华南冬末春初降水变异关联主模态及机理.pdf
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1、邢佳鸽,胡奕阳,简茂球.华南冬末春初降水变异关联主模态及机理J.热带气象学报,2023,39(3):402-412.文章编号:1004-4965(2023)03-0402-11华南冬末春初降水变异关联主模态及机理邢佳鸽1,2,胡奕阳1,2,简茂球1,2(1.中山大学大气科学学院和季风与环境研究中心/南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海),广东 珠海 519082;2.广东省气候变化与自然灾害重点实验室,广东 珠海 519082)摘要:基于19512018年再分析资料和观测的降水量资料,采用联合经验正交函数分解的方法,分析了华南冬末春初(2、3月)降水年际变异特征,并讨论了相应的环流背景及物理机
2、制。华南2、3月降水变异的第一关联主模态反映出全区2、3月同相变化,第二模态呈现反相变化。第一模态的降水异常与ENSO关联的热带海温异常分布有关,其导致的西太平洋异常反气旋的维持使得2、3月的降水持续出现同相异常。第二模态的降水异常与中高纬度的大气环流异常有关:2月表现为欧亚遥相关型,3月则表现为北极涛动型。第二模态2、3月位势高度异常型的转变分别与北大西洋的热通量的异常变化及平流层极涡信号的下传有关:当2月北大西洋热通量正异常显著时,500 hPa高度场呈现欧亚遥相关(EU)负位相的分布;平流层极涡异常信号在3月下传达到对流层低层,使得3月对流层极涡增强,有利于北极涛动(AO)正位相的形成。
3、2、3月欧亚大陆上空分别在EU遥相关型和AO型环流异常的影响下,导致了华南地区上空的大气环流的辐合辐散异常,并最终造成2、3月华南的降水量反相异常的出现。关键词:华南;冬末春初降水;ENSO;欧亚遥相关;北极涛动中图分类号:P426.614文献标志码:ADoi:10.16032/j.issn.1004-4965.2023.036收稿日期:2021-08-31;修订日期:2022-12-28基金项目:国家自然科学基金项目(42088101、42175018);广东省气候变化与自然灾害研究重点实验室(2020B1212060025)共同资助通讯作者:简茂球,男,广东省人,教授,主要从事季风动力学和
4、区域气候研究。E-mail:第39卷 第3期2023年6月热 带 气 象 学 报JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGYVol.39,No.3Jun.,20231 1 引引言言我国南方冬季降水量约为200 mm,占全年降水量的10%1。春季年平均降水量可达到500 mm,约占全年降水量的35%2。冬末春初作为冬、春季过渡时期,其降水异常会对人类的生产及生活造成重要影响。一方面,冬末春初正是南方的春耕时节,连绵阴雨或持续干旱等天气灾害会对农作物的生长造成重要影响;另一方面,降水异常以冰冻霜雪或洪涝等灾害形式出现时会严重影响人们的日常生活,甚至威胁人们的生命财产安全。因此研究
5、南方冬末春初降水的变异特征及其机理具有重要意义。我国南方冬春季降水具有显著的年际变化特征。年际尺度上,南方冬季降水变异的主要空间模态分别表现为长江以南地区降水量的一致变化,以及长江流域和东南沿海的南北反相变化3;春季降水变异主要模态表现为南方地区降水量的一致变化,以及长江流域和珠江流域的南北反相变化特征4。El Nio-南方涛动(ENSO)作为最主要的年际变化信号,对我国南方冬春季降水具有重要影响5-7。此外,东亚冬季风、印度洋海温和大西洋海温等8-12也能够通过调节位势高度和高低层风场变化,间接影响华南冬春季降水的多寡。现有研究表明,华南冬、春季降水变异存在一定的关联性。有研究指出华南冬、春
6、季降水量的逐年变化存在显著的同相关系,这暗示着华南冬春季降水异常有一定的持续性13。还有研究进一第3期邢佳鸽等:华南冬末春初降水变异关联主模态及机理步指出,华南冬春季降水的年际变化以冬春同号型居多,并伴有年代际变化,具体表现为:19601970 年和 1990 年后,华南冬春季降水量明显偏少,对应华南冬春季持续性旱灾事件增多14。以往对华南降水的研究多针对季节平均来进行分析,鲜少从月际的角度进行分析。实际上月际间的降水异常可能存在一定的关联性。例如,简茂球等15分析了我国汛期月降水量之间的相关性指出,5月长江流域降水同6月长江至黄河地区的降水具有显著的同号性,而6月南方降水与8月广西-湖南-江
7、西一带降水则具有显著的反号性。从季节平均的角度则可能会过滤掉这些信息。我们通过计算19512018年华南区域平均的冬春季逐月降水量之间的相关系数发现,2、3月降水量的相关系数达到0.47(其中2、3月降水距平同号率占63.2%),通过了0.01的显著性检验,其他月份之间的相关则不显著。那么,与华南这种冬末春初降水变异相关联的主要模态具有什么样的时空演变规律?其成因又是什么?这些问题目前尚不清楚。因此本文主要目的是从月际的角度探讨华南2月和3月降水量变异的主要关联模态及其物理机制。这对深入理解华南地区冬末春初的降水变异规律和成因、以及提高华南春耕时节的气候灾害预测、预警能力都具有重要意义。2 2
8、 资料和方法资料和方法本文使用的资料包括:(1)英国东英吉利大学气候研究中心提供的CRU逐月降水资料,分辨率为1.5 1.5 16;(2)英国气象局哈德莱中心提供的逐月海温资料,分辨率为 1 1;(3)NCEP/NCAR的再分析资料中的逐月风场、位势高度场及热通量资料,逐日的风场以及温度场资料17-18。资料的时间长度为19512018年。欧亚遥相关(EU)主要表现为500 hPa位势高度场上,欧洲西部、东亚沿岸和乌拉尔山位势高度距平负相关的关系,本文 EU 指数采用 Wallace等19给出的定义:其中Z*为所在点500 hPa层的标准化位势高度距平。北极涛动(AO)最先由Thompson等
9、20提出,主要表现为北半球极地与副热带大气质量和气压异常呈“跷跷板”的反向变化,具有准正压结构。本文AO指数采用NOAA网站提供的逐月的AO指数序列(https:/www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/CWlink/daily_ao_index/ao.shtml)。由于本文只讨论年际尺度上的气候变率,所有数据在分析之前都进行了8年以下的高通滤波。3 3 华南冬末春初降水变异的主模态华南冬末春初降水变异的主模态为了揭示华南冬末春初降水量在年际尺度上的时空变异特征,我们对华南 19512018年 2、3月降水量进行了联合经验正交函数(EEOF)分解,EEOF不
10、仅可反映气象要素的时空演变,还可得到不同月份降水的空间结构的相互联系。EEOF的前两个模态的空间分布和时间系数如图 1(见下页)所示,它们的方差贡献分别为36.6%和24.1%,均通过了North检验21,且第一模态对2、3月降水的方差贡献分别为40.2%和33.9%,第二模态对2、3月降水的方差贡献分别为28.0%和21.2%。由图1可知,2、3月华南年际降水第一模态EEOF1的空间分布呈现同相变化(图1a、1b),第二模态EEOF2的空间分布则呈现反相变化(图1c、1d)。另外,从时间系数看,PC1和PC2的振幅在1970年代后期到2000年代初有较大的年际变动。下面分别讨论与前两个模态相
11、关的环流背景及机理。4 4华南冬末春初降水变异主模态的华南冬末春初降水变异主模态的环流背景及机理环流背景及机理4.1 第一模态的环流异常及机理为方便讨论,我们只分析时间系数为正时的情形,时间系数为负时,则结果相反。图1a1b表明,当时间系数PC1为正时,2、3月华南年际降水呈现一致增多的同相变化。在这种情况下,2、3月南海-菲律宾海上空对流层低层都出现异常反气旋,并伴随有显著的异常下沉运动,在反气旋西北侧的华南地区有显著的异常上升运动(图2a、2b),高层有异常的气旋及辐散与之对应(图2c、2d)。在南海-菲律宾海上空的异常反气旋西侧的偏西南IEU=-Z*(20 E,55 N)/4+Z*(75
12、 E,55 N)/2-Z*(145 E,40 N)/4(1)403热 带 气 象 学 报第39卷图119512018年华南地区2、3月年际降水联合EOF(EEOF)前两个模态的空间分布a.EEOF1,2月;b.EEOF1,3月;c.EEOF2,2月;d.EEOF2,3月;e.PC1;f.PC2。ad的单位:mm。图2 标准化PC1与2、3月各物理量场的回归系数a.2月850 hPa风场(矢量,单位:m/s)及500 hPa垂直速度(填色,单位:Pa/s);c.2月200 hPa风场(矢量,单位:m/s)及散度(填色,单位:10-6s-1);b、d同a、c,但为3月(打点区通过95%信度检验)。
13、(a)Feb_EEOF1(40.2%)30N28N26N24N22N20N106E110E114E118E122E(b)Mar_EEOF1(33.9%)30N28N26N24N22N20N106E110E114E118E122E08 16 24 32 40 48 5608 16 24 32 40 48 56(c)Feb_EEOF2(28.0%)30N28N26N24N22N20N106E110E114E118E122E(d)Mar_EEOF2(21.2%)30N28N26N24N22N20N106E110E114E118E122E05 10 15 20 25 30 35-40-30-20-10
14、0(e)PC1(f)PC23210-1-2-31951 1961 1971 1981 1991 2001 20113210-1-2-31951 1961 1971 1981 1991 2001 2011(a)40N20N020S60E90E 120E 150E 180 150W120W 90W(b)40N20N020S-0.00900.0091(c)40N20N020S(d)40N20N020S年份年份60E90E 120E 150E 180 150W120W 90W60E90E 120E 150E 180 150W120W 90W60E90E 120E 150E 180 150W120W 9
15、0W风输送更多的水汽到华南的有利条件下,华南地区低层的异常辐合及上空的异常上升运动使得2、3月的降水一致增多。2-1.2-0.600.61.2404第3期邢佳鸽等:华南冬末春初降水变异关联主模态及机理上述2、3月持续的西北太平洋异常反气旋与热带印度洋-太平洋海温异常密切相关。PC1与海温的回归系数场如图3所示,在2、3月,华南地区降水偏多时,赤道中东太平洋显著偏暖,热带西太平洋异常偏冷,而热带印度洋偏暖,呈现出 ElNio形态的海温异常分布。低层风场与海温分布配合较好。进一步计算PC1与前期111月平均的Nio3.4指数的相关系数达到0.38,而与同期2、3 月的 Nio3.4 指数的相关系数
16、分别为 0.38 和0.39,均通过了 0.05的显著性检验。这些证据表明,华南地区2、3月降水异常同相模态是受衰减阶段的 ENSO影响,通过太平洋-东亚遥相关22-24以及热带印度洋海温的电容器效应25,在西北太平洋上空强迫出异常反气旋,反气旋北侧低层明显的偏南风向华南地区输送源源不断的水汽并在那里造成异常的辐合,导致华南降水偏多。图3标准化PC1与海温(填色,单位:K)及850 hPa风场(矢量,单位:m/s)的回归系数a.2月;b.3月。打点区表示通过0.05的显著性检验。为了更清晰地展示中东太平洋海温影响的环流异常,图4给出了PC1与高低层速度势和散度风的回归系数场。以2月为例,在对流
17、层低层,热带中东太平洋有异常辐合气流以及中层显著的上升运动(图4a),高层有辐散与之对应,并在热带西太平洋高层辐合并下沉与之相伴随(图4c),低层的辐散气流又在我国华南辐合(图4a),导致我国华南地区降水偏多。3月环流形势与2月类似。4.2 第二模态的环流异常及机理当PC2为正时,第二模态的空间分布主要表现为2月降水偏多、3月降水偏少的反相变化(图1c、1d)。相关的环流异常如图5所示。2月华南地区低层上空受异常气旋式切变风场控制,伴随着显著的异常上升运动(图5a);高层有异常辐散与之对应(图5c),且在高层从北大西洋东至西北太平洋存在两支明显的异常纬向环流波列,分别位于中纬度带和副热带。而在
18、3月,华南上空低层受异常反气旋式风场控制,伴随着显著的异常下沉运动,并在菲律宾海上空存在明显异常气旋(图 5b);高层则有异常辐合气流与之对应(图 5d),且在高低层中高纬度带都表现出明显的西风异常。(a)40N20N020S40S(b)40N20N020S40S1-0.24-0.1200.120.2430E60E90E120E150E180150W120W90W30E60E90E120E150E180150W120W90W1405热 带 气 象 学 报第39卷图5显示的与第二模态相关的2、3月环流异常可能分别与EU遥相关和AO有关。为此,我们进一步检验了与第二模态相关的500 hPa位势高度
19、异常如图6所示。在2月(图6a),欧洲西部、欧亚大陆与日本附近呈现出“+-+”的气压分布,这与欧亚遥相关型的负位相分布类似26。3月(图6b),位势高度场发生了明显的变化,表现为极地的异常低压增强,欧亚大陆上由2月的负位势高度异常转变为正位势高度异常,极地与中高纬度呈现出相反的位势高度异常分布,这与北极涛动遥相关型相似27。进一步计算PC2与2、3月欧亚遥相关(EU)指数的相关系数分别为-0.39(通过0.01显著性检验)和-0.03,与2、3月AO指数的相关系数分别为0.34和0.46(通过0.01显著性检验),说明与第二模态相关的2月欧亚大陆上空位势高度异常确实与EU遥相关型具有密切联系,
20、而3月则与AO联系更密切。值得注意的是,图6a反映出的欧亚大陆500 hPa位势高度异常中心与Wallace等19定义的冬季EU遥相关型的中心(见式(1)是有差别的,其三个中心分别位于(10 E,45 N)、(60 E,52 N)和(138 E,50 N),如果以这三个中心代替式(1)的三个中心定义一个修订的EU2指数,即,图4标准化PC1与2、3月各物理量场的回归系数a.2月200 hPa散度风(矢量)、速度势(等值线,单位:105m2/s)及散度(填色,单位:10-6s-1);c.2月850 hPa散度风(矢量)、速度势(等值线,单位:105m2/s)及500 hPa垂直速度(填色,510
21、-2Pa/s);b、d分别同a、c,但为3月(打点区表示通过0.05显著性检验)。图5标准化PC2与2、3月各物理量场的回归系数a.2月850 hPa风场(矢量,单位:m/s)及500 hPa垂直速度(填色,单位:Pa/s);c.2月200 hPa风场(矢量,单位:m/s)及散度(填色单位:10-6s-1);b、d分别同a、c,但为3月(打点区表示通过0.05显著性检验)。IEU2=-Z*(10 E,45 N)/4+Z*(60 E,52 N)/2-Z*(138 E,50 N)/4(2)(a)(b)60N40N20N020S(c)60N40N20N020S(d)-1.0-0.8-0.6-0.4-
22、0.200.20.40.60.81.080N60N40N20N090W60W30W0 30E 60E 90E120E150E180(a)80N60N40N20N090W60W30W0 30E 60E 90E120E150E180(b)80N60N40N20N090W60W30W0 30E 60E 90E120E150E180(c)80N60N40N20N090W60W30W0 30E 60E 90E120E150E180(d)60E 90E 120E 150E 180 150W120W90W60E 90E 120E 150E 180 150W120W90W-0.012-0.00600.006
23、0.0121-1.2-0.600.61.2260N40N20N020S60E 90E 120E 150E 180 150W120W90W60N40N20N020S60E 90E 120E 150E 180 150W120W90W406第3期邢佳鸽等:华南冬末春初降水变异关联主模态及机理其中Z*为所在点500 hPa层的标准化位势高度距平,那么 PC2 与 2、3 月指数的相关系数分别是-0.50和-0.34,显然要高于上述与传统的EU指数的相关系数。以上分析表明,EU型和AO型位势高度异常分别对华南2、3月降水的反相变化有着重要影响,那么与2、3月位势高度异常相关的影响因子又是什么?图7给出了
24、2、3月250 hPa的波活动通量28与PC2的回归系数场。2月在中纬度,源自北大西洋经西欧的波列在西欧分为两支波列,一支沿欧亚大陆上空的EU遥相关波列路径东传,另一支波列则向东南沿中东和阿拉伯海到达东亚,流函数呈现出正负相间的准纬向传播的结构(图7a),两支波列协同影响华南上空的位势高度场,从而导致降水异常。为了评估两支波列对华南2月降水的贡献大小,我们根据图7a定义南支波列指数为,图6标准化PC2与500 hPa位势高度(单位:gpm)的回归系数a.2月;b.3月。打点区表示通过0.05显著性检验。其中 Z*为标准化位势高度距平,并分别计算了PC2与2月250 hPa层EU指数及南支波列指
25、数ISW的相关系数,分别为-0.50和-0.48。结果表明,EU遥相关波列及南支波列对华南2月降水具有同等重要的影响作用。在3月,这种纬向的传播特征减弱,而中纬度和副热带地区波活动通量的经向传播性增强(图7b)。ISW=-Z*(10 E,45 N)/4+Z*(45 E,35 N)/2-Z*(65 E,25 N)/4(3)图7标准化PC2与250 hPa波活动通量(矢量)和流函数(填色,单位:106m2/s)的回归系数a.2月;b.3月。60W120W30W150W018030E150E60E120E90E60W120W30W150W018030E150E60E120E90E-15-12-9-6
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