El Niño事件次年中国东部夏季气温分布特征研究

范伶俐,张福颖

① 广东海洋大学,广东 湛江 524088;② 南京信息工程大学,江苏 南京 210044

El Niño事件次年中国东部夏季气温分布特征研究

范伶俐①*,张福颖②

① 广东海洋大学,广东 湛江 524088;② 南京信息工程大学,江苏 南京 210044

2016-08-15收稿，2016-10-13接受

广东海洋大学“创新强校工程”建设项目(GDOU2016050245)

利用HadISST和NCEP/NCAR再分析资料,采用统计学方法分析了1949年以来El Niño事件次年夏季中国东部气温分布特征。结果表明,混合型El Niño次年夏季,中国东部气温距平表现为山东—淮河流域及华南沿海出现负距平,其余地区为正距平;东部型,则表现为中国东部地区整体的负距平气温,且北方降温幅度明显大于长江以南地区;中部型,主要表现为长江以北气温负距平远大于长江以南。结合环流形势分析发现,三类El Niño事件次年夏季的赤道地区(5°S～5°N)异常纬向垂直环流均表现为三圈型,但3类异常Walker环流不仅强度有差异,纬向范围也有所不同。500 hPa上西太平洋副高的强度和范围,是造成三类El Niño事件次年夏季中国东部地区气温距平分布差异的主要原因之一,850 hPa上西南暖湿气流的输送对其也存在明显影响。

中国东部

El Niño

夏季气温

大气环流

近几十年来,由于人类活动及自然因素等综合影响,全球变暖已成为不争的事实。在全球变暖的背景下,极端天气气候事件趋强趋多,尤其是区域性极端高温事件频繁发生,给社会、经济和人民生活造成了严重的影响和损失(徐金芳等,2009)。2013和2016年夏季中国东部高温热浪事件对人民的生活及生产造成了重要影响。研究夏季气温的变化规律及影响机理有助于提高高温事件的预测准确率,同时为政府部门应对提供依据,在减少生命财产损失方面具有积极的意义。

近年来我国夏季高温热浪的频次、日数和强度总体呈增多、增强趋势(叶殿秀等,2013)。1961—2003年中国极端高温日数的两个大值区分别位于中国的西北和东南地区,大部分站点极端高温日数是增多的(Zhang et al.,2008)。黄丹青和钱永甫(2008)指出,全国极端高温日数的线性趋势为正趋势,内蒙古和新疆北部为大趋势区,西南则为小趋势区。周长艳等(2013)指出,四川高温天数50 a来总体呈显著增多趋势,20世纪90年代以来增多趋势尤为显著。张志薇等(2011)研究发现华中地区近年来年平均高温日数和高温日平均最高气温在20世纪90年代之后呈现上升的趋势,尤其在2000年之后,表现得更加明显。张茜和李栋梁(2011)分析东北夏季气温的新特征时发现,近60 a来东北夏季气温总体呈上升趋势,尤其是1990年以后增温明显,区域差异主要表现在东北部升温早而西南部迟。以上的研究均表明近年来中国整体的夏季平均气温和极端高温日数的增多趋势是确定的,但由于不同地区受到的环流形势及各地地形的影响不同,中国夏季高温事件的空间分布存在地区差异。

对高温天气的成因也做了诸多研究。杨群等(2011)、陈丽华等(2010)和严文莲等(2012)均发现西太平洋副高的持续异常是导致南方异常高温的主要原因。方宇凌和简茂球(2011)发现,在2003年6月29日—8月15日的3段持续性高温期间,大气升温主要是由非绝热加热造成,而水平温度平流对升温起负贡献。邹海波等(2015)发现2013年盛夏中国中东部地区温度异常偏高,主要是由中低层异常偏强的下沉运动造成的。许多学者(杨义文等,2004;刘春玲等,2005;雷杨娜等,2009;史军等,2009;朱周平和钱炳强,2010)还发现,高温天气与海温密切相关。

这些研究丰富了对全球变暖背景下中国夏季高温的认识。但对不同类型El Niño次年热带太平洋—东亚的海气耦合过程变化及其对中国东部夏季气温的影响,关注较少。那么,在不同类型El Niño事件次年,中国东部夏季气温的空间分布特征是否相同?对应的热带太平洋—东亚海气特征如何?为了解决上述问题,本文根据中国气象局国家气候中心确定的El Niño事件分类,通过分析合成的三类El Niño事件次年的海气要素分布特征,细致对比在东部型、中部型和混合型El Niño次年,中国东部夏季气温空间分布特征的差异,为进一步探讨中国东部夏季气温空间分布规律,深入理解三类 El Niño事件对其影响的机理提供科学基础,为提升高温天气的预报、预测水平服务。

1 资料和方法

资料包括:1)海表温度资料集HadISST(Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperature data set)中的全球月平均海表温度资料,空间分辨率为1°×1°(Rayner et al.,2003)。2)逐日和逐月的美国国家环境预测中心/国家大气环境中心(NCEP/NCAR)的再分析资料,包括气温逐月资料、多层逐月风场、垂直速度等再分析资料,空间分辨率为2.5°×2.5°(Kalnay et al.,1996)。

夏季的定义为6—8月(JJA)。中国东部是指105°E以东的中国区域。研究时段选取为1949—2016年。

2 El Nio事件分类及El Nio事件次年中国东部夏季气温分布特征

海洋作为大气的下边界,对气候的形成和变化具有重要的影响。本节探讨三类El Nio事件次年,夏季海表温度异常(Sea Surface Temperature Anomaly,SSTA)分布特征。

表1 1949年以来El Nio事件发生时间、类型划分及事件影响年(新指数)

Table 1 El Nio events lists according to spatial categories(new index)

序号起止年月长度/月SSTA峰值/℃峰值月份∑SSTA/℃海温强度爆发类型影响年11957年4月—1958年3月121.119.1中等E+C195821963年7月—1963年12月60.682.9极弱E196431965年6月—1966年2月91.1127.5中等E196641968年12月—1969年6月70.954.5弱C196951972年4月—1973年2月111.61212.1中等E197361982年5月—1983年8月162.212月—次年1月20.4极强C198471986年10月—1988年1月161.39月15.4强C198881991年5月—1992年5月131.2411.0中等C199291994年10月—1995年2月51.0124.1弱C1995101997年4月—1998年5月142.51223.5极强E+C1998112002年6月—2003年2月91.3116.7弱C2003122006年8月—2007年1月61.1125.2弱E+C2007132009年6月—2010年4月111.3129.2中等E2010142014年9月—2016年5月212.92015年11月30.2极强E+C2016

注：资料来自中国气象局国家气候中心(ENSO_Characteristic_Table.pdf).

图1 合成的El Nio事件次年夏季的海温距平分布(单位:℃) a.混合型;b.东部型;c.中部型Fig.1 Composite SSTA of (a)EP+CP El Nio events (b)EP El Nio events and (c)CP El Nio events during the following summer(units:℃)

图2 合成的三类El Nio事件次年夏季中国东部气温距平分布(单位:℃) a.混合型;b.东部型;c.中部型Fig.2 Composite air temperature anomaly over East China of (a)EP+CP El Nio events (b)EP El Nio events and (c)CP El Nio events during the following summer(units:℃)

3 三类 El Nio事件次年夏季中国东部气温距平分布差异的成因分析

气温作为一种气象要素,其变化必然受到大气环流形势的影响和制约。什么原因造成了三类 El Nio事件次年夏季中国东部气温分布差异?为了弄清楚这一问题,首先从Walker环流出发诊断三类El Nio事件次年夏季中国东部气温分布差异(图3)。

3.1 Walker环流特征分析

图3 合成的El Nio次年夏季5°S～5°N平均Walker环流距平(相对于的1981—2010年气候平均场)的分布(阴影表示扩大至1 000倍的垂直速度,单位:10 hPa/s) a.混合型;b.东部型;c.中部型Fig.3 Composite anomalous(relative to the 1981—2010 climate mean field) Walker circulation between 5°S—5°N of (a)EP+CP El Nio events (b)EP El Nio events and (c)CP El Nio events during the following summer(vertical velocity multiplied by a factor of 1 000;units:10 hPa·s-1)

3.2 500 hPa位势高度场环流特征分析

其次,分析三类事件次年夏季其对应的500 hPa高度场异常情况。从气候平均的夏季500 hPa位势高度场(图4)可以看出,我国东部不同地区夏季受到各天气系统影响的程度是不同的,东北地处高纬,夏季受到西太副高的直接影响较小,主要受鄂霍次克海阻高影响;华北受低纬的副高及中高纬的阻高的直接影响都不大,但中高纬该地区浅槽的深浅、冷空气南下频次的变化会受到中高纬经向环流调整的影响,从而影响华北气温;江淮地区受副高的直接影响比华北大,再加上印度洋和孟加拉湾的水汽在青藏高原的影响下沿副高的西北侧北上,影响江淮的气温;华南地区的高温日数主要受到西太平洋副高的影响。

图4 1981—2010年夏季气候平均50 hPa位势高度场(单位:gpm)Fig.4 Cimate mean 500 hPa potential height field during the period of 1981—2010(unit:gpm)

可见,中国东部各地区夏季受到主要环流系统的影响不同,直接影响系统的强弱对各地区气温分布特征起到决定性作用,当然,不同的环流系统之间也会通过大气环流的调整而互相作用,从而对各地区气温产生影响。

图5 合成的El Nio事件次年夏季的平均500 hPa位势高度距平场(相对于的1981—2010年气候平均场;单位:gpm) a.混合型;b.东部型;c.中部型Fig.5 Composite anomalous(relative to the 1981—2010 climate mean field) 500 hPa potential height of (a)EP+CP El Nio events (b)EP El Nio events and (c)CP El Nio events during the following summer(units:gpm)

图5b显示东部型,洋面上500 hPa位势高度都有不同程度的增高,中国东部陆面上500 hPa位势高度却有不同程度的降低,中国东部地区经向环流较混合型有所加强,利于冷空气南下,气温较常年显著偏低,此时西太平洋副热带高压强度减弱,覆盖范围也减小了,华南也出现了一定程度的气温负距平。

图5c显示中部型,中国东部,经向环流相对较强,利于冷空气南下影响长江以北地区,这种分布形态有利于北方气温的偏低,西太平洋副高位置偏南,形状更加扁平,副高影响范围增大且强度稍有增加,表明副髙对长江以南的影响加强,使得长江以南降温幅度较小,而对长江及以北的影响有所减弱,从而促使气温下降。

3.3 低空和高空风场特征

高、低空风场的异常也会对气温产生影响,分析三类El Nio事件次年夏季高空、低空风场异常的合成特征,并结合位势高度场的分析,探讨风场对中国东部夏季气温的影响。

图6 合成的混合型El Nio事件次年夏季风场距平场(相对于的1981—2010年气候平均场;单位:m/s)a.850 hPa;b.200 hPaFig.6 Composite anomalous wind:(a)850 hPa;(b) 200 hPa(relative to the 1981—2010 climate mean field) of EP+CP El Nio events during the following summer(units:m·s-1)

4 结论和讨论

图7 合成的东部型El Nio事件次年夏季风场距平场(相对于的1981—2010年气候平均场;单位:m/s)a.850hPa;b.200 hPaFig.7 Composite anomalous wind (a)850 hPa (b)200 hPa(relative to the 1981—2010 climate mean field) of EP El Nio events during the following summer(units:m·s-1)

图8 合成的中部型El Nio事件次年夏季风场距平场(相对于的1981—2010年气候平均场;单位:m/s)a.850 hPa;b.200 hPaFig.8 Composite anomalous wind:(a)850 hPa;(b)200 hPa(relative to the 1981—2010 climate mean field) of CP El Nio events during the following summer(units:m·s-1)

3)500 hPa上西太平洋副高的强度和范围,是造成三类El Nio事件次年的夏季中国东部地区气温距平分布差异的主要原因之一。混合型El Nio事件次年夏季中国东部陆面上500 hPa位势高度距平呈“三明治”型分布,东北东部—山东半岛、华南地区为正异常,其余地区则有不同程度的降低,且负异常值幅度由北向南递减;东部型,次年夏季中国东

部陆地上500 hPa位势高度都有不同程度的降低,经向环流较混合型有所加强,利于冷空气南下,气温较常年显著偏低,此时西太平洋副热带高压强度减弱,覆盖范围减小,华南出现了一定程度的气温负距平。中部型,中国东部,经向环流相对较强,利于冷空气南下影响长江以北地区,北方气温的偏低,西太平洋副高位置偏南,形状更加扁平,副高影响范围增大且强度稍有增加,副高对长江以南的影响加强,长江以南降温幅度较小。

4)距平风场分析表明,850 hPa上西南暖湿气流的输送对El Nio次年的夏季中国东部气温距平空间分布有明显影响。

致谢:NASA、ECMWF提供了AURA/MLS、CALIPSO/CALIOP、Interim资料的在线下载服务。

References)

Ashok K,Behera S K,Rao S A,et al.,2007.El Nio Modoki and its possible teleconnection[J].J Geophys Res,112,C11007.doi:10.1029/2006JC003798.

Chen D,Lian T,Fu C B,et al.,2015.Strong influence of westerly wind bursts on El Nio diversity[J].Nature Geoscience,8:339-345.doi:10.1038/ngeo2399.

陈丽华,周率,党建涛,等,2010.2006年盛夏川渝地区高温干旱气候形成的物理机制研究[J].气象,36(5):85-91. Chen L H,Zhou S,Dang J T,et al.,2010.Research on physical mechanism of summer severe climatic high temperature and drought disasters in Sichuan and Chongqing area in 2006[J].Meteor Mon,36(5):85-91.(in Chinese).

方宇凌,简茂球,2011.2003年夏季华南持续高温天气过程及热力诊断[J].热带海洋学报,30(3):30-37. Fang Y L,Jian M Q,2011.Diagnosis study of persistent heat waves in South China during summer 2003[J].J Trop Oceanography,30(3):30-37.(in Chinese).

黄丹青,钱永甫,2008.我国极端温度事件的定义和趋势分析[J].中山大学学报(自然科学版),47(3):112-116. Huang D Q,Qian Y F,2008.The definition of daily mean temperature extremes over china and its trend[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni,47(3):112-116.(in Chinese).

Kalnay E,Kanamitsu M,Kistler R,et al.,1996.The NCEP/NCAR 40-year reanalysis project[J].Bull Amer Meteor Soc,77:437-470.

雷杨娜,龚道溢,张自银,等,2009.中国夏季高温日数时空变化及其环流背景[J].地理研究,28(3):653-662. Lei Y N,Gong D Y,Zhang Z Y,et al.,2009.Spatial-temporal characteristics of high-temperature events in summer in eastern China and the associated atmospheric circulation[J].Geographical Research,28(3):653-662.(in Chinese).

李晓燕,翟盘茂,2000.ENSO事件指数与指标研究[J].气象学报,58(1):102-109. Li X Y,Zhai P M,2000.On indices and indicators of ENSO episodes[J].Acta Meteorology Sinica,58(1):102-109.(in Chinese).

刘春玲,张强,许有鹏,等,2005.近半个世纪ENSO事件对长江三角洲地区气候的影响[J].气象,31(3):12-16. Liu C L,Zhang Q,Xu Y P,et al.,2005.Impacts of ENSO events on climatic changes during last 50 years in the Yangtze Delta[J].Meteor Mon,31(3):12-16.(in Chinese).

Rasmusson E M,Carpenter T H,1982.Variations in tropical sea surface temperature and surface wind fields associated with the Southern Oscillation/El Nio[J].Mon Wea Rev,110(5):354-384.

Rayner N,Parker D,Horton E,et al.,2003.Global analyses of sea sur-face temperature,sea ice,and night marine air temperature since thelate nineteenth century[J].J Geophys Res,108(D14):4407.

史军,丁一汇,崔林丽,2009.华东极端高温气候特征及成因分析[J].大气科学,33(2):347-358. Shi J,Ding Y H,Cui L L,2009.Climatic characteristics of extreme maximum temperature in East China and its causes[J].Chin J Atmos Sci,33(2):347-358.(in Chinese).

Weng H Y,Ashok K,Behera S K,et al.,2007.Impacts of recent El Nio Modoki on dry/wet conditions in the Pacific rim during boreal summer [J].Climate Dyn,29:113-129.doi:10.1007/s00382-007-0234-0.

徐金芳,邓振锦,陈敏,2009.中国髙温热浪危害特征的研究综述[J].干旱气象,27(2):163-167. Xu J F,Deng Z J,Chen M,2009.Summary of studying on characteristics of high temperature and heat wave damage in China[J].Journal of Arid Meteorology,27(2):163-167.(in Chinese).

Yeh S W,Kug J S,Dewitte B,et al.,2009.El Nio in a changing climate[J].Nature,461(7263):511-514.

严文莲,韩桂荣,魏建苏,等,2012.2010年江苏省连续性高温特点及成因分析[J].气象科学,32(3):293-297. Yan W L,Han G R,Wei J S,et al.,2012.Analysis on characteristic and cause of continuous high temperature of Jiangsu Province in 2010[J].J Meteor Sci,32(3):293-297.(in Chinese).

杨群,晏理华,周长志,等,2011.2009年铜仁地区高温干旱特征及成因诊断分析[J].高原气象,30(4):1018-1026. Yang Q,Yan L H,Zhou C Z,et al.,2011.Characteristic and diagnostic analysis of high temperature and drought in Tongren area in 2009[J].Plateau Meteor,30(4):1018-1026.(in Chinese).

杨义文,许力,龚振淞,2004.2003年北半球大气环流及中国气候异常特征[J].气象,30(4):20-25. Yang Y W,Xu L,Gong Z S,2004.General circulation over the Northern Hemispherein 2003 and its impact on the climate in China[J].Meteor Mon,30(4):20-25.(in Chinese).

叶殿秀,尹继福,陈正洪,等,2013.1961—2010年我国夏季高温热浪时空变化特征[J].气候变化研究进展,9(1):15-20. Ye D X,Yin J F,Chen Z H,et al.,2013.Spatiotemporal change characteristics of summer heat waves in China in 1961—2010[J].Adv Climate Change Res,9(1):15-20.(in Chinese).

Zhang F,Gao H,Cui X,2008.Frequency of extreme high temperature days in China 1961—2003[J].Weather,63(2):46-49.

张茜,李栋梁,2011.东北及邻近地区夏季气温异常的新特征及对大气环流的响应[J].高原气象,30(6):1604-1614. Zhang Q,Li D L,2011.New anomaly feature of summer air temperature in Northeast China and its responding to atmospheric general circulation[J].Plateau Meteor,30(6):1604-1614.(in Chinese).

张志薇,王式功,尚可政,等,2011.华中地区近年高温事件及大气环流成因分析[J].兰州大学学报(自然科学版),47(2):50-55. Zhang Z W,Wang S G,Shang K Z,et al.,2011.Analysis of the atmospheric circulation anomalies of large-scale extreme high temperature events over central China in recent 50 years[J].Journal of Lanzhou University(Natural Sciences),47(2):50-55.(in Chinese).

周长艳,张顺谦,齐冬梅,等,2013.近50年四川高温变化特征及其影响[J].髙原气象,32(6):1720-1728. Zhou C Y,Zhang S Q,Qi D M,et al.,2013.Variation features and impact of high temperature in Sichuan during last 50 years[J].Plateau Meteor,32(6):1720-1728.(in Chinese).

朱周平,钱炳强,2010.中国东部地区夏季高温南北不均匀分布特征分析[J].气象,36(11):26-31. Zhu Z P,Qian B Q,2010.Analysis of the meridional heterogeneous distribution of summer heat wave over Eastern China[J].Meteor Mon,36(11):26-31.(in Chinese).

邹海波,吴珊珊,单九生,等,2015.2013年盛夏中国中东部高温天气的成因分析[J].气象学报,73(3):481-495. Zhou H B,Wu S S,Shan J S,et al.,2015.Diagnostic study of the severe high temperature event over Mid-East China in 2013 summer[J].Acta Meteorologica Sinica,73(3):481-495.(in Chinese).

Study on the characteristics of air temperature in summer following El Nio events over East China

FAN Lingli1,ZHANG Fuying2

1GuangdongOceanUniversity,Zhanjiang524088,China;

2NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China

Using the HadISST and NCEP/NCAR reanalysis data,a diagnosis and analysis was carried out for the abnormal temperature over eastern China(EC) during El Nio events in the following summer beginning from 1949.The results show that,in the summer after EP+CP El Nio,the negative temperature anomaly appeared in the Shandong-Huaihe Basin and along the coast of southern China,while the other areas showed positive anomaly.The EP El Nio,EC showed negative anomaly throughout,and the range in the north was greater than that to the south of the Yangtze River.For the CP El Nio,the temperature throughout the north was down more than that in the south of the Yangtze River.The corresponding atmospheric circulation analyses indicated that,in the summer after the three types of El Nio events,the anomalous zonal vertical circulation of the equatorial region(5°S—5°N) was shown to appear as three circles,but their anomolies not only had differences in strength,the latitude ranges were also different.In the summer after EP+CP El Nio events or EP El Nio events,there were two abnormal Walker circulations in the equatorial Pacific,while in the summer following CP El Nio events there were two Walker circulation anomalies in the equatorial India Ocean.The intensity and range of the subtropical high in the Western Pacific Ocean at 500 hPa was one of the main reasons for the difference of temperature distribution in EC during the summer after the three types of El Nio events.In the summer following EP+CP El Nio events,the 500 hPa geopotential height anomaly showed “sandwich” type distribution over eastern China.The eastern part of northeast China,the Shandong Peninsula and southern China area were positive anomalies,while the other regions were reduced to some extent,and the negative anomaly amplitude decreased from north to south.In the summer after EP El Nio events,the 500 hPa geopotential height had different degrees of reduction over EC,the meridional circulation was strengthened,which was conducive to the cold air travelling southward,thus the temperature was significantly lower than normal,the intensity of the subtropical high in the Western Pacific was weakened,its coverage decreased,and there was a certain degree of negative temperature anomaly in southern China.In the summer after CP El Nio events,the meridional circulation was relatively strong at the 500 hPa geopotential height over EC,which was conducive to the cold air travelling southward to the north of the Yangtze River region,the temperature was low in the north,the West Pacific subtropical high travelled southward,with a rather flat shape,the effect range of the subtropical high increased and its strength increased slightly,and the effect of the subtropical high on southern China strengthened,so that the temperature in southern China increased.However,the effect of the subtropical high to the north of the Yangtze River weakened and caused the temperature there to drop;the transportation of the southwest warm and humid air at 850 hPa also had a significant effect on this.

(责任编辑：刘菲)

范伶俐,张福颖,2016.El Nio事件次年中国东部夏季气温分布特征研究[J].大气科学学报,39(6):845-854. Fan L L,Zhang F Y,2016.Study on the characteristics of air temperature in summer following El Nio events over East China[J].Trans Atmos Sci,39(6):845-854.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130427001.(in Chinese).

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20160815003

*联系人，E-mail:fanlingli@126.com