太平洋海溫場不同時間尺度背景下華南前汛期持續性暴雨的統計特征

王彥明，高建蕓，池艷珍，唐振飛，陳思

(1．廈門市氣象服務中心，福建 廈門361012;2．海峽氣象開放實驗室，福建廈門361012;3．福建省氣候中心，福建 福州350001)

0 引言

華南地區受熱帶季風和副熱帶季風的共同影響，是我國降水最豐富的地區。它有兩個多雨期，第一個發生在4—6月，即華南前汛期，多為鋒面降水，持續性暴雨過程多發生在這個時期(黃士松，1986;覃武等，1994);第二個發生在7—9月，為后汛期，多是熱帶天氣系統造成的降水(李麗平等，2012)。華南持續性暴雨具有暴雨強度大、持續時間長、影響范圍廣等特點，對于華南雨季洪澇災害的發生具有直接影響，因此研究華南前汛期持續性暴雨過程的特征規律，對于華南雨季旱澇預測有指示作用，并且對于防災減災具有重要意義。

對于華南前汛期暴雨，大多數研究主要關注了暴雨機制、暴雨時空分布特征及夏季風暴雨等。暴雨機制研究主要應用診斷及模擬等方法，從天氣尺度和中尺度方面研究暴雨形成的環流特征及天氣學成因(陳紅和趙思雄，2000;倪允琪等，2006);暴雨時空分布特征研究主要研究暴雨強度、頻次及極端強降水事件的年際、年代際變化趨勢及大氣環流差異(鮑名，2007;張婷和魏鳳英，2009;范伶俐等，2013);夏季風暴雨主要從夏季風環流、水汽輸送等方面研究華南前汛期暴雨的時空分布特征。池艷珍等(2005)研究指出，4月華南主要是以鋒面降水為主，夏季風所影響的降水集中在6月，其水汽來源主要是熱帶。

很多學者開展了華南前汛期降水與太平洋海溫的關系，揭示了許多新事實。馬慧等(2009)發現華南前汛期降水異常與西太平洋暖池北部海溫的顯著負相關。陳藝敏和錢永甫(2005)利用大氣環流模式驗證了該關鍵區海溫異常能夠影響到華南地區的大氣環流變化，以致降水異常，前期冷(暖)海溫異常對應著后期華南地區的上升(下沉)運動和降水偏多(偏少)。近年來印度洋海溫對于華南地區的降水的重要影響也受到越來越多的關注(Yang et al．，2007;Li et al．，2008)。Chan and Zhou(2005)認為PDO(Pacific Decadal Oscillation，太平洋年代際振蕩)和ENSO通過影響副高強度進而影響華南地區5—6月降水的年代際變化，即PDO和ENSO同為正位相時，華南地區降水偏少。Mao et al．(2011)發現在PDO冷暖位相，華南前汛期降水存在顯著的年代際變化特征。

本文將分析太平洋海溫場年代際及年際變化背景下華南前汛期典型持續性暴雨的統計特征，探討海洋外強迫信號可能對前汛期降水低頻變化周期造成的影響，以期為華南前汛期持續性暴雨過程的延伸期預報提供科學參考依據。

1 資料和方法

1.1 資料

1)逐日降水資料:國家氣象信息中心提供的1961—2012年華南地區243個氣象站降水資料;2)1900—2013年逐月太平洋年代際振蕩(PDO)指數(Zhang et al．，1997)，http://jisao．washington．edu/pdo/PDO．latest;3)NOAA提供的1950年至今的海洋尼諾指數(ocean Nino index，ONI)，ONI指數使用的是 Nino3.4 區的海溫異常，http://www．cpc．ncep．noaa．gov/products/analysis_monitoring/ensostuff/ensoyears．shtml。

1.2 方法

使用的統計方法有相關系數、功率譜、紅噪聲檢驗、概率密度函數等(魏鳳英，2007)。

2 華南前汛期持續性暴雨過程的定義

以福建、廣東、廣西三省243個站點作為代表站。為定量化表征華南前汛期降水強度和空間分布，參考高建蕓等(2013)對華南暴雨綜合指數HRCI(heavy rainfall comprehensive index)的定義:

其中:n1為特大暴雨站數;n2為大暴雨站數;n3為暴雨站數;n4為大雨站數;n5為中雨站數;n6為小雨站數。定義，1)暴雨日:華南243站中有大于等于12站(5%的站)出現暴雨(日雨量≥50 mm);2)暴雨過程:出現暴雨日的降水過程，過程中逐日降水須滿足條件——區域內至少5個站(即2%的站)出現暴雨;3)典型持續性暴雨過程(persistent heavy rainfall，PHR)，暴雨過程總天數大于等于5 d，且包含5個暴雨日的過程。若兩個暴雨過程僅間隔1 d，算同一次過程。

3 太平洋年代際振蕩背景下華南前汛期PHR特征

太平洋年代際振蕩PDO是北太平洋海溫年代際循環的現象。PDO暖位相時，中北太平洋異常低溫，北美洲西海岸附近呈現顯著正海溫異常;冷位相反之。研究表明，PDO存在15～25 a和50～70 a的年代際周期變化，1925—1946年、1977—1998年為暖位相;1900—1924年、1947—1976年及1999年至今為冷位相(Zhang et al．，1997;Minobe，1999)。

根據典型持續性暴雨過程的定義，1961—2012年華南前汛期共發生了44次典型持續性暴雨過程。其中有18次過程發生在22個PDO暖位相年，平均0.8次/a;26次過程發生在30個PDO冷位相年，平均0.9次/a。圖1給出了1961—2012年間發生典型持續性暴雨過程的概率密度分布，可以明顯看到，典型持續性暴雨過程發生的最大概率出現在PDO負位相年，即在PDO負位相年更容易發生典型持續性暴雨過程。

圖1 華南前汛期典型持續性暴雨過程發生概率密度分布Fig．1 Probability density distribution of the typical persistent heavy rainfall events during the first rainy season in South China

表1給出了PDO冷、暖位相下，華南典型持續性暴雨過程的強度、持續天數，其中過程暴雨指數反映了暴雨過程強度，過程日平均暴雨指數反映了暴雨過程日平均強度，過程天數即暴雨過程的持續時間。可以看到PDO冷位相年華南前汛期典型持續性暴雨的過程暴雨指數(167.8)高于平均值，并遠遠高于PDO暖位相的過程暴雨指數(128.3);暴雨過程的持續時長是PDO冷位相(10.9 d)長于暖位相(9.2 d);日平均暴雨指數也是PDO冷位相高于暖位相。

以上分析表明，PDO冷位相年，發生典型持續性暴雨過程的概率大，呈現出強度偏強、持續時間偏長的特征;PDO暖位相年，華南典型持續性暴雨過程具有強度偏弱、持續時間偏短的特點。

表1 PDO冷、暖位相期間華南前汛期典型持續性暴雨過程的統計特征Table 1 Statistical characteristics of the persistent heavy rainfall during the first rainy season in South China during the PDO warm and cold phases

4 太平洋海溫場兩種不同時間尺度背景下華南前汛期PHR特征

呂俊梅等(2005)指出，PDO與ENSO密切相關，PDO對ENSO事件的發生提供了年代際背景，具有調制作用。為進一步分析PDO與ENSO之間的關系，利用對華南前汛期4—6月有預報指示意義的前期冬春季12月至次年3月Nino3.4區SST(sea surface temperature，海表溫度)異常的平均值，即冬春季的ONI指數，來反映冬春季太平洋海溫的變化特征。具體定義為:ONI指數大于等于0.5℃為冬春Nino暖事件;ONI指數小于等于－0.5℃為冬春Nino冷事件;ONI指數大于－0.5℃且小于0.5℃為冬春Nino中性年。

統計分析發現PDO指數和冬春ONI指數呈正相關關系，相關系數為0.41，超過了0.01信度的顯著性檢驗。因此，在PDO的冷位相年，ONI指數小于0的概率大，即冬春季出現Nino冷事件的概率大;與之相反，在PDO暖位相年，冬春季出現Nino暖事件的概率大。

圖2給出了太平洋海溫場兩種不同時間尺度背景下即PDO和冬春Nino事件的不同位相組合下，華南前汛期典型持續性暴雨過程強度及持續時間的差異。具體特征如下:1)PDO暖位相配合冬春Nino暖事件，6 a共發生了9次典型持續性暴雨過程，平均每年發生1.5次，暴雨過程平均持續時間10 d左右，暴雨強度正常略偏弱;2)PDO暖位相配合冬春Nino冷事件，僅在1984、1989和1996年出現了3次典型持續性暴雨過程，平均每年1次，持續時間在6 d左右，暴雨強度弱;3)PDO暖位相配合冬春Nino中性年:5 a出現了6次典型持續性暴雨過程，平均每年出現1.2次，平均持續時長在9 d左右，暴雨強度屬于中等至略弱;4)PDO冷位相配合冬春Nino暖事件:5 a中累計出現了7次典型持續性暴雨過程，平均每年出現1.4次，平均持續時間在11 d左右，出現持續天數在10 d以上的典型持續性暴雨概率大于50%，暴雨強度偏強;5)PDO冷位相配合冬春Nino冷事件:8 a中出現了11次典型持續性暴雨過程，平均每年1.4次，持續時間明顯偏長，平均持續天數達到13.1 d，在這11次暴雨過程中，有8次持續時間超過10 d，且暴雨強度也明顯偏強;6)PDO冷位相配合冬春Nino中性年:5 a中出現8次典型持續性暴雨過程，平均每年1.6次，平均持續時長在7.5 d，強度中等至略弱。

圖2 太平洋海溫場不同時間尺度背景下華南前汛期典型持續性暴雨過程的統計特征 a．PDO暖位相配合Nino區暖海溫;b．PDO暖位相配合Nino區冷海溫;c．PDO暖位相配合Nino區正常海溫;d．PDO冷位相配合Nino區暖海溫;e．PDO冷位相配合Nino區冷海溫;f．PDO冷位相配合Nino區正常海溫Fig．2 Statistical characteristics of the persistent heavy rainfall during the first rainy season in South China under the background of Pacific sea temperature fields on different time scales a．PDO warm phase combined with warm SST(sea surface temperature)in Nino region;b．PDO warm phase combined with cold SST in Nino region;c．PDO warm phase combined with normal SST in Nino region;d．PDO cold phase combined with warm SST in Nino region;e．PDO cold phase combined with cold SST in Nino region;f．PDO cold phase combined with normal SST in Nino region

以上分析表明:太平洋海溫場兩種不同時間尺度背景下華南典型持續性暴雨過程呈現不同的特征:PDO暖位相背景下，無論前期冬春ONI指數如何，華南前汛期持續性暴雨的強度皆較常年偏弱，持續時間偏短;PDO冷位相背景下，除前期冬春Nino中性年華南持續性暴雨強度明顯偏弱、持續時間偏短外，不論是前期冬春Nino暖事件還是冬春Nino冷事件，華南前汛期易出現強度較強、持續時間較長的典型持續性暴雨過程。

5 不同海溫背景場對華南前汛期降水低頻變化周期的影響

為分析海溫的外強迫作用是否會影響華南前汛期降水的低頻變化周期，進而影響持續性暴雨過程的持續時間，分別對6種不同海溫配置下發生典型持續性暴雨過程年份的逐日暴雨綜合指數進行功率譜分析(圖3)，以期找到太平洋海溫場兩種不同時間尺度背景下華南前汛期降水的低頻變化周期。可以看到:1)PDO暖位相(無論冬春海溫如何)以及PDO冷位相配合冬春Nino中性年，華南前汛期暴雨綜合指數存在顯著的10～20 d的周期，表明這些年份降水以準雙周振蕩為主，這與前面分析的這些年份典型持續性暴雨過程的持續天數較短，為6～10 d的結論是一致的;2)PDO冷位相配合冬春Nino冷事件，華南前汛期暴雨綜合指數存在顯著25～60 d的周期，表明這些年份降水以25～60 d振蕩周期為主，期間發生的典型持續性暴雨過程的持續天數也較長，平均在13.5 d左右;3)PDO冷位相配合冬春Nino暖事件，華南前汛期暴雨綜合指數存在顯著10～25 d的周期，降水低頻變化周期介于前兩種情況之間，此類年份持續性暴雨過程的持續天數平均在11 d。

PDO暖位相年以及PDO冷位相配合冬春Nino中性年，均容易發生10 d以內短周期的典型持續性暴雨過程，且強度正常偏弱;PDO冷位相年配合冬春Nino海溫異常，均有利于發生10 d以上的較長周期的典型持續性暴雨過程，且強度明顯偏強，尤其配合冬春Nino冷位相時，發生超強持續性暴雨過程的概率較大。

6 結論和討論

圖3 太平洋海溫場不同時間尺度背景下華南前汛期暴雨綜合指數的功率譜(紅線表示95%置信水平;藍線和綠線分別表示Markov最低和最高置信水平) a．PDO暖位相配合Nino區暖海溫;b．PDO暖位相配合Nino區冷海溫;c．PDO暖位相配合Nino區正常海溫;d．PDO冷位相配合Nino區暖海溫;e．PDO冷位相配合Nino區冷海溫;f．PDO冷位相配合Nino區正常海溫Fig．3 Power spectrum of HRCI(heavy rainfall comprehensive index)of the persistent heavy rainfall during the first rainy season in South China under the background of Pacific sea temperature fields on different time scales(red line indicates 95%confidence level;blue and green lines indicate minimum and maximum confidence levels of Markov，respectively) a．PDO warm phase combined with warm SST(sea surface temperature)in Nino region;b．PDO warm phase combined with cold SST in Nino region;c．PDO warm phase combined with normal SST in Nino region;d．PDO cold phase combined with warm SST in Nino region;e．PDO cold phase combined with cold SST in Nino region;f．PDO cold phase combined with normal SST in Nino region

1)在PDO冷位相背景下，更容易出現華南前汛期典型持續性暴雨過程，且呈現出強度偏強且持續時間偏長的特征;在PDO暖位相背景下，華南典型持續性暴雨過程易出現強度偏弱、持續時間偏短的特點。

2)太平洋海溫場不同時間尺度背景下華南典型持續性暴雨過程呈現不同的特征:PDO暖位相背景下，無論前期冬春Nino區海溫是否異常，華南前汛期持續性暴雨的強度皆較常年偏弱，持續時間偏短;PDO冷位相背景下，除前期冬春Nino中性年華南持續性暴雨強度明顯偏弱，持續時間偏短外，不論是前期冬春Nino暖事件還是冬春Nino冷事件，華南前汛期易出現強度較強、持續時間較長的典型持續性暴雨過程。

3)太平洋海溫場兩種不同時間尺度背景下華南前汛期降水低頻變化周期不同，PDO暖位相(無論冬春海溫如何)以及PDO冷位相配合冬春Nino正常年，華南前汛期降水以準雙周振蕩為主;PDO冷位相配合冬春Nino冷事件，華南前汛期降水存在顯著25～60 d周期;PDO冷位相配合冬春Nino暖事件，降水低頻變化周期則介于兩者之間。

太平洋海溫場兩種不同時間尺度的前兆信號如何影響華南前汛期降水的低頻變化周期，其物理機制還有待于進一步的研究，以期為華南前汛期持續性暴雨過程的延伸期預報提供科學參考依據。

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