两类El Niño事件对华南前汛期降水异常的影响

李海燕，孙家仁，谌志刚，梁之彦，钟水新，叶希莹

(1.广州市气象台，广东广州511430；2.生态环境部华南环境科学研究所/国家环境保护城市生态环境模拟与保护重点实验室,广东广州510655；3.中国气象局广州热带海洋气象研究所/广东省区域数值天气预报重点实验室，广东广州510641)

1 引 言

ENSO事件是热带太平洋大范围海气相互作用现象，它不仅能引起热带太平洋地区大气环流和气候异常，还能通过大气遥相关作用引发全球范围的气候异常[1-11]。有关ENSO研究的新进展是发现了一类新的El Niño事件，其相关的海温异常（SSTA）中心位置位于赤道中太平洋地区[12-19]，故常被称作“Central-Pacific（CP） El Niño”[15]、“El Niño Modoki”[13-14]等；相比之下，传统型 El Niño事件相关的SSTA中心位于日界线以东的东太平洋地区，因此通常被称为“Eastern-Pacific（EP）El Niño”[15]。这两类 El Niño事件引起的环流异常和气候影响存在显著差异。研究发现，CP El Niño发生时，热带中太平洋地区为上升气流，两边为下沉气流[13-14]；CP El Niño相关的海温异常大值中心位于150°W附近，赤道中太平洋地区热含量的经向输送明显减弱[16]。Yu等[20-21]指出阿留申低压变化对 EP El Niño的强迫比 CP El Niño更为重要，类似于NPO的海平面气压分布型更容易促发CP El Niño的发生。另外，EP El Niño时期，热带东太平洋温跃层和西风应力异常发生明显变化，CP El Niño时期，温跃层没有显著变化[15,20-23]。

我国华南地处热带、亚热带气候区，濒临热带西太平洋沿岸，其降水异常与El Niño事件紧密相关[24-31]。已有研究表明，EP El Niño事件，发展年夏季，华南降水偏少[24]；冬季，华南降水异常偏多为主[32]。CP El Niño发展年秋冬季，我国华南地区干旱[30,33]；次年春夏季，我国华南地区仍然少雨[34]。可见，以往有关不同类型El Niño事件对华南降水的影响的研究，主要关注的是El Niño事件相关的发展年或者衰减年各季节降水异常分布及其机理，很少有针对华南前汛期（4—6月）降水异常的研究，而华南前汛期降水预测，是短期气候预测的难点问题。目前不同类型El Niño事件对华南前汛期降水的影响尚不清楚，不同类型El Niño事件对华南前汛期降水异常的贡献差异如何也较少被关注，因此，有必要研究不同类型的El Niño事件对华南前汛期降水的关系，以便加深理解与El Niño相关的华南前汛期降水机制，为提高华南前汛期降水季节预测提供重要的科学依据。

如前所述，虽然过去在两类El Niño对我国东部降水异常的影响已经开展了一些工作，但是针对两类El Niño事件对华南前汛期降水异常影响的研究仍然偏少，对两类El Niño影响华南前汛期降水异常的差异和物理机制的认识尚不清楚。因此，本文进一步探索两类El Niño事件对我国华南前汛期4—6月逐月和平均降水的影响，形成两类El Niño事件与华南前汛期各月降水异常之间的物理模型，为我国华南前汛期降水异常的短期预测提供重要的科学依据。

2 资料与方法

2.1 资 料

本文所用资料为：（1）美国国家大气研究中心提供的NCEP-NCAR再分析气候资料，水平分辨率为2.5°×2.5°；（2）中国气象局气象数据中心提供的华南地区地面降水量站点观测资料；（3）NOAA的CPC（Climate Prediction Center）CMAP(Merged Analysis of Precipitation)月平均降水资料，分辨率为 2.5 °×2.5 °；（4）NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）CPC(Climate Prediction Center)公布的月平均Niño3.4（120～170 °W，5 °N～5 °S）、Niño3（90～150 °W，5 °N～5 °S）和 Niño4（5 °N～5 °S，150～160 °W）值；以上所有资料皆为月平均值，时间跨度皆取1980年1月—2016年12月。

美国国家海洋大气局地球物理流体动力学实验 室 （GFDL，Geophysical Fluid Dynamics Laboratory）是国际耦合模式比较计划第5阶段（CMIP5，Coupled Model Intercomparison Project 5）的主要参与成员，新一代模式CM3具有很高的分辨率，可以较好地模拟不同形态的El Niño信号，甚至能够提取ENSO的耦合模态特征[35-36]。因此，本文选取了CMIP5中的GFDL CM3模式的AMIP试验结果的月均资料进行研究。模式垂直分为 40 层，水平分辨率（lat×lon）为 0.625 °×2.0 °，积分时段为1979—2008年。

2.2 El Niño事件的选取

本文利用Niño3.4指数来挑选1980—2016年期间的El Niño事件（选取标准为：Niño3.4连续5个 月≥0.5℃），选 取 的 El Niño事 件 为 ：1982/1983、1986/1987、1991/1992、1994/1995、1997/1998、2002/2003、2004/2005、2006/2007、2009/2010、2015/2016 年。而对于两类 El Niño事件的分类是根据El Niño事件峰值期间冬季平均的Niño3 和 Niño4 指数来对上述 10 次 El Niño事件进行分类[17,23,37]，即当冬季 Niño3 指数大于 Niño4指数定义为 EP El Niño，反之为 CP El Niño事件（图1，见下页），由此我们得到了5次EP El Niño事件（1982/1983、1986/1987、1991/1992、1997/1998、2015/2016年）和 5次 CP El Niño事件（1994/1995、2002/2003、2004/2005、2006/2007、2009/2010 年）。

本文选取El Niño次年4—6月作为华南前汛期时段进行研究，因此本文此后所述华南前汛期如不做特别说明皆指El Niño次年4—6月。气候态取1980—2016年的各月平均值，选取不同的气候态如1980—2010年，其结果几乎一样，可见气候态对研究结果没有太大的影响，可以忽略；距平场是通过减去1980—2016年逐月气候平均场得到。在分析两类El Niño事件对华南前汛期降水异常影响时，主要用到的是合成方法，所有的合成都进行t检验。

3 两类El Niño事件与华南前汛期降水异常的联系

为了讨论两类El Niño事件与华南前汛期降水异常的关系，利用华南降水观测站点资料分别对选取的EP和CP型事件次年华南前汛期（4—6月）平均降水距平进行合成分析（图2）。观测结果表明，对于EP和CP El Niño次年华南前汛期，均表现为广东、广西大部分地区出现正降水异常，海南地区呈现负降水距平的特征。可见，两类事件合成的前汛期平均态降水异常差异并不明显，十分有必要深入探讨二者在逐月降水异常上的差异。因此，本文进一步选取EP和CP El Niño事件次年华南前汛期（4—6月）逐月降水距平进行合成分析（图3、图4）。图3是中国观测站点月平均降水资料合成的结果，图4是CMAP月平均降水资料的结果。

EP El Niño事件（图3a～3c）次年 4 月，广西、海南地区为负降水距平，广东地区为正降水距平，显著的降水异常区主要分布于广东珠三角及粤东地区，最大异常值约为133 mm/month。5月的降水正距平范围扩大，广西、广东地区为正降水异常，正中心最大强度为251 mm/month；而海南地区仍为弱的负降水距平。6月，广东西北部和广西大部分地区出现显著的正降水距平，最大正异常值为96 mm/month，而海南地区仍为降水负距平。可见，EP El Niño事件相关的4—5月广东、广西东部地区出现正的降水异常，正大值中心位于珠三角的阳江、江门、珠海一带（也是广东省的多雨中心），而海南大部分地区为弱的负降水异常；6月与前两个月的分布略有差异，即广西地区为正降水距平，而广东大部分地区为弱的负降水距平。CMAP月平均降水资料与站点观测结果分布基本一致（图4a～4c）。

图1 El Niño年冬季平均的Niño3指数（红色）和Niño4指数（绿色）值 单位：℃。

图2 两类 El Niño合成的华南前汛期降水异常 a.EP El Niño；b.CP El Niño。单位：mm/month。

图3 两类 El Niño合成的华南前汛期各月降水异常分布特征 a、b、c依次为EP El Niño的4、5、6月；d、e、f依次为CP El Niño的4、5、6月。只显示通过0.1显著性检验的观测站点。单位：mm/month。

对于 CP El Niño事件 （图3d～3f），4 月相关的降水分布除了广西西部地区为的弱正降水距平，其它地区为明显的负降水距平，最大异常值为-109 mm/month。5月负降水异常范围明显变大，华南大部分地区为明显负异常，强度略变强，最大异常值约为-114 mm/month。6月总体分布与4、5月相反，广西、广东地区为明显的正降水距平，海南地区为负降水距平。可见，CP El Niño事件次年的4、5月的降水以负降水距平为主，而6月广西、广东地区降水异常是以偏多为主。CMAP月平均降水资料与站点观测结果分布基本一致（图4d～4f）。

可见，虽然EP和CP El Niño事件相关的华南前汛期降水在平均态异常上无明显差异，但二者在4—6月降水分布上呈现出显著的月际差异。具体表现为4、5月EP型是以降水偏多为主，而CP型是以降水偏少为主；6月与之相反，EP型相关的广东地区降水异常主要为负降水距平，而CP型相关的华南降水表现为显著的正距平分布特征。由于此两类El Niño事件合成的华南前汛期降水异常在4、5月与6月是相反的，正负抵消作用使得两类事件相关的前汛期平均态降水异常差异并不明显。

图4 同图3，但为CMAP资料的结果 圆点为降水异常通过0.1显著性检验的正负异常区域。单位：mm/month。

4 可能的作用机制

如前所述，EP和CP El Niño事件相关的4—6月降水分布之间存在显著月际差异。那么导致两类El Niño事件相关的华南前汛期降水异常的原因和可能作用机制是什么？有必要从两类El Niño事件相关的大气环流动力、热力条件变异等方面加以解释。

由两类El Niño事件前汛期合成的对流层中层（500 hPa）的位势高度异常的空间分布（图5a、5b）可见，EP型合成的4、5月相关的500 hPa西太平洋暖池北部与鄂霍次克海-白令海上空呈现南正北负跷跷板型的结构，这种跷跷板型被称为反西太平洋型（WP型，西太平洋型为北正南负），该遥相关结构与EAP型（东亚太平洋型）比较类似[38-40]，反WP遥相关型对应偏强的副热带高压，使得4—5月退居在中太平洋的副热带高压显著偏强西伸，有利于副高西侧的西南气流向华南地区输送水汽，导致华南降水偏多；6月（图5c）相关的500 hPa异常场与4、5月相反，东北地区的位势高度异常偏低，使得东亚大槽较常年偏强，槽后下沉气流偏强，有利于冷空气往南方地区输送，不利于南边洋面的暖湿气流往广东地区输送，对应降水偏少。CP型（图5d、5e）相关的4、5月的500 hPa异常场上鄂霍次克海-东北地区的位势高度异常分布与EP型的相反，即位势高度异常偏低，使得东亚大槽较常年偏强偏北，槽后下沉气流偏强，不利于南边洋面的水汽往华南地区输送，对应降水偏少；6月（图5f）的位势高度异常分布从西太平洋北部-鄂霍次克海-白令海上空呈现“+-+”的EAP型，有利于华南地区降水的增多。

图5 两类El Niño事件合成的前汛期500 hPa位势高度异常场 a、b、c分别为EP El Niño的4、5、6月；d、e、f为CP El Niño的4、5、6月。填色为通过0.1显著性检验的正负异常区域。单位：gpm。

图6 给出了两类El Niño事件前汛期合成的850 hPa风场异常场。对于EP El Niño次年4、5月（图6a、6b），西北太平洋地区存在强反气旋性环流异常，其北边缘在30°N附近，这种发生在对流层低层的反气旋西侧的西南风异常有利于将南部沿海的暖湿气流向我国华南大陆输送，为该地区降水偏多（图3a、3b）提供了一定的动力和水汽条件；6月没有显著的西北太平洋反气旋环流（图6c），因此广东地区没有明显的水汽输送，但是来自孟加拉湾的偏南气流为华南西部的广西地区带来水汽，因此对应广西地区降水偏多。CP El Niño事件，4、5 月在 850 hPa等压面上（图6d、6e），西太平洋地区没有反气旋性环流，不利于水汽往华南陆地输送，使得华南地区的降水偏少（图3d、3e）；6月有明显的偏南风（图6f），有利于增强华南降水。

水汽条件是降水异常的重要条件。因此，诊断水汽输送异常的变化，将有助于理解两类El Niño相关的我国华南前汛期降水异常影响的可能机制。图7给出了两类El Niño事件合成的前汛期整层水汽输送通量异常及水汽通量散度分布。对于EP El Niño事件，合成的水汽输送图中可以看出，4、5月西北太平洋地区存在反气旋性水汽输送（图7a、7b），从南边洋面上往华南陆地的水汽输送显著，对应华南大部分地区为水汽辐合，该水汽输送异常主要是由于El Niño期间西北太平洋地区反气旋环流异常引起的，使得更多的水汽往中国华南地区输送；华南大部分地区降水偏多（图3a、3b）；6月虽然西北太平洋地区存在反气旋性水汽输送（图7c），但是反气旋位置偏北，广东地区处于水汽辐散区，对应降水偏少，而广西地区为水汽辐合区，因此降水偏多。CP El Niño事件相关的4、5月我国华南地区西太平洋地区的水汽输送（图7d、7e）很弱，没有显著的偏南风，且水汽辐合不明显，因此对应的华南地区为负降水异常（图3d、3e）；而 6月（图7f），有偏北气流和偏南气流的水汽输送，且华南地区为明显的水汽辐合，因此降水偏多（图3f）。

图6 两类El Niño事件合成的前汛期850 hPa的风场异常分布（矢量，填色为风速大小，单位：m/s）a、b、c 为 EP El Niño的 4、5、6 月；d、e、f为 CP El Niño的 4、5、6 月。只显示通过 0.1 的显著性检验的区域。

图7 两类El Niño事件合成地面～300 hPa华南前汛期整层水汽通量距平场（矢量，只显示通过0.1的显著性检验，单位：kg/（m·s））及水汽通量散度（阴影，单位：10-5kg/（m2·s））a、b、c为EP El Niño的4、5、6月，d、e、f为CP El Niño的4、5、6月。

综上可见，EP El Niño事件，4、5 月 500 hPa上存在一个异常反WP遥相关型，对应偏强的副热带高压，有利于副高西侧的西南气流向华南地区输送水汽；此外，850 hPa上西北太平洋地区为反气旋异常，这种中低层配置使得我国华南地区受西北太平洋地区反气旋异常西侧西南暖湿气流异常影响，且广西、广东地区为明显的水汽辐合，对应降水异常偏多；6月相关的500 hPa异常场上东北地区的位势高度异常偏低，使得东亚大槽较常年偏强，槽后下沉气流偏强，且广东地区处于水汽辐散区，对应降水偏少，而广西地区为水汽辐合区，因此降水偏多。CP型相关的4、5月的500 hPa异常场上鄂霍次克海至东北地区的位势高度异常分布与EP型的相反，即位势高度异常偏低，使得东亚大槽较常年偏强，槽后下沉气流偏强，不利于南边洋面的水汽往华南地区输送，且该地区为水汽辐散，对应降水偏少；6月的位势高度异常分布从西太平洋北部-鄂霍次克海-白令海上空呈现“+-+”的EAP型，且存在偏北气流和偏南气流的水汽输送，华南地区为明显的水汽辐合，因此降水偏多。

5 模式模拟结果

以上观测分析发现，EP和CP El Niño事件相关的4—6月降水分布存在显著差异，即4、5月EP型是以降水偏多为主，而CP型是以降水偏少为主；6月则相反，EP型相关的6月降水分布与4、5月相比差异小，主要是广东地区降水异常为负降水距平，而CP型相关的6月降水与4、5月的分布明显相反，表现为显著的正降水距平。为了验证这一结论，我们选取AMIP5（大气模式比较计划）的GFDL模式，模式从1979年积分至2008年（因此不包括2009/2010事件）。

图8和图9分别给出了GFDL模式模拟的EP和CP El Niño事件的华南前汛期降水异常及850 hPa风场异常分布结果。EP El Niño事件，GFDL大气耦合模式模拟的EP型相关的广西和广东大部分地区4、5月的降水异常偏多（图8a、8b），且通过了0.1的显著性检验，与观测结果基本一致（图3a、3b），对应的850 hPa西北太平洋地区为反气旋环流控制（图9a、9b），有利于洋面上的暖湿气流往华南地区输送，但是反气旋偏东偏北（图9a、9b），因此降水异常分布相对于观测结果正异常较弱。6月降水为弱的正距平，但是没有通过显著性检验，与观测结果略有偏差，特别是广东地区的偏差较大（图8c），可能与模式模拟的风场存在偏差有关（图9c）。CP El Niño事件相关的华南 4、5月降水与观测结果基本一致，即4、5月广东地区降水偏少，广西降水偏多（图8d、8e），对应850 hPa风场上没有显著的反气旋环流水汽输送（图9d、9e）；而6月广西地区降水以偏多为主，广东中东部地区降水偏少，这与观测结果相反（图8f），对应的模式没有模拟出850 hPa风场的偏南风和偏北风的输送（图9f）。

图8 GFDL大气耦合模式模拟的两类El Niño合成的华南前汛期各月降水异常分布特征a、b、c 分别为 EP El Niño的 4、5、6 月；d、e、f为 CP El Niño的 4、5、6 月。圆点表示降水异常通过 0.1 的显著性检验。单位：mm/month。

图9 GFDL大气耦合模式模拟的两类El Niño事件合成的华南前汛期各月850 hPa的位势高度（填色单位：gpm）和风场（矢量，单位：m/s）异常分布 a、b、c 分别为 EP El Niño的 4、5、6 月，d、e、f分别为 CP El Niño的 4、5、6 月。只显示通过0.1的显著性检验。

6 结论和讨论

本文利用气候学统计方法讨论了两类El Niño事件与华南前汛期降水异常的联系。并结合AMIP5的GFDL大气模式探讨了两类事件对华南前汛期降水异常的影响，分析了其可能作用机制。

观测资料分析表明，EP/CP El Niño事件相关的4—6月降水分布存在显著差异，即4、5月EP型是以降水偏多为主，而CP型是以降水偏少为主；6月则相反，EP型相关的6月降水分布与4、5月的差异是广东地区降水异常为负降水距平，而CP型相关的6月降水与4、5月的分布明显相反，表现为显著的正降水距平。正是由于这种降水异常的月变化差异，使得两类事件合成的前汛期平均态降水异常差异并不明显，探讨二者在逐月降水异常上的差异显得尤为必要。进一步分析发现，EP El Niño事件，4、5 月 500 hPa 上存在一个异常反WP遥相关型，对应偏强的副热带高压，有利于副高西侧的西南气流向华南地区输送水汽；此外，850 hPa是西北太平洋地区为反气旋异常，这种中低层配置使得我国华南地区受西北太平洋地区反气旋异常西侧西南暖湿气流异常影响，且广西、广东地区为明显的水汽辐合，对应降水异常偏多；6月相关的500 hPa异常场上东北地区的位势高度异常偏低，使得东亚大槽较常年偏强，槽后下沉气流偏强，且广东地区处于水汽辐散区，对应降水偏少，而广西地区为水汽辐合区，因此降水偏多。CP型相关的4、5月的500 hPa异常场上鄂霍次克海-东北地区的位势高度异常分布与EP型的相反，即位势高度异常偏低，使得东亚大槽较常年偏强，槽后下沉气流偏强，不利于南边洋面的水汽往华南地区输送，且该地区为水汽辐散，对应降水偏少；6月的位势高度异常分布从西太平洋北部-鄂霍次克海-白令海上空呈现“+-+”的EAP型，且存在偏北气流和偏南气流的水汽输送，华南地区为明显的水汽辐合，因此降水偏多。

GFDL大气耦合模式模拟的EP型相关的广西和广东大部分地区4、5月的降水异常偏多，与观测结果基本一致，对应的850 hPa西北太平洋地区为显著的反气旋环流控制；6月降水与观测结果略有偏差。CP El Niño事件相关的华南4、5月降水与观测结果基本一致；而6月与观测结果相反。可见，模式结果对EP/CP型的4、5月模拟与观测结果基本一致，较好地模拟出EP El Niño相关的华南前汛期降水异常分布和大气响应结构特征，但是对EP/CP型6月降水异常的模拟与观测存在一定偏差。

本文未从更精细的时间尺度（如逐日、逐候等）上探讨两类El Niño事件与华南前汛期降水异常的联系，今后工作中有必要开展进一步研究。