熱帶北太平洋海溫異常對2018年華南前汛期降水負異常事件的影響

摘要 本文利用1979—2018年中國地面氣象臺站1 767個站點降水資料、HadISST海溫數據及NCEP／NCAR再分析資料，濾除同期ENSO影響后，分析了2018年華南前汛期降水負異常與熱帶北太平洋海溫異常之間的聯系。研究結果顯示，2018年華南前汛期降水負異常事件和熱帶北太平洋（Tropical Northern Pacific，TNP）海溫偏暖有關。熱帶北太平洋海溫正異常，通過Mastuno-Gill響應引起西北太平洋氣旋式環流異常，中國南海東風異常，減弱了南海夏季風，華南至中國南海地區對流層低層存在異常反氣旋環流。水汽存在由中緯度北太平洋經黑潮海區-華南地區-中國南海-菲律賓群島向熱帶太平洋的異常輸送，且華南地區為水汽的異常輻散區域。另一方面，TNP區域暖海溫異常引起了該區域低層異常輻合、高層異常輻散、異常上升運動，使得華南地區高層異常輻合、低層異常輻散、異常下沉運動。這樣的環流配置對華南地區降水的產生有不利影響，引起了2018年華南前汛期降水異常偏少。2018年TNP區域暖海溫異常引起華南前汛期降水負異常的物理機制還在ECHAM5模式30個成員集合平均的試驗結果中得以驗證。

關鍵詞華南前汛期;熱帶北太平洋;降水異常;物理機制

華南地區瀕臨中國南海，處于東亞季風區的南部（Ding，1994），是我國經濟最為發達的地區之一，人口密集，農林牧副漁業發達。華南汛期持續時間長、每年汛期約為半年，暴雨發生頻數多，年平均降水量大。降水的多寡對華南地區人民的生活、社會經濟的發展有非常重要的影響。1988年前汛期，廣西地區發生大范圍的干旱，使農業生產嚴重缺水，春插大大推遲（陳啟彬，1989）。1998年汛期，珠江流域發生的持續性極端強降水事件給沿江區域造成了大量的人員傷亡及失蹤并造成了巨大的經濟損失（趙玉春和王葉紅，2009）。2013年華南前汛期降水異常偏多，造成了近百名人口的死亡和失蹤，直接經濟損失約50億元人民幣（胡婭敏等，2014）。因此，華南汛期降水異常及成因受到了廣泛關注（Wu et al.，2010;強學民和楊修群，2013;Huo and Jin，2016;Jin et al.，2017;Gu et al.，2018）。

華南雨季集中在4—9月，其中4—6月和7—9月分別為華南前汛期和后汛期（Qiang and Yang，2008;Ding et al.，2009）。華南前汛期1979—2018年氣候平均降水為682.42 mm，占氣候平均全年降水總量百分比為41.35％（圖1a），氣候平均降水極大值超過900 mm，降水標準差極大值超過240 mm，氣候平均降水及其標準差極大值均位于華南南部地區（圖1b）。前汛期降水總量多、占華南全年降水比重較大，華南前汛期期間洪澇事件頻發（吳志偉等，2006;Qiang et al.，2007;李文鎧等，2014）。研究華南前汛期降水異常變化規律及成因，對深刻理解華南降水異常具有一定的科學意義，亦對防災減災具有實際應用價值。

華南前汛期降水異常的影響因子眾多（王謙謙等，1995;鄧立平和王謙謙，2002;強學民和楊修群，2013;孫照渤等，2017;李麗平等，2018;伍紅雨和吳遙，2018;王國棟等，2019）。Gu et al.（2018）研究指出，熱帶太平洋的類ENSO模態可通過影響西北太平洋大氣環流異常進而影響華南前汛期降水異常。華南前汛期降水異常和前冬西太平洋暖池海溫異常存顯著負相關關系，前冬暖池海溫異?？赏ㄟ^調節西太平洋副熱帶高壓影響輸送至華南地區的水汽輸送，進而影響華南前汛期降水異常（強學民和楊修群，2013;王國棟等，2019）。前汛期降水還與熱帶東太平洋海溫異常呈顯著正相關關系，與北半球中緯度太平洋海溫異常呈負相關關系（鄧立平和王謙謙，2002;伍紅雨和吳遙，2018）。

2018年華南前汛期總降水量為410.9 mm，比氣候平均降水偏少約40％（中國氣象局，2019）。華南前汛期區域平均降水距平時間序列（圖1c）顯示，2018年前汛期期間，華南降水為顯著負異常，降水距平為-147.09 mm，小于負1倍標準差，為近10 a來出現的降水負異常極小值年。2018年華南前汛期降水距平及降水距平百分率（圖1d）顯示，除廣西西南部分地區、雷州半島和澳門鄰近地區有較弱的降水正異常，華南大部分地區降水負異常，降水負異常的大值區位于華南北部，降水距平極小值小于-400 mm。降水距平百分率亦呈現相似的空間分布型，其中華南北部為降水距平百分率極小值區域，極小值小于-40％。Deng et al.（2020）認為，2018年歐亞大陸的行星波列引起了西太平洋副熱帶高壓和中國南海地區東風異常，進而推遲了南海夏季風的建立，引起了華南前汛期干旱少雨。Zhang et al.（2020）研究指出2018年華南前汛期降水負異常和人為強迫存在聯系，人為強迫減弱了Walker環流并引起中國南海地區東風異常，使得南海夏季風建立偏晚，導致了華南前汛期降水偏少。

如前文所述，熱帶太平洋海溫異常和華南前汛期降水異常存在密切聯系，2018年熱帶太平洋海溫異常是否亦是引起華南前汛期降水負異常的因子之一，又是通過何種機制影響的？本文將揭示2018年熱帶北太平洋海溫負異常影響華南前汛期降水偏少的成因。

1 資料和方法

選取了中國氣象局國家氣象信息中心提供的1979—2018年中國地面氣象臺站2 479個站點逐日降水資料，剔除缺測值后選用了其中的1 767個站點。因為華南前汛期氣候平均降水大值（大于600 mm）區及標準差大值（大于150 mm）區主要位于廣東省和廣西壯族自治區（圖1b），故本文所指華南地區為廣東省和廣西壯族自治區，圖1b洋紅色點為華南地區134個站點地理位置分布。還選用了同期Hadley中心水平分辨率為1°×1°的海表面溫度數據（HadISST，Rayner et al.，2003）及NCEP／NCAR大氣再分析資料（Kalnay et al.，1996）。

為了檢驗與海溫強迫因子相關的大氣環流變化，選用了ECHAM5模式30個集合成員AMIP試驗結果以驗證大氣環流異常對海溫強迫的響應，資料的獲取地址為https：／／www.esrl.noaa.gov／psd／repository／alias／facts。CHAM5模式水平分辨率為T159（約0.75°×0.75°），垂直方向為17層（Roeckner et al.，2003）。每個集合成員的初始條件各不相同，海溫強迫均為月平均的HadISST混合optimum interpolation （OI） SST資料（Hurrell et al.，2008），時間段為1979—2018年。文中選用了30個成員的集合平均結果。

如前文所述，華南前汛期降水異常受熱帶太平洋海溫異常影響顯著，因此下文分析所用資料均濾除了ENSO的影響。為了剔除熱帶太平洋主要信號ENSO的影響，采用線性回歸方法濾除了同期的Nio3.4指數（5°S～5°N，170°～120°W區域平均的SSTA，INio3.4）。公式為：

其中：Y和Yr分別是一個氣象要素的時間序列和去除ENSO信號后Y的殘差項;α為Y和INio3.4的協方差;文中濾除熱帶北太平洋信號亦采用相同的方法。除圖1中所用的降水數據，下文分析中海溫、大氣再分析資料及ECHAM5模式結果均濾除了長期線性趨勢。

2 熱帶太平洋海溫異常

華南前汛期區域平均降水異常（PSC）時間序列和同期太平洋海溫異常的相關（圖2a）顯示，PSC與熱帶西太平洋海溫異常呈負相關關系，與熱帶東太平洋海溫異常呈正相關關系。熱帶太平洋海溫異常的偶極型表現為類ENSO信號（Gu et al.，2018），濾除ENSO信號發現PSC和熱帶北太平洋海溫異常呈顯著負相關關系（圖2b）。將相關系數小于-0.4的區域（160°E～160°W，4°～12°N，圖2b黑色矩形框）平均海溫異常定義為熱帶北太平洋（Tropical North Pacific，TNP）指數（ITNP）。PSC和ITNP存在較好的負相關關系（圖2c），二者相關系數為-0.46。

濾除ENSO信號后，2018年熱帶太平洋的海溫異常（圖2d）主要表現為TNP區域為顯著正異常，只是異常大值區較文中定義的TNP區域略偏東北。ITNP時間序列亦顯示，2018年TNP區域海溫顯著正異常，超過了一倍標準差（圖2c）。這表明，2018年TNP區域海溫正異?？赡芎腿A南前汛期降水負異常存在影響。為了進一步驗證該聯系，對PSC濾除了ITNP信號后發現，2018年華南前汛期區域平均降水異常為-93.34 mm（圖1c），TNP區域海溫異常對2018年華南前汛期降水負異常的貢獻為36.54％。結果表明，2018年TNP區域海溫正異常確實對華南前汛期降水負異常有一定貢獻。

3 大氣環流異常

為了揭示2018年華南前汛期降水負異常的成因，進一步分析了和PSC相聯系的大氣環流異常。PSC回歸的對流層低層流函數和旋轉風場（圖3a）顯示，TNP區域沿赤道非對稱的冷海溫異常（圖2b）激發了大氣的Rossby波響應（Mastuno，1966;Gill，1980），引起西北太平洋存在一緯向拉長的反氣旋環流異常，新幾內亞島上空存在范圍較小的弱反氣旋環流異常。還注意到，中國南海地區的西風異常增強了華南及鄰近區域的氣旋式環流異常，這有利于華南降水的產生。

2018年AMJ流函數和旋轉風的異常場（圖3b）顯示，中南半島至華南地區受異常反氣旋控制，這和Deng et al.（2020）和Zhang et al.（2020）的結論相符。這是由于，2018年AMJ期間大氣對TNP區域暖海溫異常（圖2c、2d）的Rossby波響應，在西北太平洋對流層低層產生了氣旋式環流異常，中國南海地區東風異常，該東風異常增強了華南-中南半島對流層低層的反氣旋環流異常，不利于華南地區降水的產生。

PSC回歸的速度勢和輻散風和500 hPa垂直速度（圖4a—c）顯示，華南-中國南海-爪哇群島對流層低層輻合（圖4a）、高層輻散（圖4b），華南地區受異常上升氣流控制（圖4c），這樣的配置有利于華南地區降水的產生。TNP上空低層輻散、高層輻合、存在異常下沉運動（圖4a—c），這和TNP區域的負海溫異常（圖2b）存在聯系。

2018年熱帶西太平洋對流層低層異常輻散（圖4d）、高層異常輻合（圖4e），華南地區亦表現為低層輻散、高層輻合、且受異常下沉運動控制（圖4f）。同時，TNP區域低層輻合異常、高層輻散異常、存在異常上升運動。即2018年AMJ期間，TNP區域暖海溫異常（圖2d），在西北側通過Mastuno-Gill響應激發了氣旋式環流異常（圖3b），有利于該區域低層異常輻合、高層異常輻散和異常上升運動，并引起了華南地區高層輻合、低層輻散、異常下沉運動，從而不利于2018年華南前汛期降水的產生。

圖5a為PSC回歸的整層水汽通量及其散度，可以發現西北太平洋存在一緯向拉長的反氣旋式水汽異常輸送，異常水汽主要由TNP區域向西至中國南海地區后向東北經華南地區和黑潮海區后輸送至中緯度北太平洋。華南地區為水汽的輻合區域，這樣水汽輸送亦有利于華南降水的產生。2018年前汛期期間，西北太平洋水汽呈異常氣旋式輸送，異常水汽由中緯度北太平洋經黑潮海區-華南地區-中國南海-菲律賓群島后向東輸送至熱帶太平洋，且華南地區為水汽的異常輻散區域（圖5b）。這樣的異常水汽輸送亦不利于2018年華南前汛期降水的產生。

4 AMIP模式結果

為了進一步探究2018年TNP區域海溫異常影響華南前汛期降水異常的物理機制，分析了ECHAM5模式30個成員集合平均的試驗結果進行驗證。

模式模擬的2018年華南地區降水偏少（圖6a），和觀測結果（圖1d）相一致。還注意到，熱帶中太平洋及海洋性大陸區域為降水負異常區域，副熱帶北太平洋降水增多，這可能是由于TNP區域海溫正異常、對流活動旺盛有關（圖6a）。模擬的2018年AMJ期間，西北太平洋存在緯向拉長的氣旋式環流異常，減弱了西太平洋副熱帶高壓（圖6b）。華南地區低層輻散（圖6c）、高層輻合（圖6d），西北太平洋低層輻合、高層輻散，這樣的配置使得華南地區受異常下沉氣流控制（圖6e），因而不利于華南降水的產生。

5 結論與討論

利用1979—2018年中國地面氣象臺站1 767個站點降水資料、HadISST海溫數據及NCEP／NCAR再分析資料，濾除同期ENSO影響后，發現2018年華南前汛期降水負異常與熱帶北太平洋海溫異常存在聯系，分析了2018年華南前汛期降水異常偏少的成因（圖7），具體結論如下：

1）2018年前汛期期間降水較氣候平均異常偏少，區域平均降水總量為410.9 mm，比平均的同期降水偏少40％。降水負異常大值已位于華南北部地區，降水距平極小值小于-400 mm;

2）華南前汛期降水和熱帶西太平洋海溫呈負相關關系，和熱帶東太平洋海溫異常呈正相關關系，即華南前汛期降水和類ENSO現象存在聯系。濾除同期ENSO信號后，華南前汛期降水異常和熱帶北太平洋（TNP）海溫異常呈負相關關系。

3）2018年華南前汛期期間，TNP區域海溫異常偏暖，通過Matsuno-Gill響應引起西北太平洋區域低層氣旋式環流異常，華南地區低層反氣旋環流異常;中國南海地區東風異常，減弱了南海夏季風;華南地區上空還受異常下沉氣流控制;異常水汽由北太平洋經華南地區向熱帶太平洋輸送，而華南地區為水汽的異常輻散區域。上述因子共同影響，使得2018年華南前汛期降水負異常。

4）2018年華南前汛期降水異常的成因在ECHAM5模式30個成員集合平均的試驗結果中亦可得到驗證。

需要說明的是，華南前汛期降水異常影響因子眾多，本文僅從熱帶北太平洋海溫異常角度出發，分析了其對2018年華南前汛期降水異常偏少的可能物理機制。已有研究成果表明，歐亞大陸中緯度遙相關型和人為強迫亦對2018年華南前汛期降水負異常存在聯系（Deng et al.，2020;Zhang et al.，2020）。除了上述因子外，是否還有其他影響因子亦對2018年華南前汛期降水負異常有貢獻？還注意到，除了2018年，其余年份如1991年華南前汛期降水亦異常偏少，這些年份華南前汛期降水異常偏少的成因存在何種異同？上述問題尚需未來深入研究。

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·ARTICLE·

Influence of SST anomalies in the tropical North Pacific on negative precipitation anomalies in South China’s first rainy season in 2018

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1Key Laboratory of Meteorological Disaster，Ministry of Education （KLME）／Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change （ILCEC）／Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters （CIC-FEMD），Nanjing University of Information Science ＆ Technology，Nanjing 210044，China;

2State Key Laboratory of Tropical Marine Environment，South China Sea Institute of Oceanology，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510301，China;

3Beijing Climate Center，Beijing 100089，China

Abstract In 2018，the precipitation in the first rainy season in South China （Guangdong Province and Guangxi Zhuang Autonomous Region） is abnormally low，with the regional average total precipitation of 410.9 mm，which is about 40％ less than the average climate.The results of this study show that the precipitation negative anomaly in the first rainy season in South China in 2018 is related to the warm sea temperature in the tropical northern Pacific （TNP）.The SST positive anomaly in the tropical North Pacific results in the cyclonic circulation anomaly in the Northwest Pacific and the east wind anomaly in the South China Sea through the Mastuno-Gill response，which weakens the South China Sea summer monsoon.Abnormal anticyclonic circulation exists in the lower troposphere from South China to South China Sea.There is an abnormal transport of water vapor from the mid-latitude North Pacific Ocean to the tropical Pacific Ocean via the Kuroshio Sea Area，the South China Sea，and the Philippine Islands，and South China is an abnormal divergence region of water vapor.On the other hand，the warm sea temperature anomaly in the TNP region causes abnormal convergence in the lower layer，abnormal divergence in the upper layer，and abnormal upward movement in the region，leading to abnormal convergence in the upper layer，abnormal divergence in the lower layer，and abnormal subsidence movement in South China.This circulation arrangement is not conducive to the production of precipitation in South China，resulting in unusually little precipitation in South China’s first rainy season in 2018.The physical mechanism of the TNP regional warm sea temperature anomaly causing the negative precipitation anomaly in South China’s first rainy season in 2018 is also verified by the average test results of 30 member sets of the ECHAM5 model.

Keywords first rainy season in South China;tropical North Pacific;precipitation anomaly;physical mechanism

doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20200512001

（責任編輯：劉菲）