气候与环境研究  2016, Vol. 21 Issue (6): 678-686   PDF    
El Niño对东亚夏季风和夏季降水季节内变化的影响
赵俊杰1,2 , 薛峰3 , 林万涛2 , 段安民2     
1 成都信息工程大学大气科学学院, 成都 610225;
2 中国科学院大气物理研究所大气科学与地球流体力学数值模拟国家重点实验室, 北京 100029;
3 中国科学院大气物理研究所国际气候与环境科学中心, 北京 100029
摘要: 基于1979~2012年候平均再分析资料,合成分析了El Niño对东亚夏季风和夏季降水季节内变化的影响。结果表明,在El Niño衰减年夏季,西太平洋副热带高压(副高)明显偏强,位置偏向西南。副高的这种异常特征随夏季的季节进程有明显变化,初夏异常较弱,盛夏期间异常达到最强。此外,根据东亚夏季风降水呈现阶段式北进的特征,将夏季分为华南前汛期、江淮梅雨期、华北和东北雨期以及华南后汛期来分析东亚夏季风和降水的季节内变化。在上述各个时期,大气对流层低层表现为一致的环流异常型,副高及其以南区域为异常反气旋,其北部为异常气旋。这种异常环流型加强了副高南部偏东风及其北部偏北风,增强了热带水汽输送和高纬度地区冷空气的入侵,二者结合造成主汛期地区降水增加。需要强调的是,上述环流异常型随东亚夏季风逐步向北推移,导致东亚各地区的主汛期降水增加,非主汛期降水减少,降水分布更为集中。
关键词: 东亚夏季风      副热带高压      El Niño      季节内变化      夏季降水     
The El Niño Influence on Intra-seasonal Variations of East Asian Summer Monsoon and Summer Rainfall
ZHAO Junjie1,2, XUE Feng3, LIN Wantao2, DUAN Anmin2     
1 School of Atmospheric Sciences, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225;
2 State Key Laboratory of Number Modeling for Atmosphere Sciences and Geophysical Fluid Dynamics Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029;
3 International Center for Climate and Environment Sciences, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029
Abstract: The influence of El Niño on the intra-seasonal variations of East Asian summer monsoon (EASM) and summer rainfall is studied based on pentad mean reanalysis data during 1979-2012. It is shown that, during the El Niño decaying summer, the western Pacific subtropical high (WPSH) tends to extend more southwestward with a stronger intensity. The anomaly enhances with the seasonal march, with a weaker anomaly in the early summer and the anomaly reaches its maximum in the late summer. Based on the feature that summer rainfall in East Asia tends to advance northward in a stepwise way, we divide the major rainy period into four periods, i.e., the pre-flooding period in southern China, the Meiyu period over Yangtze-Huaihe River basin, the rainy period in northern and northeastern China, and the post-flooding period in southern China, and analyze the intraseasonal variations of the EASM and summer rainfall. During the above four periods, there appears a consistent anomalous circulation pattern in the lower troposphere. There is an anomalous anticyclone in the southern flank of the WPSH and a cyclonic anomaly in the northern flank, respectively. As a result, the moisture transport from the tropics and the cold air from high latitudes both intensify due to the enhancement of the easterlies to the south and the northerlies to the north of the WPSH, leading to more rainfall over the major rainy region. It is important to note that this anomalous pattern tends to move northward with the EASM, resulting in more rainfall during the major flooding period and less rainfall in other periods over each individual region of East Asia.
Key words: East Asian summer monsoon     Subtropical high     El Niño     Intra-seasonal variation     Summer rainfall    

1 引言

东亚夏季风具有显著的季节内变化。竺可桢(1934)指出东亚夏季风具有“其来也渐,其退也速”的基本特征。涂长望和黄士松(1944)发现夏季风雨带在北进过程中有两次明显的北跳。其后的研究进一步确认了东亚夏季风盛行期间雨带存在两次阶段性北进和三次停滞。5月底到6月上旬雨带位于华南地区,为华南前汛期;6月中旬西太平洋副热带高压(副高)发生第一次北跳,雨带位于江淮流域到日本一带,为江淮梅雨期;7月下旬副高第二次北跳,其主体东退到日本南部,雨带位于华北和东北地区。副高的两次北跳决定了雨带的北进和停滞,是东亚夏季风季节内变化的重要特征(Tao and Chen, 1987苏同华和薛峰,2010Xue et al., 2015)。

作为热带海气耦合系统最强的年际变化信号,El Niño对东亚夏季风的年际变化有重要影响。符淙斌和滕星林(1988)发现El Niño的影响与其位相有关。在El Niño发展年夏季,副高强度偏弱并偏东,中国东部地区降水偏少。而在衰减年夏季,副高偏强并偏南,长江流域多雨而两侧少雨,这种三极型降水分布是预测El Niño影响中国夏季降水的重要指标。但与热带夏季风如印度夏季风有所不同的是,El Niño对东亚夏季风的影响在其衰减年更为显著。例如,1997~1998年发生了一次20世纪最强的El Niño事件,1998年(El Niño衰减年)夏季,长江流域发生了罕见的洪涝灾害(陶诗言等,1998)。此外,东亚夏季风的季节内变化也能影响到其年际变化。例如,Kawatani et al. (2008)发现副高的年际变化在6月最小而8月最大。薛峰和刘长征(2007)发现El Niño对东亚夏季风的影响随季节进程有明显变化,6月影响较弱,而8月影响最强。Su and Xue (2011)比较了副高两次北跳的年际变化,发现二者相互独立并受到不同因子的影响,而El Niño能显著影响到副高的第二次北跳。因此,El Niño对东亚夏季风的影响与其季节进程有密切关系。

另一方面,由于上述研究结果多限于月平均资料,尚不清楚东亚夏季风的季节进程与El Niño影响的具体关系。有鉴于此,本文采用候平均资料来分析El Niño衰减年东亚夏季风环流和降水季节内变化的特征,期望进一步揭示El Niño对东亚夏季风和降水年际变化的影响。具体章节安排如下,引言之后简介文中的资料和方法,第3节分析El Niño衰减年东亚季风环流和降水的季节内变化特征,第4节分析其可能成因,最后是结论。

2 资料和方法

本文所用的资料有:英国气象局Hadley气候中心提供的月平均海表温度(SST)再分析资料,分辨率为1°(纬度)×1°(经度)(Rayner et al., 2003);美国国家环境预测中心和能源部提供的逐日大气环流再分析资料,包括水平风场和位势高度场,分辨率为2.5°(纬度)×2.5°(经度)(Kanamitsu et al., 2002);美国国家海洋和大气管理局提供的向外长波辐射(OLR)逐日再分析资料,分辨率为2.5°(纬度)×2.5°(经度)(Liebmann and Smith, 1996);全球降水气候学计划提供的逐候降水资料,分辨率为2.5°(纬度)×2.5°(经度)(Huffman et al., 1997),上述资料时段统一取为1979~2012年。为方便起见,日平均资料进一步处理为候平均资料。

按照国家气候中心的定义(赵振国等,1999),使用500 hPa等高面上逐候位势高度场计算表示副高特征的指数,具体如下:(1)西伸脊点指数:取90°E~180°E范围内5880 gpm等值线最西位置的经度值;(2)面积指数:在(5°N~45°N,90°E~180°E)范围,5880 gpm等值线内的格点数,相交点距离最近等值线内格点超过一半计数,反之不计;(3)脊线位置:在110°E~150°E范围内,副高脊线与每隔2.5°的经线交点的平均纬度值。在定义脊线指数时,规定在此范围内出现多个副高单体时,均予以考虑,但5880 gpm等值线范围内只包含有一个网格点的孤立副高单体则不予以考虑。

本文使用合成方法分析El Niño对东亚夏季风的影响。考虑到El Niño的影响主要体现在衰减年夏季,我们分析了El Niño衰减年西太平洋副高和降水的季节内变化,并利用t检验方法来检验结果的显著性。

根据3个月滑动平均的Niño3.4指数来选择El Niño事件(Trenberth,1997),该指数定义为Niño3.4区(5°N~5°S,120°W~170°W) SST异常。考虑到弱El Niño事件的影响较小,文中仅选择中等强度以上(超过1个标准差,即1°C)的El Niño事件作为研究对象。如图 1所示,在1979~2012期间共有8个中等强度的El Niño事件,即1982~1983年、1986~1988年、1991~1992年、1994~1995年、1997~1998年、2002~2003年、2006~2007年、2009~2010年。此外,因为1986~1988年El Niño事件的位相演变与其他事件不吻合,所以排除该次事件,将其余7个El Niño事件进行合成,分析El Niño对东亚夏季风季节内变化的影响。

图 1 1979~2012年3个月滑动平均的标准化Niño3.4指数,灰色区域代表El Niño事件 Fig. 1 The normalized 3-month running mean Niño3.4 index during 1979-2012, the grey region indicates the El Niño events
3 西太平洋副高和降水的季节内变化

图 2为El Niño衰减年夏季副高的逐候变化,同时给出其相应的月平均以做比较。与气候平均相比,El Niño衰减年副高偏向西南,强度明显偏强。候平均结果显示El Niño衰减年副高的季节内变化总体上是增强的,主要表现为副高西伸脊点偏西,振荡增强。6月与气候平均差异较小,较为明显的是第33候(6月10~14日)偏西约10个经度。到7月,与气候平均的差异开始增大,副高偏西偏强。到8月,气候平均的副高变化范围仅限于日本南部区域,但El Niño衰减年副高西伸至中国大陆,强度偏强,逐候之间的变化也明显增强。对应的月平均也显示,6月与气候平均差异较小,8月差异最大,说明副高对El Niño信号的响应随夏季季节进程逐渐增强。

图 2 夏季逐候(a、b、c)气候平均和(d、e、f) El Niño衰减年平均西太平洋副高位置(图中数字为候序),以及(g)6月、(h)7月、(i)8月月平均西太平洋副高位置(实线为El Niño衰减年,虚线为气候平均)。为清晰起见,仅给出5880 gpm等值线 Fig. 2 Pentad means of the western Pacific subtropical high during the summer of El Niño decaying years and the climatological means. (a), (b), and (c) represent the climatological means, (d), (e), and (f) represent the means in El Niño decaying years. The corresponding monthly means are shown in (g), (h), and (i), the solid and dashed contours represent the means in El Niño decaying years and climatological means, respectively. The number represents the Julian pentad. For clarity, only the 5880 gpm contour is shown

为进一步显示El Niño对副高季节内变化的影响,图 3给出副高脊线、西伸脊点和面积的逐候变化过程。图 3a显示在整个夏季期间,El Niño衰减年副高脊线较气候平均明显偏南,平均偏南约4个纬度,二者差异在7月底达到最大,至8月底接近气候平均。此外,在El Niño衰减年西伸脊点明显偏西,在盛夏期间(7月20日之后)偏西达到最大,这与脊线的变化类似(图 3b)。副高在夏季期间有一次明显的西伸和东退过程,分别对应于梅雨的开始和结束。第一次西伸约在6月10日,El Niño衰减年与气候平均差异不大。但东退的时间则有很大差异,气候平均约在7月20日,而El Niño衰减年则推迟到8月初,说明El Niño使东亚地区的季节进程减速。图 3c显示气候平均的副高强度有明显的季节内变化,初夏开始逐渐增强,到7月20日开始明显减弱。但在El Niño衰减年,副高到8月初才开始减弱,其强度在8月与气候平均差异最大(图 2)。副高三个指数的异常变化说明El Niño能够显著影响到副高的季节内变化,并且这种影响与季节进程有关,初夏影响较弱,盛夏期间达到最强。

图 3 夏季西太平洋副高各指数逐候变化(实线为El Niño衰减年,虚线为气候平均):(a)脊线指数;(b)西伸脊点指数;(c)面积指数 Fig. 3 Pentad mean indices of the western Pacific subtropical high during the summer (the solid and dashed lines represent El Niño decaying years and climatological mean, respectively): (a) Ridge line; (b) west point; (c) area index.

Tao and Chen (1987)曾采用6 mm/d降水量等值线来描述亚洲夏季风的推进过程,这里沿用该指标来描述东亚夏季风雨带的季节内变化。如图 4a所示,在夏季期间,东亚地区存在热带和副热带两条主雨带,其中热带雨带从8°N逐渐北扩到20°N附近,且呈现出显著的季节内振荡。与热带雨带有所不同的是,副热带雨带随夏季的季节进程从20°N逐渐向北推进到40°N,7月20日之后,雨带不明显。与气候平均相比,在El Niño年衰减年夏季,副热带雨带的雨量偏大,雨带较窄,降水中心偏南,最明显的是8月仍存在雨量较大的降水区域。此外,副热带雨带的降水中心有两次明显的北跳过程,第一次北跳在6月中下旬,北跳约5个纬度,第二次北跳在7月20日,北跳约9个纬度,6 mm/d等值线明显断裂。在两次北跳之间,雨带也在渐进北移,但幅度较小,对应于长江流域到日本一带的梅雨期。第二次北跳之后,东亚夏季风雨带推进到最北位置,华北和东北雨季开始,但维持时间较短,雨量亦较小。

图 4 (a)夏季110°E~150°E平均逐候降水量演变,其中等值线为气候平均,填色区为El Niño衰减年;(b) El Niño衰减年夏季降水量异常,其中黑色和白色点分别表示超过90%和95%显著性检验的降水异常区域 Fig. 4 (a) Pentad mean rainfall in the summer averaged over 110°E-150°E, the contour and shading represent the climatological mean rainfall and mean rainfall in El Niño decaying years, respectively. (b) Rainfall anomalies in El Niño decaying summer, regions with the black and white dots indicate the rainfall anomalies over the 90% and 95% confidence levels, respectively

从降水异常可以更清楚看到El Niño对东亚地区夏季降水的影响(图 4b ),热带地区在6~7月间降水偏少,但8月降水偏多。华南地区在前汛期雨量偏多,但随后降水逐渐减少并在后汛期转变为负异常。同华南地区类似,长江流域以及华北和东北地区的雨量也表现为当地主汛期偏多,其它时段偏少。因此,El Niño对东亚夏季降水的影响与季节进程和区域有关,这与以前基于月平均或夏季平均资料得到的结果有所不同。

根据上述东亚夏季雨带的季节内变化,分如下4个阶段来分析东亚各区域降水的变化,即华南前汛期(5月31日~6月14日)、江淮梅雨期(6月15日~7月24日)、华北和东北雨期(7月25日~8月13日)和华南后汛期(8月14日~8月29日)(图 5)。在华南前汛期(图 5a),副高偏向西南,近赤道地区降水偏多,但从印度到菲律宾以东降水偏少。在东亚副热带地区,华南到日本南部降水偏多,华北一带降水偏少。随着东亚夏季风的北进,进入梅雨期后(图 5b),图 5a中降水异常中心均一致向北移动,副高西伸并发生第一次北跳,同时偏向程度较华南前汛期更为明显,华南降水开始减少,江淮流域到日本降水增多,同时华北降水负异常开始减弱。梅雨结束之后,东亚夏季风推进到最北位置,副高开始控制长江中下游地区,华北、东北和朝鲜半岛降水增多,长江以南地区降水减少(图 5c)。在华南后汛期,随着夏季风的衰退,降水异常开始明显减弱,除黄河下游有小范围的降水正异常中心外,中国东部降水异常不明显(图 5d)。因此,El Niño对东亚夏季降水的影响与东亚夏季风的进程有关,表现为当地主汛期降水增多,非主汛期降水减少,降水分布更为集中,从而增加了主汛期极端降水的发生概率。

图 5 El Niño衰减年夏季不同阶段降水量异常(单位:mm/d)和500 hPa西太平洋副高(单位:gpm),其中填色区域超过95%显著性检验,蓝色和红色等值线分别为气候平均和El Niño衰减年副高:(a)华南前汛期(5月31日~6月14日);(b)江淮梅雨期(6月15日~7月24日);(c)华北和东北雨期(7月25日~8月13日);(d)华南后汛期(8月14日~8月29日) Fig. 5 Summer rainfall anomalies (mm/d) and 500-hPa western Pacific subtropical high (gpm) in different periods of El Niño decaying years. Shaded regions represent the rainfall anomalies over the 95% confidence level, the blue and red contours represent the subtropical high for the climatology and El Niño decaying years, respectively: (a) Pre-flooding period in southern China (31 May to 14 Jun); (b) Meiyu period over Yangtze-Huaihe River basin (15 Jun to 24 Jul); (c) rainy period in northern and Northeast China (25 Jul to 13 Aug); (d) post-flooding period in southern China (14 Aug to 29 Aug)
4 成因分析

研究表明,El Niño能显著影响到印度洋SST的年际变化。在衰减年夏季,印度洋变暖并起到电容器的作用,从而延长了El Niño对东亚夏季风的影响(Yang et al., 2007)。如图 6所示,热带印度洋海温明显偏暖,对流增强。Xie et al.(2009)的研究表明,这种异常能激发出斜压Kelvin波并传播到西太平洋,中南半岛到菲律宾以东对流偏弱,热带为偏东风异常,热带夏季风偏弱,长江流域到日本南部为偏西风异常,西太平洋为反气旋异常,从而造成副高偏向西南方向,强度增强。从图 2图 3可以看到,副高异常在夏季各个时期是一致的,说明这种影响贯穿整个夏季。

图 6 (a) El Niño衰减年夏季平均海表温度异常(填色区,单位:°C)和500 hPa西太平洋副高(等值线,单位:gpm),其中黑色(绿色)打点区域代表通过90%(95%)信度检验,蓝色和红色等值线分别为气候平均和El Niño衰减年副高位置;(b) El Niño衰减年夏季850 hPa风场异常(矢量,单位:m/s)和向外长波辐射异常(填色,单位:W/m2),其中红色矢量和填色区域代表通过95%信度检验 Fig. 6 (a) Summer mean sea surface temperature anomalies in El Niño decaying years (shading, units: °C) and 500-hPa western Pacific subtropical high (contour, units: gpm). Regions with black (green) dots represent the anomalies over the 90% (95%) confidence level, the blue and red contours represent the subtropical high for the climatology and El Niño decaying years; (b) 850-hPa wind anomalies (arrows, units: m/s) and outgoing longwave radiation anomalies (shading, units: W/m2) in El Niño decaying years. Red arrows and shaded regions represent the anomalies over the 95% significance level, respectively

此外,El Niño的影响还与东亚夏季风的季节进程有关。如前所述,副高和夏季风雨带呈阶段式北进特征,这种特征能进一步影响到El Niño衰减年夏季降水异常分布。如图 7所示,在夏季各时期,均表现为较为一致的环流异常。副高主体及其以南地区为明显的反气旋环流异常,这与图 6中夏季平均的结果大体一致。副高北部则为明显的气旋环流异常,这与暖池对流异常变化造成的东亚-太平洋遥相关型有关(Nitta,1987Huang and Wu, 1989)。在华南前汛期(图 7a),从印度到日界线对流偏弱,对应于反气旋环流异常,其以北地区为气旋环流异常,造成副高偏向西南(图 5a)。同时,副高南部偏东风异常加强了水汽向华南地区的输送,而副高北部的偏北风异常则增强了来自高纬度地区的冷空气入侵,结果造成了华南地区辐合和对流增强,降水增多。进入梅雨期之后(图 7b),上述异常环流型整体北进,副高仍维持偏向西南的形态(图 5b),华南到菲律宾以东在副高控制之下,对流减弱,降水减少,而长江流域到日本降水增多。7月下旬之后(图 7c),东亚地区环流形势发生了较大变化,除上述环流异常型整体北进之外,异常反气旋范围明显扩大,从华南沿西南东北走向延伸到北美西海岸,副高与气候平均差异进一步增大(图 5c),华北和东北到日本北部降水增多,而长江以南降水减少。8月中旬之后(图 7d),夏季风开始明显衰退,之前的带状异常环流转变为范围较小的异常环流,除黄河下游维持范围较小的降水正异常之外,中国东部降水异常不明显。

图 7 El Niño衰减年夏季不同阶段850 hPa风场异常(矢量,单位:m/s)和向外长波辐射异常(填色,单位:W/m2),其中红色矢量和填色区域代表超过95%显著性检验:(a)华南前汛期;(b)江淮梅雨期;(c)华北和东北雨期;(d)华南后汛期 Fig. 7 850-hPa wind anomalies (arrows, units: m/s) and outgoing longwave radiation anomalies (shading, units: W/m2) in El Niño decaying summer, the red arrow and shaded regions represent the anomalies over the 95% significance level, respectively: (a) Pre-flooding period in southern China; (b) Meiyu period over Yangtze-Huaihe River basin; (c) rainy period in northern and Northeast China; (d) post-flooding period in southern China

上述分析表明,El Niño不仅能影响东亚夏季平均的气候异常,而且这种影响还与东亚夏季风的进程有关。随着夏季风逐步向北推进,环流异常及相关的降水异常亦随之北移,从而造成东亚各地区主汛期降水增加,非主汛期降水减少。需要说明的是,随着异常反气旋向北推进和扩展,占据了原来为异常气旋的地区。在夏季平均的异常环流图上(图 6),可以清楚看到异常反气旋,但难以反映副高北部的异常气旋。

5 结论

本文基于1979~2012年再分析资料,选择了7个较强的El Niño事件,合成分析了El Niño对东亚夏季风和降水季节内变化的影响。结果表明,在El Niño衰减年夏季,西太平洋副高偏向西南,强度明显增强。这种异常形态随夏季季节进程有明显变化,6~8月逐渐增强,8月异常最为明显,表现为副高第二次北跳和东退明显偏晚,从而延迟了东亚夏季风的季节进程。

东亚夏季风雨带存在显著的季节内变化,随着副高向北推进,夏季雨带亦随之北移,并呈现停滞和北跳交替变化的特征。据此我们将东亚夏季风降水划分为四个时期,即华南前汛期、江淮梅雨期、华北和东北雨期以及华南后汛期,分析了各时期降水异常的分布特征和形成原因。结果表明,El Niño对东亚夏季降水的影响与东亚夏季风的季节进程和区域有关。在上述各个时期,降水异常特征主要表现为当地主汛期降水增加,其他时期偏少,这与东亚地区的异常环流变化有关。受暖池对流异常变化的影响,东亚地区出现显著的异常环流型,即东亚-太平洋遥相关型。在副高主体及其以南地区为反气旋环流异常,其以北地区为气旋环流异常。副高南部的偏东风异常加强了来自热带的水汽输送,而其北部的偏北风异常则加强了高纬度的冷空气入侵,二者结合造成辐合增强和降水增加。值得注意的是,这种异常环流型随东亚夏季风的进程逐步北移,造成东亚各地区主汛期降水增加,夏季降水更加集中,从而增加了El Niño衰减年夏季极端降水的发生概率。例如,1998年夏季长江流域的洪涝灾害即与频发的暴雨有关(陶诗言等,1998)。因此,在El Niño衰减年夏季,必须进一步加强夏季极端降水的预测和次生旱涝灾害的预防。

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