2005, 16 (6): 772-778
赤道太平洋的海温异常，尤其ENSO 现象是目前公认的影响全球大气环流和世界气候的强信号。El Niño 与我国夏季天气气候及冬季大气环流之间的联系已有了较为广泛的研究，当ENSO 处于发展阶段，该年我国江淮流域夏季降水偏多，而黄河流域、华北及江南等地降水偏少，出现干旱；当ENSO 处于衰减阶段时正好相反[1] 。El Niño 事件发生的季节不同，我国夏季降水对其的响应也不同[2~4] 。El Niño 事件发生后的冬季，亚洲中高纬度地区盛行纬向环流，东亚上空的东亚大槽强度比常年偏弱，不利于寒潮爆发[5] 。El Niño与山东夏季降水的关系是，弱El Niño 现象的当年和次年，山东以涝为主，而持续性El Niño 当年山东严重干旱，发生干旱的几率为发生洪涝的3 倍[6] 。
Nino3 区涵盖了赤道东太平洋的大部海域，其海温变化在El Niño 事件中具有很好的代表性。作者在实际工作中发现，当下半年Nino3 区SST 显著升高时，山东春季尤其4月的降水往往偏多，是偶然巧合。还是有其物理成因，本文拟从东亚春季环流对下半年Nino3 区升温的响应入手探讨二者的关系，以期为山东春季降水预测提供新的依据。
本文采用的资料为中国气象局的1951-2002 年北太平洋月平均海温(10°S-50°N ，5°×5°)及北半球500 hPa月平均高度(10°-85°N，5°×10°)；NCEP/NCAR200 hPa, 850 hPa月平均经向风再分析资料(0°-80°N，40°E-180°；2.5°×2.5°)；国家气候中心下发的74种环流特征量资料；1952-2003 年山东17 站和全国160 站春季降水资料。
1 春季东亚大气环流对海温升温指数升高的响应本文以4 月500 hPa 月平均高度场代表春季高度场，定义Nino3 区(150°-90°W，5°S-5°N)的12 月SS TA 减6 月SSTA 为海温升温指数，记为ISSTA。计算1951-2002 年ISSTA 与次年4 月北半球500 hPa 高度场的相关系数表明(图略)，在东亚至西太平洋地区，40°N 以南为大范围的正相关区，0.05 信度线的北界已穿过朝鲜半岛和日本，其中热带和副热带的西太平洋地区信度在0.001 以上；显著的负相关区域主要位于亚洲东北部，即东亚至西太平洋地区具有南正北负的负WP 遥相关型分布特征。由10 个显著增温年(ISSTA >0.7 ℃)对应的次年4 月500 hPa 高度场距平合成可以发现(图略)，与ISSTA 与次年4 月500 hPa 高度场正(负)相关区对应的恰是500 hPa 高度场正(负)距平区，日本及其附近洋面的正距平中心值大于40 gpm ；贝加尔湖和白令海分别为-40 gpm 的负距平中心。可见，下半年Nino3 区SST 的显著升高，可以导致次年春季热带和西太平洋副热带地区的500 hPa 高度场升高，且朝鲜半岛、日本及其附近洋面的高度场升高最为明显，即西太平洋副高强度偏强，位置偏西、偏北，东亚大槽强度偏弱，位置偏东且向北收缩；西伯利亚平原向东穿过鄂霍次克海到白令海的500 hPa 高度场降低，意味着巴尔喀什湖至贝加尔湖之间经常有低槽维持；亚洲至西太平洋地区盛行纬向环流。
为了便于定量描述，除采用国家气候中心下发的74 种环流特征量中相关的指数外，还依据文献[7] 中对北半球春季4 月大气遥相关型指数的定义，计算了春季4 月西太平洋WP 遥相关型强度指数:IWP =1/2[Z*(55°N，155°E)-Z*(25°N，135°E)]，其中Z*为标准化的500 hPa 高度值。春季WP 型较冬季的略有差异，即南端向西移，北端少动，由冬季的南北向偶极型转为春季的NNE -SSW 走向。当IWP为正值时，对应高纬度为正距平区，低纬度为负距平区，纬向环流弱；当IWP为负值时，则相反。表 1 为ISSTA>0.7 ℃时的次年4 月西太平洋副高强度、北界位置、西伸脊点，东亚大槽位置、强度，亚洲地区纬向环流指数以及IWP 。
由表 1 可见，当ISSTA >0.7 ℃时，即下半年Nino3 区增温显著时，次年4 月东亚大槽位置偏东(1973，1983 年例外)，平均较常年偏东4.6 个经距，强度较常年略偏弱；西太平洋副高较常年偏强(1952，1964，1966 年例外)，副高强度指数平均较常年偏高8.3，北界位置明显偏北(1952 年例外)，平均较常年偏北1.8 个纬距，西伸脊点明显偏西，平均较常年偏西12.1 个经距；亚洲地区盛行纬向环流，平均纬向环流指数较常年偏高0.173 ；西太平洋地区呈典型的负WP 型，10 年中有9 年IWP为负值，即西太平洋地区盛行纬向环流。
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表 1 ISSTA>0.7 ℃时次年4 月环流特征量及IWP |
下半年Nino3 区的显著升温，预示着El Niño 事件处于形成或发展阶段，在本文列举的10 个样本中，除1978 年外，其他9 年均与El Niño 事件相对应，且7 年为中等以上强度。文献[5] 指出强El Niño 年冬季亚洲中纬度地区出现稳定环流形势是由印度洋-亚洲遥相关型(IA)引起的，这是因El Niño 年除了在赤道东太平洋出现暖的SST 区外，在赤道印度洋地区同样也有一个暖的SST 区。当赤道东太平洋区的SST 为暖水时，有利于一个PNA 型(太平洋-北美遥相关型)的产生，类似地，在赤道印度洋区SST 为暖水时，在印度洋至亚州地区的对流层中上部也会出现沿着大圆的遥相关型，称之为印度洋-亚洲遥相关型(IA)。而文献[8] 的研究结果进一步表明印度洋SSTA 的正异常与超前3 个月的赤道东太平洋正异常相关系数最大。因此，当下半年Nino3 区显著增温时，次年春季赤道印度洋地区也会出现较为显著的增温，从而引起亚洲地区春季仍然盛行纬向环流。
下半年Nino3 区的显著增温，除了引起500 hPa 高度场的异常外，对流层经向风也有异常响应。在对流层低层(图 1a)，中国东部向南至菲律宾、向东至日本为经向风大于0.5 m·s-1的正距平区，其中华南沿海及东海和朝鲜半岛大于1.0 m·s-1 ；贝加尔湖周围为另一大于0.5 m·s-1的正距平区。东欧至西西伯利亚平原和东西伯利亚至白令海为负距平区，其中环绕堪察加半岛的是-1.0 m·s-1负距平中心。表明我国东部沿海地区及其邻近海域的偏南风和西西伯利亚、东西伯利亚的偏北风较常年偏强，而位于东亚大槽后部的我国东北、华北地区的偏北风却较常年偏弱。这种风场异常不仅表现在对流层低层，在对流层高层(图 1b)也存在着，且更为清晰，只是中心位置向西倾斜，这恰为扰动提供了有利条件[9] 。另外，在图 1b 上还可以发现，孟加拉湾和阿拉伯海也均为大于0.5 m·s-1的正距平区，即该地区的南风也有所加强。
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图 1. ISSTA>0.7 ℃时次年4 月850 hPa(a)及200 hPa(b)经向风场距平合成图(单位:m·s-1)
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2 山东4 月降水异常偏多年的东亚环流特征
图 2a 为山东4 月降水与同期北半球500 hPa 高度场相关分布，25°-45°N，115°-160°E 即我国东部沿海、朝鲜半岛、日本及其附近洋面为置信度达0.001 的正相关区，即4月降水偏多的主要原因是该区域高度场升高；巴尔喀什湖以东至贝加尔湖为信度达0.05的负相关区，反映了该区域高度场降低。以山东17 站的降水距平百分率大于50 %为异常多雨年，1952-2003 年间共出现了1957，1963，1964，1969，1973，1975，1979，1980 ，1983，1998 年10 个异常多雨年，图 2b 为这10 个异常多雨年的500 hPa 高度场距平合成图，可以发现与图 2a 中正(负)相关区相对应的是500 hPa 高度场正(负)距平区，朝鲜半岛、日本及附近洋面的正距平中心值>40 gpm, 贝加尔湖附近的负距平中心值<-40 g pm 。由此可见，山东4 月降水偏多的主要环流特征是，东亚大槽较常年偏弱，西太平洋副高较常年偏强、偏西和偏北；巴尔喀什湖以东至贝加尔湖之间常有低槽维持。这恰与第1 节描述的下半年Nino3 区SST 升高引起的次年4 月500 hPa 高度场异常特征相吻合。
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图 2. 山东4 月降水与同期北半球500 hPa 高度场相关分布(a)及降水异常偏多年500 hPa 高度场距平合成图(b)(单位:gpm)
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对比图 1 与图 3，可以清楚地发现二者的分布特征基本一致，尤其在东亚至西太平洋地区，只是距平中心值的大小及位置略有差异。这意味着造成山东4 月降水偏多的主要原因是东亚大槽后部的西北气流减弱，对应的下沉气流也减弱，使得我国东部的偏南风加强并影响到山东地区，为山东降水提供了水汽条件，同时西西伯利亚的冷空气频频沿华北平原南下抵达山东，冷暖空气在山东上空交绥，从而造成山东4 月份降水偏多。而当下半年Nino3 区显著升温时，恰恰可以导致这种异常。
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图 3. 山东4 月降水异常偏多年850 hPa(a)及200 hPa(b)经向风场距平合成图(单位:m·s-1)
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3 ISSTA与春季降水的统计关系
计算ISSTA与次年春季及各月全国160 站降水的相关系数(图略)，结果表明:ISSTA与4 月的相关关系最好。我国东部中纬度地区，即江淮、江汉、黄淮、华北及西北地区东部和东北地区南部为信度达0.05 的正相关区。仅从相关系数上看ISSTA与全国4 月降水相关系数并不高，但进一步分析发现，当ISSTA ≥0.7 ℃时，我国东部中纬度地区4 月降水为正距平的几率在7/10 以上，其中江淮、江汉、东北地区南部及黄淮地区北部为8/10 以上。
图 4为1952-2003 年山东4 月平均降水量和上年12 月与6 月的北太平洋海温差值场的相关分布，可以发现赤道中东太平洋地区为信度达到0.05 的正相关区，相关信度在0.01 以上的区域位于Nino3 区；西风漂流区为显著负相关。图 5 给出了历年ISSTA与山东4 月降水的年际变化曲线，可以发现二者呈较为明显的正相关关系，计算得二者的相关系数为0.36，通过信度为0.01 的t 检验。资料统计表明，当ISSTA ≥0.7 ℃时(表 2)，次年4月降水正距平几率为9/10，其中偏多6 成以上的几率为7/10 ；春季降水正距平的几率为7/10 。
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图 4. 山东4 月平均降水量和上年12 月与6 月北太平洋SSTA 差值场相关分布
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图 5. 1951-2002 年ISSTA(实线)与次年山东4 月降水距平百分率(虚线)的年际变化曲线
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表 2 ISSTA≥0.7 ℃时次年山东4 月(R4月)及春季(R春)降水距平百分率 |
4 小结与讨论
本文分析结果表明，由下半年Nino3 区显著升温引起的次年春季东亚大气环流异常(包括500 hPa 高度场、对流层经向风)与次年山东春季尤其4 月降水偏多时的环流异常特征相似，即西太平洋副高偏强、偏西、偏北，东亚大槽偏弱、偏东且向北收缩；贝加尔湖至巴尔喀什湖之间经常有低槽维持，亚洲至西太平洋地区盛行纬向环流；我国东部沿海地区及邻近海域的偏南风和西西伯利亚、东西伯利亚的偏北风加强，而我国东北和华北地区的偏北风减弱。资料分析也表明，当下半年Nino3 区显著升温时，次年山东及我国中纬度东部地区春季(尤其4 月)的降水往往偏多。
本文仅分析了下半年Nino3 区显著升温与次年春季东亚大气环流及山东春季降水的关系，而当Nino3 区显著降温时，它们的关系并不好，这可能反映了中高纬地区大气环流对赤道东太平洋降温过程的响应没有增温过程那样敏感，文献[10] 的数值模拟结果也证明了这一点。
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