中國東南春季降水異常特征及其與ENSO關(guān)系的年代際變化*

李　錦， 李　春，2??

(1.中國海洋大學(xué)物理海洋實(shí)驗(yàn)室 海洋-大氣相互作用與氣候?qū)嶒?yàn)室，山東 青島 266100;2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211044)

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中國東南春季降水異常特征及其與ENSO關(guān)系的年代際變化*

李錦1， 李春1，2??

(1.中國海洋大學(xué)物理海洋實(shí)驗(yàn)室 海洋-大氣相互作用與氣候?qū)嶒?yàn)室，山東 青島 266100;2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211044)

中國東南春季降水；ENSO；年代際變化；大氣環(huán)流

引用格式：李錦， 李春. 中國東南春季降水異常特征及其與ENSO關(guān)系的年代際變化[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016, 46(9)： 1-8.

LI Jin, LI Chun. Spring rainfall variability over Southeast China and the interdecadal variation of its correlation with ENSO[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(9)： 1-8.

綜上所述，ENSO事件的發(fā)生和發(fā)展已經(jīng)被作為預(yù)測(cè)中國春季降水異常的前期重要信號(hào)。然而，以往關(guān)于ENSO對(duì)中國東南地區(qū)春季降水影響的研究往往是建立在過去幾十年整體年際關(guān)系上，而很少考慮到不同年代際背景下兩者相關(guān)關(guān)系是否會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變。近年來研究表明，基于ENSO發(fā)生的不同的氣候背景, ENSO對(duì)亞洲季風(fēng)[10-12]、夏季降水[13]、冬季降水[14]等氣候因子的影響都具有階段性差異。那么，在不同的年代際背景下，ENSO與中國東南地區(qū)春季降水的關(guān)系是否也有不穩(wěn)定特征？又是什么物理機(jī)制導(dǎo)致了這種年代際關(guān)系變化？本文將根據(jù)這些問題進(jìn)行探究，從而提高ENSO信號(hào)預(yù)測(cè)中國春季降水的準(zhǔn)確率。

1　資料和方法

本文使用的資料包括：1951—2014年中國160站逐月降水資料；1950—2014年逐月NCEP/NCAR再分析資料，包括風(fēng)場(chǎng)、比濕場(chǎng)、地面氣壓場(chǎng)、位勢(shì)高度場(chǎng)、海平面氣壓場(chǎng)，水平分辨率2.5(°)×2.5(°)；NOAA提供的1950—2014年ERSST月平均海溫資料，水平分辨率為2(°)×2(°)。

本文采用經(jīng)驗(yàn)正交分解(EOF)方法分析中國春季降水距平場(chǎng)的時(shí)空分布特征，并采用滑動(dòng)相關(guān)分析揭示ENSO與東南地區(qū)(110°E～122°E，20°N～30°N)春季降水關(guān)系的年代際變化。此外，本文還采用了線性相關(guān)和回歸分析的方法，分析了影響東南地區(qū)春季降水的環(huán)流場(chǎng)和海溫場(chǎng)以及各年代際背景下ENSO對(duì)春季大氣環(huán)流的不同影響。

2　東南地區(qū)春季降水特征與環(huán)流背景

為得到中國春季降水場(chǎng)主要分布特征，現(xiàn)對(duì)春季降水距平做經(jīng)驗(yàn)正交分解(EOF)，得到EOF第一模態(tài)(見圖1(a))，其方差貢獻(xiàn)率為28.6%，主要表現(xiàn)為中國東南春季降水異常具有全區(qū)一致性。為進(jìn)一步說明EOF1可反映東南地區(qū)的春季降水特征，圖1(b)給出了局地解釋方差，從中可見EOF1可以解釋東南地區(qū)局地方差貢獻(xiàn)的60%以上，具有較好的代表性，因此可將其相對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列PC1作為東南春季降水指數(shù)。通過MK檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，東南春季降水在1950年代初至后期呈現(xiàn)不顯著的上升趨勢(shì)，之后一直呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，1960年代初期至1970年代初期下降趨勢(shì)顯著，1980年代至1990年代趨勢(shì)較平穩(wěn)，1990年代末期下降趨勢(shì)增加，其中1959、1974和1999年為突變點(diǎn)(見圖1(d))，這與之前的研究[15]基本一致。

圖11951—2014年中國春季降水異常量模態(tài)

Fig.1Dominant mode of spring rainfall over China from 1951 to 2014

為揭示環(huán)流與東南地區(qū)春季降水的關(guān)系，將對(duì)東南春季降水指數(shù)與同期高度場(chǎng)、海平面氣壓場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)和水汽輸送場(chǎng)進(jìn)行線性回歸分析(見圖2,3)。東南地區(qū)春季降水與北半球高緯度地區(qū)和中東太平洋上空位勢(shì)高度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，表明春季降水偏多時(shí)，對(duì)應(yīng)極渦強(qiáng)度減弱，東太平洋對(duì)流層上層氣壓異常增強(qiáng)；同時(shí)在烏拉爾山地區(qū)有一正異常中心，而在蒙古和阿留申地區(qū)分別有一負(fù)異常中心，說明東亞大槽北部加深，阿留申低壓加強(qiáng)，這種位勢(shì)高度分布有利于冷空氣向南輸送，影響中國南方地區(qū)(見圖2(a),(b))。而在對(duì)流層低層和海平面上，極渦和西太平洋副熱帶高壓是影響東南地區(qū)春季降水的重要系統(tǒng)，當(dāng)春季降水偏多時(shí)，副高顯著增強(qiáng)(見圖2(c),(d))。與低層高度場(chǎng)相對(duì)應(yīng)，在850 hPa風(fēng)場(chǎng)上菲律賓海上空有一異常反氣旋環(huán)流形成，其異常中心在(17°N，140°E)附近，同時(shí)中國東南地區(qū)上空有一氣旋式環(huán)流異常(見圖3(a))。菲律賓反氣旋異常西北側(cè)的西南氣流顯著增強(qiáng)，有利于暖濕氣流向我國東部地區(qū)輸送，并在東南地區(qū)上空輻合上升，有利于該地區(qū)降水增多。從圖3(b)可以看出，東南地區(qū)春季降水異常的水汽來源主要是來自于西北太平洋和南海上空，也有小部分來源于孟加拉灣。

(陰影區(qū)域表示通過95%置信度檢驗(yàn)。 Shaded areas exceed the 95% confidence level.)

圖2200 hPa(a)、500 hPa(b)和850 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(c)及海平面氣壓與東南地區(qū)春季降水指數(shù)的回歸場(chǎng)(d)

Fig.2Regression of MAM geopotential height at (a) 200 hPa;(b)500 hPa; (c)850 hPa and (d)sea level pressure on PC1 of spring rainfall

(陰影區(qū)域代表通過95%信度檢驗(yàn)。Shaded areas exceed the 95% confidence level.)

3　東南地區(qū)春季降水與ENSO的相關(guān)性

((a)圖： 淺色陰影區(qū)代表通過95%信度檢驗(yàn)，深色陰影區(qū)代表通過99%信度檢驗(yàn) Shaded areas from light to dark denote regions with correlations exceeding the 95% and 99% confidence level； (b)圖：兩虛線分別代表95%和99%信度檢驗(yàn) Dashed lines denote correlations at the 95% and 99% at confidence level.)

4　東南地區(qū)春季降水與ENSO關(guān)系的年代際不穩(wěn)定特征

(陰影區(qū)表示變化范圍；虛線為0.05信度。Shoding means its spread;Doshed means 0.05 confidence level.)

為進(jìn)一步揭示不同年代際背景下ENSO對(duì)春季降水影響的差異，下面將用相關(guān)分析揭示各階段ENSO與春季降水的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并采用回歸分析討論各階段東南地區(qū)春季降水所對(duì)應(yīng)的環(huán)流特征。

(陰影區(qū)域代表通過95%信度檢驗(yàn)。 Shaded areas denote regions with correlations exceeding the 95% confidence level.)

(陰影區(qū)域代表通過95%信度檢驗(yàn)。Shaded areas denote regions with correlations exceeding the 95% confidence level.)

5　結(jié)論與討論

本文通過對(duì)中國160站降水觀測(cè)資料和NOAA提供的ERSST海溫資料以及NCEP/NCAR再分析資料分析，研究了東南春季降水異常的特征及其與ENSO關(guān)系的年代際變化。結(jié)果表明：

(1)中國東南春季降水異常具有全區(qū)一致的變化特征，在1950年代初至后期呈現(xiàn)不顯著的上升趨勢(shì)，之后一直呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，1960年代初期至1970年代初期下降趨勢(shì)顯著，1980年代至1990年代趨勢(shì)較平穩(wěn)，1990年代末期下降趨勢(shì)增加，并在1959、1974和1999年發(fā)生突變。影響中國東南春季降水的環(huán)流系統(tǒng)主要有極渦和西太平洋副熱帶高壓。

(3)東南春季降水與ENSO的相關(guān)性具有年代際差異，可根據(jù)滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)分為3個(gè)階段，并與降水的年代際轉(zhuǎn)型的時(shí)間段相對(duì)應(yīng)。在1969—1990年，兩者相關(guān)性較好，而在1969年之前和1991年之后其相關(guān)性都不能通過95%信度檢驗(yàn)。在不同年代際背景下，影響東南春季降水的大氣環(huán)流特征不同,ENSO作為預(yù)報(bào)因子的重要性發(fā)生變化。在1951—1968年中，東亞大槽加深，有利于北方冷空氣南下，并與從中南半島和南海上空輸送的水汽匯合形成降水，影響中國東南春季降水的環(huán)流系統(tǒng)主要位于中高緯度，而西北太平洋反氣旋位置偏東范圍偏小，其西北側(cè)氣流難以影響到中國東南部；在1969—1990年間，副高增強(qiáng)西伸，同時(shí)西北太平洋反氣旋顯著增強(qiáng)，其西北側(cè)的暖濕氣流為東南地區(qū)提供充沛水汽，是影響此階段春季降水的關(guān)鍵因素；而在1991—2014年中，東亞大槽偏弱，副高增強(qiáng)并偏北，有利于南支暖濕水汽北上，降水受到高低緯環(huán)流系統(tǒng)共同影響，此階段暖濕氣流包括來自孟加拉灣的西風(fēng)氣流和西北太平洋反氣旋西側(cè)氣流兩部分，ENSO對(duì)降水的影響相對(duì)減弱。

以上分析表明了在不同年代際背景下，ENSO對(duì)春季降水的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性會(huì)發(fā)生變化，因此在降水預(yù)測(cè)中必須根據(jù)不同階段考慮ENSO作為預(yù)報(bào)因子的可靠性。自1991年之后，ENSO并不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)東南地區(qū)春季降水，反而可以較好的預(yù)測(cè)長江以北地區(qū)的春季降水異常。然而從1991年至今20多年已過去，ENSO與中國春季降水的關(guān)系之后是否還會(huì)轉(zhuǎn)型仍需密切注意。另外，不同年代際背景下是什么物理機(jī)制導(dǎo)致了ENSO對(duì)春季環(huán)流的不同影響還不清楚，有待進(jìn)一步研究分析。

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責(zé)任編輯龐旻

Spring Rainfall Variability over Southeast China and the Interdecadal Variation of Its Correlation with ENSO

LI Jin1, LI Chun1,2

(1.Physical Oceanography Laboratory and Ocean-Atmosphere Interaction and Climate Laboratory, Ocean University of China,Qingdao 266100,China; 2.The Key Laboratory of Meteorological Disaster, Ministry of Education, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 211044, China)

spring rainfall over Southeast China; ENSO; decadal variations; atmospheric circulation

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41276002，41130859)；國家重大研究計(jì)劃項(xiàng)目(2012CB955603， 2013CB956201)；氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京信息工程大學(xué))開放課題項(xiàng)目(KLME1301)資助

2015-10-06；

2016-01-30

李錦(1991—)女，碩士生，E-mail：lj91happy@163.com

??通訊作者：E-mail：lichun7603@ouc.edu.cn

P421.31

A

1672-5174(2016)09-001-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20150345

Supported by the National Natural Science Foundation of China (NSFC) (41276002; 41130859); the National Basic Research Program of China (2012CB955603; 2013CB956201); the Open Project Program of Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education，Nanjing University of Information Science and Technology (KLME1301)