近20年北大西洋中纬度海温与江南5月降水关系增强的可能原因*

郭浩康, 李 春, 石 剑

(中国海洋大学海洋与大气学院, 山东 青岛 266100)

江南春雨是3月初至5月末发生在长江以南、南岭以北的阶段性降水[1-4],开始时间早于华南前汛期。江南春季雨量随季节推进而增大,其中近一半降水集中于5月,约占该地全年总降水量15%[5-6]。由江南春雨雨量的变化导致的极端旱涝事件,对人口稠密的江南地区农作物春播具有重大影响。

江南春雨是自低纬的暖湿气流与来自北方的干冷空气持续对峙形成的产物[7]。学者们从不同角度对长江以南的春季降水特征及其影响因子展开了多方面研究。其中,西北太平洋异常反气旋(WNPAC)的位置和强度能够影响向江南地区输送的水汽,影响江南地区雨量。已有研究表明,春季WNPAC的变化与前期热带中东太平洋海表面温度异常(Sea surface temperature anomaly, SSTA)、热带印度洋SSTA以及青藏高原热力性质异常密切相关[8-10]。

除热带和副热带外,中高纬遥相关波列引起的大气环流异常也会影响江南春雨多寡。欧亚遥相关(Eurasian teleconnection, EU)是在欧亚大陆上空自西向东传播的一支波列[11],EU处于正位相时,西伯利亚上空位势高度偏高,贝加尔湖上空槽加深,利于冷空气南下,导致地处江南的江西春季降水异常偏多,反之负位相的EU易导致江西春季降水异常偏少[12]。也有学者发现,冬季以对流层上层北非-亚洲副热带西风急流为波导的Rossby波列(简称:南支波列)向长江以南传播[13-14],引起冬季长江以南降水异常。该波列在春季同样会通过影响长江以南上空异常辐合辐散引起对流层中下层的垂直运动异常,进而影响降水多寡[15]。研究指出,上述两支波列的不同配置会影响东北地区春季降水多寡[16],但这两个波列的不同配置是否会影响江南春雨仍关注较少。

北大西洋是重要的波源地,春季热带北大西洋SSTA可通过引起对流或降水异常来驱动上述两支波列[16]。而中纬度北大西洋SSTA偏高(偏低)时,其上空位势高度场升高(降低),激发向下游传播的波列,使华北地区产生下沉(上升)运动,华北春季异常干旱(多雨)[17]。

观测资料显示,自二十世纪末以来,北大西洋中纬度春季SST明显升高[17]。另一方面,我们从已知的事实中发现,近20年来江南地区5月极端旱涝情况较二十世纪八、九十年代明显加重。那么,江南地区5月旱涝极端性何时增强?降水年际变率变化对应的大气环流特征是否发生了改变?这些改变是否与北大西洋SST的变化有关?这些问题是本文探讨的主要内容。

1 资料和方法

1.1 数据资料

本文所用降水资料为美国国家气候预测中心(Climate prediction center, CPC)提供的1979年1月1日至今的陆地逐日降水资料,水平分辨率为0.5°×0.5°,逐月降水资料由其平均而成。同时本文用到了美国环境预测中心/国家大气研究中心(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资料[18],水平分辨率均为2.5°×2.5°,本文既使用了位势高度场、风场和比湿等不同等压面上的数据,也采用其中的地表气压以消除地势对等压面数据的影响。此外,文中逐月海表面温度(Sea surface temperature, SST)数据来自于英国气象局哈德来中心(Met Office Hadley Centre)[19],原始资料跨度为1870年1月至今,水平分辨率为1°×1°。本文研究时间段为1980—2021年,气候态选取1981—2010年。

1.2 方法与计算

结合5月降水分布特征(见图1(a)、(b))和前人研究,江南地区定义为25.5°N—30.5°N,113.5°E—121.5°E区域内的陆地。此外,西北太平洋异常反气旋以及北大西洋SST和SSTA等指数选取的时空范围均在文中予以了说明。本文主要涉及到标准差、滑动标准差、滑动t检验、合成分析、回归分析、滑动相关以及t检验等常规气候统计方法,也运用了降水距平百分率等计算。

((a)、(b)中黑框代表江南地区,(c)中黄(绿)柱体代表降水不低(高)于正(负)一倍标准差的年份。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.)

江南地区各格点逐年5月每日降水等级根据中国现行降水量等级划分标准[20-21]进行定义,各个点5月无雨、小雨、中雨、大雨和暴雨总日数据此统计得出,取其区域平均值作为江南地区各等级降水日数Iyk,公式如下:

(1)

式中:y表示年份;k表示降雨量为无雨至暴雨等级(k=0,1,2,3,4);dijyk表示格点(i,j)第y年定义为k等级的日数;n、m分别表示江南地区格点经、纬向长度。

大气Rossby波的传播参考文献[22]的方法计算TN波作用通量来表征。鉴于对流层300 hPa以上水汽输送较弱,以及地形的影响[23],整层水汽输送及其异常计算的积分区间为地表到300 hPa。除降水气候态、降水距平百分率、各等级降水日数、合成场中纬向风表示的副热带西风急流以及文中所述的SST原始序列外,其它数据均去掉了长期气候趋势以消除全球变暖带来的影响。

2 江南5月降水概况

中国5月降水主要集中在长江以南的华南、江南两地,降水中心均超过9 mm/d(见图1(a))。由该月降水的标准差分布可知,江南和华南均具有显著的年际变化特征(见图1(b))。南海夏季风爆发后西北太平洋副热带高压(简称:副高)向东撤出南海,华南地区因对流发展所致的夏季风降水增多[24],江南地区降水因副高东撤而减少[5]。江南5月降水及环流形势呈现显著的年际变化特征,且与华南地区有明显不同,故本文将单独研究江南地区5月的降水。

由江南5月区域平均的月降水量标准化(标准化值以本文研究的整体时段的标准差为参照)序列可知,21世纪以来江南5月降水年际变率增大,如图1(c)所示。选取标准差大于(小于)或等于1(-1)的年份为偏涝(旱)年,结果表明偏涝年与偏旱年数量相当(各7 a),且均集中在21世纪以来,即江南5月降水滑动标准差(滑动窗口取为9 a)明显增大之后。多窗口滑动t检验(滑动窗口取为3、5、7、9、11、13、15 a)表明,2004年以来,江南5月降水年际变率显著增大(见图1(d),通过了显著性水平0.01的检验)。本文同样对江南、华南3—5月各月降水进行了诊断,除江南5月外,均未发现降水极端性增强(图略)。下文将首先对自2004年江南5月降水年际变率增大以来洪涝年(2005、2014、2015、2016、2021年)和干旱年(2007、2008、2009、2011、2017年)的降水和环流特征展开分析。

3 2004年以来江南5月极端旱涝情况及环流特征

3.1 极端旱涝年降水概况

图2(a)—(d)给出了旱涝年降水的距平场及其距平百分率以表征不同年份的差异。结果表明,江南地区偏涝年降水异常程度较偏旱年强,大部分地区日降水量较平均态偏多约4 mm,部分地区超过5 mm,这比气候平均降水值偏多80%以上。偏旱年大部分地区较常年偏少3～4 mm,部分地区偏少4～5 mm,整体较平均态偏少约30%～50%。

((a—d)中黑框代表江南地区,(a)、(b)打点表示通过0.1显著性水平的检验,(e)中各合成值均通过0.1显著性水平的检验。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.)

从图2所示的旱涝年江南5月各级降水日数来看,偏涝年各级降水日数均较多,无雨日仅有7～8 d。而偏旱年各级降水日数均偏少,近半月(16 d)无降水产生。江南5月降水表现出较强的持续性,因此有必要对旱涝年背后的环流形势进一步分析。

3.2 极端旱涝年大气环流形势

2004年以来,在江南5月偏涝年上空200 hPa中高纬度有一支与EU正位相较为吻合的波列(见图3(a)),表现为乌拉尔阻塞加强,其下游贝加尔湖上空低压槽加深,利于引导冷空气南下,与来自低纬的暖湿气流在江南一带对峙,形成锋区。在副热带有一支沿西风急流向下游传播的波列(南支波列),上述两支波列下游的江南地区及其东南沿海上空形成异常反气旋,利于江南地区高空200 hPa附近气流辐散,为降水提供有利的抬升条件。此外,该异常反气旋具有准正压结构,使对流层中下层的WNPAC得到加强和西伸,有利于来自南海、孟加拉湾等地的水汽向江南地区输送(见图3(b))。

((a)中红色等值线为200 hPa纬向风合成(最外层20 m/s,间隔10 m/s)。图中打点表示位势高度通过0.1显著性水平的检验,阴影表示散度场通过0.1显著性水平的检验,加粗是通过0.1显著性水平的检验的风场,蓝框表示江南地区。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,不列颠群岛以东的北海上空被异常高压控制,中高纬乌拉尔地区为低压异常,不利于极地冷空气向东西伯利亚输送和积累。在南支波列中,地中海上空为低压异常,在青藏高原上空的高压异常一定程度上抑制了高原南侧的西风绕流,在其下游江南地区上空200 hPa表现为低压异常,抑制了降水对流过程发生(见图4(a))。在对流层中下层,西北太平洋、中南半岛及孟加拉湾被异常气旋控制,不利于水汽向江南地区输送(见图4(b)),导致江南地区降水量偏少。

((a)中红色等值线为200 hPa纬向风合成(最外层20 m/s,间隔10 m/s)。图中打点表示位势高度通过0.1显著性水平的检验,阴影表示散度场通过0.1显著性水平的检验,加粗是通过0.1显著性水平的检验的风场,蓝框表示江南地区。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.)

对比旱涝年环流形势发现,中国东南沿海上空的气旋或反气旋异常具有准正压结构,对应的对流层中下层的WNPAC在西北太平洋、中南半岛和孟加拉湾在旱涝年往往具有显著差异。

为进一步揭示旱涝年遥相关波列的传播特征与差异,图5分别合成了旱涝年200 hPa上的波作用通量及经向风场。结果表明,在偏涝年自北大西洋向下游传播的Rossby波作用通量经过不列颠群岛后强度有所增强,有利于正位相的EU的稳定维持(见图5(a))。沿EU传播的Rossby波能在经过贝加尔湖后,部分沿中高纬度传播,另一部分则向下游较低纬度的中国东部至日本一带传播。该遥相关波列与Chen等[25]发现的春季北大西洋至欧亚大陆上空波列的结构和Rossby波传播路径类似。此外,在偏涝年上空200 hPa,部分Rossby波能自北大西洋上空沿西风急流向下游传播,并在地中海和伊朗高原上空受高纬南下Rossby波能量的影响而得到加强。在上述两支波列下游的中国东部至日本一带,200 hPa异常反气旋和对流层中下层的WNPAC得以加强和维持,通过对流层上层辐合辐散以及对流层中下层水汽输送影响江南5月降水。

(图中打点表示经向风通过0.1显著性水平的检验,加粗是通过0.1显著性水平检验的波作用通量,蓝框代表江南地区。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.)

偏旱年欧亚大陆上空的波列传播路径具有明显差异,来自北大西洋的Rossby波能量在经过欧亚大陆时,一部分沿西风急流传播形成南支波列,另一部分从高纬沿不列颠群岛向西伯利亚地区传播,波作用通量在经过西伯利亚上空后减弱(见图5(b))。

综上可知,5月来自北大西洋的Rossby波能量在经过欧亚大陆时,部分能量沿副热带西风急流传播,形成南支波列;另一部分从高纬沿不列颠群岛向西伯利亚地区传播。涝年、旱年两支波列的不同配置一方面可以影响江南地区高空200 hPa附近的辐合辐散,进而影响底层的垂直运动,另一方面此处的异常气旋或反气旋具有准正压结构,在对流层中下层对应于WNPAC强弱和位置的变化,影响向江南地区输送的水汽。此外,偏涝年正位相的EU有利于冷空气在贝加尔湖附近积累,南下影响江南地区降水。

4 江南5月降水与北大西洋海温的可能联系

为进一步分析江南5月降水极端性在2004年突变前后,江南5月降水与北大西洋SSTA关系的可能变化,图6分别用回归分析和合成分析探究了2004年前后超前1年11月至降水发生同期北大西洋SSTA的演变特征。结果表明,相比1980—2003年降水发生前6、4、2、0个月(见图6(a)—(d)),2004年以来(见图6(e)—(h))江南5月降水和北大西洋中纬度SSTA联系显著增强。结合2004年以来江南5月涝年(见图6(i)—(l))、旱年(见图6(m)—(p))降水发生前6、4、2、0个月的北大西洋SSTA演变来看,北大西洋纽芬兰海盆附近冷SSTA自降水偏多年前的11月开始,随时间不断向北大西洋东岸不列颠群岛附近移动,于降水发生年5月东移到不列颠群岛周围,偏旱年表现为暖SSTA的东移。有研究指出,春季(3—5月)北大西洋SSTA偏暖容易使其上空位势高度被抬升,激发一条自北大西洋经欧亚大陆至华北地区“+-+”型的波列,SST偏冷时,波列位相基本相反[17]。本文不列颠群岛附近SSTA和其上空位势高度异常的对应关系与该研究结果较为吻合,然而北大西洋中纬度SST,特别是5月不列颠群岛附近SST发生了何种变化才会与江南5月降水关系增强?可能的途径是什么?需要我们进一步探究。

(紫框内代表不列颠群岛及其周围海域(21.5°W—12.5°E,45.5°N—66.5°N),打点表示SSTA通过0.1显著性水平的检验。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.)

不列颠群岛5月原始SST(范围如图6所示)在1997年发生了明显突变,升高了约0.62 ℃(见图7(a)),该结果同样得到了滑动t检验(图略,窗口为9 a)的验证。不列颠群岛5月原始SST突变后,其异常变化与同期江南5月降水关系由微弱的正相关向负相关转变。从滑动相关结果来看,自2003年以来江南5月降水与北大西洋SSTA建立起显著的负相关关系(见图7(b))。江南5月降水与同期的WNPAC滑动相关关系表明,增强的WNPAC往往会导致江南地区降水偏多,反之偏少,这种关系在近四十多年来是显著且稳定的(见图7(c))。WNPAC指数的选取参考了文献[26]用相对涡度作为WNPAC指数的方法,将其定义为850 hPa上112.5°E—132.5°E,15°N—22.5°N范围内相对涡度的区域平均值。同时我们发现,不列颠群岛周围5月SSTA和同期WNPAC关系变化的年份节点与同期江南降水关系变化的节点高度一致,2003年前后,不列颠群岛周围5月SSTA和同期WNPAC开始呈现出显著的正相关关系(见图7(d))。5月不列颠群岛附近SSTA回归的降水和水汽通量异常场也表明(见图8),不列颠群岛附近SSTA变化和WNPAC关系增强是2004年以来不列颠群岛附近SSTA变化和江南5月降水关系明显加强的原因之一。

((b—d)中9,11,13,15,17 a为滑动窗口长度,黑色点线为0.1的显著性水平的平均阈值。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.)

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

为进一步探究5月不列颠群岛附近SSTA与江南同期降水稳定关系建立前后与5月不列颠群岛附近SSTA相关的大气环流场的变化,图9给出了2004年前后不列颠群岛附近5月SSTA回归同期大气环流场。在1980—2003年5月,不列颠群岛附近SSTA偏低时,其上空往往伴随低压异常,与不列颠群岛附近SSTA偏低相关的遥相关波列在经过乌拉尔山之后,经过伊朗高原、青藏高原后,以四川盆地为中心在高空200 hPa建立起高压异常,之后该波列向日本上空传播(见图9(a))。而在对流层中下层,这支与不列颠群岛附近SSTA相关的波列和中国东南部以及西北太平洋关系不显著,无法与江南降水建立起联系(见图9(b))。而2004—2021年与不列颠群岛附近SSTA相关的下传波列发生了显著变化。一方面,不列颠群岛附近SSTA偏低时,其上空常易生成异常低压,与下游乌拉尔山地区更高纬度联系增大,同时在贝加尔湖西南侧200 hPa上空产生了一个低压异常,使欧亚大陆中高纬度出现一个类似于正位相的EU波列,增强了向江南地区输送的冷空气(见图9(c)),在与低纬暖湿气流的配合下影响了江南地区降水多寡。该波列继续向下游传播,在中国东南沿海上空200 hPa生成异常反气旋,有利于江南地区高空气流辐散。该异常反气旋具有准正压结构,与对流层中下层与WNPAC建立起显著联系,通过WNPAC增强、西伸增强了水汽向江南地区的输送,加深了和江南5月同期降水的联系(见图9(d))。另一方面,不列颠群岛附近SSTA与地中海上空的气旋或反气旋异常关系加强,地中海上空的辐合辐散的建立是南支波列是否建立的关键因素[14],这可能与南支波列的建立具有一定的关系。

(蓝框代表江南地区,打点表示位势高度场通过0.1显著性水平的检验,加粗是通过0.1显著性水平检验的风场。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 结论与讨论

基于江南5月近20年来旱涝频发的事实,本文运用1980—2021年5月降水等资料,从江南5月降水特征、极端性变化出发,对自2004年降水极端性显著增强以来旱涝年降水和大气环流特征进行了分析。本文同时探究了2004年前、后SSTA与遥相关波列传播路径关系的变化以及对江南5月降水的影响。基于上述研究得到以下结论:

(1)江南5月降水滑动标准差自2004年以来显著增大,降水极端性增强。偏涝年降水异常程度较偏旱年严重,大部分地区较气候态偏多至少八成,而偏旱年降水仅较气候态偏少约三四成。偏涝年5月各等级降水日数均偏多,仅一周左右无降水产生,而偏旱年各级降水日数较少,无雨日高达16 d,环流形势存在显著差异。

(2)2004年江南5月降水极端性增强以来,来自北大西洋的Rossby波能量在经过欧亚大陆时,部分能量沿副热带西风急流传播,形成南支波列;另一部分在高纬沿不列颠群岛向西伯利亚地区传播。上述两支波列在旱涝年的不同分布一方面可以影响江南地区高空200 hPa附近的辐合辐散,进而影响江南地区的垂直运动。另一方面波列下游的江南地区及其东南沿海上空的异常气旋或反气旋具有准正压结构,在对流层中下层对应于WNPAC在孟加拉湾、中南半岛和南海上空位置和强弱变化,进而影响向江南地区水汽的输送。此外,偏涝年正位相的EU有利于冷空气在贝加尔湖附近积累,南下与低纬暖湿气流在江南地区一带相互作用,形成锋面,影响江南地区降水。

(3)2004年以来不列颠群岛附近5月SSTA与欧亚大陆上波列分布的关系发生了变化,以此增强了与江南5月降水的关系。大气环流的变化影响了高纬EU波列,进而影响了向江南地区输送的冷空气。SSTA与中国东南沿海上空通过异常的反气旋或气旋变化增强有利于影响江南地区上空的辐合辐散,进而影响到对流层中下层气流的辐合抬升。此外,中国东南沿海上空通过异常的反气旋或气旋具有准正压结构,通过影响对流层中下层的WNPAC强度和西伸的变化,影响低纬暖湿气流向江南地区输送,冷暖空气在江南地区对峙是影响降水产生的直接原因。

从滑动相关关系来看,不列颠群岛周围SSTA与江南5月降水自2004年以来相关性增强的可能原因是不列颠群岛附近5月原始SST在1997年后突然升高了0.6 ℃,这种变化对大气环流和江南5月降水产生的影响需要在之后的工作中用气候模式进一步验证。由于篇幅所限,本文仅讨论了北大西洋中纬度SSTA对江南5月降水的影响,热带特别是热带印度洋和太平洋SSTA对WNPAC和江南地区降水的影响,以及各海区SSTA的相对贡献将是今后研究的重点。