2015/2016和1997/1998超强El Niño衰减年我国夏季降水异常的比较

郭栋,王琳玮,李震坤,苏昱丞,覃皓,黄莹

① 南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;② 上海市公共气象服务中心,上海 200030;③ 上海市气候中心,上海 200030;

2015/2016和1997/1998超强El Niño衰减年我国夏季降水异常的比较

郭栋①,王琳玮②*,李震坤③,苏昱丞①,覃皓①,黄莹①

① 南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;② 上海市公共气象服务中心,上海 200030;③ 上海市气候中心,上海 200030;

2016-08-28收稿，2016-11-08接受

国家自然科学基金资助项目(41641042;41675039;41305039;41375047;41305079;91537213);江苏高校优势学科建设工程项目(PAPD)

El Niño可通过海—气相互作用遥相关型影响东亚季风,进而影响中国气候,是中国短期气候最重要的预测指标之一。典型的El Niño事件通常在春、夏季开始,在秋、冬季成熟,在下一年的春、夏季消退,考虑到海—气作用的滞后效应,El Niño事件甚至可以在消退时期对东亚大气环流系统造成影响。因此,利用中国160站的逐月降水资料、NCEP/NCAR再分析资料以及美国NOAA提供的全球海温数据,对比分析了2015/2016年和1997/1998年典型El Niño衰减年我国夏季降水和东亚环流特征的差异,并讨论了造成差异的可能原因。结果表明:1)2016年和2008年夏季降水都大范围偏多,2016年夏季降水异常更为集中,但降水强度不及1998年。2)2016年降水的季节推进特征不明显。1998年6—8月的降水逐渐从南向北推进,与传统的季风降水演变进程较为一致。3)2016年和2008年我国夏季降水的差异与副热带高压的变化有直接的关系。1998年6—7月副热带高压较2016年同期偏西偏南,而2016年8月副热带高压更为偏西并明显比气候平均偏北。4)1997/1998年El Niño事件中的赤道西太平洋异常冷海温比较强盛,而2015/2016年基本表现为偏暖,可能是造成1998年6—7月副热带高压较2016年同期偏西偏南的原因。

El Niño

衰减年

东亚大气环流

中国降水

异常

厄尔尼诺(El Niño)和南方涛动(Southern Oscillation)是全球热带海气系统中年际尺度最显著的信号,具有2～7 a的变化周期。大量研究证实,El Niño的发生对热带地区乃至全球的气候异常都有重要影响,因此对其的研究长期受到大家的关注(王绍武,1989;李崇银和周亚萍,1994)。许多观测事实还表明,El Niño通过海气作用的遥相关形式影响东亚季风系统,进而影响我国的气候(Zhang et al.,1999;Wang et al.,2000;翟盘茂等,2003;陈丽娟等,2013;黄海燕等,2016),因此El Niño是我国短期气候预测最重要的因子之一。

El Niño事件通常开始于春夏季,秋冬季达到鼎盛,次年春夏季结束。考虑到大气对海洋的响应具有滞后性,在El Niño发生的不同位相,我国气候表现出不同的特征。多数研究表明在El Niño衰减年夏季,长江流域和江南北部地区降水偏多,而江淮流域降水偏少(符淙斌和腾星林,1988;刘颖和倪允琪,1998;Zhang et al.,1999;陈文,2002;Huang et al.,2004)。但这一关系具有不稳定性(Wang,2002;宗海峰等,2010),不同强度的El Niño事件对东亚夏季风具有不同的影响(薛峰和刘长征,2007),并且东亚夏季风的异常还可能与El Niño事件发生时最大暖海温的位置有关(张志华和黄刚,2008;Feng et al.,2011)。

2015/2016年El Niño事件开始于2014年9月,在2014—2015年冬季发展出现停滞,自2015年4月以来发展迅速,于2015年11月达到顶峰,此后开始衰减,至2016年5月结束。从事件的持续时间上看,此次El Niño事件是1951年以来持续时间最长的一次厄尔尼诺,且其峰值强度超过了历史上最强的1997/1998年El Niño事件(邵勰和周兵,2016)。

图1 2016年(a)和1998年(b)夏季降水距平百分率Fig.1 Percentage of precipitation anomaly in (a)2016 and (b)1998 summer

2015/2016年El Niño事件已经给全球多地的气候带来了不同程度的影响,已有不少研究揭示了2015年也即是El Niño发展年我国气候对此次事件的响应(袁媛等,2016;翟盘茂等,2016),如2014—2015年冬季全国气温普遍偏高(司东等,2016),2015年夏季全国降水呈现北少南多分布,梅雨季偏长。实际上,此次厄尔尼诺事件对2016年我国气候也有明显影响,造成了包括江淮流域在内的严重的暴雨洪涝灾害。因此本文拟通过对比2015/2016年和1997/1998年这两个超强厄尔尼诺事件衰减年我国夏季降水和东亚环流特征的差异,加深对厄尔尼诺事件与我国气候异常相互关系的认识,为短期气候预测提供参考。

1 资料

本文所用到的数据包括:

1)中国气象局国家气候中心提供的全国160个气象台站逐月降水观测资料、74项环流指数以及热带印度洋全区一致海温模态(Indian Ocean Basin-wide Warming,IOBW)指数;

2)美国NCEP/NCAR提供的月平均高度场、风场和用于计算水汽输送的比湿和地表气压场,水平分辨率为2.5°×2.5°;

3)美国NOAA提供的线性最优插值全球海温数据(OISST V2),网格分辨率分别为1°×1°。除海温以外,上述所有变量的距平或异常相对应的是1981—2010年平均,海温资料因始自1981年12月,故其对应时段取为1982—2010年平均。

2 我国夏季降水异常的比较

2016年夏季,我国降水主要表现为两条多雨带,其中南方的多雨区位于江汉—江淮流域,北方的多雨区位于河套到华北地区,中心区域降水距平百分率都超过了50%。另外江南至华南北部降水也略偏多,东北大部分地区少雨(图1a)。而1998年我国大部分地区都降水偏多,尤其是在长江中下游地区及内蒙古东部—东北一带(图1b),距平百分率可超过80%。从整体上看,两个年份夏季降水都大范围偏多,洪涝灾害严重,相比较而言,2016年夏季降水异常更为集中,降水的强度不及1998年。

图2 2016年6月(a)、7月(c)、8月(e)和1998年6月(b)、7月(d)、8月(f)降水距平百分率Fig.2 Percentage of precipitation anomaly in (a)June,(c)July and (e)August 2016,and (b)June,(d)July and (f)August 1998

从降水的分月情况来看,6月,2016年我国东部长江以北大范围降水偏多(图2a),1998年更明显的降水发生在江南、华南以及东北,降水中心距平百分率超过100%(图2b);7月,2016年降水相较6月有所收缩,集中在江汉和河套地区(图2c),1998年降水主要位于长江中游和内蒙古东部,降水中心强度不及2016年(图2d);8月,2016年我国东部除华南以外绝大部分地区降水均偏少(图2e),而1998年西南到黄淮地区存在一条多雨带,内蒙古东部—东北也有一个明显的多雨区,两者降水表现出完全不一致的分布(图2f)。从季节演变的角度来看,2016年6—7月,多雨区基本一直维持在长江以北,到了8月,多雨区突然消失,仅有华南小范围降水偏多,这主要是台风带来的降水,降水的季节推进特征并不明显。而从1998年6—8月,降水逐渐从南向北推进,与传统的季风降水演变进程较为一致。

图3 2016年6月(a)、7月(c)、8月(e)和1998年6月(b)、7月(d)、8月(f)的水汽通量距平(箭矢,单位:kg·m-1·s-1)和散度距平(阴影,单位:10-3kg·m-2·s-1)Fig.3 Water vapor flux anomaly(vectors,units:kg·m-1·s-1) and divergence anomaly(contours,10-3kg·m-2·s-1) in (a)June,(c)July and (e)August 2016,and (b)June,(d)July and (f)August 1998

图4 2016年(a)和1998年(b)500 hPa高度场和距平(等值线为500 hPa高度场;红色粗实线为气候平均5 880 gpm线;阴影为500 hPa距平)Fig.4 Geopotential height at 500 hPa(contours),geopotential height anomaly at 500 hPa(shade) and climate average 5 880 gpm(red line) in (a)2016 and (b)1998

分析与降水对应的水汽输送条件,图3给出了2016年和1998年6—8月整层积分的水汽通量距平和散度距平。6月,两个年份我国南海到西北太平洋都存在一个反气旋式的水汽通量距平环流型,但水汽通量散度距平的区域有所不同,2016年主要的水汽通量辐合区位于河套至黄淮一带,对应图2a中的降水偏多区,1998年我国江南、华南以及东北都有明显的水汽通量辐合,同样导致这些地区的降水偏多;7月,图3c和3d显示,南海到西北太平洋上的水汽通量反气旋式环流范围均有所缩小,水汽通量散度距平的分布与6月基本类似,水汽辐合区都有一定的北抬;8月,2016年我国东部洋面出现一个气旋性的水汽通量环流型,因此水汽通量散度表现为正值区,不利于降水的形成,而1998年西北太平洋上的水汽通量反气旋式环流仍然存在,并较7月范围有所增大,故将水汽输送到更北的地方,雨带进一步推进到黄淮地区。

3 大尺度环流异常的比较

我国夏季降水是东亚夏季风环流的产物,降水的异常与大气环流的变化密不可分,因此下文分析这两年大尺度环流异常的差异。

图5 2016年6月(a)、7月(c)、8月(e)和1998年6月(b)、7月(d)、8月(f)的高度场和距平(等值线为500 hPa高度场;红色粗实线为气候平均5 880 gpm线位置;阴影为500 hPa距平)Fig.5 Geopotential height in (a)June,(c)July and (e)August 2016,and (b)June,(d)July and (f)August 1998(the contours indicates the geopotential height at 500 hPa;shaded area indicates the geopotential height anomaly at 500 hPa and the red line indicates the climate average of 5 880 gpm)

图4分别给出了2016年和1998年夏季500 hPa高度场和距平分布,图中红色粗实线代表气候平均5 880 gpm特征线的位置。从图中可以看出,2016年夏季,欧亚地区中高纬环流表现为一个宽槽的结构,西西伯利亚和白令海地区各有一个正距平大值区,中间为宽槽,我国北方处于宽槽底部,另外在低纬度地区,西太平洋副热带高压(下文简称副高)偏强偏西,但偏北特征并不明显(图4a)。在这种情况下,环流场上我国上空虽然表现为“西高东低”,但较为平直,以短波槽脊活动为主,配合副高的西伸,引发一次次降水过程。1998年夏季环流与2016年有所不同,在欧亚中高纬地区环流呈一个“Ω”型,鄂霍次克海附近存在明显的阻塞高压,与此相对应的是在其下方我国东北地区高度场偏低,我国上空“西高东低”的环流比2016年更为显著,此外,副高西端扩张到我国南海到华南地区,相比2016年更为偏强偏西,脊线也更偏南(图4b),因此造成我国大范围多雨。副高的变化与我国雨带的位置和强度关系密切,从环流场上两者副高的差别可以从一定程度上解释2016年夏季降水强度不及1998年的原因。

进一步分析夏季各个月份的环流情况。6月,2016年在西西伯利亚有一个阻塞高压,我国东部处于其下游的低槽中,副高比气候态显著偏西偏北(图5a),1998年我国东部同样处于低槽控制区(图5b),但一个重要的区别是2016年6月副高比1998年更为偏北,因此对应的多雨区位置也更偏北,而1998年我国东部更为明显的高空槽有更有利于冷空气南下,多雨区因而延伸到华南地区;7月,2016年6月高纬的阻塞高压消失,环流变得更为平直,而1998年7月与6月情形差别不大,两个年份的副高都发生了季节性的北跳,但2016年的变化幅度明显超过1998年(图5c、5d),因此雨带相较6月均有一定程度的北抬;到了8月,2016年的环流发生了很大的转变,主要表现为副高分裂为两个中心,副高主体退归到日本海以东,我国大陆上受另一个闭合高压控制,因此8月全国大部分地区少雨(图5e)。从高度场距平还可看出,西北太平洋至我国南海为大片的高度负值区,这跟8月台风的活跃不无关系,据统计,8月西北太平洋共有7个台风生成。而1998年副高进一步西伸和北进,雨带维持在其西北侧的我国西南到黄淮一带。

从副高的两个特征指数—西伸脊点和脊线位置上可以更明显地看到2016年和1998年副高的差异。1—5月,副高西伸脊点位置二者完全一致,都比气候平均值明显偏西;6—7月,1998年副高更为偏西;8月,形势逆转,2016年副高更为偏西,脊点伸至90°E(图6a)。在脊线的南北位置上,1—8月,2016年均较1998年偏北,尤其是7—8月,两者的差异进一步加大。8月,2016年副高脊线达到32°N,而1998年副高脊线为27°N,低于气候平均值27.2°N(图6b)。从这两个指数的角度可以认为,2016年8月副高强于1998年同期。

图6 1—8月副高西伸脊点(a)和脊线位置(b)的演变Fig.6 Evolution of western end of the (a)ridge and (b)position of the ridge of the subtropical high from January to August

总体而言,2016年和1998年夏季各月环流场上的差别主要体现在副高的形态及变化上,而这些差别可以部分解释我国夏季和季节内降水的差异。此外,从副高的季节内变化来看,从6月到8月,两个年份的副高与气候平均态的副高的差异越来越显著,尤其体现在8月。赵俊杰等(2016)的研究指出,El Nio衰减年副高的季节内变化增强,其中8月的变化最为明显,这与本文的研究结论较为吻合。值得一提的是,该研究同时指出,El Nio衰减年副高位置偏西偏南,而图6a揭示的2016年8月副高偏西但并不偏南,这与历史El Nio衰减年合成的副高特征具有较大的不同,1998年的情形则与历史情况较为一致。

是何种原因造成2016年与1998年8月副高的特征明显不同?图7是两次El Nio事件沿赤道(5°S～5°N)平均的海温距平演变。首先来看2015/2016年的情况,从图7a可见,2015年初,日界线附近的异常暖海温逐步从赤道中太平洋东传到东太平洋,然后逐步加强,加强的暖海温异常又从赤道东太平洋向中太平洋扩展,11月暖海温达到峰值,2016年1月起,El Nio开始迅速衰减,至2016年5月,海温异常降到0 ℃附近,El Nio事件结束,此后转为冷位相。1997/1998年El Nio事件也经历了类似的演变历程。

图7 2015/2016年(a)和1997/1998年(b)1—8月5°S～5°N平均的海温距平演变(单位:℃)Fig.7 Evolution of 5°S—5°N mean sea surface temperature anomaly from January to August in (a)2015/2016 and (b)1997/1998(units:℃)

图8 2016年(a)和1998年(b)8月海温距平(单位:℃)Fig.8 Sea surface temperature anomaly in (a)2016 and (b)1998 August(units:℃)

第二种机制关注的是西北太平洋局地海温,当该区域出现冷海温时,有利于西北太平洋异常反气旋的维持。图8给出了2016年和1998年8月西北太平洋的海温距平。从图中可以明显看到,2016年8月,在日本海以东,存在大片的海温负距平区,海温距平中心的绝对值超过1.2 ℃,而1998年西北太平洋基本为暖海温控制,冷海温出现在中太平洋。因此根据第二种机制,2016年8月副高更容易偏西偏北。

接着分析第三种机制,这种机制强调热带印度洋海温的影响,印度洋能像电容器一样被“充电”,把El Nio的信号储存起来,在El Nio衰减后产生“放电”效应。在厄尔尼诺发展年,2015/2016年El Nio事件中的IOBW指数均高于同期1997/1998年指数,而在进入衰减年5月以后,2016年的IOBW指数明显低于1998年同期(图9)。因此从这个角度也难以解释2016年8月副高异常偏北偏西的原因。

第四种机制较为复杂,考虑到热带大西洋暖海温激发的Kelvin波传播到西北太平洋的时间较长,该机制更适合分析副高季节性的偏差,对El Nio事件个例中月尺度差异的适用性还有待研究,因此本文不深入讨论。

图9 2015/2016年(红色虚线)和1997/1998年(蓝色实线)IOBW指数的演变(横坐标上0表示El Nio发展年,1表示El Nio衰减年)Fig.9 Evolution of the IOBW index in 2015/2016(red dashed line) and 1997/1998(blue solid line)(‘0’ and ‘1’ in the horizontal coordinate respectively indicate the El Nio developing year and decaying year)

4 结果与讨论

本文通过分析大气和海洋资料,对比分析了2015/2016年和1997/1998年两典型El Nio衰减年我国夏季降水和东亚环流特征的差异,并讨论了造成差异的可能原因。主要结论有:

1)从整体上看,2016年和1998年夏季降水都大范围偏多,洪涝灾害严重。相较而言,2016年夏

季降水异常更为集中,但降水的强度不及1998年。同时,2016年夏季降水的季节推进特征并不明显,而1998年夏季降水逐渐从南向北推进,与传统的季风降水演变进程较为一致。

2)2016年和1998年夏季各月环流场上的差别主要体现在副高的形态及变化上,而这些差别可以部分解释我国夏季和季节内降水的差异。从6月到8月,两个年份的副高与气候平均态的副高的差异越来越显著,尤其体现在8月。1998年6—7月副高较2016年同期偏西偏南,而2016年8月副高更为偏西并明显比气候平均偏北。

3)1997/1998年厄尔尼诺事件中的赤道西太平洋异常冷海温比较强盛,而2015/2016年基本表现为偏暖是造成1998年6—7月副高较2016年同期偏西偏南的可能原因,而西北太平洋局地海温的不同可能导致了8月副高的差异。

通过诊断分析推测赤道西太平洋和西北太平洋的海温差异可能是1998年和2016年6—8月副高差异乃至我国降水差异的原因。因此,下一步可以利用气候模式输入1998年和2016年的赤道西太平洋和西北太平洋的海温异常,诊断环流和降水对其的反馈,据此验证以上推测。

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Comparison between anomalies of summer rainfall in China in decaying years during super El Nio events of 2015/2016 and 1997/1998

GUO Dong1,WANG Linwei2*,LI Zhenkun2,SU Yuchen1,QIN Hao1,HUANG Ying1

1KeyLaboratoryofMeteorologicalDisaster,MinistryofEducation(KLME)/JointInternationalResearchLaboratoryofClimateandEnvironmentChange(ILCEC)/CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters(CIC-FEMD),NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China;

2ShanghaiPublicMeteorologicalServiceCenter,Shanghai200030,China;

3ShanghaiClimateCenter,Shanghai200030,China

Therefore,the anomalies of summer rainfall in China and atmospheric circulation over East Asia in the decaying years of two super El Nino events(2015/2016 and 1997/1998) were compared,in order to improve the understanding of the relationship between El Nio events and climate anomalies in China,as well as to provide a reference for short-term climate prediction.Specifically speaking,the percentage of precipitation anomaly in China,water vapor flux anomaly,anomaly of water vapor flux divergence,geopotential height anomaly,western end of the ridge and position of the ridge of the subtropical high and sea surface temperature anomaly in the decaying years of two super El Nino events were analyzed,by means of the monthly mean precipitation data of 160 meteorological observation stations in China,along with the circulation index,Indian Ocean Basin-wide Warming index from the National Climate Center of China Meteorological Administration,monthly mean geopotential height,wind,specific humidity and surface pressure from the American National Centers for Environmental Prediction,and the Optimum Interpolation Sea Surface Temperature version 2 data from the American National Oceanic and Atmospheric Administration.

The results are as follows.Summer rainfall frequently occurs on a large scaleand flood disaster is serious in 2016 and 2008.However,summer rainfall anomalies in the two years also have different characteristics.The area of summer precipitation positive anomaly in 2016 is more concentrated than that in 1998,but the intensity of precipitation in 2016 is lower than that in 1998.In June and July 2016,the positive anomalous precipitation is maintained in the area to the north of the Yangtze River.By August,the positive anomalous precipitation area is significantly reduced.There is only a small range of rainfall in southern China,which is mainly caused by typhoons.Therefore,the seasonal moving features of the rain band are not significant,while the area of the rainfall positive anomaly gradually moves from south to north during the summer of 1998,which is consistent with the traditional process of the precipitation of the monsoon.The difference of summer rainfall in 2016 and 2008 in China is closely related to the difference of the anomaly of water vapor flux divergence caused by the anomaly of atmospheric circulation.The Pacific Subtropical High in summer 1998 is more robust and located more to the west than that of summer 2016,and the ridge of the Pacific Subtropical High in summer 1998 is more to the south than that of 2016.Moreover,the Pacific Subtropical Highin June and July is located more to the southwest in 1998 than 2016,while the Pacific Subtropical High in August is more to the west in 2016 than 1998,and more to the north than usual.These differences of the Pacific Subtropical High can partially explain the differences between the 2016 and 2008 summer rainfall in China.Further more,one possible reason for the difference of the Pacific Sub tropical High in June and July in 1998 and 2016 is that the Western Equatorial Pacific sea surface temperature in 1997/1998 is colder than that in 2015/2016.The difference of the North western Equatorial Pacific sea surface temperature may also attribute to the difference of the Subtropical High in August of 1998 and 2016.

(责任编辑：孙宁)

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10.13878/j.cnki.dqkxxb.20160828010.(in Chinese).

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20160828010

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