夏季熱帶中太平洋SST異常型與中國東部夏季氣候異常的關(guān)系

馮娟,管兆勇,王黎娟,于波

(1.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇南京 210044;2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實驗室,江蘇南京 210044;3.江蘇省氣象局,江蘇南京 210009)

夏季熱帶中太平洋SST異常型與中國東部夏季氣候異常的關(guān)系

馮娟1,2,管兆勇1,2,王黎娟1,2,于波1,3

(1.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇南京 210044;2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實驗室,江蘇南京 210044;3.江蘇省氣象局,江蘇南京 210009)

熱帶中太平洋海溫異常型是近年發(fā)現(xiàn)的赤道太平洋海溫異常分布的新特征,主要表現(xiàn)在熱帶太平洋海溫異常為緯向“三極型”分布,其與ENSO的“偶極型”分布顯著不同。利用1955—2005年HadISST月平均海溫資料和中國160站月降水和溫度資料,確定了中太平洋海溫異常型并研究了這種海溫異常型與中國東部同期夏季降水的關(guān)系。結(jié)果表明,當(dāng)中太平洋海溫為正異常時,我國江淮流域、西南地區(qū)的東部整層水汽含量偏少并處于水汽通量輻散區(qū),不利于降水的形成,同時該地區(qū)上空垂直溫度平流為正異常,利于異常高溫的形成;我國華南、西南地區(qū)的南部為整層水汽通量輻合區(qū),水汽豐沛,且整層垂直溫度平流為負(fù)異常,易發(fā)生低溫多雨的天氣氣候。

赤道中太平洋;海溫異常;夏季氣候;中國

0 引言

赤道中、東太平洋海溫異常變化引起的ENSO事件可影響全球大氣環(huán)流和氣候異常。1982—1983年赤道中東太平洋強(qiáng)的增溫事件(El Ni～no)造成了中南美洲地區(qū)的洪澇,南亞、印度尼西亞及東南非洲

馮娟,管兆勇,王黎娟,等.夏季熱帶中太平洋SST異常型與中國東部夏季氣候異常的關(guān)系[J].大氣科學(xué)學(xué)報,2010,33(5):547-554.

Feng Juan,Guan Zhao-yong,WangLi-juan,et al. Impact of central equatorial Pacific SSTA pattern on precipitation and temperature in East China in summer[J].Trans Atmos Sci,2010,33(5):547-554.大范圍的嚴(yán)重干旱[1]。ENSO事件亦可造成我國氣候異常。眾多研究表明El Ni～no年江淮流域出現(xiàn)澇年,La Ni～na年則相反[2-3]。500 a歷史資料分析表明,中國華北地區(qū)干旱有58%是與赤道中、東太平洋海溫增暖相聯(lián)系的[4]。有文獻(xiàn)報道El Ni～no/La Ni～na年對長江流域夏季降水的影響更為復(fù)雜。

近年來赤道太平洋海溫的異常變化呈現(xiàn)出不同以往的新特征。Ashok等[5]對太平洋海表溫度進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)赤道太平洋海溫異常呈緯向三極型分布:中太平洋海溫異常偏高,而西、東太平洋海表溫度異常(SSTA)偏冷。因這種現(xiàn)象與ElNi～no型海溫有顯著不同:它無明顯的傳播特征,且次表層海溫包括斜溫層深度亦有相應(yīng)的獨(dú)特變化,Ashok等[5]將這種現(xiàn)象稱為ENSO-MODOKI(Pseudo-El Ni～no),并認(rèn)為是獨(dú)立于ENSO事件而存在的一種熱帶太平洋海溫異常型。這種海溫異常的三極型分布(EOF2)解釋了太平洋海溫異常總方差的12%。

與三極型海溫異常相類似的分布在Donguy和Dessier[6]、Meyers等[7]文章中也提到過,其中Donguy和Dessier在1983年指出1979年發(fā)生的類似ElNi～no的現(xiàn)象顯示出赤道中太平洋的增暖要比赤道東太平洋明顯。在Weare等[8]和Meyers等[9]的研究中也暗示了這種有趣的SSTA分布型。McPhaden[10]指出2002/2003年的ElNi～no事件最大海溫異常值出現(xiàn)在赤道中太平洋,而東太平洋SSTA相對較弱并且持續(xù)時間也很短,且進(jìn)一步指出,2002/2003年的ElNi～no事件與1994/1995年的SSTA分布很相似,但與1997/1998年及以前的事件有顯著不同。

以上諸多研究結(jié)果表明緯向三極型海溫異常的確存在。已有的研究更多關(guān)注的是赤道中、東太平洋海溫異常與中國夏季氣候的關(guān)系,而中太平洋海溫異常型與中國夏季氣候關(guān)系的研究很少。因此本文將分析熱帶太平洋三極型海溫異常分布與中國東部同期夏季氣候的可能關(guān)系。

1 資料和方法

1.1 資料

采用1°×1°分辨率的HadISST[11]月平均海溫資料,2.5°×2.5°分辨率的NCEP/NCAR[12]再分析風(fēng)場和比濕場資料,以及中國國家氣候中心提供的160站月降水和氣溫資料。時間序列為1955—2005年,氣候平均時段取為1955—2005年。

1.2 熱帶中太平洋海溫異常型的確定

熱帶中太平洋海溫異常型的確定須滿足的條件為:(1)顯著的海溫異常出現(xiàn)在中太平洋赤道地區(qū),東太平洋及西太平洋的赤道地區(qū)為負(fù)異?；蛴形⑷醯恼惓?自中太平洋向東、向西有相反的溫度梯度;(2)考慮到大氣對異常海溫響應(yīng)的時間尺度(1個月),上述分布持續(xù)時間不少于1個月;(3)中太平洋海溫異常月平均區(qū)域極值︱tssa︱max≥0.5℃。這一數(shù)值的選取是為了避免異常弱的個例進(jìn)入分析數(shù)據(jù)。

據(jù)此,確定典型的中太平洋夏季(JJA)海溫正異常和海溫負(fù)異常年份。其中正異常年份為:1977、1994、2002、2004年;負(fù)異常年份為:1974、1975、1998年。將所選典型年份的熱帶太平洋經(jīng)向平均(5°S～5°N)的海溫異常進(jìn)行合成分析(圖1),并用該曲線表征赤道中太平洋海溫異常典型特征,即海溫異常在赤道中太平洋最強(qiáng),其位相與東、西太平洋相反。用傅立葉級數(shù)擬合該曲線(取傅立葉級數(shù)前4個波可很好地擬合),將1955—2005年逐年夏季月份(JJA)海溫異常與擬合曲線作相關(guān)分析(空間上的相似程度,圖2),以最終確定中太平洋海溫異常型的個例。

圖1 熱帶中太平洋5°S～5°N海溫異常的典型年合成分析(虛線為合成場,實線為傅立葉級數(shù)擬合曲線) a.正異常年;b.負(fù)異常年;c.正、負(fù)異常年之差Fig.1 Composite analysis of Equatorial Central Pacific(5°S—5°N)SSTA in typical years(D ashed line indicates composite field;solid line indicates fourier fitting curve) a.positive years;b.negative years;c.the difference between positive years and negative years

依據(jù)相關(guān)分析,確定選取個例的標(biāo)準(zhǔn)為:相關(guān)系數(shù)︱r︱≥0.55且赤道中太平洋海溫異常︱tssa︱≥0.5℃。將相關(guān)系數(shù)0.55作為標(biāo)準(zhǔn),一是因為相關(guān)系數(shù)小于0.5時,海溫異常的分布型與擬合曲線差別較大,二是因為有極少數(shù)月份的相關(guān)系數(shù)在0.5～0.55之間,雖然這些月份的海溫在東太平洋有弱的正異常,異常并不很大,未改變溫度梯度方向,但為更好地突出中太平洋海溫異常型,取0.55作為選取個例的標(biāo)準(zhǔn)更為合適。選擇︱tssa︱≥0.5℃是因為有少數(shù)月份雖然相關(guān)系數(shù)達(dá)到了要求,即分布型與擬合曲線很相似,但海溫異常值較小,極值中心四周的溫度梯度過小。

如此,確定出本文合成分析中所用的夏季中太平洋海溫正異常月份為:1958年8月,1966、1977年的6—8月,1991年8月,1992年7月,1993年7月,1994、2002、2004年的6—8月。夏季中太平洋海溫負(fù)異常月份為:1956、1974、1975、1989、1998、1999年的6—8月。

2 熱帶中太平洋海溫異常型的分布特征

熱帶海溫異常的不同分布與夏季氣候的關(guān)系是不同的。赤道中太平洋海溫異常型合成差值顯示(圖3),當(dāng)中太平洋海溫為正異常時,東、西太平洋海溫皆為負(fù)異常,熱帶太平洋海溫異常呈現(xiàn)出中間高兩邊低的“三極型”分布。圖中的箭頭為海溫異常的梯度分布,可見梯度的方向由熱帶中太平洋指向四周。此種海溫異常型與ENSO的“偶極型”分布顯然不同。這種不同,不僅僅表現(xiàn)在SSTA分布上,海洋及大氣都有相應(yīng)的動力學(xué)過程支撐這種分布的形成與維持,且與ENSO動力過程存在某些不同[5]。

圖2 夏季赤道中太平洋海溫異常與擬合曲線的相關(guān)系數(shù)Fig.2 The correlation coefficient between equatorial Pacific SSTA and Fourier fitting field in summer

圖3 赤道中太平洋海溫異常型的合成差值分布(單位:℃)及其海溫異常的梯度分布(箭頭;單位:℃/m;圖中陰影區(qū)通過了95%的置信水平檢驗)Fig.3 Composite difference distribution of equatorial central Pacific SSTA pattern and its gradient distribution(units:℃/m;shaded areas denote the significance at95%confidence level)

3 熱帶中太平洋海溫異常型與中國夏季氣候的關(guān)系

熱帶中太平洋海溫異常型分布(圖3)對中國的夏季氣候產(chǎn)生顯著的影響。熱帶中太平洋正海溫異常型與中國夏季降水的關(guān)系與負(fù)海溫異常型近乎相反(圖略),因此本文主要使用了差值分析(即中太平洋正海溫異常的月份減去負(fù)海溫異常的月份),從夏季降水距平合成差值分布(圖4)可見,當(dāng)中太平洋海溫為正異常時,福建、江西南部、湖南、華南地區(qū)、西南地區(qū)南部以及四川南部為降水正距平所覆蓋。降水負(fù)異常顯著區(qū)域主要集中在江淮地區(qū)和西南地區(qū)東部。中太平洋海溫為負(fù)異常時。這一結(jié)果與W eng等[13]利用ENSO-MODO KI指數(shù)通過偏相關(guān)分析所得結(jié)果接近。需要說明的是,以往ENSO對中國夏季降水影響的研究結(jié)果表明,El N i～no發(fā)展階段,夏季中國江淮流域降水偏多,華南、華北降水偏少[2-3]。中太平洋海溫異常型與中國夏季降水的關(guān)系與ENSO大致相反,尤其是在江淮流域及華南地區(qū)。

整層水汽含量和水汽通量勢函數(shù)距平場的合成差值分布(圖4c、4d)支持上述結(jié)果。整層水汽含量的異常分布和異常輸送與降水主要異常分布區(qū)域(圖4a)相符,在中太平洋海溫為正距平時,長江以北,黃河以南水汽含量為負(fù)距平所覆蓋,華南地區(qū)為正距平。此時中國大部分地區(qū)處于整層水汽輻散區(qū),在長江流域和西南的東部地區(qū)也為較強(qiáng)的水汽通量輻散區(qū),并且在此區(qū)域水汽含量為負(fù)距平,不利于降水正異常的形成,易造成干旱。在華南,水汽通量為弱的輻合,易造成華南多雨現(xiàn)象的發(fā)生。

圖4 熱帶中太平洋海溫典型正異常與負(fù)異常月份中國夏季降水(a;單位:mm/m on)、氣溫(b;單位:℃)、整層水汽含量(c;單位:kg/m2;從地面積分到300hPa)、整層水汽通量勢函數(shù)(d;單位:kg/s)及輻散風(fēng)分量(d;單位:m/s)等要素場的合成差值分布(陰影區(qū)為t檢驗不低于90%置信水平區(qū)域)Fig.4 JJA mean differences of composite anomalies of central equatorial Pacific SSTA between positive month and negative month in China(Shaded areas denote the significance above90%confidence level in the Student's t test)a.precipitation(mm/m on);b.temperature(℃);c.moisture content(kg/m2)vertically integrated from the surface up to300hPa;d.velocity potential(kg/s)of the w hole level moisture flux and divergent winds(m/s)

相應(yīng)地,溫度距平場的合成差值分布顯示(圖4b),中太平洋海溫為正異常時,江淮地區(qū)、長江中下游、山東南部、華中北部、陜西南部以及西南東部為溫度正距平。內(nèi)蒙古中部、華南地區(qū)、西南地區(qū)的東南部、湖南南部為溫度負(fù)距平所覆蓋。降水異常分布(圖4a)特征基本與溫度異常(圖4b)相反。這可歸因于降水減少(增多)通常伴隨著云量減少(增多),地表吸收太陽輻射增多(減少),地表氣溫升高(降低)。

但是,整層垂直積分大氣加熱場異常(圖5)表明:中太平洋海溫為正異常時,中國江淮流域、西南地區(qū)東部整層垂直溫度平流為正異常(圖5b),這種異常的動力加熱是由整層大氣異常下沉絕熱增溫所至。此動力加熱有利于江淮流域、西南地區(qū)東部異常高溫的形成。那么,盡管直觀地認(rèn)為當(dāng)中太平洋SSTA增暖時,江淮流域、西南地區(qū)東部降水減少,推測出這一地區(qū)云量減少,地面接收太陽輻射增多,有利于地表氣溫升高,但對于整層大氣來說,視非絕熱加熱都為負(fù)異常,增暖主要因素都是異常下沉絕熱增溫。另一方面江淮流域異常的動力加熱是由非絕熱冷卻(圖5c)和溫度平流負(fù)異常(圖5a)所平衡,然而中國的西南地區(qū)東部溫度平流異常很弱,主要由非絕熱冷卻補(bǔ)償了動力加熱。

中國南部的低溫主要是由整層大氣的異常上升絕熱冷卻所至(圖5b),這種動力冷卻主要由非絕熱加熱補(bǔ)償。

4 影響機(jī)制

為了揭示中太平洋海溫異常型(圖3)對中國夏季氣候影響的機(jī)制,用速度流函數(shù)和勢函數(shù)異常作合成差值分析。

圖5 夏季赤道中太平洋海溫正異常月份與海溫負(fù)異常月份距平場合成差值分布(單位:℃/d;從地面積分到100 hPa;陰影區(qū)為t檢驗不低于90%置信水平區(qū)域) a.整層水平溫度平流;b.整層垂直溫度平流;c.整層的非絕熱加熱率Fig.5 JJA mean differences of composite anom alies of central equatorial Pacific SSTA between positive m onth and negative month in China(Shaded areas denote the significance above90%confidence level in the Student's t test)a.the horizontal advection of temperature;b.the vertical advection of potential temperature;c.the diabatic heating rate

圖6 夏季赤道中太平洋海溫正異常月份與海溫負(fù)異常月份850hPa(a,c)、200hPa(b,d)速度勢函數(shù)(a,b;單位:106m2/s)、輻散風(fēng)場(a,b;單位:m/s)及流函數(shù)(c,d;單位:m2/s)距平場合成差值(陰影區(qū)為熱帶中太平洋海溫異常;單位:℃)Fig.6 JJA mean differences of composite anomalies of central equatorial Pacific SSTA between positive month and negative month in China(The shading indicates the equatorial Pacific SSTA)a.850hPa velocity potential(106m2/s)and divergent wind(m/s);b.same as(a)but for200hPa;c.850hPa stream function(m2/s);d.same as(c)but for200hPa

異常速度勢函數(shù)分布(圖6a、b)所揭示的聯(lián)系表明:中太平洋海溫為正異常時,850hPa上在130°E以東至130°W以西的熱帶區(qū)域為輻合區(qū),最強(qiáng)的輻合中心位于中太平洋150°W,強(qiáng)的輻散中心位于西南太平洋;200hPa上在130°E～180°～130°W范圍內(nèi)則為行星尺度輻散區(qū),最強(qiáng)輻散中心位于中太平洋160°W,較850hPa上最強(qiáng)輻合中心位置偏西了10個經(jīng)度。這種輻合輻散造成的上升運(yùn)動是赤道中太平洋海溫正異常驅(qū)動所致。

相應(yīng)地,受到中太平洋海溫正異常的影響,中國東部在850hPa存在氣流輻散,并流向中太平洋地區(qū)。具體表現(xiàn)為:中太平洋海溫為正異常時,在850 hPa上江淮流域、西南地區(qū)東部為異常輻散區(qū),華南為異常輻合區(qū)。在200hPa上中國南部為弱異常輻散區(qū),北部為弱異常輻合區(qū)。這樣的高低空配置造成了西南地區(qū)東部、江淮流域的少雨,華南地區(qū)的多雨。

同時注意到在850hPa上東印度洋有輻散,西印度洋有輻合,在200hPa上東印度洋為輻合,西印度洋為輻散,表明印度洋上可能存在類似偶極子的現(xiàn)象。Guan和Yam agata[14]指出1994年正IOD年可造成中國南方多雨及東部的高溫干旱。錢瑋和管兆勇[15]的研究中亦說明IOD與中國華南夏季降水有很好的正相關(guān)關(guān)系。如何區(qū)分IOD和中太平洋海溫異常型對中國夏季氣候的影響,需要進(jìn)一步研究。

異常流函數(shù)分布(圖6c、6d)顯示,中太平洋海溫發(fā)生正異常時,在850hPa上存在關(guān)于赤道對稱的氣旋對,在200hPa上存在關(guān)于赤道對稱的反氣旋對。G ill理論說明,當(dāng)赤道地區(qū)存在加熱時,在其西北側(cè)可激發(fā)形成氣旋式環(huán)流,其高層形成反氣旋式環(huán)流[16];Rodw ell和Hoskins[17]亦說明當(dāng)季風(fēng)區(qū)存在加熱時,在高原至地中海地區(qū)高層可生成Rossby波型,形成反氣旋環(huán)流;而輻合輻散作為渦度源可引起渦旋環(huán)流的異常,在西風(fēng)輻散風(fēng)場上激發(fā)氣旋式環(huán)流,在東風(fēng)輻散氣流上形成反氣旋環(huán)流[18]。這樣,在中太平洋地區(qū)暖海溫的作用下,在850hPa上,形成了西太平洋至中太平洋地區(qū)的輻合,激發(fā)了由南海至西北太平洋地區(qū)的氣旋式環(huán)流。這一環(huán)流削弱了自南海向北的暖濕氣流,使得由海洋向大陸的水汽輸送減弱,引起夏季降水減少。另外,在850 hPa上,長江以北為來自高緯的干的偏北風(fēng),長江以南為來自西北太平洋的濕的東北風(fēng),在200hPa上,中國被一氣旋式環(huán)流所控制,中國北部及南部地區(qū)為偏南風(fēng),也利于引起江淮流域降水偏少,華南、西南地區(qū)南部降雨偏多。

5 結(jié)論與討論

通過分析中太平洋海溫異常型對中國夏季氣候的可能影響及其機(jī)制,得到以下結(jié)論:

(1)熱帶中太平洋海溫為正異常時,中國中部地區(qū)尤其是江淮流域、西南地區(qū)東部水汽較少,且整層水汽通量輻散,導(dǎo)致降水為負(fù)異常,同時該地區(qū)溫度偏高。這種溫度偏高歸因于整層大氣下沉絕熱增溫。同時,我國華南水汽豐富,整層水汽通量輻合,有利于降水的發(fā)生,整層大氣上升絕熱冷卻利于造成該地區(qū)溫度偏低。

(2)熱帶中太平洋海溫異常型造成的輻合輻散作為渦度源,引起熱帶大氣產(chǎn)生響應(yīng),形成850hPa上的氣旋環(huán)流。這一環(huán)流在南海地區(qū)減弱了自南海向北的水汽輸送,引起江淮流域降水減少。

過去的研究表明,ENSO發(fā)生當(dāng)年夏季長江流域降水可發(fā)生顯著異常,但是偏多或是偏少還沒有定論。某些年份顯著偏多[19],而有些年份卻不是如此[20]。有些研究通過對ENSO事件發(fā)生時間早晚的劃分(如秋季型、春季型),分別考慮ENSO的滯后影響[21]。也有通過分析異常海溫東傳型和西傳型來研究ENSO對長江流域夏季降水影響的報道[22]。這些說明,ENSO對中國夏季降水的影響是復(fù)雜的。1999年Saji等[23]發(fā)現(xiàn)了IOD現(xiàn)象,單純IOD現(xiàn)象與單純ENSO對中國長江流域夏季降水和氣溫的影響是相反的,當(dāng)ENSO和IOD現(xiàn)象同時發(fā)生時,中國夏季降水異常將變得非常復(fù)雜[24]。這些部分地解釋了1999年IOD發(fā)現(xiàn)前在人們未能考慮到IOD作用時分析ENSO與中國長江流域夏季氣候變動統(tǒng)計關(guān)系時的某些不確定性。

本文的結(jié)果表明,熱帶中太平洋型海溫異常對長江流域降水和氣溫的影響說明了海溫異常分布型的不同作用。中太平洋型的影響與單純ENSO年的影響有明顯不同,這使得統(tǒng)計ENSO與長江流域降水的關(guān)系變得更為復(fù)雜。因此要全面了解ENSO對中國南方夏季氣候的影響,需要考慮不同海溫異常部分的結(jié)構(gòu),以及IOD的作用,才能有更為明確的結(jié)論。這些需要更多的研究。

致謝:感謝國家自然科學(xué)基金地球科學(xué)部南京氣象學(xué)院大氣資料服務(wù)中心,感謝Hadley中心、美國國家環(huán)境預(yù)測中心(NCEP)和中國國家氣候中心提供相關(guān)氣象資料。

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Impact of Central Equatorial Pacific SSTA Pattern on Precipitation and Temperature in East China in Summer

FENG Juan1,2,GUAN Zhao-yong1,2,WANG Li-juan1,2,YU Bo1,3

(1.School of Atmospheric Sciences,NUIST,Nanjing 210044,China;2.Key Laboratory of Meteorological Disaster of Education of Ministry,NU IST,Nanjing 210044,China;3.Jiangsu Meteorological Bureau,Nanjing 210009,China)

Central equatorial Pacific SSTA pattern,which has been observed in recent years,displays new characteristics in tropical Pacific Ocean,which mainly takes on a tripolar distribution pattern and is distinctly different from ENSO.Based on the monthly mean SST data from HadISST and precipitation and temperature data from 160 stations in China,we confirmed the existence of tropical central Pacific SSTA pattern and studied the influence of this pattern on climate in China in summer.The result shows that when SSTA of central Pacific Ocean is positive,the moisture content is lower than normal in Huaihe River and Yangtze River areas in summer,which usually leads to less precipitation.Accordingly,the positive vertical temperature advection of this area causes high temperature.Meanwhile,the situation in the southern and southwest parts of China is just the opposite.

central equatorial Pacific Ocean;SSTA;summer climate;China

P434

A

1674-7097(2010)05-0547-08

2009-03-21;改回日期:2009-06-25

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(2006CB403602);江蘇省氣象災(zāi)害重點(diǎn)實驗室資助課題(KLME060101)

馮娟(1982—),女,遼寧朝陽人,碩士,研究方向為氣候動力學(xué),fengjuan001@163.com.

(責(zé)任編輯:劉菲)