赤道印度洋偶极子对重庆夏季降水的影响分析

唐红玉，吴遥，董新宁，刘晓冉，魏麟骁，张驰

(重庆市气候中心，重庆 401147)

引言

长期以来，许多科学研究[1-5]发现，海洋和大气间有着密切的相互作用，且这种作用对气候的影响非常明显。就目前我国短期气候预测业务而言，非常重要的一个参考因素就是大尺度海气相互作用，相关的许多重要研究成果已广泛应用在短期气候预测业务中。处于西南地区的重庆，其气候往往受西南季风的影响，而印度洋作为西南季风的发源地，为季风雨供给着水汽和各种能量, 印度洋海区海面温度(以下简称“海温”)的异常变化，对西南地区乃至我国大部分地区天气气候的变化影响显著。如刘宣飞和袁慧珍[6-7]认为印度洋偶极子状态发生时中国西南部异常西南气流影响该地区降水。王黎娟等[8]、肖子牛等[9]、唐卫亚和孙照渤[10-11]研究了异常海温与降水及气温的关系。晏红明和肖子牛[12-13]，晏红明等[14]的数值模拟研究表明，印度洋赤道低纬地区的海温异常影响亚洲夏季风爆发时间及强度, 印度洋偶极子正位相增强了中国南方降水。贾小龙和李崇银[15]认为印度洋偶极子正位相年次年我国长江流域降水偏多, 华南降水偏少。闵锦忠等[16]认为当南海、孟加拉湾和阿拉伯海春季海温一致正异常时, 夏季副热带高压(以下简称“副高”)偏南偏西偏强, 长江流域降水偏多。管兆勇和周铁汉[17]研究了印度洋偶极子对1994年东亚地区干热的影响。李琰等[18]认为ENSO 事件与印度洋偶极子同时发生时，次年6月长江流域及以南地区降水较多。闫晓勇和张铭[19]认为印度洋正偶极子位相期间，东亚地区的西南季风爆发偏晚, 强度增强, 我国大陆降水增多。杨明珠和丁一汇[20]认为南印度洋偶极子事件对夏季降水在不同阶段所起作用不同。

在近年来重庆的短期气候预测工作中，短期气候诊断和预测业务人员发现，前期印度洋偶极子的位相变化与重庆夏季降水有明显的一致性，可能是重庆夏季短期气候预测的强信号之一。本文分析赤道(热带)印度洋偶极子(tropical Indian Ocean dipole, TIOD)与重庆夏季降水的关系，以期为短期本地夏季降水的短期气候预测提供参考。

1 资料与方法

文中高度场资料为NCEP/NCAR的再分析月平均资料, 网格距为2.5°×2.5°, 海温资料为英国气象局2°×2°的月平均全球网格点资料，资料年限均为1961—2017年共57 a。

降水资料为重庆市气候中心的重庆34个气象台站1961—2017年夏季降水量，文中气候值为1981—2010年的标准值。分析中所用的TIOD指数选自国家气候中心144项环流指数，其计算方法为热带西印度洋(10°S～10°N,50°E～70°E)的海温距平与热带东印度洋(10°S～0°，90°E～100°E)的海温距平之差；赤道太平洋海温东、西差指数(EWI)的计算方法为标准化Nio3指数与5°S～5°N，110°E～160°E区域标准化海温的差值。

本文时间序列相关分析均是指1961—2017年共57 a资料的统计分析。文中采用的主要分析方法有奇异值分解(SVD)，该方法对重庆夏季降水场和赤道印度洋区域海温场两个场进行耦合分析，方法的详细介绍见参考文献[21]。此外本文还应用了统计诊断分析中常用的多变量的经验正交函数分解(MV-EOF)、相关分析等气候统计诊断分析方法。上述统计诊断技术方法的详解及其在气象学中的应用实例详见参考文献[22]。

2 印度洋偶极子与重庆夏季降水的关系分析

2.1 印度洋偶极子指数与重庆夏季降水的关系事实

在我国短期气候预测业务中常用到的海温指数中，定义热带西印度洋和热带东印度洋区域内的海温距平差为TIOD指数，该指数对热带印度洋地区东、西海温西高东低(TIOD正位相)或西低东高(TIOD负位相)的空间分布模态特征有很好的表征，且研究[23]表明这种模态有明显的季节位相特征，其通常在夏季开始发展，秋冬季达到峰值，冬季则会很快衰减。

在重庆短期气候预测业务工作中发现，上年秋冬季TIOD与次年重庆夏季降水关系密切。图1为1961—2017年上年TIOD与次年重庆夏季降水变化，可以看出，重庆夏季降水异常年份，上年11月TIOD多有异常情况出现。如有气象记录以来重庆夏季降水最多的1998年，上年11月TIOD是1961年以来正异常最明显的一年，其距平值达到2.2；夏季降水第二多的2007年和第四多的1983年，上年11月TIOD也是1961年以来正异常较为突出，其中2007年上年11月TIOD指数值距平达到1.3，1983年上年11月TIOD指数值距平为0.59。分析前期与同期季和月TIOD与重庆夏季降水的相关也同样反映出重庆夏季降水与上年秋TIOD指数的关系最为密切，相关系数达到0.4，通过了95%的信度检验(表1)。由前期和同期各月TIOD指数与重庆夏季降水的关系(图2)可以看出，上年秋季和初冬12月TIOD与重庆夏季降水相关关系较同期明显(通过了90%的信度检验)，尤其是上年11月，二者之间相关系数达到了0.54，通过了95%的信度检验。

图2 前期和同期逐月TIOD与重庆夏季降水的相关分析图Fig.2 Monthly correlation between TIOD and summer precipitation in Chongqing from the last September to the synchronous August

图1 1961—2017年上年11月TIOD(蓝色线)其与重庆夏季降水距平百分率(橘色柱，单位：%)变化Fig.1 Variation of TIOD (blue line) in the last November and anomaly percentage of summer precipitation (orange bar, units: %) in Chongqing from 1961 to 2017

表1 前期和同期不同季节TIOD与重庆夏季降水的相关

由上年秋季和11月TIOD与重庆34个气象台站夏季降水的空间相关分析可见，秋季除重庆少部分地区外，大部分地区相关系数超过0.3，正相关关系较为明显(图3a)；而上年11月TIOD与重庆夏季降水的相关要显著得多，尤其是西部长江沿线及其以北地区，相关系数最高的可达0.8以上(图3b)，通过了95%的显著性检验。

图3 上年秋季(a)、11月(b)TIOD与重庆夏季降水的相关系数(扩大100倍)空间分布Fig.3 Spatial distribution of correlation coefficients (enlarged 100 times) between TIOD of the last autumn (a) and November (b) and summer precipitation in Chongqing

2.2 前期印度洋海温与重庆夏季降水的耦合关系分析

上述分析表明，重庆上年秋季11月TIOD指数的时间序列与重庆夏季降水的密切关系，说明重庆夏季降水与前期TIOD的时间序列相关关系显著，那么这种关系是否确实存在于重庆夏季降水与上年秋季TIOD分布型中呢？为此，选取1961—2017年赤道印度洋区域15°S～15°N、45°E～115°E范围内海温资料与重庆34个气象台站夏季降水资料，采用SVD方法，分析前期印度洋海温和重庆夏季降水两个场的空间分布型耦合关系。

由两场耦合的第一模态空间分布型可以看出，当上年秋季印度洋海温表现出西正东负的模态分布型(图4a)时，对应的重庆夏季降水则表现出正位相的分布型(图4b)，该分布型解释了两场模态分布型总方差的73.9%，表明这对空间分布型有着密切的耦合相关关系，是两场最为重要的耦合分布模态。该分布型的时间系数也表明，前期赤道印度洋海温东西相反的模态变化和重庆夏季降水存在基本一致的年际变化(图4c)关系，两场时间序列相关系数为0.4，统计相关关系明显且通过了95%的信度检验。由两场耦合的第二模态空间分布型可以看出，当上年秋季印度洋海温表现出基本的一致正(负)距平模态分布型(图5a)时，对应的重庆夏季降水则表现出大部分地区负(正)位相的分布型(图5b)，该分布型解释了两场总方差的13.1%，两场时间序列相关系数为0.38，通过了95%的信度检验，虽然其方差贡献较小，但是仅次于第一模态的两场耦合模态，表明这对空间分布型也有较为密切的耦合相关关系。由二者的时间系数变化(图5c)可以看出，该模态似乎更多地反映了前期赤道印度洋海温和重庆夏季降水的年代际变化关系。总之，两个模态累计方差贡献占总方差的87%，仅前两个模态就已经能解释两场的主要耦合分布型，且第一耦合模态方差贡献远远大于其他模态，是两场最为主要的耦合分布模态。由时间系数的变化可以看出，第一模态主要反映出两场年际变化的相互作用与影响，对季节气候预测的意义更为明显，故在下文的分析中，主要分析代表TIOD第一耦合模态的分布型对重庆夏季降水的影响。

图4 上年11月印度洋海温(a)与重庆夏季降水(b)的奇异值分析第一模态空间分布型及两场的时间系数(c；紫色线：重庆夏季降水，蓝色线：印度洋海温)Fig.4 The first mode of singular value decomposition of SST of the last November in the Indian Ocean (a) and summer precipitation in Chongqing (b) and time coefficients (c) between summer precipitation in Chongqing (purple line) and SST in the Indian Ocean (blue line)

图5 上年11月印度洋海温(a)与重庆夏季降水(b)的奇异值分析第二模态空间分布型及两场的时间系数(c；紫色线：重庆夏季降水，蓝色线：印度洋海温)Fig.5 The second mode of singular value decomposition of SST of the last November in the Indian Ocean (a) and summer precipitation in Chongqing (b) and time coefficients (c) between summer precipitation in Chongqing (purple line) and SST in the Indian Ocean (blue line)

以上分析确实说明上年秋季TIOD模态与重庆夏季降水存在正相关关系，即当上年秋季11月TIOD出现西正东负的正位相状态时，重庆次年夏季降水易出现全区域一致偏多的分布型，而当上年秋季11月TIOD出现西负东正的负位相状态时，重庆次年夏季降水易出现一致偏少的分布型。空间相关分布也表明，赤道印度洋上年秋季TIOD与重庆各地夏季降水为正相关关系，高相关中心位于重庆中西部地区，最大相关系数在0.8以上。SVD分析也证实了上年11月TIOD是重庆夏季降水预测的重要前兆影响信号，这种关系对于重庆夏季降水的气候预测具有较强的指示意义，是重庆夏季气候预测的重要前兆信号之一。

3 印度洋偶极子影响重庆夏季降水的成因分析

影响因子及机理的揭示是气候预测能力提高的关键所在，而决定短期气候变化的根本原因是海陆气相互作用[24]。气候预测相关业务和科研人员长期的预测业务实践表明，海洋异常在全球气候异常和海气相互作用方面有重大作用，这也在海气相互作用方面的理论研究进展和气候系统模式的发展中均得到了证实[25-26]。若想追根溯源影响某一地区气候的最终原因，需先分析影响其气候的直接原因，即大气环流。为了解上年秋季TIOD与重庆夏季降水关系密切的原因是否为印度洋海温异常通过对大气环流的影响，从而造成重庆夏季降水的异常，首先需清楚影响重庆夏季降水的主要环流系统。图6a是重庆夏季降水与同期夏季500 hPa高度场的相关，可以看出，重庆夏季降水的偏多(或偏少)与欧亚地区中高层大气环流高、中、低纬度+、-、+(-、+、-)的高度距平分布有关，其代表的主要大气环流系统是高纬度乌拉尔山以东巴尔克什湖以北地区的阻塞高压(简称“乌山阻高”)、中纬度的低值系统、低纬度的西太平洋副热带高压和印度低压。即说明当乌山阻高明显、中纬度30°～37°N多低值系统，西太平洋副高偏强、位置偏南时，重庆夏季降水偏多。

进一步分析上年11月TIOD与夏季500 hPa高度场的相关 (图6b)，可以看出，其与重庆夏季降水和高度场的相关几乎一致，上年11月TIOD与夏季高度场的相关同样显示出从高纬度到低纬度“+、-、+”的相关分布，反映出当上年11月TIOD正位相(负位相)时，次年夏季环流场上从高到低均表现出乌山阻高明显(不明显)、中纬度30°～37°N多(少)低值系统，西太平洋副高偏强(弱)、位置偏南(北)的特征。利用目前业务定义的副高特征指数，计算西太平洋副高强度、脊线、西伸脊点指数与重庆夏季降水的相关系数可知，重庆夏季降水与其强度呈明显正相关，与脊线呈明显负相关，同时与西伸脊点呈弱的负相关关系(表2)，也证明当西太平洋副高偏强(弱)偏南(北)偏西(东)时，重庆夏季降水易偏多(少)。

图6 重庆夏季降水(a)和上年秋季TIOD(b)与夏季500 hPa高度场的相关(黑色区域为相关系数小于等于-0.3的区域，灰色区域为相关系数大于等于0.3的区域)Fig.6 Correlation (a) between summer precipitation in Chongqing and summer geopotential height at 500 hPa as well as that (b) between TIOD of the last autumn and summer geopotential height at 500 hPa (black area for correlation coefficients equal to or less than -0.3, gray area for correlation coefficients equal to or greater than 0.3)

表2 西太平洋副高指数与重庆夏季降水的相关

上述特征正好是重庆夏季典型的降水偏多的大气环流型，而上年秋季赤道印度洋海温的偶极型分布与这种大气环流型密切关联。LI and MU[27]也发现，赤道印度洋海温偶极子指数与全球500 hPa位势高度间相关系数的分布，在北半球极为明显的是25°～40°N纬度上空有一条负相关带，且一些滞后相关系数的计算表明，TIOD指数超前5个月时相关的形势也存在。本文的分析与其结论一致，但发现这种关系超前7个月也仍然存在。

进一步计算提取影响重庆夏季降水的500 hPa环流关键区平均距平值，包括a指数：15°～25°N、100°～130°E(西太平洋副高区)，b指数：20°～25°N、71°～85°E(印度低压区)，c指数：33°～38°N、100°～130°E(中纬度低值系统区)，d指数：46°～55°N、60°～90°E(乌山阻高区)，连同上年秋季11月TIOD和重庆夏季降水量(R)共6个变量，进行标准化处理后再进行MV-EOF。结果发现，分解后前两型模态累积方差贡献可占到总方差的83.1%，能反映大多数降水的环流和前期秋季TIOD配置型。分析结果显示，重庆夏季降水偏多时，上年秋季TIOD和同期大气环流配置型包括：第一型，上年秋季TIOD正位相，次年夏季乌拉尔山有阻塞高压发展、西太平洋副高偏强偏南、印度低压偏弱、中纬度气旋等低值系统活跃(图7a)；第二型：上年秋季TIOD正位相，次年夏季乌拉尔山无阻塞高压发展、西太平洋副高偏弱、印度低压偏强、中纬度气旋等低值系统偏强(图7b)。故在重庆夏季降水偏多的环流型中，中纬度有低值系统是相对最为关键的因素，再加上阻塞高压和西太平洋副高的配合，极易造成重庆夏季降水的偏多。

图7 影响重庆夏季降水的大气环流主要关键区指数和上年11月TIOD指数多变量经验正交分解(a.第一模态，b.第二模态)Fig.7 Multivariate empirical orthogonal function of key circulation indexes that affect summer precipitation in Chongqing and TIOD of the last November (a. the first mode, b. the second mode)

由上文分析可知，重庆夏季降水偏多的年份除西太平洋副高的加强西伸和位置偏南外，中纬度有低值系统的配合也较为关键。上年秋季TIOD正位相的次年夏季，中纬度上空易出现低值系统，从而重庆夏季降水易偏多。但统计发现，在少部分年份上年秋季TIOD负位相的次年夏季，重庆夏季降水出现了偏多的情况(图1)，其原因是否是太平洋海温对降水起到了一定的作用呢？选取重庆夏季降水历史最多的5 a和历史最少的5 a，分别分析其上年秋季(图8a、c)和冬季(图8b、d)印度洋和太平洋海温距平分布。在重庆夏季降水偏多年，上年秋季(图8c)和冬季(图8d)印度洋海温呈西北正东南负的分布(即TIOD为正位相)，而赤道中西太平洋则为西负东正的距平分布，少雨年正好相反(图8a、b)，说明除赤道印度洋外，赤道太平洋海温对重庆夏季降水也有一定影响。为进一步分析少部分年份上年秋季TIOD负位相的次年夏季，重庆夏季降水也出现偏多的原因(此时TIOD作用是不明显的)，故计算EWI进行进一步分析。

图8 重庆夏季降水历史最少年(a、b)、最多年(c、d)上年秋季(a、c)、冬季(b、d)印度洋和太平洋海温距平分布(单位： ℃)Fig.8 Distribution of SST anomaly in the Indian Ocean and the Pacific in the last autumn (a, c) and winter (b, d) of years of the least (a, b) and most (c, d) summer precipitation in Chongqing (units: ℃)

下面深入分析上年秋季TIOD明显正位相时次年夏季重庆降水异常偏多的原因。图9为上年秋季TIOD明显正位相时次年夏季850 hPa风场距平场的合成图，可以看出赤道印度洋地区为异常的东风或东北风, 使得印度洋上空向北输送的水汽减少，但西太平洋地区的菲律宾反气旋异常偏强，有利于西太平洋副高加强西伸并位置偏南，沿西太平洋副高西南部有较强的西南气流，来自西太平洋的该支气流将充沛的水汽向西南方向输送，并与中高纬度异常偏北气流正好交汇于包括重庆在内的长江流域，从而造成重庆地区夏季降水的偏多。分析发现，在重庆夏季降水异常偏多的年份，如1997、2006和2015年，在上年秋季TIOD正位相异常的同时，赤道太平洋有 El Nio 现象发生。LI and MU[27]认为，赤道太平洋 ENSO 和TIOD通过异常的赤道大气纬向垂直环流联系，使得两事件有显著的相关并相互维持。李琰等[18]认为前期两事件正位相同时发生时, 两大洋间的连带关系使得西太平洋暖池的下沉运动加强，而这种剧烈的下沉运动也很可能存在一个延迟效应, 使得这种下沉持续到初夏。黄荣辉和孙凤英[28]的研究也表明，太平洋暖池热状态与菲律宾的对流活动强弱存在正相关关系, 当热带西太平洋暖池温度下降时, 暖池的暖水向东传播, 菲律宾周围对流活动减弱，在该地区有反气旋环流异常, 这将有利于西太平洋副高西伸和季风雨带在长江流域的维持。与上述的研究结论一致，本文的分析结论从另一个角度证实，当上年秋季TIOD出现异常正位相时，后期西太平洋菲律宾地区有反气旋的环流异常，从而有利于西太平洋副高加强西伸和位置偏南，从而不断给长江流域输送水汽，加之高纬度乌山阻高和中纬度低值系统的配合，极易造成重庆夏季降水的偏多。而当赤道太平洋有ENSO暖事件和前期TIOD事件同时发生时，两事件有显著的相关并相互维持，两个事件的作用相互叠加，使得西太平洋地区菲律宾反气旋异常偏强，进而使得西太平洋副高加强西伸并位置偏南，同时我国东部至西北太平洋30°～40°N区域范围的低值系统异常活跃，从而造成重庆夏季降水的极端异常偏多。由此可见，前期赤道印度洋海温和前期及同期赤道太平洋海温的异常型是影响重庆夏季降水异常的前兆信号，提前关注这两个信号，可为重庆夏季气候趋势预测提供有意义的参考。

图9 上年秋季TIOD明显正位相次年夏季850 hPa风场距平Fig.9 Wind anomaly at 850 hPa in summer when TIOD is in obviously positive phase in the last autumn

4 结论与讨论

1)上年秋季TIOD模态与重庆夏季降水存在正相关关系，即当上年秋季11月TIOD出现西正东负的正位相状态时，重庆次年夏季降水易现全区域一致偏多的分布型，而当上年秋季11月TIOD出现西负东正的负位相状态时，重庆次年夏季降水易出现一致偏少的分布型。这种关系对于重庆夏季降水的气候预测具有较强的指示意义，是重庆夏季气候预测的重要前兆信号之一。

2)上年11月TIOD与夏季500 hPa高度场的相关和重庆夏季降水与500 hPa高度场的相关几乎一致，均显示出从高纬度到低纬度“+、-、+”的相关分布，反映出当上年11月TIOD正位相(负位相)时，次年夏季环流场上从高到低均表现出乌山阻高明显(不明显)、中纬度30°～37°N多(少)低值系统活跃(不活跃)、西太平洋副热带高压偏强(弱)、位置偏南(北)的特征，这种特征正好是重庆夏季典型的降水偏多的大气环流型，而上年秋季赤道印度海温的偶极型分布与这种大气环流型密切关联。

3)当上年秋季TIOD出现异常正位相时，后期西太平洋菲律宾地区有反气旋环流异常，从而有利于西太平洋副高加强西伸和位置偏南，从而不断给长江流域输送水汽，加之高纬度乌拉尔山阴塞高压和中纬度低值系统的配合，极易造成重庆夏季降水的偏多。

4)当赤道太平洋有ENSO暖事件和前期TIOD事件同时发生时，两事件有显著的相关并相互维持，两个事件的作用相互叠加，使西太平洋地区菲律宾反气旋异常偏强，进而使得西太平洋副高加强西伸并位置偏南，同时我国东部至北太平洋30°～40°N区域范围的低值系统异常活跃，从而可造成重庆夏季降水的极端异常偏多。前期赤道印度洋海温和前期及同期赤道太平洋海温的异常型是影响重庆夏季降水异常的前兆信号，提前关注这两个信号，可为重庆夏季气候趋势预测提供有意义的参考。

5)对于重庆夏季降水，印度洋海温是一个有前兆性的影响信号，它与夏季北半球主要的大气活动中心和影响我国长江流域的大气环流系统之间有着相互联系，这种关系对短期气候预测业务有非常重要的指示意义。其主要原因可能是通过大气对海温的响应作用造成的。但对于其上年秋季TIOD正位相时菲律宾反气旋加强与重庆夏季降水偏多之间的物理机制以及TIOD与EWI处于正位相时，对菲律宾反气旋维持和加强、两大洋海温异常对重庆地区降水的不同作用等问题还不是很清楚。作者将在今后继续深入开展这方面的研究工作。