ENSO對中國南方降水低頻變率的可能影響

摘要利用1979—2012年Hadley中心海表溫度、中國2 474個臺站逐日降水和NCEP/NCAR全球再分析資料，分析了不同類型ENSO事件秋冬季和次年春季中國南方地區(qū)10～30 d降水低頻變率的變化特征。結果表明，中國南方地區(qū)10～30 d降水低頻變率對不同類型ENSO事件的響應存在顯著的季節(jié)差異。EP型El Nio的冬季和次年春季，低頻降水變率顯著增強；CP型El Nio秋冬季低頻降水強度呈現相反的異常，秋季低頻降水偏弱，而冬季則偏強；La Nia事件期間中國南方低頻降水變率的變化較小且不穩(wěn)定。進一步分析發(fā)現，ENSO對南方地區(qū)10～30 d低頻降水變率的影響與西北太平洋地區(qū)季節(jié)平均大氣環(huán)流背景場對ENSO的響應密切相關。相比正常年份，EP型El Nio冬春季菲律賓反氣旋性異常環(huán)流的強度較強且范圍較大，其西側的異常西南風向中國南方地區(qū)輸送了大量水汽，從而有利于低頻降水的增強；CP型El Nio年秋季西北太平洋表現為氣旋性環(huán)流異常，抑制了熱帶水汽向東亞大陸的輸送，而冬季卻產生了與EP型El Nio年類似的異常反氣旋環(huán)流，只是強度有所減弱，因此中國南方地區(qū)低頻降水強度在秋冬季呈相反異常。La Nia年菲律賓附近雖然存在氣旋性環(huán)流異常，但強度較弱，因而我國南方地區(qū)低頻降水變率的響應也較弱。

關鍵詞中國南方地區(qū)；10～30 d低頻降水變率；ENSO

低頻振蕩事關延伸期降水預測，不僅是當前大氣科學的研究熱點，還是天氣氣候預測亟待解決的技術難點和服務重點（Hsu et al.，2015；Zhu et al.，2015；金小霞等，2016；劉櫻等，2016；章毅之等，2017）。中國大部地區(qū)的降水都具有顯著的低頻變化特征（Lau et al.，1988），低頻降水的主振蕩周期在不同地區(qū)不同季節(jié)不盡相同，其中包括10～20 d的準雙周振蕩（QusiBiWeekly Oscillation，QBWO）和30～60 d的季節(jié)內振蕩（IntraSeasonal Oscillation，ISO）（琚建華和趙爾旭，2005；黃菲等，2008；曹鑫等，2013；李麗平和白婷，2014；譚桂容等，2016）。而在降水更為豐沛的中國南方地區(qū)，多種時間尺度的低頻變化不僅在多個季節(jié)都很明顯，還能夠同時對降水產生影響（梁萍和丁一匯，2012）。因此，開展中國南方地區(qū)低頻降水的特征及其機理相關的研究具有非常重要的科學意義和社會價值。

中國南方地區(qū)地處熱帶和副熱帶，其降水的低頻變化往往與熱帶海氣系統(tǒng)的異常密切相關。例如，10～20 d的降水變率往往與熱帶大氣準雙周振蕩有關（李崇銀和周亞萍，1995；Jia et al.，2011；谷德軍等，2013；楊雙艷等，2015）。許多研究已經指出，熱帶大氣季節(jié)內振蕩（MaddenJulian Oscillation，MJO；Madden and Julian，1971，1972）是中國南方地區(qū)低頻降水及其相關大氣環(huán)流的重要強迫源，對中國各個季節(jié)的降水都會產生重要影響（Jeong et al.，2008；Zhang et al.，2009；白旭旭等，2011；Jia et al.，2011；Lee et al.，2013）。事實上，除了熱帶大氣準雙周振蕩和MJO的直接影響之外，一個地區(qū)大氣環(huán)流的低頻變化還可能受到更長時間尺度信號的調制（He et al.，2007），尤其是厄爾尼諾和南方濤動（El NioSouthern Oscillation，ENSO）現象。ENSO是全球年際變率中最強的氣候信號，盡管主要發(fā)生在熱帶太平洋，但ENSO能引起全球范圍的氣候異常。目前，大部分針對ENSO影響中國南方降水的研究集中在年際尺度上（Zhang et al.，1996；Wang et al.，2000；Yang et al.，2007；Xie et al.，2010；Zhang et al.，2016），ENSO對中國降水低頻變化的影響一直研究較少。然而，ENSO對大氣低頻信號有著顯著的調制作用。已有研究表明，MJO存在明顯的與ENSO相聯(lián)系的年際變化特征，El Nio期間MJO的強度往往偏弱（李崇銀和周亞萍，1994）；El Nio事件發(fā)生時，大氣低頻振蕩加快，周期呈現出縮短的趨勢，而La Nia事件發(fā)生時大氣低頻振蕩的周期有延長的趨勢（邱明宇等，2006）。Zhang et al.（2015a）的研究表明，在El Nio年冬季，由于年際變率主導控制，低頻振蕩偏弱，而La Nia年冬季季節(jié)內振蕩占主導地位。可見，ENSO位相對大氣低頻振蕩有著明顯的影響，有必要探索ENSO對中國降水低頻變率的影響。

值得注意的是，近年來熱帶太平洋觀測到了一類新型El Nio事件，不同于傳統(tǒng)型El Nio事件，這類El Nio對應的海表溫度（Sea Surface Temperature，SST）異常的暖中心不再位于赤道東太平洋，而是向西移到了赤道中太平洋區(qū)域，通常被稱為“日界線El Nio”（Larkin and Harrison，2005）、“El Nio Modoki”（Ashok et al.，2007）、“中部型El Nio”（Central Pacific El Nio，CP型El Nio；Kao and Yu，2009）、“暖池El Nio”（Kug et al.，2009；Ren and Jin，2011）。盡管不同研究所用的名字和定義略有差異，但是他們所指現象的本質是一致的。為了描述方便，將傳統(tǒng)型El Nio稱為東部型El Nio（Eastern Pacific El Nio，EP型El Nio），而新一類El Nio稱為中部型El Nio（CP型El Nio）。不少研究指出兩類El Nio對東亞乃至全球氣候異常有著明顯不同的影響（Feng and Li，2011；Feng et al.，2011；Zhang et al.，2011，2012，2013，2014，2015b）。最近的研究表明，兩類El Nio對MJO的調控也存在明顯的差別，相比于CP型El Nio，EP型El Nio對冬季MJO的抑制作用更強（Chen et al.，2015；Pang et al.，2016）。兩類El Nio對中國南方地區(qū)降水的低頻變化是否也呈現出明顯不同的特征，這一問題還有待系統(tǒng)的研究。

綜上所述，本文主要探討在不同ENSO位相（即El Nio和La Nia）以及兩類El Nio背景下，我國南方降水低頻變率是否存在差異，在各個季節(jié)上的是否表現出不同的特征，以及可能原因。

1資料與方法

使用資料包括：1）中國氣象科學數據共享服務網站（http：//cdc.nmic.cn/）提供的中國2 474站（包括國家氣候觀象臺、國家氣象觀測一級站、二級站）的逐日降水資料。2）美國國家環(huán)境預測中心/國家大氣研究中心（NCEP/NCAR）提供的全球逐日再分析資料（Kalnay et al.，1996），網格距25°×25°，包括：海平面氣壓場、比濕（垂直方向共12層）、風場（垂直方向共17層）。研究時段為1979—2012年。

主要采用合成分析、Butterworth濾波等常用的氣候診斷方法。為了計算異常，氣候平均場取為研究時段中逐日變量的多年平均值。為了描述方便，文中的1979年冬季（DJF）指1979/1980年冬季。根據NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）CPC（Climate prediction Center）對ENSO事件的定義挑選ENSO事件，El Nio事件的分類主要參考Zhang et al.（2011，2014），即如果冬季SST異常暖中心在150°W以東則為EP型El Nio事件，在150°W以西則為CP型El Nio事件。最終共選取2次EP型El Nio事件（1982、1997年），7次CP型El Nio事件（1986、1991、1994、2002、2004、2006、2009年）和8次La Nia事件（1984、1988、1995、1998、2000、2005、2010、2011年）。由于ENSO次年夏季中國南方地區(qū)的降水特征較為復雜，暫時只選取ENSO當年的秋季（9—11月）、冬季（12月—次年2月）和次年春季（次年3—5月）3個季節(jié)進行分析。此外，文中以t檢驗方法對統(tǒng)計結果進行顯著性檢驗。

2中國低頻降水特征

在探討ENSO對我國低頻降水的影響之前，首先給出了1979—2012年秋、冬、春3個季節(jié)中國降水低頻方差的空間分布（圖1）。此處，用方差來表示低頻變率的強度。由圖1可見，無論是10～30 d波段還是30～60 d波段，降水低頻變率強度都呈現出由東南向西北減少的趨勢，最大的區(qū)域位于我國南方地區(qū)，其他地區(qū)較小。從兩個波段低頻方差的大小來看，各季節(jié)10～30 d方差明顯大于30～60 d方差，前者的強度是后者的3倍之多。此外，兩個低頻波段的降水變率都是春季最大，秋季次之，冬季最小。

圖2進一步給出了這兩個波段低頻降水方差占總降水方差的貢獻率。在秋季，在整個中國區(qū)域10～30 d低頻占總方差超過了10%，尤其在中國東部大部分地區(qū)超過了15%；冬季10～30 d低頻比率在中國東南部超過了20%；春季其方差比率略微下降，不過在中國東部仍超過14%。相比而言，我國30～60 d低頻降水的方差占比明顯低于10～30 d波段，基本都在8%以下。由于30～60 d低頻降水變率小，而10～30 d低頻降水無論從方差總量還是方差貢獻率來說都較大。鑒于10～30 d與30～60 d波段降水的方差貢獻的對比結果基本與前人相關工作（黃菲等，2008）一致，因此主要討論10～30 d變率的情況，研究的區(qū)域具體經緯度范圍為110～120°E、22～30°N，該地區(qū)秋、冬、春3個季節(jié)10～30 d低頻降水方差和方差貢獻都較大。盡管10～30 d低頻降水變率在西部地區(qū)也存在一些大值中心（圖2a—2c），但由于其降水總方差很小，所以暫不考慮。

3ENSO對中國南方10～30 d低頻降水變率的影響

為了定量描述ENSO對中國南方降水低頻變率的可能影響，首先給出了冬季Nio34指數回歸的同期秋、冬、春季中國10～30 d降水低頻方差的空間分布（圖3）。從圖3中幾乎找不到ENSO與中國低頻降水變率線性相關信號，能夠通過顯著性檢驗的區(qū)域寥寥無幾?？紤]到ENSO的氣候影響具有明顯的非線性特征（Karori et al.，2013；李智玉等，2015），進一步將ENSO事件分為EP型El Nio、CP型El Nio和La Nia三類進行分類討論，把3類ENSO事件的所有年份連在一起計算他們的方差并與氣候態(tài)方差進行比較；先計算各個ENSO事件的方差再做合成分析得到的結果與前一種方法得到的結果幾乎一致。

圖4給出了各類ENSO事件秋、冬、春季10～30 d低頻方差與氣候態(tài)方差的空間差值分布，可以看出南方地區(qū)低頻降水的強度在不同ENSO事件的不同階段都存在明顯差異。在EP型El Nio事件發(fā)展年秋季，10～30 d低頻降水的強度在江南地區(qū)存在明顯的正異常，而東南和華南沿海地區(qū)則出現負異常；冬春兩季，南方地區(qū)10～30 d低頻降水的強度異常類似，都表現為明顯的正異常（圖4a、4d、4g）。CP型El Nio期間秋、冬、春季南方地區(qū)10～30 d低頻降水的強度表現各異，秋季大多為負距平；冬季主要為正距平；春季南方地區(qū)異常信號不穩(wěn)定，既有正距平也有負距平。比較而言，EP型El Nio事件在成熟期過后，南方地區(qū)低頻降水展現出了強的正距平，而且異常分布范圍更廣，而CP型El Nio對南方地區(qū)降水的影響較不穩(wěn)定，說明EP型El Nio對中國南方地區(qū)10～30 d低頻降水強度的加強作用更強。此外，La Nia事件期間的各季節(jié)10～30 d低頻降水方差異常都比較小，并沒有明顯的、大面積的加強或減弱的特征出現（圖4c、4f、4i），這表明La Nia對中國南方地區(qū)低頻降水方差的影響也不太顯著。

圖5給出了Nio34指數與ENSO年3個季節(jié)10～30 d低頻降水方差的散點分布，其中10～30 d低頻降水的方差都經過了標準化處理，可以看出，CP型El Nio發(fā)展年秋季10～30 d低頻降水總體強度偏弱，除2002年低頻強度偏強之外，其余CP型El Nio年均偏弱；EP型El Nio年秋季10～30 d低頻降水強度也在零值附近。CP型El Nio冬季10～30 d低頻降水的總體強度有所增加，且7次CP型El Nio事件中有5次事件低頻降水強度偏強；而兩次EP型El Nio事件低頻降水強度都明顯偏強。到了El Nio年次年春季，CP型El Nio年低頻降水的強度總體略低于總的平均值，除1986年和1991年這兩次事件強度較常年有比較明顯的偏強之外，其他事件較常年都較低或基本持平；

而兩次EP型El Nio事件則依然高于正常年份。El Nio年秋、冬、春3個季節(jié)Nio34指數與標準化10～30 d低頻方差之間的相關系數分別為017、062、084，其中冬季和春季的相關系數分別通過了90%和95%的置信度檢驗。由此可以發(fā)現，在El Nio成熟期及成熟期之后，海溫異常越強，中國南方地區(qū)10～30 d低頻降水的強度也更強，具有比較明顯的線性特征。此外，La Nia事件對應的中國南方地區(qū)低頻降水基本沒有明顯變化，總體來說接近于常年平均值，這也與圖4的結果相一致，說明La Nia對我國南方地區(qū)降水低頻方差的影響不明顯?？偠灾?，CP型El Nio對低頻降水的影響表現出了很強的季節(jié)依賴性，秋季和冬季幾乎成反向變化；盡管EP型El Nio在秋季對低頻降水的影響不顯著，但在隨后的冬季和春季都有利于低頻降水的增強。

4ENSO影響中國南方地區(qū)低頻降水的可能原因

由以上分析可知，不同ENSO事件的不同發(fā)展階段，我國南方地區(qū)10～30 d低頻降水強度表現出明顯不同的特征，尤其是El Nio事件期間，低頻降水方差與El Nio事件的強度存在較明顯的正相關，即El Nio越強，我國南方地區(qū)10～30 d低頻降水的方差越大；而La Nia對我國南方地區(qū)10～30 d降水低頻方差的影響并不明顯。造成這一現象的物理原因并不清楚，前人的研究中表明，水汽輸送的異常與中國南方地區(qū)低頻降水的異常有很大的關系（任宏利等，2005；左金清等，2009；張玉潔等，2014；沈雨旸等，2016），以下將從平均場的角度探討他們的可能原因。

圖6給出了ENSO年各季節(jié)水汽輸送與水汽通量散度的分布情況，可以看到，EP型El Nio期間西北太平洋存在明顯的反氣旋型水汽通量，反氣旋西側的西南氣流有利于從熱帶洋面上向東亞輸送暖濕水汽。強的水汽輻散出現在印—太暖池區(qū)域，而在我國南方地區(qū)有著較強的輻合，且這一特征在EP型El Nio的秋、冬、春季都很明顯，這也與前人的研究結果一致。值得一提的是，在EP型El Nio秋季，南方水汽的輻合區(qū)并不在中國東南沿海地區(qū)，而是在偏西的區(qū)域，這與圖4a低頻降水強度異常有一定的對應關系。CP型El Nio季節(jié)平均的大氣環(huán)流場與EP型El Nio有著較大的差異，在其發(fā)展年秋季，西北太平洋存在著一氣旋性異常環(huán)流（圖6b）。受氣旋性異常環(huán)流的影響，中國南方地區(qū)秋季都是以偏北風為主，抑制由熱帶向東亞大陸的水汽輸送，中國南方也以水汽輻散為主。有關兩類El Nio對東亞秋季氣候的反向影響結果與前人工作一致（Zhang et al.，2011，2014）。進入CP型El Nio年冬季，之前的西北太平洋氣旋并沒有持續(xù)，取而代之為反氣旋性異常（圖6e），這可能跟CP型El Nio對應的赤道太平洋暖海溫東移以及東亞氣候態(tài)的季節(jié)轉變有關。盡管此反氣旋異常相比EP型El Nio強度偏弱，其仍能引起中國南方的水汽輻合。CP型El Nio次年的春節(jié)，西北太平洋反氣旋強度大大減弱，對中國南方降水的影響較小（圖6h）。

與EP型El Nio類似，CP型El Nio的季節(jié)平均的水汽輸送情況與降水低頻活動特征相一致，例如，對應秋季平均水汽輸送的偏少，中國南方降水低頻活動偏弱，除了2002年，其他6次事件都為減弱（圖5a）；對應春季平均水汽輸送增強，南方降水低頻活動也偏強（圖5b）。La Nia年大氣響應與EP型El Nio大致相反，一般而言在西北太平洋以氣旋性異常為主，但其空間形態(tài)和強度與EP型El Nio相比較弱（圖6c、6f、6i），對我國南方降水的影響也存在較大的不確定性，這與前人的結論一致（Zhang et al.，2015b；Geng et al.，2016）。類似地，La Nia年各個季節(jié)的低頻降水強度表現出了較大的不確定性，幾乎一半的事件偏強，一半的事件偏弱（圖5）。

一般而言，ENSO事件主要是通過西北太平洋大氣異常影響東亞氣候，這與圖6的結果一致。為了進一步確認西北太平洋大氣異常在連接ENSO與我國南方地區(qū)10～30 d的低頻降水變率的聯(lián)系，圖7給出了ENSO年秋、冬、春季菲律賓反氣旋指數與10～30 d低頻降水方差的散點圖。此處，根據Wang et al.（2000）的定義，計算菲律賓海域（120～150°E，10～20°N）海平面氣壓距平場的區(qū)域平均值，來衡量菲律賓附近大氣環(huán)流的異常情況。與圖5類似，除了秋季，El Nio事件期間菲律賓大氣環(huán)流異常指數和南方地區(qū)10～30 d降水方差存在比較明顯的線性關系，冬季和春季的相關系數分別可以達到058和083，分別能夠通過90%和95%的置信度檢驗，即菲律賓反氣旋越強，其西側的西南風距平越強，向中國南方地區(qū)輸送的水汽也越多，該地區(qū)10～30 d降水低頻方差也越大。由于秋季兩類El Nio引起的西北太平洋大氣環(huán)流異常存在較大的差異，產生了強的不對稱性，因此線性關系很弱。

相比于圖5，冬春季的相關系數偏弱，這說明相比大氣環(huán)流，SST能更好地表達ENSO信號，這是由于其有較強的持續(xù)性和穩(wěn)定性，而大氣信號存在著內部變率且易受其他信號的干擾而表現出一定的不穩(wěn)定性。總而言之，ENSO對我國南方降水低頻信號的影響與季節(jié)平均背景場有很好的對應關系，也就說，當南方季節(jié)平均的水汽增多時，10～30 d的降水信號也增強，反之也成立?？梢姡骄h(huán)流對局地低頻活動有著較明顯的調制作用，對于我國降水的季節(jié)預測具有一定的參考意義。

5結論與討論

1）不同類型的ENSO事件對中國南方地區(qū)10～30 d低頻降水方差的影響差異明顯。EP型El Nio事件的影響明顯強于CP型El Nio事件和La Nia事件。EP型El Nio年，中國南方地區(qū)10～30 d波段低頻降水的方差增強，尤其是冬春季節(jié)；CP型El Nio卻展現出了較復雜的關系，在其發(fā)展年秋季低頻活動減弱，而在其成熟期的冬季低頻活動增強，春季影響較小；La Nia年，低頻降水方差變化幅度較小，且信號很不穩(wěn)定。

2）在發(fā)展年秋季，ENSO強度與10～30 d低頻降水強度呈現非線性關系；而在ENSO年的冬季及次年春季，ENSO強度與10～30 d低頻降水強度呈現出顯著的線性關系，即ENSO強度越強，中國南方地區(qū)10～30 d波段低頻降水的強度也越強，不過這種線性關系主要是El Nio的貢獻，La Nia的影響不穩(wěn)定。

3）ENSO事件對中國南方地區(qū)10～30 d波段低頻降水方差的影響與其對西北太平洋大氣環(huán)流季節(jié)平均的背景場相一致，也就是說，如果ENSO引起向中國南方背景水汽輸送增多，其低頻降水也越活躍，反之，如果ENSO引起向中國南方水汽減少，其低頻降水也會受到抑制。

本文初步討論了ENSO對中國南方地區(qū)10～30 d低頻降水強度的影響，并嘗試將之與季節(jié)平均背景場聯(lián)系在一起，可以對低頻的預測思路提供一些參考。然而，由于中國區(qū)域低頻降水的變化異常復雜，可能與熱帶和中高緯的大氣低頻信號都有關，本文僅從ENSO單一因子來分析其異常，存在著一定的不確定性，由于選取的兩次EP型El Nio都是強事件，其強度遠遠大于CP型El Nio和La Nia事件，其他強度的EP型El Nio事件的影響可能與這兩次強事件不同，因此文中的結論也可能受到選取個例的影響；此外，有關背景態(tài)與低頻之間如何聯(lián)系在一起，本文沒有討論這一復雜的機理問題，這有待將來進一步深入的研究。

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Possible impacts of ENSO on the intraseasonal variability of precipitation over southern China

ZHANG Wenjun，LEI Xuben，GENG Xin，QI Li

Key Laboratory of Meteorological Disaster，Ministry of Education/Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China

In this study，the features of intraseasonal（10—30 d） precipitation variability over southern China during the autumn，winter and following spring season of different types of ENSO events are analyzed based on the Hadley Centre sea surface temperature（SST），National Centers for Environmental Prediction（NCEP） and National Center for Atmospheric Research（NCAR） atmospheric circulation data，and China daily rainfall station data.The results show that the impacts of different ENSO types on the intraseasonal（10—30 d） precipitation variability over southern China vary with the different seasons.During the winter and following spring of EP El Nio events，the 10—30 d precipitation variability over southern China is significantly enhanced.Intraseasonal precipitation variance is weakened during the CP El Nio autumn，yet strengthened during the CP El Nio winter，thus showing inverse features.The impacts of La Nia events on the 10—30 d precipitation variabilities are relatively minor and unstable.Further analyses show that the impact on the 10—30 d precipitation variability is closely related to the responses of seasonal atmospheric circulation anomalies over the western North Pacific associated with ENSO events.Compared with normal years，a strong anticyclonic circulation anomaly occurs over the Philippines during the EP El Nio years.The anomalous southerly winds on the western side of the anticyclone transport much greater amounts of water vapor northward to southern China，which favors the strengthened 10—30 d rainfall variability.However，an anomalous cyclonic circulation occurs in the western North Pacific during the CP El Nio autumn，which suppresses the tropical water vapor transporting northward to the East Asian continent.During CP El Nio winters，an anomalous anticyclone appears over the western North Pacific，and though its intensity is weak，it accounts for the inverse low frequency rainfall responses in autumn and winter.When La Nia occurs，the anomalous cyclonic circulation over the Philippines is weak，which results in the relatively weaker responses of the 10—30 d precipitation variability over southern China.

southern China；10—30 d intraseasonal precipitation variability；ENSO

doi：1013878/j.cnki.dqkxxb.20170101001

（責任編輯：張福穎）