太平洋年代际涛动对ENSO与华南冬季降水关系的可能影响❋

王江曼， 李 春，2❋❋(.中国海洋大学物理海洋实验室 海洋-大气相互作用与气候实验室， 山东 青岛 26600；2.南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室， 江苏 南京 2044)



太平洋年代际涛动对ENSO与华南冬季降水关系的可能影响❋

王江曼1， 李 春1，2❋❋
(1.中国海洋大学物理海洋实验室 海洋-大气相互作用与气候实验室， 山东 青岛 266100；2.南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室， 江苏 南京 211044)

基于中国160站冬季降水资料、NCEP/NCAR再分析资料以及NOAA SST资料，本文分析了太平洋年代际涛动(PDO)不同位相时期ENSO事件对华南冬季降水影响的差异。结果表明：在PDO正位相时期，El Nio年华南冬季降水显著增加，而La Nia年华南冬季降水没有明显变化；在PDO负位相时期，El Nio年华南冬季降水增加虽然显著，但仅是PDO正位相时期的一半，而La Nia年华南冬季降水显著减少，这说明PDO对ENSO事件影响华南冬季降水具有调制作用，且El Nio(La Nia)事件对华南冬季降水的影响在PDO不同位相时期具有不对称性。前人研究指出，El Nio(La Nia)事件主要通过西北太平洋异常反气旋(气旋)影响华南冬季降水。本文分析发现，在PDO正位相时期，El Nio年西北太平洋异常反气旋北侧西南气流影响华南，造成降水增加，而La Nia年西北太平洋异常气旋位置向南推，对华南地区影响很小；在PDO负位相时期，El Nio年西北太平洋异常反气旋位置东移，对华南影响不大，而La Nia年华南地区基本为西北太平洋异常气旋北侧东北风异常所控制，从而使降水减少。由此可见，PDO不同位相时期El Nio(La Nia)事件影响华南冬季降水异常差异的主要原因是西北太平洋异常反气旋(气旋)的差异造成的。此外，源自孟加拉湾低槽南侧的西风水汽输送异常在PDO不同位相时期El Nio(La Nia)年份也存在非对称性的差异。

ENSO； 太平洋年代际涛动(PDO)； 华南冬季降水； 水汽输送

近年来经学者研究发现，ENSO与中国秋冬季降水的关系存在年代际变化，表明二者关系有可能受到年代际尺度或更长时间尺度气候变率的影响[10-11]。李春等[12]就华南冬季降水与ENSO关系的年代际变化开展了深入研究，发现华南冬季降水与ENSO的关系具有明显的年代际变化。PDO作为北太平洋中纬度最显著的年代际变化信号，是调节ENSO与东亚地区气候遥相关关系的最重要因子[13-14]。到目前为止，关于PDO对ENSO与东亚气候异常关系的可能影响的研究也取得了一些结论。陈文等[1]研究发现，PDO正(负)位相时期，ENSO与东亚冬季风的相关关系不显著(显著)；Kim等[13]的研究表明，PDO正位相El Nio事件(PDO负位相La Nia事件)盛期冬季，东亚冬季风的减弱(增强)明显，中国冬季气温升高(降低)。

PDO与ENSO虽然是两种不同的气候现象，但多项研究已经证实二者具有相当程度上的关联。研究显示，PDO可能作为一个背景状态对ENSO产生影响[15]，对应不同的年代际背景，ENSO的空间结构、El Nio发生频率与强度及其特点均表现出显著的差异[16]。另外，PDO的年际波动证明与ENSO的变率有关[17]，也说明ENSO在2～8a的年际尺度上对PDO的强度具有一定的调节作用。以上分析均表明，PDO与ENSO具有空间形态的相似性与相互调节的作用。鉴于此，本文将PDO对ENSO与华南冬季降水关系的可能影响作为一重要因素考虑进来，重点探讨PDO不同位相时期ENSO对华南降水影响的差异性，并对环流形势进行分析，探讨不同环流形势的可能成因，进一步发现华南降水对ENSO响应的变化特征及其规律。

1 资料和方法

本文所用的资料包括：由中国气象局收集整理的中国160个站逐月降水资料；来自NCEP/NCAR月平均再分析格点环流资料[18]；NOAA_ERSST_V3重构海表面气温资料,其中NCEP/NCAR月平均再分析格点环流资料分辨率为2.5(°)×2.5(°)，涉及的物理量有比湿、地面气压、位势高度资料及风场资料，其中位势高度、风为17层，比湿为8层，其它为1层；NOAA_ERSST_V3重构海表面气温资料分辨率为2(°)×2(°)[19]。为保证资料的事件一致，所有资料的时间均取为1951—2013年。文中以当年12月至次年2月的平均值作为当年冬季各物理量平均值。本文所指气候态为1951—2013年共63年的各气象要素的冬季平均值。

此外本文采用了NOAA气候预测中心提供的海洋尼诺指数(ocean Nino index，ONI，记为ION)，其定义为Nino3.4区域(5°N～5°S, 120°W～170°W)海表面温度异常3个月的滑动平均值，ION≥+0.5 °C(或ION≤-0.5 °C)持续5 个月以上时称为一次El Nio(La Nia 事件)[20]。另外采用了Mantua等提出的PDO指数(http://jisao.washington.edu/pdo)，为获得年代际变化情况，将PDO指数做了11年滑动平均，滤去年代际以下的波动，由此取1951—1976年、2006—2013年为PDO负位相时期，1977—2005年为PDO正位相时期(见图1)。本文从研究PDO对ENSO与华南冬季降水关系的调制作用出发，将PDO不同位相时期的ENSO事件分为4种：PDO正位相时期的El Nio、PDO正位相时期的La Nia、PDO负位相时期的El Nio、PDO负位相时期的La Nia，并按照上述定义选取出了各类事件所对应的年份(见表1)。

图1 冬季海洋尼诺指数(直方图)，PDO指数(细曲线)及其11年滑动平均(粗曲线)Fig.1 Ocean Nino index(bar), PDO index (thin line) and its 11-year running mean (thick line) in winter

PDO正位相时期PositivePDO(1977—2005)PDO负位相时期NegativePDO(1950—1976；2006—2013)ElNiño1982—19831987—19881994—19951997—19982002—19031951—19521957—19581963—19641965—19661968—19691972—19732006—19072009—1910LaNiña1984—19851988—19891998—19991954—19551955—19561970—19711973—19741975—19762007—20082008—2009

由于300hPa以上的水汽输送较小，本文在计算整层水汽输送时，只考虑300hPa以下的层次，即1000、925、850、700、600、500、400、300hPa，为了消除地形对计算整层水汽输送的影响，文中的垂直积分从地表气压Ps开始，即地形高度以下的虚假水汽不计算在内[21]。

文中整层大气垂直积分的纬向和经向水汽输送采用公式：

其中：x是经度；y是纬度；ps是地面气压；u、v分别是纬向风和经向风；q是比湿。

鉴于本研究主要针对不同PDO位相ENSO与华南冬季降水关系的差异进行比较，故采用的分析方法主要为合成分析、相关分析等，文中所有显著性检验均为t检验。

2 华南冬季降水对PDO不同位相时期ENSO事件的响应特征

根据表1中对PDO不同位相时期ENSO事件的分类，本文首先对中国华南地区冬季降水异常进行了合成分析(见图2)。PDO正位相时的El Nio时期(见图2(a))，中国华南地区降水明显增多，华南大部分地区的降水异常均通过信度为95%的显著性检验，局部降水异常可达150mm以上，占冬季平均降水量的40%左右，表明该时期华南降水明显增多。而在PDO负位相时的El Nio时期(见图2(b))，南方地区降水虽然也有所增加，但异常程度只能达到PDO正位相时的El Nio时期的降水量异常的一半，且异常中心位置分散至东南沿海一带。La Nia时期(见图2(c)、(d))华南地区降水异常的程度整体上比El Nio时期要小，这与之前的研究结果一致[11]，但也存在非对称性。在PDO正位相时的La Nia时期，华南降水的异常特征并不明显。PDO负位相时的La Nia时期华南地区基本呈现与PDO正位相时的El Nio时期相反的干旱分布特征，广东与福建一带的降水异常通过了显著性检验。

图2 华南冬季降水距平合成图(单位：mm)Fig.2 Composite maps of South China winter rainfall anomalies(Unit：mm)

既然不同PDO位相ENSO时期华南冬季降水呈现非对称特征，那么作为表征ENSO事件特征的重要因子，海表面温度在不同PDO位相ENSO时期的差异也值得探讨。对海表面温度异常进行合成分析(见图3)可以看出，PDO正位相时的El Nio时期(见图3(a))与PDO负位相时的La Nia时期(见图3(d))热带太平洋海温异常范围较广，海温异常中心从热带东太平洋延伸到中太平洋，并且中纬度太平洋地区呈现PDO相应位相时期的特征(北太平洋中部与北美西岸的海表面温度呈现相反变化)。而PDO负位相时的El Nio(见图3(b))与PDO正位相时的La Nia(见图3(c))时期，海温场虽然仍能呈现出ENSO时期的特征，但海表面温度距平值范围缩小，强度减弱。值得注意的是，在强度相对较强的两类事件中，在西北太平洋区域(5°N～35°N，120°E～170°E)海表面温度距平呈现东北-西南向的偶极子结构，并且在印度洋地区呈现与赤道中东太平洋一致的异常信号(见图3(a),(d))，而在另外两类事件中则没有显示出这两种特征(见图3(b),(c))。以上分析说明，在PDO的不同位相下，ENSO事件呈现非对称性的特征，而这种非对称性特征有可能是导致华南冬季降水对PDO不同位相时期ENSO事件的响应产生差异的原因[7,11]。

图3 冬季海表面温度异常合成图(单位：℃)

3 可能的影响机制

充足的水汽输送与特定的环流形势是产生降水的必要条件，因此，在PDO不同位相时期的ENSO事件中，华南冬季降水的异常必然是由水汽输送与大尺度环流形势的异常所引起。因此本文将从以上2个条件出发，寻找PDO不同位相时期的ENSO事件引起冬季华南地区降水异常差异性的可能原因。

3.1 大气环流差异

根据上文对ENSO事件的分类，图4—6分别给出了PDO不同位相时期ENSO年的海平面气压场异常、850hPa风场异常与500hPa位势高度场异常的分布。从海平面气压场异常分布可以看出，在PDO正位相时的El Nio时期(见图4(a))，整个热带西太平洋均为异常高压所控制，且异常高压带延伸至印度洋与中印半岛一带，与海表面温度场的异常情况相一致，这说明El Nio事件造成了整个赤道太平洋与印度洋部分地区Walker环流的异常，加强了西太平洋的异常下沉气流。中高纬度区域内，西伯利亚到中国东北部均为负值区，日本北部为正值区，表明西伯利亚高压系统减弱，从而削弱了东亚冬季风[1,20]。与之相比，PDO负位相时的El Nio时期(见图4(b))的海平面气压异常在低纬地区并不明显，西北太平洋地区的高压异常呈现东北-西南向的带状分布，中高纬度的高压控制系统也并未减弱。PDO负位相时的La Nia时期(见图4(d))的海平面气压异常显示出与PDO正位相时的El Nio时期基本相反的特征，即热带西太平洋基本为异常低压所控制，且延伸至印度洋与中印半岛一带，但中高纬地区异常不显著。从图4(c)则可以看出，PDO正位相时的La Nia时期，低压异常范围较PDO负位相时的La Nia时期缩小，中高纬异常形势同样不明显。以上分析表明，在PDO正位相时的El Nio年(PDO负位相时的La Nia年)，热带地区Walker环流明显减弱(增强)，ENSO事件的强度较强；在PDO负位相时的El Nio年与PDO正位相时的La Nia年，ENSO事件的强度较弱。

既然不同PDO位相ENSO事件的强度与空间型具有差异性，那么这些差异将怎样影响华南降水？前人研究指出[7,9]，ENSO时期热带西太平洋冷异常能够激发西传的Rossby波，在西北太平洋上空对流层低层产生反气旋式(气旋式)环流异常，西北侧的偏南风(偏北风)能够影响中国南部沿海地区，造成华南降水增多(减少)。在PDO不同位相阶段的ENSO事件中，由于海洋热状态与相应环流形势的不同，该异常反气旋(气旋)环流也呈现出非对称特征[11]。图5(a)显示，PDO正位相时的El Nio时期，西北太平洋有明显的异常反气旋式环流存在，其西北侧的偏南风异常对我国华南影响显著，长江流域上空存在气旋式环流异常，其东侧的暖式切变有利于暖湿空气幅合上升，并且与西北太平洋异常反气旋(气旋)不同，该气旋式环流是近正压的，在对流层中上层更为明显[21]。PDO负位相时的El Nio时期(见图5(b))在西北太平洋地区同样存在异常反气旋，但反气旋西北侧的西南气流位置偏东且主要限制在海上，对华南地区影响不大。在La Nia事件中，PDO负位相时的La Nia时期(见图5(d))，西北太平洋地区出现气旋式异常，其成因与El Nio时期反气旋式环流异常的成因一致，除了其北侧偏北风能够直接影响中国华南地区之外，该气旋式环流异常还能通过加强Hadley环流加强东亚冬季风[15]，促进北风南下，不利于形成降水。与之相比，在PDO正位相时的La Nia时期(见图5(c))，虽然该气旋式异常也存在，但在气旋异常北侧的偏北风位置偏南且经向风力较弱，对华南地区的影响也不显著。由以上分析可知，在PDO不同位相时期ENSO年份，西北太平洋反气旋(气旋)式环流异常呈现非对称性的特征，其它环流系统也有相当程度上的差异。

(阴影表示超过95%的信度。 The shaded areas indicate 95% significant level.) 图4 冬季海表面气压异常合成图(单位：hPa)Fig.4 Composite maps of winter sea level pressure anomalies(Unit: hPa)

图5 同图4，但为850hPa风场异常(单位：m/s)

图6 同图4，但为500hPa位势高度异常(单位：10 gpm)。

东亚地区冬季500hPa高度场上的主要控制系统是东亚大槽与西太平洋副热带高压，东亚大槽偏强则北风易南下，使华南降水减少，东亚大槽偏弱则影响相反；西太平洋副高位置的变动也会影响降水的分布[6,21]。从500hPa位势高度场异常图上可以看出，PDO正位相时的El Nio时期(见图6(a))，热带太平洋地区均为正距平，中纬度地区的正距平带从日本海一直延伸到贝加尔湖，距平场的这种配置说明副热带高压偏强，而东亚大槽显著减弱，意味着东亚地区高空引导气流减弱，不利于低层冷空气的南下，而副高的增强又加强了其北侧的西偏南气流，易造成华南多雨，与此前的研究结果一致[21]。在长江流域附近有一位势高度异常相对较弱的横向区域伸至中国华南地区上空，与低层风场中的气旋式环流相对应，有利于南侧西风暖湿气流的输送与低层辐合。而在PDO负位相时的El Nio时期(见图6(b))，距平中心主要位于中纬度太平洋地区，东亚大槽也没有减弱态势。La Nia事件中，在PDO负位相时的La Nia时期(见图6(d))，热带太平洋上空为广阔的负距平带，东亚中纬度地区也呈现负距平，这种环流配置说明在此期间东亚大槽有所加强，而副高较弱，有助于东亚冬季风的发展，而不利于华南降水的形成。PDO正位相时的La Nia事件中(见图6(c))，500hPa位势高度异常整体不显著，只有日本南部的中纬度太平洋存在一个较弱的高值区，对东亚冬季风没有明显的影响。

3.2 水汽输送差异

水汽供应是影响降水的重要条件，在平均气候态下，中国南方地区冬季的水汽来源主要有两支：一支为南支槽前的西南气流，一支为中南半岛及南海中南部的转向气流[20]。为了解不同PDO位相ENSO时期水汽输送的差异，图7给出了不同时期的由整层水汽通量积分图。可以看出，PDO正位相时的El Nio时期(见图7(a))，西北太平洋异常反气旋西北侧存在异常西南风水汽输送，南支西风的增强使南支槽活跃，槽前西南暖湿气流增强，两支水汽输送带共同作用于中国华南地区，对该地的水汽输送起到明显的加强作用，并且由于对流层中低层对水汽输送的贡献最大[8]，水汽输送异常的配置与850hPa风场异常(见图5)具有很强的一致性。图7(b)则显示，虽然PDO负位相时的El Nio时期的西北太平洋异常反气旋北侧的西南风水汽输送较强，但水汽输送带向东偏移，主要影响南海地区而对中国华南地区影响较小，且来自孟加拉湾南支槽前的水汽输送并未明显加强，故对华南地区降水的影响相对较弱。PDO负位相时的La Nia时期(见图7(d))，西北太平洋异常气旋北侧的东北气流显著，且东亚冬季风偏强，南支低槽偏弱，低层盛行偏北风，削弱了中国南方地区的水汽输送。而PDO正位相时的La Nia时期(见图7(c))，由于北侧的异常反气旋式环流影响，西北太平洋异常气旋位置南推，相应水汽输送异常带向南推移，对中国陆上水汽输送的影响不明显。由此可见，PDO不同位相ENSO时期的华南冬季水汽输送形势也具有非对称性，这是由PDO不同位相ENSO时期大气环流形势异常的非对称性所导致。总结图7与图5则可以看出，造成这种非对称性的关键环流系统主要有两个：一是西北太平洋异常反气旋(气旋)，一是孟加拉湾低槽；二者在不同PDO位相ENSO时期均反映出了非对称性的特征。

图7 同图4，但为整层水汽输送异常(单位：kg·m-1·s-1)

5 结论与讨论

(1)PDO不同位相时期ENSO事件与中国华南冬季降水的关系存在非对称性，具体表现为： PDO正位相时的El Nio年华南冬季降水显著增加，而La Nia年降水无明显变化；PDO负位相时的El Nio年华南冬季降水增加但强度减弱且降水增加区域减小，La Nia年华南冬季降水显著减少。

(2)PDO不同位相时的ENSO时期东亚与西北太平洋地区的环流异常是造成不同PDO时期ENSO事件与华南冬季降水的关系产生差异的主要原因。在PDO正位相时期，El Nio年西北太平洋异常反气旋北侧西南气流影响中国华南，东亚大槽减弱，不利于北风南下，造成降水增加，而La Nia年西北太平洋异常气旋相对向南推，对中国华南地区作用很小；在PDO负位相时期，El Nio年西北太平洋异常反气旋位置东移，对华南影响不大，而La Nia年副高减弱，东亚大槽增强，华南地区基本为西北太平洋异常气旋北侧东北风异常所控制，从而使降水减少。

(3)源自孟加拉湾低槽南侧的西风水汽输送异常在PDO不同位相时的ENSO时期存在非对称性的差异，这也是造成不同PDO位相ENSO时期华南冬季降水差异的原因。在PDO正位相时的El Nio年南支槽前的西风水汽输送显著加强，而La Nia年并未明显减弱；在PDO负位相时的El Nio年南支槽前的西风水汽输送并无明显增强态势，但La Nia年显著减弱。

本文通过研究PDO对ENSO事件与华南降水关系的可能影响，将PDO不同位相时期的ENSO事件分为4类，结果表明：在PDO不同位相时期，ENSO事件与中国南方降水的关系呈现非对称性特征，然而除ENSO之外，能够影响中国华南冬季降水的因素仍有很多，比如北印度洋的增暖对东亚地区气候有显著的调制作用，此外在年代际背景上，ENSO的变率还受除PDO之外的许多因素所控制，其信号很有可能重叠并相互影响。因此，对于不同年代际背景下ENSO与中国华南冬季降水的关系，以及各种因素作用的区别与联系，需要在以后的研究中进行进一步的探索。

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责任编辑 庞 旻

Possible Impacts of Pacific Decadal Oscillation on Relationship Between ENSO and Winter Rainfall over South China

WANG Jiang-Man1， LI Chun1,2

(1 Physical Oceanography Laboratory and Key Laboratory of Ocean-Atmosphere Interaction and Climate in Universities of Shandong, Ocean University of China, Qingdao 266100， China; 2. The Key Laboratory of Meteorological Disaster， Ministry of Education，Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 211044,China)

Based on the winter 160-station rainfall data in China, NCEP/NCAR reanalysis data and NOAA ERSST data, this paper demonstrated possible impacts of Pacific Decadal Oscillation (PDO) on relationship between South China winter rainfall (SCWR) and El Nino and South Oscillation (ENSO). The results showed that South China winter rainfall was significant above-normal in El Nino events, while there was no significant impact in La Nina events of PDO positive phase. South China winter rainfall was significant above-normal in El Nino events of PDO negative phase, but the anomalous amplitude was only half of one in El Nino events of PDO positive phase; while South China winter rainfall was significant below-normal in La Nina events of PDO negative phase. These indicated that PDO could modulate influences of ENSO on SCWR, and the modulation had asymmetry during positive (negative) phase of PDO. Previous studies revealed that influences of El Nino (La Nina) events on South China winter rainfall via anomalous anticyclone (cyclone) over the Northwestern Pacific (WNPAC). We found that in El Nino events of PDO positive phase, abnormal southwesterly wind on the west side of the WNPAC heated the air and brought plenty of water vapor supply to South China, while in La Nina events of PDO positive phase the WNPC moved south and had no significant influence of South China winter rainfall. During the negative PDO phase, the phenomena were opposite. the WNPAC retreated eastward in El Nino events, which had little impact over South China, while the northeasterly wind on the west side of the WNPC resulted in less rainfall in South China in La Nina events of PDO negative phase. In addition, the westerlies water vapor transport anomalies from the south flank of the Bengal Bay Trough also show asymmetric features of ENSO events at different PDO phases.

ENSO; Pacific Decadal Oscillation(PDO); South China winter rainfall; water vapor transport

国家自然科学基金项目(41276002;41130859);国家重大研究计划发展项目(2012CB955603;2013CB956201);气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学)开放课题项目(KLME1301)资助

2014-06-23；

2014-09-05

王江曼(1990-)，女，硕士生。E-mail：m_daisy@foxmail.com

❋❋ 通讯作者： E-mail：lichun7603@ouc.edu.cn

P732.6

A

1672-5174(2015)08-001-09

10.16441/j.cnki.hdxb.20140196