太平洋海溫場(chǎng)不同時(shí)間尺度背景下華南前汛期持續(xù)性暴雨的統(tǒng)計(jì)特征

王彥明，高建蕓，池艷珍，唐振飛，陳思

(1．廈門市氣象服務(wù)中心，福建 廈門361012;2．海峽氣象開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，福建廈門361012;3．福建省氣候中心，福建 福州350001)

0 引言

華南地區(qū)受熱帶季風(fēng)和副熱帶季風(fēng)的共同影響，是我國(guó)降水最豐富的地區(qū)。它有兩個(gè)多雨期，第一個(gè)發(fā)生在4—6月，即華南前汛期，多為鋒面降水，持續(xù)性暴雨過(guò)程多發(fā)生在這個(gè)時(shí)期(黃士松，1986;覃武等，1994);第二個(gè)發(fā)生在7—9月，為后汛期，多是熱帶天氣系統(tǒng)造成的降水(李麗平等，2012)。華南持續(xù)性暴雨具有暴雨強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣等特點(diǎn)，對(duì)于華南雨季洪澇災(zāi)害的發(fā)生具有直接影響，因此研究華南前汛期持續(xù)性暴雨過(guò)程的特征規(guī)律，對(duì)于華南雨季旱澇預(yù)測(cè)有指示作用，并且對(duì)于防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

對(duì)于華南前汛期暴雨，大多數(shù)研究主要關(guān)注了暴雨機(jī)制、暴雨時(shí)空分布特征及夏季風(fēng)暴雨等。暴雨機(jī)制研究主要應(yīng)用診斷及模擬等方法，從天氣尺度和中尺度方面研究暴雨形成的環(huán)流特征及天氣學(xué)成因(陳紅和趙思雄，2000;倪允琪等，2006);暴雨時(shí)空分布特征研究主要研究暴雨強(qiáng)度、頻次及極端強(qiáng)降水事件的年際、年代際變化趨勢(shì)及大氣環(huán)流差異(鮑名，2007;張婷和魏鳳英，2009;范伶俐等，2013);夏季風(fēng)暴雨主要從夏季風(fēng)環(huán)流、水汽輸送等方面研究華南前汛期暴雨的時(shí)空分布特征。池艷珍等(2005)研究指出，4月華南主要是以鋒面降水為主，夏季風(fēng)所影響的降水集中在6月，其水汽來(lái)源主要是熱帶。

很多學(xué)者開(kāi)展了華南前汛期降水與太平洋海溫的關(guān)系，揭示了許多新事實(shí)。馬慧等(2009)發(fā)現(xiàn)華南前汛期降水異常與西太平洋暖池北部海溫的顯著負(fù)相關(guān)。陳藝敏和錢永甫(2005)利用大氣環(huán)流模式驗(yàn)證了該關(guān)鍵區(qū)海溫異常能夠影響到華南地區(qū)的大氣環(huán)流變化，以致降水異常，前期冷(暖)海溫異常對(duì)應(yīng)著后期華南地區(qū)的上升(下沉)運(yùn)動(dòng)和降水偏多(偏少)。近年來(lái)印度洋海溫對(duì)于華南地區(qū)的降水的重要影響也受到越來(lái)越多的關(guān)注(Yang et al．，2007;Li et al．，2008)。Chan and Zhou(2005)認(rèn)為PDO(Pacific Decadal Oscillation，太平洋年代際振蕩)和ENSO通過(guò)影響副高強(qiáng)度進(jìn)而影響華南地區(qū)5—6月降水的年代際變化，即PDO和ENSO同為正位相時(shí)，華南地區(qū)降水偏少。Mao et al．(2011)發(fā)現(xiàn)在PDO冷暖位相，華南前汛期降水存在顯著的年代際變化特征。

本文將分析太平洋海溫場(chǎng)年代際及年際變化背景下華南前汛期典型持續(xù)性暴雨的統(tǒng)計(jì)特征，探討海洋外強(qiáng)迫信號(hào)可能對(duì)前汛期降水低頻變化周期造成的影響，以期為華南前汛期持續(xù)性暴雨過(guò)程的延伸期預(yù)報(bào)提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料

1)逐日降水資料:國(guó)家氣象信息中心提供的1961—2012年華南地區(qū)243個(gè)氣象站降水資料;2)1900—2013年逐月太平洋年代際振蕩(PDO)指數(shù)(Zhang et al．，1997)，http://jisao．washington．edu/pdo/PDO．latest;3)NOAA提供的1950年至今的海洋尼諾指數(shù)(ocean Nino index，ONI)，ONI指數(shù)使用的是 Nino3.4 區(qū)的海溫異常，http://www．cpc．ncep．noaa．gov/products/analysis_monitoring/ensostuff/ensoyears．shtml。

1.2 方法

使用的統(tǒng)計(jì)方法有相關(guān)系數(shù)、功率譜、紅噪聲檢驗(yàn)、概率密度函數(shù)等(魏鳳英，2007)。

2 華南前汛期持續(xù)性暴雨過(guò)程的定義

以福建、廣東、廣西三省243個(gè)站點(diǎn)作為代表站。為定量化表征華南前汛期降水強(qiáng)度和空間分布，參考高建蕓等(2013)對(duì)華南暴雨綜合指數(shù)HRCI(heavy rainfall comprehensive index)的定義:

其中:n1為特大暴雨站數(shù);n2為大暴雨站數(shù);n3為暴雨站數(shù);n4為大雨站數(shù);n5為中雨站數(shù);n6為小雨站數(shù)。定義，1)暴雨日:華南243站中有大于等于12站(5%的站)出現(xiàn)暴雨(日雨量≥50 mm);2)暴雨過(guò)程:出現(xiàn)暴雨日的降水過(guò)程，過(guò)程中逐日降水須滿足條件——區(qū)域內(nèi)至少5個(gè)站(即2%的站)出現(xiàn)暴雨;3)典型持續(xù)性暴雨過(guò)程(persistent heavy rainfall，PHR)，暴雨過(guò)程總天數(shù)大于等于5 d，且包含5個(gè)暴雨日的過(guò)程。若兩個(gè)暴雨過(guò)程僅間隔1 d，算同一次過(guò)程。

3 太平洋年代際振蕩背景下華南前汛期PHR特征

太平洋年代際振蕩PDO是北太平洋海溫年代際循環(huán)的現(xiàn)象。PDO暖位相時(shí)，中北太平洋異常低溫，北美洲西海岸附近呈現(xiàn)顯著正海溫異常;冷位相反之。研究表明，PDO存在15～25 a和50～70 a的年代際周期變化，1925—1946年、1977—1998年為暖位相;1900—1924年、1947—1976年及1999年至今為冷位相(Zhang et al．，1997;Minobe，1999)。

根據(jù)典型持續(xù)性暴雨過(guò)程的定義，1961—2012年華南前汛期共發(fā)生了44次典型持續(xù)性暴雨過(guò)程。其中有18次過(guò)程發(fā)生在22個(gè)PDO暖位相年，平均0.8次/a;26次過(guò)程發(fā)生在30個(gè)PDO冷位相年，平均0.9次/a。圖1給出了1961—2012年間發(fā)生典型持續(xù)性暴雨過(guò)程的概率密度分布，可以明顯看到，典型持續(xù)性暴雨過(guò)程發(fā)生的最大概率出現(xiàn)在PDO負(fù)位相年，即在PDO負(fù)位相年更容易發(fā)生典型持續(xù)性暴雨過(guò)程。

圖1 華南前汛期典型持續(xù)性暴雨過(guò)程發(fā)生概率密度分布Fig．1 Probability density distribution of the typical persistent heavy rainfall events during the first rainy season in South China

表1給出了PDO冷、暖位相下，華南典型持續(xù)性暴雨過(guò)程的強(qiáng)度、持續(xù)天數(shù)，其中過(guò)程暴雨指數(shù)反映了暴雨過(guò)程強(qiáng)度，過(guò)程日平均暴雨指數(shù)反映了暴雨過(guò)程日平均強(qiáng)度，過(guò)程天數(shù)即暴雨過(guò)程的持續(xù)時(shí)間?？梢钥吹絇DO冷位相年華南前汛期典型持續(xù)性暴雨的過(guò)程暴雨指數(shù)(167.8)高于平均值，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于PDO暖位相的過(guò)程暴雨指數(shù)(128.3);暴雨過(guò)程的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)是PDO冷位相(10.9 d)長(zhǎng)于暖位相(9.2 d);日平均暴雨指數(shù)也是PDO冷位相高于暖位相。

以上分析表明，PDO冷位相年，發(fā)生典型持續(xù)性暴雨過(guò)程的概率大，呈現(xiàn)出強(qiáng)度偏強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間偏長(zhǎng)的特征;PDO暖位相年，華南典型持續(xù)性暴雨過(guò)程具有強(qiáng)度偏弱、持續(xù)時(shí)間偏短的特點(diǎn)。

表1 PDO冷、暖位相期間華南前汛期典型持續(xù)性暴雨過(guò)程的統(tǒng)計(jì)特征Table 1 Statistical characteristics of the persistent heavy rainfall during the first rainy season in South China during the PDO warm and cold phases

4 太平洋海溫場(chǎng)兩種不同時(shí)間尺度背景下華南前汛期PHR特征

呂俊梅等(2005)指出，PDO與ENSO密切相關(guān)，PDO對(duì)ENSO事件的發(fā)生提供了年代際背景，具有調(diào)制作用。為進(jìn)一步分析PDO與ENSO之間的關(guān)系，利用對(duì)華南前汛期4—6月有預(yù)報(bào)指示意義的前期冬春季12月至次年3月Nino3.4區(qū)SST(sea surface temperature，海表溫度)異常的平均值，即冬春季的ONI指數(shù)，來(lái)反映冬春季太平洋海溫的變化特征。具體定義為:ONI指數(shù)大于等于0.5℃為冬春Nino暖事件;ONI指數(shù)小于等于－0.5℃為冬春Nino冷事件;ONI指數(shù)大于－0.5℃且小于0.5℃為冬春Nino中性年。

統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)PDO指數(shù)和冬春ONI指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.41，超過(guò)了0.01信度的顯著性檢驗(yàn)。因此，在PDO的冷位相年，ONI指數(shù)小于0的概率大，即冬春季出現(xiàn)Nino冷事件的概率大;與之相反，在PDO暖位相年，冬春季出現(xiàn)Nino暖事件的概率大。

圖2給出了太平洋海溫場(chǎng)兩種不同時(shí)間尺度背景下即PDO和冬春Nino事件的不同位相組合下，華南前汛期典型持續(xù)性暴雨過(guò)程強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間的差異。具體特征如下:1)PDO暖位相配合冬春Nino暖事件，6 a共發(fā)生了9次典型持續(xù)性暴雨過(guò)程，平均每年發(fā)生1.5次，暴雨過(guò)程平均持續(xù)時(shí)間10 d左右，暴雨強(qiáng)度正常略偏弱;2)PDO暖位相配合冬春Nino冷事件，僅在1984、1989和1996年出現(xiàn)了3次典型持續(xù)性暴雨過(guò)程，平均每年1次，持續(xù)時(shí)間在6 d左右，暴雨強(qiáng)度弱;3)PDO暖位相配合冬春Nino中性年:5 a出現(xiàn)了6次典型持續(xù)性暴雨過(guò)程，平均每年出現(xiàn)1.2次，平均持續(xù)時(shí)長(zhǎng)在9 d左右，暴雨強(qiáng)度屬于中等至略弱;4)PDO冷位相配合冬春Nino暖事件:5 a中累計(jì)出現(xiàn)了7次典型持續(xù)性暴雨過(guò)程，平均每年出現(xiàn)1.4次，平均持續(xù)時(shí)間在11 d左右，出現(xiàn)持續(xù)天數(shù)在10 d以上的典型持續(xù)性暴雨概率大于50%，暴雨強(qiáng)度偏強(qiáng);5)PDO冷位相配合冬春Nino冷事件:8 a中出現(xiàn)了11次典型持續(xù)性暴雨過(guò)程，平均每年1.4次，持續(xù)時(shí)間明顯偏長(zhǎng)，平均持續(xù)天數(shù)達(dá)到13.1 d，在這11次暴雨過(guò)程中，有8次持續(xù)時(shí)間超過(guò)10 d，且暴雨強(qiáng)度也明顯偏強(qiáng);6)PDO冷位相配合冬春Nino中性年:5 a中出現(xiàn)8次典型持續(xù)性暴雨過(guò)程，平均每年1.6次，平均持續(xù)時(shí)長(zhǎng)在7.5 d，強(qiáng)度中等至略弱。

圖2 太平洋海溫場(chǎng)不同時(shí)間尺度背景下華南前汛期典型持續(xù)性暴雨過(guò)程的統(tǒng)計(jì)特征 a．PDO暖位相配合Nino區(qū)暖海溫;b．PDO暖位相配合Nino區(qū)冷海溫;c．PDO暖位相配合Nino區(qū)正常海溫;d．PDO冷位相配合Nino區(qū)暖海溫;e．PDO冷位相配合Nino區(qū)冷海溫;f．PDO冷位相配合Nino區(qū)正常海溫Fig．2 Statistical characteristics of the persistent heavy rainfall during the first rainy season in South China under the background of Pacific sea temperature fields on different time scales a．PDO warm phase combined with warm SST(sea surface temperature)in Nino region;b．PDO warm phase combined with cold SST in Nino region;c．PDO warm phase combined with normal SST in Nino region;d．PDO cold phase combined with warm SST in Nino region;e．PDO cold phase combined with cold SST in Nino region;f．PDO cold phase combined with normal SST in Nino region

以上分析表明:太平洋海溫場(chǎng)兩種不同時(shí)間尺度背景下華南典型持續(xù)性暴雨過(guò)程呈現(xiàn)不同的特征:PDO暖位相背景下，無(wú)論前期冬春ONI指數(shù)如何，華南前汛期持續(xù)性暴雨的強(qiáng)度皆較常年偏弱，持續(xù)時(shí)間偏短;PDO冷位相背景下，除前期冬春Nino中性年華南持續(xù)性暴雨強(qiáng)度明顯偏弱、持續(xù)時(shí)間偏短外，不論是前期冬春Nino暖事件還是冬春Nino冷事件，華南前汛期易出現(xiàn)強(qiáng)度較強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的典型持續(xù)性暴雨過(guò)程。

5 不同海溫背景場(chǎng)對(duì)華南前汛期降水低頻變化周期的影響

為分析海溫的外強(qiáng)迫作用是否會(huì)影響華南前汛期降水的低頻變化周期，進(jìn)而影響持續(xù)性暴雨過(guò)程的持續(xù)時(shí)間，分別對(duì)6種不同海溫配置下發(fā)生典型持續(xù)性暴雨過(guò)程年份的逐日暴雨綜合指數(shù)進(jìn)行功率譜分析(圖3)，以期找到太平洋海溫場(chǎng)兩種不同時(shí)間尺度背景下華南前汛期降水的低頻變化周期?？梢钥吹?1)PDO暖位相(無(wú)論冬春海溫如何)以及PDO冷位相配合冬春Nino中性年，華南前汛期暴雨綜合指數(shù)存在顯著的10～20 d的周期，表明這些年份降水以準(zhǔn)雙周振蕩為主，這與前面分析的這些年份典型持續(xù)性暴雨過(guò)程的持續(xù)天數(shù)較短，為6～10 d的結(jié)論是一致的;2)PDO冷位相配合冬春Nino冷事件，華南前汛期暴雨綜合指數(shù)存在顯著25～60 d的周期，表明這些年份降水以25～60 d振蕩周期為主，期間發(fā)生的典型持續(xù)性暴雨過(guò)程的持續(xù)天數(shù)也較長(zhǎng)，平均在13.5 d左右;3)PDO冷位相配合冬春Nino暖事件，華南前汛期暴雨綜合指數(shù)存在顯著10～25 d的周期，降水低頻變化周期介于前兩種情況之間，此類年份持續(xù)性暴雨過(guò)程的持續(xù)天數(shù)平均在11 d。

PDO暖位相年以及PDO冷位相配合冬春Nino中性年，均容易發(fā)生10 d以內(nèi)短周期的典型持續(xù)性暴雨過(guò)程，且強(qiáng)度正常偏弱;PDO冷位相年配合冬春Nino海溫異常，均有利于發(fā)生10 d以上的較長(zhǎng)周期的典型持續(xù)性暴雨過(guò)程，且強(qiáng)度明顯偏強(qiáng)，尤其配合冬春Nino冷位相時(shí)，發(fā)生超強(qiáng)持續(xù)性暴雨過(guò)程的概率較大。

6 結(jié)論和討論

圖3 太平洋海溫場(chǎng)不同時(shí)間尺度背景下華南前汛期暴雨綜合指數(shù)的功率譜(紅線表示95%置信水平;藍(lán)線和綠線分別表示Markov最低和最高置信水平) a．PDO暖位相配合Nino區(qū)暖海溫;b．PDO暖位相配合Nino區(qū)冷海溫;c．PDO暖位相配合Nino區(qū)正常海溫;d．PDO冷位相配合Nino區(qū)暖海溫;e．PDO冷位相配合Nino區(qū)冷海溫;f．PDO冷位相配合Nino區(qū)正常海溫Fig．3 Power spectrum of HRCI(heavy rainfall comprehensive index)of the persistent heavy rainfall during the first rainy season in South China under the background of Pacific sea temperature fields on different time scales(red line indicates 95%confidence level;blue and green lines indicate minimum and maximum confidence levels of Markov，respectively) a．PDO warm phase combined with warm SST(sea surface temperature)in Nino region;b．PDO warm phase combined with cold SST in Nino region;c．PDO warm phase combined with normal SST in Nino region;d．PDO cold phase combined with warm SST in Nino region;e．PDO cold phase combined with cold SST in Nino region;f．PDO cold phase combined with normal SST in Nino region

1)在PDO冷位相背景下，更容易出現(xiàn)華南前汛期典型持續(xù)性暴雨過(guò)程，且呈現(xiàn)出強(qiáng)度偏強(qiáng)且持續(xù)時(shí)間偏長(zhǎng)的特征;在PDO暖位相背景下，華南典型持續(xù)性暴雨過(guò)程易出現(xiàn)強(qiáng)度偏弱、持續(xù)時(shí)間偏短的特點(diǎn)。

2)太平洋海溫場(chǎng)不同時(shí)間尺度背景下華南典型持續(xù)性暴雨過(guò)程呈現(xiàn)不同的特征:PDO暖位相背景下，無(wú)論前期冬春Nino區(qū)海溫是否異常，華南前汛期持續(xù)性暴雨的強(qiáng)度皆較常年偏弱，持續(xù)時(shí)間偏短;PDO冷位相背景下，除前期冬春Nino中性年華南持續(xù)性暴雨強(qiáng)度明顯偏弱，持續(xù)時(shí)間偏短外，不論是前期冬春Nino暖事件還是冬春Nino冷事件，華南前汛期易出現(xiàn)強(qiáng)度較強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的典型持續(xù)性暴雨過(guò)程。

3)太平洋海溫場(chǎng)兩種不同時(shí)間尺度背景下華南前汛期降水低頻變化周期不同，PDO暖位相(無(wú)論冬春海溫如何)以及PDO冷位相配合冬春Nino正常年，華南前汛期降水以準(zhǔn)雙周振蕩為主;PDO冷位相配合冬春Nino冷事件，華南前汛期降水存在顯著25～60 d周期;PDO冷位相配合冬春Nino暖事件，降水低頻變化周期則介于兩者之間。

太平洋海溫場(chǎng)兩種不同時(shí)間尺度的前兆信號(hào)如何影響華南前汛期降水的低頻變化周期，其物理機(jī)制還有待于進(jìn)一步的研究，以期為華南前汛期持續(xù)性暴雨過(guò)程的延伸期預(yù)報(bào)提供科學(xué)參考依據(jù)。

鮑名．2007．近50年我國(guó)持續(xù)性暴雨的統(tǒng)計(jì)分析及其大尺度環(huán)流背景［J］．大氣科學(xué)，35(5):779-792．

陳紅，趙思雄．2000．第一次全球大氣研究計(jì)劃試驗(yàn)期間華南前汛期暴雨過(guò)程及其環(huán)流特征的診斷研究［J］．大氣科學(xué)，24(2):238-252．

陳藝敏，錢永甫．2005．西太平洋暖池海溫對(duì)華南前汛期降水影響的數(shù)值試驗(yàn)［J］．熱帶氣象學(xué)報(bào)，21(1):13-23．

池艷珍，何金海，吳志偉．2005．華南前汛期不同降水時(shí)段的特征分析［J］．南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，28(2):163-171．

范伶俐，張福穎，胡禎祥，等．2013．近50 a華南干濕狀態(tài)的時(shí)空特征［J］．大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，36(1):29-36．

高建蕓，陳彩珠，周信禹，等．2013.2010年福建前汛期典型持續(xù)性暴雨過(guò)程的低頻特征分析［J］．氣象科技進(jìn)展，3(1):39-45．

黃士松．1986．華南前汛期暴雨［M］．廣州:廣東科技出版社．

李麗平，許冠宇，成麗萍，等．2012．華南后汛期極端降水特征及變化趨勢(shì)［J］．大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，35(5):570-577．

呂俊梅，琚建華，張慶云，等．2005．太平洋海溫場(chǎng)兩種不同時(shí)間尺度氣候模態(tài)的分析［J］．海洋學(xué)報(bào)，27(5):30-37．

馬慧，陳楨華，姜麗萍，等．2009．華南前汛期降水與我國(guó)近海海溫的SVD 分析［J］．熱帶氣象學(xué)報(bào)，25(2):241-245．

倪允琪，周秀驥，張人禾，等．2006．我國(guó)南方暴雨的試驗(yàn)與研究［J］．應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，17(6):690-704．

覃武，孫照渤，丁寶善，等．1994．華南前汛期雨季開(kāi)始期的降水及環(huán)流特征［J］．南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，17(4):455-461．

魏鳳英．2007．現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)［M］．北京:氣象出版社．

張婷，魏鳳英．2009．華南地區(qū)汛期極端降水的概率分布特征［J］．氣象學(xué)報(bào)，67(3):442-451．

Chan J C L，Zhou W．2005．PDO，ENSO and the early summer monsoon rainfall over south China［J］．Geophys Res Let，32，L08810．doi:10.1029/2004GL022015．

Li S L，Lu J，Huang G，et al．2008．Tropical Indian Ocean basin warming and East Asian summer monsoon:A multiple AGCM study［J］．J Climate，21:6080-6088．

Mao J，Chan J C L，Wu G．2011．Interannual variations of early summer monsoon rainfall over South China under different PDO backgrounds［J］．Int J Climatol，31(6):847-862．

Minobe S．1999．Resonance in bi-decadal and penta-decadal climate oscillations over the North Pacific:Role in climatic regime shifts［J］．Geophys Res Lett，26:855-858．

Yang J L，Liu Q，Xie S P，et al．2007．Impact of the Indian Ocean SST basin mode on the Asian summer monsoon［J］．Geophys Res Let，34，L02708．doi:10.1029/2006GL028571．

Zhang Y，Wallace J M，Battisti D S．1997．ENSO-like interdecadal variability:1900—1993［J］．J Climate，10(5):1004-1020．