赤道太平洋海温异常对宁夏7月降水的影响

张 雯，马 阳，李 欣，郑广芬，王素艳，黄 莹

(宁夏气候中心，宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏 银川 750002)

引 言

夏季降水趋势预测是短期气候预测最重要的业务内容之一[1]，影响我国夏季降水的因素十分复杂，受到诸如海洋、海冰、积雪、土壤等外强迫因素共同作用的同时，气候背景噪音很强，致使降水的预测难度很大[2-4]，特别是近年来频繁发生的极端天气气候事件也给短期气候预测带来很大的不确定性和严峻挑战[5-6]。宁夏位于西北干旱半干旱区和东部夏季风区交界地带，地处西北内陆、区域面积小，在夏季降水趋势预测中，考虑前期外强迫和大气强信号制作的预测结果，往往因1～2次短期强降水过程而改变，特别是在气候变暖背景下宁夏暴雨明显增多[7-9]，使得实际预测业务难度加大。

海温是影响短期气候变化的关键因子[10]，具有持续时间长、空间尺度大的特征，特别是发生在赤道中东太平洋地区的厄尔尼诺(El Nio)/拉尼娜(La Nia)现象，是影响全球大气环流和气候的强信号[11]。相关研究表明热带太平洋海温冬、春季的冷暖变化程度，可以预示后期我国西北地区夏季降水的变化趋势[12-14]。根据1958—1988年ENSO事件及其与我国西北地区3—9月降水量的统计关系，宁夏降水在El Nio事件发生当年明显偏少，而在事件次年偏多[14]。此外，西北地区夏季气温和降水特征在不同ENSO循环位相中亦有所不同，但均表现出对ENSO的响应[15-17]。

目前，将赤道太平洋海温作为预测前兆因子在短期气候预测业务中已有应用[18-20]，然而，越来越多的研究强调ENSO特征表现出来的新变化，即发生于赤道中太平洋的暖海温异常事件[21]，其与传统东部型ENSO事件除在空间形态上有显著差别外，在演变过程、形成机理方面也不同[22-25]。7月是宁夏汛期转折的关键时段，随着热带低纬系统的作用逐渐加强，宁夏雨量基数逐渐增大，21世纪以来宁夏7月降水具有怎样的特征，赤道太平洋海温特征的调整是否会对其产生影响，这些都将是本文重点讨论的内容，以期通过此项研究为宁夏降水预测提供依据。

1 资料与方法

所用资料包括宁夏24个国家级气象观测站1981—2018年7月降水量资料；NCEP/NCAR月平均再分析资料，水平分辨率为2.5°×2.5°，包括风场、气温、相对湿度、高度场等，700 hPa水汽通量由风场、气温和相对湿度数据计算得出[26]；海温资料来自NOAA Extended Reconstruction SST v5 (ERSST v5)，分辨率为2°×2°，其中用于计算降水距平百分率、位势高度、风场、水汽通量、海温距平等气候基准态取1981—2018年平均值。

采用合成分析和相关分析，探讨典型年降水异常成因，并确定7月降水异常的前兆信号；采用滑动相关，滑动窗口取21 a，分析关键区海温与7月降水的年代际变化特征，如1991年所对应的是1981—2001年海温与降水的滑动相关系数，其他年份类推。以月降水距平百分率大于或小于50%作为降水异常偏多或偏少的标准。

2 宁夏7月降水年际变化

1981—2018年宁夏7月平均降水量为57.9 mm且呈缓慢上升趋势，降水距平百分率气候倾向率为6.0%·(10 a)-1(图1)。7月降水经历了“少、多、少和多”4个阶段，即1982—1988年、2001—2015年降水偏少，而1989—2000年、2016—2018年偏多。近38 a宁夏共有10 a降水发生异常，其中有5 a(2012、2013、2018年为偏多年；2007、2015年为偏少年)出现在21世纪，特别是2015、2018年分别为1981年以来降水第2偏少年和降水最多年，表现出2000年以来降水的极端性和异常性的增强。

图1 宁夏1981—2018年7月降水距平百分率年际变化Fig.1 The inter-annual variation of precipitation anomaly percentage in July during 1981-2018 in Ningxia

3 降水异常成因

3.1 大气环流背景

3.1.1 500 hPa位势高度场

图2为1981—2018年宁夏7月降水距平百分率与同期500 hPa位势高度场相关系数。可以看出，7月降水与中高纬及低纬环流系统均密切相关，其中，巴尔喀什湖地区为负相关，中国华北至东北为负相关；低纬孟加拉湾及东南亚北部为显著负相关区。也就是说当中高纬巴尔喀什湖一带为低槽区而东侧中国华北至东北为暖性高压脊控制时，一方面有利于中高纬冷空气向东、向南输送，另一方面宁夏正处于暖高压西侧边缘的偏南气流中，此时配合低纬孟加拉湾附近活跃的低值系统(如印缅槽)，有利于低层水汽向中高纬输送，易造成宁夏降水偏多，反之当上述关键区环流呈反相异常时则会导致降水偏少。

图2 1981—2018年宁夏7月降水距平百分率与同期500 hPa高度场相关系数(填色区通过0.1或0.05或0.01的显著性检验)Fig.2 The correlation coefficients between precipitation anomaly percentage in Ningxia in July and homochronous 500 hPa geopotential height fields during 1981-2018(the shaded areas passing the 0.1 or 0.05 or 0.01 significance test)

图3为1981—2018年7月宁夏降水异常偏多年(1995、1996、1999、2012、2013、2018年)和偏少年(1982、1983、2000、2002、2007、2015年)同期500 hPa位势高度距平场。可以看出，7月降水异常偏多年，巴尔喀什湖一带为负高度距平，中国华北、东北至日本海为正高度距平，“西低东高”配置显著，东亚沿岸自北向南呈“-+-”异常分布，低纬大范围为负高度距平；7月降水异常偏少年， 500 hPa位势高度距平场通过显著性检验的区域主要位于中国华北至东北地区，黑海—里海至巴尔喀什湖至贝加尔湖均为弱的正高度距平，高度距平场总体呈弱的“西高东低”型，宁夏上空高度距平异常不显著，低纬为弱的正高度距平，表明低值系统不活跃，不利于降水偏多。

图3 1981—2018年7月宁夏降水异常偏多年(a)、偏少年(b)同期500 hPa位势高度距平场(单位：gpm)(填色区通过0.1的显著性检验)Fig.3 Anomaly fields of homochronous 500 hPa geopotential height in positive (a) and negative (b) precipitation anomaly years in Ningxia in July during 1981-2018 (Unit: gpm)(the shaded areas passing the 0.1 significance test)

3.1.2 700 hPa风场

图4为1981—2018年7月宁夏降水异常偏多年、偏少年同期700 hPa风场及水汽通量距平场。可以看出，7月降水异常偏多年，日本海上空为反气旋性环流，其西侧的偏南风和南侧的偏东风将来自西太平洋的水汽大量向内陆输送，中国东北、华北水汽充沛，河套地处反气旋性环流西侧的偏南气流中，水汽条件良好，有利于降水的发生；7月降水异常偏少年，西北太平洋以大范围气旋性环流为主，整个东亚沿岸均为异常偏北风控制，此时宁夏受异常偏北风影响，水汽条件较差，更易出现干旱少雨现象。另外，尽管降水异常偏多年中低纬孟加拉湾及南海附近500 hPa位势高度场大范围异常偏低，但低层水汽向中纬度地区的输送较弱，水汽源更多地来自西太平洋，这是预测过程中需要特别注意的地方。

图4 1981—2018年7月宁夏降水异常偏多年(a)、偏少年(b)同期700 hPa风(风矢，单位：m·s-1)及水汽通量(阴影，单位：g·hPa-1·cm-1·s-1)距平场Fig.4 Anomaly fields of homochronous wind (vector, Unit: m·s-1) and water vapor flux (shaded, Unit: g·hPa-1·cm-1·s-1) on 700 hPa in positive (a) and negative (b) precipitation anomaly years in Ningxia in July during 1981-2018

3.2 赤道太平洋海温的影响

3.2.1 宁夏7月降水与前期海温的关系

研究表明宁夏气候对全球变暖具有较为敏感的响应，特别是1986年前后多因子的特征均发生突变[7-9]。 1981—2018年宁夏7月降水与逐月太平洋海温的相关分布表明，前期1—6月太平洋海温与7月降水通过显著性检验的范围较小且持续性较弱，整个时段内海温异常对7月降水没有显著的指示意义(图略)。考虑到21世纪以来降水表现出的异常性和极端性以及外强迫因子与预报量可能存在的年代际关系，图5给出宁夏2001—2018年7月降水距平百分率与前期1—6月太平洋海温距平相关系数空间分布。可以看出，与1981—2000年前期1—6月太平洋海温与降水的关系相比，2001—2018年两者的相关关系明显加强，特别是位于赤道西太平洋的显著正相关以及日界线附近的中太平洋负相关区，前者的相关性自1月加强，3月影响范围最大也最为显著，而后在4、5月相关性逐渐减弱；后者于1月最强且中心位于20°N附近，之后向南调整稳定在赤道上，5月后相关性减弱。3月赤道太平洋海温异常与宁夏7月降水的相关最为显著，赤道西太平洋与中太平洋分别呈正、负偶极型分布，而赤道东太平洋则没有相应的海温异常信号出现。诸多研究强调了2000年以来赤道中太平洋海温暖异常事件频繁发生的事实[21-22]，而上述区域这种东西向的海温异常分布特征在一定程度上反映的正是中部型ENSO事件。

为进一步探讨海温与宁夏7月降水异常的关系，对图5中与宁夏7月降水呈显著正相关的3月赤道西太平洋海温距平及日界线附近赤道中太平洋海温距平进行标准化处理，利用两者的差值构建偶极子指数(IWE-SST)，以此来表示赤道西、中太平洋海温的差异，正、负相关海温区范围分别取0°—20°N、120°—140°E，-5°S—5°N、160°E—160°W。

图5 2001—2018年7月宁夏降水距平百分率与前期1—6月太平洋海温距平相关系数空间分布(a)1月，(b)2月，(c)3月，(d)4月，(e)5月，(f)6月(填色区通过0.1或0.05或0.01的显著性检验)Fig.5 The spatial distribution of correlation coefficients between previous SST anomalies in the Pacific from January to June and precipitation anomaly percentage in Ningxia in July during 1981-2018(a) January, (b) February, (c) March, (d) April, (e) May, (f) June(the shaded areas passing the 0.1 or 0.05 or 0.01 significance test)

图6为1981—2018年3月IWE-SST与宁夏7月降水的21 a滑动相关系数。可以看出，两者的相关性存在明显的年代际变化，1991—2002年两者为弱的负相关，2002年以后转为正相关，随后正相关性明显加强并在2008年通过0.05的显著性检验。由于IWE-SST表征了赤道西、中太平洋海温异常的差异，因此上述结果表明关键区海温异常的影响可能与赤道中部型海温异常事件的发生有关。

图6 1981—2018年3月IWE-SST与宁夏7月降水距平百分率的21 a滑动相关系数Fig.6 The 21-year running correlation coefficients between the IWE-SST in March and precipitation anomaly percentage in Ningxia in July during 1981-2018

图7为2001—2018年3月IWE-SST与宁夏7月降水距平百分率的年际变化。两者之间的相关系数达0.6，且通过0.05的显著性检验，表明当赤道太平洋出现“西暖中冷”的La Nia事件时，宁夏7月易出现降水偏多，反之当出现中部型的“西冷中暖”ElNio事件则降水偏少的可能性更大。IWE-SST为正的9 a中，降水偏多频率为56%；IWE-SST为负的9 a中，有8 a 7月降水偏少，偏少频率达89%，显示出海温异常影响的差异性， El Nio相对于La Nia的影响更强，对降水偏少的指示效果也更明显。

图7 2001—2018年3月IWE-SST与宁夏7月降水距平百分率的年际变化Fig.7 Interannual variation between IWE-SST in March and precipitation anomaly percentage in Ningxia in July during 1981-2018

3.2.2 太平洋海温影响7月降水的可能途径

为深入分析海温异常影响宁夏7月降水的可能途径，对前期3月IWE-SST异常偏高年(2001、2008、2012、2009年)、偏低年(2003、2007、2015、2016年)对应的7月500 hPa位势高度距平场、700 hPa风场和水汽通量距平进行合成分析。

图8为3月IWE-SST异常偏高年、偏低年7月500 hPa位势高度距平场。可以看出，IWE-SST异常偏高年，欧亚中纬度巴尔喀什湖为负显著高度距平，中国华北、东北至日本北部表现为弱的负高度距平，另外低纬孟加拉湾—中印半岛—菲律宾为显著负异常，这种特征与降水偏多年相似。此外，中国江淮一带至日本南部为正高度距平，鄂霍次克海附近及中低纬西太平洋均为负高度距平，表现出明显的东亚—太平洋(EAP)型遥相关[27-28]；3月IWE-SST异常偏低年，环流形势与IWE-SST异常偏高年几乎相反，巴尔喀什湖以东至贝加尔湖为显著的正高度距平，而中国华北至日本一带则为负高度距平，中高纬位势高度距平为“西高东低”配置，副热带日本以东为大范围负高度距平，其南、北两侧反映的是西太平洋副热带高压(简称“副高”)及鄂霍次克海阻高，这种形势更有利于副高偏南偏强，雨带易出现在中国南方。

图9为IWE-SST异常偏高年、偏低年7月700 hPa风场距平及水汽通量距平。可以看出，IWE-SST异常偏高年，中国东北至日本北部为气旋，日本西南侧为反气旋，中心位于30°N附近，副热带西太平洋为大范围气旋性异常，日本西南侧反气旋南侧的气流与西太平洋气旋北侧的气流交汇形成较强偏东风，配合有一条明显的水汽输送带，向中国南方不断输送水汽，而其中有一股弱的水汽继续向北输送，其与源自中国东北气旋的偏南风并在华北转为偏东风的气流相结合，此时宁夏为偏东、偏南风，水汽条件良好。需要注意的是，尽管500 hPa位势高度场反映出IWE-SST与低纬孟加拉湾高度之间显著的负相关关系，但从低层风场及水汽输送看，孟加拉湾并不直接向西北内陆提供水汽，主要是随着西风异常在低纬地区输送。3月IWE-SST异常偏低年，中国南海至西太平洋一带为异常强盛的反气旋，西北太平洋日本以北为气旋性异常，其北侧配合有来自中高纬的水汽输送，中低纬中国大部地区则没有明显的水汽来源，特别是西北内陆水汽条件较差，此时宁夏处于干燥的西风异常影响之中，不利于降水形成。

图8 3月IWE-SST异常偏高年(a)、偏低年(b)7月500 hPa位势高度距平场(单位：gpm)(填色区通过0.1显著性检验)Fig.8 Anomaly fields of 500 hPa geopotential height in July in positive (a) and negative (b) IWE-SST in March (Unit: gpm)(the shaded areas passing the 0.1 significance test)

图9 3月IWE-SST异常偏高年(a)、偏低年(b)7月700 hPa风场距平(风矢，单位：m·s-1)及水汽通量距平(阴影，单位：g·hPa-1·cm-1· s-1)Fig.9 Anomaly fields of the wind (vector, Unit: m·s-1) and water vapor flux (shaded, Unit: g·hPa-1·cm-1· s-1) on 700 hPa in July in positive (a) and negative (b) IWE-SST in March

此外，值得注意的是尽管21世纪以来赤道中西太平洋海温异常通过影响西太平洋风场及水汽输送对宁夏7月降水产生一定影响，但降水异常年与3月IWE-SST异常年合成的500 hPa位势高度场的特征仍表现出差别，且这种差异更多体现在欧亚中高纬环流的异常上。例如，在降水异常偏多年中，乌拉尔山阻高显著偏强，鄂霍次克海以北为负异常；在3月IWE-SST异常偏高年中，乌拉尔山阻高异常较弱，东西伯利亚为正异常。有研究表明中国夏季降水的年际变率除受热带海温外强迫的作用外，中高纬大气环流及下垫面热力异常的调制同样重要[29-38]，例如夏季北大西洋三极子海温能够在欧亚中高纬激发出一相关波列，使得在其处于负位相时乌拉尔山阻高增强，反之正位相下，乌拉尔山阻塞活动不能得到有效发展[39-40]；2016年与1998年前冬至夏季均处于El Nio衰减位相且印度洋海盆模一致偏高的外强迫影响下，但这两年最大的差异在于北大西洋三极子海温位相的不同，前者呈弱正位相，后者则呈负位相，这是导致上述两年中欧亚中高纬环流特征出现明显差异的主要原因[41]。因此，短期气候预测是复杂的，其结果往往是多因子协同作用的结果，这也提醒我们在关注热带强信号的同时还需要加强对中高纬外强迫因子的研究。

4 结 论

(1)1981—2018年宁夏7月降水以年际变化为主，总体上经历了“少、多、少、多”4个阶段。

(2)7月中高纬巴尔喀什湖和中国华北、东北至日本海500 hPa位势高度距平呈“西低东高”分布型，低纬孟加拉湾—南海附近低值系统活跃，同时配合700 hPa风场上西北太平洋异常反气旋南侧偏东风、西侧偏南风的发展，有利于将来自太平洋的水汽向内陆输送，导致宁夏7月降水偏多。反之亦然。

(3)21世纪以来赤道太平洋海温与宁夏7月降水关系加强，尤其是在ENSO衰减位相，当3月赤道太平洋海温异常呈“西暖中冷”(“西冷中暖”)的偶极型分布时，宁夏7月降水对应表现为异常偏多(偏少)，一定程度上反映出中部型ENSO事件对宁夏降水的影响。赤道太平洋海温“西暖中冷”时，500 hPa高度场异常呈现出与降水偏多年相似的形势，即中高纬为“西低东高”，低纬负异常显著，赤道西太平洋暖海温异常促使低层西风异常加强，副热带西太平洋形成大范围异常气旋，其以较强偏东风的形式向我国输送大量水汽，其中一支水汽折向北影响到宁夏，一定程度上有利于宁夏7月降水的偏多。反之亦然。

在ENSO衰减位相的冬末春初，当赤道太平洋海温异常以中部型ENSO特征表现为“西冷中暖”时，其影响有利于宁夏7月降水偏少，但文中对比分析也发现IWE-SST负异常年副热带西太平洋700 hPa为大范围反气旋性环流控制，而这种特性更多反映出传统东部型ENSO事件的影响。说明尽管影响宁夏7月降水异常的前期赤道太平洋海温特征为中部型海温异常状态，但实际起作用的可能仍取决于传统东部型ENSO在季节内的发展演变，具体的影响和机制需要进一步的研究和讨论。另外，降水异常年环流特征与典型IWE-SST异常年仍有差异且更多体现在中高纬，特别是乌拉尔山及东西伯利亚至鄂霍次克海地区的高度场异常，表明中高纬环流配置需要同时考虑其他外强迫因子诸如北大西洋三极子、海冰的作用，这在短期气候预测中十分重要。

DOI:10.1029/2010GL044007.

DOI:10.1029/2009JD011733.