東亞春季大氣環(huán)流及山東4月降水對Nino3區(qū)SST變化響應(yīng)的年代際特征

胡桂芳，趙玉金，高 理，王建源

（山東省氣候中心，山東濟(jì)南 250031）

東亞春季大氣環(huán)流及山東4月降水對Nino3區(qū)SST變化響應(yīng)的年代際特征

胡桂芳，趙玉金，高 理，王建源

（山東省氣候中心，山東濟(jì)南 250031）

利用1951～2007年的月平均500 hPa高度場、海溫場等資料，在定義Nino3區(qū)SST變化特征指數(shù)（ISSTA）的基礎(chǔ)上，利用合成、相關(guān)等方法分析了東亞春季500 hPa環(huán)流及山東4月降水對Nino3區(qū)SST變化的響應(yīng)及其年代際特征，結(jié)果表明，東亞500 hPa環(huán)流對ISSTA升高（降低）有著顯著響應(yīng)且具有明顯的年代際特征，對ISSTA升高的響應(yīng)在環(huán)流突變前后有著基本一致的特征，只是響應(yīng)的程度不同;而對ISSTA降低的響應(yīng)在環(huán)流突變前后有著基本相反的特征，意味著ISSTA對4月降水的預(yù)測意義也存在著明顯的年代際變化。因此，利用前期海溫變化進(jìn)行短期氣候預(yù)測還應(yīng)考慮大氣環(huán)流響應(yīng)的年代際變化。

海溫變化指數(shù)；東亞大氣環(huán)流；年代際變化；4月降水

1 引言

研究表明[1～3]，20世紀(jì)70年代末以來,全球大氣和海洋系統(tǒng)發(fā)生了一次明顯的年代際變化,這種年代際變化在海洋中表現(xiàn)為1977年以來熱帶中東太平洋海表溫度（SST）出現(xiàn)年代際異常增暖,而在北太平洋中緯度地區(qū)SST異常變冷,相當(dāng)于一種平抑的準(zhǔn)永久性EL nino事件。年代際作為年際尺度背景，對年際尺度的氣候變率現(xiàn)象具有重要的影響，如高輝[4]發(fā)現(xiàn)淮河夏季降水與前期ENSO的關(guān)系在環(huán)流突變前后存在著明顯的差異，在突變前,降水與赤道東太平洋的海溫為顯著的負(fù)相關(guān),而在突變后,相關(guān)值轉(zhuǎn)為弱的正相關(guān)?？状貉嗟萚5]對20世紀(jì)50年代以來共發(fā)生的14次厄爾尼諾事件進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)80年代以前和以后的厄爾尼諾過程對中國東部汛期降水存在著不同的影響。這說明伴隨著大氣和海洋系統(tǒng)的突變，SST變化與氣候要素異常的關(guān)系也發(fā)生了明顯的改變，因此在實際業(yè)務(wù)中不能再沿用以前全程相關(guān)的預(yù)測思路。筆者在文獻(xiàn)[6]中研究發(fā)現(xiàn)，春季東亞大氣環(huán)流及山東春季尤其4月降水對前期Nino3區(qū)顯著升溫有著很好的響應(yīng)，那么降溫的情況會怎樣？這種響應(yīng)是否也存在年代際變化？本文將對以上問題進(jìn)行討論，以期能為提高短期氣候預(yù)測水平及穩(wěn)定性提供新的預(yù)測思路及方法。

本文采用的資料為中國氣象局的1951～2007年北太平洋月平均海溫（10°S～50°N，5°×5°）及北半球500 hPa月平均高度（10°～85°N，5°×10°）；山東17個代表站的月降水量資料。

2 赤道東太平洋海溫變化的年代際特征

Nino3區(qū)涵蓋了赤道東太平洋的大部海域，其海溫變化在EL nino和La nina事件中具有很好的代表性。本文仍采用文獻(xiàn)[6]中的定義，以Nino3區(qū)代替赤道東太平洋，定義Nino3區(qū)（150°～90°W，5°S～5°N）的12月SSTA減6月SSTA為海溫變化特征指數(shù)，記為ISSTA。計算得ISSTA的標(biāo)準(zhǔn)差為0.7℃，為了保證樣本容量，取偏離平均值0.9個標(biāo)準(zhǔn)差即ISSTA大于0.6℃為顯著增溫年，ISSTA小于-0.6℃為顯著降溫年，1951～2007年間共出現(xiàn)了1951年、1963年、1965年、1968年、1972年、1978年、1982年、1986年、1994年、1997年、2002年、2003年、2004年、2006年14個顯著增溫年及1952年、1956年、1961年、1967年、1970年、1973年、1974年、1983年、1992年、1995年、1998年、1999年、2005年13個顯著降溫年。從上述所列的年份中不難發(fā)現(xiàn)，顯著增溫年中有9/14=64.3%的年份發(fā)生在1977～2007年間赤道中東太平洋海溫偏暖的背景中，而顯著降溫年則有7/13=53.8%的年份出現(xiàn)在1951～1976年的冷背景中。將上述年份與1951年以來發(fā)生的歷次EL nino（La nina）事件進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)下半年Nino3區(qū)海溫的升降與ENSO循環(huán)有著密切的聯(lián)系，即顯著增溫與EL nino的發(fā)展階段有很好的對應(yīng)，而降溫則與EL nino衰減或La nina發(fā)展階段關(guān)系密切，因為EL nino（La nina）事件往往在年末到次年年初達(dá)到盛期。

3 山東4月降水異常年的環(huán)流特征及其與ISSTA關(guān)系的年代際變化

分別計算山東春季及各月降水量與同期北半球500 hPa高度場各格點的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果表明，以4月降水與同期環(huán)流場的關(guān)系最為密切。本文的最終目的是解釋海溫變化首先引起大氣環(huán)流異常，進(jìn)而導(dǎo)致降水異常的過程，所以僅以4月降水作為研究的對象。從山東4月降水與同期北半球500 hPa高度場的相關(guān)分布圖（見圖1）看，山東4月降水偏多（少）的最主要環(huán)流特征是朝鮮半島、日本及其鄰近洋面的500 hPa高度場升高（降低），即東亞中緯度地區(qū)上空為反氣旋式（氣旋式）環(huán)流異常，從后文第4節(jié)的分析中將發(fā)現(xiàn)，前期從夏到冬Nino 3區(qū)SST的顯著升高（降低），恰恰可以導(dǎo)致這種環(huán)流異常，意味著Nino 3區(qū)海溫顯著升高（降低）與山東4月降水偏多（偏少）有著密切的聯(lián)系。進(jìn)一步的資料分析表明，這種聯(lián)系伴隨著海洋和大氣環(huán)流的突變也發(fā)生了明顯的變化。由表1可見，當(dāng)ISSTA≥0.6即當(dāng)下半年Nino 3區(qū)顯著增溫時，次年4月降水為正距平的幾率在1951～1976年間為4/5=80%（偏多1倍以上的幾率為3/5=60%），而1977～2007年間減少到5/9=56%（偏多1倍以上的幾率僅為2/9=22%），即近30年間，前期赤道中東太平洋增暖與次年山東4月降水偏多的統(tǒng)計意義在減弱；而赤道東太平洋顯著降溫時，次年4月降水為負(fù)距平的幾率在1951～1976年間為1/7=14%，而1977～2007年間增加到5/6=83%，即前期赤道中東太平洋變冷對山東4月降水偏少的指示意義在增強(qiáng)。為什么會出現(xiàn)這種統(tǒng)計關(guān)系，下文將從東亞春季大氣環(huán)流對Nino3區(qū)海溫變化響應(yīng)的年代際特征進(jìn)行分析。

圖1 山東4月降水與同期北半球500 hPa高度場的相關(guān)系數(shù)

表1 ISSTA異常與次年山東4月降水距平百分率

4 春季東亞大氣環(huán)流對SST變化響應(yīng)的年代際特征

4.1 春季東亞大氣環(huán)流對SST變化響應(yīng)的總體特征

以4月的500 hPa月平均高度場代表春季，圖2a給出了ISSTA與次年4月北半球500 hPa高度場的相關(guān)系數(shù)，圖2（b）為14個顯著增溫年減13個顯著降溫年對應(yīng)的次年4月平均500 hPa高度合成差值場?？梢园l(fā)現(xiàn)，在東亞至西太平洋地區(qū)，40°N以南為大范圍的正相關(guān)區(qū)所覆蓋，0.05信度線的北界已穿過朝鮮半島和日本，其中熱帶和副熱帶的西太平洋地區(qū)信度在0.01以上，其對應(yīng)的差值場中心為40 gpm；顯著的負(fù)相關(guān)區(qū)域主要位于亞洲東北部，白令海附近的相關(guān)中心信度達(dá)到0.01以上，其對應(yīng)的差值場為-50 gpm的負(fù)差值中心。即東亞至西太平洋地區(qū)具有南正北負(fù)的負(fù)WP遙相關(guān)型分布特征[7]。可見，下半年Nino 3區(qū)SST的顯著升高（降低），可以導(dǎo)致次年春季熱帶和西太平洋副熱帶地區(qū)的500 hPa高度場升高（降低），且朝鮮半島、日本及其附近洋面的高度場升高（降低）最為明顯，貝加爾湖向東穿過鄂霍次克海到白令海的500 hPa高度場降低（升高），意味著西太平洋副高強(qiáng)度偏強(qiáng)（偏弱），位置偏西（東）、偏北（南），東亞大槽向北（南）收縮（擴(kuò)展），亞洲至西太平洋地區(qū)盛行緯向（經(jīng)向）環(huán)流。

圖2 ISSTA與次年4月500 hPa高度場的相關(guān)系數(shù)（a）及ISSTA升高年減降低年的次年4月500 hPa高度合成差值場（b）

4.2 春季東亞大氣環(huán)流對ISSTA升高響應(yīng)的年代際變化

圖3給出了ISSTA≥0.6℃時的次年4月北半球500 hPa高度距平場，由圖3可見，春季東亞中高緯地區(qū)的大氣環(huán)流對前期ISSTA升高的響應(yīng)在環(huán)流突變前后有著大致相似的特征，500 hPa高度距平場呈現(xiàn)出典型的南正北負(fù)的負(fù)WP型分布特征，與圖2相關(guān)場及差值場中的正（負(fù)）值中心有很好的對應(yīng)，但環(huán)流突變前后東亞大氣環(huán)流對ISSTA升高響應(yīng)的程度不同，表現(xiàn)在距平場上的正（負(fù)）值中心的強(qiáng)弱不同。環(huán)流發(fā)生突變以前即1951～1976年間的東亞大氣環(huán)流對ISSTA升高的反映較環(huán)流發(fā)生突變以后即1977～2007年間的響應(yīng)更為強(qiáng)烈，主要表現(xiàn)在巴爾喀什湖到貝加爾湖的負(fù)距平中心和朝鮮半島、日本及其鄰近洋面的正距平中心的數(shù)值出現(xiàn)較大差異，前者由-50 gpm減弱到-10 gpm，后者由50 gpm減弱到20 gpm，說明進(jìn)入20世紀(jì)70年代末以來，當(dāng)前期從夏到冬赤道中東太平洋海表顯著升溫時，東亞至西太平洋中緯度地區(qū)的反氣旋式環(huán)流異常和巴爾喀什湖至貝加爾湖地區(qū)的低槽活動均較環(huán)流突變前明顯減弱，即影響我省的冷暖空氣勢力明顯減弱，從而出現(xiàn)了環(huán)流突變以后ISSTA升高年對應(yīng)的次年山東4月降水偏多幾率較突變以前變小的統(tǒng)計事實。

圖3 ISSTA≥0.6℃時的次年4月北半球500 hPa高度距平場（說明同上）

圖4 ISSTA≤-0.6℃時的次年4月北半球500 hPa高度距平場（說明同上）

4.3 春季東亞500 hPa環(huán)流對ISSTA降低響應(yīng)的年代際變化

圖4給出了ISSTA≤-0.6℃時的次年4月北半球500 hPa高度距平場，可以發(fā)現(xiàn)東亞大氣環(huán)流對ISSTA降低的響應(yīng)在環(huán)流突變前后有著本質(zhì)上的差別，環(huán)流突變以前的1951～1976年間，30°N以北的東亞及西太平洋地區(qū)除巴爾喀什湖為弱的負(fù)距平區(qū)外，其他地區(qū)幾乎為弱的正距平覆蓋，沒有出現(xiàn)與增溫年相反的特征，即朝鮮半島及其鄰近海域的高度場出現(xiàn)了應(yīng)該降低反而升高的態(tài)勢，40°N以北的高緯地區(qū)雖然出現(xiàn)了與增溫年相反的特征，但其異常程度明顯偏弱，即東亞大氣環(huán)流對ISSTA降低的響應(yīng)程度遠(yuǎn)不如對ISSTA升高年的響應(yīng)強(qiáng)烈。意味著前期從夏到冬赤道中東太平洋海溫顯著降低，東亞至西太平洋的中緯度地區(qū)仍維持弱的反氣旋式環(huán)流異常，東亞大槽由冬至春的季節(jié)演變過程中，衰減的速度較常年偏快，使得東亞沿岸為弱的南風(fēng)異常，同時巴爾喀什湖地區(qū)不斷有短波槽活動，即不斷有弱冷空氣沿西西伯利亞平原東移南下影響山東，造成了1951～1976年間ISSTA顯著降低年對應(yīng)的次年山東4月降水仍以偏多占優(yōu)勢的統(tǒng)計關(guān)系。

環(huán)流發(fā)生突變以后的1977～2007年間，除了在中西伯利亞地區(qū)仍為-40 gpm的負(fù)距平中心以外，在朝鮮半島及其鄰近海域也出現(xiàn)了-40 gpm的負(fù)距平中心，鄂霍次克海地區(qū)出現(xiàn)了20 gpm正距平中心，即東亞至西太平洋地區(qū)呈現(xiàn)出南負(fù)北正的WP遙相關(guān)型分布特征，因而朝鮮半島及其鄰近海域為較強(qiáng)氣旋式環(huán)流異常，使得位于氣旋式異常西側(cè)的我國東部地區(qū)出現(xiàn)了偏北風(fēng)異常，因而山東降水缺少了必需的水汽條件。雖然中西伯利亞不斷有冷空氣光顧山東，但因缺少來自南方的暖濕氣流，冷暖空氣在我省交綏的機(jī)會仍將大大減少，因而出現(xiàn)了環(huán)流突變以來ISSTA降低年次年山東4月降水偏少的幾率增加。

4.4 ISSTA異常與次年春季東亞大槽關(guān)系的年代際變化

由前文分析發(fā)現(xiàn)，東亞大槽是影響山東春季降水的關(guān)鍵系統(tǒng)，為了定量描述赤道東太平洋海溫變化對東亞槽影響的年代際特征，參考文獻(xiàn)[8]對春季4月東亞大槽的強(qiáng)度指數(shù)進(jìn)行定義，以東亞地區(qū)（30°～50°N，120°～150°E）平均的500 hPa位勢高度距平來代表東亞槽的強(qiáng)弱，距平值為正，表示東亞槽偏弱，反之，則表示東亞槽偏強(qiáng)。由表2清晰可見，環(huán)流突變前后東亞槽強(qiáng)度發(fā)生明顯的變化，對ISSTA顯著升高年而言，其強(qiáng)度指數(shù)由2.7下降為1.2，偏弱的頻率由5/5=100%減少到6/9=66.7%，即東亞大槽偏弱的程度明顯減弱；而對降溫年而言，東亞大槽強(qiáng)度指數(shù)由0.4下降為-1.6，偏強(qiáng)的頻率由2/7=28.6%增加到4/6=66.7%，即東亞槽的強(qiáng)度由偏弱變?yōu)槠珡?qiáng)，這與前文的分析結(jié)論有很好的吻合。

表2 ISSTA異常與次年4月東亞槽關(guān)系的年代際變化

5 結(jié)論與討論

綜上所述，東亞春季大氣環(huán)流對前期赤道中東太平洋從夏至冬的海溫變化即ISSTA升高（降低）有著明顯的響應(yīng)，但這種響應(yīng)存在著明顯的年代際變化，東亞大氣環(huán)流對ISSTA升高的響應(yīng)在環(huán)流突變前后有著基本一致的特征，只是環(huán)流突變后響應(yīng)的程度有所減弱，而對ISSTA降低的響應(yīng)在環(huán)流突變前后有著本質(zhì)上的差別，環(huán)流突變前仍表現(xiàn)為升溫年的特征，而環(huán)流突變以后則表現(xiàn)出與升溫年相反的特征，從而導(dǎo)致ISSTA對4月降水預(yù)測意義也存在明顯的年代際變化，即近30年以來，前期赤道中東太平洋增暖（變冷）對次年山東4月降水偏多（偏少）的預(yù)測意義在減弱（增強(qiáng)），因此，利用前期海溫變化進(jìn)行短期氣候預(yù)測還應(yīng)考慮大氣環(huán)流對其響應(yīng)的年代際變化。

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P731

A

1003-0239（2011）01-0008-05

2010-01-27

山東省氣象局項目（2009sdqxz09）

胡桂芳(1963-)，女，高級工程師，主要從事短期氣候預(yù)測業(yè)務(wù)及研究工作。E-mail:guifanghu2009@163.com.