ENSO对中国夏季降水指示意义的变化资料及方法

ENSO对中国夏季降水指示意义的变化 基于1951—2014年中国160站月降水量资料和同时段的Nino3.4区月平均 海表温度资料，采用滑动相关分析和统计分析等方法，讨论了中国夏季降水和前 期Nino3.4区海温关系的年际变化。分析结果显示，二者的相关性有明显的阶段 性，整体趋势为先下降又上升，在20世纪70年代中期两者的相关性最弱。在 1954—1974年,依据前冬Nino3.4区SSTA预测夏季降水距平符号准确率在66.7% 以上的站数有59站，在1972—1992年，同样准确率的站数只有21站，而在 1994-2014年，站数又增加为39站。第一研究时段的59站呈区域性分布于西 北地区东部、华北、江南北部以及淮河地区；第三研究时段的39站分布也比较 集中，主要分布于黄淮流域、华北地区以及长江中下游；但第二研究时段的21站 分布比较分散，不利于区域性预测。因此，在汛期预测业务中参考ENSO的作用 时必须充分考虑年代际背景的差异。 中国位于亚欧大陆的东南部，东南面是世界上最大的海洋——太平洋，西面 是世界上最高的屋脊——青藏高原，特殊的地理位置导致影响中国气候的因素众 多，且由关系复杂。中国地处东亚季风区，夏季降水的多寡及雨带的分布都收到 东亚夏季风（EASM）的调控。而东亚夏季风重要的特点之一就是具有显著的多 尺度变化，因而中国的夏季降水也表现出多尺度、区域差异大等复杂的变化，导 致各种旱涝灾害的频发。这些旱涝灾害给中国国民经济建设造成了巨大的损失, 旱涝时空分布的不均匀性带来的水资源利用的不确定性严重制约了社会和经济 发展，自然生态和环境也在不断恶化。因此对于降水的研究一直是国内外气象学 家的重点和难点。前人有大量工作对我国夏季降水的气候特点、天气和环流特征、 及行成机理等进行了论述，并开展了月、季、年际的降水预报。 ENSO事件是迄今为止公认的地球系统中影响全球气候年际变化最强的信 号，它的发生、发展及衰减会引起全球大气环流和气候的异常，同样也会使东亚 大气环流出现异常，从而导致中国气候发生异常。但是，由于中国大部分地区处 于温带地区，其气候与ENSO事件之间相互关系要比热带地区复杂的多。关于 ENSO对中国夏季降水的影响，我国气象学者开展了大量的研究工作。早在20世 纪30年代，涂长望（1937）就开创了 ENSO对EASM的影响研究，以后该问题 便被中国气象学者所重视和研究。80年代以来的研究指出，ENSO循环的不同阶 段对EASM的影响有所不同，大气对海洋变化具有滞后响应，ENSO主要影响其 冬季盛期之后的夏季气候异常，在ENSO爆发后的次年夏季，EASM 一般偏弱， 副高偏南，江淮降水偏多，华北和华南降水偏少（徐群，1986；符淙斌和滕星林， 1988； Huang和Wu, 1989； Zhang等，1999；龚道溢和王绍武，1999）,这种经 典的ENSO-EASM关系及相关的ENSO型降水分布是预测中国夏季降水的一个 重要依据。金祖辉和陶诗言（1999）研究了 ENSO循环过程的不同位相与中国降 水的关系，发现ENSO循环对中国夏季降水丰和欠及时空分布有密切关系,ENSO 发展年的夏季中国东部地区以雨量偏少为主，一些地区可偏少3—5成，多雨带 位于江淮之间；ENSO恢复年的夏季长江及江南地区雨量偏多，其南北两边偏少； 反ENSO年的夏季长江一黄河之间及东南部雨量偏少，其北边和西南正常偏多； 在ENSO的准常态年夏季，长江以北降水偏多，江南出少部分地区外降水分布接 近正常。王绍武（1992）从500年历史资料之中考察表明，中国华北地区干旱有 58%是与赤道东太平洋海温增暖相联系的。黄荣辉等（1999）研究指出，20世纪 70年代中后期起，赤道东太平洋明显增温，并出现了类似的ElNino型海表温度 异常分布，使得EASM明显减弱，东亚地区夏季气候发生了一次明显的年代际 突变，中国华北地区夏季降水明显减少，而且长江流域夏季降水明显增加。薛峰 和刘长征（2007）研究发现中等强度ENSO和强ENSO对中国东部降水的影响 不同，中等强度ENSO年中国夏季北方多雨，而强ENSO年长江多雨。同时，科 学家们注意到了 ENSO事件的发展过程包括两种类型：一类在赤道太平洋东部 的秘鲁沿岸爆发，异常海温逐步向西传播，即东部型；另一类在赤道太平洋日界 线附近爆发，异常海温向东扩展，即中部型（Rasmusson and Wallace, 1983；符淙 斌，1985； Fu and Diaz, 1986）。大量的统计结果和数值模拟都证明了两类不同分 布型El Nino对全球不同区域的气候影响存在着显著的差异（Feng et al, 2011； Yuan and Yang, 2012）；不同分布型La Nina事件下热带大气的响应特征也不同 （袁媛和晏红明，2012）。此外，也有研究表明20世纪70年代末期，ENSO与 EASM及中国夏季降水的关系发生改变，ENSO对EASM及中国夏季降水的指 示意义下降。 综上可见，ENSO虽然是热带太平洋地区海气系统年际气候变率的最强信号, 它的发生被作为预测中国年际气候异常的前期重要信号之一，但其对中国夏季降 水的影响却很复杂，不同阶段，不同强度，不同类型的ENSO的影响不同，且在 长期变化中存在不稳定性。 资料与方法 2. 1常规历史资料 2. 1. 1降水资料 中国气象局（CMA）气象信息中心整编的1951—2014年中国160个标准 台站的月平均降水量观测资料，以及中国气象数据网整理的1951-2014年中国 756台站的月平均降水观测资料。 2. 1.2海温资料 海温资料为NOAA月平均的ERSST资料，时段为1950年1月—2014年12 月，资料水平分辨率为2）2。。以及美国气候预测中心网站提供的Nino3.4区月 平均海表温度资料，研究时段为1951—2014年，共64年。 2. 2处理方法 2. 2. 1滑动相关分析 为了分析中国夏季降水与前期不同季节（前秋、前冬、前春）Nino3.4区海 温之间年际变化的关系随时间的变化，及合理地划定各个阶段，我们采用滑动 相关系数（林学椿，1978）： n -方邳一泗我改―互）（兀一死） Kn — I J&=t—Tl+1 （改-布）2席 =S“1（无-死）2 其中， = ~Si=t-n+l 9 Vi = ~Td=t-n+iyi9 t=n, n+1, n+2,…,〃为滑动窗口长度。 2. 2. 2站点资料处理 为分析中国夏季降水的地域性及其变化，需要把不规则站点降水资料转换成 规则网格点数据，以便画出等值线更直观地分析。本文选用的是MATLAB中的 griddata函数把站点数据插值成水平分辨率为0.2°x0.2°的规则网格数据。 ENSO对中国夏季降水的重要影响已得到广泛研究，根据前期赤道东太平洋 海温强弱预测中国夏季的区域降水的多寡也得到了长期的应用。然而，至今所有 研究得到的相关模态仅限于线性的关系，而实际上许多变量之间的关系是非线性 的。相关系数存在不稳定的问题。 本文根据1951—2014年中国160标准台站的月降水资料和Nino3.4