兩類厄爾尼諾事件對次年山東夏季降水的影響研究*

張晏銘, 鄭小童**

(1.中國海洋大學(xué)物理海洋教育部重點實驗室, 海洋與大氣學(xué)院, 山東 青島 266100; 2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室, 山東 青島 266237)

山東地處中國中緯度溫帶季風(fēng)區(qū),位于華東、華北交界處,作為重要的工業(yè)區(qū)、產(chǎn)糧區(qū)和人口大省,夏季降水對該地區(qū)農(nóng)作物的種植、工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)活動、人民生活和社會發(fā)展有著重要影響。前人對山東夏季降水的研究已經(jīng)有一定的基礎(chǔ)[1-3],但造成山東降水異常的影響因子數(shù)量多、變化大,使得山東成為中國夏季短期氣候預(yù)報的重點難點地區(qū)[4]。因此深入地研究山東地區(qū)夏季降水機(jī)理并提高其預(yù)測準(zhǔn)確率,有著十分重要的理論和實際應(yīng)用價值。

1 資料與方法

1.1 資料

本文使用數(shù)據(jù)包括:(1)中國國家氣象中心提供的基于中國2 472個國家級臺站資料(缺失臺灣和南海諸島地區(qū))制作的中國地面降水月值0.5°×0.5°格點數(shù)據(jù)集(V2.0)[29],在保留臺站數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的條件下克服了臺站空間分布不均勻性和由于遷站等原因造成的時間不連貫性。(2)歐洲中期天氣預(yù)報中心(European centre for medium-range weather forecasts, ECMWF)提供的ERA5大氣再分析月平均數(shù)據(jù)集[30],包括水平風(fēng)場、重力勢、海表面氣壓、整層水汽通量散度垂直積分;分辨率為0.25°×0.25°,為與降水?dāng)?shù)據(jù)相匹配將其處理為0.5°×0.5°。(3)海表面溫度是英國哈德萊中心(Met office Hadley centre, MOHC)提供的HadISST1.1數(shù)據(jù)集[31]。(4)全球氣候降水計劃研究中心(Global precipitation climatology centre,GPCC)提供的全球氣候降水計劃(GPCP)中的全球降水?dāng)?shù)據(jù)集[32]。本文所選以上數(shù)據(jù)時間段為1979—2020年,做距集處理時將1981—2010年各月平均值作為氣候態(tài)平均值。

1.2 兩類El Nio事件的定義標(biāo)準(zhǔn)

本文使用赤道中東太平洋(120°W—170°W,5°S—5°N)區(qū)域平均的海表面溫度異常(Nio 3.4指數(shù))來確定El Nio事件。如果El Nio發(fā)展年(后文發(fā)展年上標(biāo)為0,衰退年上標(biāo)為1)冬季(12月、次年1月、2月,D0JF1)平均的Nio3.4指數(shù)大于等于0.5°,且在發(fā)展年秋季至衰退年夏季至少有連續(xù)3個月海溫異常在0.5°以上,則定義為一個El Nio事件。使用Kug等[26]的方法來區(qū)別El Nio空間分布型,即將發(fā)展年冬季平均的Nio 3和Nio 4指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化,若該年Nio 3指數(shù)大于Nio 4指數(shù)則定義為EP El Nio事件,反之則為CP El Nio事件。兩年周期的El Nio則使用該周期內(nèi)兩個冬季平均的Nio 3和Nio 4指數(shù)來進(jìn)行判斷,最終得到東部型和中部型事件各6個,詳情可見表1。本文主要研究方法采取合成分析法,并使用t檢驗進(jìn)行顯著性檢驗。

表1 1979—2020年不同分布型El Nio事件分類Tabel 1 Classification of the different El Nio events from 1979 to 2020

表1 1979—2020年不同分布型El Nio事件分類Tabel 1 Classification of the different El Nio events from 1979 to 2020

El Ni?o類型 El Ni?o type年份 YearCP El Ni?o1994/1995、2002/2003、2004/2005、2006/2007、2009/2010、2019/2020EP El Ni?o1982/1983、1986/1988、1991/1992、1997/1998、2014/2016、2018/2019

2 兩類El Nio事件與次年山東夏季降水異常的聯(lián)系及作用機(jī)理

2.1 山東夏季降水時空特征

圖1(a)為山東夏季(6—8月平均)降水氣候態(tài)分布。從空間分布上可以看出,山東夏季降水有著由東南山地丘陵向西北平原逐漸減弱的特征,其中魯南地區(qū)為全省降水極大區(qū),平均降水可達(dá)5～6 mm/d,而黃河三角洲區(qū)域的降水則稍弱一些,平均降水量僅有2～3 mm/d。對圖1(a)中的格點進(jìn)行區(qū)域平均,得到山東夏季降水指數(shù)。從全年降水指數(shù)的月變化情況(見圖1(b))來看,山東逐月降水呈現(xiàn)典型的單峰結(jié)構(gòu),降水主要集中于夏季。6月開始,山東全省進(jìn)入汛期,降水強(qiáng)度在7、8月達(dá)到頂峰,9月汛期則逐漸進(jìn)入尾聲。由于6、7、8月降水強(qiáng)度較大,約占全年降水總量的62%,因此本文著重對山東夏季(6、7、8月)的降水進(jìn)行分析。結(jié)合夏季降水的年際變化(見圖1(c))來看,盡管山東夏季降水量存在一定的上升趨勢,但其主要信號仍以年際變化為主。考慮到ENSO對全球氣候年級變化有重要影響,下面我們探討ENSO對山東夏季降水異常的影響,以及兩類El Nio中降水異常的差異。

2.2 山東夏季降水對前冬兩類El Nio事件的不同響應(yīng)

(圖(c)中扣除了氣候態(tài)平均,虛線為線性趨勢。Remove the climate state is removed and dashed line is a linear trend in (c).)

(打點區(qū)域為通過90%顯著性檢驗。The dots indicate anomaly significant at the 10% significance level based on the t-test.)

2.3 兩類El Nio事件影響次年山東夏季降水異常的作用機(jī)理

(打點區(qū)域為通過90%顯著性檢驗,綠色等值線為氣候態(tài)下的5 860和5 880 gpm線。The dots indicate anomaly significant at the 10% significance level based on the t-test. Green line indicate 5 860 and 5 880 gpm in climate state.)

對流層底層環(huán)流風(fēng)場造成的水汽輸送是造成降水異常的重要因素,因此為進(jìn)一步分析圖2中顯示的山東夏季降水異常響應(yīng)原因,圖4給出了夏季(JJA)海表面氣壓、850 hPa風(fēng)場和整層水汽通量散度異常合成。根據(jù)Xie等[8]的工作,NWPAC強(qiáng)度可由海表面氣壓異常來表征。從圖4(a)可以發(fā)現(xiàn),CP El Nio次年夏季有強(qiáng)大的NWPAC存在,其中心位于東經(jīng)130°,北緯25°左右。NWPAC西北側(cè)的強(qiáng)烈西南風(fēng)(見圖4(c))加強(qiáng)了東亞夏季風(fēng)由南至北的經(jīng)向水汽輸送,山東成為水汽顯著輻合區(qū)從而降水偏多。而EP El Nio次年夏季的環(huán)流情況則有所不同,次年夏季NWPAC較CP El Nio更加偏南偏弱,其中心處于北緯20°以南,在其北側(cè),有異常氣旋位于日本列島上空且強(qiáng)度較強(qiáng)(見圖4(b))。結(jié)合850 hPa風(fēng)場(見圖4(d))可以看出,異常氣旋西側(cè)的偏北風(fēng)會對山東至江蘇一帶造成影響。異常北風(fēng)通過減弱東亞夏季風(fēng)來阻礙向北的水汽輸送,進(jìn)而使得山東成為水汽輻散區(qū),造成降水偏少,干旱加劇的情況。

(打點區(qū)域通過90%顯著性檢驗且僅顯示至少一個分量通過90%顯著性檢驗的風(fēng)場。The dots indicate anomaly significant at the 10% significance level based on the t-test and the arrows represent winds that pass the same test standard at least one direction.)

(紅框為西太平洋暖池(125°E—145°E,0°—15°N)區(qū)域,打點區(qū)域為通過90%顯著性檢驗。 Red box is WPWP (125°E—145°E, 0°—15°N). The dots indicate anomaly at the 10% significance level based on the t-test.)

(紅框為西太平洋暖池(125°E—145°E,0°—15°N)區(qū)域,打點區(qū)域為通過90%顯著性檢驗。 Red box is WPWP (125°E—145°E,0°—15°N). The dots indicate anomaly at the 10% significance level based on the t-test.)

2.4 兩類El Nio事件與次年山東夏季季節(jié)內(nèi)降水變化的聯(lián)系及作用機(jī)理

(打點區(qū)域為通過90%顯著性檢驗。The dots indicate anomaly significant at the 10% significance level based on the t-test.)

2.4.2 對流層中下層逐月大氣異常環(huán)流對兩類El Nio事件的響應(yīng) 結(jié)合500 hPa位勢高度異常場(見圖8),我們發(fā)現(xiàn)在EP El Nio次年6月(見圖7(d)),西北太平洋-東北亞上空的位勢高度異常呈現(xiàn)北負(fù)南正的偶極子型分布,處于東北亞的位勢高度負(fù)異常中心深入內(nèi)陸直至貝加爾湖以南,這表明類似于東亞大槽的環(huán)流形勢向西加深,較常年偏強(qiáng)。從850 hPa風(fēng)場(見圖9(d))來看,槽后的下沉氣流加強(qiáng)了由北到南的內(nèi)陸風(fēng),山東受較為干燥的偏北風(fēng)影響,水汽條件較差,對應(yīng)山東地區(qū)降水偏少,干旱加重。7月(見圖8(e))東北亞負(fù)中心位置和強(qiáng)度有所調(diào)整,位勢高度負(fù)異常僅在日本以東的局部地區(qū)存在,遠(yuǎn)離中國大陸,其產(chǎn)生的北風(fēng)對山東地區(qū)的控制減弱,因此山東旱情有所緩和。8月此負(fù)異常中心基本消失,不再影響山東,山東的旱情減弱。CP El Nio次年夏季降水的季節(jié)內(nèi)變化則與NWPAC和WPSH的位置移動有關(guān)。結(jié)合逐月850 hPa風(fēng)場和整層水汽通量散度異常(見圖9(a),(b),(c))可以發(fā)現(xiàn),6月NWPAC北邊界位于北緯25°左右,7月則是北抬至北緯30°,這使得我國6、7月主雨帶分別位于華南和長江中下游地區(qū),山東降水異常并不顯著。8月NWPAC北邊界可向北移動至朝鮮半島和日本海一帶,受其西側(cè)偏南風(fēng)的影響,山東成為水汽輻合大值區(qū),充沛的水汽供應(yīng)為降水提供了有利條件。這一變化過程說明CP El Nio次年夏季東亞水汽輻合帶的北移趨勢是由NWPAC季節(jié)內(nèi)北移所造成的。當(dāng)8月NWPAC到達(dá)最北端時,山東的降水正異常最顯著。EP El Nio(見圖9(d),(e),(f))次年6月NWPAC位置雖然與CP El Nio相類似,但NWPAC在7月并沒有發(fā)生與CP El Nio同期相同的經(jīng)向移動,而是開始向西推進(jìn),并在8月逐漸減弱,這一變化特點使其所造成的水汽輻合帶所處位置偏南且較弱,不易造成該時期山東的降水異常。

(打點區(qū)域為通過90%顯著性檢驗,綠色等值線為氣候態(tài)下的5 860和5 880 gpm線。The dots indicate anomaly significant at the 10% significance level based on the t-test. Green line indicate 5 860 and 5 880 gpm in monthly climate state.)

(打點區(qū)域為通過90%顯著性檢驗且黑色箭頭表示至少一個分量通過90%顯著性檢驗的風(fēng)矢量。The dots indicate anomaly significant at the 10% significance level based on the t-test, and the arrows represent winds that pass the same test standard at least one direction.)

3 結(jié)論

本文使用1979—2020年GPCP全球降水?dāng)?shù)據(jù)集、HadISST海表面溫度數(shù)據(jù)集、中國地面降水月值格點資料和ERA5大氣再分析數(shù)據(jù)集,通過合成分析等統(tǒng)計學(xué)手段,對El Nio事件根據(jù)空間形態(tài)進(jìn)行分類,發(fā)現(xiàn)了兩類El Nio造成的次年山東夏季平均與季節(jié)內(nèi)降水演變存在顯著的差異,并給出了兩類El Nio影響次年山東夏季降水的可能物理機(jī)制。主要結(jié)論如下:

受到數(shù)據(jù)資料的限制,本文未從更高頻的時間尺度(如逐候或逐旬)探討兩類El Nio事件對次年山東夏季降水的影響,同時也要看到除赤道中東太平洋海溫外,影響NWPAC的中高緯度因素(例如高空急流和大氣遙相關(guān)作用)在本文未進(jìn)行討論。另外夏季NWPAC季節(jié)內(nèi)變化以及不同分布型的拉尼娜事件在今后工作中有必要深入開展研究,以獲得對山東夏季降水空間分布和汛期進(jìn)退規(guī)律的進(jìn)一步理解和掌握。