李 煜 陳 敏,2 羅劍鋒 彭 濤,2 王詩(shī)璞

(1. 三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 湖北 宜昌 443002； 2. 水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 武漢 430072)

厄爾尼諾/拉尼娜(以下簡(jiǎn)稱厄/拉事件)是指赤道中、東太平洋海面溫度大范圍持續(xù)偏暖/冷的現(xiàn)象[1]，也是氣候系統(tǒng)年際氣候變化中的最強(qiáng)信號(hào)．厄/拉事件不僅會(huì)直接造成熱帶太平洋及其附近地區(qū)的干旱、暴雨等極端氣候事件，還會(huì)以遙相關(guān)的形式影響我國(guó)的天氣、氣候并引發(fā)氣象災(zāi)難[2]．近年來(lái)頻繁出現(xiàn)的海溫異常變化開(kāi)始于熱帶太平洋中部的ENSO事件被稱為中部型厄/拉事件，這種新型厄/拉事件與傳統(tǒng)東部型事件的不同特征及它們對(duì)氣候影響的差異引起了不少學(xué)者的關(guān)注．

厄/拉對(duì)氣候的影響具有顯著的區(qū)域性特征．伍紅雨等[3]研究了厄/拉事件對(duì)華南氣溫的影響，結(jié)果表明發(fā)生東部型拉尼娜事件當(dāng)年，華南冬季氣溫偏低；張鵬飛等[4]發(fā)現(xiàn)厄/拉事件對(duì)山西省的降水影響顯著，在1956～2009年間，厄爾尼諾年降水低于正常年48 mm，拉尼娜年則低16 mm，對(duì)氣溫的影響則不是很明顯．李志等[5]就厄/拉事件與涇河流域的氣候變化相關(guān)性展開(kāi)研究，結(jié)果表明該地區(qū)氣候變化與厄/拉事件關(guān)系顯著，降水對(duì)厄/拉事件的響應(yīng)強(qiáng)于氣溫且厄爾尼諾事件的影響大于拉尼娜事件．徐靜等[6]分析了青海省氣候變化與厄/拉事件的關(guān)系，表明厄爾尼諾事件對(duì)該地區(qū)的氣溫和降水影響較大，且氣溫對(duì)厄/拉事件的響應(yīng)大于降水；厄爾尼諾對(duì)同期氣候的影響較大，而拉尼娜事件則有2～3月的持續(xù)影響期．王淼、張沖等[7-8]的研究表明，厄爾尼諾事件內(nèi)長(zhǎng)江流域氣候變化特征為年降雨量減少，年均氣溫升高，拉尼娜事件內(nèi)則相反，呈現(xiàn)降雨增多氣溫下降趨勢(shì)．

然而，目前有關(guān)厄/拉事件對(duì)區(qū)域氣候變化影響的研究中對(duì)中、東部型事件區(qū)別討論并不多見(jiàn)，且區(qū)分了兩類厄/拉事件的研究大多只針對(duì)降水的響應(yīng)[7]，忽視了中、東部型事件對(duì)區(qū)域氣溫變化的可能影響．此外，以往文獻(xiàn)研究中對(duì)厄/拉事件的判定依據(jù)并不統(tǒng)一，降低了相關(guān)研究的可比性．2017年中央氣象局首次正式發(fā)布了厄/拉事件判定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[9]，能夠全面檢測(cè)到每一次厄/拉事件且有效劃分中部型和東部型事件，有利于診斷、歸因和預(yù)測(cè)不同類型事件，準(zhǔn)確分析其對(duì)區(qū)域氣候變化的影響[10-11]．因此，本文依據(jù)最新判定標(biāo)準(zhǔn)，以旱澇災(zāi)害頻發(fā)的長(zhǎng)江中下游地區(qū)為研究對(duì)象，探討長(zhǎng)江中下游氣候變化對(duì)不同類型厄/拉事件的響應(yīng)及其時(shí)滯效應(yīng)，為該地區(qū)氣候預(yù)測(cè)和災(zāi)害防治提供依據(jù)．

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

長(zhǎng)江中下游地區(qū)位于秦嶺和南嶺之間，西起巫山-雪峰山，東際于海．該地區(qū)受亞熱帶季風(fēng)、臺(tái)風(fēng)、寒潮等的影響顯著，是氣象災(zāi)害頻發(fā)的區(qū)域，也是全球氣候變化重要的響應(yīng)區(qū)域[12]．本文選取長(zhǎng)江中下游流域所處的6省1市(湖北、湖南、安徽、江西、浙江、江蘇和上海)為研究區(qū)域．采用美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局NCEP/NCAR再分析資料(1.915°×1.875°)，選取1951～2016年Nino3區(qū)(5°N-5°S, 90°W-150°W)、Nino4區(qū)(5°N-5°S, 150°W-160°E)及Nino3.4區(qū)(5°N-5°S, 120°W-170°W)的月海表溫?cái)?shù)據(jù)和長(zhǎng)江中下游地區(qū)的月氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)．經(jīng)處理得到長(zhǎng)江中下游地區(qū)區(qū)域平均氣溫和降水序列．另采用了英國(guó)Hadley氣候研究中心1921～1960年的HadISST海面溫度序列(1°×1°)，同樣處理得到3個(gè)Nino關(guān)鍵區(qū)的月海表溫序列，選取1951～1960年HadISST和NCEP海表溫?cái)?shù)據(jù)，通過(guò)相關(guān)分析和雙累積曲線分析驗(yàn)證兩者具有良好的一致性，進(jìn)而采用1921～1950年HadISST數(shù)據(jù)對(duì)NCEP資料進(jìn)行補(bǔ)充，用以計(jì)算氣候態(tài)，最終處理得到赤道中東部太平洋海溫月距平序列．

1.2 研究方法

首先依據(jù)中國(guó)氣象局2017年新發(fā)布的《厄爾尼諾/拉尼娜事件判別方法》(QT/T370-2017)判定兩類厄/拉事件，并分別確定東部型和中部型事件．采用線性傾向估計(jì)和Mann-Kendall(M-K)檢驗(yàn)方法，分析長(zhǎng)江中下游地區(qū)1951～2016年氣溫和降水的變化趨勢(shì)及突變情況；通過(guò)相關(guān)性分析，判別該地區(qū)氣溫和降水與不同厄/拉事件的相關(guān)性，并分析其空間分布情況及氣候響應(yīng)的時(shí)滯效應(yīng)．

2 結(jié)果與討論

2.1 厄爾尼諾/拉尼娜事件的判定與分類

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的判定方法及不同于標(biāo)準(zhǔn)的再分析數(shù)據(jù)，判定厄爾尼諾/拉尼娜事件的結(jié)果見(jiàn)表1．

表1 1951～2016年間的厄爾尼諾和拉尼娜事件

本文與標(biāo)準(zhǔn)中結(jié)果的差別主要在于事件的次數(shù)，表中多個(gè)拉尼娜事件合并的時(shí)間有時(shí)近似于標(biāo)準(zhǔn)中一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的拉尼娜事件．1951～2016年發(fā)生El Nino事件15次，其中東部型事件10次，中部型事件5次；拉尼娜事件共22次，其中東部型事件18次，中部型事件4次．拉尼娜事件幾乎全部開(kāi)始于夏季，在冬季達(dá)到最強(qiáng)，并結(jié)束于冬末春初．厄爾尼諾事件與拉尼娜事件的發(fā)生具有一定的周期性，每2～7年至少會(huì)發(fā)生一次厄爾尼諾和一次拉尼娜事件，且厄爾尼諾與拉尼娜事件大體上是交替出現(xiàn)的．1957～1998年的11次厄爾尼諾事件中，有10次是東部型事件，僅一次拉尼娜事件，而近年來(lái)的4次厄爾尼諾事件全部是中部型事件，說(shuō)明厄爾尼諾事件類型可能有明顯向中部型轉(zhuǎn)變的傾向，而對(duì)于拉尼娜事件這種轉(zhuǎn)變并不明顯．

2.2 長(zhǎng)江中下游地區(qū)氣候變化

2.2.1 氣溫和降水的變化特征

從1951年到2016年，長(zhǎng)江中下游地區(qū)年均氣溫整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，平均每10年上升約0.1℃(圖1a)，小于全國(guó)近50年0.22℃/10a的氣溫增幅[3]．丁斌等學(xué)者[13-14]的研究結(jié)果表明，1951～2000年，長(zhǎng)江流域的年平均氣溫呈波動(dòng)變化趨勢(shì)，60～80年代呈下降趨勢(shì)，80年代后有所上升，上升幅度為0.3℃～0.6℃．長(zhǎng)江中下游的氣溫與流域整體相似，也呈波動(dòng)變化趨勢(shì)．

具體來(lái)說(shuō)，由M-K檢驗(yàn)結(jié)果(圖1b)可知，其波動(dòng)變化大致分為3個(gè)階段：第1階段為1951～1968年，年均氣溫波動(dòng)較為頻繁；第2階段為1968～1997年左右，這期間氣溫呈現(xiàn)下降趨勢(shì)但并未達(dá)到顯著水平，1997年左右UF與UB相交，且交點(diǎn)在臨界線之間，表明1997年為氣溫突變開(kāi)始時(shí)間．第3階段為1997年至今，年均氣溫不斷上升，2002年左右上升趨勢(shì)突破了0.05顯著性水平，之后一直穩(wěn)定在顯著性水平之上．

圖1 (a)年均氣溫線性回歸及(b)MK檢驗(yàn)

1951～2016年長(zhǎng)江中下游的年降水量呈下降趨勢(shì)，降幅約3.4 mm/a(圖2a)，大于全國(guó)1965～2014年間0.149～0.116 mm/10a的平均水平[15]，也大于長(zhǎng)江流域整體的下降幅度(-1.5 mm/10a)[16]．從M-K檢驗(yàn)結(jié)果(圖2b)中可以看出，區(qū)域年降水量變化可分為兩個(gè)階段：第1階段是1963年之前，年降水量波動(dòng)變化，變化趨勢(shì)不顯著；第2階段是1963年左右至今，降水量持續(xù)減少．其中21世紀(jì)前，降低的趨勢(shì)并不顯著，這與長(zhǎng)江流域多年降水變化特征一致[16-17]．進(jìn)入21世紀(jì)后，降水量下降十分明顯，分別于2005年和2009年左右達(dá)到0.05和0.01的顯著性水平．已有研究表明，1951～2005年，長(zhǎng)江中下游降水減少幅度僅為5.1 mm/10a，可見(jiàn)近10年來(lái)的降水減少量十分可觀．綜上所述，長(zhǎng)江中下游地區(qū)近60多年來(lái)氣候趨向暖干，且這種趨勢(shì)在90年代末期以來(lái)更加顯著．

圖2 (a)年降水線性回歸及(b)MK檢驗(yàn)

2.2.2 氣溫和降水變化趨勢(shì)的空間分布情況

長(zhǎng)江中下游地區(qū)年平均氣溫變化的空間分異性較為明顯，增長(zhǎng)趨勢(shì)總體由南向北逐漸加強(qiáng)，尤其以湖北北部、安徽西北部和江蘇省北部增長(zhǎng)幅度最大．部分地區(qū)氣溫變化情況與區(qū)域整體不同步，湖南省西南部甚至呈現(xiàn)氣溫降低趨勢(shì)．整體而言，長(zhǎng)江以南的氣溫增幅小于長(zhǎng)江以北，區(qū)域西部增幅小于東部．降水量變化空間分布則呈現(xiàn)從西北向東南逐漸減弱的態(tài)勢(shì)，長(zhǎng)江中下游地區(qū)西北部降雨年均減少幅度達(dá)10 mm以上，其中湖北省減少最為明顯(圖3b)．區(qū)域最南部的湖南和江西南部地區(qū)降水卻呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，東部沿海地區(qū)的降水量也有減少但并不明顯．綜上可見(jiàn)，在長(zhǎng)江中下游地區(qū)整體趨于暖干的背景下，西北部和北部這種趨勢(shì)最為顯著，而西南部偏干但升溫并不明顯．

圖3 (a)氣溫及(b)降水變化趨勢(shì)空間分布圖

2.3 氣溫和降水變化與厄爾尼諾/拉尼娜的相關(guān)性

2.3.1 整個(gè)時(shí)間序列內(nèi)的相關(guān)性

將1951～2016年792個(gè)月氣溫(T)及降水(P)距平值月序列與同期的海溫距平(SSTA)月序列進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，并分別提取氣溫、降水延時(shí)1～5月的序列，進(jìn)行滯后效應(yīng)分析．由圖4中相關(guān)性分析結(jié)果可知，長(zhǎng)江中下游的氣溫與降水對(duì)海溫變化的響應(yīng)十分明顯．SSTA和氣溫的相關(guān)性除同期只通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)外，其余均通過(guò)99%顯著性檢驗(yàn)，且在滯后2個(gè)月時(shí)達(dá)到最大．SSTA與降水的相關(guān)性在同期最小，隨著降水延遲月份的增加逐漸增大，在滯后4個(gè)月時(shí)達(dá)到最大．有研究曾指出厄爾尼諾/拉尼娜事件對(duì)長(zhǎng)江流域的氣候變化的影響存在滯后效應(yīng)[5-6，18]，但并未指出具體的滯后時(shí)間，本文的結(jié)果印證了這一結(jié)論并且進(jìn)一步分析了滯后的時(shí)長(zhǎng)．結(jié)果表明，長(zhǎng)江中下游氣溫變化對(duì)NINO3.4區(qū)海溫距平的響應(yīng)更為迅速，降水的響應(yīng)則較慢，分別為2月和4月．

圖4 SSTA-T/SSTS-P滯后0～5月相關(guān)性系數(shù)

SSTA與氣溫(滯后2月)和降水(滯后4月)的相關(guān)性空間分布如圖5所示．當(dāng)SSTA與氣溫/降水的達(dá)到最大相關(guān)時(shí)，其相關(guān)性的空間分布情況可以反映該區(qū)域的空間響應(yīng)規(guī)律．長(zhǎng)江中下游南部氣溫和降水對(duì)海溫的響應(yīng)更加顯著，而北部只有氣溫對(duì)海溫有一定響應(yīng)，降水的響應(yīng)則不明顯．整體上看，相關(guān)性呈現(xiàn)出由南向北逐漸減小的趨勢(shì)，湖北西北部、安徽北部以及浙江的氣溫、降水受SSTA的影響不大．結(jié)合長(zhǎng)江中下游區(qū)域多年的氣候變化規(guī)律(見(jiàn)圖3)可以發(fā)現(xiàn)，受海溫影響較大的地區(qū)多年氣溫與降水變幅較小，如該區(qū)域的南部和東部部分地區(qū)；而相比之下氣溫和降水受海溫影響較小的北部地區(qū)，其多年降水減少幅度較大，氣溫增幅也更大．

圖5 (a)整個(gè)時(shí)間序列內(nèi)SSTA-T(滯后2月)和(b)SSTA-P(滯后4月)相關(guān)性空間分布

2.3.2 厄爾尼諾/拉尼娜事件內(nèi)的相關(guān)性

由于全序列海溫距平與氣候的相關(guān)性無(wú)法反映不同類型厄/拉事件對(duì)氣溫和降水的具體影響，依照厄/拉事件判定結(jié)果(見(jiàn)表1)，分別提取出中/東部型厄爾尼諾和拉尼娜事件內(nèi)長(zhǎng)江中下游地區(qū)氣溫和降水的月數(shù)據(jù)，與相應(yīng)月份的海溫距平進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見(jiàn)表2．排除非厄/拉事件發(fā)生月份的干擾，事件內(nèi)SSTA-T或SSTA-R的相關(guān)系數(shù)均大于整個(gè)時(shí)間序列內(nèi)相關(guān)分析結(jié)果的最大值(見(jiàn)圖4)，這說(shuō)明厄/拉事件對(duì)長(zhǎng)江中下游氣候的影響是存在的．

表2 不同類型厄爾尼諾/拉尼娜事件內(nèi)氣溫和降水與SSTA的相關(guān)性

注：p<0.05用*表示，p<0.01用**表示，每類中相關(guān)性系數(shù)最大值用加粗表示．

厄爾尼諾事件與氣溫的影響并不顯著，但對(duì)降水的影響十分明顯．中部型厄爾尼諾事件對(duì)長(zhǎng)江中下游降水的的影響在滯后1個(gè)月時(shí)達(dá)到最大，東部型事件在滯后4個(gè)月時(shí)達(dá)到最大，兩類事件延遲響應(yīng)的差異可能是由于東部型厄爾尼諾事件多通過(guò)副熱帶高壓的變化影響降水，而中部型事件則通過(guò)風(fēng)場(chǎng)影響降水的變化[8]．拉尼娜事件對(duì)氣候的影響因事件類型不同而有明顯的區(qū)別，中部型拉尼娜事件對(duì)氣溫和降水的影響均不明顯，而當(dāng)東部型拉尼娜事件發(fā)生時(shí)，長(zhǎng)江中下游地區(qū)氣溫和降水對(duì)海表溫距平均有響應(yīng)，且這種響應(yīng)存在一致的時(shí)滯性，氣溫和降水與海溫距平的相關(guān)性都在滯后2個(gè)月達(dá)到最大，且分別通過(guò)了95%和99%的顯著性檢驗(yàn)．

各個(gè)事件的相關(guān)系數(shù)幾乎都是單一峰值的，即不存在兩個(gè)非相鄰的月份均達(dá)到顯著性水平，且隨著延遲時(shí)間的增加，相關(guān)性有遞增后再減小的趨勢(shì)．這說(shuō)明厄爾尼諾/拉尼娜事件對(duì)氣溫或降水的影響的時(shí)滯效應(yīng)明顯，但一般不會(huì)超過(guò)4個(gè)月．

在相關(guān)性最顯著的幾組情況下針對(duì)區(qū)域各格點(diǎn)做相關(guān)分析得到相關(guān)性的空間分布情況．如圖6所示，雖中部型厄爾尼諾對(duì)長(zhǎng)江中下游降水在滯后1個(gè)月時(shí)影響達(dá)到最大，但是僅在長(zhǎng)江以南表現(xiàn)明顯，長(zhǎng)江以北降水對(duì)中部型厄爾尼諾事件的響應(yīng)并不顯著；東部型厄爾尼諾事件發(fā)生時(shí)，SSTA與區(qū)域降水的相關(guān)性在滯后4個(gè)月時(shí)達(dá)到最大，長(zhǎng)江中下游地區(qū)南部的響應(yīng)也是明顯強(qiáng)于北部，東部沿海的響應(yīng)也比較顯著但不及南部，厄爾尼諾事件對(duì)江西和湖南南部地區(qū)氣候的影響最能反映出區(qū)域氣候變化響應(yīng)的總體情況．整體上看，兩類厄爾尼諾事件對(duì)降水影響的空間分布規(guī)律十分相似，但東部型事件對(duì)降水影響的滯后效應(yīng)更加明顯，并且其對(duì)上海地區(qū)的影響較中部型事件更顯著．

圖6 (a)中部型El事件內(nèi)SSTA-P滯后1月和(b)東部型El事件內(nèi)SSTA-P滯后4月相關(guān)性空間分布

東部型拉尼娜事件發(fā)生時(shí)，氣溫與降水均在滯后2個(gè)月時(shí)與SSTA的相關(guān)性達(dá)到最大，且相比氣溫，降水對(duì)SSTA的響應(yīng)更為顯著．從空間分布上來(lái)看(如圖7所示)，氣溫呈現(xiàn)由西南向東北相關(guān)性減弱的分布特征，東部型拉尼娜事件對(duì)湖北、安徽及江蘇的北部地區(qū)影響并不顯著；而絕大部分地區(qū)降水則受到東部型拉尼娜事件的影響，尤其是長(zhǎng)江中下游北部地區(qū)，多達(dá)到0.01顯著性水平．

圖7 (a)東部型La事件內(nèi)SSTA-T滯后2月和(b)東部型La事件內(nèi)SSTA-P滯后2月相關(guān)性空間分布

以上結(jié)果表明，不同類型厄/拉事件對(duì)長(zhǎng)江中下游氣溫和降水的影響在影響程度、影響區(qū)域、滯后時(shí)長(zhǎng)等方面具有明顯的差異．厄爾尼諾事件中影響較大的是中部型事件，而拉尼娜事件中影響較大的則是東部型事件，且它們對(duì)降水的影響均大于對(duì)氣溫的影響．中部型厄爾尼諾事件對(duì)降水的影響中心在長(zhǎng)江中下游南部，而東部型拉尼娜事件對(duì)降水的影響主要集中在北部．相比拉尼娜事件，厄爾尼諾事件對(duì)氣溫降水影響更具時(shí)滯性．

3 結(jié) 論

本文采用新標(biāo)準(zhǔn)判定厄/拉事件及類型，對(duì)1951～2016年長(zhǎng)江中下游地區(qū)氣溫和降水變化特征及其對(duì)不同了類型厄/拉事件的響應(yīng)進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

1)1951年以來(lái)的厄/拉事件，呈一定周期性發(fā)生，周期為2～7年；厄/拉事件具有不對(duì)稱性；每一次強(qiáng)厄爾尼諾事件發(fā)生后會(huì)在次年或第三年發(fā)生拉尼娜事件．東部型厄/拉事件多于中部型，且近年來(lái)中部型厄爾尼諾事件明顯增多，表明厄爾尼諾事件內(nèi)的海溫異常中心有轉(zhuǎn)移的傾向．拉尼娜事件中東部型沒(méi)有明顯的轉(zhuǎn)換．

2)1951～2016年長(zhǎng)江中下游地區(qū)的整體氣候呈暖干趨勢(shì)；氣溫和降水變化率分別為0.11℃/10a和-33.87 mm/10a；區(qū)域內(nèi)氣溫升溫幅度自南向北逐漸增大，降水減少幅度自東南向西北陸逐漸增大．區(qū)域內(nèi)越靠近北部，氣候越趨向于暖干．

3)整個(gè)時(shí)間序列內(nèi)長(zhǎng)江中下游地區(qū)氣溫和降水對(duì)海溫距平的響應(yīng)分別存在2個(gè)月和4個(gè)月的延遲；海溫距平對(duì)氣溫的影響大于降水，對(duì)長(zhǎng)江中下游南部地區(qū)影響大于北部．

4)不同類型厄/拉事件對(duì)長(zhǎng)江中下游氣溫和降水的影響程度、影響區(qū)域、滯后時(shí)長(zhǎng)不同．就厄爾尼諾事件而言，其中部型事件對(duì)長(zhǎng)江中下游氣候影響大于東部型事件，拉尼娜事件則相反．降水對(duì)厄/拉事件的響應(yīng)都大于氣溫，中部型厄爾尼諾和東部型拉尼娜對(duì)長(zhǎng)江中下游降水的影響分別集中在南部和北部地區(qū)．中部型厄爾尼諾事件對(duì)氣溫和降水的影響分別滯后5個(gè)月和1個(gè)月；東部型拉尼娜氣溫和降水的響應(yīng)延遲均為2個(gè)月．