2016 年秋季中國南方降水異常的環(huán)流特征及海溫影響

蔣子瑤 徐海明 馬靜

1 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心/氣象災(zāi)害教育部重點實驗室/氣候與環(huán)境變化國際合作聯(lián)合實驗室，南京 210044

2 南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，南京 210044

1 引言

在全球變暖背景下，旱澇災(zāi)害、高溫?zé)崂撕团_風(fēng)等極端天氣氣候事件頻發(fā)（Izrael et al., 2007）。國內(nèi)外學(xué)者針對極端事件已有大量的研究工作（Trenberth and Fasullo, 2012; Coumou and Rahmstorf,2012; 高榮等, 2018）。強降水引發(fā)的城市內(nèi)澇、洪水、山體滑坡等自然災(zāi)害，往往會造成人民生命財產(chǎn)的重大損失，故使其被廣泛關(guān)注。

以往對我國大范圍降水異常的研究主要集中在冬夏兩季。前人圍繞冬季我國不同地區(qū)的降水多寡已開展諸多工作（丁一匯等, 2008; 張福穎等,2018）。夏季作為降水異常的高發(fā)時段，無論是在年代際尺度（黃榮輝等, 1999, 2013）、年際尺度上（吳萍等, 2017; 方浩和喬云亭, 2019），還是個例分析（丁一匯, 2015; 袁媛等, 2017），我國氣象工作者對降水異常的成因已經(jīng)進行了較為深入的研究。然而，對秋季降水異常的研究相對較少，且大都集中在華西秋雨異常（梁萍等, 2019; 陳剴等, 2020）以及近幾年來出現(xiàn)的西南秋季干旱（沙天陽等,2013; 張顧煒等, 2016）。

大范圍異常降水的形成主要受大氣環(huán)流的直接影響。我國東部的降水異常與東亞副熱帶西風(fēng)急流（張耀存和況雪源, 2008; 金榮花等, 2012）、穩(wěn)定維持的中緯度阻塞高壓（Chen and Zhai, 2014; 張慶云和郭恒, 2014）和南侵的東北冷渦（何金海等,2006; 劉慧斌等, 2012）等中高緯度環(huán)流系統(tǒng)有關(guān)。我國東部大范圍降水異常同時也受到低緯度地區(qū)大氣環(huán)流系統(tǒng)的影響，如南亞高壓（張慶云等, 2007;王黎娟等, 2009）、西太平洋副熱帶高壓（張慶云和陶詩言, 2003; 陶詩言和衛(wèi)捷, 2006）以及東亞夏季風(fēng)（竺可楨, 1934; 黃士松和湯明敏, 1995; Feng and Hu, 2004）異常也分別通過影響高空輻散條件和低空水汽輸送等對降水產(chǎn)生影響。黃榮輝等（2013）指出東亞地區(qū)夏季降水與歐亞型、絲綢之路型和東亞—太平洋型等遙相關(guān)型的變化有關(guān)。此外，大氣的低頻振蕩作為聯(lián)系不同緯度間相互作用的形式之一，對我國東部降水異常也存在一定影響（翟盤茂等, 2016）。

引起大氣環(huán)流異常的原因主要涉及到外強迫信號，包括海溫異常（李崇銀等, 2002）、土壤濕度異常（陳海山和周晶, 2013）、極冰異常（楊修群和黃士松, 1993）等，其中海溫異常是影響東亞環(huán)流異常的重要因子之一。海溫異常的年際尺度信號例如厄爾尼諾—南方濤動（陶詩言和張慶云, 1998;何金海等, 2014; 張福穎等, 2018）、印度洋偶極子（李崇銀和穆明權(quán), 2001; 黃剛等, 2016）等，年代際尺度信號例如太平洋年代際振蕩（李崇銀等,2002; 張慶云等, 2007; Yang et al., 2017）、大西洋多年代際振蕩（Kucharski et al., 2016; Li et al.,2016; Sun et al., 2017）等，均可引起東亞上空大氣環(huán)流異常。

通常情況下，秋季大都干燥少雨，但2016 年秋季我國南方出現(xiàn)了較為異常的氣候特征（竺夏英和宋文玲, 2017）：全國平均降水量164.4 mm，較往年同期偏多37%，其中南方地區(qū)降水異常尤為突出，達1967 年以來歷史同期最高值，多地臺站連續(xù)降水量突破歷史極值，導(dǎo)致了嚴(yán)重的次生災(zāi)害，如泥石流、洪澇、山體滑坡等，給我國國民經(jīng)濟建設(shè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人們的財產(chǎn)安全造成了巨大損失。本文旨在針對2016 年秋季中國南方強降水現(xiàn)象，通過診斷分析大氣環(huán)流特征和外強迫信號，并在此基礎(chǔ)上利用氣候模式開展一系列敏感性試驗，探討造成該降水異常的可能成因。

2 資料與方法

2.1 資料

本文使用的資料主要有：（1）中國氣象局國家氣象信息中心整編的1967～2019 年中國國家級地面氣象站基本氣象要素日值數(shù)據(jù)集（V3.0）逐日降水觀測資料及國家氣候中心提供的160 站月平均降水觀測資料；（2）中國氣象局熱帶氣旋資料中心（http://www.typhoon.org.cn [2020-03-30]）提供的熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集（Ying et al., 2014）；（3）1967～2017 年美國氣象環(huán)境預(yù)報中心/美國國家大氣研究中心（NCEP/NCAR）逐月再分析資料（Kalnay, 1996），水平分辨率為2.5°×2.5°；（4）1956～2017 年英國氣象局Hadley 中心月平均海表溫度資料（Rayner et al., 2003），水平分辨率為1°×1°。文中各要素氣候態(tài)均指1981～2010 年各要素的平均值，秋季指北半球9～11 月。

2.2 方法

本文使用了趨勢分析、諧波分解、相關(guān)分析和合成分析等方法。另外，本文中識別熱帶氣旋降水采用任福民等（2001）和王詠梅等（2006）提出的方法，其主要思路如下：首先從分析降水場的結(jié)構(gòu)入手, 通過獲取各臺站的鄰站降水率，選取最大可能的雨帶中心，定義雨帶的主要特征及邊緣，將降水場分離成不同的雨帶；然后判定這些雨帶及各臺站與臺風(fēng)中心的距離是否滿足控制閾值，最終得到可能由多條不同雨帶以及零星臺站組成的臺風(fēng)雨帶。具體計算步驟可參考上述兩篇文獻。

本文采用的模式為通用地球系統(tǒng)模式（Community Earth System Mode，簡稱CESM）1.2.2 版本（Liu et al., 2016），是2010 年7 月美國國家大氣科學(xué)研究中心向外推出的全球耦合氣候模式，模式包括五個地球物理模塊以及一個耦合器，通過耦合技術(shù)，能較準(zhǔn)確模擬各圈層之間的相互作用，從而重現(xiàn)過去、模擬現(xiàn)在或者預(yù)測未來氣候變化。本文運行的通用大氣環(huán)流模式（Community Atmosphere Model Version 5.3，簡稱CAM5.3）是CESM 中的大氣模塊，CAM5.3 既可以與海洋、陸面等模式耦合運轉(zhuǎn)，也可以單獨使用，模擬大氣環(huán)流變化。模式水平分辨率為1.9°×2.5°，全球共有96（經(jīng)向）×144（緯向）個格點。垂直方向上為σ-p混合坐標(biāo)系，共有30 層，最頂層位于3.643 hPa。

3 2016 年秋季降水和環(huán)流異常特征

3.1 降水量異常分布

圖1a 給出了2016 年秋季全國降水量及降水距平百分比。與常年同期相比，我國大部分地區(qū)秋季降水量正常或偏多。全國偏多兩成以上的臺站約占53%，其中江蘇、浙江、上海、福建和安徽降水量均達1967 年以來歷史最高值，尤其是福建省，全省平均降水量達298.2 mm，幾乎為氣候平均值的3 倍。將2016 年我國南方降水明顯偏多的地區(qū)（22°N～33°N，113°E～122°E；圖1a 黑色方框）作為降水關(guān)鍵區(qū)，并將關(guān)鍵區(qū)區(qū)域平均的降水標(biāo)準(zhǔn)化時間序列定義為中國南方秋季降水指數(shù)（圖1b），可見該地區(qū)自1967 年以來，2016 年秋季降水位列歷史同期第一。

圖1 （a）2016 年秋季全國降水量（等值線，單位：mm）及降水距平百分比（填色）分布（黑色方框表示降水關(guān)鍵區(qū)）；（b）1967～2019 年中國南方秋季降水指數(shù)Fig. 1 Distributions of accumulated precipitation (contours, units: mm) and precipitation anomaly percentage (shaded) over China in fall of 2016,black box indicates the key area of precipitation; (b) fall precipitation index in southern China in 1967-2019

3.2 臺風(fēng)降水

2016 年秋季共有14 個臺風(fēng)在西太平洋生成，相較于往年同期的11.5 個明顯偏多，其中登陸我國的有4 個，較往年同期的2.5 個偏多（竺夏英和宋文玲, 2017），頻繁活動的臺風(fēng)對我國南方秋季降水產(chǎn)生了重要影響（圖2）。臺風(fēng)“莫蘭蒂”于9 月15 日登陸福建省廈門市，級別達強臺風(fēng)級，9月14～15 日，浙江南部和東部、江西東南部、福建大部、廣東東北部以及臺灣大部地區(qū)有大到暴雨，局地發(fā)生大暴雨或特大暴雨。臺風(fēng)“鲇魚”于9月28 日凌晨登陸福建省泉州市，在其影響下，9月27～30 日我國江淮、江南和華南地區(qū)陸續(xù)出現(xiàn)大到暴雨，局地出現(xiàn)特大暴雨，且上述地區(qū)的累計降雨量可達120～200 mm。臺風(fēng)“莎莉嘉”和“海馬”于10 月中下旬先后登陸我國海南省萬寧市和廣東省東南部，前者導(dǎo)致10 月17 至19 日江南地區(qū)西南部、華南地區(qū)大部等地有大到暴雨，廣西南部、廣東中部和南部、海南等地有大暴雨，局部地區(qū)有特大暴雨；而后者主要使得廣東出現(xiàn)暴雨到大暴雨，且局地出現(xiàn)特大暴雨。

圖2 2016 年秋季臺風(fēng)（a）“莫蘭蒂”（9 月14～15 日）、（b）“鲇魚”（9 月27～30 日）、（c）“莎莉嘉”（10 月17～19 日）和（d）“海馬”引起的降水量分布，單位：mmFig. 2 Distributions of accumulated precipitation (units: mm) caused by typhoons (a) Meranti (September 14-15), (b) Megi (September 27-30),(c) Sarika (October 17-19), and (d) Haima (October 20-21) in fall of 2016

上述登陸臺風(fēng)產(chǎn)生的降水是造成我國南方降水偏多的原因之一，其大約占了秋季總降水量的25.3%。除了上述臺風(fēng)引起的降水異常以外，是否還存在其他環(huán)流因子導(dǎo)致降水量的異常？這里，我們利用識別熱帶氣旋降水方法（任福民等, 2001; 王詠梅等, 2006）分離出由臺風(fēng)引起的降水量。圖3給出了去除了臺風(fēng)降水后降水量異常分布。由圖3可見，盡管去除了臺風(fēng)引起的降水量以后，2016年秋季南方降水仍較往年明顯偏多，且東南沿海大部地區(qū)降水量達120 mm 以上，偏多至少五成，局部地區(qū)偏多1 倍以上（圖3）。因此除了臺風(fēng)引起的降水異常以外，一定還存在其他因子導(dǎo)致2016年秋季我國南方降水異常偏多。

圖3 去除臺風(fēng)影響后的2016 年秋季全國降水量（等值線，單位：mm）及降水距平百分比（填色）分布Fig. 3 Distributions of accumulated precipitation (contours, units:mm) and precipitation anomaly percentage (shaded) over China in fall of 2016 with the typhoon-related precipitation removed

3.3 大氣環(huán)流異常特征

圖4a 給出了2016 年秋季500 hPa 位勢高度及其距平場、850 hPa 風(fēng)場和200 hPa 緯向風(fēng)場。由圖4 可見，位于鄂霍次克海附近的低值中心強度偏強，有利于其南側(cè)的副熱帶西風(fēng)急流增強，該急流的中心風(fēng)速達50 m s-1。歐亞中高緯呈現(xiàn)出“西高東低”和“北高南低”的經(jīng)向型環(huán)流，西伯利亞北部處于偏強高壓脊控制區(qū)，自烏拉爾山經(jīng)貝加爾湖至白令海為寬廣的低槽區(qū)，新疆地區(qū)位于低槽前部，導(dǎo)致該地區(qū)秋季降水異常偏多（梅雙麗和牛若蕓,2017）。我國東北地區(qū)上空為負(fù)高度距平所控制，有利于來自高緯度的冷空氣向南入侵，加上南方水汽輸送偏強，可能是該地區(qū)秋季降水異常偏多的主要原因（竺夏英和宋文玲, 2017）。而黃河以南地區(qū)呈正高度距平，不利于冷空氣南下。西太平洋副熱帶高壓呈西西南—東東北走向，較常年強度達到最強（圖略）、面積明顯偏大、脊線偏北、西伸脊點偏西。

從2016 年秋季850 hPa 風(fēng)場距平（圖4b）上可見，赤道印度洋地區(qū)為偏南風(fēng)異常，90°E 附近向北的越赤道氣流異常偏強。孟加拉灣上空的異常西風(fēng)途徑中南半島北部后繼續(xù)北上，我國南方地區(qū)出現(xiàn)南風(fēng)異常。日本島東側(cè)存在一異常反氣旋性環(huán)流中心，其南側(cè)的東風(fēng)異常氣流一直向西延伸至菲律賓附近，并與來自孟加拉灣的西南異常氣流在南海南部上空匯合，隨后北上到達我國南方地區(qū)。

圖4c 為2016 年秋季海平面至300 hPa 整層積分水汽通量及水汽通量散度距平場。我國秋季降水異常與兩支水汽通道偏明顯強有關(guān)，其中一支來源于赤道印度洋，其上空向北的水汽輸送與孟加拉灣的偏西水汽輸送匯合后繼續(xù)東行，越過中南半島后經(jīng)南海北部進入我國，而后繼續(xù)向北輸送水汽至南方地區(qū)上空。另一支來自西太平洋副熱帶高壓南側(cè)，其上空異常偏東的水汽輸送西行至菲律賓附近轉(zhuǎn)而北上，向我國南部輸送水汽。南方地區(qū)上空出現(xiàn)異常偏強的水汽輻合，表明暖濕氣流水汽輸送偏強，為該地區(qū)秋季降水提供了十分充足的水汽條件。

形成降水的另一個必要條件是垂直上升運動。從2016 年秋季沿113°～122°E 緯向平均的經(jīng)向垂直環(huán)流圖（圖4d）上可以看出，10°～30°N 存在大范圍一致的上升運動，上升氣流到達對流層上部后南北分流，向北的一支在40°N 附近下沉，向南的一支則流向赤道。垂直速度場距平上表現(xiàn)出我國南方地區(qū)從低層到高層均有明顯的垂直速度正距平，上升運動強烈，且在700 hPa 和500 hPa 附近出現(xiàn)了極大值。東亞副熱帶西風(fēng)急流較往年偏強，上述上升運動區(qū)剛好位于高空急流入口區(qū)的右側(cè)，高層輻散產(chǎn)生的抽吸作用有利于上升運動加強并得以維持，從而有利于降水的發(fā)生發(fā)展（Whitney, 1977）。

圖4 2016 年秋季大氣環(huán)流及其異常分布：（a）500 hPa 位勢高度場（黑色等值線，單位：gpm）及其距平場（填色，單位：gpm）（粗紅線為氣候平均的5880 等值線）、850 hPa 風(fēng)場（箭頭，單位：m s-1）及200 hPa 緯向風(fēng)場（藍(lán)色等值線，單位：m s-1）；（b）850 hPa 風(fēng)場距平（箭頭，單位：m s-1）及經(jīng)向風(fēng)分量距平（等值線，單位：m s-1）；（c）地面至300 hPa 整層積分水汽通量距平場（箭頭，單位：kg m-1 s-1）及水汽通量散度距平場（填色，單位：10-5 g m-2 s-1）；（d）沿113°～122°E 緯向平均的經(jīng)向垂直環(huán)流（箭頭，兩個分量為經(jīng)向風(fēng)和垂直速度，單位分別為m s-1 和-10-2 Pa s-1）和緯向風(fēng)（藍(lán)色等值線，單位：m s-1）及其距平場（黑色等值線，單位：m s-1）、垂直速度距平場（填色，單位：-10-2 Pa s-1）Fig. 4 Atmospheric circulation and its anomalies in fall of 2016: (a) Geopotential height (black contours, units: gpm) and its anomalies (shaded, units:gpm) at 500 hPa (the thick red line denotes the 5880 contours of the climatological mean), winds at 850 hPa (arrows, units: m s-1), and zonal winds at 200 hPa (blue contours, units: m s-1); (b) wind anomalies (arrows, units: m s-1) and meridional wind anomalies (contours, units: m s-1) at 850 hPa;(c) anomalies of moisture flux integrated from the surface up to 300 hPa (arrows, units: kg m-1 s-1) and its divergences (shaded, units: 10-5 g m-2 s-1);(d) meridional vertical circulation averaged from 113°E to 122°E (arrows, meridional wind, and vertical velocity in m s-1 and -10-2 Pa s-1,respectively), zonal wind (blue contours, units: m/s) and its anomalies (black contours, unit: m s-1), vertical velocity anomalies (shaded, units: -10-2 Pa s-1)

4 環(huán)流異常成因分析

造成大范圍環(huán)流異常的主要影響因子可以分為大氣內(nèi)部變率和外強迫信號，其中，海溫異常作為外強迫之一，常常對大范圍大氣環(huán)流異常有重要作用，本文將從這一角度展開討論。

圖5a 給出了2016 年秋季海溫與多年平均的秋季海溫之差?？梢钥闯龀嗟捞窖蟪尸F(xiàn)出東冷西暖即東西偶極子型的海溫異常分布，北太平洋呈南冷北暖的海溫異常，西北太平洋、西南太平洋、東南太平洋、北大西洋及印度洋北部則主要為海溫正距平控制。

考慮到由于溫室效應(yīng)導(dǎo)致的全球變暖已是不爭的事實（Izrael et al., 2007），因此上述海溫異常既包含了海溫年際異常，也包含了與全球海溫增暖相聯(lián)系的海溫年代際異常。這里我們將2016 年秋季海溫異常分離成兩部分，即時間尺度相對較短的年際異常和時間尺度相對較長的年代際異常，海溫年際異常用2016 年秋季海溫減去近十年（2006～2015 年）秋季平均海溫表征（圖5b），我們也用不同的十年平均，如2005～2014 年，2008～2017年平均，得到的結(jié)果并無太大差異，而年代際異常則用近十年（2006～2015 年）秋季平均海溫減去多年（1956～2005 年）平均的秋季海溫表征（圖5c）。由圖5b 可見，太平洋海溫的年際異常分布與2016年秋季異?；疽恢拢罢弋惓３潭容^后者弱，此外，印度洋和北大西洋海溫的年際異常表現(xiàn)出負(fù)距平。由圖5c 可見，年代際海溫異常明顯的海區(qū)主要出現(xiàn)在印度洋、北大西洋和北太平洋中緯度地區(qū)，海溫均異常偏高。對比上述海溫異常的分布可以發(fā)現(xiàn)，2016 年秋季太平洋海溫異常以年際變化為主，而北大西洋和北印度洋海溫異常則與背景場增暖有關(guān)。接下來，我們將分別探究海溫年際異常和背景場增暖對我國南方秋季降水的可能影響。

圖5 2016 年秋季海溫異常分布：（a）2016 年秋季海溫與多年（1956～2005 年）平均的秋季海溫之差（單位：°C）；（b）2016 年秋季海溫與近十年（2006～2015 年）秋季平均海溫之差（填色，單位：°C）和850 hPa 風(fēng)場距平（箭頭，單位：m s-1）；（c）近十年秋季平均海溫與多年平均的秋季海溫之差（單位：°C）Fig. 5 Distributions of SST (Sea Surface Temperature) anomalies in fall of 2016: (a) Differences between SST in 2016 and multiyear-averaged(1956-2005) SST (units: °C); (b) differences (shaded, units: °C) between SST in 2016 and averaged SST in the past ten years (2006-2015) in fall and corresponding wind differences at 850 hPa (arrows, units: m s-1); (c) differences between averaged SST in the past ten years and multiyear-averaged SST in fall (units: °C)

4.1 海溫年際異常對我國南方秋季降水的可能影響

一些學(xué)者認(rèn)為2016 年秋季西太平洋生成臺風(fēng)個數(shù)異常偏多與海溫異常有關(guān)。Zhan et al.（2017）提出2016 年9～10 月臺風(fēng)異常偏多可能是西太平洋增暖和中東太平洋類似La Ni?a 型的海溫分布共同作用的結(jié)果，Wang et al.（2019）則認(rèn)為2016 年秋季北印度洋海溫偏冷、赤道西太平洋海溫偏暖以及赤道中東太平洋海溫偏冷的三極型海溫模態(tài)（tripolar SST pattern），是造成東西風(fēng)在西太平洋輻合的可能原因（圖5b），進而促使熱帶氣旋的生成和發(fā)展。2016 年秋季登陸我國的熱帶氣旋個數(shù)異常偏多也可能與La Ni?a 型的海溫異常分布有關(guān)。Liu and Chan（2003）和Wu et al.（2004）指出秋季9～11 月La Ni?a 型的海溫異常分布可導(dǎo)致熱帶印度洋上的西風(fēng)異常向東延伸至中國南海地區(qū)，南海上空出現(xiàn)正渦度異常，與此同時，西太平洋副熱帶高壓增強西伸，這樣的環(huán)流形勢十分有利于登陸我國的臺風(fēng)偏多。因此，2016 年秋季熱帶太平洋西暖東冷的偶極子型海溫異常分布可能是導(dǎo)致臺風(fēng)異常偏多的主要原因，但該結(jié)論仍需要數(shù)值模式的驗證。

圖6a 為去除臺風(fēng)降水后2016 年秋季我國降水的年際變化。由圖6 可見，南方地區(qū)的降水分布特征與圖3 大致相同，但福建南部的降水大值區(qū)范圍南擴至廣東東部及整個臺灣地區(qū)，與之匹配的對流層中、低層大氣環(huán)流距平場（圖6b）也與圖4a 和b 極其相似，只是我國南方地區(qū)上空850 hPa 南風(fēng)異常略有增加。因此，年際異?？赡苁菍?dǎo)致2016 年我國秋季降水異常和東亞大氣環(huán)流異常的主要原因。

圖6 2016 年秋季相對近十年秋季平均的氣象要素差值場分布：（a）降水（臺風(fēng)除外）距平百分比；（b）位勢高度距平場（填色，單位：gpm；等值線為2016 年秋季的500 hPa 位勢高度場）及850 hPa 風(fēng)場距平（箭頭，單位：m s-1）Fig. 6 Distributions of differences of fall meteorological variables between 2016 and the past 10-year average: (a) Precipitation (typhoon-related precipitation removed) anomaly percentage; (b) geopotential height anomalies at 500 hPa (shaded, units: gpm; contours denote a 500 hPa geopotential height in fall of 2016.) and wind anomalies at 850 hPa (arrows, units: m s-1)

圖7 為1967～2015 年年際時間尺度上中國南方秋季降水指數(shù)與全球同期海溫的相關(guān)系數(shù)及850 hPa 回歸風(fēng)場。由圖可見，中國南方秋季降水年際變化與赤道西太平洋西部和西北部的海溫呈顯著的正相關(guān)，說明當(dāng)赤道西太平洋和西北太平洋海溫偏高時，我國南方秋季降水偏多，這與2016 年秋季兩片海區(qū)的海溫異常分布相一致。此外，兩片海區(qū)上空的回歸風(fēng)場也與2016 年秋季相類似，赤道西太平洋存在東西異常風(fēng)的輻合，風(fēng)場輻合區(qū)與海溫暖異常相對應(yīng)，表明該地區(qū)的海氣之間明顯表現(xiàn)為海洋對大氣的強迫作用。另外，西北太平洋上空也存在一異常反氣旋式環(huán)流，其形成也可能與赤道西太平洋異常增暖有關(guān)。已有研究表明，當(dāng)西太平洋暖池異常偏暖時，其上空的對流活動異常增強，進而造成Hadley 環(huán)流增強，同時其北側(cè)的下沉支增強北移動（黃榮輝和孫鳳英, 1994），可導(dǎo)致西太平洋副熱帶高壓增強北移（李業(yè)進和王黎娟, 2016）。

圖7 年際尺度上的中國南方秋季降水指數(shù)與全球同期海溫的相關(guān)（填色，斜線區(qū)域表示通過信度為95%的顯著性檢驗）及850 hPa 回歸風(fēng)場（箭頭，單位：m s-1，粗箭頭表示通過信度為95%的顯著性檢驗）Fig. 7 Simultaneous correlation coefficients between the fall precipitation index in southern China and global SST on interannual time scales (shaded;the slashed areas denote the values significant at a confidence level of 95%) and regression coefficients of wind at 850 hPa (arrows; the thick arrows denote the values significant at a confidence level of 95%)

上述分析表明，2016 年秋季赤道西太平洋和西北太平洋年際時間尺度上的異常增暖可能是造成2016 年秋季西太平洋副熱帶高壓強度偏強、位置偏西偏北的重要原因，同時也是導(dǎo)致南方降水異常偏多的重要原因。

4.2 海溫背景場增暖對我國南方秋季降水的可能影響

與年際異常類似，海溫的年代際異常也可能通過影響大氣環(huán)流從而對我國南方降水產(chǎn)生影響。圖8a 給出了近十年秋季平均相對多年秋季平均的降水距平百分比。由圖可見，我國南方大部分地區(qū)為降水正異常，偏多五成以內(nèi)的臺站主要分布在江西大部、福建北部、浙江大部以及安徽和湖北南部地區(qū)。從相應(yīng)的500 hPa 位勢高度異常場（圖8b）上可以看出，北半球?qū)α鲗又袑訋缀跞珵槲粍莞叨日惓Ｋ刂?，中緯度地區(qū)上空出現(xiàn)了三個位勢高度正異常大值中心，分別位于歐洲中部、北太平洋和北美東部，西太平洋副熱帶高壓也有所增強。從850 hPa 風(fēng)場距平（圖8b）上可見，庫頁島以東的北太平洋上為一異常反氣旋式環(huán)流中心，其與位勢高度正異常相對應(yīng)。西太平洋副熱帶高壓南側(cè)的異常東風(fēng)與來自孟加拉灣的異常西風(fēng)在菲律賓附近上空輻合，進而北上到達我國南方地區(qū)。上述大氣環(huán)流的異常分布特征與2016 年秋季環(huán)流異常場（圖3、圖4a 和b）存在相似之處，但異常程度相對偏弱。因此，海溫背景場的增暖可能對2016 年秋季我國南方降水異常起次要作用。

圖8 近十年秋季平均相對多年秋季平均的氣象要素差值場分布：（a）降水距平百分比；（b）位勢高度距平場（填色，單位：gpm；等值線為近十年秋季平均的500 hPa 位勢高度場）及850 hPa 風(fēng)場距平分布（箭頭，單位：m s-1）Fig. 8 Distributions of differences of fall meteorological variables between average in the last ten years and multiyear average: (a) Precipitation anomaly percentage; (b) geopotential height anomalies at 500 hPa (shaded, units: gpm; contours denote a 500 hPa geopotential height in fall of 2016)and wind anomalies at 850 hPa (arrows, units: m s-1)

此外，熱帶地區(qū)的環(huán)流異常（圖8b）表現(xiàn)出了一定的獨特性。赤道印度洋和赤道西太平洋上均盛行較為一致的異常東風(fēng)氣流，中東太平洋及熱帶大西洋則為西風(fēng)異常，而東南太平洋上空則為一較強的異常氣旋式環(huán)流?，F(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn)，在年代際和多年代際尺度上，印度洋海溫變化可通過大氣橋?qū)μ窖蟮貐^(qū)產(chǎn)生影響，印度洋海溫增暖主要通過調(diào)整印度—太平洋地區(qū)上空東西向Walker 環(huán)流，從而對太平洋上空的大氣環(huán)流系統(tǒng)產(chǎn)生影響（Johnson and Xie, 2010; Luo et al., 2012）。相對于印度洋，大西洋海溫的年代際變化對太平洋地區(qū)的影響較為復(fù)雜，且其影響主要可通過熱帶和熱帶外兩種途徑。其熱帶途徑為：通過熱帶大西洋增暖產(chǎn)生的對流響應(yīng)和大氣非絕熱加熱引起的Gill 型響應(yīng)，在熱帶大西洋出現(xiàn)Walker 環(huán)流的異常上升支，相應(yīng)地在赤道中東太平洋出現(xiàn)異常的下沉支，并通過風(fēng)—蒸發(fā)—海溫反饋機制可導(dǎo)致赤道中東太平洋出現(xiàn)冷海溫異常和赤道西太平洋暖海溫異常，東西向海溫異常反過來又進一步加強太平洋地區(qū)的Walker環(huán)流，并有利于拉尼娜事件的發(fā)生（Kucharski et al., 2016; Li et al., 2016）。而熱帶外途徑則為：北大西洋增暖后通過增強局地的對流活動和北太平洋的下沉運動，可導(dǎo)致副熱帶北太平洋高壓異常增強以及西北太平洋異常反氣旋的生成（在圖8b 中得到大致的體現(xiàn)），并通過局地海氣相互作用致使西北太平洋海溫異常升高（Sun et al., 2017）。

然而，上述兩片海區(qū)的年代際增暖是否對2016 年秋季南方降水異常產(chǎn)生影響？如有影響，其影響過程和機制如何還有待通過數(shù)值模擬來驗證。

5 數(shù)值模擬

以上分析表明，2016 年秋季熱帶西太平洋和西北太平洋年際尺度上的異常偏暖可能是導(dǎo)致同期我國南方降水偏多的主要原因，然而，基于觀測資料分析則無法確定熱帶西太平洋和其他海區(qū)的海溫異常所起的作用以及它們的相對重要性。此外，印度洋和北大西洋年代際上的異常增暖是否對2016年秋季降水也存在影響？接下來，我們將利用CAM5.3 模式進行模擬研究。

5.1 試驗方案

本文共設(shè)計了1 個控制試驗和9 個敏感性試驗（表1），以探究不同海區(qū)的海溫異常對我國南方秋季降水的可能影響?？刂圃囼炓?981～2010 年秋季平均的氣候態(tài)海溫作為下邊界條件，共運行20 年，然后取后15 年模式輸出結(jié)果進行分析。9個敏感性試驗與控制試驗相同，不同之處在于每個敏感性試驗后15 年的運行過程中在不同的海區(qū)9～11 月間分別疊加了觀測的海溫異常分布。

表1 試驗方案Table 1 Schemes of the numerical experiments

5.2 試驗結(jié)果分析

在9 個敏感性試驗中，其中3 個敏感性試驗的結(jié)果表現(xiàn)為我國南方降水明顯增多，它們分別是TWP、SEP 和NA 試驗，表明2016 年秋季赤道西太平洋和東南太平洋海溫異常偏高以及北大西洋的異常增暖都會對2016 年我國南方秋季降水異常產(chǎn)生影響。而其他6 組敏感性試驗中的海溫異常則對華南秋季降水均無明顯影響，因此，這6 個海區(qū)的海溫異常并非是影響2016 年秋季我國南方地區(qū)降水偏多的關(guān)鍵區(qū)域，其結(jié)果這里不再贅述。下面我們主要討論TWP、SEP 和NA 三個數(shù)值試驗的結(jié)果。

5.2.1 TWP 試驗

圖9a 給出了TWP 試驗與CTL 試驗中模擬的秋季降水量差值分布。由圖可見，赤道西太平洋海溫異常偏暖可導(dǎo)致我國華南秋季降水明顯增多，華南大部分地區(qū)降水偏多達兩成以上。

從兩個試驗?zāi)M的秋季500 hPa 位勢高度差值場（圖9b）上可見，我國東部地區(qū)至西北太平洋上空為一個顯著的正位勢高度異常，表明赤道西太平洋海溫異常增暖可導(dǎo)致西北太平洋副熱帶高壓明顯增強、位置偏北偏西。另外，從位勢高度差值場上還可以看到，貝加爾湖至日本以東上空為一位勢高度負(fù)異常區(qū)，白令海到北美阿拉斯上空為一位勢高度場正異常區(qū)，而整個北美上空為位勢高度負(fù)異常，上述位于東亞沿岸正負(fù)相間的位勢高度異常場分布類似于夏季東亞—太平洋遙相關(guān)型波列（Huang and Li, 1987）。因此，當(dāng)秋季赤道西太平洋海溫異常偏高時，可通過激發(fā)類似東亞—太平洋遙相關(guān)型波列，從而對西太平洋副熱帶高壓強度和位置產(chǎn)生影響，致使西北太平洋副熱帶高壓明顯增強、位置偏北偏西，有利于華南秋季降水異常增多。

圖9 TWP 試驗與CTL 試驗?zāi)M結(jié)果的差值場分布：（a）降水距平百分比（斜線區(qū)域表示通過信度為90%的顯著性檢驗）；（b）500 hPa位勢高度距平場（等值線，單位：gpm，陰影表示通過信度為90%的顯著性檢驗）及850 hPa 風(fēng)場距平分布（箭頭，單位：m s-1，粗箭頭表示通過信度為90%的顯著性檢驗），“A”和“C”分別表示反氣旋和氣旋Fig. 9 Distributions of differences of simulations between TWP (Tropical Warm Pool) and CTL experiments: (a) Precipitation anomaly percentage(slashed areas denote the values significant at a confidence level of 90%); (b) geopotential height anomalies at 500 hPa (contours, units: gpm; shaded areas denote the values significant at a confidence level of 90%) and wind anomalies at 850 hPa (arrows, units: m s-1; the thick arrows denote the values significant at a confidence level of 90%), “A” and “C” represent the cyclone and anticyclone, respectively

從兩個試驗850 hPa 風(fēng)場的差值場（圖9b）上清楚可見，赤道西太平洋海溫異常增暖在對流層低層產(chǎn)生了類似于Gill 型的響應(yīng)（Gill, 1980），即赤道印度洋、海洋性大陸以及熱帶西太平洋上空出現(xiàn)西風(fēng)異常，而在熱帶中東太平洋上空出現(xiàn)東風(fēng)異常，東西風(fēng)異常在赤道西太平洋附近輻合。同時，在中南半島至南海上空出現(xiàn)了一個異常氣旋性環(huán)流，該異常氣旋性常環(huán)流并向東南方向擴展至菲律賓以東及赤道地區(qū)，而臺灣以東及日本以南的西北太平洋上為一異常反氣旋性環(huán)流，與觀測結(jié)果相一致。上述南海至菲律賓以東地區(qū)的異常氣旋性環(huán)流同樣有利于類似夏季南海至赤道西太平洋地區(qū)季風(fēng)槽的形成。前人研究也表明，當(dāng)赤道西太平洋異常偏暖時，西北太平洋季風(fēng)槽位置偏北偏西，西北太平洋上空臺風(fēng)生成位置和移動路徑偏北偏西，從而導(dǎo)致影響我國的臺風(fēng)個數(shù)偏多（Chen and Huang, 2008）。這也可以從控制試驗和TWP 試驗中模擬的熱帶渦旋的個數(shù)加以驗證（圖10）。這里，我們參考Chelton et al.（2011）和黃挺等（2020）的方法，把850 hPa上同時滿足以下條件的大氣擾動定義為熱帶渦旋：（1）擾動中心位于20°S～20°N；（2）流場上有明顯的氣旋式環(huán)流；（3）相對渦度小于0；（4）渦旋直徑小于等于700 km。經(jīng)統(tǒng)計，CTL 試驗中秋季西太平洋和西北太平洋上空出現(xiàn)了24 個熱帶渦旋，而TWP 試驗中的熱帶渦旋明顯增加，總數(shù)達到了35 個，且其強度和持續(xù)時間均有明顯增加、移動路徑偏北偏西。以上結(jié)果也從一定程度上解釋了2016 年秋季臺風(fēng)為何異常偏多。

圖10 （a）CTL 試驗和（b）TWP 試驗?zāi)M的秋季西太平洋和西北太平洋上空逐個渦旋生成位置（圓點）及移動路徑（折線）Fig. 10 Vortex generation positions (dots) and moving tracks (broken lines) over the western and northwestern Pacific in fall by (a) CTL and(b) TWP experiment

綜上所述，赤道西太平洋海溫異常偏高時，一方面通過激發(fā)一個類似夏季東亞—太平洋型遙相關(guān)的波列影響西太平洋副熱帶高壓強度和位置，導(dǎo)致西太平洋副熱帶高壓明顯增強、位置明顯偏北偏西，另一方面，通過在對流層低層產(chǎn)生類似Gill 型的大氣響應(yīng)，在南海至菲律賓以東地區(qū)產(chǎn)生異常氣旋性環(huán)流（類似于夏季南海—西太平洋季風(fēng)槽），有利于臺風(fēng)的發(fā)生發(fā)展，從而對我國華南秋季降水產(chǎn)生影響。

5.2.2 SEP 試驗

圖11a 為SEP 試驗與CTL 試驗中模擬的秋季降水量差值分布。由圖可見，東南太平洋出現(xiàn)異常暖海溫時，我國南方地區(qū)秋季降水偏多，且西部和西南部分別出現(xiàn)了偏多兩成以上的降水。

從兩個試驗500 hPa 高度場及850 hPa 風(fēng)場的差值場（圖11b）上可見，東南太平洋上空為顯著的氣旋性環(huán)流異常和負(fù)位勢高度異常，同時，在東南太平洋經(jīng)南美、南大西洋、南印度洋至澳洲西部的中高緯地區(qū)呈現(xiàn)出一支正負(fù)相間的位勢高度異常波列。該異常波列非常類似于南半球中高緯地區(qū)太平洋南美振蕩（Pacific South American oscillation，簡稱PSA）（Mo and Ghil, 1987; Szeredi and Karoly,1987a, 1987b）。當(dāng)該異常波列傳播到澳大利亞及以北上空時為一明顯的氣旋性異常環(huán)流，并在熱帶西印度洋、南海和熱帶西太平洋上空形成一致的西風(fēng)異常，同時在南海北部至菲律賓以東的西北太平洋形成異常的氣旋式環(huán)流（類似于南?！鞅碧窖蠹撅L(fēng)槽），從而對我國南方降水產(chǎn)生影響。

圖11 同圖9，但為SEP 試驗與CTL 試驗的差值場Fig. 11 Same as Fig. 9, but for the differences between SEP and CTL experiments

5.2.3 NA 試驗

圖12a 給出了NA 試驗與CTL 試驗中模擬的秋季降水量差值分布。由圖可見，北大西洋的異常增暖也可導(dǎo)致我國南方降水異常偏多，在30°N 附近偏多達四成以上。

從兩個試驗?zāi)M的秋季500 hPa 位勢高度差值場（圖12b）上可見，在西北大西洋至歐亞地中海上空明顯構(gòu)成了一個負(fù)—正—負(fù)—正位勢高度中心相間的異常波列。從200 hPa 準(zhǔn)定常波活動通量異常（圖略）上可更直觀地看到該波列的傳播特征，即源自加拿大東海岸經(jīng)北大西洋向西南歐方向傳播，并在歐亞大陸中緯地區(qū)繼續(xù)向下游一直傳播到阿拉伯半島、阿拉伯半島及印度半島上空。而從兩個試驗?zāi)M的850 hPa 差值風(fēng)場（圖12b）上則可以清楚看出，熱帶大西洋及以西地區(qū)上空激發(fā)出了明顯的西風(fēng)異常，而在熱帶印度洋上空出現(xiàn)了一致的東風(fēng)異常。上述東西風(fēng)異常分布非常類似于低緯熱帶大氣對熱帶北大西洋異常增暖在其東西兩側(cè)分別所產(chǎn)生的Kelvin 波和Rossby 波響應(yīng)（Gill, 1980）。相應(yīng)地，在熱帶西太平洋上空也出現(xiàn)了顯著的東風(fēng)異常，這也與Ham et al.（2013）的研究結(jié)果相一致，他們也發(fā)現(xiàn)熱帶印度洋上空對流層大氣對熱帶北大西洋的非絕熱加熱可產(chǎn)生Kelvin 波型的正厚度異常的響應(yīng)，并且當(dāng)該異常信號在東傳的過程中可在熱帶西太平洋形成明顯的東風(fēng)異常。以上熱帶洋面上空的風(fēng)場異常分布與海溫年代際變化對應(yīng)的低層風(fēng)場異常特征（圖8b）較為相似。尤其值得注意的是，在副熱帶西北太平洋上空相應(yīng)出現(xiàn)了異常的反氣旋式環(huán)流，該異常反氣旋環(huán)流的形成也與Kelvin 波東傳至熱帶西太平洋地區(qū)上空有關(guān)（容新堯等, 2010; Ham et al., 2013）。

圖12 同圖9，但為NA 試驗與CTL 試驗的差值場Fig. 12 Same as Fig. 9, but for the differences between NA and CTL experiments

綜合所述，秋季北大西洋的異常增暖，可能主要通過在熱帶地區(qū)激發(fā)向東傳播的Kelvin 波，從而對西北太平洋副熱帶環(huán)流產(chǎn)生影響，進而影響到我國南方秋季降水。

6 結(jié)論和討論

2016 年秋季中國南方降水異常偏多，是近50年來秋季降水最多的年份。本文利用中國氣象臺站降水觀測資料、Hadley 海溫和NCEP/NCAR 再分析數(shù)據(jù)集等資料，分析了造成2016 年秋季中國南方降水異常偏多的環(huán)流特征及其海溫影響，得到了以下主要結(jié)論：

（1）2016 年秋季東亞副熱帶高空西風(fēng)急流異常偏強，中國南方地區(qū)剛好位于急流入口區(qū)的右側(cè)，為異常降水提供了有利的上升運動條件；同時，西太平洋副熱帶高壓較往年強度異常偏強、面積明顯偏大、位置偏北偏西，其西南側(cè)的偏南風(fēng)與來自孟加拉灣的異常西南氣流在南海上空匯合后北上到達中國南方地區(qū)，為中國南方異常降水提供了充足的水汽條件。

（2）2016 年秋季中國南方降水異常偏多的原因之一是同期西北太平洋臺風(fēng)生成數(shù)和登陸我國臺風(fēng)數(shù)都較往年異常偏多，而西北太平洋臺風(fēng)生成與登陸臺風(fēng)的異常偏多可能主要與熱帶西太平洋的海溫異常偏高有關(guān)。

（3）去除了登陸臺風(fēng)造成的降水量后，南方降水仍異常較往年偏多五成以上，而降水的異常偏多主要與年際尺度上熱帶西太平洋和東南太平洋海溫的異常偏高有關(guān)。通過一系列的數(shù)值試驗表明，熱帶西太平洋海溫異常偏高時，一方面通過激發(fā)一個類似夏季東亞—太平洋型遙相關(guān)的波列，導(dǎo)致西太平洋副熱帶高壓明顯增強、位置明顯偏北偏西，另一方面，通過在對流層低層產(chǎn)生類似Gill 型的大氣響應(yīng)，在南海至菲律賓以東地區(qū)產(chǎn)生異常氣旋性環(huán)流（類似于夏季南海—西太平洋季風(fēng)槽），從而對我國南方秋季降水產(chǎn)生影響。而東南太平洋海溫異常偏高時，通過激發(fā)一個類似跨越東南太平洋—南印度洋—澳大利亞的遙相關(guān)波列，引起熱帶西印度洋、南海和熱帶西太平洋上空大氣環(huán)流異常，從而對我國南方秋季降水帶來影響。

本文主要針對造成2016 年秋季我國南方降水異常的環(huán)流特征及海溫異常進行了分析。事實上，導(dǎo)致我國南方秋季降水異常的成因可能還有很多，如歐亞地表熱力異常（黃菱芳等, 2015）、多種大氣濤動（劉曉云等, 2016; 徐金霞等, 2017）等，這些因子是否對2016 年秋季降水存在影響有待進一步分析。