2015/2016和1997/1998超強El Ni?o衰減年我國夏季降水異常的比較

郭棟,王琳瑋,李震坤,蘇昱丞,覃皓,黃瑩

① 南京信息工程大學 氣象災害教育部重點實驗室/氣候與環境變化國際合作聯合實驗室/氣象災害預報預警與評估協同創新中心,江蘇 南京 210044;② 上海市公共氣象服務中心,上海 200030;③ 上海市氣候中心,上海 200030;

2015/2016和1997/1998超強El Ni?o衰減年我國夏季降水異常的比較

郭棟①,王琳瑋②*,李震坤③,蘇昱丞①,覃皓①,黃瑩①

① 南京信息工程大學 氣象災害教育部重點實驗室/氣候與環境變化國際合作聯合實驗室/氣象災害預報預警與評估協同創新中心,江蘇 南京 210044;② 上海市公共氣象服務中心,上海 200030;③ 上海市氣候中心,上海 200030;

2016-08-28收稿，2016-11-08接受

國家自然科學基金資助項目(41641042;41675039;41305039;41375047;41305079;91537213);江蘇高校優勢學科建設工程項目(PAPD)

El Ni?o可通過?！獨庀嗷プ饔眠b相關型影響東亞季風,進而影響中國氣候,是中國短期氣候最重要的預測指標之一。典型的El Ni?o事件通常在春、夏季開始,在秋、冬季成熟,在下一年的春、夏季消退,考慮到?！獨庾饔玫臏笮?El Ni?o事件甚至可以在消退時期對東亞大氣環流系統造成影響。因此,利用中國160站的逐月降水資料、NCEP/NCAR再分析資料以及美國NOAA提供的全球海溫數據,對比分析了2015/2016年和1997/1998年典型El Ni?o衰減年我國夏季降水和東亞環流特征的差異,并討論了造成差異的可能原因。結果表明:1)2016年和2008年夏季降水都大范圍偏多,2016年夏季降水異常更為集中,但降水強度不及1998年。2)2016年降水的季節推進特征不明顯。1998年6—8月的降水逐漸從南向北推進,與傳統的季風降水演變進程較為一致。3)2016年和2008年我國夏季降水的差異與副熱帶高壓的變化有直接的關系。1998年6—7月副熱帶高壓較2016年同期偏西偏南,而2016年8月副熱帶高壓更為偏西并明顯比氣候平均偏北。4)1997/1998年El Ni?o事件中的赤道西太平洋異常冷海溫比較強盛,而2015/2016年基本表現為偏暖,可能是造成1998年6—7月副熱帶高壓較2016年同期偏西偏南的原因。

El Ni?o

衰減年

東亞大氣環流

中國降水

異常

厄爾尼諾(El Ni?o)和南方濤動(Southern Oscillation)是全球熱帶海氣系統中年際尺度最顯著的信號,具有2～7 a的變化周期。大量研究證實,El Ni?o的發生對熱帶地區乃至全球的氣候異常都有重要影響,因此對其的研究長期受到大家的關注(王紹武,1989;李崇銀和周亞萍,1994)。許多觀測事實還表明,El Ni?o通過海氣作用的遙相關形式影響東亞季風系統,進而影響我國的氣候(Zhang et al.,1999;Wang et al.,2000;翟盤茂等,2003;陳麗娟等,2013;黃海燕等,2016),因此El Ni?o是我國短期氣候預測最重要的因子之一。

El Ni?o事件通常開始于春夏季,秋冬季達到鼎盛,次年春夏季結束。考慮到大氣對海洋的響應具有滯后性,在El Ni?o發生的不同位相,我國氣候表現出不同的特征。多數研究表明在El Ni?o衰減年夏季,長江流域和江南北部地區降水偏多,而江淮流域降水偏少(符淙斌和騰星林,1988;劉穎和倪允琪,1998;Zhang et al.,1999;陳文,2002;Huang et al.,2004)。但這一關系具有不穩定性(Wang,2002;宗海峰等,2010),不同強度的El Ni?o事件對東亞夏季風具有不同的影響(薛峰和劉長征,2007),并且東亞夏季風的異常還可能與El Ni?o事件發生時最大暖海溫的位置有關(張志華和黃剛,2008;Feng et al.,2011)。

2015/2016年El Ni?o事件開始于2014年9月,在2014—2015年冬季發展出現停滯,自2015年4月以來發展迅速,于2015年11月達到頂峰,此后開始衰減,至2016年5月結束。從事件的持續時間上看,此次El Ni?o事件是1951年以來持續時間最長的一次厄爾尼諾,且其峰值強度超過了歷史上最強的1997/1998年El Ni?o事件(邵勰和周兵,2016)。

圖1 2016年(a)和1998年(b)夏季降水距平百分率Fig.1 Percentage of precipitation anomaly in (a)2016 and (b)1998 summer

2015/2016年El Ni?o事件已經給全球多地的氣候帶來了不同程度的影響,已有不少研究揭示了2015年也即是El Ni?o發展年我國氣候對此次事件的響應(袁媛等,2016;翟盤茂等,2016),如2014—2015年冬季全國氣溫普遍偏高(司東等,2016),2015年夏季全國降水呈現北少南多分布,梅雨季偏長。實際上,此次厄爾尼諾事件對2016年我國氣候也有明顯影響,造成了包括江淮流域在內的嚴重的暴雨洪澇災害。因此本文擬通過對比2015/2016年和1997/1998年這兩個超強厄爾尼諾事件衰減年我國夏季降水和東亞環流特征的差異,加深對厄爾尼諾事件與我國氣候異常相互關系的認識,為短期氣候預測提供參考。

1 資料

本文所用到的數據包括:

1)中國氣象局國家氣候中心提供的全國160個氣象臺站逐月降水觀測資料、74項環流指數以及熱帶印度洋全區一致海溫模態(Indian Ocean Basin-wide Warming,IOBW)指數;

2)美國NCEP/NCAR提供的月平均高度場、風場和用于計算水汽輸送的比濕和地表氣壓場,水平分辨率為2.5°×2.5°;

3)美國NOAA提供的線性最優插值全球海溫數據(OISST V2),網格分辨率分別為1°×1°。除海溫以外,上述所有變量的距平或異常相對應的是1981—2010年平均,海溫資料因始自1981年12月,故其對應時段取為1982—2010年平均。

2 我國夏季降水異常的比較

2016年夏季,我國降水主要表現為兩條多雨帶,其中南方的多雨區位于江漢—江淮流域,北方的多雨區位于河套到華北地區,中心區域降水距平百分率都超過了50%。另外江南至華南北部降水也略偏多,東北大部分地區少雨(圖1a)。而1998年我國大部分地區都降水偏多,尤其是在長江中下游地區及內蒙古東部—東北一帶(圖1b),距平百分率可超過80%。從整體上看,兩個年份夏季降水都大范圍偏多,洪澇災害嚴重,相比較而言,2016年夏季降水異常更為集中,降水的強度不及1998年。

圖2 2016年6月(a)、7月(c)、8月(e)和1998年6月(b)、7月(d)、8月(f)降水距平百分率Fig.2 Percentage of precipitation anomaly in (a)June,(c)July and (e)August 2016,and (b)June,(d)July and (f)August 1998

從降水的分月情況來看,6月,2016年我國東部長江以北大范圍降水偏多(圖2a),1998年更明顯的降水發生在江南、華南以及東北,降水中心距平百分率超過100%(圖2b);7月,2016年降水相較6月有所收縮,集中在江漢和河套地區(圖2c),1998年降水主要位于長江中游和內蒙古東部,降水中心強度不及2016年(圖2d);8月,2016年我國東部除華南以外絕大部分地區降水均偏少(圖2e),而1998年西南到黃淮地區存在一條多雨帶,內蒙古東部—東北也有一個明顯的多雨區,兩者降水表現出完全不一致的分布(圖2f)。從季節演變的角度來看,2016年6—7月,多雨區基本一直維持在長江以北,到了8月,多雨區突然消失,僅有華南小范圍降水偏多,這主要是臺風帶來的降水,降水的季節推進特征并不明顯。而從1998年6—8月,降水逐漸從南向北推進,與傳統的季風降水演變進程較為一致。

圖3 2016年6月(a)、7月(c)、8月(e)和1998年6月(b)、7月(d)、8月(f)的水汽通量距平(箭矢,單位:kg·m-1·s-1)和散度距平(陰影,單位:10-3kg·m-2·s-1)Fig.3 Water vapor flux anomaly(vectors,units:kg·m-1·s-1) and divergence anomaly(contours,10-3kg·m-2·s-1) in (a)June,(c)July and (e)August 2016,and (b)June,(d)July and (f)August 1998

圖4 2016年(a)和1998年(b)500 hPa高度場和距平(等值線為500 hPa高度場;紅色粗實線為氣候平均5 880 gpm線;陰影為500 hPa距平)Fig.4 Geopotential height at 500 hPa(contours),geopotential height anomaly at 500 hPa(shade) and climate average 5 880 gpm(red line) in (a)2016 and (b)1998

分析與降水對應的水汽輸送條件,圖3給出了2016年和1998年6—8月整層積分的水汽通量距平和散度距平。6月,兩個年份我國南海到西北太平洋都存在一個反氣旋式的水汽通量距平環流型,但水汽通量散度距平的區域有所不同,2016年主要的水汽通量輻合區位于河套至黃淮一帶,對應圖2a中的降水偏多區,1998年我國江南、華南以及東北都有明顯的水汽通量輻合,同樣導致這些地區的降水偏多;7月,圖3c和3d顯示,南海到西北太平洋上的水汽通量反氣旋式環流范圍均有所縮小,水汽通量散度距平的分布與6月基本類似,水汽輻合區都有一定的北抬;8月,2016年我國東部洋面出現一個氣旋性的水汽通量環流型,因此水汽通量散度表現為正值區,不利于降水的形成,而1998年西北太平洋上的水汽通量反氣旋式環流仍然存在,并較7月范圍有所增大,故將水汽輸送到更北的地方,雨帶進一步推進到黃淮地區。

3 大尺度環流異常的比較

我國夏季降水是東亞夏季風環流的產物,降水的異常與大氣環流的變化密不可分,因此下文分析這兩年大尺度環流異常的差異。

圖5 2016年6月(a)、7月(c)、8月(e)和1998年6月(b)、7月(d)、8月(f)的高度場和距平(等值線為500 hPa高度場;紅色粗實線為氣候平均5 880 gpm線位置;陰影為500 hPa距平)Fig.5 Geopotential height in (a)June,(c)July and (e)August 2016,and (b)June,(d)July and (f)August 1998(the contours indicates the geopotential height at 500 hPa;shaded area indicates the geopotential height anomaly at 500 hPa and the red line indicates the climate average of 5 880 gpm)

圖4分別給出了2016年和1998年夏季500 hPa高度場和距平分布,圖中紅色粗實線代表氣候平均5 880 gpm特征線的位置。從圖中可以看出,2016年夏季,歐亞地區中高緯環流表現為一個寬槽的結構,西西伯利亞和白令海地區各有一個正距平大值區,中間為寬槽,我國北方處于寬槽底部,另外在低緯度地區,西太平洋副熱帶高壓(下文簡稱副高)偏強偏西,但偏北特征并不明顯(圖4a)。在這種情況下,環流場上我國上空雖然表現為“西高東低”,但較為平直,以短波槽脊活動為主,配合副高的西伸,引發一次次降水過程。1998年夏季環流與2016年有所不同,在歐亞中高緯地區環流呈一個“Ω”型,鄂霍次克海附近存在明顯的阻塞高壓,與此相對應的是在其下方我國東北地區高度場偏低,我國上空“西高東低”的環流比2016年更為顯著,此外,副高西端擴張到我國南海到華南地區,相比2016年更為偏強偏西,脊線也更偏南(圖4b),因此造成我國大范圍多雨。副高的變化與我國雨帶的位置和強度關系密切,從環流場上兩者副高的差別可以從一定程度上解釋2016年夏季降水強度不及1998年的原因。

進一步分析夏季各個月份的環流情況。6月,2016年在西西伯利亞有一個阻塞高壓,我國東部處于其下游的低槽中,副高比氣候態顯著偏西偏北(圖5a),1998年我國東部同樣處于低槽控制區(圖5b),但一個重要的區別是2016年6月副高比1998年更為偏北,因此對應的多雨區位置也更偏北,而1998年我國東部更為明顯的高空槽有更有利于冷空氣南下,多雨區因而延伸到華南地區;7月,2016年6月高緯的阻塞高壓消失,環流變得更為平直,而1998年7月與6月情形差別不大,兩個年份的副高都發生了季節性的北跳,但2016年的變化幅度明顯超過1998年(圖5c、5d),因此雨帶相較6月均有一定程度的北抬;到了8月,2016年的環流發生了很大的轉變,主要表現為副高分裂為兩個中心,副高主體退歸到日本海以東,我國大陸上受另一個閉合高壓控制,因此8月全國大部分地區少雨(圖5e)。從高度場距平還可看出,西北太平洋至我國南海為大片的高度負值區,這跟8月臺風的活躍不無關系,據統計,8月西北太平洋共有7個臺風生成。而1998年副高進一步西伸和北進,雨帶維持在其西北側的我國西南到黃淮一帶。

從副高的兩個特征指數—西伸脊點和脊線位置上可以更明顯地看到2016年和1998年副高的差異。1—5月,副高西伸脊點位置二者完全一致,都比氣候平均值明顯偏西;6—7月,1998年副高更為偏西;8月,形勢逆轉,2016年副高更為偏西,脊點伸至90°E(圖6a)。在脊線的南北位置上,1—8月,2016年均較1998年偏北,尤其是7—8月,兩者的差異進一步加大。8月,2016年副高脊線達到32°N,而1998年副高脊線為27°N,低于氣候平均值27.2°N(圖6b)。從這兩個指數的角度可以認為,2016年8月副高強于1998年同期。

圖6 1—8月副高西伸脊點(a)和脊線位置(b)的演變Fig.6 Evolution of western end of the (a)ridge and (b)position of the ridge of the subtropical high from January to August

總體而言,2016年和1998年夏季各月環流場上的差別主要體現在副高的形態及變化上,而這些差別可以部分解釋我國夏季和季節內降水的差異。此外,從副高的季節內變化來看,從6月到8月,兩個年份的副高與氣候平均態的副高的差異越來越顯著,尤其體現在8月。趙俊杰等(2016)的研究指出,El Nio衰減年副高的季節內變化增強,其中8月的變化最為明顯,這與本文的研究結論較為吻合。值得一提的是,該研究同時指出,El Nio衰減年副高位置偏西偏南,而圖6a揭示的2016年8月副高偏西但并不偏南,這與歷史El Nio衰減年合成的副高特征具有較大的不同,1998年的情形則與歷史情況較為一致。

是何種原因造成2016年與1998年8月副高的特征明顯不同?圖7是兩次El Nio事件沿赤道(5°S～5°N)平均的海溫距平演變。首先來看2015/2016年的情況,從圖7a可見,2015年初,日界線附近的異常暖海溫逐步從赤道中太平洋東傳到東太平洋,然后逐步加強,加強的暖海溫異常又從赤道東太平洋向中太平洋擴展,11月暖海溫達到峰值,2016年1月起,El Nio開始迅速衰減,至2016年5月,海溫異常降到0 ℃附近,El Nio事件結束,此后轉為冷位相。1997/1998年El Nio事件也經歷了類似的演變歷程。

圖7 2015/2016年(a)和1997/1998年(b)1—8月5°S～5°N平均的海溫距平演變(單位:℃)Fig.7 Evolution of 5°S—5°N mean sea surface temperature anomaly from January to August in (a)2015/2016 and (b)1997/1998(units:℃)

圖8 2016年(a)和1998年(b)8月海溫距平(單位:℃)Fig.8 Sea surface temperature anomaly in (a)2016 and (b)1998 August(units:℃)

第二種機制關注的是西北太平洋局地海溫,當該區域出現冷海溫時,有利于西北太平洋異常反氣旋的維持。圖8給出了2016年和1998年8月西北太平洋的海溫距平。從圖中可以明顯看到,2016年8月,在日本海以東,存在大片的海溫負距平區,海溫距平中心的絕對值超過1.2 ℃,而1998年西北太平洋基本為暖海溫控制,冷海溫出現在中太平洋。因此根據第二種機制,2016年8月副高更容易偏西偏北。

接著分析第三種機制,這種機制強調熱帶印度洋海溫的影響,印度洋能像電容器一樣被“充電”,把El Nio的信號儲存起來,在El Nio衰減后產生“放電”效應。在厄爾尼諾發展年,2015/2016年El Nio事件中的IOBW指數均高于同期1997/1998年指數,而在進入衰減年5月以后,2016年的IOBW指數明顯低于1998年同期(圖9)。因此從這個角度也難以解釋2016年8月副高異常偏北偏西的原因。

第四種機制較為復雜,考慮到熱帶大西洋暖海溫激發的Kelvin波傳播到西北太平洋的時間較長,該機制更適合分析副高季節性的偏差,對El Nio事件個例中月尺度差異的適用性還有待研究,因此本文不深入討論。

圖9 2015/2016年(紅色虛線)和1997/1998年(藍色實線)IOBW指數的演變(橫坐標上0表示El Nio發展年,1表示El Nio衰減年)Fig.9 Evolution of the IOBW index in 2015/2016(red dashed line) and 1997/1998(blue solid line)(‘0’ and ‘1’ in the horizontal coordinate respectively indicate the El Nio developing year and decaying year)

4 結果與討論

本文通過分析大氣和海洋資料,對比分析了2015/2016年和1997/1998年兩典型El Nio衰減年我國夏季降水和東亞環流特征的差異,并討論了造成差異的可能原因。主要結論有:

1)從整體上看,2016年和1998年夏季降水都大范圍偏多,洪澇災害嚴重。相較而言,2016年夏

季降水異常更為集中,但降水的強度不及1998年。同時,2016年夏季降水的季節推進特征并不明顯,而1998年夏季降水逐漸從南向北推進,與傳統的季風降水演變進程較為一致。

2)2016年和1998年夏季各月環流場上的差別主要體現在副高的形態及變化上,而這些差別可以部分解釋我國夏季和季節內降水的差異。從6月到8月,兩個年份的副高與氣候平均態的副高的差異越來越顯著,尤其體現在8月。1998年6—7月副高較2016年同期偏西偏南,而2016年8月副高更為偏西并明顯比氣候平均偏北。

3)1997/1998年厄爾尼諾事件中的赤道西太平洋異常冷海溫比較強盛,而2015/2016年基本表現為偏暖是造成1998年6—7月副高較2016年同期偏西偏南的可能原因,而西北太平洋局地海溫的不同可能導致了8月副高的差異。

通過診斷分析推測赤道西太平洋和西北太平洋的海溫差異可能是1998年和2016年6—8月副高差異乃至我國降水差異的原因。因此,下一步可以利用氣候模式輸入1998年和2016年的赤道西太平洋和西北太平洋的海溫異常,診斷環流和降水對其的反饋,據此驗證以上推測。

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Comparison between anomalies of summer rainfall in China in decaying years during super El Nio events of 2015/2016 and 1997/1998

GUO Dong1,WANG Linwei2*,LI Zhenkun2,SU Yuchen1,QIN Hao1,HUANG Ying1

1KeyLaboratoryofMeteorologicalDisaster,MinistryofEducation(KLME)/JointInternationalResearchLaboratoryofClimateandEnvironmentChange(ILCEC)/CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters(CIC-FEMD),NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China;

2ShanghaiPublicMeteorologicalServiceCenter,Shanghai200030,China;

3ShanghaiClimateCenter,Shanghai200030,China

Therefore,the anomalies of summer rainfall in China and atmospheric circulation over East Asia in the decaying years of two super El Nino events(2015/2016 and 1997/1998) were compared,in order to improve the understanding of the relationship between El Nio events and climate anomalies in China,as well as to provide a reference for short-term climate prediction.Specifically speaking,the percentage of precipitation anomaly in China,water vapor flux anomaly,anomaly of water vapor flux divergence,geopotential height anomaly,western end of the ridge and position of the ridge of the subtropical high and sea surface temperature anomaly in the decaying years of two super El Nino events were analyzed,by means of the monthly mean precipitation data of 160 meteorological observation stations in China,along with the circulation index,Indian Ocean Basin-wide Warming index from the National Climate Center of China Meteorological Administration,monthly mean geopotential height,wind,specific humidity and surface pressure from the American National Centers for Environmental Prediction,and the Optimum Interpolation Sea Surface Temperature version 2 data from the American National Oceanic and Atmospheric Administration.

The results are as follows.Summer rainfall frequently occurs on a large scaleand flood disaster is serious in 2016 and 2008.However,summer rainfall anomalies in the two years also have different characteristics.The area of summer precipitation positive anomaly in 2016 is more concentrated than that in 1998,but the intensity of precipitation in 2016 is lower than that in 1998.In June and July 2016,the positive anomalous precipitation is maintained in the area to the north of the Yangtze River.By August,the positive anomalous precipitation area is significantly reduced.There is only a small range of rainfall in southern China,which is mainly caused by typhoons.Therefore,the seasonal moving features of the rain band are not significant,while the area of the rainfall positive anomaly gradually moves from south to north during the summer of 1998,which is consistent with the traditional process of the precipitation of the monsoon.The difference of summer rainfall in 2016 and 2008 in China is closely related to the difference of the anomaly of water vapor flux divergence caused by the anomaly of atmospheric circulation.The Pacific Subtropical High in summer 1998 is more robust and located more to the west than that of summer 2016,and the ridge of the Pacific Subtropical High in summer 1998 is more to the south than that of 2016.Moreover,the Pacific Subtropical Highin June and July is located more to the southwest in 1998 than 2016,while the Pacific Subtropical High in August is more to the west in 2016 than 1998,and more to the north than usual.These differences of the Pacific Subtropical High can partially explain the differences between the 2016 and 2008 summer rainfall in China.Further more,one possible reason for the difference of the Pacific Sub tropical High in June and July in 1998 and 2016 is that the Western Equatorial Pacific sea surface temperature in 1997/1998 is colder than that in 2015/2016.The difference of the North western Equatorial Pacific sea surface temperature may also attribute to the difference of the Subtropical High in August of 1998 and 2016.

(責任編輯：孫寧)

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10.13878/j.cnki.dqkxxb.20160828010.(in Chinese).

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20160828010

*聯系人，E-mail:wlwno1@gmail.com