北太平洋海溫與廣西前汛期降水的聯(lián)系

覃皓

廣西壯族自治區(qū)氣象臺(tái)， 南寧 530022

0 引言

廣西位于我國(guó)低緯度華南地區(qū)，每年的4—6月份為前汛期，雨量充沛，降水量可達(dá)全年的一半以上.廣西前汛期降水的異常往往會(huì)造成旱澇事件頻繁，因而前汛期降水異常的成因一直是學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn).

廣西前汛期降水的影響因子眾多，海溫是其中最重要的外強(qiáng)迫因子之一.關(guān)于海溫的影響，研究多聚焦于熱帶中東太平洋海溫異常——厄爾尼諾/拉尼娜(El Nio/La Nia)事件(伍紅雨和吳遙，2018；李海燕等，2019)，而對(duì)北太平洋海溫異常對(duì)廣西前汛期降水影響的研究相對(duì)較少.然而有研究表明，東亞大氣環(huán)流異常與北太平洋海溫變化同樣密切相關(guān)(譚桂容等，2009；李崇銀等，2011；張?chǎng)┑龋?020).Namias(1963)研究發(fā)現(xiàn)北太平洋海溫的反饋?zhàn)饔脤?duì)大氣環(huán)流異常的維持和加強(qiáng)具有重要貢獻(xiàn).王芬等(2014)認(rèn)為，北太平洋海溫異常能影響中緯度西風(fēng)，進(jìn)而調(diào)控西太平洋副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱副高)的強(qiáng)弱.Li等(2021)的工作指出北太平洋海溫異常能夠調(diào)制由北大西洋激發(fā)的東傳Rossby波，使其傳播路徑改變進(jìn)而導(dǎo)致東亞急流提前北跳，造成2020年入梅偏早.進(jìn)一步地，他們通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)北太平洋馬蹄形的海溫異常形勢(shì)促進(jìn)了東亞急流南壓以及副高西伸，并且在氣候模式CAM4中進(jìn)行了驗(yàn)證(Li et al., 2022).除此之外，北太平洋海溫異常還與不同海溫模態(tài)間存在相互作用(Li et al., 2019).在跨洋盆方面，北太平洋海溫與大西洋海溫主導(dǎo)模態(tài)AMO(Atlantic Multidecadal Oscillation)之間存在顯著聯(lián)系，AMO暖位相通過(guò)大氣橋機(jī)制引起北太平洋上空出現(xiàn)異常下沉，絕熱下沉使得低對(duì)流層增溫增濕，進(jìn)而促進(jìn)北太平洋增暖(Gong et al., 2020).在洋盆內(nèi)相互作用中，Ding等(2015，2018)發(fā)現(xiàn)北太平洋海溫異常的第二模態(tài)——維多利亞模態(tài)不僅能通過(guò)海氣耦合作用影響隨后季節(jié)El Nio/La Nia的發(fā)展，還可以通過(guò)“季節(jié)足跡機(jī)制”調(diào)控南海夏季風(fēng)，兩種途徑均能對(duì)我國(guó)降水造成影響(伍紅雨和吳遙，2018；李海燕等，2019；Fan et al., 2020).Zhang等(2018)的工作從副熱帶海洋鋒角度，討論了北太平洋海溫異常對(duì)厄爾尼諾—南方濤動(dòng)(ENSO)的影響.其研究表明，北太平洋海溫南北梯度增強(qiáng)會(huì)在其南側(cè)強(qiáng)迫出異常反氣旋，而與之相關(guān)的異常東北風(fēng)疊加在氣候態(tài)風(fēng)場(chǎng)上增強(qiáng)了風(fēng)蒸發(fā)效應(yīng)，最終導(dǎo)致La Nia事件.可見，北太平洋海溫異常不僅可以直接影響東亞環(huán)流，也可以間接通過(guò)影響熱帶中東太平洋的異常形勢(shì)，進(jìn)而通過(guò)中低緯度路徑與我國(guó)天氣氣候建立聯(lián)系.不僅如此，由于中緯度大氣具有較強(qiáng)的內(nèi)部變率以及斜壓性，瞬變渦旋活躍，大氣環(huán)流對(duì)海溫異常的響應(yīng)與熱帶地區(qū)存在明顯差異.近年來(lái)，一系列研究表明，瞬變渦旋的非絕熱加熱以及瞬變渦度強(qiáng)迫作用是中緯度海溫異常影響大氣環(huán)流的關(guān)鍵因子，在該強(qiáng)迫下大氣在垂直方向呈現(xiàn)相當(dāng)正壓的響應(yīng)結(jié)構(gòu)(Fang and Yang, 2016; Sun et al., 2018; Tao et al., 2020).這一進(jìn)展加深了人們對(duì)中緯度海溫異常外強(qiáng)迫的理解與認(rèn)識(shí)，而在該機(jī)制下東亞的天氣氣候會(huì)有怎樣的響應(yīng)同樣值得進(jìn)一步探討.

綜上可見，北太平洋海溫異常與我國(guó)的天氣氣候存在密切聯(lián)系，而以往對(duì)廣西前汛期降水影響因子的研究較少關(guān)注于該海域，因此探究北太平洋海溫變率的影響有助于為分析廣西前汛期降水異常提供新的著眼點(diǎn).此外，前人得出的結(jié)論大多是從相關(guān)性角度出發(fā)，而對(duì)因果聯(lián)系探討較少.在以往氣候研究中，常采用時(shí)間滯后相關(guān)分析診斷兩個(gè)物理變量間的因果關(guān)系，但由于相關(guān)分析不區(qū)分方向性，應(yīng)用時(shí)存在諸多局限.而Liang-Kleeman的信息流理論可以根據(jù)時(shí)間序列間單位時(shí)間內(nèi)傳遞的信息來(lái)表征兩者間的因果關(guān)系(Liang, 2008, 2014).王惠平等(2020)通過(guò)計(jì)算信息流發(fā)現(xiàn)在日尺度上南亞高壓的強(qiáng)度會(huì)受到其內(nèi)部垂直速度變化的影響.Xiao等(2020)使用該方法揭示了1920—2018年間北極地表溫度異常在各個(gè)階段存在的驅(qū)動(dòng)因子，包括太平洋年代際振蕩(Pacific Decadal Oscillation，PDO)、二氧化碳濃度以及氣溶膠等.覃皓等(2023)利用該理論研究發(fā)現(xiàn)，夏季熱帶大西洋海溫異常可以在一定程度上通過(guò)促進(jìn)隨后熱帶中東太平洋海溫異常的發(fā)展來(lái)影響次年華南前汛期降水.可見該方法已在氣象領(lǐng)域的因果分析中廣泛應(yīng)用.因此，鑒于Liang-Kleeman信息流在因果關(guān)系分析中具有定性及定量的優(yōu)越性，本文將結(jié)合相關(guān)、合成分析以及信息流因果理論，探討北太平洋海溫異常與廣西前汛期降水的聯(lián)系，并對(duì)可能的影響機(jī)制進(jìn)行初步討論.

1 資料與方法

1.1 資料

本文采用數(shù)據(jù)資料包括：

(1)國(guó)家氣候中心提供的1979—2019年全國(guó)160站逐月降水資料，將廣西區(qū)域站點(diǎn)每年4—6月份取平均得到的序列定義為廣西前汛期降水指數(shù)IGX.降水資料還使用了歐洲中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)提供的ERA5(Hersbach et al., 2020)逐月降水再分析資料(分辨率為0.25°×0.25°).該資料是ECWMF第五代再分析產(chǎn)品，使用了最新版的地球系統(tǒng)模式以及資料同化、物理過(guò)程參數(shù)化方案，對(duì)于天氣氣候演變較上一代產(chǎn)品具有更好的再現(xiàn)能力.已有許多研究表明該產(chǎn)品具有較高的可信度(Beck et al., 2019；Nogueira，2020)，其降水資料在年、季尺度上的變化趨勢(shì)以及年內(nèi)的分配規(guī)律與實(shí)況較為一致(王彧蓉等，2021)，并且基于該資料計(jì)算的3個(gè)月(季)尺度的降水指數(shù)具有較高精度(劉婷婷等，2022).

(2)英國(guó)氣象局Hadley中心的1978—2019年全球逐月海表面溫度資料，分辨率為1°×1°.

(3)美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心和國(guó)家大氣環(huán)境研究中心的逐月再分析資料(NCEP/NCAR Reanalysis 1)，分辨率為2.5°×2.5°，包括位勢(shì)高度、水平風(fēng)場(chǎng)、垂直速度、比濕和溫度.

(4)美國(guó)大氣海洋局(NOAA)逐月向外長(zhǎng)波輻射(OLR)資料(分辨率2.5°×2.5°)，Nino3.4、PDO指數(shù).

1.2 研究方法

本文利用的分析方法包括相關(guān)分析、合成分析以及Liang-Kleeman信息流因果分析.研究中涉及的廣西前汛期時(shí)段均取4—6月的平均值.氣候態(tài)選取整個(gè)研究時(shí)段1979—2019年逐年廣西前汛期的平均值，距平場(chǎng)則通過(guò)原物理量場(chǎng)減去該氣候平均值獲得.

在Liang-Kleeman信息流理論中，一個(gè)事件到另一事件存在非零的信息流(信息傳遞)，表明兩者間存在因果聯(lián)系，若無(wú)因果聯(lián)系則信息流為零.給出一個(gè)二維系統(tǒng)：

(1)

(2)

其中，ρ1為x1的邊際密度，E為數(shù)學(xué)期望.當(dāng)只給出兩時(shí)間序列X1和X2，對(duì)于線性系統(tǒng)，Liang(2014)證明了方程(2)的極大似然估計(jì)在形式上可以變得非常簡(jiǎn)潔：

(3)

(4)

研究中除特別說(shuō)明外，信息流的顯著性檢驗(yàn)均設(shè)定為0.1置信水平.同時(shí)，鑒于該方法對(duì)于因果關(guān)系的定量性質(zhì)(Xiao et al., 2020)，我們將絕對(duì)值小于0.01的信息流視為因果聯(lián)系不顯著故而舍棄.

2 廣西前汛期降水與北太平洋海溫的聯(lián)系

為研究廣西前汛期降水與北太平洋海溫變化的相關(guān)性，計(jì)算1979—2019年時(shí)間段內(nèi)廣西前汛期降水指數(shù)IGX與同期北太平洋海溫的相關(guān)系數(shù)(圖1).在北太平洋上，相關(guān)系數(shù)呈經(jīng)向偶極型的分布，中緯度中西太平洋(170°E—150°W，25°N—45°N)為顯著負(fù)相關(guān)區(qū)，而50°N以北的太平洋為顯著正相關(guān)，上述區(qū)域最強(qiáng)相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到-0.36和0.5，均達(dá)到0.05信度水平的顯著性，表明該區(qū)域海溫與廣西前汛期降水變化密切相關(guān).由于存在相關(guān)卻未必有因果，并且相關(guān)分析不區(qū)分方向性，因此為確認(rèn)上述區(qū)域海溫變化是導(dǎo)致廣西前汛期降水變化的可能原因，計(jì)算1979—2019年同期北太平洋海溫對(duì)廣西前汛期降水指數(shù)IGX的信息流(圖2).由信息流分布可見，在強(qiáng)相關(guān)區(qū)域存在信息流大值區(qū)，并達(dá)到了0.1信度水平的顯著性，表明上述區(qū)域海溫變化是導(dǎo)致廣西前汛期降水變化的原因之一.

圖1 海溫與廣西前汛期站點(diǎn)降水指數(shù)IGX的相關(guān)系數(shù)分布(打點(diǎn)區(qū)域表示達(dá)到0.1的顯著性信度水平)Fig.1 Distribution of correlation coefficient between the index IGX and SST (the dotted areas indicate the values passing 0.1 significance level)

除此之外，赤道中東太平洋一帶也存在顯著的正相關(guān)區(qū)域，同時(shí)信息流結(jié)果顯示該區(qū)域的海溫變化顯著影響了廣西前汛期降水，表明赤道中東太平洋海溫偏暖(偏冷)，廣西前汛期降水偏多(偏少).由于赤道中東太平洋為定義El Nio/La Nia事件的關(guān)鍵區(qū)，我們進(jìn)一步計(jì)算了前一年冬季(前一年12月至當(dāng)年2月的平均)海溫與當(dāng)年前汛期降水指數(shù)IGX的相關(guān)系數(shù)和信息流，發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有來(lái)自于赤道中東太平洋的影響信號(hào).前人研究也指出，相對(duì)于我國(guó)其他區(qū)域如華北、長(zhǎng)江中下游等地區(qū)，華南前汛期降水與前期ENSO的聯(lián)系較弱，El Nio/La Nia事件跟廣西前汛期降水異常并不一一對(duì)應(yīng)(徐蕾如和鄧良焱，1989；吳志偉等，2006).Gu等(2018)的研究進(jìn)一步表明，前汛期降水與赤道中東太平洋海溫的聯(lián)系在同年4月和5月達(dá)到最強(qiáng)，并持續(xù)至6月，而在前一年冬季則沒(méi)有顯著信號(hào)，這與我們的分析結(jié)果相符.綜上，赤道中東太平洋海溫對(duì)廣西前汛期降水的影響主要集中在同期時(shí)段的4—6月，因此在以下的分析中需考慮北太平洋海溫與前汛期降水的聯(lián)系是否受同期赤道中東太平洋海溫變化的影響.

圖2 海溫對(duì)廣西前汛期站點(diǎn)降水指數(shù)IGX的信息流分布(單位：nat·a-1，打點(diǎn)區(qū)域表示達(dá)到0.1的顯著性信度水平)Fig.2 Distribution of information flow from SST to the index IGX (units: nat·a-1, the dotted areas indicate the values passing 0.1 significance level)

圖3為1979—2019年IGX和INP的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列，可以看到海溫與前汛期降水間存在著同相的變化.從9年滑動(dòng)平均結(jié)果看，前汛期降水在20世紀(jì)80年代至90年代初為少雨期，而在20世紀(jì)末至21世紀(jì)初期轉(zhuǎn)為多雨期.關(guān)鍵區(qū)海溫從20世紀(jì)80年代至90年代初為負(fù)位相，隨后轉(zhuǎn)位正位相，而在21世紀(jì)初期又轉(zhuǎn)為負(fù)位相，對(duì)應(yīng)前汛期降水逐漸向少雨期轉(zhuǎn)變.進(jìn)一步計(jì)算表明，IGX和INP的相關(guān)系數(shù)(Cor)達(dá)到0.42，INP到IGX的信息流(IF)為0.20，均達(dá)到0.01信度水平的顯著性.因此，結(jié)合相關(guān)和因果分析可以認(rèn)為：北太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫是廣西前汛期降水的顯著影響源，海溫異常的正位相(負(fù)位相)分布在一定程度上導(dǎo)致了廣西前汛期降水增多(減少).此外，IGX與同期Nino3.4指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.35，達(dá)到0.05信度水平的顯著性，而INP與同期Nino3.4指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.54，達(dá)到0.01信度水平的顯著性.因此我們計(jì)算偏相關(guān)系數(shù)進(jìn)一步分析北太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫對(duì)前汛期降水的獨(dú)立影響.在消除ENSO的影響后，IGX和INP的偏相關(guān)系數(shù)(Pcor)為0.3，相較于Cor有所減小，但仍達(dá)到0.1信度水平的顯著性.因此，可以推測(cè)北太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫變化可以獨(dú)立于赤道中東太平洋影響前汛期降水，而赤道中東太平洋海溫變化可以起到調(diào)制作用，進(jìn)而增強(qiáng)北太平洋海溫與前汛期降水聯(lián)系.

圖3 廣西前汛期降水指數(shù)IGX(灰色實(shí)線)和海溫指數(shù)INP(黑色實(shí)線)的標(biāo)準(zhǔn)化序列及9年滑動(dòng)平均(淺藍(lán)和深藍(lán)虛線分別為IGX和INP的平滑曲線)Fig.3 Standardized time series for the IGX (gray line) and the INP (black line), 9-year running averages (light blue and dark blue dashed line indicate the smoothed of IGX and INP respectively)

為證實(shí)上述推測(cè)，我們利用到Liang(2021)最近提出的廣義多元因果分析.在一個(gè)d維隨機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)中，Xj到Xi的信息流為

(5)

式中Δij為矩陣C=(Cij)的代數(shù)余子式，detC為C的行列式，其余同方程(3).當(dāng)維數(shù)d=2時(shí)，方程(5)即簡(jiǎn)化為方程(3).計(jì)算結(jié)果揭示了多元系統(tǒng)中任意兩元素間的直接因果聯(lián)系(Liang，2021；Zhang and Liang，2022).在IGX、INP和Nino3.4指數(shù)的時(shí)間序列中，得到INP到IGX的直接信息流為0.19，達(dá)到0.05信度水平的顯著性(圖3中PIF)，這一顯著的因果聯(lián)系進(jìn)一步證實(shí)了上述推測(cè).

在反向的信息流方面，IGX到INP的信息流為0.13，僅達(dá)到0.1信度水平的顯著性，IGX到Nino3.4指數(shù)的信息流為0.05，未達(dá)到0.1信度水平的顯著性.這表明廣西前汛期降水受北太平洋海溫變化影響的同時(shí)也存在一定的反饋?zhàn)饔?，但影響相?duì)較弱；而廣西前汛期降水與赤道中東太平洋海溫兩者之間為單向的因果聯(lián)系，主要是后者對(duì)前者的影響.進(jìn)一步給出同期降水對(duì)INP和Nino3.4指數(shù)的信息流分布(圖4)，可以看到與上述結(jié)果基本一致，存在降水對(duì)北太平洋海溫的反饋，而降水對(duì)赤道中東太平洋海溫的影響很弱.上述聯(lián)系或許可以由熱帶與中緯度地區(qū)海氣相互作用的差異所解釋，熱帶地區(qū)主要為海洋強(qiáng)迫大氣，而中緯度海洋對(duì)于大氣的強(qiáng)迫更為敏感(Deser and Timlin，1997；Tanimoto et al., 2003).廣西前汛期時(shí)段，冷暖空氣在華南交匯，對(duì)流活躍.華南一帶降水異常引起的潛熱加熱擾動(dòng)可能會(huì)激發(fā)大氣Rossby響應(yīng)，Rossby能量在急流波導(dǎo)作用下向北太平洋傳播，通過(guò)引起該區(qū)域環(huán)流變化進(jìn)而影響海溫.上述推測(cè)與Zhang和Liang(2022)的發(fā)現(xiàn)相似，其研究表明中國(guó)南海一帶的局地海溫異常會(huì)激發(fā)類PNA(Pacific-North American)波列，該響應(yīng)波列的能量沿急流波導(dǎo)向太平洋和北美頻散，進(jìn)而影響PNA的發(fā)展.上述可能的物理聯(lián)系有待進(jìn)一步研究，但已超出本文討論范圍，以下主要關(guān)注海溫變化對(duì)降水影響的物理機(jī)制.

圖4 同圖2，但為ERA5降水對(duì)(a)INP和(b)Nino3.4指數(shù)Fig.4 Same as Fig.2, but for ERA5 precipitation to the index (a) INP and (b) Nino3.4

3 北太平洋海溫影響廣西前汛期降水的可能途徑

副熱帶和中高緯環(huán)流系統(tǒng)對(duì)廣西前汛期降水異常均存在顯著貢獻(xiàn)(陳麗娟等，2019).關(guān)于副熱帶地區(qū)，前人工作主要強(qiáng)調(diào)了副高及低對(duì)流層異常反氣旋有關(guān)的水汽輸送對(duì)前汛期降水的影響(伍紅雨和吳遙，2018；李海燕等，2019；覃皓等，2023).而對(duì)于中高緯環(huán)流的作用，許多研究則指出，前汛期降水與北方冷空氣的活動(dòng)密切相關(guān)，冷空氣活躍南下有利于冷暖空氣交匯于華南地區(qū)(吳志偉等，2006；Li et al.，2018).北太平洋和熱帶太平洋分為作為中高緯和副熱帶地區(qū)重要的外強(qiáng)迫源，其海溫異常勢(shì)必會(huì)引起環(huán)流的變化.因此以下圍繞環(huán)流以及水汽輸送對(duì)海溫變化的響應(yīng)，討論北太平洋海溫變化影響廣西前汛期降水的可能機(jī)制.

3.1 北太平洋海溫的獨(dú)立影響

圖5給出500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)與INP和Nino3.4指數(shù)的同期相關(guān)以及偏相關(guān)系數(shù)分布.在高度場(chǎng)與INP的相關(guān)系數(shù)分布上，可以看到在太平洋地區(qū)呈現(xiàn)經(jīng)向“+-+”的三極型結(jié)構(gòu)，高緯和低緯太平洋為顯著正相關(guān)，而中緯度太平洋為負(fù)相關(guān)(圖5a).除此之外，低緯地區(qū)表現(xiàn)為大面積的正相關(guān)區(qū)，顯著區(qū)域位于印度洋至熱帶中太平洋.而在中高緯地區(qū)，相關(guān)系數(shù)分布呈現(xiàn)出緯向正負(fù)相間的遙相關(guān)波列特征.

進(jìn)一步考察北太平洋海溫對(duì)前汛期降水的獨(dú)立影響，對(duì)比圖5a和圖5b可以看到，在消除了ENSO的影響后，原圖5a中低緯地區(qū)大面積正相關(guān)區(qū)基本消失(圖5b)，表明該區(qū)域的信號(hào)主要來(lái)自于熱帶太平洋而非北太平洋.與之形成對(duì)比的是中高緯度的遙相關(guān)波列特征依然維持，并且特征變得更為明顯，表明該遙相關(guān)波列主要與北太平洋海溫相關(guān).其中，歐亞中高緯自西向東呈“+-+-”的相關(guān)分布，貝加爾湖為顯著的正相關(guān)，而東亞沿岸為顯著負(fù)相關(guān)，并且負(fù)相關(guān)區(qū)向華南一帶延伸，表明北太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫為正位相時(shí)，貝加爾湖高壓脊和東亞大槽均顯著增強(qiáng)，這種“北高南低”的配置下有利于中高緯地區(qū)的冷空氣南下(吳志偉等，2006；伍紅雨等，2015；李麗平等，2018)，關(guān)鍵區(qū)海溫為負(fù)位相時(shí)則相反.

圖5 廣西前汛期500 hPa位勢(shì)高度與INP的相關(guān)系數(shù)(a)以及與INP(b)和Nino3.4指數(shù)(c)的偏相關(guān)系數(shù)分布(打點(diǎn)區(qū)域表示達(dá)到0.1的顯著性信度水平)Fig.5 Distribution of correlation coefficient of 500 hPa geopotential height with the INP (a), partial correlations of 500 hPa geopotential height with the INP (b) and Nino3.4 index (c) during Guangxi FRS (dotted areas indicate the values passing 0.1 significance level)

在低層850 hPa上，風(fēng)場(chǎng)與INP的偏相關(guān)分布表明在消除ENSO的影響后(圖6a)，關(guān)鍵區(qū)海溫正位相年北太平洋自南向北呈現(xiàn)異常氣旋、異常反氣旋的經(jīng)向結(jié)構(gòu)，橫跨東亞沿岸至北美洲西海岸，其中心分別與500 hPa負(fù)、正相關(guān)中心對(duì)應(yīng)，呈現(xiàn)垂直方向相當(dāng)正壓結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特征.此外，在貝加爾湖東北側(cè)存在反氣旋的異常環(huán)流，其與北太平洋異常氣旋間為顯著的偏北風(fēng)異常，有利于洋面濕冷空氣向陸地輸送并進(jìn)一步南下(李麗平等，2018).低緯度的特征與500 hPa類似，均沒(méi)有明顯的響應(yīng)，表明北太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫主要影響了中高緯度地區(qū).

圖6 廣西前汛期850 hPa風(fēng)場(chǎng)與INP(a)和Nino3.4指數(shù)(b)的偏相關(guān)分布藍(lán)色由淺到深分別表示達(dá)到0.1、0.05和0.01的顯著性信度水平.Fig.6 Distribution of partial correlations of 850 hPa wind with the INP (a) and Nino3.4 index (b) during Guangxi FRS Shaded from light to dark indicate passing 0.1, 0.05 and 0.01 significance level respectively.

為更好地反映北太平洋海溫對(duì)廣西前汛期降水的影響，進(jìn)一步根據(jù)0.75倍標(biāo)準(zhǔn)差閾值，從INP的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列中挑選出關(guān)鍵區(qū)海溫正位相異常年(1992、1993、1996、1997、2005、2014、2015、2016、2019年)和負(fù)位相異常年(1980、1985、1987、1988、1999、2000、2006、2008、2010、2012年)進(jìn)行合成分析.上述年份定義為NP(North Pacific)普通年份，保留了北太平洋和赤道中東太平洋海溫的影響.進(jìn)一步地，將上述年份中北太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫處于正位相(負(fù)位相)而赤道中東太平洋未處于El Nio或La Nia狀態(tài)的年份，定義為NP獨(dú)立正位相(負(fù)位相)年，反映關(guān)鍵區(qū)海溫對(duì)前汛期降水的獨(dú)立影響.結(jié)果如表1所示.

表1 NP普通年和NP獨(dú)立年的位相配置分布Table 1 Distribution of the phase configurations of NP normal and NP independent years

圖7給出海溫異常年份的合成分布，可以看到在NP獨(dú)立年份中，太平洋海溫的異常信號(hào)主要來(lái)自于中高緯度的北太平洋，較好地消去了赤道中東太平洋海溫異常的影響.海溫正位相年，北太平洋中、西部(130°E—150°W，25°N—40°N)為SST冷異常中心，而由阿留申群島一直延伸至北美大陸西岸均為顯著正異常(圖7a).海溫負(fù)位相年SST異常形勢(shì)大致相反，SST暖異常中心主要位于北太平洋中部(160°E—150°W，25°N—40°N)，阿留申群島—北美大陸西北岸均為顯著負(fù)異常(圖7b).

中緯度地區(qū)大氣對(duì)海溫異常的響應(yīng)與熱帶地區(qū)存在顯著差異.在熱帶地區(qū)，大氣環(huán)流異常主要由熱力驅(qū)動(dòng)，具有明顯的斜壓結(jié)構(gòu)(Gill, 1980; Keenlyside and Latif, 2007; Polo et al., 2015; Cai et al., 2019).海溫異常通過(guò)影響對(duì)流活動(dòng)，導(dǎo)致局地的非絕熱加熱異常，造成垂直方向上大氣低層輻合(輻散)高層輻散(輻合).而在中緯度地區(qū)，海溫異常的非絕熱加熱作用相對(duì)較弱，并且由于大氣層結(jié)的穩(wěn)定性，加熱強(qiáng)迫常局限在低對(duì)流層(Tao et al., 2020).Fang 和Yang(2016)的研究則發(fā)現(xiàn)中緯度大氣對(duì)海溫異常的響應(yīng)是非絕熱加熱、瞬變渦旋加熱以及瞬變渦旋動(dòng)力強(qiáng)迫的總和.當(dāng)海溫異常造成海溫經(jīng)向梯度增強(qiáng)時(shí)，低層大氣斜壓性增強(qiáng)，瞬變渦活動(dòng)變得活躍，使得熱量和動(dòng)量在中上對(duì)流層得到再分配，最終導(dǎo)致整層相當(dāng)正壓結(jié)構(gòu)的大氣響應(yīng)(Sampe et al., 2010; Liu et al., 2018; Zhang et al., 2020).

在海溫正位相與負(fù)位相年廣西前汛期500 hPa位勢(shì)高度差值場(chǎng)上，可以看到與圖5b類似的形勢(shì)，北太平洋地區(qū)正位相(負(fù)位相)海溫異常之上為自南向北顯著的“+-+”(“-+-”)三極型位勢(shì)高度異常(圖8a).與此同時(shí)，在低層850 hPa風(fēng)場(chǎng)上，海溫正位相年北太平洋30°N以北(以南)的海溫負(fù)(正)異常疊加在原本由南向北遞減的氣候態(tài)海溫場(chǎng)上造成海溫經(jīng)向梯度增強(qiáng)，進(jìn)而影響了其上空的溫度梯度，通過(guò)熱成風(fēng)效應(yīng)在30°N附近強(qiáng)迫出異常西風(fēng)，造成其北側(cè)(南側(cè))的氣旋(反氣旋)異常，50°N附近的異常東風(fēng)成因與之類似(Zhang et al., 2018).850 hPa的風(fēng)場(chǎng)異常與500 hPa高度異常相匹配，表明大氣環(huán)流對(duì)北太平洋海溫異常的響應(yīng)表現(xiàn)為整層的相當(dāng)正壓結(jié)構(gòu)，這與前人在觀測(cè)以及模式試驗(yàn)中得出的結(jié)論相符(Fang and Yang, 2016; Sun et al., 2018; Tao et al., 2020).除此之外，在緯向上同樣可以看到中高緯地區(qū)明顯的波列特征，表明北太平洋的海溫異常可以激發(fā)遙相關(guān)波列，這種遙相關(guān)型與Sun等(2019)以及He等(2021)工作中發(fā)現(xiàn)的起源于中緯度太平洋的北半球環(huán)球遙相關(guān)(Circumglobal teleconnection，CGT)特征相似.波列沿中高緯度向下游傳播，影響了歐亞大陸乃至東亞地區(qū)的環(huán)流.上述中高緯地區(qū)的響應(yīng)特征與前人研究結(jié)果相似，如李崇銀等(2011)研究指出冬季蒙古高壓的活動(dòng)與北太平洋海溫在年際時(shí)間尺度上存在顯著相關(guān)，冬季蒙古冷高壓活動(dòng)偏強(qiáng)時(shí)往往對(duì)應(yīng)著北太平洋經(jīng)向“+-+”的海溫分布.Zhao等(2016)也發(fā)現(xiàn)北太平洋海溫模態(tài)對(duì)蒙古高壓有重要影響，當(dāng)北太平洋海溫模態(tài)位于正位相時(shí)(類似于圖7c)，中緯度大氣定常波增強(qiáng)，海洋上的阿留申低壓和陸地上的蒙古高亞均有所增強(qiáng).不同的是，前人研究的時(shí)段為冬季，而本文為前汛期，表明在該時(shí)段內(nèi)中高緯地區(qū)同樣存在對(duì)北太平洋海溫異常的類似響應(yīng).

圖7 NP獨(dú)立(a，b)和NP普通(c，d)配置下海溫正位相年(a，c)和負(fù)位相年(b，d)廣西前汛期SST異常合成分布(單位：℃，打點(diǎn)區(qū)域表示達(dá)到0.1的顯著性信度水平)Fig.7 Composite distribution of SST anomaly in positive SST (a,c) and negative SST (b,d) years of NP independent (a,b) and NP normal (c,d) configurations during Guangxi FRS (unit: ℃, the dotted areas indicate the values passing 0.1 significance level)

圖8 NP獨(dú)立配置下海溫正、負(fù)位相年廣西前汛期(a)500 hPa位勢(shì)高度(色標(biāo)，單位：gpm)和850 hPa風(fēng)場(chǎng)(打點(diǎn)和矢量表示達(dá)到0.1的顯著性信度水平)，(b) 500 hPa波作用通量(箭矢，單位： m-2·s-2)及其散度(色標(biāo)，單位：10-6 m·s-2)的差值合成分布Fig.8 Composite difference of (a) 500 hPa geopotential height (contours, unit: gpm) and 850 hPa wind (dotted areas and vectors indicate the values passing 0.1 significance level), (b) 500 hPa wave-activity fluxes (arrows, unit: m-2·s-2) and its divergence (shaded, unit: 10-6m·s-2) between positive and negative SST phase years during Guangxi FRS in the configurations of NP independent

進(jìn)一步計(jì)算T-N波作用通量(Takaya and Nakamura, 2001)及其散度，可以看到北太平洋的海溫異常激發(fā)了一支指向北美洲的Rossby波列(北太平洋為波作用通量輻散異常且波作用通量指向東北).波列到達(dá)北美洲后進(jìn)一步東傳，途經(jīng)北大西洋—西歐地區(qū)—烏拉爾山—貝加爾湖后到達(dá)東亞沿岸，沿著Rossby波的傳播路徑，下游方向依次出現(xiàn)波能量的輻散輻合異常，其傳播路徑對(duì)應(yīng)分布著圖8a中的位勢(shì)高度異常中心(圖8b).因此可以認(rèn)為，北太平洋正位相(負(fù)位相)海溫異常激發(fā)了向下游傳播的Rossby波列，波列經(jīng)過(guò)歐亞大陸最終達(dá)到東亞沿岸，引起該區(qū)域的位勢(shì)高度正異常(負(fù)異常)和反氣旋(氣旋)環(huán)流異常分布.在上述機(jī)制下，貝加爾湖高壓脊和東亞大槽均顯著增強(qiáng)(減弱)，使得中高緯冷空氣更易(不易)南下.由105°E—120°E平均垂直剖面上溫度和經(jīng)向環(huán)流的差值合成分布可見，在海溫正位相年，20°N—40°N區(qū)域內(nèi)伴隨偏北風(fēng)異常，冷空氣南下頻繁，使得廣西地區(qū)均為溫度負(fù)異常(圖9).海溫負(fù)位相年則相反，不利于冷空氣南下影響廣西.

圖9 NP獨(dú)立配置下海溫正、負(fù)位相年廣西前汛期沿105°E—120°E平均垂直剖面上溫度(色標(biāo)，單位：K)和經(jīng)向環(huán)流(箭矢)的差值合成分布(打點(diǎn)區(qū)域表示達(dá)到0.1的顯著性信度水平)Fig.9 Composite difference of vertical cross sections of temperature (shaded, unit: K) and meridional circulation (arrows) averaged along 105°E—120°E between positive and negative SST phase years during Guangxi FRS in the configurations of NP independent (the dotted areas indicate the values passing 0.1 significance level)

取500 hPa氣候態(tài)東亞大槽區(qū)(130°E—150°E，30°N—50°N)位勢(shì)高度的區(qū)域平均值，構(gòu)建東亞大槽強(qiáng)度指數(shù)時(shí)間序列.計(jì)算INP到東亞大槽強(qiáng)度的信息流為0.07，利用方程(5)計(jì)算得到的直接信息流(INP、Nino3.4以及東亞大槽強(qiáng)度指數(shù)的三元系統(tǒng))為0.09，均達(dá)到0.05信度水平的顯著性，進(jìn)一步佐證了北太平洋海溫異常對(duì)東亞沿岸環(huán)流的獨(dú)立影響.

3.2 赤道中東太平洋海溫的調(diào)制作用

前文分析表明，赤道中東太平洋海溫變化可以起到增強(qiáng)北太平洋海溫與前汛期降水聯(lián)系的調(diào)制作用.由500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)與Nino3.4指數(shù)的偏相關(guān)系數(shù)分布可見(圖5c)，低緯地區(qū)于印度洋至中太平洋表現(xiàn)為大面積的正相關(guān)區(qū)，這與圖5a中的低緯地區(qū)形勢(shì)類似.因此，在北太平洋海溫與前汛期降水的聯(lián)系中，赤道中東太平洋海溫變化主要調(diào)控了低緯地區(qū)的環(huán)流系統(tǒng)，赤道中東太平洋海溫偏暖(偏冷)有利于副高的增強(qiáng)西伸(減弱東退).副高異常變化還與加熱異常強(qiáng)迫出的西北太平洋異常氣旋/反氣旋密切相關(guān)，而海溫異常在這之中具有重要貢獻(xiàn)(Zhang et al., 1999；Wang et al., 2003；強(qiáng)學(xué)民和楊修群，2008).進(jìn)一步分析低層850 hPa偏相關(guān)風(fēng)場(chǎng)，可以發(fā)現(xiàn)在消除北太平洋海溫的影響后(圖6b)，赤道中東太平洋偏暖(偏冷)時(shí)西北太平洋存在異常反氣旋(氣旋).廣西位于異常反氣旋(氣旋)西北側(cè)的西南(東北)氣流中，這樣的配置有利于(不利)于西太平洋和南海的水汽向華南輸送(張潔等，2009；伍紅雨和吳遙，2018；李海燕等，2019).

進(jìn)一步通過(guò)合成分析討論上述影響機(jī)制.由于INP與同期Nino3.4指數(shù)的顯著正相關(guān)性，北太平洋與赤道中東太平洋海溫存在同位相(如關(guān)鍵區(qū)海溫負(fù)位相對(duì)應(yīng)赤道中東太平洋海溫偏冷)的密切聯(lián)系，這里我們剔除了關(guān)鍵區(qū)海溫為負(fù)位相而赤道中東太平洋海溫為偏暖的年份.由NP普通年的海溫異常合成可見，正、負(fù)位相年均存在類似PDO的SST分布特征，呈現(xiàn)出經(jīng)向三極型的SST異常.北太平洋以及赤道中東太平洋的顯著異常信號(hào)均得到保留，關(guān)鍵區(qū)海溫正位相對(duì)應(yīng)于赤道中東太平洋海溫偏暖(圖7c)，負(fù)位相則對(duì)應(yīng)偏冷(圖7d).值得一提的是，相較于經(jīng)典的PDO海溫模態(tài)，INP與同期IGX的相關(guān)更為顯著，前汛期PDO指數(shù)與IGX的相關(guān)系數(shù)為0.21，未達(dá)到0.1信度水平的顯著性.

在緯向上，熱帶東、西太平洋由Walker環(huán)流建立聯(lián)系.赤道中東太平洋的海溫偏暖(偏冷)，在其上空引起異常上升(下沉)運(yùn)動(dòng)，減弱(增強(qiáng))了Walker環(huán)流進(jìn)而導(dǎo)致赤道西太平洋出現(xiàn)下沉(上升)異常(圖10a).分析850 hPa環(huán)流和OLR可見(圖10b)，海溫正位相年，貝加爾湖異常反氣旋與北太平洋異常氣旋間的偏北風(fēng)異常有利于冷空氣南下.而在低緯度地區(qū)，赤道西太平洋的異常下沉抑制了對(duì)流活動(dòng)，造成OLR正異常.由于非絕熱加熱異常的影響，赤道西太平洋南北兩側(cè)出現(xiàn)異常反氣旋的Gill型Rossby波響應(yīng)(Gill，1980；Hong et al., 2014；Jin and Huo, 2018)，赤道中太平洋出現(xiàn)西風(fēng)異常.海溫負(fù)位相年則形勢(shì)相反，赤道西太平洋的異常上升有利于對(duì)流活躍，對(duì)應(yīng)OLR負(fù)異常，進(jìn)而由于非絕熱加熱作用在赤道西太平洋南北兩側(cè)強(qiáng)迫出異常氣旋響應(yīng)，赤道中太平洋則為東風(fēng)異常.異常反氣旋(氣旋)疊加在氣候態(tài)的副高之上，使得副高加強(qiáng)西伸(減弱東退)(Zhang et al., 1999；Wang et al., 2003).由圖10b中海溫正、負(fù)位相年副高特征5880 gpm等值線可以明顯看到上述差異.正位相年副高偏強(qiáng)、偏大，位置更為偏西，5880 gpm線西伸至120°E以西，而負(fù)位相年副高偏弱、面積偏小、位置偏東，5880 gpm線位于130°E以東.

前汛期副高的異常會(huì)顯著改變?nèi)A南一帶的水汽收支，副高偏強(qiáng)以及位置偏西時(shí)有利于西太平洋和南海的水汽向華南地區(qū)輸送，進(jìn)而對(duì)廣西的降水產(chǎn)生影響(張潔等，2009；李海燕等，2019).圖11給出NP獨(dú)立和NP普通配置下海溫正、負(fù)位相年前汛期整層水汽通量和水汽通量散度的差值合成.對(duì)比可以看出，在NP獨(dú)立的配置下，由于響應(yīng)信號(hào)主要位于中高緯度，低緯地區(qū)環(huán)流異常并不明顯.NP獨(dú)立的正位相(負(fù)位相)年，南海存在異常反氣旋水汽環(huán)流，廣西一帶為整層的水汽通量輻合(輻散)，但這一異常沒(méi)有達(dá)到0.1信度水平的顯著性(圖11a).在考慮了赤道中東太平洋海溫信號(hào)的NP普通配置下，海溫正位相(負(fù)位相)年，由于副高的增強(qiáng)西伸(減弱東退)，南海至西北太平洋為異常反氣旋(氣旋)水汽環(huán)流控制，廣西一帶為異常偏南(偏北)水汽輸送，存在顯著的水汽通量輻合(輻散)異常，達(dá)到0.1信度水平的顯著性(圖11b)，有利于(不利于)降水的增多.

圖11 NP獨(dú)立(a)和NP普通(b)配置下海溫正、負(fù)位相年廣西前汛期1000～300 hPa整層水汽通量(箭矢，單位：kg·m-1·s-1)和水汽通量散度(色標(biāo)，單位：g·m-2·s-1)的差值合成分布(矢量以及打點(diǎn)區(qū)域表示達(dá)到0.1的顯著性信度水平)Fig.11 Composite difference of water vapor flux (arrows, unit: kg·m-1·s-1) and water vapor flux divergence (shaded, unit: g·m-2·s-1) integrated from 1000 hPa to 300 hPa between positive and negative SST phase years during Guangxi FRS in the configurations of (a) NP independent and (b) NP normal (vectors and the dotted areas indicate the values passing 0.1 significance level)

除了對(duì)水汽輸送的作用外，西北太平洋異常反氣旋對(duì)廣西前汛期降水的貢獻(xiàn)還體現(xiàn)在影響層結(jié)的熱力穩(wěn)定度(Gu et al.，2018；陳麗娟等，2019).低對(duì)流層偏強(qiáng)的西南氣流不斷向廣西輸送暖濕空氣(圖10b)，有利于大氣不穩(wěn)定性增強(qiáng).與此同時(shí)，在北太平洋海溫異常的影響下，冷空氣南下與西南暖濕氣流在廣西上空交匯.圖12給出NP普通配置下海溫正、負(fù)位相年廣西前汛期105°E—120°E平均垂直剖面上對(duì)流不穩(wěn)定度和垂直速度的差值合成分布，這里以-?θse/?p(θse為假相當(dāng)位溫，p為氣壓)表征對(duì)流不穩(wěn)定度.可以看到，海溫正位相(負(fù)位相)年由于冷暖空氣交匯增強(qiáng)(減弱)，廣西上空(20°N—27°N)為對(duì)流不穩(wěn)定增強(qiáng)(減弱)，對(duì)流層由低層到中高層均為上升運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)(減弱)，有利于(不利于)降水的增強(qiáng).

圖12 NP普通配置下海溫正、負(fù)位相年廣西前汛期沿105°E—120°E平均垂直剖面上對(duì)流不穩(wěn)定度(色標(biāo)，單位：10-3 K·hPa-1)和垂直速度(等值虛線，單位：10-2 Pa·s-1，只顯示小于-0.1，間隔0.4) 的差值合成分布(打點(diǎn)區(qū)域表示達(dá)到0.1的顯著性信度水平)Fig.12 Composite difference of vertical cross sections of convective instability (shaded, unit: 10-3 K·hPa-1) and vertical velocity (dash contour, unit: 10-2 Pa·s-1, only show the values less than -0.1, interval is 0.4) averaged along 105°E—120°E between positive and negative SST phase years during Guangxi FRS in the configurations of NP normal (the dotted areas indicate the values passing 0.1 significance level)

以上分析表明，北太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫變化可以通過(guò)激發(fā)中高緯遙相關(guān)Rossby波列，影響北方冷空氣的南下，從而獨(dú)立于赤道中東太平洋影響前汛期降水.赤道中東太平洋海溫變化可以通過(guò)影響中低緯環(huán)流，增強(qiáng)暖濕氣流的輸送，增強(qiáng)北太平洋海溫與前汛期降水的聯(lián)系.由圖13可見，在海溫正位相(負(fù)位相)NP獨(dú)立年，廣西前汛期降水偏多(偏少)，桂中至桂北異常顯著(圖13a).在海溫正位相(負(fù)位相)NP普通年，由于赤道中東太平洋海溫的調(diào)制作用，降水偏多(偏少)區(qū)域面積更大，并且通過(guò)顯著性檢驗(yàn)區(qū)域更廣(圖13b).

圖13 NP獨(dú)立(a)和NP普通(b)配置下海溫正、負(fù)位相年廣西前汛期ERA5降水的(單位：mm)的差值合成分布(打點(diǎn)區(qū)域表示達(dá)到0.1的顯著性信度水平)Fig.13 Composite difference of ERA5 precipitation (unit: mm) between positive and negative SST phase years during Guangxi FRS in the configurations of (a) NP independent and (b) NP normal (dotted areas indicate the values passing 0.1 significance level)

4 結(jié)論

本文分析了1979—2019年間北太平洋海溫異常與廣西前汛期降水的聯(lián)系，并初步探討了前者對(duì)后者的的影響及可能機(jī)制，得出以下結(jié)論：

(1)北太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫是廣西前汛期降水的顯著影響源，海溫正位相(負(fù)位相)的異常分布在一定程度上導(dǎo)致了廣西前汛期降水增多(減少).北太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫變化可以獨(dú)立于赤道中東太平洋影響前汛期降水，而赤道中東太平洋海溫變化可以起到調(diào)制作用，增強(qiáng)北太平洋海溫與前汛期降水的聯(lián)系.

(2)北太平洋海溫變化的獨(dú)立作用主要影響了中高緯地區(qū)的環(huán)流.北太平洋正位相(負(fù)位相)海溫異常時(shí)，大氣為自南向北“+-+”(“-+-”)的三極型位勢(shì)高度異常響應(yīng).與此同時(shí)，正位相(負(fù)位相)海溫異常激發(fā)了向下游傳播的Rossby波列，波列經(jīng)過(guò)歐亞大陸最終達(dá)到東亞沿岸，引起該區(qū)域的位勢(shì)高度正異常(負(fù)異常)和反氣旋(氣旋)環(huán)流異常分布.在上述機(jī)制下，貝加爾湖高壓脊和東亞大槽均顯著增強(qiáng)(減弱)，使得中高緯冷空氣更易(不易)南下.

(3)赤道中東太平洋海溫變化的調(diào)制作用體現(xiàn)在對(duì)中低緯環(huán)流的影響.北太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫正位相(負(fù)位相)對(duì)應(yīng)于赤道中東太平洋海溫偏暖(偏冷).赤道中東太平洋的海溫偏暖(偏冷)，在其上空引起異常上升(下沉)運(yùn)動(dòng)，減弱(增強(qiáng))了Walker環(huán)流進(jìn)而導(dǎo)致赤道西太平洋出現(xiàn)下沉(上升)異常，抑制(增強(qiáng))了對(duì)流活動(dòng)，在西北太平洋強(qiáng)迫出異常反氣旋(氣旋)的Gill型Rossby波響應(yīng)，使得副高加強(qiáng)西伸(減弱東退).副高的增強(qiáng)西伸(減弱東退)增強(qiáng)(減弱)了暖濕氣流的輸送，這一方面有利于(不利于)廣西一帶的水汽輸送，水汽通量輻合(輻散)增強(qiáng)；另一方面有利于(不利于)冷暖空氣在廣西交匯，對(duì)流不穩(wěn)定增強(qiáng)(減弱)，促進(jìn)(抑制)上升運(yùn)動(dòng)，最終導(dǎo)致降水增多(減少).

本文初步探討了北太平洋海溫與廣西前汛期降水的聯(lián)系，其中的物理機(jī)制還需要未來(lái)在數(shù)值模式中進(jìn)一步驗(yàn)證.此外，在討論赤道中東太平洋海溫變化的調(diào)制作用時(shí)，由于INP與同期Nino3.4指數(shù)的顯著正相關(guān)性，文中主要考慮了關(guān)鍵區(qū)海溫正位相(負(fù)位相)與赤道中東太平洋海溫偏暖(偏冷)同時(shí)存在的情形.然而個(gè)別年份還存在兩者位相相反的情況，如1987和2010年前汛期關(guān)鍵區(qū)海溫為負(fù)位相而赤道中東太平洋海溫為偏暖，但由于樣本數(shù)較少而未進(jìn)行討論.因此，對(duì)于這種反位相的作用也值得在未來(lái)工作中進(jìn)一步探討.

致謝感謝廣西外國(guó)語(yǔ)學(xué)院徐寧泉、廣西壯族自治區(qū)氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心伍麗泉以及廣西廣播電視信息網(wǎng)絡(luò)股份有限公司黃一芯提供的支持與幫助.