北大西洋海温对宁夏春末夏初降水影响及成因研究

杨建玲，张肃诏，马珺玢，王 岱，黄 莹

（1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏 银川 750002；2.宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏银川750002；3.宁夏回族自治区气象科学研究所，宁夏 银川 750002）

北大西洋海表面温度（SST）的变化与北大西洋涛动（NAO）密切相关，在月和季节尺度上北大西洋热带外SST 的分布由其上方大气驱动［1］，Bjerknes［2］早期研究发现北大西洋SST 随大气变化而变化，其冬季主要的模态“三核”结构（亦称“三极子”），是由大气NAO强迫海洋的结果，后来很多观测分析和模拟研究都证实了这一点［3-6］。NAO增强时，冰岛低压加深，其西侧北风异常带来高纬度冷空气，海气温差加大，海洋通过感热通量损失的热量也增加，拉布拉多海区失热降温；中纬度海区由于亚速尔高压加强使得30°N附近西风减弱，感热通量和潜热通量损失变小，海洋增温；副热带海区则由于高压南侧信风增强，海洋失热增强，形成高、中、低纬度海温异常“-+-”的“三极子”结构。然而NAO 对北大西洋上层海洋异常信号并非只有单向作用，北大西洋海温异常的“三极子”模态能够对随后的大气NAO产生正反馈作用［7-9］。

北大西洋海温异常不但对其上空的区域性气候有重要影响［10］，而且能够通过激发欧亚中高纬度异常波列而影响东亚季风区气候［11-18］，另外对位于热带地区的南海和孟加拉湾反气旋［19］、太平洋西北部副热带高压［20-21］等影响中国气候异常的主要大气环流系统也有显著影响。有最新研究［22-23］发现北大西洋海温异常对2016 年中国夏季降水有显著影响。宁夏地处中国西北地区东部中心区域，属于干旱、半干旱地区，降水异常变化对于宁夏农业生产和生态环境建设影响重大。已有较多研究揭示出热带太平洋和印度洋海温异常对西北地区东部和宁夏降水有显著影响［24-29］。关于北大西洋海温异常对西北地区东部降水影响的研究相对较少，近期有研究发现北大西洋海温与西北地区东部4月［30］和夏季降水异常有显著联系［24,31］，而且这种关系在气候预测业务中也得到了较好应用。为了较全面理清北大西洋海温异常对宁夏春夏之交4—6 月降水异常的影响，本文利用长时间序列资料研究了北大西洋海温异常主要模态与宁夏4—6 月降水异常的关系及其年代际变化，并进一步揭示了海温与降水异常联系的大气环流异常成因及机理，研究结果有助于对宁夏降水异常成因的认识，并为预测提供了科学依据。

1 数据与方法

1961—2021 年宁夏20 个气象测站（图1）逐月降水量资料来源于宁夏气候中心，月平均500 hPa高度场、850 hPa 风场资料来自美国NCEP/NCAR（https://psl.noaa.gov/data/gridded/index.html），1960—2021 年逐月SST 资料从Hadley 中心获取（https://www.metoffice.gov.uk/），分辨为1°×1°。北大西洋“三极子”指数NATI 数据来源于国家气候中心内网。当北大西洋中纬度区域（40°W～70°W，25°N～40°N）海温正异常，高纬度区域（20°W～50°W，50°N～60°N）和低纬度区域（20°W～60°W，10°N～20°N）海温负异常，NATI为正，对应北大西洋“三极子”为正位相，反之为负位相。本文中定义的“三极子型”正负位相与“三极子”正负位相似，只是中、高、低异常中心的区域范围分别略有差异。

采用经验正交分解方法EOF、典型相关、t检验等统计方法研究北大西洋海温对宁夏4—6 月降水异常主要模态的影响，考虑到北半球20 世纪70 年代中后期的气候突变，以及20 世纪80 年代以来气候变暖等对北大西洋海温和宁夏降水关系的影响，选取1981—2020 年，研究该时段内宁夏4—6 月降水异常主模态EOF1、EOF2 时间系数与北大西洋海温的空间相关关系，确定显著相关的海温异常分布模态。采用合成分析和波作用通量［32-33］研究海温异常引起的Rossby 波异常传播影响降水的大气环流异常成因和机理。

2 宁夏4—6月降水异常主模态

宁夏春夏之交4—6 月降水量年际异常变化对当地农作物播种、出苗和生态草地返青生长有重要影响。宁夏4—6 月降水异常主要以全区域异常符号一致的EOF第一模态，以及南北区域异常符号相反的EOF第二模态为主，其中，5月第一模态的方差占比最高，为71%，4 月、6 月略低，分别为66.3%和61.6%；第二模态6月方差相对占比较大为13.7%，5月最小，为9.7%。4—6 月逐月降水异常EOF1、EOF2 两个模态的累计方差贡献率在75.3%～80.7%（表1），总体占比较大，故只分析北大西洋海温异常对宁夏4—6 月降水异常EOF1、EOF2 两个模态的影响。

表1 宁夏4—6月降水异常EOF1、EOF2的方差贡献及其累计方差贡献Tab.1 The variance contribution rates and their cumulative of precipitation anomaly EOF1、EOF2 in Ningxia from April to June /%

宁夏4—6 月降水异常EOF1 空间分布很相似，均为全区异常符号一致的分布模态（图2a～图2c），异常大值区大都位于宁夏中部及其偏北地区，南北两头异常值较小；EOF1时间系数演变各月不同，其中，6 月存在较明显的年代际变化特点，20 世纪80年代中期以前，年际变率小，以后年际变率变大，其他各月的变化特点不明显。宁夏4—6 月降水异常EOF2 空间分布为南北降水异常符号相反的模态（图2d～图2f），正负分界线在盐池、同心、中卫和中宁一带，即引黄灌区和中部干旱带至南部山区异常符号相反；EOF2 时间系数演变各月均有较明显年际变率（图3），但年代际趋势不明显。以6 月为例，20世纪60—70年代年际变率较小，之后年际变率有所增大，结合空间分布和时间系数，近10 a宁夏6月降水EOF2以北少南多异常分布为主。

图2 宁夏4—6月降水异常EOF1、EOF2空间分布Fig.2 The spacial ditributions of precipitation anomalies EOF1、EOF2 in Ningxia from April to June

图3 宁夏4—6月降水异常EOF1、EOF2时间系数演变及趋势Fig.3 The EOF1、EOF2 time series and their trends of precipitation anomalies in Ningxia from April to June

3 北大西洋海温异常与宁夏4—6 月降水异常的关系及其年代际变化

3.1 海温与降水异常主模态的显著相关及差异

通过分析宁夏春夏之交4—6 月逐月降水异常EOF1、EOF2 主模态与超前0～6 个月（0 代表同期，下同）北大西洋海温异常（SSTA）的相关性（图4），发现宁夏4月降水EOF1、5月降水EOF1、EOF2，及6月EOF2 与北大西洋SSTA 存在持续稳定的显著相关性，相关显著的海温异常分布与北大西洋典型“三极子”的3个异常中心区域部分相似，但各月显著区域略有差异，故将本文的海温异常称为“三极子型”海温异常。

图4 1981—2021年宁夏4—6月降水EOF1、EOF2时间系数与同期和前期北大西洋SSTA的相关分布Fig.4 The correlation distributions between EOF1 and EOF2 time series of precipitation anomaly in Ningxia from April to June and simultaneous and preceding SSTA of the North Atlantic in the period of 1981 and 2021

宁夏4月降水EOF1异常模态与前期1—3月和同期4月北大西洋海温异常均存在持续的显著相关性（图4a，图4b）。同期相关存在3个显著相关区域，分别位于北大西洋高纬度50°N、中纬度30°N 和低纬度20°N附近，中纬度的相关性高且相关显著的区域较大，高纬度次之，低纬度最小，当海温超前1～3个月时，相关分布区域与同期大致相似，只是相关性有所减小，且低纬度区域的减小比较明显一些。根据相关分布，结合4月降水异常EOF1时间系数和空间分布可知，冬春季1—4月北大西洋中纬度区域海温正异常、高纬度和低纬度海温负异常，即“三极子型”正位相，宁夏4 月降水易偏多。反之对应“三极子型”负位相，宁夏4月降水易偏少。另外通过宁夏引黄灌区、中部干旱带、南部山区3个不同区域平均的4 月降水异常与北大西洋海温相关性分析发现，北部引黄灌区和南部山区降水异常对海温的响应比中部干旱带更显著。

与4 月不同，宁夏5 月降水异常EOF1 和EOF2两个模态都与海温有显著相关性，且超前3～5个月，即前期12月—次年2月北大西洋SSTA 存在持续显著相关，而与同期和超前1～2 个月的海温相关性反而不显著，相关显著的区域范围与4 月相比较小。与5月降水EOF1相关显著的海温异常区域，主要位于中、低纬度40°N 和20°N 附近（图4c，图4d），其中心位置正好位于典型北大西洋“三极子”中、低纬度异常中心附近。与5 月降水异常EOF2 相关显著的区域在高、中、低纬度存在3 个显著区域，其与北大西洋典型“三极子”海温异常分布型对应的3个海温异常分布中心很相似。对应前期12 月—次年2 月北大西洋“三极子型”正位相，即北大西洋中纬度A1区域海温正异常、低纬度A3 区域海温负异常（图4d），宁夏5 月易出现全区降水偏少，反之偏多。前期12 月—次年2 月北大西洋中纬度A1 区域海温正异常，高纬度A2 区域和低纬度A3 区域海温负异常（图4f）），宁夏5月降水易出现北部偏少，南部偏多，反之北部偏多，南部偏少。综合来看，北大西洋“三极子型”正（负）位相，易引起宁夏5月全区降水偏少（偏多），且北部偏少（偏多）更明显。

6 月与4 月、5 月都不同，宁夏6 月降水EOF2 与北大西洋海温异常存在持续显著相关性，而EOF1与海温的相关性不显著。6 月降水EOF2 与前期12月—同期6 月的海温都存在持续的显著相关，显著海温异常分布型为典型“三极子”分布（图4g，图4h），当海温超前3～5 个月时，中纬度显著区域明显减小，显著区域主要位于高、低纬度。对应冬季12月持续到初夏6月的北大西洋“三极子型”正（负）位相，宁夏6月降水易出现北少南多（北多南少）。

综上所述，前期冬春季北大西洋海温异常为“三极子型”正（负）位相，即中纬度海温异常偏高（低），中、低纬度海温异常偏低（高），有利于宁夏春夏之交降水4月全区异常偏多（偏少）、5月全区异常偏少（偏多），北部偏少（偏多）更明显，6月北少南多（北多南少）。

3.2 海温异常与降水关系的年代际趋势

北大西洋“三极子型”模态与宁夏春夏之交4—6 月降水异常显著相关，其与典型“三极子”海温异常分布型虽然相似，但是异常中心的区域位置和范围存在差异，为了分析两者的相似程度，根据图4中黑色方框所示的显著相关区域，定义“三极子型”海温指数，如公式（1）所示：

式中：A1、A2和A3分别代表图4中北大西洋中纬度、高纬度和低纬度相关显著区域；SSTA(A1)、SSTA(A2)和SSTA(A3)分别代表A1、A2和A3区域内海温异常平均值（表2），NATi 代表NAT41、NAT51、NAT52 和NAT62，即分别为宁夏4 月降水EOF1、5 月降水EOF1、5 月降水EOF2 和6 月降水EOF2 与北大西洋海温显著相关的“三极子型”指数。

表2 与宁夏4—6月降水异常显著相关的北大西洋海温异常区域范围Tab.2 The latitude and longitude range of the North Atlantic SSTA significantly associated with the precipitation from April to June in Ningxia

典型“三极子”指数NATI 与“三极子型”指数NAT41、NAT51、NAT52和NAT62指数的相关系数为0.661～0.958（表3），均远大于99%置信度检验临界值0.327，说明“三极子型”与典型“三极子”高度似度。

表3 北大西洋“三极子”指数（NATI）与“三极子型”指数的相关系数Tab.3 The correlation coefficients between the triple index(NATI)and triple type index of the North Atlantic Ocean

利用北大西洋“三极子型”海温指数，分析其与宁夏4—6月降水异常关系的年代际演变，为了便于比较，将宁夏5月降水EOF1与海温指数的相关系数乘以-1（图5）。发现自20 世纪60 年代初以来相关关系均呈明显一致的增大趋势，20世纪80年代初期—中期均发生突变，相关性由不显著变为显著，且在小波动中有增大趋势。1998—2021年宁夏4月降水EOF1 与前期2 月“三极子型”指数NAT41 相关最好，相关系数达0.565，大于置信度为95%和99%的临界值0.433 和0.549；宁夏5 月降水EOF1 与前期1月NAT51 关系最好，相关系数为0.652；宁夏5 月降水EOF2 与前期2 月NAT52 关系最好，相关系数为0.579；宁夏6 月降水EOF2 与4 月NAT62 关系最好，且在1991—2011年关系最显著，相关系数为0.650，1998—2021 年相关性略有下降，相关系数为0.390，通过了90%显著性检验（临界值0.369），但是未通过95%显著性检验。

图5 宁夏4—6月降水EOF时间系数与北大西洋“三极子型”海温指数的21 a滑动相关Fig.5 The 21-year running correlations between EOF time series of the precipitation from April to June in Ningxia and triple type index of the North Atlantic SSTA

因此，北大西洋“三极子型”海温异常与宁夏春夏之交4—6 月降水异常主模态总体呈年代际增强趋势，20世纪80年代初期—中期以来相关性显著且在波动中有增大趋势，这为预测宁夏4—6月农事关键期的降水异常提供了前兆信号。

4 海温影响降水异常的大气环流成因

从已有研究可知，北大西洋海温异常大多是通过影响其上空的大气环流异常模态，即北大西洋涛动NAO，并通过影响北半球大气遥相关波列影响北大西洋以外地区的气候异常，北大西洋海温异常模态对宁夏降水的影响必然通过影响大气环流异常而实现。局地同期海温和大气之间相互影响，因此同期的相关性并不能代表海洋对大气的影响。而当海温超前大气时，与前期海温异常持续相关显著的大气环流异常可以代表是对海洋异常的响应。北大西洋海温异常具有较好的持续性，1—6月滞后相关系数绝大部分在0.7～0.9。正是持续异常的北大西洋海温通过影响北半球大气环流从而影响宁夏降水异常。通过分析北大西洋海温异常与500 hPa 高度场、850 hPa 风场异常及其辐合辐散等大气环流异常的相关性，以及TN波作用通量异常分布，来研究北大西洋海温异常影响宁夏4—6 月降水异常的成因。用北大西洋典型“三极子”指数NATI 和本文定义的“三极子型”NAT41、NAT51、NAT52 和NAT62指数与北半球大气环流异常进行分析，其结果非常相似，只是“三极子型”指数结果的显著区域更明显一些，本文采用NATI指数的结果进行分析。

对应冬春季持续异常的北大西洋“三极子型”海温异常正位相，4—6 月北大西洋区域500 hPa 大气高度场异常在南北方向为“负-正-负”分布型，中高纬异常中心为典型的南北“跷跷板”NAO 分布型。同时在欧亚从地中海—日本海的大范围区域存在明显的“正-负-正”高度场异常波列（图6），该波列在4—6 月的异常强度和中心位置在各月存在差异。4 月异常波列中心位置分别位于地中海东部、乌拉尔山，以及我国华北至东北地区（图6a，图6b），欧亚地区呈两脊一槽异常型，中高纬度以经向型异常为主，乌拉尔山地区负异常和华北东北地区正异常形成“西低东高”分布型，这与已有研究结论相一致［30］。宁夏受该“西低东高”异常环流控制，这也正是宁夏4月降水异常偏多的典型形势。

图6 北大西洋“三极子型”海温异常与500 hPa大气位势高度距平场（H500）相关图（等值线）Fig.6 The correction maps(contour)of the North Atlantic triple type SSTA index and 500 hPa atmospheric geopotential height anomaly fields(H500)

5 月、6 月异常波列分布型大体与4 月相似，但异常中心的位置总体持续向北偏移，这与4—6月北半球随着从春季向夏季转换对应大气环流系统整体向北极移动相一致。4—5 月位于我国东部的高度场正异常区域向北推进到贝加尔湖以南地区（图6c，图6d），显示出在南北形成两个正异常中心的趋势，北部贝加尔湖以南地区的正异常区域偏大偏强，宁夏位于该异常中心的西南部，受高度场正异常控制，降水总体易偏少，北部偏少更明显。5—6月贝加尔湖以南的正异常中心继续向北延伸至贝加尔湖以北地区（图6e，图6f），并与与我国东部地区的正异常中心分裂，形成两个正异常中心，贝加尔湖以北地区的异常偏大偏强。我国北方地区在这两个正异常中心之间为弱负异常过渡带，宁夏北部受“北高南低”异常形势控制，南部受“西低东高”异常环流控制，宁夏降水易出现北部偏少，南部偏多的EOF2模态。

为了进一步说明北大西洋海温异常为什么易引起宁夏6月南北降水异常符号相反的EOF2模态，而不是全区一致的EOF1模态，对比分析宁夏6月降水EOF1、EOF2异常对应的北半球500 hPa位势高度场异常分布（图7），发现宁夏6月降水异常EOF2模态对应的大气环流异常（图7b），总体与北大西洋海温异常引起大气环流异常分布（图6e，图6f）非常相似。对应宁夏6 月降水北少南多异常分布型，大气环流异常在北大西洋从南到北为明显的+-+波列，北半球中高纬从北大西洋到欧亚贝加尔湖为高度场正异常，东亚从南到北为+-+高度场异常分布，宁夏南部受“西低东高”异常环流控制，北部受“北高南低”异常形势控制，而对应宁夏6月降水全区一致偏多的EOF1模态对应从乌拉尔山—贝加尔湖—日本区域至北太平洋的欧亚中高纬地区显著异常波列（图7a），这显然与北大西洋海温异常引起的6月大气环流异常明显不同。

图7 宁夏6月降水EOF1(a)、EOF2(b)时间系数与500 hPa高度场异常相关系数（等值线）Fig.7 The correlation maps(contour)of the precipitation EOF1(a)、EOF2(b)time series in Ningxia and 500 hPa geopotential height anomaly fields in June

对流层低层，北大西洋“三极子型”海温异常也引起相应的风场异常（图8）。对应“三极子型”正位相，4 月对流层低层宁夏受东北亚异常反气旋西南部异常东南风影响，输送异常偏多水汽，有利于降水异常偏多（图8a，图8b）；5月受贝加尔湖到东亚异常反气旋控制（图8c，图8d），宁夏区域存在明显气流辐散，有利于降水偏少；6月宁夏北部受贝加尔湖区域大范围异常反气旋底部异常偏东北风影响（图8e，图8f），气流辐散，易造成降水偏少，而宁夏南部受东亚异常反气旋西部弱异常偏南风影响，并与宁夏北部较强的异常偏北风在宁夏南部相遇辐合，有利于降水偏多，故此形成宁夏6 月南多北少的降水异常分布型。对应“三极子型”异常负位相，大气环流异常的情况则相反。

图8 北大西洋“三极子型”海温异常与850 hPa大气水平异常风场（U850）相关图Fig.8 The correction maps(vector)of the North Atlantic triple type SSTA index and 850 hPa atmospheric horizontal wind anomaly fields(U850)

综上所述，北大西洋海温异常对宁夏4—6月降水异常的影响，主要通过引起欧亚大陆异常波列而实现，这一点各月相似，但波列异常的地理位置和强度各月存在差异，该差异主要是由于随着北半球季节转换引起异常环流异常系统向北移动，从而引起宁夏降水异常分布模态各月差异。

5 结论

（1）北大西洋海温与宁夏春末夏初4—6 月降水异常的关系自1961年以来均呈增大趋势，20世纪80年代初以来，北大西洋“三极子型”海温异常对宁夏4—6月降水有持续的显著影响，对宁夏降水预测有明确指示意义。对应前期冬春季北大西洋“三极子型”海温异常正（负）位相，即北大西洋中纬度西部暖（冷）异常，高纬度和低纬度海域海温冷（暖）异常，宁夏降水易出现4月偏多（少），5月偏少（多），6月北少南多（北多南少）。

（2）前期冬春季北大西洋“三极子型”海温异常对后期4—6月的大气环流有持续显著的影响，在北大西洋区域表现为典型的南北“跷跷板”NAO 异常分布，同时，在欧亚大范围从地中海到日本海存在显著波列，海温异常对宁夏4—6 月降水的影响，主要通过引起欧亚大陆异常波列而实现，各月异常波列的中心位置和强度存在差异。

（3）“三极子型”海温异常正位相，4月在宁夏区域形成对流层中层500 hPa“西低东高”典型异常降水偏多环流形势，低层850 hPa偏南风异常，有利于南方暖湿气流输送，降水易偏多。5 月较4 月500 hPa波列的异常中心偏北、偏西，东亚地区高度场正异常中心向贝加尔湖地区伸展，宁夏受高度场正异常控制，低层为异常辐散风场，降水易偏少。6 月500 hPa 贝加尔湖以南地区正异常中心继续向北发展至贝加尔湖以北地区，并与我国东部正异常区域分裂成两个中心，使得宁夏北部受“北高南低”异常形势控制，南部受“西低东高”异常环流控制，低层宁夏北部为异常偏东北风，气流辐散，降水偏少，南部为弱异常偏南风，气流辐合，有利于降水偏多，形成南多北少型。对于北大西洋“三极子型”海温异常负位相,大气环流异常和降水异常则相反。