亞洲太平洋濤動與華南后汛期降水的聯(lián)系機(jī)制

陳璐艷，鄒 燕，劉 琪，王鳳文

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，合肥 230036； 2.福建省氣候中心，福州 350001)

華南位于中國最南部地區(qū)，是典型的季風(fēng)區(qū)，其年降雨量的分布呈雙峰型，峰值分別出現(xiàn)在4—6月(前汛期)和7—9月(后汛期)[1-2].前汛期的降水主要發(fā)生在副熱帶高壓北側(cè)的西風(fēng)帶中，常常是由于北方冷空氣入侵而形成的鋒面降水以及夏季風(fēng)降水，而后汛期則是表現(xiàn)為副高季節(jié)性北跳之后其南側(cè)熱帶天氣系統(tǒng)活動(其中包括熱帶輻合帶、熱帶云團(tuán)和熱帶氣旋(Tropical Cyclone, TC)等)造成的降水[1-4].7—9月正值華南夏季高溫期，又是夏收、夏種及各種作物的生長期，降水的多寡不僅給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，還給高溫天氣的調(diào)節(jié)、人民的生命財(cái)產(chǎn)以及社會經(jīng)濟(jì)各方面帶來重要影響.因此，對于華南后汛期降水的研究有著重要的意義.

不少學(xué)者開展了對華南夏季降水周期性的研究.鄭彬等[5]研究發(fā)現(xiàn)，華南夏季降水與南海夏季風(fēng)都具有準(zhǔn)兩年周期的變化特征，且20世紀(jì)70年代全球大氣環(huán)流的年代際變異使得華南夏季降水準(zhǔn)兩年變化在那之后成為其年際時間演變的主導(dǎo)成分.而李麗萍等[6]發(fā)現(xiàn)，華南夏季降水呈現(xiàn)增多的趨勢，其多年平均的夏季降水呈顯著的10～20d低頻振蕩.魏蕾等[7]認(rèn)為，華南夏季降水具有顯著的12～30d低頻振蕩特征，且其降水期間雨帶是自東南向西北傳播.

許多研究者探討了華南夏季降水的影響因子和環(huán)流背景.齊慶華[8]等從華南夏季降水與西北太平洋海氣異常的關(guān)聯(lián)進(jìn)行初探，發(fā)現(xiàn)南海海域及其鄰近的西北太平洋暖池區(qū)是西北太平洋同期的海氣異常與華南夏季極端降水異常呈顯著相關(guān)的關(guān)鍵區(qū)，其海表溫度和潛熱通量異常變化可能對華南夏季極端降水異常有重要的影響.李星星[9]等利用熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩(Madden-Julian Oscillation, MJO)對華南后汛期降水的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)MJO主要是通過大尺度環(huán)流以及水汽輸送的異常來影響華南后汛期降水.而李春暉等[10]分別探討了影響華南后汛期降水的季風(fēng)持續(xù)性暴雨和熱帶氣旋持續(xù)性暴雨的大尺度環(huán)流形勢，發(fā)現(xiàn)前者主要是由前期和同期的熱帶中東太平洋異常海溫偏暖引起，后者主要由黑潮區(qū)等海溫異常偏冷而導(dǎo)致高空急流位置偏北所引起.

華南地處明顯的東亞季風(fēng)區(qū)，既有的研究多關(guān)注華南前汛期降水，對于7—9月后汛期降水研究相對偏少.APO反映的是亞洲-太平洋東西向的海陸熱力差異，而海陸熱力差異是東亞季風(fēng)形成的根本原因.因此本文擬基于已有關(guān)于APO的研究，通過分析夏季APO強(qiáng)弱對東亞環(huán)流系統(tǒng)及大氣環(huán)流條件的關(guān)系，探討夏季APO及其表征的海陸熱力差異強(qiáng)度對華南地區(qū)夏季降水的聯(lián)系機(jī)制，以期為夏季多TC影響的華南降水預(yù)報提供一定的參考依據(jù).

1 資料和方法

1.1 資料

采用的資料包括： (1)NCEP/NCAR再分析月平均資料，時間為1961—2015年，所選要素包括水平風(fēng)場、濕度場、高度場、垂直速度場；要素場水平分辨率為2.5°×2.5°，垂直方向?yàn)?7層.(2)國家氣象中心的中國國家級地面氣象站日值數(shù)據(jù)集，時間為1961—2015年，站點(diǎn)2474個，剔除缺測超過3年的臺站.

1.2 方法

主要采用自然正交分解(Empirical Orthogonal Function, EOF)、合成分析和相關(guān)分析法.本文氣候平均值均采用1961—2015年共55年的平均值.

2 夏季亞洲-太平洋濤動與華南汛期強(qiáng)度

2.1 華南代表站的選取

參照文獻(xiàn)[16]，選擇福建、廣東、廣西和海南4個省份共257個國家級氣象觀測站作為華南區(qū)代表,其中福建66個站、廣東85個站、廣西88個站、海南18個站.

2.2 7—9月亞洲-太平洋濤動(APO)及其強(qiáng)度指數(shù)

圖1 7—9月北半球?qū)α鲗又猩蠈託鉁仄骄嗥綀鯡OF分解第1模態(tài)(×0.01，陰影為負(fù)值區(qū))Fig.1 EOF1 mode(×0.01)of climatology of the summer mean upper-troposphere temperature anomaly over the Northern Hemisphere(shaded areas indicate values less than zero)

根據(jù)Zhao等[11]做法，采用1961—2015年NCEP/NCAR再分析資料，對北半球7—9月對流層中上層(200～500hPa)垂直平均溫度擾動場進(jìn)行自然正交分解(EOF).考慮到在不同緯度上經(jīng)緯網(wǎng)格的面積可能分布不均勻，因此在EOF分解時引入了緯度權(quán)重.分析顯示，EOF分解第1模態(tài)表現(xiàn)為中緯度亞洲大陸與北太平洋存在著東西向的反位相關(guān)系(圖1).

如圖1所示，以(32.5°～52.5°N，90°～135°E)和(22.5°～42.5°N，180°E～135°W)分別代表亞洲大陸和北太平洋區(qū)域，以兩個區(qū)域?qū)α鲗又猩蠈拥拇怪逼骄臏囟葦_動(T′)差值定義為APO指數(shù)，計(jì)算公式為：

式中T′為擾動溫度在對流層中上層的垂直平均.

2.3 APO與7—9月華南汛期強(qiáng)度的關(guān)系

由于華南后汛期(7—9月)降水主要是熱帶輻合帶和TC降水，以下將主要探討7—9月APO強(qiáng)度與西北太平洋及華南近海海域海-氣環(huán)境聯(lián)系，以及與華南汛期強(qiáng)弱的聯(lián)系機(jī)制.

（5）更換冷凍機(jī)2#、3#壓縮機(jī)，確保冷凍機(jī)能根據(jù)冷凍水溫度自動調(diào)節(jié)壓縮機(jī)運(yùn)行負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)冷凍水溫度穩(wěn)定，確?？绽渌隹诳諝鉁囟炔▌訙p小。

圖2 7—9月APO強(qiáng)度及華南汛期強(qiáng)度(RI)Fig.2 Summer APO index and Rainfall Intensity in the South China

1961—2015年7—9月APO強(qiáng)度與華南汛期強(qiáng)度(Rainfall Intensity, RI)的年際變化對比(圖2)，顯示出兩者之間較好的反位相對應(yīng)性.兩者的相關(guān)分析也顯示兩者之間存在著顯著的負(fù)相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為-0.27，通過5%的顯著性水平檢驗(yàn).以上表明，華南后汛期APO偏強(qiáng)(弱)時，華南受熱帶低值系統(tǒng)影響小(大)，汛期偏弱(強(qiáng)).

將1961—2015年55年7—9月APO強(qiáng)度指數(shù)序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以方差≥1σ為強(qiáng)APO年，以方差≤-1σ為弱APO年.因此，可以得出強(qiáng)APO年有1961、1962、1963、1964、1967和2013共6年，弱APO年有1977、1983、1992、1993、1995、2000、2001、2003和2005共9年.

2.3.1 APO與對流層中層環(huán)流形勢

采用500hPa環(huán)流來分析對流層中層的環(huán)流形勢.比較APO強(qiáng)、弱年500hPa平均高度場(圖3(a))可見： APO強(qiáng)(弱)年，西太平洋副熱帶高壓偏北偏東(偏南偏西)，588dagpm線的范圍小(大).從APO強(qiáng)、弱年500hPa合成的高度差值場也可以看出，差異顯著區(qū)域主要出現(xiàn)在50°N以南的東亞大陸，東亞大陸與西太平洋分別以“-”、“+”的波列分布，這種形勢使得在APO強(qiáng)(弱)年東亞大槽偏北偏弱(偏南偏強(qiáng))(圖3(b)).由此可以得出，在APO強(qiáng)(弱)年，副高偏北偏東(偏南偏西)，熱帶氣旋易近海轉(zhuǎn)向或北上(沿副高南側(cè)西行)，華南不易(易)受影響而少(多)雨.

圖4是APO強(qiáng)弱年500hPa水平風(fēng)差值場，圖中副高南側(cè)為偏西風(fēng)異常，表明常年副高南側(cè)存在的東風(fēng)氣流在APO強(qiáng)(弱)年減弱(加強(qiáng))，不(有)利于熱帶氣旋西行影響華南，華南易少(多)雨.

圖3 APO強(qiáng)年(實(shí)線)、弱年(虛線)(a) 500hPa平均高度場和(b) 合成的500hPa高度差值場Fig.3 (a) Mean 500 hPa height field and (b) composite difference of 500 hPa height field for the strong (solid line) and weak(dashed line) APO year單位： dagpm；陰影區(qū)為超過5%的顯著性水平，下同.

圖4 合成的500hPa水平風(fēng)差值場Fig.4 Composite difference of 500 hPa zonal winds單位： m/s；黑色實(shí)線是常年7—9月584、588位勢什米線.

2.3.2 APO與東亞夏季風(fēng)

研究表明，強(qiáng)的(弱/適中)冷空氣入侵不利(有利)于熱帶氣旋的發(fā)生發(fā)展[17-18].常年7—9月，華南上空主要受偏南風(fēng)控制，氣流來自南半球越赤道氣流和副高西南側(cè)氣流(圖5(a)).從APO強(qiáng)、弱年合成的850hPa風(fēng)場差值場(圖5(b))可見，在APO強(qiáng)(弱)年，中國中低緯度沿海大部分為明顯的異常偏南(北)風(fēng)，顯示著東亞副熱帶夏季風(fēng)明顯偏強(qiáng)(弱).結(jié)合圖3東亞大槽的情況，可以得出： APO強(qiáng)(弱)年，東亞副熱帶夏季風(fēng)偏強(qiáng)(弱)，冷空氣偏北偏弱(偏南偏強(qiáng))，不(有)利于影響進(jìn)入華南及近海的熱帶氣旋發(fā)展.

2.3.3 APO與西太平洋暖池及華南近海的上升運(yùn)動條件

強(qiáng)烈的上升運(yùn)動是降水過程中的必要條件.APO強(qiáng)、弱年合成的850hPa垂直速度差值場(圖6(b))顯示，菲律賓以東的西太平洋暖池區(qū)及南海為正異常，表明： APO強(qiáng)(弱)年，西太平洋暖池及南海垂直上升運(yùn)動減弱(加強(qiáng))，不(有)利于熱帶低值系統(tǒng)的生成和發(fā)展，影響或登陸華南的熱帶氣旋易減少(增多)，華南易少(多)降水.

2.3.4 對流層緯向風(fēng)垂直切變

偏大的緯向風(fēng)垂直切變不利于熱帶氣旋的維持和發(fā)展[17].7—9月對流層高低層(200～850hPa)緯向風(fēng)垂直切變氣候平均場上南海—西北太平洋、華南及近海為東風(fēng)切變區(qū)(圖7(a)，見第488頁).APO強(qiáng)、弱年緯向風(fēng)垂直切變差值場上，熱帶西太平洋、南海、華南及近海為大范圍負(fù)值區(qū)，表明東風(fēng)切變的增大(圖7(b)，見第488頁).因此，APO強(qiáng)(弱)年，不僅熱帶西太平洋及南海東風(fēng)切變增大(減小)，不(有)利于熱帶氣旋的生成和發(fā)展，而且華南近海緯向風(fēng)垂直切變明顯增大(減小)，不(有)利于進(jìn)入這些海區(qū)熱帶氣旋的維持和加強(qiáng)，華南易少(多)雨.

2.3.5 APO與熱帶西太平洋水汽條件

這里考察近地面到對流層中層(500hPa)的水平風(fēng)水汽輸送情況.對比氣候均值場和APO強(qiáng)弱年合成差值場(圖8，見第488頁)，看到： 常年菲律賓以東熱帶洋面的氣旋式環(huán)流在10°N以南.而APO強(qiáng)弱年合成差值場上相對應(yīng)的氣旋式環(huán)流異常在15°～20°N，位置也偏東，利于熱帶氣旋偏北偏東生成，影響中國近海的區(qū)域也易偏北，華南易少(多)雨.

圖5 7—9月850hPa水平風(fēng)場(單位： m/s)Fig.5 Zonal wind field at 850 hPa in July—September(units: m/s)

圖6 7—9月850hPa垂直風(fēng)場(單位： 10-5 Pa/s)Fig.6 850 hPa vertical winds in July—September(units: 10-5 Pa/s)

圖7 7—9月對流層高低層(200～850hPa)緯向風(fēng)垂直切變場(單位： m/s)Fig.7 Vertical shear between 850hPa and 200hPa of zonal winds in July—September(units: m/s)

圖8 垂直積分的水汽輸送通量(單位： 10-1 kg·m-1·s-1)Fig.8 Vertically integrated water vapor flux vectors(units： 10-1 kg·m-1·s-1)

3 結(jié) 論

本文采用了相關(guān)分析及合成分析探討1961—2015年華南后汛期APO強(qiáng)度的年際變化與熱帶西太平洋及華南近海對應(yīng)的環(huán)流形勢、對流條件、水汽條件等的關(guān)系，得出其與華南降水的聯(lián)系機(jī)制.主要結(jié)論如下：

(1) 7—9月APO強(qiáng)度的年際變化與同期華南降水雨強(qiáng)存在顯著負(fù)相關(guān)，即APO偏強(qiáng)(弱)年華南少(多)雨.

(2) 在APO偏強(qiáng)(弱)年，副高偏北偏東(偏南偏西)，副高南側(cè)偏東氣流減弱(加強(qiáng))，不(有)利于熱帶氣旋西行影響華南，華南易少(多)雨.

(3) 在APO偏強(qiáng)(弱)年，東亞副熱帶夏季風(fēng)偏強(qiáng)(弱)，冷空氣偏北偏弱(偏南偏強(qiáng))，不(有)利于影響華南及近海的熱帶氣旋發(fā)展，華南易少(多)雨.

(4) 在APO偏強(qiáng)(弱)年，熱帶西太平洋暖池及南海對流層高低層緯向風(fēng)垂直切變增大(減小)，垂直上升運(yùn)動減弱(加強(qiáng))，不利(利)于熱帶氣旋的生成，而華南近海緯向風(fēng)垂直切變明顯增大(減小)，不(有)利于熱帶氣旋發(fā)展，且熱帶西太平洋水汽條件易于熱帶氣旋偏北偏東(偏南偏西)生成，華南易少(多)受熱帶氣旋影響和少(多)雨.