华南前汛期降水异常与太平洋海表温度异常的关系

强学民，杨修群

1 南京大学大气科学学院，南京 210093

2 解放军理工大学气象海洋学院，南京 211101

1 引 言

海温是影响大气环流和气候变化的重要外强迫.早在1960年代，Bjerkness［1］就提出赤道东太平洋海温异常可以明显地影响中高纬度地区甚至全球的大气环流和天气气候.许多研究一致认为，我国汛期降水尤其是长江中下游梅雨［2－3］及华北雨季［4－5］都与海温异常、特别是与西太平洋暖池海温异常及其相联系的ENSO现象有相当密切的关系，包括热带太平洋在内的热带海温异常对东亚夏季气候的影响，也已经为大量的数值试验所证实［6－7］，热带太平洋海温和西北太平洋局地海温异常对亚澳季风年际变率模态的重要驱动作用，亦在AMIP型的气候模式模拟试验中得到证实［8］.关于华南地区降水与太平洋海温的联系近年来也受到了人们的关注.每年的4－9月是华南的降水集中期，其中4—6月是其经历的第一个多雨的时期，人们往往称其为前汛期.然而，作为华南地区主汛期的前汛期降水同海温和ENSO的联系似乎不如上述地区那样明显和一致.如吴志伟等［9］提出前期西太平洋暖池海温同前汛期降水存在负相关关系，但与孟加拉湾及其以南地区的负相关更显著；梁建茵等［10］也认为西太平洋暖池海温同广东前汛期降水存在显著负相关；吴胜池等［11］则指出热带东太平洋海温与广东夏季（5—8月）降水存在显著的反相关关系.徐蕾如等［12］提出，在ENSO的当年和次年，华南沿海地区3—6月的降水仅仅表现为稍偏多，前汛期降水与ENSO的关系不如中国中部地区显著.邓立平等［13］、马慧等［14］则认为，稳定影响华南前汛期降水的敏感区位于我国近海海域，陈艺敏和钱永甫［15］还利用数值模式对该海域海温异常影响前汛期降水的情况进行了研究.

分析发现，上述差异可能与所使用的资料、选取的站点、研究的区域和降水时段以及研究对象等因素有关.考虑到其年际变化，在华南前汛期降水的研究中，有必要事先确定每年的开始和结束日期.最近，强学民和杨修群［16］通过对汛期雨量标准、研究时段、区域及站点选择等问题的分析，对前汛期的起、止日期进行了合理划分，得到了逐年的华南前汛期降水时间序列.

关于太平洋海温异常与我国气候的联系，前人研究中已经得到了很多有意义的结论，但与华南前汛期降水的研究中不仅存在着上述问题和差异，而且也多偏重于夏季风盛行季节.发生在热带西太平洋暖池的海温异常及其相联系的ENSO现象，是目前所发现的引起气候年际变化、尤其是季节性降水异常的最强信号，它和华南前汛期降水之间的关系值得我们对其做进一步更深入的研究.

本文利用前期工作得到的逐年华南前汛期降水时间序列，分析了华南前汛期降水的年际变化特征，并研究其与太平洋海温、特别是西太平洋暖池海温变化的联系，寻找影响华南前汛期降水年际异常的前期海温信号，为做好前汛期降水短期气候预测提供理论依据.

2 资料和方法

本文使用的降水资料为中国气象局整编的1957—2004年中国740站逐日降水观测资料；大气资料是美国 NCEP／NCAR逐日再分析资料［17］，分辨率为2.5°×2.5°；海温资料是英国气象局 Hadley中心整编的全球逐月海表面温度格点资料［18］，分辨率为1°×1°.

文中主要采用线性相关分析、合成分析和奇异值分解（SVD）［19］等统计方法.奇异值分解方法用来研究与前汛期降水场相联系的前期海温场时空结构特征.合成分析用于研究对应于前期冬季海温异常的大气环流及前汛期降水异常.

3 华南前汛期降水异常的变化特征

采用文献［16］确定的华南站点及前汛期降水时段，用前汛期降水时段的站点平均降水定义华南前汛期降水指数.图1给出了华南前汛期降水指数距平的时间序列，该指数反映了华南前汛期降水异常的变化特征.由图1可见，华南前汛期降水存在明显的年际和年代际变化，20世纪50年代末—60年代和90年代是前汛期降水偏多期，而70年代末—90年代初以及本世纪初降水偏少.前汛期降水正距平超过200mm 的年份有：1957、1959、1966、1968、1983、1993、1997和1998年（共8年），定义这些年份为前汛期严重涝年.降水负矩平超过200mm的年份有：1963、1970、1977、1988、1991、2002和2004年（共7年），定义这些年份为严重旱年.若对前汛期降水指数取标准化，并以±1作为划分严重旱、涝年的标准，得到的旱涝年份与上述结果相同.

利用回归方法计算华南前汛期降水指数的长期变化趋势，发现其线性变化趋势曲线（图1中虚线）为一条斜率为负的直线，趋势系数为－2.7mm／a.这表明近50年来，华南前汛期降水总体上大致以每年－2.7mm的趋势在减少，表现为明显的干旱趋势.从图1还可看到，进入2000年以后，前汛期降水有加速减少倾向.经过t检验，验证其趋势相关系数r＝0.37，达到α＝0.05信度水平（rα＝0.28）的条件，表明该趋势变化显著存在.

4 华南前汛期降水与太平洋海温异常的联系

大量研究表明，前期海温异常及其后续发展将引起大气环流的异常［20］，从而影响降水发生异常.如黄荣辉等［21］认为，位于热带西太平洋暖池附近的大气环流，在海温热源的强迫作用下，将激发自菲律宾附近至北美的遥相关型波列，从而对东亚气候产生间接影响.蔡学湛等［22］也认为，冬季暖池附近对流活动异常作为一个强的征兆信号，可通过影响大气环流的遥相关波列而影响华南前汛期早涝.因此，前期冬季海温异常作为前兆信号，常常被用于季节降水预测.

4.1 华南前汛期降水与前期冬季海温异常的SVD分析

为分析华南前汛期降水与前期冬季海温异常的时空分布特征，对降水距平场和前冬全球海温距平场进行SVD异性相关分析.结果发现，第一模态协方差贡献达到69.34%，远大于第二模态（8.24%）.可见，海温异常变化对华南前汛期降水的影响主要表现在第一模态中，其左右场异性相关系数分布及时间系数见图2（图中阴影区绝对值大于0.28表示通过0.05的显著性统计检验，大于0.36的通过0.01的显著性统计检验）.其中，降水场的异性相关分布呈现出一致的正值变化特征，几乎都达到显著水平.这个结果说明，对应于前期冬季海温异常，华南前汛期降水异常的主要响应表现为全区一致的特征（图2a）.

从海温异性相关场上（图2b）可以看到，前期冬季海温异常影响华南前汛期降水的耦合分布，主要表现为一个类似于太平洋ENSO型的分布特征，其中热带西太平洋暖池为显著的负相关区，并以它为中心，分别在南、北太平洋向东延伸至中纬度地区；而赤道中、东太平洋为正相关区，但显著特征稍弱.该相关分布型表明，当前冬热带西太平洋海温异常偏低、赤道东太平洋海温异常偏高时（与ENSO暖位相对应），华南前汛期降水将偏多；反之亦然.海温场和降水场异常SVD第一模态时间系数（见图2c）的相关亦达到了R＝0.638，且该时间系数与图1给出的华南前汛期降水指数时间序列变化特征类似，并在年际、年代际变化基础上存在一个负的减小趋势.联系降水场和海温场分布，这个趋势表明了近50年来，前冬热带西太平洋暖池存在一个显著的总体变暖趋势，这个总体趋势对应华南前汛期降水的总体减少.

上述分析表明，华南前汛期降水同太平洋ENSO型海温异常存在着密切的联系.前人研究中认为前汛期降水与ENSO的相关不明显或研究结论的不一致，可能与所用资料，特别是与华南前汛期的不同定义有关，同时也与海温变化的关键区不同有关系.注意，图2b揭示的海温异常分布型中作为ENSO主要信号区的赤道中东太平洋上的正相关区并非是显著相关区，而显著负相关区位于暖池附近，类似于暖池区ENSO.

4.2 海温关键区的选取

在上述分析基础上，参考文献中暖池区域［23］的划分，重点是考虑到SVD分析中负显著相关区的分布，以及冬季28.5℃海温等值线所包围的区域，选取120°E—180°E，20°S—20°N作为影响华南前汛期降水的、具有预报意义的海温关键区.对关键区海温求区域平均并做标准化，其年际时间序列同标准化处理后的华南前汛期降水指数的相关系数为－0.598，超过0.01显著水平.如图3所示，图中海温异常同降水异常之间存在反相变化，尤其是在一些转折年份，这个特征更为明显.

特别值得注意的是，如果把上图同前文SVD第一模态时间系数图作比较，发现二者具有明显的联系.降水异性相关场第一模态表征的是前汛期降水全区具有一致性，时间系数反映了其时间变化特征，其与降水指数（标准化处理）的相关系数达0.974；而海温场第一模态的时间系数同暖池关键区海温时间序列（经标准化处理）相关达－0.895.这充分说明暖池关键区海温异常同华南前汛期降水异常之间的重要联系.

参照前文中前汛期旱、涝年份的划分，进行合成分析.结果发现，旱、涝年前期冬季海温分布具有明显的反位相特征（图4），其中涝年前期冬季，热带西太平洋暖池海温为负距平，赤道中、东太平洋海域海温为正距平；旱年前期冬季，暖池关键区海温为正距平，而赤道中东太平洋则为负距平.旱涝年海温场的差值则和线性相关场形势类似（图略）.

在检验影响区域性旱涝前期海温强信号时，苗秋菊［24］等认为须同时满足“高相关”与“反位相”两个条件，即关键区海温与区域性降水的相关要高，同时典型旱、涝年前期海温分布具有反位相特征.结合前文分析可以认为，本文得到的暖池区域（120°E—180°，20°S—20°N）确实就是影响华南前汛期旱涝的前期海温强信号关键区.

5 前期冬季暖池关键区海温异常影响华南前汛期降水的可能途径

暖池的热状况及其上空的对流活动不仅对维持热带纬圈环流起重要作用，而且在经向上对北半球气候和大气环流也有很大影响.下面通过研究热带对流活动、大气环流及降水在冷暖海温年的不同响应，来分析暖池关键区海温异常影响华南前汛期旱涝的可能物理机制.

5.1 热带对流活动异常的响应

使用向上长波辐射通量（Upward Longwave Radiation Flux，ULWRF）来表征大气垂直对流活动的强弱.相对于多年平均，ULWRF正距平表示海表温度低、对流活动弱，大气层顶向外长波辐射偏多；负距平则相反.对暖池关键区前期冬季冷、暖海温年份的合成分析发现，冷海温年冬季（图5a）暖池上空表现为一致的正距平，ULWRF高值区位于菲律宾东部海域；赤道中东太平洋为负距平，中心位于赤道140°W—180°附近，负距平还分布在我国江淮流域及以南的华南地区、南海，以及同纬度的北太平洋西部海域.而暖海温年的ULWRF距平分布基本相反（图5b）.图中暖池正、负距平范围大致在110°E—160°E，20°S—20°N，与选取的暖池关键区相对应.有研究提出［25］，冬季热带太平洋海表面温度的ENSO模态异常分布型常常可以一直维持到夏季，因此，与华南前汛期同期的热带对流活动的异常类似于冬季的情况（图5（c，d）），其中冷、暖海温年热带西太平洋暖池以及赤道中、东太平洋的ULWRF距平基本上依然呈相反分布，只是受季节因素影响，对流活动中心有从赤道向低纬地区偏移的趋势.

热带西太平洋ULWRF距平的这种反位相特征表明，前冬海表热力强迫的异常将引起暖池上空对流活动异常，使该区域海气热量交换加强（减弱），产生异常强（弱）的上升运动；而在赤道中、东太平洋和东亚中纬地区上空出现了异常强（弱）的下沉运动，使得Walker和Hadley环流的上升和下沉气流都得到加强（减弱）.

5.2 大气垂直环流异常的响应

热带对流活动中的上升和下沉运动同纬向和经向垂直环流有关，暖池海温异常将影响Hadley环流和 Walker环流发生异常.沿105°E—120°E平均的风场垂直剖面图反映了华南前汛期期间该区域Hadley环流对冷暖海温异常的响应.对于暖池冷海温年（图6a），赤道及其以南的低纬地区为下沉运动距平，而10°N以北的整个对流层都被强的垂直上升距平所控制，最大值位于25°N附近.从图上还可以看到，在25°N—30°N上空有一个西风风速正距平中心，表明副热带西风急流偏强，较常年位置（30°N附近）偏南.暖海温年的分布形势大致相反（图6b），赤道及低纬地区为上升运动距平，华南区域上空为一致的下沉气流距平；30°N以南有一个负西风距平，以北是正西风距平，说明副热带西风急流强度偏弱，位置偏北，负距平中心位于35°N—40°N附近.垂直风场的这种异常响应表明，暖池冷海温年，前汛期期间北半球Hadley环流的上升和下沉运动都减弱了，华南地区对流活动相对较强，因此降水较多；而在暖海温年，随着Hadley环流上升支的增强，前汛期期间副热带地区下沉运动也增强了，华南地区对流活动受到抑制，因此降水较少.

图7反映了对应于前期暖池海温异常年的华南前汛期期间 Walker环流的异常情况.对于暖池冷海温年，沿5°S—5°N平均的经度－高度剖面图中（图7a），气候平均状况为大规模上升区的暖池上空（90°E—120°E），在前汛期期间出现了下沉运动异常距平，而日界线附近及印度洋东部原来的下沉运动区则出现了上升运动异常.该结果说明，冬季暖池海温冷异常，使得前汛期期间赤道纬向环流的上升支和下沉支都减弱了，因此 Walker环流明显减弱.对于暖海温年，情形刚好相反.其中，暖池上空为上升运动异常，其东、西两侧有下沉运动异常，说明前汛期期间Walker环流得到加强（图7b）.

5.3 西太平洋副热带高压的响应

图8 冷、暖海温年前汛期期间500hPa位势高度场和风场合成图，其他说明同图6（a）冷海温年；（b）暖海温年.Fig.8 As in Fig.6，but for composite horizontal distribution of 500hPa geopotential height and wind

吴国雄等［26］研究指出，西太平洋副热带高压同北半球Hadley环流的下沉支有密切的联系，因此，Hadley环流的异常会引起西太平洋副热带高压异常.对华南前汛期降水指数与同期北半球500hPa高度场的相关分析发现（图略），从南亚经东亚到北美，相关系数的空间分布在南海与菲律宾附近为弱的正相关，我国华南至江淮流域、朝鲜半岛及日本等东亚地区为显著的负相关.正、负相关中心还分别出现在东亚大陆北部和北美的西部.该相关分布型在东亚太平洋所呈现的波列现象，在形式上相似于文献［27］所揭示的菲律宾周围海域对流活动异常所引起的Nitta波列或东亚太平洋遥相关型.利用合成分析的方法，对比冬季冷、暖海温年之后的前汛期期间位势高度场和风场后发现，二者存在显著差异.其中在500hPa图上（图8），与冷海温年弱的Hadley环流对应，前汛期期间西太平洋副热带高压强度较弱，5870线收缩至130°E附近，脊线位置偏南.在暖海温年，副高显著增强，5870线西伸至110°E以西，所包围的面积扩展到几乎是冷海温年的两倍以上，脊线位置也偏北一些.类似结果在文献［28－29］中也有描述.从数值试验结果可以证实［30］，西太平洋地区的暖SST异常，能够通过Sverdrup平衡而增强副高的西伸，这从动力机理上支持本文上述结论.

张洁等［31］分析了中国春季典型降水异常及相联系的大气水汽输送，认为副高西北侧的西南气流是将菲律宾及中国南海的水汽向华南地区输送的重要通道.因此，本文所揭示的暖池冷海温年之后、前汛期期间500hPa高度场副热带高压强度较弱、位置偏东的异常响应，将有利于加强其西北侧在前汛期期间向华南水汽的输送.

为进一步分析水汽输送异常对华南前汛期降水的影响，我们又计算了与降水关系更密切的整层积分的水汽通量及其散度.垂直积分从地表气压开始直到300hPa以消除地形的影响.从冷、暖海温年前汛期期间整层水汽通量及其散度的差值来看（图9），亚洲最大的水汽辐合差值中心位于华南，而在西北太平洋、孟加拉湾和中国北方上空分别存在一个水汽辐散差值中心.其中来自西北太平洋反气旋西北侧的偏南风差值水汽输送与来自中国北方的偏北风差值水汽输送在华南地区上空汇合，造成了华南前汛期的偏多降水.常越等［32］分析了华南前汛期旱、涝年水汽输送的差异，其结果与本文基本一致.

5.4 降水场的响应

以上分析了大气内部的热力和动力等各个因子在异常暖池海温强迫下的异常响应，那么前汛期期间华南地区的降水有何响应呢？合成分析发现，对应于冷海温年（图10a），前汛期期间华南全区降水明显偏多，其中福建和广东两省沿海地区降水距平中心超过120mm；对于暖海温年（图10b），情形刚好相反，华南全区降水为负距平分布.

降水场在冷、暖海温年所表现出来的反位相特征，再次充分说明华南前汛期降水同西太平洋暖池海温之间存在着反相关联系，并且由本研究所揭示的暖池关键区冬季海温异常可以视为华南前汛期降水的一个强征兆信号.其中，该异常海温信号是通过影响菲律宾附近海域对流活动的异常来引起大气环流（如Hadley环流、Walker环流）以及西太平洋副热带高压产生异常，从而实现对华南前汛期降水异常的影响.

6 结 论

利用近50年全国逐日降水观测资料和全球大气、海洋分析资料，分析了华南前汛期降水异常的变化特征及其与太平洋海温异常的关系.得到主要结论如下：

（1）20世纪50年代末—60年代和90年代华南前汛期降水偏多；70年代末—90年代初以及本世纪初降水偏少.近50年来华南前汛期降水总体呈现减少趋势.

（2）太平洋海温异常影响华南前汛期降水的主模态是一个类似于ENSO型的西太平洋暖池模态.当处于该模态的正位相时，即前期冬季热带西太平洋暖池偏冷、赤道中东太平洋海温偏暖分布时，华南前汛期降水将偏多；当处于该模态的负位相时，华南前汛期降水偏少.其中，热带西太平洋区域（120°E—180°，20°S—20°N）前期冬季海温异常同华南前汛期降水存在显著的负相关关系，是具有预报意义的海温关键区.

（3）暖池关键区影响前汛期降水的可能物理过程是：当前期冬季暖池异常偏暖时，菲律宾周围地区对流活动加强，导致 Walker环流及东亚太平洋中低纬局地Hadley环流增强；而局地Hadley环流的加强，可通过影响东亚大气环流的遥相关波列从而影响华南前汛期早涝.其中在北半球500hPa位势高度距平场上具体表现为，该波列型式将有利于前汛期期间西太平洋副热带高压加强西伸，脊线位置偏北，同时副热带西风急流减弱北退.随着Hadley环流上升支的增强，东亚副热带地区下沉运动也增强了，华南地区上空对流活动受到抑制；同时由于副热带高压的加强，经过其北侧向华南地区的西南水汽输送辐合也减弱了，因此前汛期降水偏少.对于冷海温年的情形则相反，华南前汛期降水则偏多.近50年来华南前汛期降水总体呈现趋势性减少正是由于前冬西太平洋暖池趋势性增暖所致.因此，暖池关键区冬季海温异常可以作为华南前汛期旱涝预测的一个前期征兆信号.

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