伴随IOD型和独立型ENSO对山东气候年际变化的影响

2017-12-04郭飞燕左卫强郭飞龙曹艳察

海洋气象学报 2017年4期

郭飞燕，左卫强，郭飞龙，曹艳察

(1. 青岛市气象局，山东青岛 266003； 2. 青岛市气象灾害防御工程技术研究中心，山东青岛 266003； 3. 胶州市气象局，山东胶州 266318； 4. 中南林业科技大学，湖南长沙 410004； 5. 国家气象中心，北京 100081)

郭飞燕1，2，左卫强3，郭飞龙4，曹艳察5

使用1951年以来66 a的观测和再分析资料，通过合成分析的方法对比分析了厄尔尼诺/拉尼娜(El Nio /La Nia)伴随正/负印度洋偶极子(positive/negative Indian Ocean Dipole，pIOD/nIOD)发生年或独立发生年山东夏、秋季气温和降水的年际变化特征，结果表明，伴随IOD型和独立型El Nio/La Nia对山东夏、秋季气温和降水的影响在强度、范围、正负位相、空间型态上存在很大的差异。在气温方面，El Nio在pIOD的调制作用下对山东南部地区夏季气温年际变化的影响加强；El Nio与pIOD伴随发生时，山东秋季气温较常年偏高，而独立发生时气温则偏低，呈反位相变化；La Nia与nIOD伴随发生年夏季鲁西北气温较常年偏低，La Nia独立发生年夏季半岛东部气温较常年偏高，气温异常呈反位相变化；nIOD对La Nia的调制促进作用有利于山东秋季气温较常年异常偏高；850 hPa气温异常与山东表面气温异常有很强的正相关关系。在降水方面，El Nio在pIOD的调制作用下容易引起山东北部地区夏季降水偏少，但会削弱其对山东中部地区秋季降水负异常的影响；La Nia在nIOD的调制作用下山东境内降水都较常年偏多，但降水异常地域分布非常不均，鲁西北降水较常年显著偏多；独立型La Nia更易引起鲁西北西部、鲁中、鲁南大部分地区夏季降水偏少。850 hPa环流异常配合温度场异常对山东夏、秋季降水异常分布有一定的影响。

伴随型；独立型； ENSO； IOD；山东年际气候变化

引言

ENSO对全球气候有极大的影响，在ENSO发生时可以通过大气遥相关波列即太平洋北美型(Pacific North America，PNA)影响赤道外气候[7]。ENSO发生年夏季，热带西太平洋和亚洲上空的东亚-太平洋(EAP)[8]遥相关型会影响东亚阻塞高压的年际变化和西北太平洋副热带高压的位置变化[9-10]，从而引起我国江淮流域的降水[11]和气温异常，如1954年和1998年夏季长江流域的洪灾。孙舒悦和任荣彩[12]、楚纯洁等[13]均研究指出ENSO冷暖位相对中国的不同区域、不同季节的影响程度、方式均有较大的差异。

同样，印太暖池区的夏季降水异常也可以激发遥相关Pacific-Japan(PJ)波列，从而影响赤道外气候异常[14]。此外，印度洋海表面温度异常还可以影响ENSO的变化，通过ENSO间接地影响天气气候[15]。肖子牛等[16]通过相关分析发现印度洋地区东西海温的偶极振荡与中国 6—8 月汛期的降水有较好的相关关系。郝立生等[17]研究指出近60 a华北夏季降水出现减少趋势可能与热带印度洋海温升高和IOD指数升高有关，其中热带印度洋海温整体升高的影响更为重要。刘宣飞和袁慧珍[18]使用相关分析研究指出，仅有IOD发生时，其正位相年使得中国西南地区和黄河流域的秋季降水出现正异常，而当IOD与ENSO伴随出现时，IOD正位相和El Nio使得中国西南地区秋季降水正异常区域维持并向东扩展，还使得黄河流域秋季降水转为负异常。

热带太平洋的ENSO事件和热带印度洋的IOD事件均具有较稳定的季节锁相特征：ENSO的冷暖位相El Nio/La Nia通常在夏季开始生成，秋季发展，冬季达到峰值[2,6，19-20]，次年春季开始衰亡；IOD往往在ENSO年的夏季生成，秋季发展并达到峰值[4,6，20-22]，冬季消亡。这表明在某些年份ENSO与IOD会同时出现，两者会在同时出现的夏、秋季对气候产生一定的影响。2017年Fan et al.[23]研究指出，在早春爆发的ENSO往往伴随IOD的发生。“单纯”ENSO事件、“单纯”IOD事件对中国夏季降水和气温均有显著影响，但二者产生的影响作用不同[24]。山东地处中国东部，属于中国南北气候过渡带，受ENSO的影响很明显[25-26]。马露等[27]研究分析指出，ENSO强度对山东省气温变化影响不显著，而与降水量呈显著负相关[28]。郭飞燕等[22]通过分类分析研究发现，ENSO对山东地区不同季节气温和降水异常强度的影响并非严格反对称，且存在显著的空间分布不均匀性：El Nio主要影响山东南部地区夏季和冬季气温，La Nia几乎可以影响山东全省夏季和秋季的气温，即La Nia对山东气温年际变化的影响要比El Nio强，且影响范围要广；El Nio年夏季鲁西北降水较常年显著减少，秋季半岛南部降水较常年显著减少，La Nia年仅半岛地区夏季降水较常年偏多，也就是说El Nio对山东降水年际变化的影响更明显。但目前ENSO独立发生年或与IOD共同发生年对山东年际气候变化的影响研究几乎没有。目前在做气候预测时仅考虑了热带太平洋ENSO的作用，而忽略了热带印度洋IOD的影响，这样得到的结果将可能是两类现象叠加后或者抵消后的结果，这样的结果有欠合理。因此非常有必要对ENSO发生的同时伴随或者不伴随印度洋IOD进行分类研究，得到更为精确和完善的结论，从而为气候预测提供新的参考依据。

1 资料与分析方法

为了研究热带太平洋和热带印度洋在夏季和秋季的海表面温度年际变化情况，本文采用了美国海洋大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)扩充重建海表面温度 (Extended Reconstructed Sea Surface Temperature， Version 4， ERSST V4)[32-33]。这一再分析资料融合了国际海洋大气资料集(International Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set，release 2.5，ICOADS 2.5)、Hadley中心夜间海洋大气气温数据集 (Hadley Centre Nighttime Marine Air Temperature Dataset Version 2，HadNMATA V2)、浮标以及船测资料，并改进了再分析技术和提高了质量控制标准，因此该资料更能反映真实的海洋变化情况。此外，该资料从1854年1月至今，长时间尺度的海温变化数据能够较准确地反映大尺度气候变化特征。文中为了和气象资料长度保持一致，截取了1951年1月—2017年5月的月平均海表面资料数据。同时采用了美国国家环境预报中心/国家大气研究中心 (National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research， NCEP/NCAR) 的再分析850 hPa位势高度和气温资料。文中气象观测资料采用国家气候中心提供的中国160个站点的月平均气温和降水资料，该资料的时间长度为1951年1月—2016年12月。

本文研究的ENSO事件和IOD事件是发生在热带太平洋和印度洋的年际变化现象，因此所有物理量在去掉年循环之后，又经过了带通滤波处理，也就是说将年际变化信号之外即季节变化以下和9 a以上的其他噪音过滤掉，仅保留了4～108个月之间的信号。ENSO有东部和中部型模态，为了包含所有ENSO事件，本文采用了国际上通用的Nio3.4区(170°W～120°W，5°S～5°N)指数作为判别ENSO事件的关键区。ENSO事件的挑选标准参考Lyon et al.[34]，且与NOAA官网采用的标准一致，即Nio3.4区海温距平3个月滑动平均超过+/-0.5 ℃并持续5个月以上，就认为该年为El Nio/La Nia年。IOD指数为赤道西印度洋(50°E～70°E，10°S～10°N)和东印度洋(90～110°E，10°S～0°)区域平均的海表面温度异常之差[4]，挑选标准参考Guo et al.[6]IOD指数5个月滑动平均超过+/-0.8 ℃并持续5个月以上，就认为该年为正/负IOD年。

本文首先采用相关分析法说明ENSO与IOD的关系，以及ENSO、IOD指数与山东夏、秋季气温和降水年际变化之间的相关性。使用分类合成分析法研究ENSO独立发生或伴随IOD发生对山东夏、秋季气温和降水年际变化的影响，同时从大气环流角度出发探究其影响成因。

2 热带太平洋、印度洋海表面温度异常时空分布特征

基于Lyon et al.[34]定义的ENSO标准，1951—2016年热带太平洋共发生16次El Nio事件(表1)，其中有9次El Nio(1957、1963、1972、1982、1987、1991、1997、2006、2015年)发生时伴随发生正(positive)IOD(pIOD)事件(简称伴随型El Nio)，7次El Nio(1953、1965、1969、1976、1986、2002、2009年)事件独立发生(简称独立型El Nio)；同时在过去66 a内共发生17次La Nia (表1)事件，其中8次La Nia(1964、1970、1984、1996、1998、2005、2010、2016年)发生时伴随发生负(negative)IOD(nIOD)事件(简称伴随型La Nia)，9次La Nia(1955、1967、1973、1975、1983、1988、1995、1999、2007年)事件独立发生(简称独立型La Nia)。各类型事件样本数相当，具有可比性。

表11951—2016年期间ElNio/LaNia与正/负IOD伴随发生年及其独立发生年

Table 1 The El Nio/ La Nia events with or without pIOD/nIOD events during 1951—2016

类型年份ElNiño+pIOD1957,1963,1972,1982,1987,1991,1997,2006,2015ElNiño1953,1965,1969,1976,1986,2002,2009LaNiña+nIOD1964,1970,1984,1996,1998,2005,2010,2016LaNiña1955,1967,1973,1975,1983,1988,1995,1999,2007

图1 1951年1月—2016年12月的ENSO(a)和IOD(b)指数时间序列Fig.1 Time Series of ENSO (a) and IOD (b) indexes from January 1951 to December 2016

为了验证所选个例的合理性，对热带太平洋和热带印度洋海温异常进行了合成分析。图3是伴随型和独立型El Nio(左图)/La Nia(右图)的海表面温度异常合成图。由图3a-b和图3e-f可以看到，太平洋的El Nio/La Nia和印度洋的pIOD/nIOD在夏季就开始发展，秋季增强。由图3c-d和图3g-h可以看到，当El Nio或La Nia在夏季发展，秋季增强的过程中，印度洋海温异常很弱，不存在印度洋偶极子现象，表明本文分类结果可靠。此外，与伴随pIOD发生的El Nio年相比，El Nio独立发生年(图3c-d)，El Nio强度偏弱，且海表面温度异常大值中心偏西，同时热带印度洋的海表面温度异常也较弱；然而La Nia与nIOD伴随发生年热带太平洋海温异常较其独立发生年较弱，且海表面温度异常大值中心位置偏西，体现了ENSO正负位相和IOD正负位相的不对称性。无论是伴随型El Nio还是独立型El Nio，热带太平洋海温异常强度要比相应的La Nia型强，这与前人的结果一致。pIOD的强度也要比nIOD强度偏强，范围也较大。

图2 夏季(a)和秋季(b)的ENSO(实线)和IOD(虚线)指数时间序列Fig.2 Time Series of ENSO (solid line) and IOD (dash line) indexes in summer (a) and autumn (b)

图3 厄尔尼诺(左图)/拉尼娜(右图)与正/负IOD伴随发生年(a、e为夏季， b、f为秋季) 及其独立发生年(c、g为夏季，d、h为秋季)的季节平均海表面温度异常合成图Fig.3 Seasonal averaged SSTA composites for the years of El Nio(left panel)/La Nia(right panel) with pIOD/nIOD concurrence (a, e for summer; b, f for autumn) and El Nio only (c, g for summer; d, h for autumn)

既然ENSO和IOD的正负位相存在很强的振幅和空间不对称性，因此有必要对热带太平洋的El Nio/La Nia事件以及热带印度洋的pIOD/nIOD事件进行分类研究。ENSO和IOD均具有很强的季节锁相特征，ENSO在夏、秋季发展，冬季达到峰值，IOD在夏季发展，秋季达到峰值，且夏、秋季是山东省降水较多的季节，因此将对山东省夏季和秋季的年际变化展开研究。

3 ENSO、IOD指数与山东夏、秋季气温和降水的相关性分布特征

对比夏季ENSO、IOD与山东气温(图4a、c)相关性分析可知，两类热带年际变化模态与山东气温的相关性并不高，这可能与两者的正负位相对山东气温影响高度不对称有关。但从有限的弱相关分布型来看，ENSO、IOD与鲁西北部分地区气温变化具有一定的正相关性，两者对鲁西北的影响是同位相的。ENSO与山东南部地区夏季气温呈负相关关系(图4a)，而IOD只与胶州湾西部部分地区呈负相关关系(图4c)，可见ENSO对山东南部地区的影响较IOD强。秋季，ENSO以及IOD与威海和烟台部分地区气温变化具有弱负相关关系，也就是说两者对半岛东部秋季气温的影响是一致的。但是IOD与半岛南部沿岸地区气温有弱正相关关系。

图4 1951—2016年ENSO (上图)、IOD(下图) 指数与山东夏(a、c)、秋(b、d)季气温异常相关系数分布图 Fig.4 Correlation coefficients of the ENSO (top panel) and IOD (bottom panel) indexes with the simultaneous air temperature anomalies at each point of Shandong in summer (a, c) and autumn (b, d) for the period 1951-2016

与气温的相关性相比(图4)，ENSO、IOD与降水的相关性要明显偏强(图5)，且ENSO与山东夏季降水相关性最强(图5a)。在山东主降水期夏季，除鲁西南地区外，山东大部分地区降水与ENSO指数有负相关性，尤其以鲁西北地区最为显著，相关系数可达-0.4(超过99%信度检验)。IOD与鲁西北东部、半岛西部以及鲁西部分地区夏季降水有弱的负相关性，这与ENSO的影响是一致的。但IOD与鲁中、鲁西南半岛东部部分地区夏季降水相关性较差(图5c)。ENSO与山东南部秋季降水有较强的负相关性(胶州湾西部高达-0.3，超过95%信度检验)，而与鲁西北相关性较差(图5b)，这样的相关分布型结果正好与夏季相反。IOD与鲁西北部分地区秋季降水呈弱正相关，而与山东南部地区呈弱负相关(图5d)，IOD与ENSO对山东南部秋季降水的影响基本一致。

图5 1951—2016年ENSO(上图)、IOD(下图)指数与山东夏(a，c)、秋(b，d)季降水异常相关系数分布图 Fig.5 Same as Fig.4， but for precipitation

从以上相关分析可知，ENSO与IOD均对山东不同地区夏、秋季气温和降水有不同程度的影响，且ENSO的影响要更强。在不同季节，ENSO与IOD对山东某些地区的影响是同位相的，但对其他一些地区的影响则不一致，甚至是相反的。前人的研究结果[43-45]表明，IOD不仅会与ENSO同时发生，还可以通过对流层准两年振荡相互影响[46]。Annamalai et al.[47]使用观测和数值模式资料指出，pIOD会引起赤道西太平洋出现西风异常，从而有利于El Nio的维持加强。但是ENSO与IOD对不同地区大气的影响可能并不是简单线性叠加的结果。因此当研究ENSO对山东气候的影响时非常有必要将独立型ENSO和伴随IOD型ENSO进行分类。鉴于ENSO以及IOD均具有很高的正负位相不对称性，将分别对ENSO和IOD的正负冷暖位相进行分类研究。

4 ENSO独立发生和伴随IOD发生对山东气温年际变化的影响

图6 山东省El Nio与pIOD伴随发生年(a为夏季，b为秋季)以及独立发生年(c为夏季，d为秋季)的季节平均气温异常合成图(等值线表示通过80%信度的显著性检验)Fig.6 Seasonal averaged air temperature anomaly composites for the years of El Nio with pIOD concurrence (a for summer, b for autumn) and El Nio only (c for summer, d for autumn) in Shandong Province (contour areas are significant at the 80% confidence level)

图7 同图6，但为La Nia事件的合成图Fig.7 Same as Fig. 6, but for La Nia

5 ENSO独立发生和伴随IOD发生对山东降水年际变化的影响

图8 山东省El Nio与pIOD伴随发生年(a为夏季，b为秋季)以及独立发生年(c为夏季，d为秋季)的季节平均降水异常合成图(等值线表示通过80%信度的显著性检验)Fig.8 Seasonal averaged precipitation anomaly composites for the years of El Nio with pIOD concurrence (a for summer, b for autumn) and El Nio only (c for summer, d for autumn) in Shandong Province (contour areas are significant at the 80% confidence level)

图9 同图8，但为La Nia事件的合成图Fig.9 Same as Fig. 8, but for La Nia

6 ENSO独立发生和伴随IOD发生大气环流型分析

图10 El Nio与pIOD伴随发生年(a为夏季，b为秋季)以及独立发生年(c为夏季，d为秋季)的季节平均850 hPa气温(彩色填图，单位：℃)和位势高度(等值线，单位：dagpm)异常合成图Fig.10 Seasonal averaged 850 hPa air temperature (shaded in ℃) and geopotential height (contours in dagpm) anomaly composites for the years of El Nio with pIOD concurrence (a for summer, b for autumn) and El Nio only (c for summer, d for autumn)

图11 同图10，但为La Nia事件的合成图Fig.11 Same as Fig. 10, but for La Nia

7 结论与讨论

本文采用1951年1月—2016年12月NOAA ERSST V4月平均海表面温度数据、NCEP/NCAR的位势高度和气温数据以及国家气候中心提供的中国160站气温和降水站点观测资料，首先对热带太平洋和印度洋的年际变化现象进行分析，同时使用ENSO、IOD指数与山东夏、秋季气温和降水做相关分析，得到ENSO、IOD各自对山东气候的影响。并从大气环流角度分析了造成两类ENSO事件对山东气候影响差异的原因。通过对66 a间发生的El Nio/La Nia与pIOD/nIOD的伴随发生事件和El Nio/La Nia独立发生事件进行分类合成分析，揭示了ENSO背景下IOD发生与否对山东夏季和秋季气温和降水年际变化的影响。文中将ENSO和IOD事件进行了细致分类，导致每一类事件样本数较少，因此只进行了80%的信度检验，但对于文中通过80%信度检验的大部分地区同时通过90%甚至95%信度检验(图略)，表明结果显著可信。本文将El Nio/La Nia与pIOD/nIOD伴随发生定义为伴随型El Nio/La Nia，将El Nio/La Nia独立发生定义为独立型El Nio/La Nia。ENSO背景下IOD发生与否对山东不同季节气温和降水的影响在强度、范围、正负位相、空间型态上存在很大的差异，结果如下：

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TheimpactsofENSOforaccompaniedwithIODtypeandisolatedtypeontheinterannualclimatevariabilityinShandong

GUO Feiyan1,2, ZUO Weiqiang3, GUO Feilong4, CAO Yancha5

(1.QingdaoMeteorologicalBureau,Qingdao266003,China; 2.QingdaoEngineeringTechnologyResearchCenterforMeteorologicalDisasterPrevention,Qingdao266003,China; 3.JiaozhouMeteorologicalBureau,Jiaozhou266318,China; 4.CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha410004,China; 5.NationalMeteorologicalCenter,Beijing100081,China)

Based on the observation and reanalysis datasets since 1951, the interannual variability of air temperature and precipitation in Shandong under the influence of El Nio/La Nia-Southern Oscillation (ENSO) with (accompanied type) or without (isolated type) Indian Ocean Dipole (IOD) are conducted through the composite analysis. It is discovered that there are distinct differences on the effect intensity, extent, phase and spatial pattern of interannual variability between the accompanied and isolated type of ENSO: for the air temperature, with the reinforce of positive IOD(pIOD), El Nio has more notable effect on the air temperature anomalies over the south of Shandong in summer; when El Nio occurs with pIOD, the air temperature in Shandong is higher than normal in autumn, while it is lower when El Nio occurs only, which varies out of phase; when La Nia appears with negative IOD (nIOD), the air temperature over the northwest of Shandong is lower than normal, while it is higher over the east of Shandong Peninsula when La Nia appears only, which varies out of phase too; as a joint influence of La Nia and nIOD, the air temperature over Shandong is higher than normal in autumn; a close correlation exists between the air temperature anomalies at surface and 850 hPa over Shandong during the summer and autumn of El Nio/La Nia. As for the precipitation, under the influence of pIOD, El Nio tends to reduce the precipitation of the north Shandong in summer, but weakens its influence on the negative precipitation anomalies in the middle of Shandong. La Nia occurring with nIOD has a stronger effect on the interannual variability of summer precipitation in Shandong; the precipitation displays significant inhomogenous distribution accompanying with significant positive anomalies in the northwest of Shandong; for the isolated La Nia, the summer precipitation is less than the climatology in the northwest, middle and south of Shandong; the circulation anomalies accompanied with the air temperature anomalies at 850 hPa play a role in the precipitation anomalies over Shandong in summer and autumn.

accompanied type; isolated type; ENSO; IOD; interannual climate variability of Shandong

郭飞燕，左卫强，郭飞龙，等.伴随IOD型和独立型ENSO对山东气候年际变化的影响[J].海洋气象学报，2017，37(4)：34-48.

Guo Feiyan，Zuo Weiqiang，Guo Feilong，et al. The impacts of ENSO for accompanied with IOD type and isolated type on the interannual climate variability in Shandong[J]. Journal of Marine Meteorology,2017,37(4):34-48.

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.04.005. (in Chinese)

P46

2096-3599(2017)04-0034-15

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.04.005

2017-08-25；

2017-10-15

青岛市局校合作科研基金项目(2015qdqxh02)；淮河流域气象开放研究基金项目(HRM201601)；黄渤海区域科技协同创新基金项目(QYXM201614)

郭飞燕(1986—)，女，博士，工程师，主要从事海洋与大气相互作用、气候变化、强对流天气等研究，guofeiyan01@163.com。