华南前汛期印度洋海温异常与海南岛降水的关系
程守长;胡德强;杨扬;柯元惠;陶丽
【摘 要】利用1969-2013年海南岛7个基本气象观测站前汛期(4-6 月)的月降水观测资料、NCEP/NCAR再分析资料和HadISST海温资料,分析了华南前汛期印度洋海温异常与海南岛降水的联系,并利用ECHAM5对印度洋海温与海南岛降水的关系进行了敏感性实验.结果表明:1969-2013年海南岛前汛期降水时段主要集中在5-6月,降水极大值分布在海南岛东部及北部地区.华南前汛期印度洋海温与海南岛降水存在显著的负相关关系,印度洋海温异常增暖,对应较弱的印度季风和赤道太平洋地区较强的东风异常,导致西北太平洋及南海北部存在异常的反气旋环流,不利于海南岛对流发展,同时反气旋南侧的异常东风不利于孟加拉湾水汽的输送,使海南岛降水偏少,反之亦然.数值模拟实验表明,印度洋海温异常增暖有利于西北太平洋低层反气旋的维持和发展,导致海南岛在华南前汛期降水偏少.%Based on monthly precipitation data obtained from seven meteorological stations on Hainan Island in the pre-flood season (April-June) from 1969 to 2013,the NCEP/NCAR (National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research) reanalysis data and the HadISST (Hadley Centre sea-Ice and Sea Surface Temperature) dataset,the relationship between sea surface temperature (SST) anomaly over the Indian Ocean and precipitation in Hainan Island was investigated,and a sensitivity experiment was conducted by using the ECHAM5 model.The results show that precipitation in the pre-flood season in Hainan Island mainly occurs in May and June,and the maximum rainfall occurs in the eastern and northern regions of Hainan Island.There is a significantly negative correlation between SST over the Indian Ocean and precipitation in Hainan Island during the pre-flood season.The SST over the Indian Ocean increases anomalously,corresponding to the weak Indian monsoon and strong anomalous easterlies in the equatorial region over the Pacific Ocean.It causes anomalous anticyclones over the northwest Pacific Ocean and the northern South China Sea,which suppresses the convective development over the Hainan Island.Moreover,the anomalous easterlies in the southern edge of anticyclone hinder the transport of water vapor in the Bay of Bengal,resulting in the decreasing precipitation over Hainan Island,and vice versa.The results from numerical experiments indicate that the warmer SST over the Indian Ocean favors the maintenance and development of anticyclones at lower levels over the northwest Pacific Ocean and leads to less precipitation in Hainan Island during the pre-flood season of South China.
【期刊名称】《气象与环境学报》
【年(卷),期】2017(033)001
【总页数】6页(P87-92)
【关键词】华南前汛期;降水;敏感性试验
【作 者】程守长;胡德强;杨扬;柯元惠;陶丽
【作者单位】海南省气象局,海南 海口 570203;海南省气象局,海南 海口 570203;北京化工大学,北京 100029;海南省气象局,海南 海口 570203;南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点 实验室,江苏 南京 210044
【正文语种】中 文
【中图分类】P467
印度洋是世界第三大洋，位于亚洲地区夏季季风气流上游，是中国南部地区夏季降水水汽的重要源地之一[1]；印度洋地理位置特殊，是沃克环流和季风环流的交汇地，与亚澳季风系统、厄尔尼诺/南方涛动(El Nino/Southern Oscillation，ENSO)系统及非洲季风系统均存在密切的联系[2]。因此，印度洋海温异常变化引起的大气环流异常，通过季风的输送作用，可对东亚及热带西太平洋地区的大气环流产生影响，导致当地降水异常。
关于前汛期降水与海温之间关系的研究较多，但大多集中在中国近海或西北太平洋地区，邓立平和王谦谦[3]研究指出在中国近海西北太平洋暖池附近，前期存在一个稳定影响华南前汛期降水的负相关海区，表明冷暖水通过后期大气环流异常影响华南前汛期降水。陈艺敏和钱永甫[4]利用数值模拟方法研究了西太平洋暖池敏感海区的海温对华南前汛期降水影响的确定性及可能的物理机制。吴志伟等[5]研究发现前期西太平洋暖池海温、孟加拉湾及其以南地区与前汛期降水存在显著的相关关系。马慧等[6]利用奇异值分解法(Singular Value Decomposition，SVD)分析发现，华南前汛期降水与关键区(5°—18°N，130°—158°E)海温存在显著的负相关关系。强学民和杨修群[7]分析了华南前汛期降水的年际变化特征，并研究其与太平洋海温，特别是华南前汛期降水与西太平洋暖池海温变化的联系。
海南岛地处热带地区，四周环海，从短期预报来看，前汛期期间(4—6月)引起海南岛降水的因素主要包括冷空气的扩散和海陆风等[8]；气候尺度上，由于海南岛前汛期降水与华南其他省份略不同[9-11]，在研究前汛期降水时，一般不考虑海南岛，因此对海南岛降水的形成原因和影响机制进行研究十分重要。
本文资料来源于中国气象局气象信息中心资料室的1969—2013年海南省7个国家基本气象观测站的月降水资料(图1)；美国国家环境预报中心和美国国家大气研究中心(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research，NCEP/NCAR)的1969—2013年月平均风场、高度场再分析资料，分辨率为2.5°×2.5°；Hadley中心海冰与海表温度资料(Hadley Centre Sea Ice and SST data set，HadISST)的1969—2013年月平均海表温度(Sea Surface Temperature，SST)资料，分辨率为1.0°×1.0°，剔除了线性趋势和年代际变化，从原始时间序列中减去原始时间序列三阶多项式的拟合值。
2.1 降水特征
图2为1969—2013年海南岛前汛期(4—6月)累积降水量的年变化，由图可见，海南岛前汛期降水量的年际变化较明显，最大降水量出现在2012年，为772 mm；其次为1990年和1986年，降水量分别为673 mm和665 mm；最小降水量出现在1977年，降水量仅为196 mm。此外，1969—2013年海南岛前汛期降水量原始序列的变化趋势与采用海南岛7个气象站降水资料的标准化距平进行经验正交函数(Empirical Orthogonal Function，EOF)分解得到的降水第一模态的时间序列存在较好的一致性(图略)，EOF分解的第一模态可较好的表征海南岛前汛期降水的变化特征。
由1969—2013年海南岛前汛期7个气象站月平均降水量的变化可知(表1)，海南岛前汛期降水主要集中出现在5—6月，降水量的空间分布也存在差异，降水量的极大值主要分布在东部(琼海，陵水)、中部(儋州，琼中)及北部(海口)地区，4—6月累积降水量达450 mm以上；南部(三亚)和西部(东方)地区月降水量则较少。
2.2 海温及环流场特征
众所周知，热带海洋是全球热量平衡的主要调节器，海表温度异常可引起大气环流异常，并对水汽输送造成较大的影响，对天气气候变化具有重要的作用。因此，由1969—2013年海南岛前汛期降水量时间序列与热带海表温度同期相关可知(图3)，相关关键区域主要位于印度洋，表明印度洋4—6月海表温度异常与海南岛前汛期降水关系密切。因此，本文选取印度洋(20°S—20°N，40°—110°E)海表温度的标准化距平进行EOF分解[12-13]，由图4a可知，4—6月印度洋海温年际异常第一模态表现为全区海表温度一致增暖，方差贡献为55%，较好的表征了前汛期印度洋海温的年际异常[14-15]，第二模态为偶极子模态(图略)。图4b为第一模态时间系列标准化的结果，其与海南岛前汛期降水时间序列的相关系数为-0.43，通过了0.01水平的信度检验，表明前汛期印度洋海表温度异常偏暖，海南岛降水偏少，反之亦然。为了分析印度洋海温异常对大气环流的影响，分别选取大于±1.0标准差的年份作为华南前汛期印度洋典型冷暖年，进行环流场合成分析；选取的华南前汛期海南岛异常暖年为1969年、1983年、1987年、1988年、1991年、1998年和2010年，共7 a；选取的异常冷年为1971年、1974年、1978年、1989年、1999年、2000年和2008年，共7a。
由图5可知，印度洋偏暖(冷)年，赤道和印度洋北部地区为异常偏东(西)气流，不利于(有利于)孟加拉湾水汽向东输送；同时中国东南沿海地区为异常西南(东北)气流，分别对应中心位于菲律宾及其以东洋面的反气旋(气旋)异常，不利于(有利于)对流发展，造成海南岛降水偏少(偏多)。图6a为印度洋偏暖年与偏冷年850 hPa速度势和辐散风的差值，由图可知，在对流层低层，印度洋偏暖(冷)年，整个西北太平洋及南海地区为异常的速度发散(堆积)，对应风场辐散(辐合)；印度洋地区为异常的速度堆积(发散)，对应风场辐合(辐散)。图6b为印度洋偏暖年与偏冷年200 hPa速度势和辐散风的差值，由图可见，在对流层高层，印度洋偏暖(冷)年，整个西北太平洋及南海地区为异常的速度堆积(发散)，对应风场辐合(辐散)；印度洋地区为异常的速度发散(堆积)，对应风场辐散(辐合)。
图7为印度洋偏暖年与偏冷年0°—20°N区域平均垂直风场的差值，由图可见，在对流层高层，印度洋偏暖(冷)年，200 hPa为异常偏西(偏东)风，低层为异常偏东(偏西)风，110°—150°E为异常下沉(上升)气流，有利于(不利于)菲律宾附近反气旋形成，二者相互配合，不利于(有利于)海南岛前汛期降水。
2.3 数值模拟试验
综上所述，前汛期影响海南岛降水异常的关键环流因子为西北太平洋低层的异常反气旋，其维持和发展不利于海南岛前汛期的降水。为了探索印度洋海温异常引起的大气环流异常进而对反气旋的维持和发展产生的影响，本文进行了数值模拟实验。
数值模拟采用的模式为德国马普气象研究所(Max Planck Institute for Meteorology，MPI)发展的第5代全球大气环流模式(European Centre Hamburg Model5，ECHAM 5)[16]。ECHAM 5模式是在欧洲中期预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)的天气预报模式基础发展的，是目前模拟性能较好的全球模式之一。本文数值模拟试验采用ECHAM 5.4版本，水平分辨率约为1.875°×1.875°，垂直方向为19层。研究表明，ECHAM 5模式对亚洲季风区的气候变化具有较好的模拟能力[17]。本文数值模拟试验设计为：
热带印度洋增暖试验(IO_Warm)：4—6月热带印度洋地区(20°S—20°N，40°—110°E)SST月平均气候值加上SST EOF第一模态空间场(图4a)，其余地区及月份以月平均SST气候值驱动大气环流模式。
热带印度洋变冷试验(IO_Cold)：4—6月热带印度洋地区(20°S—20°N，40°—110°E)SST月平均气候值减去SST EOF第一模态空间场(图4a)，其余地区及月份以月平均SST气候值驱动大气环流模式。
ECHAM 5模式中SST气候值为1969—2012年HadISST数据计算的月平均SST气候平均值。模式均积分40 a，取后30 a模拟结果，相当于30个统计样本的集合平均。
图8为对流层低层850 hPa印度洋偏暖年与偏冷年风场和高度场的差值，由图可见，印度洋偏暖(冷)年，赤道地区为异常东风(西风)，中国东南地区为异常西南(西北)气流，西北太平洋和南海北部地区为反气旋(气旋)环流，不利于(有利于)海南岛降水。图9为0°—20°N区域平均垂直风场的差值，由图可见，当印度洋海温常偏暖(偏冷)时，在北印度洋与西北太平洋地区形成异常顺时针(逆时针)垂直环流圈，印度洋海域为异常的上升(下沉)运动，西北太平洋及南海海域为异常的下沉(上升)运动，不利于(有利于)西北太平洋及南海海域对流的发展，说明印度洋海温显著增暖有利于西北太平洋低层异常反气旋的维持和发展。
(1)海南岛前汛期降水主要集中出现在5—6月，降水的极大值分布在海南岛东部及北部地区。
(2)前汛期印度洋海温与海南岛降水存在显著的负相关关系，相关系数为-0.43，即印度洋海温异常偏暖(偏冷)，海南岛降水偏少(偏多)，反之亦然。
(3)影响海南岛前汛期降水异常的关键因子为西北太平洋低层异常反气旋，印度洋海温异常偏暖(冷)年，赤道和印度洋北部地区为异常偏东(西)气流，不利于(有利于)孟加拉湾水汽向东输送；同时中国东南沿海地区为异常西南(东北)气流，分别对应中心位于菲律宾及其以东洋面的反气旋(气旋)异常，不利于(有利于)对流发展，导致海南岛降水偏少(偏多)。
(4)数值模拟实验表明，印度洋海温异常增暖有利于西北太平洋低层反气旋的维持和发展。
(5)由印度洋海温异常对海南岛前汛期降水的影响发现，海南岛前汛期降水与其同纬度的西风异常关系密切，西风经过亚欧大陆内部，可能与青藏高原的热力活动作用有关，青藏高原热力活动造成的纬向气压梯度力对西风异常加强可能也有影响。
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