1096 第四纪研究 2009 年 [15] 模式 CCSM2 0 1 的千年模拟结果与中国东部 [5~7] 530 年旱涝等级资料对比来研究中国东部区域降水演化规律 ; 然后, 通过百分位方法分析近 530 年中国东部发生的旱涝事件, 初步探讨其发生的强度持续时间及发生频率等特征在上述分析的基

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力胃应
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1 第 29 卷 2009 年 11 月第 6 期第四纪研究 QUATERNARY SCIENCES Vol.29, No.6 November,2009 doi: /j.issn 文章编号 (2009) 过去 530 年中国东部旱涝事件模拟研究初探 1 彭友兵徐 2 影 (1 西安交通大学人居环境与建筑工程学院环境科学与技术系, 西安 ; 2 中国气象局气候研究开放实验室, 北京 ) 摘要利用 CCSM2 0 1 模式完成的千年模拟试验结果对近 530 年中国东部区域旱涝事件进行了初步的研究结果表明模式一定程度能够反映过去 530 年中国东部降水变化规律, 在年代际变化上与旱涝等级资料较为一致模式能模拟出旱涝事件世纪尺度变化特征以及旱涝事件的群发现象从模拟结果中发现, 过去 530 年中国东部共发生了 3 次持续时间 5 年或 5 年以上的严重干旱事件, 分别发生在 1483~1488 年 1635~1645 年和 1964~1968 年 ; 4 次持续时间 5 年或 5 年以上的严重洪涝事件, 分别发生在 1529~1533 年 1749~1753 年 1926~1932 年和 1978~ 1984 年其中,1483~1488 年 1635~1645 年和 1964~1968 年干旱事件以及 1749~1753 年洪涝事件与旱涝等级序列有较好的对应, 说明模式对严重干旱事件具有一定的再现能力, 而对严重洪涝事件的模拟能力还有待加强对个例分析发现, 对应较好的 3 次严重干旱事件发生时期降水空间型态的演化与 1749~1753 年严重洪涝事件不同, 前者前期呈南涝北旱格局, 旱区逐年向东南扩大, 后者前期同样也呈南涝北旱格局, 但为涝区逐年向东北扩大模拟还发现中国东部夏季降水的异常变化主要受夏季风影响, 发生严重干旱事件期间夏季风偏弱, 发生严重洪涝事件期间夏季风偏强, 模拟显示严重旱涝事件期间副热带高压无明显变化主题词模拟试验中国东部干旱洪涝中图分类号 P ,P435 文献标识码 A 1 前言中国东部地处东亚季风区, 降水变率大, 易发生干旱和洪涝灾害严重的干旱和洪涝灾害特别是持续多年的旱涝灾害对国民经济生命财产以及生态系统会造成巨大损害 [1~3] 因此, 对于中国东部极端降水变化, 特别是持续多年的严重旱涝事件的研究越来越受人们的关注然而, 研究气候变化问题的复杂性在于它包含着自然变化和人为影响两部 [4] 分, 张德二认为尽管当前十分强调人类活动对气候的可能影响, 但是也应看到, 即使在人类活动影响并不显著的历史时期严重的气候灾害仍多有发生其严重程度甚至超过现代的记录因此, 在预估未来的气候情景, 如未来的干旱和洪涝等极端气候事件的变化问题时, 了解过去那些极端旱涝事件的成因是极为重要的研究过去气候变化的方法有两种, 一是利用历史文献资料和代用资料进行重建, 二是利用重建的外界强迫数据驱动数值模式进行模拟中国东部丰富的历史文献记载是一项重要的古气候资料来源, 我国科学家通过大量的历史文献资料 ( 史志地方志等文献记载 ), 对我国东部降水历史变化主要特征阶段及其对全国社会经济和人民生活造成的影响等作了大量艰苦细致的工作, 获得了大量的历史数据 [4~14] 同时, 随着气候模式和计算机技术的不断发展, 对古代和历史气候进行数值模拟已成为弥补重建资料不足的一种方式气候模式模拟可以通过对经验重建序列的一系列检验, 来验证模拟结果的可靠性和真实性, 为最终认识过去气候变化特征和形成机制提供科学基础, 为减少未来气候变化预估的不定性积累了经验然而, 以往的模拟研究工作多偏重于对温度的研究, 降水因为其较强的局地性以及模式对降水模拟的不确定性, 使得对过去降水变化模拟研究相对较少本文首先利用全球气候第一作者简介 : 彭友兵女 28 岁讲师大气科学专业 E mail:youbingpeng@gmail com 国家重点基础研究发展规划项目 (973 项目 )( 批准号 :2009CB 和 2006CB403707) 国家科技支撑计划项目气候变化的检测和预估技术研究 ( 批准号 :2007BAC03A01) 和西安交通大学校内科研基金项目 ( 批准号 : ) 资助收稿, 收修改稿通讯作者 : 徐影 E mail:xuying@cma gov cn

2 1096 第四纪研究 2009 年 [15] 模式 CCSM2 0 1 的千年模拟结果与中国东部 [5~7] 530 年旱涝等级资料对比来研究中国东部区域降水演化规律 ; 然后, 通过百分位方法分析近 530 年中国东部发生的旱涝事件, 初步探讨其发生的强度持续时间及发生频率等特征在上述分析的基础上, 分析旱涝事件空间分布特征以及发生时相应的大气环流背景本文对过去 530 年中国东部旱涝事件进行的初步探讨和分析, 希望能对了解中国东部过去 530 年旱涝事件的成因奠定一些基础, 还有待更多学者的研究予以佐证 2 资料及旱涝事件定义 2 1 模拟资料模拟资料来自于 CCSM2 0 1 模式在综合自然外界强迫 ( 太阳活动火山活动轨道强迫 ) 和人类活动外界强迫 ( 温室气体 ) 驱动下 1000 年连续积分模拟试验结果 [15] 试验中, 轨道参数变化按照国际通用的 Berger [16] 方案计算, 近千年来太阳辐射的历史变化数据来源于 Crowley 等 [17], 他是根据 1610A D. 后观测的太阳黑子始于 1978A D. 的观测资料和树轮与冰芯中记录的大气中的宇宙射线同位素得出 ; 火山活动历史数据同样来源于 Crowley 等 [17] [18], 在本研究中我们根据 Hansen 等建立的关系式将冰芯评估得到的火山灰光学厚度转化为火山灰的辐射强迫效应, 再将其转化为有效太阳辐射变化 ; 温室气体数据则来源于 Ammann 等 [19], 而大气 CO 2,CH 4 和 N 2 O 含量由南极冰芯资料和直接大气观测资料得到 [20],CFC 11 和 CFC 12 含量的历史变化则是来源于历史释放数据和最新观测 CCSM2 0 1(CommuntiyClimateSystem Model) 是由 NCAR(NationalCenterforAtmosphericResearch) 开发的综合气候模式, 由大气海洋陆面海冰通过通量调整耦合而成模式在实测资料下的现代气候状态 (1990 年 ) 开始积分, 共积分 300 年, 从第 300 模式年即现代气候稳定平衡状态开始, 并改变固定的外界强迫条件为 1000 年真实情况, 来模拟公元 1000 年气候变化, 积分 300 年之后加入随时间变化的外界强迫条件, 积分至 1999 年模式以及模拟试验设计具体介绍请参考相关文献 [15] 本文选取 1470~1999 年 5~9 月逐月平均降水量在 (25 ~ 40 N,106 ~122 E) 的区域平均作为中国东部 530 年的模拟降水序列, 同时利用模式模拟的 850hPa 风场和 500hPa 位势高度数据分析了持续时间 5 年或 5 年以上严重干旱和洪涝事件的大气环流背景 CCSM2 0 1 模式在中国东部降水的模拟能力我们已做过相关分析, 如将模拟的中国现代 (1950~1999 年 ) 夏季降水空间分布状态与 CRU 观测资料进行对比 [21], 尽管模拟结果在中国西南部的青藏高原东侧长江上游地区出现了一个虚假的降水中心, 但模式对本文所研究区域 (25 ~40 N, 106 ~122 E) 的降水空间分布还是具有一定的模拟能力, 也能够成功模拟区域降水的西南至东北走向以及从南到北逐渐减少的基本分布特征, 降水的量级对应亦较好, 表明了 CCSM2 0 1 模式对中国东部夏季平均降水的空间分布型态模拟较好模拟的中国东部过去千年降水变化与重建序列对比结果显示, 模拟的中国东部降水演变与重建序列在一定程度上具有相似性 [15,21] 1400 年前模拟显示中国东 [22] 部气候干湿交替, 这与 Jiang 等重建序列保持一 [8] 致 ; 模拟结果与 Zheng 等重建序列均显示在 15~ 17 世纪期间气候干燥, 模拟值自 1890 年后气候开始变得湿润,Song [23] [8] 和 Zheng 等重建序列均显示工业革命后中国东部气候处于湿润期年旱涝等级资料 [5~7] 中国东部的旱涝等级资料共有 531 年, 起止时间为 1470~2000 年, 含有 120 个代表站点, 其中西部地区早期资料有缺失, 东部地区较为完整序列前后段分别采用历史文献记载和实测降水量评定, 序列值为每个站点每年的旱涝等级值, 分 5 级, 用数字 1,2,3,4 和 5 表示 :1 级表示涝,2 级表示偏涝,3 级表示正常,4 级表示偏旱,5 级表示旱 1,2, 3,4 和 5 个旱涝等级出现比例大致为 10%,20%, 30%,20% 和 10% 选取 1470~1999 年 (25 ~ 40 N,106 ~122 E) 区域平均旱涝等级值作为中国东部 530 年的旱涝等级序列 2 3 旱涝事件定义考虑到气候模式对降水年际变率的模拟能力还有待商榷, 因此在定义模拟的严重旱涝事件时, 我们先将模拟的 1470~1999 年中国东部降水距平序列标准化后进行 5 年滑动平均, 然后再采用百分位方 [24,25] 法定义异常降水阈值美国国家干旱减灾中心 (NDMC) 确定和定义了 4 个干旱级别 ( 表 1) [26] : D1 出现的可能性是 11% ~20%,D2 是 6% ~10%, D3 和 D4 出现的可能性极小, 分别是 3% ~5% 和 2% 或更小可以看到 D2 级干旱事件及更严重干

3 6 期彭友兵等 : 过去 530 年中国东部旱涝事件模拟研究初探 1097 表 1 干旱级别划分及出现概率 Table2 Divisionofdroughtlevelandoccurenceprobability 级别干旱状况出现概率 (P)/% D0 偏干 (abnormalydry) 20<P 30 D1 轻旱 (moderatedrought) 10<P 20 D2 中旱 (severedrought) 5<P 10 D3 重旱 (extremedrought) 2<P 5 D4 特旱 (exceptionaldrought) P 2 作中进一步进行研究从结果中可以看到, 两者相关系数为 -0 11, 达到 95% 的置信度, 说明两者之间呈反相关关系同时, 对比结果说明模拟降水在年代际变化上与历史记录还是较为一致的, 能够较好地体现中国东部降水的年代际变化特征整体而言, 中国东部降水变化与温度变化基本同步, 小冰期降水偏少,20 世纪暖期降水偏多旱事件出现概率与旱涝等级资料中 5 级的出现概率相当, 均为 10%, 因此, 设定模拟序列中严重干旱事件发生的概率为 10%, 并将定义同样应用于严重洪涝事件, 给定模拟序列中严重洪涝事件发生的概率也为 10%, 这样旱涝事件发生的概率共占 20% 王 [27] 绍武等在研究近百年中国严重旱涝事件时同样以 10% 的出现概率分别定义了严重干旱和洪涝事件具体做法如下 : 把模拟的 1470~1999 年共 530 年夏季 (5~9 月 ) 降水距平序列标准化后, 进行 5 年滑动平均并计算绝对值, 然后将绝对值序列按照升序排列, 取样本的第 80 个百分位值, 定为气候平均夏季异常降水阈值, 作为确定模拟序列中干旱或洪涝事件的标准百分位分析方法显示夏季异常降水阈值为 0 403, 模拟的中国东部夏季降水距平标准序列中, 如果降水大于则认为出现了严重洪涝事件, 若降水小于则认为出现了严重干旱事件图 1 中国东部区域模拟夏季降水量 (5~9 月 ) 距平标准化序列 ( 实线 ) 与旱涝等级距平序列 ( 虚线 ) 的 10 年滑动平均曲线 Fig.1 10 yrrunningmeancurveofthestandardizedanomaly serialofsimulated summer(may~september)precipitation (solidline)andtheanomalyserialofdroughtandfloodindex (dashedline)ineastchina 3 模拟值与重建值的对比分析图 1 给出了过去 530 年中国东部降水距平标准化后包括所有自然和人为强迫因子的模拟序列和旱涝等级序列间的比较为了滤掉模拟降水序列中的高频变率以及为了方便比较, 对两个序列均经过 10 年滑动平均处理从图 1 中可以看出 : 大致而言, 模拟降水多的时段对应旱涝等级较低时段, 为偏涝时期, 模拟降水少的时段对应旱涝等级较高时段, 为偏旱时期但也有部分时段两者对应并不理想, 其中, 最为明显的是 1850~1870 年和 1920~1940 [5~7] 年期间旱涝等级序列显示中国东部气候在 1850~1865 年和 1920~1940 年偏干,1865~1870 年湿润, 而模拟序列的反映与之完全相反考虑到模拟结果会因为模式性能初始场及强迫场等因素带来系统误差, 旱涝指数也并不一定是真实反映降水变化的最好指标, 因此两者不一定完全吻合, 但是究竟是何原因导致这样的结果显然值得在以后的工图 2 中国东部区域模拟夏季降水量距平标准化序列的 5 年滑动平均曲线 ( 实线 ) 持续时间 5 年或 5 年以上严重干旱事件 ( 横向竖条 ) 和洪涝事件 ( 纵向竖条 ) 虚线为序列中高于或低于均值个标准差的值 Fig.2 5 yrrunningmeancurveofthestandardizedanomaly serialofsimulatedsummerprecipitation(solidline)andsevere drought(horizonalbar)andflood(vertialbar)eventslasting5 yearsandmoreineastchina.dashline:thevaluehigheror lowerthan0 403standarddeviationofthemeanintheseries 在反映严重旱涝事件上, 两者之间又有何异同, 模拟能否得到与重建一致的结果, 模式对旱涝事件的再现能力如何? 为此, 我们对模拟序列所反映的旱涝事件进行了分析 ( 图 2), 并与重建结果进行对比图 2 中给出了 5 年滑动平均模拟序列曲线, +/ 值分别用虚线表示, 高于 ( 低于 )0 403

4 1098 第四纪研究 2009 年 (-0 403) 则表示出现了洪涝 ( 干旱 ) 事件, 其中持续时间 5 年或 5 年以上的严重旱涝事件用竖条标示, 竖条的宽度表示干旱或洪涝持续年数模拟结果显示中国东部过去 530 年各有 53 年次降水异常偏少 ( 低于 ) 或异常偏多 ( 高于 0 403), 其中 1472 年 1575 年 1617 年 1620 年 1678 年 1681 年 1712 年 1720 年 1798 年 1841 年 1849 年和 1961 年为严重干旱年,1539~1540 年 1577~1578 年 1664~1665 年和 1838~1839 年发生持续时间 2 年的严重干旱事件,1834~1836 年发生持续时间 3 年的严重干旱事件,1844~1847 年 1868~1871 年发生持续时间 4 年的严重干旱事件,1483~1488 年 1635~1645 年和 1964~1968 年发生持续时间 5 年或 5 年以上的严重干旱事件 ; 而 1612 年 1731 年 1767 年 1825 年 1892 年 1947 年 1949 年和 1986 年为严重洪涝年,1746~1747 年 1895~1896 年和 1943~1944 年发生持续时间 2 年的严重洪涝事件,1934~1936 年发生持续时间 3 年的严重洪涝事件,1700~1703 年 1769~1772 年和 1921~1924 年发生持续时间为 4 年的严重洪涝事件,1529~1533 年 1749~1753 年 1926~1932 年和 1978~1984 年发生持续时间为 5 年或 5 年以上的严重洪涝事件 ( 图 2) 考虑到模式对降水的年际变率模拟能力较差, 且研究的模拟序列经过 5 年的滑动平均, 我们主要讨论旱涝事件的世纪尺度变化特征和年代际尺度变化特征, 即模拟序列揭示的持续时间 5 年或 5 年以上的旱涝事件表 2 旱涝年世纪发生频次 Table2 Frequencyofdroughtandfloodeventpercentury 1470~ ~ ~ ~ ~1999 干旱 / 次洪涝 / 次表 2 给出了 1470 年以来各个世纪里发生的旱涝事件 16 世纪 (1470~1599, 下文做同样表述 ) 17 世纪和 19 世纪中国东部发生干旱事件的频次相当, 发生次数分别为 12 次,17 次和 15 次 ; 而 18 世纪和 20 世纪中国东部干旱事件的发生频次相当, 分别为 3 次和 6 次 ;16 世纪和 19 世纪发生洪涝事件的频次相当, 发生次数分别为 5 次和 4 次 ;18 世纪和 20 世纪洪涝事件发生的频次相当, 分别为 17 次和 26 次 ;17 世纪洪涝事件发生频次最少, 仅为 1 次由此可见,16 世纪 17 世纪与 19 世纪属于干旱事件频发期, 特别是在 17 世纪发生洪涝事件的年数只有一年, 而干旱事件发生频次高达 17 年,18 世纪和 20 世纪则属于洪涝事件频发期对比各个世纪旱涝事件发生频次可以发现 20 世纪旱涝事件发生次数相对于 16~19 世纪而言显著增加, 且主要体现在洪涝事件发生次数的增多, 仅 20 世纪 20 年代至 40 年代期间就发生了 1921~1924 年 1926~ 1932 年 1934~1936 年 1943~1944 年共 4 次严重的持续洪涝事件 [9] Shen 等利用 500 年旱涝等级资料分析中国东部干旱事件时指出 16 世纪 17 世纪 19 世纪和 20 世纪发生干旱事件的频率较高, 而 18 世纪干旱 [10] 事件发生概率较小侯威等也指出近 531 年极端干旱事件概率无论是在黄河中下游地区还是在江淮地区均存在较缓和 (16 世纪 ) 剧烈 (17 世纪 ) 较缓和 (18 世纪和 19 世纪 ) 上升 (20 世纪 ) 的变 [4] 化趋势同时, 张德二的研究指出 20 世纪特别是 20 世纪下半叶处于相对稳定的气候状态, 属于气候条件较好的时段可以发现我们的结果与他们的研究在 16~19 世纪大致相似, 然而在 20 世纪情况相 [8] 左然而,Zheng 等研究认为 20 世纪中国东部极端洪涝事件的增加是过去千年来极端降水事件发生频率最显著的特点, 与我们的结果在 20 世纪的情况一致因此, 可以看到目前的研究在反映 20 世纪暖期旱涝事件变化上差异较大,20 世纪中国东部降水变化相对于历史变化是洪涝事件增加或是干旱事件增加或两者均增加还是没有明显变化, 并无一致结论这可能是因为自 16 世纪开始南北降水变化差异较大 [8], 北涝南旱或南涝北旱降水格局概率增加 [28], 而整个中国东部区域平均的结果会抹去区域差异, 只能反映出南北同涝和南北同旱的旱涝事件我们也注意到在旱涝灾害频发期也存在相应旱涝灾害连发的特点, 属于干旱事件频发期的 16 世纪 17 世纪 19 世纪分别发生了 3 次 2 次 4 次持续性干旱事件 ( 持续时间 2 年或 2 年以上 ) 和仅仅 1 次 0 次 1 次持续性洪涝事件 ; 属于洪涝事件频发期的 18 世纪和 20 世纪分别发生了 0 次和 1 次持续性干旱事件和 4 次 5 次持续性洪涝事件利用旱涝等级序列进行中国旱涝持续性特征的研 [29] 究得到了与模拟结果一致的结论, 揭示出旱涝指数序列中旱或偏旱 ( 涝或偏涝 ) 相对集中的时段对旱 ( 涝 ) 持续性影响较显著, 旱涝事件存在群发现象

5 6 期彭友兵等 : 过去 530 年中国东部旱涝事件模拟研究初探 1099 在上面讨论的各为 53 年次的干旱和洪涝事件中, 共发生了 7 次持续时间 5 年或 5 年以上的年代际严重旱涝事件, 其中年代际干旱事件分别发生在 1483~1488 年 1635~1645 年和 1964~1968 年 ( 图 2 中横向竖条 ), 年代际洪涝事件分别发生在 1529~1533 年 1749~1753 年 1926~1932 年和 1978~1984 年 ( 图 2 中纵向竖条 ) [9] Shen 等利用 500 年旱涝等级资料的分析结果显示过去 500 年中国东部共有 49 年发生了严重干旱灾害, 其中发生具有较长持续性和大范围影响面积的严重灾害事件 3 次, 它们分别发生在 1586~ 1589 年 1638~1641 年和 1965~1966 年, 后面两次 [4] 干旱事件与模拟结果一致张德二利用千年干湿等级序列研究发现过去千年中国东部共发生了 10 次持续时间 3 年以上干旱区域覆盖 4 个省份以上的严重干旱事件, 其中, 发生在 1483~1485 年和 1638~1643 年的两次干旱事件与模拟结果时间吻 [8] 合, 同样这两次干旱事件在 Zheng 等利用千年旱涝指数研究极端旱涝事件时也有类似结果而模拟的严重洪涝事件只有发生在 1749~1753 年的事件 [8] 在重建结果中能找到相对应记录,1978~1984 年严重洪涝事件没有相对应的记录, 甚至观测数据显示 1978 年为严重干旱年 [9],1529~1533 年和 1926~1932 年严重洪涝事件则与重建结果和观测结果相反, 重建结果和观测结果显示在此期间中国东部发生严重干旱事件 [4,8] 对比模拟和重建序列可以看出, 在过去 530 年中均存在 3 次严重干旱事件和 1 次严重洪涝事件 1483~1488 年干旱事件持续时间 6 年, 期间降水距平平均为 -0 6, 最旱年为 1485 年, 降水距平平达到 -0 8 此次严重干旱事件不仅发生在中国东部, 甚至跨越至西部, 模拟显示期间西部 (20 ~50 N, 70 ~100 E) 降水距平均为负值, 降水距平最小值出现在 1486 年, 降水距平达到 -0 42, 利用树木年轮重建的西部德令哈地区近千年的降水量序列显示此次干旱事件期间德令哈地区的年降水量出现了低于 72mm 的记录 [30~32] 反映最为一致的是 1635~ 1645 年严重干旱事件, 无论是模拟还是在所有重建序列研究结果中均指出此次干旱事件是过去 500 年甚至两千年来持续时间最长覆盖面积最广的一次干旱事件模拟显示此次干旱事件持续时间 11 年, 降水距平平均为 -0 6, 最旱年为 1640 年, 降水距平达到 -0 9 重建显示发生干旱灾害的旱区中心河南省连旱了 7 年, 灾害期间我国南北方 23 个省 ( 区 ) 相继遭受严重旱灾, 覆盖面积达到中国东部的 50% 以上, 并导致黄河在 1640 年出现断流另外, 1964~1968 年严重干旱事件就干旱程度持续时间以及覆盖面积而言则被认为是 20 世纪发生的最严重干旱事件 1749~1753 年严重洪涝事件期间, 降水距平平均为 0 5, 最涝年为 1750 年, 降水距平达到 0 6, 历史文献记录表明 1753 年 ( 乾隆十八年 ) 江淮地区有五十二州县卫发生水灾, 河湖涨漫, 堤决大水 [33] 从上面的分析中可知, 模拟与重建对严重洪涝事件的反映存在一定差别, 可能存在两方面的原因一方面模式模拟结果存在不确定性, 包括了模式内部变率和所使用强迫数据序列的不确定性 ; 另一方面因为洪涝事件发生的区域范围可能会小于干旱事件, 相应的文献记载会少一些, 因此当年的旱涝事件定性问题还需要更多的资料予以佐证另外, 我们也注意到模拟显示的旱涝事件持续的时间要长于旱涝等级序列 [5~7], 如至今众多的相关研究认为明末崇祯大旱始于 1638 年结束于 1643 年, 而模拟显示其发生在 1635~1645 年, 共持续了 11 年, 比旱涝等级序列中要长出 5 年这可能因为在模拟中简单设定火山爆发当年对太阳辐射的影响即达到最大, 而现实中火山爆发后同温层气溶胶由低纬度地区扩散至高纬度地区需要数月的时间, 因此, 火山爆发一年之后对太阳辐射的影响才达到最大 [34] ; 另外, 也可能因为热带太平洋海温变化如 ENSO 事件对中国东部降水的超前滞后影响 [35], 模式能否反映出来还值得怀疑 ; 同时对模拟序列进行了 5 年滑动平均对结果也有影响以上这三方面的原因都可能导致模拟旱涝事件起止时间的改变同时, 对比利用旱涝等级序列进行持续性旱涝 [5~7] 事件的研究, 可以发现旱涝等级序列中反映出的一些旱涝事件在模拟中并未反映出来因为本文主要对比模拟反映的持续时间 5 年或者 5 年以上的旱涝事件, 模拟中持续 2 年 3 年 4 年旱涝事件有些或许与旱涝等级序列反映的旱涝事件有很好的对应, 但没有进行分析, 当然也存在模拟序列完全反映不出旱涝等级序列中持续性旱涝事件的现象尽管两者间存在着差异, 但就我们研究的角度而言, 总体上模式对严重干旱事件具有较好的再现能力, 而对严重洪涝事件的模拟能力还有待提高 4 严重旱涝事件空间分布特征以及大气环流背景分析我们注意到模拟和重建序列反映一致的旱涝事

１１００第四纪研究２００９年件发生在不同的冷暖气候背景下１４８３１４８８年干件时期两者的状态选择以上３次干旱事件时期共旱事件出现在小冰期最寒冷阶段到来之前的相对温２２年和１次洪涝事件时期共５年对这些时期和时段１６３５１６４５年干旱事件出现在小冰期寒冷８５０ｈＰ风场与５００ｈＰ位势高度进行

6 １１００第四纪研究２００９年件发生在不同的冷暖气候背景下１４８３１４８８年干件时期两者的状态选择以上３次干旱事件时期共旱事件出现在小冰期最寒冷阶段到来之前的相对温２２年和１次洪涝事件时期共５年对这些时期和时段１６３５１６４５年干旱事件出现在小冰期寒冷８５０ｈＰ风场与５００ｈＰ位势高度进行了合成分析气候背景下１７４９１７５３年洪涝事件出现在小冰期需要指出的是我们的分析只是针对旱涝事件进行个相对温暖阶段１９６４１９６８年干旱事件出现在全球例分析结果并不具备代表性３次严重干旱时期大范围气候转暖的背景下因此不同冷暖气候背景夏季风相对千年平均明显减弱日本附近和孟加拉下的干旱和洪涝事件发生发展的动态过程以及对湾南海地区各存在一距平气旋中国东部为偏北风应的大气环流背景的异同值得进一步探讨异常在赤道附近地区的索马里和１２０Ｅ两支越赤从图３可以看出１４８３１４８８年与１９６４１９６８道气流减弱图４１７４９１７５３年严重洪涝时期年干旱事件前期降水距平空间分布为南涝北旱夏季风增强图４ｂ孟加拉湾地区存在距平反气长江中下游涝而华北华南旱后期干旱覆盖面积旋华南及江淮流域地区为偏南风异常然而在旱由北向南向东扩展成为南北同旱１６３５１６４５年涝事件时期副热带高压位置与千年平均基本重合干旱事件前期与前面两次干旱事件前期情况不同无明显变化图略说明主要是夏季风的异常变化表现为华北干旱而长江中下游降水正常后期干旱导致了异常降水事件的发生覆盖面积向南向东扩展变为南北同旱相比较而言以上３次干旱事件发生时期降水距平空间分布５结论以及演化基本相似干旱区域中心由华北起源后南对千年模拟试验下的中国东部区域过去５３０年扩至整个长江中下游地区而１７４９１７５３年洪涝降水资料与旱涝等级资料进行了对比分析并在此事件的发展演化显然与以上３次干旱事件不同基础上研究了过去５３０年中国东部严重旱涝事件图３１７４９１７５３年严重洪涝事件早期同样呈包括个例旱涝事件的强度持续时间与频次空间分南涝北旱格局之后洪涝中心向北向东移动洪布及发展动态和相对应的大气环流背景得到以下涝面积覆盖华北以及长江中下游后期中国东北变结论１模拟结果与５３０年旱涝资料对应较好两涝而华北长江中下游变旱我们知道中国东部夏季降水主要受夏季风和者相关系数为０１１降水多的时段对应旱涝等级西太平洋副热带高压的影响为了分析严重旱涝事小值即偏涝降水少的时段对应旱涝等级大值即偏图３３次严重持续干旱事件和３次严重持续洪涝事件时期降水距平的空间分布和演化Ｆｇ３Ｓｐｌｎｄｍｐｏｒｌｐｒｎｏｆｈｐｒｃｐｏｎｎｏｍｌｓｄｕｒｎｇｈｒｓｖｒｌｓｎｇｄｒｏｕｇｈｖｎｓｎｄｏｎｓｖｒｌｓｎｇｆｌｏｏｄｖｎ

7 6 期彭友兵等 : 过去 530 年中国东部旱涝事件模拟研究初探 1101 风强则易发生洪涝事件, 相对而言西太平洋副高对旱涝事件的发生影响不大需要指出的是我们的模拟结果是初步和针对个例的, 今后还需利用高分辨率全球和区域模式进行多方面的模拟和分析的工作致谢三位评审专家对本文初稿提出了建设性的修改意见 ; 编辑杨美芳女士为完善本文写作提出了宝贵意见, 在此一并表示感谢参考文献 (References) 图 4 3 次严重持续干旱事件 (a) 和 1 次严重持续洪涝事件 (b) 时期 850hpa 风场距平合成平均的空间分布 (m/s) Fig 4 Spatialpaternofthecompositemeanofanomalies ofthe850hpa(m/s)winderduringthreedroughtevents(a) andonefloodevent(b) 旱, 表明模拟降水在年代际变化上具有与历史记录的一致性 (2) 模拟结果表明模式能够模拟出旱涝事件的世纪尺度变化特征以及其群发特性过去 530 年中国东部经历了发生在 1483~1488 年 1635~1645 年 1964~1968 年的 3 次持续时间 5 年或 5 年以上严重干旱事件和发生在 1529~1533 年 1749~1753 年 1926~1932 年 1978~1984 年的 4 次持续时间 5 年或 5 年以上严重持续洪涝事件在与历史记录重建资料对应上,3 次严重持续干旱事件和 1749~ 1753 年严重持续洪涝事件对应较好, 表明模式对严重干旱事件具有较好的再现能力, 而对洪涝事件的模拟能力还有待提高 (3)1483~1488 年 1635~1645 年和 1964~ 1968 年严重干旱事件发源于华北地区, 之后几年旱区向东南扩大, 而 1749~1753 年严重洪涝事件发源于长江中下游地区, 之后几年涝区向东北扩大针对以上旱涝事件分析, 发现旱涝事件的发生主要受夏季风的影响, 夏季风弱则易发生干旱事件, 夏季 1 EasterlingDR,MeehlG A,ParmesanC etal.climateextremes: Observations,modeling,and impacts. Science,2000,289:2068~ ChangnonSA,ChangnonJM,HewingsG D.Losescausedby weatherand climateextremes: A nationalindexfortheunited States.PhysicalGeography,2001,22:1~27 3 IntergovernmentalPanelonClimateChange. IPCC Workshop on ChangesExtremeWeatherandClimateEvents.Beijing,2002 1~ 张德二. 中国历史气候记录揭示的千年干湿变化和重大干旱事件. 科技导报,2004,(8):47~49 ZhangDe er. Variationsofdry wetclimate and severe drought eventsintheclimaterecordsofchinaoverthepast1000years. Science& TechnologyReview,2004,(8):47~49 5 中央气象局气象科学研究院主编. 中国近五百年旱涝分布图集. 北京 : 地图出版社, ChineseNationalMeteorologicalAdministrationed.YearlyChartsof Drynes/WetnesinChinafortheLast500 YearPeriod.Beijing: SinomapsPress, 张德二, 刘传志. 中国近五百年旱涝分布图集续补 (1980~ 1992 年 ). 气象,1993,19(11):41~45 Zhang De er,liu Chuanzhi. Supplement of yearly charts of dryness/wetnessin China forthe last500 yearperiod(1980~ 1992).MeteorologicalMonthly,1993,19(11):41~45 7 张德二, 李小泉, 梁有叶. 中国近五百年旱涝分布图集的再续补 (1993~2000 年 ). 应用气象学报,2003,14:379~389 ZhangDe er,lixiaoquan,liang Youye. Supplementofyearly chartsofdrynes/wetnesin Chinaforthelast500 yearperiod (1993~2000).JournalofAppliedMeteorologicalScience,2003, 14:379~389 8 ZhengJingyun, Wang Wei Chyung, Ge Quansheng et al. PrecipitationvariabilityandextremeeventsinEasternChinaduring thepast1500years.terestrialatmosphericandoceanicaciences, 2006,17(3):579~592 9 ShenCaiming,WangWei Chyung,HaoZhixinetal.Exceptional droughteventsovereasternchinaduringthelastfivecenturies. ClimaticChange,2007,85(3~4):453~ 侯威, 杨萍, 封国林. 中国极端干旱事件的年代际变化及其成因. 物理学报,2008,57(6):3932~3940 HouWei,YangPing,FengGuolin.Thedecadalvariabilityandits causeoftheextremedroughtinchina.actaphysicasinica,2008,57

8 1102 第四纪研究 2009 年 (6):3932~ 张德二, 刘月巍. 北京清代晴雨录降水记录的在研究 - 应用多因子回归方法重建北京 (1724~1904 年 ) 降水量序列. 第四纪研究,2002,22(3):119~208 ZhangDe er,liuyuewei.a newapproachtothereconstructionof temporalrainfalsequencesfrom1724~1904qing Dynastyweather recordsforbeijing.quaternarysciences,2002,22(3):119~ 张德二, 王丽华, 孙霞. 由历史文献记载反演逐年网格点降水量距平场. 第四纪研究,2003,23(2):177~184 Zhang De er,wang Lihua,Sun Xia. Reconstruction of grid precipitationanomalyineasternchinafrom historicaldocuments: NewstudyonChinese.QuaternarySciences,2003,23(2):177~ 张德二, 刘传志, 江剑民. 中国东部 6 区域近 1000 年干湿序列的重建和气候跃变分析. 第四纪研究,1997,(1):1~11 ZhangDe er,liuchuanzhi,jiangjianming.reconstrucitonofsix regionaldry/wetseriesandtheirabruptchangesduringthelast1000 yearsineastchina.quaternarysciences,1997,(1):1~11 14 姜彤, 张强, 王苏民. 近 1000 年长江中下游旱涝与气候变化关系. 第四纪研究,2004,24(5):518~524 JiangTong,ZhangQiang,WangSumin.Therelationshipbetween droughts,floodsand climatic changesin the middle and lower reachesofthechangjiangriversincelast1000years.quaternary Sciences,2004,24(5):518~ PengYoubing,XuYing,JinLiya.ClimatechangesoverEastern Chinaduringthelastmilenniuminsimulationsandreconstructions. QuaternaryInternational,2009,doi: /j quaint BergerAL.Long term variationsofdailyinsolationandquaternary climaticchanges.journalofatmosphericsciences,1978,35:2362~ CrowleyTJ,BaumSK,KimKYetal.Modelingoceanheatcontent changesduringthelastmilennium.geophysicalresearchleters, 2003,30(18):1932,doi: /2003GL HansenJ,SatoM,NazarenkoLetal.Climateforcingsingoddard instituteforspacestudiessi2000simulations.journalofgeophysical Research,2002,107(D18):4347,doi: /2001JD AmmannCM,JoosF,SchimelDSetal.Solarinfluenceonclimate duringthepastmilennium:resultsfrom transientsimulationswith the NCAR Climate System Model. ProceedingsoftheNational AcademyofSciencesoftheUnited StatesofAmerica,2007,104: 3713~ EtheridgeDM,SteeleL P,LangenfeldsR L etal.naturaland anthropogenicchangesinatmosphericco 2 overthelast1000years from airinantarcticiceandfirn.journalofgeophysicalresearch, 1996,101(D2):4115~ ShenC,Wang W C,Peng Y B etal.variability ofsummer precipitationovereasternchinaduringthelastmilennium.climate ofthepast,2009,5:129~ JiangJianmin,ZhangD,FraedrichK.Historicclimatevariabilityof wetness in East China(960~ 1992): A wavelet analysis. InternationalJournalofClimatology,1997,17:969~ SongJie.Changesindrynes/wetnessinChinaduringthelast529 years.internationaljournalofclimatology,2000,20:1003~ FrichP,AlexanderL V,Dela MartaP etal.observed coherent changesinclimaticextremesduringthesecondhalfofthetwentieth century.climateresearch,2002,19:193~ 翟盘茂, 潘晓华. 中国北方近 50 年温度和降水极端事件变化. 地理学报,2003,58( 增刊 1):1~10 ZaiPanmao,Pan Xiaohua. Changein extremetemperatureand precipitationovernorthernchinaduringthesecondhalfofthe20th century.actageographicasinica,2003,58(suppl.1):1~10 26 SvobobaM,LeComte D,HayesM etal.the droughtmonitor. BuletinoftheAmericanMeteorologicalSociety,2002,83:1181~ 王绍武, 龚道溢, 陈振华. 近百年来中国的严重气候灾害. 应用气象学报,1999,10( 增刊 ):43~53 Wang Shaowu,Gong Daoyi,Chen Zhenhua. Serious climatic disastersofchinaduringthepast100years.quarterlyjournalof AppliedMeteorology,1999,10(Suppl.):43~53 28 ShenCaiming,WangWei Chyung,HaoZhixinetal.Characteristics ofanomalousprecipitationeventsovereasternchinaduringthepast fivecenturies.climatedynamics,2008,31(4):463~476,doi: /s 龚志强, 封国林. 中国近 1000 年旱涝的持续性特征研究. 物理学报,2008,57(6):3920~3931 GongZhiqiang,FengGuolin.Theresearchofdurativecharacteristics ofdry/wetseriesofchinaduringthepast1000years.actaphysica Sinica,2008,57(6):3920~ 邵雪梅, 黄磊, 刘洪滨等. 树轮记录的青海德令哈地区千年降水变化. 中国科学 (D 辑 ),2004,34(2):145~153 ShaoXuemei,Huang Lei,Liu Hongbin etal.reconstruction of precipitation variation from tree rings in recent1000 years in Delingha,Qinghai.ScienceinChina(SeriesD),2004,34(2): 145~ 刘洪滨, 邵雪梅, 黄磊等. 青海省海西州德令哈地区近千年来年降水量变化特征分析. 第四纪研究,2005,25(2):176~183 Liu Hongbin, Shao Xuemei, Huang Lei et al. Statistical characteristicsofannualprecipitationvariationduringthepast1000 yearsin Delingha,QinghaiProvince,China.QuaternarySciences, 2005,25(2):176~ 黄磊, 邵雪梅. 青海德令哈地区近 400 年来的降水量变化与太阳活动. 第四纪研究,2005,25(2):184~192 Huang Lei,Shao Xuemei Precipitation variation in Delingha, Qinghaiandsolaractivitysincelast400years.QuaternarySciences, 2005,25(2):184~ 张崇旺. 明清时期自然灾害与江淮地区社会经济的互动研究. 厦门 : 厦门大学博士论文,2004 ZhangChongming. Research on InteractiveRelationship between NaturalDisasters,SocietyandEconomyinJianghuaiRegioninMing and Qing Dynasties. Xiamen: Xiamen University Doctor dissertation, YoshimoriM,StockerTF,RaibleCCetal.Externaly forcedand internalvariabilityinensembleclimatesimulationsofthemaunder Minimum.JournalofClimate,2005,18:4253~ 苏明峰, 王会军. 中国气候干湿变率与 ENSO 的关系及其稳定性. 中国科学 (D) 辑,2006,36(10):951~958 Su Mingfeng,Wang Huijun. The relationshipsand itsstability betweenensoandthevariabilityofclimaticdryandwetinchina. ScienceinChina(SeriesD),2006,36(10):951~958

9 6 期彭友兵等 : 过去 530 年中国东部旱涝事件模拟研究初探 1103 A MODELING STUDY ON DROUGHTAND FLOOD EVENTS OFTHELAST530YEARSIN EASTCHINA PengYoubing 1 XuYing 2 (1DepartmentofEnviromentalScienceandTechnology,SchoolofHumanSetlementandCivilEnginering,Xi anjiaotonguniversity,xi an710049; 2LaboratoryforClimateStudies,NationalMeteorologicalAdministration,Beijing100081) Abstract Severedroughtandfloodeventsofthelast530yearsinEastChinawereinvestigatedbya1000 yrglobal climatemodelccsm The simulated summerprecipitation and droughtand flood eventsare,on an interdecadalscale,consistentwiththehistoricalrecords.therewerethreeseveredroughteventslasting5yearsand moreoccuredin1483~ ~1645and1964~1968andfourseverefloodeventslasting5yearsormore occuredin1529~ ~ ~1932and1978~1984.Especialy,thethreedroughteventsandthe 1749~1753floodeventareveryclearanddefiniteinthehistoricalrecords.Astothethreedroughtevents,they firstdevelopedinnorthchinaandthenexpandedsouthwardtothemiddleandlowerreachesoftheyangtzeriver, whileastothe1749~1753floodevent,itfirstdevelopedinthemiddleandlowerreachesoftheyangtzeriverand thenexpandednorthwardtonorthchina.itisfoundthatsuchlastingdroughtandfloodeventscanbeatributedto influenceofsummermonsoon,whereasthewesternpacificsubtropicalhighpresureplaysonlyaminorrole. Keywords simulation,eastchina,drought, flood 檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵现代气候变化的自然背景与温暖期高分辨记录学术会议在南京大学召开由国际地圈生物圈计划中国委员会过去全球变化工作组中国第四纪科学研究会高分辨率气候记录专业委员会黄土专业委员会联合主办的现代气候变化的自然背景与温暖期高分辨记录 2009 年学术会议于 10 月 26~28 日在南京大学顺利召开此次学术会议由南京大学承办, 得到了南京大学地理与海洋科学学院的大力支持会议主要围绕高分辨率气候记录与机制风尘堆积与环境变化新生代东亚环境演化与机制以及碳循环及其生态效应等议题展开讨论, 专家们交流了近几年来各自在不同学科领域获得的研究成果参加本次会议的代表共 150 余位, 来自中国科学院南京大学南京师范大学中国科学技术大学中国海洋大学中国地质科学院中国地质大学西北大学兰州大学和华南师范大学等 20 多家单位会议开幕式由南京大学地理与海洋科学学院副院长中国第四纪科学研究会黄土专业委员会副秘书长鹿化煜教授主持会上致辞的有南京大学科技处李成处长全球变化中国委员会过去全球变化工作组与中国第四纪科学研究会高分辨率气候记录专业委员会谭明秘书长南京大学地理与海洋科学学院王颖院士以及高抒院长南京大学校长中国第四纪科学研究会副理事长陈骏教授宣读了中国第四纪科学研究会的贺信大会特别邀请南京大学陈骏教授南京师范大学汪永进教授中国科学院南海海洋研究所余克服研究员南京大学侯书贵教授作大会报告, 分别从黄土粉尘地球化学洞穴沉积氧同位素海洋沉积微量元素以及珠峰冰芯记录等方面介绍了最新的第四纪科学研究进展, 王颖院士主持了大会特邀报告会议按气候记录的时间尺度和分辨率分为两个会场,50 多位代表围绕会议议题分别作了学术报告和展板交流, 展示了在寻求高分辨率记录和寻找新的环境替代性指标研究工作中已经取得的诸多成果学术报告之后, 大家围绕刘嘉麒院士的建议, 对中国过去全球变化研究 : 记录规律模式机制与未来研究方向进行了热烈的讨论这是一次自由和气氛热烈的讨论, 很多青年学子踊跃到会, 各位代表畅所欲言, 为做好下一步的科研工作献计献策此次会议取得了圆满成功, 展示了我国第四纪科学在为现代气候变化研究提供自然背景方面以及温暖期高分辨记录研究方面所取得的最新进展, 为科学理论和研究方法的交叉集成提供了信息交流平台 ( 鹿化煜张红艳供稿 )

南京气象学院学报第卷

南京气象学院学报第卷 Ò Ò 潘敖大孙照渤在对长江中下游夏季降水进行分型的基础上分析了长江流域南北两支雨带与春季太平洋海温的相关关系并采用大气环流模式对前期海温进行了敏感性试验结果表明赤道东太平洋区域的海温异常对两支雨带夏季降水有重要影响海温正异常时南支雨带旱北支雨带不明显海温负异常时南支雨带涝北支雨带旱前期赤道东太平洋海温强迫可以在北半球对流层激发出遥相关波列并影响长江流域南北两支雨带的旱涝分布