張 雯,馬 陽,李 欣,鄭廣芬,王素艷,黃 瑩
(寧夏氣候中心,寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,寧夏 銀川 750002)
夏季降水趨勢(shì)預(yù)測(cè)是短期氣候預(yù)測(cè)最重要的業(yè)務(wù)內(nèi)容之一[1],影響我國夏季降水的因素十分復(fù)雜,受到諸如海洋、海冰、積雪、土壤等外強(qiáng)迫因素共同作用的同時(shí),氣候背景噪音很強(qiáng),致使降水的預(yù)測(cè)難度很大[2-4],特別是近年來頻繁發(fā)生的極端天氣氣候事件也給短期氣候預(yù)測(cè)帶來很大的不確定性和嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[5-6]。寧夏位于西北干旱半干旱區(qū)和東部夏季風(fēng)區(qū)交界地帶,地處西北內(nèi)陸、區(qū)域面積小,在夏季降水趨勢(shì)預(yù)測(cè)中,考慮前期外強(qiáng)迫和大氣強(qiáng)信號(hào)制作的預(yù)測(cè)結(jié)果,往往因1~2次短期強(qiáng)降水過程而改變,特別是在氣候變暖背景下寧夏暴雨明顯增多[7-9],使得實(shí)際預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)難度加大。
海溫是影響短期氣候變化的關(guān)鍵因子[10],具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、空間尺度大的特征,特別是發(fā)生在赤道中東太平洋地區(qū)的厄爾尼諾(El Nio)/拉尼娜(La Nia)現(xiàn)象,是影響全球大氣環(huán)流和氣候的強(qiáng)信號(hào)[11]。相關(guān)研究表明熱帶太平洋海溫冬、春季的冷暖變化程度,可以預(yù)示后期我國西北地區(qū)夏季降水的變化趨勢(shì)[12-14]。根據(jù)1958—1988年ENSO事件及其與我國西北地區(qū)3—9月降水量的統(tǒng)計(jì)關(guān)系,寧夏降水在El Nio事件發(fā)生當(dāng)年明顯偏少,而在事件次年偏多[14]。此外,西北地區(qū)夏季氣溫和降水特征在不同ENSO循環(huán)位相中亦有所不同,但均表現(xiàn)出對(duì)ENSO的響應(yīng)[15-17]。
目前,將赤道太平洋海溫作為預(yù)測(cè)前兆因子在短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中已有應(yīng)用[18-20],然而,越來越多的研究強(qiáng)調(diào)ENSO特征表現(xiàn)出來的新變化,即發(fā)生于赤道中太平洋的暖海溫異常事件[21],其與傳統(tǒng)東部型ENSO事件除在空間形態(tài)上有顯著差別外,在演變過程、形成機(jī)理方面也不同[22-25]。7月是寧夏汛期轉(zhuǎn)折的關(guān)鍵時(shí)段,隨著熱帶低緯系統(tǒng)的作用逐漸加強(qiáng),寧夏雨量基數(shù)逐漸增大,21世紀(jì)以來寧夏7月降水具有怎樣的特征,赤道太平洋海溫特征的調(diào)整是否會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響,這些都將是本文重點(diǎn)討論的內(nèi)容,以期通過此項(xiàng)研究為寧夏降水預(yù)測(cè)提供依據(jù)。
所用資料包括寧夏24個(gè)國家級(jí)氣象觀測(cè)站1981—2018年7月降水量資料;NCEP/NCAR月平均再分析資料,水平分辨率為2.5°×2.5°,包括風(fēng)場(chǎng)、氣溫、相對(duì)濕度、高度場(chǎng)等,700 hPa水汽通量由風(fēng)場(chǎng)、氣溫和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)計(jì)算得出[26];海溫資料來自NOAA Extended Reconstruction SST v5 (ERSST v5),分辨率為2°×2°,其中用于計(jì)算降水距平百分率、位勢(shì)高度、風(fēng)場(chǎng)、水汽通量、海溫距平等氣候基準(zhǔn)態(tài)取1981—2018年平均值。
采用合成分析和相關(guān)分析,探討典型年降水異常成因,并確定7月降水異常的前兆信號(hào);采用滑動(dòng)相關(guān),滑動(dòng)窗口取21 a,分析關(guān)鍵區(qū)海溫與7月降水的年代際變化特征,如1991年所對(duì)應(yīng)的是1981—2001年海溫與降水的滑動(dòng)相關(guān)系數(shù),其他年份類推。以月降水距平百分率大于或小于50%作為降水異常偏多或偏少的標(biāo)準(zhǔn)。
1981—2018年寧夏7月平均降水量為57.9 mm且呈緩慢上升趨勢(shì),降水距平百分率氣候傾向率為6.0%·(10 a)-1(圖1)。7月降水經(jīng)歷了“少、多、少和多”4個(gè)階段,即1982—1988年、2001—2015年降水偏少,而1989—2000年、2016—2018年偏多。近38 a寧夏共有10 a降水發(fā)生異常,其中有5 a(2012、2013、2018年為偏多年;2007、2015年為偏少年)出現(xiàn)在21世紀(jì),特別是2015、2018年分別為1981年以來降水第2偏少年和降水最多年,表現(xiàn)出2000年以來降水的極端性和異常性的增強(qiáng)。
圖1 寧夏1981—2018年7月降水距平百分率年際變化Fig.1 The inter-annual variation of precipitation anomaly percentage in July during 1981-2018 in Ningxia
3.1.1 500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)
圖2為1981—2018年寧夏7月降水距平百分率與同期500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)相關(guān)系數(shù)??梢钥闯?,7月降水與中高緯及低緯環(huán)流系統(tǒng)均密切相關(guān),其中,巴爾喀什湖地區(qū)為負(fù)相關(guān),中國華北至東北為負(fù)相關(guān);低緯孟加拉灣及東南亞北部為顯著負(fù)相關(guān)區(qū)。也就是說當(dāng)中高緯巴爾喀什湖一帶為低槽區(qū)而東側(cè)中國華北至東北為暖性高壓脊控制時(shí),一方面有利于中高緯冷空氣向東、向南輸送,另一方面寧夏正處于暖高壓西側(cè)邊緣的偏南氣流中,此時(shí)配合低緯孟加拉灣附近活躍的低值系統(tǒng)(如印緬槽),有利于低層水汽向中高緯輸送,易造成寧夏降水偏多,反之當(dāng)上述關(guān)鍵區(qū)環(huán)流呈反相異常時(shí)則會(huì)導(dǎo)致降水偏少。
圖2 1981—2018年寧夏7月降水距平百分率與同期500 hPa高度場(chǎng)相關(guān)系數(shù)(填色區(qū)通過0.1或0.05或0.01的顯著性檢驗(yàn))Fig.2 The correlation coefficients between precipitation anomaly percentage in Ningxia in July and homochronous 500 hPa geopotential height fields during 1981-2018(the shaded areas passing the 0.1 or 0.05 or 0.01 significance test)
圖3為1981—2018年7月寧夏降水異常偏多年(1995、1996、1999、2012、2013、2018年)和偏少年(1982、1983、2000、2002、2007、2015年)同期500 hPa位勢(shì)高度距平場(chǎng)??梢钥闯?,7月降水異常偏多年,巴爾喀什湖一帶為負(fù)高度距平,中國華北、東北至日本海為正高度距平,“西低東高”配置顯著,東亞沿岸自北向南呈“-+-”異常分布,低緯大范圍為負(fù)高度距平;7月降水異常偏少年, 500 hPa位勢(shì)高度距平場(chǎng)通過顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域主要位于中國華北至東北地區(qū),黑?!锖V涟蜖柨κ埠霖惣訝柡鶠槿醯恼叨染嗥剑叨染嗥綀?chǎng)總體呈弱的“西高東低”型,寧夏上空高度距平異常不顯著,低緯為弱的正高度距平,表明低值系統(tǒng)不活躍,不利于降水偏多。
圖3 1981—2018年7月寧夏降水異常偏多年(a)、偏少年(b)同期500 hPa位勢(shì)高度距平場(chǎng)(單位:gpm)(填色區(qū)通過0.1的顯著性檢驗(yàn))Fig.3 Anomaly fields of homochronous 500 hPa geopotential height in positive (a) and negative (b) precipitation anomaly years in Ningxia in July during 1981-2018 (Unit: gpm)(the shaded areas passing the 0.1 significance test)
3.1.2 700 hPa風(fēng)場(chǎng)
圖4為1981—2018年7月寧夏降水異常偏多年、偏少年同期700 hPa風(fēng)場(chǎng)及水汽通量距平場(chǎng)??梢钥闯?,7月降水異常偏多年,日本海上空為反氣旋性環(huán)流,其西側(cè)的偏南風(fēng)和南側(cè)的偏東風(fēng)將來自西太平洋的水汽大量向內(nèi)陸輸送,中國東北、華北水汽充沛,河套地處反氣旋性環(huán)流西側(cè)的偏南氣流中,水汽條件良好,有利于降水的發(fā)生;7月降水異常偏少年,西北太平洋以大范圍氣旋性環(huán)流為主,整個(gè)東亞沿岸均為異常偏北風(fēng)控制,此時(shí)寧夏受異常偏北風(fēng)影響,水汽條件較差,更易出現(xiàn)干旱少雨現(xiàn)象。另外,盡管降水異常偏多年中低緯孟加拉灣及南海附近500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)大范圍異常偏低,但低層水汽向中緯度地區(qū)的輸送較弱,水汽源更多地來自西太平洋,這是預(yù)測(cè)過程中需要特別注意的地方。
圖4 1981—2018年7月寧夏降水異常偏多年(a)、偏少年(b)同期700 hPa風(fēng)(風(fēng)矢,單位:m·s-1)及水汽通量(陰影,單位:g·hPa-1·cm-1·s-1)距平場(chǎng)Fig.4 Anomaly fields of homochronous wind (vector, Unit: m·s-1) and water vapor flux (shaded, Unit: g·hPa-1·cm-1·s-1) on 700 hPa in positive (a) and negative (b) precipitation anomaly years in Ningxia in July during 1981-2018
3.2.1 寧夏7月降水與前期海溫的關(guān)系
研究表明寧夏氣候?qū)θ蜃兣哂休^為敏感的響應(yīng),特別是1986年前后多因子的特征均發(fā)生突變[7-9]。 1981—2018年寧夏7月降水與逐月太平洋海溫的相關(guān)分布表明,前期1—6月太平洋海溫與7月降水通過顯著性檢驗(yàn)的范圍較小且持續(xù)性較弱,整個(gè)時(shí)段內(nèi)海溫異常對(duì)7月降水沒有顯著的指示意義(圖略)??紤]到21世紀(jì)以來降水表現(xiàn)出的異常性和極端性以及外強(qiáng)迫因子與預(yù)報(bào)量可能存在的年代際關(guān)系,圖5給出寧夏2001—2018年7月降水距平百分率與前期1—6月太平洋海溫距平相關(guān)系數(shù)空間分布??梢钥闯?,與1981—2000年前期1—6月太平洋海溫與降水的關(guān)系相比,2001—2018年兩者的相關(guān)關(guān)系明顯加強(qiáng),特別是位于赤道西太平洋的顯著正相關(guān)以及日界線附近的中太平洋負(fù)相關(guān)區(qū),前者的相關(guān)性自1月加強(qiáng),3月影響范圍最大也最為顯著,而后在4、5月相關(guān)性逐漸減弱;后者于1月最強(qiáng)且中心位于20°N附近,之后向南調(diào)整穩(wěn)定在赤道上,5月后相關(guān)性減弱。3月赤道太平洋海溫異常與寧夏7月降水的相關(guān)最為顯著,赤道西太平洋與中太平洋分別呈正、負(fù)偶極型分布,而赤道東太平洋則沒有相應(yīng)的海溫異常信號(hào)出現(xiàn)。諸多研究強(qiáng)調(diào)了2000年以來赤道中太平洋海溫暖異常事件頻繁發(fā)生的事實(shí)[21-22],而上述區(qū)域這種東西向的海溫異常分布特征在一定程度上反映的正是中部型ENSO事件。
為進(jìn)一步探討海溫與寧夏7月降水異常的關(guān)系,對(duì)圖5中與寧夏7月降水呈顯著正相關(guān)的3月赤道西太平洋海溫距平及日界線附近赤道中太平洋海溫距平進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,利用兩者的差值構(gòu)建偶極子指數(shù)(IWE-SST),以此來表示赤道西、中太平洋海溫的差異,正、負(fù)相關(guān)海溫區(qū)范圍分別取0°—20°N、120°—140°E,-5°S—5°N、160°E—160°W。
圖5 2001—2018年7月寧夏降水距平百分率與前期1—6月太平洋海溫距平相關(guān)系數(shù)空間分布(a)1月,(b)2月,(c)3月,(d)4月,(e)5月,(f)6月(填色區(qū)通過0.1或0.05或0.01的顯著性檢驗(yàn))Fig.5 The spatial distribution of correlation coefficients between previous SST anomalies in the Pacific from January to June and precipitation anomaly percentage in Ningxia in July during 1981-2018(a) January, (b) February, (c) March, (d) April, (e) May, (f) June(the shaded areas passing the 0.1 or 0.05 or 0.01 significance test)
圖6為1981—2018年3月IWE-SST與寧夏7月降水的21 a滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)。可以看出,兩者的相關(guān)性存在明顯的年代際變化,1991—2002年兩者為弱的負(fù)相關(guān),2002年以后轉(zhuǎn)為正相關(guān),隨后正相關(guān)性明顯加強(qiáng)并在2008年通過0.05的顯著性檢驗(yàn)。由于IWE-SST表征了赤道西、中太平洋海溫異常的差異,因此上述結(jié)果表明關(guān)鍵區(qū)海溫異常的影響可能與赤道中部型海溫異常事件的發(fā)生有關(guān)。
圖6 1981—2018年3月IWE-SST與寧夏7月降水距平百分率的21 a滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)Fig.6 The 21-year running correlation coefficients between the IWE-SST in March and precipitation anomaly percentage in Ningxia in July during 1981-2018
圖7為2001—2018年3月IWE-SST與寧夏7月降水距平百分率的年際變化。兩者之間的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.6,且通過0.05的顯著性檢驗(yàn),表明當(dāng)赤道太平洋出現(xiàn)“西暖中冷”的La Nia事件時(shí),寧夏7月易出現(xiàn)降水偏多,反之當(dāng)出現(xiàn)中部型的“西冷中暖”ElNio事件則降水偏少的可能性更大。IWE-SST為正的9 a中,降水偏多頻率為56%;IWE-SST為負(fù)的9 a中,有8 a 7月降水偏少,偏少頻率達(dá)89%,顯示出海溫異常影響的差異性, El Nio相對(duì)于La Nia的影響更強(qiáng),對(duì)降水偏少的指示效果也更明顯。
圖7 2001—2018年3月IWE-SST與寧夏7月降水距平百分率的年際變化Fig.7 Interannual variation between IWE-SST in March and precipitation anomaly percentage in Ningxia in July during 1981-2018
3.2.2 太平洋海溫影響7月降水的可能途徑
為深入分析海溫異常影響寧夏7月降水的可能途徑,對(duì)前期3月IWE-SST異常偏高年(2001、2008、2012、2009年)、偏低年(2003、2007、2015、2016年)對(duì)應(yīng)的7月500 hPa位勢(shì)高度距平場(chǎng)、700 hPa風(fēng)場(chǎng)和水汽通量距平進(jìn)行合成分析。
圖8為3月IWE-SST異常偏高年、偏低年7月500 hPa位勢(shì)高度距平場(chǎng)??梢钥闯觯琁WE-SST異常偏高年,歐亞中緯度巴爾喀什湖為負(fù)顯著高度距平,中國華北、東北至日本北部表現(xiàn)為弱的負(fù)高度距平,另外低緯孟加拉灣—中印半島—菲律賓為顯著負(fù)異常,這種特征與降水偏多年相似。此外,中國江淮一帶至日本南部為正高度距平,鄂霍次克海附近及中低緯西太平洋均為負(fù)高度距平,表現(xiàn)出明顯的東亞—太平洋(EAP)型遙相關(guān)[27-28];3月IWE-SST異常偏低年,環(huán)流形勢(shì)與IWE-SST異常偏高年幾乎相反,巴爾喀什湖以東至貝加爾湖為顯著的正高度距平,而中國華北至日本一帶則為負(fù)高度距平,中高緯位勢(shì)高度距平為“西高東低”配置,副熱帶日本以東為大范圍負(fù)高度距平,其南、北兩側(cè)反映的是西太平洋副熱帶高壓(簡(jiǎn)稱“副高”)及鄂霍次克海阻高,這種形勢(shì)更有利于副高偏南偏強(qiáng),雨帶易出現(xiàn)在中國南方。
圖9為IWE-SST異常偏高年、偏低年7月700 hPa風(fēng)場(chǎng)距平及水汽通量距平??梢钥闯?,IWE-SST異常偏高年,中國東北至日本北部為氣旋,日本西南側(cè)為反氣旋,中心位于30°N附近,副熱帶西太平洋為大范圍氣旋性異常,日本西南側(cè)反氣旋南側(cè)的氣流與西太平洋氣旋北側(cè)的氣流交匯形成較強(qiáng)偏東風(fēng),配合有一條明顯的水汽輸送帶,向中國南方不斷輸送水汽,而其中有一股弱的水汽繼續(xù)向北輸送,其與源自中國東北氣旋的偏南風(fēng)并在華北轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)的氣流相結(jié)合,此時(shí)寧夏為偏東、偏南風(fēng),水汽條件良好。需要注意的是,盡管500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)反映出IWE-SST與低緯孟加拉灣高度之間顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,但從低層風(fēng)場(chǎng)及水汽輸送看,孟加拉灣并不直接向西北內(nèi)陸提供水汽,主要是隨著西風(fēng)異常在低緯地區(qū)輸送。3月IWE-SST異常偏低年,中國南海至西太平洋一帶為異常強(qiáng)盛的反氣旋,西北太平洋日本以北為氣旋性異常,其北側(cè)配合有來自中高緯的水汽輸送,中低緯中國大部地區(qū)則沒有明顯的水汽來源,特別是西北內(nèi)陸水汽條件較差,此時(shí)寧夏處于干燥的西風(fēng)異常影響之中,不利于降水形成。
圖8 3月IWE-SST異常偏高年(a)、偏低年(b)7月500 hPa位勢(shì)高度距平場(chǎng)(單位:gpm)(填色區(qū)通過0.1顯著性檢驗(yàn))Fig.8 Anomaly fields of 500 hPa geopotential height in July in positive (a) and negative (b) IWE-SST in March (Unit: gpm)(the shaded areas passing the 0.1 significance test)
圖9 3月IWE-SST異常偏高年(a)、偏低年(b)7月700 hPa風(fēng)場(chǎng)距平(風(fēng)矢,單位:m·s-1)及水汽通量距平(陰影,單位:g·hPa-1·cm-1· s-1)Fig.9 Anomaly fields of the wind (vector, Unit: m·s-1) and water vapor flux (shaded, Unit: g·hPa-1·cm-1· s-1) on 700 hPa in July in positive (a) and negative (b) IWE-SST in March
此外,值得注意的是盡管21世紀(jì)以來赤道中西太平洋海溫異常通過影響西太平洋風(fēng)場(chǎng)及水汽輸送對(duì)寧夏7月降水產(chǎn)生一定影響,但降水異常年與3月IWE-SST異常年合成的500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的特征仍表現(xiàn)出差別,且這種差異更多體現(xiàn)在歐亞中高緯環(huán)流的異常上。例如,在降水異常偏多年中,烏拉爾山阻高顯著偏強(qiáng),鄂霍次克海以北為負(fù)異常;在3月IWE-SST異常偏高年中,烏拉爾山阻高異常較弱,東西伯利亞為正異常。有研究表明中國夏季降水的年際變率除受熱帶海溫外強(qiáng)迫的作用外,中高緯大氣環(huán)流及下墊面熱力異常的調(diào)制同樣重要[29-38],例如夏季北大西洋三極子海溫能夠在歐亞中高緯激發(fā)出一相關(guān)波列,使得在其處于負(fù)位相時(shí)烏拉爾山阻高增強(qiáng),反之正位相下,烏拉爾山阻塞活動(dòng)不能得到有效發(fā)展[39-40];2016年與1998年前冬至夏季均處于El Nio衰減位相且印度洋海盆模一致偏高的外強(qiáng)迫影響下,但這兩年最大的差異在于北大西洋三極子海溫位相的不同,前者呈弱正位相,后者則呈負(fù)位相,這是導(dǎo)致上述兩年中歐亞中高緯環(huán)流特征出現(xiàn)明顯差異的主要原因[41]。因此,短期氣候預(yù)測(cè)是復(fù)雜的,其結(jié)果往往是多因子協(xié)同作用的結(jié)果,這也提醒我們?cè)陉P(guān)注熱帶強(qiáng)信號(hào)的同時(shí)還需要加強(qiáng)對(duì)中高緯外強(qiáng)迫因子的研究。
(1)1981—2018年寧夏7月降水以年際變化為主,總體上經(jīng)歷了“少、多、少、多”4個(gè)階段。
(2)7月中高緯巴爾喀什湖和中國華北、東北至日本海500 hPa位勢(shì)高度距平呈“西低東高”分布型,低緯孟加拉灣—南海附近低值系統(tǒng)活躍,同時(shí)配合700 hPa風(fēng)場(chǎng)上西北太平洋異常反氣旋南側(cè)偏東風(fēng)、西側(cè)偏南風(fēng)的發(fā)展,有利于將來自太平洋的水汽向內(nèi)陸輸送,導(dǎo)致寧夏7月降水偏多。反之亦然。
(3)21世紀(jì)以來赤道太平洋海溫與寧夏7月降水關(guān)系加強(qiáng),尤其是在ENSO衰減位相,當(dāng)3月赤道太平洋海溫異常呈“西暖中冷”(“西冷中暖”)的偶極型分布時(shí),寧夏7月降水對(duì)應(yīng)表現(xiàn)為異常偏多(偏少),一定程度上反映出中部型ENSO事件對(duì)寧夏降水的影響。赤道太平洋海溫“西暖中冷”時(shí),500 hPa高度場(chǎng)異常呈現(xiàn)出與降水偏多年相似的形勢(shì),即中高緯為“西低東高”,低緯負(fù)異常顯著,赤道西太平洋暖海溫異常促使低層西風(fēng)異常加強(qiáng),副熱帶西太平洋形成大范圍異常氣旋,其以較強(qiáng)偏東風(fēng)的形式向我國輸送大量水汽,其中一支水汽折向北影響到寧夏,一定程度上有利于寧夏7月降水的偏多。反之亦然。
在ENSO衰減位相的冬末春初,當(dāng)赤道太平洋海溫異常以中部型ENSO特征表現(xiàn)為“西冷中暖”時(shí),其影響有利于寧夏7月降水偏少,但文中對(duì)比分析也發(fā)現(xiàn)IWE-SST負(fù)異常年副熱帶西太平洋700 hPa為大范圍反氣旋性環(huán)流控制,而這種特性更多反映出傳統(tǒng)東部型ENSO事件的影響。說明盡管影響寧夏7月降水異常的前期赤道太平洋海溫特征為中部型海溫異常狀態(tài),但實(shí)際起作用的可能仍取決于傳統(tǒng)東部型ENSO在季節(jié)內(nèi)的發(fā)展演變,具體的影響和機(jī)制需要進(jìn)一步的研究和討論。另外,降水異常年環(huán)流特征與典型IWE-SST異常年仍有差異且更多體現(xiàn)在中高緯,特別是烏拉爾山及東西伯利亞至鄂霍次克海地區(qū)的高度場(chǎng)異常,表明中高緯環(huán)流配置需要同時(shí)考慮其他外強(qiáng)迫因子諸如北大西洋三極子、海冰的作用,這在短期氣候預(yù)測(cè)中十分重要。
DOI:10.1029/2010GL044007.
DOI:10.1029/2009JD011733.