顧偉宗陳麗娟左金清李維京

1山東省氣候中心，濟(jì)南2500312中國氣象局國家氣候中心中國氣象局氣候研究開放實(shí)驗(yàn)室，北京1000813南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044

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多因子協(xié)同作用對(duì)1992年和1998年黃淮地區(qū)夏季降水異常的影響

顧偉宗1, 2陳麗娟2, 3左金清2李維京2, 3

1山東省氣候中心，濟(jì)南250031
2中國氣象局國家氣候中心中國氣象局氣候研究開放實(shí)驗(yàn)室，北京100081
3南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044

摘 要1991年5月和1997年4月赤道中東太平洋均發(fā)生了El Ni?o事件，但是1992年夏季黃淮地區(qū)降水異常偏少，而1998年夏季卻異常偏多。分析結(jié)果顯示，1992年夏季西北太平洋副熱帶高壓（以下簡稱副高）偏東，中高緯阻塞高壓偏弱，黃淮地區(qū)降水異常偏少；而1998年夏季，副高偏西，中高緯阻塞高壓活動(dòng)頻繁，黃淮地區(qū)降水異常偏多。對(duì)海溫外強(qiáng)迫信號(hào)的診斷和數(shù)值模式試驗(yàn)顯示：當(dāng)西太平洋對(duì)流活動(dòng)偏弱時(shí)，有利于副高西伸；鄂霍茨克海及以東海溫偏高時(shí)，其上空的阻塞高壓增強(qiáng)；北大西洋中緯度地區(qū)海溫偏高時(shí)，有利于后期烏拉爾山高壓脊明顯增強(qiáng)。即在赤道中東太平洋發(fā)生El Ni?o事件的背景下，西太平洋對(duì)流、鄂霍茨克海附近親潮區(qū)域和北大西洋中緯度區(qū)域海溫異常可能是導(dǎo)致黃淮區(qū)域1992年夏季和1998年夏季降水差異大的主要原因。該工作顯示僅根據(jù)El Ni?o事件的發(fā)生時(shí)間和強(qiáng)度無法完全預(yù)測(cè)黃淮地區(qū)夏季降水變化，需要綜合考慮西太平洋對(duì)流、鄂霍茨克海附近海域和北大西洋中緯度區(qū)域海溫異常對(duì)季風(fēng)環(huán)流的影響，從多因子協(xié)同作用的角度診斷和預(yù)測(cè)黃淮地區(qū)夏季降水異常趨勢(shì)，提高預(yù)測(cè)能力。

關(guān)鍵詞多因子 降水 副熱帶高壓 阻塞高壓 線性斜壓模式

顧偉宗, 陳麗娟, 左金清, 等. 2016. 多因子協(xié)同作用對(duì)1992年和1998年黃淮地區(qū)夏季降水異常的影響 [J]. 大氣科學(xué), 40 (4): 743–755. Gu Weizong, Chen Lijuan, Zuo Jinqing, et al. 2016. Combined effect of multiple factors on the summer rainfall anomalies over the Huanghe–Huaihe valley in 1992 and 1998 [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 40 (4): 743–755, doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1510.15179.

1 引言

黃淮區(qū)域地處我國南方雨量豐沛和北方干旱少雨的過渡地帶，夏季降水量集中了年降水量的45%～65%，同時(shí)降水的年際變化很大，降水量最多年與最少年相差懸殊，是我國旱澇災(zāi)害最為嚴(yán)重的地區(qū)之一。由于影響該區(qū)域夏季降水的因子比較復(fù)雜，黃淮區(qū)域的夏季旱澇預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率偏低，因此提高黃淮地區(qū)的夏季旱澇預(yù)測(cè)對(duì)于國家防災(zāi)減災(zāi)非常重要。

海溫異常作為外強(qiáng)迫信號(hào)是短期氣候預(yù)測(cè)的重要依據(jù)，尤其是熱帶太平洋ENSO循環(huán)對(duì)東亞夏季風(fēng)和我國東部夏季降水有明顯的影響（符淙斌和滕星林，1988；Huang and Wu, 1989；Zhang et al., 1996；趙振國，1996；陶詩言和張慶云，1998；金祖輝和陶詩言，1999；Zhang et al., 1999；Wang et al., 2000；陳文，2002；黃榮輝和陳文，2002；趙亮等，2006），大量研究涉及ENSO循環(huán)過程與東亞夏季風(fēng)的聯(lián)系及其對(duì)我國降水的影響。例如，金祖輝和陶詩言（1999）的研究認(rèn)為：ENSO發(fā)展年夏季，我國東部地區(qū)以雨量偏少為主，多雨帶位于江淮之間；ENSO恢復(fù)年夏季，長江及江南地區(qū)雨量偏多，其南北兩邊偏少。陳文（2002）通過合成 El Ni?o事件分析發(fā)現(xiàn)：El Ni?o發(fā)展期的夏季，西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱副高）偏弱，同時(shí)影響我國的西南氣流偏弱，從而導(dǎo)致江淮地區(qū)和南方沿海地區(qū)多雨，長江中游和華北地區(qū)少雨；而El Ni?o衰亡期的夏季，副高偏強(qiáng)，同時(shí)影響我國的西南氣流偏強(qiáng)，從而引起江淮地區(qū)少雨，華北、東北以及洞庭湖、鄱陽湖地區(qū)多雨。趙亮等（2006）利用Ni?o3指數(shù)，把ENSO循環(huán)不同位相的夏季劃分為4類并進(jìn)行聚類分析，發(fā)現(xiàn)El Ni?o發(fā)展期夏季，淮河流域降水往往偏多，長江中下游降水偏少；El Ni?o衰減期夏季，長江中下游地區(qū)降水往往偏多，淮河流域降水往往偏少。

值得關(guān)注的是，1991年5月開始赤道中東太平洋發(fā)生了一次中等偏強(qiáng)的中部型El Ni?o事件，該次事件持續(xù)到1992年6月結(jié)束，持續(xù)時(shí)間14個(gè)月。1997年4月開始的赤道中東太平洋增溫事件，持續(xù)到1998年5月，持續(xù)時(shí)間14個(gè)月，是20世紀(jì)最強(qiáng)的一次混合型El Ni?o事件。兩次El Ni?o事件發(fā)生的時(shí)間、持續(xù)時(shí)間都接近，然而對(duì)應(yīng)次年中國東部夏季降水的差異很大。1992年，東南沿海和華北河套地區(qū)降水偏多，長江流域、黃淮地區(qū)和華北南部及東北的大部分地區(qū)降水偏少，中國東部降水總體呈明顯偏少的分布特征。1998年，長江流域、黃淮地區(qū)、東北地區(qū)降水明顯偏多，河套地區(qū)降水偏少?？傮w而言，1992年和1998年夏季，中國東部降水異常分布型基本相反（圖1），特別是黃淮地區(qū)（30.0°～36.5°N，105°～123°E，區(qū)域定義見Chen et al., 2009），1992年夏季降水偏少19.1%，1998年偏多23.3%。關(guān)于1998年的長江洪澇災(zāi)害形成原因已有大量研究，同期的環(huán)流特征為：副高偏強(qiáng)偏南，亞洲中高緯度經(jīng)向環(huán)流發(fā)展，鄂霍茨克海與貝加爾湖阻塞建立，季節(jié)內(nèi)伴隨低頻振蕩活動(dòng)（陶詩言等，1998；李維京，1999；徐國強(qiáng)和朱乾根，2002）；從外強(qiáng)迫來看，前期El Ni?o事件，以及前冬青藏高原積雪偏多（黃榮輝等，1998；李維京，1999；陶玫等，2012）是導(dǎo)致此次洪澇災(zāi)害主要原因。但是對(duì)1992年夏季降水異常原因的研究較少，尤其是對(duì)黃淮地區(qū)的關(guān)注更少。在同樣的El Ni?o事件發(fā)生的背景下，黃淮地區(qū)降水差異如此之大，也值得進(jìn)行對(duì)比分析，為氣候異常診斷和氣候預(yù)測(cè)提供信息。

El Ni?o/La Ni?a作為氣候年際變化的強(qiáng)信號(hào)，對(duì)全球許多地區(qū)的氣候有重要影響，無疑是短期氣候預(yù)測(cè)的一個(gè)重要因子。但是對(duì)于1992年和1998年夏季降水異常來說，僅僅依據(jù)前期的El Ni?o現(xiàn)象無法做出正確預(yù)測(cè)。本文將在對(duì)比1992年和1998年夏季降水及大氣環(huán)流異常的基礎(chǔ)上，通過診斷和數(shù)值模式試驗(yàn)分析不同海域海溫異常對(duì)這兩年夏季環(huán)流變化的作用，探討多因子協(xié)同作用對(duì)黃淮地區(qū)夏季降水的可能影響。

圖1 中國東部夏季降水距平百分率（單位：%）分布：（a）1992年；（b）1998年Fig. 1 Rainfall anomalies percentage (units: %) over East China in the summers of (a) 1992 and (b) 1998

2 資料和方法

2.1 資料選取

本文用到的資料包括：（1）國家氣候中心整理的全國160站逐月降水資料。（2）NCEP/NCAR再分析月平均資料（Kalnay et al., 1996），包括逐月的500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)，多層的風(fēng)場(chǎng)、比濕以及地表氣壓，網(wǎng)格分辨率為2.5°×2.5°，時(shí)間為1961～2011年；OLR（outgoing longwave radiation）資料，網(wǎng)格分辨率為2.5°×2.5°，時(shí)間為1974～2013年。（3）海溫資料為美國 NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）提供的線性最優(yōu)插值（OIV）全球海溫?cái)?shù)據(jù)，網(wǎng)格點(diǎn)分辨率是 1°×1° （Reynolds et al., 2002），時(shí)間為1961～2011年。文中各變量氣候標(biāo)準(zhǔn)值均采用1981～2010年平均。

2.2 線性斜壓模式簡介

本文數(shù)值試驗(yàn)使用的模式為線性斜壓模式（Linear Baroclinic Model，簡稱LBM)。該模式是一個(gè)基于原始方程組的全球時(shí)變譜模式，基本態(tài)為根據(jù)再分析資料（NCEP/NCAR）計(jì)算得到的氣候平均場(chǎng)。模式的水平分辨率為T42，垂直方向?yàn)棣易鴺?biāo)，共 20層。在 σ≥0.9和 σ≤0.03的各層上Rayleigh摩擦和牛頓阻尼設(shè)為1 d?1，其他層則為30 d?1；雙諧擴(kuò)散系數(shù)為2×1016m4s?1。有關(guān)該模式的動(dòng)力框架及參數(shù)設(shè)置方面的詳細(xì)介紹參見Watanabe and Kimoto（2000）和Watanabe and Jin （2003）的研究工作。在上述給定參數(shù)的情況下，斜壓模式積分20天后即可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（Zuo et al., 2013）。本文數(shù)值試驗(yàn)中對(duì)此模式進(jìn)行30天的積分，取最后5天的平均結(jié)果進(jìn)行分析。

3 1992年與1998年夏季大氣環(huán)流特征差異

東亞夏季風(fēng)的強(qiáng)弱與中國東部夏季降水異常關(guān)系密切（黃榮輝等，2003），根據(jù)張慶云等（2003）定義的東亞夏季風(fēng)指數(shù)，1992年夏季東亞夏季風(fēng)指數(shù)約為?1.2，夏季風(fēng)偏弱，1998年東亞夏季風(fēng)指數(shù)約為?4.1，夏季風(fēng)明顯偏弱。這表明，1992和1998 年ENSO事件對(duì)東亞季風(fēng)環(huán)流有明顯影響。這種影響是由熱帶太平洋海溫異常產(chǎn)生的對(duì)流活動(dòng)異常分布引起的，其熱力異常結(jié)構(gòu)有利于在西太平洋和我國南海地區(qū)強(qiáng)迫出反氣旋環(huán)流異常（Wang et al., 2000），造成東亞夏季風(fēng)環(huán)流偏弱（黃榮輝和陳文，2002；張慶云和陶詩言，2003）。

副高是影響我國東部夏季降水的重要系統(tǒng)之一，它的位置、強(qiáng)度變化都會(huì)對(duì)降水造成很大影響。孫淑清和馬淑杰（2003）的研究認(rèn)為：自冬至夏赤道太平洋海溫呈El Ni?o型分布時(shí)，副高強(qiáng)度偏強(qiáng)，位置偏南，西伸明顯，面積偏大。綜合分析 1992年和1998年副熱帶高壓特征指數(shù)（表1，定義見趙振國，1999）可以發(fā)現(xiàn)，這兩年夏季副高面積指數(shù)均較常年偏大，強(qiáng)度指數(shù)均偏強(qiáng)，但是位置差異較大。1992年副高西伸脊點(diǎn)7月略偏西，8月偏東，而1998年盛夏副高均偏西；1992年副高北界接近常年到偏北，尤其是 8月偏北偏東明顯；而 1998 年7月則略偏南、8月接近常年。所以從副高的特征指數(shù)來看，副高位置差異可能是造成這兩年降水差異的重要原因，1998年副高特征更符合孫淑清和馬淑杰（2003）的研究結(jié)果，而1992年差異較大。

表1 1992年和1998年的7～8月副高特征指數(shù)Table 1 Northwest Pacific subtropical high indexes in July–August 1992 and 1998

降水異常一方面與大氣環(huán)流異常關(guān)系密切，另一方面受到水汽輸送條件的影響。1992年夏季北半球500 hPa高度距平場(chǎng)呈三波型特征，歐亞地區(qū)上空呈現(xiàn)兩槽一脊分布形勢(shì)。烏拉爾山上空、鄂霍茨克海上空為明顯負(fù)距平，表明1992年7、8月份中高緯度阻塞高壓活動(dòng)較弱，東北低壓明顯偏強(qiáng)，阿留申上空的負(fù)距平值達(dá)到?40 gpm，即緯向環(huán)流占優(yōu)勢(shì)。在這種環(huán)流形勢(shì)下中高緯冷空氣活動(dòng)較弱。另一方面，西北太平洋上空異常反氣旋環(huán)流中心位于日本群島東南部的海洋上（圖 2a），使得來自孟加拉灣和南海上空的水汽沿著反氣旋西側(cè)的西南氣流直接進(jìn)入西北太平洋上空，而到達(dá)中國東南沿海和黃淮地區(qū)的水汽明顯偏少，且黃淮地區(qū)上空為水汽輻散區(qū)（圖2c）。所以，1992年夏季歐亞中高緯阻塞高壓和低緯度水汽輸送的偏弱，導(dǎo)致了黃淮地區(qū)降水異常偏少。

1998年7、8月份，北半球500 hPa高度場(chǎng)上，烏拉爾山上空和鄂霍茨克海上空為兩個(gè)明顯的正距平中心，中高緯度為“雙阻”型，阻塞高壓活動(dòng)頻繁，南海、菲律賓地區(qū)的異常反氣旋較強(qiáng)，控制我國華南地區(qū)，東亞中緯度地區(qū)為低壓帶，東亞上空從北向南為典型的“+ ? +”的東亞遙相關(guān)波列，以經(jīng)向環(huán)流為主，冷空氣從貝加爾湖附近向南擴(kuò)散。另一方面，西北太平洋上空的異常反氣旋環(huán)流（圖2b）主要位于南海至菲律賓地區(qū)，比1992年夏季的反氣旋環(huán)流中心（圖2a）明顯偏西，反氣旋西北側(cè)的西南風(fēng)明顯偏強(qiáng)，使得夏季風(fēng)影響到長江以北的黃淮地區(qū)，來自孟加拉灣和南海上空的水汽明顯偏多，水汽通量輻合中心位于黃淮地區(qū)上空（圖2d）?？梢?，1998年夏季歐亞中高緯雙阻活躍，熱帶海洋向我國東部大陸的水汽輸送非常充足，并在黃淮地區(qū)上空形成水汽通量輻合中心，造成該地區(qū)降水明顯偏多。

從上面的對(duì)比分析可以看到：造成 1992年和1998年夏季降水差別之大的主要原因可能是副高位置和中高緯阻塞高壓活動(dòng)。1992年夏季副高偏東，沿著副高西北側(cè)暖濕氣流的大值區(qū)主要在西北太平洋，輸送到黃淮地區(qū)的水汽相對(duì)較少，中高緯阻塞活動(dòng)較少，冷空氣較弱，黃淮地區(qū)上空水汽輻合較弱，導(dǎo)致黃淮地區(qū)夏季降水較少。而 1998年夏季，副高異常偏西，沿著副高西側(cè)的西南暖濕氣流偏西，攜帶大量水汽輸送到黃淮地區(qū)，同時(shí)中高緯出現(xiàn)雙阻形勢(shì)，冷空氣活動(dòng)頻繁，黃淮上空水汽輻合較強(qiáng)，導(dǎo)致黃淮地區(qū)夏季降水容易偏多。從環(huán)流特征分析可以發(fā)現(xiàn)，阻塞高壓活動(dòng)對(duì)黃淮地區(qū)夏季降水異常非常重要，但是在月、季預(yù)報(bào)中如何預(yù)測(cè)阻高活動(dòng)是十分困難的事情，一方面阻高活動(dòng)受大氣外強(qiáng)迫的影響，另一方面還受大氣內(nèi)部動(dòng)力過程制約，而后者難度更大。下面從這兩年前期外強(qiáng)迫信號(hào)的角度分析其對(duì)中緯度環(huán)流的可能影響。

4 1992年與1998年海溫異常分布差異及對(duì)東亞環(huán)流的影響

4.1 海溫異常影響的診斷分析

圖2 （a）1992年和（b）1998年夏季850 hPa風(fēng)場(chǎng)異常（箭頭，單位：m s?1）和位勢(shì)高度距平場(chǎng)（陰影，單位：gpm）以及（c）1992年和（d）1998年夏季從地表到300 hPa積分水汽通量（箭頭，單位：kg m?1s?1）和水汽通量散度（陰影，單位：10?7kg m?2s?1）Fig. 2 Anomalies of wind (vectors, units: m s?1) and the geopotential height (shaded, units: gpm) at 850 hPa in the summers of (a) 1992 and (b) 1998, and the integrated water vapor fluxes (from the surface to 300 hPa, vectors, units: kg m?1s?1) and the associated divergence (shaded, units: 10?7kg m?2s?1) in the summers of (c) 1992 and (d) 1998

從上節(jié)分析可以看出，造成1992年和1998年夏季降水差異的主要環(huán)流特征是副高位置和中高緯阻塞高壓活動(dòng)。又是什么原因?qū)е逻@兩年夏季副高位置的不同？夏季阻塞高壓活動(dòng)存在顯著差異的原因是什么？海溫作為年際變化的主要外強(qiáng)迫源，如何影響上述環(huán)流系統(tǒng)？下面將作進(jìn)一步分析。

首先對(duì)比1992年和1998年前期冬季海溫分布差異，以1月份為例（圖3a），海溫差別較大的地區(qū)在北半球中高緯海區(qū)和熱帶東太平洋地區(qū)。1992 年1月，鄂霍茨克海附近海域?yàn)樨?fù)距平，北大西洋中部區(qū)域也為明顯的負(fù)距平，熱帶東太平洋海溫偏高，西北太平洋海溫偏低。1998年1月，鄂霍茨克海附近海域?yàn)檎嗥?，北大西洋中緯度區(qū)域海溫偏高，西北太平洋海溫和熱帶中東太平洋海溫也偏高，而在熱帶印度洋和熱帶西太平洋區(qū)域，這兩年的差別不明顯。

圖3 （a）1992和（b）1998年1月全球海溫距平以及（c）兩者差（1998年減1992年）值分布。（d）–（f）同圖（a）–（c），但為7月。陰影表示海溫差值大于0.5°C或小于?0.5°C的區(qū)域Fig. 3 SST anomalies in January of (a) 1992 and (b) 1998, and (c) the difference between 1998 and 1992 (the former minus the latter). (d–f) As in (a–c), but for July. Shadings denote values greater than 0.5°C or less than ?0.5°C

圖3 （續(xù)）Fig. 3 (Continued)

從冬季到夏季，1992年和1998年北半球中高緯海域海溫變化差異增大（以7月為例，圖3b），1992年7月，30°N以北、180°經(jīng)度以西的西北太平洋海溫明顯偏低，30°N以北、180°經(jīng)度以東的東北太平洋海溫明顯偏高，北太平洋海域呈西冷東暖型；同時(shí)北大西洋中高緯海溫明顯偏低，局部海域偏低2°C左右；熱帶中太平洋和東太平洋海溫均較常年略偏低，熱帶太平洋海溫從西到東為“? + ?”分布。而在1998年7月，無論是北太平洋還是北大西洋，中高緯海域海溫呈現(xiàn)出與 1992年夏季海溫相反的分布形勢(shì)，北太平洋為西暖東冷型；北大西洋中高緯海溫明顯偏高，局部海域偏高2°C左右，西北太平洋海溫明顯偏高；同時(shí)熱帶西太平洋和東太平洋海溫偏高，熱帶太平洋海溫從西到東為“+ ?+”分布。這兩年7月海溫的差異更明顯。

以上對(duì)比分析顯示，1992年和1998年夏季西太平洋、鄂霍茨克海附近親潮區(qū)域和北大西洋中緯度區(qū)域海溫的反位相分布形勢(shì)，可能是導(dǎo)致這兩年夏季西北太平洋和歐亞中高緯度大氣環(huán)流異常存在顯著差異的主要原因。為了驗(yàn)證此猜測(cè)，下面將從觀測(cè)診斷和數(shù)值試驗(yàn)的角度做進(jìn)一步分析。

關(guān)于西太平洋海溫和對(duì)流活動(dòng)異常對(duì)副高的影響已有許多研究，而且結(jié)論基本一致。一般認(rèn)為，前期El Ni?o事件由成熟期轉(zhuǎn)變?yōu)樗p期時(shí)，熱帶西太平洋海溫次表層變冷，菲律賓附近對(duì)流活動(dòng)減弱，致使副高偏西偏南（如黃榮輝等，1998）。對(duì)比1992年和1998年7～8月的次表層海溫和OLR（outgoing longwave radiation）距平場(chǎng)分布（圖略），這兩年的次表層海溫都已經(jīng)轉(zhuǎn)冷，但是 1998年西太平洋的對(duì)流活動(dòng)比 1992年明顯偏弱，這種差異在8月份表現(xiàn)的更明顯（圖4）。1992年8月，從南海中南部到日本以南的西北太平洋上空 OLR值明顯偏小，OLR負(fù)距平值達(dá)到?20 W m?2，對(duì)流活躍，造成副高主體偏東，位于140°E以東，副高西伸脊點(diǎn)不到140°E，脊線明顯較常年偏北（圖4a）；而1998年8月，西北太平洋上空OLR值明顯偏大，OLR正距平值達(dá)到30 W m?2以上，在菲律賓區(qū)域及其附近的對(duì)流活動(dòng)明顯受到抑制，有利于副高偏大偏西偏南，副高主體西伸到100°E附近（圖4b）。西太平洋對(duì)流活動(dòng)異常的顯著差異，可能是造成1992年和1998年副高位置變化特征明顯不同的主要原因。

大量診斷分析和數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果表明，北太平洋海溫異常對(duì)大氣環(huán)流的強(qiáng)迫作用是顯著的（Namias et al., 1988），大氣環(huán)流模式擬合（Palmer and Sun, 1985; Pitcher et al., 1988）的大氣環(huán)流對(duì)中緯度海溫異常的響應(yīng)是統(tǒng)計(jì)顯著的，具有與低頻大氣遙相關(guān)相似的特征。此外，況雪源等（2009）的研究認(rèn)為，西太平洋黑潮暖流加熱，可導(dǎo)致中高緯大陸海洋交接地區(qū)出現(xiàn)反氣旋性差值環(huán)流。因此，1998年夏季鄂霍茨克海及其以東洋面海溫偏暖，這可能有利于該地區(qū)上空對(duì)流層中部高壓的形成，使得鄂霍茨克海上空阻塞高壓增強(qiáng)。

1992年和1998年夏季海溫差異顯著的第三個(gè)關(guān)鍵區(qū)域是北大西洋中緯度地區(qū)。徐海明等（2001）通過數(shù)值試驗(yàn)指出，西北大西洋海溫異常偏暖時(shí)，可在阿拉斯加上空以及歐亞大陸上空激發(fā)出反氣旋性差值環(huán)流，從而對(duì)整個(gè)北半球大氣環(huán)流產(chǎn)生一定影響。

綜合上述研究，當(dāng)西太平洋對(duì)流偏弱、鄂霍茨克海及以東洋面海溫和北大西洋中緯度地區(qū)海溫同時(shí)偏高時(shí)，在其協(xié)同作用下，副高偏西，烏拉爾山和鄂霍次克海地區(qū)容易出現(xiàn)雙阻的形勢(shì)，這種環(huán)流形勢(shì)與El Ni?o背景下黃淮流域夏季降水偏多的形勢(shì)基本一致，反之黃淮地區(qū)夏季降水偏少。

圖4 （a）1992年和（b）1998年8月OLR距平場(chǎng)（陰影，單位：W m?2）與500 hPa高度場(chǎng)5880 gpm等值線Fig. 4 Distribution of OLR anomalies (shaded, units: W m?2) and the 5880 gpm contours on 500-hPa geopotential height in August of (a) 1992 and (b) 1998

影響黃淮地區(qū)夏季降水的海溫從前期冬季到夏季有沒有變化或持續(xù)的影響？文中計(jì)算了夏季降水距平和前期冬、春季和同期夏季海溫距平的相關(guān)。與前冬的高相關(guān)區(qū)域主要位于印度洋和西太平洋區(qū)域、西北太平洋區(qū)域、加利福尼亞以西、北大西洋中緯度地區(qū)、大西洋赤道地區(qū)（圖5），均為顯著正相關(guān)。與春季海溫距平的高相關(guān)區(qū)域主要位于熱帶印度洋和熱帶西太平洋區(qū)域、親潮區(qū)域、北大西洋中緯度地區(qū)（圖略），與同期夏季海溫距平的高相關(guān)區(qū)域主要位于熱帶印度洋、黑潮區(qū)域、親潮以東洋面、北大西洋中緯度地區(qū)（圖略）。從前期和同期的相關(guān)系數(shù)分布來看，與黃淮地區(qū)夏季降水為持續(xù)高相關(guān)的海溫關(guān)鍵區(qū)主要有三個(gè)：赤道附近的印度洋和西太平洋區(qū)域（10°S～5°N, 90°～150°E)，鄂霍茨克海附近海域（50°～60°N, 150°E～180°)，北大西洋中緯度區(qū)域（20°～40°N, 60°～40°W），從前期冬季、春季一直到同期夏季對(duì)黃淮流域的降水都有顯著相關(guān)，這與上文中個(gè)例分析的結(jié)果一致。

從海溫外強(qiáng)迫來看，1992年和1998年夏季印度洋—熱帶西太平洋海溫差別不大（圖3），主要差異是西太平洋對(duì)流活動(dòng)季節(jié)內(nèi)的變化引起的副高位置變化。下面主要針對(duì)西北太平洋海溫和中高緯海溫異?？赡軐?dǎo)致的中高緯環(huán)流異常進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證造成黃淮區(qū)域1992年夏季和1998年夏季降水的環(huán)流差異形成原因。

圖5 黃淮地區(qū)夏季降水距平與前期冬季海溫距平的相關(guān)系數(shù)分布。淺色至深色陰影分別表示90%、95%和99%信度水平Fig. 5 Correlation coefficients between the summer rainfall anomalies averaged over the Huanghe–Huaihe region and the pre-winter SST anomalies. Shading from light to dark indicates 90%, 95%, and 99% confidence level, respectively

4.2 海溫異常影響機(jī)理的數(shù)值試驗(yàn)

利用一個(gè)簡單的線性斜壓模式（Watanabe and Kimoto, 2000; Watanabe and Jin, 2003）進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，以驗(yàn)證鄂霍茨克海附近海域和北大西洋中緯度區(qū)域海溫異常對(duì)大氣環(huán)流的影響。

試驗(yàn)一：將強(qiáng)迫源中心放置在鄂霍茨克海附近（50°～60°N, 150°E～180°）海域，在該區(qū)域加上海溫正異常。圖6為500 hPa高度場(chǎng)對(duì)該強(qiáng)迫源的穩(wěn)定響應(yīng)，可以看到在鄂霍茨克海及其以東的阿留申地區(qū)上空高度場(chǎng)為明顯的正距平中心，中心強(qiáng)度達(dá)到55 gpm。即當(dāng)該區(qū)域海溫偏高時(shí)，容易導(dǎo)致鄂霍茨克海至阿留申上空高壓明顯偏強(qiáng)，這與 1998年黃淮地區(qū)降水偏多時(shí)500 hPa高度場(chǎng)上，鄂霍茨克海至阿留申上空的分布形勢(shì)一致。而該分布型與黃淮地區(qū)夏季降水偏多時(shí)環(huán)流形勢(shì)一致。

試驗(yàn)二：將正的熱源異常中心放置于北大西洋中緯度（20°～40°N，60°～40°W）區(qū)域，其中最大加熱率位于對(duì)流層低層。圖7顯示了500 hPa高度場(chǎng)對(duì)該強(qiáng)迫源的穩(wěn)定響應(yīng)，可以看到在烏拉爾山上空出現(xiàn)明顯的正距平中心，中心強(qiáng)度達(dá)到30 gpm，這與觀測(cè)資料得到的結(jié)果中烏拉爾山上空為明顯的正距平中心是一致的，即北大西洋中緯度海溫為正異常時(shí)，容易導(dǎo)致歐亞中高緯度上空阻塞高壓的形成，這與徐海明等（2001）的數(shù)值模式模擬結(jié)果比較一致。

5 結(jié)論和討論

在El Ni?o發(fā)生的背景下，1992年夏季黃淮地區(qū)降水異常偏少，而 1998年卻異常偏多。本文通過對(duì)大氣環(huán)流、水汽輸送、黃淮地區(qū)夏季降水異常前期海溫信號(hào)的觀測(cè)診斷分析，以及海溫?zé)崃Ξ惓?qiáng)迫的數(shù)值試驗(yàn)，探討了1992年和1998年夏季黃淮地區(qū)降水異常的可能成因。得出如下結(jié)論：

（1）1992年和 1998年前期冬季均發(fā)生了 El Ni?o事件，且事件的發(fā)生時(shí)間、發(fā)展周期、結(jié)束時(shí)間均較相似，但是這兩年夏季西北太平洋和歐亞中高緯度地區(qū)大氣環(huán)流變化特征卻明顯不同，并導(dǎo)致了黃淮地區(qū)截然相反的降水異常分布。其中，1998年夏季副高異常偏西，歐亞中高緯阻塞高壓活動(dòng)頻繁，使得同期黃淮地區(qū)降水異常偏多；而 1992年夏季，副高異常偏北，歐亞中高緯阻塞高壓活動(dòng)偏弱，導(dǎo)致同期黃淮地區(qū)降水異常偏少。

圖6 線性斜壓模式中500 hPa高度場(chǎng)對(duì)鄂霍茨克海熱源異常的響應(yīng)（單位：gpm）Fig. 6 Responses of the geopotential height anomalies at 500 hPa to the anomalous heating forcing over the Sea of Okhotsk in a linear baroclinic model (units: gpm)

圖7 線性斜壓模式中500 hPa高度場(chǎng)對(duì)北大西洋中部熱源異常的響應(yīng)（單位：gpm）Fig. 7 Responses of the geopotential height anomalies at 500 hPa to the anomalous heating forcing over the central North Atlantic in a linear baroclinic model (units: gpm)

（2）除熱帶中東太平洋海溫異常外，西太平洋對(duì)流活動(dòng)強(qiáng)弱、鄂霍茨克海附近海域和北大西洋中緯度地區(qū)海溫異常的不同可能是導(dǎo)致 1992年和1998年夏季歐亞地區(qū)環(huán)流型不同，從而進(jìn)一步造成黃淮地區(qū)降水差異的主要原因（圖 8）。1998年夏季熱帶西太平洋上空OLR值偏大，對(duì)流受到抑制，有利于副高偏強(qiáng)偏西偏南。診斷和線性斜壓模式的模擬結(jié)果均表明，鄂霍茨克海及以東洋面海溫偏暖時(shí)，鄂霍茨克海上空的阻塞高壓活動(dòng)易于增強(qiáng)；北大西洋中緯度地區(qū)海溫偏高時(shí)，有利于后期烏拉爾山高壓脊明顯增強(qiáng)，這些特征導(dǎo)致 1998年東亞夏季環(huán)流有利于黃淮地區(qū)降水異常偏多。而 1992年夏季對(duì)應(yīng)的西太平洋對(duì)流、鄂霍茨克海海溫、北大西洋中緯度地區(qū)海溫均與 1998年同期不同，東亞環(huán)流特征也不同，黃淮地區(qū)降水偏少。

（3）1992年和1998年夏季黃淮地區(qū)降水差異顯示，即使出現(xiàn)強(qiáng)El Ni?o事件背景下，黃淮地區(qū)夏季降水仍可能不同。El Ni?o事件對(duì)熱帶和副熱帶環(huán)流存在顯著的影響，但在不同事件中西北太平洋異常反氣旋的位置往往存在差異。1992年夏季西北太平洋異常反氣旋位于菲律賓東北洋面，而 1998年夏季異常反氣旋位于南海和菲律賓附近地區(qū)。除此之外，歐亞中高緯度環(huán)流型（尤其是烏拉爾山和鄂霍次克阻塞高壓活動(dòng)）的變化對(duì)黃淮降水異常也起到?jīng)Q定性作用，而阻塞活動(dòng)受到北大西洋中部和鄂霍次克海附近海區(qū)等中緯度地區(qū)海溫異常的明顯影響。所以，黃淮地區(qū)夏季降水更多地表現(xiàn)為多因子協(xié)同作用的結(jié)果。

本文基于1992和1998年兩個(gè)個(gè)例，從海溫異常外強(qiáng)迫因子入手，分析了影響黃淮地區(qū)夏季降水的不同區(qū)域的關(guān)鍵因子，探討多因子協(xié)同作用對(duì)區(qū)域降水的影響。事實(shí)上，除海溫這一外強(qiáng)迫因素外，其他因素如歐亞積雪（穆松寧和周廣慶，2010）、海冰（武炳義和張人禾，2011）、青藏高原熱力情況（李棟梁等，2003）、南半球環(huán)流異常（薛峰，2005；范可和王會(huì)軍，2006；薛峰，2008）等也會(huì)對(duì)東亞夏季風(fēng)和黃淮地區(qū)夏季降水產(chǎn)生重要影響，因此在未來的工作中需要進(jìn)一步研究更多的因子對(duì)黃淮地區(qū)夏季降水異常的協(xié)同作用。

圖8 造成1992年和1998年夏季黃淮地區(qū)降水差異的影響因子示意圖Fig. 8 Schematic diagram of the possible mechanism responsible for the summer rainfall anomalies over the Huanghe–Huaihe valley in 1992 and 1998

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資助項(xiàng)目 國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目2013CB430203，國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目41275073，公益性行業(yè)科研專項(xiàng)GYHY201306033、GYHY201406022

Funded by National Basic Research Program of China (973 Program) (Grant 2013CB430203), National Natural Science Foundation of China (Grant 41275073), China Meteorological Administration Special Public Welfare Research Fund (Grants GYHY201306033, GYHY201406022)

文章編號(hào)1006-9895(2016)04-0743-13 中圖分類號(hào) P461

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1510.15179

收稿日期2014-11-03；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期 2015-10-26

作者簡介顧偉宗，男，1980年生，博士，高級(jí)工程師，主要從事氣候異常診斷和預(yù)測(cè)方法研究和應(yīng)用，E-mail: longmarch529@163.com

通訊作者陳麗娟，E-mail: chenlj@cma.gov.cn

Combined Effect of Multiple Factors on the Summer Rainfall Anomalies over the Huanghe–Huaihe Valley in 1992 and 1998

GU Weizong1, 2, CHEN Lijuan2, 3, ZUO Jinqing2, and LI Weijing2, 3
1 Shandong Climate Center, Jinan 250031
2 Laboratory of Climate Studies, National Climate Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081
3 Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science ＆amp; Technology, Nanjing 210044

AbstractEl Ni?o events developed in the equatorial central–eastern Pacific in the spring of both 1991 and 1997. The former began in May and the latter in April. However, a dry summer occurred over the Huanghe–Huaihe valley in 1992,but a wet summer prevailed in 1998. Also, the summer circulation anomalies showed different patterns over the Eurasia–Northwest Pacific region between 1992 and 1998. In the summer of 1992, the Northwest Pacific subtropical high (NWPSH) shifted eastward and the blocking high activities over the Eurasian midlatitudes were weaker than normal, resulting in below–normal rainfall anomalies over the Huanghe–Huaihe valley. In contrast, the NWPSH shifted westward and the blocking high activities over the Eurasian midlatitudes were intensified in the summer of 1998, leading to a wet summer over the Huanghe–Huaihe valley. Further diagnosis and model experiment results indicate that the contrasting pattern of summer rainfall anomalies over the Huanghe–Huaihe valley between 1992 and 1998 was probably due to the Northwest Pacific convection activities anomalies, as well as SST anomalies over the Sea of Okhotsk, its adjacent region, and the midlatitudes of the North Atlantic. The summer Northwest Pacific convection activities were intensified (weakened) in 1992 (1998), which favored an eastward (westward) shift of the NWPSH. Additionally, the warm SST anomalies over the Sea of Okhotsk and adjacent region favored the intensified blocking high activities, whereas the warm SST anomalies over the midlatitudes of the North Atlantic favored the intensified blocking high activities over the Urals. These results reveal that a large proportion of the interannual variability of the summer rainfall anomalies over the Huanghe–Huaihe valley cannot be explained solely by the El Ni?o signals; rather, it is also related to the Northwest Pacific convection activities and SST anomalies over the Sea of Okhotsk and the midlatitudes of the North Atlantic. Therefore, the combined effect of multiple factors should be considered for improving the predictability of summer rainfall anomalies over the Huanghe–Huaihe valley on the seasonal to interannual timescale.

KeywordsMultiple factors, Rainfall, Subtropical high, Blocking high, Linear baroclinic model