江西地处我国江南地区,受东亚季风系统和地理因素影响,降水的季节和年际变化特征明显。江西历年春季(3-5月)平均降水量为638 mm,占全年平均降水总量的38%,是一年中降水最多的季节。由于春季是东亚冬季风环流向夏季风环流转换的交替季节,南方暖湿气流开始活跃,北方冷空气活动较为频繁,在冷暖气团相互作用的过程中常常造成江西春季降水分布极不均匀,导致洪涝干旱频发。另外,全球气候变化也对降水产生了明显影响,使近年来江西春季降水波动加大,旱涝更加明显。如2010年春季降水为1976年以来同期最多,出现较为严重的洪涝灾害,而2011年降水为1961年以来最少,出现严重春旱,均给江西工农业生产及人民生活带来严重影响。而此时正值江西越冬作物返青和春耕春种农忙的关键时期,旱涝等灾害性天气严重影响农业生产和人民群众生活。因此,加强春季降水异常特征及其成因研究,具有十分重要的现实意义和业务应用价值,是更好地为政府提供决策服务、有效开展防灾减灾的基础。
国内外学者针对春季我国南方降水异常的影响系统和影响因子进行了较多研究。邵太华和张耀存(2012)研究表明,当前期冬季北大西洋涛动(NAO)偏强(弱)时,我囯东部南方地区春季降水偏多(少)。李依瞳等(2017)研究指出,当春季南支槽强度越强(越弱),长江中部及西南部分地区降水越多(越少)。张恒德等(2006)研究发现,当极涡位置偏向大西洋和太平洋时,中国华南地区春季降水异常偏多。大量研究表明(池艳珍等,2005;韩晋平等,2006;温之平等,2007;张洁等,2009;李超和张庆云,2013;周明森等,2013;王遵娅等,2018),我国南方春季大范围异常降水与大气环流持续异常有密切关系,往往同时受中高纬和低纬大气环流系统的共同影响。其中包括欧亚阻塞高压、西太副高、越赤道气流、水汽输送、东亚大槽等大气环流系统。另外,海温(Wang et al., 2002;Wu et al., 2003;詹丰兴等,2013;孙照渤等,2017)、积雪(钱永甫等,2003;Wu and Kirtman, 2007;左志燕和张人禾,2012;陈红等,2017)、海冰(吴恒强和张爱华,1998;Wu et al., 2003;李锦和李春,2016)等强迫因子对我国南方春季降水的影响也非常重要。其中,ENSO作为热带地区大气-海洋中年际变化最强的异常信号,众多研究揭示了它通过影响大气环流进而间接影响我国南方降水(李锦和李春,2016;吴珊珊等,2010;Feng et al., 2011;薛峰和刘长征,2007)。李超和张庆云(2013)研究发现,春季长江中下游降水异常偏多(少)年最显著的前冬外强迫信号表现为赤道太平洋海温呈现厄尔尼诺(拉尼娜)型。李锦和李春(2016)研究表明,在El Niño事件发生的次年春季,中国东南地区降水偏多。吴珊珊等(2010)研究指出,El Niño (La Niña)衰亡年江西春季降水偏多(少)。近年来,不同于传统的东部型El Niño,中部型El Niño事件频繁出现,这两类ENSO事件对东亚气候的影响具有显著差异。在东部型El Niño事件的衰退期,南方地区春季降水异常偏多,且这一降水正异常可以持续到夏季;而在中部型El Niño衰退的春季,南方地区降水没有显著变化(Feng et al., 2011)。另外,相比中强ENSO事件,强ENSO事件对东亚夏季风和中国东部夏季降水的影响更为显著,且影响开始的时间也较早(薛峰和刘长征,2007)。
上述研究表明,影响我国南方春季降水异常的因子众多,且非常复杂。以往关于江西降水的研究主要集中在夏季、个例分析及汛期致洪暴雨过程方面(熊蜀斐和张超美,2000;张超美等,2003;马锋敏等,2011;邹海波等,2013),而利用近几十年江西站点长序列逐日雨量和大气环流再分析资料研究江西春季降水异常环流特征及其对ENSO事件的响应则未见到。此外,由于各研究的年限、资料来源、El Niño/La Niña事件定义等不同,研究结果难免存在差异。因此,本文将利用1961-2018年近60 a太平洋海表温度、江西83个台站降水量观测资料,分析江西春季降水异常年大气环流异常特征,探讨ENSO事件对江西春季降水的可能影响,为江西春季降水预测提供依据。
1 资料与方法本研究使用的资料包括: (1) 江西省气象信息中心提供的1961-2018年全省83个常规观测站逐日降水资料;(2) 美国NCEP/NCAR提供的1961-2018年大气环流逐日再分析资料,要素包括200 hPa、500 hPa和850 hPa位势高度以及垂直速度、经向风和纬向风,其分辨率为2.5°×2.5°网格点,相关数据取自https://www.psl.noaa.gov//data/gridded/data.ncep.reanalysis.html。本文春季降水指3-5月降水量之和,气候平均态指1981-2010年平均。
本研究使用的方法包括经验正交函数分解(EOF)、相关分析、合成分析等常用统计方法和诊断分析方法,使用的检验方法主要为t检验。
根据Wallace和Gutzler (1981)对欧亚遥相关型的定义(见式(1)),计算出1961-2018年春季欧亚遥相关指数(EU指数,IEU)。
$\begin{gathered} I_{\mathrm{EU}}=-\frac{1}{4} Z^{*}\left(55^{\circ} \mathrm{N}, 20^{\circ} \mathrm{E}\right)+\frac{1}{2} Z^{*}\left(55^{\circ} \mathrm{N}, 75^{\circ} \mathrm{E}\right)- \\ \frac{1}{2} Z^{*}\left(40^{\circ} \mathrm{N}, 145^{\circ} \mathrm{E}\right) \end{gathered} $ | (1) |
其中,Z*表示标准化的500 hPa春季平均高度距平,(20°E,55°N)、(75°E,55°N)和(145°E,40°N)分别表示斯堪的纳维亚和波兰、西伯利亚和日本地区。
根据中国气象局制定的《厄尔尼诺/拉尼娜事件判别方法》(GB/T 33666-2017),当NINO3.4指数3个月滑动平均值≥0.5 ℃ (≤-0.5 ℃),且持续至少5个月,判定为一次厄尔尼诺(拉尼娜)事件。NINO3.4指数是指(5°S-5°N、170°-120°W)范围内海表面温度异常的区域平均值。文中El Niño (La Niña)历史事件取自https://cmdp.ncc-cma.net/download/ENSO/Monitor/ENSO_history_events.pdf。选取1970年以来发生的9个中等强度以上El Niño事件衰减年(1973、1983、1988、1992、1995、1998、2003、2010、2016年)和所有12个La Niña事件衰减年(1972、1974、1976、1985、1989、1996、2000、2001、2008、2011、2012、2018年),探讨ENSO背景下江西春季降水特征及其形成原因。
2 江西春季降水的时空变化特征为了分析江西春季降水的时空变化特征,文中采用经验正交函数(EOF)分解方法,对1961-2018年江西83个站点春季(3-5月)降水归一化场进行EOF分解(图 1)。前3个模态的方差贡献率分别为61.4%、15.5%和4.7%,累积方差贡献率达81.6%。第1模态呈现全省一致的负值,表明江西春季降水空间变化最主要的模态为全省一致型变化趋势,表现为全省春季降水整体偏多或偏少,这是最主要的空间分布型(图 1a)。第2模态呈南北反向分布,0线在28°N附近,以0线为界,以北为负值区,以南为正值区,表明南北相反变化的空间型(图 1c);第3模态自北向南依次为正-负-正的带状分布形式,反映江西北部和南部降水与中部相反的变化趋势(图 1e)。
由于第一特征向量表示江西全区一致变化且其方差贡献最大,采用EOF分析所得第一特征向量的时间序列(简称PC1,下同)来定义区域旱涝年。因此,选取1961-2018年中PC1 < -1一个标准差的年份为降水偏多年(1962,1970,1973,1975,1980,1981,1983,1992,2010,2012,2016年),PC1>1一个标准差的年份为降水偏少年(1963,1964,1971,1974,1982,1985,1990,2007,2008,2011,2018年)。
3 春季降水异常的环流特征大气环流异常是降水异常的直接原因。通过对江西省春季降水偏多年与偏少年的中、低层环流场的分析,深入探讨江西春季降水异常的环流特征,以便研究降水异常的大气内部影响因子及其形成原因。
从江西春季降水偏多年500 hPa位势高度距平合成场(图 2a)可见,欧亚地区中高纬从西向东为“- + -”的纬向距平符号分布,负距平位于欧洲西部地区,负距平中心则位于斯堪的纳维亚半岛南部地区,正距平位于东欧至西伯利亚地区,正距平中心位于乌拉尔山附近,表明乌拉尔山阻塞活动频繁;另一负距平区位于贝加尔湖附近。其中,在里海、贝加尔湖地区各有一个负距平中心,表明这一地区低槽系统活跃,贝加尔湖低槽加强有利于引导冷空气南下;在孟加拉湾、中南半岛至菲律宾以东的西太平洋地区为另一正距平区,表明副高偏强,有利于暖湿空气活跃并北上。这种环流形势有利于冷空气南下在江西地区与南来的暖湿气流交汇。
江西春季降水偏少年环流异常则与上述偏多年基本相反。从江西春季降水偏少年500 hPa位势高度距平合成场(图 2b)可见,欧亚地区中高纬从西向东为“+-+”的纬向距平符号分布,正距平位于欧洲西部地区,正距平中心在斯堪的纳维亚半岛南部地区,负距平位于东欧至贝加尔湖的西伯利亚地区,负距平中心在乌拉尔山附近,表明乌拉尔山阻塞系统活动偏弱;另一正距平区位于30°N以北、贝加尔湖以东以南地区,包括东西伯利亚地区、蒙古国东部、中国100°E以东大部、朝鲜半岛至日本以东洋面上,这表明30°N以北的东亚大槽偏弱。里海附近也有一正距平中心,表明该地区低槽系统不活跃;30°N附近及其以南的亚洲地区为大片负距平区域,其中孟加拉湾、中南半岛至菲律宾以东洋面为负距平大值区,表明副高偏弱,不利暖湿空气加强北上。这种环流形势不利于冷空气南下在江西地区与南来暖湿气流交汇。
图 3给出了江西春季降水EOF第1模态的标准化时间系数序列PC1与同期欧亚地区500 hPa位势高度场相关系数分布图。从中可见,欧洲西部地区的相关系数为负值,其数值超过了-0.3(通过0.05显著性水平检验),该负值区与图 2a中欧洲西部的低压槽对应;乌拉尔山地区的相关系数为正值,其数值超过了0.4(通过0.01显著性水平检验),与乌拉尔山阻塞高压活动高频区位置基本一致,在贝加尔湖地区为明显的负相关中心,其相关系数超过了-0.26(通过0.05显著性水平检验),这一负相关区正好位于贝加尔湖地区。在亚洲低纬地区,从孟加拉湾和中南半岛经南海至台湾以东热带西太平洋地区的相关系数为正值,其数值超过了0.3(通过0.05显著性水平检验),与西太副高位置相对应。
上述相关分析进一步表明,江西春季降水异常偏多年欧亚地区中高纬从西向东为“- + -”的纬向距平波列,欧亚地区中高纬为两槽一脊的形势,欧洲西部低槽偏强,乌拉尔山阻塞高压异常发展,贝加尔湖地区低槽偏强,西太副高偏强,这种环流形势有利于冷空气南下在江西地区与南来的暖湿气流交汇。江西春季降水偏少年环流异常则相反。与欧亚地区中高纬从西向东的“- + -”纬向距平波列及西太副高偏强相联系的850 hPa环流也表现出了相似的特征(图 4a): 乌拉尔山上空为反气旋性环流,欧洲西部及贝加尔湖至日本以西地区为气旋环流,从菲律宾至台湾及其以东的西太平洋地区为异常反气旋环流,江西为西南风距平控制,有利于来自南海和西太平洋的水汽向江西输送(图 4a)。降水偏少年则相反,乌拉尔山上空为气旋性环流,欧洲西部及贝加尔湖至日本以西地区为反气旋环流,从菲律宾至台湾及其以东的西太平洋地区为异常气旋性环流,江西为偏北风距平控制,不利于水汽向江西输送(图 4b)。
欧亚地区中高纬从西向东的“- + -”纬向传播的波列表现出类似Wallace和Gutzler (1981)定义的欧亚遥相关型(EU型)的特征。前人研究表明,欧亚遥相关型是影响中国春季降水的重要因子。如王遵娅等(2018)分析指出,中国春季降水与乌拉尔山以东的低槽和东北亚上空的高脊具有很好的相关性,容易造成中囯东部降水“南少北多”,两个关键环流系统间存在显著的负相关关系,且均与欧亚遥相关(EU)波列关系密切。高留喜(2003)分析了山东省春季旱年与涝年环流形势的差异,明确提出大气环流可能存在欧亚型遥相关控制山东春季降水;东亚大槽增强(减弱)、乌拉尔地区环流连续出现正(负)异常可能是导致山东省春季少(多)雨的原因。
为更清楚地认识欧亚遥相关型(EU型)对江西春季降水的影响,分别计算1961-2018年春季EU指数与同期500 hPa位势高度场、江西地区春季降水标准化值的相关系数。图 5给出同期春季EU指数与500 hPa位势高度场的相关系数分布(填色区表示通过0.05显著性水平检验)。从中可见,EU指数与欧洲西部、乌拉尔山附近地区及贝加尔湖至日本以西地区位势高度具有显著的相关性,且呈“- + -”相关分布,欧亚大陆上空为两槽一脊形势。图 5与图 3相比,欧亚地区中高纬从西向东均为“- + -”的纬向波列,且正、负相关中心分布地区大致相同。这进一步说明欧亚遥相关型(EU型)是造成江西春季降水异常的主要环流型。EU指数越大,表示东亚大槽、西欧浅槽以及乌拉尔山高压脊越强,中高纬环流的经向度增大,有利于冷空气南下,并与来自南方海洋的暖湿气流汇合,造成江西春季降水偏多。EU指数越小,表示东亚大槽、西欧浅槽越弱以及西伯利亚高压脊越弱。当中高纬环流的经向度变小时,则不利于冷空气南下,江西春季降水偏少。
图 6为1961-2018年春季EU指数与同期江西区域平均的降水标准化值时间序列也证明了这一点,从中可见,江西春季降水与春季EU指数呈现出正相关关系,相关系数(r)为0.29 (通过0.05显著性水平检验)。这表明当春季EU指数越大,江西地区的春季降水偏多;反之,降水偏少。
从1970-2018年江西春季降水距平百分率逐年变化图上可见(图 7),江西春季降水量在9个El Niño衰减年中有8个偏多(2003年除外),12个La Niña衰减年中有10个江西春季降水偏少(1989、2012年除外)。从1970-2018年中9个El Niño衰减年和12个La Niña衰减年江西春季降水距平百分率合成空间分布图上看到(图 8),El Niño衰减年整个江西地区春季降水较常年同期偏多,江西北部和南部大部地区降水较常年明显偏多(偏多20%~30%),景德镇、都昌偏多超过30%;江西中部、赣州南部略偏多(偏多10%~20%),宜春西部偏多程度最轻(不足10%)。与El Niño衰减年相反,La Niña衰减年整个江西地区春季降水较常年同期偏少,但降水偏少的空间分布与El Niño衰减年有所不同,江西大部分地区较常年偏少10%~20%,吉安、吉水偏少超过20%,九江西南部、赣州西部偏少程度最轻(不足10%)。
以上分析表明,El Niño和La Niña事件对江西不同地区春季降水的影响存在差异,El Niño对江西北部和南部影响较大,La Niña对江西中部影响较大,但El Niño和La Niña均对赣州西南部影响较小。
4.2 春季东亚大气环流对ENSO的响应中国东部地区春季降水与ENSO相关显著,即在El Niño事件发生的次年春季,西太副高易偏强、东亚大槽偏弱、巴尔喀什湖至贝加尔湖的高度场偏低,即多低槽维持(李锦和李春,2016;吴璐等,2017)。第3节的研究结果表明,江西春季降水偏多年,在500 hPa上欧亚中高纬地区从西向东为“- + -”的纬向距平分布,西太副高偏强是导致江西春季降水异常偏多的重要大气环流系统。因此,有必要进一步探究ENSO事件对应的东亚大气环流异常与江西春季降水异常的关系。
从合成的El Niño衰减年春季东亚地区低层(850 hPa) 环流距平场(图 9a)可见,西太平洋地区位势高度为正距平,对应为反气旋控制,江西地区处在一致的西南风区。这表明El Niño衰减年春季西太副高偏强,南方暖湿气团较活跃,有利于南海上空的西南水汽沿西太副高西北侧输送到江西地区,为江西地区降水提供有利的水汽条件。另外,青藏高原以东我国南方地区位势高度为负距平,对应为气旋式环流控制,江南地区处在明显风速和风向辐合区,有利于上升运动发生发展,为江西降水提供有利的抬升条件。
从合成的El Niño衰减年春季东亚地区高层(200 hPa)环流距平场(图 10a)可见,我国华北东部至日本一带是反气旋环流,青藏高原东南部至我国长江以南地区为气旋环流,江西北部盛行偏东风,南部为偏西风,东海有一强辐散中心,江西位于该中心西侧的辐散区中,这表明江西地区高空辐散偏强,有利于建立深厚的上升运动。
春季环流La Niña衰减年与El Niño衰减年相反,在La Niña衰减年春季东亚低层(850 hPa)环流距平场(图 9b)上,整个东亚地区位势高度均为负距平,其负距平中心位于菲律宾东部的西太平洋海域,对应为异常气旋控制,江西地区以东北风为主。这表明La Niña衰减年春季西太副高强度偏弱,南方暖湿气团不活跃,进而抑制了南海水汽输送到江西地区。另外,我国南方地区上空受一闭合反气旋环流控制,江南地区处在风向风速辐散区,盛行下沉运动,下沉运动中心位于江西南部,不利于江西上升运动发生发展。
另外,从La Niña衰减年春季东亚高层(200 hPa)环流距平场(图 10b)可见,青藏高原及其以东的南方地区上空有一反气旋环流,江西地区位于这一反气旋环流东侧,北部受西北风控制,南部为东风控制,江西地区处于气流辐合中心,有利形成下沉运动,不利于江西上升运动发生和发展。
以上分析表明,影响江西春季降水的主要环流因子是西太副高,反气旋西北侧的西南气流为江西春季降水提供了重要的水汽来源。El Niño衰减年春季,东太平洋海温偏高同时加热大气,中东太平洋海平面气压下降,西太平洋低层气压升高,西太副高增强,因此ENSO通过影响西太副高异常进而影响江西春季降水异常。
5 结论与讨论本文利用江西省1961-2018年春季(3-5月)逐日降水资料和NCEP/NCAR逐日再分析资料,对江西春季降水异常年大气环流特征及其对ENSO事件的响应进行了分析,得到以下主要结论:
(1) 江西春季降水异常偏多(少)年大气环流形势存在明显差异。中层500 hPa欧亚地区中高纬从西向东为“- + -”“(+-+”)的距平(相关)纬向波列分布,欧洲西部低槽加强(减弱),乌拉尔山附近多(少)阻塞高压系统活动,贝加尔湖地区低槽加强(减弱),西太副高偏强(弱),这种环流形势有(不)利于冷暖气流在江西上空交汇;低层850 hPa菲律宾至台湾及其以东的西太平洋地区为反气旋性(气旋性)环流,江西地区为异常西南风(东北风)控制,使来自南海和西太平洋的水汽向江西输送加强(减弱)。
(2) ENSO是影响江西春季降水的重要强迫信号。ENSO衰减年不同位相对江西春季降水的影响主要表现为El Niño衰减年有利于江西地区春季降水偏多,而La Niña衰减年则有利于江西地区春季降水偏少。ENSO通过影响西太副高异常进而影响江西春季降水异常。El Niño (La Niña)衰减年春季低层850 hPa西太副高偏强(弱)、西北太平洋呈异常反气旋(气旋)、江西地区为异常西南风(东北风)距平,低层辐合偏强(弱)和高层200 hPa辐散(合)形成了有(不)利的水汽和动力条件是造成江西地区降水偏多(少)的主要原因。
本文分析了江西春季降水异常偏多(少)年环流形势的差异,明确指出欧亚遥相关型(EU型)是造成江西春季降水异常的主要环流型。相关分析发现,EU型指数与江西降水呈现出正相关关系。欧亚遥相关型(EU型)指数增大(减小),西欧浅槽、东亚大槽及西伯利亚高压脊均加强(减弱),中高纬环流的经向度增大(减小),有(不)利于冷空气南下与来自南方海洋的暖湿气流汇合,造成江西春季降水偏多(少)。这些结果有助于认识江西春季降水异常的规律,但对大气环流异常的欧亚遥相关型(EU型)机理研究尚不深入,今后将通过数值模拟试验等方法继续开展研究,以便进一步揭示其变化规律和物理机制。另外,本文通过合成对比分析了引起ENSO衰减年江西春季降水异常的形成机理,发现春季东亚大气环流对ENSO的响应是显著的,导致江西降水偏多(少)年的水汽条件和西太副高强弱与El Niño (La Niña)型海温强迫有关。ENSO可以为开展江西春季降水异常诊断和预测业务提供参考依据。
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