ENSO对中国南方降水低频变率的可能影响

摘要利用1979—2012年Hadley中心海表温度、中国2 474个台站逐日降水和NCEP/NCAR全球再分析资料，分析了不同类型ENSO事件秋冬季和次年春季中国南方地区10～30 d降水低频变率的变化特征。结果表明，中国南方地区10～30 d降水低频变率对不同类型ENSO事件的响应存在显著的季节差异。EP型El Nio的冬季和次年春季，低频降水变率显著增强；CP型El Nio秋冬季低频降水强度呈现相反的异常，秋季低频降水偏弱，而冬季则偏强；La Nia事件期间中国南方低频降水变率的变化较小且不稳定。进一步分析发现，ENSO对南方地区10～30 d低频降水变率的影响与西北太平洋地区季节平均大气环流背景场对ENSO的响应密切相关。相比正常年份，EP型El Nio冬春季菲律宾反气旋性异常环流的强度较强且范围较大，其西侧的异常西南风向中国南方地区输送了大量水汽，从而有利于低频降水的增强；CP型El Nio年秋季西北太平洋表现为气旋性环流异常，抑制了热带水汽向东亚大陆的输送，而冬季却产生了与EP型El Nio年类似的异常反气旋环流，只是强度有所减弱，因此中国南方地区低频降水强度在秋冬季呈相反异常。La Nia年菲律宾附近虽然存在气旋性环流异常，但强度较弱，因而我国南方地区低频降水变率的响应也较弱。

关键词中国南方地区；10～30 d低频降水变率；ENSO

低频振荡事关延伸期降水预测，不仅是当前大气科学的研究热点，还是天气气候预测亟待解决的技术难点和服务重点（Hsu et al.，2015；Zhu et al.，2015；金小霞等，2016；刘樱等，2016；章毅之等，2017）。中国大部地区的降水都具有显著的低频变化特征（Lau et al.，1988），低频降水的主振荡周期在不同地区不同季节不尽相同，其中包括10～20 d的准双周振荡（QusiBiWeekly Oscillation，QBWO）和30～60 d的季节内振荡（IntraSeasonal Oscillation，ISO）（琚建华和赵尔旭，2005；黄菲等，2008；曹鑫等，2013；李丽平和白婷，2014；谭桂容等，2016）。而在降水更为丰沛的中国南方地区，多种时间尺度的低频变化不仅在多个季节都很明显，还能够同时对降水产生影响（梁萍和丁一汇，2012）。因此，开展中国南方地区低频降水的特征及其机理相关的研究具有非常重要的科学意义和社会价值。

中国南方地区地处热带和副热带，其降水的低频变化往往与热带海气系统的异常密切相关。例如，10～20 d的降水变率往往与热带大气准双周振荡有关（李崇银和周亚萍，1995；Jia et al.，2011；谷德军等，2013；杨双艳等，2015）。许多研究已经指出，热带大气季节内振荡（MaddenJulian Oscillation，MJO；Madden and Julian，1971，1972）是中国南方地区低频降水及其相关大气环流的重要强迫源，对中国各个季节的降水都会产生重要影响（Jeong et al.，2008；Zhang et al.，2009；白旭旭等，2011；Jia et al.，2011；Lee et al.，2013）。事实上，除了热带大气准双周振荡和MJO的直接影响之外，一个地区大气环流的低频变化还可能受到更长时间尺度信号的调制（He et al.，2007），尤其是厄尔尼诺和南方涛动（El NioSouthern Oscillation，ENSO）现象。ENSO是全球年际变率中最强的气候信号，尽管主要发生在热带太平洋，但ENSO能引起全球范围的气候异常。目前，大部分针对ENSO影响中国南方降水的研究集中在年际尺度上（Zhang et al.，1996；Wang et al.，2000；Yang et al.，2007；Xie et al.，2010；Zhang et al.，2016），ENSO对中国降水低频变化的影响一直研究较少。然而，ENSO对大气低频信号有着显著的调制作用。已有研究表明，MJO存在明显的与ENSO相联系的年际变化特征，El Nio期间MJO的强度往往偏弱（李崇银和周亚萍，1994）；El Nio事件发生时，大气低频振荡加快，周期呈现出缩短的趋势，而La Nia事件发生时大气低频振荡的周期有延长的趋势（邱明宇等，2006）。Zhang et al.（2015a）的研究表明，在El Nio年冬季，由于年际变率主导控制，低频振荡偏弱，而La Nia年冬季季节内振荡占主导地位。可见，ENSO位相对大气低频振荡有着明显的影响，有必要探索ENSO对中国降水低频变率的影响。

值得注意的是，近年来热带太平洋观测到了一类新型El Nio事件，不同于传统型El Nio事件，这类El Nio对应的海表温度（Sea Surface Temperature，SST）异常的暖中心不再位于赤道东太平洋，而是向西移到了赤道中太平洋区域，通常被称为“日界线El Nio”（Larkin and Harrison，2005）、“El Nio Modoki”（Ashok et al.，2007）、“中部型El Nio”（Central Pacific El Nio，CP型El Nio；Kao and Yu，2009）、“暖池El Nio”（Kug et al.，2009；Ren and Jin，2011）。盡管不同研究所用的名字和定义略有差异，但是他们所指现象的本质是一致的。为了描述方便，将传统型El Nio称为东部型El Nio（Eastern Pacific El Nio，EP型El Nio），而新一类El Nio称为中部型El Nio（CP型El Nio）。不少研究指出两类El Nio对东亚乃至全球气候异常有着明显不同的影响（Feng and Li，2011；Feng et al.，2011；Zhang et al.，2011，2012，2013，2014，2015b）。最近的研究表明，两类El Nio对MJO的调控也存在明显的差别，相比于CP型El Nio，EP型El Nio对冬季MJO的抑制作用更强（Chen et al.，2015；Pang et al.，2016）。两类El Nio对中国南方地区降水的低频变化是否也呈现出明显不同的特征，这一问题还有待系统的研究。

综上所述，本文主要探讨在不同ENSO位相（即El Nio和La Nia）以及两类El Nio背景下，我国南方降水低频变率是否存在差异，在各个季节上的是否表现出不同的特征，以及可能原因。

1资料与方法

使用资料包括：1）中国气象科学数据共享服务网站（http：//cdc.nmic.cn/）提供的中国2 474站（包括国家气候观象台、国家气象观测一级站、二级站）的逐日降水资料。2）美国国家环境预测中心/国家大气研究中心（NCEP/NCAR）提供的全球逐日再分析资料（Kalnay et al.，1996），网格距25°×25°，包括：海平面气压场、比湿（垂直方向共12层）、风场（垂直方向共17层）。研究时段为1979—2012年。

主要采用合成分析、Butterworth滤波等常用的气候诊断方法。为了计算异常，气候平均场取为研究时段中逐日变量的多年平均值。为了描述方便，文中的1979年冬季（DJF）指1979/1980年冬季。根据NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）CPC（Climate prediction Center）对ENSO事件的定义挑选ENSO事件，El Nio事件的分类主要参考Zhang et al.（2011，2014），即如果冬季SST异常暖中心在150°W以东则为EP型El Nio事件，在150°W以西则为CP型El Nio事件。最终共选取2次EP型El Nio事件（1982、1997年），7次CP型El Nio事件（1986、1991、1994、2002、2004、2006、2009年）和8次La Nia事件（1984、1988、1995、1998、2000、2005、2010、2011年）。由于ENSO次年夏季中国南方地区的降水特征较为复杂，暂时只选取ENSO当年的秋季（9—11月）、冬季（12月—次年2月）和次年春季（次年3—5月）3个季节进行分析。此外，文中以t检验方法对统计结果进行显著性检验。

2中国低频降水特征

在探讨ENSO对我国低频降水的影响之前，首先给出了1979—2012年秋、冬、春3个季节中国降水低频方差的空间分布（图1）。此处，用方差来表示低频变率的强度。由图1可见，无论是10～30 d波段还是30～60 d波段，降水低频变率强度都呈现出由东南向西北减少的趋势，最大的区域位于我国南方地区，其他地区较小。从两个波段低频方差的大小来看，各季节10～30 d方差明显大于30～60 d方差，前者的强度是后者的3倍之多。此外，两个低频波段的降水变率都是春季最大，秋季次之，冬季最小。

图2进一步给出了这两个波段低频降水方差占总降水方差的贡献率。在秋季，在整个中国区域10～30 d低频占总方差超过了10%，尤其在中国东部大部分地区超过了15%；冬季10～30 d低频比率在中国东南部超过了20%；春季其方差比率略微下降，不过在中国东部仍超过14%。相比而言，我国30～60 d低频降水的方差占比明显低于10～30 d波段，基本都在8%以下。由于30～60 d低频降水变率小，而10～30 d低频降水无论从方差总量还是方差贡献率来说都较大。鉴于10～30 d与30～60 d波段降水的方差贡献的对比结果基本与前人相关工作（黄菲等，2008）一致，因此主要讨论10～30 d变率的情况，研究的区域具体经纬度范围为110～120°E、22～30°N，该地区秋、冬、春3个季节10～30 d低频降水方差和方差贡献都较大。尽管10～30 d低频降水变率在西部地区也存在一些大值中心（图2a—2c），但由于其降水总方差很小，所以暂不考虑。

3ENSO对中国南方10～30 d低频降水变率的影响

为了定量描述ENSO对中国南方降水低频变率的可能影响，首先给出了冬季Nio34指数回归的同期秋、冬、春季中国10～30 d降水低频方差的空间分布（图3）。从图3中几乎找不到ENSO与中国低频降水变率线性相关信号，能够通过显著性检验的区域寥寥无几。考虑到ENSO的气候影响具有明显的非线性特征（Karori et al.，2013；李智玉等，2015），进一步将ENSO事件分为EP型El Nio、CP型El Nio和La Nia三类进行分类讨论，把3类ENSO事件的所有年份连在一起计算他们的方差并与气候态方差进行比较；先计算各个ENSO事件的方差再做合成分析得到的结果与前一种方法得到的结果几乎一致。

图4给出了各类ENSO事件秋、冬、春季10～30 d低频方差与气候态方差的空间差值分布，可以看出南方地区低频降水的强度在不同ENSO事件的不同阶段都存在明显差异。在EP型El Nio事件发展年秋季，10～30 d低频降水的强度在江南地区存在明显的正异常，而东南和华南沿海地区则出现负异常；冬春两季，南方地区10～30 d低频降水的强度异常类似，都表现为明显的正异常（图4a、4d、4g）。CP型El Nio期间秋、冬、春季南方地区10～30 d低频降水的强度表现各异，秋季大多为负距平；冬季主要为正距平；春季南方地区异常信号不稳定，既有正距平也有负距平。比较而言，EP型El Nio事件在成熟期过后，南方地區低频降水展现出了强的正距平，而且异常分布范围更广，而CP型El Nio对南方地区降水的影响较不稳定，说明EP型El Nio对中国南方地区10～30 d低频降水强度的加强作用更强。此外，La Nia事件期间的各季节10～30 d低频降水方差异常都比较小，并没有明显的、大面积的加强或减弱的特征出现（图4c、4f、4i），这表明La Nia对中国南方地区低频降水方差的影响也不太显著。

图5给出了Nio34指数与ENSO年3个季节10～30 d低频降水方差的散点分布，其中10～30 d低频降水的方差都经过了标准化处理，可以看出，CP型El Nio发展年秋季10～30 d低频降水总体强度偏弱，除2002年低频强度偏强之外，其余CP型El Nio年均偏弱；EP型El Nio年秋季10～30 d低频降水强度也在零值附近。CP型El Nio冬季10～30 d低频降水的总体强度有所增加，且7次CP型El Nio事件中有5次事件低频降水强度偏强；而两次EP型El Nio事件低频降水强度都明显偏强。到了El Nio年次年春季，CP型El Nio年低频降水的强度总体略低于总的平均值，除1986年和1991年这两次事件强度较常年有比较明显的偏强之外，其他事件较常年都较低或基本持平；

而两次EP型El Nio事件则依然高于正常年份。El Nio年秋、冬、春3个季节Nio34指数与标准化10～30 d低频方差之间的相关系数分别为017、062、084，其中冬季和春季的相关系数分别通过了90%和95%的置信度检验。由此可以发现，在El Nio成熟期及成熟期之后，海温异常越强，中国南方地区10～30 d低频降水的强度也更强，具有比较明显的线性特征。此外，La Nia事件对应的中国南方地区低频降水基本没有明显变化，总体来说接近于常年平均值，这也与图4的结果相一致，说明La Nia对我国南方地区降水低频方差的影响不明显。总而言之，CP型El Nio对低频降水的影响表现出了很强的季节依赖性，秋季和冬季几乎成反向变化；尽管EP型El Nio在秋季对低频降水的影响不显著，但在随后的冬季和春季都有利于低频降水的增强。

4ENSO影响中国南方地区低频降水的可能原因

由以上分析可知，不同ENSO事件的不同發展阶段，我国南方地区10～30 d低频降水强度表现出明显不同的特征，尤其是El Nio事件期间，低频降水方差与El Nio事件的强度存在较明显的正相关，即El Nio越强，我国南方地区10～30 d低频降水的方差越大；而La Nia对我国南方地区10～30 d降水低频方差的影响并不明显。造成这一现象的物理原因并不清楚，前人的研究中表明，水汽输送的异常与中国南方地区低频降水的异常有很大的关系（任宏利等，2005；左金清等，2009；张玉洁等，2014；沈雨旸等，2016），以下将从平均场的角度探讨他们的可能原因。

图6给出了ENSO年各季节水汽输送与水汽通量散度的分布情况，可以看到，EP型El Nio期间西北太平洋存在明显的反气旋型水汽通量，反气旋西侧的西南气流有利于从热带洋面上向东亚输送暖湿水汽。强的水汽辐散出现在印—太暖池区域，而在我国南方地区有着较强的辐合，且这一特征在EP型El Nio的秋、冬、春季都很明显，这也与前人的研究结果一致。值得一提的是，在EP型El Nio秋季，南方水汽的辐合区并不在中国东南沿海地区，而是在偏西的区域，这与图4a低频降水强度异常有一定的对应关系。CP型El Nio季节平均的大气环流场与EP型El Nio有着较大的差异，在其发展年秋季，西北太平洋存在着一气旋性异常环流（图6b）。受气旋性异常环流的影响，中国南方地区秋季都是以偏北风为主，抑制由热带向东亚大陆的水汽输送，中国南方也以水汽辐散为主。有关两类El Nio对东亚秋季气候的反向影响结果与前人工作一致（Zhang et al.，2011，2014）。进入CP型El Nio年冬季，之前的西北太平洋气旋并没有持续，取而代之为反气旋性异常（图6e），这可能跟CP型El Nio对应的赤道太平洋暖海温东移以及东亚气候态的季节转变有关。尽管此反气旋异常相比EP型El Nio强度偏弱，其仍能引起中国南方的水汽辐合。CP型El Nio次年的春节，西北太平洋反气旋强度大大减弱，对中国南方降水的影响较小（图6h）。

与EP型El Nio类似，CP型El Nio的季节平均的水汽输送情况与降水低频活动特征相一致，例如，对应秋季平均水汽输送的偏少，中国南方降水低频活动偏弱，除了2002年，其他6次事件都为减弱（图5a）；对应春季平均水汽输送增强，南方降水低频活动也偏强（图5b）。La Nia年大气响应与EP型El Nio大致相反，一般而言在西北太平洋以气旋性异常为主，但其空间形态和强度与EP型El Nio相比较弱（图6c、6f、6i），对我国南方降水的影响也存在较大的不确定性，这与前人的结论一致（Zhang et al.，2015b；Geng et al.，2016）。类似地，La Nia年各个季节的低频降水强度表现出了较大的不确定性，几乎一半的事件偏强，一半的事件偏弱（图5）。

一般而言，ENSO事件主要是通过西北太平洋大气异常影响东亚气候，这与图6的结果一致。为了进一步确认西北太平洋大气异常在连接ENSO与我国南方地区10～30 d的低频降水变率的联系，图7给出了ENSO年秋、冬、春季菲律宾反气旋指数与10～30 d低频降水方差的散点图。此处，根据Wang et al.（2000）的定义，计算菲律宾海域（120～150°E，10～20°N）海平面气压距平场的区域平均值，来衡量菲律宾附近大气环流的异常情况。与图5类似，除了秋季，El Nio事件期间菲律宾大气环流异常指数和南方地区10～30 d降水方差存在比较明显的线性关系，冬季和春季的相关系数分别可以达到058和083，分别能够通过90%和95%的置信度检验，即菲律宾反气旋越强，其西侧的西南风距平越强，向中国南方地区输送的水汽也越多，该地区10～30 d降水低频方差也越大。由于秋季两类El Nio引起的西北太平洋大气环流异常存在较大的差异，产生了强的不对称性，因此线性关系很弱。

相比于图5，冬春季的相关系数偏弱，这说明相比大气环流，SST能更好地表达ENSO信号，这是由于其有较强的持续性和稳定性，而大气信号存在着内部变率且易受其他信号的干扰而表现出一定的不稳定性。总而言之，ENSO对我国南方降水低频信号的影响与季节平均背景场有很好的对应关系，也就说，当南方季节平均的水汽增多时，10～30 d的降水信号也增强，反之也成立。可见，平均环流对局地低频活动有着较明显的调制作用，对于我国降水的季节预测具有一定的参考意义。

5结论与讨论

1）不同类型的ENSO事件对中国南方地区10～30 d低频降水方差的影响差异明显。EP型El Nio事件的影响明显强于CP型El Nio事件和La Nia事件。EP型El Nio年，中国南方地区10～30 d波段低频降水的方差增强，尤其是冬春季节；CP型El Nio却展现出了较复杂的关系，在其发展年秋季低频活动减弱，而在其成熟期的冬季低频活动增强，春季影响较小；La Nia年，低频降水方差变化幅度较小，且信号很不稳定。

2）在发展年秋季，ENSO强度与10～30 d低频降水强度呈现非线性关系；而在ENSO年的冬季及次年春季，ENSO强度与10～30 d低频降水强度呈现出显著的线性关系，即ENSO强度越强，中国南方地区10～30 d波段低频降水的强度也越强，不过这种线性关系主要是El Nio的贡献，La Nia的影响不稳定。

3）ENSO事件对中国南方地区10～30 d波段低频降水方差的影响与其对西北太平洋大气环流季节平均的背景场相一致，也就是说，如果ENSO引起向中国南方背景水汽输送增多，其低频降水也越活跃，反之，如果ENSO引起向中国南方水汽减少，其低频降水也会受到抑制。

本文初步讨论了ENSO对中国南方地区10～30 d低频降水强度的影响，并尝试将之与季节平均背景场联系在一起，可以对低频的预测思路提供一些参考。然而，由于中国区域低频降水的变化异常复杂，可能与热带和中高纬的大气低频信号都有关，本文仅从ENSO单一因子来分析其异常，存在着一定的不确定性，由于选取的两次EP型El Nio都是强事件，其强度远远大于CP型El Nio和La Nia事件，其他强度的EP型El Nio事件的影响可能与这两次强事件不同，因此文中的结论也可能受到选取个例的影响；此外，有关背景态与低频之间如何联系在一起，本文没有讨论这一复杂的机理问题，这有待将来进一步深入的研究。

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Possible impacts of ENSO on the intraseasonal variability of precipitation over southern China

ZHANG Wenjun，LEI Xuben，GENG Xin，QI Li

Key Laboratory of Meteorological Disaster，Ministry of Education/Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China

In this study，the features of intraseasonal（10—30 d） precipitation variability over southern China during the autumn，winter and following spring season of different types of ENSO events are analyzed based on the Hadley Centre sea surface temperature（SST），National Centers for Environmental Prediction（NCEP） and National Center for Atmospheric Research（NCAR） atmospheric circulation data，and China daily rainfall station data.The results show that the impacts of different ENSO types on the intraseasonal（10—30 d） precipitation variability over southern China vary with the different seasons.During the winter and following spring of EP El Nio events，the 10—30 d precipitation variability over southern China is significantly enhanced.Intraseasonal precipitation variance is weakened during the CP El Nio autumn，yet strengthened during the CP El Nio winter，thus showing inverse features.The impacts of La Nia events on the 10—30 d precipitation variabilities are relatively minor and unstable.Further analyses show that the impact on the 10—30 d precipitation variability is closely related to the responses of seasonal atmospheric circulation anomalies over the western North Pacific associated with ENSO events.Compared with normal years，a strong anticyclonic circulation anomaly occurs over the Philippines during the EP El Nio years.The anomalous southerly winds on the western side of the anticyclone transport much greater amounts of water vapor northward to southern China，which favors the strengthened 10—30 d rainfall variability.However，an anomalous cyclonic circulation occurs in the western North Pacific during the CP El Nio autumn，which suppresses the tropical water vapor transporting northward to the East Asian continent.During CP El Nio winters，an anomalous anticyclone appears over the western North Pacific，and though its intensity is weak，it accounts for the inverse low frequency rainfall responses in autumn and winter.When La Nia occurs，the anomalous cyclonic circulation over the Philippines is weak，which results in the relatively weaker responses of the 10—30 d precipitation variability over southern China.

southern China；10—30 d intraseasonal precipitation variability；ENSO

doi：1013878/j.cnki.dqkxxb.20170101001

（責任编辑：张福颖）