海溫異常對東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度先兆信號的影響

柯宗建 華麗娟 鐘霖浩 杜良敏

1)(國家氣候中心 中國氣象局氣候研究開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)2)(中國科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，北京 100049)3)(中國科學(xué)院大氣物理研究所東亞區(qū)域氣候-環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)4)(武漢區(qū)域氣候中心，武漢430074)

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海溫異常對東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度先兆信號的影響

柯宗建1)*華麗娟2)鐘霖浩3)杜良敏4)

1)(國家氣候中心 中國氣象局氣候研究開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)2)(中國科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，北京 100049)3)(中國科學(xué)院大氣物理研究所東亞區(qū)域氣候-環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)4)(武漢區(qū)域氣候中心，武漢430074)

利用ERA-Interim再分析資料、NOAA海溫資料、CMAP格點(diǎn)降水資料和中國氣象站降水資料，通過合成、相關(guān)和回歸分析等方法研究了1979—2012年東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度與其先兆信號的關(guān)系，并分析了熱帶海溫異常的可能影響。研究表明：東亞夏季風(fēng)先兆指數(shù)反映了2月200 hPa緯向風(fēng)距平的主要模態(tài)特征(EOF1)，前冬熱帶中東太平洋海溫偏低(高)，2月亞洲地區(qū)西風(fēng)急流位置偏北(偏南)，東亞夏季風(fēng)先兆指數(shù)偏強(qiáng)(弱)。前期熱帶海溫異常對東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度有明顯影響，前冬熱帶中東太平洋海溫偏低(高)有利于東亞夏季風(fēng)偏強(qiáng)(弱)。2月亞洲中緯度地區(qū)緯向風(fēng)異常特征在春季不能持續(xù)，先兆信號與東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度的聯(lián)系主要源自熱帶海洋。

東亞夏季風(fēng)； 先兆信號指數(shù)； 海溫； 多雨帶

引 言

中國東部夏季降水主要受東亞夏季風(fēng)(EASM)的影響[1-2]，東亞夏季風(fēng)偏強(qiáng)時(shí)，華北地區(qū)降水多，而江淮流域干旱；東亞夏季風(fēng)偏弱時(shí)，則相反。我國夏季降水的主要多雨帶自20世紀(jì)60年代以來經(jīng)歷了從北到南、又轉(zhuǎn)向北的演變[3]，70年代末和90年代初期，我國東部夏季降水發(fā)生了兩次顯著的年代際變化[4]。東亞夏季風(fēng)具有熱帶和副熱帶季風(fēng)性質(zhì)，同時(shí)受低緯度和中高緯度環(huán)流的影響，比熱帶性質(zhì)的印度季風(fēng)復(fù)雜得多[5]。與印度季風(fēng)主要用降水量表征其強(qiáng)度[6-7]不同，對于東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度的表征仍未達(dá)成很好的共識。從海陸熱力差、渦旋切變、西南季風(fēng)等多個(gè)角度出發(fā)定義的東亞夏季風(fēng)指數(shù)[8-16]各具特點(diǎn)，充分反映了東亞夏季風(fēng)系統(tǒng)的復(fù)雜性。Wang等[17]比較了25個(gè)東亞夏季風(fēng)指數(shù)，并指出幾個(gè)指數(shù)[11,13-14,16]在表征東亞地區(qū)夏季風(fēng)的主要特征時(shí)具有優(yōu)勢。根據(jù)東亞熱帶季風(fēng)槽區(qū)(10°～20°N,100°～150°E)與副熱帶地區(qū)(25°～35°N,100°～150°E)低層緯向風(fēng)距平差異定義的東亞夏季風(fēng)指數(shù)[13]，由于與夏季長江中下游降水有較好的關(guān)系，在我國汛期降水監(jiān)測預(yù)測業(yè)務(wù)中廣泛應(yīng)用，其強(qiáng)弱特征也是每年全國汛期預(yù)測討論的重點(diǎn)。

熱帶海洋海表溫度與青藏高原下墊面熱力異常對東亞夏季風(fēng)有明顯影響[18],是東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度預(yù)測的主要依據(jù)。張慶云等[13]利用2月亞洲中緯度(32.5°～37.5°N, 80°～110°E)和東太平洋(22.5°～27.5°N, 150°～120°W)區(qū)域平均高層緯向風(fēng)距平差異定義了東亞夏季風(fēng)的先兆信號指數(shù)，并解釋了該先兆信號通過影響南亞大陸下墊面異常進(jìn)而影響東亞夏季風(fēng)的可能機(jī)制。由于該指數(shù)對東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度有很好的指示意義，已作為汛期夏季風(fēng)強(qiáng)度預(yù)測的重要依據(jù)之一。然而，前冬亞洲中緯度地區(qū)環(huán)流異常在春季是否會(huì)持續(xù)并不清楚，南亞大陸下墊面異常冬、春季演變有待進(jìn)一步分析，東亞夏季風(fēng)強(qiáng)弱與其先兆信號指數(shù)之間是否存在其他途徑的物理聯(lián)系值得研究。這是本文關(guān)注的問題，也是本研究的出發(fā)點(diǎn)。

1 資 料

本文所用到的資料有中國氣象局國家氣候中心整編的160個(gè)站逐月降水資料和2.5°×2.5°水平分辨率的CMAP(CPC Merged Analysis of Precipitation)格點(diǎn)降水資料[19]。大氣環(huán)流資料為歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)的ERA-Interim月平均再分析資料[20]，水平分辨率為1°×1°。海溫資料為美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)提供的ERSST.V3[21]，水平分辨率是1°×1°。本文的研究時(shí)段為1979—2012年，氣候態(tài)均為1981—2010年平均。本文研究的東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度(IEASM)及其先兆信號(IF)指數(shù)的定義參考文獻(xiàn) [13]，其定義分別為

(1)

(2)

2 東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度與先兆信號指數(shù)的關(guān)系

圖1給出了東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度的逐年變化特征。將東亞夏季風(fēng)指數(shù)大于1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的年份定義為強(qiáng)夏季風(fēng)年，小于-1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的年份定義為弱夏季風(fēng)年。強(qiáng)夏季風(fēng)年分別為1981，1984，1985，1986，1994，2004，2012年；弱夏季風(fēng)分別為1980，1983，1995，1998，2003年。東亞夏季風(fēng)強(qiáng)、弱年夏季降水距平百分率的合成差異(圖2)顯示，我國東部地區(qū)從北到南降水距平百分率呈正-負(fù)-正的分布特征。長江中下游地區(qū)為顯著的負(fù)異常，尤其是長江中游地區(qū)降水距平百分率小于-50%，表明強(qiáng)夏季風(fēng)年長江中下游地區(qū)降水偏少，弱夏季風(fēng)年長江中下游地區(qū)降水偏多。從東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度和先兆信號指數(shù)的逐年演變特征看，兩者基本呈同位相變化，2000年以來這種特征并沒有發(fā)生明顯的變化，研究時(shí)段兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.70，達(dá)到0.01顯著性水平。

圖1 東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度與先兆信號指數(shù)的逐年變化Fig.1 Annual variations of EASM and its precursor index

東亞夏季風(fēng)強(qiáng)、弱年2月200 hPa緯向風(fēng)異常合成差異(圖3)表明歐亞大陸及北太平洋地區(qū)緯向風(fēng)場存在顯著差異。歐亞中緯度(35°N)地區(qū)30°E和100°E附近出現(xiàn)正異常中心，強(qiáng)夏季風(fēng)年2月西風(fēng)急流位置偏北。冬、春季西風(fēng)帶的槽脊活動(dòng)會(huì)影響亞洲大陸降水異常，改變南亞大陸熱狀況，并導(dǎo)致下墊面的冷暖差異。張慶云等[13]指出2月亞洲地區(qū)200 hPa緯向風(fēng)為正異常，南亞上空西風(fēng)帶位置比正常位置偏北，南支槽的西風(fēng)擾動(dòng)較弱，南亞大陸冬、春季降水或降雪偏少，土壤水分比正常情況偏少，使得晚春和初夏南亞加熱較快，導(dǎo)致夏季海陸熱力對比大，出現(xiàn)強(qiáng)夏季風(fēng)。那么，2月歐亞中高緯度地區(qū)環(huán)流的異常特征在春季是否會(huì)持續(xù)進(jìn)而影響春季南亞大陸的下墊面異常需進(jìn)一步分析。

圖2 東亞夏季風(fēng)強(qiáng)、弱年中國夏季降水距平百分率合成差異(單位：%)(黑色圓點(diǎn)表示達(dá)到0.1顯著性水平)Fig.2 Composite difference of summer precipitation anomaly percentage in different strength years of EASM(unit:%)(the dotted denotes the difference significant at 0.1 level)

圖3 東亞夏季風(fēng)強(qiáng)、弱年2月200 hPa緯向風(fēng)距平合成差異(單位：m·s-1)(粗實(shí)線表示200 hPa緯向風(fēng)氣候場50 m·s-1等值線，陰影表示達(dá)到0.1顯著性水平)Fig.3 Composite difference of zonal wind anomaly(unit: m·s-1) at 200 hPa in February in different strength years of EASM(the solid bold line denotes climatological 50 m·s-1 contour of zonal wind at 200 hPa, the shaded denotes the difference significant at 0.1 level)

圖4為冬年夏季風(fēng)強(qiáng)、弱年前期春季200 hPa緯向風(fēng)異常的合成差異。與2月相比，歐亞中緯度地區(qū)緯向風(fēng)差異明顯減弱。2月在30°E附近出現(xiàn)的正異常中心消失，在100°E附近出現(xiàn)的正異常中心明顯減弱，且差異的顯著性降低，未達(dá)到0.1顯著性水平。而北太平洋地區(qū)200 hPa緯向風(fēng)場從中緯度到低緯度地區(qū)仍維持正-負(fù)-正的分布特征，其中，中緯度地區(qū)異常中心較2月偏東。春季逐月200 hPa緯向風(fēng)異常的合成差異也清晰地反映了這種特征(圖略)。春季高層緯向風(fēng)的顯著差異主要在北太平洋，歐亞大陸地區(qū)緯向風(fēng)的差異減弱，表明2月歐亞中緯度地區(qū)高層緯向風(fēng)異常特征在春季并未持續(xù)。

圖4 夏季風(fēng)強(qiáng)、弱年春季200 hPa緯向風(fēng)距平合成差異(單位：m·s-1)(陰影表示達(dá)到0.1顯著性水平)Fig.4 Composite difference of zonal wind anomaly(unit: m·s-1) at 200 hPa in spring in different strength years of EASM(the shaded denotes the difference significant at 0.1 level)

海陸熱力差異是影響東亞夏季風(fēng)強(qiáng)弱的重要因素，亞洲大陸與南側(cè)印度洋及東側(cè)太平洋之間的熱力差異對東亞夏季風(fēng)強(qiáng)弱有明顯影響。前期降水和氣溫異常改變下墊面的熱力狀況，進(jìn)而影響海陸的熱力差異。圖5給出了東亞夏季風(fēng)強(qiáng)、弱年前期春季降水和氣溫的合成差異特征。強(qiáng)夏季風(fēng)與弱夏季風(fēng)年，春季降水異常顯著差異區(qū)域位于熱帶西太平洋，中心值超過3 mm·d-1，而南亞大陸地區(qū)的降水異常差異并不顯著(圖5a)。溫度場合成差異表明，春季南亞大陸近地面溫度沒有顯著差異，而熱帶海洋地區(qū)特征明顯不同(圖5b)。印度洋區(qū)域海溫的差異明顯，中東太平洋和西太平洋海溫也呈現(xiàn)顯著差異(圖略)。強(qiáng)夏季風(fēng)年，春季赤道中東太平洋海溫偏低，北半球熱帶西太平洋海溫偏高，印度洋海溫偏低。東亞夏季風(fēng)強(qiáng)、弱年前期春季下墊面顯著的熱力差異主要在海洋上。

圖5 東亞夏季風(fēng)強(qiáng)、弱年春季降水率(單位:mm·d-1)(a)和氣溫(單位:℃)(b)距平合成差異(陰影表示達(dá)到0.1顯著性水平)Fig.5 Composite difference of precipitation rate(unit:mm·d-1)(a) and temperature(unit:℃)(b) in spring in different strength years of EASM(the shaded denotes the difference significant at 0.1 level)

續(xù)圖5

3 先兆信號的來源

圖6 2月200 hPa緯向風(fēng)距平的EOF1模態(tài) Fig.6 The EOF1 mode of zonal wind anomaly at 200 hPa in February

圖7 2月200 hPa緯向風(fēng)距平EOF1模態(tài)的時(shí)間系數(shù)與冬季海溫的相關(guān)分布(陰影表示達(dá)到0.05顯著性水平)Fig.7 Correlations between the principle component of EOF1 and zonal wind anomaly at 200 hPa in February (the shaded denotes correlation coefficients significant at 0.05 level)

圖8 東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度與前期冬季海溫的相關(guān)分布(其他說明同圖7)Fig.8 Correlation coefficients between EASM strength and previous winter SST(the others same as in Fig.7)

圖9 夏季海溫與前期冬季Nino3.4海溫指數(shù)的相關(guān)分布(其他說明同圖7)Fig.9 Correlation coefficients between summer SST and previous winter Nino3.4 index(the others same as in Fig.7)

圖10 東亞夏季風(fēng)強(qiáng)、弱年夏季西太平洋副熱帶高壓合成(圖中所示為5880 gpm曲線)Fig.10 Composited WPSH in different strength years of EASM(WPSH is indicated with 5880 gpm)

4 結(jié)論與討論

東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度與我國夏季降水關(guān)系密切，是汛期氣候預(yù)測關(guān)注的重點(diǎn)。東亞夏季風(fēng)先兆信號指數(shù)是夏季風(fēng)強(qiáng)度預(yù)測的重要指標(biāo)之一，在我國汛期氣候預(yù)測業(yè)務(wù)中廣泛應(yīng)用。本文研究了東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度及其先兆信號之間的關(guān)系，以及熱帶海洋海溫異常對兩者的影響，得到以下主要結(jié)論：

1) 2月亞洲中緯度地區(qū)緯向風(fēng)異常特征在春季不能持續(xù)，熱帶海洋異常是東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度及其先兆信號指數(shù)呈顯著同位相變化的主要原因。

2) 東亞夏季風(fēng)先兆信號指數(shù)反映了2月亞洲—太平洋地區(qū)200 hPa緯向風(fēng)距平EOF第1模態(tài)的主要特征。該模態(tài)與中東太平洋海溫有密切的聯(lián)系。冬季中東太平洋海溫偏低(高)，2月亞洲地區(qū)西風(fēng)急流位置偏北(偏南)，北太平洋地區(qū)200 hPa緯向風(fēng)從中緯度到低緯度地區(qū)呈正-負(fù)-正(負(fù)-正-負(fù))異常分布，先兆信號指數(shù)偏強(qiáng)(弱)；夏季印度洋和南海地區(qū)海溫維持負(fù)(正)異常，海陸熱力差異增大(減小)，印度夏季風(fēng)偏強(qiáng)(偏弱)，西太平洋副高偏弱(強(qiáng))，東亞夏季風(fēng)偏強(qiáng)(弱)。

東亞夏季風(fēng)系統(tǒng)非常復(fù)雜，除了熱帶海洋[26-32]，青藏高原熱力異常[33-35]、南半球系統(tǒng)[36]、北半球中高緯度地區(qū)環(huán)流和下墊面異常[37-38]等均對東亞夏季風(fēng)有明顯影響，因此，對于東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度和季節(jié)進(jìn)程預(yù)測存在較大不確定性。從不同角度定義的東亞夏季風(fēng)指數(shù)在表征夏季風(fēng)系統(tǒng)時(shí)存在差異，其強(qiáng)弱特征與東亞地區(qū)夏季降水的關(guān)系也不盡相同[17]。本文從東亞夏季風(fēng)先兆信號指數(shù)指示意義角度出發(fā)，分析它與東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度變化的關(guān)聯(lián)，指出熱帶海溫變化在其中的重要作用，有助于預(yù)測業(yè)務(wù)中更好地分析和應(yīng)用先兆信號指數(shù)信息。

致 謝：本文得到了中國氣象局短期氣候預(yù)測創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的大力支持，特此致謝！

The Influence of Sea Surface Temperature Anomaly on the East Asian Summer Monsoon Strength and Its Precursor

Ke Zongjian1)Hua Lijuan2)Zhong Linhao3)Du Liangmin4)

1)(LaboratoryforClimateStudies,NationalClimateCenter,Beijing100081)2)(KeyLaboratoryofComputationalGeodynamics,UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049)3)(KeyLaboratoryofRegionalClimate-EnvironmentforEastAsia(RCE-TEA),InstituteofAtmosphericPhysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029)4)(WuhanRegionalClimateCenter,Wuhan430074)

The strength of the East Asian Summer Monsoon (EASM) is closely connected to the summer main rainfall belt in China. The precursor index defined by the difference of zonal wind anomaly at 200 hPa between the middle latitude in Asia and eastern Pacific in February is well indicative to the strength of EASM, which is an important predicting factors in flood season. The potential mechanism of precursor signal influencing the EASM is proposed by changing the surface characteristics in South Asia continent, but it is unclear whether the atmospheric circulation anomaly in February persists in the following seasons over middle latitude region.In addition, a further investigation is needed about the surface anomaly variation over South Asia in winter-spring seasons. ERA-Interim reanalysis data, NOAA sea surface data, gridded CMAP precipitation data and precipitation observations over China are used. By composite, correlation and regression analysis approaches, the difference of wind in middle latitude over Eurasia, sea surface temperature (SST) in tropics and thermal condition in South Asia continent in previous winter-spring seasons in various strength EASM years are analyzed. Results indicate that tropical SST is the physical connection of accordant variations between the strength of EASM and its precursor.

Results show that the precursor signal of EASM captures the primary feature for the first mode of empirical orthogonal function (EOF1) of zonal wind anomaly at 200 hPa over the Asia and Pacific in February. The EOF1 mode is related to SST in the central and eastern Pacific. In the previous winter, the SST is below (above) normal in the central and eastern Pacific, which is conducive to a northward (southward) shift of westerly jet over the Asia in February. The zonal wind anomaly at 200 hPa exhibits meridional positive-negative-positive (negative-positive-negative) pattern, and the precursor index is stronger (weaker) than normal. In summer, the negative (positive) SST anomaly occurs in the vicinity of Indian Ocean and South China Sea, which results in an increasing (decreasing) difference between ocean and land and stronger (weaker) Indian Summer Monsoon. Meanwhile, the western Pacific subtropical high (WPSH) is weaker (stronger) than normal, and the EASM is stronger (weaker) than normal.The anomalous feature of zonal wind in the middle latitude of the Asia in February is hardly to persist in spring. The physical connection between EASM and its precursor mainly derives from the tropical ocean.

EASM; precursor index; SST; rainfall belt

10.11898/1001-7313.20150503

國家重大科學(xué)研究計(jì)劃(2012CB955902),公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY201306024),國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41005051,41205039,41105070)

柯宗建,華麗娟,鐘霖浩,等. 海溫異常對東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度先兆信號的影響. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2015，26(5)：536-544.

2015-03-13收到，2015-06-02收到再改稿。

* email: kezj@cma.gov.cn