广西大范围暴雨气候异常对太平洋年代际涛动的响应

覃卫坚，李栋梁，蔡悦幸

(1.广西壮族自治区气候中心，广西 南宁 530022；2.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044)

1 引 言

在全球气候变暖背景下极端天气气候灾害事件发生频率增加，气象灾害的影响越来越大[1]。1980年代以来广西大范围暴雨天气过程显著增多，尤其21世纪前10 a广西25站以上暴雨日数较50 a平均值多了9 d[2]。太平洋海温有明显的年代际变化特征，最著名的是太平洋海温年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation，简称PDO)，它的发生发展往往引起全球范围大气环流异常，当PDO处于暖位相时，菲律宾反气旋环流面积偏大[3]，中国降水为南涝北旱[4-5]；当PDO处于冷位相时，华南前汛期降水与热带西太平洋和东南太平洋海温为负相关，而与中太平洋海温为显著的正相关[6]。Zhu等[7]认为西太平洋暖海温和东太平洋冷海温的模态使海洋性大陆地区对流旺盛，通过哈德莱环流使华南地区春季降水偏少，夏季热带印度洋暖海温使海洋性大陆地区对流受到抑制，通过哈德莱环流有利于东亚季风槽偏强，导致华南地区降水偏多；王彦明等[8]研究指出PDO冷位相年，华南前汛期发生典型持续性暴雨过程的概率比暖位相大，且暴雨强度偏强，持续时间长；Xu等[9]认为中国夏季降水在1990年代后期发生了明显的年代际变化特征，这跟PDO发生转变有关；Si等[10]研究指出PDO为东亚夏季降水年代际变化的主要因子。PDO影响着热带气旋的发生发展，如Richard等[11]研究指出海温纬向梯度为正值引发了异常的类似沃克环流，使南海北部地区上空为异常的下沉气流和边界层为辐散，抑制了MJO在南海的活动，导致南海台风生成减少；胡娅敏等[12]研究指出2006年PDO开始进入冷位相阶段，登陆或严重影响广东的台风有个数增多、登陆强度明显增强的新特征。以上研究可见PDO对华南降水和台风有着重要的影响，而近年来关于暴雨成因研究多以天气学诊断和低频扰动分析为主[13-18]，大范围暴雨年代际时间尺度气候异常成因的研究不多，广西大范围暴雨年代际增多是否与海洋年代际振荡有关，大范围暴雨对PDO响应的物理机制目前还缺乏清晰的认识，以下就这些问题展开研究。

2 资料和方法

2.1 资 料

使用1961—2016年广西79个地面气象观测站20:00—20:00(北京时间，下同)逐日降水资料、美国国家海洋和大气管理局(NOAA)逐月PDO指数[19]、NCEP/NCAR再分析资料、国家气候中心西太平洋副热带高压指数资料。广西大范围暴雨定义为在79个气象站中出现25站及以上日降雨量≥50 mm的降雨过程。每年PDO指数采用前冬春季(12—5月)逐月PDO指数的平均。

2.2 方 法

本文采用的统计方法包括一元线性回归方程、Mann-Kendall(简称M-K)突变分析、11 a滑动平均、11 a滑动相关方法、合成分析等。

3 广西大范围暴雨气候异常新特征及其与PDO的相关分析

3.1 广西大范围暴雨气候异常新特征

1961—2016年广西平均每年发生大范围暴雨日数为1.8 d，气候倾向率为0.35 d/(10 a)，即每10年增加0.35个大范围暴雨日，近50年来每年增多了1.7 d，增多趋势显著，通过了0.01的显著性水平检验。发生大范围暴雨最多的年份为1978、1996、2002、2006、2008、2014、2015、2016年，达4 d及以上；最少的年份为1962、1963、1966、1977、1979、1984、1988、1989、1991、1995和1997年，当年无大范围暴雨过程发生。从11 a滤波的曲线来看，存在两个波峰和一个低谷的阶段性变化特征，1961—1978年由逐渐增多达到第一个峰值后逐渐下降，1979—1995年进入明显偏少期，1996年以后为显著偏多期(图1a，见下页)。大范围暴雨在1966年和1989年存在两个突变点，1960年代后期和1990年代到2010年代前期两个阶段的增多趋势是突变现象，表示由偏少转为偏多，尤其1990年代到2010年代前期增多趋势非常明显，持续时间长(图1b)。以上分析可见，在全球气候变暖背景下广西大范围暴雨日数存在着显著增多突变的气候异常新特征。

3.2 PDO指数气候特征分析

图1c给出1961—2016年PDO指数历年变化，有明显的阶段性变化特征：1961年开始有减小趋势，1972年到了最低值，然后迅速增大，1986年达到了峰值，之后有显著的减小趋势的气候异常特征；从11 a滑动平均线来看，可分为三个阶段：1961—1978年、1999—2013年PDO指数为负值期(冷位相)，1979—1998年PDO指数为正值期(暖位相)。

3.3 广西大范围暴雨与PDO指数的相关分析

广西大范围暴雨日数和PDO指数11 a滑动平均，大范围暴雨日数呈现两个波峰和一个波谷的变化特征，而PDO指数为两个波谷和一个波峰，大范围暴雨日数和PDO指数具有反位相的变化特征(图1d)。1966—2011年经过11 a滑动平均的广西大范围暴雨日数与PDO指数序列的相关系数为-0.46，通过了为0.01的显著性水平检验；11 a滑动相关系数(图略)，除了1983—1986年期间为正值(可能与1984年10月—1985年6月、1988年5月—1989年5月热带赤道东太平洋海温为La Niña事件有关)外，其余为负值，尤其1988年以后相关最显著，基本上都通过了显著性检验。以上分析可见，广西大范围暴雨存在异常显著增多的突变新特征，尤其近30年来与PDO指数相关显著，由于1961—1978年共出现了6次El Niño事件，与1979—1998年持平，且考虑到近30年卫星等观测设备应用使PDO指数资料更加可靠，因此以下重点分析1979—1998年(以下简称暖位相)、1999—2013年(以下简称冷位相)大范围暴雨与PDO的关联性。

图1 1961—2016年广西大范围暴雨日数历年变化(a，黑实线为大范围暴雨日数，虚线为11 a滑动平均，红线为一元回归线，单位：d)和M-K检验(b)、PDO指数历年变化(c，黑实线为PDO指数，虚线为11 a滑动平均，红线为一元回归线)、大范围暴雨日数和PDO指数11 a滑动平均(d，实线为大范围暴雨日数，单位：d，直方图为PDO指数)

4 PDO不同位相大气环流异常特征及其与广西大范围暴雨的关联性

4.1 500 hPa高度距平、差值场及副热带高压特征

从1961—2016年广西大范围暴雨日数与5—8月500 hPa高度的相关系数分布(图2a)来看，广西大范围暴雨日数主要与欧洲、贝加尔湖附近区域、青藏高原、热带地区高度场存在显著的正相关，即5—8月贝加尔湖附近阻塞高压、西太平洋副热带高压、澳大利亚高压偏强，有利于广西大范围暴雨日数偏多。大气环流系统强度变化与PDO有密切的关系[20-21]，图2b给出了PDO暖位相5—8月减去冷位相5—8月500 hPa高度差值场，冷暖位相环流有明显的差异，其中欧洲、贝加尔湖到白令海一带、澳大利亚南部为三个负值中心，显著性偏弱。PDO暖位相贝加尔湖、欧洲西部、白令海、大澳大利亚湾5—8月500 hPa高度为负距平(图2c)，贝加尔湖阻塞高压偏弱(通过了0.1的显著性水平检验)，中高纬度经向环流偏弱，不利于冷空气南下影响广西；澳大利亚高压偏弱(通过了0.1的显著性水平检验)，不利于赤道西太平洋越赤道气流向北发展及北半球热带地区不稳定系统的形成，热带对流向广西移动少，使广西大范围暴雨日数偏少。PDO冷位相5—8月500 hPa高度距平场(图2d)，与暖位相的高度场相反，贝加尔湖、欧洲西部、白令海、大澳大利亚湾上空为正距平值，贝加尔湖阻塞高压显著性偏强，使中高纬经向环流增强，有利于冷空气南下，与暖湿空气在广西上空交汇；澳大利亚高压显著性偏强，澳大利亚北部越赤道气流偏强，使南海和西太平洋热带对流不稳定增加，这些热带对流不稳定系统向广西移动，有利于广西大范围暴雨过程发生。

图2 1961—2016年广西大范围暴雨日数与5—8月500 hPa高度场的相关系数分布(a，阴影为通过0.05的显著性水平检验区域)，PDO暖位相和冷位相500 hPa高度差值场(b，阴影为高度差绝对值≥1 dagpm，实线、虚线分别为暖位相、冷位相5—8月587线，点线为通过0.1的显著性水平检验区域)、暖位相(c)和冷位相(d)5—8月500 hPa高度场及距平值(实线为PDO冷暖位相期间平均高度场，点线为通过0.1的显著性水平检验区域，阴影为高度距平绝对值≥0.4 dagpm，单位：dagpm)

PDO冷暖位相时各月副热带高压的强度及位置，图3a中实线和虚线分别是暖位相和冷位相5月500 hPa高度场587 dagpm等值线所处位置，PDO暖位相时副热带高压强度偏强，西伸脊点较冷位相时位置明显偏西，副热带高压西伸到中南半岛，南海基本处于高压控制下，不利于热带地区对流系统的产生；PDO冷位相时副热带高压西部边沿延伸到中南半岛东海岸线，广西处于副热带高压边沿或低槽前，这种形势更有利于热带水汽或低值系统向广西输送，使广西大范围暴雨增多。6月PDO暖位相副热带高压西伸脊点较冷位相时位置略偏西，西伸到南海地区，菲律宾一带处于高压控制下，不利于影响广西热带气旋发生；PDO冷位相时副热带高压西部边沿位于台湾西南部到菲律宾一带(图3b)，副热带高压西侧边沿给大气带来不稳定能量，有利于热带气旋在菲律宾到南海一带发生，从而导致影响广西热带气旋频数增多，广西大范围暴雨日数偏多。7月副热带高压位置较5—6月明显北跳，副高脊线位于台湾北部地区，西部边沿华南地区东部，PDO暖位相时副热带高压西伸脊点较冷位相位置略偏西(图3c)。8月副热带高压位置又一次北跳，副高脊线位于30°N，与5—7月明显不同的是西伸脊点在冷位相时有明显偏西的特点(图3d)，副高西伸到华东地区，这种形势有利于热带气旋向中国移动，增大广西大范围暴雨发生概率。以上分析可见，PDO冷位相时，5月副热带高压西部边沿到达北部湾，广西处于副高西侧边沿，有利于大范围暴雨发生；8月副热带高压西伸脊点位置较暖位相时偏西，副高西伸到华东地区，这种形势有利于热带气旋向广西移动，增大广西大范围暴雨发生概率。

图3 5月(a)、6月(b)、7月(c)、8月(d)500 hPa高度场587 dagpm等值线位置 实线为暖位相平均；虚线为冷位相平均；单位：dagpm。

4.2 海平面气压特征

PDO暖位相与冷位相5—8月海平面气压差值(图4)，东亚从低纬度到中纬度地区存在着明显的“＋，－，＋，－”波列：华南沿海到中南半岛一带海平面气压偏高、贝加尔湖地区偏低、鄂霍次克海偏高、白令海偏低；热带西太平洋地区海平面气压为偏高，不利于热带西太平洋地区低值天气系统的发展。图中阴影为PDO指数与海平面气压相关通过显著性检验的区域，从所罗门群岛到南海及东亚沿海地区为显著的正相关，可见PDO冷暖位相对影响广西热带气旋生成地海平面气压有显著的影响，PDO暖位相不利于影响广西热带气旋的生成，使广西大范围暴雨偏少。

图4 PDO暖位相和冷位相5—8月海平面气压差值 单位：hPa；曲线为海平面气压差值；阴影为PDO指数与海平面气压相关通过水平为0.1的显著性检验区域。

4.3 高低空风场特征

广西大范围暴雨日数与青藏高原和帕劳附近区域的500 hPaV风场、中国西北地区500 hPaU风场为显著的负相关，与马绍尔群岛500 hPaU风场为显著的正相关(图5a)。广西大范围暴雨日数与中国西北部200 hPaV风场、青藏高原200 hPaU风场为显著的负相关，与马尔代夫群岛200 hPaU风场为显著的正相关(图5b)，均通过了水平为0.05的显著性检验。PDO暖位相5—8月500 hPa风速距平，中国北方地区存在一个显著增强的西风带，在菲律宾以东地区形成一个显著增强的气旋性环流(图5c)；而PDO冷位相与之相反，中国北方地区存在一个显著异常东风增强，在菲律宾以东地区形成一个显著增强的反气旋性环流(图5d)，可见PDO冷位相时更有利于广西大范围暴雨的发生。PDO暖位相5—8月中国北方存在一个增强的200 hPa西风，热带印度洋和西太平洋为显著增强的东风带，青藏高原为强的西南风，赤道印度洋到非洲东部、热带西太平洋向南半球越赤道气流偏强，华南地区上空为反气旋性环流(图5e)；PDO冷位相5—8月200 hPa中国北方地区存在东风增强，热带印度洋和西太平洋为显著增强的西风带，华南地区为气旋性环流(图5f)。总之，PDO暖位相时，500 hPa中国北方地区西风显著异常偏强、菲律宾以东地区形成一个气旋性环流增强，200 hPa热带印度洋和西太平洋为显著增强的东风带，这些情况下不利于广西大范围暴雨发生；反之，PDO冷位相时有利于广西大范围暴雨日数偏多。

图5 1961—2016年广西大范围暴雨日数与5—8月500 hPa(a)、200 hPa(b)风场的相关系数分布(阴影为与V风的相关通过水平为0.05的显著性检验区域；曲线为与U风的相关通过水平为0.05的显著性检验区域；矢量风为平均风场)，PDO暖位相(c、e)和冷位相(d、f)5—8月500 hPa、200 hPa风速距平场 c、d为500 hPa；e、f为200 hPa；阴影为风速距平绝对值≥0.5 m/s的区域；单位：m/s；红色风速矢量图为通过水平为0.1的显著性检验。

广西大范围暴雨日数与中国西部地区上空850 hPaV风场、中国西北地区850 hPaU风场为显著的反相关(图6a)，与索马里越赤道气流为显著的正相关，即西路冷空气偏强、索马里向北半球越赤道气流偏强，有利于广西大范围暴雨过程偏多。PDO暖位相与冷位相时5—8月850 hPa风差值场(图6b)，从广西到赤道西太平洋的海洋性大陆存在着明显的“气旋、反气旋、气旋、反气旋”波列：新几内亚岛东北部沿海的上空为气旋性环流、菲律宾东南部海域上空为反气旋性环流、菲律宾东北部海域上空为气旋性环流、华南地区为反气旋性环流，该波列刚好位于影响广西热带气旋移动的通道上；印度洋北部上空为气旋性环流，其与华南地区上空的反气旋性环流相邻，形成了跷跷板的关系。图6b中阴影部分为PDO指数与850 hPa风场相关显著区域，新几内亚岛东北部沿海为显著的正相关，暖位相时该区域气旋性环流增强，通过向西北方向的波列传播到华南沿海地区，华南沿海地区为反气旋性环流，从而减少广西大范围暴雨的发生；赤道印度洋上空为显著的正相关，PDO暖位相减缓了索马里越赤道气流穿过孟加拉湾和南海的速度，减少了与副热带高压西侧东南风形成季风槽的机会，从而使影响广西热带对流系统减少，造成广西大范围暴雨偏少。PDO暖位相5—8月850 hPa风场距平(图6c)，索马里向北半球越赤道气流和赤道西太平洋副热带高压西南部的东南气流为偏弱(通过了水平为0.1的显著性检验)，使穿过孟加拉湾进入南海的越赤道气流偏弱，南海和菲律宾及以东洋面上空的气流以及形成的季风槽强度偏弱，澳大利亚北部越赤道气流明显偏弱，不利于广西大范围暴雨发生。PDO冷位相5—8月850 hPa风场距平(图6d)，索马里越赤道气流带为明显的正距平，通过了水平为0.1的显著性检验，赤道西太平洋副热带高压西南部的东南气流为显著增强的特征，使穿过孟加拉弯进入南海气流和西太平洋副热带高压的东南风偏强，在南海和菲律宾及以东洋面上空容易形成季风槽，澳大利亚北部越赤道气流显著性偏强，有利于热带低压系统生成，强的东南风使低压系统向广西移动，造成广西大范围暴雨过程偏多。

图6 1961—2016年广西大范围暴雨日数与5—8月850 hPa风场的相关系数分布(a，阴影为大范围暴雨日数与V风的相关通过水平为0.05的显著性检验区域，曲线为与U风的相关通过水平为0.05的显著性检验区域，风场为平均风场)、暖位相和冷位相5—8月850 hPa风场差值(b，阴影为PDO指数与风场相关通过水平为0.1的显著性检验区域)、暖位相(c)和和冷位相(d)5—8月850 hPa风场距平(单位：m/s，阴影为风速距平绝对值≥0.5 m/s区域，红色风矢量图为通过水平为0.1的显著性检验)

4.4 大气对流运动特征

OLR(向外长波辐射)反映了大气对流运动的状况，图7a给出了PDO暖位相5—8月OLR距平值分布，存在着三个通过0.05的显著性水平检验的异常中心带：中纬度的蒙古到中亚地区OLR为负距平，说明该地区对流显著偏强；孟加拉湾、南海到菲律宾以东洋面OLR为异常正距平，对流活动明显地受到了抑制，孟加拉湾是西南暖湿气流来源地，南海及菲律宾以东为影响广西热带气旋、热带低压或云团的生成地，因此PDO暖位相时不利于西南暖湿气流向广西输送和热带气旋或热带低压系统生成，造成广西大范围暴雨日数偏少。PDO冷位相5—8月OLR异常中心与暖位相正好相反(图7b)，中纬度的蒙古到中亚地区OLR为显著异常正距平区，对流活动明显地受到了抑制；热带地区的孟加拉湾、南海到西太平洋OLR为负距平，对流活动得到显著增强，有利于暖湿气流向广西输送、影响广西的热带气旋、热带低压或云团的生成，有利于广西大范围暴雨日数偏多。

PDO暖位相5—8月流场沿着23.5°N的经度-高度垂直剖面(图7c)，大陆地区(70～130°E区域)上空大气基本为上升气流，大部分上升气流到高空后转向西运动，在20～60°E区域下沉，而130°E以东地区低空为东风气流，在150～160°E区域上升到高空后转向东运动，在160～130°W区域下沉，到达低空后转为东风气流，形成一个闭合环流圈。图中阴影为垂直速度距平值，可见105～111°E为广西所处的区域，该区域垂直速度为正距平，对流偏弱，70～80°E区域高空垂直速度为正距平，上升气流有明显的减弱，广西大范围暴雨日数偏少。PDO冷位相，70～160°E上升支比暖位相略宽些，70～120°E区域上空垂直速度距平值为负值，即上升气流有明显的增强，160°E～120°W区域上空垂直速度为正距平(图7d)，即下沉气流有明显的增强，有利于广西大范围暴雨日数偏多。

5 广西大范围暴雨对PDO响应的可能机制

以上分析了广西大范围暴雨气候异常与PDO冷暖位相时大气环流异常特征的关联性，得到了广西大范围暴雨对PDO响应的可能机制(图8)。当PDO处于冷位相时，对应着5—8月贝加尔湖阻塞高压强度显著性偏强，使中高纬度地区经向环流增强，有利于冷空气南下与暖湿气流在广西上空交汇；澳大利亚高压显著性偏强，有利于西太平洋越赤道气流向北发展，造成北半球热带地区对流系统增多；5月副热带高压西部边沿西伸到北部湾，广西处于副高西侧边沿，8月副热带高压西伸脊点较暖位相时偏西，西伸到华东地区有利于引导热带气旋向广西移动；索马里越赤道气流显著性增强，穿过孟加拉湾进入南海与西太平洋副热带高压的东南风在南海和菲律宾及以东洋面上空容易形成季风槽，有利于影响广西的热带气旋等低压系统和热带云团的生成发展；形成新几内亚岛东北部沿海的低空为反气旋性环流、菲律宾东南部海域的低空为气旋性环流、菲律宾东北部海域的低空为反气旋性环流、广西到华南沿海地区为气旋性环流的波列，波列向华南地区传播，使广西大范围暴雨日数偏多。反之，PDO处于暖位相时对应的大气环流异常特征相反，大范围暴雨日数偏少。

6 结论与讨论

本文基于广西79个地面气象观测站逐日降水资料、美国NOAA PDO指数、NCEP/NCAR再分析资料等，利用一元回归方程、M-K突变分析等方法，分析了广西大范围暴雨日数和PDO指数的气候变化特征，发现广西大范围暴雨日数呈现异常显著增多的突变新特征，与前冬春季PDO指数有显著的相关，并表现出反位相变化的响应特征。

分析了PDO不同位相大气环流异常特征及其与广西大范围暴雨气候异常的关联性，得到了大气环流对PDO冷暖位相的响应特征，从而揭示了广西大范围暴雨对PDO响应的可能物理机制。

全球气候变暖背景下极端降水事件频发，大范围暴雨过程对人们生命财产安全构成了严重威胁，研究其气候异常成因对提高气候预测能力及防灾减灾工作具有很重要的意义。本文研究揭示了广西大范围暴雨对PDO有明显的反位相响应特征，但PDO影响大气环流的物理机制，还有待于利用数值模拟等方法做进一步的研究。