El Ni?o事件次年中國(guó)東部夏季氣溫分布特征研究

范伶俐,張福穎

① 廣東海洋大學(xué),廣東 湛江 524088;② 南京信息工程大學(xué),江蘇 南京 210044

El Ni?o事件次年中國(guó)東部夏季氣溫分布特征研究

范伶俐①*,張福穎②

① 廣東海洋大學(xué),廣東 湛江 524088;② 南京信息工程大學(xué),江蘇 南京 210044

2016-08-15收稿，2016-10-13接受

廣東海洋大學(xué)“創(chuàng)新強(qiáng)校工程”建設(shè)項(xiàng)目(GDOU2016050245)

利用HadISST和NCEP/NCAR再分析資料,采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析了1949年以來(lái)El Ni?o事件次年夏季中國(guó)東部氣溫分布特征。結(jié)果表明,混合型El Ni?o次年夏季,中國(guó)東部氣溫距平表現(xiàn)為山東—淮河流域及華南沿海出現(xiàn)負(fù)距平,其余地區(qū)為正距平;東部型,則表現(xiàn)為中國(guó)東部地區(qū)整體的負(fù)距平氣溫,且北方降溫幅度明顯大于長(zhǎng)江以南地區(qū);中部型,主要表現(xiàn)為長(zhǎng)江以北氣溫負(fù)距平遠(yuǎn)大于長(zhǎng)江以南。結(jié)合環(huán)流形勢(shì)分析發(fā)現(xiàn),三類El Ni?o事件次年夏季的赤道地區(qū)(5°S～5°N)異常緯向垂直環(huán)流均表現(xiàn)為三圈型,但3類異常Walker環(huán)流不僅強(qiáng)度有差異,緯向范圍也有所不同。500 hPa上西太平洋副高的強(qiáng)度和范圍,是造成三類El Ni?o事件次年夏季中國(guó)東部地區(qū)氣溫距平分布差異的主要原因之一,850 hPa上西南暖濕氣流的輸送對(duì)其也存在明顯影響。

中國(guó)東部

El Ni?o

夏季氣溫

大氣環(huán)流

近幾十年來(lái),由于人類活動(dòng)及自然因素等綜合影響,全球變暖已成為不爭(zhēng)的事實(shí)。在全球變暖的背景下,極端天氣氣候事件趨強(qiáng)趨多,尤其是區(qū)域性極端高溫事件頻繁發(fā)生,給社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和人民生活造成了嚴(yán)重的影響和損失(徐金芳等,2009)。2013和2016年夏季中國(guó)東部高溫?zé)崂耸录?duì)人民的生活及生產(chǎn)造成了重要影響。研究夏季氣溫的變化規(guī)律及影響機(jī)理有助于提高高溫事件的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率,同時(shí)為政府部門應(yīng)對(duì)提供依據(jù),在減少生命財(cái)產(chǎn)損失方面具有積極的意義。

近年來(lái)我國(guó)夏季高溫?zé)崂说念l次、日數(shù)和強(qiáng)度總體呈增多、增強(qiáng)趨勢(shì)(葉殿秀等,2013)。1961—2003年中國(guó)極端高溫日數(shù)的兩個(gè)大值區(qū)分別位于中國(guó)的西北和東南地區(qū),大部分站點(diǎn)極端高溫日數(shù)是增多的(Zhang et al.,2008)。黃丹青和錢永甫(2008)指出,全國(guó)極端高溫日數(shù)的線性趨勢(shì)為正趨勢(shì),內(nèi)蒙古和新疆北部為大趨勢(shì)區(qū),西南則為小趨勢(shì)區(qū)。周長(zhǎng)艷等(2013)指出,四川高溫天數(shù)50 a來(lái)總體呈顯著增多趨勢(shì),20世紀(jì)90年代以來(lái)增多趨勢(shì)尤為顯著。張志薇等(2011)研究發(fā)現(xiàn)華中地區(qū)近年來(lái)年平均高溫日數(shù)和高溫日平均最高氣溫在20世紀(jì)90年代之后呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),尤其在2000年之后,表現(xiàn)得更加明顯。張茜和李棟梁(2011)分析東北夏季氣溫的新特征時(shí)發(fā)現(xiàn),近60 a來(lái)東北夏季氣溫總體呈上升趨勢(shì),尤其是1990年以后增溫明顯,區(qū)域差異主要表現(xiàn)在東北部升溫早而西南部遲。以上的研究均表明近年來(lái)中國(guó)整體的夏季平均氣溫和極端高溫日數(shù)的增多趨勢(shì)是確定的,但由于不同地區(qū)受到的環(huán)流形勢(shì)及各地地形的影響不同,中國(guó)夏季高溫事件的空間分布存在地區(qū)差異。

對(duì)高溫天氣的成因也做了諸多研究。楊群等(2011)、陳麗華等(2010)和嚴(yán)文蓮等(2012)均發(fā)現(xiàn)西太平洋副高的持續(xù)異常是導(dǎo)致南方異常高溫的主要原因。方宇凌和簡(jiǎn)茂球(2011)發(fā)現(xiàn),在2003年6月29日—8月15日的3段持續(xù)性高溫期間,大氣升溫主要是由非絕熱加熱造成,而水平溫度平流對(duì)升溫起負(fù)貢獻(xiàn)。鄒海波等(2015)發(fā)現(xiàn)2013年盛夏中國(guó)中東部地區(qū)溫度異常偏高,主要是由中低層異常偏強(qiáng)的下沉運(yùn)動(dòng)造成的。許多學(xué)者(楊義文等,2004;劉春玲等,2005;雷楊娜等,2009;史軍等,2009;朱周平和錢炳強(qiáng),2010)還發(fā)現(xiàn),高溫天氣與海溫密切相關(guān)。

這些研究豐富了對(duì)全球變暖背景下中國(guó)夏季高溫的認(rèn)識(shí)。但對(duì)不同類型El Ni?o次年熱帶太平洋—東亞的海氣耦合過(guò)程變化及其對(duì)中國(guó)東部夏季氣溫的影響,關(guān)注較少。那么,在不同類型El Ni?o事件次年,中國(guó)東部夏季氣溫的空間分布特征是否相同?對(duì)應(yīng)的熱帶太平洋—東亞海氣特征如何?為了解決上述問(wèn)題,本文根據(jù)中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心確定的El Ni?o事件分類,通過(guò)分析合成的三類El Ni?o事件次年的海氣要素分布特征,細(xì)致對(duì)比在東部型、中部型和混合型El Ni?o次年,中國(guó)東部夏季氣溫空間分布特征的差異,為進(jìn)一步探討中國(guó)東部夏季氣溫空間分布規(guī)律,深入理解三類 El Ni?o事件對(duì)其影響的機(jī)理提供科學(xué)基礎(chǔ),為提升高溫天氣的預(yù)報(bào)、預(yù)測(cè)水平服務(wù)。

1 資料和方法

資料包括:1)海表溫度資料集HadISST(Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperature data set)中的全球月平均海表溫度資料,空間分辨率為1°×1°(Rayner et al.,2003)。2)逐日和逐月的美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心/國(guó)家大氣環(huán)境中心(NCEP/NCAR)的再分析資料,包括氣溫逐月資料、多層逐月風(fēng)場(chǎng)、垂直速度等再分析資料,空間分辨率為2.5°×2.5°(Kalnay et al.,1996)。

夏季的定義為6—8月(JJA)。中國(guó)東部是指105°E以東的中國(guó)區(qū)域。研究時(shí)段選取為1949—2016年。

2 El Nio事件分類及El Nio事件次年中國(guó)東部夏季氣溫分布特征

海洋作為大氣的下邊界,對(duì)氣候的形成和變化具有重要的影響。本節(jié)探討三類El Nio事件次年,夏季海表溫度異常(Sea Surface Temperature Anomaly,SSTA)分布特征。

表1 1949年以來(lái)El Nio事件發(fā)生時(shí)間、類型劃分及事件影響年(新指數(shù))

Table 1 El Nio events lists according to spatial categories(new index)

序號(hào)起止年月長(zhǎng)度/月SSTA峰值/℃峰值月份∑SSTA/℃海溫強(qiáng)度爆發(fā)類型影響年11957年4月—1958年3月121.119.1中等E+C195821963年7月—1963年12月60.682.9極弱E196431965年6月—1966年2月91.1127.5中等E196641968年12月—1969年6月70.954.5弱C196951972年4月—1973年2月111.61212.1中等E197361982年5月—1983年8月162.212月—次年1月20.4極強(qiáng)C198471986年10月—1988年1月161.39月15.4強(qiáng)C198881991年5月—1992年5月131.2411.0中等C199291994年10月—1995年2月51.0124.1弱C1995101997年4月—1998年5月142.51223.5極強(qiáng)E+C1998112002年6月—2003年2月91.3116.7弱C2003122006年8月—2007年1月61.1125.2弱E+C2007132009年6月—2010年4月111.3129.2中等E2010142014年9月—2016年5月212.92015年11月30.2極強(qiáng)E+C2016

注：資料來(lái)自中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心(ENSO_Characteristic_Table.pdf).

圖1 合成的El Nio事件次年夏季的海溫距平分布(單位:℃) a.混合型;b.東部型;c.中部型Fig.1 Composite SSTA of (a)EP+CP El Nio events (b)EP El Nio events and (c)CP El Nio events during the following summer(units:℃)

圖2 合成的三類El Nio事件次年夏季中國(guó)東部氣溫距平分布(單位:℃) a.混合型;b.東部型;c.中部型Fig.2 Composite air temperature anomaly over East China of (a)EP+CP El Nio events (b)EP El Nio events and (c)CP El Nio events during the following summer(units:℃)

3 三類 El Nio事件次年夏季中國(guó)東部氣溫距平分布差異的成因分析

氣溫作為一種氣象要素,其變化必然受到大氣環(huán)流形勢(shì)的影響和制約。什么原因造成了三類 El Nio事件次年夏季中國(guó)東部氣溫分布差異?為了弄清楚這一問(wèn)題,首先從Walker環(huán)流出發(fā)診斷三類El Nio事件次年夏季中國(guó)東部氣溫分布差異(圖3)。

3.1 Walker環(huán)流特征分析

圖3 合成的El Nio次年夏季5°S～5°N平均Walker環(huán)流距平(相對(duì)于的1981—2010年氣候平均場(chǎng))的分布(陰影表示擴(kuò)大至1 000倍的垂直速度,單位:10 hPa/s) a.混合型;b.東部型;c.中部型Fig.3 Composite anomalous(relative to the 1981—2010 climate mean field) Walker circulation between 5°S—5°N of (a)EP+CP El Nio events (b)EP El Nio events and (c)CP El Nio events during the following summer(vertical velocity multiplied by a factor of 1 000;units:10 hPa·s-1)

3.2 500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)環(huán)流特征分析

其次,分析三類事件次年夏季其對(duì)應(yīng)的500 hPa高度場(chǎng)異常情況。從氣候平均的夏季500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(圖4)可以看出,我國(guó)東部不同地區(qū)夏季受到各天氣系統(tǒng)影響的程度是不同的,東北地處高緯,夏季受到西太副高的直接影響較小,主要受鄂霍次克海阻高影響;華北受低緯的副高及中高緯的阻高的直接影響都不大,但中高緯該地區(qū)淺槽的深淺、冷空氣南下頻次的變化會(huì)受到中高緯經(jīng)向環(huán)流調(diào)整的影響,從而影響華北氣溫;江淮地區(qū)受副高的直接影響比華北大,再加上印度洋和孟加拉灣的水汽在青藏高原的影響下沿副高的西北側(cè)北上,影響江淮的氣溫;華南地區(qū)的高溫日數(shù)主要受到西太平洋副高的影響。

圖4 1981—2010年夏季氣候平均50 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(單位:gpm)Fig.4 Cimate mean 500 hPa potential height field during the period of 1981—2010(unit:gpm)

可見(jiàn),中國(guó)東部各地區(qū)夏季受到主要環(huán)流系統(tǒng)的影響不同,直接影響系統(tǒng)的強(qiáng)弱對(duì)各地區(qū)氣溫分布特征起到?jīng)Q定性作用,當(dāng)然,不同的環(huán)流系統(tǒng)之間也會(huì)通過(guò)大氣環(huán)流的調(diào)整而互相作用,從而對(duì)各地區(qū)氣溫產(chǎn)生影響。

圖5 合成的El Nio事件次年夏季的平均500 hPa位勢(shì)高度距平場(chǎng)(相對(duì)于的1981—2010年氣候平均場(chǎng);單位:gpm) a.混合型;b.東部型;c.中部型Fig.5 Composite anomalous(relative to the 1981—2010 climate mean field) 500 hPa potential height of (a)EP+CP El Nio events (b)EP El Nio events and (c)CP El Nio events during the following summer(units:gpm)

圖5b顯示東部型,洋面上500 hPa位勢(shì)高度都有不同程度的增高,中國(guó)東部陸面上500 hPa位勢(shì)高度卻有不同程度的降低,中國(guó)東部地區(qū)經(jīng)向環(huán)流較混合型有所加強(qiáng),利于冷空氣南下,氣溫較常年顯著偏低,此時(shí)西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度減弱,覆蓋范圍也減小了,華南也出現(xiàn)了一定程度的氣溫負(fù)距平。

圖5c顯示中部型,中國(guó)東部,經(jīng)向環(huán)流相對(duì)較強(qiáng),利于冷空氣南下影響長(zhǎng)江以北地區(qū),這種分布形態(tài)有利于北方氣溫的偏低,西太平洋副高位置偏南,形狀更加扁平,副高影響范圍增大且強(qiáng)度稍有增加,表明副髙對(duì)長(zhǎng)江以南的影響加強(qiáng),使得長(zhǎng)江以南降溫幅度較小,而對(duì)長(zhǎng)江及以北的影響有所減弱,從而促使氣溫下降。

3.3 低空和高空風(fēng)場(chǎng)特征

高、低空風(fēng)場(chǎng)的異常也會(huì)對(duì)氣溫產(chǎn)生影響,分析三類El Nio事件次年夏季高空、低空風(fēng)場(chǎng)異常的合成特征,并結(jié)合位勢(shì)高度場(chǎng)的分析,探討風(fēng)場(chǎng)對(duì)中國(guó)東部夏季氣溫的影響。

圖6 合成的混合型El Nio事件次年夏季風(fēng)場(chǎng)距平場(chǎng)(相對(duì)于的1981—2010年氣候平均場(chǎng);單位:m/s)a.850 hPa;b.200 hPaFig.6 Composite anomalous wind:(a)850 hPa;(b) 200 hPa(relative to the 1981—2010 climate mean field) of EP+CP El Nio events during the following summer(units:m·s-1)

4 結(jié)論和討論

圖7 合成的東部型El Nio事件次年夏季風(fēng)場(chǎng)距平場(chǎng)(相對(duì)于的1981—2010年氣候平均場(chǎng);單位:m/s)a.850hPa;b.200 hPaFig.7 Composite anomalous wind (a)850 hPa (b)200 hPa(relative to the 1981—2010 climate mean field) of EP El Nio events during the following summer(units:m·s-1)

圖8 合成的中部型El Nio事件次年夏季風(fēng)場(chǎng)距平場(chǎng)(相對(duì)于的1981—2010年氣候平均場(chǎng);單位:m/s)a.850 hPa;b.200 hPaFig.8 Composite anomalous wind:(a)850 hPa;(b)200 hPa(relative to the 1981—2010 climate mean field) of CP El Nio events during the following summer(units:m·s-1)

3)500 hPa上西太平洋副高的強(qiáng)度和范圍,是造成三類El Nio事件次年的夏季中國(guó)東部地區(qū)氣溫距平分布差異的主要原因之一。混合型El Nio事件次年夏季中國(guó)東部陸面上500 hPa位勢(shì)高度距平呈“三明治”型分布,東北東部—山東半島、華南地區(qū)為正異常,其余地區(qū)則有不同程度的降低,且負(fù)異常值幅度由北向南遞減;東部型,次年夏季中國(guó)東

部陸地上500 hPa位勢(shì)高度都有不同程度的降低,經(jīng)向環(huán)流較混合型有所加強(qiáng),利于冷空氣南下,氣溫較常年顯著偏低,此時(shí)西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度減弱,覆蓋范圍減小,華南出現(xiàn)了一定程度的氣溫負(fù)距平。中部型,中國(guó)東部,經(jīng)向環(huán)流相對(duì)較強(qiáng),利于冷空氣南下影響長(zhǎng)江以北地區(qū),北方氣溫的偏低,西太平洋副高位置偏南,形狀更加扁平,副高影響范圍增大且強(qiáng)度稍有增加,副高對(duì)長(zhǎng)江以南的影響加強(qiáng),長(zhǎng)江以南降溫幅度較小。

4)距平風(fēng)場(chǎng)分析表明,850 hPa上西南暖濕氣流的輸送對(duì)El Nio次年的夏季中國(guó)東部氣溫距平空間分布有明顯影響。

致謝:NASA、ECMWF提供了AURA/MLS、CALIPSO/CALIOP、Interim資料的在線下載服務(wù)。

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Study on the characteristics of air temperature in summer following El Nio events over East China

FAN Lingli1,ZHANG Fuying2

1GuangdongOceanUniversity,Zhanjiang524088,China;

2NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China

Using the HadISST and NCEP/NCAR reanalysis data,a diagnosis and analysis was carried out for the abnormal temperature over eastern China(EC) during El Nio events in the following summer beginning from 1949.The results show that,in the summer after EP+CP El Nio,the negative temperature anomaly appeared in the Shandong-Huaihe Basin and along the coast of southern China,while the other areas showed positive anomaly.The EP El Nio,EC showed negative anomaly throughout,and the range in the north was greater than that to the south of the Yangtze River.For the CP El Nio,the temperature throughout the north was down more than that in the south of the Yangtze River.The corresponding atmospheric circulation analyses indicated that,in the summer after the three types of El Nio events,the anomalous zonal vertical circulation of the equatorial region(5°S—5°N) was shown to appear as three circles,but their anomolies not only had differences in strength,the latitude ranges were also different.In the summer after EP+CP El Nio events or EP El Nio events,there were two abnormal Walker circulations in the equatorial Pacific,while in the summer following CP El Nio events there were two Walker circulation anomalies in the equatorial India Ocean.The intensity and range of the subtropical high in the Western Pacific Ocean at 500 hPa was one of the main reasons for the difference of temperature distribution in EC during the summer after the three types of El Nio events.In the summer following EP+CP El Nio events,the 500 hPa geopotential height anomaly showed “sandwich” type distribution over eastern China.The eastern part of northeast China,the Shandong Peninsula and southern China area were positive anomalies,while the other regions were reduced to some extent,and the negative anomaly amplitude decreased from north to south.In the summer after EP El Nio events,the 500 hPa geopotential height had different degrees of reduction over EC,the meridional circulation was strengthened,which was conducive to the cold air travelling southward,thus the temperature was significantly lower than normal,the intensity of the subtropical high in the Western Pacific was weakened,its coverage decreased,and there was a certain degree of negative temperature anomaly in southern China.In the summer after CP El Nio events,the meridional circulation was relatively strong at the 500 hPa geopotential height over EC,which was conducive to the cold air travelling southward to the north of the Yangtze River region,the temperature was low in the north,the West Pacific subtropical high travelled southward,with a rather flat shape,the effect range of the subtropical high increased and its strength increased slightly,and the effect of the subtropical high on southern China strengthened,so that the temperature in southern China increased.However,the effect of the subtropical high to the north of the Yangtze River weakened and caused the temperature there to drop;the transportation of the southwest warm and humid air at 850 hPa also had a significant effect on this.

(責(zé)任編輯：劉菲)

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10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130427001.(in Chinese).

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20160815003

*聯(lián)系人，E-mail:fanlingli@126.com