太平洋海温场不同时间尺度背景下华南前汛期持续性暴雨的统计特征

王彦明，高建芸，池艳珍，唐振飞，陈思

(1．厦门市气象服务中心，福建 厦门361012;2．海峡气象开放实验室，福建厦门361012;3．福建省气候中心，福建 福州350001)

0 引言

华南地区受热带季风和副热带季风的共同影响，是我国降水最丰富的地区。它有两个多雨期，第一个发生在4—6月，即华南前汛期，多为锋面降水，持续性暴雨过程多发生在这个时期(黄士松，1986;覃武等，1994);第二个发生在7—9月，为后汛期，多是热带天气系统造成的降水(李丽平等，2012)。华南持续性暴雨具有暴雨强度大、持续时间长、影响范围广等特点，对于华南雨季洪涝灾害的发生具有直接影响，因此研究华南前汛期持续性暴雨过程的特征规律，对于华南雨季旱涝预测有指示作用，并且对于防灾减灾具有重要意义。

对于华南前汛期暴雨，大多数研究主要关注了暴雨机制、暴雨时空分布特征及夏季风暴雨等。暴雨机制研究主要应用诊断及模拟等方法，从天气尺度和中尺度方面研究暴雨形成的环流特征及天气学成因(陈红和赵思雄，2000;倪允琪等，2006);暴雨时空分布特征研究主要研究暴雨强度、频次及极端强降水事件的年际、年代际变化趋势及大气环流差异(鲍名，2007;张婷和魏凤英，2009;范伶俐等，2013);夏季风暴雨主要从夏季风环流、水汽输送等方面研究华南前汛期暴雨的时空分布特征。池艳珍等(2005)研究指出，4月华南主要是以锋面降水为主，夏季风所影响的降水集中在6月，其水汽来源主要是热带。

很多学者开展了华南前汛期降水与太平洋海温的关系，揭示了许多新事实。马慧等(2009)发现华南前汛期降水异常与西太平洋暖池北部海温的显著负相关。陈艺敏和钱永甫(2005)利用大气环流模式验证了该关键区海温异常能够影响到华南地区的大气环流变化，以致降水异常，前期冷(暖)海温异常对应着后期华南地区的上升(下沉)运动和降水偏多(偏少)。近年来印度洋海温对于华南地区的降水的重要影响也受到越来越多的关注(Yang et al．，2007;Li et al．，2008)。Chan and Zhou(2005)认为PDO(Pacific Decadal Oscillation，太平洋年代际振荡)和ENSO通过影响副高强度进而影响华南地区5—6月降水的年代际变化，即PDO和ENSO同为正位相时，华南地区降水偏少。Mao et al．(2011)发现在PDO冷暖位相，华南前汛期降水存在显著的年代际变化特征。

本文将分析太平洋海温场年代际及年际变化背景下华南前汛期典型持续性暴雨的统计特征，探讨海洋外强迫信号可能对前汛期降水低频变化周期造成的影响，以期为华南前汛期持续性暴雨过程的延伸期预报提供科学参考依据。

1 资料和方法

1.1 资料

1)逐日降水资料:国家气象信息中心提供的1961—2012年华南地区243个气象站降水资料;2)1900—2013年逐月太平洋年代际振荡(PDO)指数(Zhang et al．，1997)，http://jisao．washington．edu/pdo/PDO．latest;3)NOAA提供的1950年至今的海洋尼诺指数(ocean Nino index，ONI)，ONI指数使用的是 Nino3.4 区的海温异常，http://www．cpc．ncep．noaa．gov/products/analysis_monitoring/ensostuff/ensoyears．shtml。

1.2 方法

使用的统计方法有相关系数、功率谱、红噪声检验、概率密度函数等(魏凤英，2007)。

2 华南前汛期持续性暴雨过程的定义

以福建、广东、广西三省243个站点作为代表站。为定量化表征华南前汛期降水强度和空间分布，参考高建芸等(2013)对华南暴雨综合指数HRCI(heavy rainfall comprehensive index)的定义:

其中:n1为特大暴雨站数;n2为大暴雨站数;n3为暴雨站数;n4为大雨站数;n5为中雨站数;n6为小雨站数。定义，1)暴雨日:华南243站中有大于等于12站(5%的站)出现暴雨(日雨量≥50 mm);2)暴雨过程:出现暴雨日的降水过程，过程中逐日降水须满足条件——区域内至少5个站(即2%的站)出现暴雨;3)典型持续性暴雨过程(persistent heavy rainfall，PHR)，暴雨过程总天数大于等于5 d，且包含5个暴雨日的过程。若两个暴雨过程仅间隔1 d，算同一次过程。

3 太平洋年代际振荡背景下华南前汛期PHR特征

太平洋年代际振荡PDO是北太平洋海温年代际循环的现象。PDO暖位相时，中北太平洋异常低温，北美洲西海岸附近呈现显著正海温异常;冷位相反之。研究表明，PDO存在15～25 a和50～70 a的年代际周期变化，1925—1946年、1977—1998年为暖位相;1900—1924年、1947—1976年及1999年至今为冷位相(Zhang et al．，1997;Minobe，1999)。

根据典型持续性暴雨过程的定义，1961—2012年华南前汛期共发生了44次典型持续性暴雨过程。其中有18次过程发生在22个PDO暖位相年，平均0.8次/a;26次过程发生在30个PDO冷位相年，平均0.9次/a。图1给出了1961—2012年间发生典型持续性暴雨过程的概率密度分布，可以明显看到，典型持续性暴雨过程发生的最大概率出现在PDO负位相年，即在PDO负位相年更容易发生典型持续性暴雨过程。

图1 华南前汛期典型持续性暴雨过程发生概率密度分布Fig．1 Probability density distribution of the typical persistent heavy rainfall events during the first rainy season in South China

表1给出了PDO冷、暖位相下，华南典型持续性暴雨过程的强度、持续天数，其中过程暴雨指数反映了暴雨过程强度，过程日平均暴雨指数反映了暴雨过程日平均强度，过程天数即暴雨过程的持续时间。可以看到PDO冷位相年华南前汛期典型持续性暴雨的过程暴雨指数(167.8)高于平均值，并远远高于PDO暖位相的过程暴雨指数(128.3);暴雨过程的持续时长是PDO冷位相(10.9 d)长于暖位相(9.2 d);日平均暴雨指数也是PDO冷位相高于暖位相。

以上分析表明，PDO冷位相年，发生典型持续性暴雨过程的概率大，呈现出强度偏强、持续时间偏长的特征;PDO暖位相年，华南典型持续性暴雨过程具有强度偏弱、持续时间偏短的特点。

表1 PDO冷、暖位相期间华南前汛期典型持续性暴雨过程的统计特征Table 1 Statistical characteristics of the persistent heavy rainfall during the first rainy season in South China during the PDO warm and cold phases

4 太平洋海温场两种不同时间尺度背景下华南前汛期PHR特征

吕俊梅等(2005)指出，PDO与ENSO密切相关，PDO对ENSO事件的发生提供了年代际背景，具有调制作用。为进一步分析PDO与ENSO之间的关系，利用对华南前汛期4—6月有预报指示意义的前期冬春季12月至次年3月Nino3.4区SST(sea surface temperature，海表温度)异常的平均值，即冬春季的ONI指数，来反映冬春季太平洋海温的变化特征。具体定义为:ONI指数大于等于0.5℃为冬春Nino暖事件;ONI指数小于等于－0.5℃为冬春Nino冷事件;ONI指数大于－0.5℃且小于0.5℃为冬春Nino中性年。

统计分析发现PDO指数和冬春ONI指数呈正相关关系，相关系数为0.41，超过了0.01信度的显著性检验。因此，在PDO的冷位相年，ONI指数小于0的概率大，即冬春季出现Nino冷事件的概率大;与之相反，在PDO暖位相年，冬春季出现Nino暖事件的概率大。

图2给出了太平洋海温场两种不同时间尺度背景下即PDO和冬春Nino事件的不同位相组合下，华南前汛期典型持续性暴雨过程强度及持续时间的差异。具体特征如下:1)PDO暖位相配合冬春Nino暖事件，6 a共发生了9次典型持续性暴雨过程，平均每年发生1.5次，暴雨过程平均持续时间10 d左右，暴雨强度正常略偏弱;2)PDO暖位相配合冬春Nino冷事件，仅在1984、1989和1996年出现了3次典型持续性暴雨过程，平均每年1次，持续时间在6 d左右，暴雨强度弱;3)PDO暖位相配合冬春Nino中性年:5 a出现了6次典型持续性暴雨过程，平均每年出现1.2次，平均持续时长在9 d左右，暴雨强度属于中等至略弱;4)PDO冷位相配合冬春Nino暖事件:5 a中累计出现了7次典型持续性暴雨过程，平均每年出现1.4次，平均持续时间在11 d左右，出现持续天数在10 d以上的典型持续性暴雨概率大于50%，暴雨强度偏强;5)PDO冷位相配合冬春Nino冷事件:8 a中出现了11次典型持续性暴雨过程，平均每年1.4次，持续时间明显偏长，平均持续天数达到13.1 d，在这11次暴雨过程中，有8次持续时间超过10 d，且暴雨强度也明显偏强;6)PDO冷位相配合冬春Nino中性年:5 a中出现8次典型持续性暴雨过程，平均每年1.6次，平均持续时长在7.5 d，强度中等至略弱。

图2 太平洋海温场不同时间尺度背景下华南前汛期典型持续性暴雨过程的统计特征 a．PDO暖位相配合Nino区暖海温;b．PDO暖位相配合Nino区冷海温;c．PDO暖位相配合Nino区正常海温;d．PDO冷位相配合Nino区暖海温;e．PDO冷位相配合Nino区冷海温;f．PDO冷位相配合Nino区正常海温Fig．2 Statistical characteristics of the persistent heavy rainfall during the first rainy season in South China under the background of Pacific sea temperature fields on different time scales a．PDO warm phase combined with warm SST(sea surface temperature)in Nino region;b．PDO warm phase combined with cold SST in Nino region;c．PDO warm phase combined with normal SST in Nino region;d．PDO cold phase combined with warm SST in Nino region;e．PDO cold phase combined with cold SST in Nino region;f．PDO cold phase combined with normal SST in Nino region

以上分析表明:太平洋海温场两种不同时间尺度背景下华南典型持续性暴雨过程呈现不同的特征:PDO暖位相背景下，无论前期冬春ONI指数如何，华南前汛期持续性暴雨的强度皆较常年偏弱，持续时间偏短;PDO冷位相背景下，除前期冬春Nino中性年华南持续性暴雨强度明显偏弱、持续时间偏短外，不论是前期冬春Nino暖事件还是冬春Nino冷事件，华南前汛期易出现强度较强、持续时间较长的典型持续性暴雨过程。

5 不同海温背景场对华南前汛期降水低频变化周期的影响

为分析海温的外强迫作用是否会影响华南前汛期降水的低频变化周期，进而影响持续性暴雨过程的持续时间，分别对6种不同海温配置下发生典型持续性暴雨过程年份的逐日暴雨综合指数进行功率谱分析(图3)，以期找到太平洋海温场两种不同时间尺度背景下华南前汛期降水的低频变化周期。可以看到:1)PDO暖位相(无论冬春海温如何)以及PDO冷位相配合冬春Nino中性年，华南前汛期暴雨综合指数存在显著的10～20 d的周期，表明这些年份降水以准双周振荡为主，这与前面分析的这些年份典型持续性暴雨过程的持续天数较短，为6～10 d的结论是一致的;2)PDO冷位相配合冬春Nino冷事件，华南前汛期暴雨综合指数存在显著25～60 d的周期，表明这些年份降水以25～60 d振荡周期为主，期间发生的典型持续性暴雨过程的持续天数也较长，平均在13.5 d左右;3)PDO冷位相配合冬春Nino暖事件，华南前汛期暴雨综合指数存在显著10～25 d的周期，降水低频变化周期介于前两种情况之间，此类年份持续性暴雨过程的持续天数平均在11 d。

PDO暖位相年以及PDO冷位相配合冬春Nino中性年，均容易发生10 d以内短周期的典型持续性暴雨过程，且强度正常偏弱;PDO冷位相年配合冬春Nino海温异常，均有利于发生10 d以上的较长周期的典型持续性暴雨过程，且强度明显偏强，尤其配合冬春Nino冷位相时，发生超强持续性暴雨过程的概率较大。

6 结论和讨论

图3 太平洋海温场不同时间尺度背景下华南前汛期暴雨综合指数的功率谱(红线表示95%置信水平;蓝线和绿线分别表示Markov最低和最高置信水平) a．PDO暖位相配合Nino区暖海温;b．PDO暖位相配合Nino区冷海温;c．PDO暖位相配合Nino区正常海温;d．PDO冷位相配合Nino区暖海温;e．PDO冷位相配合Nino区冷海温;f．PDO冷位相配合Nino区正常海温Fig．3 Power spectrum of HRCI(heavy rainfall comprehensive index)of the persistent heavy rainfall during the first rainy season in South China under the background of Pacific sea temperature fields on different time scales(red line indicates 95%confidence level;blue and green lines indicate minimum and maximum confidence levels of Markov，respectively) a．PDO warm phase combined with warm SST(sea surface temperature)in Nino region;b．PDO warm phase combined with cold SST in Nino region;c．PDO warm phase combined with normal SST in Nino region;d．PDO cold phase combined with warm SST in Nino region;e．PDO cold phase combined with cold SST in Nino region;f．PDO cold phase combined with normal SST in Nino region

1)在PDO冷位相背景下，更容易出现华南前汛期典型持续性暴雨过程，且呈现出强度偏强且持续时间偏长的特征;在PDO暖位相背景下，华南典型持续性暴雨过程易出现强度偏弱、持续时间偏短的特点。

2)太平洋海温场不同时间尺度背景下华南典型持续性暴雨过程呈现不同的特征:PDO暖位相背景下，无论前期冬春Nino区海温是否异常，华南前汛期持续性暴雨的强度皆较常年偏弱，持续时间偏短;PDO冷位相背景下，除前期冬春Nino中性年华南持续性暴雨强度明显偏弱，持续时间偏短外，不论是前期冬春Nino暖事件还是冬春Nino冷事件，华南前汛期易出现强度较强、持续时间较长的典型持续性暴雨过程。

3)太平洋海温场两种不同时间尺度背景下华南前汛期降水低频变化周期不同，PDO暖位相(无论冬春海温如何)以及PDO冷位相配合冬春Nino正常年，华南前汛期降水以准双周振荡为主;PDO冷位相配合冬春Nino冷事件，华南前汛期降水存在显著25～60 d周期;PDO冷位相配合冬春Nino暖事件，降水低频变化周期则介于两者之间。

太平洋海温场两种不同时间尺度的前兆信号如何影响华南前汛期降水的低频变化周期，其物理机制还有待于进一步的研究，以期为华南前汛期持续性暴雨过程的延伸期预报提供科学参考依据。

鲍名．2007．近50年我国持续性暴雨的统计分析及其大尺度环流背景［J］．大气科学，35(5):779-792．

陈红，赵思雄．2000．第一次全球大气研究计划试验期间华南前汛期暴雨过程及其环流特征的诊断研究［J］．大气科学，24(2):238-252．

陈艺敏，钱永甫．2005．西太平洋暖池海温对华南前汛期降水影响的数值试验［J］．热带气象学报，21(1):13-23．

池艳珍，何金海，吴志伟．2005．华南前汛期不同降水时段的特征分析［J］．南京气象学院学报，28(2):163-171．

范伶俐，张福颖，胡祯祥，等．2013．近50 a华南干湿状态的时空特征［J］．大气科学学报，36(1):29-36．

高建芸，陈彩珠，周信禹，等．2013.2010年福建前汛期典型持续性暴雨过程的低频特征分析［J］．气象科技进展，3(1):39-45．

黄士松．1986．华南前汛期暴雨［M］．广州:广东科技出版社．

李丽平，许冠宇，成丽萍，等．2012．华南后汛期极端降水特征及变化趋势［J］．大气科学学报，35(5):570-577．

吕俊梅，琚建华，张庆云，等．2005．太平洋海温场两种不同时间尺度气候模态的分析［J］．海洋学报，27(5):30-37．

马慧，陈桢华，姜丽萍，等．2009．华南前汛期降水与我国近海海温的SVD 分析［J］．热带气象学报，25(2):241-245．

倪允琪，周秀骥，张人禾，等．2006．我国南方暴雨的试验与研究［J］．应用气象学报，17(6):690-704．

覃武，孙照渤，丁宝善，等．1994．华南前汛期雨季开始期的降水及环流特征［J］．南京气象学院学报，17(4):455-461．

魏凤英．2007．现代气候统计诊断与预测技术［M］．北京:气象出版社．

张婷，魏凤英．2009．华南地区汛期极端降水的概率分布特征［J］．气象学报，67(3):442-451．

Chan J C L，Zhou W．2005．PDO，ENSO and the early summer monsoon rainfall over south China［J］．Geophys Res Let，32，L08810．doi:10.1029/2004GL022015．

Li S L，Lu J，Huang G，et al．2008．Tropical Indian Ocean basin warming and East Asian summer monsoon:A multiple AGCM study［J］．J Climate，21:6080-6088．

Mao J，Chan J C L，Wu G．2011．Interannual variations of early summer monsoon rainfall over South China under different PDO backgrounds［J］．Int J Climatol，31(6):847-862．

Minobe S．1999．Resonance in bi-decadal and penta-decadal climate oscillations over the North Pacific:Role in climatic regime shifts［J］．Geophys Res Lett，26:855-858．

Yang J L，Liu Q，Xie S P，et al．2007．Impact of the Indian Ocean SST basin mode on the Asian summer monsoon［J］．Geophys Res Let，34，L02708．doi:10.1029/2006GL028571．

Zhang Y，Wallace J M，Battisti D S．1997．ENSO-like interdecadal variability:1900—1993［J］．J Climate，10(5):1004-1020．