海南岛春季降水异常的环流和海温特征

张天圣，赵蕾，蔡英缨

（1.海南省气象服务中心，海南海口 570203；2.海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海南海口 570203）

海南岛地处热带地区，属于热带季风海洋性气候，是地球上同纬度降雨量最多的地区之一［1］。关于海南岛降水的研究，一些学者做了不少工作［2-4］，吴慧［5］分析了海口汛期不同等级降水与旱涝关系；冯文［6］研究了后汛期特大暴雨的环流特征认为，南海北部存在强盛的偏东风低空急流是最显著的强信号；吴慧［7］利用海南18个测站资料对各地月、季降水量进行正态分布检验，指出在0.01信度检验下，春、夏、秋降水基本符合正态分布；胡德强［8］分析了海南岛夏季降水异常的影响机制。已有的研究表明，中国的春季降水不管是在时间尺度上还是在空间分布上都与夏季有着明显不同的特点［9-10］，研究海南岛春季降水变化及降水的大气环流变化特征，对弄清楚春季降水异常事件的时空发展及其气候背景有现实意义。因此本研究利用海南岛18个市县国家气象观测站降水资料，通过小波分析、合成分析和相关分析方法对海南岛春季降水变化影响机制的研究，为春季降水的预报以及水资源的利用提供参考。

1 资料和研究方法

本研究的春季定义为3—5月份，选用的资料有海南岛18个市县国家气象观测站（18个观测站）1970—2016年3—5月份月降水资料；NCEPNCAR的1970—2016年逐月高度场、风场资料，水平分辨率为2.5°×2.5°；海表温度资料（SST）选取美国NOAA中心OISST1的1970—2016年逐月资料，水平分辨率为2.0°×2.0°。本研究采用的方法有Molet小波分析、相关分析以及合成分析方法。

2 春季降水的时空分布特征

图1 给出了海南岛春季47年平均降水分布和标准差，从图1可以看到，从东北部到中部地区为降水高值区，其中定安春季降水量最多，平均每年达到439.5 mm，而西部、西南部和南部沿海为降水低值区，其中东方的春季降水量最少，平均每年只有129.6 mm。从春季降水量的标准差分布情况来看，自东向西呈逐渐递减的态势，高值区主要分布在东部沿海和中部地区，最大值出现在琼海，最小值出现在西部地区的东方。对比降水量图可以看出，标准差和降水量的分布并不是完全一致，降水量大的区域未必是年际变化最大的区域，东部沿海是降水量年际变化高值区，西部地区无论降水量还是年际变化都相对较小。近47年来海南岛各地春季降水量线性变化趋势不一致（图略），降水量线性增加的有10个站，线性下降的有8个站，均未通过0.05水平的显著性检验，趋势变化不明显。

图1 1970—2016年海南岛春季平均降水量（单位：mm）（a）和标准差（b）

从1970—2016年海南岛春季平均降水量距平随着时间的变化（图2）可以看出，20世纪70年代到80年代中期、90年代前中期、2000年代为降水偏少时段；20世纪80年代后期、90年代后期，为降水偏多的时段，2009年以后降水偏多年降水偏少年交替出现，最大降水量年份出现在1997年，最小降水年份出现在1977年。

图2 1970—2016年海南岛春季平均降水量距平

为了进一步分析春季降水的多时间尺度特征，对降水距平进行小波分析（图略），可以看到，海南岛春季降水的特征时间尺度分别为2（周期为4年）和6年（周期为12年），其中6年时间尺度的振荡较为明显，尤其是从20世纪90年代到2000年代中期，而且有向高频时间尺度（较短时间）方向演变的趋势。

3 春季降水异常与大气环流异常的关系

研究表明，降水异常往往是某种状态的异常环流持续发展和长期维持的结果［11］，那么，大气环流异常是如何造成海南岛春季降水异常的呢？本研究通过挑选降水偏多年和偏少年，利用合成分析来研究导致海南岛春季降水量异常的气候背景。以海南岛18个市县代表站春季降水距平百分率≥20%和≤-20%定义为降水偏多年和偏少年，由此挑选出偏多年年份为1984、1986、1997、1999、2000、2009、2012年，偏少年年份为1977、1980、1983、1991、1996、2005、2010、2011年。

从200 hPa高空图（图略）上可以看到，降水偏多年，在20°N—30°N之间的我国上空为位势高度正异常，南海为位势高度负异常，海南岛位于高压南部，其上空位势高度呈现北高南低分布状态；而降水偏少年，南海为位势高度正异常，海南岛上空呈现北低南高的分布状态。从500 hPa高空图（图3a-b）上可以看到，降水偏多年，在贝加尔湖和巴尔喀什湖之间为位势高度正异常，说明高压脊偏强，有利于北方冷空气沿着脊前偏北气流南下扩散到华南地区，我国东部地区到朝鲜半岛、日本一带为位势高度负异常，说明东亚大槽偏强、偏南，低纬度的中南半岛为低压异常，有利于西南水汽向北输送，菲律宾以东的西太平洋为位势高度负异常，说明此时副高偏弱；而在降水偏少年，在贝加尔湖和巴尔喀什湖之间为位势高度负异常，高压脊偏弱，35°N以南的广大区域均为位势高度正异常，说明东亚大槽较气候平均态偏弱、偏北，这种环流配置不利于冷空气向南扩散，此时也可以看出副高偏强，较气候平均态偏北，中南半岛、南海中北部到西太平洋为高压异常，不利于西南风水汽的向北输送。从850 hPa高空图（图3c-d）上可以看到，与500 hPa形势有些类似，降水偏多年，南海北部位势高度负异常，说明降水低值系统较为活跃，台湾以东的西太平洋为位势高度负异常，说明东亚大槽比较深厚；降水偏少年，海南岛上空为位势高度正异常，降水低值系统不活跃，同时也看出，东亚大槽偏北、偏弱。

图3 海南岛春季平均降水量异常偏多年（a、c）和偏少年（b、d）高度场距平合成（单位：dagpm）a、b.500 hPa；c、d.850 hPa

为了更清晰对比春季降水偏多年和偏少年的低层水汽输送差异，图4给出了850 hPa风场距平分布。从图4可以看出，降水偏多年，降水系统较为活跃，南海北部为气旋性环流异常，西南风携带大量水汽经孟加拉湾南部、中南半岛南部进入南海后发生旋转，与南下的冷空气汇合造成海南岛降水；降水偏少年，西太平洋偏东风进入南海后，分为两支，一支向北转向变为偏南风，一支继续以偏东风经中南半岛进入孟加拉湾后向北转向，而海南岛正好处在偏南风距平和偏东风距平的分支附近，风场辐散，从海南岛一直到北纬30°N的我国广大地区均为偏南风距平控制，这种大范围的异常偏南风距平不利于北方冷空气南下，南海、中南半岛和孟加拉湾大部分地区均为偏东风距平控制，说明西南季风较气候平均态偏弱，冷空气活动偏北和西南风水汽输送的偏弱造成海南岛春季降水偏少。

图4 海南岛春季平均降水量异常偏多年（a）和偏少年（b）850 hPa风场距平合成（单位：m/s）

4 春季降水异常与海温异常的关系

海温是影响大气环流变动的重要因素，海温的热力差异会影响上空大气环流异常，从而造成某个地区降水异常。为了进一步研究海温对海南岛春季降水的影响，给出了降水偏多年和偏少年海温差值分布（图5），从图5可以看到，有3个明显的正负异常的海区，一个是位于赤道附近的中东太平洋海区，为负异常海区，定义为1区（180°E—150°W，10°S—10°N）；一个是位于30°N附近的北太平洋海区，为正异常海区，定义为2区（180°E—150°W，20°N—40°N），这两个海区与徐超［12］研究的影响华南地区春季降水的海区位置有些接近，但呈相反分布；另外一个正异常海区位于我国的黄海、东海附近，定义为3区（122°E—132°E，26°N—34°N）。

图5 海南岛春季平均降水量异常偏多年与偏少年海温差值合成分析（单位：℃）

分别取1、2、3区海温平均值，与500 hPa高度场求相关（图6），从图6可以看到，1区海温与500 hPa高度场的显著正相关区为40°N以南的广大区域，说明1区海温异常偏高时，显著相关区域的位势高度偏高，指示东亚大槽偏弱、偏北，副高偏强、偏北，中南半岛、南海中北部为高压异常，不利于春季降水，海温偏低时则相反。2区海温与500 hPa高度场的显著相关区为20°N以南的低纬度区域，另一个显著相关区域位于日本以南的西北太平洋附近，均为负相关，说明2区海温异常偏高时，显著相关区域的位势高度偏低，指示东亚大槽偏南、偏强，副高偏弱、偏南，中南半岛为低压异常，有利于春季降水，反之亦然。3区海温与500 hPa高度场的显著正相关区域较为宽广，蒙古国和我国除了东北、西藏部分地区外的大部分地区，低纬度区域，西太平洋海域，其中最高正相关区域位于蒙古国和内蒙附近，达到0.6以上，这种相关关系表明，当3区海温异常偏高时，蒙古国、内蒙附近的高压脊偏强，冷空气向南扩散，有利于春季降水，反之亦然。

图6 500 hPa高度场与1区（a）、2区（b）、3区（c）海温的相关系数分布

5 结论

1）海南岛春季年平均降水量较大的地区为东北部到中部地区，东部沿海是降水量年际变化的高值区。西部地区无论降水量还是年际变化都相对较小。海南岛春季降水量的趋势变化不明显，其特征时间尺度分别为2（周期为4年）和6年（周期为12年），6年时间尺度的振荡较为明显，而且有向高频时间尺度（较短时间）方向演变的趋势。

2）降水偏多（或偏少）年，高层位势高度呈现北高（或低）南低（或高）的分布状态，中层贝加尔湖和巴尔喀什湖之间高压脊偏强（或偏弱），东亚大槽偏强（或偏弱）、偏南（或偏北），副高偏弱（或偏强）、偏南（或偏北），有利于（或不利于）北方冷空气沿着脊前偏北气流南下扩散到华南地区，中南半岛南海中北部低压（或高压）异常，低层降水低值系统较为活跃（或不活跃）。

3）降水偏多年，低层南海北部为气旋性环流异常，西南风携带大量水汽经孟加拉湾南部、中南半岛南部进入南海后发生旋转，与南下的冷空气汇合造成海南岛降水；降水偏少年，冷空气活动偏北，西南风偏弱。

4）当赤道附近的中东太平洋海区的海温异常偏低，30°N附近的北太平洋海区和我国的黄海、东海附近海区的海温异常偏高时，东亚大槽偏南、偏强，副高偏弱、偏南，中南半岛低压异常，蒙古、内蒙附近高压脊偏强，有利于春季降水，反之则不利于春季降水。

本研究主要通过统计分析方法研究了海南岛春季降水异常与大气环流变化及海温的关系，那么海温是如何驱动大气变化，造成海南岛春季降水异常，其量化的影响机制又是如何？鉴于海汽相互作用的复杂性和多样性，今后还将进一步以海温为切入点进行更深入研究，另外在不同时间尺度上（如季节内振荡、年代际变化），其影响机制是否也一样，这些工作都需要今后做更进一步深入的研究。