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ENSO影响下的东亚夏季降水异常的次季节变化及其对20世纪70年代末以来的ENSO与中国东部夏季降水间关系的削弱作用

叶红 陆日宇

大气科学和地球物理流体力学数值模拟国家重点实验室，季风系统研究中心，

中国科学院大气物理研究所，北京，中国

（2010-3-23收稿，2010-11-26定稿）

摘要

　本文的研究表明，在ENSO衰减的夏季，降水和环流异常都呈现出更显著的次季节变化。与正的（负的）12月－2月Nino-3.4指数相一致，正的（负的）副热带降水异常，呈东北西南走向，在随后的早夏（从６月到7月中旬）出现于华南及西北太平洋（WNP），而在晚夏（从７月下旬到８月）向北发展到中国淮河流域、韩国和日本中部。与此同时，西北太平洋上空对流层低层的反气旋性异常自早夏到晚夏向北延伸。以高空西风急流和西北太平洋副热带高压的北移为特征的基本气流的季节性变化，即使是在几乎相同的热带菲律宾海降水异常的强迫下，通过引起明显的较高纬度的响应，造成上述降水及环流异常在早夏和晚夏的差异。

使用测站降水资料，本文着重研究了自20世纪50年代以来ENSO影响下中国东部地区的降水异常的次季节变化，试图检验其对20世纪70年代末以来的ENSO与中国东部夏季平均降水量关系的削弱作用。发现20世纪70年代末之前，与ENSO相关的降水异常在早夏及晚夏相似，即该时期ENSO与夏季平均降水量有较强的相关性。而20世纪70年代末之后，中国东部降水异常的分布在早夏及晚夏几近颠倒，相应地造成ENSO与中国东部夏季总降水量的相关关系的减弱。

１ 引言

西北太平洋及东亚夏季气候的年际变化与ENSO时段相关（黄和吴，1989；王等，2000；周等，2003；薛和刘，2008；黄和黄，2009）。亚热带西北太平洋上，对流层低层的气旋（反气旋）几乎都发生于厄尔尼诺（拉尼娜）发展的夏季；相反地，对流层低层的反气旋（气旋）几乎都发生于厄尔尼诺（拉尼娜）减弱的夏季（王等，2000；李等 2002；周等，2003）。这种对流层低层的气旋（反气旋），几乎均由菲律宾海的降水异常引起（陆，2001b；陆和董，2001），对著名的西北太平洋及东亚夏季降水异常的跷跷板现象至关重要。

特别在ENSO减弱的年份，海表温度异常的前兆可用于预报东亚夏季降水，夏季也是西北太平洋和东亚的雨季及东亚农业生产的关键期。于是，本文重点研究了ENSO在减弱年及加强年分别对西北太平洋及东亚夏季气候异常造成的影响。ENSO通过西北太平洋海气相互作用的正反馈机制或者印度洋电容器效应，从冬季持续到次年夏季，持续影响西北太平洋及东亚地区的气候（寺尾和久保田，2005；严等，2007；李等，2008；谢等，2009）。中国东部的夏季降水异常与东亚夏季风有很强的相关性，因此也受ENSO影响。厄尔尼诺减弱的夏季，降水正距平常出现在华南，而降水负距平出现在长江和淮河之间（黄和吴，1989）。

东亚夏季风与ENSO的关系存在年代际时间尺度的不稳定（王，2002；冯和胡，2004；孔等，2005；严等，2008）。一次这种ENSO与季风的关系的变化发生在20世纪70年代后期。吴和王（2002）研究了20世纪70年代前后两阶段ENSO与季风的关系，他们发现在厄尔尼诺减弱的夏季，在早期（1962-77）降水在华南加强而在日本中部减弱，但在后期（1978-93）这两个区域降水趋向正常。此外，高等（2006）指出中国夏季平均降水与前冬季赤道中心及东部太平洋海表温度异常的关系自20世纪70年代末已经显著地削弱。他们的研究显示，使用显著的ENSO前兆信号，在1951-74年间夏季降水异常中国160站中有43站可以被合理预测，但是在1980-2003年间可预测的测站数减少到15个。这种减弱的相关性增加了预报中国夏季降水异常的难度。

有趣的是，虽然ENSO与中国东部夏季平均降水的关系在20世纪70年代末以后减弱，夏季西北太平洋上的环流与ENSO的关系却增强（田中，1997；王等，2008）。这有些出乎意料，因为如上文所述，东亚夏季风与西北太平洋的降水及环流密切相关。特别地，前冬的ENSO事件通过调整西北太平洋的气候从而影响东亚夏季风的机制被广泛认同。然而，是否有人能解释发生在20世纪70年代末附近的显著变化？

西北太平洋及东亚的夏季气候显示出明显的季节性变化，以不同地区的雨季的开始和撤退为特征（陶和陈，1987；丁，1992；吴和王，2001；王和霖，2002）。在热带西北太平洋，季风降水在5月中旬出现在中国南海，在6月上旬到中旬出现于菲律宾海西南部，接着在7月中旬左右深入菲律宾海北部（上田等，1995；吴和王2001）。在东亚及其附近海域，雨带自5月到8月向北推进。特别在中国东部地区，华南雨季开始于5月，接着从6月中旬一直到7月中旬中国、韩国及日本进入梅雨季，之后雨带向北转移到中国北部并减弱。与这种雨带的北移相对应，东亚及西北太平洋的大尺度大气环流经历了相当大的季节性变化。尤其是在7月中下旬，东亚高空西风急流北跳（林和陆，2008），并且该急流轴忽然向西转移进入欧亚大陆（张等，2006）。与此同时，在对流层低层西北太平洋副热带高压东退北抬（陆，2001b）。

然而，之前大部分关于ENSO与东亚降水关系的研究都将降水异常作为季节平均值对待，因此忽略了基本气流的季节性变化在调节与ENSO相关的降水异常中的可能作用。虽然林和金（2007）及王等（2009）研究了自1979以来的次季节的与ENSO相关的降水异常，但他们主要着眼于亚洲及西北太平洋地区的大尺度基本模式，并没有尝试考虑基本气流的季节性变化的作用。另一方面，林和陆（2009）研究了在ENSO减弱年的初夏中国东部的降水异常，但是他们并没有讨论20世纪70年代之后ENSO和中国东部降水间关系的变化。

本文的目的意在调查东亚及西北太平洋地区与前冬季ENSO信号相联系的次季节降水及环流异常，研究在20世纪70年代末左右，基本气流的季节性变化在ENSO和东亚夏季风关系的变化中的作用。为达成此目的，在检验东亚及西北太平洋地区与ENSO相关的降水及环流异常之前，我们首先分析了ENSO和中国东部降水异常之间的关系。在夏季，中国东部降水呈现出明显向北的逐步增强，与东亚雨带的经向移动十分一致。此外，在中国东部有超过50年的测站降水记录，这些数据足以用于讨论这种发生在20世纪70年代左右的年代际变化。

本文由以下几部分组成：第二部分描述了本文使用的数据集以及研究方法；第三部分我们描述了与前兆ENSO信号相联系的中国东部的降水异常，指出在20世纪70年代末以后与ENSO相关的降水异常的次季节变化是削弱ENSO与夏季平均降水之间的关系的原因；第四部分我们检测了东亚及西北太平洋地区ENSO影响下的降水及环流异常，说明了引起这种ENSO与夏季降水关系的年代际变化及次季节变化的可能机制；最后，我们在第五部分给出了总结。

２ 数据及研究方法

本研究中使用的测站降水资料包括：1）1951-2006年中国160站月降水资料 2）1951-2005年730站的日降水资料。以上数据集均由中国气象资料中心提供。其中月降水资料未经预处理被直接使用，而对日降水资料取10日平均以消除天气学的干扰，并且在计算ENSO与降水的相关性之前对10日平均降水取三点平滑。这样，ENSO与降水关系的次季节变化得以保留，且海表温度异常对降水的影响得以凸显。本研究中，中国东部地区用中国大陆105^ｏＥ以东，20^ｏN-42^ｏN，排除东北地区的区域说明。这样一来，中国东部地区包括了华北、淮河流域以及华南地区。在此区域中，在1951-2006年间160站的资料集中有94站，而在1954-2005年间730站的资料集中有177站。此外，来自气候预测中心的候降水资料也被使用。合成分析产品被用于研究1979-2006年间ENSO与东亚和西北太平洋地区降水之间的关系（谢和Arkin，1997）。众所周知，副热带西北太平洋的降水异常与东亚国家的降水异常密切相关，它们都被称为东亚夏季风降水异常。

1958-2002年（40年）欧洲中期天气预报中心的月、日850hPa和200hPa的水平风场再分析资料 (Uppala等，2005)，1951-2006的月海表面温度资料（Smith和Reynolds，2003）也被使用。使用前冬12月-2月Nino-3.4区指数，并对5^oS–5^oN,120^o–170^oW区域的海表温度异常取平均值，使用了相关分析及回归分析。

3 20世纪70年代末ENSO与降水关系的变化

a夏季平均结果

图1显示了中国东部夏季平均降水量及前冬Nino-3.4区海表面温度的15年滑动相系数的演变。20世纪70年代末左右，ENSO与夏季平均降水量的关系发生了一个显著的变化。尽管相关系数较小，但70年代末之前的相关性是稳定和显著的，而在70年代末以后却几乎无显著相关性。此外，70年代末期之前，相关系数在经向的分布类似三极型，其中正相关出现在36^o–42^oN（华北）及27^o–30^oN；负相关出现在31^o–35^oN（淮河流域）。然而，在20世纪70年代末之后，这种三极型变为两极型：淮河南北相关系数颠倒，且这种两级型在90年代早期之前与之后截然不同。此外，大约在70年代末，华北经历一次从正相关变为负相关的变化，这与之前的结果是一致的（吴和王，2002）。另一个从负相关到正相关的较大的变化发生在淮河流域。因此，ENSO与降雨的关系在70年代末无论在统计意义上还是相关性的分布格局上都发生了明显变化。

图1.中国东部（105^oE以东的中国大陆地区，不包括中国东北）夏季平均降水量与前冬Nino-3.4区SST的15年滑动相关系数。阴影表示显著相关性的置信水平达90%，等值线间隔0.2。

根据图1所示的结果，分析时段被划分为以下两时期：1）1951–77年，以ENSO与降水较强的关系为特征；2）1978-2006年，特点是ENSO与降水关系较弱。两时期的长度几乎是相同的（前一时期为27年，而后一时期为29年）。由于ENSO与降水关系的强度是本研究的重点，尽管90年代初相关关系曾发生变化，后29年仍被视为关系减弱的时期。相关系数在整个后期基本不显著。此外，对一段较长时间的数据进行分析能得到更多可靠的统计结果。在1977年和1978年之间分界的做法与以往的研究一致（常等，2000；吴和王，2002；陈等，2005）。此外，高等（2006）对比了1951-74年和1980-2003年之间的结论，也与本研究所涉及的内容相似。

如图2所示，两时期的测站夏季平均降水与前一年冬季Nino-3.4区SST的相关性分别代表了较强和较弱的ENSO与降雨的关系。在较强的时期，与异常的Nino-3.4区海表面温度相一致，在华北和华南降水明显偏多，而黄河和长江之间降水明显偏少（图2a）。相关性分布规律呈现为三极型，这与图1所示的结果相一致。而在后一时期，相关性分布没有较好的组织规律（图2b）。此外，相关系数明显降低，几乎没有统计上相关性显著的区域。

相关系数呈置信水平为90%的显著相关的测站数，相比于第一时期，第二时期明显下降。在第一时期，有16站的降水与ENSO密切相关（图2a），而第二时期只有6站（图2b）。这些数据证明，东部中国夏季平均降水与前冬季ENSO的关系在70年代末明显减弱，这与高等（2006）的结论相一致。

此外，蒙特卡罗试验（Livezey和陈，1983）证实ENSO与中国东部夏季平均降水量的关系在第一时期显著性水平为90%，而二时期则不然。我们还使用730站的数据集分析了ENSO与降水的关系，得到了与图1和2相似的结果（未显示）。特别地，当使用730站的数据集时，第一时期有25个测站夏季平均降水量与前一年冬季Nino-3.4区海表面温度呈显著性相关，而第二时期只有14个测站。

图2. 夏季平均降水与前冬Nino-3.4区SST的相关性，（a）1951-77年（b）1978-2006年。阴影区域和被标记的测站表示显著相关性的置信水平达90%。等值线间隔为0.1，省略零线。

b．次季节的结果

图3显示两时期的月降水量对前冬Nino-3.4区海表面温度的回归。6月，在第一时期，长江以南多雨，长江与黄河之间少雨（图3a）。这种降水异常形式与后期大致相似（图3b）。7月，在第一时期，降水正距平占据了中国东部很大一部区域（图3c），而在第二时期，范围收缩到很小一部分区域（

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