顧偉宗，陳麗娟，伯忠凱

(1.山東省氣象局大氣探測技術保障中心，山東 濟南 250031； 2.國家氣候中心中國氣象局氣候研究開放實驗室，北京 100081； 3.山東省氣候中心，山東 濟南 250031)

引言

中國東部夏季降水異常成因及預測研究始終是氣象工作者關注的重點，隨著不斷深入研究，對華北雨季、江淮梅雨、華南汛期等有了較深的理解和認識，但是針對黃淮地區(qū)夏季降水異常成因研究還相對薄弱。

在實時短期氣候預測業(yè)務中，黃淮區(qū)域也是預測技巧偏低的地區(qū)。中國氣象局國家氣候中心1978—2017年全國汛期預測評估檔案(圖1)顯示，汛期預測評分60分(評分方法見陳桂英和趙振國[1]提出的短期氣候預測評估方法)以下的年份有4 a(1983、1997、1999和2003年)。對比預測圖和實況圖，均失敗在黃淮區(qū)域旱澇的預測，一種情況是空報洪澇(1997、1999年)，另一種情況是漏報洪澇(1983、2003年)。即使在全國總體預報效果較好(70分以上)的一些年份，黃淮區(qū)域預測失敗的概率仍然是較高的，例如2011年，預測多雨帶中心在黃淮，實況是在長江下游到江南北部。業(yè)務現(xiàn)狀說明了黃淮區(qū)域預測的難度和復雜性。

圖1 1978—2017年全國汛期降水預測評分Fig.1 Score of summer precipitation prediction in China from 1978 to 2017

利用時間較長、分布均勻的站點觀測資料，對中國的氣候區(qū)域進行了劃分，通過客觀計算，確定(30°～36.5°N，105°～122°E)的區(qū)域為黃淮區(qū)域[2]，該區(qū)域處于我國南方雨量豐沛和北方干旱少雨的過渡地帶，具有整體一致性特征。汛期(6—8月)降水量最大，集中了年降水量的45%～65%，降水的年際變化較大，最大年與最小年降水量相差懸殊，極易發(fā)生旱澇災害，是我國氣象災害最為嚴重的地區(qū)之一。

已有研究成果認為江淮梅雨和淮河流域降水異常與ENSO和東亞夏季風強弱有密切關系。例如金祖輝和陶詩言[3]、ZHANG et al.[4]以及HUANG et al.[5]研究發(fā)現(xiàn)當ENSO發(fā)展成熟時，容易導致江淮流域夏季降水偏多。張慶云和陶詩言[6]研究發(fā)現(xiàn)東亞夏季風偏弱時，江淮流域夏季降水易偏多；并且淮河流域夏季降水的振蕩特征與長江中下游夏季降水的年代際位相差異比較大[7]。還有研究認為厄爾尼諾(拉尼娜)次年夏季，長江流域和江南北部地區(qū)降水偏多(少)，而江淮流域降水偏少(多)[8-13]，可見不同的研究工作結論并不完全一致。

20世紀70年代后期，伴隨著全球氣候系統(tǒng)的年代際變化，全球海-陸-氣耦合系統(tǒng)發(fā)生了顯著的年代際變化，不同地區(qū)的海面溫度特征也發(fā)生了年代際變化，中國夏季降水在20世紀90年代也經(jīng)歷了年代際轉(zhuǎn)型，東亞夏季風減弱，南方降水增多，華北降水減少，呈所謂的南澇北旱分布型[14-15]。研究發(fā)現(xiàn)，ENSO與東亞夏季風和中國東部夏季降水的關系發(fā)生了變化[16-17]，ENSO與我國夏季降水異常對應的關系及其在預測中的指示意義有所減弱[18]，并且冬季Nio3區(qū)海面溫度與中國夏季降水的關系有明顯的地域特征[19-20]，可見隨著年代際變化，ENSO對區(qū)域夏季降水的影響發(fā)生了變化。

近些年來印度洋海面溫度對東亞區(qū)域降水的影響日趨重要，印度洋熱力異常對作為第二推動力的海陸熱力差異，對印度洋—太平洋海面溫度配置，以及對大氣環(huán)流和亞澳季風的變異均具有十分重要的作用，并且對東亞夏季風和我國夏季降水有明顯影響[21-26]。熱帶印度洋海面溫度全區(qū)一致增暖(變冷)在厄爾尼諾(拉尼娜)衰減時發(fā)展到盛期，可以改變對流活動和沃克環(huán)流(Walker cell)異常以及激發(fā)向東傳播的開爾文波(Kelvin wave)，從而對大氣環(huán)流和氣候異常造成影響[27-31]。印度洋海盆海面溫度全區(qū)一致模態(tài)對東亞夏季氣候的影響也出現(xiàn)顯著的年代際變化，特別是對西北太平洋反氣旋的影響明顯增強[32-35]，對南亞高壓的影響也在增強[36]。

在氣候變化的背景下，不同區(qū)域海面溫度異常與黃淮地區(qū)夏季降水的年際關系是否發(fā)生了變化？不同海域影響關系的變化是否一致？這種變化的影響途徑是什么？這是本文要研究的主要內(nèi)容。

1 資料來源

本文所用的數(shù)據(jù)為1961年6月—2016年8月NCEP/NCAR再分析資料，水平分辨率為2.5°×2.5°，NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration，美國國家海洋和大氣管理局)提供的1960年12月—2016年8月全球海面溫度數(shù)據(jù)，水平分辨率為2°×2°；國家氣象信息中心提供的中國400個氣象站月平均降水資料，數(shù)據(jù)為1961年6月—2016年8月；國家氣候中心最新ENSO事件特征量綜合表。

2 不同區(qū)域海面溫度事件與黃淮地區(qū)夏季降水關系的不穩(wěn)定性特征

以黃淮地區(qū)(30°～36.5°N，105°～122°E)夏季降水為研究對象[1]，根據(jù)國家氣候中心最新ENSO事件特征量綜合表，統(tǒng)計了前期冬季為厄爾尼諾狀態(tài)時，次年黃淮地區(qū)夏季降水情況。

2.1 厄爾尼諾事件與黃淮地區(qū)夏季降水的關系變化

表1為前期冬季發(fā)生海面溫度異常時，次年夏季黃淮區(qū)域降水距平百分率，可以發(fā)現(xiàn)前期冬季發(fā)生厄爾尼諾時的17 a中，黃淮地區(qū)次年夏季降水有7 a偏少，10 a偏多；總體來看，前冬ENSO暖位相和黃淮夏季降水的關系沒有顯著性特征，但是進一步分析可以發(fā)現(xiàn)，在20世紀80年代以前，當前期冬季發(fā)生厄爾尼諾的6 a中，次年黃淮地區(qū)夏季降水均偏少；在80年代以后，前期冬季發(fā)生厄爾尼諾的11 a中，次年黃淮地區(qū)夏季降水9 a偏多，2 a偏少，這種現(xiàn)象顯示厄爾尼諾與黃淮地區(qū)夏季降水的關系在80年代前后發(fā)生了變化，由80年代以前的厄爾尼諾年偏少變成了80年代以后的偏多為主。但是，當前期發(fā)生拉尼娜現(xiàn)象時，相關關系沒有發(fā)生明顯的變化。

表1 不同前期海面溫度背景下黃淮地區(qū)夏季降水情況

Table 1 Summer precipitation in the Huanghuai region under the background of El Nio and La Nia in the last year

表1 不同前期海面溫度背景下黃淮地區(qū)夏季降水情況

前期海面溫度背景黃淮地區(qū)夏季降水距平百分率(事件次年)/%厄爾尼諾(1963、1965、1968、1972、1976、1977、1979、1982、1986、1991、1994、1997、2002、2004、2006、2009、2015年)-5.9(1964年)、-33.6(1966年)、-9.3(1969年)、-8.7(1973年)、-13.2(1977年)、-27.9(1978年)、23.4(1980年)、6.2(1983年)、5.4(1987年)、-22(1992年)、-1.4(1995年)、18.4(1998年)、21.5(2003年)、46.4(2005年)、21.8(2007年)、3.3(2010年)、7.9(2016年)拉尼娜(1964、1970、1973、1975、1984、1988、1995、1999、2000、2007、2010、2011年)8.14(1965年)、2.2(1971年)、-9.7(1974年)、-20.9(1976年)、-24.6(1985年)、10.0(1989年)、13.8(1996年)、15.7(2000年)、-19.8(2001年)、9.8(2008年)、5.1(2011年)、-11.8(2012年)

由表1中的個例普查可以發(fā)現(xiàn)，前期厄爾尼諾與后期黃淮地區(qū)夏季降水的關系在20世紀80年代發(fā)生了明顯的變化，文中計算了Nio3.4指數(shù)與黃淮地區(qū)夏季降水的11 a滑動相關(圖2)，從表1和圖2中可以看到，兩者的相關關系在1972年(1967—1977年資料計算所得)由負相關轉(zhuǎn)為顯著的正相關，即20世紀80年代之前Nio3.4為正指數(shù)(暖位相)時有利于黃淮地區(qū)降水偏少。隨著年代際的推進，20世紀80年代之后這種相關關系發(fā)生了反位相的變化，這顯示了太平洋海面溫度對黃淮地區(qū)夏季降水影響的不穩(wěn)定性。

圖2 前期冬季Nio3.4海面溫度指數(shù)與黃淮地區(qū)夏季降水11 a滑動相關Fig.2 Correlation between Nio3.4 SST Index of the last winter and 11-year moving average of summer precipitation in the Huanghuai region

2.2 印度洋全區(qū)一致型海面溫度指數(shù)與黃淮地區(qū)夏季降水的關系

由上面的分析可以看出，從20世紀80年代中期開始，太平洋海面溫度與黃淮地區(qū)夏季降水的關系逐漸變得不穩(wěn)定，那么從20世紀80年代開始影響黃淮地區(qū)夏季降水的主導因子是什么？為了深入研究，以21 a作為窗口長度，計算前冬印度洋全區(qū)一致型海面溫度模態(tài)(IOBW)指數(shù)和黃淮地區(qū)夏季降水的相關(圖3)。印度洋全區(qū)一致模態(tài)在20世紀80年代中期以前與黃淮地區(qū)夏季降水呈非常弱的正相關，但是從80年代中期開始，正相關呈現(xiàn)顯著的增加趨勢，進入21世紀，相關性通過0.05信度檢驗。研究表明印度洋海面溫度呈明顯的升溫趨勢[26]，這種相關性的顯著增加是否是由于印度洋海面溫度的線性增暖造成的呢？文中去除了IOBW指數(shù)和降水的長期變化趨勢，再次計算兩者的21 a滑動相關系數(shù)(圖3)，可見相關增強的顯著性依然存在(圖略)。說明二者的年代際關系在20世紀80年代之后確實有明顯增強，這種增強是通過什么途徑來影響黃淮地區(qū)夏季降水的呢？

圖3 熱帶印度洋前期冬季全區(qū)一致海面溫度模態(tài)指數(shù)與黃淮地區(qū)夏季降水的21 a滑動相關Fig.3 Correlation between the tropical Indian Ocean Basin-wide (IOBW) index of the last winter and 21-year moving average of summer precipitation in the Huanghuai region

3 黃淮地區(qū)夏季降水與大氣環(huán)流年際關系的年代際變化

上面分析表明，黃淮地區(qū)夏季降水與前期太平洋海面溫度和印度洋海面溫度年際關系發(fā)生了明顯的年代際變化，與前期太平洋海面溫度的關系在20世紀80年代發(fā)生了反位相的轉(zhuǎn)換，與印度洋海面溫度的關系從80年代開始明顯增強。大氣環(huán)流異常是導致降水異常的直接原因，那么黃淮地區(qū)夏季降水與大氣環(huán)流的關系是否隨著全球變化的趨勢發(fā)生了變化呢？為此，文中計算了不同時間段黃淮地區(qū)夏季降水與同期500 hPa位勢高度場和海平面氣壓場的關系。

1961—1980年，同期北半球500 hPa位勢高度場影響黃淮地區(qū)夏季降水的主要區(qū)域是副熱帶西北太平洋區(qū)域(22°～32°N，115°～135°E)上空(圖4a)，黃淮地區(qū)夏季降水與該區(qū)域內(nèi)位勢高度均呈正相關關系；1981—2014年期間的北半球高影響區(qū)域除了副熱帶西北太平洋區(qū)域(22°～32°N，115°～135°E)上空外，還有中高緯烏拉爾山地區(qū)(58°～60°N，60°～68°E)上空(圖4b)，表明不論在哪個年代際階段，當阻塞高壓和副熱帶高壓(以下簡稱“副高”)偏強時，對應黃淮地區(qū)夏季降水往往偏多，尤其是西太平洋副高偏強，有利于引導副高邊緣水汽輸送加強，這樣中高緯冷空氣與副高邊緣的暖濕氣流易于在黃淮上空交綏，導致降水異常偏多，所以副高的強弱是導致該地區(qū)降水異常的主要原因。

圖4 黃淮地區(qū)夏季降水與同期500 hPa位勢高度場的相關關系(a. 1961—1980年，b. 1981—2014年；彩色填充區(qū)為通過0.05和0.01信度檢驗區(qū)域)Fig.4 Correlation between summer precipitation in the Huanghuai region and synchronous geopotential height at 500 hPa (a. from 1961 to 1980, b. from 1981 to 2014; colored area denotes passing the significant test at 0.05 and 0.01 level)

在海平面氣壓場上，1961—1980年期間，一個高相關區(qū)在熱帶西太平洋上空，通過0.05以上信度檢驗的區(qū)域位于菲律賓群島東北向海域。當該區(qū)域海平面氣壓偏高時，底層氣流輻合異常減弱，高層副高增強，黃淮地區(qū)降水偏多，該區(qū)域的相關性在1981—2014年期間與1961—1980年期間的相關性保持一致，也呈明顯的正相關關系，并且通過0.05信度檢驗。另一個高相關區(qū)在澳大利亞以北上空，即南方濤動(southern oscillation,SO)達爾文站附近的海平面，為正相關，當該區(qū)域海平面氣壓偏高時，底層氣流輻合異常減弱，南方濤動減弱，黃淮地區(qū)降水偏多，這與前面的統(tǒng)計關系相符。但是在1981—2014年期間，該區(qū)域乃至整個印度洋上空海平面氣壓與黃淮地區(qū)夏季降水的相關關系發(fā)生了明顯的年代際變化，呈明顯的負相關，與東南太平洋上空海平面氣壓呈明顯的正相關關系(圖5)，這種模態(tài)呈現(xiàn)南方濤動的模態(tài)，當南方濤動偏強時，黃淮地區(qū)降水偏多，當南方濤動偏弱時，黃淮地區(qū)降水偏少。這一轉(zhuǎn)變與降水和海面溫度關系的變化相符，在1981—2014年當ENSO發(fā)生時，黃淮地區(qū)夏季降水往往偏多。

圖5 黃淮地區(qū)夏季降水與同期海平面氣壓場的相關關系(a. 1961—1980年，b. 1981—2014年；彩色填充區(qū)為通過0.05和0.01信度檢驗區(qū)域)Fig.5 Correlation between summer precipitation in the Huanghuai region and synchronous sea-level pressure (a. from 1961 to 1980, b. from 1981 to 2014; colored area denotes passing the significant test at 0.05 and 0.01 level)

4 前冬印度洋海面溫度與夏季東亞大氣環(huán)流耦合關系的年代際變化

由上面的分析可以看出，黃淮地區(qū)夏季降水與前期印度洋海面溫度之間的關系逐漸增強，大氣環(huán)流作為連接海面溫度等外強迫因子與降水之間的紐帶，通過分析前期海面溫度與夏季大氣環(huán)流之間的耦合關系，可以揭示海面溫度與降水之間的關系發(fā)生年代際變化的可能原因。為此文中利用奇異值分解(singular value decomposition,SVD)的方法分析了不同時間段印度洋(30°S～20°N，45°E～120°E)海面溫度與北半球500 hPa高度場和海平面氣壓場之間的耦合關系，從而進一步探索印度洋海面溫度與黃淮地區(qū)夏季降水年際關系年代際變化增強的可能原因。

由冬季印度洋海面溫度與夏季北半球500 hPa位勢高度場的SVD分析的第一模態(tài)左異性相關分布(圖6a)來看，熱帶印度洋海面溫度呈整體一致的分布模態(tài)，中心達到-0.6以上，這一模態(tài)是印度洋海面溫度異常的一個主要模態(tài)。對照右異性相關圖(圖6b)看，北半球500 hPa位勢高度場熱帶地區(qū)基本一致，熱帶西北太平洋副高所處的位置，中心達到-0.6以上?？梢姡斍捌谟《妊蠛Ｃ鏈囟日w偏高(低)時，夏季副高將偏強(弱)，這種相關關系在1981—2014年表現(xiàn)得更加顯著(圖6c、d)，500 hPa位勢高度場上副高所處的位置-0.6以上的中心明顯擴大，由此可見前期印度洋海面溫度對夏季副高的影響呈正相關，并且這種相關性隨著年代際的變化逐漸增強。

圖6 前期冬季印度洋海面溫度與后期夏季500 hPa高度場SVD分解第一模態(tài)(a. 1961—1980年異性相關分析,左場;b. 1961—1980年異性相關分析,右場;c. 1981—2014年異性相關分析,左場;d. 1981—2014年異性相關分析,右場)Fig.6 The first mode of SVD (singular value decomposition) between Indian Ocean SST of the last winter and geopotential height at 500 hPa in summer (a. heterogeneous correlation analysis from 1961 to 1980, left; b. heterogeneous correlation analysis from 1961 to 1980, right; c. heterogeneous correlation analysis from 1981 to 2014, left; d. heterogeneous correlation analysis from 1981 to 2014, right)

由1961—1980年冬季印度洋海面溫度與夏季熱帶海平面氣壓場的SVD分析的第一模態(tài)左異性相關分布(圖7a)來看，熱帶印度洋海面溫度呈整體一致的分布模態(tài)，中心達到-0.6以上；對照右異性相關圖(圖7b)看，該階段與印度洋海面溫度整體一致偏高的模態(tài)匹配的海平面氣壓場，通過信度檢驗的區(qū)域很少。但是，在1981—2014年期間，當印度洋海面溫度呈一致偏低(高)時，印度洋上空海平面氣壓場偏高(低)(圖7c、d)，前面的研究結果顯示，在1981—2014年期間黃淮地區(qū)夏季降水與印度洋上空的海平面氣壓呈明顯的負相關，這說明隨著印度洋海面溫度的持續(xù)增暖，印度洋通過影響海平面氣壓場影響黃淮地區(qū)夏季降水的關鍵區(qū)，而使其與黃淮地區(qū)夏季降水的關系逐漸增強。

圖7 前期冬季印度洋海面溫度與后期夏季海平面氣壓場SVD分解第一模態(tài)(a. 1961—1980年異性相關分析，左場;b. 1961—1980年異性相關分析,右場;c. 1981—2014年異性相關分析,左場;d. 1981—2014年異性相關分析,右場)Fig.7 The first mode of SVD between Indian Ocean SST of the last winter and sea-level pressure in summer (a. heterogeneous correlation analysis from 1961 to 1980, left; b. heterogeneous correlation analysis from 1961 to 1980, right; c. heterogeneous correlation analysis from 1981 to 2014, left; d. heterogeneous correlation analysis from 1981 to 2014, right)

由上面不同時期不同區(qū)域海面溫度與大氣的耦合關系來看，前期印度洋海面溫度與影響黃淮地區(qū)夏季降水500 hPa高度場關鍵區(qū)域的相關關系隨著年代際的變化逐漸增強，與海平面氣壓場上副高所處位置關鍵區(qū)域的關系逐漸增強，并且隨著年代際的變化海平面氣壓場上的關鍵區(qū)域呈現(xiàn)南方濤動的分布模態(tài)。隨著年代際的變化，前期太平洋海面溫度與影響黃淮地區(qū)夏季降水500 hPa高度場上的關鍵區(qū)域的相關性明顯減弱(圖略)，但是對海平面氣壓場上關鍵區(qū)域的影響與印度洋一致，明顯地表現(xiàn)出了南方濤動的分布模態(tài)。由此可見，印度洋海面溫度異常通過影響海平面氣壓場和500 hPa高度場，使其與黃淮地區(qū)夏季降水的關系更加密切，在黃淮地區(qū)夏季降水的年代際變化中起到重要的調(diào)制作用。

5 討論與結論

本文分析了黃淮地區(qū)夏季降水與前期海面溫度以及同期大氣環(huán)流關系的年代際變化特征，在20世紀80年代之前(1961—1980)，前期發(fā)生ENSO發(fā)生時，次年夏季黃淮地區(qū)降水往往偏少，80年代之后，前期發(fā)生ENSO時，次年夏季黃淮地區(qū)夏季降水往往偏多。前期印度洋海面溫度與黃淮地區(qū)夏季降水的關系也在20世紀80年代發(fā)生了變化，特別是印度洋海面溫度對黃淮地區(qū)夏季降水的預測指示意義越來越強，前期印度洋海面溫度對黃淮地區(qū)夏季降水的指示意義越來越明確。但是Nio3.4區(qū)海面溫度指數(shù)對黃淮地區(qū)夏季降水的指示意義在20世紀80年代中期之后卻出現(xiàn)了不穩(wěn)定性。分析不同時期黃淮地區(qū)夏季降水與大氣環(huán)流的關系，發(fā)現(xiàn)黃淮地區(qū)夏季降水與副熱帶高壓位置附近500 hPa位勢高度場和海平面氣壓場均呈明顯的正相關，這種關系在20世紀80年代前后沒有發(fā)生變化，但是海平面氣壓場上，在印度洋上空及南方濤動位置，相關關系發(fā)生了轉(zhuǎn)換，80年代前與印度洋和澳大利亞上空海平面氣壓呈弱的正相關，80年代后呈顯著負相關，東南太平洋上空海平面氣壓為顯著正相關，呈現(xiàn)出南方濤動模態(tài)。進一步通過SVD分解發(fā)現(xiàn)，前期印度洋海面溫度與影響黃淮地區(qū)夏季降水500 hPa高度場、海平面氣壓場上關鍵區(qū)域的相關關系隨著年代際的變化逐漸增強，使得印度洋海面溫度對黃淮地區(qū)夏季降水的指示意義越來越明確。

本文只是利用統(tǒng)計方法分析了黃淮地區(qū)夏季降水前期海面溫度和同期大氣環(huán)流關系的年代際變化特征，揭示了一些初步的變化現(xiàn)象，這對明確黃淮地區(qū)夏季降水短期氣候預測的因子有一定的指示意義，但是這些關系發(fā)生年代際變化的原因還需要進一步研究。