两类厄尔尼诺事件对次年山东夏季降水的影响研究*

张晏铭, 郑小童**

(1.中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室, 海洋与大气学院, 山东 青岛 266100; 2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室, 山东 青岛 266237)

山东地处中国中纬度温带季风区,位于华东、华北交界处,作为重要的工业区、产粮区和人口大省,夏季降水对该地区农作物的种植、工业企业生产活动、人民生活和社会发展有着重要影响。前人对山东夏季降水的研究已经有一定的基础[1-3],但造成山东降水异常的影响因子数量多、变化大,使得山东成为中国夏季短期气候预报的重点难点地区[4]。因此深入地研究山东地区夏季降水机理并提高其预测准确率,有着十分重要的理论和实际应用价值。

1 资料与方法

1.1 资料

本文使用数据包括:(1)中国国家气象中心提供的基于中国2 472个国家级台站资料(缺失台湾和南海诸岛地区)制作的中国地面降水月值0.5°×0.5°格点数据集(V2.0)[29],在保留台站数据准确度的条件下克服了台站空间分布不均匀性和由于迁站等原因造成的时间不连贯性。(2)欧洲中期天气预报中心(European centre for medium-range weather forecasts, ECMWF)提供的ERA5大气再分析月平均数据集[30],包括水平风场、重力势、海表面气压、整层水汽通量散度垂直积分;分辨率为0.25°×0.25°,为与降水数据相匹配将其处理为0.5°×0.5°。(3)海表面温度是英国哈德莱中心(Met office Hadley centre, MOHC)提供的HadISST1.1数据集[31]。(4)全球气候降水计划研究中心(Global precipitation climatology centre,GPCC)提供的全球气候降水计划(GPCP)中的全球降水数据集[32]。本文所选以上数据时间段为1979—2020年,做距集处理时将1981—2010年各月平均值作为气候态平均值。

1.2 两类El Nio事件的定义标准

本文使用赤道中东太平洋(120°W—170°W,5°S—5°N)区域平均的海表面温度异常(Nio 3.4指数)来确定El Nio事件。如果El Nio发展年(后文发展年上标为0,衰退年上标为1)冬季(12月、次年1月、2月,D0JF1)平均的Nio3.4指数大于等于0.5°,且在发展年秋季至衰退年夏季至少有连续3个月海温异常在0.5°以上,则定义为一个El Nio事件。使用Kug等[26]的方法来区别El Nio空间分布型,即将发展年冬季平均的Nio 3和Nio 4指数标准化,若该年Nio 3指数大于Nio 4指数则定义为EP El Nio事件,反之则为CP El Nio事件。两年周期的El Nio则使用该周期内两个冬季平均的Nio 3和Nio 4指数来进行判断,最终得到东部型和中部型事件各6个,详情可见表1。本文主要研究方法采取合成分析法,并使用t检验进行显著性检验。

表1 1979—2020年不同分布型El Nio事件分类Tabel 1 Classification of the different El Nio events from 1979 to 2020

表1 1979—2020年不同分布型El Nio事件分类Tabel 1 Classification of the different El Nio events from 1979 to 2020

El Niño类型 El Niño type年份 YearCP El Niño1994/1995、2002/2003、2004/2005、2006/2007、2009/2010、2019/2020EP El Niño1982/1983、1986/1988、1991/1992、1997/1998、2014/2016、2018/2019

2 两类El Nio事件与次年山东夏季降水异常的联系及作用机理

2.1 山东夏季降水时空特征

图1(a)为山东夏季(6—8月平均)降水气候态分布。从空间分布上可以看出,山东夏季降水有着由东南山地丘陵向西北平原逐渐减弱的特征,其中鲁南地区为全省降水极大区,平均降水可达5～6 mm/d,而黄河三角洲区域的降水则稍弱一些,平均降水量仅有2～3 mm/d。对图1(a)中的格点进行区域平均,得到山东夏季降水指数。从全年降水指数的月变化情况(见图1(b))来看,山东逐月降水呈现典型的单峰结构,降水主要集中于夏季。6月开始,山东全省进入汛期,降水强度在7、8月达到顶峰,9月汛期则逐渐进入尾声。由于6、7、8月降水强度较大,约占全年降水总量的62%,因此本文着重对山东夏季(6、7、8月)的降水进行分析。结合夏季降水的年际变化(见图1(c))来看,尽管山东夏季降水量存在一定的上升趋势,但其主要信号仍以年际变化为主。考虑到ENSO对全球气候年级变化有重要影响,下面我们探讨ENSO对山东夏季降水异常的影响,以及两类El Nio中降水异常的差异。

2.2 山东夏季降水对前冬两类El Nio事件的不同响应

(图(c)中扣除了气候态平均,虚线为线性趋势。Remove the climate state is removed and dashed line is a linear trend in (c).)

(打点区域为通过90%显著性检验。The dots indicate anomaly significant at the 10% significance level based on the t-test.)

2.3 两类El Nio事件影响次年山东夏季降水异常的作用机理

(打点区域为通过90%显著性检验,绿色等值线为气候态下的5 860和5 880 gpm线。The dots indicate anomaly significant at the 10% significance level based on the t-test. Green line indicate 5 860 and 5 880 gpm in climate state.)

对流层底层环流风场造成的水汽输送是造成降水异常的重要因素,因此为进一步分析图2中显示的山东夏季降水异常响应原因,图4给出了夏季(JJA)海表面气压、850 hPa风场和整层水汽通量散度异常合成。根据Xie等[8]的工作,NWPAC强度可由海表面气压异常来表征。从图4(a)可以发现,CP El Nio次年夏季有强大的NWPAC存在,其中心位于东经130°,北纬25°左右。NWPAC西北侧的强烈西南风(见图4(c))加强了东亚夏季风由南至北的经向水汽输送,山东成为水汽显著辐合区从而降水偏多。而EP El Nio次年夏季的环流情况则有所不同,次年夏季NWPAC较CP El Nio更加偏南偏弱,其中心处于北纬20°以南,在其北侧,有异常气旋位于日本列岛上空且强度较强(见图4(b))。结合850 hPa风场(见图4(d))可以看出,异常气旋西侧的偏北风会对山东至江苏一带造成影响。异常北风通过减弱东亚夏季风来阻碍向北的水汽输送,进而使得山东成为水汽辐散区,造成降水偏少,干旱加剧的情况。

(打点区域通过90%显著性检验且仅显示至少一个分量通过90%显著性检验的风场。The dots indicate anomaly significant at the 10% significance level based on the t-test and the arrows represent winds that pass the same test standard at least one direction.)

(红框为西太平洋暖池(125°E—145°E,0°—15°N)区域,打点区域为通过90%显著性检验。 Red box is WPWP (125°E—145°E, 0°—15°N). The dots indicate anomaly at the 10% significance level based on the t-test.)

(红框为西太平洋暖池(125°E—145°E,0°—15°N)区域,打点区域为通过90%显著性检验。 Red box is WPWP (125°E—145°E,0°—15°N). The dots indicate anomaly at the 10% significance level based on the t-test.)

2.4 两类El Nio事件与次年山东夏季季节内降水变化的联系及作用机理

(打点区域为通过90%显著性检验。The dots indicate anomaly significant at the 10% significance level based on the t-test.)

2.4.2 对流层中下层逐月大气异常环流对两类El Nio事件的响应 结合500 hPa位势高度异常场(见图8),我们发现在EP El Nio次年6月(见图7(d)),西北太平洋-东北亚上空的位势高度异常呈现北负南正的偶极子型分布,处于东北亚的位势高度负异常中心深入内陆直至贝加尔湖以南,这表明类似于东亚大槽的环流形势向西加深,较常年偏强。从850 hPa风场(见图9(d))来看,槽后的下沉气流加强了由北到南的内陆风,山东受较为干燥的偏北风影响,水汽条件较差,对应山东地区降水偏少,干旱加重。7月(见图8(e))东北亚负中心位置和强度有所调整,位势高度负异常仅在日本以东的局部地区存在,远离中国大陆,其产生的北风对山东地区的控制减弱,因此山东旱情有所缓和。8月此负异常中心基本消失,不再影响山东,山东的旱情减弱。CP El Nio次年夏季降水的季节内变化则与NWPAC和WPSH的位置移动有关。结合逐月850 hPa风场和整层水汽通量散度异常(见图9(a),(b),(c))可以发现,6月NWPAC北边界位于北纬25°左右,7月则是北抬至北纬30°,这使得我国6、7月主雨带分别位于华南和长江中下游地区,山东降水异常并不显著。8月NWPAC北边界可向北移动至朝鲜半岛和日本海一带,受其西侧偏南风的影响,山东成为水汽辐合大值区,充沛的水汽供应为降水提供了有利条件。这一变化过程说明CP El Nio次年夏季东亚水汽辐合带的北移趋势是由NWPAC季节内北移所造成的。当8月NWPAC到达最北端时,山东的降水正异常最显著。EP El Nio(见图9(d),(e),(f))次年6月NWPAC位置虽然与CP El Nio相类似,但NWPAC在7月并没有发生与CP El Nio同期相同的经向移动,而是开始向西推进,并在8月逐渐减弱,这一变化特点使其所造成的水汽辐合带所处位置偏南且较弱,不易造成该时期山东的降水异常。

(打点区域为通过90%显著性检验,绿色等值线为气候态下的5 860和5 880 gpm线。The dots indicate anomaly significant at the 10% significance level based on the t-test. Green line indicate 5 860 and 5 880 gpm in monthly climate state.)

(打点区域为通过90%显著性检验且黑色箭头表示至少一个分量通过90%显著性检验的风矢量。The dots indicate anomaly significant at the 10% significance level based on the t-test, and the arrows represent winds that pass the same test standard at least one direction.)

3 结论

本文使用1979—2020年GPCP全球降水数据集、HadISST海表面温度数据集、中国地面降水月值格点资料和ERA5大气再分析数据集,通过合成分析等统计学手段,对El Nio事件根据空间形态进行分类,发现了两类El Nio造成的次年山东夏季平均与季节内降水演变存在显著的差异,并给出了两类El Nio影响次年山东夏季降水的可能物理机制。主要结论如下:

受到数据资料的限制,本文未从更高频的时间尺度(如逐候或逐旬)探讨两类El Nio事件对次年山东夏季降水的影响,同时也要看到除赤道中东太平洋海温外,影响NWPAC的中高纬度因素(例如高空急流和大气遥相关作用)在本文未进行讨论。另外夏季NWPAC季节内变化以及不同分布型的拉尼娜事件在今后工作中有必要深入开展研究,以获得对山东夏季降水空间分布和汛期进退规律的进一步理解和掌握。