厄尔尼诺事件的类型、强度对海南岛秋汛期降水的影响

汪婉婷, 吴 慧, 蔡夏影, 徐 实

(1.海南省气象服务中心,海口 570203; 2.海南省南海气象防灾减灾重点实验室,海口 570203; 3.海南省气候中心,海口 570203)

引 言

海南岛虽隶属于中国华南地区,但其降水变化与华南其他地区有明显不同。近年来,对华南汛期降水的研究时段主要集中在前汛期(4-6月)[10],而海南岛降水的主峰期出现在秋汛期(9-10月,部分年份延长至11月)[11]。有研究表明,热带太平洋西暖东冷会使海南岛秋季暴雨日数偏多[12],前期春季ENSO暖(冷)位相易使海南省秋季降水量偏少(多)[13]。此外海南岛降水的主峰期出现在秋汛期,可能还与东亚季风转换时间偏晚[14]、热带气旋活动等有关。

以往关于ENSO对海南岛秋汛期(秋季)降水的影响,主要关注东部型ENSO事件的影响,并且没有考虑不同类型、强度的ENSO事件影响下降水的总体差异和空间分布差异[13,15]。鉴于不同类型、强度ENSO事件引起的大气环流往往具有不同特征,其对一些区域的气候异常的影响也不尽相同,本文利用当年5-10月Nio关键区海温指数资料、NCEP/NCAR再分析资料及国家气象观测站降水量资料,定义了影响海南岛秋汛期(9-10月)降水的厄尔尼诺事件的类型及强度,比较了不同类型、强度厄尔尼诺事件年海南岛秋汛期降水特征的异同,分析了它们在大气环流和水汽输送场上对海温异常的响应差异及可能的影响机理,以期为海南岛秋汛期降水的短期气候预测提供更丰富的理论依据和业务参考。

1 资料与方法

采用的资料包括:(1)国家气候中心下发的气候系统监测指数中的Nio指数;(2)NCEP/NCAR[16]月平均再分析数据资料;(3)国家气象信息中心提供的海南岛18个市县国家气象观测站逐月降水量资料。本文的研究时段为1961-2018年。

分析方法主要运用了相关分析、合成分析等常规气象统计方法。

厄尔尼诺事件的类型和强度的划分方法:考虑到当年5-10月Nio3.4区SSTA的平均值(I)与海南岛秋汛期平均降水量为显著负相关关系,且为更好体现出厄尔尼诺指数峰值时间出现在秋汛期前和秋汛期后对当年海南岛秋汛期降水影响的不同,本文以当年5-10月3个月滑动平均的I达到最大时的值来确定其当年强度:当0.5 ℃≤I<1.3 ℃时强度为轻,当1.3 ℃≤I<2.0 ℃时为中等,当2.0 ℃≤I<2.5 ℃时为强,当I≥2.5 ℃时为超强。此外,以当年5-10月3个月滑动平均的东部型厄尔尼诺指数IEP和中部型厄尔尼诺指数ICP中的最大值来确定当年厄尔尼诺事件的类型(IEP和ICP的计算参考文献[9])。根据此划分方法,得到1961-2018年的厄尔尼诺事件信息(表1)。

表1 1961-2018年厄尔尼诺事件及其对应的海南岛秋汛期降水异常情况

2 不同类型、强度厄尔尼诺事件影响下的降水差异

根据挑选出的厄尔尼诺事件,分别对秋汛期海南岛降水的时间和空间分布进行分析,结果见图1和图2。由图1和表1可知,海南岛秋汛期平均降水呈现弱的上升趋势,近58年中厄尔尼诺事件年共有19年,其中有13年海南岛秋汛期平均降水量不同程度偏少,偏少概率为68.4%,比气候概率的55.0%上升了13.4%,而偏少2成以上的概率则比气候概率上升了18.9%;仅有5年海南岛秋汛期平均降水不同程度偏多,偏多概率比气候概率下降了13.4%,而偏多2成以上的概率则比气候概率下降了14.5%。

图1 1961-2018年海南岛秋汛期降水距平百分率逐年变化红色柱:中等及以上强度东部型厄尔尼诺年,橙色柱:轻度东部型厄尔尼诺年,棕红色柱:中部型厄尔尼诺年,白色柱:非厄尔尼诺事件年,蓝色点虚线:线性趋势线

图2 1961-2018年E1事件年(a)、E2事件年(b)和C事件年(c)海南岛秋汛期降水异常的空间分布

厄尔尼诺事件的类型和强度不同,海南岛秋汛期降水的偏少程度不同。其中中等及以上强度的东部型厄尔尼诺(E1)事件,海南岛秋汛期平均降水量偏少21.7%,其偏少概率比气候概率上升了11.7%;轻度的东部型厄尔尼诺(E2)事件,海南岛秋汛期平均降水量偏少15.8%,其偏少概率比气候概率上升了7.5%。轻度的中部型厄尔尼诺(C)事件,海南岛秋汛期平均降水量较常年偏少32.5%,其偏少概率较气候概率上升了25.0%。

图2分析了不同类型、强度厄尔尼诺事件对海南岛秋汛期降水空间分布的具体影响。E1事件年,大部分地区降水量偏少在10.0%～40.0%,海南岛的东南半部地区偏少较多,东南部沿海的陵水偏少最多,达到-40.6%(图2a);E2事件年,大部分地区偏少为10.0%～30.0%,偏少较多的地区为海南岛东北部地区、西部沿海地区和中部偏南地区,偏少最多的是北部内陆的定安,为-30.5%(图2b)。C事件年,西南部局部地区降水略偏多,其余地区均不同程度偏少,大部分地区偏少在20.0%以上,偏少较多的地区位于中部山区和东北部地区,其中偏少最多的琼中达到-49.2%(图2c)。可见厄尔尼诺事件类型、强度不同,海南岛秋汛期降水异常的空间分布也有所不同,其中东部型厄尔尼诺年全岛一致性不同程度偏少,但中部型厄尔尼诺年降水异常的空间分布不一致。

3 海南岛秋汛期降水对不同类型、强度厄尔尼诺事件的响应

3.1 海南岛秋汛期降水与大气环流和水汽输送相关

众所周知,海温异常分布对于区域气候的影响是间接性的,它通过大气环流的异常响应影响区域气候异常。以下首先分析海南岛秋汛期降水与环流场和水汽输送场的相关。

在200 hPa风场与降水的相关图上(图3a),贵州、湖南、江西一带存在显著负相关,内蒙古至日本一带和热带太平洋海域则存在大范围显著正相关,海南岛及其附近地区的上空受东北辐散气流控制,表明西风急流加强(减弱)、我国长江中游南部的高层出现东风(西风)异常、热带中西太平洋高层出现西风(东风)异常,我国东南沿海附近反气旋性环流偏强(弱),海南岛上空辐散增强(减弱)有利于海南岛秋汛期降水偏多(少)。500 hPa位势高度场与降水的相关图上(图3b),东亚沿岸从低纬到高纬存在“-+-”波列,其中在40°-60°N为显著负相关,在(20°-40°N、110°E-140°W)的区域上为显著正相关,说明鄂霍次克海附近高度场偏低(高)、西太平洋副热带高压偏强(弱),有利于(不利于)副高南侧东南水汽向海南岛的输送,从而有利于海南岛秋汛期降水偏多(少)。850 hPa风场与降水的相关图上(图3c),热带西太平洋至华南地区的偏东气流及中南半岛南部至印度尼西亚群岛南部的偏西风分别与秋汛期降水存在显著负或正相关,说明低纬度来自西太平洋的偏东气流和中南半岛南部的偏西气流向海南岛的输送增强,同时海南岛及南海海域附近存在异常的气旋性环流时,海南岛秋汛期降水偏多,反之偏少。在海平面气压场和降水的相关图上(图3d),我国华南至20°S,160°E以西存在大范围的显著负相关,热带中东太平洋海域则为大范围显著正相关区,贝加尔湖附近和堪察加半岛附近海域分别存在面积相对小的显著正、负相关区,表明南海和菲律宾东南海域热带低值系统和太平洋高压均偏强(弱)时,有利于海南岛秋汛期降水偏多(少),蒙古高压和阿留申低压偏强(弱)对海南岛秋汛期降水偏多(少)也起一定作用。

图3 1961-2018年海南岛秋汛期降水距平百分率与同期200 hPa风场(a)、500 hPa高度场(b)、850 hPa风场(c)、海平面气压场(d)、1000-100 hPa垂直速度场(e)、1000-300 hPa对流层整层水汽通量和水汽通量散度场(f)的相关系数分布阴影区由浅到深分别表示相关系数通过0.1、0.05和0.01的显著性水平检验

对整层积分的垂直速度、水汽通量及其散度和降水的相关系数分布(图3e、f)进行分析,可见在10°-30°N、130°E的东、西侧垂直速度与秋汛期降水之间分别存在显著的正、负相关区,其中海南岛东北部地区及其以东的近海海域为负相关中心区,在20°N、150°E附近为正相关中心区。在15°-30°N、100°-140°E范围内水汽通量散度与降水的相关系数呈“+-+”分布。说明当我国华南和南海北部特别是海南岛上升运动偏强(弱)、西北太平洋下沉运动偏强(弱),水汽存在从西北太平洋、南海和我国西南地区向海南岛及其附近地区的异常辐合(辐散)时,有利于海南岛秋汛期降水偏多(少)。以上分析与前人研究部分结论基本一致[15,17-19]。

3.2 不同类型、强度厄尔尼诺事件年秋汛期大气环流、水汽输送合成分析

为进一步了解不同类型、强度厄尔尼诺事件年秋汛期大气环流和水汽输送响应的差异,首先简要了解不同类型、强度事件年秋汛期环流和水汽输送距平场的异常特征,再详细分析同类型不同强度E1-E2、不同类型不同强度E1-C及不同类型同强度E2-C事件年的情况。

分析表明,E1、E2和C事件年秋汛期高、中、低层环流和水汽输送距平场的关键区总体上均表现出有利于海南岛秋汛期降水偏少的特征(图略)。

E1-E2事件年,200 hPa风场上(图4a),西风急流偏弱,海南岛及其附近地区上空高空风辐散偏弱,说明E1事件年较E2事件年更不利于垂直上升运动的维持。500 hPa位势高度场上(图4b),东亚沿岸出现东北西南走向的“+-+”波列,类似于北半球夏季EAP型遥相关低指数年的分布,海南岛和南海海域为显著的正差值区,E1事件年这些地区热带低值系统活动明显弱于E2事件年,海平面气压场上也反映了同样的特征,且范围扩大到西太平洋(图4d)。相应在850 hPa风场上,低纬西太平洋出现显著的西风异常,菲律宾南部海域至孟加拉湾以西出现显著东风异常,孟加拉湾至菲律宾以东附近海域及海南岛均被异常的反气旋性环流控制(图4c),E1事件年比E2事件年更有利于华南地区包括海南岛低层辐散的增强[20-21],对流层整层水汽在海南岛的辐散也比E2事件年更强(图4f)。唯一不利的是,E1事件年海南岛的垂直上升运动略强于E2事件年(图4e)。可见,同类型不同强度事件中,强度越强时(E1事件年),由于沃克环流减弱和东移越明显(图略),海南岛高层辐散越弱,对流层低层太平洋的异常西风和印度洋的异常东风更明显[15],从而可能通过Gill型响应[22]在南海和菲律宾附近海域激发异常的反气旋性环流越强,并激发越强的类似EAP的遥相关波列[23],越不利于水汽向海南岛的输送和整层水汽辐合,导致其降水比弱强度时(E2事件年)偏少更多。

图4 同类型不同强度E1-E2事件年海南岛秋汛期200 hPa风场(a)、500 hPa高度场(b)、850 hPa风场(c)、海平面气压场(d)、1000-100 hPa垂直速度场(e)、1000-300 hPa对流层整层水汽通量和水汽通量散度场(f)合成场差值分布风速单位:m·s-1,位势高度单位:gpm,气压单位:hPa,垂直速度单位:Pa·s-1,对流层整层水汽通量单位:106 kg·m-1·s-1及水汽通量散度单位:kg·s-1·m-2;阴影区由浅到深分别表示合成差值通过0.1、0.05和0.01的显著性水平检验

E1-C事件年,200 hPa风场上西风急流总体偏强,海南岛及其附近地区高空辐散偏强(图5a),C事件年比E1事件年更不利于上升运动维持。500 hPa位势高度场上(图5b),我国低纬度地区为弱的正差值区;而海平面气压场上(图5d),海南岛大部分地区为负差值区,南海的大部分海域和热带西太平洋海域为正差值区,菲律宾以东至150°E附近海域正差值显著,意味着C事件年海南岛大部分地区受热带低值系统影响较E1事件年的弱,但在菲律宾以东至150°E附近海域热带低值系统较E1事件年的明显活跃。850 hPa风场上(图5c),海南岛受异常的西风带气流和东南气流的辐合影响,C事件年向海南岛水汽输送明显弱于E1事件年的输送,整层水汽在海南岛的辐散也弱于E1事件年的辐散(图5f)。海南岛垂直速度为显著负差值,C事件年该区域垂直上升运动明显弱于E1事件年(图5e)。可见,不同类型不同强度事件中,可能由于两者对应的沃克环流的东移位置、范围和强度减弱程度不同(图略),E1事件年异常下沉区域出现在90°-150°E、平均异常下沉运动较强,C事件年则出现在100°-140°E且110°E附近异常下沉运动相对强,使C事件年海南岛大部分地区热带低值系统相对更不活跃、高层辐散条件更差、低层水汽输送更少、垂直上升运动更弱,对海南岛秋汛期降水抑制作用总体强于E1事件年的抑制作用。

图5 不同类型不同强度E1-C事件年海南岛秋汛期200 hPa风场(a)、 500 hPa高度场(b)、 850 hPa风场(c)、海平面气压场(d)、1000-100 hPa垂直速度场(e)、1000-300 hPa对流层整层水汽通量和水汽通量散度场(f)合成场差值分布风速单位:m·s-1,位势高度单位:gpm,气压单位:hPa,垂直速度单位:Pa·s-1,对流层整层水汽通量单位:106 kg·m-1·s-1及水汽通量散度单位:kg·s-1·m-2;阴影区由浅到深分别表示合成差值通过0.1、0.05和0.01的显著性水平检验

E2-C事件年,200 hPa风场(图6a)、500 hPa位势高度场(图6b)和海平面气压场(图6d)与E1-E2事件年的情形基本相反;低层风场上(图6c),低纬西太平洋海域为东风异常,马来半岛至南海中南部海域为西风异常,海南岛受异常偏东气流影响;垂直速度场上海南岛为负差值区(图6e),水汽通量散度场上水汽从东、西两侧向海南岛辐合(图6f)。说明与E2事件年相比,C事件年高层更不利于垂直上升运动的维持,同时海南岛及其附近海域热带低值系统活动显著减弱,偏东气流输送和垂直上升运动更弱,水汽辐合显著减少。这可能是因为在不同类型同强度事件中,E2事件年沃克环流的异常下沉运动主要出现在85°-135°E且强度相对较弱,C事件年异常下沉区范围东移缩小、强度更强(图略),导致C事件年出现比E2事件年更加明显不利于海南岛秋汛期降水发生的环流和水汽输送形势。

图6 不同类型同强度E2-C事件年海南岛秋汛期200 hPa风场(a)、 500 hPa高度场(b)、 850 hPa风场(c)、海平面气压场(d)、1000-100 hPa垂直速度场(e)、1000-300 hPa对流层整层水汽通量和水汽通量散度场(f)合成场差值分布风速单位:m·s-1,位势高度单位:gpm,气压单位:hPa,垂直速度单位:Pa·s-1,对流层整层水汽通量单位:106 kg·m-1·s-1及水汽通量散度单位:kg·s-1·m-2;阴影区由浅到深分别表示合成差值通过0.1、0.05和0.01的显著性水平检验

4 结论与讨论

(1)厄尔尼诺事件总体有利于海南岛秋汛期降水偏少,但存在类型和强度上的差异。其中C事件年全岛平均降水量偏少32.5%,其偏少概率较气候概率上升了25.0%,降水异常的空间分布表现为西南局部地区偏多、其余地区偏少;E1事件年平均偏少21.7%,偏少概率上升11.7%,E2事件年平均偏少15.8%,偏少概率上升7.5%,两者的降水异常空间分布为一致性偏少。

(2)海南岛秋汛期降水异常与大气环流和水汽输送密切相关。当高层西风急流偏弱、我国长江中游南部出现西风异常、热带中西太平洋出现东风异常,海南岛上空辐散减弱,中层鄂霍次克海附近位势高度场偏高、西太平洋副热带高压偏弱,副高南侧向海南岛输送的东南水汽减弱,低层海南岛至西太平洋出现西风异常、中南半岛南部出现东风异常,西南气流和东南气流向海南岛的输送减弱,华南至南海和菲律宾以东附近海域海平面气压偏高使该海域热带低值系统不活跃,太平洋高压偏弱,海南岛上空垂直上升运动减弱、水汽辐合减少时,有利于海南岛秋汛期降水偏少。

(3)不同类型和强度的厄尔尼诺事件年大气环流总体上表现出有利于海南岛秋汛期降水偏少的响应特征,但存在响应程度上的差异。这种差异可能由于不同类型、强度的海温异常影响沃克环流的位置、强度的不同程度变化,造成风场、位势高度场、海平面气压场、垂直速度场和水汽通量散度场响应程度上的差异,最终使海南岛秋汛期降水发生不同程度的减少。

(4)虽然平均而言,不同类型和强度厄尔尼诺事件均有利于海南岛秋汛期降水偏少,但在少数厄尔尼诺事件影响的年份,海南岛秋汛期降水反而偏多。初步的研究发现,这些年份中大气环流的响应并不同于平均情况,其深层次的成因有待于进一步研究。