不同PDO背景下华南前汛期锋面和季风降水的水汽输送差异

李俊杰,范伶俐②*,梁梅②,徐建军

① 广东海洋大学 海洋与气象学院,广东 湛江 524088; ② 广东海洋大学 陆架及深远海气候、资源与环境广东省高等学校重点实验室,广东 湛江 524088; ③ 中国气象局-广东海洋大学海洋气象联合实验室,广东 湛江 524088

华南汛期分为前汛期(4—6月)和后汛期(7—9月),根据降水性质,前汛期又分为南海夏季风爆发前/后的锋面降水和季风降水两个阶段(陈隆勋等,2000,2006;伍红雨等,2015)。前汛期雨量充沛且暴雨频发,易造成大范围的洪涝灾害,但前汛期降水的预报能力尚需进一步提高(郑彬等,2006;霍利微等,2018)。降水的预报在很大程度上依赖于对降水性质的理解和水汽条件的判断(王志毅等,2017;车少静等,2021;杨洁凡和郭品文,2021;杨萌洲和袁潮霞,2022),因此,研究水汽来源及其输送过程,有助于掌握华南前汛期降水的规律及机理,提高预报精准度。

欧拉方法和拉格朗日方法是两种研究水汽输送的主要方法。欧拉法较直观,但只能给出简单的水汽输送路径(James et al.,2004;江志红等,2013;施逸等,2022)。拉格朗日法的计算相比于欧拉法较复杂,但可确定水汽输送源地及其对降水的贡献率(Brimelow and Reuter,2005;Sodemann and Stohl,2009;Gimeno et al.,2010;Drumond et al.,2011;江志红等,2013)。

关于华南前汛期降水的水汽输送及来源已有大量研究(池艳珍等,2005),并得到了很多有意义的结果。前期研究大都基于欧拉法,近期研究多是基于美国国家海洋和大气管理局NOAA(National Oceanic Atmospheric Adminstration)开发的拉格朗日气流轨迹模式HYSPLIT(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory),分析华南前汛期水汽输送特征。周莉等(2019)研究表明,华南前汛期主要水汽输送路径分别是西南路径、东南路径以及西北路径,源地分别为印度洋、南海-西太平洋和欧亚大陆。李晓帆(2018)发现,南海夏季风爆发前/后,各水汽源地贡献率不同。华南前汛期水汽输送具有明显的年代际变化特征(池艳珍等,2005),且夏季风爆发前、后的变化趋势接近相反(李晓帆,2018),夏季风爆发前水汽输送的年代际变化与太平洋年代际振荡PDO(Pacific Decadal Oscillation)密切相关,爆发后两者的关系不密切。但目前,采用多种方法,综合、定量地分析华南前汛期水汽输送特征,并考虑PDO对水汽输送特征的年代际调制作用的研究,尚不多见。

针对上述问题,本文采用HYSPLIT模式,根据1960—2012年NCEP再分析资料,对华南前汛期的水汽输送过程进行后向追踪模拟,结合“蒸发-降水诊断法”(Stohl and James,2004,2005;Sodemann et al.,2008)找到前汛期两个阶段有效降水过程的水汽输送源汇区域,然后根据“区域源汇归因法”(Sun and Wang,2014;Chu et al.,2017)划分各水汽源,定量计算各关键区对华南前汛期降水的贡献率。在此基础上,利用聚类分析法,分析各有效降水过程的水汽轨迹及其贡献率。最后,探讨不同PDO背景下华南前汛期水汽输送的年代际变化,以期为华南前汛期降水的预测预报提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 资料

研究范围为华南地区(107°～120°E,20°～26°N)。使用的资料有:中国气象局提供的1960—2016年4—6月的日间(08—20时；北京时,下同)与夜间(20时—次日08时)降水资料。中国气象局提供的1854—2018年PDO指数与12 a低通滤波后的PDO指数。1960—2016年6 h一次的NCEP(National Centers for Environmental Prediction)再分析资料,空间分辨率为2.5°×2.5°,包括温度、经向风、纬向风、相对湿度。剔除降水资料不完整的站点后,选取60个站点,站点分布如图1所示。

图1 华南区域示意图(红色框表示华南降水研究区域,蓝色框代表南海夏季风爆发判断区域,黑点为气象观测站)Fig.1 Schematic diagram of South China (Red box represents the precipitation research area in South China,blue box represents the judgment area of the South China Sea summer monsoon onset,and black spots are meteorological stations)

1.2 方法

本文使用由美国国家海洋和大气管理局(NOAA)开发的HYSPLIT_4.9模式计算气流的模拟轨迹。气流轨迹的模拟方法是假设空气粒子跟随气流运动,则气流轨迹就是空气粒子在时间和空间上位置矢量的积分。使用60个华南站点位置,在每个站点的上空根据高度分为1 000、1 500和3 000 m三个后向轨迹计算起始点,从1960—2012年的4—6月,以每日的02时与14时为起始时间点计算后向轨迹,后向轨迹每1 h输出一次轨迹点的位置,并插值获得所在位置的空气块比湿。每条轨迹后向模拟240 h,共得到1 736 280条轨迹,根据各站点的日夜降水资料,筛选出60个站点有降水记录时段的轨迹,共716 416条。

使用计算得到的后向轨迹,确定后向轨迹上的空气块到达目标点前某一时刻所在的位置,并统计×的网格内气块的个数及其物理属性,称为气块追踪分析法。通过此方法可以分析气块在到达华南地区前240 h内的输送情况。

根据Stohl and James(2005)提出的“蒸发-降水诊断法”,计算空气块沿轨迹运动过程的比湿变化程度可以确定水汽输送路径上的源和汇,即各个格点上的水汽收支量(E-P)。同时,根据Sun and Wang(2014)提出的区域源汇归因法,可求得某水汽源地区对目标区的降水贡献。

2 华南前汛期季风降水的开始日期

华南前汛期的大气环流在南海夏季风建立前后差异明显,前期研究表明(郑彬等,2006),当南海夏季风推进至110°～120°E、20°～23°N区域,华南地区大气中的水汽、热力及动力状况将发生明显的变化(罗会邦,1999),华南夏季风降水才开始出现。为此,首先需要确定华南夏季风降水的开始日期,再将华南前汛期的水汽输送过程分为锋面降水和季风降水两个阶段进行讨论。

根据郑彬等(2006)的定义,110°～120°E、20°～23°N上空的100 hPa由西风转为东风,并持续5 d以上,则第一日为季风降水开始日。由于前汛期每年南海夏季风推进到华南(锋面/季风降水转换)的时间不完全一致,使用NCEP/NCAR再分析资料,计算出1960—2016年每年的季风降水开始日,并定义从4月1日至季风降水开始日前一日为锋面降水阶段;季风降水开始日至6月30日为季风降水阶段。计算得到的1960—2016年季风开始日如表1所示,多年平均华南前汛期季风降水开始日为5月16日,最早为1963年5月12日,1991年6月9日为最晚。将逐年华南夏季风降水开始日期与其他研究者确定的气候平均夏季风爆发日期(陈隆勋等,2000;李崇银和屈昕,2000;何金海等,2001)进行比较,结果表明,华南夏季风降水开始日期都在南海夏季风爆发之后,二者之间的间隔即为南海夏季风推进到华南地区使用的时间。

表1 1960—2016年华南前汛期季风降水开始日Table 1 Beginning dates of monsoon precipitation in the pre-flood season in South China from 1960 to 2016

以1960—2016年多年平均华南前汛期季风降水开始日5月16日为基准,向后延长30 d,向前延长25 d,绘制了100和850 hPa风随纬度和时间的变化(图2)。图2a中100 hPa上,在前3 d到夏季风降水开始,东风快速向北推进并增强,在此之后华南高空为东风气流所控制;图2b中850 hPa上,在华南前汛期季风降水开始日之前,华南为西风,17°N以南的华南南部为东风,到华南前汛期季风降水开始日附近,华南西风与其南部热带西风逐渐连接成一片,并随后增强。

图2 1960—2016年100°～120°E平均纬向风随距离华南前汛期平均季风降水开始日的时间变化(正为西风、负为东风):(a)100 hPa纬向风(流线表示风向);(b)850 hPa纬向风Fig.2 Variation of zonal wind averaged over 100°—120°E from 1960 to 2016 with time to the average beginning date of monsoon precipitation in the pre-flood season in South China (Positive is westerly wind and negative is easterly wind):(a)100 hPa zonal wind (Streamline indicates wind direction);(b) 850 hPa zonal wind

3 华南前汛期降水年代际变化与PDO的联系

PDO作为海洋上强烈的年代际信号,与华南前汛期的气候有着密切的关系(Chu et al.,2017;孙照渤等,2017)。华南前汛期水汽输送路径、水汽源汇的年代际变化,也会受到PDO的调制。

3.1 PDO冷、暖位相期

PDO指数有着明显的年代际变化特征,中国气象局将各月的PDO指数(NOAA的ERSST V4,北太平洋区域选择为110°E～100°W、20°～70°N,1854—2018年逐月海表温度的EOF分解后第一模态的时间系数;Zhang et al.,1997),进行12 a低通滤波处理(以第73个月为中心点滑动平均),滤波后PDO指数为正时称暖相位,为负时称冷相位。因滤波后PDO指数的时段为1860—2012年,再结合降水资料时段为1960—2016年,故将本文的研究时段调整为1960—2012年。据此可将研究时段分为3个阶段(图3):1961—1976年(冷),1977—1998年(暖),1999—2012年(冷)。

图3 1960—2018年PDO指数(虚线)与12 a低通滤波后的PDO指数(实线)Fig.3 PDO index (dashed line) and 12-year low-pass filtered PDO index (solid line) from 1960 to 2018

当PDO为暖位相时,北太平洋北部、东北部至东南部的海表面温度偏低,中部、西部与南部的海表面温度偏高;当POD为冷相位时,北太平洋北部、东北部至东南部的海表面温度偏高,中部、西部与南部的海表面温度则偏低。

3.2 华南前汛期降水与PDO的关系

图4为对1960—2016年间PDO年指数与华南前汛期总降水、锋面降水、夏季风降水的年距平作13 a滑动平均,得到1966—2010年间的滑动平均序列,并有很好的相关关系。在华南前汛期(图4a),总降水量距平与PDO相关系数为-0.684,呈显著的负相关;在华南前汛期锋面降水阶段(图4b),两者变化趋势在20世纪70年代后变化趋势基本相同,相关系数为0.343;在华南前汛期季风降水阶段(图4c)相关系数高达显著的-0.840,两者变化趋势相反。三个时间段的相关系数均通过置信度为95%的显著性水平检验,表明华南地区前汛期的降水量变化与PDO变化显著相关,PDO可能对华南前汛期降水年代际变化的具有调节作用。前汛期总降水量与PDO指数呈显著负相关,主要受夏季风降水的负相关影响。

图4 1960—2016年华南地区前汛期年降水量距平的13 a滑动平均值(蓝线)和年PDO指数的13 a滑动平均值(红线)(r为相关系数,1)、2)分别表示通过置信度为99%、95%的显著性检验,自由度为43):(a)华南前汛期(4—6月);(b)锋面降水阶段;(c)季风降水阶段Fig.4 The 13-year moving average of annual pre-flood season precipitation anomaly in South China (blue line) and the 13-year moving average of annual PDO index (red line) from 1960 to 2016 (r is the correlation coefficient,1) and 2) respectively indicate the coefficients passing the significance test at 99% and 95% confidence levels,and the degree of freedom is 43):(a)the pre-flood season in South China (April to June);(b)the frontal precipitation stage;(c)the monsoon precipitation stage

对1960—2016年华南地区各站点前汛期降水量与PDO指数使用与图4相同方法求相关系数,并绘制相关系数的空间分布图5,得到的结论与图4基本一致。图5a在整个华南前汛期(4—6月),除粤东与福建沿海接壤处、粤西、华南西部外,相关系数均为负值;在图5b锋面降水阶段,华南绝大部分地区相关系数均为正值,沿海地区的相关显著;在图5c季风降水阶段,除粤西外,均呈现显著负相关,相关系数极大值出现在珠江三角洲西部至粤桂交界附近。锋面降水阶段呈正相关,季风降水阶段呈负相关,即PDO对于华南地区前汛期不同阶段降水的影响存在差异,在局地这种差异更加显著。

图5 1960—2016年华南地区前汛期年降水量距平的13 a滑动平均值与PDO年指数的13 a滑动平均值的相关系数分布(打点区域表示通过置信度为99%的显著性检验):(a)华南前汛期(4—6月);(b)锋面降水阶段;(c)季风降水阶段Fig.5 Distributions of correlation coefficients between the 13-year moving averages of annual pre-flood season precipitation anomalies in South China and the 13-year moving average of annual PDO index from 1960 to 2016 (The dotted areas indicate the coefficients passing the significance test at 99% confidence level):(a)the pre-flood season in South China (April to June);(b)the frontal precipitation stage;(c)the monsoon precipitation stage

3.3 PDO对华南前汛期降水水汽输送过程的影响

PDO正/负相位期间,华南前汛期降水水汽到达华南地区前10、5和2 d的空间分布,如图6所示。锋面降水阶段(图6a—f),降水水汽主要来自菲律宾以东的西太平洋,东海、南海与孟加拉湾也有水汽贡献;季风降水阶段(图6g—l),降水水汽主要来自北印度洋与孟加拉湾,西太平洋、南海也有水汽贡献。在PDO不同相位下,降水水汽输送量与输送路径都有不同。

图6 1960—2012年华南前汛期降水的水汽在到达华南前的10 d(a、d、g、j)、5 d(b、e、h、k)和2 d(c、f、i、l)的分布(单位:g/kg):(a—c)PDO正位相锋面降水阶段;(d—f)PDO负位相锋面降水阶段;(g—i)PDO正位相季风降水阶段;(j—l)PDO负位相季风降水阶段Fig.6 Distributions of water vapor of pre-flood season precipitation in South China from 1960 to 2012 for (a,d,g,j)10 days,(b,e,h,k)5 days and (c,f,i,l)2 days leading up to the day of the vapor reaching South China (units:g/kg):(a—c)frontal precipitation stage with PDO positive phase;(d—f)frontal precipitation stage with PDO negative phase;(g—i)monsoon precipitation stage with PDO positive phase;(j—l)monsoon precipitation stage with PDO negative phase

为比较PDO正/负相位下降水水汽输送差异,将图6中PDO正相位水汽输送分布减去负相位,得到图7。锋面降水阶段,PDO正相位相比于负相位(图7a、c、e),水汽到达华南前10 d,菲律宾以东洋面上水汽更丰富,并呈现为带状,南海、孟加拉湾内水汽也略偏多,而印度尼西亚一带水汽偏少;水汽到达华南前五天,南海北部至菲律宾东部输送的水汽显著偏多,中南半岛南部水汽输送亦偏多,而原先在印度尼西亚水汽偏少区随时间北移到达南海南部并加强;在水汽到达华南前两天,在西南至南海北部一带,即将到达华南的水汽显著偏多,水汽偏少区北移至南海中部。因此在PDO正相位期间,来自西北太平洋和南海的水汽更多,与3.2节中锋面降水阶段华南地区降水量与PDO指数呈正相关的结论相符。在季风降水阶段,PDO正相位相比于负相位(图7b、d、f),在水汽到达华南前十天,孟加拉湾以南的印度洋有水汽偏少区,印度洋西部与马来半岛-爪哇海一带有水汽偏多区;水汽到达华南前五天,水汽偏少区移动至孟加拉湾南部与印度洋北部并加强,水汽偏多区消失;在水汽到达华南前两天,水汽偏少区移动至中南半岛上空并继续加强。由此说明季风降水阶段,当PDO处于负位相时,来自北印度洋的水汽显著偏多,可形成的降水也更多,这与3.2季风降水阶段华南地区降水量与PDO指数呈负相关的结论相符。

图7 1960—2012年华南前汛期降水的水汽在到达华南前的10 d(a、b)、5 d(c、d)和2 d(e、f)的差值分布(PDO正位相减负相位;单位:g/kg):(a、c、e)锋面降水阶段;(b、d、f)季风降水阶段Fig.7 Difference distributions of water vapor of pre-flood season precipitation in South China from 1960 to 2012 for (a,b)10 days,(c,d)5 days and (e,f)2 days leading up to the day of the vapor reaching South China (PDO positive phase minus negative phase;units:g/kg):(a,c,e)frontal precipitation stage;(b,d,f)monsoon precipitation stage

3.4 PDO对华南前汛期降水水汽输送轨迹的影响

为分析华南前汛期水汽输送路径与PDO的关系,将PDO正/负相位下的华南前汛期降水的水汽输送轨迹进行聚类(图8)。在锋面降水阶段(图8a),水汽输送均以偏东路径为主,太平洋(25.5%)和南海(27.4%)的降水贡献率较大。PDO正/负相位下,5条一一对应的聚类轨迹数量百分比很接近,最大相差1.4%。相比于负相位,PDO正相位期间五条轨迹空间位置都偏北,且轨迹线较长。从降水量百分比(表2)来看,来自孟加拉湾的轨迹2,PDO负相位比正相位轨迹2偏多1.81%;而来自南海和西太平洋的轨迹3、4,则是PDO正相位期间偏多,分别多1.79%和1.02%;轨迹1与轨迹5,相差较小。即PDO正位相期间,太平洋和南海的降水贡献率更大。

在季风降水阶段(图8b),水汽输送均以西南路径为主,水汽主要来自北印度洋的越赤道气流。PDO正相位期间,印度洋有两条聚类轨迹,来自印度洋的总轨迹数量百分比(轨迹1、2)为63.78%,而负相位有三条,总轨迹数量百分比为70.4%,偏多6.62%。高纬冷空气经华东南下的聚类轨迹(轨迹5)只出现在PDO正位相期间,这可能是因为PDO负相位期间来自印度洋的水汽输送轨迹更多,而来自西太平洋的较少,因此聚类时印度洋聚类轨迹更多,而原本是华东、西太平洋两类聚类轨迹合为一类,即在华东、西太平洋地区只存在一条轨迹。故可以将PDO正相位的轨迹4、5合并与PDO负相位的轨迹5比较,合并后PDO正相位期间来自华东、西太平洋的轨迹数量百分比为15.59%,比负相位期间的轨迹5的12.19%偏多3.76%。在南海,PDO正相位期间(轨迹3)的轨迹数量百分比较负相位(轨迹4)偏多2.86。即,季风降水阶段,来自南海、华东与西太平洋的水汽输送轨迹在PDO正相位更多,而来自印度洋的输送轨迹则是PDO负相位更多。从降水百分比来看(表2),PDO负相位期间来自印度洋的三条轨迹(轨迹1、2、3)总降水量百分比57.53%比PDO正相位期间的两条轨迹(轨迹1、2)总降水量百分比44.78%偏多12.75%。来自南海的轨迹(PDO正相位轨迹3,PDO负相位轨迹4),则是正相位期间偏多6.11%。来自华东、西太平洋的轨迹(PDO正相位轨迹4、5,PDO负相位轨迹5),正相位偏多7.27%,与上述的轨迹数量百分比相一致。PDO两个相位下来自印度洋的轨迹几乎一致,但负相位多了轨迹2,且轨迹3更长(与90°E附近越赤道气流对应),印度洋向华南输送了更多的水汽。

表2 1960—2012年PDO正、负相位下华南前汛期降水的水汽输送轨迹聚类结果Table 2 Clustering results of water vapor transport trajectories of pre-flood season precipitation in South China under PDO positive and negative phases from 1960 to 2012 %

3.5 PDO对华南前汛期降水水汽输送源汇的影响

根据蒸发-降水诊断法,判定后向轨迹的空气块中比湿增加(减少)时,有水汽流入(流出)空气块,所处位置为水汽的源(汇)。在1°×1°的网格上统计降水水汽输送轨迹在某网格中单位时间步长内比湿变化的累计值,得到降水水汽输送轨迹源汇的空间分布结果,如图9所示。

锋面降水阶段(图9a),降水水汽输送轨迹路径上主要的水汽源分布在中国东南沿海-南海北部、中南半岛北部地区,孟加拉湾、华东是较弱的水汽源,华南、中南半岛南部为水汽汇。来自华东、东南沿海、西北太平洋和南海北部的气流,在以上地区获得水汽,并直接输送到华南地区释放。而来自孟加拉湾与南海南部的水汽输送气流(图8锋面降水阶段轨迹2、3),在孟加拉湾与南海南部获得水汽后,途经中南半岛上空时形成降水释放部分水汽(中南半岛表现为水汽的汇),气流向东流经华南西部时再次获得水汽,并在华南地区释放。

图8 1960—2012年PDO正、负相位下华南前汛期降水的水汽输送轨迹聚类图(红线:PDO正相位期间聚类轨迹;蓝线:PDO负相位期间聚类轨迹;黑框表示降水研究区域):(a)锋面降水阶段;(b)季风降水阶段Fig.8 Cluster diagram of water vapor transport trajectories of pre-flood season precipitation in South China under PDO positive and negative phases from 1960 to 2012 (red line:clustering trajectories during PDO positive phase,blue line:clustering trajectories during PDO negative phase.Black box represents the area where the precipitation is studied):(a)frontal precipitation stage;(b) monsoon precipitation stage

在季风降水阶段(图9b),主要的水汽源分布在热带印度洋、红河-南海西部一带,水汽汇在华南、中南半岛西部沿岸。季风降水阶段来自印度洋的西南季风的降水水汽输送气流(图8季风降水阶段轨迹1、2),从印度洋获得水汽,经过中南半岛西部沿岸时,形成降水使水汽释放,形成水汽的汇,之后在向东推进的途中,在红河-南海西部一带再次获得水汽补充,并携至华南地区释放。

图9 1960—2012年华南前汛期降水水汽源汇1°×1°网格累计分布(单位:g/kg;绿框为水汽源地关键区,1是印度洋,2是孟加拉湾,3是华东,4是西太平洋,5是南海):(a)锋面降水阶段;(b)季风降水阶段Fig.9 The 1°×1° grid cumulative distributions of water vapor source and sink of pre-flood season precipitation in South China from 1960 to 2012 (units:g/kg;Green box is the key area of water vapor source.1 is the Indian Ocean,2 is the Bay of Bengal,3 is East China,4 is the Western Pacific,and 5 is the South China Sea):(a)frontal precipitation stage;(b)monsoon precipitation stage

综上可见,华南前汛期锋面降水/季风降水的水汽输送源汇分布差异明显。根据前汛期水汽源的空间分布,划分出5个降水的水汽源地关键区(图9中绿色方框):1)印度洋(Indian Ocean,IO;50°～100°E，0°～10°N);2)孟加拉湾(Bay of Bengal,BOB;80°～95°E,10°～23°N);3)华东(Eastern China,EC;107°～120°E,26°～40°N);4)西太平洋(Western Pacific,WP;120°～160°E,10°～35°N);5)南海(South China Sea,SCS;107°～120°E,0°～20°N)。

为分析PDO对华南前汛期水汽源汇分布的影响,图10给出1960—2012年PDO正/负相位华南前汛期降水的水汽源汇分布。图10c为华南前汛期锋面降水阶段,PDO正相位(图10a)减去PDO负相位(图10b)得到的水汽源汇差值场,可见,华东以东-南海东部洋面、红河流域差值为正,说明以上区域在PDO正相位期间提供了更多的水汽;而整个南海与中南半岛南部均为负值,南海中部-华南沿岸为负的大值区,说明以上地区在PDO负相位期间提供的水汽更多。图10f为季风降水阶段,PDO正相位(图10d)减PDO负相位(图10e)得到的水汽源汇差值场,在中南半岛西部沿岸、雷州半岛附近为正值,即在PDO正相位期间在以上地区水汽比PDO负相位期间减少程度偏小;而在孟加拉湾南部和南海中部为负值,PDO负相位期间在以上地区提供了比PDO正相位更多的水汽。

图10 1960—2012年PDO正(a、d)、负(b、e)相位及其差值(c、f;PDO正相位减负相位)下华南前汛期降水水汽源汇1°×1°网格累计分布(单位:g/kg):(a—c)锋面降水阶段;(d—f)季风降水阶段Fig.10 The 1°×1° grid cumulative distributions of water vapor source and sink of pre-flood season precipitation in South China under (a,d)positive and (b,e)negative phases of PDO and (c,f)their difference (PDO positive phase minus negative phase) from 1960 to 2012 (units:g/kg):(a—c)frontal precipitation stage;(d—f)monsoon precipitation stage

3.6 PDO对华南前汛期降水源地水汽贡献的影响

在3.5节水汽源地关键区划分基础上,使用区域源汇归因法计算各关键区对华南前汛期的降水贡献率。图11为PDO正、负相位下华南前汛期各水汽源地关键区的降水贡献率。在锋面降水阶段,除西太平洋的降水贡献率不变外,其余关键区的降水贡献率在PDO负相位期间均比PDO正相位更高。在季风降水阶段,PDO负相位期间的南海与印度洋的降水贡献率偏高,西太平洋偏低,孟加拉湾与华东大致相同。

图11 1960—2012年PDO正(a)、负(b)相位下华南前汛期各水汽源地关键区的降水贡献率(蓝色:锋面降水阶段;红色:季风降水阶段;单位:%)Fig.11 Precipitation contribution rates of key areas of water vapor sources in the pre-flood season in South China under PDO (a)positive and (b)negative phases from 1960 to 2012 (blue:frontal precipitation stage;red:monsoon precipitation stage;units:%)

3.7 PDO对华南前汛期环流特征的影响

图12a、b为华南前汛期环流差值场(PDO正相位减去负相位)。在锋面降水阶段(图12a),PDO正相位与负相位相比,西太平洋副热带高压偏北偏强,在西太平洋有反气旋式异常,西太平洋更多水汽通过反气旋异常南部的东南气流输向华南(图12c);同时在高纬上的反气旋式环流将冷空气输送到华南,与来自西太平洋的水汽在南海北部辐合(图12e),有利于PDO正相位期间在锋面降水阶段降水量的增加;孟加拉湾和印度洋的水汽输送没有明显变化。在季风降水阶段(图12b),PDO正相位与负相位相比,在高纬同样存在一个反气旋式异常,反气旋式异常东侧偏北气流一路南下至中南半岛西部沿岸,与西南季风相遇,减弱了西南季风对印度洋水汽的传输,即PDO正相位期间,输送至华南的印度洋水汽偏少;同时,南海北部有弱的水汽辐散场,不利于降水的形成(图12f);西太平洋副热带高压偏东偏弱,在西太平洋有气旋式异常,其北部向西异常气流,将更多的西太平洋水汽输送至华南地区(图12d)。这说明PDO正相位期间虽降水量偏少,但来自西太平洋的水汽偏多,即西太平洋水汽对降水的贡献偏大,此点在图11中亦有体现。

图12 1960—2012年华南前汛期PDO正相位减负相位的850 hPa位势高度(a、b;单位:m;虚线框表示青藏高原地区)、整层水汽通量(c、d;单位:kg·m·s-1)和整层水汽通量散度(e、f;单位:kg·s-1)的差值分布(a—d中阴影区与e、f中打点区域表示通过置信度为95%的显著性检验):(a、c、e)锋面降水阶段;(b、d、f)季风降水阶段Fig.12 Difference distributions of (a,b)850 hPa geopotential height (units:m;Dashed box indicates the Tibetan Plateau),(c,d)water vapor flux of the whole layer (units:kg·m·s-1) and (e,f)water vapor flux divergence of the whole layer (units:kg·s-1) between PDO positive and negative phases in the pre-flood season in South China from 1960 to 2012 (Shadings in (a—d) and dotted areas in (e,f) represent the differences passing the significance test at 95% confidence level):(a,c,e)frontal precipitation stage;(b,d,f)monsoon precipitation stage

华南前汛期锋面降水期间,正位相期间与负位相期间相比,各关键区水汽含量在整体偏多(图7),锋面降水量也略偏多(图4),夏季风降水则与PDO呈显著反相关(图4),正位相期间与负位相期间相比,尽管北印度洋-孟加拉湾-南海上的整层水汽含量大,但并没有都输送到华南,故形成有效季风降水偏少。这与3.6节降水源地水汽贡献分析的结论一致。

4 结论

1)锋面降水期间,在PDO正位相,西太平洋-南海-孟加拉湾水汽偏多,PDO指数年代际变化分量与锋面降水的年代际变化呈显著正相关。夏季风降水阶段,在PDO正位相,尽管北印度洋-孟加拉湾-南海上的整层水汽含量大,但并没有都输送到华南,PDO年代际变化分量与季风降水的年代际变化呈显著负相关。

2)锋面降水期间,水汽主要来自西北太平洋与南海。PDO正相位期间副热带高压位置偏北,使西太平洋水汽输送路径偏北且轨迹更长,向华南输送了更多的水汽,有利于降水的形成。孟加拉湾水汽贡献率在负位相略偏多。

3)季风降水期间,主要水汽输送路径为北印度洋的越赤道气流。在PDO正位相,尽管北印度洋-孟加拉湾-南海上的整层水汽含量大,但并没有都输送到华南;在PDO负位相,北印度洋有3条水汽输送轨迹,向华南输送了更多的水汽,有利于华南夏季风降水的形成,季风降水偏多。