中國東北地區(qū)春季透雨早晚與2～3月熱帶印度洋海溫異常的聯(lián)系

徐士琦 4, 劉剛 2, 楊雪艷 廉毅 劉柏鑫 房一禾 胥珈珈

1 吉林省氣候中心, 長春 130062

2 吉林省突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心, 長春 130062

3 沈陽區(qū)域氣候中心, 沈陽 110016

4 東北冷渦研究重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室, 沈陽 110016

5 中高緯度環(huán)流系統(tǒng)與東亞季風(fēng)研究開放實(shí)驗(yàn)室, 長春 130062

6 吉林省白山市氣象局, 白山 134300

1 引言

中國東北地區(qū)是全國最大的商品糧食和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，糧食產(chǎn)量直接影響到國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。過去幾十年，氣象學(xué)者對于東北地區(qū)的天氣和氣候開展了大量研究，但這些研究多數(shù)是針對東北地區(qū)冬季、夏季的氣溫和降水（武炳義等, 2008; 沈柏竹等, 2011; 王會軍和賀圣平, 2013; 李尚鋒等, 2018），而對東北春季降水的研究較少。春季4～5月正值東北地區(qū)作物播種和出苗的關(guān)鍵期，自然降水是土壤水分的重要來源，也是作物增產(chǎn)的必要條件，這期間降水的強(qiáng)度及出現(xiàn)時(shí)間的早晚決定了土壤墑情（張脈惠等, 2012; 韋晉等, 2013;吳香華等, 2014）。春季透雨開始的早晚是決定春季旱澇的關(guān)鍵，它直接影響著春耕生產(chǎn)是否順利、苗情長勢以及全年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的年景。因此，研究春季透雨早晚對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有十分重要的意義和價(jià)值。

“透雨”主要指在天氣比較干旱的條件下，可以使當(dāng)?shù)刂饕r(nóng)作物在一個(gè)較長的時(shí)期內(nèi)，得到維持正常生長所需水分的一次降水過程（陶祖文和裴步祥, 1983）。中國北方旱作地區(qū)通常以浸透地表干土層并與底部濕土層相接的降水過程為“透雨”；而南方水作地區(qū)通常以基本能滿足作物正常生長發(fā)育需要時(shí)的降水過程為“透雨”。透雨的降水量界限因不同地區(qū)、不同干旱程度而異，尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。陶祖文和裴步祥（1983）從作物對土壤水分要求、土壤水分運(yùn)動、作物對土壤水分吸收、土壤深層的“接墑”和蒸發(fā)（散）的水分消耗等因素，認(rèn)為華北地區(qū)春季10 mm 的降水量僅濕潤10～20 cm 的耕作層，10～15 mm 的降水量能滿足春播出苗的需要，在土壤濕度很低時(shí)，則需要25 mm 以上的大雨降水過程。張強(qiáng)等（2003）綜合考慮了降水、底墑和蒸發(fā)的作用，在春旱指數(shù)的基礎(chǔ)上定義了中國三北地區(qū)春季第一場透雨的標(biāo)準(zhǔn)。西北地區(qū)將3～5月首次日降水量超過10 mm 的日期定義為首場透雨日期（林紓等, 2005; 納麗等, 2007）。東北地區(qū)黑龍江省和吉林省將第一場透雨日期定義為從4月1日起，第一場日降水量超過10 mm 的日期（程紅軍和蒲曉明, 2007），而遼寧省則定義首場透雨日期為4月1日起，第一場連續(xù)3 d 過程雨量之和≥10 mm 的最后一日（李輯等, 2008; 沈玉敏等, 2012）。

目前，已有很多氣象工作者對我國不同地區(qū)春季首場透雨進(jìn)行了研究。納麗等（2007）選用1961～2005年寧夏20 個(gè)站降水量，分析春季首場透雨出現(xiàn)日期的氣候特征及早晚年的環(huán)流背景發(fā)現(xiàn)：透雨偏早年前期赤道太平洋海溫以暖水位相為主，且3～4月寧夏處在500 hPa 高度場正負(fù)距平交匯處，冷空氣可以源源不斷地進(jìn)入，孟加拉灣洋面上水汽向北輸送；透雨偏晚年前期海溫維持以冷水位相，受脊前西北氣流控制，不利于冷空氣出現(xiàn)，從貝加爾湖伴隨冷空氣帶來的向南輸送的水汽影響寧夏，不利于明顯降水。林紓等（2005）將甘肅省河?xùn)|地區(qū)分成中部和隴東南兩個(gè)區(qū)域，分別討論了春季首場區(qū)域性透雨日期的年際和年代際變化特征。李輯等（2008）利用1961～2007年中國遼寧14 個(gè)站點(diǎn)4～5月的逐日降水資料進(jìn)行研究，指出春播期透雨出現(xiàn)時(shí)間偏晚（早）年，透雨量偏大（小），春播期總降水量偏少（多）。沈玉敏等（2012）進(jìn)一步指出遼寧省透雨偏早年，500 hPa 高度場上亞歐呈現(xiàn)“兩脊一槽”型，其中兩脊分別為“烏拉爾山高壓”和“鄂霍次克海高壓”，烏拉爾山高壓推動極地和貝加爾湖冷空氣南下，而鄂霍次克海高壓阻擋冷空氣侵入，遼寧大范圍被槽區(qū)所覆蓋；偏晚年，500 hPa 高度場上亞歐呈“兩槽一脊”型，遼寧處于高壓脊控制區(qū)。徐士琦和李棟梁（2016）曾研究分析了東北地區(qū)春季首場透雨出現(xiàn)日期的時(shí)空變化特征及其與透雨量和播種期降水量間的關(guān)系，以及對青藏高原地面加熱場強(qiáng)度異常的響應(yīng)和可能機(jī)制。

此前的許多研究工作大多通過計(jì)算皮爾遜相關(guān)系數(shù)或者時(shí)間滯后相關(guān)分析的方法尋找透雨日期的影響因子。然而，皮爾遜相關(guān)系數(shù)只反映了兩變量間的相關(guān)性，無法判斷兩者間的因果聯(lián)系，而且由于相關(guān)分析不區(qū)分方向性，在應(yīng)用上無法處理許多問題，例如重復(fù)性出現(xiàn)的過程。近年來Liang-Kleeman 的 信 息 流 方 法（Liang, 2014, 2016），利用給定時(shí)間序列間單位時(shí)間內(nèi)傳遞的信息來表征兩者間的因果關(guān)系。這一方法將為本文研究影響透雨早晚的因子提供新思路。本文在前期已有工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步收集整理了東北地區(qū)1961～2019年的逐日降水資料，從年際時(shí)間尺度上分析了該地區(qū)透雨早晚與環(huán)流系統(tǒng)和前期海溫的聯(lián)系，以期對東北地區(qū)春季透雨的預(yù)測提供某些前期信號。

2 資料與方法

2.1 資料

選用中國氣象局提供的東北地區(qū)（39°～55°N，118°～135°E）109 個(gè)站點(diǎn)逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，研究范圍包括黑龍江、吉林、遼寧及內(nèi)蒙古東部、河北東部的部分地區(qū)（圖1）。環(huán)流資料選用美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心和國家大氣研究中心（NCEP/NCAR）發(fā)布的逐月位勢高度、風(fēng)、垂直速度、比濕等再分析 資 料（Kalnay et al., 1996），水 平 分 辨 率 為2.5°×2.5°。海溫資料取美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的全球月平均海表溫度重建資料（Smith et al., 2008），水平分辨率為2°×2°。上述資料的研究時(shí)段均為1961～2019年。向外長波輻 射（OLR）資 料 來 自NOAA（Liebmann and Smith, 1996），水平分辨率為2.5°×2.5°，時(shí)段為1975～2019年。

圖1 中國東北地區(qū)109 個(gè)站點(diǎn)地理分布示意圖Fig. 1 Spatial distribution of 109 meteorological stations in Northeast China (NEC)

2.2 方法

本文將單站自4月1日起，日降水量首次超過10 mm（≥10 mm）的日期記為該站當(dāng)年春季透雨開始日期，并記錄下透雨開始日期與4月1日之間的日數(shù)差，如4月15日記為15，5月21日記為51。若透雨晚于6月1日出現(xiàn)，該年春季無透雨。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果（圖2a）看，1961～2019年東北春季透雨平均開始時(shí)間為5月7日，最早開始時(shí)間為4月16日（2002年），最晚開始時(shí)間為5月26日（1965年）。由于透雨日期具有顯著的年代際趨勢，為方便分析透雨開始日期的年際變率，下文所有數(shù)據(jù)均去除線性趨勢。

圖2 （a）東北春季透雨開始日期的時(shí)間序列；（b）東北春季透雨開始日期與4月、5月及春播期降水量的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列（去除線性趨勢）Fig. 2 (a) Time series of the onset date of spring soaking rain (SSR) in NEC; (b) standardized time series (with linear trend removed) of the onset date of SSR as well as precipitation during April, May, and April–May in NEC

由于東北春季透雨開始日期有很強(qiáng)的年際變化，年與年之間的差異很大，給環(huán)流分析帶來諸多不便。為此，我們首先檢驗(yàn)了東北春季透雨開始日期與東北春季降水量的關(guān)系。從圖2b 可以看出，1961～2019年東北春季首場透雨日期與4月降水量的相關(guān)系數(shù)為?0.71，與5月降水量的相關(guān)系數(shù)為?0.13，與春播期（4～5月）降水量的相關(guān)系數(shù)為?0.59。上述結(jié)果表明，春季透雨開始日期與4月降水量的變化具有顯著的一致性，二者的相關(guān)系數(shù)超過了99%的信度水平檢驗(yàn)；同時(shí)，1961～2019年春季首場透雨日期與4月降水量的距平反號率達(dá)到85%，即東北春季透雨開始時(shí)間越早，4月降水量越大。東北春季透雨開始日期與4月降水量較好的一致性為后面做診斷分析和機(jī)理解釋提供了方便。

文中涉及兩類海溫指數(shù)。Ni?o4 區(qū)海表溫度距平指數(shù)（Ni?o4 SSTA Index，簡稱“NINO4-I”）定義為赤道太平洋區(qū)（5°S～5°N，160°E～150°W）海溫距平的區(qū)域平均；熱帶印度洋全區(qū)一致海溫模態(tài) 指 數(shù)（Indian Ocean Basin-Wide Index，簡 稱“IOBW-I”)定 義為印度洋區(qū)域（20°S～20°N，40～110°E）海溫距平的區(qū)域平均。

使用基于Liang（2014, 2016）信息流理論的因果分析法驗(yàn)證前期關(guān)鍵區(qū)海溫與東北春季透雨開始日期之間的因果關(guān)系。具體框架如下，用兩個(gè)事件信息的傳遞來度量兩個(gè)事件的因果關(guān)系。設(shè)有兩個(gè)時(shí)間序列X1和X2，則信息從X2流向X1的速率表示為

其中，Cij為Xi和Xj的樣本協(xié)方差，Ci,dj為Xi和的樣本協(xié)方差。T2→1的單位為nats y?1，nats 為信息單位。實(shí)際計(jì)算中，使用歐拉前差近似給出

其中，k通常取1 即可，Δt為時(shí)間步長。根據(jù)以上公式計(jì)算出T2→1，若結(jié)果為0，則表示X2與X1沒有因果關(guān)系；若結(jié)果不為0，則表示二者有因果關(guān)系，此時(shí)，若T2→1>0 則表示X2作用于X1并使X1更加不穩(wěn)定；若T2→1<0 則表示X2作用于X1并使X1更加穩(wěn)定。

本文涉及的統(tǒng)計(jì)方法還包括線性相關(guān)和回歸分析。此外，我們對關(guān)鍵區(qū)海溫指數(shù)和東北透雨日期建立回歸方程，計(jì)算回歸結(jié)果與實(shí)際透雨日期間的方差比，作為前期海溫影響透雨早晚的貢獻(xiàn)率（施能, 2002）。全文采用student-t檢驗(yàn)對統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

3 中國東北春季透雨早晚年的環(huán)流特征

基于東北春季透雨開始日期的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列（圖2b），選取小于?0.5 的年份作為異常偏早年，大于0.5 的年份作為異常偏晚年，得到透雨偏早（開始時(shí)間集中在4月中下旬）的年份有1964、1968、1969、1979、1983、1988、1990、1991、1999、2002、2005、2010、2013、2015、2016，透雨偏晚（開始時(shí)間集中在5月中下旬）的年份有1965、1970、1971、1972、1985、1986、1989、1993、1994、1997、2001、2003、2006、2014、2017、2019。透雨偏早年和偏晚年對應(yīng)的4月總降水量合成差值（圖3）顯示降水量顯著偏多，再次證明了東北春季透雨開始時(shí)間越早，4月降水量越大。下面以對流層上層200 hPa 緯向風(fēng)場、中層500 hPa 位勢高度場和低層850 hPa 環(huán)流場為代表，進(jìn)行透雨偏早年和偏晚年4月環(huán)流場的合成分析。

圖3 中國東北春季透雨偏早年和偏晚年對應(yīng)的4月總降水量（單位：mm）合成差值場。紅點(diǎn)表示通過90%信度檢驗(yàn)的站點(diǎn)Fig. 3 Composite difference field of the total precipitation (units: mm)during April in early and late SSR years. Red dots denote statistical significance at the 90% confidence level

圖4 為透雨偏早年和偏晚年對應(yīng)的4月環(huán)流合成差值場。較透雨偏晚年而言，透雨偏早年200 hPa高層大氣（圖4a）中，東亞地區(qū)40°～60°N 范圍內(nèi)西風(fēng)氣流增強(qiáng)，而20°～40°N 范圍內(nèi)東風(fēng)氣流增強(qiáng)，這會在急流垂直方向上激發(fā)相應(yīng)的次級環(huán)流，使得急流出口區(qū)右側(cè)上升運(yùn)動增強(qiáng)（丁一匯,2005），為東北降水提供了有利的動力抬升條件。500 hPa 位勢高度場（圖4b）上，中高緯歐亞大陸的烏拉爾山地區(qū)、巴爾喀什湖到貝加爾湖區(qū)域、渤海到日本列島區(qū)域，自西向東呈“+ ? +”的波列結(jié)構(gòu)，衛(wèi)捷等（2003）和Wang and He（2015）將這種波列稱為EU 遙相關(guān)型。東北亞自西向東呈“? +”的異常環(huán)流分布，東亞大槽位置偏西，我國東北和華北地區(qū)為負(fù)距平高度場控制，極地高緯地區(qū)為顯著的正距平，烏拉爾山高壓脊有利于推動極地和貝加爾湖冷空氣南移，而日本海附近高壓的存在又阻擋了冷空氣東移，使得冷空氣在我國北方地區(qū)堆積。850 hPa 環(huán)流場（圖4c）與中高層環(huán)流場對應(yīng)較好，蒙古和西北太平洋上空分別出現(xiàn)異常氣旋和反氣旋環(huán)流，東北地區(qū)為顯著的偏南風(fēng)控制，有利于來自北印度洋、途徑孟加拉灣的暖濕氣流和來自西北太平洋的暖濕氣流向我國東北地區(qū)輸送。此外，降水產(chǎn)生的必要條件之一就是水汽條件，東北透雨的產(chǎn)生必然受到水汽影響。圖4d 可以清楚地看出，東北地區(qū)為顯著的水汽輻合區(qū)，水汽條件良好，有利于明顯降水產(chǎn)生。

圖4 中國東北春季透雨偏早年和偏晚年對應(yīng)的4月（a）200 hPa 緯向風(fēng)（單位：m s?1）、（b）500 hPa 位勢高度（單位：gpm）、（c）850 hPa 流場（單位：m s?1，填色區(qū)域代表經(jīng)向風(fēng)）、（d）整層水汽通量散度（單位：10?5 kg m?2 s?1）合成差值場。黑點(diǎn)表示通過90%的信度檢驗(yàn)Fig. 4 Composite difference field of zonal wind at (a) 200 hPa (units: m s?1), (b) geopotential height at 500h Pa (units: gpm), (c) flow field at 850 hPa(units: m s?1, color-filled indicates meridional wind) and (d) whole layer moisture flux dispersion (units: 10?5kg m?2 s?1）during April in the early and late SSR years. Dark dots denote statistical significance at the 90% confidence level

4 中國東北春季透雨早晚與海溫的關(guān)系

4.1 海溫對東北透雨早晚的影響

為尋找東北春季透雨早晚與海溫之間可能存在的聯(lián)系，圖5 給出了1961～2019年東北春季透雨開始日期與前秋、前冬、春季海溫之間的相關(guān)系數(shù)。在前秋（9～11月）海溫場中，熱帶印度洋和赤道太平洋存在顯著的負(fù)相關(guān)區(qū)，而西太平洋暖池有顯著正相關(guān)區(qū)（圖5a）。春季透雨開始日期與前冬（12～2月）海溫之間也有同樣的相關(guān)特征，但也存在一些不同。與前秋海溫相關(guān)分布相比，赤道太平洋的顯著負(fù)相關(guān)空間范圍縮小，而熱帶印度洋的顯著負(fù)相關(guān)區(qū)域增大，西太平洋暖池顯著正相關(guān)區(qū)減弱，親潮附近出現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)區(qū)（圖5b）。春季（3～5月）赤道太平洋的顯著負(fù)相關(guān)空間范圍繼續(xù)縮小，熱帶印度洋的顯著負(fù)相關(guān)區(qū)繼續(xù)增大且相關(guān)性更加顯著，親潮區(qū)的顯著負(fù)相關(guān)范圍明顯增大（圖5c）。不難發(fā)現(xiàn)，從前期秋季到同期春季，熱帶印度洋和赤道太平洋出現(xiàn)了明顯且持續(xù)的海溫異常信號。因此，我們著重討論熱帶印度洋和赤道太平洋海溫對東北透雨早晚的影響。

圖6 為1961～2019年東北春季透雨開始日期與前期9月至當(dāng)年5月NINO4-I 和IOBW-I 的反相關(guān)系數(shù)（相關(guān)系數(shù)原始值的相反數(shù)）?？梢?，透雨日期與NINO4-I 間的反相關(guān)系數(shù)在前期9月至當(dāng)年1月持續(xù)增大，而后減??；但與IOBW-I 間的反相關(guān)系數(shù)在前期9～12月持續(xù)增大，而后呈較為穩(wěn)定的波動變化。整體而言，IOBW 對東北透雨早晚的影響較NINO4 更加明顯且持久。已有研究表明，El Ni?o（La Ni?a）事件通常在夏季或秋季發(fā)展，在冬季達(dá)到最強(qiáng)，次年春季或夏季減弱（Yuan and Yang, 2012）。在El Ni?o（La Ni?a）事件發(fā)展的秋冬季，東亞副熱帶上空的羅斯貝波通過遙相關(guān)作用激發(fā)菲律賓附近的異常反氣旋（氣旋），進(jìn)而影響東亞氣候（Wang and Wu, 2012; Li et al., 2017）。IOBW 是熱帶印度洋變化的主要模態(tài)，IOBW 通常在冬季開始發(fā)展，在次年春季達(dá)到最強(qiáng)。根據(jù)“大氣橋”（Klein et al., 1999）或印度洋尼西亞貫穿流（Meyers, 1996）等機(jī)制， 當(dāng)赤道中東太平洋有El Ni?o（La Ni?a）事件發(fā)展時(shí)，熱帶印度洋海溫在冬季至次年春季往往表現(xiàn)為全區(qū)一致增暖（偏冷）。以往研究認(rèn)為，IOBW 是對El Ni?o 事件的延遲響應(yīng)（Xie et al., 2009; 黃剛等, 2016）。因此，IOBW對東北春季降水的影響持續(xù)時(shí)間要長于El Ni?o 事件（圖5、6）。IOBW-I 與透雨日期的反相關(guān)系數(shù)最大出現(xiàn)在前期12月（0.37）、2月（0.34）和3月（0.41），通過了99%的信度檢驗(yàn)。從海溫持續(xù)性角度，下文主要分析2～3月IOBW-I 對東北春季透雨早晚的影響。

圖5 東北春季透雨開始日期與（a）前秋、（b）前冬、（c）春季海溫場的相關(guān)分布。黑點(diǎn)表示通過90%的信度檢驗(yàn)Fig. 5 Correlation distributions of the onset date of SSR in NEC with SST field during (a) autumn, (b) winter, (c) spring. Dark dots denote statistical significance at the 90% confidence level

圖6 中國東北春季透雨開始日期與月際NINO4-I 和IOBW-I 間的反相關(guān)系數(shù)。虛線表示通過90%、95%、99%的信度檢驗(yàn)Fig. 6 Anticorrelation coefficients between the onset date of SSR in NEC and monthly NINO4-I (Ni?o4 SSTA Index) and IOBW-I (Indian Ocean Basin-Wide Index). Dashed lines denote statistical significance at the 90%, 95%, and 99% confidence level

圖7a 顯示了1961～2019年2～3月IOBW-I與東北春季透雨開始日期的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列。59年來，二者之間的反號比為66%，相關(guān)系數(shù)達(dá)?0.39（通過了99%的信度檢驗(yàn)），IOBW-I 對透雨日期的貢獻(xiàn)率為15%。同時(shí)計(jì)算了二者間11年的滑動反相關(guān)（圖7b），相關(guān)系數(shù)在在研究時(shí)段內(nèi)始終同號且在20 世紀(jì)80～90年代通過了90%的信度檢驗(yàn)，這意味著1961～2019年2～3月IOBW-I 對東北春季透雨日期的關(guān)系較為穩(wěn)定，且在20 世紀(jì)80～90年代間的相關(guān)最好。

為驗(yàn)證透雨早晚與海溫之間的相關(guān)性，對透雨異常偏早年和偏晚年的海溫場進(jìn)行合成（圖8）。可以看到，透雨偏早年，熱帶印度洋、西太平洋副熱帶地區(qū)和中太平洋海溫表現(xiàn)為顯著的正異常（圖8a）；透雨偏晚的年份對應(yīng)的海溫場空間分布幾乎相反，熱帶印度洋海溫表現(xiàn)為負(fù)異常（圖8b），這一結(jié)論與之前的分析相一致（圖5 至圖7）。同時(shí)注意到，相較透雨偏晚年對熱帶印度洋冷海溫的響應(yīng)而言，透雨偏早年對熱帶印度洋暖海溫的響應(yīng)更為明顯。

圖7 1961～2019年（a）2～3月IOBW-I 和東北春季透雨開始日期的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列；（b）2～3月IOBW-I 與東北透雨日期的11年滑動反相關(guān)系數(shù)。虛線：相關(guān)系數(shù)的90%信度檢驗(yàn)Fig. 7 (a) Standardized time series of February–March IOBW-I and the onset date of SSR in NEC; (b) 11-year slipping anticorrelation coefficients between February–March IOBW-I and the onset date of SSR (dashed line denote statistical significance at the 90% confidence level) during 1961–2019

圖8 1961～2019年2～3月海表溫度異常（單位：°C）的合成：（a）透雨偏早年；（b）透雨偏晚年。打點(diǎn)區(qū)表示通過90%的信度檢驗(yàn)Fig. 8 Composite maps of February–March SSTAs (units: °C) for the (a) early and (b) late years of SSR in NEC during 1961–2019. Dark dots denote statistical significance at the 90% confidence level

進(jìn)一步采用空間相關(guān)分析和因果關(guān)系理論驗(yàn)證2～3月IOBW-I 對東北春季透雨早晚的影響。從圖9a 可見，2～3月IOBW-I 與東北地區(qū)眾多站點(diǎn)的春季透雨開始日期呈顯著負(fù)相關(guān)，即2～3月IOBW-I 正（負(fù)）位相，有利于透雨開始偏早（晚）。圖9b 顯示，2～3月IOBW-I 與東北地區(qū)大部春季透雨開始日期的信息流結(jié)果小于0，按照信息流的定義及其解釋（Liang, 2014, 2016），表明IOBW-I 對東北春季透雨早晚的影響穩(wěn)定，即2～3月IOBW 變化是東北春季透雨早晚的重要影響源之一。?

圖9 1961～2019年2～3月IOBW-I 和東北春季透雨開始日期的（a）相關(guān)關(guān)系和（b）因果關(guān)系（從IOBW-I 到透雨日期的信息流結(jié)果）。紅點(diǎn)表示通過90%信度檢驗(yàn)的站點(diǎn)Fig. 9 (a) Correlations and (b) causalities (information flowing from IOBW-I to SSR) between February and March IOBW-I and the onset date of SSR in NEC during 1961–2019. Red dots denote statistical significance at the 90% confidence level

4.2 2～3月IOBW 影響東北透雨早晚的可能機(jī)制

由于海洋的“記憶”作用，海溫的變化往往表現(xiàn)出季節(jié)持續(xù)性，對氣候的影響也具有滯后性（陳麗娟等, 2013），也就是說，大氣對海溫的響應(yīng)具有延遲性（趙振國, 1999）。熱帶海洋中海溫顯著的年際變化可以通過改變海洋和大陸間的熱力對比，通過熱帶地區(qū)強(qiáng)烈的海氣作用影響低緯乃至中高緯地 區(qū) 的 大 氣 環(huán) 流（Han et al., 2018; Zhao et al.,2019）。因而，2～3月IOBW 異?？赡芡ㄟ^影響4月大氣環(huán)流進(jìn)而影響東北地區(qū)降水。

為進(jìn)一步說明2～3月IOBW 影響東北春季首場透雨早晚的可能機(jī)制，我們分析了與2～3月IOBW-I 相關(guān)的4月大氣環(huán)流異常。圖10 顯示了1961～2019年2～3月IOBW-I 與4月200 hPa 緯向風(fēng)、500 hPa 位勢高度場、850 hPa 環(huán)流場和整層水汽通量散度的回歸系數(shù)分布?？梢郧宄乜吹?，當(dāng)IOBW-I 正位相時(shí)，200 hPa 緯向風(fēng)場（圖10a）東亞地區(qū)40°～60°N 范圍內(nèi)西風(fēng)氣流增強(qiáng)，而20°～30°N 范圍內(nèi)東風(fēng)氣流增強(qiáng)，我國東北地區(qū)位于西風(fēng)急流出口區(qū)左側(cè)，為降水提供了有利的動力抬升條件。500 hPa 中高緯巴爾喀什湖到貝加爾湖區(qū)域和鄂霍次克海地區(qū)為顯著的負(fù)位勢高度異常，而顯著的正高度異常出現(xiàn)在渤海到日本列島區(qū)域，有利于東北亞地區(qū)自西向東呈“? +”的環(huán)流形勢（圖10b）。因此，在與2～3月IOBW-I 有關(guān)的850 hPa 環(huán)流場（圖10c）上，蒙古和西北太平洋上空分別出現(xiàn)一個(gè)氣旋和反氣旋，異常西南氣流向東亞延伸，在東北地區(qū)上空盛行，有利于熱帶海洋上的水汽輸送到東北地區(qū)，該地區(qū)水汽通量輻合（圖10d），偏強(qiáng)的水汽條件有利于明顯降水產(chǎn)生。對比上文圖3 的分析不難發(fā)現(xiàn)，與2～3月IOBWI 有關(guān)的環(huán)流異常和與東北春季首場透雨日期有關(guān)的環(huán)流異?；鞠嗤?/p>

圖10 1961～2019年2～3月IOBW-I 與4月（a）200 hPa 緯向風(fēng)（單位：m s?1）、（b）500 hPa 位勢高度（單位：gpm）、（c）850 hPa 流場（單位：m s?1，填色區(qū)域代表經(jīng)向風(fēng)）、（d）整層水汽通量散度（單位：10?5 kg m?2 s?1）的回歸分析。黑點(diǎn)表示通過90%的信度檢驗(yàn)Fig. 10 Linear regression of April (a) 200 hPa latitudinal wind (units: m s?1), (b) 500 hPa potential height (units: gpm), (c) 850 hPa flow field (units:m s?1, color-filled indicates meridional wind), and (d) whole layer moisture flux dispersion (units: 10?5 kg m?2 s?1) against the February–March IOBWI during 1961–2019. Dark dots denote statistical significance at the 90% confidence level

圖11 顯示了與2～3月IOBW-I 有關(guān)的4月向外長波輻射（OLR）和500 hPa 垂直速度（ω）的回歸分析結(jié)果。2～3月IOBW-I 偏強(qiáng)，4月OLR顯著負(fù)異常位于熱帶印度洋（20°～5°S），而OLR 顯著正異常位于熱帶西太平洋（5°～25°N）地區(qū)（圖11a）。這表明，2～3月熱帶印度洋海溫偏暖可能增強(qiáng)了熱帶印度洋同時(shí)削弱了熱帶西太平洋上的對流運(yùn)動，從而導(dǎo)致熱帶印度洋的上升運(yùn)動和熱帶西太平洋上的下沉運(yùn)動增強(qiáng)。同樣，2～3月IOBW 對對流層中層（圖11b）的影響也很顯著。4月熱帶西太平洋（5°～20°N）上空有異常的下沉運(yùn)動，顯著上升區(qū)位于熱帶印度洋和東亞副熱帶（20°～50°N）地區(qū)。因此，2～3月IOBW 異常對4月熱帶和副熱帶地區(qū)的大氣垂直運(yùn)動有著至關(guān)重要的影響。

圖11 1961～2019年2—3月IOBW-I 與（a）4月向外長波輻射（OLR，單位：W m?2）和（b）500 hPa 垂直速度（ω，單位：10?2 Pa s?1）的回歸分析。黑點(diǎn)表示通過90%的信度檢驗(yàn)Fig. 11 Linear regression of (a) the outgoing longwave radiation (OLR, units: W m?2) in April and (b) the vertical velocity at 500 hPa (ω, units: 10?2 Pa s?1) against the February–March IOBW-I during 1961–2019. Dark dots denote statistical significance at the 90% confidence level

進(jìn)一步計(jì)算了與2～3月IOBW-I 有關(guān)的從低層到高層的4月垂直環(huán)流場?？梢?，沿47.5°N 剖面場上120°～135°E 垂直速度呈顯著負(fù)異常（圖12a）；沿127.5°E 剖面場上40°～50°N 垂直速度呈顯著負(fù)異常（圖12b）。也就是說，2～3月IOBW-I 異常偏強(qiáng)，4月東北地區(qū)有強(qiáng)烈的上升運(yùn)動，對流活動明顯增強(qiáng)，有利于降水產(chǎn)生。

圖12 1961～2019年2～3月IOBW-I 與4月（a）沿47.5°N 剖面和（b）沿127.5°E 剖面垂直速度（單位：10?2 Pa s?1）的回歸分析。白點(diǎn)表示通過90%的信度檢驗(yàn)Fig. 12 Linear regression of the vertical velocity（10?2 Pa s?1）in April along (a) the 47.5°N profile and (b) the 127.5°E profile against the February–March IOBW-I during 1961–2019. (White dots denote statistical significance at the 90% confidence level

5 結(jié)論與討論

本文主要從年際時(shí)間尺度上分析了1961～2019年東北地區(qū)春季透雨早晚年的環(huán)流特征和前期海溫，尤其是熱帶印度洋海溫異常的聯(lián)系。研究揭示了2～3月IOBW 暖位相有利于春季透雨開始偏早，IOBW年際變化是東北透雨開始時(shí)間發(fā)生年際變化的主要外強(qiáng)迫因子之一。

典型透雨偏早年的開始時(shí)間集中在4月中下旬，偏晚年的開始時(shí)間集中在5月中下旬。東北地區(qū)春季透雨異常偏早、偏晚年環(huán)流場合成分析表明，若4月東北亞上空500 hPa 位勢高度場呈自西向東的“? +”異常環(huán)流分布，東北地區(qū)以偏南風(fēng)和氣旋性環(huán)流為主，有利于水汽輸送，春季透雨開始偏早，反之，春季透雨開始偏晚。

海溫是東北春季透雨早晚的重要影響源之一，較赤道太平洋海溫而言，熱帶印度洋海溫對東北春季透雨的影響更為明顯和持久。2～3月IOBW-I呈正位相，4月東北地區(qū)位于西風(fēng)急流出口區(qū)右側(cè)，西北太平洋地區(qū)為異常反氣旋，東北地區(qū)上空出現(xiàn)明顯的偏南風(fēng)，有利于來自北印度洋、途徑孟加拉灣的暖濕氣流和來自西北太平洋的暖濕氣流向我國東北地區(qū)輸送，為該地區(qū)帶來更多的水汽。同時(shí)，2～3月IOBW-I 異常對4月熱帶和副熱帶地區(qū)的大氣垂直運(yùn)動（如OLR 和垂直速度）有著至關(guān)重要的影響，IOBW-I 偏強(qiáng)使得熱帶印度洋和中國東北地區(qū)的上升運(yùn)動增強(qiáng)，導(dǎo)致4月強(qiáng)降水產(chǎn)生，春季透雨偏早。我們嘗試給出2～3月IOBW 暖異常影響東北透雨偏早的可能機(jī)制示意圖（圖13）。

圖13 年際時(shí)間尺度上1961～2019年2～3月熱帶印度洋一致增暖（IOBW）影響東北春季透雨早晚的示意圖Fig. 13 Schematic diagram showing the relationship between February–March IOBW (Indian Ocean Basin warming) and the onset date of SSR in NEC during 1961–2019 on an interannual timescale

值得注意的是，IOBW 除具有一定的年際變化外，還具有明顯的年代際變化。從原始IOBW-I 序列（http://cmdp.ncc-cma.net/download/precipitation/diagnosis/IOBW/IOBW-yr.Gif [2021-06-26]）上 看，20 世紀(jì)80年代前以負(fù)位相為主，20 世紀(jì)80～90年代呈位相波動變化，21 世紀(jì)后轉(zhuǎn)為正位相。圖7b的結(jié)果顯示IOBW-I 對東北地區(qū)春季透雨開始日期在20 世紀(jì)80～90年代的影響最為顯著，這進(jìn)一步證明了年際變化也要受到年代際尺度的影響。因此，在考慮IOBW-I年際分量對透雨早晚的影響時(shí)，仍不可忽略年代際背景的作用。

本文揭示了2～3月IOBW-I 對中國東北地區(qū)春季透雨日期影響的貢獻(xiàn)率雖為15%，但仍不失為其重要且穩(wěn)定的影響源之一，并嘗試分析了影響的可能機(jī)制，今后還需要通過數(shù)值試驗(yàn)進(jìn)行模擬驗(yàn)證。此外，東北地區(qū)受到熱帶、副熱帶及中高緯多個(gè)系統(tǒng)的綜合作用，影響東北春季透雨早晚的因素較為復(fù)雜，將繼續(xù)開展東北春季透雨的影響系統(tǒng)的研究，進(jìn)一步提供東北透雨早晚的預(yù)測依據(jù)。