強學民，楊修群

1 南京大學大氣科學學院，南京 210093

2 解放軍理工大學氣象海洋學院，南京 211101

1 引 言

海溫是影響大氣環(huán)流和氣候變化的重要外強迫.早在1960年代，Bjerkness［1］就提出赤道東太平洋海溫異?？梢悦黠@地影響中高緯度地區(qū)甚至全球的大氣環(huán)流和天氣氣候.許多研究一致認為，我國汛期降水尤其是長江中下游梅雨［2－3］及華北雨季［4－5］都與海溫異常、特別是與西太平洋暖池海溫異常及其相聯(lián)系的ENSO現(xiàn)象有相當密切的關系，包括熱帶太平洋在內(nèi)的熱帶海溫異常對東亞夏季氣候的影響，也已經(jīng)為大量的數(shù)值試驗所證實［6－7］，熱帶太平洋海溫和西北太平洋局地海溫異常對亞澳季風年際變率模態(tài)的重要驅動作用，亦在AMIP型的氣候模式模擬試驗中得到證實［8］.關于華南地區(qū)降水與太平洋海溫的聯(lián)系近年來也受到了人們的關注.每年的4－9月是華南的降水集中期，其中4—6月是其經(jīng)歷的第一個多雨的時期，人們往往稱其為前汛期.然而，作為華南地區(qū)主汛期的前汛期降水同海溫和ENSO的聯(lián)系似乎不如上述地區(qū)那樣明顯和一致.如吳志偉等［9］提出前期西太平洋暖池海溫同前汛期降水存在負相關關系，但與孟加拉灣及其以南地區(qū)的負相關更顯著；梁建茵等［10］也認為西太平洋暖池海溫同廣東前汛期降水存在顯著負相關；吳勝池等［11］則指出熱帶東太平洋海溫與廣東夏季（5—8月）降水存在顯著的反相關關系.徐蕾如等［12］提出，在ENSO的當年和次年，華南沿海地區(qū)3—6月的降水僅僅表現(xiàn)為稍偏多，前汛期降水與ENSO的關系不如中國中部地區(qū)顯著.鄧立平等［13］、馬慧等［14］則認為，穩(wěn)定影響華南前汛期降水的敏感區(qū)位于我國近海海域，陳藝敏和錢永甫［15］還利用數(shù)值模式對該海域海溫異常影響前汛期降水的情況進行了研究.

分析發(fā)現(xiàn)，上述差異可能與所使用的資料、選取的站點、研究的區(qū)域和降水時段以及研究對象等因素有關.考慮到其年際變化，在華南前汛期降水的研究中，有必要事先確定每年的開始和結束日期.最近，強學民和楊修群［16］通過對汛期雨量標準、研究時段、區(qū)域及站點選擇等問題的分析，對前汛期的起、止日期進行了合理劃分，得到了逐年的華南前汛期降水時間序列.

關于太平洋海溫異常與我國氣候的聯(lián)系，前人研究中已經(jīng)得到了很多有意義的結論，但與華南前汛期降水的研究中不僅存在著上述問題和差異，而且也多偏重于夏季風盛行季節(jié).發(fā)生在熱帶西太平洋暖池的海溫異常及其相聯(lián)系的ENSO現(xiàn)象，是目前所發(fā)現(xiàn)的引起氣候年際變化、尤其是季節(jié)性降水異常的最強信號，它和華南前汛期降水之間的關系值得我們對其做進一步更深入的研究.

本文利用前期工作得到的逐年華南前汛期降水時間序列，分析了華南前汛期降水的年際變化特征，并研究其與太平洋海溫、特別是西太平洋暖池海溫變化的聯(lián)系，尋找影響華南前汛期降水年際異常的前期海溫信號，為做好前汛期降水短期氣候預測提供理論依據(jù).

2 資料和方法

本文使用的降水資料為中國氣象局整編的1957—2004年中國740站逐日降水觀測資料；大氣資料是美國 NCEP／NCAR逐日再分析資料［17］，分辨率為2.5°×2.5°；海溫資料是英國氣象局 Hadley中心整編的全球逐月海表面溫度格點資料［18］，分辨率為1°×1°.

文中主要采用線性相關分析、合成分析和奇異值分解（SVD）［19］等統(tǒng)計方法.奇異值分解方法用來研究與前汛期降水場相聯(lián)系的前期海溫場時空結構特征.合成分析用于研究對應于前期冬季海溫異常的大氣環(huán)流及前汛期降水異常.

3 華南前汛期降水異常的變化特征

采用文獻［16］確定的華南站點及前汛期降水時段，用前汛期降水時段的站點平均降水定義華南前汛期降水指數(shù).圖1給出了華南前汛期降水指數(shù)距平的時間序列，該指數(shù)反映了華南前汛期降水異常的變化特征.由圖1可見，華南前汛期降水存在明顯的年際和年代際變化，20世紀50年代末—60年代和90年代是前汛期降水偏多期，而70年代末—90年代初以及本世紀初降水偏少.前汛期降水正距平超過200mm 的年份有：1957、1959、1966、1968、1983、1993、1997和1998年（共8年），定義這些年份為前汛期嚴重澇年.降水負矩平超過200mm的年份有：1963、1970、1977、1988、1991、2002和2004年（共7年），定義這些年份為嚴重旱年.若對前汛期降水指數(shù)取標準化，并以±1作為劃分嚴重旱、澇年的標準，得到的旱澇年份與上述結果相同.

利用回歸方法計算華南前汛期降水指數(shù)的長期變化趨勢，發(fā)現(xiàn)其線性變化趨勢曲線（圖1中虛線）為一條斜率為負的直線，趨勢系數(shù)為－2.7mm／a.這表明近50年來，華南前汛期降水總體上大致以每年－2.7mm的趨勢在減少，表現(xiàn)為明顯的干旱趨勢.從圖1還可看到，進入2000年以后，前汛期降水有加速減少傾向.經(jīng)過t檢驗，驗證其趨勢相關系數(shù)r＝0.37，達到α＝0.05信度水平（rα＝0.28）的條件，表明該趨勢變化顯著存在.

4 華南前汛期降水與太平洋海溫異常的聯(lián)系

大量研究表明，前期海溫異常及其后續(xù)發(fā)展將引起大氣環(huán)流的異常［20］，從而影響降水發(fā)生異常.如黃榮輝等［21］認為，位于熱帶西太平洋暖池附近的大氣環(huán)流，在海溫熱源的強迫作用下，將激發(fā)自菲律賓附近至北美的遙相關型波列，從而對東亞氣候產(chǎn)生間接影響.蔡學湛等［22］也認為，冬季暖池附近對流活動異常作為一個強的征兆信號，可通過影響大氣環(huán)流的遙相關波列而影響華南前汛期早澇.因此，前期冬季海溫異常作為前兆信號，常常被用于季節(jié)降水預測.

4.1 華南前汛期降水與前期冬季海溫異常的SVD分析

為分析華南前汛期降水與前期冬季海溫異常的時空分布特征，對降水距平場和前冬全球海溫距平場進行SVD異性相關分析.結果發(fā)現(xiàn)，第一模態(tài)協(xié)方差貢獻達到69.34%，遠大于第二模態(tài)（8.24%）.可見，海溫異常變化對華南前汛期降水的影響主要表現(xiàn)在第一模態(tài)中，其左右場異性相關系數(shù)分布及時間系數(shù)見圖2（圖中陰影區(qū)絕對值大于0.28表示通過0.05的顯著性統(tǒng)計檢驗，大于0.36的通過0.01的顯著性統(tǒng)計檢驗）.其中，降水場的異性相關分布呈現(xiàn)出一致的正值變化特征，幾乎都達到顯著水平.這個結果說明，對應于前期冬季海溫異常，華南前汛期降水異常的主要響應表現(xiàn)為全區(qū)一致的特征（圖2a）.

從海溫異性相關場上（圖2b）可以看到，前期冬季海溫異常影響華南前汛期降水的耦合分布，主要表現(xiàn)為一個類似于太平洋ENSO型的分布特征，其中熱帶西太平洋暖池為顯著的負相關區(qū)，并以它為中心，分別在南、北太平洋向東延伸至中緯度地區(qū)；而赤道中、東太平洋為正相關區(qū)，但顯著特征稍弱.該相關分布型表明，當前冬熱帶西太平洋海溫異常偏低、赤道東太平洋海溫異常偏高時（與ENSO暖位相對應），華南前汛期降水將偏多；反之亦然.海溫場和降水場異常SVD第一模態(tài)時間系數(shù)（見圖2c）的相關亦達到了R＝0.638，且該時間系數(shù)與圖1給出的華南前汛期降水指數(shù)時間序列變化特征類似，并在年際、年代際變化基礎上存在一個負的減小趨勢.聯(lián)系降水場和海溫場分布，這個趨勢表明了近50年來，前冬熱帶西太平洋暖池存在一個顯著的總體變暖趨勢，這個總體趨勢對應華南前汛期降水的總體減少.

上述分析表明，華南前汛期降水同太平洋ENSO型海溫異常存在著密切的聯(lián)系.前人研究中認為前汛期降水與ENSO的相關不明顯或研究結論的不一致，可能與所用資料，特別是與華南前汛期的不同定義有關，同時也與海溫變化的關鍵區(qū)不同有關系.注意，圖2b揭示的海溫異常分布型中作為ENSO主要信號區(qū)的赤道中東太平洋上的正相關區(qū)并非是顯著相關區(qū)，而顯著負相關區(qū)位于暖池附近，類似于暖池區(qū)ENSO.

4.2 海溫關鍵區(qū)的選取

在上述分析基礎上，參考文獻中暖池區(qū)域［23］的劃分，重點是考慮到SVD分析中負顯著相關區(qū)的分布，以及冬季28.5℃海溫等值線所包圍的區(qū)域，選取120°E—180°E，20°S—20°N作為影響華南前汛期降水的、具有預報意義的海溫關鍵區(qū).對關鍵區(qū)海溫求區(qū)域平均并做標準化，其年際時間序列同標準化處理后的華南前汛期降水指數(shù)的相關系數(shù)為－0.598，超過0.01顯著水平.如圖3所示，圖中海溫異常同降水異常之間存在反相變化，尤其是在一些轉折年份，這個特征更為明顯.

特別值得注意的是，如果把上圖同前文SVD第一模態(tài)時間系數(shù)圖作比較，發(fā)現(xiàn)二者具有明顯的聯(lián)系.降水異性相關場第一模態(tài)表征的是前汛期降水全區(qū)具有一致性，時間系數(shù)反映了其時間變化特征，其與降水指數(shù)（標準化處理）的相關系數(shù)達0.974；而海溫場第一模態(tài)的時間系數(shù)同暖池關鍵區(qū)海溫時間序列（經(jīng)標準化處理）相關達－0.895.這充分說明暖池關鍵區(qū)海溫異常同華南前汛期降水異常之間的重要聯(lián)系.

參照前文中前汛期旱、澇年份的劃分，進行合成分析.結果發(fā)現(xiàn)，旱、澇年前期冬季海溫分布具有明顯的反位相特征（圖4），其中澇年前期冬季，熱帶西太平洋暖池海溫為負距平，赤道中、東太平洋海域海溫為正距平；旱年前期冬季，暖池關鍵區(qū)海溫為正距平，而赤道中東太平洋則為負距平.旱澇年海溫場的差值則和線性相關場形勢類似（圖略）.

在檢驗影響區(qū)域性旱澇前期海溫強信號時，苗秋菊［24］等認為須同時滿足“高相關”與“反位相”兩個條件，即關鍵區(qū)海溫與區(qū)域性降水的相關要高，同時典型旱、澇年前期海溫分布具有反位相特征.結合前文分析可以認為，本文得到的暖池區(qū)域（120°E—180°，20°S—20°N）確實就是影響華南前汛期旱澇的前期海溫強信號關鍵區(qū).

5 前期冬季暖池關鍵區(qū)海溫異常影響華南前汛期降水的可能途徑

暖池的熱狀況及其上空的對流活動不僅對維持熱帶緯圈環(huán)流起重要作用，而且在經(jīng)向上對北半球氣候和大氣環(huán)流也有很大影響.下面通過研究熱帶對流活動、大氣環(huán)流及降水在冷暖海溫年的不同響應，來分析暖池關鍵區(qū)海溫異常影響華南前汛期旱澇的可能物理機制.

5.1 熱帶對流活動異常的響應

使用向上長波輻射通量（Upward Longwave Radiation Flux，ULWRF）來表征大氣垂直對流活動的強弱.相對于多年平均，ULWRF正距平表示海表溫度低、對流活動弱，大氣層頂向外長波輻射偏多；負距平則相反.對暖池關鍵區(qū)前期冬季冷、暖海溫年份的合成分析發(fā)現(xiàn)，冷海溫年冬季（圖5a）暖池上空表現(xiàn)為一致的正距平，ULWRF高值區(qū)位于菲律賓東部海域；赤道中東太平洋為負距平，中心位于赤道140°W—180°附近，負距平還分布在我國江淮流域及以南的華南地區(qū)、南海，以及同緯度的北太平洋西部海域.而暖海溫年的ULWRF距平分布基本相反（圖5b）.圖中暖池正、負距平范圍大致在110°E—160°E，20°S—20°N，與選取的暖池關鍵區(qū)相對應.有研究提出［25］，冬季熱帶太平洋海表面溫度的ENSO模態(tài)異常分布型常?？梢砸恢本S持到夏季，因此，與華南前汛期同期的熱帶對流活動的異常類似于冬季的情況（圖5（c，d）），其中冷、暖海溫年熱帶西太平洋暖池以及赤道中、東太平洋的ULWRF距平基本上依然呈相反分布，只是受季節(jié)因素影響，對流活動中心有從赤道向低緯地區(qū)偏移的趨勢.

熱帶西太平洋ULWRF距平的這種反位相特征表明，前冬海表熱力強迫的異常將引起暖池上空對流活動異常，使該區(qū)域海氣熱量交換加強（減弱），產(chǎn)生異常強（弱）的上升運動；而在赤道中、東太平洋和東亞中緯地區(qū)上空出現(xiàn)了異常強（弱）的下沉運動，使得Walker和Hadley環(huán)流的上升和下沉氣流都得到加強（減弱）.

5.2 大氣垂直環(huán)流異常的響應

熱帶對流活動中的上升和下沉運動同緯向和經(jīng)向垂直環(huán)流有關，暖池海溫異常將影響Hadley環(huán)流和 Walker環(huán)流發(fā)生異常.沿105°E—120°E平均的風場垂直剖面圖反映了華南前汛期期間該區(qū)域Hadley環(huán)流對冷暖海溫異常的響應.對于暖池冷海溫年（圖6a），赤道及其以南的低緯地區(qū)為下沉運動距平，而10°N以北的整個對流層都被強的垂直上升距平所控制，最大值位于25°N附近.從圖上還可以看到，在25°N—30°N上空有一個西風風速正距平中心，表明副熱帶西風急流偏強，較常年位置（30°N附近）偏南.暖海溫年的分布形勢大致相反（圖6b），赤道及低緯地區(qū)為上升運動距平，華南區(qū)域上空為一致的下沉氣流距平；30°N以南有一個負西風距平，以北是正西風距平，說明副熱帶西風急流強度偏弱，位置偏北，負距平中心位于35°N—40°N附近.垂直風場的這種異常響應表明，暖池冷海溫年，前汛期期間北半球Hadley環(huán)流的上升和下沉運動都減弱了，華南地區(qū)對流活動相對較強，因此降水較多；而在暖海溫年，隨著Hadley環(huán)流上升支的增強，前汛期期間副熱帶地區(qū)下沉運動也增強了，華南地區(qū)對流活動受到抑制，因此降水較少.

圖7反映了對應于前期暖池海溫異常年的華南前汛期期間 Walker環(huán)流的異常情況.對于暖池冷海溫年，沿5°S—5°N平均的經(jīng)度－高度剖面圖中（圖7a），氣候平均狀況為大規(guī)模上升區(qū)的暖池上空（90°E—120°E），在前汛期期間出現(xiàn)了下沉運動異常距平，而日界線附近及印度洋東部原來的下沉運動區(qū)則出現(xiàn)了上升運動異常.該結果說明，冬季暖池海溫冷異常，使得前汛期期間赤道緯向環(huán)流的上升支和下沉支都減弱了，因此 Walker環(huán)流明顯減弱.對于暖海溫年，情形剛好相反.其中，暖池上空為上升運動異常，其東、西兩側有下沉運動異常，說明前汛期期間Walker環(huán)流得到加強（圖7b）.

5.3 西太平洋副熱帶高壓的響應

圖8 冷、暖海溫年前汛期期間500hPa位勢高度場和風場合成圖，其他說明同圖6（a）冷海溫年；（b）暖海溫年.Fig.8 As in Fig.6，but for composite horizontal distribution of 500hPa geopotential height and wind

吳國雄等［26］研究指出，西太平洋副熱帶高壓同北半球Hadley環(huán)流的下沉支有密切的聯(lián)系，因此，Hadley環(huán)流的異常會引起西太平洋副熱帶高壓異常.對華南前汛期降水指數(shù)與同期北半球500hPa高度場的相關分析發(fā)現(xiàn)（圖略），從南亞經(jīng)東亞到北美，相關系數(shù)的空間分布在南海與菲律賓附近為弱的正相關，我國華南至江淮流域、朝鮮半島及日本等東亞地區(qū)為顯著的負相關.正、負相關中心還分別出現(xiàn)在東亞大陸北部和北美的西部.該相關分布型在東亞太平洋所呈現(xiàn)的波列現(xiàn)象，在形式上相似于文獻［27］所揭示的菲律賓周圍海域對流活動異常所引起的Nitta波列或東亞太平洋遙相關型.利用合成分析的方法，對比冬季冷、暖海溫年之后的前汛期期間位勢高度場和風場后發(fā)現(xiàn)，二者存在顯著差異.其中在500hPa圖上（圖8），與冷海溫年弱的Hadley環(huán)流對應，前汛期期間西太平洋副熱帶高壓強度較弱，5870線收縮至130°E附近，脊線位置偏南.在暖海溫年，副高顯著增強，5870線西伸至110°E以西，所包圍的面積擴展到幾乎是冷海溫年的兩倍以上，脊線位置也偏北一些.類似結果在文獻［28－29］中也有描述.從數(shù)值試驗結果可以證實［30］，西太平洋地區(qū)的暖SST異常，能夠通過Sverdrup平衡而增強副高的西伸，這從動力機理上支持本文上述結論.

張潔等［31］分析了中國春季典型降水異常及相聯(lián)系的大氣水汽輸送，認為副高西北側的西南氣流是將菲律賓及中國南海的水汽向華南地區(qū)輸送的重要通道.因此，本文所揭示的暖池冷海溫年之后、前汛期期間500hPa高度場副熱帶高壓強度較弱、位置偏東的異常響應，將有利于加強其西北側在前汛期期間向華南水汽的輸送.

為進一步分析水汽輸送異常對華南前汛期降水的影響，我們又計算了與降水關系更密切的整層積分的水汽通量及其散度.垂直積分從地表氣壓開始直到300hPa以消除地形的影響.從冷、暖海溫年前汛期期間整層水汽通量及其散度的差值來看（圖9），亞洲最大的水汽輻合差值中心位于華南，而在西北太平洋、孟加拉灣和中國北方上空分別存在一個水汽輻散差值中心.其中來自西北太平洋反氣旋西北側的偏南風差值水汽輸送與來自中國北方的偏北風差值水汽輸送在華南地區(qū)上空匯合，造成了華南前汛期的偏多降水.常越等［32］分析了華南前汛期旱、澇年水汽輸送的差異，其結果與本文基本一致.

5.4 降水場的響應

以上分析了大氣內(nèi)部的熱力和動力等各個因子在異常暖池海溫強迫下的異常響應，那么前汛期期間華南地區(qū)的降水有何響應呢？合成分析發(fā)現(xiàn)，對應于冷海溫年（圖10a），前汛期期間華南全區(qū)降水明顯偏多，其中福建和廣東兩省沿海地區(qū)降水距平中心超過120mm；對于暖海溫年（圖10b），情形剛好相反，華南全區(qū)降水為負距平分布.

降水場在冷、暖海溫年所表現(xiàn)出來的反位相特征，再次充分說明華南前汛期降水同西太平洋暖池海溫之間存在著反相關聯(lián)系，并且由本研究所揭示的暖池關鍵區(qū)冬季海溫異常可以視為華南前汛期降水的一個強征兆信號.其中，該異常海溫信號是通過影響菲律賓附近海域對流活動的異常來引起大氣環(huán)流（如Hadley環(huán)流、Walker環(huán)流）以及西太平洋副熱帶高壓產(chǎn)生異常，從而實現(xiàn)對華南前汛期降水異常的影響.

6 結 論

利用近50年全國逐日降水觀測資料和全球大氣、海洋分析資料，分析了華南前汛期降水異常的變化特征及其與太平洋海溫異常的關系.得到主要結論如下：

（1）20世紀50年代末—60年代和90年代華南前汛期降水偏多；70年代末—90年代初以及本世紀初降水偏少.近50年來華南前汛期降水總體呈現(xiàn)減少趨勢.

（2）太平洋海溫異常影響華南前汛期降水的主模態(tài)是一個類似于ENSO型的西太平洋暖池模態(tài).當處于該模態(tài)的正位相時，即前期冬季熱帶西太平洋暖池偏冷、赤道中東太平洋海溫偏暖分布時，華南前汛期降水將偏多；當處于該模態(tài)的負位相時，華南前汛期降水偏少.其中，熱帶西太平洋區(qū)域（120°E—180°，20°S—20°N）前期冬季海溫異常同華南前汛期降水存在顯著的負相關關系，是具有預報意義的海溫關鍵區(qū).

（3）暖池關鍵區(qū)影響前汛期降水的可能物理過程是：當前期冬季暖池異常偏暖時，菲律賓周圍地區(qū)對流活動加強，導致 Walker環(huán)流及東亞太平洋中低緯局地Hadley環(huán)流增強；而局地Hadley環(huán)流的加強，可通過影響東亞大氣環(huán)流的遙相關波列從而影響華南前汛期早澇.其中在北半球500hPa位勢高度距平場上具體表現(xiàn)為，該波列型式將有利于前汛期期間西太平洋副熱帶高壓加強西伸，脊線位置偏北，同時副熱帶西風急流減弱北退.隨著Hadley環(huán)流上升支的增強，東亞副熱帶地區(qū)下沉運動也增強了，華南地區(qū)上空對流活動受到抑制；同時由于副熱帶高壓的加強，經(jīng)過其北側向華南地區(qū)的西南水汽輸送輻合也減弱了，因此前汛期降水偏少.對于冷海溫年的情形則相反，華南前汛期降水則偏多.近50年來華南前汛期降水總體呈現(xiàn)趨勢性減少正是由于前冬西太平洋暖池趨勢性增暖所致.因此，暖池關鍵區(qū)冬季海溫異常可以作為華南前汛期旱澇預測的一個前期征兆信號.

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