夏季热带中太平洋SST异常型与中国东部夏季气候异常的关系

2010-10-20冯娟管兆勇王黎娟于波

大气科学学报 2010年5期

冯娟,管兆勇,王黎娟,于波

(1.南京信息工程大学大气科学学院,江苏南京 210044;2.南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室,江苏南京 210044;3.江苏省气象局,江苏南京 210009)

冯娟1,2,管兆勇1,2,王黎娟1,2,于波1,3

热带中太平洋海温异常型是近年发现的赤道太平洋海温异常分布的新特征,主要表现在热带太平洋海温异常为纬向“三极型”分布,其与ENSO的“偶极型”分布显著不同。利用1955—2005年HadISST月平均海温资料和中国160站月降水和温度资料,确定了中太平洋海温异常型并研究了这种海温异常型与中国东部同期夏季降水的关系。结果表明,当中太平洋海温为正异常时,我国江淮流域、西南地区的东部整层水汽含量偏少并处于水汽通量辐散区,不利于降水的形成,同时该地区上空垂直温度平流为正异常,利于异常高温的形成;我国华南、西南地区的南部为整层水汽通量辐合区,水汽丰沛,且整层垂直温度平流为负异常,易发生低温多雨的天气气候。

赤道中太平洋;海温异常;夏季气候;中国

0 引言

赤道中、东太平洋海温异常变化引起的ENSO事件可影响全球大气环流和气候异常。1982—1983年赤道中东太平洋强的增温事件(El Ni～no)造成了中南美洲地区的洪涝,南亚、印度尼西亚及东南非洲

冯娟,管兆勇,王黎娟,等.夏季热带中太平洋SST异常型与中国东部夏季气候异常的关系[J].大气科学学报,2010,33(5):547-554.

Feng Juan,Guan Zhao-yong,WangLi-juan,et al. Impact of central equatorial Pacific SSTA pattern on precipitation and temperature in East China in summer[J].Trans Atmos Sci,2010,33(5):547-554.大范围的严重干旱[1]。ENSO事件亦可造成我国气候异常。众多研究表明El Ni～no年江淮流域出现涝年,La Ni～na年则相反[2-3]。500 a历史资料分析表明,中国华北地区干旱有58%是与赤道中、东太平洋海温增暖相联系的[4]。有文献报道El Ni～no/La Ni～na年对长江流域夏季降水的影响更为复杂。

近年来赤道太平洋海温的异常变化呈现出不同以往的新特征。Ashok等[5]对太平洋海表温度进行了研究,发现赤道太平洋海温异常呈纬向三极型分布:中太平洋海温异常偏高,而西、东太平洋海表温度异常(SSTA)偏冷。因这种现象与ElNi～no型海温有显著不同:它无明显的传播特征,且次表层海温包括斜温层深度亦有相应的独特变化,Ashok等[5]将这种现象称为ENSO-MODOKI(Pseudo-El Ni～no),并认为是独立于ENSO事件而存在的一种热带太平洋海温异常型。这种海温异常的三极型分布(EOF2)解释了太平洋海温异常总方差的12%。

与三极型海温异常相类似的分布在Donguy和Dessier[6]、Meyers等[7]文章中也提到过,其中Donguy和Dessier在1983年指出1979年发生的类似ElNi～no的现象显示出赤道中太平洋的增暖要比赤道东太平洋明显。在Weare等[8]和Meyers等[9]的研究中也暗示了这种有趣的SSTA分布型。McPhaden[10]指出2002/2003年的ElNi～no事件最大海温异常值出现在赤道中太平洋,而东太平洋SSTA相对较弱并且持续时间也很短,且进一步指出,2002/2003年的ElNi～no事件与1994/1995年的SSTA分布很相似,但与1997/1998年及以前的事件有显著不同。

以上诸多研究结果表明纬向三极型海温异常的确存在。已有的研究更多关注的是赤道中、东太平洋海温异常与中国夏季气候的关系,而中太平洋海温异常型与中国夏季气候关系的研究很少。因此本文将分析热带太平洋三极型海温异常分布与中国东部同期夏季气候的可能关系。

1 资料和方法

1.1 资料

采用1°×1°分辨率的HadISST[11]月平均海温资料,2.5°×2.5°分辨率的NCEP/NCAR[12]再分析风场和比湿场资料,以及中国国家气候中心提供的160站月降水和气温资料。时间序列为1955—2005年,气候平均时段取为1955—2005年。

1.2 热带中太平洋海温异常型的确定

热带中太平洋海温异常型的确定须满足的条件为:(1)显著的海温异常出现在中太平洋赤道地区,东太平洋及西太平洋的赤道地区为负异常或有微弱的正异常,自中太平洋向东、向西有相反的温度梯度;(2)考虑到大气对异常海温响应的时间尺度(1个月),上述分布持续时间不少于1个月;(3)中太平洋海温异常月平均区域极值︱tssa︱max≥0.5℃。这一数值的选取是为了避免异常弱的个例进入分析数据。

据此,确定典型的中太平洋夏季(JJA)海温正异常和海温负异常年份。其中正异常年份为:1977、1994、2002、2004年;负异常年份为:1974、1975、1998年。将所选典型年份的热带太平洋经向平均(5°S～5°N)的海温异常进行合成分析(图1),并用该曲线表征赤道中太平洋海温异常典型特征,即海温异常在赤道中太平洋最强,其位相与东、西太平洋相反。用傅立叶级数拟合该曲线(取傅立叶级数前4个波可很好地拟合),将1955—2005年逐年夏季月份(JJA)海温异常与拟合曲线作相关分析(空间上的相似程度,图2),以最终确定中太平洋海温异常型的个例。

图1 热带中太平洋5°S～5°N海温异常的典型年合成分析(虚线为合成场,实线为傅立叶级数拟合曲线) a.正异常年;b.负异常年;c.正、负异常年之差Fig.1 Composite analysis of Equatorial Central Pacific(5°S—5°N)SSTA in typical years(D ashed line indicates composite field;solid line indicates fourier fitting curve) a.positive years;b.negative years;c.the difference between positive years and negative years

依据相关分析,确定选取个例的标准为:相关系数︱r︱≥0.55且赤道中太平洋海温异常︱tssa︱≥0.5℃。将相关系数0.55作为标准,一是因为相关系数小于0.5时,海温异常的分布型与拟合曲线差别较大,二是因为有极少数月份的相关系数在0.5～0.55之间,虽然这些月份的海温在东太平洋有弱的正异常,异常并不很大,未改变温度梯度方向,但为更好地突出中太平洋海温异常型,取0.55作为选取个例的标准更为合适。选择︱tssa︱≥0.5℃是因为有少数月份虽然相关系数达到了要求,即分布型与拟合曲线很相似,但海温异常值较小,极值中心四周的温度梯度过小。

如此,确定出本文合成分析中所用的夏季中太平洋海温正异常月份为:1958年8月,1966、1977年的6—8月,1991年8月,1992年7月,1993年7月,1994、2002、2004年的6—8月。夏季中太平洋海温负异常月份为:1956、1974、1975、1989、1998、1999年的6—8月。

2 热带中太平洋海温异常型的分布特征

热带海温异常的不同分布与夏季气候的关系是不同的。赤道中太平洋海温异常型合成差值显示(图3),当中太平洋海温为正异常时,东、西太平洋海温皆为负异常,热带太平洋海温异常呈现出中间高两边低的“三极型”分布。图中的箭头为海温异常的梯度分布,可见梯度的方向由热带中太平洋指向四周。此种海温异常型与ENSO的“偶极型”分布显然不同。这种不同,不仅仅表现在SSTA分布上,海洋及大气都有相应的动力学过程支撑这种分布的形成与维持,且与ENSO动力过程存在某些不同[5]。

图2 夏季赤道中太平洋海温异常与拟合曲线的相关系数Fig.2 The correlation coefficient between equatorial Pacific SSTA and Fourier fitting field in summer

图3 赤道中太平洋海温异常型的合成差值分布(单位:℃)及其海温异常的梯度分布(箭头;单位:℃/m;图中阴影区通过了95%的置信水平检验)Fig.3 Composite difference distribution of equatorial central Pacific SSTA pattern and its gradient distribution(units:℃/m;shaded areas denote the significance at95%confidence level)

3 热带中太平洋海温异常型与中国夏季气候的关系

热带中太平洋海温异常型分布(图3)对中国的夏季气候产生显著的影响。热带中太平洋正海温异常型与中国夏季降水的关系与负海温异常型近乎相反(图略),因此本文主要使用了差值分析(即中太平洋正海温异常的月份减去负海温异常的月份),从夏季降水距平合成差值分布(图4)可见,当中太平洋海温为正异常时,福建、江西南部、湖南、华南地区、西南地区南部以及四川南部为降水正距平所覆盖。降水负异常显著区域主要集中在江淮地区和西南地区东部。中太平洋海温为负异常时。这一结果与W eng等[13]利用ENSO-MODO KI指数通过偏相关分析所得结果接近。需要说明的是,以往ENSO对中国夏季降水影响的研究结果表明,El N i～no发展阶段,夏季中国江淮流域降水偏多,华南、华北降水偏少[2-3]。中太平洋海温异常型与中国夏季降水的关系与ENSO大致相反,尤其是在江淮流域及华南地区。

整层水汽含量和水汽通量势函数距平场的合成差值分布(图4c、4d)支持上述结果。整层水汽含量的异常分布和异常输送与降水主要异常分布区域(图4a)相符,在中太平洋海温为正距平时,长江以北,黄河以南水汽含量为负距平所覆盖,华南地区为正距平。此时中国大部分地区处于整层水汽辐散区,在长江流域和西南的东部地区也为较强的水汽通量辐散区,并且在此区域水汽含量为负距平,不利于降水正异常的形成,易造成干旱。在华南,水汽通量为弱的辐合,易造成华南多雨现象的发生。

图4 热带中太平洋海温典型正异常与负异常月份中国夏季降水(a;单位:mm/m on)、气温(b;单位:℃)、整层水汽含量(c;单位:kg/m2;从地面积分到300hPa)、整层水汽通量势函数(d;单位:kg/s)及辐散风分量(d;单位:m/s)等要素场的合成差值分布(阴影区为t检验不低于90%置信水平区域)Fig.4 JJA mean differences of composite anomalies of central equatorial Pacific SSTA between positive month and negative month in China(Shaded areas denote the significance above90%confidence level in the Student's t test)a.precipitation(mm/m on);b.temperature(℃);c.moisture content(kg/m2)vertically integrated from the surface up to300hPa;d.velocity potential(kg/s)of the w hole level moisture flux and divergent winds(m/s)

相应地,温度距平场的合成差值分布显示(图4b),中太平洋海温为正异常时,江淮地区、长江中下游、山东南部、华中北部、陕西南部以及西南东部为温度正距平。内蒙古中部、华南地区、西南地区的东南部、湖南南部为温度负距平所覆盖。降水异常分布(图4a)特征基本与温度异常(图4b)相反。这可归因于降水减少(增多)通常伴随着云量减少(增多),地表吸收太阳辐射增多(减少),地表气温升高(降低)。

但是,整层垂直积分大气加热场异常(图5)表明:中太平洋海温为正异常时,中国江淮流域、西南地区东部整层垂直温度平流为正异常(图5b),这种异常的动力加热是由整层大气异常下沉绝热增温所至。此动力加热有利于江淮流域、西南地区东部异常高温的形成。那么,尽管直观地认为当中太平洋SSTA增暖时,江淮流域、西南地区东部降水减少,推测出这一地区云量减少,地面接收太阳辐射增多,有利于地表气温升高,但对于整层大气来说,视非绝热加热都为负异常,增暖主要因素都是异常下沉绝热增温。另一方面江淮流域异常的动力加热是由非绝热冷却(图5c)和温度平流负异常(图5a)所平衡,然而中国的西南地区东部温度平流异常很弱,主要由非绝热冷却补偿了动力加热。

中国南部的低温主要是由整层大气的异常上升绝热冷却所至(图5b),这种动力冷却主要由非绝热加热补偿。

4 影响机制

为了揭示中太平洋海温异常型(图3)对中国夏季气候影响的机制,用速度流函数和势函数异常作合成差值分析。

图5 夏季赤道中太平洋海温正异常月份与海温负异常月份距平场合成差值分布(单位:℃/d;从地面积分到100 hPa;阴影区为t检验不低于90%置信水平区域) a.整层水平温度平流;b.整层垂直温度平流;c.整层的非绝热加热率Fig.5 JJA mean differences of composite anom alies of central equatorial Pacific SSTA between positive m onth and negative month in China(Shaded areas denote the significance above90%confidence level in the Student's t test)a.the horizontal advection of temperature;b.the vertical advection of potential temperature;c.the diabatic heating rate

图6 夏季赤道中太平洋海温正异常月份与海温负异常月份850hPa(a,c)、200hPa(b,d)速度势函数(a,b;单位:106m2/s)、辐散风场(a,b;单位:m/s)及流函数(c,d;单位:m2/s)距平场合成差值(阴影区为热带中太平洋海温异常;单位:℃)Fig.6 JJA mean differences of composite anomalies of central equatorial Pacific SSTA between positive month and negative month in China(The shading indicates the equatorial Pacific SSTA)a.850hPa velocity potential(106m2/s)and divergent wind(m/s);b.same as(a)but for200hPa;c.850hPa stream function(m2/s);d.same as(c)but for200hPa

异常速度势函数分布(图6a、b)所揭示的联系表明:中太平洋海温为正异常时,850hPa上在130°E以东至130°W以西的热带区域为辐合区,最强的辐合中心位于中太平洋150°W,强的辐散中心位于西南太平洋;200hPa上在130°E～180°～130°W范围内则为行星尺度辐散区,最强辐散中心位于中太平洋160°W,较850hPa上最强辐合中心位置偏西了10个经度。这种辐合辐散造成的上升运动是赤道中太平洋海温正异常驱动所致。

相应地,受到中太平洋海温正异常的影响,中国东部在850hPa存在气流辐散,并流向中太平洋地区。具体表现为:中太平洋海温为正异常时,在850 hPa上江淮流域、西南地区东部为异常辐散区,华南为异常辐合区。在200hPa上中国南部为弱异常辐散区,北部为弱异常辐合区。这样的高低空配置造成了西南地区东部、江淮流域的少雨,华南地区的多雨。

同时注意到在850hPa上东印度洋有辐散,西印度洋有辐合,在200hPa上东印度洋为辐合,西印度洋为辐散,表明印度洋上可能存在类似偶极子的现象。Guan和Yam agata[14]指出1994年正IOD年可造成中国南方多雨及东部的高温干旱。钱玮和管兆勇[15]的研究中亦说明IOD与中国华南夏季降水有很好的正相关关系。如何区分IOD和中太平洋海温异常型对中国夏季气候的影响,需要进一步研究。

异常流函数分布(图6c、6d)显示,中太平洋海温发生正异常时,在850hPa上存在关于赤道对称的气旋对,在200hPa上存在关于赤道对称的反气旋对。G ill理论说明,当赤道地区存在加热时,在其西北侧可激发形成气旋式环流,其高层形成反气旋式环流[16];Rodw ell和Hoskins[17]亦说明当季风区存在加热时,在高原至地中海地区高层可生成Rossby波型,形成反气旋环流;而辐合辐散作为涡度源可引起涡旋环流的异常,在西风辐散风场上激发气旋式环流,在东风辐散气流上形成反气旋环流[18]。这样,在中太平洋地区暖海温的作用下,在850hPa上,形成了西太平洋至中太平洋地区的辐合,激发了由南海至西北太平洋地区的气旋式环流。这一环流削弱了自南海向北的暖湿气流,使得由海洋向大陆的水汽输送减弱,引起夏季降水减少。另外,在850 hPa上,长江以北为来自高纬的干的偏北风,长江以南为来自西北太平洋的湿的东北风,在200hPa上,中国被一气旋式环流所控制,中国北部及南部地区为偏南风,也利于引起江淮流域降水偏少,华南、西南地区南部降雨偏多。

5 结论与讨论

通过分析中太平洋海温异常型对中国夏季气候的可能影响及其机制,得到以下结论:

(1)热带中太平洋海温为正异常时,中国中部地区尤其是江淮流域、西南地区东部水汽较少,且整层水汽通量辐散,导致降水为负异常,同时该地区温度偏高。这种温度偏高归因于整层大气下沉绝热增温。同时,我国华南水汽丰富,整层水汽通量辐合,有利于降水的发生,整层大气上升绝热冷却利于造成该地区温度偏低。

(2)热带中太平洋海温异常型造成的辐合辐散作为涡度源,引起热带大气产生响应,形成850hPa上的气旋环流。这一环流在南海地区减弱了自南海向北的水汽输送,引起江淮流域降水减少。

过去的研究表明,ENSO发生当年夏季长江流域降水可发生显著异常,但是偏多或是偏少还没有定论。某些年份显著偏多[19],而有些年份却不是如此[20]。有些研究通过对ENSO事件发生时间早晚的划分(如秋季型、春季型),分别考虑ENSO的滞后影响[21]。也有通过分析异常海温东传型和西传型来研究ENSO对长江流域夏季降水影响的报道[22]。这些说明,ENSO对中国夏季降水的影响是复杂的。1999年Saji等[23]发现了IOD现象,单纯IOD现象与单纯ENSO对中国长江流域夏季降水和气温的影响是相反的,当ENSO和IOD现象同时发生时,中国夏季降水异常将变得非常复杂[24]。这些部分地解释了1999年IOD发现前在人们未能考虑到IOD作用时分析ENSO与中国长江流域夏季气候变动统计关系时的某些不确定性。

本文的结果表明,热带中太平洋型海温异常对长江流域降水和气温的影响说明了海温异常分布型的不同作用。中太平洋型的影响与单纯ENSO年的影响有明显不同,这使得统计ENSO与长江流域降水的关系变得更为复杂。因此要全面了解ENSO对中国南方夏季气候的影响,需要考虑不同海温异常部分的结构,以及IOD的作用,才能有更为明确的结论。这些需要更多的研究。

致谢:感谢国家自然科学基金地球科学部南京气象学院大气资料服务中心,感谢Hadley中心、美国国家环境预测中心(NCEP)和中国国家气候中心提供相关气象资料。

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Impact of Central Equatorial Pacific SSTA Pattern on Precipitation and Temperature in East China in Summer

FENG Juan1,2,GUAN Zhao-yong1,2,WANG Li-juan1,2,YU Bo1,3

(1.School of Atmospheric Sciences,NUIST,Nanjing 210044,China;2.Key Laboratory of Meteorological Disaster of Education of Ministry,NU IST,Nanjing 210044,China;3.Jiangsu Meteorological Bureau,Nanjing 210009,China)

Central equatorial Pacific SSTA pattern,which has been observed in recent years,displays new characteristics in tropical Pacific Ocean,which mainly takes on a tripolar distribution pattern and is distinctly different from ENSO.Based on the monthly mean SST data from HadISST and precipitation and temperature data from 160 stations in China,we confirmed the existence of tropical central Pacific SSTA pattern and studied the influence of this pattern on climate in China in summer.The result shows that when SSTA of central Pacific Ocean is positive,the moisture content is lower than normal in Huaihe River and Yangtze River areas in summer,which usually leads to less precipitation.Accordingly,the positive vertical temperature advection of this area causes high temperature.Meanwhile,the situation in the southern and southwest parts of China is just the opposite.

central equatorial Pacific Ocean;SSTA;summer climate;China

P434

1674-7097(2010)05-0547-08

2009-03-21;改回日期:2009-06-25

国家重点基础研究发展计划项目(2006CB403602);江苏省气象灾害重点实验室资助课题(KLME060101)

冯娟(1982—),女,辽宁朝阳人,硕士,研究方向为气候动力学,fengjuan001@163.com.

(责任编辑:刘菲)