何金海,袁良,祁莉

(南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210044)

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冬季西太平洋暖池與華南降水關(guān)系的年代際變化

何金海,袁良,祁莉

(南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210044)

摘要：利用1951—2010年全國(guó)臺(tái)站冬季降水觀測(cè)資料、Hadley環(huán)流中心逐月海表溫度資料以及NCEP/NCAR再分析月平均資料,探討了西太平洋暖池與我國(guó)華南地區(qū)冬季降水的關(guān)系。結(jié)果表明,西太平洋暖池與我國(guó)華南冬季降水的年際關(guān)系在1972年發(fā)生了明顯的年代際轉(zhuǎn)折,20世紀(jì)70年代前兩者弱的負(fù)相關(guān)未通過(guò)信度檢驗(yàn),而70年代后兩者相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.5～-0.6?；貧w分析顯示,70年代前,暖池對(duì)產(chǎn)生華南冬季降水的水汽條件以及動(dòng)力條件等的影響不顯著,因此其與華南冬季降水的關(guān)系不明顯。70年代后,暖池偏暖時(shí),在菲律賓海區(qū)域激發(fā)出一個(gè)顯著的氣旋性環(huán)流,該環(huán)流西北側(cè)的偏北風(fēng)不利于南海地區(qū)水汽向我國(guó)華南地區(qū)輸送,華南地區(qū)水汽輻散增強(qiáng),而且南支槽地區(qū)對(duì)流減弱,南支擾動(dòng)不活躍且擾動(dòng)不能向下游地區(qū)傳播,華南地區(qū)擾動(dòng)活動(dòng)減弱,此外暖池偏暖使北半球經(jīng)向環(huán)流顯著增強(qiáng),且下沉支位于我國(guó)華南地區(qū),加強(qiáng)了華南地區(qū)的下沉運(yùn)動(dòng),因而華南地區(qū)冬季降水顯著偏少;暖池偏冷時(shí),情況相反。

關(guān)鍵詞：西太平洋暖池;年代際變化;華南冬季降水

0引言

華南位于東亞季風(fēng)和西北太平洋季風(fēng)交接帶(Wang et al.,2003),屬于副熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。華南地區(qū)年降水量充沛,但降水年際變率較大,降水主要集中在華南前、后汛期。雖然冬季降水占年降水總量的比例較小,但是冬季降水的異常變化也會(huì)造成重大災(zāi)害,其異常不僅能夠直接影響到農(nóng)作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量,而且冬季降水若以凍雨、降雪等形式出現(xiàn)則會(huì)對(duì)交通和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。此外,由于冬季氣溫較低,降水的微弱變化就會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的局地旱澇災(zāi)害(馮佩芝等,1985),因此具有重要的研究意義。近年來(lái),華南地區(qū)秋冬春連旱越來(lái)越嚴(yán)重,冬季降水作為其中一個(gè)環(huán)節(jié),有必要進(jìn)一步對(duì)華南地區(qū)冬季降水進(jìn)行研究。因此,對(duì)我國(guó)華南地區(qū)冬季降水進(jìn)行研究具有十分重要意義。

目前關(guān)于我國(guó)冬季降水的研究主要是從冬季降水對(duì)ENSO響應(yīng)特征出發(fā)。陶詩(shī)言和張慶云(1998)研究了ENSO與冬季降水之間的關(guān)系,指出El Nino(La Nina)年冬季亞洲上空的環(huán)流型不利(有利于)寒潮向南爆發(fā),導(dǎo)致亞洲冬季風(fēng)弱(強(qiáng)),我國(guó)華南冬季降水異常偏多(少)。郭其蘊(yùn)和王日昇(1990)認(rèn)為El Nino年冬季,東亞大陸冷空氣南下路徑偏東,我國(guó)南方降水偏多。La Nina年相反,冷空氣南下路徑偏西,我國(guó)南方降水偏少。何溪澄等(2006)分析了1997/1998和1998/1999年冬季中國(guó)南方典型多雨年和少雨年的海溫和環(huán)流特征,認(rèn)為南方冬季降水與ENSO事件聯(lián)系密切。南方冬季降水在El Nino年異常偏多,而在La Nina年異常偏少。Wu et al.(2003)、Zhou and Wu(2010)、Zhou et al.(2010)和Zhang and Sumi(2002)的研究表明ENSO與我國(guó)華南地區(qū)冬季降水具有正相關(guān)關(guān)系。此外,其他一些學(xué)者也得出了類似的結(jié)論(張自銀等,2009;Li and Ma,2012)。陳穎曼等(2013)指出中國(guó)東南部冬季降水年際差異較大,降水普遍存在2～4 a的年際變化,且20世紀(jì)80年代至90年代中期7 a的周期振蕩較強(qiáng)。上述研究主要是從年際變化特征出發(fā),而我國(guó)冬季氣候表現(xiàn)出年代際變化特征。Zhi et al.(2010)、智協(xié)飛等(2011)研究指出我國(guó)南方冬季氣候變暖的突變發(fā)生在1991年前后,且氣候變暖后我國(guó)南方冬季的極端降水強(qiáng)度普遍有所增加。曹艷艷等(2007)研究指出北半球大氣環(huán)流對(duì)ENSO事件的響應(yīng)在1978/1979年有一個(gè)明顯的躍變。

西太平洋暖池是熱帶太平洋海氣相互作用最強(qiáng)的地區(qū),暖池?zé)釥顩r及其上空的對(duì)流活動(dòng)不僅在維持熱帶緯圈環(huán)流上起重要作用(Cornejo-Garrido and Stone,1977),而且對(duì)Hadley環(huán)流異常也起驅(qū)動(dòng)作用(Hu,1997;李琰和朱偉軍,2010),并通過(guò)遙相關(guān)等途徑影響我國(guó)天氣氣候(Huang and Lu,1989;黃榮輝和孫鳳英,1994)。因而研究西太平洋暖池對(duì)我國(guó)氣候影響具有重要意義。目前關(guān)于暖池對(duì)我國(guó)降水影響的研究主要以春夏季節(jié)為主(劉銀峰等,2009),而對(duì)冬季降水影響的研究還較少。上述研究表明,我國(guó)冬季氣候具有年代際變化特征。那么在全球變暖背景下,西太平洋暖池與我國(guó)華南地區(qū)冬季降水之間有沒有關(guān)系?如果有,它們之間的關(guān)系在年代際上是否有變化呢?不同年代之間的關(guān)系又是什么呢?造成這種年代際變化的可能原因又是什么?本文將對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行研究,探討西太平洋暖池與我國(guó)華南冬季降水的關(guān)系以及西太平洋暖池影響我國(guó)華南冬季降水的可能機(jī)制。

1資料與方法

1)美國(guó)NCEP/NCAR(the National Centers for Environmental Prediction-the National Center for Atmospheric Research)中心提供的1951年1月—2011年2月的再分析月平均資料,要素包括海平面氣壓、風(fēng)速、垂直速度、比濕等,水平分辨率為2.5°×2.5°,其中,風(fēng)速為17層,垂直速度為12層,比濕為8層,其他為1層。

2)Met Office Hadley Center提供的逐月海表溫度資料(HadISST),時(shí)間為1951年1月—2011年2月,分辨率為1°×1°。

3)中國(guó)氣象局提供的全國(guó)臺(tái)站逐日降水資料,時(shí)間為1951年1月—2011年2月。

本文主要采用相關(guān)分析、滑動(dòng)相關(guān)、回歸分析等統(tǒng)計(jì)方法。本文中冬季指12月—次年2月,例如1951指的是1951/1952年冬季。

圖2　1951—2010年冬季西太平洋暖池(a)、Nino3.4指數(shù)(b)與華南降水的21 a滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)(虛、實(shí)線分別表示0.1、0.05信度水平)Fig.2　The 21-yr running correlation coefficients between (a)the western Pacific warm pool and (b)the Nino3.4 index vs precipitation in South China in winter during 1951—2010(Dashed and solid lines are the 90% and 95% confidence levels,respectively)

2西太平洋暖池與華南冬季降水關(guān)系

以華南區(qū)域(110～120°E,22～28°N)17個(gè)站點(diǎn)的冬季平均降水量來(lái)代表我國(guó)華南地區(qū)冬季平均降水。為了消除氣候背景差異,除圖4外本文中所用數(shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)去趨勢(shì)處理。為了分析西太平洋暖池與華南冬季降水的關(guān)系,計(jì)算了華南冬季降水與海溫場(chǎng)的同期相關(guān),以尋找影響我國(guó)華南冬季降水的西太平洋暖池關(guān)鍵區(qū)。如圖1所示,華南冬季降水與熱帶海溫相關(guān)表現(xiàn)出“正負(fù)正”分布型。熱帶中東太平洋、印度洋以及我國(guó)東部沿海為顯著正相關(guān)區(qū),中心達(dá)到0.4以上,通過(guò)了0.05信度的顯著性檢驗(yàn)。熱帶西太平洋為顯著負(fù)相關(guān)區(qū),中心達(dá)到-0.4。海溫場(chǎng)這種分布表現(xiàn)出傳統(tǒng)El Nino特征。表明ENSO對(duì)我國(guó)華南冬季降水具有重要影響。此外,熱帶西太平洋暖池區(qū)也具有顯著負(fù)相關(guān),且暖池離我國(guó)更近,對(duì)華南冬季降水的影響更為直接。那么西太平洋暖池與華南冬季降水關(guān)系如何呢?下面將對(duì)西太平洋暖池(the Western Pacific Warm Pool,WPWP)與我國(guó)華南冬季降水的關(guān)系展開研究。

圖1　1951—2010年冬季華南降水與海溫場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)(陰影表示通過(guò)0.05信度的顯著性檢驗(yàn))Fig.1　Correlation coefficients between precipitation in South China vs SST in winter during 1951—2010(Shaded areas passed the significance test at 95% confidence level)

選取圖1中方框范圍(135～175°E,6°S～20°N)作為影響我國(guó)華南冬季降水的暖池關(guān)鍵區(qū)。對(duì)選取的西太平洋暖池關(guān)鍵區(qū)范圍內(nèi)海溫作區(qū)域平均,得到冬季西太平洋暖池海溫變化時(shí)間序列。冬季西太平洋暖池與華南降水時(shí)間序列(圖略)均有明顯的年際、年代際變化特征,并且兩者呈顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.45,通過(guò)了0.01信度的顯著性檢驗(yàn)。這表明,西太平洋暖池與我國(guó)華南冬季降水關(guān)系密切。

3西太平洋暖池與華南冬季降水關(guān)系的年代際變化

既然西太平洋暖池與我國(guó)華南冬季降水關(guān)系密切,且兩者都有年代際變化特征,那么,兩者關(guān)系在年代際上是否有變化呢?為了確定我國(guó)華南地區(qū)冬季降水對(duì)西太平洋暖池的響應(yīng)是否具有年代際變率,計(jì)算了兩者相關(guān)系數(shù)隨時(shí)間的變化。采用滑動(dòng)相關(guān)方法(林學(xué)椿,1978),選擇滑動(dòng)窗口長(zhǎng)度L=21 a,當(dāng)顯著性水平α=0.10時(shí),相關(guān)系數(shù)|r|≥0.37時(shí)通過(guò)顯著性檢驗(yàn);當(dāng)顯著性水平α=0.05時(shí),相關(guān)系數(shù)|r|≥0.43時(shí)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。如圖2所示,西太平洋暖池與華南冬季降水關(guān)系在1972年時(shí)發(fā)生了一次明顯的年代際轉(zhuǎn)折。在1972年之前,西太平洋暖池與我國(guó)華南冬季降水相關(guān)較小,未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。而1972年以后,西太平洋暖池與我國(guó)華南冬季降水相關(guān)顯著增強(qiáng),基本都在-0.5～-0.6左右,通過(guò)了0.05信度的顯著性檢驗(yàn)。

以上分析表明,冬季西太平洋暖池與華南降水關(guān)系有一次明顯的年代際轉(zhuǎn)折,經(jīng)歷了由弱到強(qiáng)的變化特征。那么在不同時(shí)段里,冬季降水與西太平洋暖池關(guān)系的空間特征有什么變化呢?依據(jù)兩者關(guān)系的年代際變化來(lái)劃分年代,分別計(jì)算了1951—1970年以及1981—2000年西太平洋暖池與全國(guó)冬季降水相關(guān)分布。如圖3所示,我國(guó)華南冬季降水與西太平洋暖池關(guān)系有明顯的年代際變化。1951—1970年(圖3a),我國(guó)華南地區(qū)冬季降水與西太平洋暖池海溫相關(guān)較弱,未通過(guò)顯著性檢驗(yàn);而1981—2000年(圖3b),顯著負(fù)相關(guān)區(qū)主要集中在我國(guó)南方地區(qū),從我國(guó)云南一直向東延伸到華南地區(qū),通過(guò)了0.05信度的顯著性檢驗(yàn)。這表明,該時(shí)段西太平洋暖池與華南冬季降水關(guān)系密切,呈顯著負(fù)相關(guān)。

圖3　1951—1970年(a)、1981—2000年(b)西太平洋暖池與我國(guó)冬季降水的相關(guān)分布(陰影表示通過(guò)0.05信度的顯著性檢驗(yàn))Fig.3　Correlation coefficients between the western Pacific warm pool vs precipitation in China in winter during (a)1951—1970 and (b)1981—2000(Shaded areas passed the significance test at 95% confidence level)

此外,ENSO與我國(guó)華南冬季降水關(guān)系密切。既然西太平洋暖池與華南冬季降水關(guān)系具有年代際變化特征,而西太平洋暖池又是與ENSO緊密聯(lián)系的。那么,ENSO現(xiàn)象與華南冬季降水的關(guān)系是否也存在類似西太平洋暖池一樣的年代際轉(zhuǎn)折特征呢?暖池與華南冬季降水關(guān)系的年代際轉(zhuǎn)折特征是否只是ENSO現(xiàn)象的一種表現(xiàn)?因此,選取Nino3.4指數(shù)來(lái)表征ENSO現(xiàn)象,同樣也計(jì)算了Nino3.4指數(shù)與華南冬季降水的21 a滑動(dòng)相關(guān)(圖2b)。如圖所示,華南冬季降水與Nino3.4指數(shù)關(guān)系表現(xiàn)出與西太平洋暖池不同的年代際變化,先后經(jīng)歷弱、強(qiáng)、弱、強(qiáng)變化特征。因而,西太平洋暖池與華南冬季降水關(guān)系的這種年代際轉(zhuǎn)折,可能擁有不同于ENSO的影響機(jī)制。

以上分析表明,西太平洋暖池與我國(guó)華南冬季降水年際關(guān)系在1972年時(shí)發(fā)生了一次明顯的年代際轉(zhuǎn)折,經(jīng)歷了由弱到強(qiáng)的變化特征。此外,西太平洋暖池與華南冬季降水關(guān)系的這種年代際轉(zhuǎn)折,可能擁有不同于ENSO的影響機(jī)制。

4西太平洋暖池與華南冬季降水關(guān)系年代際變化的可能原因

由以上分析可知,西太平洋暖池與我國(guó)華南冬季降水關(guān)系在不同年代存在明顯區(qū)別,那么這種現(xiàn)象到底是由什么原因引起的呢?首先來(lái)看看在全球變暖背景下,西太平洋暖池海溫變化特征。由圖4可知,在全球變暖背景下,大部分地區(qū)海溫表現(xiàn)出偏暖特征。對(duì)暖池范圍做區(qū)域平均得到兩個(gè)階段暖池海溫差值為0.12 ℃,通過(guò)了0.1信度的顯著性檢驗(yàn),暖池區(qū)海溫以偏暖為主。不同年代西太平洋暖池海溫的差異會(huì)引起大氣環(huán)流異常,進(jìn)而對(duì)我國(guó)降水產(chǎn)生不同影響。下面分析了不同年代西太平洋暖池與大氣環(huán)流、水汽輸送等的關(guān)系,以此來(lái)尋找引起兩者間關(guān)系年代際變化的可能原因。

圖4　1981—2000年與1951—1970年的冬季平均SST之差(單位:℃;陰影表示通過(guò)0.05信度的顯著性檢驗(yàn);方框表示暖池范圍)Fig.4　Average winter SST differences between 1981—2000 and 1951—1970(units:℃;Shaded areas passed the significance test at 95% confidence level and the rectangle denotes the western Pacific warm pool)

4.1環(huán)流場(chǎng)分析

4.1.1 海平面氣壓場(chǎng)

由冬季西太平洋暖池海溫時(shí)間序列回歸的海平面氣壓場(chǎng)空間分布(圖5)可知,1951—1970年(圖5a),冬季西太平洋暖池異常偏暖時(shí),海平面氣壓變化并不顯著,通過(guò)顯著性檢驗(yàn)區(qū)域較少。表明該階段海平面氣壓對(duì)西太平洋暖池響應(yīng)較弱。而1981—2000年(圖5b),熱帶中東太平洋地區(qū)為顯著正異常,西太平洋以及印度洋地區(qū)為顯著負(fù)異常,通過(guò)了0.05信度的顯著性檢驗(yàn)。此外,在北美沿岸地區(qū),也存在一個(gè)顯著的正值區(qū)域,阿留申低壓減弱。這表明,該階段海平面氣壓對(duì)西太平洋暖池的響應(yīng)要比1951—1970年強(qiáng)。

圖5　1951—1970年(a)和1981—2000年(b)海平面氣壓場(chǎng)與冬季西太平洋暖池海溫時(shí)間序列的回歸系數(shù)分布(單位:hPa;陰影表示通過(guò)0.05信度的顯著性檢驗(yàn))Fig.5　Regression coefficients of sea level pressure to the time series of the western Pacific warm pool SST in winter during (a)1951—1970 and (b)1981—2000(units:hPa;Shaded areas passed the significance test at 95% confidence level)

4.1.2風(fēng)場(chǎng)

如圖6所示,風(fēng)場(chǎng)上最顯著的差異是不同年代風(fēng)場(chǎng)對(duì)冬季西太平洋暖池的響應(yīng)不同。1951—1970年,風(fēng)場(chǎng)對(duì)西太平洋暖池響應(yīng)較弱,通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域較少。而1981—2000年,風(fēng)場(chǎng)對(duì)西太平洋暖池響應(yīng)顯著加強(qiáng),通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域明顯增多。

1951—1970年,低層850 hPa(圖6a)上,北太平洋地區(qū)有一個(gè)氣旋性環(huán)流,表明阿留申低壓加強(qiáng)。其南側(cè)有反氣旋性環(huán)流存在,并且位置偏西。這對(duì)氣旋、反氣旋性環(huán)流的存在使得菲律賓海地區(qū)氣旋性環(huán)流較弱,未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。由于菲律賓海氣旋對(duì)西太平洋暖池海溫響應(yīng)較弱,輸送至我國(guó)華南地區(qū)的水汽受該氣旋的影響也較小。高低空配置上,從低層到200 hPa高層(圖6a、c),這對(duì)氣旋、反氣旋性環(huán)流都穩(wěn)定存在,呈正壓結(jié)構(gòu)。200 hPa高層(圖6c),中緯度30°N附近,西風(fēng)氣流顯著加強(qiáng),通過(guò)了0.05信度的顯著性檢驗(yàn)。表明東亞副熱帶西風(fēng)急流強(qiáng)度加強(qiáng),但其位置沒有發(fā)生變化。

圖6　1951—1970年(a,c)和1981—2000年(b,d)850 hPa(a,b)和200 hPa(c,d)風(fēng)場(chǎng)與冬季西太平洋暖池海溫時(shí)間序列的回歸系數(shù)分布(單位:m/s;陰影表示通過(guò)0.05信度的顯著性檢驗(yàn))Fig.6　Regression coefficients of (a,b)850 hPa and (c,d)500 hPa wind fields to the time series of the western Pacific warm pool SST in winter during (a,c)1951—1970 and (b,d)1981—2000(units:m/s;Shaded areas passed the significance test at 95% confidence level)

1981—2000年,低層850 hPa(圖6b)上,最顯著的特征是菲律賓海地區(qū)存在一個(gè)顯著的氣旋性環(huán)流,通過(guò)了0.05信度的顯著性檢驗(yàn)。該氣旋性環(huán)流西北側(cè)的偏北風(fēng)控制著我國(guó)華南地區(qū),不利于西太平洋地區(qū)的水汽向我國(guó)華南地區(qū)輸送。另外,北美沿岸存在一個(gè)顯著的異常反氣旋性環(huán)流,表明阿留申低壓減弱。高低空配置上,從低層到200 hPa高層(圖6b、d),我國(guó)華南地區(qū)反氣旋性環(huán)流穩(wěn)定存在并逐漸加強(qiáng),呈正壓結(jié)構(gòu),有利于我國(guó)華南地區(qū)下沉運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。200 hPa散度場(chǎng)(圖略)上,華南地區(qū)高層輻合顯著增強(qiáng),抽吸作用減弱,從而有利于我國(guó)華南地區(qū)下沉運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。200 hPa高層(圖6d)上,30～40°N之間,西風(fēng)氣流顯著加強(qiáng),通過(guò)了0.05信度的顯著性檢驗(yàn)。表明東亞副熱帶西風(fēng)急流強(qiáng)度顯著加強(qiáng),并且位置偏北。

毛睿等(2007)研究了東亞冬季中緯度西風(fēng)急流對(duì)我國(guó)冬季氣候的影響,指出西風(fēng)急流強(qiáng)度指數(shù)與我國(guó)華南地區(qū)冬季降水相關(guān)并不顯著。而當(dāng)西風(fēng)急流切變指數(shù)偏高時(shí),即西風(fēng)急流偏南,東亞大槽高度升高,冬季風(fēng)活動(dòng)減弱,引起華南地區(qū)降水顯著偏多。因而,西太平洋暖池異常變化引起的不同年代東亞副熱帶西風(fēng)急流差異可能是造成華南冬季降水異常的原因之一。1951—1970年,東亞副熱帶西風(fēng)急流強(qiáng)度加強(qiáng)但位置沒有發(fā)生變化,使得華南冬季降水變化并不顯著;而1981—2000年,東亞副熱帶西風(fēng)急流位置偏北,造成我國(guó)華南地區(qū)冬季降水顯著偏少。

4.2影響華南冬季降水的水汽條件

水汽供應(yīng)是降水產(chǎn)生的重要的因素之一。冬季影響我國(guó)華南地區(qū)的水汽來(lái)源主要有兩支:一支來(lái)源于西太平洋經(jīng)南海的偏南風(fēng)水汽輸送;另一支來(lái)源于孟加拉灣的偏西風(fēng)水汽輸送(吳蔚等,2012)。

由圖7可以看出,1951—1970年,孟加拉灣和西太平洋地區(qū)整層水汽通量變化較弱,通過(guò)顯著性檢驗(yàn)區(qū)域較少。我國(guó)華南地區(qū)水汽輻合輻散不顯著。這表明,西太平洋暖池異常偏暖時(shí),我國(guó)華南地區(qū)水汽輸送變化不明顯。而1981—2000年,孟加拉灣地區(qū)具有顯著的偏東風(fēng)水汽輸送,不利于孟加拉灣地區(qū)水汽輸送至我國(guó)華南地區(qū)。此外,菲律賓海地區(qū)具有顯著的氣旋性環(huán)流,該氣旋西北側(cè)的偏北風(fēng)水汽輸送,不利于西太平洋以及南海地區(qū)的水汽輸送至我國(guó)華南地區(qū)。我國(guó)華南地區(qū)水汽輻散顯著增強(qiáng),華南地區(qū)獲得的水汽供應(yīng)不足,不利于降水的產(chǎn)生。

圖7　1951—1970年(a,c)和1981—2000年(b,d)整層水汽通量(a,b;單位:kg/(m·s))、整層水汽通量散度(c,d;單位:kg/(m·s2))與冬季西太平洋暖池海溫時(shí)間序列的回歸系數(shù)分布(陰影表示通過(guò)0.05信度的顯著性檢驗(yàn))Fig.7　Regression coefficients of (a,b)vertically integrated vapor flux(units:kg/(m·s)) and (c,d)vertically integrated vapor flux divergence(units:kg/(m·s2)) to the time series of the western Pacific warm pool SST in winter during (a,c)1951—1970 and (b,d)1981—2000(Shaded areas passed the significance test at 95% confidence level)

4.3影響華南冬季降水的動(dòng)力條件

降水的產(chǎn)生除了需要有充足的水汽供應(yīng)外,動(dòng)力條件是降水產(chǎn)生的另一個(gè)重要因素。

4.3.1垂直速度

圖8給出了冬季西太平洋暖池海溫時(shí)間序列回歸的垂直速度ω高度—緯度剖面,可見,1951—1970年,垂直速度ω對(duì)西太平洋暖池的響應(yīng)較弱,通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域較少。而1981—2000年,垂直速度ω對(duì)西太平洋暖池的響應(yīng)顯著增強(qiáng)。赤道地區(qū)上升運(yùn)動(dòng)顯著加強(qiáng),30°N附近下沉運(yùn)動(dòng)加強(qiáng),通過(guò)了0.05信度的顯著性檢驗(yàn)。從而導(dǎo)致北半球經(jīng)向環(huán)流加強(qiáng),且經(jīng)向環(huán)流下沉支位于我國(guó)華南地區(qū),加強(qiáng)了我國(guó)華南地區(qū)的下沉運(yùn)動(dòng),使產(chǎn)生降水所需的動(dòng)力條件不足,不利于我國(guó)華南地區(qū)冬季降水的產(chǎn)生。

圖8　1951—1970年(a)和1981—2000年(b)垂直速度與冬季西太平洋暖池海溫時(shí)間序列的回歸系數(shù)的高度—緯度剖面(110～120°E平均;單位:10-2 hPa/s;陰影表示通過(guò)0.05信度的顯著性檢驗(yàn))Fig.8　Regression coefficients of vertical velocity averaged over 110—120°E to the time series of the western Pacific warm pool SST in winter during (a)1951—1970 and (b)1981—2000(units:10-2 hPa/s;Shaded areas passed the significance test at 95% confidence level)

4.3.2擾動(dòng)活動(dòng)

冬季,低層西風(fēng)在青藏高原西端分裂成南北兩支。南支氣流近似沿著青藏高原南邊緣流過(guò)。在高原地形的作用下,南支氣流呈氣旋式彎曲,形成冬季半永久性活動(dòng)低壓槽,稱為南支槽(Yeh,1950)。南支氣流上多小槽脊活動(dòng),這些東移的小槽為我國(guó)華南地區(qū)降水提供水汽和擾動(dòng),是冬半年影響我國(guó)的主要天氣系統(tǒng)之一(索渺清和丁一匯,2009)。彭京備(2012)研究表明活躍的南支擾動(dòng)向下游傳播,南支槽前的西南氣流將水汽從孟加拉灣向我國(guó)華南地區(qū)輸送,引起華南冬季降水偏多。下面討論西太平洋暖池對(duì)南支擾動(dòng)的影響。

索渺清和丁一匯(2009)的研究表明氣候平均上南支槽在700 hPa上最明顯。參照彭京備(2012)的方法,選用700 hPa經(jīng)向風(fēng)的緯向偏差的平方來(lái)代表擾動(dòng)活動(dòng)的強(qiáng)度。如圖9所示,1951—1970年,南支槽至我國(guó)華南地區(qū)擾動(dòng)活動(dòng)對(duì)西太平洋暖池的響應(yīng)變化不明顯,未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。表明該階段西太平洋暖池異常偏暖時(shí),該地區(qū)擾動(dòng)活動(dòng)變化不穩(wěn)定。而1981—2000年,從孟加拉灣東岸經(jīng)中南半島至我國(guó)華南地區(qū)為顯著的負(fù)值區(qū),通過(guò)了0.05信度的顯著性檢驗(yàn)。我國(guó)華南地區(qū)位于擾動(dòng)減弱區(qū)北部,該地區(qū)擾動(dòng)活動(dòng)強(qiáng)度顯著減弱,不利于我國(guó)華南地區(qū)冬季降水的產(chǎn)生。此外,OLR分布(圖略)上,南支槽至我國(guó)華南地區(qū)為顯著正值區(qū),對(duì)流活動(dòng)減弱。說(shuō)明當(dāng)西太平洋暖池海溫異常偏暖時(shí),南支槽地區(qū)局地對(duì)流活動(dòng)減弱,引起南支擾動(dòng)減弱,且在偏東風(fēng)氣流影響下擾動(dòng)活動(dòng)向下游地區(qū)傳播受抑制,使得華南地區(qū)擾動(dòng)減弱。此外,減弱的南支擾動(dòng)不利于孟加拉灣地區(qū)水汽向華南輸送,引起我國(guó)華南冬季降水偏少。

圖9　1951—1970年(a)和1981—2000年(b)700 hPa擾動(dòng)活動(dòng)與冬季西太平洋暖池海溫時(shí)間序列的回歸系數(shù)分布(單位:m2/s2;陰影表示通過(guò)0.05信度的顯著性檢驗(yàn))Fig.9　Regression coefficients of 700 hPa perturbation to the time series of the western Pacific warm pool SST in winter during (a)1951—1970 and (b)1981—2000(units:m2/s2;Shaded areas passed the significance test at 95% confidence level)

5結(jié)論

本文根據(jù)1951—2010年我國(guó)臺(tái)站降水資料、再分析海溫和大氣環(huán)流資料,利用相關(guān)分析和回歸分析等方法研究了西太平洋暖池與華南冬季降水關(guān)系的年代際變化,并從影響降水產(chǎn)生的水汽條件以及動(dòng)力條件出發(fā)初步探討了影響兩者間關(guān)系年代際變化的可能原因,主要得出以下結(jié)論:

1)西太平洋暖池與我國(guó)華南地區(qū)冬季降水相關(guān)關(guān)系具有明顯的年代際變化特征。1972年之前兩者間為弱的負(fù)相關(guān),未通過(guò)0.1信度的顯著性檢驗(yàn)。而1972年之后兩者間的負(fù)相關(guān)關(guān)系顯著增強(qiáng),相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.5～-0.6,通過(guò)了0.05信度的顯著性檢驗(yàn)。此外,西太平洋暖池與華南冬季降水關(guān)系的這種年代際轉(zhuǎn)折,可能擁有不同于ENSO的影響機(jī)制。

2)1972年前,大氣對(duì)西太平洋暖池的響應(yīng)較弱。西太平洋暖池偏暖時(shí),低層風(fēng)場(chǎng)上,菲律賓海地區(qū)的氣旋性環(huán)流不明顯,我國(guó)華南地區(qū)受該氣旋性環(huán)流的影響較小,使得我國(guó)華南地區(qū)水汽輻合輻散不顯著。1972年后,西太平洋暖池偏暖時(shí),在菲律賓海地區(qū)激發(fā)出一個(gè)顯著的氣旋性環(huán)流,我國(guó)華南地區(qū)受該氣旋性環(huán)流西北側(cè)偏北氣流的影響,使西太平洋地區(qū)輸送至我國(guó)華南地區(qū)的水汽減少,我國(guó)華南地區(qū)水汽輻散增加。

3)1972年前,西太平洋暖池對(duì)低層擾動(dòng)活動(dòng)影響不顯著,華南地區(qū)擾動(dòng)活動(dòng)及下沉運(yùn)動(dòng)變化不明顯,影響華南降水產(chǎn)生的動(dòng)力條件變化不明顯。1972年后,南支槽地區(qū)對(duì)流顯著減弱,南支擾動(dòng)不活躍,且在偏東風(fēng)氣流影響下擾動(dòng)不能向下游地區(qū)傳播,華南地區(qū)的擾動(dòng)活動(dòng)減弱。南支擾動(dòng)的減弱不利于孟加拉灣地區(qū)的水汽向我國(guó)華南地區(qū)輸送,華南地區(qū)獲得的水汽減少;此外北半球經(jīng)向環(huán)流顯著增強(qiáng),且下沉支位于我國(guó)華南地區(qū),加強(qiáng)了我國(guó)華南地區(qū)的下沉運(yùn)動(dòng),不利于降水的產(chǎn)生。因而該階段西太平洋暖池與我國(guó)華南地區(qū)冬季降水關(guān)系密切。當(dāng)西太平洋暖池海溫異常偏暖時(shí),我國(guó)華南地區(qū)冬季降水顯著偏少;當(dāng)暖池偏冷時(shí),情況相反。上述結(jié)果造成暖池變異與我國(guó)華南降水呈顯著負(fù)相關(guān)。

本文主要是對(duì)不同年代西太平洋暖池與大氣環(huán)流、水汽輸送等關(guān)系進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)不同年代大氣環(huán)流、水汽輸送等對(duì)暖池響應(yīng)存在明顯差異,從而使得暖池與華南冬季降水關(guān)系出現(xiàn)年代際變化,但其中的物理機(jī)制還不明確。究竟是什么原因使得暖池與華南冬季降水關(guān)系發(fā)生明顯的年代際轉(zhuǎn)折?20世紀(jì)70年代后,暖池海溫變暖,且變率變大,可能更容易達(dá)到對(duì)流臨界值,使得對(duì)流更加強(qiáng)烈,大氣對(duì)暖池的響應(yīng)更明顯,導(dǎo)致暖池與華南冬季降水關(guān)系更顯著。此外,暖池海溫變暖,使海陸氣壓差增大,有利于冬季風(fēng)增強(qiáng),冬季風(fēng)不利于南海及西太平洋水汽向我國(guó)華南輸送,使華南降水偏少。不同要素間的相關(guān)關(guān)系的年代際變化可能與時(shí)間序列的周期結(jié)構(gòu)的改變有關(guān)。對(duì)文中用來(lái)做滑動(dòng)相關(guān)的兩個(gè)時(shí)間序列分別作Morlet小波分析(圖略)后發(fā)現(xiàn),1951—1970年,華南冬季降水周期變化不明顯,暖池具有8 a左右的周期變化。而1981—2000年,暖池和華南冬季降水都具有2～3 a左右周期變化,同時(shí)還表現(xiàn)出8 a左右的周期。暖池和華南冬季降水周期結(jié)構(gòu)的改變也可能是造成兩者關(guān)系年代際變化的原因之一。以上這些是暖池與華南冬季降水關(guān)系產(chǎn)生年代際變化的可能原因,但其中的物理機(jī)制需要進(jìn)一步的研究。

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(責(zé)任編輯：張福穎)

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Interdecadal variation of relationship between the western

Pacific warm pool and precipitation over South China in winter

HE Jin-hai,YUAN Liang,QI Li

(School of Atmospheric Sciences,NUIST,Nanjing 210044,China)

Abstract:Based on the observed station precipitation data over China in winter,the monthly Hadley Center Global Sea Ice and Sea Surface Temperature(HadISST) and the monthly reanalysis data provided by National Centers for Environmental Prediction-National Center for Atmospheric Research(NCEP/NCAR) from 1951 to 2010,the relationship between the western Pacific warm pool(WPWP) and winter precipitation over South China(SC) has been studied.The results show that the correlation between WPWP and winter precipitation over SC has obvious interdecadal transition in 1972.Before the 1970s,the negative correlation between them is weak and has not passed significance test.But the correlation between them has reached-0.5—-0.6 after the 1970s.By the regression analysis,it is found that,before the 1970s,the effect of WPWP on water vapor and dynamic conditions that affect winter rainfall over SC is not significant,so its relation with winter rainfall over SC is not obvious.After the 1970s,when WPWP SST is warmer,an obvious cyclonic circulation has been aroused in the Philippine Sea area.The northerly wind over the northwest side of the cyclonic circulation is not favor of water vapor from South China Sea transported to SC,so the water vapor divergence over SC increases.The convection and perturbation over the southern branch trough region weaken significantly and the perturbation can not spread to the downstream region,which causes the weakened perturbation over SC.In addition,the warming of WPWP leads to remarkable increase of meridional circulation in the Northern Hemisphere,and the sinking branch is located in SC region,which strengthens the sinking movement over SC,so it results in the decreased rainfall over SC in winter,and vice versa.

Key words:the western Pacific warm pool;interdecadal variation;winter rainfall in South China

通信作者：周偉燦,博士,教授,研究方向?yàn)榇髿鈩?dòng)力學(xué)和臺(tái)風(fēng)氣候?qū)W,zhwnim@nuist.edu.cn.

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41475091;41305050);江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程資助項(xiàng)目(KYLX0832)

收稿日期：2014-11-03；改回日期：2015-01-12

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130427001

中圖分類號(hào)：

文章編號(hào)：1674-7097(2015)06-0721-10P426

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A