楊潔凡 郭品文
摘要 利用國家氣候中心160站月平均降水資料、印度熱帶氣象研究所的全印度月平均降水資料和NCEP/NCAR的再分析資料,從年際和年代際角度分別研究了歐亞遙相關(guān)型(Eurasian teleconnection,EU)對印度夏季風與華北夏季降水關(guān)系的影響,并探究其物理機制。結(jié)果表明,EU與印度夏季風之間的相關(guān)系數(shù)只有-0.078,二者相互獨立。印度夏季風與華北夏季降水有正相關(guān)關(guān)系(Indian Summer Monsoon and North China Summer Rainfall,ISM-NCSR),且在正EU位相時,ISM-NCSR關(guān)系較弱;負EU位相時,ISM-NCSR關(guān)系較強。這是由于EU負位相時,貝加爾湖右側(cè)存在反氣旋環(huán)流,有利于北風及冷空氣南下。因此,強印度季風時北上的暖濕氣流在華北地區(qū)與偏北風相遇形成鋒面,有利于華北降水;弱印度季風時華北地區(qū)完全被強北風控制,水汽輸送通道被阻斷,不利于降水,從而導(dǎo)致ISM-NCSR關(guān)系強。正EU位相時與此相反,相關(guān)關(guān)系弱。
關(guān)鍵詞歐亞遙相關(guān)型;印度夏季風;華北夏季降水
中國大部分地區(qū)屬于東亞季風區(qū),夏季氣候深受東亞季風變化的影響。東亞季風與印度季風同屬于亞洲季風系統(tǒng),但東亞季風的特征變化與印度季風有許多不同,兩者相互獨立的同時也存在相互作用和聯(lián)系(Tao and Chen,1987;管兆勇等,1997;何金海等,2020)。
大量研究表明,印度夏季風(Indian Summer Monsoon,ISM)與華北夏季降水(North China Summer Rainfall,NCSR)有較好的正相關(guān)關(guān)系(郭其蘊和王繼琴,1988;Kripalani and Kulkarni,1997,2001;Ding and Wang,2005;Liu and Ding,2008;孫燕等,2010)。這種正相關(guān)關(guān)系,與伊朗高原和東亞地區(qū)的反氣旋環(huán)流遙相關(guān)有關(guān)(Wu,2002;王紹武和黃建斌,2006;Liu and Ding,2008)。此遙相關(guān)是環(huán)半球遙相關(guān)型(CGT)的歐亞部分(Ding and Wang,2005)。印度降水產(chǎn)生潛熱加熱在伊朗高原激發(fā)出正高度異常中心(反氣旋),并以CGT形式向東傳播,在東亞地區(qū)形成反氣旋,印度季風以此影響華北的水汽輸送,從而影響華北降水(Wu,2002;林大偉等,2016)。
同時此正相關(guān)關(guān)系是不穩(wěn)定的,相關(guān)性在20世紀40年代末到70年代中十分顯著,而在30年代和70年代到90年代初相關(guān)性較弱(郭其蘊,1992;Kripalani and Kulkarni,2001;王紹武和黃建斌,2006;Wu,2017)。Wu(2002)認為是伊朗高原和東亞地區(qū)的反氣旋位置略微偏移導(dǎo)致70年代末后相關(guān)性減弱,林大偉等(2016)則認為是CGT波列的消失使華北不受印度季風影響。二者只研究了特定時間段或年際尺度上的ISM-NCSR相關(guān)關(guān)系減弱,顯然還需進一步探究長時間段下的ISM-NCSR關(guān)系年代際不穩(wěn)定原因,并考慮其他外部系統(tǒng)對其相關(guān)性的影響。王紹武和黃建斌(2006)使用近一百年的資料進行分析,提出ISM-NCSR關(guān)系的不穩(wěn)定可能與ENSO的年代際變化有關(guān)。但Wu(2017)指出,將ENSO信號去除之后,不穩(wěn)定關(guān)系仍然存在,表明ENSO的影響不大。因此,ISM-NCSR關(guān)系的年代際不穩(wěn)定可能是受到其他環(huán)流系統(tǒng)的影響。
華北所在的東亞季風區(qū)受低緯度和中高緯度環(huán)流系統(tǒng)共同影響(Zhu et al.,1986;張慶云和陶詩言,1998;龔振淞等,2004;周連童,2009;郭志榮等,2014),而中高緯度環(huán)流對東亞夏季氣候的影響主要表現(xiàn)為歐亞遙相關(guān)(Eurasian teleconnection,EU)型(Nitta and Hu,1996;孫林海和何敏,2004)。EU是歐亞地區(qū)主要低頻變化模態(tài),由北大西洋異常高度場所激發(fā)并向東南傳播,在北歐、烏拉爾山、日本上空形成“-+-”的異常高度場,負位相反之,夏季日本中心移至貝加爾湖(Wallace and Gutzler,1981;楊修群,1992;鄒珊珊等,2013;Wang and Zhang,2015)。EU負位相在夏季通過貝加爾湖地區(qū)的正高度異常和反氣旋環(huán)流產(chǎn)生影響華北地區(qū)的北風,從而導(dǎo)致華北地區(qū)的干旱(衛(wèi)捷等,2003;黃榮輝等,2006)。并且EU也有明顯的年代際變化:20世紀60年代和80年代末從正位相轉(zhuǎn)換到負位相,70年代中后期從負位相轉(zhuǎn)換到正位相(Ohhashi and Yamazaki,1999;汪寧等,2017),這與ISM-NCSR關(guān)系的年代際變化基本一致。
本文在前人工作的基礎(chǔ)上,試圖回答以下問題:ISM-NCSR關(guān)系的變化,是否與EU變化背景有關(guān)?本文將分別從年際和年代際角度研究這個問題并探究其物理機制。
1 資料
所用資料有:1)中國氣象局國家氣候中心提供的全國160站月平均降水實測站點資料,時間長度為1951—2016年;2)印度熱帶氣象研究所提供的1951—2016年全印度月平均降水資料;3)美國NCEP/NCAR再分析資料中的1951—2016年月平均數(shù)據(jù),水平分辨率為2.5°×2.5°,全球144×73個格點,垂直層數(shù)為17層,基本要素包括位勢高度場、水平風場和垂直速度場。
本文使用夏季印度總降水量的標準化序列作為夏印度季風指數(shù)。鄒珊珊等(2013)參照Wallace and Gutzler(1981)定義的冬季EU指數(shù),通過Wakabayashi and Kawamura(2004)、潘婕等(2004)、史湘軍和智協(xié)飛(2007)的研究結(jié)果和歐亞夏季500 hPa高度距平場REOF分析,修正定義了夏季EU指數(shù)。本文參照此夏季EU指數(shù):
其中:Z*表示經(jīng)過標準化處理的500 hPa位勢高度場,計算所得指數(shù)再次進行標準化,得到標準化時間序列。文中夏季為6—8月。
2 EU遙相關(guān)型與印度夏季風
為了更好地了解EU遙相關(guān)型的空間分布特征,本文利用夏季EU指數(shù)與環(huán)流場進行了回歸分析。圖1為1951—2016年夏季EU指數(shù)與500 hPa位勢高度場和850 hPa風場距平的回歸分析,可以看到EU正位相時,500 hPa上歐洲、烏拉爾山、貝加爾湖地區(qū)分別為“-+-”緯向高度距平分布,850 hPa上風場相應(yīng)位置呈現(xiàn)氣旋、反氣旋、氣旋異常環(huán)流分布,華北地區(qū)受偏南風控制。反之,當EU負位相時,500 hPa上分別為“+-+”緯向高度距平分布,850 hPa上風場相應(yīng)位置呈現(xiàn)反氣旋、氣旋、反氣旋異常環(huán)流分布,華北地區(qū)受偏北風控制。
根據(jù)夏季EU指數(shù)和ISM指數(shù),得到二者1951—2016年的年際變化序列(圖2),由相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)EU與印度夏季風之間的相關(guān)系數(shù)只有-0.078,二者相互獨立。本文取EU指數(shù)標準差大于0.5的年份為顯著EU正位相年,小于-0.5的年份為顯著EU負位相年;并分別由顯著正負EU位相年中選取ISM指數(shù)距平標準差大于0.5的年份為印度夏季風異常偏強年,小于-0.5的年份為印度夏季風異常偏弱年,得到正負EU位相與強弱印度夏季風年份配置見表1。由表1可知,印度季風異常偏強和偏弱的年數(shù)在EU正位相下分別為6 a和7 a,在EU負位相下分別為10 a和6 a,年數(shù)近乎一樣,這進一步說明二者是相互獨立的。
3 EU對ISM-NCSR關(guān)系年代際不穩(wěn)定的影響
由印度夏季風指數(shù)與中國夏季降水相關(guān)系數(shù)分布(圖3)可知,印度夏季風與中國夏季降水的顯著相關(guān)區(qū)域主要位于華北地區(qū),為正相關(guān),即印度夏季風強時華北夏季降水異常增多,印度夏季風弱時華北夏季降水異常減少。這與前人研究結(jié)果一致(郭其蘊和王繼琴,1988;Kripalani and Kulkarni,2001;Ding and Wang,2005)。因此,下文將關(guān)注EU位相變化下,ISM-NCSR關(guān)系的變化。
圖4為EU正、負位相下弱ISM年與強ISM年的中國夏季降水異常差值合成??梢钥吹?,EU正位相時,強弱印度夏季風年的華北地區(qū)降水差值整體偏小,且通過顯著性檢驗的地區(qū)僅有甘肅南部及山西河北北部小部分區(qū)域,表明此時印度夏季風的變化對華北降水影響較小;而負EU位相時,強弱印度夏季風年的華北地區(qū)降水差值整體偏大,東部通過顯著性檢驗的地區(qū)變?yōu)樯轿髂喜恐辽綎|的大部分地區(qū),表明此時印度夏季風的變化對華北降水影響較大。這說明在不同EU位相下,印度夏季風對華北降水影響不同。
為了進一步探究EU位相變化對印度夏季風與華北夏季降水之間的相關(guān)性變化的影響,圖5對比了EU指數(shù)21 a滑動平均序列(紅色折線)和印度夏季風與華北(106°~120°E,35°~41°N)夏季降水21 a滑動相關(guān)序列(藍色折線)??梢钥吹?,ISM-NCSR相關(guān)關(guān)系大致分為三個時期,1961—1975年和1992—2006年為強相關(guān)期,1976—1991年為弱相關(guān)期。同時EU指數(shù)也在1975年前后從負位相轉(zhuǎn)為正位相,在1992年前后從正位相轉(zhuǎn)為負位相,轉(zhuǎn)折時間點與印度夏季風和華北夏季降水滑動相關(guān)序列重合。EU負位相時期對應(yīng)ISM-NCSR關(guān)系的強相關(guān)期,EU正位相時期對應(yīng)弱相關(guān)期。由此可知,EU位相的年代際變化會使ISM-NCSR相關(guān)關(guān)系呈現(xiàn)年代際不穩(wěn)定。
圖6為不同EU位相時段下中國夏季降水在強弱印夏季風年的差值合成,可以看到,1961—1975年(圖6a)和1992—2006年(圖6c)的EU負位相時期,華北地區(qū)降水差值整體偏大,說明此時印度夏季風的變化對華北降水影響較大;1976—1991年(圖6b)的EU正位相期,華北地區(qū)降水差值整體偏小,說明此時印度夏季風的變化對華北降水影響小。這進一步證明ISM-NCSR相關(guān)關(guān)系的年代際變化與EU位相年代際變化密切相關(guān)。
4 EU影響ISM-NCSR關(guān)系的物理機制
為了探究EU影響ISM-NCSR關(guān)系的可能物理機制,分別做正負EU位相與強弱印度夏季風不同組合下的,500 hPa位勢高度場與850 hPa風場的距平合成(圖7)。結(jié)合圖1可以看到,500 hPa位勢高度異常在EU正位相時(圖7a、b),貝加爾湖右側(cè)呈現(xiàn)負高度異常分布,且850 hPa上相應(yīng)位置存在氣旋性環(huán)流,這一環(huán)流特征不利于北風及其攜帶的冷空氣南下,使華北地區(qū)北風偏弱甚至有偏南風。因此,強印度夏季風時(圖7a),北上的西南暖濕氣流缺少與強北風的相互作用,無法在華北地區(qū)形成降水;弱印度夏季風時(圖7b),既無明顯的西南氣流,也無異常北風,同樣無法產(chǎn)生異常降水。由此導(dǎo)致正EU位相時,強弱印度季風年的降水差值偏小,ISM-NCSR相關(guān)關(guān)系弱。
而負位相時(圖7c、d),500 hPa上貝加爾湖右側(cè)呈現(xiàn)正高度異常分布,850 hPa上相應(yīng)位置則存在反氣旋環(huán)流,有利于北風及其攜帶的冷空氣南下,使華北上空受強北風控制。因此,強印度夏季風時(圖7c),北上的西南暖濕氣流在華北地區(qū)與偏北風相遇形成鋒面,有利于華北降水;弱印度夏季風時(圖7d),華北地區(qū)完全被強北風控制,水汽輸送通道被阻斷,十分不利于降水。從而導(dǎo)致負EU位相時,強弱印度季風年的降水差值大,ISM-NCSR相關(guān)關(guān)系強。
圖8為正負EU位相年時,500 hPa垂直速度場在不同印度夏季風情況的距平合成。同樣可以看到,正EU位相時(圖8a、b),由于沒有強烈的南北風相互作用,強弱季風年華北地區(qū)均無明顯異常垂直氣流,因此降水差值不大。而負EU位相時,偏北風在強印度夏季風年(圖8c)與偏南風在華北地區(qū)相遇輻合,產(chǎn)生顯著的上升氣流,有利于降水;在弱印度夏季風年(圖8d)則由于受強北風及冷空氣控制而出現(xiàn)顯著下沉氣流,不利于降水,從而使得強弱印度季風年降水差值大,ISM-NCSR相關(guān)關(guān)系強。
5 結(jié)論
本文從年際和年代際的角度分別討論了EU對ISM-NCSR關(guān)系的影響,并探究其物理機制。所得結(jié)論如下:
1)EU與印度夏季風之間的相關(guān)系數(shù)只有-0.078,二者相互獨立。印度夏季風與華北夏季降水有正相關(guān)關(guān)系,且在正EU位相時,強弱印度夏季風年的華北地區(qū)降水差值偏小;負EU位相時,強弱印度夏季風年的華北地區(qū)降水差值偏大。
2)年代際尺度上,EU位相的年代際變化也與ISM-NCSR相關(guān)關(guān)系的年代際不穩(wěn)定對應(yīng)。 1961—1975年和1992—2006年的EU負位相時期,ISM-NCSR關(guān)系強;1976—1991年的EU正位相期,ISM-NCSR關(guān)系弱,與前述結(jié)果一致。
3)EU正位相時,貝加爾湖右側(cè)存在氣旋性環(huán)流,不利于北風及冷空氣南下,華北地區(qū)北風偏弱甚至有偏南風。因此,強印度季風時北上的西南暖濕氣流缺少與強北風的相互作用,無法在華北地區(qū)形成降水;弱印度季風時既無明顯的西南氣流,也無異常北風,同樣無法產(chǎn)生異常降水。由此導(dǎo)致ISM-NCSR相關(guān)關(guān)系弱。
4)EU負位相時,貝加爾湖右側(cè)存在反氣旋環(huán)流,十分有利于北風及冷空氣南下,華北上空受強北風控制。因此,強印度季風時北上的西南暖濕氣流在華北地區(qū)與偏北風相遇形成鋒面,有利于華北降水;弱印度季風時華北地區(qū)完全被強北風控制,水汽輸送通道被阻斷,不利于降水。從而導(dǎo)致ISM-NCSR相關(guān)關(guān)系強。
需要指出的是,EU的年代際變化與ISM-NCSR相關(guān)關(guān)系的年代際不穩(wěn)定在更長的時間尺度上均存在線性減弱趨勢,這可能與全球增暖有關(guān),因此還需綜合其他影響因子進行更深入的研究。
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Effect on the relationship between Indian summer monsoon and North China summer rainfall by Eurasian teleconnection
YANG Jiefan1,2,GUO Pinwen1
1Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters/Key Laboratory of Meteorological Disaster,Ministry of Education,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China;
2Meteorological Center,Central South Regional ATMB,CAAC,Guangzhou 510000,China
Based on the 160 stations monthly rainfall data provided by National Climate Center of China Meteorological Administration,the all-India monthly rainfall data provided by Indian Institute of Tropical Meteorology and the NCEP/NCAR reanalysis data,this study is made to investigate the summer Eurasian teleconnection (EU) effect on the relationship between the Indian summer monsoon (ISM) and North China summer rainfall (NCSR) from interannual and interdecadal scales respectively,as well as the associated mechanism.Based on the -0.078 correlation coefficient,the EU and ISM are independent of each other.When it comes to the positive EU phase,the relationship between the ISM and NCSR becomes weak,but strong when it comes to the negative EU phase.During negative EU phases,an anticyclonic circulation appears over Lake Baikal area which is extremely conducive to the northerly wind south of Lake Baikal area,thereby controlling the circulation over North China.As a result,when the ISM is strong,warm moist air from the southwest meets northerly winds and forms a front,which can give rise to North China's rainfall.However,during weak ISM,the circulation over North China is completely dominated by northerly winds,and the water vapor transport channel is completely blocked,which makes rainfall impossible.A strong relationship between ISM and NCSR has resulted from the negative EU phase.In contrast,the ISMR-NCSR relationship is weak during the positive EU phase.
Eurasian teleconnection;Indian summer monsoon;North China summer rainfall
doi:10.13878/j.cnki.dqkxxb.20190102001
(責任編輯:劉菲)