植江玲

（佛山市氣象局，廣東 佛山 528000）

文章編號：1673-8411（2015）04-0008-07

西太平洋暖池熱含量年代際變化及其與東北夏季降水關系

植江玲

（佛山市氣象局，廣東 佛山 528000）

利用日本氣象廳歷史海溫資料與中國160站月降水資料及NCEP再分析資料，分析了近60a東北地區(qū)降水以及暖池熱含量的變化特征和突變特征，并研究前期10～11月西太平洋暖池關鍵區(qū)（125.5-135.5°E，15.5-20.5°N）0～200m熱含量異常與中國東北夏季降水的關系。結果表明，近60a東北夏季降水與前期10～11月暖池關鍵區(qū)0～200m熱含量具有明顯的年代際變化與突變特征，關鍵區(qū)熱含量在90年代中期以后的增暖是一次突變。暖池熱含量與東北夏季降水存在密切負相關，暖池發(fā)生增暖突變后負相關變好。冷水期與暖水期次年夏季東亞夏季環(huán)流呈顯著相反特征，冷水期次年夏季東北地區(qū)受到有利于降水的環(huán)流系統(tǒng)影響，降水偏多；反之降水偏少。

中國東北；夏季降水；西太平洋暖池；熱含量；年代際變化

文章編號：1673-8411（2015）04-0008-07

1 引 言

我國東北地區(qū)處中緯地區(qū)，影響其夏季降水因子不僅有中高緯環(huán)流系統(tǒng)，如北半球環(huán)狀模和東北冷渦［1］、北極偶極子［2］等，還受到中低緯環(huán)流系統(tǒng)的影響，如東亞夏季風［3-4］。此外，東北地區(qū)夏季降水還存在復雜的時空分布特征［5］和季節(jié)、年際變化特征［6］。在影響中國東北地區(qū)夏季降水的諸多因素中，海洋是影響其變化的一個非常重要的因子。其中，任一海域的海溫異常及其產(chǎn)生的異常加熱都會導致大氣運動和天氣的異常變化［8］。而西太平洋暖池（以下簡稱暖池），是全球大洋SST最高的海域，也是全球大氣對流最強烈和海氣能量交換總量最大的地區(qū)，且活動時間持久［8］。在暖池范圍內，由于海水溫度具有范圍廣闊的低水平梯度和垂直混合特性，SST變化很小，即使在ENSO期間，暖池SST的變化也小于1℃。暖池熱含量則不同，它比海表面溫度具有更好的穩(wěn)定性。暖池因其水溫高、分布范圍廣而擁有極為豐富的熱含量。并且，熱帶西太平洋暖池區(qū)是太平洋上層熱含量異常變化最大的區(qū)域，而強烈的熱含量差異會影響到其上空的環(huán)流特征，并對氣候產(chǎn)生持續(xù)的重要影響［9］。由此看來，用熱含量能更好地表征暖池熱狀態(tài)的變化。熱含量變異通過影響大氣環(huán)流等能對中國東部夏季降水產(chǎn)生顯著和重要的影響。

而中國夏季降水具有多時間尺度變化特征，不僅具有季節(jié)變化、年際變化，而且還有明顯的年代際變化［10］。平凡等［11］指出，影響中國降水的年代際和年際變化因子不同，在預測中國汛期降水時必須將年代際變化和年際變化這兩種時間尺度進行分離。

關于海洋熱狀態(tài)影響中國東北地區(qū)夏季降水的研究很多，白人海等［12］指出當北大西洋冬季海表溫度（SST）異常為南暖北冷時，北大西洋中高緯度地區(qū)和北太平洋北部的阻塞形勢偏強，夏季東亞西風環(huán)流指數(shù)偏低，造成東北夏季降水偏多。孫力等［14］則認為，當前期冬、春季甚至是前一年夏季赤道中東太平洋海溫處于異常偏暖（或偏冷）狀態(tài)，并且西風漂流區(qū)具有較明顯的SST負（或正）距平分布時，東北大部分地區(qū)夏季降水具有整體偏多 （或偏少）的傾向。前期工作中已表明，前期暖池區(qū)熱含量與東北地區(qū)夏季降水存在密切的負相關關系，可作為東北地區(qū)夏季旱澇一個很好的預測因子。但是從暖池熱含量的角度出發(fā)，其年代際異常對中國東北地區(qū)夏季降水的具體影響暫不清楚。文中通過分析西太平洋暖池熱含量年代際異常及其與中國東北夏季降水和大氣環(huán)流年代際變化的相關關系，試圖揭示其與東亞大氣環(huán)流及東北夏季降水年代際變化的聯(lián)系。

2 資料與方法

文中所用的資料包括：日本氣象廳提供的1949～2010年逐月歷史海溫資料，水平分辨率為1°× 1°，垂直深度有24層（0 m，10 m，20 m，30 m，50 m，75 m，100 m，125 m，150 m，200 m，250 m，300 m，400 m，500 m，600 m，700 m，800 m，900 m，1000 m，1100 m，1200 m，1300 m，1400 m，1500 m）；國家氣候中心提供的全國160站逐月降水資料，選取每年6-8月降水之和作為夏季降水，以下所提夏季降水均為6-8月3個月總和以及NCEP的全球再分析資料，分辨率為1°×1°。采用線性趨勢分析、M-K突變檢驗、滑動相關分析、相關分析和線性回歸分析等方法，分析60a暖池關鍵區(qū)0～200m熱含量和東北夏季降水的年代際變化和突變特征，并對兩者的關系進行初步分析。

3 西太平洋暖池熱含量與東北地區(qū)夏季降水的變化特征

3.1 暖池熱含量年代際變化特征

圖1 1951～2010年前期10～11月暖池關鍵區(qū) （125.5～135.5°E，15.5～20.5°N）熱含量距平11a滑動平均

王曉芳等［13］指出前期10～11月0～200m的熱含量與東北夏季降水的關系最為密切，是預報東北夏季旱澇的一個很好指標。本文參考白虹等［14］的熱含量計算方案，計算西太平洋暖池區(qū)域（125.5～135.5° E，15.5～20.5°N）（以下簡稱關鍵區(qū)）前期10～11月0～200m熱含量。

對近60 a西太平洋暖池關鍵區(qū)前期0～200m熱含量用M-K方法做突變檢驗（圖略）。從UF曲線可見，在20世紀70年代初年以前UF值呈水平下降趨勢，表明暖池關鍵區(qū)0～200m熱含量在70年代初以前呈下降趨勢，暖池偏冷；70年代初至2010年UF值波動上升，表明熱含量呈增加趨勢，表明該時期暖池關鍵區(qū)熱含量上升趨勢是十分顯著的，暖池偏暖；根據(jù)UF與UB曲線交點的位置，確定西太平洋暖池關鍵區(qū)0～200m熱含量在20世紀90年代中后期以后的增加是一突變現(xiàn)象，突變時間是1996年。

將近60a前期暖池關鍵區(qū)熱含量距平序列作11a滑動平均，得到圖1。從圖1暖池熱含量距平的滑動平均可以看出，暖池關鍵區(qū)近60a的熱含量存在明顯的年代際變化特征。20世紀60年代初到70年代末，暖池負距平明顯，暖池偏冷；80年代初到90年中期為一過渡期，波動幅度不大；90年代中期以后正距平顯著，熱含量處于上升階段；可以看到暖池熱含量發(fā)生變暖的轉變的時間1996年前后，與MK檢驗的結果基本一致。研究指出［15］，20世紀，全球氣候系統(tǒng)經(jīng)歷了顯著的年代際改變，近100a來全球平均氣溫上升了0.8°C，70年代以后上升了0.3°C。赤道東太平洋海溫在20世紀70年代后也有顯著的上升［16］。氣候和陸地的熱力變化必定引起大氣環(huán)流氣候基本態(tài)的變化［17］，進而影響我國東北地區(qū)的夏季降水的年代際變化。

3.2 東北地區(qū)夏季降水年代際變化特征

在此選取東北地區(qū)夏季降水顯著相關區(qū)域內的10個代表站，即赤峰、烏蘭浩特、長春、通化、沈陽、營口、丹東、大連、朝陽和通遼站，計算其東北夏季平均降水量。以下的東北地區(qū)夏季降水序列為10個代表站的平均值。

將東北地區(qū)近60 a的夏季降水用做M-K突變檢驗，圖略。從UF曲線可見，在20世紀80年代中期年以前UF基本呈波動下降，這表明東北夏季降水在20世紀80年代中期以前呈減少趨勢，而在此之后到20世紀末，UF值轉為波動上升，表明降水呈增加趨勢；上世紀末至2010年UF值由轉為下降趨勢。根據(jù)UF與UB曲線交點的位置，確定東北地區(qū)夏季降水在20世紀60年代以后的減少是一突變現(xiàn)象，突變時間是1967年。此外在90年代初UF曲線與UB曲線也比較接近。

為了更明顯的反映東北近60a夏季降水的年代際變化趨勢，將60a東北10個代表站夏季平均降水距平時間序列做11a滑動平均，得到圖6。從圖6降水距平滑動平均可以看出，東北60a的夏季降水存在明顯的年代際變化特征。20世紀60年代末以前，東北夏季降水正距平明顯。70年代初到80年中期為負距平，并且負距平明顯；80年代中期至90年代中期為過渡期，降水以正距平為主，但是變化幅度不大；21世紀至今，降水轉為顯著的負距平，幅度較大，表示東北夏季降水在90年代中期以來呈明顯減少趨勢。

圖2 東北夏季降水距平11a滑動平均

對比60a東北地區(qū)夏季降水和前期10～11月暖池關鍵區(qū)0～200m熱含量的變化趨勢分析發(fā)現(xiàn)，兩者都表現(xiàn)出了明顯的年代際變化特征與突變特征，兩者的年代際轉折基本一致，第一次轉變發(fā)生在60年代至70年代期間，東北夏季降水由偏多轉為偏少，暖池關鍵區(qū)熱含量由偏低轉為冷暖波動的過渡期；在80年代至90年代前期兩者都處于一個相對穩(wěn)定波動幅度不大的過渡時期；第二次轉折發(fā)生在90年代中后期，東北夏季降水從過渡期穩(wěn)定變化轉為偏少，并且減少明顯；暖池熱含量在此之后顯著升高，M-K檢驗表明90年代中期暖池的增暖屬于一次突變。兩者的第二次年代際變化時間較為一致，呈反相變化。考慮到在90年代中期我國東北夏季降水發(fā)生轉折的時間與西太平洋暖池關鍵區(qū)0～200m熱含量發(fā)生轉折的時間較為一致，并且暖池在90年代中期發(fā)生了變暖的突變，那么關于我國東北夏季降水和西平洋暖池關鍵區(qū)熱含量的年代際變化之間相關關系是否發(fā)生了變化，下面將進一步析。

圖3 東北地區(qū)夏季降水與前期10～11月關鍵區(qū)（125.5～135.5°E，15.5～20.5°N）0～200m平均熱含量的11a滑動相關

4 東北夏季降水與暖池熱含量相關關系年代際變化特征

為了更好的反映東北地區(qū)夏季降水與前期10～11月西太平洋暖池關鍵區(qū)0～200m區(qū)域熱含量趨勢變化的年代際變化特征，圖3給出了我國東北夏季降水與前期西太平洋暖池關鍵區(qū)0～200m熱含量11a滑動相關。

從圖3可以看出，兩者相關系數(shù)在20世紀80年代中期以前里基本都是負值，表明兩者呈負相關關系；80年代中期至90年代中期，相關系數(shù)為轉為正值，表明兩者呈正相關。20世紀90年代中期以后兩者的相關關系發(fā)生顯著地轉變，由之前的正相關轉為持續(xù)變大的負相關，并且負相關系數(shù)絕對值顯著增加。因此根據(jù)兩者的相關系數(shù)隨時間變化特征，基本上可以分為三個階段，70年代末以前可以作為第一個階段，兩者以負相關為主，相關關系期間存在不穩(wěn)定波動。80年代初到90年代中期為第二個階段，東北夏季降水與暖池熱含量的相關關系表現(xiàn)為正負波動變化，但都沒超過α=0.05顯著性水平臨界值。第三個階段為1996到2010年，之后為顯著地負相關，全部通過α=0.05信度檢驗。

根據(jù)東北夏季降水與暖池熱含量相關關系三個階段的變化特征，設定以1979年和1996年為臨界年，分析60a東北夏季降水時間序列和前期暖池關鍵區(qū)熱含量相關系數(shù)的年代際變化，得到兩者的相關系數(shù)在第一個階段為-0.31，并且通過了α=0.05信度檢驗；第二個階段1980-1995a，兩者的相關系數(shù)僅為-0.20，沒有通過α=0.05信度檢驗；而1996年至2010年兩者的相關系數(shù)高達-0.87。分析進一步說明了東北夏季降水與西太平洋暖池0-200m熱含量的相關關系存在明顯的年代際變化。兩者相關關系在90年代中期以前相對較小，90年代中期以后相關關系顯著變好。兩者相關關系發(fā)生轉變的時間與西太平洋暖池熱含量發(fā)生突變的時間點較為一致，都發(fā)生在90年代中期，即1996年左右，說明不同的年代際背景對我國東北夏季降水和西太平洋暖池熱含量相關關系具有調制作用，暖池熱含量在90年代中期的轉折對兩者的相關關系存在影響。以下將不同年代際背景下我國東北夏季降水與西太平洋暖池熱含量相關關系做進一步分析。

5 西北太平洋與東北夏季降水相關分布

為了研究不同年代際背景下我國東北夏季降水與前期西太平洋暖池熱含量的相關關系，根據(jù)前面暖池熱含量偏冷、穩(wěn)定變化以及偏暖對應于東北夏季降水偏多、穩(wěn)定變化與偏少的變化特征，將兩者的序列分為1954～1968年 （15a）、1981～1995年（15a）和1996～2010年（15a）三個時期，對應于暖池熱含量發(fā)生年代際轉折前后的冷位相、過渡期與暖位相（以下簡稱冷水期、過渡期與暖水期）。

從前面的分析可知，暖池關鍵區(qū)熱含量存在年代際變化，暖池關鍵區(qū)熱含量的不同年代際變化對我國東北地區(qū)夏季降水的影響不同，90年代中期暖池的增暖突變后暖池關鍵區(qū)與我國東北夏季降水的負相關變好，那么相反的，不同年代際背景下影響我國東北地區(qū)夏季降水的主要海域也應該存在變化。為了分析不同年代際背景下前期10～11月對我國東北夏季降水起主要作用的西太平洋海域差異，分別取冷水期、過渡期和暖水期間前期10～11月整個西北太平洋0～200m熱含量與次年東北夏季降水做相關，得到圖4。

圖4 東北夏季降水與前期0-200m熱含量的相關分布圖（a）冷水期（1954～1968）、（b）過渡期（1981～1995）、（c）暖水期（1996～2010）（等值線間隔為0.15；黃（藍）色陰影為通過0.05 信度檢驗的正（負）相關區(qū)域，方框圈住的區(qū)域為本文選取的關鍵區(qū)（125.5～135.5°E，15.5～20.5°N））

圖4為東北夏季降水與前期0-200m熱含量的相關分布圖 （a）冷水期 （1954～1968）、（b）過渡期（1981～1995）、（c）暖水期（1996～2010）（等值線間隔為 0.15；黃（藍）色陰影為通過0.05信度檢驗的正（負）相關區(qū)域，方框圈住的區(qū)域為本文選取的關鍵區(qū)（125.5～135.5°E，15.5～20.5°N））

首先，將三個時期的東北夏季降水序列與前期中國近海熱含量求相關，得到圖10。從圖10可以看出，冷水期前期西北太平洋0～200m熱含量與東北夏季降水的相關系數(shù)分布為北正南負，以20°N為界，分界線以北大片海域為負相關，以南為大片海域為正相關，關鍵區(qū)內為負相關，但是沒有通過α= 0.05的信度檢驗。

從過渡期的前期西北太平洋熱含量與東北夏季降水的相關分布圖可以看到，過渡期前期西北太平洋熱含量與東北夏季降水的相關較差，通過α=0.05的信度檢驗的區(qū)域零散分布于20°N以北的海域與170°E以東的海域，但在關鍵區(qū)熱含量與東北夏季降水呈負相關，并且通過了α=0.05的信度檢驗。

圖5 冷水年、過渡期和暖水年次年夏季850hPa風場異常分布與整層水汽通量及其散度異常分布（850hPa風場，單位：m·s-1；水汽通量是矢量，單位：kg/（m·s-1）；等值線為水汽通量散度，單位：10-5kg/（m2·s），實線表示輻散，虛線表示輻合。）

暖水期延續(xù)了過渡期的變化趨勢，前期西北太平洋熱含量與東北夏季降水負相關分布區(qū)域顯著地擴大，幾乎所有海域的相關系數(shù)都為負值，且通過了α=0.05的信度檢驗，并且關鍵區(qū)位于負值的極值附近。

總的來說，冷水期前期西北太平洋0～200m熱含量與東北夏季降水的相關性不好，冷水期關鍵區(qū)并不能作為預報東北夏季降水的一個很好的前兆信號；過渡期整個太平洋前期熱含量與東北夏季降水的相關都不好，但是對于關鍵區(qū)而言，兩者的相關系數(shù)卻變好了；暖水期前期西北太平洋0～200m熱含量與東北夏季降水的相關系數(shù)發(fā)生了一個明顯的年代際轉折，兩者的負相關顯著，關鍵區(qū)位于負值中心，可以作為影響東北夏季降水很好的前兆因子。

6 850hPa風場異常與整層水汽通量及其散度場回歸系數(shù)分布

由上面的分析可以發(fā)現(xiàn)，前期西北太平洋0～200m熱含量與東北夏季降水的相關關系具有顯著地年代際變化，不同時期影響東北夏季降水的關鍵海域有所差異，為了分析暖池熱含量在不同時期對東亞夏季環(huán)流影響的變化，分成三個時期對應次年夏季850hPa風場異常以及整層水汽通量及其散度異常進行分析。在此將暖池關鍵區(qū)（125.5°～135.5°E，15.5°～20.5°N）關鍵時段（上年10～11月）0～200m熱含量（1951～2010年）進行標準化，定義為暖池熱含量指數(shù)。取1948～2012年的NCEP再分析資料的平均值作為氣候值，分別將暖池處于冷水期1954～1968年、過渡期1981～1995年與暖水期1996～2010年的次年東亞夏季850hPa風場異常與整層水汽通量及其散度與熱含量指數(shù)進行線性回歸（圖5）。

從850hPa風場異常分布與水汽通量及其散度回歸系數(shù)來看，20世紀60年代中期年代中期以前冷水期西太平洋為明顯的反氣旋異常，貝加爾湖存在一個明顯的氣旋環(huán)流中心，中國的東部地區(qū)及東北地區(qū)為南風距平，東亞夏季風較強。次年夏季東北地區(qū)是水汽通量散度大值區(qū)，東北上空是一個水汽輸送帶，東北至日本海以東存在一個反旋式水汽通量距平矢量分布，反氣旋南部從海上來的水汽通量，并且水汽通量散度負值中心也位于東北上空，水汽的輻合的同時又有從海上輸送的暖濕氣流；此外，從風場上西太平洋上的反氣旋西南部以及孟加拉灣來的南風異常都向東北地區(qū)輸送暖濕的海上氣流，東北地區(qū)的水汽輸送較強，使得中國東部雨帶位置偏北，水汽在東北地區(qū)輻合，使得東北地區(qū)夏季降水偏多。

80年代初以后至90年代中期為過渡期，風場開始發(fā)生逆轉，貝湖附近的氣旋環(huán)流中心不存在了，中國東部地區(qū)轉為北風異常，東亞夏季風開始減弱；東北上空水汽通量變小，水汽通量散度變?yōu)檩椛?，水汽輸送條件變得不好，不利于東北夏季降水，與過渡期東北夏季降水量小的事實相對應。

90年代中期以后的暖水期，風場逆轉更為顯著，中國東部以及東北地區(qū)為明顯的偏北風異常，風向與冷水期呈反相分布；東北上空水汽通量與冷水期相比變得更小，并且東北上空水汽通量散度為正值，水汽是輻散的，水汽條件變得不好。暖水期貝湖以南轉為一反氣旋環(huán)流中心，西太平洋存在多個環(huán)流中心，但是從海上吹向我國東北地區(qū)的偏南風分量不明顯，不利于從海上輸送暖濕的氣流，東亞季風較弱，水汽條件不好，此種環(huán)流形勢使得雨帶位置偏南，致使東北地區(qū)降水偏少。

Wu et al等［16］指出夏季西北太平洋海溫的年代際變化可能是造成我國長江流域以南的夏季降水偏多的可能原因；此外，東亞夏季風的年代際變化也是20世紀80年代末90年代初我國東部夏季降水型發(fā)生年代際變化的原因之一；其揭示出東亞夏季風第一模態(tài)在20世紀80年代后期出現(xiàn)了年代際變化?？傊?，20世紀80年代末90年代初，西北太平洋海溫增暖和東亞夏季風減弱可能都是我國東部夏季降水型年代際變化的原因。

7 結論與討論

（1）近60a我國東北地區(qū)夏季降水與前期10～11月暖池關鍵區(qū) （125.5～135.5°E，15.5～20.5°N）0-200m熱含量存在著明顯的階段性和年代際變化特征。東北夏季降水可以分為偏澇期，過渡期和偏旱期；關鍵區(qū)熱含量在90年代中期以后的增暖是一次突變，根據(jù)其60a變化特征可以相應分冷水期、過渡期與暖水期。

（2）東北夏季降水與前期暖池關鍵區(qū)熱含量有密切的負相關關系，相關關系存在三個階段年代際變化特征。在冷水期、過渡期與暖水期前期影響東北地區(qū)夏季降水的海域有所差異，暖池熱含量發(fā)生變暖突變后兩者在關鍵區(qū)相關顯著變好。

（3）前期10～11月暖池關鍵區(qū)熱含量對東亞夏季大氣環(huán)流和東北地區(qū)夏季降水有重要影響。冷水期、暖水期次年夏季850hPa風場異常分布呈現(xiàn)出顯著相反的特征，冷水期次年夏季東北地區(qū)受到有利于降水的環(huán)流系統(tǒng)影響，東亞夏季風較強，并且具備有利的水汽條件，降水偏多；反之降水偏少。

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Zhi Jiang-ling
（Foshan Municipal Meteorological Service，F(xiàn)oshan Guangdong 528000）

Based on the historical SST from JMA and precipitation data of 160 stations in China and NCEP reanalysis data，nearly 60 a precipitation in northeast of China and the characteristics of warm pool heat content variation and mutation were analyzed，and the relationship between 0～200 m heat content anomaly of key area in the western Pacific warm pool（125.5 135.5°E，15.5 to 20.5°N）during the early October to November between the summer precipitation in northeast of China.The results show that: During recent 60 years，there are remarkable interdecadal change and mutation characteristics in summer northeast precipitation and the heat content of warm pool key area with a mutation of key area heat content increasing in the late of mid-90s.There is closely negative correlation between warm pool heat content with the summer precipitation in northeast of China，with better negative correlation after the warm pool heating mutation，the characteristics of east-Asia summer circulation in second summer of the cold-water period and warm-water period are contrary，during the next summer of cold-water period affected by the circulation system conducive to rain，the rainfall is more，whereas less rainfall.

northeast of China；summer precipitation；western pacific warm pool；thermal content；interdecadal variation

p456.8

A

2015-08-22

植江玲（1990-），女，本科，工程師，從事天氣預報工作。