北太平洋海温与广西前汛期降水的联系

覃皓

广西壮族自治区气象台， 南宁 530022

0 引言

广西位于我国低纬度华南地区，每年的4—6月份为前汛期，雨量充沛，降水量可达全年的一半以上.广西前汛期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界关注的热点.

广西前汛期降水的影响因子众多，海温是其中最重要的外强迫因子之一.关于海温的影响，研究多聚焦于热带中东太平洋海温异常——厄尔尼诺/拉尼娜(El Nio/La Nia)事件(伍红雨和吴遥，2018；李海燕等，2019)，而对北太平洋海温异常对广西前汛期降水影响的研究相对较少.然而有研究表明，东亚大气环流异常与北太平洋海温变化同样密切相关(谭桂容等，2009；李崇银等，2011；张雯等，2020).Namias(1963)研究发现北太平洋海温的反馈作用对大气环流异常的维持和加强具有重要贡献.王芬等(2014)认为，北太平洋海温异常能影响中纬度西风，进而调控西太平洋副热带高压(以下简称副高)的强弱.Li等(2021)的工作指出北太平洋海温异常能够调制由北大西洋激发的东传Rossby波，使其传播路径改变进而导致东亚急流提前北跳，造成2020年入梅偏早.进一步地，他们通过观测发现北太平洋马蹄形的海温异常形势促进了东亚急流南压以及副高西伸，并且在气候模式CAM4中进行了验证(Li et al., 2022).除此之外，北太平洋海温异常还与不同海温模态间存在相互作用(Li et al., 2019).在跨洋盆方面，北太平洋海温与大西洋海温主导模态AMO(Atlantic Multidecadal Oscillation)之间存在显著联系，AMO暖位相通过大气桥机制引起北太平洋上空出现异常下沉，绝热下沉使得低对流层增温增湿，进而促进北太平洋增暖(Gong et al., 2020).在洋盆内相互作用中，Ding等(2015，2018)发现北太平洋海温异常的第二模态——维多利亚模态不仅能通过海气耦合作用影响随后季节El Nio/La Nia的发展，还可以通过“季节足迹机制”调控南海夏季风，两种途径均能对我国降水造成影响(伍红雨和吴遥，2018；李海燕等，2019；Fan et al., 2020).Zhang等(2018)的工作从副热带海洋锋角度，讨论了北太平洋海温异常对厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)的影响.其研究表明，北太平洋海温南北梯度增强会在其南侧强迫出异常反气旋，而与之相关的异常东北风叠加在气候态风场上增强了风蒸发效应，最终导致La Nia事件.可见，北太平洋海温异常不仅可以直接影响东亚环流，也可以间接通过影响热带中东太平洋的异常形势，进而通过中低纬度路径与我国天气气候建立联系.不仅如此，由于中纬度大气具有较强的内部变率以及斜压性，瞬变涡旋活跃，大气环流对海温异常的响应与热带地区存在明显差异.近年来，一系列研究表明，瞬变涡旋的非绝热加热以及瞬变涡度强迫作用是中纬度海温异常影响大气环流的关键因子，在该强迫下大气在垂直方向呈现相当正压的响应结构(Fang and Yang, 2016; Sun et al., 2018; Tao et al., 2020).这一进展加深了人们对中纬度海温异常外强迫的理解与认识，而在该机制下东亚的天气气候会有怎样的响应同样值得进一步探讨.

综上可见，北太平洋海温异常与我国的天气气候存在密切联系，而以往对广西前汛期降水影响因子的研究较少关注于该海域，因此探究北太平洋海温变率的影响有助于为分析广西前汛期降水异常提供新的着眼点.此外，前人得出的结论大多是从相关性角度出发，而对因果联系探讨较少.在以往气候研究中，常采用时间滞后相关分析诊断两个物理变量间的因果关系，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的信息流理论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(Liang, 2008, 2014).王惠平等(2020)通过计算信息流发现在日尺度上南亚高压的强度会受到其内部垂直速度变化的影响.Xiao等(2020)使用该方法揭示了1920—2018年间北极地表温度异常在各个阶段存在的驱动因子，包括太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation，PDO)、二氧化碳浓度以及气溶胶等.覃皓等(2023)利用该理论研究发现，夏季热带大西洋海温异常可以在一定程度上通过促进随后热带中东太平洋海温异常的发展来影响次年华南前汛期降水.可见该方法已在气象领域的因果分析中广泛应用.因此，鉴于Liang-Kleeman信息流在因果关系分析中具有定性及定量的优越性，本文将结合相关、合成分析以及信息流因果理论，探讨北太平洋海温异常与广西前汛期降水的联系，并对可能的影响机制进行初步讨论.

1 资料与方法

1.1 资料

本文采用数据资料包括：

(1)国家气候中心提供的1979—2019年全国160站逐月降水资料，将广西区域站点每年4—6月份取平均得到的序列定义为广西前汛期降水指数IGX.降水资料还使用了欧洲中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)提供的ERA5(Hersbach et al., 2020)逐月降水再分析资料(分辨率为0.25°×0.25°).该资料是ECWMF第五代再分析产品，使用了最新版的地球系统模式以及资料同化、物理过程参数化方案，对于天气气候演变较上一代产品具有更好的再现能力.已有许多研究表明该产品具有较高的可信度(Beck et al., 2019；Nogueira，2020)，其降水资料在年、季尺度上的变化趋势以及年内的分配规律与实况较为一致(王彧蓉等，2021)，并且基于该资料计算的3个月(季)尺度的降水指数具有较高精度(刘婷婷等，2022).

(2)英国气象局Hadley中心的1978—2019年全球逐月海表面温度资料，分辨率为1°×1°.

(3)美国环境预报中心和国家大气环境研究中心的逐月再分析资料(NCEP/NCAR Reanalysis 1)，分辨率为2.5°×2.5°，包括位势高度、水平风场、垂直速度、比湿和温度.

(4)美国大气海洋局(NOAA)逐月向外长波辐射(OLR)资料(分辨率2.5°×2.5°)，Nino3.4、PDO指数.

1.2 研究方法

本文利用的分析方法包括相关分析、合成分析以及Liang-Kleeman信息流因果分析.研究中涉及的广西前汛期时段均取4—6月的平均值.气候态选取整个研究时段1979—2019年逐年广西前汛期的平均值，距平场则通过原物理量场减去该气候平均值获得.

在Liang-Kleeman信息流理论中，一个事件到另一事件存在非零的信息流(信息传递)，表明两者间存在因果联系，若无因果联系则信息流为零.给出一个二维系统：

(1)

(2)

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(2014)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：

(3)

(4)

研究中除特别说明外，信息流的显著性检验均设定为0.1置信水平.同时，鉴于该方法对于因果关系的定量性质(Xiao et al., 2020)，我们将绝对值小于0.01的信息流视为因果联系不显著故而舍弃.

2 广西前汛期降水与北太平洋海温的联系

为研究广西前汛期降水与北太平洋海温变化的相关性，计算1979—2019年时间段内广西前汛期降水指数IGX与同期北太平洋海温的相关系数(图1).在北太平洋上，相关系数呈经向偶极型的分布，中纬度中西太平洋(170°E—150°W，25°N—45°N)为显著负相关区，而50°N以北的太平洋为显著正相关，上述区域最强相关系数分别达到-0.36和0.5，均达到0.05信度水平的显著性，表明该区域海温与广西前汛期降水变化密切相关.由于存在相关却未必有因果，并且相关分析不区分方向性，因此为确认上述区域海温变化是导致广西前汛期降水变化的可能原因，计算1979—2019年同期北太平洋海温对广西前汛期降水指数IGX的信息流(图2).由信息流分布可见，在强相关区域存在信息流大值区，并达到了0.1信度水平的显著性，表明上述区域海温变化是导致广西前汛期降水变化的原因之一.

图1 海温与广西前汛期站点降水指数IGX的相关系数分布(打点区域表示达到0.1的显著性信度水平)Fig.1 Distribution of correlation coefficient between the index IGX and SST (the dotted areas indicate the values passing 0.1 significance level)

除此之外，赤道中东太平洋一带也存在显著的正相关区域，同时信息流结果显示该区域的海温变化显著影响了广西前汛期降水，表明赤道中东太平洋海温偏暖(偏冷)，广西前汛期降水偏多(偏少).由于赤道中东太平洋为定义El Nio/La Nia事件的关键区，我们进一步计算了前一年冬季(前一年12月至当年2月的平均)海温与当年前汛期降水指数IGX的相关系数和信息流，发现并没有来自于赤道中东太平洋的影响信号.前人研究也指出，相对于我国其他区域如华北、长江中下游等地区，华南前汛期降水与前期ENSO的联系较弱，El Nio/La Nia事件跟广西前汛期降水异常并不一一对应(徐蕾如和邓良焱，1989；吴志伟等，2006).Gu等(2018)的研究进一步表明，前汛期降水与赤道中东太平洋海温的联系在同年4月和5月达到最强，并持续至6月，而在前一年冬季则没有显著信号，这与我们的分析结果相符.综上，赤道中东太平洋海温对广西前汛期降水的影响主要集中在同期时段的4—6月，因此在以下的分析中需考虑北太平洋海温与前汛期降水的联系是否受同期赤道中东太平洋海温变化的影响.

图2 海温对广西前汛期站点降水指数IGX的信息流分布(单位：nat·a-1，打点区域表示达到0.1的显著性信度水平)Fig.2 Distribution of information flow from SST to the index IGX (units: nat·a-1, the dotted areas indicate the values passing 0.1 significance level)

图3为1979—2019年IGX和INP的标准化时间序列，可以看到海温与前汛期降水间存在着同相的变化.从9年滑动平均结果看，前汛期降水在20世纪80年代至90年代初为少雨期，而在20世纪末至21世纪初期转为多雨期.关键区海温从20世纪80年代至90年代初为负位相，随后转位正位相，而在21世纪初期又转为负位相，对应前汛期降水逐渐向少雨期转变.进一步计算表明，IGX和INP的相关系数(Cor)达到0.42，INP到IGX的信息流(IF)为0.20，均达到0.01信度水平的显著性.因此，结合相关和因果分析可以认为：北太平洋关键区海温是广西前汛期降水的显著影响源，海温异常的正位相(负位相)分布在一定程度上导致了广西前汛期降水增多(减少).此外，IGX与同期Nino3.4指数的相关系数为0.35，达到0.05信度水平的显著性，而INP与同期Nino3.4指数的相关系数为0.54，达到0.01信度水平的显著性.因此我们计算偏相关系数进一步分析北太平洋关键区海温对前汛期降水的独立影响.在消除ENSO的影响后，IGX和INP的偏相关系数(Pcor)为0.3，相较于Cor有所减小，但仍达到0.1信度水平的显著性.因此，可以推测北太平洋关键区海温变化可以独立于赤道中东太平洋影响前汛期降水，而赤道中东太平洋海温变化可以起到调制作用，进而增强北太平洋海温与前汛期降水联系.

图3 广西前汛期降水指数IGX(灰色实线)和海温指数INP(黑色实线)的标准化序列及9年滑动平均(浅蓝和深蓝虚线分别为IGX和INP的平滑曲线)Fig.3 Standardized time series for the IGX (gray line) and the INP (black line), 9-year running averages (light blue and dark blue dashed line indicate the smoothed of IGX and INP respectively)

为证实上述推测，我们利用到Liang(2021)最近提出的广义多元因果分析.在一个d维随机动力系统中，Xj到Xi的信息流为

(5)

式中Δij为矩阵C=(Cij)的代数余子式，detC为C的行列式，其余同方程(3).当维数d=2时，方程(5)即简化为方程(3).计算结果揭示了多元系统中任意两元素间的直接因果联系(Liang，2021；Zhang and Liang，2022).在IGX、INP和Nino3.4指数的时间序列中，得到INP到IGX的直接信息流为0.19，达到0.05信度水平的显著性(图3中PIF)，这一显著的因果联系进一步证实了上述推测.

在反向的信息流方面，IGX到INP的信息流为0.13，仅达到0.1信度水平的显著性，IGX到Nino3.4指数的信息流为0.05，未达到0.1信度水平的显著性.这表明广西前汛期降水受北太平洋海温变化影响的同时也存在一定的反馈作用，但影响相对较弱；而广西前汛期降水与赤道中东太平洋海温两者之间为单向的因果联系，主要是后者对前者的影响.进一步给出同期降水对INP和Nino3.4指数的信息流分布(图4)，可以看到与上述结果基本一致，存在降水对北太平洋海温的反馈，而降水对赤道中东太平洋海温的影响很弱.上述联系或许可以由热带与中纬度地区海气相互作用的差异所解释，热带地区主要为海洋强迫大气，而中纬度海洋对于大气的强迫更为敏感(Deser and Timlin，1997；Tanimoto et al., 2003).广西前汛期时段，冷暖空气在华南交汇，对流活跃.华南一带降水异常引起的潜热加热扰动可能会激发大气Rossby响应，Rossby能量在急流波导作用下向北太平洋传播，通过引起该区域环流变化进而影响海温.上述推测与Zhang和Liang(2022)的发现相似，其研究表明中国南海一带的局地海温异常会激发类PNA(Pacific-North American)波列，该响应波列的能量沿急流波导向太平洋和北美频散，进而影响PNA的发展.上述可能的物理联系有待进一步研究，但已超出本文讨论范围，以下主要关注海温变化对降水影响的物理机制.

图4 同图2，但为ERA5降水对(a)INP和(b)Nino3.4指数Fig.4 Same as Fig.2, but for ERA5 precipitation to the index (a) INP and (b) Nino3.4

3 北太平洋海温影响广西前汛期降水的可能途径

副热带和中高纬环流系统对广西前汛期降水异常均存在显著贡献(陈丽娟等，2019).关于副热带地区，前人工作主要强调了副高及低对流层异常反气旋有关的水汽输送对前汛期降水的影响(伍红雨和吴遥，2018；李海燕等，2019；覃皓等，2023).而对于中高纬环流的作用，许多研究则指出，前汛期降水与北方冷空气的活动密切相关，冷空气活跃南下有利于冷暖空气交汇于华南地区(吴志伟等，2006；Li et al.，2018).北太平洋和热带太平洋分为作为中高纬和副热带地区重要的外强迫源，其海温异常势必会引起环流的变化.因此以下围绕环流以及水汽输送对海温变化的响应，讨论北太平洋海温变化影响广西前汛期降水的可能机制.

3.1 北太平洋海温的独立影响

图5给出500 hPa位势高度场与INP和Nino3.4指数的同期相关以及偏相关系数分布.在高度场与INP的相关系数分布上，可以看到在太平洋地区呈现经向“+-+”的三极型结构，高纬和低纬太平洋为显著正相关，而中纬度太平洋为负相关(图5a).除此之外，低纬地区表现为大面积的正相关区，显著区域位于印度洋至热带中太平洋.而在中高纬地区，相关系数分布呈现出纬向正负相间的遥相关波列特征.

进一步考察北太平洋海温对前汛期降水的独立影响，对比图5a和图5b可以看到，在消除了ENSO的影响后，原图5a中低纬地区大面积正相关区基本消失(图5b)，表明该区域的信号主要来自于热带太平洋而非北太平洋.与之形成对比的是中高纬度的遥相关波列特征依然维持，并且特征变得更为明显，表明该遥相关波列主要与北太平洋海温相关.其中，欧亚中高纬自西向东呈“+-+-”的相关分布，贝加尔湖为显著的正相关，而东亚沿岸为显著负相关，并且负相关区向华南一带延伸，表明北太平洋关键区海温为正位相时，贝加尔湖高压脊和东亚大槽均显著增强，这种“北高南低”的配置下有利于中高纬地区的冷空气南下(吴志伟等，2006；伍红雨等，2015；李丽平等，2018)，关键区海温为负位相时则相反.

图5 广西前汛期500 hPa位势高度与INP的相关系数(a)以及与INP(b)和Nino3.4指数(c)的偏相关系数分布(打点区域表示达到0.1的显著性信度水平)Fig.5 Distribution of correlation coefficient of 500 hPa geopotential height with the INP (a), partial correlations of 500 hPa geopotential height with the INP (b) and Nino3.4 index (c) during Guangxi FRS (dotted areas indicate the values passing 0.1 significance level)

在低层850 hPa上，风场与INP的偏相关分布表明在消除ENSO的影响后(图6a)，关键区海温正位相年北太平洋自南向北呈现异常气旋、异常反气旋的经向结构，横跨东亚沿岸至北美洲西海岸，其中心分别与500 hPa负、正相关中心对应，呈现垂直方向相当正压结构的响应特征.此外，在贝加尔湖东北侧存在反气旋的异常环流，其与北太平洋异常气旋间为显著的偏北风异常，有利于洋面湿冷空气向陆地输送并进一步南下(李丽平等，2018).低纬度的特征与500 hPa类似，均没有明显的响应，表明北太平洋关键区海温主要影响了中高纬度地区.

图6 广西前汛期850 hPa风场与INP(a)和Nino3.4指数(b)的偏相关分布蓝色由浅到深分别表示达到0.1、0.05和0.01的显著性信度水平.Fig.6 Distribution of partial correlations of 850 hPa wind with the INP (a) and Nino3.4 index (b) during Guangxi FRS Shaded from light to dark indicate passing 0.1, 0.05 and 0.01 significance level respectively.

为更好地反映北太平洋海温对广西前汛期降水的影响，进一步根据0.75倍标准差阈值，从INP的标准化时间序列中挑选出关键区海温正位相异常年(1992、1993、1996、1997、2005、2014、2015、2016、2019年)和负位相异常年(1980、1985、1987、1988、1999、2000、2006、2008、2010、2012年)进行合成分析.上述年份定义为NP(North Pacific)普通年份，保留了北太平洋和赤道中东太平洋海温的影响.进一步地，将上述年份中北太平洋关键区海温处于正位相(负位相)而赤道中东太平洋未处于El Nio或La Nia状态的年份，定义为NP独立正位相(负位相)年，反映关键区海温对前汛期降水的独立影响.结果如表1所示.

表1 NP普通年和NP独立年的位相配置分布Table 1 Distribution of the phase configurations of NP normal and NP independent years

图7给出海温异常年份的合成分布，可以看到在NP独立年份中，太平洋海温的异常信号主要来自于中高纬度的北太平洋，较好地消去了赤道中东太平洋海温异常的影响.海温正位相年，北太平洋中、西部(130°E—150°W，25°N—40°N)为SST冷异常中心，而由阿留申群岛一直延伸至北美大陆西岸均为显著正异常(图7a).海温负位相年SST异常形势大致相反，SST暖异常中心主要位于北太平洋中部(160°E—150°W，25°N—40°N)，阿留申群岛—北美大陆西北岸均为显著负异常(图7b).

中纬度地区大气对海温异常的响应与热带地区存在显著差异.在热带地区，大气环流异常主要由热力驱动，具有明显的斜压结构(Gill, 1980; Keenlyside and Latif, 2007; Polo et al., 2015; Cai et al., 2019).海温异常通过影响对流活动，导致局地的非绝热加热异常，造成垂直方向上大气低层辐合(辐散)高层辐散(辐合).而在中纬度地区，海温异常的非绝热加热作用相对较弱，并且由于大气层结的稳定性，加热强迫常局限在低对流层(Tao et al., 2020).Fang 和Yang(2016)的研究则发现中纬度大气对海温异常的响应是非绝热加热、瞬变涡旋加热以及瞬变涡旋动力强迫的总和.当海温异常造成海温经向梯度增强时，低层大气斜压性增强，瞬变涡活动变得活跃，使得热量和动量在中上对流层得到再分配，最终导致整层相当正压结构的大气响应(Sampe et al., 2010; Liu et al., 2018; Zhang et al., 2020).

在海温正位相与负位相年广西前汛期500 hPa位势高度差值场上，可以看到与图5b类似的形势，北太平洋地区正位相(负位相)海温异常之上为自南向北显著的“+-+”(“-+-”)三极型位势高度异常(图8a).与此同时，在低层850 hPa风场上，海温正位相年北太平洋30°N以北(以南)的海温负(正)异常叠加在原本由南向北递减的气候态海温场上造成海温经向梯度增强，进而影响了其上空的温度梯度，通过热成风效应在30°N附近强迫出异常西风，造成其北侧(南侧)的气旋(反气旋)异常，50°N附近的异常东风成因与之类似(Zhang et al., 2018).850 hPa的风场异常与500 hPa高度异常相匹配，表明大气环流对北太平洋海温异常的响应表现为整层的相当正压结构，这与前人在观测以及模式试验中得出的结论相符(Fang and Yang, 2016; Sun et al., 2018; Tao et al., 2020).除此之外，在纬向上同样可以看到中高纬地区明显的波列特征，表明北太平洋的海温异常可以激发遥相关波列，这种遥相关型与Sun等(2019)以及He等(2021)工作中发现的起源于中纬度太平洋的北半球环球遥相关(Circumglobal teleconnection，CGT)特征相似.波列沿中高纬度向下游传播，影响了欧亚大陆乃至东亚地区的环流.上述中高纬地区的响应特征与前人研究结果相似，如李崇银等(2011)研究指出冬季蒙古高压的活动与北太平洋海温在年际时间尺度上存在显著相关，冬季蒙古冷高压活动偏强时往往对应着北太平洋经向“+-+”的海温分布.Zhao等(2016)也发现北太平洋海温模态对蒙古高压有重要影响，当北太平洋海温模态位于正位相时(类似于图7c)，中纬度大气定常波增强，海洋上的阿留申低压和陆地上的蒙古高亚均有所增强.不同的是，前人研究的时段为冬季，而本文为前汛期，表明在该时段内中高纬地区同样存在对北太平洋海温异常的类似响应.

图7 NP独立(a，b)和NP普通(c，d)配置下海温正位相年(a，c)和负位相年(b，d)广西前汛期SST异常合成分布(单位：℃，打点区域表示达到0.1的显著性信度水平)Fig.7 Composite distribution of SST anomaly in positive SST (a,c) and negative SST (b,d) years of NP independent (a,b) and NP normal (c,d) configurations during Guangxi FRS (unit: ℃, the dotted areas indicate the values passing 0.1 significance level)

图8 NP独立配置下海温正、负位相年广西前汛期(a)500 hPa位势高度(色标，单位：gpm)和850 hPa风场(打点和矢量表示达到0.1的显著性信度水平)，(b) 500 hPa波作用通量(箭矢，单位： m-2·s-2)及其散度(色标，单位：10-6 m·s-2)的差值合成分布Fig.8 Composite difference of (a) 500 hPa geopotential height (contours, unit: gpm) and 850 hPa wind (dotted areas and vectors indicate the values passing 0.1 significance level), (b) 500 hPa wave-activity fluxes (arrows, unit: m-2·s-2) and its divergence (shaded, unit: 10-6m·s-2) between positive and negative SST phase years during Guangxi FRS in the configurations of NP independent

进一步计算T-N波作用通量(Takaya and Nakamura, 2001)及其散度，可以看到北太平洋的海温异常激发了一支指向北美洲的Rossby波列(北太平洋为波作用通量辐散异常且波作用通量指向东北).波列到达北美洲后进一步东传，途经北大西洋—西欧地区—乌拉尔山—贝加尔湖后到达东亚沿岸，沿着Rossby波的传播路径，下游方向依次出现波能量的辐散辐合异常，其传播路径对应分布着图8a中的位势高度异常中心(图8b).因此可以认为，北太平洋正位相(负位相)海温异常激发了向下游传播的Rossby波列，波列经过欧亚大陆最终达到东亚沿岸，引起该区域的位势高度正异常(负异常)和反气旋(气旋)环流异常分布.在上述机制下，贝加尔湖高压脊和东亚大槽均显著增强(减弱)，使得中高纬冷空气更易(不易)南下.由105°E—120°E平均垂直剖面上温度和经向环流的差值合成分布可见，在海温正位相年，20°N—40°N区域内伴随偏北风异常，冷空气南下频繁，使得广西地区均为温度负异常(图9).海温负位相年则相反，不利于冷空气南下影响广西.

图9 NP独立配置下海温正、负位相年广西前汛期沿105°E—120°E平均垂直剖面上温度(色标，单位：K)和经向环流(箭矢)的差值合成分布(打点区域表示达到0.1的显著性信度水平)Fig.9 Composite difference of vertical cross sections of temperature (shaded, unit: K) and meridional circulation (arrows) averaged along 105°E—120°E between positive and negative SST phase years during Guangxi FRS in the configurations of NP independent (the dotted areas indicate the values passing 0.1 significance level)

取500 hPa气候态东亚大槽区(130°E—150°E，30°N—50°N)位势高度的区域平均值，构建东亚大槽强度指数时间序列.计算INP到东亚大槽强度的信息流为0.07，利用方程(5)计算得到的直接信息流(INP、Nino3.4以及东亚大槽强度指数的三元系统)为0.09，均达到0.05信度水平的显著性，进一步佐证了北太平洋海温异常对东亚沿岸环流的独立影响.

3.2 赤道中东太平洋海温的调制作用

前文分析表明，赤道中东太平洋海温变化可以起到增强北太平洋海温与前汛期降水联系的调制作用.由500 hPa位势高度场与Nino3.4指数的偏相关系数分布可见(图5c)，低纬地区于印度洋至中太平洋表现为大面积的正相关区，这与图5a中的低纬地区形势类似.因此，在北太平洋海温与前汛期降水的联系中，赤道中东太平洋海温变化主要调控了低纬地区的环流系统，赤道中东太平洋海温偏暖(偏冷)有利于副高的增强西伸(减弱东退).副高异常变化还与加热异常强迫出的西北太平洋异常气旋/反气旋密切相关，而海温异常在这之中具有重要贡献(Zhang et al., 1999；Wang et al., 2003；强学民和杨修群，2008).进一步分析低层850 hPa偏相关风场，可以发现在消除北太平洋海温的影响后(图6b)，赤道中东太平洋偏暖(偏冷)时西北太平洋存在异常反气旋(气旋).广西位于异常反气旋(气旋)西北侧的西南(东北)气流中，这样的配置有利于(不利)于西太平洋和南海的水汽向华南输送(张洁等，2009；伍红雨和吴遥，2018；李海燕等，2019).

进一步通过合成分析讨论上述影响机制.由于INP与同期Nino3.4指数的显著正相关性，北太平洋与赤道中东太平洋海温存在同位相(如关键区海温负位相对应赤道中东太平洋海温偏冷)的密切联系，这里我们剔除了关键区海温为负位相而赤道中东太平洋海温为偏暖的年份.由NP普通年的海温异常合成可见，正、负位相年均存在类似PDO的SST分布特征，呈现出经向三极型的SST异常.北太平洋以及赤道中东太平洋的显著异常信号均得到保留，关键区海温正位相对应于赤道中东太平洋海温偏暖(图7c)，负位相则对应偏冷(图7d).值得一提的是，相较于经典的PDO海温模态，INP与同期IGX的相关更为显著，前汛期PDO指数与IGX的相关系数为0.21，未达到0.1信度水平的显著性.

在纬向上，热带东、西太平洋由Walker环流建立联系.赤道中东太平洋的海温偏暖(偏冷)，在其上空引起异常上升(下沉)运动，减弱(增强)了Walker环流进而导致赤道西太平洋出现下沉(上升)异常(图10a).分析850 hPa环流和OLR可见(图10b)，海温正位相年，贝加尔湖异常反气旋与北太平洋异常气旋间的偏北风异常有利于冷空气南下.而在低纬度地区，赤道西太平洋的异常下沉抑制了对流活动，造成OLR正异常.由于非绝热加热异常的影响，赤道西太平洋南北两侧出现异常反气旋的Gill型Rossby波响应(Gill，1980；Hong et al., 2014；Jin and Huo, 2018)，赤道中太平洋出现西风异常.海温负位相年则形势相反，赤道西太平洋的异常上升有利于对流活跃，对应OLR负异常，进而由于非绝热加热作用在赤道西太平洋南北两侧强迫出异常气旋响应，赤道中太平洋则为东风异常.异常反气旋(气旋)叠加在气候态的副高之上，使得副高加强西伸(减弱东退)(Zhang et al., 1999；Wang et al., 2003).由图10b中海温正、负位相年副高特征5880 gpm等值线可以明显看到上述差异.正位相年副高偏强、偏大，位置更为偏西，5880 gpm线西伸至120°E以西，而负位相年副高偏弱、面积偏小、位置偏东，5880 gpm线位于130°E以东.

前汛期副高的异常会显著改变华南一带的水汽收支，副高偏强以及位置偏西时有利于西太平洋和南海的水汽向华南地区输送，进而对广西的降水产生影响(张洁等，2009；李海燕等，2019).图11给出NP独立和NP普通配置下海温正、负位相年前汛期整层水汽通量和水汽通量散度的差值合成.对比可以看出，在NP独立的配置下，由于响应信号主要位于中高纬度，低纬地区环流异常并不明显.NP独立的正位相(负位相)年，南海存在异常反气旋水汽环流，广西一带为整层的水汽通量辐合(辐散)，但这一异常没有达到0.1信度水平的显著性(图11a).在考虑了赤道中东太平洋海温信号的NP普通配置下，海温正位相(负位相)年，由于副高的增强西伸(减弱东退)，南海至西北太平洋为异常反气旋(气旋)水汽环流控制，广西一带为异常偏南(偏北)水汽输送，存在显著的水汽通量辐合(辐散)异常，达到0.1信度水平的显著性(图11b)，有利于(不利于)降水的增多.

图11 NP独立(a)和NP普通(b)配置下海温正、负位相年广西前汛期1000～300 hPa整层水汽通量(箭矢，单位：kg·m-1·s-1)和水汽通量散度(色标，单位：g·m-2·s-1)的差值合成分布(矢量以及打点区域表示达到0.1的显著性信度水平)Fig.11 Composite difference of water vapor flux (arrows, unit: kg·m-1·s-1) and water vapor flux divergence (shaded, unit: g·m-2·s-1) integrated from 1000 hPa to 300 hPa between positive and negative SST phase years during Guangxi FRS in the configurations of (a) NP independent and (b) NP normal (vectors and the dotted areas indicate the values passing 0.1 significance level)

除了对水汽输送的作用外，西北太平洋异常反气旋对广西前汛期降水的贡献还体现在影响层结的热力稳定度(Gu et al.，2018；陈丽娟等，2019).低对流层偏强的西南气流不断向广西输送暖湿空气(图10b)，有利于大气不稳定性增强.与此同时，在北太平洋海温异常的影响下，冷空气南下与西南暖湿气流在广西上空交汇.图12给出NP普通配置下海温正、负位相年广西前汛期105°E—120°E平均垂直剖面上对流不稳定度和垂直速度的差值合成分布，这里以-∂θse/∂p(θse为假相当位温，p为气压)表征对流不稳定度.可以看到，海温正位相(负位相)年由于冷暖空气交汇增强(减弱)，广西上空(20°N—27°N)为对流不稳定增强(减弱)，对流层由低层到中高层均为上升运动的增强(减弱)，有利于(不利于)降水的增强.

图12 NP普通配置下海温正、负位相年广西前汛期沿105°E—120°E平均垂直剖面上对流不稳定度(色标，单位：10-3 K·hPa-1)和垂直速度(等值虚线，单位：10-2 Pa·s-1，只显示小于-0.1，间隔0.4) 的差值合成分布(打点区域表示达到0.1的显著性信度水平)Fig.12 Composite difference of vertical cross sections of convective instability (shaded, unit: 10-3 K·hPa-1) and vertical velocity (dash contour, unit: 10-2 Pa·s-1, only show the values less than -0.1, interval is 0.4) averaged along 105°E—120°E between positive and negative SST phase years during Guangxi FRS in the configurations of NP normal (the dotted areas indicate the values passing 0.1 significance level)

以上分析表明，北太平洋关键区海温变化可以通过激发中高纬遥相关Rossby波列，影响北方冷空气的南下，从而独立于赤道中东太平洋影响前汛期降水.赤道中东太平洋海温变化可以通过影响中低纬环流，增强暖湿气流的输送，增强北太平洋海温与前汛期降水的联系.由图13可见，在海温正位相(负位相)NP独立年，广西前汛期降水偏多(偏少)，桂中至桂北异常显著(图13a).在海温正位相(负位相)NP普通年，由于赤道中东太平洋海温的调制作用，降水偏多(偏少)区域面积更大，并且通过显著性检验区域更广(图13b).

图13 NP独立(a)和NP普通(b)配置下海温正、负位相年广西前汛期ERA5降水的(单位：mm)的差值合成分布(打点区域表示达到0.1的显著性信度水平)Fig.13 Composite difference of ERA5 precipitation (unit: mm) between positive and negative SST phase years during Guangxi FRS in the configurations of (a) NP independent and (b) NP normal (dotted areas indicate the values passing 0.1 significance level)

4 结论

本文分析了1979—2019年间北太平洋海温异常与广西前汛期降水的联系，并初步探讨了前者对后者的的影响及可能机制，得出以下结论：

(1)北太平洋关键区海温是广西前汛期降水的显著影响源，海温正位相(负位相)的异常分布在一定程度上导致了广西前汛期降水增多(减少).北太平洋关键区海温变化可以独立于赤道中东太平洋影响前汛期降水，而赤道中东太平洋海温变化可以起到调制作用，增强北太平洋海温与前汛期降水的联系.

(2)北太平洋海温变化的独立作用主要影响了中高纬地区的环流.北太平洋正位相(负位相)海温异常时，大气为自南向北“+-+”(“-+-”)的三极型位势高度异常响应.与此同时，正位相(负位相)海温异常激发了向下游传播的Rossby波列，波列经过欧亚大陆最终达到东亚沿岸，引起该区域的位势高度正异常(负异常)和反气旋(气旋)环流异常分布.在上述机制下，贝加尔湖高压脊和东亚大槽均显著增强(减弱)，使得中高纬冷空气更易(不易)南下.

(3)赤道中东太平洋海温变化的调制作用体现在对中低纬环流的影响.北太平洋关键区海温正位相(负位相)对应于赤道中东太平洋海温偏暖(偏冷).赤道中东太平洋的海温偏暖(偏冷)，在其上空引起异常上升(下沉)运动，减弱(增强)了Walker环流进而导致赤道西太平洋出现下沉(上升)异常，抑制(增强)了对流活动，在西北太平洋强迫出异常反气旋(气旋)的Gill型Rossby波响应，使得副高加强西伸(减弱东退).副高的增强西伸(减弱东退)增强(减弱)了暖湿气流的输送，这一方面有利于(不利于)广西一带的水汽输送，水汽通量辐合(辐散)增强；另一方面有利于(不利于)冷暖空气在广西交汇，对流不稳定增强(减弱)，促进(抑制)上升运动，最终导致降水增多(减少).

本文初步探讨了北太平洋海温与广西前汛期降水的联系，其中的物理机制还需要未来在数值模式中进一步验证.此外，在讨论赤道中东太平洋海温变化的调制作用时，由于INP与同期Nino3.4指数的显著正相关性，文中主要考虑了关键区海温正位相(负位相)与赤道中东太平洋海温偏暖(偏冷)同时存在的情形.然而个别年份还存在两者位相相反的情况，如1987和2010年前汛期关键区海温为负位相而赤道中东太平洋海温为偏暖，但由于样本数较少而未进行讨论.因此，对于这种反位相的作用也值得在未来工作中进一步探讨.

致谢感谢广西外国语学院徐宁泉、广西壮族自治区气象灾害防御技术中心伍丽泉以及广西广播电视信息网络股份有限公司黄一芯提供的支持与帮助.