东亚春季大气环流及山东4月降水对Nino3区SST变化响应的年代际特征

2011-12-23胡桂芳赵玉金王建源

海洋预报 2011年1期

关键词：海温环流东亚

胡桂芳，赵玉金，高理，王建源

（山东省气候中心，山东济南 250031）

东亚春季大气环流及山东4月降水对Nino3区SST变化响应的年代际特征

胡桂芳，赵玉金，高理，王建源

（山东省气候中心，山东济南 250031）

利用1951～2007年的月平均500 hPa高度场、海温场等资料，在定义Nino3区SST变化特征指数（ISSTA）的基础上，利用合成、相关等方法分析了东亚春季500 hPa环流及山东4月降水对Nino3区SST变化的响应及其年代际特征，结果表明，东亚500 hPa环流对ISSTA升高（降低）有着显著响应且具有明显的年代际特征，对ISSTA升高的响应在环流突变前后有着基本一致的特征，只是响应的程度不同;而对ISSTA降低的响应在环流突变前后有着基本相反的特征，意味着ISSTA对4月降水的预测意义也存在着明显的年代际变化。因此，利用前期海温变化进行短期气候预测还应考虑大气环流响应的年代际变化。

海温变化指数；东亚大气环流；年代际变化；4月降水

1 引言

研究表明[1～3]，20世纪70年代末以来,全球大气和海洋系统发生了一次明显的年代际变化,这种年代际变化在海洋中表现为1977年以来热带中东太平洋海表温度（SST）出现年代际异常增暖,而在北太平洋中纬度地区SST异常变冷,相当于一种平抑的准永久性EL nino事件。年代际作为年际尺度背景，对年际尺度的气候变率现象具有重要的影响，如高辉[4]发现淮河夏季降水与前期ENSO的关系在环流突变前后存在着明显的差异，在突变前,降水与赤道东太平洋的海温为显著的负相关,而在突变后,相关值转为弱的正相关。孔春燕等[5]对20世纪50年代以来共发生的14次厄尔尼诺事件进行分析，发现80年代以前和以后的厄尔尼诺过程对中国东部汛期降水存在着不同的影响。这说明伴随着大气和海洋系统的突变，SST变化与气候要素异常的关系也发生了明显的改变，因此在实际业务中不能再沿用以前全程相关的预测思路。笔者在文献[6]中研究发现，春季东亚大气环流及山东春季尤其4月降水对前期Nino3区显著升温有着很好的响应，那么降温的情况会怎样？这种响应是否也存在年代际变化？本文将对以上问题进行讨论，以期能为提高短期气候预测水平及稳定性提供新的预测思路及方法。

本文采用的资料为中国气象局的1951～2007年北太平洋月平均海温（10°S～50°N，5°×5°）及北半球500 hPa月平均高度（10°～85°N，5°×10°）；山东17个代表站的月降水量资料。

2 赤道东太平洋海温变化的年代际特征

Nino3区涵盖了赤道东太平洋的大部海域，其海温变化在EL nino和La nina事件中具有很好的代表性。本文仍采用文献[6]中的定义，以Nino3区代替赤道东太平洋，定义Nino3区（150°～90°W，5°S～5°N）的12月SSTA减6月SSTA为海温变化特征指数，记为ISSTA。计算得ISSTA的标准差为0.7℃，为了保证样本容量，取偏离平均值0.9个标准差即ISSTA大于0.6℃为显著增温年，ISSTA小于-0.6℃为显著降温年，1951～2007年间共出现了1951年、1963年、1965年、1968年、1972年、1978年、1982年、1986年、1994年、1997年、2002年、2003年、2004年、2006年14个显著增温年及1952年、1956年、1961年、1967年、1970年、1973年、1974年、1983年、1992年、1995年、1998年、1999年、2005年13个显著降温年。从上述所列的年份中不难发现，显著增温年中有9/14=64.3%的年份发生在1977～2007年间赤道中东太平洋海温偏暖的背景中，而显著降温年则有7/13=53.8%的年份出现在1951～1976年的冷背景中。将上述年份与1951年以来发生的历次EL nino（La nina）事件进行对比分析，发现下半年Nino3区海温的升降与ENSO循环有着密切的联系，即显著增温与EL nino的发展阶段有很好的对应，而降温则与EL nino衰减或La nina发展阶段关系密切，因为EL nino（La nina）事件往往在年末到次年年初达到盛期。

3 山东4月降水异常年的环流特征及其与ISSTA关系的年代际变化

分别计算山东春季及各月降水量与同期北半球500 hPa高度场各格点的相关系数，结果表明，以4月降水与同期环流场的关系最为密切。本文的最终目的是解释海温变化首先引起大气环流异常，进而导致降水异常的过程，所以仅以4月降水作为研究的对象。从山东4月降水与同期北半球500 hPa高度场的相关分布图（见图1）看，山东4月降水偏多（少）的最主要环流特征是朝鲜半岛、日本及其邻近洋面的500 hPa高度场升高（降低），即东亚中纬度地区上空为反气旋式（气旋式）环流异常，从后文第4节的分析中将发现，前期从夏到冬Nino 3区SST的显著升高（降低），恰恰可以导致这种环流异常，意味着Nino 3区海温显著升高（降低）与山东4月降水偏多（偏少）有着密切的联系。进一步的资料分析表明，这种联系伴随着海洋和大气环流的突变也发生了明显的变化。由表1可见，当ISSTA≥0.6即当下半年Nino 3区显著增温时，次年4月降水为正距平的几率在1951～1976年间为4/5=80%（偏多1倍以上的几率为3/5=60%），而1977～2007年间减少到5/9=56%（偏多1倍以上的几率仅为2/9=22%），即近30年间，前期赤道中东太平洋增暖与次年山东4月降水偏多的统计意义在减弱；而赤道东太平洋显著降温时，次年4月降水为负距平的几率在1951～1976年间为1/7=14%，而1977～2007年间增加到5/6=83%，即前期赤道中东太平洋变冷对山东4月降水偏少的指示意义在增强。为什么会出现这种统计关系，下文将从东亚春季大气环流对Nino3区海温变化响应的年代际特征进行分析。

图1 山东4月降水与同期北半球500 hPa高度场的相关系数

表1 ISSTA异常与次年山东4月降水距平百分率

4 春季东亚大气环流对SST变化响应的年代际特征

4.1 春季东亚大气环流对SST变化响应的总体特征

以4月的500 hPa月平均高度场代表春季，图2a给出了ISSTA与次年4月北半球500 hPa高度场的相关系数，图2（b）为14个显著增温年减13个显著降温年对应的次年4月平均500 hPa高度合成差值场。可以发现，在东亚至西太平洋地区，40°N以南为大范围的正相关区所覆盖，0.05信度线的北界已穿过朝鲜半岛和日本，其中热带和副热带的西太平洋地区信度在0.01以上，其对应的差值场中心为40 gpm；显著的负相关区域主要位于亚洲东北部，白令海附近的相关中心信度达到0.01以上，其对应的差值场为-50 gpm的负差值中心。即东亚至西太平洋地区具有南正北负的负WP遥相关型分布特征[7]。可见，下半年Nino 3区SST的显著升高（降低），可以导致次年春季热带和西太平洋副热带地区的500 hPa高度场升高（降低），且朝鲜半岛、日本及其附近洋面的高度场升高（降低）最为明显，贝加尔湖向东穿过鄂霍次克海到白令海的500 hPa高度场降低（升高），意味着西太平洋副高强度偏强（偏弱），位置偏西（东）、偏北（南），东亚大槽向北（南）收缩（扩展），亚洲至西太平洋地区盛行纬向（经向）环流。

图2 ISSTA与次年4月500 hPa高度场的相关系数（a）及ISSTA升高年减降低年的次年4月500 hPa高度合成差值场（b）

4.2 春季东亚大气环流对ISSTA升高响应的年代际变化

图3给出了ISSTA≥0.6℃时的次年4月北半球500 hPa高度距平场，由图3可见，春季东亚中高纬地区的大气环流对前期ISSTA升高的响应在环流突变前后有着大致相似的特征，500 hPa高度距平场呈现出典型的南正北负的负WP型分布特征，与图2相关场及差值场中的正（负）值中心有很好的对应，但环流突变前后东亚大气环流对ISSTA升高响应的程度不同，表现在距平场上的正（负）值中心的强弱不同。环流发生突变以前即1951～1976年间的东亚大气环流对ISSTA升高的反映较环流发生突变以后即1977～2007年间的响应更为强烈，主要表现在巴尔喀什湖到贝加尔湖的负距平中心和朝鲜半岛、日本及其邻近洋面的正距平中心的数值出现较大差异，前者由-50 gpm减弱到-10 gpm，后者由50 gpm减弱到20 gpm，说明进入20世纪70年代末以来，当前期从夏到冬赤道中东太平洋海表显著升温时，东亚至西太平洋中纬度地区的反气旋式环流异常和巴尔喀什湖至贝加尔湖地区的低槽活动均较环流突变前明显减弱，即影响我省的冷暖空气势力明显减弱，从而出现了环流突变以后ISSTA升高年对应的次年山东4月降水偏多几率较突变以前变小的统计事实。

图3 ISSTA≥0.6℃时的次年4月北半球500 hPa高度距平场（说明同上）

图4 ISSTA≤-0.6℃时的次年4月北半球500 hPa高度距平场（说明同上）

4.3 春季东亚500 hPa环流对ISSTA降低响应的年代际变化

图4给出了ISSTA≤-0.6℃时的次年4月北半球500 hPa高度距平场，可以发现东亚大气环流对ISSTA降低的响应在环流突变前后有着本质上的差别，环流突变以前的1951～1976年间，30°N以北的东亚及西太平洋地区除巴尔喀什湖为弱的负距平区外，其他地区几乎为弱的正距平覆盖，没有出现与增温年相反的特征，即朝鲜半岛及其邻近海域的高度场出现了应该降低反而升高的态势，40°N以北的高纬地区虽然出现了与增温年相反的特征，但其异常程度明显偏弱，即东亚大气环流对ISSTA降低的响应程度远不如对ISSTA升高年的响应强烈。意味着前期从夏到冬赤道中东太平洋海温显著降低，东亚至西太平洋的中纬度地区仍维持弱的反气旋式环流异常，东亚大槽由冬至春的季节演变过程中，衰减的速度较常年偏快，使得东亚沿岸为弱的南风异常，同时巴尔喀什湖地区不断有短波槽活动，即不断有弱冷空气沿西西伯利亚平原东移南下影响山东，造成了1951～1976年间ISSTA显著降低年对应的次年山东4月降水仍以偏多占优势的统计关系。

环流发生突变以后的1977～2007年间，除了在中西伯利亚地区仍为-40 gpm的负距平中心以外，在朝鲜半岛及其邻近海域也出现了-40 gpm的负距平中心，鄂霍次克海地区出现了20 gpm正距平中心，即东亚至西太平洋地区呈现出南负北正的WP遥相关型分布特征，因而朝鲜半岛及其邻近海域为较强气旋式环流异常，使得位于气旋式异常西侧的我国东部地区出现了偏北风异常，因而山东降水缺少了必需的水汽条件。虽然中西伯利亚不断有冷空气光顾山东，但因缺少来自南方的暖湿气流，冷暖空气在我省交绥的机会仍将大大减少，因而出现了环流突变以来ISSTA降低年次年山东4月降水偏少的几率增加。

4.4 ISSTA异常与次年春季东亚大槽关系的年代际变化

由前文分析发现，东亚大槽是影响山东春季降水的关键系统，为了定量描述赤道东太平洋海温变化对东亚槽影响的年代际特征，参考文献[8]对春季4月东亚大槽的强度指数进行定义，以东亚地区（30°～50°N，120°～150°E）平均的500 hPa位势高度距平来代表东亚槽的强弱，距平值为正，表示东亚槽偏弱，反之，则表示东亚槽偏强。由表2清晰可见，环流突变前后东亚槽强度发生明显的变化，对ISSTA显著升高年而言，其强度指数由2.7下降为1.2，偏弱的频率由5/5=100%减少到6/9=66.7%，即东亚大槽偏弱的程度明显减弱；而对降温年而言，东亚大槽强度指数由0.4下降为-1.6，偏强的频率由2/7=28.6%增加到4/6=66.7%，即东亚槽的强度由偏弱变为偏强，这与前文的分析结论有很好的吻合。

表2 ISSTA异常与次年4月东亚槽关系的年代际变化

5 结论与讨论

综上所述，东亚春季大气环流对前期赤道中东太平洋从夏至冬的海温变化即ISSTA升高（降低）有着明显的响应，但这种响应存在着明显的年代际变化，东亚大气环流对ISSTA升高的响应在环流突变前后有着基本一致的特征，只是环流突变后响应的程度有所减弱，而对ISSTA降低的响应在环流突变前后有着本质上的差别，环流突变前仍表现为升温年的特征，而环流突变以后则表现出与升温年相反的特征，从而导致ISSTA对4月降水预测意义也存在明显的年代际变化，即近30年以来，前期赤道中东太平洋增暖（变冷）对次年山东4月降水偏多（偏少）的预测意义在减弱（增强），因此，利用前期海温变化进行短期气候预测还应考虑大气环流对其响应的年代际变化。

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P731

1003-0239（2011）01-0008-05

2010-01-27

山东省气象局项目（2009sdqxz09）