南印度洋大气垂直环流与江西6月降水的关系

张黎，谭桂容，章毅之

(1.南京信息工程大学大气科学学院，江苏南京210044；

2.南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏南京210044；3.江西省气候中心，江西南昌330000)

1 引 言

20世纪以来全球气候变暖导致天气气候异常事件频发。江西地处我国东南部，主汛期6月降水多、强度大，同时江西6月易受梅雨锋影响出现连续性暴雨[1]，是长江中下游发生洪涝灾害较严重的省份之一。因此，加强江西6月降水的研究分析，对当地做好防灾减灾工作尤为重要。

大量研究表明，影响我国东部夏季降水的因子众多[2-6]，主要有西太平洋副热带高压、东亚季风和北半球中高纬阻塞高压等环流因子，以及ENSO与海温、低温、冰雪覆盖、太阳活动等边界强迫因子。其中，西太平洋副热带高压的南北进退与东部夏季雨带位置存在明显的对应关系，西伸脊点与降水的丰欠有关[7-9]。夏季，东亚季风通过水汽输送对中国东部降水产生影响，其与阻塞高压和东亚环流也密切相关[10-12]。边界强迫因子则主要通过改变环流进而影响我国夏季降水[13]。热带太平洋低层大气与东亚环流有较好的关系，当其两模态呈正（负）位相分布时，贝加尔湖南侧都容易发生持续的高压（低压）异常环流，对应El Niño年长江流域雨量偏多，La Niña年雨量偏少[14]。宗海锋通过分析ENSO对我国东部夏季降水的影响，揭示了ENSO通过赤道Walker环流、北半球Hadley环流和西太平洋副热带高压对东部降水产生影响[15-16]。

以往关于江西6月降水的研究多集中于太平洋地区[17-19]，鲜有人关注印度洋地区。而印度洋作为我国西南季风的发源地，可通过引起东亚环流和水汽输送的异常从而影响我国气候[20-21]。Yang等[22]研究指出，当印度洋海盆一致增暖时，西北太平洋上空为反气旋性环流，长江流域夏季降水偏多。肖子牛等[23]研究认为，印度洋海温偶极指数正位相可能通过西南季风较直接地影响中国夏季降水，而负位相则可能通过PJ波列影响中国降水。前人研究发现，南印度洋偶极子正位相时，6—8月通过改变海洋大陆下垫面SST热状态，改变印度洋上空对流与水汽输送的方向，间接影响西太副高强度和位置，导致长江中游以及华南地区降水偏多[24]。

值得注意的是，海气系统在1970年代中后期发生了年代际转折[25-26]。众多学者对中国东部地区夏季降水变化特征进行研究后发现东部夏季降水也呈现明显的年代际变化，1970年代以前华北为多雨区，1980年代以后多雨区南移到长江中下游地区，中国东部地区夏季降水由“北多南少”型转变为“南涝北旱”型[2,27-29]。研究表明[30-34]太平洋、北大西洋及印度洋海表温度的年代际变率，贝加尔湖地表气温等均与中国东部夏季降水年代际转型有着重要影响。

关于印度洋对东亚气候影响的研究在海洋方面主要集中在热带印度洋海表面温度、次表层海温以及深度变化等，在大气方面则主要集中在低空风场以及纬向的Walker环流，且多以环流场分析定性地研究印度洋与东亚气候之间的相关关系为主。而热带外地区高低层势函数可以反映促使大气内系统发展与消亡的强迫源异常，利用大气的无旋分量可分析环流异常及其强迫的相应位置，利用诊断方程可定量分析要素场间关系大小，且所得结果明确简洁、更具说服力。卢明等[35]利用无旋度分量表征西印度洋垂直环流，发现江淮夏季降水与同期西印度洋垂直环流存在良好的相关关系。孙鸣婧等[36]研究指出西印度洋垂直环流与太平洋垂直环流耦合区域发生年代际变化，使得西印度洋垂直环流与江淮夏季降水关系发生明显的年代际变化，1979年以前西印度洋与太平洋主要耦合区在东太平洋，1979年以后则东移至中东太平洋。同时，6月正值江西梅雨期，易受梅雨锋影响发生连续性暴雨，是江西夏季降水的重要组成部分[1]。因此，本文将对江西6月降水进行分析，沿用前人对印度洋垂直环流的表征方法[35-36]研究南印度洋垂直环流对江西6月降水的影响，并利用大尺度涡度方程进行诊断分析，探索印度洋对江西6月降水的可能影响，为进一步预测提供有益的物理依据。

2 资料和方法

本文运用了江西省气象信息中心提供的江西省82站1959—2016年6月降水资料。此外，还采用了美国NCEP/NCAR再分析月平均位势高度场、风场资料，空间分辨率为2.5°×2.5°。所有资料长度均为1959—2016年共58年。

文中用到了经验正交函数分解（EOF）、相关分析、回归分析、滑动相关、合成分析及其显著性检验等方法。

3 江西6月降水时空分布特征

为了考察江西6月降水的时空分布特征，对1959—2016年江西省82个站点6月降水进行EOF分解（图1）。前3个特征向量的方差贡献分别为44.1%、17.7%和8.2%，累积方差贡献达70%。第1特征向量呈现全区一致的正值，表明江西6月降水空间变化最主要的模态为全区一致变化的趋势；第2特征向量呈南北向对称分布，0线在28°N附近，界线以北为负值区，界线以南为正值区，表明南北相反变化的空间型；第3特征向量自北向南依次为负-正-负的带状分布形式，反映江西北部和南部降水与中部相反的变化趋势。

由于第一特征向量表示江西全区一致变化，且方差贡献最大，因此采用EOF分析所得第一特征向量的时间序数（后简称PC1）来定义区域旱涝年。为使所选旱涝年更具代表性，挑选旱涝年数约占总年数一半，取1959—2016年中PC1＞1倍标准差的年份为多雨年（1962、1964、1973、1977、1982、1993、1994、1995、1998、2010、2011、2015年），PC1＜-1倍标准差的年份为少雨年（1963、1972、1978、1980、1981、1985、1987、1991、1996、2004、2005、2007、2009年）。

图1 1959—2016年江西6月降水量EOF展开前3个特征向量的空间分布（a、c、e）与时间系数序列（b、d、f）

4 降水异常环流特征

大气环流异常是造成天气气候异常的直接原因，进一步分析江西6月降水偏多年和偏少年环流场的不同分布特征将有助于更深入地研究降水异常的影响因素及变化原因。江西6月多雨年与少雨年500 hPa位势高度场合成差值图（图2a）上，东亚地区从中高纬到低纬为“+-+”的距平符号分布，正距平位于巴尔喀什湖以北到贝加尔湖以东的西伯利亚地区，负距平位于黄海、日本及我国东部地区，另一正距平中心位于南海到台湾以东洋面附近。表明乌拉尔山、贝加尔湖地区阻塞高压异常发展，西太平洋副热带高压偏强，西脊点明显西伸、南边界向南有所扩展，有利于北方冷空气南下在我国东部地区与南来的暖湿气流交汇；500 hPa涡度距平场上（图2b），反映江西区域为异常的正涡度，正涡度中心在其东北侧，同时其南侧为负涡度异常；850 hPa风场上（图2c），江西南侧为异常的反气旋，北侧有异常的偏北风，南北风距平在江西上空辐合，对应江西6月降水异常偏多。江西6月降水偏少年环流异常则相反。从PC1与势函数差 DVP（DVP=X850hPa-X200hPa）的相关场看，在北太平洋到极地地区为显著的负相关，印度洋上空存在显著的正相关，相关中心位于南印度洋。表明江西6月降水与南印度洋大气垂直环流存在显著的相关关系（图2d）。当江西6月降水偏多时，南印度洋地区上空低层辐合高层辐散，为异常上升运动；反之亦然。

图 2 江西 6月降水异常年 500 hPa高度场（a，单位：gpm）、涡度场（b，单位：10-6 s-1）、850 hPa风场（c，单位：m/s）合成差值图和降水EOF分析第一模态时间序列PC1与势函数差DVP相关分析图（d） 打点表示通过0.1显著性检验。等值线为1959—2016年6月平均500 hPa位势高度场；a、b中填色区为降水异常年距平，d中填色区为相关系数a、b、c中虚线标注江西地区；d中矩形框为显著正相关区。

5 南印度洋大气环流与降水的关系

海气相互作用在长期天气和气候变化中扮演着非常重要的作用，印度洋海温及其引起的环流异常对中国降水有重要影响，且有明显的地域性特征。上一节分析结果表明南印度洋大气垂直环流与江西6月降水有显著的关系，以下将进一步探究南印度洋大气垂直环流异常及其对江西6月降水的影响。

5.1 南印度洋大气垂直环流指数

为进一步分析南印度洋地区大气垂直环流与江西6月降水的关系，根据图2d的显著相关区定义南印度洋地区大气垂直环流指数：在0～65.5°S，30～120°E区域内850 hPa高度势函数区域平均值与200 hPa高度势函数区域平均值的差值：

当I为正异常时对应区域有异常上升环流，反之则为下沉环流。

图3a为58年（1959—2016年）南印度洋垂直环流指数I和PC1线性趋势图，二者相关系数高达0.486，通过了0.01的显著性检验。对比I和PC1的年际变化可以看出，在1969—1989年两者相关系数仅为0.092，关系不密切；1990年以后两者的变化趋势基本一致，相关系数高达0.539，通过了0.01显著性检验。从两者的9年滑动相关图（图3b）可见，1969—1989年之间相关性较弱，1990年以后两者的正相关关系更显著。这说明南印度洋垂直环流与江西6月降水的关系存在明显的年代际变化。

为研究南印度洋大气垂直环流对东亚环流异常的物理过程，把同期海温和850 hPa风场、OLR回归到指数I上（图略），可以看出在热带西印度洋地区为对流偏强，西印度洋赤道南北两侧为低压异常，由于南印度洋的低压环流更强，故势函数异常主要表现在南印度洋，当I大于0，反映西印度洋热带及其南北两侧都是异常的垂直上升运动，这种环流异常通过“大气桥”影响到西太平洋环流，在热带西太平洋到我国东南近海海域为异常的反气旋环流，该异常的反气旋环流将影响到西太平洋副高，进而影响到江西6月的降水。本文南印度洋垂直环流指数I与国家气候中心整理的印度洋海盆模指数IOBW之间的相关系数达0.219且通过0.1显著性检验。但从空间分布看，南印度洋垂直环流指数对应中东太平洋海温偏冷，为La Niña发展阶段，但IOBW对应中东太平洋海温偏高，为El Niño的发展阶段。

5.2 南印度洋大气垂直环流与东亚大气环流的关系

为进一步探讨南印度洋大气垂直环流对东亚环流和江西6月降水的关系，对1969—1989年和1990—2012年两段时间南印度洋大气垂直环流指数I时间序列，以0.5倍标准差为划分依据，挑选出南印度洋大气垂直环流正负异常年。1969—1989 年阶段正异常年为 1977、1978、1979、1988年 ， 负 异 常 年 为 1969、1981、1982、1985 年 ；1990—2016 年阶段正异常年为 1995、1996、1998、2000、2007、2010 年 ， 负 异 常 年 为 1990、1991、1997、1999、2004、2009、2012 年。

图4为两时段南印度洋大气垂直环流正负异常年同期500 hPa高度场、涡度场合成差值图。由500 hPa位势高度场合成差值图（图4a）可见，亚洲从高纬到低纬的高度距平分布型类似于多雨年（图2a），在我国东部地区存在一个相对低值区，从而有利于江西省降水偏多。图4b的分布类似于图4a，只是中国东部相对的低值区范围小，且位置偏南。比较而言，前一段时间中高纬阻塞异常频繁活动区在贝加尔湖以西，西太平洋副高偏弱偏东；后一段在贝加尔湖以东，西太平洋副高偏强偏南。从500 hPa涡度场看（图4c～4d），前一段时间，江西大部为负涡度异常，正涡度中心在江西以西地区，江西南侧为大范围的负涡度异常；后一段时间，江西区域均为正涡度异常，江西及其南侧也为大范围的负涡度异常。但就江西区域来讲，后一段时间的正异常幅度大于前段，更有利于区域降水的正异常，这与前面分析的后一段时间，南印度洋垂直环流与江西降水的相关更好是一致的。

图 4 1969—1989 年（a、c）和 1990—2016 年（b、d）I指数正负异常年 500 hPa高度场(a、b)、涡度场(c、d)合成差值图

6 动力诊断

6.1 诊断方程

为进一步分析南印度洋大气垂直环流与江西6月降水的年际关系，运用大尺度准地转涡度方程来诊断背景场改变引起的各项变化。式（1）为准地转涡度方程，

式中：ξ为相对涡度；V为风矢量；f为地转参数；Q为外强迫。Q=Qa+Qc。式（1）线性化[37]后，可得到如下形式的局地异常涡度倾向变化方程：

其中，ua、va、ξa、Qa分别是纬向风、经向风、相对涡度及外强迫距平，uc、vc、ξc、Qc为纬向风、经向风、相对涡度及外强迫的气候平均场，f为科氏力参数。由方程（2）可知，局地涡度异常的倾向变化与背景场和异常强迫有关，即不同的强迫异常对区域局地涡度异常倾向的贡献不同，不同气候背景下同样的强迫异常对局地涡度倾向变化的贡献也会不同。

设 1969—1989 年 距 平 为 u1a、v1a、ξ1a，1990—2016 年距平为 u2a、v2a、ξ2a，这里运用本文两个时段的I指数分别回归各物理量场得到的距平代入计算，表示南印度洋大气垂直环流对应的异常变化；1969—1989 年平均场为 u1c、v1c、ξ1c，1990—2016 年平均场为 u2c、v2c、ξ2c,1969—2016 年平均场为 uc、vc、ξc。ua、va、ξa则以整个时段(1969—2016 年)I指数分别回归的相应距平量代入。定义以下变量：

ξ1d、u1d、v1d为 1969—1989年相对于整段平均的距平，ξ2d、u2d、v2d为 1990—2016 年相对于整段平均的距平。则，

代入（2）得：

其中，

考虑南印度洋大气垂直环流异常对应的局地涡度异常，可见两个时段局地涡度变化倾向的差异主要由 A1、A2、B1、B2决定。以上 A1代表1969—1989年阶段南印度洋大气垂直环流异常在整段平均场背景下引起的区域局地涡度倾向异常；A2代表1990—2016年阶段南印度洋大气垂直环流异常在整段平均场背景下引起的区域局地涡度倾向异常。A1、A2简称为南印度洋大气垂直环流异常的年际贡献。B1表征1969—1989年阶段的年代际变化引起的区域局地涡度倾向异常；B2表征1990—2016年阶段年代际变化引起的区域局地涡度倾向异常。B1、B2简称为年代际贡献。

6.2 诊断结果

由降水异常年500 hPa涡度距平场合成差值图（图2b）可知，降水正异常年江西区域上空为正涡度异常。由图5a可见，江西大部地区为负值，表明1969—1989年阶段，年代际变化对于江西局地涡度异常变化的贡献不利于区域降水的增加。同理，由图5b可见，江西区域基本为正值，表明1990—2016年阶段的年代际涡度异常对局地涡度变化的贡献为正，有利于区域降水的增加。对比图4a可见，1969—1989年南印度洋大气垂直环流异常对应江西局地相对涡度存在负异常，而1990—2016年基本为正异常。可能正是因为这种年代际变化，使得南印度洋垂直环流与江西6月降水的关系存在年代际变化。

图5 涡度年代际变化 a.1969—1989年距平ξ1d；b.1990—2016年距平 ξ2d。单位：10-6 s-1。

为进一步定量地诊断江西局地涡度倾向变化中各项的作用大小，这里计算了 A1、A2、B1、B2项。由图6a可见，江西大部地区为正值，表明1969—1989年阶段，南印度洋大气垂直环流异常在整段平均场背景下引起的区域局地涡度倾向异常对江西6月降水为正贡献；同理，由图6b可见，江西大部地区为正值，表明1990—2016年阶段，南印度洋大气垂直环流年际异常对江西6月降水为正贡献。从年代际异常引起的区域局地涡度倾向异常来看(图6c),1969—1989年阶段江西省均为负值，但在1990—2016年阶段（图6d）为正值。由以上结果可见，虽然年际异常引起的江西局地涡度变化倾向在前一阶段为正，其数值甚至大于1990—2016年阶段，但由于年代际变化的负贡献削弱了因年际异常引起的变化，使得南印度洋大气垂直环流与江西6月降水在该阶段相关不明显，1990—2016年阶段年代际异常的贡献加强了年际异常引起的正贡献，使得南印度洋大气垂直环流与江西6月降水在该阶段为显著正相关。

图 6 局地涡度倾向变化 a.A1；b.A 2；c.B1；d.B2。单位：10-11 s-2。

7 主要结论

本文分析了近58年南印度洋垂直环流与江西6月降水的相关关系，发现两者关系存在明显的年代际变化，结合大尺度涡度方程，探究了二者关系年代际变化的原因，主要结论如下。

（1）南印度洋大气垂直环流与江西6月降水的年际关系经历了两次转折：1969年前为显著正相关，1969—1989年相关性不明显，1990年后二者关系又转变为显著正相关。

（2）江西6月降水异常年环流场具有明显特征。降水偏多年，500 hPa上东亚地区从中高纬到低纬为“+-+”距平符号分布，江西区域为正涡度异常，低层南北风距平在江西上空交汇；降水偏少年环流异常则相反。

（3）南印度洋大气垂直环流异常年500 hPa高度距平分布型类似于降水异常年，两时段江西省500 hPa均为正涡度异常，但后一段时间的正异常幅度大于前段，更有利于区域降水的正异常。可见，南印度洋大气垂直环流异常可通过“大气桥”影响到西太平洋环流，在热带西太平洋到我国东南近海海域为异常的反气旋环流，该异常的反气旋环流将影响到西太平洋副高，进而影响到江西6月的降水。

（4）南印度洋大气垂直环流对江西6月降水的影响与背景场的变化有关。通过大尺度准地转涡度方程对背景场改变引起的各项变化进行诊断，结果表明：1969—1989年南印度洋大气垂直环流因年际异常对江西局地涡度为正贡献，但年代际异常为负贡献，削弱了年际异常的作用；1990—2016年阶段年际异常为正贡献，同时年代际异常也为正贡献，加强了年际异常的作用，使得后一时间段其与江西6月降水的正相关显著。