近20年北大西洋中緯度海溫與江南5月降水關系增強的可能原因*

郭浩康, 李 春, 石 劍

(中國海洋大學海洋與大氣學院, 山東 青島 266100)

江南春雨是3月初至5月末發生在長江以南、南嶺以北的階段性降水[1-4],開始時間早于華南前汛期。江南春季雨量隨季節推進而增大,其中近一半降水集中于5月,約占該地全年總降水量15%[5-6]。由江南春雨雨量的變化導致的極端旱澇事件,對人口稠密的江南地區農作物春播具有重大影響。

江南春雨是自低緯的暖濕氣流與來自北方的干冷空氣持續對峙形成的產物[7]。學者們從不同角度對長江以南的春季降水特征及其影響因子展開了多方面研究。其中,西北太平洋異常反氣旋(WNPAC)的位置和強度能夠影響向江南地區輸送的水汽,影響江南地區雨量。已有研究表明,春季WNPAC的變化與前期熱帶中東太平洋海表面溫度異常(Sea surface temperature anomaly, SSTA)、熱帶印度洋SSTA以及青藏高原熱力性質異常密切相關[8-10]。

除熱帶和副熱帶外,中高緯遙相關波列引起的大氣環流異常也會影響江南春雨多寡。歐亞遙相關(Eurasian teleconnection, EU)是在歐亞大陸上空自西向東傳播的一支波列[11],EU處于正位相時,西伯利亞上空位勢高度偏高,貝加爾湖上空槽加深,利于冷空氣南下,導致地處江南的江西春季降水異常偏多,反之負位相的EU易導致江西春季降水異常偏少[12]。也有學者發現,冬季以對流層上層北非-亞洲副熱帶西風急流為波導的Rossby波列(簡稱:南支波列)向長江以南傳播[13-14],引起冬季長江以南降水異常。該波列在春季同樣會通過影響長江以南上空異常輻合輻散引起對流層中下層的垂直運動異常,進而影響降水多寡[15]。研究指出,上述兩支波列的不同配置會影響東北地區春季降水多寡[16],但這兩個波列的不同配置是否會影響江南春雨仍關注較少。

北大西洋是重要的波源地,春季熱帶北大西洋SSTA可通過引起對流或降水異常來驅動上述兩支波列[16]。而中緯度北大西洋SSTA偏高(偏低)時,其上空位勢高度場升高(降低),激發向下游傳播的波列,使華北地區產生下沉(上升)運動,華北春季異常干旱(多雨)[17]。

觀測資料顯示,自二十世紀末以來,北大西洋中緯度春季SST明顯升高[17]。另一方面,我們從已知的事實中發現,近20年來江南地區5月極端旱澇情況較二十世紀八、九十年代明顯加重。那么,江南地區5月旱澇極端性何時增強?降水年際變率變化對應的大氣環流特征是否發生了改變?這些改變是否與北大西洋SST的變化有關?這些問題是本文探討的主要內容。

1 資料和方法

1.1 數據資料

本文所用降水資料為美國國家氣候預測中心(Climate prediction center, CPC)提供的1979年1月1日至今的陸地逐日降水資料,水平分辨率為0.5°×0.5°,逐月降水資料由其平均而成。同時本文用到了美國環境預測中心/國家大氣研究中心(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research, NCEP/NCAR)提供的自1948年1月至今的逐月再分析資料[18],水平分辨率均為2.5°×2.5°,本文既使用了位勢高度場、風場和比濕等不同等壓面上的數據,也采用其中的地表氣壓以消除地勢對等壓面數據的影響。此外,文中逐月海表面溫度(Sea surface temperature, SST)數據來自于英國氣象局哈德來中心(Met Office Hadley Centre)[19],原始資料跨度為1870年1月至今,水平分辨率為1°×1°。本文研究時間段為1980—2021年,氣候態選取1981—2010年。

1.2 方法與計算

結合5月降水分布特征(見圖1(a)、(b))和前人研究,江南地區定義為25.5°N—30.5°N,113.5°E—121.5°E區域內的陸地。此外,西北太平洋異常反氣旋以及北大西洋SST和SSTA等指數選取的時空范圍均在文中予以了說明。本文主要涉及到標準差、滑動標準差、滑動t檢驗、合成分析、回歸分析、滑動相關以及t檢驗等常規氣候統計方法,也運用了降水距平百分率等計算。

((a)、(b)中黑框代表江南地區,(c)中黃(綠)柱體代表降水不低(高)于正(負)一倍標準差的年份。The black boxes in (a) and (b) represent the Jiangnan region. The yellow (green) bars in (c) represent the years when the precipitation is not lower (higher) than plus (minus) one standard deviation.)

江南地區各格點逐年5月每日降水等級根據中國現行降水量等級劃分標準[20-21]進行定義,各個點5月無雨、小雨、中雨、大雨和暴雨總日數據此統計得出,取其區域平均值作為江南地區各等級降水日數Iyk,公式如下:

(1)

式中:y表示年份;k表示降雨量為無雨至暴雨等級(k=0,1,2,3,4);dijyk表示格點(i,j)第y年定義為k等級的日數;n、m分別表示江南地區格點經、緯向長度。

大氣Rossby波的傳播參考文獻[22]的方法計算TN波作用通量來表征。鑒于對流層300 hPa以上水汽輸送較弱,以及地形的影響[23],整層水汽輸送及其異常計算的積分區間為地表到300 hPa。除降水氣候態、降水距平百分率、各等級降水日數、合成場中緯向風表示的副熱帶西風急流以及文中所述的SST原始序列外,其它數據均去掉了長期氣候趨勢以消除全球變暖帶來的影響。

2 江南5月降水概況

中國5月降水主要集中在長江以南的華南、江南兩地,降水中心均超過9 mm/d(見圖1(a))。由該月降水的標準差分布可知,江南和華南均具有顯著的年際變化特征(見圖1(b))。南海夏季風爆發后西北太平洋副熱帶高壓(簡稱:副高)向東撤出南海,華南地區因對流發展所致的夏季風降水增多[24],江南地區降水因副高東撤而減少[5]。江南5月降水及環流形勢呈現顯著的年際變化特征,且與華南地區有明顯不同,故本文將單獨研究江南地區5月的降水。

由江南5月區域平均的月降水量標準化(標準化值以本文研究的整體時段的標準差為參照)序列可知,21世紀以來江南5月降水年際變率增大,如圖1(c)所示。選取標準差大于(小于)或等于1(-1)的年份為偏澇(旱)年,結果表明偏澇年與偏旱年數量相當(各7 a),且均集中在21世紀以來,即江南5月降水滑動標準差(滑動窗口取為9 a)明顯增大之后。多窗口滑動t檢驗(滑動窗口取為3、5、7、9、11、13、15 a)表明,2004年以來,江南5月降水年際變率顯著增大(見圖1(d),通過了顯著性水平0.01的檢驗)。本文同樣對江南、華南3—5月各月降水進行了診斷,除江南5月外,均未發現降水極端性增強(圖略)。下文將首先對自2004年江南5月降水年際變率增大以來洪澇年(2005、2014、2015、2016、2021年)和干旱年(2007、2008、2009、2011、2017年)的降水和環流特征展開分析。

3 2004年以來江南5月極端旱澇情況及環流特征

3.1 極端旱澇年降水概況

圖2(a)—(d)給出了旱澇年降水的距平場及其距平百分率以表征不同年份的差異。結果表明,江南地區偏澇年降水異常程度較偏旱年強,大部分地區日降水量較平均態偏多約4 mm,部分地區超過5 mm,這比氣候平均降水值偏多80%以上。偏旱年大部分地區較常年偏少3～4 mm,部分地區偏少4～5 mm,整體較平均態偏少約30%～50%。

((a—d)中黑框代表江南地區,(a)、(b)打點表示通過0.1顯著性水平的檢驗,(e)中各合成值均通過0.1顯著性水平的檢驗。The black boxes in (a—d) represent the Jiangnan area. The dots in (a) and (b) pass the 0.1 significance level test. All composited values in (e) pass the 0.1 significance level test.)

從圖2所示的旱澇年江南5月各級降水日數來看,偏澇年各級降水日數均較多,無雨日僅有7～8 d。而偏旱年各級降水日數均偏少,近半月(16 d)無降水產生。江南5月降水表現出較強的持續性,因此有必要對旱澇年背后的環流形勢進一步分析。

3.2 極端旱澇年大氣環流形勢

2004年以來,在江南5月偏澇年上空200 hPa中高緯度有一支與EU正位相較為吻合的波列(見圖3(a)),表現為烏拉爾阻塞加強,其下游貝加爾湖上空低壓槽加深,利于引導冷空氣南下,與來自低緯的暖濕氣流在江南一帶對峙,形成鋒區。在副熱帶有一支沿西風急流向下游傳播的波列(南支波列),上述兩支波列下游的江南地區及其東南沿海上空形成異常反氣旋,利于江南地區高空200 hPa附近氣流輻散,為降水提供有利的抬升條件。此外,該異常反氣旋具有準正壓結構,使對流層中下層的WNPAC得到加強和西伸,有利于來自南海、孟加拉灣等地的水汽向江南地區輸送(見圖3(b))。

((a)中紅色等值線為200 hPa緯向風合成(最外層20 m/s,間隔10 m/s)。圖中打點表示位勢高度通過0.1顯著性水平的檢驗,陰影表示散度場通過0.1顯著性水平的檢驗,加粗是通過0.1顯著性水平的檢驗的風場,藍框表示江南地區。The red contour lines in (a) are the composite of zonal winds of 200 hPa (20 m/s in the outermost layer, with an interval of 10 m/s). The dots indicate that the geopotential height pass the 0.1 significance level test. The shading indicates that the divergence field pass the 0.1 significance level test. The wind field that pass the 0.1 significance level test is bolded, and the blue boxes indicate Jiangnan.)

在偏旱年,不列顛群島以東的北海上空被異常高壓控制,中高緯烏拉爾地區為低壓異常,不利于極地冷空氣向東西伯利亞輸送和積累。在南支波列中,地中海上空為低壓異常,在青藏高原上空的高壓異常一定程度上抑制了高原南側的西風繞流,在其下游江南地區上空200 hPa表現為低壓異常,抑制了降水對流過程發生(見圖4(a))。在對流層中下層,西北太平洋、中南半島及孟加拉灣被異常氣旋控制,不利于水汽向江南地區輸送(見圖4(b)),導致江南地區降水量偏少。

((a)中紅色等值線為200 hPa緯向風合成(最外層20 m/s,間隔10 m/s)。圖中打點表示位勢高度通過0.1顯著性水平的檢驗,陰影表示散度場通過0.1顯著性水平的檢驗,加粗是通過0.1顯著性水平的檢驗的風場,藍框表示江南地區。The red contour lines in (a) are the composite of zonal winds of 200 hPa (20 m/s in the outermost layer, with an interval of 10 m/s). The dots indicate that the geopotential height pass the 0.1 significance level test. The shading indicates that the divergence field pass the 0.1 significance level test. The wind field that pass the 0.1 significance level test is bolded and the blue boxes indicate Jiangnan.)

對比旱澇年環流形勢發現,中國東南沿海上空的氣旋或反氣旋異常具有準正壓結構,對應的對流層中下層的WNPAC在西北太平洋、中南半島和孟加拉灣在旱澇年往往具有顯著差異。

為進一步揭示旱澇年遙相關波列的傳播特征與差異,圖5分別合成了旱澇年200 hPa上的波作用通量及經向風場。結果表明,在偏澇年自北大西洋向下游傳播的Rossby波作用通量經過不列顛群島后強度有所增強,有利于正位相的EU的穩定維持(見圖5(a))。沿EU傳播的Rossby波能在經過貝加爾湖后,部分沿中高緯度傳播,另一部分則向下游較低緯度的中國東部至日本一帶傳播。該遙相關波列與Chen等[25]發現的春季北大西洋至歐亞大陸上空波列的結構和Rossby波傳播路徑類似。此外,在偏澇年上空200 hPa,部分Rossby波能自北大西洋上空沿西風急流向下游傳播,并在地中海和伊朗高原上空受高緯南下Rossby波能量的影響而得到加強。在上述兩支波列下游的中國東部至日本一帶,200 hPa異常反氣旋和對流層中下層的WNPAC得以加強和維持,通過對流層上層輻合輻散以及對流層中下層水汽輸送影響江南5月降水。

(圖中打點表示經向風通過0.1顯著性水平的檢驗,加粗是通過0.1顯著性水平檢驗的波作用通量,藍框代表江南地區。The dots in all figures indicate that the meridional wind pass the 0.1 significance level test. Bold the wave action flux that pass the 0.1 significance level test and the blue boxes represent the Jiangnan region.)

偏旱年歐亞大陸上空的波列傳播路徑具有明顯差異,來自北大西洋的Rossby波能量在經過歐亞大陸時,一部分沿西風急流傳播形成南支波列,另一部分從高緯沿不列顛群島向西伯利亞地區傳播,波作用通量在經過西伯利亞上空后減弱(見圖5(b))。

綜上可知,5月來自北大西洋的Rossby波能量在經過歐亞大陸時,部分能量沿副熱帶西風急流傳播,形成南支波列;另一部分從高緯沿不列顛群島向西伯利亞地區傳播。澇年、旱年兩支波列的不同配置一方面可以影響江南地區高空200 hPa附近的輻合輻散,進而影響底層的垂直運動,另一方面此處的異常氣旋或反氣旋具有準正壓結構,在對流層中下層對應于WNPAC強弱和位置的變化,影響向江南地區輸送的水汽。此外,偏澇年正位相的EU有利于冷空氣在貝加爾湖附近積累,南下影響江南地區降水。

4 江南5月降水與北大西洋海溫的可能聯系

為進一步分析江南5月降水極端性在2004年突變前后,江南5月降水與北大西洋SSTA關系的可能變化,圖6分別用回歸分析和合成分析探究了2004年前后超前1年11月至降水發生同期北大西洋SSTA的演變特征。結果表明,相比1980—2003年降水發生前6、4、2、0個月(見圖6(a)—(d)),2004年以來(見圖6(e)—(h))江南5月降水和北大西洋中緯度SSTA聯系顯著增強。結合2004年以來江南5月澇年(見圖6(i)—(l))、旱年(見圖6(m)—(p))降水發生前6、4、2、0個月的北大西洋SSTA演變來看,北大西洋紐芬蘭海盆附近冷SSTA自降水偏多年前的11月開始,隨時間不斷向北大西洋東岸不列顛群島附近移動,于降水發生年5月東移到不列顛群島周圍,偏旱年表現為暖SSTA的東移。有研究指出,春季(3—5月)北大西洋SSTA偏暖容易使其上空位勢高度被抬升,激發一條自北大西洋經歐亞大陸至華北地區“+-+”型的波列,SST偏冷時,波列位相基本相反[17]。本文不列顛群島附近SSTA和其上空位勢高度異常的對應關系與該研究結果較為吻合,然而北大西洋中緯度SST,特別是5月不列顛群島附近SST發生了何種變化才會與江南5月降水關系增強?可能的途徑是什么?需要我們進一步探究。

(紫框內代表不列顛群島及其周圍海域(21.5°W—12.5°E,45.5°N—66.5°N),打點表示SSTA通過0.1顯著性水平的檢驗。The purple boxes represent the British Isles and its surrounding sea area (21.5°W—12.5°E, 45.5°N—66.5°N). Dots indicate that the SSTA pass the 0.1 significance level test.)

不列顛群島5月原始SST(范圍如圖6所示)在1997年發生了明顯突變,升高了約0.62 ℃(見圖7(a)),該結果同樣得到了滑動t檢驗(圖略,窗口為9 a)的驗證。不列顛群島5月原始SST突變后,其異常變化與同期江南5月降水關系由微弱的正相關向負相關轉變。從滑動相關結果來看,自2003年以來江南5月降水與北大西洋SSTA建立起顯著的負相關關系(見圖7(b))。江南5月降水與同期的WNPAC滑動相關關系表明,增強的WNPAC往往會導致江南地區降水偏多,反之偏少,這種關系在近四十多年來是顯著且穩定的(見圖7(c))。WNPAC指數的選取參考了文獻[26]用相對渦度作為WNPAC指數的方法,將其定義為850 hPa上112.5°E—132.5°E,15°N—22.5°N范圍內相對渦度的區域平均值。同時我們發現,不列顛群島周圍5月SSTA和同期WNPAC關系變化的年份節點與同期江南降水關系變化的節點高度一致,2003年前后,不列顛群島周圍5月SSTA和同期WNPAC開始呈現出顯著的正相關關系(見圖7(d))。5月不列顛群島附近SSTA回歸的降水和水汽通量異常場也表明(見圖8),不列顛群島附近SSTA變化和WNPAC關系增強是2004年以來不列顛群島附近SSTA變化和江南5月降水關系明顯加強的原因之一。

((b—d)中9,11,13,15,17 a為滑動窗口長度,黑色點線為0.1的顯著性水平的平均閾值。9, 11, 13, 15, and 17 a in (b—d) are the sliding window lengths. The black dotted line is the average threshold at the 0.1 significance.)

(黑框代表江南地區。Black boxes represent the Jiangnan region.)

為進一步探究5月不列顛群島附近SSTA與江南同期降水穩定關系建立前后與5月不列顛群島附近SSTA相關的大氣環流場的變化,圖9給出了2004年前后不列顛群島附近5月SSTA回歸同期大氣環流場。在1980—2003年5月,不列顛群島附近SSTA偏低時,其上空往往伴隨低壓異常,與不列顛群島附近SSTA偏低相關的遙相關波列在經過烏拉爾山之后,經過伊朗高原、青藏高原后,以四川盆地為中心在高空200 hPa建立起高壓異常,之后該波列向日本上空傳播(見圖9(a))。而在對流層中下層,這支與不列顛群島附近SSTA相關的波列和中國東南部以及西北太平洋關系不顯著,無法與江南降水建立起聯系(見圖9(b))。而2004—2021年與不列顛群島附近SSTA相關的下傳波列發生了顯著變化。一方面,不列顛群島附近SSTA偏低時,其上空常易生成異常低壓,與下游烏拉爾山地區更高緯度聯系增大,同時在貝加爾湖西南側200 hPa上空產生了一個低壓異常,使歐亞大陸中高緯度出現一個類似于正位相的EU波列,增強了向江南地區輸送的冷空氣(見圖9(c)),在與低緯暖濕氣流的配合下影響了江南地區降水多寡。該波列繼續向下游傳播,在中國東南沿海上空200 hPa生成異常反氣旋,有利于江南地區高空氣流輻散。該異常反氣旋具有準正壓結構,與對流層中下層與WNPAC建立起顯著聯系,通過WNPAC增強、西伸增強了水汽向江南地區的輸送,加深了和江南5月同期降水的聯系(見圖9(d))。另一方面,不列顛群島附近SSTA與地中海上空的氣旋或反氣旋異常關系加強,地中海上空的輻合輻散的建立是南支波列是否建立的關鍵因素[14],這可能與南支波列的建立具有一定的關系。

(藍框代表江南地區,打點表示位勢高度場通過0.1顯著性水平的檢驗,加粗是通過0.1顯著性水平檢驗的風場。The blue boxes represent the Jiangnan region, dots indicate geopotential height passing the test at the 0.1 significance level. The wind fields that pass the 0.1 significance level test are bolded.)

5 結論與討論

基于江南5月近20年來旱澇頻發的事實,本文運用1980—2021年5月降水等資料,從江南5月降水特征、極端性變化出發,對自2004年降水極端性顯著增強以來旱澇年降水和大氣環流特征進行了分析。本文同時探究了2004年前、后SSTA與遙相關波列傳播路徑關系的變化以及對江南5月降水的影響?；谏鲜鲅芯康玫揭韵陆Y論:

(1)江南5月降水滑動標準差自2004年以來顯著增大,降水極端性增強。偏澇年降水異常程度較偏旱年嚴重,大部分地區較氣候態偏多至少八成,而偏旱年降水僅較氣候態偏少約三四成。偏澇年5月各等級降水日數均偏多,僅一周左右無降水產生,而偏旱年各級降水日數較少,無雨日高達16 d,環流形勢存在顯著差異。

(2)2004年江南5月降水極端性增強以來,來自北大西洋的Rossby波能量在經過歐亞大陸時,部分能量沿副熱帶西風急流傳播,形成南支波列;另一部分在高緯沿不列顛群島向西伯利亞地區傳播。上述兩支波列在旱澇年的不同分布一方面可以影響江南地區高空200 hPa附近的輻合輻散,進而影響江南地區的垂直運動。另一方面波列下游的江南地區及其東南沿海上空的異常氣旋或反氣旋具有準正壓結構,在對流層中下層對應于WNPAC在孟加拉灣、中南半島和南海上空位置和強弱變化,進而影響向江南地區水汽的輸送。此外,偏澇年正位相的EU有利于冷空氣在貝加爾湖附近積累,南下與低緯暖濕氣流在江南地區一帶相互作用,形成鋒面,影響江南地區降水。

(3)2004年以來不列顛群島附近5月SSTA與歐亞大陸上波列分布的關系發生了變化,以此增強了與江南5月降水的關系。大氣環流的變化影響了高緯EU波列,進而影響了向江南地區輸送的冷空氣。SSTA與中國東南沿海上空通過異常的反氣旋或氣旋變化增強有利于影響江南地區上空的輻合輻散,進而影響到對流層中下層氣流的輻合抬升。此外,中國東南沿海上空通過異常的反氣旋或氣旋具有準正壓結構,通過影響對流層中下層的WNPAC強度和西伸的變化,影響低緯暖濕氣流向江南地區輸送,冷暖空氣在江南地區對峙是影響降水產生的直接原因。

從滑動相關關系來看,不列顛群島周圍SSTA與江南5月降水自2004年以來相關性增強的可能原因是不列顛群島附近5月原始SST在1997年后突然升高了0.6 ℃,這種變化對大氣環流和江南5月降水產生的影響需要在之后的工作中用氣候模式進一步驗證。由于篇幅所限,本文僅討論了北大西洋中緯度SSTA對江南5月降水的影響,熱帶特別是熱帶印度洋和太平洋SSTA對WNPAC和江南地區降水的影響,以及各海區SSTA的相對貢獻將是今后研究的重點。