地球物理学报  2020, Vol. 63 Issue (11): 3952-3966   PDF    
南太平洋和北太平洋年代际振荡与华北盛夏降水的关系及可能物理机制
李刚1, 李崇银2,3, 晏红明4, 江晓华5, 鞠永茂1     
1. 中国人民解放军 61741 部队, 北京 100094;
2. 国防科技大学气象海洋学院, 南京 211101;
3. 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室, 北京 100029;
4. 云南省气候中心, 昆明 650034;
5. 西昌卫星发射中心, 四川西昌 615000
摘要:利用降水、大气环流和海表温度等多种再分析资料和偏相关方法,研究了1951—2007年南太平洋年代际振荡(SPDO)和北太平洋年代际振荡(即PDO,本文称为NPDO)分别与华北盛夏(7—8月)降水在年代际时间尺度上的关系及其可能物理机制.结果表明:在去除SPDO和NPDO的相关性之前,它们与华北盛夏降水的关系均偏弱;但在去除两者相关性之后,SPDO(NPDO)与华北盛夏降水存在显著正(负)相关关系.去除两者相关性之后,当SPDO处于正位相时,热带西北太平洋海温异常显著偏暖,这将在对流层中下层从热带西太平洋—东亚沿岸激发出"气旋-反气旋-气旋"的负位相东亚—太平洋型遥相关(EAP)波列,该波列导致东亚夏季风异常增强,有利于低纬地区水汽输送至华北地区,从而使得华北盛夏降水异常偏多,反之,当SPDO处于负位相时,华北盛夏降水异常将偏少;对NPDO来说,当其处于正位相时,不仅热带西北太平洋异常显著偏冷,而且印度洋大部分海温异常显著偏暖,在两者共同作用下,对流层中下层从热带西太平洋—东亚沿岸出现"反气旋-气旋-反气旋"的正位相EAP波列,这将引起东亚夏季风异常减弱,不利于低纬地区水汽输送至华北地区,华北盛夏降水异常因此减少,反之,当NPDO处于负位相时,华北盛夏降水异常将偏多.
关键词: 北太平洋年代际振荡      南太平洋年代际振荡      华北盛夏降水      东亚夏季风     
The relationships of mid-summer rainfall over North China with North Pacific Decadal Oscillation and South Pacific Decadal Oscillation and their possible physical mechanisms
LI Gang1, LI ChongYin2,3, YAN HongMing4, JIANG XiaoHua5, JU YongMao1     
1. Unit 61741 Troops of PLA, Beijing 100094, China;
2. Meteorological and Oceanography College, National University of Defense Technology, Nanjing 211101, China;
3. State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
4. Yunnan Climate Center, Kunming 650034, China;
5. Xichang Satellite Launch Center, Sichuan Xichang 615000, China
Abstract: Using multiple reanalysis datasets and the partial correlation method, the relationships of South Pacific Decadal Oscillation (SPDO) and North Pacific Decadal Oscillation (PDO, called NPDO in this paper) with the mid-summer rainfall over North China on the decadal timescale and the related physical mechanisms are investigated. The results show that the relationships of SPDO and NPDO with mid-summer rainfall over North China are insignificant before removing the interdependence between the SPDO and NPDO. However, after removing the interdependence, there is significant positive (negative) relationship between SPDO (NPDO) and mid-summer rainfall over North China. The corresponding mechanisms are further examined. It is suggested that the positive phase of SPDO is associated with significantly warm sea surface temperature anomalies (SSTA) over the tropical northwestern Pacific, which would excite a negative East Asia-Pacific (EAP) pattern. The negative EAP pattern can induce a strengthened East Asian summer monsoon (EASM), which favors moisture transport from the low-latitude region to North China, leading to an anomalous more rainfall over North China, and vice versa. For the positive phase of NPDO, besides significantly cold SSTA over the tropical northwestern Pacific, significantly warm SSTA appears over most of Indian Ocean. Under the influence of SSTA over these two regions, a positive EAP pattern appears from the tropical northwestern Pacific to East Asia, inducing a weakened EASM, which is unfavorable for moisture transport from the low-latitude regions to North China, and thus anomalous less rainfall occurs over North China, and vice versa.
Keywords: North Pacific Decadal Oscillation (NPDO)    South Pacific Decadal Oscillation (SPDO)    Mid-summer rainfall over North China    East Asian summer monsoon    
0 引言

随着社会发展和科技进步,年代际气候变化引起了人们的高度重视(Trenberth, 1990Trenberth and Hurrell, 1994李崇银,2000),特别是在1990年代中期国际CLIVER(气候变化及可预报性研究)计划将其列为重要研究内容之后(WCPR,1995),年代际气候变化就成为气象学家关注的热点问题之一(李崇银,2019).经过广泛而深入的研究,人们在全球海气系统年代际变化、降水和气温年代际变化等多方面取得了不少有重要意义的成果(Latif and Barnett, 1996李崇银等,2002Li and Xian, 2003; Li et al., 2006, 2014a).

在降水年代际变化方面,科学家发现中国东部夏季降水不仅在时间上具有显著的年代际变化特征,而且在空间上呈现出南北反相的分布特征,即:中国东部夏季降水在20世纪50—60年代大致呈现出“南旱北涝”分布特征,即华北降水异常偏多,长江中下游地区降水异常偏少,而在20世纪80—90年代则大致呈现出“南涝北旱”分布特征,即华北降水异常偏少,长江中下游降水异常偏多(黄荣辉等,1999李峰和何立富,2002顾薇等,2005Ding et al., 2008).需要指出的是,由于华北降水主要出现在盛夏(7—8月),该时段降水占华北全年降水的65%以上(郝立生和丁一汇,2012),这对华北地区水资源多寡程度有重要影响,所以,始于20世纪80年代的夏季降水异常减少是导致近几十年华北地区水资源短缺的主要原因之一,这已成为华北社会和经济发展所必须面临的突出问题(Ma,2007).因此,研究华北地区夏季降水年代际变化特征及其机理就显得十分重要.

实际上,气象学家对华北夏季降水的年代际变化特征及其机理已经做了不少研究(陆日宇,2002徐桂玉等,2005Qian and Zhou, 2014).这些研究显示,华北夏季降水除了具有8~10年和16~20年周期(顾薇等,2005),还具有明显的80年周期(Zhu and Wang, 2001),以上周期与东亚夏季风(Ding et al., 2008)、海温(杨修群等,2005郝立生等,2011)和海冰(宋华和孙照渤,2003)等海气因子的关系紧密.在这些因子中,太平洋海温对华北夏季降水的年代际变化有重要影响(黄荣辉等,1999李峰和何金海,2000),特别是太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation, 以下简称PDO)与华北夏季降水具有很好的对应关系(朱益民和杨修群,2003Qian and Zhou, 2014),当PDO处于暖位相时,华北夏季降水异常偏少,当PDO处于冷位相时,该地区夏季降水异常偏多,PDO主要是通过东亚夏季风来影响华北夏季降水.值得注意的是,PDO最早由Mantua等(1997)提出,它是北太平洋海表温度在年代际时间尺度上一个类似于ENSO的重要模态,当其处于暖位相时,热带中东太平洋和北美西海岸附近海表温度异常偏暖,北太平洋中部海表温度异常偏冷,处于冷位相时,海表温度异常则大致呈现出相反分布特征,它对太平洋及周边地区气候的年代际变化具有重要影响.

与北太平洋相比,早期南太平洋的海温观测资料明显偏少,这导致人们对其研究也随之偏少.但随着20世纪中后期卫星遥感技术的发展和模式算法的改进,南太平洋海温的再分析资料质量有了明显提高,科学家对南太平洋的研究也相应增多.已有研究表明, 在年际时间尺度上,南太平洋海温与ENSO和南极涛动存在显著关系(Ciasto and Thompson, 2008; Li et al., 2012; Ding et al., 2015),而且它对中国降水变化影响显著(Zhou, 2011; Li et al., 2014b; Ao and Sun, 2016);在年代际时间尺度上,南太平洋具有显著的10~20年变化周期,这种年代际变化周期在冬季最显著(Wang et al., 2007; Chen et al., 2008; Li et al., 2014b),该年代际变化与澳大利亚东部、海洋性大陆、台湾岛和朝鲜半岛等地区的夏季降水存在紧密联系(Hsu and Chen, 2011),此外,它还能够对我国东南地区的秋季降水产生重要影响(Li et al., 2018).

关于南太平洋和北太平洋年代际变化,科学家进行了大量研究.其中,Shakun和Shaman(2009)定义了南半球PDO(Southern Hemisphere PDO,以下简称SPDO),他们指出SPDO与PDO并不是相互独立的,两者关系紧密, 而且它们均与ENSO存在显著的关系,SPDO和PDO可能是ENSO强迫的结果.虽然前人已做了不少关于PDO对华北夏季降水影响的研究,但这些研究没有考虑PDO和SPDO的相关性,到目前为止,我们还不清楚PDO和华北夏季降水的关系与这种相关性存在什么样的联系.此外,关于SPDO对华北夏季降水影响及其可能机制的研究尚未多见,而且它的这种影响与SPDO和PDO相关性的关系也是未知的.因此,本文主要在考虑SPDO和PDO相关性的基础上,重点研究它们各自对华北盛夏降水的独立影响及其可能物理机制,以期为华北盛夏降水的预测提供一定的依据.

1 资料和方法 1.1 资料

本文所用资料包括:(1)英国Hadley中心的全球格点月平均海表温度资料(HadISST1)(Rayner et al., 2003),时间长度为1870年1月至2019年1月,水平分辨率为1°×1°.(2)大气环流资料来自于美国国家环境预报中心和国家大气研究中心(Kalnay et al., 1996),所用要素包括风场、垂直速度、比湿、位势高度和海平面气压等,时间长度为1948年1月至2018年12月,垂直分26层,水平分辨率为2.5°×2.5°.(3)降水资料来自两套不同的全球陆地高分辨率(0.5°×0.5°)格点降水资料, 分别是德国全球降水气候中心(GPCC)发布的GPCC V.6降水资料(Schneider et al., 2011)和英国气候研究组(CRU)发布的CRU TS 3.1降水资料(Mitchell et al., 2005),时间长度为1948年1月至2012年12月.(4)PDO指数和SPDO指数由Shakun和Shaman(2009)提供,为了与SPDO形成对比,本文将PDO指数定义为NPDO指数,两个指数的时间长度为1901年1月至2007年12月.

考虑到以上资料质量和时间长度,本文研究的时间段选为1951年到2007年,共57年.其中,气候平均选取的是1971—2000年.此外,我们将(35°N—41°N,110°E—122°E)定义为华北地区(陆日宇,2002).

1.2 方法

采用相关、回归等分析方法分别计算了NPDO和SPDO与华北盛夏降水、海温和大气环流异常的相关和回归系数,信度检验方法为t检验.由于本文主要关注年代际时间尺度,因此在计算相关系数之前,我们对所有变量进行了9年滑动平均,并去除了各个变量的线性趋势,其中将9年滑动平均后的SPDO和NPDO指数定义为SI9和NI9.

为了揭示NPDO和SPDO在年代际时间尺度上对降水的独立影响,本文还采用偏相关分析.具体计算方法为:设有三个变量x1, x2, x3,那么去除x3影响之后的x1x2之间的偏相关系数记为r12, 3,其计算公式如下:

(1)

其中,r12r13r23分别表示变量x1x2x1x3以及x2x3之间的相关系数.

此外,我们还计算了整层(地面至300 hPa)水汽通量Q,其计算公式如下:

(2)

其中,g表示重力常数,q表示比湿,V表示风场,psfc表示地表气压,p表示气压.

在进行9年滑动平均后,本文中所用变量的自由度会明显降低.因此,本文采用有效自由度对相关系数显著性进行检验(Bretherton et al., 1999),有效自由度计算公式如下:

(3)

其中,Neff表示有效自由度,ρXXρYY分别表示两组序列XY在滞后时间j上的自相关系数.

2 SPDO和NPDO与华北盛夏降水在年代际时间尺度上的关系

在研究SPDO和NPDO与华北盛夏降水在年代际尺度上的关系之前,我们首先对盛夏SPDO和NPDO的关系进行简短讨论.图 1给出的是1951—2007年盛夏SPDO(图 1a)和NPDO(图 1b)指数标准化时间序列(蓝线)及各自的9年滑动平均(红线).从图中可看出,SPDO和NPDO均表现出明显的年际和年代际变化特征,它们的相关系数为0.5(通过95%置信水平显著性检验).9年滑动平均后,它们的相关系数明显增大(0.73,通过95%置信水平显著性检验).以上分析表明盛夏SPDO和NPDO存在显著关系,而且这种关系在年代际时间尺度上更为紧密.

图 1 1951—2007年盛夏(a)SPDO和(b)NPDO标准化时间序列(蓝线).红线表示SI9和NI9,绿线表示SI9r和NI9r Fig. 1 Normalized time series (blue line) of mid-summer (a) SPDO and (b) NPDO during 1951—2007. The red lines indicate SI9 and NI9, and the green lines indicate SI9r and NI9r

为了进一步研究SPDO和NPDO在年代际时间尺度上的关系,我们采用Zhou和Wu(2010)的方法去除了两个指数的相关性,将去除相关性后的SI9和NI9定义为SI9r和NI9r,计算公式如下:

(4)

(5)

其中,rg(SI9, NI9)表示SI9对NI9的回归系数,rg(NI9, SI9)表示NI9对SI9的回归系数.图 1中绿色线表示SI9r(图 1a)和NI9r(图 1b).SI9和SI9r的相关系数为0.72(通过95%置信水平显著性检验),NI9和NI9r的相关系数为0.42(通过95%置信水平显著性检验),这表明在年代际时间尺度上,盛夏SPDO对NPDO的影响要比NPDO对SPDO的影响大.由于SPDO和NPDO的关系不是本文研究重点,这里不再赘述,我们将在以后工作中对其进行详细讨论.

为分析SPDO和NPDO与华北盛夏降水在年代际时间尺度上的关系,我们首先将SI9和NI9分别与基于GPCC V6资料的降水异常求相关(图 2).从图 2a中可见,华北大部分地区为正相关,其中通过95%置信水平显著性检验的区域主要位于华北北部,而华北南部及山东半岛存在一部分负相关区,但相关不显著,表明在年代际时间尺度上,当SPDO处于正位相时,华北盛夏大部分地区的降水异常易于偏多,特别是华北北部的一些地区降水异常偏多显著,当SPDO处于负位相时,降水异常则可能出现相反分布.

图 2 1951—2007年盛夏(a)SI9和(b)NI9与基于GPCC V6资料的9年滑动平均后降水异常的相关系数分布.(c)和(d)同(a)和(b),但是基于CRU TS 3.1资料 白线包围白点区域表示通过95%置信水平显著性检验区域.黑框表示华北地区(下同). Fig. 2 Correlations of (a) SI9 and (b) NI9 with mid-summer 9-year running mean of rainfall anomalies over the eastern China based on GPCC V6 dataset from 1951 to 2007. (c), (d) As in (a), (b), but based on the CRU TS 3.1 dataset The white contours filled with the dots indicate statistical significance at the 95% confidence level based on Student′s ttest. The domain of North China is indicated by the black rectangle (the same below).

图 2b可知,华北大部分地区存在负相关,通过95%置信水平显著性检验的区域主要位于华北南部,华北北部则存在弱正相关,说明在年代际时间尺度上,当NPDO处于正位相时,盛夏华北大部分地区降水异常易于偏少,尤其是华北南部地区降水异常偏少显著,反之亦然.虽然所用资料和季节定义与朱益民和杨修群(2003)存在差异,但我们得到的NPDO和华北盛夏降水异常在年代际时间尺度上的关系与他们的结果存在一定的相似性.需要说明的是,以上结果主要是基于GPCC V6降水资料得出的,为了验证结果的可靠性,我们采用CRU TS 3.1降水资料重新计算了SI9和NI9与华北盛夏降水异常的相关系数(图 2c2d),与图 2a2b比较可知,两套资料的结果具有很高的一致性,表明上述结果是可靠的.

接下来,我们定义了华北盛夏降水指数(NCRI),将盛夏华北地区降水进行区域平均,并将9年滑动平均后的NCRI定义为NCRI9.图 3中蓝线表示基于GPCC V6降水资料的NCRI9标准化时间序列,它与SI9(图 3a红线)的相关系数为0.25,与NI9(图 3b红线)的相关系数为-0.32,以上两个相关系数未通过95%置信水平显著性检验.由以上分析可知,SPDO(NPDO)与盛夏华北降水在年代际时间尺度上存在一定的正(负)相关关系,但这种关系总体上偏弱,不显著.

图 3 1951—2007年盛夏(a)SI9(红线)和SI9r(绿线)与(b)NI9(红线)和NI9r(绿线)标准化时间序列.蓝线表示基于GPCC V6降水资料的盛夏NCRI9标准化时间序列 Fig. 3 Normalized time series of mid-summer (a) SI9 (red line) and SI9r (green line), and (b) NI9 (red line) and NI9r (green line) during 1951—2007. The blue lines indicate the normalized time series of mid-summer NCRI9

根据以上研究,我们发现盛夏SPDO和NPDO在年代际时间尺度上存在很强的相关性,而它们与同期华北降水的关系明显偏弱,那么,它们之间的强相关性与它们和华北降水的弱相关性存在什么样的联系?为回答这个问题,我们计算了盛夏SPDO和NPDO与同期华北降水异常在年代际时间尺度上的偏相关系数(图 4).由图 4a可知,整个华北地区均为正相关,而且与去除NPDO影响之前相比(图 2a),通过95%置信水平显著性检验的区域明显增大,此外,从图 3a可看出,SI9r与NCRI9表现出显著同位相变化特征,两者的相关系数为0.72(通过95%置信水平显著性检验),表明在年代际时间尺度上去除NPDO影响后,当SPDO处于正位相时,华北盛夏降水异常显著偏多,当SPDO处于负位相时,华北盛夏降水异常显著偏少.

图 4图 2,但为偏相关 Fig. 4 As in Fig. 2, but for the partial correlations

图 4b可知,华北绝大部分地区为负相关,而且大部分地区为通过95%置信水平显著性检验的区域,NI9r与NCRI9存在明显的反位相变化特征(图 3b),它们的相关系数为-0.75(通过95%置信水平显著性检验),表明在年代际时间尺度上去除SPDO影响后,当NPDO处于正位相时,盛夏华北降水异常显著偏少,反之亦然.基于CRU TS 3.1降水资料的计算结果与上述结果存在很高的一致性(图 4c图 4d),证明以上结果是稳定和可靠的.

通过以上分析,我们发现在年代际时间尺度上盛夏SPDO和NPDO的相关性对它们与华北降水的关系有重要影响.具体来看,在去除这种相关性之前,SPDO(NPDO)与华北盛夏降水存在弱正(负)相关关系,表明当SPDO(NPDO)处于正(负)位相时,华北盛夏降水异常偏多,反之,华北盛夏降水异常偏少,但这种偏多或偏少的趋势不显著;去除SPDO和NPDO的相关性之后,SPDO和NPDO与华北盛夏降水的关系较相关性去除之前明显增强,当SPDO(NPDO)处于正(负)位相时,华北盛夏降水异常显著偏多,当SPDO(NPDO)处于负(正)位相时,华北盛夏降水异常显著偏少.进一步比较SI9和NI9与NCRI9的相关系数大小可知,NPDO与华北盛夏降水的关系要比SPDO与华北盛夏降水的关系紧密;此外,与对NPDO和华北盛夏降水关系(去除相关性前后的相关系数差的绝对值为0.43)的影响相比,SPDO和NPDO的相关性对SPDO和华北盛夏降水关系(去除相关性前后的相关系数差的绝对值为0.47)的影响要相对偏大.

3 SPDO和NPDO在年代际时间尺度上影响华北盛夏降水的可能机制

在上一节,我们发现在年代际时间尺度上去除SPDO和NPDO的相关性之后,SPDO(NPDO)与华北盛夏降水存在显著正(负)相关关系.考虑到降水异常变化与海表温度和大气环流等存在紧密联系,为了探讨SPDO和NPDO分别独立影响华北盛夏降水关系的可能物理机制,我们在这一部分将采用偏相关方法分析SPDO和NPDO在年代际时间尺度上与海表温度和大气环流异常的关系.

3.1 海表温度异常

图 5给出的是盛夏SPDO和NPDO与海表温度异常在年代际时间尺度上的偏相关系数.由图 5a可见,南太平洋中西部、热带西太平洋、热带东南印度洋和北太平洋中部等区域存在显著负相关,而南大洋高纬海域和北太平洋东北部海域存在小范围的显著正相关,表明当SPDO处于正位相时,南太平洋中西部、热带西太平洋和热带东南印度洋的海表温度异常显著偏冷,而南大洋高纬海域和北太平洋东北部海域的部分区域的海表温度异常显著偏暖;当SPDO处于负位相时,上述区域海表温度异常则有相反分布.以上海表温度异常分布特征与Hsu和Chen(2011)的研究结果相似.

图 5 1951—2007年(a)SI9和(b)NI9与9年滑动平均后盛夏太平洋—印度洋海表温度异常的偏相关系数分布 白线包围白点区域表示通过95%置信水平显著性检验区域. Fig. 5 Partial correlations of (a) SI9 and (b) NI9 with mid-summer 9-year running mean of SST anomalies over the Pacific and Indian Ocean from 1951 to 2007 The white contours filled with the dots indicate statistical significance at the 95% confidence level based on Student′s t test.

图 5b可知,北太平洋中部和南太平洋中西部存在显著负相关区,而热带西太平洋部分海域、印度洋大部分海域及南太平洋东部海域存在显著正相关区,说明当NPDO处于正位相时,北太平洋中部和南太平洋中西部海表温度异常显著偏冷,而热带西太平洋、印度洋及南太平洋中东部海表温度异常显著偏暖;反之亦然.这种海表温度异常的分布特征与已有研究(顾薇等,2005)存在一定的相似性.

根据以上分析,我们发现在年代际时间尺度上与SPDO和NPDO相关的盛夏海温异常分布具有以下特征:(1)SPDO和NPDO与热带西太平洋的关系要明显比与热带中东太平洋的关系显著,而且从通过显著性检验范围的大小来看,SPDO与热带西太平洋的关系要强于NPDO与热带西太平洋的关系,但两者均与热带西北太平洋存在显著关系,这与前人研究南、北太平洋与热带西太平洋在年代际时间尺度上关系的结论较为一致(Wang and Liu, 2000Wang et al., 2007),这些研究指出北太平洋中纬地区的年代际信号受北赤道流的阻挡,只能传播至热带西北太平洋,而整个热带西太平洋的年代际信号可能主要来自于南太平洋;(2)SPDO与印度洋大部分海域的关系偏弱,它仅与热带东南印度洋部分海域存在显著负相关关系,但是,NPDO与印度洋大部分海域存在显著正相关关系.

3.2 大气环流异常

在上一节,我们主要分析了海表温度异常变化特征.那么,海温异常变化必然对大气环流异常产生影响,进而造成降水异常变化.因此,我们在这一节将分析在年代际时间尺度上与SPDO和NPDO相关的盛夏大气环流异常变化特征.

图 6给出的是盛夏SPDO和NPDO与500 hPa位势高度异常在年代际时间尺度上的偏相关系数.从图 6a可看出,热带西太平洋及海洋性大陆、印度洋中南部、阿拉伯海北部、欧亚大陆中高纬及北太平洋中部存在显著负相关,而我国东部至日本东部海域存在正相关,表明当SPDO处于正位相时,西太平洋副热带高压(西太副高)和鄂霍次克海高压(鄂海高压)强度显著偏弱,同时东亚大槽在一定程度上偏浅;当SPDO处于负位相时,500 hPa位势高度异常则可能有相反分布.从图 6b可看出,500 hPa位势高度异常相关分布大致呈现出与图 6a相反特征,但NPDO与位势高度异常在热带太平洋—印度洋地区的相关关系明显偏强,表明当NPDO处于正位相时,西太副高和鄂海高压显著偏强,东亚大槽则偏深,反之亦然.进一步观察可知,从热带西北太平洋经日本至东西伯利亚存在一遥相关波列,该波列与东亚—太平洋(EAP)遥相关波列(黄荣辉和李维京,1988)存在一定相似性,因此,根据以上分析,我们发现SPDO正位相对应“负-正-负”的遥相关波列,即EAP波列负位相,而NPDO正位相对应“正-负-正”的遥相关波列,即EAP波列的正位相.

图 6 1951—2007年(a)SI9和(b)NI9与9年滑动平均后盛夏500 hPa位势高度异常的偏相关系数分布 白线包围白点区域表示通过95%置信水平显著性检验区域. Fig. 6 Partial correlations of (a) SI9 and (b) NI9 with mid-summer 9-year running mean of 500 hPa geopotential height (hgt) anomalies from 1951 to 2007 The white contours filled with the dots indicate statistical significance at the 95% confidence level based on Student′s t test.

我们又分别计算了盛夏SPDO和NPDO与海平面气压异常在年代际时间尺度上的偏相关分布(图 7).由图 7a可知,显著负相关主要出现在印度洋、海洋性大陆及热带西太平洋、热带中东太平洋及鄂霍次克海地区,表明这些地区的海平面气压异常显著偏低,显著正相关主要出现在日本南部,说明该地区海平面气压异常显著偏高,热带西太平洋至鄂霍次克海地区存在负EAP波列.由图 7b可知,热带太平洋—印度洋和欧亚大陆大部分地区均存在显著正相关,表明这些地区的海平面气压异常显著偏高,而日本以东西北太平洋存在显著负相关,表明海平面气压异常显著偏低,热带西太平洋至鄂霍次克海地区存在正EAP波列.与500 hPa相比(图 6),位于海平面气压场上的EAP波列的强度有一定程度增大,这表明类EAP波列可能随高度降低呈现出增强趋势.此外,比较EAP波列三个中心在500 hPa和海平面气压场上的位置可知,与SPDO相关的EAP波列的正压性要比与NPDO相关的更加明显.

图 7图 6,但为海平面气压异常 Fig. 7 As in Fig. 6, but for sea level pressure (SLP) anomalies

接下来,我们计算了盛夏SPDO和NPDO在年代际时间尺度上与低层(850~700 hPa)风场异常的偏相关分布(图 8).从图 8a可看出,当SPDO处于正位相时,从菲律宾南部海域经南海北部至日本存在“A(反气旋)-C(气旋)-A”的EAP波列,这种异常环流形势使得中国西南至东北地区出现了显著的异常西南气流,导致东亚夏季风异常增强,有利于水汽向华北地区输送,从而引起华北盛夏降水异常偏多(图 4a);当SPDO处于负位相时,异常环流则有相反分布,进而导致华北盛夏降水异常偏少.从图 8b可看出,当NPDO处于正位相时,从菲律宾南部海域经南海北部至日本存在“C-A-C”的EAP波列,这使得中国东北至华中地区出现显著的异常东北气流,导致东亚夏季风异常减弱,不利于水汽向华北地区输送,最终引起华北盛夏降水异常偏少(图 4b),反之,环流形势分布相反,华北盛夏降水偏多.

图 8 1951—2007年(a)SI9和(b)NI9与9年滑动平均后盛夏低层(850~700 hPa)风场异常的偏相关系数分布 绿色箭头表示经向风异常通过95%置信水平显著性检验.A和C分别表示异常反气旋和气旋. Fig. 8 Partial correlations of (a) SI9 and (b) NI9 with mid-summer 9-year running mean of low-level (850~700 hPa) wind anomalies from 1951 to 2007 The green vectors indicate meridional wind anomalies exceeding the 95% confidence level based on Student′s t test. A and C indicate anomalous anticyclone and cyclone, respectively.

以上分析表明,盛夏SPDO和NPDO在年代际时间尺度上与EAP波列存在显著关系.为了进一步研究SPDO和NPDO与EAP波列的关系,我们参照Huang(2004)的方法,利用500 hPa相关分布的三个中心,A:56°N,123°E,B:40°N,125°E,C:15°N,120°E,定义了EAP波列指数,即IEAP指数,计算公式如下:

(7)

其中,H为位势高度场.我们将9年滑动平均后的IEAP指数定义为IEAP9.图 9中蓝线表示IEAP9标准化时间序列.从图 9a可见,IEAP9与SI9r存在反位相变化特征,它们之间有显著的负相关关系(相关系数为-0.51,通过95%置信水平显著性检验),表明盛夏当SPDO处于正(负)位相时,类EAP波列处于负(正)位相.由图 9b可知,IEAP9与NI9r存在正位相变化特征,两者有显著的正相关关系(相关系数为0.56,通过95%置信水平显著性检验),表明盛夏NPDO正(负)位相对应EAP波列正(负)位相.此外,由图 9还可看出,IEAP9与NCRI9存在反位相变化特征,两者有显著的负相关关系(相关系数为-0.43,通过95%置信水平显著性检验),表明盛夏类EAP波列处于正(负)位相时,华北地区降水异常显著偏少(多).通过以上分析,我们可知在年代际时间尺度上:(1)SPDO和NPDO主要是通过EAP波列来对华北盛夏降水产生影响的;(2)SPDO与EAP波列的关系在一定程度上要弱于NPDO与EAP波列的关系.

图 9 1951—2007年盛夏IEAP9(红线)和NCRI9(蓝线)、(a)SI9r(绿线)和(b)NI9r(绿线)标准化时间序列 Fig. 9 Normalized time series of mid-summer IEAP9 (red line), NCRI9 (blue line), (a) SI9r (green line) and (b) NI9r (green line) during 1951—2007

由于水汽是降水生成的重要因子,图 10给出了盛夏SPDO和NPDO在年代际时间尺度上与整层(地面~300 hPa)水汽输送异常的偏相关系数,其中箭头表示水汽输送通量异常,阴影表示水汽输送通量散度异常.由图 10a可知,当SPDO处于正位相时,印支半岛至华北地区存在异常西南气流,它将来自南海和孟加拉湾的水汽输送至华北地区,而且华北地区存在显著水汽异常辐合,从而有利于该地区降水异常显著增多(图 4a),反之,当SPDO处于负位相,华北地区将出现水汽异常辐散,不利于该地区降水异常增多;从图 10b可看出,当NPDO处于正位相时,我国东北至华北地区存在显著的异常东北气流,这不利于低纬水汽输送至华北地区,而且华北地区存在显著水汽异常辐散,这导致华北地区降水异常显著偏少(图 4b),而当NPDO处于负位相时,水汽输送异常将有相反分布,从而引起华北地区降水异常增多.

图 10 1951—2007年(a)SI9和(b)NI9与9年滑动平均后盛夏整层(地面~300 hPa)水汽输送异常的偏相关系数分布 箭头表示水汽输送通量异常,阴影表示水汽输送通量散度异常.绿色箭头表示经向水汽输送通量异常通过95%置信水平显著性检验,白线包围白点区域表示水汽输送通量散度异常通过95%置信水平显著性检验区域. Fig. 10 Partial correlations of (a) SI9 and (b) NI9 with mid-summer 9-year running mean of vertically integrated (from surface to 300 hPa) moisture flux anomalies (vectors) and its divergence anomalies (shading) from 1951 to 2007 The green vectors indicate meridional moisture flux anomalies exceeding the 95% confidence level based on Student′s t test. The white contours filled with the dots indicate vertical velocity anomalies exceeding the 95% confidence level based on Student′s t test.

另外,降水的生成与大气环流垂直运动存在紧密联系.从图 11a可看出,当SPDO处于正位相时,盛夏华北地区存在显著异常上升运动,这为该地区降水的生成提供了充足动力条件,有利于该地区降水异常增多(图 4a),反之,当SPDO处于负位相时,该地区存在异常下沉运动,不利于降水异常增多.由图 11b可看出,当NPDO处于正位相时,该地区存在显著异常下沉运动,降水生成的动力条件不够,导致该地区降水异常减少(图 4b),而当NPDO处于负位相时,该地区存在异常上升运动,则有利于该地区降水异常增多.

图 11 1951—2007年(a)SI9和(b)NI9与9年滑动平均后盛夏500 hPa垂直速度异常的偏相关系数分布 白线包围白点区域表示垂直速度异常通过95%置信水平显著性检验区域. Fig. 11 Partial correlations of (a) SI9 and (b) NI9 with mid-summer 9-year running mean of vertical velocity anomalies from 1951 to 2007 The white contours filled with the dots indicate vertical velocity anomalies exceeding the 95% confidence level based on Student′s t test.
4 结论和讨论

本文利用CRU和GPCC降水资料、NCEP/NCAR大气环流资料和Hadley海温资料等再分析资料,采用偏相关方法,分析了SPDO和NPDO在年代际时间尺度上与华北盛夏降水的关系及其可能物理机制,主要结论如下:

(1) SPDO和NPDO在年代际时间尺度上具有很强的相关性,这种相关性对它们各自与华北盛夏降水的关系有重要影响.在去除相关性之前,SPDO和NPDO与华北盛夏降水在年代际时间尺度上的关系总体上不显著;去除相关性之后,这种关系明显增强,当SPDO(NPDO)处于正(负)位相时,华北盛夏降水异常显著偏多,反之,华北盛夏降水异常显著偏少.进一步研究发现,在年代际时间尺度上,NPDO与华北盛夏降水的关系要强于SPDO与华北盛夏降水的关系.

(2) SPDO和NPDO主要是通过导致EAP波列异常对华北盛夏降水产生影响,而且SPDO与EAP波列的关系在一定程度上要弱于NPDO与EAP波列的关系.关于EAP波列的产生和维持,前人研究发现EAP波列的激发和维持与热带西太平洋和印度洋海温异常存在紧密联系(Hu et al., 2011; Qian and Zhou, 2014; 祁莉等,2014).当热带西太平洋海温异常偏暖时,在对流加热作用下,夏季热带西太平洋至东亚大陆沿岸将出现EAP遥相关波列(Hu et al., 2011; 祁莉等,2014).此外,当印度洋海温异常偏暖时,它将调整深对流湿绝热状态导致对流层温度升高, 这将激发东传Kelvin波, 当Kelvin波东传至西北太平洋时, 东风异常将在东风以北的区域产生辐散并抑制西北太平洋的对流活动, 从而在西北太平洋低层大气激发异常反气旋性环流(Xie et al., 2009),最终有利于EAP波列的生成和维持(Qian and Zhou, 2014).

(3) 因此,结合与SPDO和NPDO有关的海温异常分布,可以初步认为它们分别独立影响华北盛夏降水的机制是:对SPDO来说,当其在年代际时间尺度上处于正位相时,热带西北太平洋的海温异常显著偏暖,这将在热带西太平洋—东亚沿岸激发出“C-A-C”的EAP波列,该波列导致东亚夏季风异常增强,有利于低纬地区水汽输送至华北地区,从而使得华北地区降水异常偏多,反之,华北地区降水异常将偏少.对NPDO来讲,当其在年代际时间尺度上处于正位相时,在热带西北太平洋海温异常显著偏冷的同时,印度洋大部分海温异常显著偏暖,在两者共同作用下,热带西太平洋—东亚沿岸出现“A-C-A”EAP波列,导致东亚夏季风异常减弱,不利于低纬地区水汽输送至华北地区,华北地区降水异常因此减少,反之,华北地区降水异常将偏多.此外,由于与SPDO有关的EAP波列仅受热带西北太平洋影响,而与NPDO有关的EAP受热带西北太平洋和印度洋共同影响,这可能是导致SPDO与EAP波列的关系弱于NPDO与EAP波列关系的重要原因之一.

本文主要研究了SPDO和NPDO在年代际尺度上与盛夏华北降水的关系及其可能物理机制,但是我们同时也发现,它们之间的相关性对它们各自与华北盛夏降水关系具有重要影响,那么,这种影响是如何产生的?其物理机制是什么?这些都有待于进一步分析.另外,本文结果主要是基于统计分析得出的,这还需通过数值试验做进一步研究.

致谢  由衷感谢审稿专家提出的宝贵意见和建议,真心感谢本文编辑对文章的细心审阅和校正.
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