當(dāng)前重大厄爾尼諾事件對我國春夏氣候的影響*

劉屹岷　劉伯奇　任榮彩　段安民　毛江玉　中國科學(xué)院大氣物理研究所　大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京 0009　中國氣象科學(xué)研究院 北京 0008

當(dāng)前重大厄爾尼諾事件對我國春夏氣候的影響*

劉屹岷1劉伯奇2任榮彩1段安民1毛江玉1
1中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京 100029
2中國氣象科學(xué)研究院 北京 100081

編者按厄爾尼諾是發(fā)生在熱帶中東太平洋海溫異常性增暖的現(xiàn)象，每2—7年發(fā)生一次。它雖發(fā)生在熱帶太平洋，但卻對全球氣候系統(tǒng)異常變化有著重要影響。1997/1998年厄爾尼諾事件，造成我國1998年夏季長江全流域特大洪水，松花江、嫩江流域百年不遇特大洪水，全國受災(zāi)面積3億多畝，絕收7 900萬畝。在中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“熱帶西太平洋海洋系統(tǒng)物質(zhì)能量交換及其影響”的支持下，中科院構(gòu)建了包括熱帶西太平洋科學(xué)觀測網(wǎng)、厄爾尼諾預(yù)報系統(tǒng)（南海所、海洋所、大氣所）等觀測和預(yù)報系統(tǒng)，并提前9個月以上對2015/2016年的超級厄爾尼諾事件的爆發(fā)、發(fā)展和強(qiáng)度給出了成功的預(yù)報，為我國的氣候預(yù)測和防災(zāi)減災(zāi)提供了有力的支撐。為讓公眾、科技界和決策層更深入了解上述成果，本刊特推出“2015/2016超級厄爾尼諾事件研究”專題對其進(jìn)行宣傳。該專題由王東曉、朱江、王凡研究員共同指導(dǎo)推進(jìn)。

2015 年秋冬季發(fā)生了 21 世紀(jì)以來最強(qiáng)的厄爾尼諾事件。文章在介紹厄爾尼諾事件的定義、特征、成因和影響東亞季風(fēng)的物理過程的基礎(chǔ)上，指出了厄爾尼諾事件對印度洋海溫變化的影響，闡述了厄爾尼諾次年我國主雨帶華南春雨和夏季主汛期（華南前汛期、江淮梅雨期、華北東北雨期和華南后汛期）將出現(xiàn)降水增加，并給出 2015 年 12 月我國東部大范圍環(huán)境污染與厄爾尼諾事件的聯(lián)系和對 2016 年我國主雨帶的預(yù)測分析。

2015/2016 重大厄爾尼諾事件，印度洋海溫變化，華南春雨，東部夏季主汛期雨帶

厄爾尼諾事件是發(fā)生在熱帶太平洋的最顯著的年際變化信號，起源于大尺度海氣相互作用。厄爾尼諾事件，尤其是超強(qiáng)厄爾尼諾事件，對我國主汛期降水異常的年際變化具有重要影響。在 1997 年冬季發(fā)生超強(qiáng)厄爾尼諾事件之后，我國大部分地區(qū)都遭受了史無前例的洪澇災(zāi)害。根據(jù)最新的觀測結(jié)果，2015 年秋冬季發(fā)生了 21 世紀(jì)以來最強(qiáng)的厄爾尼諾事件，其強(qiáng)度與 1997/98 年相當(dāng)，而按照國內(nèi)外各科研機(jī)構(gòu)的預(yù)測結(jié)果，這次超強(qiáng)厄爾尼諾事件還將持續(xù)到 2016 年春季前后，并將對 2016 年我國主汛期的防洪減災(zāi)工作提出新的挑戰(zhàn)。本文在全面分析厄爾尼諾特別是超強(qiáng)厄爾尼諾事件的特征、成因及其影響的物理過程的基礎(chǔ)上，揭示其對印度洋海溫變化的激發(fā)作用，闡述歷史上我國主要汛期即華南春雨和夏季主汛期受到厄爾尼諾事件的調(diào)制。最后結(jié)合當(dāng)前觀測、年代際海溫變化信號和對 2016 年太平洋地區(qū)海表溫度的預(yù)測，分析了 2015 年 12 月我國東部大范圍環(huán)境污染與厄爾尼諾事件的關(guān)聯(lián)，提出了 2016 年春、夏季我國主汛期降水格局的可能分布。希望對部署 2016 年防洪搶險的救災(zāi)工作及減少國家財產(chǎn)損失和人員傷亡提供參考。

1　厄爾尼諾事件的定義、特征、成因及影響

1.1厄爾尼諾事件的定義和特征

厄爾尼諾事件指北半球冬季赤道中東太平洋秘魯沿岸海洋表層水溫持續(xù)異常上升的現(xiàn)象，與之相反的是拉尼娜現(xiàn)象，即赤道中東太平洋表層水溫持續(xù)異常下降現(xiàn)象。由于厄爾尼諾事件與南半球熱帶西太平洋和東太平洋地區(qū)海平面氣壓的緯向振蕩（即“南方濤動”現(xiàn)象，South Oscillation， SO）聯(lián)系緊密［1，2］，因此人們也常用 ENSO 事件來描述厄爾尼諾和拉尼娜事件造成的海洋-大氣反饋過程。當(dāng)厄爾尼諾（拉尼娜）發(fā)生時，南方濤動出現(xiàn)負(fù)位相（正位相），即東太平洋氣壓下降（上升）、西太平洋氣壓上升（下降），相應(yīng)地 ENSO 事件進(jìn)入暖位相（冷位相）。

厄爾尼諾事件的出現(xiàn)與赤道太平洋的氣候平均態(tài)密切相關(guān)（圖1a）。就氣候平均而言，熱帶太平洋存在偏東信風(fēng)，盛行東風(fēng)令赤道太平洋產(chǎn)生向西流動的表層洋流，使得赤道東太平洋海溫偏低，同時也使暖海水在赤道太平洋的西邊界堆積并向南北兩側(cè)輸送，造成赤道西太平洋的海溫偏高。就赤道太平洋海溫的垂直結(jié)構(gòu)而言，由于赤道表層海水受大氣影響較大，垂直混合較均勻、海表溫度（SST）偏高，暖 SST 與次表層較冷海溫之間形成了溫度急劇變化的層面，即溫躍層。在溫躍層附近，海水溫度的垂直梯度出現(xiàn)極值。正是由于氣候平均的東風(fēng)盛行，令赤道太平洋的溫躍層形成了“西深東淺”的傾斜結(jié)構(gòu)。與此同時，赤道太平洋“西暖東冷”的 SST 分布，使其上空空氣在赤道西太平洋上升、在赤道東太平洋下沉，形成了 Walker 環(huán)流，相應(yīng)地大氣質(zhì)量重新分布，導(dǎo)致了熱帶太平洋西東兩側(cè)分別形成了海平面低壓和高壓系統(tǒng)。當(dāng)厄爾尼諾事件發(fā)生時（圖1b），赤道中-東太平洋出現(xiàn)海表溫度暖異常，伴隨著海表面西風(fēng)異常出現(xiàn)在赤道中-西太平洋地區(qū)，東太平洋大氣呈現(xiàn)異常上升運(yùn)動、而西太平洋呈現(xiàn)下沉運(yùn)動，氣候上的Walker 環(huán)流和偏東信風(fēng)被削弱，令海平面氣壓在熱帶太平洋區(qū)域東西部之間出現(xiàn)“蹺蹺板”式的振蕩變化，即“南方濤動”。

圖 1　氣候態(tài)（a）和厄爾尼諾事件發(fā)生時（b）赤道太平洋的海氣狀態(tài)示意圖（http：//www.pmel.noaa.gov/tao/proj_over/diagrams/）

1.2超強(qiáng)厄爾尼諾事件的成因

就一般的厄爾尼諾事件而言，赤道太平洋氣候平均態(tài)的不穩(wěn)定性是其形成發(fā)展的根本原因。從 20 世紀(jì) 80 年代至今，很多學(xué)者對 ENSO 事件的形成及發(fā)展機(jī)制進(jìn)行了研究，并認(rèn)為“皮葉克尼斯反饋”［2］和“海氣耦合不穩(wěn)定”［3］是形成 ENSO 事件形成發(fā)展的正反饋機(jī)制。具體而言，當(dāng)赤道太平洋的局部海表溫度出現(xiàn)異常小擾動時，海洋和大氣系統(tǒng)之間的正反饋機(jī)制會使其不斷放大，最終形成整個海盆尺度的海氣耦合現(xiàn)象，并導(dǎo)致大范圍的海溫異常。與此同時，學(xué)者們?yōu)榱私忉?ENSO 事件的減弱消亡及其不同位相間的轉(zhuǎn)換過程，相繼提出了一系列負(fù)反饋機(jī)制，包括“延遲振子”理論［4］、“充電振子”理論［5］、“西太平洋振子”理論［6］和“平流反射振子”理論［7］，也有學(xué)者將這四種理論結(jié)合起來提出了有關(guān)ENSO 循環(huán)的“統(tǒng)一振子”理論［8］。

在上述反饋過程的基礎(chǔ)上，超強(qiáng)厄爾尼諾事件的發(fā)生還需要適宜的氣候背景以及海洋和大氣條件。數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)前溫室氣體排放導(dǎo)致的全球變暖背景會顯著增加超強(qiáng)厄爾尼諾事件的發(fā)生頻率［9］。而觀測分析則指出，在赤道太平洋內(nèi)，西太平洋暖池區(qū)（5°S—5°N， 120°E—160°E）前期的 SST 越高，那么隨后的厄爾尼諾事件也越強(qiáng)，這種對應(yīng)關(guān)系可以用“動力恒溫機(jī)制”［10］和 ENSO 循環(huán)的“熱泵假說”［11］來解釋。此外，在超強(qiáng)厄爾尼諾出現(xiàn)之前，赤道地區(qū)來自西太平洋的淡水和來自中太平洋的鹽水在換日線附近交匯，形成了顯著的“鹽度鋒”，當(dāng)鹽度鋒在海表異常西風(fēng)的作用下向東推進(jìn)至赤道東太平洋時，會造成高達(dá) 1oC的海水增溫，進(jìn)而導(dǎo)致超強(qiáng)厄爾尼諾事件［12］。同時，秋季赤道印度洋的正偶極型海溫異常（IOD）可以通過改變印尼貫穿流進(jìn)而導(dǎo)致超強(qiáng)厄爾尼諾事件［13］。另一方面，超強(qiáng)厄爾尼諾事件的發(fā)生離不開春季西太平洋暖池區(qū)頻發(fā)的“西風(fēng)事件”（即海面西風(fēng)異常）［3］，這種“西風(fēng)事件”往往和季節(jié)內(nèi)低頻振蕩（M JO）信號緊密聯(lián)系［14］。

1.3厄爾尼諾事件影響東亞季風(fēng)的物理過程

厄爾尼諾事件發(fā)生時會在西太平洋引起降水減少、而在中東太平洋會引發(fā)大范圍的降水異常增多，其對應(yīng)的深對流異常變化會通過加熱中上層大氣，而引發(fā)環(huán)太平洋甚至全球氣候異常變化。這種影響的途徑正是通過低緯度熱源加熱激發(fā)所謂的大氣遙相關(guān)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的。這一機(jī)制在氣候動力學(xué)上通常被稱為“大圓理論（General circle theory）”。當(dāng)與厄爾尼諾事件相伴隨的大氣熱源位于中東太平洋地區(qū)上空，其會在低緯度赤道以北激發(fā)出一個高壓、北太平洋中緯度激發(fā)出一個低壓、在北美洲東北部為高壓、美國東南部為低壓。這樣的遙相關(guān)波列被稱為太平洋-北美型（PNA 型），它對北美氣候影響巨大，并且在南半球還有一個類似但弱一些的遙相關(guān)型。厄爾尼諾事件對東亞氣候的影響也是通過大氣遙相關(guān)型來實(shí)現(xiàn)的，最為著名的一個遙相關(guān)系統(tǒng)就是菲律賓反氣旋（圖 2a）。冬季厄爾尼諾事件的異常暖海溫信號會通過赤道以北副熱帶中西太平洋的海氣相互作用向西傳播并在春夏季引發(fā)西北太平洋冷海溫異常，激發(fā)出一個局地異常反氣旋環(huán)流，從而跨季節(jié)影響到東亞春、夏季氣候的異常變化（圖 2b 和 2c）。近些年來人們也發(fā)現(xiàn)，厄爾尼諾事件在冬季達(dá)到峰值后，通過瓦克環(huán)流異常變化會在熱帶印度洋激發(fā)出一個海盆一致模，具有很好的持續(xù)性，并通過赤道印度洋開爾文波東傳，可在夏季激發(fā)出菲律賓反氣旋，這被稱為印度洋的電容器機(jī)制（圖 2c）?？傮w來看，厄爾尼諾事件對東亞氣候的影響很可能是這兩種機(jī)制共同作用的結(jié)果［15］。

圖 2　厄爾尼諾事件影響我國春、夏季風(fēng)環(huán)流的物理過程示意圖。（a）冬季厄爾尼諾通過向西 Rossby波影響南印度洋；（b）Rossby波引發(fā)西南印度洋增暖，導(dǎo)致春季熱帶印度洋出現(xiàn)非對稱風(fēng)場分布；（c）第二次印度洋增暖激發(fā)對流層Kelvin波傳播至西太平洋，在隨后的夏季強(qiáng)迫出異常的反氣旋式環(huán)流和太平洋 PJ 波列影響東亞地區(qū)［15］

2　印度洋海溫變化與 ENSO 的聯(lián)系

已有的研究指出，ENSO 能夠通過激發(fā)“大氣橋”過程而引起印度洋 SST 變化。印度洋海溫在厄爾尼諾年冬季會出現(xiàn)海盆（IOB）尺度的一致增暖，并在厄爾尼諾成熟位相后的次年春季達(dá)到極值，月平均的 IOB 海溫與 ENSO 的最大相關(guān)出現(xiàn)在 ENSO 超前 IOB 海溫 4—5個月時。印度洋作為季風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)的交匯地，是 ENSO影響亞洲季風(fēng)的一個重要紐帶，其海溫異常對亞洲季風(fēng)系統(tǒng)及氣候的影響會比 ENSO 信號本身更加直接。因此，認(rèn)識 ENSO 與印度洋海溫異常之間在各時間尺度上的聯(lián)系，有助于揭示 ENSO 對季風(fēng)及氣候異常的影響過程。

最新的研究［16］表明，不同的 ENSO 事件，其衰減的快慢有很大差異。衰減快的 ENSO 事件通常在 4 月份即走向反號，而衰減慢的 ENSO 事件可持續(xù)到秋季月份（圖 3a 和 3b）。由 Ni?o 3 指數(shù)自相關(guān)廓線的季節(jié)演變，也清楚可見快慢衰減的 ENSO 事件的鮮明對比（圖 3c）。值得注意的是，ENSO 衰減的快慢，對應(yīng)印度洋特別是夏季印度洋海溫的顯著不同，衰減慢（快）的 ENSO 事件之后，夏季印度洋相應(yīng)性質(zhì)的海溫異常顯著更強(qiáng)（弱）（圖 3d 和 3e）。Ni?o 3 與 IOB 海溫的滯后相關(guān)更清楚地表明，當(dāng) ENSO 衰減快時，5 月份及以后的 IOB 海溫與 ENSO 之間的關(guān)系即變得不顯著，而當(dāng) ENSO 衰減慢時，ENSO 與 IOB 海溫的顯著相關(guān)關(guān)系可持續(xù)到夏季（圖 3f）。

圖 3　ENSO 衰減快（藍(lán)色）慢（紅色）年東太平洋Ni?o 3 海溫指數(shù)（左）和印度洋海溫海溫指數(shù)（右）的季節(jié)演變及其合成演變（圖 a—b， d—e中粗實(shí)線）；和冬季Ni?o 3 滯后自相關(guān)（c）及冬季 Ni?o 3與 各月印度洋海溫指數(shù)之間的滯后交叉相關(guān)（f）。黑色實(shí)線為所有冷暖 ENSO 事件 Ni?o 3 指數(shù)的平均演變［16］

圖 4　冬季（NDJ）Ni?o 3 指數(shù)與隨后逐月（a）Ni?o 3 指數(shù)和（e）IOB 海溫指數(shù)的 21 年滑動相關(guān)，以及ENSO 所有事件（b、f），暖事件（c、g）和冷事件（d、h）的 Ni?o 3 指數(shù)滯后自相關(guān)（b—d）和 Ni?o3 指數(shù)與 IOB 指數(shù)的交叉滯后相關(guān)（f—h）。圖（a）和（e）中豎線標(biāo)出了年代際轉(zhuǎn)折的年份，圖（b—d）和（f—h）中的星線/點(diǎn)線代表1970s 前/后的滯后相關(guān)分布，細(xì)/粗虛線標(biāo)出了1970s 前/后的 95% 信度水平［17］

有證據(jù)表明，印度洋海盆海溫除了長期增暖趨勢外，在 20 世紀(jì) 70 年代前后還呈現(xiàn)有顯著的年代際增暖特征，且最強(qiáng)的增暖出現(xiàn)在夏季月份，而非 ENSO 滯后效應(yīng)所在的春季。這說明僅從 ENSO 的強(qiáng)度變化，并不能很好地解釋這種出現(xiàn)在夏季的最強(qiáng)增暖。近期的研究［17］指出，IOB 的這種年代際顯著增暖，與 ENSO 事件衰減快慢的年代際變化密切相關(guān)。具體地，在20 世紀(jì) 70 年代前后，ENSO 事件存在顯著的年代際衰減延遲（圖 4a 和 4b），導(dǎo)致其在印度洋的最強(qiáng)效應(yīng)從春季延遲到了夏季（圖 4e 和 4f）。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，ENSO 事件的這種衰減延遲，僅僅限于暖 ENSO 即厄爾尼諾事件（圖 4c），而冷 ENSO 事件并未呈現(xiàn)年代際衰減延遲（圖 4d）；這就導(dǎo)致厄爾尼諾在印度洋的最強(qiáng)增暖效應(yīng)自20 世紀(jì) 70 年代以來從春季沿續(xù)到了夏季（圖 4g），而冷ENSO 所導(dǎo)致的冷卻效應(yīng)未發(fā)生年代際延遲。從而可以解釋發(fā)生在印度洋海盆的年代際顯著增暖。統(tǒng)計表明，就年平均而言，ENSO 事件對此年代際增暖的貢獻(xiàn)幅度可達(dá)實(shí)際增暖強(qiáng)度的約 1/4。

3　厄爾尼諾對中國江南春雨、夏季江淮洪澇的影響

中國東部位于東亞副熱帶季風(fēng)區(qū)， 夏季風(fēng)爆發(fā)前主要雨帶位于江南地區(qū)，被稱為江南春雨。南海季風(fēng)爆發(fā)后雨帶北移，在夏季中心則位于江淮流域。

3.1江南春雨

江南春雨是指我國南方（長江中下游以南地區(qū)）春季發(fā)生的一種連續(xù)陰雨天氣， 是中國乃至東亞地區(qū)最早出現(xiàn)的雨季。在 110°E 以東、30°N 以南地區(qū)春雨雨量在 300 mm 以上，占年總雨量的 2—3 成左右。其年際變率大，致使旱澇災(zāi)害頻繁，影響春播；并且江南地處南海副熱帶高壓西北側(cè)和青藏高原東南側(cè)，春雨的變化還涉及獨(dú)特的海-陸-氣相互作用。

厄爾尼諾年隨后的春季，中國大范圍降水異常主要出現(xiàn)在中國東部江南地區(qū)（圖 5a），江南春雨總量與表征厄爾尼諾事件的 Ni?o 3 指數(shù)的相關(guān)高達(dá) 0.69。其原理是厄爾尼諾年的冬季東太平洋海溫偏暖，該異?？梢匝永m(xù)到春季，一方面通過 Walker 環(huán)流在赤道 120°E 附近區(qū)域激發(fā)出異常下沉運(yùn)動以及低層異常反氣旋，增強(qiáng)了南海區(qū)域低層西南氣流，有利于將南海區(qū)域的水汽輸送到江南地區(qū)（圖 5c），另一方面與東太平洋海溫變化相聯(lián)系的印度洋增暖在赤道印度洋形成東風(fēng)Kelvin 波，引發(fā)低層?xùn)|風(fēng)和孟加拉灣北部反氣旋環(huán)流異常，進(jìn)一步增強(qiáng)了江南地區(qū)的西南氣流；江南地區(qū)高層則存在西風(fēng)異常（圖 5b），對應(yīng)輻散和抽吸作用加強(qiáng)，導(dǎo)致上升運(yùn)動進(jìn)一步增強(qiáng)，使得江南春雨總量增加。此外 ENSO 事件的演變對春雨也有影響，從冬到春，厄爾尼諾衰減慢的年份，江南春雨總量通常偏多，厄爾尼諾衰減快的年份，江南春雨總量變化偏少或者趨于正常。

圖 5　冬季 Ni?o 3.4 異常時的次年異常的春雨期降水（a），200 hPa 緯向風(fēng)（b）和 850 hPa 風(fēng)場。單位：a 是mm， b 和 c 是 m/s。打點(diǎn)和紅色箭頭分別標(biāo)出了 95% 信度水平

如圖 2 所示，印度洋上海溫異常導(dǎo)致印度洋-東亞環(huán)流異常，對我國氣候有直接影響。為全面考察影響江南春雨的外部強(qiáng)迫，我們還計算了除厄爾尼諾外研究年際變化時常用到的 7 種前期信號與江南春雨總量的超前相關(guān)，包括 PNA（太平洋-北美震蕩指數(shù)），NAO（大西洋震蕩指數(shù)），AAO（南極震蕩指數(shù)），AO（北極震蕩指數(shù)），EM I（厄爾尼諾M odoki指數(shù)），DM I（印度洋偶極子），IOB（印度洋海盆一致模）。這里的 DM I 和 IOB 反映了印度洋熱力異常。圖 6 給出了這些指數(shù)從前一年 3 月份到當(dāng)年 5 月份與江南春雨總量的相關(guān)，可以發(fā)現(xiàn)，厄爾尼諾和印度洋與江南春雨的相關(guān)是顯著和持續(xù)的，同時江南春雨總量與前一年 11 月—當(dāng)年2 月AAO 有較顯著的負(fù)相關(guān)［18］?；谶@3個指數(shù)，建立了江南春雨總量的多元線性回歸方程

y =_2.29_7.99×IOB + 67.67×Ni?o3.4_64.99×AAO

該回歸的降水場與觀測的降水相關(guān)為 0.76，比單用Ni?o 3.4 指數(shù)的相關(guān)性（0.69）更高，就是說基于多因子的季節(jié)預(yù)測更為準(zhǔn)確。

圖 6　江南春雨總量與前一年 3 月—當(dāng)年 5 月各指數(shù)逐月相關(guān)系數(shù)變化

3.2夏季江淮洪澇

已有研究表明，厄爾尼諾對東亞夏季氣候的影響與其位相有關(guān)，在厄爾尼諾發(fā)展年夏季，西太平洋副熱帶高壓（副高）強(qiáng)度偏弱并偏東，我國東部地區(qū)以降水偏少為主，江淮地區(qū)和東南沿海多雨；而在厄爾尼諾的衰減年，東亞夏季風(fēng)一般偏弱，副高偏強(qiáng)、偏南、偏西，長江流域及其以南地區(qū)，日本南部及附近海域的雨量偏多，南北兩邊偏少。拉尼娜的影響與厄爾尼諾大致相反。但與熱帶夏季風(fēng)如印度夏季風(fēng)有所不同的是，ENSO 對東亞夏季風(fēng)的影響在厄爾尼諾衰減年更為顯著，且具有明顯的季節(jié)內(nèi)變化特征，從 6 月到 8 月逐漸增強(qiáng)，8 月異常最為明顯。

最新研究表明，厄爾尼諾對東亞夏季風(fēng)的影響與季風(fēng)的季節(jié)進(jìn)程有關(guān)。厄爾尼諾衰減年夏季，受暖池對流異常變化的影響，副高第二次北跳和東退明顯偏晚，從而延遲了東亞夏季風(fēng)的季節(jié)進(jìn)程。同時，東亞地區(qū)出現(xiàn)顯著的異常環(huán)流型，即東亞-太平洋遙相關(guān)型。此種環(huán)流型變化對東亞夏季風(fēng)雨帶的季節(jié)內(nèi)變化產(chǎn)生顯著影響，隨著副高向北推進(jìn)，夏季雨帶亦隨之北移，呈現(xiàn)停滯和北跳交替變化的特征，并且與區(qū)域有關(guān)，主要表現(xiàn)為主汛期（華南前汛期、江淮梅雨期、華北東北雨期和華南后汛期）降水增加，其他時期偏少（圖 7）。在華南前汛期，副高主體及其以南地區(qū)為明顯的反氣旋環(huán)流異常（圖 8a），副高北部則為明顯的氣旋環(huán)流異常，從印度到日界線對流偏弱，對應(yīng)于反氣旋環(huán)流異常，其以北地區(qū)為氣旋環(huán)流異常，造成副高偏向西南（圖 7a），同時，副高南部偏東風(fēng)異常加強(qiáng)了水汽向華南地區(qū)的輸送，而副高北部的偏北風(fēng)異常則增強(qiáng)了來自高緯度地區(qū)的冷空氣入侵，結(jié)果造成了華南地區(qū)輻合和對流增強(qiáng)，降水增多。此時，從印度到菲律賓以東及華北一帶的降水偏少（圖 7a）。進(jìn)入梅雨期之后，上述異常環(huán)流型整體北進(jìn)，副高仍維持偏向西南的形態(tài)（圖 7b 和圖 8b），降水異常中心也一致向北移動，華南到菲律賓以東在副高控制之下，對流減弱，降水減少，而長江流域到日本降水增多，同時華北降水負(fù)異常開始減弱。7 月下旬梅雨結(jié)束之后，東亞地區(qū)環(huán)流形勢發(fā)生了較大變化，除上述環(huán)流異常型整體北進(jìn)之外，異常反氣旋范圍明顯擴(kuò)大，從華南沿西南東北走向延伸到北美西海岸，東亞夏季風(fēng)推進(jìn)到最北位置，副高與氣候平均差異進(jìn)一步增大，華北和東北到日本北部降水增多，而長江以南降水減少（圖 7c 和圖 8c）。8 月中旬之后，夏季風(fēng)開始明顯衰退，之前的帶狀異常環(huán)流轉(zhuǎn)變?yōu)榉秶^小的異常環(huán)流，除黃河下游維持范圍較小的降水正異常之外，中國東部降水異常不明顯（圖 7d 和圖 8d）。因此，厄爾尼諾對東亞夏季降水的影響與東亞夏季風(fēng)的進(jìn)程有關(guān)，表現(xiàn)為主汛期降水增多，非主汛期降水減少，降水分布更為集中，從而增加了主汛期極端降水的發(fā)生概率。

4　2015年12月我國環(huán)境污染和2016春夏降水與厄爾尼諾事件關(guān)聯(lián)

2015 年秋東太平洋開始顯著偏暖，冬季達(dá)到 2oC—3oC，發(fā)展成為僅次于 1997/1998 的 21 世紀(jì)最強(qiáng)的一次厄爾尼諾事件；同時印度洋上海溫全面偏暖，局地異常達(dá)到 1oC。據(jù)中科院大氣物理所預(yù)測，本次強(qiáng)厄爾尼諾事件的東太平洋的海溫異常將持續(xù)到 2016 年春季。

圖 7　厄爾尼諾衰減年夏季不同階段降水異常（單位：mm/d）和 500 hPa 西太平洋副高（單位：gpm），其中填色區(qū)域超過 90% 顯著性檢驗(yàn)，藍(lán)色和紅色等值線分別為氣候平均和厄爾尼諾衰減年副高。（a） 華南前汛期，（b）江淮梅雨期，（c）華北和東北雨期，（d）華南后汛期

圖 8　厄爾尼諾衰減年夏季不同階段 850 hPa 風(fēng)場異常（矢量，m/s）和向外長波輻射異常（填色，W/m2），其中紅色矢量和填色區(qū)域代表超過 90% 顯著性檢驗(yàn)，（a）華南前汛期，（b）江淮梅雨期，（c）華北和東北雨期，（d）華南后汛期

環(huán)保部 2016 年 1 月發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，2015 年 12 月，全國 74 個城市環(huán)境空氣質(zhì)量總體狀況同比、環(huán)比均轉(zhuǎn)差，其中，北京空氣質(zhì)量超標(biāo)天數(shù)超過六成。2015 年 12 月我國東部的嚴(yán)重污染，與本次重大厄爾尼諾是否有關(guān)？2016 年我國春夏主雨帶將有怎樣異常？本節(jié)將討論這些問題。

4.12015 年12 月我國東部環(huán)境污染

中國東部是典型的季風(fēng)區(qū)，冬季盛行東北季風(fēng)。來自北方的風(fēng)對于華北的環(huán)境質(zhì)量至關(guān)重要。圖 9 給出2015 年 12 月地面空氣溫度和大氣低層風(fēng)場異常?？梢?12 月歐亞大陸的大部分地區(qū)尤其是中高緯的地區(qū)氣溫偏暖，導(dǎo)致海洋與陸地之間熱力對比減弱、中國東部地區(qū)出現(xiàn)南風(fēng)異常，即冬季風(fēng)偏弱。在中國南方該南風(fēng)異常的另一個原因是與厄爾尼諾相關(guān)的西太平洋反氣旋環(huán)流的西南氣流，從印度洋—南海西太平洋輸送異常多的水汽到達(dá)中國東部。弱的冬季風(fēng)、穩(wěn)定的大氣層結(jié)及偏多的暖濕空氣使得 2015 年 12 月我國中東部地區(qū)的霧霾比往年同期嚴(yán)重。

圖 9　2015 年 12 月異常表面溫度（oC）（a）和850 hPa 風(fēng)場（m/s）（b）

4.2太平洋 10 年濤動（PDO）與厄爾尼諾對我國春夏氣候的協(xié)同影響

重大厄爾尼諾事件對我國氣候有顯著影響，也受到更長時間尺度太平洋海溫變化太平洋 10 年間濤動（PDO）的調(diào)控。PDO 是一種以 10 年周期尺度變化的太平洋氣候變化現(xiàn)象［19］，變換周期通常為 20—30 年。PDO 的特征為太平洋 20oN 以北區(qū)域表層海水溫度異常偏暖或偏冷。在 PDO“暖相位”（或“正相位”）期間西太平洋偏冷而東太平洋偏暖，在“冷相位”（或“負(fù)相位”）期間西太平洋偏暖而東太平洋偏冷。

在厄爾尼諾次年春季，PDO 正位相的海表溫度年代際背景和厄爾尼諾的海溫異常分布基本一致，PDO 正相位對應(yīng)的赤道中東太平洋 SST 正異常會加強(qiáng)西北太平洋反氣旋，同時北太平洋中緯度地區(qū)的 SST 負(fù)異常通過加強(qiáng)阿留申低壓，促使西北太平洋反氣旋向南收縮，導(dǎo)致西南氣流在華南地區(qū)輻合，中國南方地區(qū)春季降水出現(xiàn)正異常（圖 10b），而北方地區(qū)春季降水異常不明顯。相反地，PDO 負(fù)相位期間的赤道中東太平洋 SST 冷異常會減弱西北太平洋反氣旋，但是其北太平洋中緯度地區(qū)的SST 正異常會減弱阿留申低壓，促使西北太平洋反氣旋向北擴(kuò)張，導(dǎo)致西南氣流深入到長江流域及華北地區(qū)，并產(chǎn)生降水正異常［20］。

而對于厄爾尼諾次年夏季，當(dāng) PDO 處于正位相時，西北太平洋副熱帶高壓在 6 月有一次微弱的北跳，從菲律賓海北跳進(jìn)入華南上空，7 月和 8 月均無明顯北跳。因此華南夏季為明顯的降水負(fù)異常，而長江流域?yàn)檎惓＃▓D 10c）。當(dāng) PDO 和厄爾尼諾位相相反時，夏季中國東部地區(qū)降水異常不明顯［21］。

2015—2016 年這次重大厄爾尼諾事件發(fā)生在 PDO 的正位相期間（圖 10a），基于實(shí)時觀測資料和上述統(tǒng)計分析可以預(yù)測，2016 年春季中國南方地區(qū)降水較常年同期偏多、北方接近常年同期平均值；在夏季，華南地區(qū)降水較常年顯著偏少、長江流域降水正常到略偏多。

圖 10?。╝） 逐月的PDO指數(shù)時間序列［22］， 以及PDO正位相下厄爾尼諾次年中國東部降水降水異常（mm/month）：（b）春季，（c） 夏季

1 Walker G T， Bliss E. world Weather V. Mem R Meteor Soc，1932， 4： 53-84.

2 Bjerknes J. Atmospheric teleconnections from the equatorial Pacific. M on Wea Rev， 1969， 97： 163-172.

3 M cPhaden M J. Genesis and evolution of the 1997-98 El Nino. Science， 1999， 283： 950-954.

4 Battisti D S， Hirst A C. Interannual variability in the tropical atmosphere-ocean system： Influence of the basic state and ocean geometry. J Atmos Sci， 1989， 46： 1687-1712.

5 Jin F F. An equatorial ocean recharge paradigm for ENSO. Part I：Conceptual model. J Atmos Sci， 1997， 54： 811-829.

6 Weisberg R H， Wang C Z. A western pacific oscillator paradigm for the El Ni?o-Southern oscillation. Geophys Res Lett， 1997，24： 779-782.

7 Picaut J， Masia F， Penhoat Y. An advective-reflective conceptual model for the oscillatory nature of the ENSO. Science， 1997，277： 663-666.

8 Wang C Z. A unified oscillator model for the El Nino-Southern oscillation. J Climate， 2001， 14： 98-115.

9 Cai W J， Borlace S， Lengaigne M， et al. Increasing frequency of extreme El Ni?o events due to greenhouse warm ing. Nat Clim Change， 2014， doi： 10.1038/NCLIMATE2100.

10 Sun D Z， Liu Z. Dynam ic ocean-atmosphere coupling： A thermostat for the Tropics. Science， 1996， 272： 1148-1150.

11 Clement A， Seager R， Cane M A， et al. An ocean dynam ical thermostat. J Climate， 1996， 9： 2190-2196.

12 Zhang R H， Busalacchi A J. Freshwater Flux （FWF）-induced oceanic feedback in a hybrid coupled model of the tropical Pacific. J Climate， 2009， 22： 853-879.

13 Yuan D L， Zhou H， Zhao X. Interannual climate variability over the tropical pacific ocean induced by the Indian Ocean dipole through the Indonesian Throughflow. J Climate， 2013， 26： 2845-2861.

14 Fasullo J， Webster P J. Atmospheric and surface variations during westerly w ind bursts in the tropical Pacific. Quart J Roy Meteor Soc， 2000， 126： 899-924.

15 X ie S P， Kosaka Y， Du Y， et al. Indo-Western Pacific Ocean capacitor and coherent c lim ate anom alies in Post-ENSO summer： a review. Adv Atmos Sci， 2016， 33（4）： 411-432.

16 Ren R C， Sun SY， Yang Y， et al. Summer SST anomalies in the Indian Ocean and the Seasonal tim ing of ENSO decay phase，Climate Dynam ics， 2015， DOI： 10.1007/s00382-015-2935-0.

17 Li Q， Ren R C， Cai M， et al. Attribution of the summer warming since 1970s in Indian Ocean Basin to the inter-decadal change in the seasonal tim ing of El Ni?o decay phase. Geophys. Res. Lett.，2012， 39， doi：10.1029/2012GL052150.

18 鄭菲， 李建平. 前冬南半球環(huán)狀模對春季華南降水的影響及其機(jī)理. 地球物理學(xué)報， 2012，55（11）： 3542-3557.

19 Mantua N J， Hare S R， Zhang Y， et al. A Pacific interdecadal climate oscillation w ith impacts on salmon production. Bulletin of American Meteorological Society， 1997， 78： 1069-1079.

20 Wu X F， Mao J Y. Interdecadal modulation of ENSO-related spring rainfall over South China by the Pacific Decadal Oscillation. Climate Dynam ics， 2016， DOI： 10.1007/s00382-016-3021-y.

21 Feng J， Wang L， Chen W. how does the east asian summer monsoon behave in the decaying phase of El Ni?o during different PDO phases？ J. Climate， 2014， 27： 2682-2698.

22 http：//research.jisao.washington.edu/pdo/PDO.latest

劉屹岷中科院大氣物理所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員，國家杰出青年基金獲得者，入選國家百千萬人才工程。發(fā)表期刊論文 140 余篇，專著3部。曾獲全國百篇優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎、國家自然科學(xué)二等獎（第二獲獎人）等多項獎勵。目前主持國家自然科學(xué)基金重大計劃的重點(diǎn)項目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項子課題等科研項目，主要研究方向海陸氣相互作用、副熱帶天氣氣候動力學(xué)和氣候模式發(fā)展。E-mail： lym@lasg.iap.ac.cn

Liu Yim inProfessor in State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynam ics， Institute of Atmospheric Physics， Chinese Academy of Sciences. She is mainly engaged in air-land-sea interaction， subtropical weather and climate dynam ics， and climate modeling. She has published more than 140 journal papers and 3 books. She received numerous awards for her work，including Hundred Outstanding Doctors of China， M inistry of Education， Outstanding Young Scientist Foundation of National Natural Science Foundation of China （NSFC）， Chinese National Natural Science Award （2nd level， ranking 2）， and National Key Talent Project. Currently she is the PI of Key Project of NSFC and participates in the Priority Research Program of the Chinese Academ y of Sciences. E-mail：lym@lasg.iap.ac.cn

Current Super El Ni?o Event and Its Im pacts on Climate in China in Sp ring and Summer

Liu Yim in1Liu Boqi2Ren Rongcai1Duan Anmin1Mao Jiangyu1
（1State Key Laboratory of Numeracal Modeling for Atmospheric Sciences and Geophsical Fluid Dynamics，Institute of Atmospheric Physics， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100029， China；2Chinese Academy of Meteorological Sciences， Beijing 100081， China）

A mature and strong El Ni?o was present in the tropical Pacific Ocean during the autumn to w inter in 2015. This 2015/2016 El Ni?o is one of the strongest El Ni?o events in the past twenty years. Based on the introduction of El Ni?o definition， features， causes， and general physical processes of the im pact on East Asian monsoon， this paper presents the influences of the El Ni?o event in the variability of Indian Ocean sea surface tem perature， and addresses that there w ill be excessive rainfall in the main rain belts， i.e. the spring rain in south China， early summer rainfall in Southeast China， Mei-yu in the valleys of Huai River and Yangtze River， and rain period in North and Northeast China during the decay period of El Ni?o events. The associated mechanisms are unraveled. Furthermore， it is documented that the current super El Ni?o event contributes to the large range of environmental pollution in Eastern China in December of 2015. At last， the forecast to the pattern of the main rain belts in East China in the com ing spring and summer is displayed .

super El Ni?o event， 2015/2016， variation of sea surface temperature， Indian Ocean， spring rain in South China， summer main rain belts in East China

10.16418/j.issn.1000-3045.2016.02.011

*資助項目：中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（XDA110104 02），國家自然科學(xué)基金項目（41328006、 91437219、41575041）

修改稿收到日期：2016年2月17日