5月正是云南大部分地区大春作物栽插的关键时期, 5月雨量的多少对工农业生产, 特别是农业生产起着至关重要的作用。因此, 对云南5月雨量的短期气候预测研究一直是我省气象工作者的一项重要课题。尤丽钰等^[1]分析了云南雨季开始期大气环流形势的转变, 王裁云^[2]研究了5月中低纬地区的气压场特征及其对云南5月雨量的影响, 这些研究使得我们对云南5月雨季开始期的大气环流形势有了相当的认识。但云南5月雨季开始期的天气气候成因极其复杂^[3~4], 为了进一步弄清影响云南5月雨量变化的因子, 有必要对热带海温、热带对流活动及季风的变化与云南5月雨量的关系作进一步的分析研究。

季风是东亚大气环流的一个非常重要的特征, 也是直接控制中国天气气候变化的一个重要因素。由于海洋与大气的耦合作用, 季风与海温的异常变化有十分密切的关系。云南地处热带季风气候区, 靠近孟加拉湾和南海两个热带海洋, 具有明显的干湿季之分。干季, 主要受东亚冬季风的影响, 湿季则主要受印度西南夏季风和东亚副热带夏季风的影响。每年4~5月, 正是冬季风向夏季风转换的关键时期, 热带海温及亚洲季风的异常变化对云南雨季开始期的早晚有着十分重要的影响。因此, 进一步研究热带海温、热带对流及亚洲季风等大尺度气候环流背景的异常变化对云南5月雨量的影响, 对于提高云南雨季开始期早晚的短期气候预测能力有实际价值。

本文利用1951~1997年云南32个基本站5月月平均降水量, 1951~1997年热带海温月平均距平 (SSTA)、1979~1995年200 hPa、850 hPa旬矢量风和1979~1997年月平均长波辐射 (OLR) 资料, 探讨了云南5月雨量与热带海温、热带对流及亚洲季风变化的关系。

选取云南32个基本站的5月雨量, 并计算32个站1951~1997年逐年5月雨量平均值 (即) 来代表当年云南5月雨量的多寡。图 1为云南32个站5月雨量距平百分率年际变化曲线, 可以看到云南5月雨量有明显的年际变化特征, 年与年之间的降水差异较大, 降水距平百分率较大的可达到60%以上, 例如: 1956、1978、1981和1990年, 其中降水量最多的1990年降水距平百分率为99.1%; 降水量最小的则在-60%以下, 例如: 1978年降水距平百分率为-63.8%。为了使本文所研究的年份具有较好的代表性, 将5月降水距平百分率大于40%定为云南5月雨量偏多, 小于-40%定为云南5月雨量偏少, 可以看到1958、1963、1979、1982、1983、1987、1997年云南5月雨量少; 1956、1959、1978、1981、1990年云南5月雨量多。

图 1

图 1. 1951～1997年云南5月雨量距平百分率变化曲线

许多研究表明, 热带海温异常在全球气候变化中有着重要作用。为了研究云南5月雨量与热带海温变化的关系, 图 2a, b分别给出云南5月雨量与热带海洋1~3月、4~5月平均海温距平场的相关分布。可以看到, 云南5月雨量与热带海温变化有明显的关系, 相关较明显的区域分别位于赤道东太平洋地区、夏威夷群岛附近、澳大利亚以东的海洋以及赤道西印度洋附近, 相关系数|r|≥0.2, 超过了0.20的相关信度检验。从1月到5月, 这些高相关区的范围扩大, 强度明显加强, 表明热带海温的变化对云南5月雨量的影响有较好的持续性, 同期热带海温的变化对云南5月雨量的影响较大。此外, 从正负相关场的分布可见, 云南5月雨量与赤道东太平洋地区及澳大利亚以东洋面的海温变化相关最明显, 最大正负相关系数|r|≥0.4 (相关信度为0.05), 该正负相关区从1月到5月范围扩大, 强度加强, 意味着赤道东太平洋地区海温随时间下降, 澳大利亚以东洋面的海温随时间升高, 云南5月雨量偏多。与此相反, 赤道东太平洋地区海温随时间升高, 澳大利亚以东洋面的海温随时间下降, 云南5月雨量偏少。但云南5月雨量与西太平洋地区和索马里附近海温的相关随季节的变化是不同的, 在西太平洋菲律宾附近和索马里附近, 1~3月为正相关, 4~5月为负相关。在南印度洋地区, 云南5月雨量与马达加斯加附近的海温变化呈负相关。众所周知, 在马达加斯加附近常年存在一冷性反气旋, 即马斯克林高压, 该冷性反气旋的强弱变化对印度洋西南季风的强弱变化起着至关重要的作用。由于海洋表面的热力状况对大气的的热力作用, 印度洋地区这种相关场的分布表明, 马达加斯加附近的海温下降, 马斯克林高压加强, 高压内部的辐散气流对印度洋地区的越赤道气流加强可能有一定的影响, 云南5月雨量偏多。与此相反, 马达加斯加附近的海温上升, 印度洋地区的越赤道气流减弱, 云南5月雨量偏少。

图 2

图 2. 云南5月雨量与热带海温距平相关分布 (a) 1～3月 (b) 4～5月 (阴影区为相关系数|r|≥0.2区域)

图 3a, b分别为云南5月雨量与1~3月和4~5月OLR场的相关分布。从图 3a可以看到, 1~3月赤道印度洋西部至云南为西南—东北向的负相关区, 相关系数|r|>0.4 (相关信度大于0.10) 的区域位于赤道印度洋西部, 这一明显的负相关区正是印度洋季风气流活动的关键区。云南5月雨量与赤道东太平洋地区OLR场的变化也有明显的正相关, 正相关中心大于0.4 (相关信度大于0.10)。相关场的分布特征表明, 前期1~3月赤道西印度洋至云南对流活动强, 赤道东太平洋地区对流活动弱, 云南5月雨量偏多; 反之, 赤道西印度洋至云南对流活动弱, 赤道东太平洋地区对流活动强, 云南5月雨量偏少。对比图 3a和3b可见, 相关场的分布在各地区的演变有很好的持续性, 阿拉伯海、孟加拉湾及中国南部、南海的负相关区范围扩大, 相关明显, 大部分地区的相关系数|r|>0.4, 意味着亚洲季风气流区的对流活动在4~5月份加强。同时在赤道东太平洋地区的高正相关区范围向西扩展, 相关加强, 表明赤道东太平洋地区的对流活动在4~5月份减弱。热带对流活动与云南5月雨量的这一相关持续性特点对于利用前期对流活动的变化来预测后期云南5月雨量有很好的指示意义。

图 3

图 3. 云南5月雨量与OLR场的相关分布 (a) 1～3月 (b) 4～5月 (阴影区为相关系数|r|≥0.3区域)

图 4a, b分别给出云南5月雨量偏少或偏多年份赤道附近10°N~10°S范围内200hPa纬向风距平随时间-经度的变化。云南5月雨量偏少的年份 (图 4a), 从1月到5月在赤道东太平洋170°E~90°W附近的纬向风距平为负, 赤道印度洋上空的纬向风距平为正。负距平意味着有异常东风气流活动, 正距平意味着有异常西风气流活动, 因此200 hPa纬向风距平场的分布表明, 云南5月雨量偏少与200 hPa赤道东太平洋170°E~90°W附近的异常东风气流及赤道印度洋地区的异常西风气流有关。在云南5月雨量偏多的年份 (图 4b), 高空200 hPa纬向风距平场的分布与图 4a相反, 在赤道东太平洋地区纬向风距平为正。在赤道印度洋地区, 1~4月纬向风距平的变化与云南5月雨量的关系不明显, 距平区呈正负交替的变化。5月份赤道印度洋和西太平洋地区200 hPa纬向风距平为负, 意味着5月份赤道印度洋和西太平洋地区有异常东风气流活动。这种纬向风距平的变化表明云南5月雨量偏多与200 hPa赤道东太平洋170°E~90°W附近的异常西风气流及赤道印度洋和赤道西太平洋的异常东风气流密切相关。

图 4

图 4. 10°N～10°S范围200 hPa纬向风距平随时间-经度的变化 (a) 5月雨量偏少 (b) 5月雨量偏多

为了更清楚地了解风场变化与云南5月雨量的关系, 图 5分别给出云南5月雨量偏多或偏少时4~5月低层850 hPa矢量风u, v分量距平合成场。云南5月雨量偏少的年份 (图 5a), 云南为气流辐散区, 在孟加拉湾—阿拉伯海—赤道印度洋西部有一支与印度洋西南夏季风风向相反的异常气流, 这支异常气流使印度洋地区的西南夏季风减弱。在赤道太平洋附近有明显的西风气流, 北太平洋中部有范围较大的异常气旋环流发展, 意味着西太平洋副高减弱, 且位置偏东。这种矢量风距平合成场的分布特征表明云南5月雨量偏少与印度洋地区西南夏季风的减弱、850 hPa赤道太平洋地区的异常西风及弱的西太平洋副高关系密切。对比分析可以发现, 在云南5月多雨的年份 (图 5b), 850 hPa矢量风距平流场的变化完全相反, 云南为孟加拉湾西南夏季风气流与南海东南季风气流辐合区, 印度洋西部索马里附近由南半球到北半球的越赤道气流加强。赤道太平洋附近有异常东风, 这支异常东风气流经南中国海在云南与来自孟加拉湾的西南季风气流辐合, 这种较强的孟加拉湾西南季风气流与南海东南季风气流给云南带来了源源不断的水汽, 对云南5月雨量的偏多有着重要的作用。北太平洋中部有范围较大的异常反气旋环流发展, 意味着西太平洋副高加强, 且位置偏西, 表明云南5月多雨与印度洋地区西南季风及中国南海东南季风的加强、850 hPa赤道太平洋地区的异常东风及强的西太平洋副高有密切的关系。

图 5

图 5. 850 hPa矢量风u, v距平合成场 (a) 5月雨量偏少 (b) 5月雨量偏多

季风活动在气候变化中有重要的作用。关于季风指数的定义, 本文采用200 hPa和850 hPa纬向风的垂直切变^{[5, 6]}, 取60°~100°E, 6°~22°N代表南亚区域, 季风指数的定义为 其中和分别为200 hPa和850 hPa纬向风的区域平均, i=1, …, N为样本数。我们知道, 夏季在南亚及其附近地区的低层, 由赤道转向并盛行在ITCZ之南的西南季风, 通常称为热带西南季风。观测表明, 当低层距平风场为西风, 高层为东风时, 西南夏季风偏强。相反, 则西南夏季风偏弱。因此, 夏季风指数I值越小, 表示高层200 hPa西风强, 低层850 hPa西风弱, 表明南亚西南夏季风偏弱; I值越大, 表示高层200 hPa西风弱, 低层850 hPa西风强, 表明南亚西南夏季风偏强。许多研究^[7]表明南亚季风的爆发比东亚季风晚, 东亚季风在南海地区爆发的平均日期是5月20日, 南亚季风爆发日期是6月10日左右。图 6分别为1979~1995年4~5月上中旬和5月下旬至6月南亚季风指数的变化。可以看到, 南亚季风指数的变化在季风爆发前期和季风爆发时段有很好的一致性。在4~5月上中旬季风指数较高的年份, 相应5月下旬至6月季风指数也较大; 与此同时, 在4~5月上中旬季风指数较低的年份, 相应5月下旬至6月季风指数也较小。例如1983和1987年的南亚季风爆发较晚, 且强度弱^[8], 对应前期4~5月的季风指数也较低。这就意味着, 4~5月南亚季风指数越大, 相应南亚夏季风爆发早且偏强, 相反, 4~5月南亚季风指数越小, 相应南亚夏季风爆发晚且偏弱。

图 6

图 6. 1979～1995年南亚季风指数的年际变化 (○4～5月上中旬, □5月下旬至6月)

下面我们来看云南5月雨量与南亚季风指数变化的关系。对比分析图 6和图 1可以看到, 季风指数相对较大的1984、1985、1988、1989和1990年, 云南5月雨量偏多, 距平百分率大于20%。而季风指数相对较小的1982、1983、和1987年, 云南5月雨量偏少, 距平百分率小于-20%。但季风活动与云南雨季开始期降水的关系比较复杂, 对比分析还可以看到, 在南亚夏季风指数相对较高的1994年, 云南5月雨量反而偏少-6%左右, 同样, 南亚季风指数最低的1992年, 云南5月雨量偏少不到-20%, 雨量基本上属正常变化范围。表明云南5月雨量与季风指数的对应关系并不是线性的, 对于这些特殊年份的进一步讨论, 限于文章篇幅, 作者将另文给出。

综合以上讨论, 云南5月雨量的变化与南亚初夏季风的异常活动关系密切, 一般而言, 南亚地区的季风指数高, 初夏季风爆发早, 云南5月雨量偏多; 南亚地区季风指数低, 初夏季风爆发晚, 云南5月雨量偏少。

通过本文对云南5月雨量与热带海温、热带对流和季风区风场变化关系的研究, 可以得到以下几点结论:

(1) 赤道东太平洋作为Walker环流下沉支气流区, 该区域的海温及对流活动的变化与云南5月雨量的关系密切。当该地区海温升高, 对流加强, 赤道太平洋地区低层出现异常西风, 高层异常东风, 对应云南5月降水偏少; 与此相反, 海温下降, 对流减弱, 赤道太平洋地区低层出现异常东风, 高层异常西风, 对应云南5月降水偏多。

(2) 云南5月雨量与南印度洋马达加斯加附近的海温及北印度洋季风气流区的热带对流活动相关明显。当印度洋马达加斯加附近的海温下降, 季风气流区的对流活动强, 云南5月降水多, 与此相反, 当印度洋马达加斯加附近的海温升高, 季风气流区的对流活动弱, 云南5月降水少。

(3) 云南5月雨量的变化与南亚初夏季风的异常活动关系密切, 一般而言, 南亚地区初夏季风指数高, 季风爆发早且偏强, 云南5月雨量偏多; 南亚地区初夏季风指数低, 季风爆发晚且偏弱, 云南5月雨量偏少。

(4) 前后期热带海温变化、热带地区对流活动及高低层风场的变化具有很好的持续性, 因此本文的分析结果对云南5月雨量的短期气候预测有一定的指示意义。

降水变化是一个非常复杂的非线性过程, 它不仅受热带海温及季风变化的影响, 还受到冰盖、地形等因素的制约。特别是由于云南特殊的地理位置, 青藏高原大地形的作用, 影响该地区降水变化的因子就显得更为复杂。从本文分析的结果也可以看到, 热带地区海温和对流活动的变化并不是影响云南5月雨量的唯一因子。因此从不同的角度来研究影响云南5月雨量变化的因子对进一步提高短期气候预测的能力具有一定的实际意义。