El Ni?o事件消亡期亞洲季風區(qū)對流層上層經(jīng)向熱力差異的演變

摘要 采用NOAA1979—2019年的南方濤動SOI指數(shù)、GPCC降水數(shù)據(jù)和ERA5氣溫數(shù)據(jù)探究El Ni?o事件消亡期亞洲季風區(qū)對流層上層海陸熱力差異的演變特征。El Ni?o事件衰減期按所處季節(jié)可分為春季型、秋季型和冬季型，其中冬季型衰減對季風區(qū)對流層上層經(jīng)向熱力差（TIup）的貢獻最大，且熱力差異在冬季達到最大；春季型衰減會使伴隨長江中下游夏季降水增加，秋季型衰減會使長江中下游夏季降水減少，冬季型衰減會使華北大部分地區(qū)夏季降水增多，只有華南、西南及東北部分地區(qū)降水略有減小。

關鍵詞 El Ni?o衰減期；亞洲季風區(qū)；海陸熱力差異；降水

中圖分類號：P461+.2 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）05–0067-03

Evolution of Meridional Thermal Difference in the Upper Troposphere of the Asian Monsoon Region during the Disappearance of El Ni?o Event

Zhou Yi-ping et al（Guangdong Ocean University， Zhanjiang， Guangdong 524088）

Abstract Using the NOAA Southern Oscillation SOI index， GPCC precipitation data and ERA5 temperature data from 1979 to 2019 to explore the evolution characteristics of the thermal difference between the upper troposphere and land in the Asian monsoon region during the disappearance of El Ni?o event. The El Ni?o event attenuation period can be divided into spring type， autumn type and winter type according to the season. The winter type attenuation has the largest contribution to the meridional thermal difference （TIup） in the upper troposphere of the monsoon region， and the thermal difference reaches the maximum in winter; The spring type attenuation will increase the summer precipitation in the middle and lower reaches of the Yangtze River， the autumn type attenuation will reduce the summer precipitation in the middle and lower reaches of the Yangtze River， and the winter type attenuation will increase the summer precipitation in most parts of North China， only the precipitation in parts of South China， Southwest and Northeast China will decrease slightly.

Key words El Ni?o decay period; Asian monsoon region; Thermal difference between land and sea; Precipitation

El Ni?o事件對我國主汛期降水異常的年際變化具有重要影響，易導致暖冬、南方出現(xiàn)洪澇、北方出現(xiàn)高溫干旱、東北出現(xiàn)冷夏等極端天氣。Dai等[1]的研究表明青藏高原（Tibetan Plateau，TP）—熱帶印度洋（Tropical Indian Ocean，TIO）夏季對流層上層經(jīng)向熱力差對南亞夏季風強度的貢獻約為低層經(jīng)向熱力差的3倍。對流層上層TP—TIO熱力差異越大，季風環(huán)流就越強，西南低空氣流就會攜帶更多熱帶洋面的水汽到印度半島和中南半島等地區(qū)；反之，季風環(huán)流偏弱則很可能造成印度半島嚴重干旱。

由于大氣環(huán)流對海溫異常的響應存在滯后性，因此El Ni?o事件期間即使強度開始衰減，仍將持續(xù)影響大氣環(huán)流。El Ni?o多樣性對氣候產(chǎn)生顯著影響，關于這方面的研究也有很多，但關于El Ni?o事件消亡期與對流層上層海陸熱力差的研究相對較少。鑒于El Ni?o對我國氣候變化影響顯著，旨在通過判定El Ni?o事件衰減期，并根據(jù)事件發(fā)生衰減的時間將其分類為春季型衰減事件、秋季型衰減事件和冬季型衰減事件3種類型，運用合成分析、顯著性檢驗等統(tǒng)計分析方法，研究分析El Ni?o事件消亡期對流層上層海陸熱力差的演變特征，擬通過研究El Ni?o消亡期了解演變特征，為我國季節(jié)性氣候變化預測提供參考。

1 資料來源與方法

1.1 資料來源

主要使用了1979—2019年41年美國國家海洋和大氣管理局NOAA南方濤動SOI指數(shù)的月平均數(shù)據(jù)，ERA5再分析資料溫度月平均數(shù)據(jù)及GPCC月降水數(shù)據(jù)。

1.2 方法

1.2.1 合成分析 對1979—2019年間發(fā)生的El Ni?o事件依照其衰減期所在的季節(jié)進行分類，之后按照類型特征分別對熱力差指數(shù)TIup、溫度場等數(shù)據(jù)樣本分別進行挑選合并，并做去趨勢處理，再對數(shù)據(jù)進行顯著性檢驗分析。主要用到了t檢驗的顯著性檢驗方法，針對合成分析過程中去趨勢后的數(shù)據(jù)進行異常值偏離程度的顯著性檢驗，該過程可以通過Python函數(shù)scipy.stats.mstats 實現(xiàn)計算[2]。

1.2.2 滑動平均 滑動平均是最基礎、也是最簡單的趨勢分析方法，趨勢分析是氣候變化的主要分析方法。在處理SOI指數(shù)數(shù)據(jù)時，為了得到更加顯著的異常特征，對數(shù)據(jù)進行了三點平滑處理。

2 El Ni?o衰減期

采用SOI指數(shù)的標準化值數(shù)據(jù)，參考趙勇平[3]提出的用ENSO指數(shù)（ESI）判斷El Ni?o事件和拉尼娜事件方法，將標準化的SOI指數(shù)月平均數(shù)據(jù)連續(xù)5個月以上≤-0.5，定義為El Ni?o事件。根據(jù)定義可以篩選出1979—2019年發(fā)生El Ni?o事件的年月及持續(xù)時間。圖1為1979—2019年SOI指數(shù)逐月數(shù)據(jù)的年際變化，兩條黑色橫線分別為y=0.5和y=-0.5，即超過兩條直線之間范圍的SOI值即為異常值。圖中紅線所示為三點平滑的結果。其中1991—1994年，SST正距平在1992年末和1993年末明顯下降，所以即使SOI指數(shù)在1994年初出現(xiàn)了負異常，但沒有被判定為發(fā)生El Ni?o事件。

2.1 衰減期及類型

對于衰減期的判定，參考Liu等[4]對于ENSO季節(jié)內(nèi)衰減的研究，將SOI指數(shù)連續(xù)3個月減小視為該El Ni?o事件的衰減期，即SOI指數(shù)達到峰值后的3個月是El Ni?o事件衰減期。參考經(jīng)過三點平滑處理的SOI指數(shù)數(shù)據(jù)，對選定的El Ni?o事件期間出現(xiàn)峰值的月份進行確定，最后根據(jù)國家標準的El Ni?o事件判別方法對結果進行適當修改，得到1979—2019年間El Ni?o事件統(tǒng)計表（表1）。

根據(jù)統(tǒng)計表來看，1979—2019年間共發(fā)生了11次El Ni?o事件，按衰減期2個月以上所在的季節(jié)分類，可分為春季型、秋季型和冬季型衰減。1979—1980年El Ni?o事件的衰減期為2—4月，其中3月、4月發(fā)生在春季則將此次El Ni?o事件定義為春季型衰減。以此分類后發(fā)現(xiàn)，11次El Ni?o事件中，春季型發(fā)生3次，秋季型發(fā)生2次，冬季型發(fā)生6次。因此，下面將從3種El Ni?o衰減期類別的角度來討論對流層上層熱力差的演變。

2.2 構造TIup指數(shù)

參考Luo等[5]給出的定義，研究討論的高度場為400～200 hPa，青藏高原地理位置定義為28°N～38°N、75°E～103°E，熱帶印度洋地理位置定義為15°S～5°N、60°E～100°E，以及給定南亞季風區(qū)經(jīng)緯度范圍0°N～20°N、40°E～110°E。Luo等還對對流層上層青藏高原—熱帶印度洋的熱力差指數(shù)進行了定義。采用溫度場T來構建熱對比指數(shù)TIup，定義等式見公式（1）：

3 3種El Ni?o衰減類型下溫度場演變的合成分析

3.1 年份選取

春季型衰減選取對應年的3、4、5月樣本；秋季型衰減選取對應年的9月、10月、11月樣本；冬季型衰減選取對應年的12月及翌年1月和2月的樣本。分別計算41年的春季、秋季和冬季的季節(jié)平均作為3個季節(jié)的氣候態(tài)。

3.2 溫度異常的水平分布

在3.1的條件下選取20°S～40°N，55°E～105°E對流層上層的樣本數(shù)據(jù)，根據(jù)式（1）計算處理數(shù)據(jù)，將春季型、秋季型、冬季型的計算結果減去對應季節(jié)的氣候態(tài)，得到El Ni?o事件衰減期各類型衰減下溫度的異常值，最后繪圖得到各類型下溫度異常的分布圖，并運用t檢驗數(shù)據(jù)樣本的顯著性。其中，溫度變量T的單位是K，由于計算求取最終得到的數(shù)值太小，為了得到更好的繪圖效果，在繪圖時將數(shù)據(jù)結果擴大100倍，最后得到3種衰減類型條件下各衰減期lat-lon的溫度異常水平分布圖。

圖2為對流層上3種衰減類型條件下對應季節(jié)溫度異常的水平分布圖，春季型衰減（a）發(fā)生時熱帶地區(qū)的正異常變化與青藏高原地區(qū)的負異常變化形成對比，而秋季型衰減（b）赤道南部55°E附近上空對流層上層出現(xiàn)顯著的增溫，但熱帶印度洋地區(qū)與青藏高原地區(qū)的正負異常對比較小；冬季型衰減（c）在熱帶印度洋地區(qū)出現(xiàn)了顯著的正異常而在青藏高原地區(qū)則表現(xiàn)為顯著的負異常。相比之下，發(fā)生冬季型衰減時熱力差異最大。

圖3為對流層上層所有El Ni?o事件在春（a）、秋（b）、冬（c）3個季節(jié)的溫度異常水平分布圖。其中春季在熱帶地區(qū)出現(xiàn)了顯著的正異常，青藏高原地區(qū)的負異常值較??；秋季在印度洋地區(qū)出現(xiàn)溫度的負異常變化而在青藏高原地區(qū)出現(xiàn)溫度的正異常變化；在冬季熱帶印度洋上空對流層上層溫度顯著增溫，與此同時在青藏高原上空對流層上層出現(xiàn)了顯著的負異常變化。因此從溫度場的水平分布上來看冬季熱力差異最大。所以冬季型衰減對青藏高原與熱帶印度洋地區(qū)的熱對比差異影響很大，發(fā)生冬季型衰減時，青藏高原與熱帶印度洋地區(qū)的冬季熱力差異達到最大。

3.3 溫度異常的垂直分布

對選取的數(shù)據(jù)進行處理，對其經(jīng)度和時間分別求平均使四維數(shù)據(jù)T降為二維數(shù)據(jù)。圖4為3種衰減類型條件下，各衰減期內(nèi)氣溫異常隨經(jīng)向變化的垂直剖面圖。其中，3種類型只有冬季型衰減在熱帶印度洋和青藏高原地區(qū)上空對流層上層分別表現(xiàn)出顯著的正異常變化和負異常變化，而秋季型衰減表現(xiàn)出的正負差異值較小，所以在3種類型的衰減期中，冬季衰減型發(fā)生時青藏高原與熱帶印度洋地區(qū)對流層上層海陸熱力差異達到最大。

綜合所有El Ni?o事件發(fā)生時春季（圖5a）、秋季（圖5b）和冬季（圖5c）溫度異常的垂直剖面圖來看，熱帶太平洋地區(qū)上空對流層上層在春季和冬季出現(xiàn)顯著的正異常變化，且隨著高度增加有向高緯延伸的趨勢，同時在冬季的青藏高原地區(qū)上空對流層上層出現(xiàn)了顯著的負異常變化。正值區(qū)的正異常和負值區(qū)的負異常同時發(fā)生，使得青藏高原與熱帶印度洋上空對流層上層熱對比更加強烈。因此，從垂直剖面上看，青藏高原與熱帶印度洋地區(qū)對流層上層海陸熱對比差異在冬季達到最大，相較于其余兩類衰減冬季型衰減對熱對比差異的影響最大。

4 衰減期降水空間分布

圖6給出了3種衰減類型條件下的夏季降水異常分布圖。3種衰減期類型的El Ni?o事件不同程度上影響著我國的降水情況。首先，春季型衰減時（圖6a）我國大部分地區(qū)降水分布出現(xiàn)負異常，大部分地區(qū)降水減少，只有長江中下游流域降水增加；秋季型衰減（圖6b）對我國長江流域降水負異常有顯著性影響，降水異常偏少，大部分地區(qū)降水增加；冬季型衰減（圖6c）對我國降水的影響貢獻最大，發(fā)生El Ni?o冬季型衰減時，我國中部、華北、長江流域地區(qū)明顯增加，而對于西南地區(qū)南部表現(xiàn)為較小的負異常變化，降水減少。

5 總結

El Ni?o事件如果按衰減期季節(jié)分類可以分為春季型衰減、秋季型衰減和冬季型衰減；El Ni?o事件衰減時，青藏高原與熱帶印度洋地區(qū)對流層上層海陸熱力差異在冬季達到最大；3種類型衰減結束后TIup指數(shù)絕對值分別達到同時段的最大值，即熱力差異達到最大，其中冬季型衰減對TIup的貢獻最大，秋季型衰減次之；3種El Ni?o事件衰減期類型對我國夏季降水的影響很大，其中春季型衰減會使長江中下游夏季降水增加，華北、東北以及華南地區(qū)降水減少；秋季型衰減與之相反會使長江中下游夏季降水減少；而冬季型衰減發(fā)生時我國華大部分地區(qū)降水增多，只有華南、西南以及東北部分地區(qū)降水略有減少。

參考文獻

[1] Dai A G， Li H M， Sun Y，et al. The relative roles of upper and lower tropospheric thermal contrasts and tropical influences in driving Asian summer monsoons [J]. Journal of Geophysical Research， 2013， 118（13）： 7024-7045.

[2] Box， Joan F B. Guinness， Gosset， Fisher， and Small Samples [J]. Statistical Science， 1987， 2（1）： 45-52.

[3] 王紹武，龔道溢.近百年來的ENSO事件及其強度[J].氣象，1999（1）：10-14.

[4] Liu F Y， Zhang W J， Jin F F， et al. Decadal modulation of the ENSO–Indian Ocean Basin warming relationship during the decaying summer by the interdecadal Pacific Oscillation [J]. Journal of Climate， 2021， 34（7）： 2685–2699.

[5] Luo X Q， Xu J J， Zhang Y， et al. Relationship between the Tibetan Plateau-tropical Indian Ocean thermal contrast and the South Asian summer monsoon [J]. Frontiers of Earth Science， 2021， 15（1）： 151-166.

責任編輯：黃艷飛