印度洋不同海溫模態(tài)對兩類厄爾尼諾事件與我國南方秋季降水關(guān)系的影響

譚晶，王彰貴，黃榮輝，蔡怡

(1.中國科學院大氣物理研究所 季風系統(tǒng)研究中心，北京 100190；2.中國科學院大學，北京 100049；3.國家海洋環(huán)境預報中心，北京 100081)

印度洋不同海溫模態(tài)對兩類厄爾尼諾事件與我國南方秋季降水關(guān)系的影響

譚晶1，2，3，王彰貴3，黃榮輝1，蔡怡3

(1.中國科學院大氣物理研究所 季風系統(tǒng)研究中心，北京 100190；2.中國科學院大學，北京 100049；3.國家海洋環(huán)境預報中心，北京 100081)

利用1951—2015年NOAA氣候預測中心的SST擴展重建資料(ERSST V3b)、國家氣候中心提供的我國160站月降水量資料、美國國家環(huán)境預報中心/大氣研究中心(NCEP/NCAR)提供的各氣壓層的水平風速、垂直速度和比濕資料，研究了印度洋不同海溫模態(tài)對兩類厄爾尼諾事件與我國南方秋季降水關(guān)系的影響。結(jié)果表明，雖然東部型(中部型)厄爾尼諾年秋季我國長江以南地區(qū)降水偏多(少)，但當東部型厄爾尼諾與印度洋正偶極子同時發(fā)生年秋季，我國長江以南地區(qū)降水偏多的程度顯著提高；當中部型厄爾尼諾與印度洋正偶極子同時發(fā)生年秋季，我國西南地區(qū)降水轉(zhuǎn)為偏多，其他南方地區(qū)降水仍然偏少；當中部型厄爾尼諾與印度洋一致增暖型海溫同時發(fā)生年秋季，我國整個長江以南地區(qū)降水偏少，且偏少的幅度要顯著高于不考慮印度洋海溫異常的情況。此外還對印度洋不同海溫模態(tài)對兩類厄爾尼諾事件與我國南方秋季降水關(guān)系的影響的環(huán)流成因進行了分析。

兩類厄爾尼諾事件；熱帶印度洋偶極子；熱帶印度洋一致增暖；中國南方；秋季降水

1 引言

太平洋ENSO是年際時間尺度上熱帶太平洋海洋—大氣強烈的相互作用現(xiàn)象，定義為赤道中東太平洋表層海溫的大范圍持續(xù)增暖，其對全球尺度的天氣氣候有著顯著的影響[1]，長期以來一直是學者們研究的熱點問題之一。從20世紀90年代后厄爾尼諾形態(tài)發(fā)生了顯著的改變。典型的東部型厄爾尼諾事件(EP El Nio)，即熱帶太平洋增暖區(qū)主要位于熱帶東太平洋區(qū)域的厄爾尼諾事件發(fā)生幾率越來越小，而另一類增暖區(qū)主要位于日界線附近的赤道中太平洋的增暖現(xiàn)象卻發(fā)生得越來越頻繁[2]。很多學者注意到了厄爾尼諾這種增暖區(qū)的改變，并把增暖區(qū)位于赤道中太平洋區(qū)域的厄爾尼諾事件稱為中部型厄爾尼諾事件[3]，或者日界線厄爾尼諾事件[4]，或者El Nio-Modoki[5]，或者暖池型厄爾尼諾事件(WP El Nio)[6]。在本文的討論中，將增暖區(qū)主要發(fā)生在赤道東太平洋的厄爾尼諾事件稱為東部型厄爾尼諾事件，增暖區(qū)主要發(fā)生在赤道中太平洋的厄爾尼諾事件稱為中部型厄爾尼諾事件。

由于兩類厄爾尼諾事件的海溫增暖區(qū)有明顯差異，熱帶海洋對大氣的加熱區(qū)也發(fā)生了改變，熱帶大氣環(huán)流狀況會有明顯的不同，由此帶來的氣候影響也不一樣。這一現(xiàn)象也引起了科學家們的廣泛關(guān)注。自從Yeh等[2]指出中部型厄爾尼諾事件在20世紀90年代后發(fā)生的頻率顯著增加后，國際上關(guān)于不同分布型厄爾尼諾事件對氣候異常的影響的研究也越來越多。例如有科學家得出中部型厄爾尼諾事件對北美西海岸、南美、甚至日本和新西蘭氣候的影響可能會與東部型厄爾尼諾事件的影響完全相反[5，7]。中部型厄爾尼諾事件還會導致美國西部冬季經(jīng)常出現(xiàn)北干南濕的“蹺蹺板”式氣候分布特征，而當東部型厄爾尼諾發(fā)生時美國西部大部分地區(qū)冬季都以偏濕的氣候特征為主[8]。關(guān)于不同類型厄爾尼諾事件對東亞尤其中國氣候異常的研究目前也有很多。如兩類厄爾尼諾事件可以通過熱帶西太平洋海-氣的不同相互作用，對發(fā)展年的中國秋季降水[9-11]、其次年的中國春夏季降水[12-14]帶來不同的影響。

另外，印度洋是季風環(huán)流系統(tǒng)的3個組成部分——Walker環(huán)流、橫向季風環(huán)流和側(cè)向季風環(huán)流的交匯地[15]，與亞澳季風系統(tǒng)[16-18]、ENSO系統(tǒng)[19-20]和非洲季風系統(tǒng)[21]都存在一定聯(lián)系。印度洋在區(qū)域乃至全球氣候變率中都有著極為重要的作用。1999年，Saji等[22]、Webster等[23]提出了印度洋偶極子的概念，即熱帶西印度洋的海表溫度為正距平，熱帶東南印度洋海表溫度為負距平的現(xiàn)象，通常在秋季發(fā)展成熟。而熱帶印度洋另一個也是最主要的模態(tài)是海盆一致模態(tài)(Indian Ocean Basin Warming， IOB)，表現(xiàn)為熱帶印度洋全區(qū)一致的海溫變化，通常在春季最強[24-26]。

近來，熱帶印度洋偶極子(Indian Ocean Dipole， IOD)和ENSO的關(guān)系是學者們關(guān)注的熱點問題和爭論的焦點。雖然Saji等[22]、Webster等[23]認為IOD與ENSO是相互獨立的，但李崇銀等[27]指出，盡管在極個別年份IOD似乎與ENSO相互獨立，總體而言兩者的相關(guān)性很好，且兩者的相關(guān)基本上是同時的，沒有明顯滯后現(xiàn)象。巢紀平等[28]認為，ENSO和IOD的發(fā)展具有很好的相關(guān)性，赤道太平洋和印度洋的一對反相轉(zhuǎn)動的Walker環(huán)流的耦合演變是聯(lián)系這兩者之間變化的紐帶。譚言科等[29]在討論熱帶印度洋海溫年際變化與ENSO的關(guān)系時指出，熱帶印度洋海溫從偶極到單極的變化對應著El Nio事件從發(fā)展到衰減的過程。關(guān)于熱帶印度洋IOB，研究表明ENSO導致海表熱通量異常，尤其是潛熱通量和短波輻射通量異常，對維持印度洋海盆一致模有重要的作用[30]，并且滯后響應于赤道東太平洋ENSO事件大約1～2個季節(jié)，在春季達到最強。對于熱帶太平洋-印度洋海溫異常對我國氣候的影響，楊輝等[31]指出，單獨考慮太平洋的ENSO模并不能完全說明海溫異常對氣候的影響，并提出了太平洋-印度洋海溫異常綜合模的概念，研究了各個異常模態(tài)的不同特征及對中國氣候和印度夏季降水的不同影響。以上研究表明，熱帶印度洋不同的海溫模態(tài)與熱帶太平洋ENSO有著密切的聯(lián)系，且將兩者聯(lián)合起來研究對氣候的影響與兩者單獨對氣候的影響是不同的。

從以前的工作來看，研究我國汛期降水及影響因子的文章較多。但是，秋季降水對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟有著重要意義。特別是進入21世紀后我國南方地區(qū)由于秋季降水偏少導致秋旱頻發(fā)，給當?shù)厝嗣裆a(chǎn)生活造成很大影響。因此，為了全面地了解氣候異常特征，預防各種可能的氣候異常事件帶來的災害，對秋季降水異常的研究也是十分必要的。并且，秋季處于多雨季和少雨季的過渡季節(jié)，秋季的降水量對于后期冬季甚至春季干旱與否有著重要的提前預示意義。例如我國西南地區(qū)近來頻繁出現(xiàn)的冬春季干旱，很多分析均發(fā)現(xiàn)在干旱發(fā)生前的夏秋季，降水就已經(jīng)開始明顯減少[32-33]，降水減少在時間上的累積效應使得土壤缺墑，蓄水不足等加重了干旱對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活的影響。因此研究秋季降水也有著重要的實際意義。雖然已有一些關(guān)于不同類型厄爾尼諾事件對我國南方秋季降水的影響的研究[9-11]，但這些工作僅僅考慮了太平洋海溫的影響。而實際上，熱帶印度洋海溫的不同模態(tài)與ENSO之間的聯(lián)系十分密切。那么，不同類型厄爾尼諾事件年秋季熱帶印度洋海溫異常分布特征是怎樣的，以及兩者的聯(lián)合分布會對我國秋季降水有什么影響，這方面的研究還不多見。本文主要集中在這個問題上，研究印度洋不同類型海溫分布模態(tài)對兩類厄爾尼諾與中國南方秋季降水關(guān)系的影響，并從大氣環(huán)流、水汽輸送等角度闡述其中的物理機制。

2 資料來源

本文所用資料有NCEP/NCAR提供的月平均12個層次(1 000、925、850、700、600、500、400、300、250、200、150、100 hPa)的水平風速矢量場(u、v)、垂直速度場(ω)和比濕場資料，空間分辨率為2.5°×2.5°經(jīng)緯網(wǎng)格[34-35]。海溫場資料來自NOAA氣候診斷中心的SST擴展重建資料(NOAA Extended Reconstructed Sea Surface Temperature， ERSST V3b)，水平網(wǎng)格距為2.0°×2.0°經(jīng)緯網(wǎng)格。另外，還用到了國家氣候中心提供的中國160站月平均降水量資料。以上資料時間段為1951年1月至2015年12月。本文中的秋季指9-11月3個月的平均值，氣候態(tài)為1981-2010年30年的平均值。本文用到的主要研究方法是合成分析方法，我國南方地區(qū)包括了20°～32°N， 98°～122.5°E范圍內(nèi)的68個臺站，站點分布如圖1所示。

圖1 中國南方地區(qū)氣象站點分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in South China

3 兩類厄爾尼諾事件對我國南方秋季降水的影響及機理

3.1 兩類厄爾尼諾事件的劃分

目前，國際上對于兩類厄爾尼諾事件的劃分有很多研究，方法也有很多。本文采用的是Ren和Jin[36]的東部型、中部型指數(shù)來區(qū)分兩類厄爾尼諾事件。指數(shù)的定義為：

從逐年秋季的IEP和ICP指數(shù)(圖2)來看，兩者具有明顯的年際變化的特點，且IEP指數(shù)的振幅要明顯大于ICP指數(shù)。20世紀90年代之前，IEP強的正指數(shù)年份較多，90年代之后就只有1997和2015年具有強的IEP指數(shù)，其他年份的IEP指數(shù)都較弱。而ICP指數(shù)雖然振幅不及IEP指數(shù)大，但從圖中可看出，20世紀90年代以后ICP以正指數(shù)居多。從IEP和ICP指數(shù)也可以看出1951年后不同類型厄爾尼諾發(fā)生頻次的年代際變化。

在定義了兩類指數(shù)后，兩類厄爾尼諾典型事件發(fā)展年的挑選方法如下：將秋季的ICP、IEP分別標準化，在發(fā)展較為穩(wěn)定的厄爾尼諾年，若標準化后的ICP、IEP指數(shù)之差超過0.2，并且兩指數(shù)中的較大者在0.7以上，則根據(jù)較大者定義厄爾尼諾事件類型。如ICP-IEP>0.2且ICP>0.7，則定義該年為中部型厄爾尼諾事件發(fā)展年，東部型厄爾尼諾事件發(fā)展年的定義與之類似。這樣，就得到10個東部型厄爾尼諾事件發(fā)展年，為1951、1957、1965、1972、1976、1979、1982、1987、1997和2015年，以及10個中部型厄爾尼諾事件發(fā)展年，為1969、1977、1986、1991、1994、2002、2003、2004、2006和2009年。圖3為東部型厄爾尼諾年和中部型厄爾尼諾年合成的熱帶太平洋海表溫度距平。

圖3a的海溫距平正值中心位于赤道東太平洋，增暖形態(tài)符合典型的東部型厄爾尼諾事件的海溫增暖特征。圖3b的海溫正距平中心位于180°～160°W的赤道中太平洋，增暖形態(tài)符合中部型厄爾尼諾事件的特征。且從強度來看，東部型厄爾尼諾事件的強度要明顯強于中部型厄爾尼諾事件，這也與前人研究得出的兩類厄爾尼諾事件的強度差異是一致的。合成結(jié)果說明Ren和Jin[36]的方法是能夠很好地將兩類事件提取出來的。

圖2 1951—2015年逐年秋季IEP(藍色點虛線)和ICP(紅色點線)指數(shù)Fig.2 Interannual variations of IEP(blue dotted line) and ICP(red dotted line) indices in autumn during 1951 to 2015

圖3 東部型(a)和中部型(b)厄爾尼諾事件年合成的熱帶太平洋海溫距平(等值線為通過置信度90%的顯著性檢驗)Fig.3 Composite SSTA for EP El Nio (a) and CP El Nio (b) (real lines indicate significance at the 90% confidence level)

3.2兩類厄爾尼諾事件年秋季我國降水及環(huán)流異常合成分析

在討論熱帶印度洋不同海溫模態(tài)對兩類厄爾尼諾事件與我國南方秋季降水關(guān)系的影響之前，先不考慮印度洋海溫的情況，來研究兩類厄爾尼諾事件對我國南方秋季降水的影響及機制。前面的分析已經(jīng)將兩類厄爾尼諾事件提取出來，在討論兩類厄爾尼諾事件對我國南方秋季降水的影響時，繼續(xù)采用合成分析的方法。

從東部型(圖4a)和中部型(圖4b)厄爾尼諾事件年合成的我國秋季降水距平圖上看，在我國的南方地區(qū)，降水距平呈相反的分布特征。東部型厄爾尼諾事件年我國南方地區(qū)降水較常年同期偏多，而中部型厄爾尼諾事件年我國長江以南地區(qū)降水偏少，這與Zhang等[9]的結(jié)論是一致的。

從水汽輸送及其通量散度圖上看，東部型厄爾尼諾發(fā)展年的秋季(圖4c)，菲律賓和我國南海為一反氣旋型距平環(huán)流，加強了來自熱帶西北太平洋的水汽向我國江南、華南的輸送。另外，印度半島也為一反氣旋性距平環(huán)流控制，來自印度洋的水汽可通過該異常環(huán)流的北側(cè)即青藏高原南側(cè)向我國西南地區(qū)輸送。圖中陰影區(qū)為水汽通量散度距平，可以看到，在東部型厄爾尼諾年秋季，我國長江以南大部分地區(qū)為異常的水汽通量輻合，這就造成了在東部型厄爾尼諾年秋季，我國西南、華南和江南等南方大部分地區(qū)降水異常偏多。中部型厄爾尼諾年秋季(圖4d)，在熱帶西北太平洋及南海上空為一氣旋性距平環(huán)流，在該異常環(huán)流的西北側(cè)為經(jīng)向水汽的由北向南輸送，使得太平洋的水汽不能到達我國的東南、華南地區(qū)，因此這些地區(qū)降水異常偏少。另外，印度洋也沒有明顯的水汽通道向我國西南地區(qū)輸送。從水汽通量散度距平看，我國長江以南為異常水汽通量輻散區(qū)，造成了該地區(qū)秋季降水的異常偏少。

圖4 東部型(a，c)和中部型(b，d)厄爾尼諾事件年我國秋季降水距平合成(等值線為通過置信度90%的顯著性檢驗)及地面到300 hPa整層積分大氣水汽通量(箭頭表示)及其散度距平合成Fig.4 Composite precipitation anomalies(line indicate significance at the 90% confidence level) and composite vertically integrated water vapor flux anomalies from the surface up to 300 hPa(indicated by arrows) as well as the divergence of the flux anomalies in autumn for EP El Nio (a，c) and CP El Nio (b，d)

圖5 1951—2015年秋季中國南方(20°～32°N，98°～122.5°E)區(qū)域平均降水標準化指數(shù)(東部型厄爾尼諾年份用紅色標記，中部型厄爾尼諾年份用橘色標記)Fig.5 Standardized indices of regional average precipitation of South China (20°-32°N，98°-122.5°E) in autumn during 1951-2015(EP El Nio marked with red and CP El Nio marked with orange )

雖然以上結(jié)果得到兩類厄爾尼諾事件對我國南方秋季降水的影響截然相反，但是，我們也注意到，東部型厄爾尼諾事件年南方秋季降水偏多的程度要顯著大于中部型厄爾尼諾事件年降水偏少的程度(圖5)。以上環(huán)流分析也指出，造成降水相反分布特征的原因是熱帶西北太平洋上異常的反氣旋型環(huán)流(東部型厄爾尼諾)和氣旋型環(huán)流(中部型厄爾尼諾)及由此帶來的水汽輸送異常的影響，可這樣的兩個環(huán)流對降水偏多和偏少的影響效果卻是非對稱的。那么，除了熱帶太平洋厄爾尼諾的影響外，是否存在其他海域的海溫異常形態(tài)及由此產(chǎn)生的異常環(huán)流對南方秋季降水也有影響？這種影響與太平洋兩類厄爾尼諾的影響的聯(lián)合作用造成了降水多寡異常的顯著不對稱性？以下我們從熱帶印度洋海溫的異常分布入手來探討這個問題。

4 熱帶印度洋不同海溫模態(tài)對兩類厄爾尼諾事件與我國南方秋季降水關(guān)系的影響

4.1熱帶印度洋不同海溫模態(tài)與兩類厄爾尼諾聯(lián)合發(fā)生類型研究

以上分析得出了兩種不同類型厄爾尼諾事件發(fā)展年秋季，我國南方地區(qū)的降水具有截然相反的異常分布特征，以及從水汽輸送通量及其散度異常的角度分析了兩類厄爾尼諾事件影響我國南方秋季降水的環(huán)流成因。這些分析僅是基于熱帶太平洋海溫異常的角度開展的。引言部分已經(jīng)提到了印度洋對東亞及我國氣候異常也有著十分重要的影響。并且前人的研究也得到了熱帶印度洋海溫的不同模態(tài)與ENSO之間的聯(lián)系十分密切。為了得到兩類厄爾尼諾期間熱帶印度洋海溫異常分布特征，以便得到熱帶印度洋海溫模態(tài)與兩類厄爾尼諾事件的聯(lián)合發(fā)生類型，我們將東部型和中部型厄爾尼諾事件年的熱帶印度洋-太平洋海溫距平進行合成(圖6)。

圖6 東部型(a)和中部型(b)厄爾尼諾年熱帶太平洋-印度洋海溫距平合成Fig.6 Composite tropical Pacific-Indian Ocean SST anomalies for EP El Nio (a) and CP El Nio (b)

從圖6可以看出，中部型厄爾尼諾年秋季，熱帶太平洋增溫的幅度明顯小于東部型厄爾尼諾年。兩類厄爾尼諾事件在熱帶印度洋上都會出現(xiàn)向西的正海溫梯度，即正偶極子海溫距平分布，但東部型厄爾尼年熱帶印度洋的東西海溫梯度大于中部型厄爾尼諾年，說明東部型厄爾尼諾年更容易激發(fā)強的熱帶印度洋偶極子。中部型厄爾尼諾年熱帶印度洋的增暖區(qū)范圍更大，而熱帶東印度洋-西太平洋冷海溫區(qū)范圍更小，強度更弱。如果對各個中部型厄爾尼諾年進行個例考察的話(圖略)，會發(fā)現(xiàn)2003、2004和2009年這3年整個熱帶印度洋出現(xiàn)了一致增暖的海溫異常分布特征。而東部型厄爾尼諾年熱帶印度洋不會出現(xiàn)一致增暖的情況。

圖7是按照Saji等[22]的方法，用熱帶印度洋西部(10°S～10°N， 50°～70°E)和東南部(10°S～0°，90°～110°E)區(qū)域平均的海表溫度距平之差定義的1951—2015年秋季的IOD指數(shù)，該指數(shù)經(jīng)過了標準化處理。從圖中可以看到，無論厄爾尼諾事件的形態(tài)如何，大部分厄爾尼諾事件年的秋季，熱帶印度洋IOD指數(shù)幾乎都為正值，這也與圖6的結(jié)論相吻合。如果用標準化的IOD指數(shù)大于σ和小于-σ來定義IOD正位相年和IOD負位相年，那么可以得到東部型厄爾尼諾和熱帶印度洋IOD正位相同時發(fā)生的年份為1972、1982和1997年。中部型厄爾尼諾和IOD正位相同時發(fā)生的年份為1977、1994和2006年。另外，前面還提到2003、2004和2009年為中部型厄爾尼諾與IOB增暖同時發(fā)生的年份，且從IOD指數(shù)圖上看，這幾年的IOD指數(shù)都異常小，說明熱帶印度洋的海溫距平東西梯度非常小，這樣的海溫一致增暖是非常典型的一致增暖型，不會帶進IOD的信號。以下我們將就這幾種熱帶太平洋-印度洋的異常海溫組合分布類型來討論熱帶印度洋不同海溫模態(tài)對兩類厄爾尼諾事件與我國南方秋季降水關(guān)系的影響及相應的環(huán)流成因。

圖7 1951—2015年標準化的秋季IOD指數(shù)Fig.7 Standardized IOD indices in autumn during 1951 to 2015東部型厄爾尼諾年份用紅色標記，中部型厄爾尼諾年份用橘紅色標記EP El Nio marked with red and CP El Nio marked with orange

圖8 東部型厄爾尼諾與熱帶印度洋IOD聯(lián)合發(fā)生年秋季我國降水距平合成(等值線為通過置信度90%的顯著性檢驗)(a)，地面到300 hPa整層大氣水汽通量(箭頭表示)及其散度距平合成(b)，22°～30°N平均的緯向垂直環(huán)流距平合成(陰影區(qū)為通過置信度90%的顯著性檢驗)(d)，東部型厄爾尼諾年有無IOD發(fā)生時水汽輸送通量差值(c)Fig.8 Composite precipitation anomalies over China(line indicate significance at the 90% confidence level)(a)， anomalous vertically integrated water vapor flux from the surface up to 300 hPa (indicated by arrows)， and the divergence of the flux(b)， 22°-30°N averaged zonally vertical circulation anomalies(shaded areas indicate significance at the 90% confidence level)(d) in autumn for years of EP El Nio and IOD concurring， as well as differences in vertically integrated water vapor flux between years of EP El Nio with IOD and EP El Nio without IOD(c)

圖9 中部型厄爾尼諾與熱帶印度洋IOD聯(lián)合發(fā)生年秋季我國降水距平合成(等值線為通過置信度90%的顯著性檢驗)(a)，地面到300 hPa整層大氣水汽通量(箭頭表示)及其散度距平合成(b)，22°～30°N平均的緯向垂直環(huán)流距平合成(陰影區(qū)為通過置信度90%的顯著性檢驗)(c)Fig.9 Composite precipitation anomalies over China(line indicate significance at the 90% confidence level)(a)， anomalous vertically integrated water vapor flux from the surface up to 300 hPa (indicated by arrows)， and the divergence of the flux(b)， 22°-30°N averaged zonally vertical circulation anomalies(shaded areas indicate significance at the 90% confidence level)(c) in autumn for years of CP El Nio and IOD concurring

4.2東部型厄爾尼諾與IOD同時發(fā)生時我國南方秋季降水的異常分布及環(huán)流成因

前面的討論得到東部型厄爾尼諾年秋季，我國長江以南的南方大部分地區(qū)降水偏多，并從異常的水汽輸送通量及其散度上給出了解釋。那么，當熱帶印度洋同時是IOD正位相海溫分布時，我國南方的降水異常又是怎樣的？圖8給出了東部型厄爾尼諾與熱帶印度洋IOD正位相同時發(fā)生時秋季同期我國降水距平、水汽輸送通量及其散度距平、22°～30°N平均的緯向垂直環(huán)流距平合成，為了說明印度洋IOD的作用，還給出了東部型厄爾尼諾年有無IOD發(fā)生時的水汽輸送差異。

從圖8a可以看到，東部型厄爾尼諾與IOD正位相同時發(fā)生時，相比只考慮東部型厄爾尼諾但不考慮熱帶印度洋海溫的情況，我國長江以南的秋季降水正距平有了顯著的增加。從相應的水汽輸送及其散度(圖8b)可以看到，當東部型厄爾尼諾和熱帶印度洋正IOD同時發(fā)生時，西北太平洋的反氣旋式距平環(huán)流依然存在，來自太平洋的水汽沿著反氣旋距平環(huán)流的西北側(cè)向我國南方地區(qū)輸送。同時，由于熱帶印度洋正IOD的存在，熱帶印度洋存在由東向西的低層距平風場，這支氣流一部分在印度半島轉(zhuǎn)向北后又向東轉(zhuǎn)向，一直沿著青藏高原南側(cè)向我國西南至東南地區(qū)輸送。另一支在東非索馬里附近轉(zhuǎn)向北后又向東，與在印度半島轉(zhuǎn)向的氣流匯合后，一直向我國南方地區(qū)輸送，這與劉宣飛和袁慧珍[37]單獨研究印度洋偶極子與我國秋季降水的關(guān)系和環(huán)流成因時得到的結(jié)論類似。在這樣的環(huán)流形式下，我國南方地區(qū)為強烈的異常水汽通量輻合區(qū)，降水偏多。我們也注意到，東部型厄爾尼諾與IOD正位相同時發(fā)生年往往赤道東太平洋海溫正異常較大(圖略)，厄爾尼諾事件本身較強，因此來自太平洋的水汽輸送較無IOD伴隨發(fā)生的東部型事件要強，同時來自印度洋的水汽輸送通道也十分明顯，使得來自太平洋和印度洋的較強水汽在我國南方匯合(圖8c)。垂直運動(圖8d)顯示，我國南方上空為異常強的上升運動，上升強度遠大于僅考慮太平洋為東部型厄爾尼諾的情況(圖略)。水汽條件和垂直運動造成了在這樣的熱帶太平洋-印度洋海溫異常配置下，我國長江以南的大部分南方地區(qū)秋季降水偏多，偏多的程度大于只考慮東部型厄爾尼諾的年份。這里也必須說明，印度洋IOD是造成降水異常偏多幅度增大的重要原因，但太平洋東部型厄爾尼諾事件本身偏強的貢獻也不可忽視。

4.3中部型厄爾尼諾與IOD同時發(fā)生時我國南方秋季降水的異常分布及環(huán)流成因

前一節(jié)的分析得出東部型厄爾尼諾與熱帶印度洋IOD正位相同時發(fā)生年的秋季，我國南方降水偏多的幅度顯著增加。那么，中部型厄爾尼諾與IOD同時發(fā)生年秋季，我國南方降水異常分布是怎樣的？這時IOD在中部型厄爾尼諾對南方秋季降水的影響中起到什么作用？我們將這樣的年份，即1977、1994和2006年的秋季降水距平、水汽通量及其散度距平、垂直速度距平進行合成分析(圖9)。

從圖9a可以看出，當中部型厄爾尼諾和印度洋IOD正位相同時發(fā)生時，我國南方秋季降水呈現(xiàn)西南地區(qū)偏多，東南地區(qū)偏少的分布特征。從相應的環(huán)流和水汽輸送(圖9b)看，在熱帶西北太平洋上為氣旋性距平環(huán)流，其西北側(cè)為水汽的由北向南輸送，我國東南地區(qū)正好在此氣流的控制下，導致太平洋的水汽無法向我國東南地區(qū)輸送。而在熱帶印度洋上，由于正IOD的存在，有水汽的自東向西輸送，在印度半島轉(zhuǎn)向北后又向東沿著青藏高原南側(cè)向我國西南地區(qū)輸送，并在此地與來自北方的氣流匯合，使得我國西南地區(qū)為異常水汽通量輻合區(qū)，而東南地區(qū)由于受由北向南的氣流控制為異常水汽通量輻散區(qū)。垂直速度場(圖9c)顯示，我國西南地區(qū)為異常上升運動，東南地區(qū)為異常下沉運動，這樣的環(huán)流和水汽輸送特征導致了我國南方降水呈現(xiàn)西南偏多，東南偏少的分布形式。

通過本節(jié)和4.2節(jié)的討論，就能夠解釋為什么東部型厄爾尼諾事件年南方秋季降水異常偏多的程度要顯著高于中部型厄爾尼諾事件年南方秋季降水異常偏少的程度。這是由于熱帶印度洋IOD正位相常伴隨厄爾尼諾事件發(fā)生，但是IOD正位相于東部型厄爾尼諾事件對南方秋季降水偏多的影響具有協(xié)同作用，而于中部型厄爾尼諾事件對南方秋季降水偏少的影響具有抵消作用。因此，在研究兩類厄爾尼諾事件對我國南方秋季降水的影響時，將熱帶太平洋和熱帶印度洋聯(lián)合起來討論更加合理。

另外，從圖5可以看到，雖然2003、2004和2009年也為中部型厄爾尼諾年，但這3年南方秋季降水異常偏少程度卻較其他中部型年份大，4.1節(jié)中指出，這3年為中部型厄爾尼諾與熱帶印度洋正IOB同時發(fā)生的年份，那么，在這樣的海溫異常分布下，大氣環(huán)流異常形式是怎樣的？是否能解釋我國南方秋季降水的異常偏少，以下對這個問題進行討論。

4.4中部型厄爾尼諾與IOB同時發(fā)生時我國南方秋季降水的異常分布及環(huán)流成因

對2003、2004和2009年秋季的降水距平、水汽輸送通量及其散度距平以及垂直速度距平進行合成，為了說明印度洋IOB的作用，還給出了中部型厄爾尼諾年有無IOB發(fā)生時的水汽輸送差值圖，如圖10。從圖中可以看出，當熱帶太平洋為中部型厄爾尼諾，熱帶印度洋為IOB年的秋季，我國長江以南的大部分地區(qū)降水異常偏少，這種偏少的幅度要大于僅考慮熱帶太平洋為中部型厄爾尼諾的情況。從水汽輸送距平合成看，西北太平洋的氣旋式距平環(huán)流依然存在，110°E以東的長江以南地區(qū)為由北向南的氣流控制，太平洋的水汽無法輸送到我國東南地區(qū)。另外，在印度洋上，赤道附近沒有IOD時那樣很強的由東向西的氣流，而是在北印度洋上存在一個強大的反氣旋式距平環(huán)流，該異常環(huán)流控制了印度半島、孟加拉灣、中南半島和南海西部，使得印度洋西南季風環(huán)流系統(tǒng)減弱，印度半島、孟加拉灣和中南半島均為水汽通量輻散區(qū)，這與楊明珠和丁一匯[18]得到的在印度洋全海盆逐漸升溫的背景下，印度季風降水逐漸減少的結(jié)論是一致的，也與黃榮輝等[33]在討論2009年西南干旱的大氣環(huán)流形式時，提到的印度洋全海盆一致升溫使得我國南海、孟加拉灣和中南半島上空低層為異常反氣旋環(huán)流控制的結(jié)論一致。在這樣的環(huán)流形式下，來自印度洋的水汽沿著反氣旋式距平環(huán)流的北側(cè)向東，然后又從東側(cè)南下，導致水汽無法向我國西南地區(qū)輸送，我國西南地區(qū)為北向氣流控制，加上東側(cè)的西北太平洋氣旋性環(huán)流的影響，我國整個南方地區(qū)為水汽通量輻散區(qū)。從中部型厄爾尼諾年有無IOB時的水汽輸送差異(圖10c)看，在熱帶西北太平洋有一氣旋性距平環(huán)流，說明此時中部型厄爾尼諾在熱帶西北太平洋上激發(fā)的氣旋性異常環(huán)流比沒有IOB時要強。從赤道Walker環(huán)流異常合成(圖11)看，赤道印度洋由于一致增暖，整體為異常上升運動，而赤道太平洋上升區(qū)位于日界線以西，比一般的中部型厄爾尼諾事件的上升區(qū)更加偏西，說明當IOB和中部型厄爾尼諾同時發(fā)生時，中部型厄爾尼諾的增暖區(qū)位置更加西移，由此導致熱帶西北太平洋氣旋性異常環(huán)流更加強烈，相應的熱帶西北太平洋上向我國南方地區(qū)輸送的水汽更加稀少，因此干旱也更嚴重，這種情況下熱帶太平洋增暖區(qū)偏西可能與IOB引起熱帶印-太Walker環(huán)流的調(diào)整有關(guān)。另外還可以看到，在熱帶北印度洋上有一異常反氣旋型差值環(huán)流，使得印度洋水汽無法向我國南方地區(qū)輸送。從垂直速度異常場(圖10d)上看，控制南方地區(qū)的為異常下沉氣流，且下沉強度顯著強于不考慮熱帶印度洋IOB的時候(圖略)。這樣的環(huán)流和水汽條件使得我國南方地區(qū)秋季降水偏少，且偏少的程度比僅考慮熱帶太平洋中部型厄爾尼諾時顯著。

5 結(jié)論和討論

本文利用美國CPC的SST擴展重建資料、國家氣候中心提供的我國160站月降水量資料、NCEP/NCAR提供的各氣壓層的水平風速、垂直速度和比濕資料，研究了印度洋不同海溫模態(tài)對兩類厄爾尼諾事件與我國南方秋季降水關(guān)系的影響，結(jié)果表明:

(1)大部分東部型和中部型厄爾尼諾事件年的秋季，熱帶印度洋都為正IOD型海溫分布。且東部型厄爾尼諾事件年秋季熱帶印度洋不會出現(xiàn)IOB型海溫分布，中部型事件年秋季熱帶印度洋除了存在IOD型海溫分布外，還存在IOB型海溫分布。

(2)當東部型厄爾尼諾與印度洋IOD正位相同時發(fā)生年秋季，我國南方地區(qū)降水偏多的程度顯著高于不考慮熱帶印度洋海溫分布的時候。此時東部型厄爾尼諾激發(fā)的西北太平洋的反氣旋式距平環(huán)流使得來自太平洋的水汽沿著反氣旋距平環(huán)流的西北側(cè)向我國東南部地區(qū)輸送。同時，由于熱帶印度洋正IOD的存在，熱帶印度洋存在由東向西的低層距平風場，這支氣流分別在印度半島和東非沿岸轉(zhuǎn)向北后向東輸送至我國西南至東南的整個長江以南地區(qū)，這些地區(qū)為水汽通量輻合區(qū)，且上升運動強烈，降水偏多。這種海溫分布情況下，東部型厄爾尼諾偏強是導致降水顯著增加的重要原因，但印度洋正IOD導致的水汽輸送的貢獻也非常重要。

(3)當中部型厄爾尼諾與印度洋正IOD同時發(fā)生年秋季，熱帶西北太平洋上為氣旋性距平環(huán)流，其西側(cè)為水汽的由北向南輸送，我國東南地區(qū)正好在此氣流的控制下，導致太平洋的水汽無法向我國東南地區(qū)輸送。而在熱帶印度洋上，有水汽的自東向西輸送，在印度半島轉(zhuǎn)向北后又向東沿著青藏高原南側(cè)向我國西南地區(qū)輸送，并在此地與來自北方的氣流匯合。從水汽輸送通量散度看，我國西南地區(qū)為異常輻合區(qū)，而東南地區(qū)為異常輻散區(qū)。緯向垂直環(huán)流構(gòu)成一個西南上升東南下沉的異常垂直環(huán)流圈，導致我國秋季降水西南偏多，東南偏少的分布形式。

(4)當中部型厄爾尼諾與印度洋IOB增暖同時發(fā)生年秋季，西北太平洋的氣旋式距平環(huán)流依然存在，我國東南地區(qū)為由北向南的氣流控制，太平洋的水汽無法輸送到該地。另外，在熱帶印度洋上有一反氣旋式距平環(huán)流，該異常環(huán)流控制了印度半島、孟加拉灣和中南半島西側(cè)，使得來自印度洋的水汽直接沿著反氣旋式距平環(huán)流的北側(cè)向東，然后又從東側(cè)南下，導致水汽無法向我國南方地區(qū)輸送，我國南方地區(qū)為水汽通量輻散區(qū)，垂直環(huán)流顯示該地區(qū)為強烈的下沉運動，因此我國整個長江以南的南方地區(qū)降水均偏少，而且偏少的幅度比僅考慮熱帶太平洋中部型厄爾尼諾而不考慮印度洋IOB時顯著。在這種海溫分布情況下，中部型厄爾尼諾的增暖區(qū)顯著西移從而使得熱帶西北太平洋反氣旋性異常環(huán)流加強是使得降水偏少顯著的重要原因，同時印度洋的強大反氣旋性異常環(huán)流也使得印度洋水汽無法向我國南方地區(qū)輸送。

圖10 a、b、d同圖8，但為中部型厄爾尼諾與熱帶印度洋IOB增暖聯(lián)合發(fā)生年，c為中部型厄爾尼諾年有無IOB發(fā)生時水汽輸送通量差值Fig.10 a,b,d are same as Fig.8, but for the years of CP El Nio and IOB concurring, c indicates differences in vertically integrated water vapor flux between years of CP El Nio with IOB and CP El Nio without IOB

圖11 中部型厄爾尼諾與熱帶印度洋一致增暖同時發(fā)生年赤道(5°S～5°N)垂直環(huán)流距平Fig.11 Equatorial(5°S-5°N)vertical circulation anomaly for years of CP El Nio and IOB concurring

由于本文選取的東部型和中部型厄爾尼諾年各有10年，再考慮到不同的印度洋海溫模態(tài)與之組合，年份就更少，因此本文存在合成個例偏少的情況，但物理機制還是比較明確。為了說明結(jié)論的普適性，還需要開展數(shù)值試驗來進一步論證，這部分工作正在進

行中。

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Impacts of different sea surface temperature anomaly modes in Indian Ocean on the relationship between two types of El Nio events and South China autumn rainfall

Tan Jing1，2，3， Wang Zhanggui3， Huang Ronghui1, Cai Yi3

(1.CenterforMonsoonSystemResearch，InstituteofAtmosphericPhysics，ChineseAcademyofSciences，Beijing100190，China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，China; 3.NationalMarineEnvironmentalForcastingCenter，Beijing100081，China)

Based on extended SST data (ERSST V3b) from NOAA Climate Prediction Center(CPC)， monthly China 160 stations’ precipitation data from National Climate Center(NCC) and monthly mean horizontal wind velocity， vertical velocity and humidity data at pressure level from the National Center for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research(NCEP/NCAR)， the impacts of two types of El Nio events over South China precipitation in autumn was discussed. And the focus was on the impacts of different sea surface temperature anomaly modes in Indian Ocean on the relationship between two types of El Nio Events and South China autumn rainfall. The results show that during the EP(CP) El Nio autumn， precipitation in south of the Changjiang River in China is more (less).When EP El Nio and India Ocean dipole (IOD) occur simultaneously， rainfall in autumn over South China is much more than that of not considering SST of India Ocean. When CP El Nio and IOD occur simultaneously， precipitation in Southwest China is more and that in Southeast China is less. When CP El Nio and India Ocean Basin Warming (IOB) occur at the same time， rainfall over South China in autumn is less， and the less degree is greater than that without considering SST anomaly of India Ocean. In addition， the circulation cause of the Indian Ocean SST’s impacrtcs was analyzed．

two types of El Nio events; Indian Ocean Dipole; Indian Ocean Basin Warming; South China; autumn rainfall

P732.6

A

0253-4193(2017)11-0061-14

譚晶， 王彰貴， 黃榮輝， 等. 印度洋不同海溫模態(tài)對兩類厄爾尼諾事件與我國南方秋季降水關(guān)系的影響[J]. 海洋學報， 2017， 39(11):61-74，

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.11.006

Tan Jing， Wang Zhanggui， Huang Ronghui， et al. Impacts of different sea surface temperature anomaly modes in Indian Ocean on the relationship between two types of El Nio events and South China autumn rainfall[J]. Haiyang Xuebao， 2017， 39(11):61-74， doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2017.11.006

2016-12-07；

2017-01-12。

國家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項(201505013)；國家自然科學基金(41376020)。

譚晶(1979—)，女，重慶市人，主要從事厄爾尼諾及中國氣候的預測與研究。E-mail: tj@nmefc.gov.cn