El Niño事件发展期对中国东部夏季极端降水的影响.pdf

El Nio 事件发展期对中国东部夏季极端降水的影响*蒲于莉洪沁冯娟（北京师范大学地理科学学部，遥感科学国家重点实验室，北京）摘要利用 19612020 年的再分析资料和中国台站观测降水数据集，研究了东部型 ElNio 事件发展期夏季对中国夏季极端降水的影响.结果表明，东部型 ElNio 在发展期夏季对中国极端降水的影响主要表现在中国东部地区，造成华北和江南地区极端降水减少，江淮地区极端降水显著增多.进一步分析其中的物理过程发现，当东部型 ElNio 事件处于发展期夏季时，赤道东太平洋出现显著的海表面温度（seasurfacetemperature，SST）暖异常，西太平洋区域表现为冷异常，导致反气旋性环流异常.同时，西北太平洋区域存在 SST 暖异常，对应气旋性环流异常.异常的 SST 分布激发了“正-负-正（+）”的东亚-太平洋型（EastAsia-Pacific，EAP）波列异常，对应着“负-正-负（+）”的降水配置.在 2 个异常环流的交汇处有显著的辐合上升运动，为江淮地区带去了充足的水汽.而华北地区主要受到反气旋性环流和蒙古高压的共同控制，并受到来自高纬度地区的异常西北风影响，存在显著的辐散下沉运动，降水的动力条件不足.并且，在东部型 ElNio 事件发展期夏季，西太平洋副热带高压位置异常偏东，不利于江南地区降水的发生及水汽的输送，进一步造成江南地区极端降水减少.以上结果显示东部型 ElNio 事件在其发展期夏季对中国极端降水存在重要的影响，为区域极端气候预测提供了理论依据.关键词东部型 ElNio 事件；极端降水；发展期中图分类号P426.6DOI：10.12202/j.0476-0301.20230350 引言ElNio 是热带太平洋地区一种重要的海气耦合现象，对区域和全球范围内的天气和气候变化起着重要作用13.这一现象通常在夏季发展，冬季达到峰值，次年的春季开始衰退2，45.ElNio 事件对中国降水的影响已得到了广泛研究，结果表明，ElNio 在其不同阶段对中国降水异常的影响是不同的69.在统计意义上，ElNio 事件发展期夏季，长江和淮河流域以及中国南部地区降水偏多，中国北部地区则表现为降水减少1012.而在 ElNio 事件衰退期夏季，南海周围的对流活动加强，华南地区表现为降水异常偏多，而江淮流域的降水则偏少1315.由此可见，降水异常对 ElNio 事件发生、发展的响应可以为区域气候预测提供重要的科学依据.大量研究表明，ElNio 事件会导致极端水文事件的发生1618，并对区域的社会、经济和环境造成巨大影响.中国气候类型复杂，随着经济的飞速发展和人口的增长，极易受到极端降水的影响19.东亚夏季风（EastAsiansummermonsoon，EASM）的年际变化对极端降水的空间分布具有重要影响18，20.已有的研究指出，ElNio 事件对 EASM 具有显著的调制作用，引起的 EASM 异常会导致东亚地区极端水文事件的发生2125.另一方面，ElNio 事件期间产生的西北太平洋异常反气旋也会对东亚地区的降水形势产生影响，造成中国东南沿岸附近的水汽输送增强，南方地区降水增多2628.以上结果说明，ElNio 事件能够通过影响环流形势而对中国极端降水产生重要影响.在过去几十年中，中国长江流域中下游地区夏季发生极端降水事件的频率显著增加，且未来极端降水事件发生的强度和频次都有增加的趋势2930.同时，夏季是 ElNio 事件发展的重要位相，对中国极端降水的影响值得关注.由于夏季是极端降水的高发期，其造成的社会经济损失不可估量.因此，本研究重点关注 ElNio 事件发展期夏季对中国极端降水的影响，具有重要的科学意义.现有的研究主要关注 ElNio 事件成熟期或衰退期对中国降水的影响，而较少着眼于发展期夏季.考虑到夏季是 ElNio 事件发展的重要季节，此时，热带中东太平洋海温异常已初步形成，可以通过海气过程*国家自然科学基金资助项目（42222501，41975079）通信作者：冯娟（1983），女，博士，教授.研究方向：气候变化，海气相互作用.E-mail：收稿日期：2023-03-12北京师范大学学报（自然科学版）2024-04242JournalofBeijingNormalUniversity（NaturalScience）60（2）对区域气候造成影响.并且对事件后续的发展及其对中国极端降水影响的预测具有重要作用.同时，现有的研究主要关注 ElNio 事件对季节降水的影响，而对极端降水的研究较少.因此，本文着眼于 ElNio事件发展期夏季，利用 19612020 年中国逐日降水格点数据集、ERSST 全球海温数据集和 NCEP/NCAR逐月再分析资料，研究东部型 ElNio 事件在发展期夏季对中国极端降水的影响，并探讨了其中可能的物理过程.这对进一步了解东部型 ElNio 事件不同阶段对中国极端降水的影响，从而对优化区域短期气候预测具有重要价值.1 数据与方法1.1 研究数据本文使用以下观测资料及再分析数据集：1）中国气象局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），该数据由中国地区 2472个国家级台站资料插值而成，水平分辨率为 0.50.5，数据集经交叉验证和误差分析，质量状况良好31；2）美国国家环境预测中心（NCEP/NCAR）提供的再分析资料，包括位势高度、风场、垂直速度等，垂直分层共 17 层（垂直速度共 12 层），水平分辨率 2.52.532；3）美国国家海洋和大气管理局（NOAA）提供的扩展重建的海温数据（ERSSTv5），水平分辨率为 2233.出于对数据一致性和可靠性的考虑，本文选择 19612020 年作为研究期.1.2 研究方法本文使用了 Nio3 指数，即赤道东太平洋（15090W，5S5N）区域平均的海温异常.利用 Ren 等34定义的方法，依据中国气象局国家气候中心提供的事件年表，来定义东部型 ElNio.结合 ElNio 事件的生命期，本文定义 ElNio 事件发生的当年为发展期，发展期夏季指东部型 ElNio 事件发生当年的 68 月平均.考虑到事件发生的起止时间，最终选取的 ElNio 年为 1965/66、1972/73、1982/83、1986/87、1991/92、1997/98、2006/07、2015/16，结果与前人工作中的事件基本一致3537.由于中国的地理类型复杂，降水的时空分布不均，因此本文采用相对阈值法定义极端降水事件3839，即对各站点 19612020 年逐年的日降水量（1mm）按升序进行排序，取第 90 个百分位的日降水量作为气候平均极端降水阈值.当某站某日的降水量超过该阈值时，定义为极端降水事件.该方法已被广泛用于极端降水事件的研究3940.夏季极端降水事件为68 月的极端降水事件集合.此外，本文采用相关、合成等统计方法，利用student-t 检验进行相关性和合成分析的显著性检验，分析了 ElNio 事件发展期夏季与中国极端降水及大气环流的关系.2 东部型 El Nio 发展期对夏季极端降水的影响从图 1 可以看到，中国东部地区夏季降水量极大，长江中下游及华南地区的夏季降水普遍600mm，对年降水总量的贡献很大.极端降水在夏季降水中的占比45%，特别是华北地区，占比50%，对夏季降水十分重要.a.19612020 年中国夏季降水量的空间分布；b.夏季极端降水量占夏季总降水量的百分比.（台湾省资料暂缺）图 1 东部型 El Nio 发展期对夏季极端降水的影响图 2 展示了研究期内 8 次东部型 ElNio 事件发展期夏季的极端降水异常.当 ElNio 事件处于发展期夏季时，中国西北及青藏高原地区极端降水的异常值很小，对事件的响应并不显著.强烈的极端降水异常主要集中在东部地区，夏季极端降水受到事件的影响较大.其中华北及江南地区表现出显著的负异常，第 2 期蒲于莉等：ElNio 事件发展期对中国东部夏季极端降水的影响243而江淮地区及东南沿海区域则为显著的正异常.表明东部型 ElNio 事件在发展期夏季可能造成华北及江南地区的极端降水显著减少，而江淮地区及东南沿海区域的极端降水显著增多.注：打点区域为通过 0.01 显著性水平检验（台湾省资料暂缺）图 2 极端降水异常在 El Nio 发展期夏季的空间分布对比前人有关东部型 ElNio 事件发展期对中国夏季降水的研究发现，针对以上显著异常的区域，本研究所得出的东部地区极端降水异常分布与前人季节降水异常分布的结果基本一致，而西北和青藏高原地区的异常分布有所不同8，41.说明当 ElNio 事件处于发展期夏季时，其可以通过影响中国东部地区极端降水的分布对季节降水异常产生影响.为了进一步了解夏季极端降水对东部型 ElNio事件发展期的响应，结合图 2 所得到的显著异常区域，本文定义夏季极端降水指数（summerextremeprecipitationindex，SEPI），作为反映该区域夏季极端降水的指标，即ISEP=IC12(INIS)，（1）ICINIS式中：为江淮地区（115120E，3135N）区域平均并标准化处理后的夏季极端降水指数；为华北地区（105120E，3540N）区域平均并标准化处理后的夏季极端降水指数；为江南地区（105120E，2831N）区域平均并标准化处理后的夏季极端降水指数.图 3-a 显示了 19602020 年中国夏季极端降水与同期 SEPI 相关性的空间分布.可以看到，SEPI 与华北和江南部分地区存在显著的负相关，而江淮地区表现为显著的正相关，表明 SEPI 与东部型 ElNio 事件发展期夏季时的极端降水异常分布具有较好的一致性（图 2），与东部型 ElNio 事件的发生密切相关.定义 SEPI 高于（低于）一个正（负）标准差的年份为强（弱）极 端 降 水 年，在 研 究 期 内，共 有 1965、1972、1991、2003、2005、2006、2007、2015 年 8 个强极端降水年，以及 1961、1964、1966、1967、1973、1976、1977、1978、1988、1994、1995、1998、2013、2016、2019 年15 个 弱 极 端 降 水 年.图 3-b 给 出 了 19612020 年SEPI 与 Nio3 指数的标准化时间序列，可以看到SEPI 与 Nio3 指数具有较好的相关性，二者的相关系数为 0.48，通过了 0.01 显著性水平检验.在 19602020 这 60 年，强极端降水年中有半数以上对应了东部 型 ElNio 事 件 的 发 展 期（即 1965、1972、1991、a.19612020 年夏季极端降水指数与夏季极端降水量相关的空间分布（打点区域表示通过 0.01 显著性水平检验）；b.夏季 Nio3 指数与夏季极端降水指数的标准化时间序列.图 3 夏季极端降水对东部型 El Nio 事件发展期的响应244北京师范大学学报（自然科学版）第 60 卷2006、2015 年），证实了东部型 ElNio 发展期对中国东部地区夏季极端降水异常在年际时间尺度上存在着显著的影响.而弱极端降水年中，有近半数与 LaNia 事件相对应（即 1964、1973、1976、1988、1995、1998 年），进一步表明中国降水的年际变化与 ENSO冷暖事件的关系密切.上述结果说明，当东部型 ElNio 事件处于发展期夏季时，对中国东部地区的极端降水具有显著影响，会造成华北及江南地区极端降水减少，而江淮地区极端降水增多.为了评估东部型 ElNio 事件发展期夏季 SST 异常对中国极端降水的影响，本文对比分析了 SST 的异常分布（图 4）.图 4-a 为 ElNio 事件发展期夏季 SST的异常分布，赤道中东太平洋的 SST 表现为显著的暖异常，异常中心的增暖幅度1，西太平洋则表现为显著的冷异常.图 4-b 为强、弱夏季极端降水年合成的 SST 异常分布，对比来看，二者在太平洋区域的 SST异常分布基本一致，同时在西北太平洋（30N，150E）附近区域都存在一个较弱的暖异常.不同的是，强、弱夏季极端降水年合成的 SST 在整个印度洋区域表现为暖异常，但异常并不显著.可以看到，东部型 ElNio 事件发展期夏季 SST 异常与夏季强、弱降水年合成的 SST 异常空间分布高度相似，二者的场相关系数为 0.89，进一步证实了东部型 ElNio 事件在发展期夏季与中国东部地区的夏季极端降水异常间存在着显著的联系.40N30201001020S60E901201501801501209060Wa40N30201001020S60E901201501801501209060Wb1.00.80.60.40.200.20.40.60.81.0温度/a.发展期夏季的 SST 异常分布；b.夏季强、弱极端降水年合成的异常分布（打点区域表示通过 0.05 显著性水平检验）.图 4 SST 的异常分布3 环流异常分布以上结果表明，当东部型 ElNio 事件处于发展期夏季时，对中国东部地区的极端降水具有显著影响，表现为华北及江南地区极端降水减少，而江淮地区极端降水增多.图 5 给出了东部型 ElNio 发展期夏季对应的对流层低层的风场和位势高度的异常分布.在东部型 ElNio 发展期夏季，赤道东太平洋出现了显著的暖异常，赤道西风异常强烈.同时，热带西太平洋及西北太平洋大部分地区表现为冷异常，对应着西太平洋（25N，140E）附近的反气旋性环流异常.而在西北太平洋（40N，160E）附近存在较为显著的暖异常，伴随着显著的气旋性环流异常，并且整体处60N504030201080100120140160180E位势高/(m2s2)753113571.5ms1注：阴影为打点区域表示通过 0.1 显著性水平检验；矢量为红色箭头区域表示通过 0.1 显著性水平检验.图 5 El Nio 发展期夏季 500 hPa 位势高度和风场异常分布第 2 期蒲于莉等：ElNio 事件发展期对中国东部夏季极端降水的影响245于异常低压的控制下.此时江淮地区处于反气旋性环流异常的边界，同时受到异常低压的控制，来自海洋的水汽在这里聚集，容易造成极端降水的增多.而华北地区受到蒙古高压和异常反气旋的共同控制，同时华北和华中平原大部分区域都受到异常西北风的影响，来自中高纬度的干燥气流不利于降水的发生，造成极端降水的显著减少.说明东部型 ElNio 发展期夏季的 SST 异常会通过大气环流遥相关模态显著影响中国东部地区的极端降水，并且中高纬度信号对华北地区极端降水异常也具有一定贡献.从东部型 ElNio 发展期夏季对流层低层垂直速度和辐散风的异常分布可以看到（图 6），SST 的异常增暖使得热带中东太平洋区域出现异常上升运动，水汽向赤道方向辐合.SST 异常激发出 135E 以东出现类似 EAP 遥相关波列异常，形成了“+”的异常环流特征，易产生“+”的降水配置4243.西太平洋（25N，135E）附近表现为异常的辐散下沉，风场在江淮地区（30N，120E）附近辐合.而华北地区（35N，115E）附近存在显著的辐散下沉，且该辐散气流一直向南汇入赤道，在华北和江南地区对流活动明显受到抑制，不利于降水的发生.此外，江淮地区存在显著的上升运动，同时受到西北太平洋辐合的影响，存在充足的动力条件，有利于极端降水事件的发生.60N50403020108090100 110 120 130 140 150E垂直速度/(mPas1)6422461.5ms1注：矢量为红色箭头区域表示通过 0.1 显著性水平检验；阴影为打点区域表示通过 0.1 显著性水平检验.图 6 El Nio 发展期夏季 700 hPa 辐散风异常场及700 hPa 垂直速度异常场水汽是降水发生的重要影响因素之一，水汽的输送与区域降水的变化密切相关，因此进一步分析了水汽的异常分布.图 7 是东部型ElNio发展期夏季整层水汽通量及通量散度的异常分布.华北和江南地区的水汽主要来自于高纬度的西北内陆地区，并受到西太平洋异常反气旋影响，区域整体存在显著的水汽辐散，不利于降水的发生，对应极端降水的异常减少.而在江淮地区东部沿海存在显著的水汽辐合，同时西北太平洋的反气旋性水汽输送异常裹挟着水汽，为江淮地区带来了充足的水汽，对应着极端降水的增多.60N50403020108090100 110 120 130 140 150E水汽通量散度/(104gs1cm2)0.90.60.30.30.60.9300gs1cm1注：矢量为红色箭头区域表示通过 0.1 显著性水平检验；阴影为打点区域表示通过 0.1 显著性水平检验.图 7 El Nio 发展期夏季整层水汽通量异常场和水汽通量散度异常场4 结论与讨论利用 19612020 年的再分析资料和降水数据集，研究了东部型 ElNio 事件发展期夏季对中国夏季极端降水的影响.结果表明，在东部型 ElNio 发展期夏季，华北和江南极端降水减少，而江淮地区极端降水显著增多.进一步分析了造成这种影响的物理过程，发现当东部型 ElNio 事件处于发展期夏季时，赤道东太平洋出现显著的 SST 暖异常，西太平洋表现为SST 冷异常，而西北太平洋（35N，150E）附近表现为较显著的暖异常.这样的 SST 配置在西太平洋区域分别对应着（25N，140E）附近显著的反气旋性环流异常和（40N，160E）附近的气旋性环流异常.在 2 个异常环流的交汇处出现显著的辐合下沉运动，为江淮地区带去了充足的水汽.华北地区同时受到西太平洋异常反气旋和蒙古高压的共同控制，且低层大气存在显著的辐散下沉运动，形成降水的动力条件不足.由于华北地区地理位置易受到高纬度地区干燥的异常西北风影响，因此，ElNio 事件对华北地区极端降水的影响小于华南地区.同时，西太平洋副热带高压异常偏东（图中未显示），不利于降水的发生及水汽的输送，导致江南地区极端降水减少.值得注意的是，研究过程中考虑东部型 ElNio事件发展期的起始时间存在差异.由于个别事件起始于夏季之后，如 1976 和 1979 年，在整个事件中占比很小，因此本研究剔除了起始于夏季之后的事件.考虑到海气耦合作用的重要影响，有必要对不同起止时间及不同强度的事件进行分类研究，有利于进一步厘清不同起止时间事件的气候影响差异.近年来，中部型 ElNio 的发生次数增加，演变和气候反馈往往比东部型 ElNio 事件更难预测4445.246北京师范大学学报（自然科学版）第 60 卷前人研究发现，2 类事件对区域气候的影响具有较大差异4648.有研究认为，中部型 ElNio 可能导致中国东北及长江下游地区降水不足而南方降水增多8.然而，目前针对中部型 ElNio 事件在其发展期对极端降水影响的研究较少.因此，有关中部型 ElNio 事件在其发展期夏季对我国极端降水的影响及物理过程，值得进一步探讨.5参考文献 BJERKNES J.Atmospheric teleconnections from theequatorial pacificJ.Monthly Weather Review，1969，97（3）：1631HARRISON D E，LARKIN N K.Seasonal U.S.temperatureandprecipitationanomaliesassociatedwithElNio：historical results and comparison with 1997-98J.GeophysicalResearchLetters，1998，25（21）：39592TIMMERMANN A，AN S I，KUG J S，et al.El Nio-Southern Oscillation complexityJ.Nature，2018，559（7715）：5353MCPHADENMJ.Genesisandevolutionofthe1997-98ElNioJ.Science，1999，283（5404）：9504LVAF，QUB，JIASF，etal.InfluenceofthreephasesofElNio-SouthernOscillationondailyprecipitationregimesinChinaJ.HydrologyandEarthSystemSciences，2019，23（2）：8835ZHANGRH，SUMIA，KIMOTOM.ImpactofElNioontheEastAsianmonsoon:adiagnosticstudyofthe86/87and91/92eventsJ.JournaloftheMeteorologicalSocietyofJapanSer，1996，74（1）：496WURG，HUANGG，DUZC，etal.Cross-seasonrelationof the South China Sea precipitation variability 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