ENSO對中國夏季區(qū)域性降水指示意義的變化

馬宇琪

摘 ? 要：基于1951—2018年中國160標(biāo)準(zhǔn)站月降水量資料和同時(shí)段的Nino3.4區(qū)月平均海表溫度資料，采用滑動(dòng)相關(guān)分析和統(tǒng)計(jì)分析等方法，對中國夏季總降水量和前期Nino3.4區(qū)海溫關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性分析。分析結(jié)果顯示，二者的相關(guān)性有明顯的階段性，整體趨勢為先下降又上升，在20世紀(jì)70年代中期兩者的相關(guān)性最弱。在1954—1974年，前冬Nino3.4區(qū)SSTA預(yù)測夏季總降水量距平符號(hào)同號(hào)率在66.7%以上的站數(shù)有59站，呈區(qū)域性分布于西北、華北、淮河及江南地區(qū);1973—1993年，同樣同號(hào)率的站點(diǎn)數(shù)變?yōu)?6站，且較為分散，無區(qū)域性特點(diǎn);而在1998—2018年，站數(shù)又增加為41站，主要分布于黃淮流域、華北地區(qū)以及長江中下游。所以，在進(jìn)行夏季降水預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)時(shí)，當(dāng)引入ENSO作為一個(gè)預(yù)報(bào)因子時(shí)，也必須考慮年代際的影響。

關(guān)鍵詞：ENSO ?中國夏季降水 ?STP ?SSTA

中圖分類號(hào)：P45 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）08（b）-0117-04

中國地形復(fù)雜，影響氣候的因素眾多。中國夏季總降水量受東亞夏季風(fēng)（EASM）的調(diào)控作用，而EASM的一個(gè)重要特點(diǎn)就是具有顯著的多尺度變化，因而中國的夏季降水也表現(xiàn)出多尺度、區(qū)域差異大等復(fù)雜的特點(diǎn)，從而導(dǎo)致各種旱澇災(zāi)害頻發(fā)[1]。因此，對于我國夏季總降水量的研究一直是氣候預(yù)測的一個(gè)重要難點(diǎn)。李崇銀[2]認(rèn)為ENSO作為熱帶海氣作用最重要的年代變化因子，它的發(fā)生、發(fā)展及衰減會(huì)使東亞大氣環(huán)流出現(xiàn)異常，進(jìn)而影響我國夏季降水。早在20世紀(jì)30年代，涂長望[3]就開創(chuàng)了ENSO對EASM的影響研究，以后該問題便被中國氣象學(xué)者所重視和研究。金祖輝和陶詩言[4]研究發(fā)現(xiàn)ENSO的循環(huán)過程與中國夏季降水具有密切關(guān)系，薛峰和劉長征[5]研究了ENSO強(qiáng)度與中國夏季總降水量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)中等強(qiáng)度的ENSO年，中國夏季北方多雨，而強(qiáng)ENSO年長江多雨。同時(shí)ENSO與中國夏季降水之間具有不穩(wěn)定性[6]，袁媛[7]認(rèn)為不同分布位置的厄爾尼諾對我國夏季總降水量的影響強(qiáng)度不同。大量學(xué)者研究了ENSO強(qiáng)度、位置等對我國夏季降水的變化，但是少有ENSO年代際及其爆發(fā)前的3個(gè)季節(jié)對我國夏季降水的影響，所以本文從年代際和ENSO爆發(fā)前的3個(gè)季節(jié)入手，簡單分析其對我國夏季降水的影響，以便于在汛期氣候預(yù)報(bào)中作為參考因素。

1 ?資料與方法

1.1 資料來源

1.1.1 降水資料

中國氣象局（CMA）氣象信息中心整編的1951—2018年中國160個(gè)標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)站的月平均降水量觀測資料。

1.1.2 海溫資料

海溫資料為美國氣候預(yù)測中心網(wǎng)站提供的Nino3.4區(qū)月平均海表溫度資料，研究時(shí)段為1951—2018年，共68年。

1.2 處理方法

1.2.1 滑動(dòng)相關(guān)分析

1.2.2 站點(diǎn)資料處理

為分析中國夏季降水的地域性及其變化，需要把不規(guī)則站點(diǎn)降水資料轉(zhuǎn)換成規(guī)則網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)，以便畫出等值線進(jìn)行更直觀的分析。本文選用的是MATLAB中的griddata函數(shù)把站點(diǎn)數(shù)據(jù)插值成水平分辨率為0.2°×0.2°的規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

2 ?ENSO對中國夏季降水指示意義的變化

2.1 Nino3.4區(qū)海溫（SST）與夏季降水量（STP）相關(guān)性的變化

2.1.1 二者關(guān)系在3個(gè)獨(dú)立時(shí)段下的不同

選取1951—1971（時(shí)段1）、1975—1995（時(shí)段2）和1998—2018（時(shí)段3）3個(gè)時(shí)間長度均為21年的時(shí)間段，分析3個(gè)時(shí)段前秋至前春逐月Nino3.4區(qū)海表溫度與夏季160標(biāo)準(zhǔn)站降水的相關(guān)性，并應(yīng)用t檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)達(dá)到95%置信度（作為達(dá)到顯著相關(guān)的臨界）的站數(shù)。

由圖1可見，3個(gè)時(shí)段所對應(yīng)的曲線之間有很大差異，并且各曲線走勢也有所不同。Nino3.4區(qū)海溫與夏季降水達(dá)到顯著相關(guān)的站數(shù)在第一時(shí)段最多（共107站），在第二個(gè)時(shí)段最少（共64站），時(shí)段2的曲線在秋冬季與其他兩條曲線的差異最為明顯。

時(shí)段1曲線在冬季時(shí)對應(yīng)較多的相關(guān)性站數(shù)，即在1951—1971年時(shí)段內(nèi)前冬海溫對夏季降水的相關(guān)性比較強(qiáng)。由時(shí)段2曲線可以看出，曲線走勢為先波動(dòng)后穩(wěn)定再上升趨勢，即表明在1975—1995年時(shí)段內(nèi)，前春相對于前冬和前秋有較好的相關(guān)性。時(shí)段3曲線大致前秋前冬穩(wěn)定前春急速下降，即在1998—2018年時(shí)段內(nèi)，前秋相關(guān)性最好。

綜上所示，在20世紀(jì)50～60年代，Nino3.4區(qū)海溫與中國夏季總降水量有很好的對應(yīng)關(guān)系;在20世紀(jì)70～90年代中期，兩者的對應(yīng)關(guān)系有了很大程度的減弱;而在近20年，兩者的關(guān)系又有了增強(qiáng)的趨勢。并且，在3個(gè)獨(dú)立的時(shí)段內(nèi)，前秋至前春3個(gè)季節(jié)的海溫與降水的關(guān)系也發(fā)生了變化，對應(yīng)關(guān)系最強(qiáng)的季節(jié)分別為：前冬—前春—前秋。

2.1.2 ?SST和STP的滑動(dòng)相關(guān)分析

為更好地分析Nino3.4區(qū)前冬至前春海表溫度與中國夏季降水的關(guān)系變化，采用滑動(dòng)相關(guān)方法，將1951—2018年160標(biāo)準(zhǔn)站各個(gè)站點(diǎn)夏季總降水量與前秋、前冬和前春Nino3.4區(qū)海溫資料做滑動(dòng)窗口為21年的滑動(dòng)相關(guān)分析，并統(tǒng)計(jì)每次滑動(dòng)中相關(guān)系數(shù)達(dá)到顯著的站點(diǎn)數(shù)。

圖2給出了每21年滑動(dòng)的利用前秋、前冬和前春Nino3.4區(qū)海溫與夏季160站降水達(dá)到顯著相關(guān)的站點(diǎn)變化?？傻茫呵扒锖颓岸鶎?yīng)的曲線差異不大，都呈現(xiàn)出先下降又上升的趨勢。前春曲線與另兩條曲線在前期有較大的差異，在后期差異逐漸減小，總體表現(xiàn)出先上升后下降又稍上升的趨勢。

在每一個(gè)時(shí)段都觀察3條曲線中最大的顯著相關(guān)站數(shù)（即max（前秋，前冬，前春）），最大值曲線的最低點(diǎn)大致在“1980—2000”刻度處，表明此時(shí)段前后，3個(gè)季節(jié)海表溫度與夏季降水的對應(yīng)關(guān)系最弱。最大值曲線有兩個(gè)峰值點(diǎn)，分別位于“1958—1978”和“1968—1988”處，但其分別對應(yīng)前秋和前春曲線;表明在1958—1978區(qū)間段前后，前秋的海表溫度對夏季降水有較強(qiáng)的對應(yīng)關(guān)系;在1968—1988區(qū)間段前后，前春的海表溫度對夏季降水有較強(qiáng)的對應(yīng)關(guān)系。分析最大值曲線的組成變化，可以看出在近幾十年，前秋曲線高于其他兩條曲線，表明在該時(shí)段內(nèi)前秋海表溫度與夏季總降水量的對應(yīng)關(guān)系最強(qiáng)，與上一節(jié)得出的結(jié)論較為一致。

由前春曲線的走勢可見，在20世紀(jì)70年代左右的時(shí)段，前春海表溫度對夏季降水有較好的指示意義，其他時(shí)段均不如前秋和前冬。前秋和前冬曲線走勢大致相同，在1951—2018年整個(gè)時(shí)間段的前期和后期對夏季降水有比較好的指示意義。3條曲線在20世紀(jì)70—80年代均有很大程度的降低，其指示意義較弱，分析可能是20世紀(jì)70年代中期海溫、EASM及地球環(huán)流都發(fā)生了巨大變化從而影響到了SST與STP的關(guān)系。

綜上所述，Nino3.4區(qū)的SST對中國夏季降水的指示意義，由前期的很強(qiáng)變?yōu)橹衅诘暮苋?，而近幾十年又有增?qiáng)趨勢，且較為明顯。不同時(shí)段內(nèi)，3個(gè)季節(jié)的海表溫度對夏季降水的指示意義程度均有不同，即隨時(shí)間有明顯的階段性。在19世紀(jì)70年代中期前后，3個(gè)季節(jié)的指示意義幾乎沒有應(yīng)用價(jià)值。所以，在進(jìn)行夏季降水預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)時(shí)，當(dāng)引入ENSO作為一個(gè)預(yù)報(bào)因子時(shí)，也必須考慮年代際的影響。

2.2 Nino3.4區(qū)海溫對中國夏季降水距平的可預(yù)測性變化

討論不同季節(jié)Nino3.4區(qū)海溫對中國夏季總降水量距平可預(yù)測性的影響。規(guī)定在某一研究時(shí)段內(nèi)，若Nino3.4區(qū)海溫距平（SSTA）與某站夏季降水距平同號(hào)（指正負(fù)號(hào)）年份占研究年份的2/3以上（包括2/3）或1/3以下（包括1/3），則認(rèn)為ENSO對該站降水有預(yù)測意義[9]。

2.2.1 距平預(yù)測的滑動(dòng)分析

計(jì)算在1951—2018年內(nèi)滑動(dòng)窗口為21年的利用不同季節(jié)Nino3.4區(qū)海溫距平對160標(biāo)準(zhǔn)站中降水距平符號(hào)預(yù)測同號(hào)率達(dá)到66.7%的站點(diǎn)數(shù)。

圖3給出了每21年滑動(dòng)的利用前秋、前冬和前春Nino3.4區(qū)海溫距平預(yù)測夏季總降水量距平符號(hào)的準(zhǔn)確率在66.7%及以上的站數(shù)數(shù)走向圖。該圖與圖2差別不大，對于前春曲線，其對降水距平符號(hào)的預(yù)測能力也是在1951—2018年整個(gè)時(shí)段的中期達(dá)到最強(qiáng)。

近20多年，SSTA對夏季降水距平符號(hào)的預(yù)測能力，從站數(shù)上看雖有所增加，但是對應(yīng)站點(diǎn)的年代變化從圖中得不出結(jié)論。為了探討這一問題，下面以前冬季節(jié)下的Nino3.4區(qū)海溫在1954—1974、1973—1993、1998—2018三個(gè)特殊時(shí)段內(nèi)對夏季降水距平符號(hào)的同號(hào)率達(dá)到66.7%的站點(diǎn)分布圖，以探究ENSO對夏季總降水量預(yù)測指示意義的區(qū)域性變化。

2.2.2 距平預(yù)測的區(qū)域性變化

圖4為前冬Nino3.4區(qū)SSTA與夏季總降水量距平符同號(hào)率在66.7%以上的站點(diǎn)位置圖。對比看出，在1954—1974年和1998—2018年兩個(gè)時(shí)段內(nèi)，兩圖中站點(diǎn)較多且相對集中，呈區(qū)域性分布;1973—1993年時(shí)段，站點(diǎn)密度大幅度降低，而且比較分散，無法進(jìn)行區(qū)域性降水分析。

第一研究時(shí)段，圓點(diǎn)的個(gè)數(shù)遠(yuǎn)多于方點(diǎn)，即同號(hào)預(yù)測站數(shù)（43站）遠(yuǎn)多于異號(hào)站數(shù)（16站），由此看出，第一時(shí)段內(nèi)前冬Nino3.4區(qū)海溫距平符號(hào)對中國大部分地區(qū)的夏季總降水量距平符號(hào)預(yù)測為同號(hào)，且西北東部和華北地區(qū)的站點(diǎn)分布更為密集。說明，前冬海溫對這些地區(qū)的夏季總降水量有較強(qiáng)的預(yù)測指示意義。觀察圓點(diǎn)的分布，其主要集中在黃淮地區(qū)，且異號(hào)預(yù)測站集中，表明該地區(qū)這些測站的夏季降水與前冬海溫距平異號(hào)的概率超過了66.7%，兩者的對應(yīng)關(guān)系較強(qiáng)。

第二個(gè)研究時(shí)段，有預(yù)測意義的站點(diǎn)較少，且較為分散，不利于探究海溫預(yù)測夏季降水的區(qū)域性。而到第三研究時(shí)段時(shí)，有預(yù)測意義的站點(diǎn)顯著增加。觀察圖4（c）中站點(diǎn)的分布，并與圖4（a）對比發(fā)現(xiàn)，雖然站點(diǎn)數(shù)有所減少，但卻發(fā)生了顯著的區(qū)域性變化，甚至在有些地區(qū)由原先的異號(hào)預(yù)測變成了同號(hào)預(yù)測。預(yù)測依然以同號(hào)預(yù)測為主，主要集中在黃淮流域和華北地區(qū)，而黃淮流域在第一研究時(shí)段為異號(hào)預(yù)測，即隨著年代的變化海溫距平對該地區(qū)的夏季降水距平的預(yù)測發(fā)生了相反的變化。與前兩個(gè)研究時(shí)段相比，海溫?cái)?shù)據(jù)和降水兩者的相關(guān)性有所增加。

3 ?結(jié)論

本文對Nino3.4區(qū)海溫和中國夏季降水進(jìn)行了滑動(dòng)相關(guān)性分析，并根據(jù)不同季節(jié)研究其對夏季降水的指導(dǎo)意義，得出結(jié)論：（1）ENSO與中國夏季降水的關(guān)系具有顯著的年代際變化。兩者關(guān)系在20世紀(jì)70年代末發(fā)生了轉(zhuǎn)變，對中國的夏季降水的指示意義作用下降，在90年代又開始持續(xù)增強(qiáng)。（2）不同季節(jié)的Nino3.4區(qū)海溫對中國夏季降水的指示意義強(qiáng)弱也有所不同：20世紀(jì)50年代和60年代，前秋和前冬海溫對夏季降水的指示意義較強(qiáng);20世紀(jì)70年代和80年代，前春對夏季降水的指示意義高于前秋和前冬;20世紀(jì)90年代至今，前秋和前冬海溫對夏季降水的指示意義增強(qiáng)。（3）1951—2018年間的前期和后期，降水距平符號(hào)預(yù)測同號(hào)率在66.7%及以上的站點(diǎn)位置分布密集，對于夏季降水有區(qū)域性指導(dǎo)意義。所以，在進(jìn)行夏季降水預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)時(shí)，當(dāng)引入ENSO作為一個(gè)預(yù)報(bào)因子時(shí)，也必須考慮年代際的影響。

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