中国气象学会主办。
文章信息
- 刘明竑, 任宏利, 张文君, 任鹏飞. 2018.
- LIU Minghong, REN Hongli, ZHANG Wenjun, REN Pengfei. 2018.
- 超强厄尔尼诺事件对中国东部春夏季极端降水频率的影响
- Influence of super El Niño events on the frequency of spring and summer extreme precipitation over eastern China
- 气象学报, 76(4): 539-553.
- Acta Meteorologica Sinica, 76(4): 539-553.
- http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2018.021
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文章历史
- 2017-11-16 收稿
- 2018-03-21 改回
2. 中国气象局国家气候中心气候研究开放实验室, 北京, 100081;
3. 中国气象局-南京大学气候预测研究联合实验室, 南京, 210023;
4. 中国气象科学研究院, 北京, 100081
2. Laboratory for Climate Studies, National Climate Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China;
3. CMA-NJU Joint Laboratory for Climate Prediction Studies, Nanjing 210023, China;
4. Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China
厄尔尼诺-南方涛动(ENSO,El Niño-Southern Oscillation)是热带太平洋地区海-气耦合系统中最强的年际变化信号,其发生、发展往往引起全球范围的天气、气候异常(Rasmusson,et al,1982;Philander,1983;Trenberth,et al,1998;Wallace,et al,1998)。中国地处亚洲东部,受东亚季风影响深远,其气候异常与ENSO密切相关(Huang,et al,1989;陶诗言等,1998;Wang,et al,2000;Zhang,et al,1996)。因此,深入认识ENSO相关的气候影响及其机理问题,对中国短期气候预测工作具有重要的指导意义。
长期以来,ENSO与中国降水异常的关系一直受到人们关注。研究表明,ENSO一般通过影响东亚季风的强、弱进而调控中国的降水,不同阶段对中国降水异常的影响有所不同(符淙斌等,1988;Zhang,et al, 1996, 2002;Gong,et al,1999)。例如,在厄尔尼诺衰减年春季,从中国华南延伸至日本南部降水均异常增多;夏季,主要表现为江淮流域降水偏多、华南和华北地区相对偏少的异常分布特征(刘永强等,1995;赵振国,1996;Zhang,et al,1999;金祖辉等,1999)。伴随着季节平均降水变率的增大,极端降水事件的发生也会相应受到影响。中国极端降水时、空变化复杂,具有明显的区域性和季节性特征(翟盘茂等,2003;Zhai,et al,2005;陈海山等,2009)。李威等(2009)研究发现,在厄尔尼诺年冬、春季和拉尼娜年夏、秋季,中国极端降水事件频发,多数地区更易发生在ENSO暖位相出现后半年左右。王苗等(2013)的研究则表明,空间上,厄尔尼诺衰减年春、夏季北方多极端降水事件,而南方分布形势较为复杂。Xiao等(2017)也指出,厄尔尼诺发展年中国中部地区极端降水事件通常较少,而次年中国东部地区则更易发生极端降水事件。目前对极端降水与厄尔尼诺事件之间联系的研究仍然很少,多以统计厄尔尼诺年极端降水分布为主且缺少定论,其特征与机理成因均需进一步深入研究。
2015/2016年发生了继1982/1983和1997/1998年之后又一次超强厄尔尼诺事件,引起广泛关注。此次事件持续时间长、强度大,相应的气候响应非常显著(翟盘茂等,2016;邵勰等,2016;袁媛等,2016)。毕宝贵等(2017)指出,在超强厄尔尼诺衰减年,极端降水和强对流天气发生的频次明显较常规年份多,而其他厄尔尼诺事件期间极端降水的多发特征并不明显。因此,按照厄尔尼诺事件强度加以区分,可能是研究其对极端天气影响的一个关键点。对于超强厄尔尼诺事件的典型特征及其影响,前人已经有了一些认识(Latif,et al,2015;Chen,et al,2016;张文君等,2016;任宏利等,2017)。最近的研究发现,ENSO除了自身的直接影响外,还能通过与其他信号相互作用产生新的衍生模态。例如,ENSO与热带太平洋地区年循环信号发生非线性相互作用,会衍生出一种经向非对称的海-气异常模态(图 1),被称为ENSO-年循环组合模态(ENSO-AC combination mode,简称C-mode)(Stuecker,et al,2013),该模态峰值出现在厄尔尼诺衰减年冬末春初,一般在强厄尔尼诺事件中较为显著。在强厄尔尼诺衰减年的春、夏季,C-mode对中国东部地区降水异常有显著的贡献(李海燕等,2016;Zhang,et al, 2016a, 2016b)。目前对超强厄尔尼诺事件以及C-mode影响的研究主要关注季节平均降水异常,对更易引发灾害的极端降水的影响还知之甚少。因此,本研究在考虑C-mode作用的基础上,专注于超强厄尔尼诺事件气候影响,探讨其衰减年春、夏季中国极端降水事件发生概率的变化以及可能成因,以期进一步加深对超强厄尔尼诺气候影响的认识,为中国极端降水事件的预测提供一些新的思路和参考。
2 资料和方法所使用的降水资料来自中国国家气象信息中心提供的中国地面降水日值格点数据集(V2.0),该数据集基于中国国家气象信息中心基础资料专项最新整编的中国地面高密度台站(2472个中国国家级气象观测站)降水资料空间插值所得,水平分辨率为0.5°×0.5°;其他气象要素来自美国国家环境预测中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)的逐日以及月平均再分析资料集(Kalnay,et al,1996),水平分辨率为2.5°×2.5°,同时也使用了欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的ERA-Interim再分析资料集(Dee,et al,2011)对比验证;所用海表温度资料为英国哈得来中心提供的月平均海表温度(HadISST)资料(Rayner,et al,2003),水平分辨率为1°×1°。所用资料的时段除ERA-Interim以外,统一取为1961年1月—2016年12月。
依据刚颁布的国家标准《厄尔尼诺/拉尼娜事件判别方法》(国家质量监督检验检疫总局,2017),定义峰值达到或超过2.5℃,即3倍标准差的事件为超强厄尔尼诺事件,共计1982/1983、1997/1998、2015/2016年3次,剩余事件(1963/1964、1965/1966、1969/1970、1972/1973、1976/1977、1977/1978、1979/1980、1986/1987、1991/1992、1994/1995、2002/2003、2004/2005、2006/2007、2009/2010年)归为普通厄尔尼诺事件。对于极端降水事件,参考已有的研究(翟盘茂等,2003;任国玉等,2010),定义各季节雨日95百分位降水量为该季节极端降水阈值,当日降水量超过阈值即定义该日发生极端降水事件。传统的ENSO指数一般只能用来表征厄尔尼诺本身的强弱而无法描述其衍生模态,为此,采用Zhang等(2016a)定义的Nino-A指数来衡量C-mode的时间变化
(1) |
式中,方括号[ ]代表所示范围海表温度异常的区域平均,SW、SE和NC分别表示赤道太平洋西南(EQ—20°S,120°—160°E)、东南(EQ—20°S,100°—140°W)和中北部(EQ—20°N,150°E—130°W)3个区域(图 1a紫色框区)。
该指数同时刻画了ENSO海温响应在纬向和经向分布上的不对称性,能够非常好地表征C-mode的时间演变,并且与Nino3.4指数有很好的独立关系,无论是用来描述ENSO局地海-气特征还是刻画ENSO气候影响,都是对传统ENSO指数(即Nino3.4指数)有力的补充(Zhang,et al,2016a)。由图 1b也可以看到,Nino-A指数在超强厄尔尼诺事件中振幅非常明显,而在普通厄尔尼诺事件中很弱。
3 衰减年春、夏季中国东部极端降水发生概率变化特征中国东部降水主要集中在东亚季风盛行的春、夏季,不同季节雨带存在明显的南北移动。图 2给出了该区域春、夏季气候态降水和极端降水阈值的分布,春季气候态降水主要集中在长江以南,极端降水阈值也呈现出由东南往西北递减的趋势,长江以南雨强基本超过大雨标准(25 mm/d)(图 2a、c)。夏季,随着气候态降水整体增多,极端降水大值区也向北向西扩张,在长江流域形成一条高值中心带,同时南方沿海地区也有一片大值区存在(图 2b、d)。
总体而言,极端降水阈值的分布与气候态降水基本一致。然而,在超强厄尔尼诺事件衰减年,ENSO信号对中国东部降水有着明显的调控作用。从3次超强厄尔尼诺事件异常降水的合成结果来看,衰减年春季,几乎整个东部地区的降水都显著增多,大值区域主要在江淮流域以及华南部分地区(图 3a);而普通厄尔尼诺事件中春季异常降水无论是振幅还是覆盖范围都要差很多(图 3c)。夏季,超强厄尔尼诺事件中北方降水仍旧偏多,而华南已经转为较弱的负异常;在长江流域沿线,则存在着一条显著的降水正异常大值带(图 3b),而普通厄尔尼诺事件长江中下游降水已经变成负异常(图 3d)。可见中国东部季节平均降水对超强厄尔尼诺事件的响应基本以增多为主,并且,长江流域的降水正异常最为显著且持久。那么,基于这样的季节趋势,单日极端降水事件分布是否也会有类似的变化呢?为了直观地考察其发生概率的变化特征,参考前人的方法(Xavier,et al,2014;Hsu,et al,2016;Ren,et al,2017),计算了超强厄尔尼诺事件衰减年春、夏季极端降水发生概率的百分比变化ΔPSE。它反映了在超强厄尔尼诺影响背景下,极端降水发生概率相对于正常年份的变化
(2) |
式中,PSE为超强厄尔尼诺年极端降水事件发生的概率,实际计算时使用所挑选超强厄尔尼诺衰减年各季节逐日降水量x超过极端降水阈值xt(即前述各季节雨日95百分位降水量)的频率代替。同样Pcli为在气候态常规情况下极端降水发生的概率,使用所有年份逐日降水量值超过极端降水阈值的频率代替。
对每一年极端降水事件发生情况计算百分比变化之后,给出了超强厄尔尼诺年合成的概率变化分布(图 4),以分析超强厄尔尼诺事件对极端降水产生的共性影响。衰减年春季,中国东部绝大部分地区极端降水发生概率均有所提升(图 4a)。与季节平均降水变化规律类似,极端降水变化最显著的区域也主要在黄河流域和东北地区,这些地区春季气候态降水量基数小,降水稍有增加就可以达到极端水平。极端降水阈值较高的长江中下游沿海以及华南部分地区,最高也提升了接近100%。夏季(图 4b),北方随着整体极端降水阈值的提高以及ENSO影响的减弱,极端降水事件发生概率迅速减小,但长江流域仍然高出常年约1倍,并且高概率区域向内陆延伸。整体呈现出长江流域偏高,而其两侧的华北与华南相对偏低的纬向带状分布特征。这也是超强厄尔尼诺衰减年夏季长江流域容易发生洪涝灾害的原因之一。
作为比较,给出了20世纪60年代之后普通厄尔尼诺事件对应季节的极端降水发生概率百分比变化(图 4c、d)。合成结果几乎没有区域通过显著性t检验,说明普通厄尔尼诺事件对极端降水影响弱且不稳定。对比而言,衰减年春季,不同强度厄尔尼诺事件的影响在中国北方分布还有些相似;而夏季则差异明显,普通厄尔尼诺事件长江流域极端降水发生概率反而减小,与其季节平均降水偏少的特征相符,这体现了超强事件影响的独特性。综上所述,超强厄尔尼诺衰减年春、夏季,中国东部极端降水发生概率相比常年变化明显,特别是长江流域灾害性天气发生的可能性显著增大,这种变化的可能成因尚需进一步探讨。
4 超强厄尔尼诺事件影响极端降水的可能机制强降水事件的频繁发生依赖大尺度环流背景的支持(O'Gorman,et al,2009),图 5给出了合成的整层积分水汽通量异常及其散度的水平分布。超强厄尔尼诺事件衰减年春季,西北太平洋海面上有明显的异常反气旋存在,在其西北侧来自中国南海和西太平洋的异常水汽向北输送,使得从华南延伸至日本海南部均有大量水汽汇聚(图 5a)。除了水汽条件之外,剧烈的上升运动也是强降水过程不可或缺的要素。从衰减年春季110°—120°E平均的垂直方向水汽通量异常环流可以看到(图 6a),EQ—10°N表现为强下沉运动,对应西北太平洋的强反气旋活动,通过它大量水汽被输送到赤道外,在20°—35°N存在显著的异常上升。这种水汽丰沛、对流强盛的背景条件为中国东部极端降水的发生、发展提供了有力支持。相对而言,普通厄尔尼诺事件衰减年春季中国东部地区水汽通量异常辐合与上升都不明显(图 5c、6c)。夏季,虽然中东太平洋的厄尔尼诺响应已经消失,但是西北太平洋反气旋仍然存在并略向西扩张,同时在其东北侧日本岛上空产生了一个异常气旋,呈现类似东亚-太平洋型(EAP)遥相关分布(黄荣辉等,2006)。这样的异常环流结构使得水汽输送异常沿长江流域呈现纬向带状辐合,而在华南、华北呈偏辐散的特征(图 5b)。从图 6b的垂直环流上亦可看出,在长江流域上空仍然保持着较强的上升运动趋势,因此,超强厄尔尼诺衰减年夏季该区域上空环流背景仍然有利于极端降水事件发生。普通厄尔尼诺事件衰减年夏季尽管西北太平洋有微弱的反气旋存在但是位置相对偏东偏南(图 5d),这个反气旋可能是厄尔尼诺转相后中东太平洋的冷异常海温或者局地海-气相互作用带来的(Stuecker,et al,2015b),垂直方向长江流域上空水汽输送表现为异常下沉(图 6d),对极端降水事件的发生并无明显影响。
以往研究已经表明,ENSO除了自身的直接影响,其衍生的C-mode也对东亚地区气候异常有着非常重要的影响。为了深入分析超强厄尔尼诺事件对中国东部极端降水影响的可能机制,需要分析C-mode在其中所起的作用及其与ENSO自身影响的联系。为此,使用1961—2010年各季节平均的标准化Nino3.4和Nino-A两个指数序列多元回归同期的异常水汽通量场,再将对应的回归系数乘上各自指数序列得到每年的重构结果,然后将超强厄尔尼诺年的结果合成,得到超强厄尔尼诺事件期间ENSO自身影响以及C-mode各自对水汽通量的贡献。由图 7可知,超强厄尔尼诺事件衰减年春季,ENSO自身影响与C-mode的影响都为中国东部地区贡献了大量的水汽。其中ENSO自身的响应在赤道太平洋地区向东水汽输送明显,表现为经典的ENSO影响结构,在西北太平洋地区有反气旋结构存在,使得大量水汽被输送到中国东部和南部(图 7a)。而C-mode的响应在赤道地区表现为向西水汽输送异常,然而,在西北太平洋却与ENSO自身直接影响类似地表现为显著的反气旋异常,得以将赤道地区的水汽向东亚地区输送(图 7c)。垂向水汽通量异常的响应同样可以分解为两个部分(图 8),衰减年春季,ENSO自身影响在热带地区主要以下沉气流为主,向北输送后在亚洲东部上空出现明显的上升运动(图 8a);而C-mode影响在整个中低纬度地区都呈现上升运动,以中国华南地区对应的20°N左右为最强(图 8c)。夏季,厄尔尼诺事件对应的东太平洋正海温异常已经消失,ENSO自身对东亚的影响基本可以忽略(图 7b、8b);而C-mode通过局地海-气相互作用可以将异常信号存储到海洋中,引起Nino-A相关区域海温持续异常,从而将其影响延续到厄尔尼诺衰减年的夏季(Stuecker,et al,2015b)。与其相联系的大气环流场中,西北太平洋反气旋结构仍然存在,源自太平洋和中国南海的水汽最终输送到长江流域及其东部海面(图 7d)。在垂直环流场上,与C-mode相关的大气场在长江流域对应的30°N左右维持了较强的上升运动(图 8d)。综上所述,超强厄尔尼诺事件对衰减年春、夏季降水背景的影响可以分为ENSO自身直接影响和衍生的C-mode影响两个部分,春季两个部分都对中国东部地区的水汽累积和上升运动倾向做出了贡献;夏季,则主要是C-mode的作用使得长江流域仍然维持着有利于极端降水事件发生的水汽和环流条件。在对普通厄尔尼诺事件的水汽背景做类似分解时,发现只有衰减年春季Nino3.4指数的重构结果比较显著(图略),说明普通厄尔尼诺事件中只有ENSO自身影响发挥了一定的作用。
从上述分析可知,超强厄尔尼诺事件衰减年中国东部地区有充沛的水汽向北输送。在此基础上,每当有来自北方的冷空气向南活动时,便可能引发一次强对流甚至极端降水事件。为此,诊断了衰减年对流层中上层逐日经向风场相比于气候态风场的方差异常变化(图 9)。春季,东部沿海地区方差比常年明显增大,对流层中上层高频经向风异常活跃,这意味着低层冷空气将被频繁地引导南下,出现极端降水事件的几率随之上升(图 9a)。夏季,长江流域也处于经向风变化最剧烈的区域之内,同时这里还是水汽输送的大值区,频繁的冷、暖空气交汇很可能导致强对流事件大幅度增多(图 9b)。相对的,在普通厄尔尼诺事件中,南方地区对流层中上层异常经向风的活动反而是偏少的(图 9c、d)。因此,超强厄尔尼诺事件引发的经向风场异常活跃也为极端降水频繁发生提供了支持。当然,进一步的机理问题尚待深入研究。
5 结论与讨论利用中国逐日降水格点资料,考察了超强厄尔尼诺事件影响下中国东部春、夏季极端降水发生概率的变化特征,并结合超强事件自身及其衍生模态(C-mode)的影响深入分析了这些特征的可能成因。主要结论如下:
(1) 超强厄尔尼诺事件衰减年春季,整个中国东部尤其是江淮以北地区,极端降水事件发生概率均显著增大,南方地区相比正常年份最高也有接近100%的提升;同年夏季,华北、华南地区极端降水事件发生概率降低,而长江流域发生极端降水的概率依然比正常年份高出约1倍。
(2) 超强厄尔尼诺事件可以通过调控亚洲东部地区衰减年春、夏季环流背景为极端降水事件的发生提供有利条件。春季,ENSO自身直接影响使得暖湿气流在亚洲东部大量汇聚并上升,同时其衍生的C-mode也通过西北太平洋反气旋促进赤道地区的水汽向东亚地区输送;夏季,ENSO自身影响减弱甚至消失,但C-mode的影响依旧显著,长江流域上空仍然表现出水汽汇聚、上升运动较强的特征。
(3) 超强厄尔尼诺事件还能通过某种途径引起春、夏季中国东部对流层中上层经向风场的异常活动,引起北方冷空气频繁南下与背景场丰沛的北上暖湿气流相互作用,可能导致强对流事件发生次数增多,从而为极端降水事件的频发提供有利支持。
极端降水事件的物理成因十分复杂,超强厄尔尼诺事件通过影响月、季尺度环流背景可以为其创造非常有利的发生条件,但最终决定其发生频次的还是天气尺度要素的变化。ENSO对这些高频变化的激发机制还需要进一步研究。例如,衰减年东亚地区高频经向风的异常活跃,可能与强厄尔尼诺事件对大气加热强迫促进高、低纬度间的经向热力交换(Lee,2012)有关, 可能是通过引发如太平洋北美型遥相关等大气环流型异常间接导致的(Renwick,et al,1996;Chan,et al,2005), 也可能与副热带“丝绸之路”波列的异常活动存在联系(Lu, et al, 2002)。
ENSO作为具有全球影响的年际信号,可以与局地气候变率相互作用产生出不同频率的衍生模态(Stuecker,et al,2015a),这些衍生模态对上述天气要素的影响也需要继续探索。另外,文中采用合成分析强调了ENSO的强度对极端降水产生的共性影响,但即便同样是超强厄尔尼诺事件,不同个例太平洋异常海温时、空演变特征的细微偏差也可能导致其在外赤道地区的气候影响不同(Rao,et al,2017;Liu, et al, 2018)。鉴于有可靠记录以来发生的超强厄尔尼诺事件较少,未来还需要利用能够同时较好地模拟ENSO事件和C-mode的模式(Ren,et al,2016),来进一步模拟超强厄尔尼诺及其衍生模态对极端事件的影响,从而加深对超强厄尔尼诺事件气候影响问题的认识。
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