ＥＮＳＯ对华东地区春季降水影响的不对称性

巩婷，易笑园

摘要：利用1958—2019年的观测和再分析数据集，对冷、暖两类厄尔尼诺-南方涛动（El Nino-Southern Oscillation，ENSO）事件与后期华东地区春季降水之间的关系进行了分析。结果表明：（1）在暖ENSO事件中，华东春季降水量与前冬季ENSO海面温度异常存在较强的正相关关系。在 冷ENSO事件中，这种强正相关向内陆地区西移，主要集中在江西和湖南。（2）暖ENSO事件通常 会导致浙江、江苏和福建等沿海省份春季降水量过剩，而冷ENSO事件往往导致江西和湖南降水偏 少。这归因于ENSO对大气环流的非线性影响。（3）与暖ENSO事件相比，冷ENSO事件引起的海 面温度异常中心明显西移，造成异常低层大气环流的西移，最终导致华东降水的西移效应。（4）通 过分析和发现，强调了华东春季降水对ENSO的非线性响应，这对华东地区的季节性气候预测具有 重要意义。

关键词：春季降水；华东地区；厄尔尼诺；大气环流

中图分类号：P461.2 文献标志码：A 文章编号：2096-3599（2023）04-0040-07 DOI：10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2023.04.005

Asymmetric effect of ENSO on the spring precipitation over East China

GONG Ting1 YI Xiaoyuan2

（1. Tianjin Air Traffic Management Bureau， Civil Aviation Administration of China， Tianjin 300399， China ； 2. Tianjin Meteorological Bureau，Tianjin 300074，China）

Abstract ： Using the observations and reanalysis datasets from 1958 to 2019，this study reveals an asymmetric effect of El Nino-Southern Oscillation （ENSO） on the following spring precipitation over East China. The results are listed as below. （ 1） During the years with positive ENSO phases， a strong positive correlation exists between the spring precipitation over Zhejiang and Jiangsu provinces and the preceding winter ENSO sea surface temperature （SST） anomalies. During the years with negative ENSO phases such a strong positive correlation shifts westwards to inland areas mainly in Jiangxi and Hunan provinces.（2） To be specific the El Nino events usually result in a precipitation surplus in the decaying spring over Zhejiang， Jiangsu， and Fujian provinces， while the La Nina events usually lead to a precipitation deficit in the decaying spring over Jiangxi and Hunan provinces. This is attributed to the nonlinear effects of ENSO on the atmospheric circulation. （3） Compared with El Nino the abnormal center of SST anomalies induced by La Nina evidently extends westwards inducing a westward movement of the anomalous low-level atmospheric circulation， which eventually results in a westward-shifted effect on the following spring precipitation over East China. （4） The findings emphasize the nonlinear responses of the spring precipitation over East China to ENSO，which has important implications for the seasonal climate predictions over East China.

Keywords： spring precipitation; East China; El Nino； atmospheric circulation

引言

華东地区自然环境条件优越，人口密集，是我国 重要的农业生产基地，也是我国经济文化发达地区 之一。已有的研究指出，随着全球气候变暖，华东地 区降水量有增加的趋势，但是华东汛期降水过程推 后，会造成春季雨量减少，导致春季干旱发生[1-2]。 2011年春季长江中下游地区发生严重干旱，且干旱 维持时间长，波及范围广，使得该地区的农业和渔业 遭受重创，造成了巨大经济损失[3]；而到了 6月，长 江中下游地区降水量较常年同期明显偏多，使得长 江流域发生旱涝急转[4-5]。因此，研究华东地区春 季降水异常的成因，对华东地区的民生和社会经济 具有重要意义。

众所周知，厄尔尼诺-南方涛动（El Nino-Southern Oscillation，ENSO）是热带太平洋海气稱合 系统中最强的年际变化信号[6-7]，常会导致全球气 候异常，也是导致东亚季风异常和我国旱涝发生的 重要因素。ENSO以“遥相关”的方式通过大气环流 作用于东亚季风系统的各个部分，影响天气气候异 常[s-9]。当El Nino达到冬季成熟期时，东亚冬季风 被异常反气旋西北侧的西南风削弱，而夏季风则在 次年夏季得到加强[1。]。在El Nino发展期，西太平 洋副热带高压偏弱，西南气流北上偏弱，导致我国北 方降水偏少[11]；在El Nino衰减期，我国江南北部等 地区降水偏多，往往产生严重洪涝[12-14]。另外，也 有研究揭示了 ENSO通过影响大气环流进而间接影 响我国南方降水[15_17]。

东亚季风降水与ENSO循环的各个阶段密切相 关，许多研究分析了 El Nino和La Nina（拉尼娜）信 号对我国夏季降水的影响[1S]。金祖辉等[19]指出， El Nino期间长江以南地区多雨，以北地区少雨；但 是La Nina期间降水的异常特征不清楚。Zhang 等[2。]发现，在冬季El Nino期间华南地区降水偏多， El Nino对东亚冬季风的影响显著，但是La Nina的 影响不显著。综上所述，由于气候系统中存在的非

线性变化特征，El Nino和La Nina事件并非完全相 反，而是表现出明显的不对称性[21-22]。通常来说， 厄尔尼诺的海面温度（以下简称“海温” ；sea surface temperature，SST）异常中心强度是高于La Nina的 海温异常的[23]。从空间结构上，与El Nino相比， La Nina现象成熟期的海温异常中心更偏向西。它 们的持续时间甚至存在明显的不对称性：El Nino现 象在其成熟阶段后的第2个夏季趋于迅速衰减，而 La Nina海温异常通常持续更长时间[24]，这种不对 称性还体现在对ENSO的气候响应上[25]。例如，Li 等[26]研究了 ENSO与中南半岛降水的联系，发现 La Nina对春季降水的影响比El Nino的影响更强。 因此，ENSO的非线性变化给区域气候预测带来了 巨大挑战。本文根据1958—2019年华东地区降水 资料、海温资料以及日本55 a再分析（the Japanese 55-year Reanalysis，JRA-55）资料，分析了 ENSO 的非 对称性效应对华东地区春季降水的影响，以期为华 东地区春季降水预测提供依据。

1资料与方法

使用的资料包括：（1）降水资料为东英吉利大 學气候研究中心（Climatic Research Unit at the University of East Anglia）提供的分辨率为 0.5°x0.5。 的逐月降水数据，相关数据取自https ： //crudata. uea.ac.uk/cru/data/hrg/cru_ts_4.04 ；研究区域为华 东地区107.5。?125.0°E、25。?35°N（图1红色框范 围）。（2）逐月海温数据来源于英国气象局哈得来中 心，分辨率为1°x1。，相关数据取自https：//www.metoffice. gov. uk/hadobs/hadisst/data/download. html。

（3）日本气象厅提供的55 a再分析数据集，要素包括 高度场、风场等，其分辨率为1.2511.25。，相关数据取自 https：//jra. kishou. go. jp/JRA-55/index _ en. html。

（4）为了表述ENSO的不同阶段和强度，采用美国气 候预 测 中 心 （ Climate Prediction Center of the United States）提供的海洋尼诺指数（the Oceanic Nino Index， ONI），相关数据取自 http：//origin.cpc .ncep.noaa.gov/products/analysis _ monitoring/ensostuff/ONI _ v5. php。

ONI 是指 Nmo3.4 地区（5°N～5°S，120°W～170°W）海 平面温度距平。ONI的阀值是0.5 V和-0.5 T（连续 5个月超过0.5 V预示着El Nino，连续5个月低于 -0.5 V预示着La Nifia）。文中，春季所指为1958—2019年的3—5月

研究中使用的方法包括相关分析、合成分析等 常用统计方法和诊断分析方法，使用的检验方法主 要为t检验。本文的合成分析年份是根据ONI进行 选择，选取了 10个最强的El Nino事件和10个最强 的La Nina事件（ONI的绝对值大于1），表1给出了 相应的衰减年份。文中合成变量的异常值是通过距 平场计算，去除了 62 a的平均状态。为了避免气候 变化的可能影响，如全球变暖，统计计算中删除了所 有数据的长期趋势。衰减年份的选择基于前一个冬 季的ONI，例如，1958年是根据1957年12月一1958 年2月的ONI选择结果。

2华东地区春季降水与ENSO的关系

为了分析华东春季降水和ENSO之间的关系， 将华东地区（107.5。～ 125.0°E、25。?35°N）进行区域 平均，来表征华东地区的春季降水变化。由1958—2019年华东地区春季降水时间序列（图2）可以看 出，华东地区春季降水呈现较为明显的年际变化，但 是在20世纪90年代后期，春季降水呈现减少的趋 势。有研究指出，华东地区的降水可能和热带中、东 太平洋海温的异常变化有关[27-2S]。由图2可知，华 东降水和ONI呈显著的正相关关系，相关系数r达 到0.48，显著性水平p小于0.001。

进一步验证华东春季降水与太平洋海温的关 系，给出了华东春季降水与太平洋前冬、春季海温的 相关分布。由图3可知，华东地区春季降水与前冬 中东太平洋区域的海温存在显著正相关，相关系数 在0.4以上（图3a），并且这种相关能够持续至春季 （图3b），但相关系数明显减弱。也就是说，ENSO 是影响华东春季降水的重要强迫信号，暖ENSO事 件衰减年，春季华东地区降水偏多;冷ENSO事件衰 减年，春季华东地区降水偏少。

值得注意的是，华东春季降水与ENSO之间的 关系表现出明显的不对称性。对于ONI大于0的 年份即暖ENSO事件阶段，冬季ONI主要与江苏、 浙江和江西等省份的春季降水量呈显著正相关关系 （图4a）。然而，在ONI小于0的年份，即冷ENSO 事件阶段，这种显著正相关向西转移到江西和湖南 （图4b），并且在江苏和浙江的正相关性明显减弱。 这意味着，与暖ENSO事件相比，冷ENSO事件对华 东春季降水的影响范围在向西移动。上述分析表 明，ENSO与华东春季降水存在密切联系，但是降水 对ENSO的响应存在非对称性，这对华东地区的降 水预测具有重要意义。

3春季东亚大气环流对ENSO的响应

为了进一步探讨ENSO对春季降水影响的非对 称效应，根据合成分析，对在春季衰减期冷、暖 ENSO的分布特征进行检查。在暖ENSO事件中， 正异常海温覆盖了热带东太平洋，并延伸到太平洋 中部（图5a）。相反，在冷ENSO事件中，负异常海 温主要分布在热带中太平洋，甚至延伸到热带西太 平洋（图5b）。这意味着，与暖ENSO事件相比，冷 ENSO在春季衰退期间海温异常中心是向西移动 的。这种冷、暖两类ENSO事件成熟阶段的不对称 性对气候的影响存在差异。例如：陈文[29]指出，La Nina对东亚冬季风循环的影响与El Nino大致相 反，但其影响不如El Nino的影响显著;李天然等[30]认为，华南冬半年降水对ENSO信号存在不对称响应。

冷ENSO事件时，海温异常的西移表明：在冷 ENSO衰变的春季，大气环流的响应可能向西移动。 为了验证这一假设，图6给出了不同情况下850 hPa 的流函数和旋转风异常分布情况。在暖ENSO春季 衰减期，旋转风场在北太平洋西部表现出明显的异 常低层反气旋，流函数异常中心位于菲律宾群岛以 东（图6a），华东处于异常西南风场的边缘。与此相 反，在冷ENSO春季衰减期，北太平洋西部有一个强 烈的异常低层气旋（图6b）。更重要的是，流函数异 常中心向西移动穿过菲律宾群岛，异常风场相应向 西延伸。在这种情况下，华东地区受到异常东北风 的影响。

如前所述，低层大气的环流异常在水汽输送中 起着决定性作用。在暖ENSO事件的春季衰退期， 异常增强的西南风将过多的水分从南海输送到我国 东南部（图7a）。伴随着异常水汽通量，东海至我国 东部地区出现明显的水汽辐合。由垂直运动分析 （图8a）可知，赤道东太平洋持续偏高的海温使得对 流增强，加热异常会激发出罗斯贝波，使其西侧出现 西北太平洋异常反气旋，而在我国华东地区呈现上 升运动。结合图7a中西南风带来的水汽输送，对于 华东地区，显著的水汽辐合从华南地区一直延伸至 江苏南部，并且伴随上升运动，将有利于浙江、江苏 和福建等沿海省份的春季降水发生。与之相反，在 冷ENSO事件的春季衰退期，异常东北风阻碍了水 汽向华东的输送（图7b）。西北太平洋地区是显著 的上升运动（图8b），对比图8a来说，整个区域明显 向西移动，而相应的我国东南部是下沉运动，并且下 沉区域西移。在这种情况下，与暖ENSO事件相比， 异常水汽通量场以及下沉运动均表现出向西移动， 显著的水汽辐散区主要位于浙江、江西和湖南等省份，并伴隨着下沉运动，将导致这些地区春季降水 不足。

4结论与讨论

在人口稠密、以农业为基础的华东地区，春季降 水异常对当地人民的生计和社会经济至关重要。因 此，本文主要研究华东春季降水及其对ENSO的非 对称响应。总体而言，ENSO在其春季衰变期与大 气环流密切相关。例如，温暖的ENSO海温异常（即 厄尔尼诺事件）在衰变的春季激发了北太平洋西部 的异常低层反气旋，增强了西南风，反之亦然。因 此，ENSO对华东春季降水有明显影响。

然而，ENSO事件中存在不对称，这将对大气造 成不对称影响。通常情况下，暖ENSO事件中的异 常暖海温从发展期到衰退阶段都存在于热带东太平 洋。在暖ENSO春季衰减期，北太平洋西部菲律宾 群岛以东形成了一个异常的低层反气旋。增强的西 南风为华东地区带来过多的水汽，导致江苏、浙江和 江西北部出现异常水汽辐合。相反，冷ENSO事件中的异常冷海温略微向西延伸，特别是在衰减春季， 海温异常中心明显向西移动，这导致异常低层气旋 在北太平洋西部向西移动。由此产生的异常东北风 场相应向西移动造成江西、湖南春季出现异常水汽 散度。因此，华东春季降水异常对于冷ENSO事件的响应，呈现向西移动。通过分析进一步证实，华东 春季降水对ENSO的响应表现出明显的不对称性。 具体而言，在暖ENSO事件衰退春季，江苏、浙江和 江西北部降水偏多，而江西和湖南在冷ENSO事件 衰退春季通常会出现降水偏少现象。

在本研究中，强调了 ENSO对华东春季降水的 不对称影响，春季降水对暖、冷ENSO海温异常的响 应存在明显差异，这对华东地区的季节性预测至关 重要。这些结果将有助于认识华东春季降水异常的 规律，但对大气环流异常的机理研究尚不深人，今后 需要继续开展研究，以便进一步揭示其变化规律和 物理机制。

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