气象学报  2015, Vol. 73 Issue (2): 305-318   PDF    
http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2015.024
中国气象学会主办。
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刘嘉慧敏, 张文君, 何金海, 祁莉. 2015.
LIU Jiahuimin, ZHANG Wenjun, HE Jinhai, QI Li. 2015.
前期春季西北太平洋潜热通量与中国南方秋季降水的联系及其可能的物理机制
Relationships between the prophase spring latent heat flux anomalies in the western North Pacific and autumn rainfalls over South China and its possible physical mechanism
气象学报, 73(2): 305-318
Acta Meteorologica Sinica, 73(2): 305-318.
http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2015.024

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收稿日期:2014-06-30
改回日期:2014-12-09
前期春季西北太平洋潜热通量与中国南方秋季降水的联系及其可能的物理机制
刘嘉慧敏1, 张文君1,2, 何金海1 , 祁莉1,2    
1. 南京信息工程大学大气科学学院/气象灾害教育部重点实验室, 南京, 210044;
2. 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心, 南京, 210044
摘要:利用中国科学院海洋研究所提供的印度洋—太平洋海洋热通量资料,研究了1989—2010年中国南方地区秋季降水与前期春季西北太平洋潜热通量年际变化的联系,并讨论了其可能的物理机制。结果表明,前期春季4月西北太平洋(15°—30°N,150°—170°E)潜热通量与中国南方秋季降水有显著的正相关,当前期关键区潜热通量偏高(低)时,则中国南方秋季降水偏多(少)。分析发现前期关键区潜热通量强弱主要由西北太平洋上空气旋性风切变造成,当前期4月关键区潜热通量偏大时,该关键区正处于西北太平洋上空气旋性风切变北侧大风区中,而在其南侧的赤道强西风使得日界线附近出现海温偏高。随后,次表层高海温伴随开尔文波东传,相应地其北侧的低海温伴随罗斯贝波西传,于秋季西传至热带西太平洋地区,并激发出菲律宾反气旋,从而有利于热带洋面暖湿水汽向中国南方输送,使得南方地区降水偏多,反之亦然。
关键词南方秋季降水     潜热通量     开尔文波     罗斯贝波     菲律宾反气旋    
Relationships between the prophase spring latent heat flux anomalies in the western North Pacific and autumn rainfalls over South China and its possible physical mechanism
LIU Jiahuimin1, ZHANG Wenjun1,2, HE Jinhai1 , QI Li1,2    
1. Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education, Nanjing University ofInformation Science and Technology, Nanjing 210044, China;
2. Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University ofInformation Science and Technology, Nanjing 210044, China
Abstract:Based on the Indian-Pacific Ocean heat flux data provided by the Institute of Oceanology in Chinese Academy of Sciences,a study is conducted with focus on the relationship between spring latent heat flux anomalies in the western North Pacific and autumn rainfalls over South China. Accordingly, the possible physical mechanism involved is discussed. The results show that there is a high positive corre1ation between the autumn rainfall anomaly over South China and the previous April latent heat flux anomaly in the western North Pacific (15°-30°N, 150°-170°E). When the prophase April latent heat flux in the key area is higher (lower) than normal, South China would receive more (less) than normal rainfall during the subsequent autumn. It is found that the high latent heat flux in the key area is due to the cyclonic wind shear in the western North Pacific. Northeasterly anomalies north of the anomalous cyclone enhance the wind speed,which would cause a cooling in heat content. The associated westerly anomalies south of the anomalous cyclone lead to the occurrence of anomalous warm heat content near the date line. After that, the anomalous warm heat content is transported eastward through the warming Kelvin Wave effect. Correspondingly, the anomalous cold heat content migrates westward accompanied by the Rossby wave. When the Rossby wave reaches the western tropical Pacific, it motivates the anomalous Philippine Sea anticyclone. It is conductive to more water vapor being transported towards South China and thus more rainfall appears over southern China during autumn.This research suggests a potential signal for predicting the autumn precipitation over South China two seasons in advance.
Key words: Autumn rainfall over South China     Latent heat flux     Kelvin Wave     Rossby Wave     Anomalous Philippine Sea anticyclone    
1 引 言

中国降水空间分布极不均匀,季节变化显著,季节降水的多寡会直接引起季节内的旱涝(陈隆勋等,1998)。对于中国降水季节变化而言,目前多集中于对夏、冬季降水异常的探讨(孙力等,2000黄荣辉等,2008),而对秋季气候异常变化的研究较少。然而,秋季是农作物成熟和收获的季节,其气候异常对于农业生产有重要影响,将直接影响当年作物的收成和来年的农业生产。近年来,中国南方秋旱频繁发生,对国民经济造成了巨大的损失,已经引起了政府和气象学家的高度关注。例如,2004年秋季,长江以南大部分地区遭遇了严重的干旱事件,这次秋旱事件持续时间长、范围大、旱情严重,造成了巨大的经济损失(牛宁等,2007);2009年秋季,西南地区遭遇了百年一遇的严重干旱,导致上百万公顷农作物歉收或绝收,上百万人饮用水匮乏(Barriopedro et al,2012Zhang,etal,20132014)。可见,对中国秋季降水开展研究和预测具有重要价值。

已有研究表明,影响季节降水异常的前期信号需要从具备长时间记忆能力的缓变因子中寻找(Zhu,2011)。而在长期天气过程的形成中,海洋是影响大气环流变化非常重要的物理因子之一(Zhou et al,2009a2009b2010Li et al,2011Song et al,2014),由于其自身巨大的热惯性,一方面使其具有较强的“记忆”能力,可将大气的变化信息储存其中;另一方面,海洋的热惯性使得其自身变化具有滞后效应。众多学者指出海洋是影响中国季节降水的重要外强迫源之一,尤其是其上层热力状况的异常变化是引起降水变化的重要外部因子。一些工作已表明暖池热状况、黑潮热状况等均与中国区域降水异常有显著联系(李崇银,1992张启龙等,1999)。作为反映海洋热力性质的首要指标——海表温度异常必然会引起局地大气环流的异常,进而影响全球范围的天气气候变化(赵永晶等,2009)。大量研究表明热带大尺度低频振荡(ENSO)对东亚的气候异常有重要的影响(Zhang et al,1996Chang et al,2000a2000bWang et al,2008Zhou et al,2009a2009bWu et al,2012)。此外,由海温的异常变化引起的海-陆热力差异状况的变化与东亚夏季风的强、弱亦有密切联系(Weare et al,1981袁媛等,2009)。近年来,有学者指出,热含量较海温具有更强的稳定性,可作为中国降水异常的一个有效的前期信号(林传兰,1990)。翁学传等(1996)指出前期冬季暖池次表层热含量异常能够持续至次年夏季,进而影响中国东部汛期降水变化。王晓芳等(2013)进一步发现前期10—11月暖池热含量异常激发的夏季东亚-太平洋(EAP)型遥相关和中纬度高层沿亚洲西风急流东传波列的存在是影响中国东北地区夏季降水的主要原因。可见,海温和热含量的异常变化对中国气候变化有重要的指示意义。然而,Subrahmanyam等(2011)指出虽然海温及热含量与南亚夏季风的干(湿)状态相关很强,但季风区降水却与前者无明显关系,他们的工作发现其与潜热通量有密切联系。这说明反映海-气年际变化的强信号不仅仅局限于海温和热含量,事实上,海-气的相互作用主要是通过潜热通量的输送来实现的(周天军等,2002Shaw et al,2011)。Cayan(1992)研究发现潜热通量异常是造成北半球海洋月尺度热力异常的重要原因,前者的异常变化对大气环流的强迫并非是局地的,而是大尺度的,可见,潜热通量的异常是后期大气环流及天气气候变化的关键因素(陈锦年等,2007)。

一方面,潜热通量的异常会引起海洋向大气输送水汽的异常,进而影响降水及潜热的释放。白莉娜等(2010)发现西太平洋潜热通量变化引起的水汽输送异常会对热带气旋发生、发展产生重要影响。另一方面它可通过改变局地海温而间接影响热带及热带外大气环流。王丽娟等(2008)指出,当初春中国南海北部潜热通量为正(负)距平时,同期海温均为负(正)异常,加大(减小)了春季中国南海和周围陆地的陆暖海冷的海-陆温差,有利于西南季风的早(晚)爆发。此外,印度洋、暖池区潜热通量的异常变化与印度、中国南海夏季风亦有密切联系(孙启振等,2010)。那么,潜热通量的异常变化是否与中国秋季降水存在显著联系呢?若存在,又是通过怎样的途径来影响秋季降水呢?针对以上问题,发现在超前南方秋季降水大约2个季度时,在西北太平洋地区存在着明显的潜热通量异常,这一关系为中国南方秋季降水的预测提供了一个显著的超前预测信号。下面将从潜热通量的角度出发,分析其与中国南方秋季降水的联系,并探讨可能的物理机制。 2 资料和方法

所用的资料包括:中国科学院海洋研究所海洋环流与波动重点实验室提供的逐月印度洋—太平洋海洋热通量,水平分辨率为0.5°×0.5°;中国国家气候中心提供的全中国160站逐月降水资料;哈得来环流中心提供的逐月海表温度资料(Rayner et al,2003),水平分辨率为1°×1°;日本气象厅提供的逐月历史海温资料(Ishii et al,2006),水平分辨率为1°×1°,深度有24层(0、10、20、30、50、75、100、125、150、200、250、300、400、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400和1500 m);NCEP/NCAR逐月位势高度场、风场、比湿场(Kalnay et al,1996)和美国NOAA提供的 逐月向外长波辐射(OLR)场资料(Liebmann et al,1996),水平分辨率均为2.5°×2.5° 。

文中的秋季均指9—11月,研究时段为1989—2009年。热含量(QS)的计算方法采用的是白虹等(1989)提供的方案:QS=Cp ·ρ ∫z1z0Tdz,其中Cp 为海水平均比热,取3.9 kJ/(kg·℃),ρ 为海水平均密度,取1.025 g/cm3,由此计算得到了全球每个格点从海表面(0 m)到水深200 m的单位面积水柱的热含量(单位:J/m2)。文中使用的统计方法包括旋转经验正交函数分解、线性回归、合成分析等,显著性检验采用的是t检验方法。 3 南方秋季降水与西北太平洋潜热通量异常的关系 3.1 南方秋季降水与西北太平洋潜热通量的相关

为了分析中国南方秋季降水的变化特征,利用旋转经验正交函数分解方法对中国东部地区秋季降水进行了时空特征分析。由图 1可知,分解得到的第1模态反映了秋季中国东部大尺度旱涝的时空特征,该模态解释了总方差的15.6%。从空间场来看,降水异常以30°N为界成大致的南北偶极型分布,南方表现为全区符号一致型,表明中国南方地区秋季各地降水的逐年变化总体上是同向的。同时可见,空间载荷向量大值区主要位于30°N以南地区(图 1a阴影区),其量值约为北方的3倍以上,可见南方秋季降水的变率比北方大得多。与旋转经验正交函数分解的第1模态对应的时间系数序列(图 1c)主要以年际变化为主,没有明显的趋势变化。图 1b给出了全中国160站1989—2009年秋季降水的标准差(图 1b),可以看出秋季降水标准差的大值区(图 1b阴影区)正处于中国南方地区,其与第1模态空间型的载荷分量大值区(图 1a阴影区)基本一致。进一步,选取中国110°E以东,30°N以南的30站秋季降水序列代表南方秋季降水,将其区域平均并进行标准化处理后与第1模态对应的时间系数序列(以下简称Rpc1)进行比较,发现峰谷值对应很好,二者的相关系数高达0.95(图 1c)。可见,旋转经验正交函数分解得出的第1模态对应的Rpc1主要反映了中国南方地区秋季降水的年际变化情况,在后文中将用Rpc1来代指中国南方秋季降水的变率。

图 1 1989—2009年中国东部秋季降水旋转经验正交函数分解第1模态(a)及其时间系数序列(c)和中国160站秋季降水标准差(b)
(图a中阴影区为等值线大于0.3的区域;图b中阴影区为等值线大于30的区域;图c中实线为第1模态对应的时间系数序列,虚线为南方30站秋季降水标准化序列)
Fig. 1 The first REOF mode of the autumn rainfall for 1989-2009 in eastern China(a) and its associated time series(c),and the 160 stations autumn rainfall st and ard deviation in China(b)
(shadings in(a)are for the areas with the values above 0.3; shadings in(b)for the values more than 30; in(c),the solid line indicates the time series of the first REOF,and the dotted line presents normalized 30-stations mean autumn rainfall over South China)

为了探寻西北太平洋潜热通量异常是否与中国南方秋季降水存在某种联系,首先将Rpc1分别与前期1—6月的潜热通量距平场求相关,发现Rpc1与前期4月潜热通量距平场存在大范围的显著正相关区(如图 2d),对其回归后潜热通量最大正异常达20 W/m2。然而,在4月前后的其他各月里,潜热通量距平场与秋季降水的相关较弱,没有观测到大范围的显著相关区。为了便于讨论,根据4月的显著相关区域,将西北太平洋(15°—30°N,150°—170°E)潜热通量距平场的区域作为前期潜热通量异常与中国南方地区秋季降水紧密联系的关键区。进一步计算了各月西北太平洋关键区内的潜热通量距平场与Rpc1的相关(图 3),前期1月与南方秋季降水成弱的负相关,2月转为弱的正相关,随后相关性逐渐增强,4月达到最大值(相关系数0.69);5月正相关减弱,之后都为负相关。值得注意的是只有4月与南方秋季降水的相关通过0.01的信度检验,其他月份相关均未通过显著性检验,这一结果与图 2一致。这也表明所选择的关键区内的潜热通量异常较好地反映出了潜热通量与中国南方秋季降水的相关的季节演变。然而,4月的相关并没有持续到秋季,反而在接近秋季的月份没有显著的相关,那么4月的信号是如何保存在海-气系统中,并导致2个季度后的中国南方秋季降水出现显著异常,将在后面讨论。

图 2 Rpc1对当年1—6月(a—f)潜热通量距平场的回归
(单位:W/m2;阴影区表示二者的相关通过了0.05信度检验)
Fig. 2 Regressed latent heat flux anomaly upon Rpc1
(W/m2).Shadings indicate the monthly positive correlation being significant at the 95% confidence level
图 3 Rpc1与关键区(15°—30°N,150°—170°E)潜热通量逐月的相关系数 Fig. 3 Correlation coefficients between Rpc1 and the latent heat flux in the key area(15°-30°N,150°-170°E)

为了再次验证前期4月潜热通量与秋季南方降水的关系,图 4给出了前期4月关键区潜热通量的年际变化以及南方秋季Rpc1序列,也与前面的结果一致。当4月潜热通量偏高时,之后秋季中国南方降水偏多;反之,当4月潜热通量偏低时,之后秋季南方降水偏少。在关键区潜热通量变化的21 a中,有16 a与南方秋季降水正、负异常相吻合,约占总年份近80%,表明两者存在着稳定的相关。本研究以0.8的标准差为标准确定了4个潜热通量偏高年(1991、1997、2002和2005年)和5个潜热通量偏低年(1992、1998、1999、2004和2006年),这一分类将用在后面的合成分析中。另外,若选择其他标准(例如0.7或0.9标准差)来确定异常个例年份,得到的定性结果是不变的。

图 4 前期4月潜热通量标准化指数序列(实线)与标准化秋季Rpc1(虚线) Fig. 4 Time series of the normalized latent heat flux in the prophase April(solid line) and normalized autumn Rpc1(dashed line)
3.2 前期关键区潜热通量异常与东亚秋季大气环流的关系

上述分析结果已明确,前期春季4月关键区潜热通量的年际变化与后期秋季南方地区的降水多寡有很好的对应关系。而季节性降水多寡往往是由大气环流的异常变化造成的。那前期4月关键区潜热通量异常与后期秋季东亚大气环流的关系又是如何呢?图 5a给出了前期4月潜热通量指数回归的当年秋季500 hPa位势高度异常场,由图可见,当前期春季4月西北太平洋潜热通量偏高时,东亚上空由低纬度向高纬度呈现出“+ - +”的波列分布,其与东亚型波列(Nitta,1987)负位相的分布类似。若将前期4月潜热通量指数高、低年秋季500 hPa位势高度异常场进行合成差值分析(图 5c),得到的结果则与上述分布一致。这一分布使得东亚高纬度阻塞高压和东亚大槽均有所加强,欧亚大陆中高纬度地区环流的经向梯度大,南下的冷空气势力增强(钱卓蕾,2014)。同时,潜热通量偏高年的西太平洋副热带高压(以下简称西太副高)较偏低年明显西伸(图 5c),其西伸脊点可至115°E,与偏低年相差约20个经度,从而有利于热带海洋上的暖湿水汽被大量输送至中国南方地区,进而使得南方的降水增多。结合850 hPa风场的异常分布(图 5b、d)来看,在热带西太平洋及中高纬度地区亦存在明显的“+-+”波列,贝加尔湖的东北侧以及鄂霍次克海北部地区为强大的反气旋,中纬度东北及日本附近一带上空为明显的气旋,热带地区菲律宾附近及以东洋面则为显著的反气旋环流,表明中低层的大气环流异常分布与500 hPa中层大气一致,呈现深厚的准正压结构。中国南方地区正好处于菲律宾附近的反气旋的西北侧,强盛的西南气流有利于把热带洋面上的暖湿气流带到中国南方地区,从而造成多雨的发生。综合秋季500 hPa位势高度异常场和850 hPa异常风场来看,这种“东北亚阻塞高压—东亚低槽—异常西伸的西太平洋副热带高压”型环流,可使得热带洋面上的暖湿水汽和中高纬度干冷空气正好在中国南方地区上空交汇,有利于降水偏多。反之,当前期春季4月关键区潜热通量偏低时,秋季500 hPa位势高度和850h Pa风场的异常分布与偏高年的情形相反,西太平洋副热带高压的西伸脊点较偏高年明显偏东,强度偏弱,则不利于秋季南方地区降水增多。

图 5 前期4月潜热通量指数对秋季500 hPa位势高度异常(a)、850 hPa异常风场(b)的回归以及潜热通量偏高年与偏低年秋季500 hPa位势高度异常(c)、850 hPa异常风场(d)的合成差值分布
(图中等值线间隔均为5 gpm,阴影区通过了0.05的信度检验;图(c)中粗实线为潜热通量指数偏高年合成5876 gpm等值线,点划线为潜热通量指数偏低年合成的5876 gpm等值线;风场单位:m/s)
Fig. 5 Anomalous autumn 500 hPa geopotential height(a) and 850 hPa winds(b)(m/s)distributions regressed upon the prophase April latent heat flux and the composite differences of the anomalous autumn 500 hPa geopotential height(c) and 850 hPa winds(d)between higher years and lower years than normal
(All contour interval is 5 gpm,and shadings in(a)are significant at the 95% confidence level. The heavy line in(c)indicates the value of 5876 gpm in high latent heat flux years,and the thick dot-dashed line denotes the value of low latent heat flux years)

图 6a、b为前期4月潜热通量指数回归的当年秋季850 hPa水汽通量及其散度异常场和秋季向外长波辐射距平场。可见,当前期春季4月关键区潜热通量异常偏高时,秋季菲律宾附近上空有一个明显的反气旋式水汽通量距平矢量分布,这与850 hPa风场的异常分布(图 5b、d)一致,它可将热带西太平洋的水汽向中国南方地区输送,而水汽也正好在中国南方上空辐合。与之一致,在向外长波辐射距平场上,南方地区为明显负距平区,以上升运动为主,对流活动旺盛。若对前期4月潜热通量指数高、低年秋季850 hPa水汽通量及其散度场和秋季向外长波辐射距平场进行合成差值分析(图略),得到的结果与上述分析一致,这里就不再赘述。

图 6 前期4月潜热通量指数对秋季850 hPa水汽通量及散度异常场(a)、向外长波辐射距平场(b)的回归
(a中阴影区表示通过0.05信度检验的850 hPa水汽通量辐合区,单位:kg/(m2·s);b中虚线表示负值,阴影区为通过0.05信度检验的区域,单位:W/m2)
Fig. 6 Anomalous autumn 850 hPa moisture transport and moisture divergence(a) and OLR(b)regresses upon the April latent heat fluxindex.
(shadings in(a)indicate convergence zone; kg/(m2·s); shadings in(b)indicates the value being significant at the 95% confidence level; W/m2)

综上分析,前期4月关键区潜热通量指数偏高年与偏低年秋季500 hPa位势高度场、850 hPa风场、850 hPa水汽通量及散度场和向外长波辐射场等要素场均呈现出显著相反的特征。当前者异常偏高时,秋季中国南方地区受到有利于降水的环流系统影响,具备有利的水汽条件和垂直上升运动条件,降水偏多;反之降水偏少。这表明前期4月关键区潜热通量的变化对中国南方地区秋季降水多寡有着显著的指示作用。那么,前期4月关键区潜热通量具体是怎样与后期秋季中国南方降水相联系呢?秋季菲律宾附近的异常反气旋是如何产生的呢?将在下一部分做详细的讨论。 4 可能的物理机制

在局地海-气相互作用中,海洋潜热通量的变化一般会引起下垫面热力状况和大气中水汽的变化,进而影响天气气候变化。有研究指出随着厄尔尼诺的发生、发展,中国南海海温会出现两次峰值,而潜热通量的局地变化是中国南海海温出现首次峰值的第一主要贡献者(Wang et al,2006),可见潜热通量在局地海-气相互作用过程中扮演着重要的角色。在前期4月西北太平洋潜热通量与热带海温异常的相关分析中,发现其与热带东太平洋地区海温密切相关,与同年秋季Nino3.4指数相关系数达0.51,通过了0.05的信度检验,这一显著的相关暗示4月关键区潜热通量与ENSO存在着某种可能的联系。

为了探索前期4月潜热通量与ENSO的关系,首先将前期4月关键区潜热通量指数序列对同期850 hPa异常风场进行回归并与热含量异常场求相关(图 7a)。由图 7可见,在西北太平洋上空存在一个气旋性切变,而前期潜热通量关键区正好处于此气旋性切变北侧的大风区中。对于气候态而言,西北太平洋背景场的风场为东北信风,异常的东北风会加强东北信风,当洋面表层风速增强后,则会加大洋面与上层空气的比湿差,进而加快了海洋的蒸发,使得海洋向大气输送的水汽增多,使得潜热通量增大。为了验证这一关系,图 7b给出了4月关键区潜热通量指数序列与同期表层风速异常的相关分布,在关键区内二者成显著正相关,相关系数达到0.60,表明表层风速越大,潜热通量越大。

图 7 前期4月关键区指数序列对当月850 hPa异常风场的回归以及与热含量(0—200 m)异常场的相关分布(a)以及与同期表层风速场的相关分布(b)
(风场单位:m/s;阴影区表示通过了0.1的信度检验,深色表示正相关,浅色表示负相关,黑色方框为关键区位置)
Fig. 7(a)Anomalous April 850 hPa wind(m/s)regressed upon the April latent heat flux index and the correlation distribution between heat content(0-200 m) and the April latent heat flux index,and (b)the correlation distribution between the April surface wind speed and the April latent heat flux index
(shadings denote the values being significant at the 90% confidence level; the position of the key area is presented by the black square frame)

同时,在西北太平洋气旋切变的南部即在赤道中太平洋上存在着显著的西风信号,其强度弱于气旋西北侧的东北风,但其重要性是不容忽视的,它常常是ENSO爆发的一个前兆。一方面,赤道中太平洋的西风异常会改变赤道太平洋温跃层的东西梯度,使得中东太平洋温跃层加深,从而把赤道的暖水从次表层带到表层;另一方面它可将原来热带西太平洋暖池区的暖海水推向太平洋中部,促使当地的海水温度升高。这两个过程正是ENSO增长机制里面两个最重要的反馈过程,即温跃层反馈和水平平流反馈,他们的共同作用使得热带中太平洋的热含量显著增大(图 7a)。然而,赤道东太平洋为东风异常,这一异常抑制了局地次表层的暖水被带到表层,所以4月在东太平洋没有看到显著的升温。前面指出了西北太平洋异常气旋南侧的西风异常有利于中东太平洋升温;同时,中东太平洋一旦升温,根据Gill机制(Gill,1980),赤道上高海温会在其西部两侧激发出气旋性环流,也就说中太平洋的暖异常也会增强西北太平洋的气旋异常。可见,他们存在着相互作用的正反馈过程。以往的理论和观测研究已经指出,赤道信风的减弱会令在赤道西太平洋堆积的海水有向东移动的趋势,并随之产生下沉的开尔文波,向东传播(Hirst,1985张人禾,1995Alexander et al,2002)。这一现象也为图 8所证实,图 8是前期4月关键区潜热通量指数序列对5—11月(图 8a—g)850 hPa异常风场和海平面气压异常的回归以及与热含量(0—200 m)异常场的滞后相关,其对应的是前期4月潜热通量指数偏高时当年5—11月850 hPa风场、海平面气压和热含量的异常演变特征,而偏低时的情形正好与其相反。可以看出,在此后的5—11月里,赤道西风继续维持并向东移动,赤道暖异常也伴随开尔文波不断东传,并于秋季东传至热带东太平洋地区。

图 8 前期4月关键区指数序列对5—11月(a—g)850 hPa异常风场和海平面气压异常(等值线)的回归以及与热含量(0—200 m)异常场的相关分布
(海平面气压单位:hPa;阴影区表示与热含量的相关场,通过了0.1的信度检验,红色表示正相关,蓝色表示负相关)
Fig. 8 Anomalous 850 hPa winds and SLP(contour in hPa) regressed upon the April latent heat flux index and the correlation distribution between the heat content(0-200 m) and the April latent heat flux index
(shadings indicate the values being significant at the 90% confidence level. The red and blue shading denote positive and negative values,respectively)

特别地,在赤道高海温的北侧,存在着偏低的热含量带,在同期4月就存在(图 7a),随着季节发展,这一冷异常有明显的向西移动,并且在9月移动至热带西太平洋,且范围迅速扩大,强度迅速增强(图 8)。其可能一方面缘于局地风应力的作用,由于赤道西风向北递减,因而存在着气旋性风切变,这一风切变通过埃克曼抽吸作用使得次表层的冷海水被带到表层(王春在等,1987),从而使得赤道高海温北侧出现热含量偏低。另一方面,根据ENSO延迟振荡的波动传播原理(Schopf et al,1988Battisti et al,1989),当由赤道中东太平洋西风激发出的下沉暖性开尔文波东传至南美沿岸时,受边界的反射作用则会产生西行的冷性罗斯贝波,伴随着罗斯贝波的西传,次表层冷海水也会向西传播(Chao et al,2002)。综上,当冷异常西传至热带西太平洋时,其会抑制洋面上空的对流活动,作为对冷性罗斯贝波的响应,就会在冷水的西北侧形成一个反气旋。由图 8可见,5月西北太平洋有一个强的气旋环流,随后此气旋减弱,9月后菲律宾附近反气旋突然建立,这正是Zhang等(1996)张人禾等(1998)所指出的在热带太平洋厄尔尼诺事件成熟之后,热带西太平洋上空会出现反气旋环流。Wang等(2000)也指出伴随ENSO发展年秋季,菲律宾反气旋的建立很突然,并伴随着一次季节内振荡从湿位相向干位相的转变,同时东亚夏季风也开始撤退,建立后季节内振荡就变得不活跃了。Wang等(2002)进一步分析了菲律宾异常反气旋的建立过程,并指出它的发生、发展过程不仅仅是大气对异常对流加热的罗斯贝波型响应,还要受到热带与热带外地区相互作用和季风与海洋相互作用的共同影响。菲律宾反气旋一旦建立,其可将更多的热带洋面的暖湿气流输送到中国南方地区,从而造成南方秋季降水偏多。图 9给出了Rpc1对5—11月(图 9a—g)海温异常场的回归,可以清晰地看出自5月开始至当年11月,伴随着赤道暖水的东传,热带东太平洋海温出现正距平,范围不断扩大,强度不断增强。与此同时,热带西太平洋海温出现负距平并于秋季稳定维持,这也进一步说明了中国南方秋季降水与ENSO的发生、发展过程有着密切联系。此外,结合图 10和11可以看出,伴随着赤道冷暖海水的西传与东传,西北太平洋(10°—25°N,120°—135°E)区域的海平面气压异常场有明显的季节演变,进入9月之后,该海区海平面气压由此前的负相关转变为明显的正相关,表明了菲律宾反气旋的突然建立,这与上述讨论是一致的。

图 9 Rpc1对5—11月(a—g)海温异常场的回归
(单位:℃,阴影区为二者的相关系数分布,且通过了0.1的信度检验,深色表示正相关,浅色表示负相关)
Fig. 9 May-November(a-g)SSTA(℃)regressed upon Rpc1
(shadings indicate the values being significant at the 90% confidence level. The dark and light shading denote positive and negative values,respectively)
图 10 前期4月关键区潜热通量指数序列与4—11月西北太平洋(10°—25°N,120°—135°E)区域的海平面气压异常场的相关系数 Fig. 10 Correlation coefficients between the April latent heat flux index and the April-November anomalous SLP averaged over the area(15°-30°N,150°-170°E)
图 11 前期4月关键区指数序列对4—11月热含量(0—200 m)异常场回归的时间-经度剖面
(热含量单位:J/m2,图a取赤道地区(5°S—5°N)平均,图b取5°—13°N平均。阴影区通过了0.1的信度检验)
Fig. 11 Time-longitude distribution of the anomalous heat content(0-200 m)
(J/m2)averaged over 5°S-5°N(a) and 5°-13°N(b)regressed upon the April latent heat flux index(shadings denotes the values being significant at the 90% confidence level)

综上所述,4月的西北太平洋潜热通量对中国秋季南方降水并非直接影响,而是通过热带海洋与大气的相互作用,导致在秋季出现菲律宾反气旋异常,从而使得秋季南方降水异常。从海-气随季节的演变特征来看,信号的传播主要与ENSO的发生、发展有关,从第3节所选择的异常个例年大部分是ENSO年份可以看到,西北太平洋潜热通量主要是通过ENSO来影响中国南方气候的。同时,已有研究也指出ENSO是影响中国南方秋季降水变化的主要因子(Zhang et al,2011),本研究将南方秋季Rpc1与Nino3.4指数进行超前滞后相关分析发现,二者在同期时相关系数达到最大,即表明ENSO与南方秋季降水确实存在显著的相关(图略)。另外,在此前讨论ENSO对东亚季风降水的影响时,常按照厄尔尼诺的发展年和衰减年来讨论,Wu等(2009)指出在发展年时,虽然热带西太平洋的冷海温异常对菲律宾反气旋的建立有着重要作用,但对于次年菲律宾反气旋强度加强,印度洋暖异常却起着至关重要的作用。本研究仅是在厄尔尼诺发展年的前提下,讨论热带西太平洋冷海温对菲律宾异常反气旋建立的作用,进而分析其对中国南方秋季降水的影响。另外,也指出与潜热通量相关的西北太平洋强的气旋有利于ENSO的发生;一般而言,ENSO循环主要决定于赤道太平洋动力学,然而其如何发生却一直是个未解决的问题,本研究则提供了一个赤道外异常系统对ENSO的可能作用的证据。 5 结论与讨论

本研究针对南方秋季降水与前期春季西北太平洋潜热通量异常变化的关系及其成因进行了分析,得到以下结论:

(1) 南方地区秋季降水与前期春季4月西北太平洋潜热通量的年际变化有密切联系,即前期4月关键区(15°—30°N,150°—170°E)潜热通量高(低)对于预测中国南方秋季涝(旱)是一个可靠的前期信号。

(2) 前期4月关键区潜热通量变化对东亚地区秋季大气环流和降水有重要影响。潜热通量高值年秋季500 hPa位势高度场、850 hPa风场、850 hPa水汽通量及其散度场和向外长波辐射场等要素场的异常分布均与低值年呈现相反特征,高值年秋季南方地区受到有利于降水的环流系统影响,具备有利的水汽条件和垂直运动上升条件,则使得降水偏多,反之,则偏少。

(3) 当前期4月关键区潜热通量偏大时,该关键区正好处于西北太平洋上空气旋性切变北侧的大风区中,由风蒸发机制可知,即表层风速越大(小),海洋蒸发越强(弱),局地潜热通量则强(弱),故北侧强的偏北风加大了该处的潜热通量。作为同一系统的一部分,气旋性切变南侧的赤道强西风使得日界线附近次表层海温偏高,此后高海温伴随开尔文波东传,其北侧相应的低海温伴随罗斯贝波西传,并于秋季西传至热带西太平洋地区,由于大气对低海温以及中东太平洋高海温的遥响应,则在菲律宾地区激发反气旋环流,并使得西太副高异常西伸,故有利于中国南方地区秋季降水偏多;反之,则偏少。可见4月西北太平洋区域潜热通量变化可通过与ENSO相关的热带海-气相互作用过程把异常信号一直储存至两个季度后的秋季,影响中国南方秋季降水异常。

值得注意的是,影响中国南方秋季降水多寡的因素有很多,也不排除其他气候系统的影响。本研究从西北太平洋潜热通量的角度出发,发现其是通过调节热带海洋与大气的相互耦合过程,进而来影响秋季南方地区降水多寡的。此外,进入20世纪90年代后,热带地区海-气耦合过程发生了重要改变,ENSO暖事件主要集中于赤道中太平洋地区,而将前期4月潜热通量指数对5—11月热带海表温度异常进行回归分析发现,后期赤道海温正异常中心却仍集中于热带东太平洋,这说明相较于新型ENSO,4月关键区潜热通量异常与传统型ENSO的发生、发展联系似乎更为紧密,这其中的物理机制是需要进一步关注的。此外,前期4月导致西北太平洋潜热通量强的气旋是如何产生的,仍有待未来的研究。

致谢: 感谢南京信息工程大学陈桦博士的有益建议和帮助。

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