厄爾尼諾事件的類型、強(qiáng)度對海南島秋汛期降水的影響

汪婉婷, 吳 慧, 蔡夏影, 徐 實(shí)

(1.海南省氣象服務(wù)中心,海口 570203; 2.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,海口 570203; 3.海南省氣候中心,海口 570203)

引 言

海南島雖隸屬于中國華南地區(qū),但其降水變化與華南其他地區(qū)有明顯不同。近年來,對華南汛期降水的研究時(shí)段主要集中在前汛期(4-6月)[10],而海南島降水的主峰期出現(xiàn)在秋汛期(9-10月,部分年份延長至11月)[11]。有研究表明,熱帶太平洋西暖東冷會使海南島秋季暴雨日數(shù)偏多[12],前期春季ENSO暖(冷)位相易使海南省秋季降水量偏少(多)[13]。此外海南島降水的主峰期出現(xiàn)在秋汛期,可能還與東亞季風(fēng)轉(zhuǎn)換時(shí)間偏晚[14]、熱帶氣旋活動等有關(guān)。

以往關(guān)于ENSO對海南島秋汛期(秋季)降水的影響,主要關(guān)注東部型ENSO事件的影響,并且沒有考慮不同類型、強(qiáng)度的ENSO事件影響下降水的總體差異和空間分布差異[13,15]。鑒于不同類型、強(qiáng)度ENSO事件引起的大氣環(huán)流往往具有不同特征,其對一些區(qū)域的氣候異常的影響也不盡相同,本文利用當(dāng)年5-10月Nio關(guān)鍵區(qū)海溫指數(shù)資料、NCEP/NCAR再分析資料及國家氣象觀測站降水量資料,定義了影響海南島秋汛期(9-10月)降水的厄爾尼諾事件的類型及強(qiáng)度,比較了不同類型、強(qiáng)度厄爾尼諾事件年海南島秋汛期降水特征的異同,分析了它們在大氣環(huán)流和水汽輸送場上對海溫異常的響應(yīng)差異及可能的影響機(jī)理,以期為海南島秋汛期降水的短期氣候預(yù)測提供更豐富的理論依據(jù)和業(yè)務(wù)參考。

1 資料與方法

采用的資料包括:(1)國家氣候中心下發(fā)的氣候系統(tǒng)監(jiān)測指數(shù)中的Nio指數(shù);(2)NCEP/NCAR[16]月平均再分析數(shù)據(jù)資料;(3)國家氣象信息中心提供的海南島18個市縣國家氣象觀測站逐月降水量資料。本文的研究時(shí)段為1961-2018年。

分析方法主要運(yùn)用了相關(guān)分析、合成分析等常規(guī)氣象統(tǒng)計(jì)方法。

厄爾尼諾事件的類型和強(qiáng)度的劃分方法:考慮到當(dāng)年5-10月Nio3.4區(qū)SSTA的平均值(I)與海南島秋汛期平均降水量為顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,且為更好體現(xiàn)出厄爾尼諾指數(shù)峰值時(shí)間出現(xiàn)在秋汛期前和秋汛期后對當(dāng)年海南島秋汛期降水影響的不同,本文以當(dāng)年5-10月3個月滑動平均的I達(dá)到最大時(shí)的值來確定其當(dāng)年強(qiáng)度:當(dāng)0.5 ℃≤I<1.3 ℃時(shí)強(qiáng)度為輕,當(dāng)1.3 ℃≤I<2.0 ℃時(shí)為中等,當(dāng)2.0 ℃≤I<2.5 ℃時(shí)為強(qiáng),當(dāng)I≥2.5 ℃時(shí)為超強(qiáng)。此外,以當(dāng)年5-10月3個月滑動平均的東部型厄爾尼諾指數(shù)IEP和中部型厄爾尼諾指數(shù)ICP中的最大值來確定當(dāng)年厄爾尼諾事件的類型(IEP和ICP的計(jì)算參考文獻(xiàn)[9])。根據(jù)此劃分方法,得到1961-2018年的厄爾尼諾事件信息(表1)。

表1 1961-2018年厄爾尼諾事件及其對應(yīng)的海南島秋汛期降水異常情況

2 不同類型、強(qiáng)度厄爾尼諾事件影響下的降水差異

根據(jù)挑選出的厄爾尼諾事件,分別對秋汛期海南島降水的時(shí)間和空間分布進(jìn)行分析,結(jié)果見圖1和圖2。由圖1和表1可知,海南島秋汛期平均降水呈現(xiàn)弱的上升趨勢,近58年中厄爾尼諾事件年共有19年,其中有13年海南島秋汛期平均降水量不同程度偏少,偏少概率為68.4%,比氣候概率的55.0%上升了13.4%,而偏少2成以上的概率則比氣候概率上升了18.9%;僅有5年海南島秋汛期平均降水不同程度偏多,偏多概率比氣候概率下降了13.4%,而偏多2成以上的概率則比氣候概率下降了14.5%。

圖1 1961-2018年海南島秋汛期降水距平百分率逐年變化紅色柱:中等及以上強(qiáng)度東部型厄爾尼諾年,橙色柱:輕度東部型厄爾尼諾年,棕紅色柱:中部型厄爾尼諾年,白色柱:非厄爾尼諾事件年,藍(lán)色點(diǎn)虛線:線性趨勢線

圖2 1961-2018年E1事件年(a)、E2事件年(b)和C事件年(c)海南島秋汛期降水異常的空間分布

厄爾尼諾事件的類型和強(qiáng)度不同,海南島秋汛期降水的偏少程度不同。其中中等及以上強(qiáng)度的東部型厄爾尼諾(E1)事件,海南島秋汛期平均降水量偏少21.7%,其偏少概率比氣候概率上升了11.7%;輕度的東部型厄爾尼諾(E2)事件,海南島秋汛期平均降水量偏少15.8%,其偏少概率比氣候概率上升了7.5%。輕度的中部型厄爾尼諾(C)事件,海南島秋汛期平均降水量較常年偏少32.5%,其偏少概率較氣候概率上升了25.0%。

圖2分析了不同類型、強(qiáng)度厄爾尼諾事件對海南島秋汛期降水空間分布的具體影響。E1事件年,大部分地區(qū)降水量偏少在10.0%～40.0%,海南島的東南半部地區(qū)偏少較多,東南部沿海的陵水偏少最多,達(dá)到-40.6%(圖2a);E2事件年,大部分地區(qū)偏少為10.0%～30.0%,偏少較多的地區(qū)為海南島東北部地區(qū)、西部沿海地區(qū)和中部偏南地區(qū),偏少最多的是北部內(nèi)陸的定安,為-30.5%(圖2b)。C事件年,西南部局部地區(qū)降水略偏多,其余地區(qū)均不同程度偏少,大部分地區(qū)偏少在20.0%以上,偏少較多的地區(qū)位于中部山區(qū)和東北部地區(qū),其中偏少最多的瓊中達(dá)到-49.2%(圖2c)。可見厄爾尼諾事件類型、強(qiáng)度不同,海南島秋汛期降水異常的空間分布也有所不同,其中東部型厄爾尼諾年全島一致性不同程度偏少,但中部型厄爾尼諾年降水異常的空間分布不一致。

3 海南島秋汛期降水對不同類型、強(qiáng)度厄爾尼諾事件的響應(yīng)

3.1 海南島秋汛期降水與大氣環(huán)流和水汽輸送相關(guān)

眾所周知,海溫異常分布對于區(qū)域氣候的影響是間接性的,它通過大氣環(huán)流的異常響應(yīng)影響區(qū)域氣候異常。以下首先分析海南島秋汛期降水與環(huán)流場和水汽輸送場的相關(guān)。

在200 hPa風(fēng)場與降水的相關(guān)圖上(圖3a),貴州、湖南、江西一帶存在顯著負(fù)相關(guān),內(nèi)蒙古至日本一帶和熱帶太平洋海域則存在大范圍顯著正相關(guān),海南島及其附近地區(qū)的上空受東北輻散氣流控制,表明西風(fēng)急流加強(qiáng)(減弱)、我國長江中游南部的高層出現(xiàn)東風(fēng)(西風(fēng))異常、熱帶中西太平洋高層出現(xiàn)西風(fēng)(東風(fēng))異常,我國東南沿海附近反氣旋性環(huán)流偏強(qiáng)(弱),海南島上空輻散增強(qiáng)(減弱)有利于海南島秋汛期降水偏多(少)。500 hPa位勢高度場與降水的相關(guān)圖上(圖3b),東亞沿岸從低緯到高緯存在“-+-”波列,其中在40°-60°N為顯著負(fù)相關(guān),在(20°-40°N、110°E-140°W)的區(qū)域上為顯著正相關(guān),說明鄂霍次克海附近高度場偏低(高)、西太平洋副熱帶高壓偏強(qiáng)(弱),有利于(不利于)副高南側(cè)東南水汽向海南島的輸送,從而有利于海南島秋汛期降水偏多(少)。850 hPa風(fēng)場與降水的相關(guān)圖上(圖3c),熱帶西太平洋至華南地區(qū)的偏東氣流及中南半島南部至印度尼西亞群島南部的偏西風(fēng)分別與秋汛期降水存在顯著負(fù)或正相關(guān),說明低緯度來自西太平洋的偏東氣流和中南半島南部的偏西氣流向海南島的輸送增強(qiáng),同時(shí)海南島及南海海域附近存在異常的氣旋性環(huán)流時(shí),海南島秋汛期降水偏多,反之偏少。在海平面氣壓場和降水的相關(guān)圖上(圖3d),我國華南至20°S,160°E以西存在大范圍的顯著負(fù)相關(guān),熱帶中東太平洋海域則為大范圍顯著正相關(guān)區(qū),貝加爾湖附近和堪察加半島附近海域分別存在面積相對小的顯著正、負(fù)相關(guān)區(qū),表明南海和菲律賓東南海域熱帶低值系統(tǒng)和太平洋高壓均偏強(qiáng)(弱)時(shí),有利于海南島秋汛期降水偏多(少),蒙古高壓和阿留申低壓偏強(qiáng)(弱)對海南島秋汛期降水偏多(少)也起一定作用。

圖3 1961-2018年海南島秋汛期降水距平百分率與同期200 hPa風(fēng)場(a)、500 hPa高度場(b)、850 hPa風(fēng)場(c)、海平面氣壓場(d)、1000-100 hPa垂直速度場(e)、1000-300 hPa對流層整層水汽通量和水汽通量散度場(f)的相關(guān)系數(shù)分布陰影區(qū)由淺到深分別表示相關(guān)系數(shù)通過0.1、0.05和0.01的顯著性水平檢驗(yàn)

對整層積分的垂直速度、水汽通量及其散度和降水的相關(guān)系數(shù)分布(圖3e、f)進(jìn)行分析,可見在10°-30°N、130°E的東、西側(cè)垂直速度與秋汛期降水之間分別存在顯著的正、負(fù)相關(guān)區(qū),其中海南島東北部地區(qū)及其以東的近海海域?yàn)樨?fù)相關(guān)中心區(qū),在20°N、150°E附近為正相關(guān)中心區(qū)。在15°-30°N、100°-140°E范圍內(nèi)水汽通量散度與降水的相關(guān)系數(shù)呈“+-+”分布。說明當(dāng)我國華南和南海北部特別是海南島上升運(yùn)動偏強(qiáng)(弱)、西北太平洋下沉運(yùn)動偏強(qiáng)(弱),水汽存在從西北太平洋、南海和我國西南地區(qū)向海南島及其附近地區(qū)的異常輻合(輻散)時(shí),有利于海南島秋汛期降水偏多(少)。以上分析與前人研究部分結(jié)論基本一致[15,17-19]。

3.2 不同類型、強(qiáng)度厄爾尼諾事件年秋汛期大氣環(huán)流、水汽輸送合成分析

為進(jìn)一步了解不同類型、強(qiáng)度厄爾尼諾事件年秋汛期大氣環(huán)流和水汽輸送響應(yīng)的差異,首先簡要了解不同類型、強(qiáng)度事件年秋汛期環(huán)流和水汽輸送距平場的異常特征,再詳細(xì)分析同類型不同強(qiáng)度E1-E2、不同類型不同強(qiáng)度E1-C及不同類型同強(qiáng)度E2-C事件年的情況。

分析表明,E1、E2和C事件年秋汛期高、中、低層環(huán)流和水汽輸送距平場的關(guān)鍵區(qū)總體上均表現(xiàn)出有利于海南島秋汛期降水偏少的特征(圖略)。

E1-E2事件年,200 hPa風(fēng)場上(圖4a),西風(fēng)急流偏弱,海南島及其附近地區(qū)上空高空風(fēng)輻散偏弱,說明E1事件年較E2事件年更不利于垂直上升運(yùn)動的維持。500 hPa位勢高度場上(圖4b),東亞沿岸出現(xiàn)東北西南走向的“+-+”波列,類似于北半球夏季EAP型遙相關(guān)低指數(shù)年的分布,海南島和南海海域?yàn)轱@著的正差值區(qū),E1事件年這些地區(qū)熱帶低值系統(tǒng)活動明顯弱于E2事件年,海平面氣壓場上也反映了同樣的特征,且范圍擴(kuò)大到西太平洋(圖4d)。相應(yīng)在850 hPa風(fēng)場上,低緯西太平洋出現(xiàn)顯著的西風(fēng)異常,菲律賓南部海域至孟加拉灣以西出現(xiàn)顯著東風(fēng)異常,孟加拉灣至菲律賓以東附近海域及海南島均被異常的反氣旋性環(huán)流控制(圖4c),E1事件年比E2事件年更有利于華南地區(qū)包括海南島低層輻散的增強(qiáng)[20-21],對流層整層水汽在海南島的輻散也比E2事件年更強(qiáng)(圖4f)。唯一不利的是,E1事件年海南島的垂直上升運(yùn)動略強(qiáng)于E2事件年(圖4e)。可見,同類型不同強(qiáng)度事件中,強(qiáng)度越強(qiáng)時(shí)(E1事件年),由于沃克環(huán)流減弱和東移越明顯(圖略),海南島高層輻散越弱,對流層低層太平洋的異常西風(fēng)和印度洋的異常東風(fēng)更明顯[15],從而可能通過Gill型響應(yīng)[22]在南海和菲律賓附近海域激發(fā)異常的反氣旋性環(huán)流越強(qiáng),并激發(fā)越強(qiáng)的類似EAP的遙相關(guān)波列[23],越不利于水汽向海南島的輸送和整層水汽輻合,導(dǎo)致其降水比弱強(qiáng)度時(shí)(E2事件年)偏少更多。

圖4 同類型不同強(qiáng)度E1-E2事件年海南島秋汛期200 hPa風(fēng)場(a)、500 hPa高度場(b)、850 hPa風(fēng)場(c)、海平面氣壓場(d)、1000-100 hPa垂直速度場(e)、1000-300 hPa對流層整層水汽通量和水汽通量散度場(f)合成場差值分布風(fēng)速單位:m·s-1,位勢高度單位:gpm,氣壓單位:hPa,垂直速度單位:Pa·s-1,對流層整層水汽通量單位:106 kg·m-1·s-1及水汽通量散度單位:kg·s-1·m-2;陰影區(qū)由淺到深分別表示合成差值通過0.1、0.05和0.01的顯著性水平檢驗(yàn)

E1-C事件年,200 hPa風(fēng)場上西風(fēng)急流總體偏強(qiáng),海南島及其附近地區(qū)高空輻散偏強(qiáng)(圖5a),C事件年比E1事件年更不利于上升運(yùn)動維持。500 hPa位勢高度場上(圖5b),我國低緯度地區(qū)為弱的正差值區(qū);而海平面氣壓場上(圖5d),海南島大部分地區(qū)為負(fù)差值區(qū),南海的大部分海域和熱帶西太平洋海域?yàn)檎钪祬^(qū),菲律賓以東至150°E附近海域正差值顯著,意味著C事件年海南島大部分地區(qū)受熱帶低值系統(tǒng)影響較E1事件年的弱,但在菲律賓以東至150°E附近海域熱帶低值系統(tǒng)較E1事件年的明顯活躍。850 hPa風(fēng)場上(圖5c),海南島受異常的西風(fēng)帶氣流和東南氣流的輻合影響,C事件年向海南島水汽輸送明顯弱于E1事件年的輸送,整層水汽在海南島的輻散也弱于E1事件年的輻散(圖5f)。海南島垂直速度為顯著負(fù)差值,C事件年該區(qū)域垂直上升運(yùn)動明顯弱于E1事件年(圖5e)。可見,不同類型不同強(qiáng)度事件中,可能由于兩者對應(yīng)的沃克環(huán)流的東移位置、范圍和強(qiáng)度減弱程度不同(圖略),E1事件年異常下沉區(qū)域出現(xiàn)在90°-150°E、平均異常下沉運(yùn)動較強(qiáng),C事件年則出現(xiàn)在100°-140°E且110°E附近異常下沉運(yùn)動相對強(qiáng),使C事件年海南島大部分地區(qū)熱帶低值系統(tǒng)相對更不活躍、高層輻散條件更差、低層水汽輸送更少、垂直上升運(yùn)動更弱,對海南島秋汛期降水抑制作用總體強(qiáng)于E1事件年的抑制作用。

圖5 不同類型不同強(qiáng)度E1-C事件年海南島秋汛期200 hPa風(fēng)場(a)、 500 hPa高度場(b)、 850 hPa風(fēng)場(c)、海平面氣壓場(d)、1000-100 hPa垂直速度場(e)、1000-300 hPa對流層整層水汽通量和水汽通量散度場(f)合成場差值分布風(fēng)速單位:m·s-1,位勢高度單位:gpm,氣壓單位:hPa,垂直速度單位:Pa·s-1,對流層整層水汽通量單位:106 kg·m-1·s-1及水汽通量散度單位:kg·s-1·m-2;陰影區(qū)由淺到深分別表示合成差值通過0.1、0.05和0.01的顯著性水平檢驗(yàn)

E2-C事件年,200 hPa風(fēng)場(圖6a)、500 hPa位勢高度場(圖6b)和海平面氣壓場(圖6d)與E1-E2事件年的情形基本相反;低層風(fēng)場上(圖6c),低緯西太平洋海域?yàn)闁|風(fēng)異常,馬來半島至南海中南部海域?yàn)槲黠L(fēng)異常,海南島受異常偏東氣流影響;垂直速度場上海南島為負(fù)差值區(qū)(圖6e),水汽通量散度場上水汽從東、西兩側(cè)向海南島輻合(圖6f)。說明與E2事件年相比,C事件年高層更不利于垂直上升運(yùn)動的維持,同時(shí)海南島及其附近海域熱帶低值系統(tǒng)活動顯著減弱,偏東氣流輸送和垂直上升運(yùn)動更弱,水汽輻合顯著減少。這可能是因?yàn)樵诓煌愋屯瑥?qiáng)度事件中,E2事件年沃克環(huán)流的異常下沉運(yùn)動主要出現(xiàn)在85°-135°E且強(qiáng)度相對較弱,C事件年異常下沉區(qū)范圍東移縮小、強(qiáng)度更強(qiáng)(圖略),導(dǎo)致C事件年出現(xiàn)比E2事件年更加明顯不利于海南島秋汛期降水發(fā)生的環(huán)流和水汽輸送形勢。

圖6 不同類型同強(qiáng)度E2-C事件年海南島秋汛期200 hPa風(fēng)場(a)、 500 hPa高度場(b)、 850 hPa風(fēng)場(c)、海平面氣壓場(d)、1000-100 hPa垂直速度場(e)、1000-300 hPa對流層整層水汽通量和水汽通量散度場(f)合成場差值分布風(fēng)速單位:m·s-1,位勢高度單位:gpm,氣壓單位:hPa,垂直速度單位:Pa·s-1,對流層整層水汽通量單位:106 kg·m-1·s-1及水汽通量散度單位:kg·s-1·m-2;陰影區(qū)由淺到深分別表示合成差值通過0.1、0.05和0.01的顯著性水平檢驗(yàn)

4 結(jié)論與討論

(1)厄爾尼諾事件總體有利于海南島秋汛期降水偏少,但存在類型和強(qiáng)度上的差異。其中C事件年全島平均降水量偏少32.5%,其偏少概率較氣候概率上升了25.0%,降水異常的空間分布表現(xiàn)為西南局部地區(qū)偏多、其余地區(qū)偏少;E1事件年平均偏少21.7%,偏少概率上升11.7%,E2事件年平均偏少15.8%,偏少概率上升7.5%,兩者的降水異常空間分布為一致性偏少。

(2)海南島秋汛期降水異常與大氣環(huán)流和水汽輸送密切相關(guān)。當(dāng)高層西風(fēng)急流偏弱、我國長江中游南部出現(xiàn)西風(fēng)異常、熱帶中西太平洋出現(xiàn)東風(fēng)異常,海南島上空輻散減弱,中層鄂霍次克海附近位勢高度場偏高、西太平洋副熱帶高壓偏弱,副高南側(cè)向海南島輸送的東南水汽減弱,低層海南島至西太平洋出現(xiàn)西風(fēng)異常、中南半島南部出現(xiàn)東風(fēng)異常,西南氣流和東南氣流向海南島的輸送減弱,華南至南海和菲律賓以東附近海域海平面氣壓偏高使該海域熱帶低值系統(tǒng)不活躍,太平洋高壓偏弱,海南島上空垂直上升運(yùn)動減弱、水汽輻合減少時(shí),有利于海南島秋汛期降水偏少。

(3)不同類型和強(qiáng)度的厄爾尼諾事件年大氣環(huán)流總體上表現(xiàn)出有利于海南島秋汛期降水偏少的響應(yīng)特征,但存在響應(yīng)程度上的差異。這種差異可能由于不同類型、強(qiáng)度的海溫異常影響沃克環(huán)流的位置、強(qiáng)度的不同程度變化,造成風(fēng)場、位勢高度場、海平面氣壓場、垂直速度場和水汽通量散度場響應(yīng)程度上的差異,最終使海南島秋汛期降水發(fā)生不同程度的減少。

(4)雖然平均而言,不同類型和強(qiáng)度厄爾尼諾事件均有利于海南島秋汛期降水偏少,但在少數(shù)厄爾尼諾事件影響的年份,海南島秋汛期降水反而偏多。初步的研究發(fā)現(xiàn),這些年份中大氣環(huán)流的響應(yīng)并不同于平均情況,其深層次的成因有待于進(jìn)一步研究。