广西前汛期降水变化特征及其与东南太平洋海温变化的因果联系

覃皓，伍丽泉，何慧

(1.广西壮族自治区气象台，广西 南宁 530022；2.广西壮族自治区气候中心，广西 南宁 530022；3.广西壮族自治区气象灾害防御技术中心，广西 南宁 530022)

1 引 言

每年的4—6月为广西的前汛期，该时段降水的异常往往会造成旱涝事件频繁，因而前汛期降水异常的成因一直是学者关注的热点。影响广西前汛期降水的因子有很多，其中海温就是通过影响大气环流造成前汛期降水异常的重要外强迫因子。前人研究大多聚焦于赤道太平洋海温异常-厄尔尼诺/拉尼娜（El Niño/La Niña）事件。然而有研究指出，华南前汛期降水与厄尔尼诺的联系并不如我国其他区域如华北、长江中下游等地区明显[1]。黄永新[2]在统计广西汛期旱涝前期强信号时发现赤道太平洋海温对广西后汛期影响明显，但对前汛期的影响不规律，特征不明显。不仅如此，广西前汛期降水异常与厄尔尼诺也不一一对应，同样的海温异常甚至会出现反位相的降水响应[3]。因此学者们也探究了其他区域海温异常的影响。况雪源等[4]通过合成分析发现广西前汛期旱涝与中低纬太平洋海温密切相关，并且进一步指出前期2—3月印度洋海温对前汛期降水的调控作用体现在年代际尺度上[5]。强学民等[6]通过合成分析和奇异值分解（SVD）方法指出前期冬季西太平洋海温与华南前汛期降水为显著的负相关。马慧等[7]则发现在我国近海存在与华南前汛期降水变化相关性较好的区域，该关键区前一年5—8月海温异常与广西前汛期降水呈显著负相关。

可以看出，前人已经广泛研究了海温异常对广西前汛期降水的影响，然而由于早期资料的缺乏，着眼于南太平洋的研究相对较少。随着1970年代后期观测资料的丰富，越来越多研究表明，南太平洋海温变化与东亚尤其是中国的天气气候同样存在密切联系。Wang等[8]指出，东南太平洋海温异常可能是通过Rossby波向北半球传递年代际信号。刘舸等[9]发现澳大利亚东侧的海温异常可以通过遥相关来影响西太平洋副热带高压（以下简称副高），进而影响我国夏季旱涝。周波涛[10]的工作也得出类似结论，认为南北半球遥相关是南半球海温异常影响我国降水的途径之一。李丽平等[11]则指出南太平洋关键区海温在1990年代后期出现的增暖趋势是造成华南前汛期降水年代际转折的可能原因。可见，探究南太平洋海温异常的气候效应对于研究我国的降水异常具有重要意义。

除此之外，前人得出的结论大多是从相关性的角度出发，而对因果联系探讨的较少。在以往气候研究中诊断两个给定的时间序列间的因果关系时，常采用时间滞后相关分析，但由于相关分析不区分方向性，应用时存在诸多局限。而Liang-Kleeman的信息流方法[12-14]在这一问题上取得了重要突破，该方法可以根据时间序列间单位时间内传递的信息来表征两者间的因果关系。因此本文通过将Liang-Kleeman信息流与传统的相关分析方法相结合，探讨广西前汛期降水与南太平洋海温变化的因果联系，为分析前汛期降水异常提供新的着眼点。

2 资料和方法

本文采用国家气候中心整编的1979—2019年全国160站逐月降水资料，将广西区域6个站点（桂林、河池、百色、梧州、南宁和钦州站）每年4—6月取平均得到的序列定义为广西前汛期降水指数IAMJ。海温数据采用英国气象局Hadley中心整编的1979—2019年全球逐月海表面温度资料，分辨率为1°×1°。美国大气海洋局（NOAA）的全球陆地降水资料（PREC_L，分辨率为1°×1°），向外长波辐射（OLR）资料（分辨率为2.5°×2.5°）。大气资料采用NCEP/NCAR逐月再分析资料，分辨率为2.5°×2.5°，包括500 hPa位势高度和垂直速度，850 hPa水平风场和比湿。副高特征指数采用国家气候中心提供的月平均资料，包括强度指数、面积指数、西伸脊点以及脊线位置。

本文利用的统计方法有Morlet小波分析、Pearson相关系数、Liang-Kleeman信息流以及合成分析方法。一个事件到另一事件存在非零的信息流（信息传递），表明了前者与后者存在因果联系，若无因果联系则信息流为零。给出一个二维系统：

其中，ρ1为x1的边际密度，E为数学期望。当只给出两时间序列X1和X2，对于线性系统，Liang[14]证明了方程（2）的极大似然估计在形式上可以变得非常简洁：

式中，Cij为Xi与Xj的样本协方差（i,j=1,2），Ci,dj为Xi与Ẋj的协方差，Ẋj为dX j/dt的欧拉前差差分近似。若T2→1=0，则X1的变化独立于X2，即X2不是X1变化的原因。若T2→1＞0，则X2是X1变化的原因，且X2使X1变化的不确定性增强，可预报性降低。若T2→1＜0，则X2是X1变化的原因，且X2使X1变化趋于稳定，可预报性增强。

此外，Liang[14]给出了关于信息流的检验方法。信息流的置信区间可以根据Bootstrap自助法得到，但当样本量较大时，其获得方法可以更为简化。由于最大似然估计的性质，T2→1在其真实值附近近似服从正态分布，方差为，其中可通过计算Fisher信息矩阵获得，详见Liang[14]。当给定显著性水平，就可根据得到置信区间，如90%信度的置信区间为：

该方法已在研究El Niño与印度洋偶极子（IOD）间因果关系时进行了验证[14]并在气象领域中得到广泛应用[15-18]。

3 广西前汛期降水的变化特征

3.1 前汛期降水的年际以及年代际变化特征

将广西前汛期降水指数IAMJ进行标准化处理，得到1979—2019年前汛期降水的标准化距平序列（图1中黑色实线）。由图1可见，广西前汛期降水具有明显的年际和年代际变化特征。利用线性回归方法计算降水指数的变化趋势（图1中绿色实线），结果表明，近40 a广西前汛期降水具有增多的趋势，但趋势并不显著，相关系数为0.029。从9 a滑动平均的结果（图1中蓝色虚线）来看，广西前汛期降水在1980年代至1990年代初处于少雨期，而在20世纪末至21世纪初期为多雨期，在1992年左右出现年代际转折，与前人研究较为一致[2,5,11,19,20]。

图1 1979—2019年广西前汛期降水指数IAMJ

3.2 前汛期降水变化的周期特征

前人对广西前汛期降水变化的周期已有一定的研究。黄雪松等[21]利用奇异谱分析及最大熵谱方法探讨了1898—2002年间广西汛期降水变化周期时，发现前汛期时段降水的变化呈现2～3 a以及12～16 a左右的周期振荡。蒋国兴[22]根据地形分区讨论前汛期降水周期特征时发现，广西大部分区域均存在2～4 a和12～14 a的周期特征。本文利用小波分析探究1979—2019年广西前汛期降水的周期分布特征。在年际尺度上，20世纪80年代末至21世纪初存在显著的3～5 a短周期（图2），这与前人的结论较为一致，在该时间段内旱涝及其急转事件频发[4,20,23]。而在年代际尺度上，20世纪80年代初至21世纪初存在10～13 a长周期，但受到边界效应影响仍需资料进一步验证。

图2 1979—2019年广西前汛期降水指数I AMJ的小波分析

4 广西前汛期降水与太平洋海温的联系

为了探讨广西前汛期降水与海表温度的关系，将降水指数IAMJ分别与前一年夏季、前一年秋季、前一年冬季、同年春季以及同期4—6月的海温计算相关系数和信息流。由于前人已经对前汛期降水与海温的相关性进行了一定的研究[6-7]，因此本文重点讨论前汛期降水与海温变化存在高相关性且对应区域内信息流传递显著的影响期。

4.1 广西前汛期降水与太平洋海温的相关性

降水指数IAMJ分别与上述不同时段的海温的相关系数和信息流结果表明：广西前汛期降水指数IAMJ与太平洋海温变化具有密切联系，其中符合本文重点关注的时间段主要出现在同年春季以及同期4—6月（图3）。广西前汛期降水指数IAMJ与同年春季（图3a）以及同期4—6月（图3b）太平洋海温变化存在三个显著相关区域，分别位于北太平洋（SST1区）、赤道中东太平洋（SST2区）以及东南太平洋（SST3区），均通过了0.05显著性检验。其中，SST1和SST2两个区域的海温变化与降水指数IAMJ成正相关，相关系数达到0.4，表明同年春季以及同期4—6月北太平洋、赤道中东太平洋海温偏暖（偏冷），广西前汛期降水偏多（偏少），与前人得出的结论类似[24-26]。而SST3区域的海温变化与降水指数IAMJ成负相关，相关系数达到-0.4，表明同年春季以及同期4—6月东南太平洋海温偏暖（偏冷），广西前汛期降水偏少（偏多）。

图3 同年春季（a）、同期（b）的海温与广西前汛期降水指数I AMJ的相关系数分布

4.2 广西前汛期降水与太平洋海温的因果关系

以上分析表明，广西前汛期降水与同年春季、同期4—6月太平洋海温变化具有密切联系。然而两者的联系是否稳定，海温的变化是否是前汛期降水变化的因（影响源之一），如果是因，那么海温变化产生的影响是否稳定？为探究上述问题，本文进一步利用Liang-Kleeman信息流理论分析两者的因果联系。由同年春季海温对广西前汛期降水指数IAMJ的信息流分布可以看到（图4a），在上述相关性显著区域，SST1和SST2区的信息流为正，表明该区域同年春季海温的变化对广西前汛期降水产生影响，其中SST1区海温与降水的因果联系显著，通过95%信度水平的显著性检验，但海温变化导致前汛期降水的变化趋于不稳定，可预报性降低，表明该区域海温是前汛期降水的显著不稳定影响源，因此对于预报参考意义不大。而SST2区为定义厄尔尼诺事件的关键区，但与广西前汛期降水的因果联系较弱，未通过显著性检验，表明SST2区海温与前汛期降水两者变化相对独立，这可能是前人[2-3]在研究中发现厄尔尼诺和拉尼娜事件跟广西前汛期降水异常不一一对应的原因。值得注意的是，SST3区的信息流为负，且通过95%信度水平的显著性检验，表明该区域同年春季海温的变化对广西前汛期降水产生影响，并使其趋于稳定，可预报性增强，是显著稳定影响源，因此可以认为该区域是太平洋海温变化影响广西前汛期降水的关键区，对于广西前汛期的降水异常具有一定的贡献。

在同期4—6月海温对广西前汛期降水指数IAMJ的信息流的分布中（图4b），此前因果联系较弱的SST2区在同期的信息流分布上变得显著，说明该区域海温与前汛期降水的变化不再相互独立，在同期关系上该区域海温是前汛期降水变化的不稳定影响源。除此之外，SST1与SST3区域存在上述图4a中相同的配置，SST1区因果联系有所增强，SST3区略有减弱。综上所述，本文选取对前汛期的降水预测更有利且因果联系更强的时间段（同年春季），进一步研究关键区海温变化影响广西前汛期降水的可能途径。

图4 同年春季（a）、同期（b）的海温对广西前汛期降水指数I AMJ的信息流分布

4.3 东南太平洋海温影响广西前汛期降水的可能途径

对1979—2019年春季SST3区内（170～80°W,45～20°S）海温取平均，去掉海温变化趋势后进行标准化处理，根据绝对值大于1选取出关键区海表温度异常偏高年（1989、1996、1997、2002、2006、2009、2011、2017、2018年）和偏低年（1983、1993、1994、1998、2012、2014、2016年）进行合成分析。

图5为关键区海温偏暖和偏冷年广西前汛期降水异常百分率合成以及去趋势后的海温序列对前汛期降水的信息流分布，可以看到在关键区海温偏暖年，全区大部为降水的负异常，最强异常区域位于桂东南，偏少6%，而黔桂交界一带的异常不明显（图5a），这可能是由于其他影响因子如青藏高原的热力作用或者印度洋海温异常的影响[27]。关键区海温偏冷年，全区为降水正异常，最大偏多15%（图5b）。降水异常与海温异常的反位相再次表明SST3区海温变化对广西前汛期的降水异常具有一定的贡献。此外，信息流结果也表明，同年春季SST3区海温是广西前汛期降水显著的稳定影响源（图5c）。

图5 同年春季关键区海温偏暖（a）和偏冷（b）年前汛期降水异常百分率合成分布（单位：%），同年春季关键区海温对前汛期降水的信息流分布（c，打点区域表示通过0.05显著性检验）

4.3.1 大气环流

海温的异常能够通过海气热量交换从而影响大气环流。从环流场的合成分析来看，在同年春季关键区海温偏暖年，前汛期500 hPa上中高纬地区乌拉尔山和东亚沿岸为位势高度负异常，而贝加尔湖一带为正异常（图6a），表明中高纬以异常纬向环流为主，不利于阻塞形势的建立和冷空气南下。低纬地区副高异常偏弱，588位势高度线撤至125°E以东，不利于西太平洋和南海的水汽向广西输送。而在关键区海温偏冷年，500 hPa上我国东部为位势高度正异常，而贝加尔湖一带为负异常，有利于冷空气阻塞南下。低纬度地区孟加拉湾至西太平洋为显著正异常，形成北负南正跷跷板型异常特征，副高异常偏强，西脊点西伸至112°E附近（图6b）。该配置有利于副高西侧西南气流向广西输送水汽[28-29]，与南下的冷空气交汇造成前汛期降水正异常。

图6 同年春季关键区海温偏暖（a）和偏冷（b）年前汛期500 hPa位势高度异常合成分布

从合成分析可以看出，在关键区海温异常年，副高有显著的变化。前人已有研究表明，副高的变化与海温的变化密切相关[30-32]，南半球的海温异常可以通过经向遥相关来影响副高[9,10,33]，进而造成我国降水出现异常[29]。因此进一步将关键区海温与副高特征指数计算相关系数和信息流，探讨关键区海温对副高的影响。由表1可见，关键区海温与副高强度指数、面积指数呈显著负相关，而与西伸脊点经度呈显著正相关。同时海温对特征指数的信息流均为负，表明关键区海温变化是副高变化的稳定影响因子，关键区海温偏冷（偏暖），在一定程度上造成了副高偏强（偏弱），面积偏大（偏小），脊点位置偏西（偏东），脊线偏南（偏北）。此外，前人研究也表明，华南前汛期涝年（旱年）500 hPa上副高与上述模态相对应[34,35]。因此可以认为关键区海温的变化对副高的影响是造成前汛期降水变化的原因之一。

表1 关键区海温与副高（WPSH）特征指数的相关系数（R）以及信息流（T SST3→WPSH）

4.3.2 水汽输送

南海水汽输送的多寡是造成前汛期降水异常的关键[36]。在海温偏暖年，华南一带受偏北异常气流控制，不利于来自孟加拉湾和南海的水汽输送，为水汽通量的负异常，同时广西上空为下沉运动异常（图7a），下沉运动的抑制和水汽输送的减少是造成前汛期降水负异常的可能原因。在海温偏冷年，西北太平洋上空850 hPa存在反气旋异常，引起副高显著西伸[37]，促使南海向广西输送水汽增多，水汽通量正异常。同时广西上空为上升运动异常，动力与水汽条件配合有利于降水的增多（图7b）。

图7 同年春季关键区海温偏暖（a）和偏冷（b）年前汛期500 hPa垂直速度（等值线，单位：10-2 Pa/s）和850 hPa水汽通量（填色，单位：g/（s·hPa·cm））以及风场（单位：m/s）的异常合成分布

4.3.3 可能机制

进一步分析与关键区海温异常相联系的环流和OLR场发现，关键区海温偏冷年，由于非绝热加热异常的影响，SST3关键区西侧为OLR的显著正异常，对流抑制，南半球中纬度太平洋出现类似Gill型Rossby波响应[38]的异常反气旋环流，横跨澳大利亚西侧至SST3关键区（图8a，见下页）。取30～20°S经向平均垂直剖面差值场（负异常年减去正异常年），可以看到SST3关键区西侧的下沉异常通过垂直环流引起澳大利亚西北侧上升运动异常（图9a，见下页），对流活跃（图8a）。而在关键区海温偏暖年的形势相反，关键区西侧对流活跃，对应异常气旋环流，但异常不如海温偏冷年显著（图8b），可能是由于其他外强迫因子的影响。澳大利亚西北侧的垂直运动异常可以通过“大气桥”遥相关对广西上空环流产生影响[39-41]。从105～110°E纬向平均垂直剖面的差值场上可以看到，当关键区海温偏冷时，澳大利亚西北侧对流异常利于该区域异常上升运动的维持，导致局地Hadley环流减弱，一方面使得赤道地区以北（5～15°N）为下沉运动异常，减弱了对流（图8a），进而使副高加强西伸[42-43]，有利于副高西侧的西南气流向广西输送水汽；另一方面有利于广西地区上空局地Hadley下沉支减弱，受异常上升运动控制（图9b），对流增强（图8a），导致降水正异常。关键区海温偏暖年西太平洋地区对流活跃（图8b），副高减弱东退，造成输送至广西的南海水汽减少，同时对流的抑制进一步减少了降水。

图8 同年春季关键区海温偏冷（a）和偏暖（b）年OLR（填色，单位：W/m2）和850 hPa风场（单位：m/s）的异常合成分布

5 结 论

本文分析了广西前汛期降水的年际、年代际变化以及周期特征，并利用相关分析、信息流以及合成分析方法探讨了太平洋海温变化与前汛期降水变化的因果联系以及可能的影响途径。

图9 同年春季关键区海温异常年前汛期20～30°S（a）和105～110°E（b）平均垂直剖面上的垂直速度（填色，单位：10-2 Pa/s）和环流（流线，垂直速度扩大-100倍）的差值场（负异常-正异常）

（1）广西前汛期降水具有明显的年际和年代际变化特征。近40 a具有增多的趋势，但趋势并不显著。前汛期降水在20世纪80年代末至21世纪初存在显著的3～5 a周期。1980年代至1990年代初为少雨期，而在20世纪末至21世纪初期转为多雨期。

（2）结合相关分析与因果分析表明，太平洋东南部是海温变化影响广西前汛期降水的关键区。同年春季以及同期4—6月关键区海温是造成同年广西前汛期降水变化的原因之一，关键区海温升高（降低）能够部分导致广西前汛期降水的减少（增多）。

（3）同年春季关键区海温异常可能是通过影响大气环流以及水汽输送而造成广西前汛期的降水异常。同年春季海温偏冷年，关键区西侧对流抑制，南太平洋出现异常反气旋环流响应，通过垂直环流引起澳大利亚西北侧上升运动异常，减弱了局地Hadley环流。通过大气桥一方面使得赤道地区以北（5～15°N）为下沉运动异常，减弱了对流，进而使得副高增强，面积偏大，脊点偏西，脊线偏南，有利于副高西侧的西南气流向广西输送水汽；另一方面有利于广西地区上空局地Hadley环流下沉支减弱，受异常上升运动控制，对流增强，导致降水正异常。海温偏暖年形势大致相反，前汛期降水负异常。

本文利用信息流探讨了东南太平洋海温与广西前汛期降水的因果联系，而具体的影响机制还需要未来在数值模式中进一步验证。除此之外，图3和图4中南大西洋附近也存在一个稳定影响源。南半球陆地分布较少，环流具有较好的持续性，而海温的异常会对环流产生影响，并通过越赤道气流进一步影响东亚地区[5,44]。已有研究表明南大西洋海温变化与我国的降水存在密切联系[45-46]，但是工作较少，因此该区域的影响值得进一步研究。