海南島春季降水異常的環(huán)流和海溫特征

張?zhí)焓ィw蕾，蔡英纓

（1.海南省氣象服務(wù)中心，海南海口 570203；2.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，海南海口 570203）

海南島地處熱帶地區(qū)，屬于熱帶季風(fēng)海洋性氣候，是地球上同緯度降雨量最多的地區(qū)之一［1］。關(guān)于海南島降水的研究，一些學(xué)者做了不少工作［2-4］，吳慧［5］分析了?？谘雌诓煌燃壗邓c旱澇關(guān)系；馮文［6］研究了后汛期特大暴雨的環(huán)流特征認(rèn)為，南海北部存在強盛的偏東風(fēng)低空急流是最顯著的強信號；吳慧［7］利用海南18個測站資料對各地月、季降水量進(jìn)行正態(tài)分布檢驗，指出在0.01信度檢驗下，春、夏、秋降水基本符合正態(tài)分布；胡德強［8］分析了海南島夏季降水異常的影響機制。已有的研究表明，中國的春季降水不管是在時間尺度上還是在空間分布上都與夏季有著明顯不同的特點［9-10］，研究海南島春季降水變化及降水的大氣環(huán)流變化特征，對弄清楚春季降水異常事件的時空發(fā)展及其氣候背景有現(xiàn)實意義。因此本研究利用海南島18個市縣國家氣象觀測站降水資料，通過小波分析、合成分析和相關(guān)分析方法對海南島春季降水變化影響機制的研究，為春季降水的預(yù)報以及水資源的利用提供參考。

1 資料和研究方法

本研究的春季定義為3—5月份，選用的資料有海南島18個市縣國家氣象觀測站（18個觀測站）1970—2016年3—5月份月降水資料；NCEPNCAR的1970—2016年逐月高度場、風(fēng)場資料，水平分辨率為2.5°×2.5°；海表溫度資料（SST）選取美國NOAA中心OISST1的1970—2016年逐月資料，水平分辨率為2.0°×2.0°。本研究采用的方法有Molet小波分析、相關(guān)分析以及合成分析方法。

2 春季降水的時空分布特征

圖1 給出了海南島春季47年平均降水分布和標(biāo)準(zhǔn)差，從圖1可以看到，從東北部到中部地區(qū)為降水高值區(qū)，其中定安春季降水量最多，平均每年達(dá)到439.5 mm，而西部、西南部和南部沿海為降水低值區(qū)，其中東方的春季降水量最少，平均每年只有129.6 mm。從春季降水量的標(biāo)準(zhǔn)差分布情況來看，自東向西呈逐漸遞減的態(tài)勢，高值區(qū)主要分布在東部沿海和中部地區(qū)，最大值出現(xiàn)在瓊海，最小值出現(xiàn)在西部地區(qū)的東方。對比降水量圖可以看出，標(biāo)準(zhǔn)差和降水量的分布并不是完全一致，降水量大的區(qū)域未必是年際變化最大的區(qū)域，東部沿海是降水量年際變化高值區(qū)，西部地區(qū)無論降水量還是年際變化都相對較小。近47年來海南島各地春季降水量線性變化趨勢不一致（圖略），降水量線性增加的有10個站，線性下降的有8個站，均未通過0.05水平的顯著性檢驗，趨勢變化不明顯。

圖1 1970—2016年海南島春季平均降水量（單位：mm）（a）和標(biāo)準(zhǔn)差（b）

從1970—2016年海南島春季平均降水量距平隨著時間的變化（圖2）可以看出，20世紀(jì)70年代到80年代中期、90年代前中期、2000年代為降水偏少時段；20世紀(jì)80年代后期、90年代后期，為降水偏多的時段，2009年以后降水偏多年降水偏少年交替出現(xiàn)，最大降水量年份出現(xiàn)在1997年，最小降水年份出現(xiàn)在1977年。

圖2 1970—2016年海南島春季平均降水量距平

為了進(jìn)一步分析春季降水的多時間尺度特征，對降水距平進(jìn)行小波分析（圖略），可以看到，海南島春季降水的特征時間尺度分別為2（周期為4年）和6年（周期為12年），其中6年時間尺度的振蕩較為明顯，尤其是從20世紀(jì)90年代到2000年代中期，而且有向高頻時間尺度（較短時間）方向演變的趨勢。

3 春季降水異常與大氣環(huán)流異常的關(guān)系

研究表明，降水異常往往是某種狀態(tài)的異常環(huán)流持續(xù)發(fā)展和長期維持的結(jié)果［11］，那么，大氣環(huán)流異常是如何造成海南島春季降水異常的呢？本研究通過挑選降水偏多年和偏少年，利用合成分析來研究導(dǎo)致海南島春季降水量異常的氣候背景。以海南島18個市縣代表站春季降水距平百分率≥20%和≤-20%定義為降水偏多年和偏少年，由此挑選出偏多年年份為1984、1986、1997、1999、2000、2009、2012年，偏少年年份為1977、1980、1983、1991、1996、2005、2010、2011年。

從200 hPa高空圖（圖略）上可以看到，降水偏多年，在20°N—30°N之間的我國上空為位勢高度正異常，南海為位勢高度負(fù)異常，海南島位于高壓南部，其上空位勢高度呈現(xiàn)北高南低分布狀態(tài)；而降水偏少年，南海為位勢高度正異常，海南島上空呈現(xiàn)北低南高的分布狀態(tài)。從500 hPa高空圖（圖3a-b）上可以看到，降水偏多年，在貝加爾湖和巴爾喀什湖之間為位勢高度正異常，說明高壓脊偏強，有利于北方冷空氣沿著脊前偏北氣流南下擴散到華南地區(qū)，我國東部地區(qū)到朝鮮半島、日本一帶為位勢高度負(fù)異常，說明東亞大槽偏強、偏南，低緯度的中南半島為低壓異常，有利于西南水汽向北輸送，菲律賓以東的西太平洋為位勢高度負(fù)異常，說明此時副高偏弱；而在降水偏少年，在貝加爾湖和巴爾喀什湖之間為位勢高度負(fù)異常，高壓脊偏弱，35°N以南的廣大區(qū)域均為位勢高度正異常，說明東亞大槽較氣候平均態(tài)偏弱、偏北，這種環(huán)流配置不利于冷空氣向南擴散，此時也可以看出副高偏強，較氣候平均態(tài)偏北，中南半島、南海中北部到西太平洋為高壓異常，不利于西南風(fēng)水汽的向北輸送。從850 hPa高空圖（圖3c-d）上可以看到，與500 hPa形勢有些類似，降水偏多年，南海北部位勢高度負(fù)異常，說明降水低值系統(tǒng)較為活躍，臺灣以東的西太平洋為位勢高度負(fù)異常，說明東亞大槽比較深厚；降水偏少年，海南島上空為位勢高度正異常，降水低值系統(tǒng)不活躍，同時也看出，東亞大槽偏北、偏弱。

圖3 海南島春季平均降水量異常偏多年（a、c）和偏少年（b、d）高度場距平合成（單位：dagpm）a、b.500 hPa；c、d.850 hPa

為了更清晰對比春季降水偏多年和偏少年的低層水汽輸送差異，圖4給出了850 hPa風(fēng)場距平分布。從圖4可以看出，降水偏多年，降水系統(tǒng)較為活躍，南海北部為氣旋性環(huán)流異常，西南風(fēng)攜帶大量水汽經(jīng)孟加拉灣南部、中南半島南部進(jìn)入南海后發(fā)生旋轉(zhuǎn)，與南下的冷空氣匯合造成海南島降水；降水偏少年，西太平洋偏東風(fēng)進(jìn)入南海后，分為兩支，一支向北轉(zhuǎn)向變?yōu)槠巷L(fēng)，一支繼續(xù)以偏東風(fēng)經(jīng)中南半島進(jìn)入孟加拉灣后向北轉(zhuǎn)向，而海南島正好處在偏南風(fēng)距平和偏東風(fēng)距平的分支附近，風(fēng)場輻散，從海南島一直到北緯30°N的我國廣大地區(qū)均為偏南風(fēng)距平控制，這種大范圍的異常偏南風(fēng)距平不利于北方冷空氣南下，南海、中南半島和孟加拉灣大部分地區(qū)均為偏東風(fēng)距平控制，說明西南季風(fēng)較氣候平均態(tài)偏弱，冷空氣活動偏北和西南風(fēng)水汽輸送的偏弱造成海南島春季降水偏少。

圖4 海南島春季平均降水量異常偏多年（a）和偏少年（b）850 hPa風(fēng)場距平合成（單位：m/s）

4 春季降水異常與海溫異常的關(guān)系

海溫是影響大氣環(huán)流變動的重要因素，海溫的熱力差異會影響上空大氣環(huán)流異常，從而造成某個地區(qū)降水異常。為了進(jìn)一步研究海溫對海南島春季降水的影響，給出了降水偏多年和偏少年海溫差值分布（圖5），從圖5可以看到，有3個明顯的正負(fù)異常的海區(qū)，一個是位于赤道附近的中東太平洋海區(qū)，為負(fù)異常海區(qū)，定義為1區(qū)（180°E—150°W，10°S—10°N）；一個是位于30°N附近的北太平洋海區(qū)，為正異常海區(qū)，定義為2區(qū)（180°E—150°W，20°N—40°N），這兩個海區(qū)與徐超［12］研究的影響華南地區(qū)春季降水的海區(qū)位置有些接近，但呈相反分布；另外一個正異常海區(qū)位于我國的黃海、東海附近，定義為3區(qū)（122°E—132°E，26°N—34°N）。

圖5 海南島春季平均降水量異常偏多年與偏少年海溫差值合成分析（單位：℃）

分別取1、2、3區(qū)海溫平均值，與500 hPa高度場求相關(guān)（圖6），從圖6可以看到，1區(qū)海溫與500 hPa高度場的顯著正相關(guān)區(qū)為40°N以南的廣大區(qū)域，說明1區(qū)海溫異常偏高時，顯著相關(guān)區(qū)域的位勢高度偏高，指示東亞大槽偏弱、偏北，副高偏強、偏北，中南半島、南海中北部為高壓異常，不利于春季降水，海溫偏低時則相反。2區(qū)海溫與500 hPa高度場的顯著相關(guān)區(qū)為20°N以南的低緯度區(qū)域，另一個顯著相關(guān)區(qū)域位于日本以南的西北太平洋附近，均為負(fù)相關(guān)，說明2區(qū)海溫異常偏高時，顯著相關(guān)區(qū)域的位勢高度偏低，指示東亞大槽偏南、偏強，副高偏弱、偏南，中南半島為低壓異常，有利于春季降水，反之亦然。3區(qū)海溫與500 hPa高度場的顯著正相關(guān)區(qū)域較為寬廣，蒙古國和我國除了東北、西藏部分地區(qū)外的大部分地區(qū)，低緯度區(qū)域，西太平洋海域，其中最高正相關(guān)區(qū)域位于蒙古國和內(nèi)蒙附近，達(dá)到0.6以上，這種相關(guān)關(guān)系表明，當(dāng)3區(qū)海溫異常偏高時，蒙古國、內(nèi)蒙附近的高壓脊偏強，冷空氣向南擴散，有利于春季降水，反之亦然。

圖6 500 hPa高度場與1區(qū)（a）、2區(qū)（b）、3區(qū)（c）海溫的相關(guān)系數(shù)分布

5 結(jié)論

1）海南島春季年平均降水量較大的地區(qū)為東北部到中部地區(qū)，東部沿海是降水量年際變化的高值區(qū)。西部地區(qū)無論降水量還是年際變化都相對較小。海南島春季降水量的趨勢變化不明顯，其特征時間尺度分別為2（周期為4年）和6年（周期為12年），6年時間尺度的振蕩較為明顯，而且有向高頻時間尺度（較短時間）方向演變的趨勢。

2）降水偏多（或偏少）年，高層位勢高度呈現(xiàn)北高（或低）南低（或高）的分布狀態(tài)，中層貝加爾湖和巴爾喀什湖之間高壓脊偏強（或偏弱），東亞大槽偏強（或偏弱）、偏南（或偏北），副高偏弱（或偏強）、偏南（或偏北），有利于（或不利于）北方冷空氣沿著脊前偏北氣流南下擴散到華南地區(qū)，中南半島南海中北部低壓（或高壓）異常，低層降水低值系統(tǒng)較為活躍（或不活躍）。

3）降水偏多年，低層南海北部為氣旋性環(huán)流異常，西南風(fēng)攜帶大量水汽經(jīng)孟加拉灣南部、中南半島南部進(jìn)入南海后發(fā)生旋轉(zhuǎn)，與南下的冷空氣匯合造成海南島降水；降水偏少年，冷空氣活動偏北，西南風(fēng)偏弱。

4）當(dāng)赤道附近的中東太平洋海區(qū)的海溫異常偏低，30°N附近的北太平洋海區(qū)和我國的黃海、東海附近海區(qū)的海溫異常偏高時，東亞大槽偏南、偏強，副高偏弱、偏南，中南半島低壓異常，蒙古、內(nèi)蒙附近高壓脊偏強，有利于春季降水，反之則不利于春季降水。

本研究主要通過統(tǒng)計分析方法研究了海南島春季降水異常與大氣環(huán)流變化及海溫的關(guān)系，那么海溫是如何驅(qū)動大氣變化，造成海南島春季降水異常，其量化的影響機制又是如何？鑒于海汽相互作用的復(fù)雜性和多樣性，今后還將進(jìn)一步以海溫為切入點進(jìn)行更深入研究，另外在不同時間尺度上（如季節(jié)內(nèi)振蕩、年代際變化），其影響機制是否也一樣，這些工作都需要今后做更進(jìn)一步深入的研究。