不同PDO背景下華南前汛期鋒面和季風降水的水汽輸送差異

李俊杰,范伶俐②*,梁梅②,徐建軍

① 廣東海洋大學 海洋與氣象學院,廣東 湛江 524088; ② 廣東海洋大學 陸架及深遠海氣候、資源與環境廣東省高等學校重點實驗室,廣東 湛江 524088; ③ 中國氣象局-廣東海洋大學海洋氣象聯合實驗室,廣東 湛江 524088

華南汛期分為前汛期(4—6月)和后汛期(7—9月),根據降水性質,前汛期又分為南海夏季風爆發前/后的鋒面降水和季風降水兩個階段(陳隆勛等,2000,2006;伍紅雨等,2015)。前汛期雨量充沛且暴雨頻發,易造成大范圍的洪澇災害,但前汛期降水的預報能力尚需進一步提高(鄭彬等,2006;霍利微等,2018)。降水的預報在很大程度上依賴于對降水性質的理解和水汽條件的判斷(王志毅等,2017;車少靜等,2021;楊潔凡和郭品文,2021;楊萌洲和袁潮霞,2022),因此,研究水汽來源及其輸送過程,有助于掌握華南前汛期降水的規律及機理,提高預報精準度。

歐拉方法和拉格朗日方法是兩種研究水汽輸送的主要方法。歐拉法較直觀,但只能給出簡單的水汽輸送路徑(James et al.,2004;江志紅等,2013;施逸等,2022)。拉格朗日法的計算相比于歐拉法較復雜,但可確定水汽輸送源地及其對降水的貢獻率(Brimelow and Reuter,2005;Sodemann and Stohl,2009;Gimeno et al.,2010;Drumond et al.,2011;江志紅等,2013)。

關于華南前汛期降水的水汽輸送及來源已有大量研究(池艷珍等,2005),并得到了很多有意義的結果。前期研究大都基于歐拉法,近期研究多是基于美國國家海洋和大氣管理局NOAA(National Oceanic Atmospheric Adminstration)開發的拉格朗日氣流軌跡模式HYSPLIT(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory),分析華南前汛期水汽輸送特征。周莉等(2019)研究表明,華南前汛期主要水汽輸送路徑分別是西南路徑、東南路徑以及西北路徑,源地分別為印度洋、南海-西太平洋和歐亞大陸。李曉帆(2018)發現,南海夏季風爆發前/后,各水汽源地貢獻率不同。華南前汛期水汽輸送具有明顯的年代際變化特征(池艷珍等,2005),且夏季風爆發前、后的變化趨勢接近相反(李曉帆,2018),夏季風爆發前水汽輸送的年代際變化與太平洋年代際振蕩PDO(Pacific Decadal Oscillation)密切相關,爆發后兩者的關系不密切。但目前,采用多種方法,綜合、定量地分析華南前汛期水汽輸送特征,并考慮PDO對水汽輸送特征的年代際調制作用的研究,尚不多見。

針對上述問題,本文采用HYSPLIT模式,根據1960—2012年NCEP再分析資料,對華南前汛期的水汽輸送過程進行后向追蹤模擬,結合“蒸發-降水診斷法”(Stohl and James,2004,2005;Sodemann et al.,2008)找到前汛期兩個階段有效降水過程的水汽輸送源匯區域,然后根據“區域源匯歸因法”(Sun and Wang,2014;Chu et al.,2017)劃分各水汽源,定量計算各關鍵區對華南前汛期降水的貢獻率。在此基礎上,利用聚類分析法,分析各有效降水過程的水汽軌跡及其貢獻率。最后,探討不同PDO背景下華南前汛期水汽輸送的年代際變化,以期為華南前汛期降水的預測預報提供參考依據。

1 資料與方法

1.1 資料

研究范圍為華南地區(107°～120°E,20°～26°N)。使用的資料有:中國氣象局提供的1960—2016年4—6月的日間(08—20時；北京時,下同)與夜間(20時—次日08時)降水資料。中國氣象局提供的1854—2018年PDO指數與12 a低通濾波后的PDO指數。1960—2016年6 h一次的NCEP(National Centers for Environmental Prediction)再分析資料,空間分辨率為2.5°×2.5°,包括溫度、經向風、緯向風、相對濕度。剔除降水資料不完整的站點后,選取60個站點,站點分布如圖1所示。

圖1 華南區域示意圖(紅色框表示華南降水研究區域,藍色框代表南海夏季風爆發判斷區域,黑點為氣象觀測站)Fig.1 Schematic diagram of South China (Red box represents the precipitation research area in South China,blue box represents the judgment area of the South China Sea summer monsoon onset,and black spots are meteorological stations)

1.2 方法

本文使用由美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)開發的HYSPLIT_4.9模式計算氣流的模擬軌跡。氣流軌跡的模擬方法是假設空氣粒子跟隨氣流運動,則氣流軌跡就是空氣粒子在時間和空間上位置矢量的積分。使用60個華南站點位置,在每個站點的上空根據高度分為1 000、1 500和3 000 m三個后向軌跡計算起始點,從1960—2012年的4—6月,以每日的02時與14時為起始時間點計算后向軌跡,后向軌跡每1 h輸出一次軌跡點的位置,并插值獲得所在位置的空氣塊比濕。每條軌跡后向模擬240 h,共得到1 736 280條軌跡,根據各站點的日夜降水資料,篩選出60個站點有降水記錄時段的軌跡,共716 416條。

使用計算得到的后向軌跡,確定后向軌跡上的空氣塊到達目標點前某一時刻所在的位置,并統計×的網格內氣塊的個數及其物理屬性,稱為氣塊追蹤分析法。通過此方法可以分析氣塊在到達華南地區前240 h內的輸送情況。

根據Stohl and James(2005)提出的“蒸發-降水診斷法”,計算空氣塊沿軌跡運動過程的比濕變化程度可以確定水汽輸送路徑上的源和匯,即各個格點上的水汽收支量(E-P)。同時,根據Sun and Wang(2014)提出的區域源匯歸因法,可求得某水汽源地區對目標區的降水貢獻。

2 華南前汛期季風降水的開始日期

華南前汛期的大氣環流在南海夏季風建立前后差異明顯,前期研究表明(鄭彬等,2006),當南海夏季風推進至110°～120°E、20°～23°N區域,華南地區大氣中的水汽、熱力及動力狀況將發生明顯的變化(羅會邦,1999),華南夏季風降水才開始出現。為此,首先需要確定華南夏季風降水的開始日期,再將華南前汛期的水汽輸送過程分為鋒面降水和季風降水兩個階段進行討論。

根據鄭彬等(2006)的定義,110°～120°E、20°～23°N上空的100 hPa由西風轉為東風,并持續5 d以上,則第一日為季風降水開始日。由于前汛期每年南海夏季風推進到華南(鋒面/季風降水轉換)的時間不完全一致,使用NCEP/NCAR再分析資料,計算出1960—2016年每年的季風降水開始日,并定義從4月1日至季風降水開始日前一日為鋒面降水階段;季風降水開始日至6月30日為季風降水階段。計算得到的1960—2016年季風開始日如表1所示,多年平均華南前汛期季風降水開始日為5月16日,最早為1963年5月12日,1991年6月9日為最晚。將逐年華南夏季風降水開始日期與其他研究者確定的氣候平均夏季風爆發日期(陳隆勛等,2000;李崇銀和屈昕,2000;何金海等,2001)進行比較,結果表明,華南夏季風降水開始日期都在南海夏季風爆發之后,二者之間的間隔即為南海夏季風推進到華南地區使用的時間。

表1 1960—2016年華南前汛期季風降水開始日Table 1 Beginning dates of monsoon precipitation in the pre-flood season in South China from 1960 to 2016

以1960—2016年多年平均華南前汛期季風降水開始日5月16日為基準,向后延長30 d,向前延長25 d,繪制了100和850 hPa風隨緯度和時間的變化(圖2)。圖2a中100 hPa上,在前3 d到夏季風降水開始,東風快速向北推進并增強,在此之后華南高空為東風氣流所控制;圖2b中850 hPa上,在華南前汛期季風降水開始日之前,華南為西風,17°N以南的華南南部為東風,到華南前汛期季風降水開始日附近,華南西風與其南部熱帶西風逐漸連接成一片,并隨后增強。

圖2 1960—2016年100°～120°E平均緯向風隨距離華南前汛期平均季風降水開始日的時間變化(正為西風、負為東風):(a)100 hPa緯向風(流線表示風向);(b)850 hPa緯向風Fig.2 Variation of zonal wind averaged over 100°—120°E from 1960 to 2016 with time to the average beginning date of monsoon precipitation in the pre-flood season in South China (Positive is westerly wind and negative is easterly wind):(a)100 hPa zonal wind (Streamline indicates wind direction);(b) 850 hPa zonal wind

3 華南前汛期降水年代際變化與PDO的聯系

PDO作為海洋上強烈的年代際信號,與華南前汛期的氣候有著密切的關系(Chu et al.,2017;孫照渤等,2017)。華南前汛期水汽輸送路徑、水汽源匯的年代際變化,也會受到PDO的調制。

3.1 PDO冷、暖位相期

PDO指數有著明顯的年代際變化特征,中國氣象局將各月的PDO指數(NOAA的ERSST V4,北太平洋區域選擇為110°E～100°W、20°～70°N,1854—2018年逐月海表溫度的EOF分解后第一模態的時間系數;Zhang et al.,1997),進行12 a低通濾波處理(以第73個月為中心點滑動平均),濾波后PDO指數為正時稱暖相位,為負時稱冷相位。因濾波后PDO指數的時段為1860—2012年,再結合降水資料時段為1960—2016年,故將本文的研究時段調整為1960—2012年。據此可將研究時段分為3個階段(圖3):1961—1976年(冷),1977—1998年(暖),1999—2012年(冷)。

圖3 1960—2018年PDO指數(虛線)與12 a低通濾波后的PDO指數(實線)Fig.3 PDO index (dashed line) and 12-year low-pass filtered PDO index (solid line) from 1960 to 2018

當PDO為暖位相時,北太平洋北部、東北部至東南部的海表面溫度偏低,中部、西部與南部的海表面溫度偏高;當POD為冷相位時,北太平洋北部、東北部至東南部的海表面溫度偏高,中部、西部與南部的海表面溫度則偏低。

3.2 華南前汛期降水與PDO的關系

圖4為對1960—2016年間PDO年指數與華南前汛期總降水、鋒面降水、夏季風降水的年距平作13 a滑動平均,得到1966—2010年間的滑動平均序列,并有很好的相關關系。在華南前汛期(圖4a),總降水量距平與PDO相關系數為-0.684,呈顯著的負相關;在華南前汛期鋒面降水階段(圖4b),兩者變化趨勢在20世紀70年代后變化趨勢基本相同,相關系數為0.343;在華南前汛期季風降水階段(圖4c)相關系數高達顯著的-0.840,兩者變化趨勢相反。三個時間段的相關系數均通過置信度為95%的顯著性水平檢驗,表明華南地區前汛期的降水量變化與PDO變化顯著相關,PDO可能對華南前汛期降水年代際變化的具有調節作用。前汛期總降水量與PDO指數呈顯著負相關,主要受夏季風降水的負相關影響。

圖4 1960—2016年華南地區前汛期年降水量距平的13 a滑動平均值(藍線)和年PDO指數的13 a滑動平均值(紅線)(r為相關系數,1)、2)分別表示通過置信度為99%、95%的顯著性檢驗,自由度為43):(a)華南前汛期(4—6月);(b)鋒面降水階段;(c)季風降水階段Fig.4 The 13-year moving average of annual pre-flood season precipitation anomaly in South China (blue line) and the 13-year moving average of annual PDO index (red line) from 1960 to 2016 (r is the correlation coefficient,1) and 2) respectively indicate the coefficients passing the significance test at 99% and 95% confidence levels,and the degree of freedom is 43):(a)the pre-flood season in South China (April to June);(b)the frontal precipitation stage;(c)the monsoon precipitation stage

對1960—2016年華南地區各站點前汛期降水量與PDO指數使用與圖4相同方法求相關系數,并繪制相關系數的空間分布圖5,得到的結論與圖4基本一致。圖5a在整個華南前汛期(4—6月),除粵東與福建沿海接壤處、粵西、華南西部外,相關系數均為負值;在圖5b鋒面降水階段,華南絕大部分地區相關系數均為正值,沿海地區的相關顯著;在圖5c季風降水階段,除粵西外,均呈現顯著負相關,相關系數極大值出現在珠江三角洲西部至粵桂交界附近。鋒面降水階段呈正相關,季風降水階段呈負相關,即PDO對于華南地區前汛期不同階段降水的影響存在差異,在局地這種差異更加顯著。

圖5 1960—2016年華南地區前汛期年降水量距平的13 a滑動平均值與PDO年指數的13 a滑動平均值的相關系數分布(打點區域表示通過置信度為99%的顯著性檢驗):(a)華南前汛期(4—6月);(b)鋒面降水階段;(c)季風降水階段Fig.5 Distributions of correlation coefficients between the 13-year moving averages of annual pre-flood season precipitation anomalies in South China and the 13-year moving average of annual PDO index from 1960 to 2016 (The dotted areas indicate the coefficients passing the significance test at 99% confidence level):(a)the pre-flood season in South China (April to June);(b)the frontal precipitation stage;(c)the monsoon precipitation stage

3.3 PDO對華南前汛期降水水汽輸送過程的影響

PDO正/負相位期間,華南前汛期降水水汽到達華南地區前10、5和2 d的空間分布,如圖6所示。鋒面降水階段(圖6a—f),降水水汽主要來自菲律賓以東的西太平洋,東海、南海與孟加拉灣也有水汽貢獻;季風降水階段(圖6g—l),降水水汽主要來自北印度洋與孟加拉灣,西太平洋、南海也有水汽貢獻。在PDO不同相位下,降水水汽輸送量與輸送路徑都有不同。

圖6 1960—2012年華南前汛期降水的水汽在到達華南前的10 d(a、d、g、j)、5 d(b、e、h、k)和2 d(c、f、i、l)的分布(單位:g/kg):(a—c)PDO正位相鋒面降水階段;(d—f)PDO負位相鋒面降水階段;(g—i)PDO正位相季風降水階段;(j—l)PDO負位相季風降水階段Fig.6 Distributions of water vapor of pre-flood season precipitation in South China from 1960 to 2012 for (a,d,g,j)10 days,(b,e,h,k)5 days and (c,f,i,l)2 days leading up to the day of the vapor reaching South China (units:g/kg):(a—c)frontal precipitation stage with PDO positive phase;(d—f)frontal precipitation stage with PDO negative phase;(g—i)monsoon precipitation stage with PDO positive phase;(j—l)monsoon precipitation stage with PDO negative phase

為比較PDO正/負相位下降水水汽輸送差異,將圖6中PDO正相位水汽輸送分布減去負相位,得到圖7。鋒面降水階段,PDO正相位相比于負相位(圖7a、c、e),水汽到達華南前10 d,菲律賓以東洋面上水汽更豐富,并呈現為帶狀,南海、孟加拉灣內水汽也略偏多,而印度尼西亞一帶水汽偏少;水汽到達華南前五天,南海北部至菲律賓東部輸送的水汽顯著偏多,中南半島南部水汽輸送亦偏多,而原先在印度尼西亞水汽偏少區隨時間北移到達南海南部并加強;在水汽到達華南前兩天,在西南至南海北部一帶,即將到達華南的水汽顯著偏多,水汽偏少區北移至南海中部。因此在PDO正相位期間,來自西北太平洋和南海的水汽更多,與3.2節中鋒面降水階段華南地區降水量與PDO指數呈正相關的結論相符。在季風降水階段,PDO正相位相比于負相位(圖7b、d、f),在水汽到達華南前十天,孟加拉灣以南的印度洋有水汽偏少區,印度洋西部與馬來半島-爪哇海一帶有水汽偏多區;水汽到達華南前五天,水汽偏少區移動至孟加拉灣南部與印度洋北部并加強,水汽偏多區消失;在水汽到達華南前兩天,水汽偏少區移動至中南半島上空并繼續加強。由此說明季風降水階段,當PDO處于負位相時,來自北印度洋的水汽顯著偏多,可形成的降水也更多,這與3.2季風降水階段華南地區降水量與PDO指數呈負相關的結論相符。

圖7 1960—2012年華南前汛期降水的水汽在到達華南前的10 d(a、b)、5 d(c、d)和2 d(e、f)的差值分布(PDO正位相減負相位;單位:g/kg):(a、c、e)鋒面降水階段;(b、d、f)季風降水階段Fig.7 Difference distributions of water vapor of pre-flood season precipitation in South China from 1960 to 2012 for (a,b)10 days,(c,d)5 days and (e,f)2 days leading up to the day of the vapor reaching South China (PDO positive phase minus negative phase;units:g/kg):(a,c,e)frontal precipitation stage;(b,d,f)monsoon precipitation stage

3.4 PDO對華南前汛期降水水汽輸送軌跡的影響

為分析華南前汛期水汽輸送路徑與PDO的關系,將PDO正/負相位下的華南前汛期降水的水汽輸送軌跡進行聚類(圖8)。在鋒面降水階段(圖8a),水汽輸送均以偏東路徑為主,太平洋(25.5%)和南海(27.4%)的降水貢獻率較大。PDO正/負相位下,5條一一對應的聚類軌跡數量百分比很接近,最大相差1.4%。相比于負相位,PDO正相位期間五條軌跡空間位置都偏北,且軌跡線較長。從降水量百分比(表2)來看,來自孟加拉灣的軌跡2,PDO負相位比正相位軌跡2偏多1.81%;而來自南海和西太平洋的軌跡3、4,則是PDO正相位期間偏多,分別多1.79%和1.02%;軌跡1與軌跡5,相差較小。即PDO正位相期間,太平洋和南海的降水貢獻率更大。

在季風降水階段(圖8b),水汽輸送均以西南路徑為主,水汽主要來自北印度洋的越赤道氣流。PDO正相位期間,印度洋有兩條聚類軌跡,來自印度洋的總軌跡數量百分比(軌跡1、2)為63.78%,而負相位有三條,總軌跡數量百分比為70.4%,偏多6.62%。高緯冷空氣經華東南下的聚類軌跡(軌跡5)只出現在PDO正位相期間,這可能是因為PDO負相位期間來自印度洋的水汽輸送軌跡更多,而來自西太平洋的較少,因此聚類時印度洋聚類軌跡更多,而原本是華東、西太平洋兩類聚類軌跡合為一類,即在華東、西太平洋地區只存在一條軌跡。故可以將PDO正相位的軌跡4、5合并與PDO負相位的軌跡5比較,合并后PDO正相位期間來自華東、西太平洋的軌跡數量百分比為15.59%,比負相位期間的軌跡5的12.19%偏多3.76%。在南海,PDO正相位期間(軌跡3)的軌跡數量百分比較負相位(軌跡4)偏多2.86。即,季風降水階段,來自南海、華東與西太平洋的水汽輸送軌跡在PDO正相位更多,而來自印度洋的輸送軌跡則是PDO負相位更多。從降水百分比來看(表2),PDO負相位期間來自印度洋的三條軌跡(軌跡1、2、3)總降水量百分比57.53%比PDO正相位期間的兩條軌跡(軌跡1、2)總降水量百分比44.78%偏多12.75%。來自南海的軌跡(PDO正相位軌跡3,PDO負相位軌跡4),則是正相位期間偏多6.11%。來自華東、西太平洋的軌跡(PDO正相位軌跡4、5,PDO負相位軌跡5),正相位偏多7.27%,與上述的軌跡數量百分比相一致。PDO兩個相位下來自印度洋的軌跡幾乎一致,但負相位多了軌跡2,且軌跡3更長(與90°E附近越赤道氣流對應),印度洋向華南輸送了更多的水汽。

表2 1960—2012年PDO正、負相位下華南前汛期降水的水汽輸送軌跡聚類結果Table 2 Clustering results of water vapor transport trajectories of pre-flood season precipitation in South China under PDO positive and negative phases from 1960 to 2012 %

3.5 PDO對華南前汛期降水水汽輸送源匯的影響

根據蒸發-降水診斷法,判定后向軌跡的空氣塊中比濕增加(減少)時,有水汽流入(流出)空氣塊,所處位置為水汽的源(匯)。在1°×1°的網格上統計降水水汽輸送軌跡在某網格中單位時間步長內比濕變化的累計值,得到降水水汽輸送軌跡源匯的空間分布結果,如圖9所示。

鋒面降水階段(圖9a),降水水汽輸送軌跡路徑上主要的水汽源分布在中國東南沿海-南海北部、中南半島北部地區,孟加拉灣、華東是較弱的水汽源,華南、中南半島南部為水汽匯。來自華東、東南沿海、西北太平洋和南海北部的氣流,在以上地區獲得水汽,并直接輸送到華南地區釋放。而來自孟加拉灣與南海南部的水汽輸送氣流(圖8鋒面降水階段軌跡2、3),在孟加拉灣與南海南部獲得水汽后,途經中南半島上空時形成降水釋放部分水汽(中南半島表現為水汽的匯),氣流向東流經華南西部時再次獲得水汽,并在華南地區釋放。

圖8 1960—2012年PDO正、負相位下華南前汛期降水的水汽輸送軌跡聚類圖(紅線:PDO正相位期間聚類軌跡;藍線:PDO負相位期間聚類軌跡;黑框表示降水研究區域):(a)鋒面降水階段;(b)季風降水階段Fig.8 Cluster diagram of water vapor transport trajectories of pre-flood season precipitation in South China under PDO positive and negative phases from 1960 to 2012 (red line:clustering trajectories during PDO positive phase,blue line:clustering trajectories during PDO negative phase.Black box represents the area where the precipitation is studied):(a)frontal precipitation stage;(b) monsoon precipitation stage

在季風降水階段(圖9b),主要的水汽源分布在熱帶印度洋、紅河-南海西部一帶,水汽匯在華南、中南半島西部沿岸。季風降水階段來自印度洋的西南季風的降水水汽輸送氣流(圖8季風降水階段軌跡1、2),從印度洋獲得水汽,經過中南半島西部沿岸時,形成降水使水汽釋放,形成水汽的匯,之后在向東推進的途中,在紅河-南海西部一帶再次獲得水汽補充,并攜至華南地區釋放。

圖9 1960—2012年華南前汛期降水水汽源匯1°×1°網格累計分布(單位:g/kg;綠框為水汽源地關鍵區,1是印度洋,2是孟加拉灣,3是華東,4是西太平洋,5是南海):(a)鋒面降水階段;(b)季風降水階段Fig.9 The 1°×1° grid cumulative distributions of water vapor source and sink of pre-flood season precipitation in South China from 1960 to 2012 (units:g/kg;Green box is the key area of water vapor source.1 is the Indian Ocean,2 is the Bay of Bengal,3 is East China,4 is the Western Pacific,and 5 is the South China Sea):(a)frontal precipitation stage;(b)monsoon precipitation stage

綜上可見,華南前汛期鋒面降水/季風降水的水汽輸送源匯分布差異明顯。根據前汛期水汽源的空間分布,劃分出5個降水的水汽源地關鍵區(圖9中綠色方框):1)印度洋(Indian Ocean,IO;50°～100°E，0°～10°N);2)孟加拉灣(Bay of Bengal,BOB;80°～95°E,10°～23°N);3)華東(Eastern China,EC;107°～120°E,26°～40°N);4)西太平洋(Western Pacific,WP;120°～160°E,10°～35°N);5)南海(South China Sea,SCS;107°～120°E,0°～20°N)。

為分析PDO對華南前汛期水汽源匯分布的影響,圖10給出1960—2012年PDO正/負相位華南前汛期降水的水汽源匯分布。圖10c為華南前汛期鋒面降水階段,PDO正相位(圖10a)減去PDO負相位(圖10b)得到的水汽源匯差值場,可見,華東以東-南海東部洋面、紅河流域差值為正,說明以上區域在PDO正相位期間提供了更多的水汽;而整個南海與中南半島南部均為負值,南海中部-華南沿岸為負的大值區,說明以上地區在PDO負相位期間提供的水汽更多。圖10f為季風降水階段,PDO正相位(圖10d)減PDO負相位(圖10e)得到的水汽源匯差值場,在中南半島西部沿岸、雷州半島附近為正值,即在PDO正相位期間在以上地區水汽比PDO負相位期間減少程度偏小;而在孟加拉灣南部和南海中部為負值,PDO負相位期間在以上地區提供了比PDO正相位更多的水汽。

圖10 1960—2012年PDO正(a、d)、負(b、e)相位及其差值(c、f;PDO正相位減負相位)下華南前汛期降水水汽源匯1°×1°網格累計分布(單位:g/kg):(a—c)鋒面降水階段;(d—f)季風降水階段Fig.10 The 1°×1° grid cumulative distributions of water vapor source and sink of pre-flood season precipitation in South China under (a,d)positive and (b,e)negative phases of PDO and (c,f)their difference (PDO positive phase minus negative phase) from 1960 to 2012 (units:g/kg):(a—c)frontal precipitation stage;(d—f)monsoon precipitation stage

3.6 PDO對華南前汛期降水源地水汽貢獻的影響

在3.5節水汽源地關鍵區劃分基礎上,使用區域源匯歸因法計算各關鍵區對華南前汛期的降水貢獻率。圖11為PDO正、負相位下華南前汛期各水汽源地關鍵區的降水貢獻率。在鋒面降水階段,除西太平洋的降水貢獻率不變外,其余關鍵區的降水貢獻率在PDO負相位期間均比PDO正相位更高。在季風降水階段,PDO負相位期間的南海與印度洋的降水貢獻率偏高,西太平洋偏低,孟加拉灣與華東大致相同。

圖11 1960—2012年PDO正(a)、負(b)相位下華南前汛期各水汽源地關鍵區的降水貢獻率(藍色:鋒面降水階段;紅色:季風降水階段;單位:%)Fig.11 Precipitation contribution rates of key areas of water vapor sources in the pre-flood season in South China under PDO (a)positive and (b)negative phases from 1960 to 2012 (blue:frontal precipitation stage;red:monsoon precipitation stage;units:%)

3.7 PDO對華南前汛期環流特征的影響

圖12a、b為華南前汛期環流差值場(PDO正相位減去負相位)。在鋒面降水階段(圖12a),PDO正相位與負相位相比,西太平洋副熱帶高壓偏北偏強,在西太平洋有反氣旋式異常,西太平洋更多水汽通過反氣旋異常南部的東南氣流輸向華南(圖12c);同時在高緯上的反氣旋式環流將冷空氣輸送到華南,與來自西太平洋的水汽在南海北部輻合(圖12e),有利于PDO正相位期間在鋒面降水階段降水量的增加;孟加拉灣和印度洋的水汽輸送沒有明顯變化。在季風降水階段(圖12b),PDO正相位與負相位相比,在高緯同樣存在一個反氣旋式異常,反氣旋式異常東側偏北氣流一路南下至中南半島西部沿岸,與西南季風相遇,減弱了西南季風對印度洋水汽的傳輸,即PDO正相位期間,輸送至華南的印度洋水汽偏少;同時,南海北部有弱的水汽輻散場,不利于降水的形成(圖12f);西太平洋副熱帶高壓偏東偏弱,在西太平洋有氣旋式異常,其北部向西異常氣流,將更多的西太平洋水汽輸送至華南地區(圖12d)。這說明PDO正相位期間雖降水量偏少,但來自西太平洋的水汽偏多,即西太平洋水汽對降水的貢獻偏大,此點在圖11中亦有體現。

圖12 1960—2012年華南前汛期PDO正相位減負相位的850 hPa位勢高度(a、b;單位:m;虛線框表示青藏高原地區)、整層水汽通量(c、d;單位:kg·m·s-1)和整層水汽通量散度(e、f;單位:kg·s-1)的差值分布(a—d中陰影區與e、f中打點區域表示通過置信度為95%的顯著性檢驗):(a、c、e)鋒面降水階段;(b、d、f)季風降水階段Fig.12 Difference distributions of (a,b)850 hPa geopotential height (units:m;Dashed box indicates the Tibetan Plateau),(c,d)water vapor flux of the whole layer (units:kg·m·s-1) and (e,f)water vapor flux divergence of the whole layer (units:kg·s-1) between PDO positive and negative phases in the pre-flood season in South China from 1960 to 2012 (Shadings in (a—d) and dotted areas in (e,f) represent the differences passing the significance test at 95% confidence level):(a,c,e)frontal precipitation stage;(b,d,f)monsoon precipitation stage

華南前汛期鋒面降水期間,正位相期間與負位相期間相比,各關鍵區水汽含量在整體偏多(圖7),鋒面降水量也略偏多(圖4),夏季風降水則與PDO呈顯著反相關(圖4),正位相期間與負位相期間相比,盡管北印度洋-孟加拉灣-南海上的整層水汽含量大,但并沒有都輸送到華南,故形成有效季風降水偏少。這與3.6節降水源地水汽貢獻分析的結論一致。

4 結論

1)鋒面降水期間,在PDO正位相,西太平洋-南海-孟加拉灣水汽偏多,PDO指數年代際變化分量與鋒面降水的年代際變化呈顯著正相關。夏季風降水階段,在PDO正位相,盡管北印度洋-孟加拉灣-南海上的整層水汽含量大,但并沒有都輸送到華南,PDO年代際變化分量與季風降水的年代際變化呈顯著負相關。

2)鋒面降水期間,水汽主要來自西北太平洋與南海。PDO正相位期間副熱帶高壓位置偏北,使西太平洋水汽輸送路徑偏北且軌跡更長,向華南輸送了更多的水汽,有利于降水的形成。孟加拉灣水汽貢獻率在負位相略偏多。

3)季風降水期間,主要水汽輸送路徑為北印度洋的越赤道氣流。在PDO正位相,盡管北印度洋-孟加拉灣-南海上的整層水汽含量大,但并沒有都輸送到華南;在PDO負位相,北印度洋有3條水汽輸送軌跡,向華南輸送了更多的水汽,有利于華南夏季風降水的形成,季風降水偏多。