前期印度洋海溫異常對中國春季降水的影響

陳 丹, 朱克云, 布和朝魯

（1.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室,四川成都 610225;2.中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點實驗室中國科學(xué)院大氣物理研究所國際氣候與環(huán)境科學(xué)中心,北京 100029）

0 引言

印度洋增暖是國際氣候界關(guān)注的熱點問題之一,從20世紀(jì)70年代至今,印度洋海溫持續(xù)升高和年際變率增大是全球氣候變暖的重要組成部分,對全球氣候的影響越來越明顯。很多學(xué)者研究表明,印度洋海溫在年代際尺度上表現(xiàn)出增暖的變化趨勢。從20世紀(jì)50年代到20世紀(jì)末,增溫達(dá)到了約0.5攝氏度,是全球增暖的一部分[1-2]。胡開明等[3]研究發(fā)現(xiàn),20世紀(jì)70年代以后印度洋海溫的年際變率相比之前偏強。在年際尺度上,ENSO是全球最主要的海氣相互作用模態(tài),對全球氣候有著重要影響。Xie等[4]研究提出,在20世紀(jì)70年代以后,由于ENSO變率的增強和熱帶西南印度洋溫躍層變淺,ENSO與印度洋海盆一致增暖模態(tài)關(guān)系更密切。

中國地處東亞的季風(fēng)區(qū),氣候的年際變化很大,造成氣象災(zāi)害頻發(fā),給我國帶來重大經(jīng)濟損失,大量研究表明印度洋海溫的異常變化顯著影響了東亞天氣氣候。厄爾尼諾消退后的印度洋暖異常對局地和周邊的區(qū)域會產(chǎn)生重要影響,通常將這種現(xiàn)象稱為“電容器效應(yīng)”,Huang等[5]分析指出,在20世紀(jì)70年代以后,印度洋的這種“電容器效應(yīng)”對西北太平洋夏季風(fēng)及東亞夏季風(fēng)的影響變得更加顯著。梁肇寧等[6]揭示了印度洋全區(qū)一致的海溫變化與南海夏季風(fēng)爆發(fā)的關(guān)系。屈俠等[7]研究指出熱帶印度洋增暖時東亞夏季副熱帶降水異常帶可能偏南。楊明珠等[8]認(rèn)為,印度洋海盆一致增暖是亞洲季風(fēng)減弱及中國雨帶南移的原因之一。西北太平洋反氣旋異常對東亞夏季風(fēng)有著重要作用,從而影響東亞夏季的降水情況,而西北太平洋反氣旋異常與印度洋海溫變化也有著緊密的聯(lián)系[9]。Yang等[10]也發(fā)現(xiàn)了在印度洋海盆一致增暖的年份,夏季西北太平洋上空存在反氣旋環(huán)流異常,并且中國長江流域降水偏多,南亞高壓也異常偏強。針對印度洋增暖與西北太平洋反氣旋異常,xie等[11]認(rèn)為熱帶印度洋增暖導(dǎo)致的Kelvin波異常是西北太平洋反氣旋異常在夏季的維持起到重要作用。

南亞高壓是東亞對流層上層最強而穩(wěn)定的環(huán)流系統(tǒng),其位置和強度變化與東亞上空環(huán)流和降水異常有密切的聯(lián)系。張瓊等[12]和彭麗霞等[13]發(fā)現(xiàn),同期熱帶印度洋海溫異常與南亞高壓強度有很好的關(guān)系。劉崎岷等[14]認(rèn)為,印度洋偏暖時,孟加拉灣上空對流異常偏強,導(dǎo)致潛熱釋放異常,在其西北側(cè)產(chǎn)生正的位勢高度場異常,加強了南亞高壓。楊輝等[15]指出了熱帶太平洋-印度洋海溫異常綜合模正位相時,南亞高壓偏弱、偏東偏南。楊建玲等[16]通過模式輸出結(jié)果顯示,印度洋偏暖時,孟加拉灣降水異常顯著,其潛熱加熱在大氣中產(chǎn)生Rossby波響應(yīng),在高層為正高度場異常,對南亞高壓的加強產(chǎn)生正貢獻(xiàn)。Li等[17]的多個大氣環(huán)流模式集合的結(jié)果也再現(xiàn)了熱帶印度洋與南亞高壓的這種聯(lián)系。

綜上所述,印度洋海溫顯著的影響著東亞地區(qū)天氣氣候,尤其值得關(guān)注的是其對中國的降水產(chǎn)生的重要影響。然而目前對印度洋海溫增暖變化影響東亞氣候的研究大多側(cè)重于夏季,對春季降水的影響研究得比較少,針對這個問題,進一步討論前期印度洋海溫變化和中國春季降水的關(guān)系。

1 資料和方法

所使用的資料分別為:（1）英國Hadley中心提供的逐月海表溫度資料,數(shù)據(jù)的空間分辨率為1.0°×1.0°。（2）年月平均的NCEP/NCAR全球再分析資料。包括海平面氣壓場SLP、位勢高度H、緯向風(fēng)U、經(jīng)向風(fēng)V,相對濕度SHUM。數(shù)據(jù)的空間分辨率為2.5°×2.5°,垂直方向從1000hPa到10hPa共17個氣壓層。（3）國家氣候中心提供的全國160站點逐月的降水資料。選取資料的時間長度均為1960～2010年。

借助SVD分析討論了前期冬季印度洋海溫與中國春季降水的相關(guān)系,通過前期冬季印度洋影響對中國春季降水影響的關(guān)鍵區(qū)的海溫變化,挑選出關(guān)鍵區(qū)的海溫暖年和冷年,并結(jié)合相關(guān)分析、合成差值分析方法,對前期冬季印度洋海溫對我國春季的降水影響做系統(tǒng)深入的探討和研究。文中的冬季指的是前一年的12月和當(dāng)年的1月和2月,春季指的是3～5月。

2 前期冬季印度洋海溫對中國春季降水的影響

前期印度洋海溫異常變化與中國的降水有著非常密切的聯(lián)系,為了具體的找出印度洋影響中國海溫的最顯著區(qū)域,即影響的關(guān)鍵區(qū)。以前期冬季印度洋（40°S～30°N）的海溫作為SVD左場,以后期春季全國160個站點的降水作為SVD右場。段取時間從1960～2010年,共51年。表1給出了SVD前3個模態(tài)分析結(jié)果,可以看到,前3個模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率分別為67.92%,12.59%,5.33%,第1模態(tài)的方差貢獻(xiàn)超過了65%,揭示了兩者之間關(guān)系的絕大部分信息,因此主要集中對第1模態(tài)進行詳細(xì)的分析研究。從左右場的相關(guān)關(guān)系結(jié)果可以看到,前3個模態(tài)相關(guān)系數(shù)值分別為0.74,0.68,0.68,均通過了0.01的顯著性信度檢驗,說明兩者之間有著非常強的相關(guān)性。

表1 1960～2010年前期冬季海溫和春季降水的SVD前3個模態(tài)分析結(jié)果

圖1給出了印度洋冬季海表溫度和后期春季降水分析第一耦合模態(tài)左、右異性相關(guān)系數(shù)空間分布圖和時間系數(shù)圖。從圖1a可以看到,整個印度洋區(qū)域主要為正的相關(guān)區(qū)域,僅在印度洋西南部（40°S～30°S,40°E～70°E）的部分地區(qū)有弱的負(fù)相關(guān),并且沒有通過顯著性信度檢驗。對于絕大部分正相關(guān)區(qū)域,都非常顯著,幾乎都通過了0.05的顯著性信度檢驗,在熱帶印度洋（20°S～20°N）的大部分地區(qū)甚至超過了0.01的顯著性信度檢驗,并且在南印度洋（20°S～40°S）,顯著的正相關(guān)區(qū)域隨著經(jīng)度的增加向南延伸。從右場相關(guān)系數(shù)空間分布圖可以看到（圖1b）,顯著的正相關(guān)區(qū)域主要分布在西北和華北地區(qū),在全國除了在西南的東部地區(qū)有少數(shù)站點的負(fù)相關(guān)分布外,其他也幾乎為正的相關(guān)分布,在華中、華東及長江中下游等地正相關(guān)分布也較為明顯,說明前期冬季印度洋海溫的升高可能會導(dǎo)致這些地區(qū)降水增多。從時間系數(shù)變化分析可以知道（圖1c）,左、右場基本呈一致的變化趨勢,并且具有非常明顯的年代際變化特征,在1982年之前時間系數(shù)主要以負(fù)相位為主,對應(yīng)冬季海溫整體偏低,使得中國后期春季大部分地區(qū)降水偏少,尤其是華北、華中、華南及西北地區(qū);而在1983年之后時間系數(shù)主要以正相位變化為主,對應(yīng)冬季海溫整體偏高,這樣有利于中國絕大多數(shù)降水的增多。

前面分析知道,前期冬季印度洋海溫影響中國春季降水的最明顯區(qū)域范圍約在20°S～20°N,40°E～120°E,即熱帶印度洋。因此,將這個區(qū)域定義為影響降水的關(guān)鍵區(qū),通過對關(guān)鍵區(qū)內(nèi)海溫做區(qū)域平均計算,結(jié)果見圖2a。可以發(fā)現(xiàn),冬季關(guān)鍵區(qū)內(nèi)海溫平均值為27.56℃,并且具有非常明顯的年代際變化特征,20世紀(jì)80年代中期之前主要表現(xiàn)為低于平均值,80年代之后主要表現(xiàn)為高于平均值。為了去除年代際變化特征,將關(guān)鍵區(qū)區(qū)域平均的原始海溫時間序列減去趨勢時間序列,再將其進行標(biāo)準(zhǔn)化,結(jié)果見圖2b。為了較好地反映出印度洋海溫的異常,更加均勻的區(qū)分冷暖年,以0.7的標(biāo)準(zhǔn)化值為基準(zhǔn),將高于這個值稱為關(guān)鍵區(qū)內(nèi)暖年;將低于這個值稱為關(guān)鍵區(qū)冷年。統(tǒng)計得出關(guān)鍵區(qū)暖年分別為1964年,1969年,1970年,1973年,1978年,1983年,1988年,1998年,2003年,2010年,共10年;關(guān)鍵區(qū)冷年分別為1965年,1968年,1971年,1972年,1974年,1976年1982年,1993年,1997年,2001年,2006年,2008年,共12年。

圖1 印度洋冬季海表溫度和后期春季降水分析第一耦合模態(tài)（陰影區(qū)表示通過了0.05的顯著性信度檢驗）

圖2 關(guān)鍵區(qū)區(qū)域平均的海溫時間變化序列及去除趨勢線的標(biāo)準(zhǔn)化時間序列

為了具體的分析前期冬季關(guān)鍵區(qū)內(nèi)海溫變化與中國后期春季降水之間的關(guān)系,圖3給出前期冬季關(guān)鍵區(qū)區(qū)域平均海溫去除趨勢的標(biāo)準(zhǔn)化距平與中國春季降水的相關(guān),可以看到,整個區(qū)域主要變現(xiàn)為正的相關(guān),顯著的正相關(guān)區(qū)域主要分布在華北、華中、華東部分地區(qū)及西北的新疆地區(qū),而負(fù)相關(guān)區(qū)域主要分布在西南東部往南到華南西部等少數(shù)地區(qū),并且沒有通過顯著性信度檢驗。總的而言,說明前期冬季關(guān)鍵區(qū)海溫的異常增高（降低）,會造成后期春季華北往南到華中、華東及西北的新疆地區(qū)的降水明顯增多（減少）,西南的四川、貴州及華南的廣西等地降水會有所減少（增多）。

前期冬季關(guān)鍵區(qū)內(nèi)海溫的異常變化能夠?qū)χ袊笃诮邓a(chǎn)生非常明顯的影響。因此,前期冬季的關(guān)鍵區(qū)暖年和冷年對后期降水影響的差異性還需要進一步的深入研究分析。圖4給出了前期冬季關(guān)鍵區(qū)暖年和冷年的中國春季降水差值分布。可以看到,差值分布的結(jié)果與圖3相關(guān)結(jié)果基本上較為一致。在整個區(qū)域主要表現(xiàn)為正的差值,顯著性正的差值主要分布在西北北部及東部、華北及往南到華中、華東,再往南到華南的東部;負(fù)的差值主要分布在西南東部往南至華南西部,通過顯著性信度檢驗的區(qū)域相對較小。進一步說明了前期冬季關(guān)鍵區(qū)內(nèi)海溫變化對中國后期春季降水影響主要在華北及往南至華中、華東及華南東部,使得這些地區(qū)降水明顯增多。

圖3 前期冬季關(guān)鍵區(qū)內(nèi)區(qū)域平均海溫去除趨勢的標(biāo)準(zhǔn)化距平與中國春季降水的相關(guān)（陰影區(qū)表示通過了0.05的顯著性信度檢驗）

圖4 前期冬季關(guān)鍵區(qū)暖年和冷年的春季降水差值分布（單位:mm）（陰影區(qū)表示通過了0.05的顯著性信度檢驗）

3 關(guān)鍵區(qū)內(nèi)海溫異常的對流層環(huán)流變化分析

降水的變化源自于對流層環(huán)流背景的異常,前期冬季海溫變化首先通過對后期對流層環(huán)流系統(tǒng)產(chǎn)生影響,繼而影響中國春季的降水。圖5給出了前期冬季關(guān)鍵區(qū)暖年和冷年的春季500hPa位勢高度場差值分布。可以看到,正、負(fù)差值分布非常明顯,在40°N以北主要以負(fù)的距平為主,顯著的負(fù)距平中心位于中國北部的新西伯利亞并一直往東延伸至鄂霍次克海,蒙古高壓減弱,有利于西北冷空氣向中國內(nèi)陸入侵,但在歐洲東部為顯著的正距平,東歐槽顯著減弱,在35°N以南為一致的正距平控制,并且都通過顯著性信度檢驗。

從前期冬季關(guān)鍵區(qū)內(nèi)海溫暖年和冷年的春季850hPa風(fēng)場差值分布來看（圖6）,同樣可以看到在東歐為反氣旋性差值中心,中國北部蒙古往北貝加爾湖等地為氣旋性差值中心,中國西北部對應(yīng)其北風(fēng)氣流支異常明顯,并且往南到40°N有較弱的東風(fēng)氣流,冷暖氣流在中國西北部匯合,是造成西北部新疆等地區(qū)降水增多的主要原因。而在東南部和沿海地區(qū)為反氣旋的差值控制,華南東部、華中、華東及華北都為較為一支顯著的南風(fēng)氣流控制,海洋的暖濕氣流向內(nèi)陸輸送更為顯著,造成了東部及中部大部分地區(qū)降水增多。

圖5 前期冬季關(guān)鍵區(qū)暖年和冷年的春季500hPa位勢高度場差值分布（單位:gpm）（陰影區(qū)表示通過了0.05的顯著性信度檢驗）

圖6 前期冬季關(guān)鍵區(qū)內(nèi)海溫暖年和冷年的春季850hPa風(fēng)場差值分布（單位:m/s）（陰影區(qū)表示通過了0.05的顯著性信度檢驗）

從前期冬季關(guān)鍵區(qū)內(nèi)海溫暖年和冷年的春季海平面氣壓場差值分布如圖7所示,可以看到,整個區(qū)域主要存在兩個非常明顯的正的差值中心,一個位于歐洲的東北部并往東南方向延伸至貝加爾湖附近,中心差值約為1.8hPa,另一個位于中國東北部及日本海附近并向南延伸。負(fù)的差值中心主要位于中國西南東部的貴州、廣西一帶,說明在前期冬季關(guān)鍵區(qū)內(nèi)海溫升高（降低）,西北部和東北部及東部沿海的海平面氣壓是顯著升高（降低）,而西南東部海平面氣壓場顯著減弱（增強）。

上面從風(fēng)場分析可以知道,海洋上的暖濕空氣在印度洋暖年更有利于吹向中國內(nèi)陸,使得這些地區(qū)擁有了降水的水汽條件。為了具體地看這些地區(qū)水汽的分布情況,圖8給出了前期冬季關(guān)鍵區(qū)內(nèi)海溫暖年和冷年的春季850hPa相對濕度場差值分布。可以看到,45°N以北主要表現(xiàn)為負(fù)的差值分布,并且存在較為顯著的兩個差值中心,分別位于巴爾克什湖和貝加爾湖之間及以南地區(qū)和鄂霍次克海附近,而在45°N以南主要為正的差值分布,尤其是華北及往南到華中、華南及西南的東部,正的差值異常顯著,并且在東南部沿海地區(qū)也呈非常顯著的正相關(guān),進一步驗證了圖6的分析結(jié)果,說明關(guān)鍵區(qū)海溫異常增高（降低）,內(nèi)陸的水汽顯著增多（降低）,尤其是華北及往南到華中、華南及西南的東部。

圖7 前期冬季關(guān)鍵區(qū)內(nèi)海溫暖年和冷年的春季海平面氣壓場差值分布（單位:hPa）（陰影區(qū)表示通過了0.05的顯著性信度檢驗）

圖8 前期冬季關(guān)鍵區(qū)內(nèi)海溫暖年和冷年的春季850hPa相對濕度場差值分布（陰影區(qū)表示通過了0.05的顯著性信度檢驗）

4 結(jié)束語

首先利用SVD方法找出了前期印度洋冬季海溫影響后期中國春季降水的關(guān)鍵區(qū),通過相關(guān)分析、合成分析等方法分析了關(guān)鍵區(qū)內(nèi)海溫的異常變化對中國降水影響的差異,并從環(huán)流形勢深入地探討了產(chǎn)生這種影響的內(nèi)在原因。得到以下主要結(jié)論:

（1）前期印度洋冬季海溫影響后期中國春季降水的最明顯區(qū)域范圍主要在 20°S～20°N,40°E～120°E,即文中給出的關(guān)鍵區(qū)。前期冬季關(guān)鍵區(qū)海溫的異常增高（降低）,會造成后期春季中國華北往南到華中、華東、華南東部及西北的新疆地區(qū)的降水明顯增多（減少）,西南的四川、貴州及華南的廣西等地降水會有所減少（增多）。

（2）與關(guān)鍵區(qū)冷年相比,在關(guān)鍵區(qū)的暖年,環(huán)流背景反映出東歐槽顯著減弱,北方氣壓顯著降低,蒙古高壓明顯減弱,冷空氣南下更為明顯,而華南東部、華中、華東及華北都為較為一直顯著的南風(fēng)氣流控制,海洋的暖濕氣流向內(nèi)陸輸送更為顯著,使得東部及中部大部分地區(qū)水汽較為充沛,形成大面積的降水。

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