PDO和ENSO與我國(guó)華北地區(qū)夏季降水的關(guān)系分析

趙思文，李俊樂(lè)*，劉多文，全美蘭，李祥明，田 琳，馬驍穎，王 磊

(1.遼寧省撫順市氣象局，遼寧 撫順 113006;2.遼寧省撫順市清原縣氣象局，遼寧 清源 113300)

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PDO和ENSO與我國(guó)華北地區(qū)夏季降水的關(guān)系分析

趙思文1，李俊樂(lè)1*，劉多文1，全美蘭1，李祥明1，田 琳1，馬驍穎1，王 磊2

(1.遼寧省撫順市氣象局，遼寧 撫順 113006;2.遼寧省撫順市清原縣氣象局，遼寧 清源 113300)

摘要：統(tǒng)計(jì)了不同太平洋年代際振蕩背景下ENSO發(fā)生的頻率、強(qiáng)度等特征，進(jìn)而分析了PDO對(duì)ENSO的調(diào)制作用；計(jì)算了華北地區(qū)赤峰、北京等25個(gè)站作為華北地區(qū)代表站的夏季降水距平，分析得到兩者與降水的關(guān)系，結(jié)果表明：(1)PDO的振蕩周期為年代際尺度，為ENSO提供氣候背景；(2)我國(guó)華北地區(qū)夏季降水存在年代際變化，與PDO指數(shù)大致呈負(fù)相關(guān)；(3)暖ENSO年我國(guó)華北地區(qū)夏季降水偏少，冷ENSO年則偏多。ENSO對(duì)我國(guó)華北地區(qū)夏季降水的影響受到PDO的制約；該研究可以更好地對(duì)我國(guó)華北地區(qū)夏季降水進(jìn)行短期預(yù)測(cè)，可預(yù)測(cè)2016年我國(guó)華北地區(qū)夏季降水將偏少。

關(guān)鍵詞：太平洋年代際振蕩(PDO)；ENSO事件分型；中國(guó)華北地區(qū)；夏季降水

在長(zhǎng)期的研究實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)PDO直接或間接對(duì)我國(guó)夏季降水產(chǎn)生一定影響，也同時(shí)導(dǎo)致ENSO對(duì)中國(guó)降水的預(yù)測(cè)性出現(xiàn)異常。不少研究都表明我國(guó)降水對(duì)ENSO有顯著響應(yīng)，不同季節(jié)、不同區(qū)域響應(yīng)的顯著性不同，其中對(duì)我國(guó)華北地區(qū)夏季的降水預(yù)測(cè)性置信度較高[1]，因此主要研究此區(qū)域。由于將ENSO和PDO一起作為影響因素的研究很少，而這一問(wèn)題對(duì)我們短期氣候預(yù)測(cè)具有非常重要的意義。從關(guān)于暴雨研究來(lái)說(shuō)，夏季是全國(guó)暴雨多發(fā)季節(jié)，華北地區(qū)夏季防汛工作也是氣象工作重點(diǎn)。對(duì)暴雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估也是防汛的有效工作[2]，而暴雨與大氣環(huán)流和海溫特征相關(guān)性也較強(qiáng)[3]。因此，該研究對(duì)華北地區(qū)的夏季防汛也有重要意義。ENSO是熱帶海表溫度最強(qiáng)的年際異常信號(hào)，20世紀(jì)90年代以來(lái)，人們開(kāi)始關(guān)注造成ENSO異常的原因，其中PDO引起了研究人員的很大關(guān)注。關(guān)于ENSO存在年代際變化的原因有好幾種解釋?zhuān)鯑|曉等[4]認(rèn)為，太平洋環(huán)流年際變化參與ENSO循環(huán)，年代際變化參與了PDO循環(huán)，兩者是相互作用的。本研究著手于背景場(chǎng)，在前人研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)年代際振蕩的PDO一個(gè)周期內(nèi)冷暖兩個(gè)位相下年際變化的ENSO事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)比分析了不同PDO背景下ENSO的頻率、強(qiáng)度、類(lèi)型及持續(xù)時(shí)間等特征的異同。進(jìn)一步研究不同太平洋年代際振蕩背景、不同類(lèi)型ENSO事件對(duì)中國(guó)華北地區(qū)夏季降水的影響，為我國(guó)華北地區(qū)夏季汛期短期氣候預(yù)測(cè)提供重要參考。

1資料與方法

1.1資料

PDO指數(shù)可以很好地代表氣候模態(tài)的特點(diǎn)，為了更直觀(guān)地區(qū)分PDO的冷暖周期，本文利用NCEP/NCAR全球月平均海表溫度(SST)，再分析資料來(lái)計(jì)算PDO指數(shù)，水平分辨率為2.5°×2.5°，時(shí)間序列為1900～2012年。為了確定ENSO影響年，筆者選用張禮平等[5]的定義方法并參考王紹武等[6]的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。為了分析ENSO強(qiáng)度及其氣候突變，本文選用歐洲中心提供的ENSO指數(shù)。降水資料為國(guó)家氣候中心提供的1951～2010年中國(guó)160站逐月降水資料，取6、7、8月降水季平均作為夏季降水。在計(jì)算華北地區(qū)降水距平時(shí)，取赤峰、承德、張家口、呼和浩特、包頭、北京、天津、石家莊、德州、邢臺(tái)、安陽(yáng)、煙臺(tái)、青島、濰坊、濟(jì)南、臨沂、菏澤、新浦、徐州、鄭州、長(zhǎng)治、太原、臨汾、榆林、延安25個(gè)站作為華北代表站。

1.2方法

利用全球月平均海表溫度資料，對(duì)北太平洋20°～60° N、110° E～100° W范圍內(nèi)求距平并進(jìn)行EOF分析，得到的第一時(shí)間序列即為PDO指數(shù)。根據(jù)1.1中的資料和方法選出PDO一個(gè)周期內(nèi)中出現(xiàn)的ENSO事件，合成得到每次事件從起始到結(jié)束時(shí)間段內(nèi)的平均海溫距平，根據(jù)正海溫距平最大值所在區(qū)域?qū)NSO事件進(jìn)行分類(lèi)，對(duì)屬同一類(lèi)型的事件再進(jìn)行合成分析，研究不同氣候背景對(duì)ENSO的影響分析整個(gè)夏季中國(guó)東部降水異常場(chǎng)的分布情況；對(duì)6、7、8月即夏季中國(guó)華北地區(qū)降水求距平并作8 a滑動(dòng)平均；通過(guò)MK方法計(jì)算統(tǒng)計(jì)量來(lái)計(jì)算氣候突變。

2結(jié)果與分析

2.1PDO的冷暖位相及ENSO事件的分類(lèi)

2.1.1PDO的演變周期按照1.2方法計(jì)算北太平洋海表溫度距平并得到PDO指數(shù)，由前人的研究[6]可知，PDO屬于氣候態(tài)，故對(duì)PDO指數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、計(jì)算年平均，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行11 a滑動(dòng)平均，得到1900～2012年P(guān)DO時(shí)間演變序列(圖1)。

由圖1可知，從1900年到2012年有2個(gè)比較明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，分別為1940年和1975年，據(jù)文獻(xiàn)[7-8]中給出的PDO指數(shù)的定義方法，可以得到20世紀(jì)初期至20年代、1940年至1975為冷位相，20世紀(jì)20年代中期至40年代、1975年至21世紀(jì)初期為暖位相。周期為40 a左右，屬年代際變化。20世紀(jì)后期的PDO指數(shù)變化周期較前期長(zhǎng)，一個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間僅包含2個(gè)周期，并且第2個(gè)周期約占60 a，指數(shù)的突變值也較少。從圖1還可以認(rèn)為2016年處于PDO冷位相時(shí)期。

圖1　PDO指數(shù)年平均序列(直方條)及相應(yīng)11 a滑動(dòng)平均(曲線(xiàn))

2.1.2不同PDO背景下ENSO事件的特征許多研究指出，對(duì)應(yīng)不同的PDO年代際背景，年際ENSO空間結(jié)構(gòu)[9]、El Nino發(fā)生頻率與強(qiáng)度[10]以及El Nino的發(fā)生特點(diǎn)[11]均表現(xiàn)出顯著的差異，本文由上述計(jì)算分析已知冷暖位相年，依據(jù)翟盤(pán)茂等[12]合成結(jié)果，統(tǒng)計(jì)不同位相年各自包含的ENSO時(shí)間的特點(diǎn)(表略)。

在冷位相年，ENSO兩類(lèi)事件次數(shù)相當(dāng)且持續(xù)時(shí)間都較長(zhǎng)，持續(xù)時(shí)間在10個(gè)月以上的有11次，其中1954～1957年ENSO冷事件持續(xù)時(shí)間達(dá)34個(gè)月。ENSO暖事件峰值大多處于10、11月秋末；暖位相年基本呈相反態(tài)勢(shì)，ENSO暖事件次數(shù)增加，但持續(xù)時(shí)間有所減少。在暖氣候背景下，ENSO冷暖事件次數(shù)明顯不平衡，ENSO冷事件僅為4次。在強(qiáng)度方面，冷位相下，ENSO暖事件多為弱，強(qiáng)事件僅為1次；暖位相下，11次ENSO暖事件中強(qiáng)事件為8次，ENSO冷事件則相反，在冷位相時(shí)期強(qiáng)度明顯強(qiáng)于暖位相時(shí)期。

從呂俊梅等[13]對(duì)PDO冷暖位相下ENSO暖事件及ENSO冷事件的頻率、強(qiáng)度變化的統(tǒng)計(jì)可以看出，海溫距平絕對(duì)值較大時(shí)強(qiáng)度和頻率都處于峰值。在周期方面，可以認(rèn)為2016年已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入冷位相循環(huán)，但鄧偉濤等[14]研究指出：20世紀(jì)90年代以后，北太平洋海溫從PDO模態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿毡疽阅衔鞅碧窖蠛卦雠哪B(tài)，故海溫仍為較暖狀態(tài)，因此PDO指數(shù)很有可能是正值或絕對(duì)值較小的負(fù)值。

2.2不同PDO冷暖背景下降水特點(diǎn)

有研究指出全國(guó)夏季雨型在近60 a內(nèi)有2次明顯變化[15-16]，一次是在19世紀(jì)70年代前后，中國(guó)東部降水由北至南為“+-+”三極分布，華北地區(qū)降水為正距平；另一次是在19世紀(jì)70年代中后期至80年代末90年代初，中國(guó)東部夏季降水型表現(xiàn)出“-+-”的三極分布形態(tài)，華北地區(qū)為負(fù)降水距平。

由圖2可以看出，在這2次年代際變化過(guò)程中，華北地區(qū)夏季降水的變化和PDO變化有一定的相關(guān)性，20世紀(jì)70年代中后期，PDO由暖位相轉(zhuǎn)變?yōu)槔湮幌?，此時(shí)華北地區(qū)降水低于平均水平，為負(fù)距平。于淑秋等[17]應(yīng)用滑動(dòng)T檢驗(yàn)法對(duì)北太平洋海溫年代際躍變進(jìn)行了研究，指出在1976/1977年海溫躍變前中國(guó)汛期降水量在華北地區(qū)偏多，而躍變后則相反，這與本文得到的結(jié)論是一致的。

直方圖為降水距平，曲線(xiàn)為8 a滑動(dòng)平均圖2　華北地區(qū)1951～2010年夏季降水時(shí)間序列

2.3ENSO對(duì)夏季降水的影響

2.3.1ENSO指數(shù)與降水的關(guān)系利用ENSO指數(shù)資料及中國(guó)華北地區(qū)25個(gè)站夏季降水資料，通過(guò)MK方法來(lái)判斷兩者是否存在氣候突變(圖3)。由UF曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)可知，ENSO指數(shù)及我國(guó)華北地區(qū)夏季降水均有氣候突變；由UF和UB交點(diǎn)可知，突變開(kāi)始時(shí)間均為1976年左右，與PDO位相轉(zhuǎn)折年一致；兩者都存在幾十年的周期。同時(shí)對(duì)比ENSO指數(shù)同中國(guó)華北地區(qū)夏季降水距平(圖略)，發(fā)現(xiàn)暖ENSO年我國(guó)華北地區(qū)夏季降水偏少，冷ENSO年偏多，且強(qiáng)度越強(qiáng)，降水偏少或偏多的程度越大。從圖2中也可以看到，在2000年前后出現(xiàn)了十年來(lái)降水最小值，且據(jù)最新資料[18]，1998～2002年的暖ENSO事件的強(qiáng)度是非常強(qiáng)的，這也與據(jù)過(guò)去百年資料統(tǒng)計(jì)顯示出的暖ENSO年中國(guó)降水的異常一致。

a.ENSO指數(shù)；b.降水距平；點(diǎn)圈線(xiàn)為UF，實(shí)線(xiàn)為UB圖3　ENSO指數(shù)和中國(guó)華北地區(qū)夏季降水年平均距平MK統(tǒng)計(jì)量曲線(xiàn)

2.3.2ENSO不同類(lèi)型對(duì)降水的影響3種類(lèi)型暖ENSO事件對(duì)應(yīng)影響年(一般為起始年次年)夏季降水距平的合成(圖4)。比較發(fā)現(xiàn)，nino3、nino4及nino3.4型ENSO事件對(duì)我國(guó)降水的影響區(qū)域不同，且對(duì)應(yīng)降水較多區(qū)域大體呈現(xiàn)依次由南向北的分布。nino3、nino4型事件會(huì)導(dǎo)致華北地區(qū)夏季降水偏少，nino3.4型事件則利于華北地區(qū)降水。

單位：mm；陰影部分通過(guò)信度α=0.1的顯著性檢驗(yàn)；a.nino3型；b.nino4型；c.nino3.4型圖4　3種不同類(lèi)型El Nino事件對(duì)應(yīng)影響年夏季降水異常值分布對(duì)比圖

2.3.3ENSO不同發(fā)展階段對(duì)降水的影響ENSO事件在其發(fā)展的時(shí)間演變上具有季節(jié)鎖相性(即一般在春夏季發(fā)生發(fā)展，秋冬季達(dá)到成熟，次年夏季衰亡)，與之相對(duì)應(yīng)的大氣異常響應(yīng)也不同，因而對(duì)中國(guó)氣候影響的區(qū)域、性質(zhì)和程度也有所不同。有研究[19-20]發(fā)現(xiàn)：當(dāng)ENSO事件處于發(fā)展階段，華北地區(qū)降水偏少；當(dāng)ENSO事件處于衰減階段，華北地區(qū)的降水可能偏多。朱益民等[21]計(jì)算得到一樣的結(jié)論，并且得到處于衰減階段的ENSO事件，隨著年代的演變，華北地區(qū)的正相關(guān)區(qū)逐漸減小，部分地區(qū)甚至呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。通過(guò)滑動(dòng)相關(guān)分析表明，這種年代際轉(zhuǎn)變也出現(xiàn)在1976年左右。

2.4PDO和ENSO與夏季降水關(guān)系

PDO不同振蕩背景下ENSO對(duì)降水的影響，本研究歸結(jié)為PDO對(duì)ENSO與中國(guó)夏季氣候異常關(guān)系的調(diào)制作用。

為了更清楚地考察PDO對(duì)ENSO的降水預(yù)測(cè)性的影響，對(duì)PDO冷暖位相下ENSO年華北地區(qū)夏季降水進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到表1。其中ENSO強(qiáng)度分為3個(gè)等級(jí)強(qiáng)中弱，降水則根據(jù)影響年華北地區(qū)夏季降水距平大小(相對(duì)所處PDO位相)分為偏多、偏少、略偏多、略偏少及正常5個(gè)等級(jí)。

表1　PDO、ENSO及華北地區(qū)夏季降水統(tǒng)計(jì)

3小結(jié)

本文對(duì)PDO進(jìn)行冷暖位相區(qū)分并在此基礎(chǔ)上將不同位相下的ENSO事件進(jìn)行特征分析，分別研究PDO和ENSO對(duì)我國(guó)華北地區(qū)夏季降水的影響，進(jìn)一步得到PDO和ENSO與我國(guó)華北地區(qū)夏季降水的關(guān)系。主要結(jié)論如下：

(1)PDO屬于年代際振蕩，PDO為ENSO提供氣候背景，冷位相更利于ENSO冷事件發(fā)生發(fā)展，暖位相則更利于ENSO暖事件，相應(yīng)的對(duì)反事件也就有所抑制。

(2)ENSO對(duì)我國(guó)華北地區(qū)夏季降水的影響明顯受到PDO的制約，相同強(qiáng)度和冷暖性質(zhì)的ENSO，在不同PDO位相期內(nèi)，對(duì)我國(guó)華北地區(qū)夏季降水的影響各不相同。

我國(guó)華北地區(qū)夏季降水在暖ENSO年，總體上比常年偏少。在PDO冷位相期內(nèi)，總體上比常年偏多，當(dāng)暖ENSO強(qiáng)度偏強(qiáng)時(shí)降水偏少，當(dāng)暖ENSO強(qiáng)度中等或偏弱時(shí)，降水偏少的程度更大。冷ENSO年，總體上比常年偏多。強(qiáng)冷ENSO年無(wú)論在PDO暖位相還是冷位相，均表明降水總體上比常年偏多；而中等冷ENSO年和弱冷ENSO年在PDO暖位相偏多，在冷位相總體上略偏少。

(3)2015年為強(qiáng)暖ENSO年并將持續(xù)到2016年春季，2016年P(guān)DO處于冷位相階段，但近年來(lái)北太平洋海溫多為偏暖，即PDO為正?？深A(yù)測(cè)2016年我國(guó)華北地區(qū)夏季降水為較大負(fù)距平，且小于冷位相時(shí)期降水平均值。

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(責(zé)任編輯：曾小軍)

收稿日期：2015-12-24

基金項(xiàng)目：遼寧省撫順市氣象局科研課題“強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)預(yù)警指標(biāo)體系本地化技術(shù)研究”(201402)。

作者簡(jiǎn)介：趙思文(1991─)，女，黑龍江綏化人，助理工程師，研究方向：氣候展望及短期預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)。*通訊作者：李俊樂(lè)。

中圖分類(lèi)號(hào)：P426.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-8581(2016)07-0121-05

Analysis of Relationship between PDO, ENSO and Summer Precipitation in North China

ZHAO Si-wen1, LI Jun-yue1*, LIU Duo-wen1, QUAN Mei-lan1,LI Xiang-ming1, TIAN Lin1, MA Xiao-ying1, WANG Lei2

(1. Meteorological Bureau of Fushun City in Liaoning Province, Fushun 113006, China;2. Meteorological Bureau of Qingyuan County, Fushun City, Liaoning Province, Qingyuan 113300, China)

Abstract：This paper carried out a statistics of occurrence frequency, intensity and other characteristics of ENSO events under the background of different Pacific Decadal Oscillation (PDO), and further analyzed the regulatory effect of PDO on ENSO. The author calculated the anomalies of summer precipitation at 25 representative stations (such as Chifeng and Beijing) in North China, and further analyzed the relationships between PDO, ENSO and summer precipitation in North China. The results indicated that: (1) PDO had a decadal oscillation period, and it provided climatic background for ENSO; (2) The summer rainfall in North China had a decadal variation, and it was generally negatively correlated with the PDO index; (3) The summer rainfall in North China in warm ENSO year was less than that in normal year, while the summer rainfall in cold ENSO year was more than that in normal year. In conclusion, the impact of ENSO on the summer rainfall in North China was restricted by PDO. Based on the conclusions of this study, it is predicted that the summer rainfall in North China in 2016 will be at a lower level.

Key words：Pacific Decadal Oscillation (PDO); Classification of ENSO event; Northern China; Summer precipitation