全球各主要季风区降雨与ENSO之间关系的对比

林桂焕，彭旭钢，翁锦文，陈柏洋，王磊

摘要 季风区降雨可以对农业活动产生重要的影响，研究和预测季风区降雨的变异对农业具有重要的意义。对比了全球各主要季风区降雨与El Niño-Southern Oscillation（ENSO）之间关系的差异（包括相关关系的年代际变异以及季风—ENSO准两年关系），旨在更好地理解全球季风降雨的演变规律和季风—ENSO之间的关系。结果表明，全球各个主要季风降雨量与同时期Niño3.4指数之间相关关系的年代际变异存在显著的差异。西北太平洋季风、东亚季风和南非季风存在季风降雨—ENSO的相关系数在考察的时间范围内出现正负符号转变的现象。印度夏季风降雨与Niño3.4指数的负相关关系在2000年以后增强;与之相反，北非夏季风降雨与Niño3.4指数的负相关关系在2000年以后则减弱。澳洲夏季风和北美夏季风降雨与同时期Niño3.4指数的相关关系比较稳定。相比较全球其他季风，西北太平洋夏季风降雨与ENSO具有更强的准两年关系。

关键词 全球季风;ENSO;降雨;年代际变异;相关关系;准两年关系

中图分类号：P458.2 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2022）03–0102–04

季風是大范围盛行风向随季节明显变化的风系，季风在全球范围内分布在亚洲、澳洲、美洲、非洲等不同区域，从而形成全球各个主要的季风区。季风区降雨被比喻成农业活动的“血液”，季风降雨异常能够对农业生产具有重要的影响。研究全球季风区降雨的变异特征和物理机制具有重要的科学和现实意义[1-11]。

厄尔尼诺—南方涛动（El Niño-Southern Oscillation，ENSO）作为影响全球气候年际变化的最重要气候模态，能够显著影响和调节全球各个季风的强度和降雨的变异。因此，开展季风—ENSO关系的研究，有利于更好地理解季风区降雨的变异规律，从而提升预测全球季风降雨变化的能力。以往关于季风—ENSO关系的研究局限于特定的季风区域，对全球各季风区与ENSO关系的综合性比较研究较少。季风与ENSO的关系在最近年代也可能已经发生了明显的转变。在本研究中，对比分析了全球各主要季风区降雨与ENSO相关关系的年代际变异，以及季风降雨与ENSO的准两年关系。

1 数据和方法

研究中使用的全球降雨数据来自GPCP的月平均降雨数据[12]。所选用的海表面温度（Sea surface temperature，SST）数据为ERSST月平均数据[13]。大气垂直运动速度数据使用的是NCEP/NCAR再分析资料的月平均数据[14-15]。研究选取的数据的时间范围为1979—2020年。

根据Wang等（2006）[1]对季风的定义方法来确定全球季风的主要区域，能够满足以下2个条件的区域被定义为季风区域：（1）当地夏季和冬季降雨量的差值大于180 mm;（2）当地夏季的降雨量超过全年总降雨量的35%。在确定的各个主要季风区域对降雨量进行区域评估后，得到各季风区降雨量的时间序列。选用Niño3.4指数作为ENSO的表征指数，Niño3.4指数被定义为赤道太平洋区域（170°W～120°W，5°N～5°S）的SST异常。利用13年滑动相关分析来考察季风降雨与Niño3.4指数之间相关关系可能随时间而变化。相关系数的显著性用 t 检验来进行判别。

定义季风—ENSO准两年关系指数（Monsoon-ENSO biennial relationship index， MEBRI）来衡量北半球夏季风降雨与ENSO之间准两年关系的强度。根据Chen等（2020）[2]MEBRI的具体定义方法：

MEBRI=-1×Cor1×Cor2      （1）

其中，Cor1为当年北半球夏季（June-July-August，JJA）季风区降雨量与之前北半球冬季（December-January-February，D（-1）JF）Niño3.4指数的相关系数，而Cor2则为当年北半球夏季（JJA）季风区降雨量与接下来的北半球冬季（DJF（+1））Niño3.4指数的相关系数。为保证准两年关系越强的时候计算得到的MEBRI为正值，在（1）式中乘以-1系数。当计算得到的MEBRI值越大时，表示季风降雨与ENSO之间可以存在更强的准两年关系[3-7]。

2 结果与分析

首先，利用全球降雨数据确定全球主要季风区域的范围。根据地理位置，将确定的季风区域具体分为8个主要季风区：西北太平洋（Western North Pacific，WNP）季风、东亚（East Asian; EA）季风、印度（Indian，ID）季风、北美（North American，NAM）季风、南美（South American，SAM）季风、北非（North African，NAF）季风和南非（South American，SAF）季风。

利用全球各主要季风区降雨量与同时期的Niño3.4指数进行13年滑动相关分析，考察季风—ENSO相关关系可能在年代际尺度上发生的变异（图1）。季风—ENSO的相关系数在考察的时间范围内有出现正负符号转变（既有正值相关系数的时期，又有负值相关系数的时期）的季风包括西北太平洋季风（图1a）、东亚季风（图1b）和南非季风（图1h）。印度夏季风降雨与Niño3.4指数的负相关关系在2000年以后得到增强（图1c）。Yang等（2021）[16]的研究结果也支持印度夏季风与ENSO之间关系在2000年以后的年代际得到加强。与之相反，北非夏季风降雨与Niño3.4指数的负相关关系在2000年以后出现减弱（图1e）。澳洲夏季风（图1f）和北美夏季风（图1d）降雨与同时期Niño3.4指数的相关关系在考察的时间范围内比较稳定[9-12]。

为更好地比较季风—ENSO关系的年代际变异，以1993年为分界点划分成P1（1979—1993年）和P2（1994—2020年）2个时期，进一步考察全球各主要季风降雨量与3个不同季节（前一年冬季、同年夏季和次年冬季）的Niño3.4指数的相关系数在P1和P2时期的变化情况（图2）。所有北半球季风与次年冬季Niño3.4指数的相关关系在P2时期都发生了相关系数符号的正负转变（图2c），这表明北半球季风强度与次年冬季Niño3.4指数的相关关系在P2时期发生了显著的变化。东亚季风是唯一与前年冬季、同年夏季以及次年冬季Niño3.4指数的相关系数符号都在P2时期都产生符号正负转变的季风，表明东亚季风降雨与ENSO的相关关系并不稳定[13-16]。

利用各季风区域内各点的降雨序列与Niño3.4指数序列进行相关性分析（图3），可以更好地展示全球各主要季风区降雨与ENSO相关关系的空间分布情况。西北太平洋季风降雨与Niño3.4指数在P1时期存在显著的负相关（图3a），而在P2时期则表现为显著的正相关（图3b）。这说明西北太平洋季风降雨对ENSO事件的响应关系在20世纪90年代前后可能发生了较大的变异。Wu等（2019）[17]利用风场异常定义的西太夏季风指数的研究结果也支持西太夏季风与同期Niño3.4指数的相关系数在90年代以后显著增强。澳洲季风、北美季风区域降雨与ENSO在年代际尺度上一直维持着负相关，并且在P2时期显著性有所增强和影响的范围有所扩大。南美季风、南非季风区域降雨与ENSO的相关关系在空间分布上具有偶极子特征，存在正相关区域和负相关区域同时出现的现象。在P2时期这两个季风区域的相关关系的显著性相比较P1时期增强。

利用500 hPa大气垂直运动数据考察各季风区大气垂直运动异常与同时期Niño3.4指数的相关关系（图4）。澳洲附近区域的大气垂直运动与Niño3.4指数显著正相关，这说明发生El Niño事件时该区域500 hPa大气下沉运动剧烈，即Walker环流下降支控制该区域，降雨趋于减少。这种Walker环流的异常特征可以解释ENSO与大部分季风降雨之间的相关关系。ENSO引起的大气环流异常的作用范围和强度在P2时期也倾向强化。Hu等（2021）[18]的研究结果也表明ENSO引起的大气环流异常在全球变暖背景下会增强。

以北半球夏季风为主要分析对象，引入季风—ENSO的准两年关系指数（MEBRI），具体定义见公式（1），定量考察全球北半球各主要季风降雨与ENSO之间的准两年关系（表1）。分析结果表明，所有北半球季风降雨与ENSO的准两年关系在年代际尺度上呈现减弱的趋势。P2时期仅有西北太平洋季风与ENSO之间仍然可以维持准两年关系（MEBRI表现为正值）。东亚季风、印度季风、北美季风以及北非季风与ENSO的准两年关系都相对较弱，在P2时期以上季风降雨与ENSO之间的准两年关系趋于消失（MEBRI表现为负值）。相比其他季风区，西北太平洋夏季风降雨与ENSO存在更强的准两年关系。Chen等[2]（2020）的结果也支持西太夏季风与ENSO之间可以存在显著的准两年关系。

3 结论

对比了1979—2020年全球各主要季风区降雨与ENSO关系（包括相关关系的年代际变异以及季风—ENSO准两年关系）的差异，得到以下几个主要的研究结论。

（1）全球各个主要季风降雨量与同时期Niño3.4指数之间相关关系的年代际变异存在显著的差异。西北太平洋季风、东亚季风和南非季风存在季风降雨—ENSO的相关系数在考察的时间范围内出现正负符号转变的情况。印度夏季风降雨与Niño3.4指数的负相关关系在2000年以后增强;与之相反，北非夏季风降雨与Niño3.4指数的负相关关系在2000年以后减弱。澳洲夏季风和北美夏季风降雨与同时期Niño3.4指数的相关关系在考察的时间范围内比较稳定。

（2）ENSO主要是通过引起大气环流异常来影响季风降雨量的变化，与ENSO相关的大气环流异常在最近年代呈现控制范围扩大和强度增强的趋势。

（3）相比其他季风区，西北太平洋夏季风降雨与ENSO具有更强的准两年周期关系。

参考文献

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責任编辑：黄艳飞

Comparison of the Rainfall-ENSO Relationship in Main Monsoon Regions of the World

LIN Guihuan et al（College of Ocean and Meteorology， Guangdong Ocean University， Zhanjiang， Guangdong 524088）

Abstract Rainfall in the monsoon region can have an important impact on agricultural activities， and the study and prediction of the variation of rainfall in the monsoon region is of great significance to agriculture. This study compares the differences between rainfall in major global monsoon regions and El Niño-Southern Oscillation （ENSO） （including interdecadal variation of correlation and monsoon-ENSO biennial relationship）， in order to better understand the evolution law of global monsoon rainfall and the relationship between monsoon and ENSO. The results showed that there were significant differences in the interdecadal variation of the correlations between the global main monsoon rainfall and the Niño3.4 index in the same period. The Northwest Pacific monsoon， East Asian monsoon and South African monsoon had positive and negative sign changes in the correlation coefficient of monsoon rainfall and ENSO within the time frame of the investigation. The negative correlation relationship between Indian summer monsoon rainfall and Niño3.4 index was strengthened after 2000. On the contrary， the negative correlation relationship between north African summer monsoon rainfall and Niño3.4 index was weakened after 2000. A relatively stable correlation relationship could be maintained between rainfall and Niño3.4 index for the Australian summer monsoon and North American summer Monsoon. Compared with other monsoons， the Northwest Pacific summer monsoon rainfall had a stronger quasi-biennial relationship with ENSO.

Key words Global monsoon; ENSO; Precipitation; Interdecadal variability; Correlation relationship;  Quasi-biennial relationship