ＥＮＳＯ對華東地區(qū)春季降水影響的不對稱性

鞏婷，易笑園

摘要：利用1958—2019年的觀測和再分析數(shù)據(jù)集，對冷、暖兩類厄爾尼諾-南方濤動（El Nino-Southern Oscillation，ENSO）事件與后期華東地區(qū)春季降水之間的關(guān)系進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：（1）在暖ENSO事件中，華東春季降水量與前冬季ENSO海面溫度異常存在較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。在 冷ENSO事件中，這種強(qiáng)正相關(guān)向內(nèi)陸地區(qū)西移，主要集中在江西和湖南。（2）暖ENSO事件通常 會導(dǎo)致浙江、江蘇和福建等沿海省份春季降水量過剩，而冷ENSO事件往往導(dǎo)致江西和湖南降水偏 少。這歸因于ENSO對大氣環(huán)流的非線性影響。（3）與暖ENSO事件相比，冷ENSO事件引起的海 面溫度異常中心明顯西移，造成異常低層大氣環(huán)流的西移，最終導(dǎo)致華東降水的西移效應(yīng)。（4）通 過分析和發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)調(diào)了華東春季降水對ENSO的非線性響應(yīng)，這對華東地區(qū)的季節(jié)性氣候預(yù)測具有 重要意義。

關(guān)鍵詞：春季降水；華東地區(qū)；厄爾尼諾；大氣環(huán)流

中圖分類號：P461.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-3599（2023）04-0040-07 DOI：10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2023.04.005

Asymmetric effect of ENSO on the spring precipitation over East China

GONG Ting1 YI Xiaoyuan2

（1. Tianjin Air Traffic Management Bureau， Civil Aviation Administration of China， Tianjin 300399， China ； 2. Tianjin Meteorological Bureau，Tianjin 300074，China）

Abstract ： Using the observations and reanalysis datasets from 1958 to 2019，this study reveals an asymmetric effect of El Nino-Southern Oscillation （ENSO） on the following spring precipitation over East China. The results are listed as below. （ 1） During the years with positive ENSO phases， a strong positive correlation exists between the spring precipitation over Zhejiang and Jiangsu provinces and the preceding winter ENSO sea surface temperature （SST） anomalies. During the years with negative ENSO phases such a strong positive correlation shifts westwards to inland areas mainly in Jiangxi and Hunan provinces.（2） To be specific the El Nino events usually result in a precipitation surplus in the decaying spring over Zhejiang， Jiangsu， and Fujian provinces， while the La Nina events usually lead to a precipitation deficit in the decaying spring over Jiangxi and Hunan provinces. This is attributed to the nonlinear effects of ENSO on the atmospheric circulation. （3） Compared with El Nino the abnormal center of SST anomalies induced by La Nina evidently extends westwards inducing a westward movement of the anomalous low-level atmospheric circulation， which eventually results in a westward-shifted effect on the following spring precipitation over East China. （4） The findings emphasize the nonlinear responses of the spring precipitation over East China to ENSO，which has important implications for the seasonal climate predictions over East China.

Keywords： spring precipitation; East China; El Nino； atmospheric circulation

引言

華東地區(qū)自然環(huán)境條件優(yōu)越，人口密集，是我國 重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，也是我國經(jīng)濟(jì)文化發(fā)達(dá)地區(qū) 之一。已有的研究指出，隨著全球氣候變暖，華東地 區(qū)降水量有增加的趨勢，但是華東汛期降水過程推 后，會造成春季雨量減少，導(dǎo)致春季干旱發(fā)生[1-2]。 2011年春季長江中下游地區(qū)發(fā)生嚴(yán)重干旱，且干旱 維持時間長，波及范圍廣，使得該地區(qū)的農(nóng)業(yè)和漁業(yè) 遭受重創(chuàng)，造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失[3]；而到了 6月，長 江中下游地區(qū)降水量較常年同期明顯偏多，使得長 江流域發(fā)生旱澇急轉(zhuǎn)[4-5]。因此，研究華東地區(qū)春 季降水異常的成因，對華東地區(qū)的民生和社會經(jīng)濟(jì) 具有重要意義。

眾所周知，厄爾尼諾-南方濤動（El Nino-Southern Oscillation，ENSO）是熱帶太平洋海氣稱合 系統(tǒng)中最強(qiáng)的年際變化信號[6-7]，常會導(dǎo)致全球氣 候異常，也是導(dǎo)致東亞季風(fēng)異常和我國旱澇發(fā)生的 重要因素。ENSO以“遙相關(guān)”的方式通過大氣環(huán)流 作用于東亞季風(fēng)系統(tǒng)的各個部分，影響天氣氣候異 常[s-9]。當(dāng)El Nino達(dá)到冬季成熟期時，東亞冬季風(fēng) 被異常反氣旋西北側(cè)的西南風(fēng)削弱，而夏季風(fēng)則在 次年夏季得到加強(qiáng)[1。]。在El Nino發(fā)展期，西太平 洋副熱帶高壓偏弱，西南氣流北上偏弱，導(dǎo)致我國北 方降水偏少[11]；在El Nino衰減期，我國江南北部等 地區(qū)降水偏多，往往產(chǎn)生嚴(yán)重洪澇[12-14]。另外，也 有研究揭示了 ENSO通過影響大氣環(huán)流進(jìn)而間接影 響我國南方降水[15_17]。

東亞季風(fēng)降水與ENSO循環(huán)的各個階段密切相 關(guān)，許多研究分析了 El Nino和La Nina（拉尼娜）信 號對我國夏季降水的影響[1S]。金祖輝等[19]指出， El Nino期間長江以南地區(qū)多雨，以北地區(qū)少雨；但 是La Nina期間降水的異常特征不清楚。Zhang 等[2。]發(fā)現(xiàn)，在冬季El Nino期間華南地區(qū)降水偏多， El Nino對東亞冬季風(fēng)的影響顯著，但是La Nina的 影響不顯著。綜上所述，由于氣候系統(tǒng)中存在的非

線性變化特征，El Nino和La Nina事件并非完全相 反，而是表現(xiàn)出明顯的不對稱性[21-22]。通常來說， 厄爾尼諾的海面溫度（以下簡稱“海溫” ；sea surface temperature，SST）異常中心強(qiáng)度是高于La Nina的 海溫異常的[23]。從空間結(jié)構(gòu)上，與El Nino相比， La Nina現(xiàn)象成熟期的海溫異常中心更偏向西。它 們的持續(xù)時間甚至存在明顯的不對稱性：El Nino現(xiàn) 象在其成熟階段后的第2個夏季趨于迅速衰減，而 La Nina海溫異常通常持續(xù)更長時間[24]，這種不對 稱性還體現(xiàn)在對ENSO的氣候響應(yīng)上[25]。例如，Li 等[26]研究了 ENSO與中南半島降水的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn) La Nina對春季降水的影響比El Nino的影響更強(qiáng)。 因此，ENSO的非線性變化給區(qū)域氣候預(yù)測帶來了 巨大挑戰(zhàn)。本文根據(jù)1958—2019年華東地區(qū)降水 資料、海溫資料以及日本55 a再分析（the Japanese 55-year Reanalysis，JRA-55）資料，分析了 ENSO 的非 對稱性效應(yīng)對華東地區(qū)春季降水的影響，以期為華 東地區(qū)春季降水預(yù)測提供依據(jù)。

1資料與方法

使用的資料包括：（1）降水資料為東英吉利大 學(xué)氣候研究中心（Climatic Research Unit at the University of East Anglia）提供的分辨率為 0.5°x0.5。 的逐月降水?dāng)?shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)取自https ： //crudata. uea.ac.uk/cru/data/hrg/cru_ts_4.04 ；研究區(qū)域?yàn)槿A 東地區(qū)107.5。?125.0°E、25。?35°N（圖1紅色框范 圍）。（2）逐月海溫?cái)?shù)據(jù)來源于英國氣象局哈得來中 心，分辨率為1°x1。，相關(guān)數(shù)據(jù)取自https：//www.metoffice. gov. uk/hadobs/hadisst/data/download. html。

（3）日本氣象廳提供的55 a再分析數(shù)據(jù)集，要素包括 高度場、風(fēng)場等，其分辨率為1.2511.25。，相關(guān)數(shù)據(jù)取自 https：//jra. kishou. go. jp/JRA-55/index _ en. html。

（4）為了表述ENSO的不同階段和強(qiáng)度，采用美國氣 候預(yù) 測 中 心 （ Climate Prediction Center of the United States）提供的海洋尼諾指數(shù)（the Oceanic Nino Index， ONI），相關(guān)數(shù)據(jù)取自 http：//origin.cpc .ncep.noaa.gov/products/analysis _ monitoring/ensostuff/ONI _ v5. php。

ONI 是指 Nmo3.4 地區(qū)（5°N～5°S，120°W～170°W）海 平面溫度距平。ONI的閥值是0.5 V和-0.5 T（連續(xù) 5個月超過0.5 V預(yù)示著El Nino，連續(xù)5個月低于 -0.5 V預(yù)示著La Nifia）。文中，春季所指為1958—2019年的3—5月

研究中使用的方法包括相關(guān)分析、合成分析等 常用統(tǒng)計(jì)方法和診斷分析方法，使用的檢驗(yàn)方法主 要為t檢驗(yàn)。本文的合成分析年份是根據(jù)ONI進(jìn)行 選擇，選取了 10個最強(qiáng)的El Nino事件和10個最強(qiáng) 的La Nina事件（ONI的絕對值大于1），表1給出了 相應(yīng)的衰減年份。文中合成變量的異常值是通過距 平場計(jì)算，去除了 62 a的平均狀態(tài)。為了避免氣候 變化的可能影響，如全球變暖，統(tǒng)計(jì)計(jì)算中刪除了所 有數(shù)據(jù)的長期趨勢。衰減年份的選擇基于前一個冬 季的ONI，例如，1958年是根據(jù)1957年12月一1958 年2月的ONI選擇結(jié)果。

2華東地區(qū)春季降水與ENSO的關(guān)系

為了分析華東春季降水和ENSO之間的關(guān)系， 將華東地區(qū)（107.5。～ 125.0°E、25。?35°N）進(jìn)行區(qū)域 平均，來表征華東地區(qū)的春季降水變化。由1958—2019年華東地區(qū)春季降水時間序列（圖2）可以看 出，華東地區(qū)春季降水呈現(xiàn)較為明顯的年際變化，但 是在20世紀(jì)90年代后期，春季降水呈現(xiàn)減少的趨 勢。有研究指出，華東地區(qū)的降水可能和熱帶中、東 太平洋海溫的異常變化有關(guān)[27-2S]。由圖2可知，華 東降水和ONI呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)r達(dá) 到0.48，顯著性水平p小于0.001。

進(jìn)一步驗(yàn)證華東春季降水與太平洋海溫的關(guān) 系，給出了華東春季降水與太平洋前冬、春季海溫的 相關(guān)分布。由圖3可知，華東地區(qū)春季降水與前冬 中東太平洋區(qū)域的海溫存在顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù) 在0.4以上（圖3a），并且這種相關(guān)能夠持續(xù)至春季 （圖3b），但相關(guān)系數(shù)明顯減弱。也就是說，ENSO 是影響華東春季降水的重要強(qiáng)迫信號，暖ENSO事 件衰減年，春季華東地區(qū)降水偏多;冷ENSO事件衰 減年，春季華東地區(qū)降水偏少。

值得注意的是，華東春季降水與ENSO之間的 關(guān)系表現(xiàn)出明顯的不對稱性。對于ONI大于0的 年份即暖ENSO事件階段，冬季ONI主要與江蘇、 浙江和江西等省份的春季降水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系 （圖4a）。然而，在ONI小于0的年份，即冷ENSO 事件階段，這種顯著正相關(guān)向西轉(zhuǎn)移到江西和湖南 （圖4b），并且在江蘇和浙江的正相關(guān)性明顯減弱。 這意味著，與暖ENSO事件相比，冷ENSO事件對華 東春季降水的影響范圍在向西移動。上述分析表 明，ENSO與華東春季降水存在密切聯(lián)系，但是降水 對ENSO的響應(yīng)存在非對稱性，這對華東地區(qū)的降 水預(yù)測具有重要意義。

3春季東亞大氣環(huán)流對ENSO的響應(yīng)

為了進(jìn)一步探討ENSO對春季降水影響的非對 稱效應(yīng)，根據(jù)合成分析，對在春季衰減期冷、暖 ENSO的分布特征進(jìn)行檢查。在暖ENSO事件中， 正異常海溫覆蓋了熱帶東太平洋，并延伸到太平洋 中部（圖5a）。相反，在冷ENSO事件中，負(fù)異常海 溫主要分布在熱帶中太平洋，甚至延伸到熱帶西太 平洋（圖5b）。這意味著，與暖ENSO事件相比，冷 ENSO在春季衰退期間海溫異常中心是向西移動 的。這種冷、暖兩類ENSO事件成熟階段的不對稱 性對氣候的影響存在差異。例如：陳文[29]指出，La Nina對東亞冬季風(fēng)循環(huán)的影響與El Nino大致相 反，但其影響不如El Nino的影響顯著;李天然等[30]認(rèn)為，華南冬半年降水對ENSO信號存在不對稱響應(yīng)。

冷ENSO事件時，海溫異常的西移表明：在冷 ENSO衰變的春季，大氣環(huán)流的響應(yīng)可能向西移動。 為了驗(yàn)證這一假設(shè)，圖6給出了不同情況下850 hPa 的流函數(shù)和旋轉(zhuǎn)風(fēng)異常分布情況。在暖ENSO春季 衰減期，旋轉(zhuǎn)風(fēng)場在北太平洋西部表現(xiàn)出明顯的異 常低層反氣旋，流函數(shù)異常中心位于菲律賓群島以 東（圖6a），華東處于異常西南風(fēng)場的邊緣。與此相 反，在冷ENSO春季衰減期，北太平洋西部有一個強(qiáng) 烈的異常低層氣旋（圖6b）。更重要的是，流函數(shù)異 常中心向西移動穿過菲律賓群島，異常風(fēng)場相應(yīng)向 西延伸。在這種情況下，華東地區(qū)受到異常東北風(fēng) 的影響。

如前所述，低層大氣的環(huán)流異常在水汽輸送中 起著決定性作用。在暖ENSO事件的春季衰退期， 異常增強(qiáng)的西南風(fēng)將過多的水分從南海輸送到我國 東南部（圖7a）。伴隨著異常水汽通量，東海至我國 東部地區(qū)出現(xiàn)明顯的水汽輻合。由垂直運(yùn)動分析 （圖8a）可知，赤道東太平洋持續(xù)偏高的海溫使得對 流增強(qiáng)，加熱異常會激發(fā)出羅斯貝波，使其西側(cè)出現(xiàn) 西北太平洋異常反氣旋，而在我國華東地區(qū)呈現(xiàn)上 升運(yùn)動。結(jié)合圖7a中西南風(fēng)帶來的水汽輸送，對于 華東地區(qū)，顯著的水汽輻合從華南地區(qū)一直延伸至 江蘇南部，并且伴隨上升運(yùn)動，將有利于浙江、江蘇 和福建等沿海省份的春季降水發(fā)生。與之相反，在 冷ENSO事件的春季衰退期，異常東北風(fēng)阻礙了水 汽向華東的輸送（圖7b）。西北太平洋地區(qū)是顯著 的上升運(yùn)動（圖8b），對比圖8a來說，整個區(qū)域明顯 向西移動，而相應(yīng)的我國東南部是下沉運(yùn)動，并且下 沉區(qū)域西移。在這種情況下，與暖ENSO事件相比， 異常水汽通量場以及下沉運(yùn)動均表現(xiàn)出向西移動， 顯著的水汽輻散區(qū)主要位于浙江、江西和湖南等省份，并伴隨著下沉運(yùn)動，將導(dǎo)致這些地區(qū)春季降水 不足。

4結(jié)論與討論

在人口稠密、以農(nóng)業(yè)為基礎(chǔ)的華東地區(qū)，春季降 水異常對當(dāng)?shù)厝嗣竦纳?jì)和社會經(jīng)濟(jì)至關(guān)重要。因 此，本文主要研究華東春季降水及其對ENSO的非 對稱響應(yīng)。總體而言，ENSO在其春季衰變期與大 氣環(huán)流密切相關(guān)。例如，溫暖的ENSO海溫異常（即 厄爾尼諾事件）在衰變的春季激發(fā)了北太平洋西部 的異常低層反氣旋，增強(qiáng)了西南風(fēng)，反之亦然。因 此，ENSO對華東春季降水有明顯影響。

然而，ENSO事件中存在不對稱，這將對大氣造 成不對稱影響。通常情況下，暖ENSO事件中的異 常暖海溫從發(fā)展期到衰退階段都存在于熱帶東太平 洋。在暖ENSO春季衰減期，北太平洋西部菲律賓 群島以東形成了一個異常的低層反氣旋。增強(qiáng)的西 南風(fēng)為華東地區(qū)帶來過多的水汽，導(dǎo)致江蘇、浙江和 江西北部出現(xiàn)異常水汽輻合。相反，冷ENSO事件中的異常冷海溫略微向西延伸，特別是在衰減春季， 海溫異常中心明顯向西移動，這導(dǎo)致異常低層氣旋 在北太平洋西部向西移動。由此產(chǎn)生的異常東北風(fēng) 場相應(yīng)向西移動造成江西、湖南春季出現(xiàn)異常水汽 散度。因此，華東春季降水異常對于冷ENSO事件的響應(yīng)，呈現(xiàn)向西移動。通過分析進(jìn)一步證實(shí)，華東 春季降水對ENSO的響應(yīng)表現(xiàn)出明顯的不對稱性。 具體而言，在暖ENSO事件衰退春季，江蘇、浙江和 江西北部降水偏多，而江西和湖南在冷ENSO事件 衰退春季通常會出現(xiàn)降水偏少現(xiàn)象。

在本研究中，強(qiáng)調(diào)了 ENSO對華東春季降水的 不對稱影響，春季降水對暖、冷ENSO海溫異常的響 應(yīng)存在明顯差異，這對華東地區(qū)的季節(jié)性預(yù)測至關(guān) 重要。這些結(jié)果將有助于認(rèn)識華東春季降水異常的 規(guī)律，但對大氣環(huán)流異常的機(jī)理研究尚不深人，今后 需要繼續(xù)開展研究，以便進(jìn)一步揭示其變化規(guī)律和 物理機(jī)制。

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