Nino显著影响中国的降水。Zhang等[18]通过研究长江流域年极端降水和ENSO的关系，发现长江流域上、中、下游与ENSO的相关程度不同，其中上游呈现负相关，下游呈现正相关。王月等[71]对我国东部地区夏季极端降水对ENSO的响应特征进行了分析，发现冷暖年当年夏季极端降水在华北地区东部增加显著。郭其蕴和王日昇[72]认为El Nino年亚洲冷空气南下的路径偏东，中国南方多雨。宗海锋[73]研究发现我国夏季降水的年际变化与ENSO之间的遥相关关系具有明显的地域差异，在东部地区这种相关关系的不稳定性相对较小，而西北和东北地区则很大。20世纪70年代末以后，ENSO引起了亚洲高空大气环流的异常波动，从而导致我国夏季华南地区的降水在ENSO的发展期明显增多，而在东北地区则减少[74]。除了ENSO的不同发展阶段外，ENSO的不同位相也与我国降水有密切的关系。研究发现，在ENSO的暖位相时期，我国大部分地区夏季的降水量偏少，而在冷位相时期华南大部分地区的夏季降水量偏少，黄河流域和西南地区的降水量则偏多[75]。ENSO事件通过影响亚洲夏季风对我国降水产生影响：在El Nino发展年，我国华南沿海地区及江淮流域的降水量增多；而在El Nino衰亡期，江淮流域的降水则减少；对于拉尼娜而言，这种影响正好相反[76]。 4.ENSO对淮河流域降水的影响 对于ENSO对淮河流域降水、洪旱灾害等方面的影响，前人已经有了一定的研究，取得了一些研究成果。 平均海平面温度异常对江淮流域梅雨的影响具有多时空尺度的特性[77，78]。不同时段不同位相的Ni.o3区海温异常对江淮流域的降水产生影响[79，80]。江淮流域汛期的降水受到赤道地区平均纬圈和经圈环流的影响[81]。洪泽湖枯水年和ENSO事件之间具有密切联系[82]。ENSO事件能够引起淮河流域降水异常，其冷暖期也对春、冬季降水产生影响，引起降水减少和增多[83]。江淮下游里下河腹部地区的汛期降水与ENSO冷暖事件的遥相关有显著的阶段性特征[84]。 不同ENSO事件以及ENSO事件的不同位相对淮河流域降水的影响具有复杂的时空特征。那么，不同ENSO事件影响下不同尺度区域的降水过程特征如何？新型ENSO事件与传统型ENSO事件对淮河流域降水影响有何不同？这些问题均有待进一步研究。 1.2.2 气候因子对极端气象事件的联合影响的研究动态 一些已有研究表明，ENSO与全球气候变化的关系不是平稳性的，而是受其他气