廣西大范圍暴雨氣候異常對太平洋年代際濤動的響應

覃衛堅，李棟梁，蔡悅幸

(1.廣西壯族自治區氣候中心，廣西 南寧 530022；2.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心，江蘇 南京 210044)

1 引 言

在全球氣候變暖背景下極端天氣氣候災害事件發生頻率增加，氣象災害的影響越來越大[1]。1980年代以來廣西大范圍暴雨天氣過程顯著增多，尤其21世紀前10 a廣西25站以上暴雨日數較50 a平均值多了9 d[2]。太平洋海溫有明顯的年代際變化特征，最著名的是太平洋海溫年代際振蕩(Pacific Decadal Oscillation，簡稱PDO)，它的發生發展往往引起全球范圍大氣環流異常，當PDO處于暖位相時，菲律賓反氣旋環流面積偏大[3]，中國降水為南澇北旱[4-5]；當PDO處于冷位相時，華南前汛期降水與熱帶西太平洋和東南太平洋海溫為負相關，而與中太平洋海溫為顯著的正相關[6]。Zhu等[7]認為西太平洋暖海溫和東太平洋冷海溫的模態使海洋性大陸地區對流旺盛，通過哈德萊環流使華南地區春季降水偏少，夏季熱帶印度洋暖海溫使海洋性大陸地區對流受到抑制，通過哈德萊環流有利于東亞季風槽偏強，導致華南地區降水偏多；王彥明等[8]研究指出PDO冷位相年，華南前汛期發生典型持續性暴雨過程的概率比暖位相大，且暴雨強度偏強，持續時間長；Xu等[9]認為中國夏季降水在1990年代后期發生了明顯的年代際變化特征，這跟PDO發生轉變有關；Si等[10]研究指出PDO為東亞夏季降水年代際變化的主要因子。PDO影響著熱帶氣旋的發生發展，如Richard等[11]研究指出海溫緯向梯度為正值引發了異常的類似沃克環流，使南海北部地區上空為異常的下沉氣流和邊界層為輻散，抑制了MJO在南海的活動，導致南海臺風生成減少；胡婭敏等[12]研究指出2006年PDO開始進入冷位相階段，登陸或嚴重影響廣東的臺風有個數增多、登陸強度明顯增強的新特征。以上研究可見PDO對華南降水和臺風有著重要的影響，而近年來關于暴雨成因研究多以天氣學診斷和低頻擾動分析為主[13-18]，大范圍暴雨年代際時間尺度氣候異常成因的研究不多，廣西大范圍暴雨年代際增多是否與海洋年代際振蕩有關，大范圍暴雨對PDO響應的物理機制目前還缺乏清晰的認識，以下就這些問題展開研究。

2 資料和方法

2.1 資 料

使用1961—2016年廣西79個地面氣象觀測站20:00—20:00(北京時間，下同)逐日降水資料、美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)逐月PDO指數[19]、NCEP/NCAR再分析資料、國家氣候中心西太平洋副熱帶高壓指數資料。廣西大范圍暴雨定義為在79個氣象站中出現25站及以上日降雨量≥50 mm的降雨過程。每年PDO指數采用前冬春季(12—5月)逐月PDO指數的平均。

2.2 方 法

本文采用的統計方法包括一元線性回歸方程、Mann-Kendall(簡稱M-K)突變分析、11 a滑動平均、11 a滑動相關方法、合成分析等。

3 廣西大范圍暴雨氣候異常新特征及其與PDO的相關分析

3.1 廣西大范圍暴雨氣候異常新特征

1961—2016年廣西平均每年發生大范圍暴雨日數為1.8 d，氣候傾向率為0.35 d/(10 a)，即每10年增加0.35個大范圍暴雨日，近50年來每年增多了1.7 d，增多趨勢顯著，通過了0.01的顯著性水平檢驗。發生大范圍暴雨最多的年份為1978、1996、2002、2006、2008、2014、2015、2016年，達4 d及以上；最少的年份為1962、1963、1966、1977、1979、1984、1988、1989、1991、1995和1997年，當年無大范圍暴雨過程發生。從11 a濾波的曲線來看，存在兩個波峰和一個低谷的階段性變化特征，1961—1978年由逐漸增多達到第一個峰值后逐漸下降，1979—1995年進入明顯偏少期，1996年以后為顯著偏多期(圖1a，見下頁)。大范圍暴雨在1966年和1989年存在兩個突變點，1960年代后期和1990年代到2010年代前期兩個階段的增多趨勢是突變現象，表示由偏少轉為偏多，尤其1990年代到2010年代前期增多趨勢非常明顯，持續時間長(圖1b)。以上分析可見，在全球氣候變暖背景下廣西大范圍暴雨日數存在著顯著增多突變的氣候異常新特征。

3.2 PDO指數氣候特征分析

圖1c給出1961—2016年PDO指數歷年變化，有明顯的階段性變化特征：1961年開始有減小趨勢，1972年到了最低值，然后迅速增大，1986年達到了峰值，之后有顯著的減小趨勢的氣候異常特征；從11 a滑動平均線來看，可分為三個階段：1961—1978年、1999—2013年PDO指數為負值期(冷位相)，1979—1998年PDO指數為正值期(暖位相)。

3.3 廣西大范圍暴雨與PDO指數的相關分析

廣西大范圍暴雨日數和PDO指數11 a滑動平均，大范圍暴雨日數呈現兩個波峰和一個波谷的變化特征，而PDO指數為兩個波谷和一個波峰，大范圍暴雨日數和PDO指數具有反位相的變化特征(圖1d)。1966—2011年經過11 a滑動平均的廣西大范圍暴雨日數與PDO指數序列的相關系數為-0.46，通過了為0.01的顯著性水平檢驗；11 a滑動相關系數(圖略)，除了1983—1986年期間為正值(可能與1984年10月—1985年6月、1988年5月—1989年5月熱帶赤道東太平洋海溫為La Ni?a事件有關)外，其余為負值，尤其1988年以后相關最顯著，基本上都通過了顯著性檢驗。以上分析可見，廣西大范圍暴雨存在異常顯著增多的突變新特征，尤其近30年來與PDO指數相關顯著，由于1961—1978年共出現了6次El Ni?o事件，與1979—1998年持平，且考慮到近30年衛星等觀測設備應用使PDO指數資料更加可靠，因此以下重點分析1979—1998年(以下簡稱暖位相)、1999—2013年(以下簡稱冷位相)大范圍暴雨與PDO的關聯性。

圖1 1961—2016年廣西大范圍暴雨日數歷年變化(a，黑實線為大范圍暴雨日數，虛線為11 a滑動平均，紅線為一元回歸線，單位：d)和M-K檢驗(b)、PDO指數歷年變化(c，黑實線為PDO指數，虛線為11 a滑動平均，紅線為一元回歸線)、大范圍暴雨日數和PDO指數11 a滑動平均(d，實線為大范圍暴雨日數，單位：d，直方圖為PDO指數)

4 PDO不同位相大氣環流異常特征及其與廣西大范圍暴雨的關聯性

4.1 500 hPa高度距平、差值場及副熱帶高壓特征

從1961—2016年廣西大范圍暴雨日數與5—8月500 hPa高度的相關系數分布(圖2a)來看，廣西大范圍暴雨日數主要與歐洲、貝加爾湖附近區域、青藏高原、熱帶地區高度場存在顯著的正相關，即5—8月貝加爾湖附近阻塞高壓、西太平洋副熱帶高壓、澳大利亞高壓偏強，有利于廣西大范圍暴雨日數偏多。大氣環流系統強度變化與PDO有密切的關系[20-21]，圖2b給出了PDO暖位相5—8月減去冷位相5—8月500 hPa高度差值場，冷暖位相環流有明顯的差異，其中歐洲、貝加爾湖到白令海一帶、澳大利亞南部為三個負值中心，顯著性偏弱。PDO暖位相貝加爾湖、歐洲西部、白令海、大澳大利亞灣5—8月500 hPa高度為負距平(圖2c)，貝加爾湖阻塞高壓偏弱(通過了0.1的顯著性水平檢驗)，中高緯度經向環流偏弱，不利于冷空氣南下影響廣西；澳大利亞高壓偏弱(通過了0.1的顯著性水平檢驗)，不利于赤道西太平洋越赤道氣流向北發展及北半球熱帶地區不穩定系統的形成，熱帶對流向廣西移動少，使廣西大范圍暴雨日數偏少。PDO冷位相5—8月500 hPa高度距平場(圖2d)，與暖位相的高度場相反，貝加爾湖、歐洲西部、白令海、大澳大利亞灣上空為正距平值，貝加爾湖阻塞高壓顯著性偏強，使中高緯經向環流增強，有利于冷空氣南下，與暖濕空氣在廣西上空交匯；澳大利亞高壓顯著性偏強，澳大利亞北部越赤道氣流偏強，使南海和西太平洋熱帶對流不穩定增加，這些熱帶對流不穩定系統向廣西移動，有利于廣西大范圍暴雨過程發生。

圖2 1961—2016年廣西大范圍暴雨日數與5—8月500 hPa高度場的相關系數分布(a，陰影為通過0.05的顯著性水平檢驗區域)，PDO暖位相和冷位相500 hPa高度差值場(b，陰影為高度差絕對值≥1 dagpm，實線、虛線分別為暖位相、冷位相5—8月587線，點線為通過0.1的顯著性水平檢驗區域)、暖位相(c)和冷位相(d)5—8月500 hPa高度場及距平值(實線為PDO冷暖位相期間平均高度場，點線為通過0.1的顯著性水平檢驗區域，陰影為高度距平絕對值≥0.4 dagpm，單位：dagpm)

PDO冷暖位相時各月副熱帶高壓的強度及位置，圖3a中實線和虛線分別是暖位相和冷位相5月500 hPa高度場587 dagpm等值線所處位置，PDO暖位相時副熱帶高壓強度偏強，西伸脊點較冷位相時位置明顯偏西，副熱帶高壓西伸到中南半島，南海基本處于高壓控制下，不利于熱帶地區對流系統的產生；PDO冷位相時副熱帶高壓西部邊沿延伸到中南半島東海岸線，廣西處于副熱帶高壓邊沿或低槽前，這種形勢更有利于熱帶水汽或低值系統向廣西輸送，使廣西大范圍暴雨增多。6月PDO暖位相副熱帶高壓西伸脊點較冷位相時位置略偏西，西伸到南海地區，菲律賓一帶處于高壓控制下，不利于影響廣西熱帶氣旋發生；PDO冷位相時副熱帶高壓西部邊沿位于臺灣西南部到菲律賓一帶(圖3b)，副熱帶高壓西側邊沿給大氣帶來不穩定能量，有利于熱帶氣旋在菲律賓到南海一帶發生，從而導致影響廣西熱帶氣旋頻數增多，廣西大范圍暴雨日數偏多。7月副熱帶高壓位置較5—6月明顯北跳，副高脊線位于臺灣北部地區，西部邊沿華南地區東部，PDO暖位相時副熱帶高壓西伸脊點較冷位相位置略偏西(圖3c)。8月副熱帶高壓位置又一次北跳，副高脊線位于30°N，與5—7月明顯不同的是西伸脊點在冷位相時有明顯偏西的特點(圖3d)，副高西伸到華東地區，這種形勢有利于熱帶氣旋向中國移動，增大廣西大范圍暴雨發生概率。以上分析可見，PDO冷位相時，5月副熱帶高壓西部邊沿到達北部灣，廣西處于副高西側邊沿，有利于大范圍暴雨發生；8月副熱帶高壓西伸脊點位置較暖位相時偏西，副高西伸到華東地區，這種形勢有利于熱帶氣旋向廣西移動，增大廣西大范圍暴雨發生概率。

圖3 5月(a)、6月(b)、7月(c)、8月(d)500 hPa高度場587 dagpm等值線位置 實線為暖位相平均；虛線為冷位相平均；單位：dagpm。

4.2 海平面氣壓特征

PDO暖位相與冷位相5—8月海平面氣壓差值(圖4)，東亞從低緯度到中緯度地區存在著明顯的“＋，－，＋，－”波列：華南沿海到中南半島一帶海平面氣壓偏高、貝加爾湖地區偏低、鄂霍次克海偏高、白令海偏低；熱帶西太平洋地區海平面氣壓為偏高，不利于熱帶西太平洋地區低值天氣系統的發展。圖中陰影為PDO指數與海平面氣壓相關通過顯著性檢驗的區域，從所羅門群島到南海及東亞沿海地區為顯著的正相關，可見PDO冷暖位相對影響廣西熱帶氣旋生成地海平面氣壓有顯著的影響，PDO暖位相不利于影響廣西熱帶氣旋的生成，使廣西大范圍暴雨偏少。

圖4 PDO暖位相和冷位相5—8月海平面氣壓差值 單位：hPa；曲線為海平面氣壓差值；陰影為PDO指數與海平面氣壓相關通過水平為0.1的顯著性檢驗區域。

4.3 高低空風場特征

廣西大范圍暴雨日數與青藏高原和帕勞附近區域的500 hPaV風場、中國西北地區500 hPaU風場為顯著的負相關，與馬紹爾群島500 hPaU風場為顯著的正相關(圖5a)。廣西大范圍暴雨日數與中國西北部200 hPaV風場、青藏高原200 hPaU風場為顯著的負相關，與馬爾代夫群島200 hPaU風場為顯著的正相關(圖5b)，均通過了水平為0.05的顯著性檢驗。PDO暖位相5—8月500 hPa風速距平，中國北方地區存在一個顯著增強的西風帶，在菲律賓以東地區形成一個顯著增強的氣旋性環流(圖5c)；而PDO冷位相與之相反，中國北方地區存在一個顯著異常東風增強，在菲律賓以東地區形成一個顯著增強的反氣旋性環流(圖5d)，可見PDO冷位相時更有利于廣西大范圍暴雨的發生。PDO暖位相5—8月中國北方存在一個增強的200 hPa西風，熱帶印度洋和西太平洋為顯著增強的東風帶，青藏高原為強的西南風，赤道印度洋到非洲東部、熱帶西太平洋向南半球越赤道氣流偏強，華南地區上空為反氣旋性環流(圖5e)；PDO冷位相5—8月200 hPa中國北方地區存在東風增強，熱帶印度洋和西太平洋為顯著增強的西風帶，華南地區為氣旋性環流(圖5f)。總之，PDO暖位相時，500 hPa中國北方地區西風顯著異常偏強、菲律賓以東地區形成一個氣旋性環流增強，200 hPa熱帶印度洋和西太平洋為顯著增強的東風帶，這些情況下不利于廣西大范圍暴雨發生；反之，PDO冷位相時有利于廣西大范圍暴雨日數偏多。

圖5 1961—2016年廣西大范圍暴雨日數與5—8月500 hPa(a)、200 hPa(b)風場的相關系數分布(陰影為與V風的相關通過水平為0.05的顯著性檢驗區域；曲線為與U風的相關通過水平為0.05的顯著性檢驗區域；矢量風為平均風場)，PDO暖位相(c、e)和冷位相(d、f)5—8月500 hPa、200 hPa風速距平場 c、d為500 hPa；e、f為200 hPa；陰影為風速距平絕對值≥0.5 m/s的區域；單位：m/s；紅色風速矢量圖為通過水平為0.1的顯著性檢驗。

廣西大范圍暴雨日數與中國西部地區上空850 hPaV風場、中國西北地區850 hPaU風場為顯著的反相關(圖6a)，與索馬里越赤道氣流為顯著的正相關，即西路冷空氣偏強、索馬里向北半球越赤道氣流偏強，有利于廣西大范圍暴雨過程偏多。PDO暖位相與冷位相時5—8月850 hPa風差值場(圖6b)，從廣西到赤道西太平洋的海洋性大陸存在著明顯的“氣旋、反氣旋、氣旋、反氣旋”波列：新幾內亞島東北部沿海的上空為氣旋性環流、菲律賓東南部海域上空為反氣旋性環流、菲律賓東北部海域上空為氣旋性環流、華南地區為反氣旋性環流，該波列剛好位于影響廣西熱帶氣旋移動的通道上；印度洋北部上空為氣旋性環流，其與華南地區上空的反氣旋性環流相鄰，形成了蹺蹺板的關系。圖6b中陰影部分為PDO指數與850 hPa風場相關顯著區域，新幾內亞島東北部沿海為顯著的正相關，暖位相時該區域氣旋性環流增強，通過向西北方向的波列傳播到華南沿海地區，華南沿海地區為反氣旋性環流，從而減少廣西大范圍暴雨的發生；赤道印度洋上空為顯著的正相關，PDO暖位相減緩了索馬里越赤道氣流穿過孟加拉灣和南海的速度，減少了與副熱帶高壓西側東南風形成季風槽的機會，從而使影響廣西熱帶對流系統減少，造成廣西大范圍暴雨偏少。PDO暖位相5—8月850 hPa風場距平(圖6c)，索馬里向北半球越赤道氣流和赤道西太平洋副熱帶高壓西南部的東南氣流為偏弱(通過了水平為0.1的顯著性檢驗)，使穿過孟加拉灣進入南海的越赤道氣流偏弱，南海和菲律賓及以東洋面上空的氣流以及形成的季風槽強度偏弱，澳大利亞北部越赤道氣流明顯偏弱，不利于廣西大范圍暴雨發生。PDO冷位相5—8月850 hPa風場距平(圖6d)，索馬里越赤道氣流帶為明顯的正距平，通過了水平為0.1的顯著性檢驗，赤道西太平洋副熱帶高壓西南部的東南氣流為顯著增強的特征，使穿過孟加拉彎進入南海氣流和西太平洋副熱帶高壓的東南風偏強，在南海和菲律賓及以東洋面上空容易形成季風槽，澳大利亞北部越赤道氣流顯著性偏強，有利于熱帶低壓系統生成，強的東南風使低壓系統向廣西移動，造成廣西大范圍暴雨過程偏多。

圖6 1961—2016年廣西大范圍暴雨日數與5—8月850 hPa風場的相關系數分布(a，陰影為大范圍暴雨日數與V風的相關通過水平為0.05的顯著性檢驗區域，曲線為與U風的相關通過水平為0.05的顯著性檢驗區域，風場為平均風場)、暖位相和冷位相5—8月850 hPa風場差值(b，陰影為PDO指數與風場相關通過水平為0.1的顯著性檢驗區域)、暖位相(c)和和冷位相(d)5—8月850 hPa風場距平(單位：m/s，陰影為風速距平絕對值≥0.5 m/s區域，紅色風矢量圖為通過水平為0.1的顯著性檢驗)

4.4 大氣對流運動特征

OLR(向外長波輻射)反映了大氣對流運動的狀況，圖7a給出了PDO暖位相5—8月OLR距平值分布，存在著三個通過0.05的顯著性水平檢驗的異常中心帶：中緯度的蒙古到中亞地區OLR為負距平，說明該地區對流顯著偏強；孟加拉灣、南海到菲律賓以東洋面OLR為異常正距平，對流活動明顯地受到了抑制，孟加拉灣是西南暖濕氣流來源地，南海及菲律賓以東為影響廣西熱帶氣旋、熱帶低壓或云團的生成地，因此PDO暖位相時不利于西南暖濕氣流向廣西輸送和熱帶氣旋或熱帶低壓系統生成，造成廣西大范圍暴雨日數偏少。PDO冷位相5—8月OLR異常中心與暖位相正好相反(圖7b)，中緯度的蒙古到中亞地區OLR為顯著異常正距平區，對流活動明顯地受到了抑制；熱帶地區的孟加拉灣、南海到西太平洋OLR為負距平，對流活動得到顯著增強，有利于暖濕氣流向廣西輸送、影響廣西的熱帶氣旋、熱帶低壓或云團的生成，有利于廣西大范圍暴雨日數偏多。

PDO暖位相5—8月流場沿著23.5°N的經度-高度垂直剖面(圖7c)，大陸地區(70～130°E區域)上空大氣基本為上升氣流，大部分上升氣流到高空后轉向西運動，在20～60°E區域下沉，而130°E以東地區低空為東風氣流，在150～160°E區域上升到高空后轉向東運動，在160～130°W區域下沉，到達低空后轉為東風氣流，形成一個閉合環流圈。圖中陰影為垂直速度距平值，可見105～111°E為廣西所處的區域，該區域垂直速度為正距平，對流偏弱，70～80°E區域高空垂直速度為正距平，上升氣流有明顯的減弱，廣西大范圍暴雨日數偏少。PDO冷位相，70～160°E上升支比暖位相略寬些，70～120°E區域上空垂直速度距平值為負值，即上升氣流有明顯的增強，160°E～120°W區域上空垂直速度為正距平(圖7d)，即下沉氣流有明顯的增強，有利于廣西大范圍暴雨日數偏多。

5 廣西大范圍暴雨對PDO響應的可能機制

以上分析了廣西大范圍暴雨氣候異常與PDO冷暖位相時大氣環流異常特征的關聯性，得到了廣西大范圍暴雨對PDO響應的可能機制(圖8)。當PDO處于冷位相時，對應著5—8月貝加爾湖阻塞高壓強度顯著性偏強，使中高緯度地區經向環流增強，有利于冷空氣南下與暖濕氣流在廣西上空交匯；澳大利亞高壓顯著性偏強，有利于西太平洋越赤道氣流向北發展，造成北半球熱帶地區對流系統增多；5月副熱帶高壓西部邊沿西伸到北部灣，廣西處于副高西側邊沿，8月副熱帶高壓西伸脊點較暖位相時偏西，西伸到華東地區有利于引導熱帶氣旋向廣西移動；索馬里越赤道氣流顯著性增強，穿過孟加拉灣進入南海與西太平洋副熱帶高壓的東南風在南海和菲律賓及以東洋面上空容易形成季風槽，有利于影響廣西的熱帶氣旋等低壓系統和熱帶云團的生成發展；形成新幾內亞島東北部沿海的低空為反氣旋性環流、菲律賓東南部海域的低空為氣旋性環流、菲律賓東北部海域的低空為反氣旋性環流、廣西到華南沿海地區為氣旋性環流的波列，波列向華南地區傳播，使廣西大范圍暴雨日數偏多。反之，PDO處于暖位相時對應的大氣環流異常特征相反，大范圍暴雨日數偏少。

6 結論與討論

本文基于廣西79個地面氣象觀測站逐日降水資料、美國NOAA PDO指數、NCEP/NCAR再分析資料等，利用一元回歸方程、M-K突變分析等方法，分析了廣西大范圍暴雨日數和PDO指數的氣候變化特征，發現廣西大范圍暴雨日數呈現異常顯著增多的突變新特征，與前冬春季PDO指數有顯著的相關，并表現出反位相變化的響應特征。

分析了PDO不同位相大氣環流異常特征及其與廣西大范圍暴雨氣候異常的關聯性，得到了大氣環流對PDO冷暖位相的響應特征，從而揭示了廣西大范圍暴雨對PDO響應的可能物理機制。

全球氣候變暖背景下極端降水事件頻發，大范圍暴雨過程對人們生命財產安全構成了嚴重威脅，研究其氣候異常成因對提高氣候預測能力及防災減災工作具有很重要的意義。本文研究揭示了廣西大范圍暴雨對PDO有明顯的反位相響應特征，但PDO影響大氣環流的物理機制，還有待于利用數值模擬等方法做進一步的研究。