厄爾尼諾事件的類型、強度對海南島秋汛期降水的影響

汪婉婷, 吳 慧, 蔡夏影, 徐 實

(1.海南省氣象服務中心,?？?570203; 2.海南省南海氣象防災減災重點實驗室,?？?570203; 3.海南省氣候中心,?？?570203)

引 言

海南島雖隸屬于中國華南地區,但其降水變化與華南其他地區有明顯不同。近年來,對華南汛期降水的研究時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在秋汛期,可能還與東亞季風轉換時間偏晚[14]、熱帶氣旋活動等有關。

以往關于ENSO對海南島秋汛期(秋季)降水的影響,主要關注東部型ENSO事件的影響,并且沒有考慮不同類型、強度的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、強度ENSO事件引起的大氣環流往往具有不同特征,其對一些區域的氣候異常的影響也不盡相同,本文利用當年5-10月Nio關鍵區海溫指數資料、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度,比較了不同類型、強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流和水汽輸送場上對海溫異常的響應差異及可能的影響機理,以期為海南島秋汛期降水的短期氣候預測提供更豐富的理論依據和業務參考。

1 資料與方法

采用的資料包括:(1)國家氣候中心下發的氣候系統監測指數中的Nio指數;(2)NCEP/NCAR[16]月平均再分析數據資料;(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。本文的研究時段為1961-2018年。

分析方法主要運用了相關分析、合成分析等常規氣象統計方法。

厄爾尼諾事件的類型和強度的劃分方法:考慮到當年5-10月Nio3.4區SSTA的平均值(I)與海南島秋汛期平均降水量為顯著負相關關系,且為更好體現出厄爾尼諾指數峰值時間出現在秋汛期前和秋汛期后對當年海南島秋汛期降水影響的不同,本文以當年5-10月3個月滑動平均的I達到最大時的值來確定其當年強度:當0.5 ℃≤I<1.3 ℃時強度為輕,當1.3 ℃≤I<2.0 ℃時為中等,當2.0 ℃≤I<2.5 ℃時為強,當I≥2.5 ℃時為超強。此外,以當年5-10月3個月滑動平均的東部型厄爾尼諾指數IEP和中部型厄爾尼諾指數ICP中的最大值來確定當年厄爾尼諾事件的類型(IEP和ICP的計算參考文獻[9])。根據此劃分方法,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的海南島秋汛期降水異常情況

2 不同類型、強度厄爾尼諾事件影響下的降水差異

根據挑選出的厄爾尼諾事件,分別對秋汛期海南島降水的時間和空間分布進行分析,結果見圖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,藍色點虛線: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,大部分地區降水量偏少在10.0%～40.0%,海南島的東南半部地區偏少較多,東南部沿海的陵水偏少最多,達到-40.6%(圖2a);E2事件年,大部分地區偏少為10.0%～30.0%,偏少較多的地區為海南島東北部地區、西部沿海地區和中部偏南地區,偏少最多的是北部內陸的定安,為-30.5%(圖2b)。C事件年,西南部局部地區降水略偏多,其余地區均不同程度偏少,大部分地區偏少在20.0%以上,偏少較多的地區位于中部山區和東北部地區,其中偏少最多的瓊中達到-49.2%(圖2c)?？梢姸驙柲嶂Z事件類型、強度不同,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、強度厄爾尼諾事件的響應

3.1 海南島秋汛期降水與大氣環流和水汽輸送相關

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

在200 hPa風場與降水的相關圖上(圖3a),貴州、湖南、江西一帶存在顯著負相關,內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,海南島及其附近地區的上空受東北輻散氣流控制,表明西風急流加強(減弱)、我國長江中游南部的高層出現東風(西風)異常、熱帶中西太平洋高層出現西風(東風)異常,我國東南沿海附近反氣旋性環流偏強(弱),海南島上空輻散增強(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為顯著負相關,在(20°-40°N、110°E-140°W)的區域上為顯著正相關,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(弱),有利于(不利于)副高南側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風場與降水的相關圖上(圖3c),熱帶西太平洋至華南地區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分別與秋汛期降水存在顯著負或正相關,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,同時海南島及南海海域附近存在異常的氣旋性環流時,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圖上(圖3d),我國華南至20°S,160°E以西存在大范圍的顯著負相關,熱帶中東太平洋海域則為大范圍顯著正相關區,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、負相關區,表明南海和菲律賓東南海域熱帶低值系統和太平洋高壓均偏強(弱)時,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(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風場(a)、500 hPa高度場(b)、850 hPa風場(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)的相關系數分布陰影區由淺到深分別表示相關系數通過0.1、0.05和0.01的顯著性水平檢驗

對整層積分的垂直速度、水汽通量及其散度和降水的相關系數分布(圖3e、f)進行分析,可見在10°-30°N、130°E的東、西側垂直速度與秋汛期降水之間分別存在顯著的正、負相關區,其中海南島東北部地區及其以東的近海海域為負相關中心區,在20°N、150°E附近為正相關中心區。在15°-30°N、100°-140°E范圍內水汽通量散度與降水的相關系數呈“+-+”分布。說明當我國華南和南海北部特別是海南島上升運動偏強(弱)、西北太平洋下沉運動偏強(弱),水汽存在從西北太平洋、南海和我國西南地區向海南島及其附近地區的異常輻合(輻散)時,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論基本一致[15,17-19]。

3.2 不同類型、強度厄爾尼諾事件年秋汛期大氣環流、水汽輸送合成分析

為進一步了解不同類型、強度厄爾尼諾事件年秋汛期大氣環流和水汽輸送響應的差異,首先簡要了解不同類型、強度事件年秋汛期環流和水汽輸送距平場的異常特征,再詳細分析同類型不同強度E1-E2、不同類型不同強度E1-C及不同類型同強度E2-C事件年的情況。

分析表明,E1、E2和C事件年秋汛期高、中、低層環流和水汽輸送距平場的關鍵區總體上均表現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風場上(圖4a),西風急流偏弱,海南島及其附近地區上空高空風輻散偏弱,說明E1事件年較E2事件年更不利于垂直上升運動的維持。500 hPa位勢高度場上(圖4b),東亞沿岸出現東北西南走向的“+-+”波列,類似于北半球夏季EAP型遙相關低指數年的分布,海南島和南海海域為顯著的正差值區,E1事件年這些地區熱帶低值系統活動明顯弱于E2事件年,海平面氣壓場上也反映了同樣的特征,且范圍擴大到西太平洋(圖4d)。相應在850 hPa風場上,低緯西太平洋出現顯著的西風異常,菲律賓南部海域至孟加拉灣以西出現顯著東風異常,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流控制(圖4c),E1事件年比E2事件年更有利于華南地區包括海南島低層輻散的增強[20-21],對流層整層水汽在海南島的輻散也比E2事件年更強(圖4f)。唯一不利的是,E1事件年海南島的垂直上升運動略強于E2事件年(圖4e)?？梢?同類型不同強度事件中,強度越強時(E1事件年),由于沃克環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和印度洋的異常東風更明顯[15],從而可能通過Gill型響應[22]在南海和菲律賓附近海域激發異常的反氣旋性環流越強,并激發越強的類似EAP的遙相關波列[23],越不利于水汽向海南島的輸送和整層水汽輻合,導致其降水比弱強度時(E2事件年)偏少更多。

圖4 同類型不同強度E1-E2事件年海南島秋汛期200 hPa風場(a)、500 hPa高度場(b)、850 hPa風場(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

E1-C事件年,200 hPa風場上西風急流總體偏強,海南島及其附近地區高空輻散偏強(圖5a),C事件年比E1事件年更不利于上升運動維持。500 hPa位勢高度場上(圖5b),我國低緯度地區為弱的正差值區;而海平面氣壓場上(圖5d),海南島大部分地區為負差值區,南海的大部分海域和熱帶西太平洋海域為正差值區,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受熱帶低值系統影響較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較E1事件年的明顯活躍。850 hPa風場上(圖5c),海南島受異常的西風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差值,C事件年該區域垂直上升運動明顯弱于E1事件年(圖5e)?？梢?不同類型不同強度事件中,可能由于兩者對應的沃克環流的東移位置、范圍和強度減弱程度不同(圖略),E1事件年異常下沉區域出現在90°-150°E、平均異常下沉運動較強,C事件年則出現在100°-140°E且110°E附近異常下沉運動相對強,使C事件年海南島大部分地區熱帶低值系統相對更不活躍、高層輻散條件更差、低層水汽輸送更少、垂直上升運動更弱,對海南島秋汛期降水抑制作用總體強于E1事件年的抑制作用。

圖5 不同類型不同強度E1-C事件年海南島秋汛期200 hPa風場(a)、 500 hPa高度場(b)、 850 hPa風場(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

E2-C事件年,200 hPa風場(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;低層風場上(圖6c),低緯西太平洋海域為東風異常,馬來半島至南海中南部海域為西風異常,海南島受異常偏東氣流影響;垂直速度場上海南島為負差值區(圖6e),水汽通量散度場上水汽從東、西兩側向海南島輻合(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動的維持,同時海南島及其附近海域熱帶低值系統活動顯著減弱,偏東氣流輸送和垂直上升運動更弱,水汽輻合顯著減少。這可能是因為在不同類型同強度事件中,E2事件年沃克環流的異常下沉運動主要出現在85°-135°E且強度相對較弱,C事件年異常下沉區范圍東移縮小、強度更強(圖略),導致C事件年出現比E2事件年更加明顯不利于海南島秋汛期降水發生的環流和水汽輸送形勢。

圖6 不同類型同強度E2-C事件年海南島秋汛期200 hPa風場(a)、 500 hPa高度場(b)、 850 hPa風場(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

4 結論與討論

(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為西南局部地區偏多、其余地區偏少;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?？臻g分布為一致性偏少。

(2)海南島秋汛期降水異常與大氣環流和水汽輸送密切相關。當高層西風急流偏弱、我國長江中游南部出現西風異常、熱帶中西太平洋出現東風異常,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西風異常、中南半島南部出現東風異常,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不活躍,太平洋高壓偏弱,海南島上空垂直上升運動減弱、水汽輻合減少時,有利于海南島秋汛期降水偏少。

(3)不同類型和強度的厄爾尼諾事件年大氣環流總體上表現出有利于海南島秋汛期降水偏少的響應特征,但存在響應程度上的差異。這種差異可能由于不同類型、強度的海溫異常影響沃克環流的位置、強度的不同程度變化,造成風場、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程度上的差異,最終使海南島秋汛期降水發生不同程度的減少。

(4)雖然平均而言,不同類型和強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。初步的研究發現,這些年份中大氣環流的響應并不同于平均情況,其深層次的成因有待于進一步研究。