热带印度洋-太平洋海温主模态对中国南部秋季降水异常的影响

张玲,马茜雅,袁晓钰,封佳利,姜玉洁

摘要 基于HadISST逐月海温数据，对热带印度洋-太平洋海区海温场主模态及其组合进行了研究。结果表明：三种类型的El Nio事件中，东部型（EP）和对称中部型（CPⅠ）发展年，热带印度洋东部及海洋性大陆降水为负异常，印-太海区Walker环流减弱，赤道印度洋为东风异常，根据Bjerknes反馈，东印度洋海温负异常，易形成正位相印度洋偶极子（Positive Indian Ocean Dipole，PIOD）事件;而非对称中部型（CPⅡ）与印度洋偶极子（Indian Ocean Dipole，IOD）事件无相关性。进一步对印-太海区海温场主模态及其组合与中国南部秋季降水异常的关系进行分析发现，独立EP型、独立CPⅠ型、EP与PIOD组合型及CPⅠ与PIOD组合型四种模态下，在赤道印度洋及热带太平洋暖湿气流的作用下，中国东南部秋季降水呈正异常，其中独立EP型、独立CPⅠ型和CPⅠ与PIOD组合型对中国东南部的局地水汽净输入以自西向东的纬向贡献为主，而EP与PIOD组合型由于西太平洋副热带高压的异常西伸，水汽沿副高西南边缘向北输送进入中国东南部，对中国东南部的局地水汽净输入以经向贡献为主。CPⅡ型El Nio事件发展年，中国南部大部分地区秋季降水异常偏少;独立PIOD事件发展年，中国西南部地区秋季降水表现为正异常，而东南部呈负异常。

关键词 El Nio;IOD;降水;秋季;中国南部

中国南部处于热带和副热带环流系统的交界处，两者共同作用导致其在气候变化的背景下异常降水事件发生频率高于其他地区（Zhang et al.，2015）。热带印度洋-太平洋海温的主模态被证实是东南部降水异常的主要中低纬外强迫因子，其包括印度洋偶极子（Indian Ocean Dipole，IOD;Saji et al.，1999）和热带太平洋厄尔尼诺南方涛动（El Nio-Southern Oscillation，ENSO）。IOD與亚洲季风环流有显著的关系（李崇银和穆明权，2001;Saji and Yamagata，2003;Yuan et al.，2008;Xie et al.，2009;Yang et al.，2010;Liu et al.，2011），进而对我国的南部、东部气候产生影响（李崇银和穆明权，2001;肖子牛等，2002，2006;肖子牛和梁红丽，2006;唐卫亚和孙照渤，2007;Hu et al.，2011;Weng et al.，2011;张晓玲等，2012;陈君芝等，2019）。正异常的IOD事件期间，夏季南亚高压东进加强（Huang et al.，2011），西太平洋副热带高压西伸加强，从而导致中国华东地区夏季降水偏多，南方大部地区异常干旱（吴国雄等，2000;Li and Mu，2001;Guan and Yamagata，2003;赵珊珊等，2009）。

热带太平洋ENSO是影响我国南方降水的另一主要因子（Wang et al.，2000;Xie et al.，2009;陈洁鹏等，2016;张文君等，2018）。Wang et al.（2000）、Wang and Zhang（2002）研究表明：热带太平洋海温异常El Nio/La Nia发生后，通过赤道大气罗斯贝波及海气耦合过程建立菲律宾反气旋，该反气旋对我国东部降水产生影响。从ENSO事件影响东亚季风的分析中发现，ENSO事件主要影响东亚中低纬环流系统（Weng et al.，2009;Zhou et al.，2010;范伶俐等，2018），通过对南海上空的气旋式环流强度的影响进而使得东亚季风强度发生变化。

在全球气候变暖的背景下，东亚气候系统与ENSO的关系发生了改变（Zhou et al.，2014;Kim et al.，2017;Yang et al.，2018），部分研究结果指出ENSO与东亚气候异常关系的变化可能与太平洋的类El Nio事件（El Nio Modoki;Ashok et al.，2007）近几十年高频出现有关。与传统El Nio事件（即东部型El Nio事件）热带中东太平洋海温增暖相比，El Nio Modoki事件的异常海温增暖区位于热带中太平洋，又被称之为中部型El Nio事件（Yu and Kao，2007）或暖池El Nio（Kug et al.，2009）。由于海温异常强度与位置的差异，中部型El Nio事件对热带和中纬度气候的影响与东部型El Nio事件不同（Ashok et al.，2007;Weng et al.，2007，2009;Kim et al.，2011）。在El Nio事件发展年的冬季，东部型El Nio事件和中部型El Nio在西北太平洋上空强迫的大气环流异常不同，使得其对东亚南部降水异常的影响存在显著差异（Ashok et al.，2007;Weng et al.，2009;李丽萍等，2015）。偏相关分析表明，东部型El Nio事件与中国南部降水事件关系显著，而中部型El Nio与中国南部降水事件关系并不显著（Wang and Wang，2013）。Wang and Wang（2013）进一步对中部型El Nio事件的演变过程进行分析发现，中部型El Nio在发展过程中存在对称发展型和非对称发展型两类，而且这两类事件对东亚环流系统的影响存在差异。因此，热带太平洋的El Nio事件，其海温异常模态存在位置差异，造成其对东亚大气环流的异常强迫不同，使得其与中国南部降水的关系存在差异。

此外，IOD指数与Nio3指数的相关系数显著，尤其在秋季可达到0.56（Behera and Yamagata，2003），当二者同时发生时，极易出现超强El Nio事件（Saji et al.，2018）。但并不是所有的El Nio事件都与IOD事件同时发生，只有强的正位相的IOD事件易与El Nio或者次年的La Nia事件同时发生，而负位相的IOD事件很少与El Nio或La Nia事件同时发生（Sang et al.，2019）。El Nio事件存在不同类型，其与IOD事件的关系亦存在差异（Wang and Wang，2013），热带印度洋-太平洋不同模态海温匹配下，其对东亚环流系统及中国南部降水的将产生怎样的差异？基于以上问题，考虑IOD事件成熟在秋季，本文主要分析热带印度洋-太平洋海温场主导模态及其组合与中国南部秋季降水异常的匹配关系，对比热带印-太海区不同匹配模态下大气环流及局地气候的响应差异，进而讨论热带印度洋-太平洋海温场主导模态对中国南部秋季降水异常的影响机理。

1 资料和方法

1.1 资料

利用Hadley中心1951—2018年的逐月海冰及海温（HadISST）数据，定义不同类型的热带印度洋-太平洋海温模态，分析热带印度洋与太平洋海温主模态的联系。再基于1961—2018年CN05.1格点化数据集（吴佳和高学杰，2013）中降水资料、全球降水气候中心（GPCC）逐月降水资料、NCEP/NCAR再分析资料，讨论热带印度洋、太平洋海温主模态及其组合背景下，中国南部秋季降水异常及其相关环流场特征，进而揭示热带印度洋-太平洋海温场模态对中国南部秋季降水异常的影响机理。水汽通量的垂直积分范围为地表气压至300 hPa。文中春、夏、秋、冬分别以3—5月（MAM）、6—8月（JJA）、9—11月（SON）、12月—次年2月（DJF）的平均值来表示。

1.2 IOD事件、不同类型El Nio事件的定义

基于Hadley环流中心HadISST逐月海温场资料，根据Saji et al.（1999）的IOD强度定义，即秋季西印度洋海域（50°～70°E，10°S～10°N）与东印度洋海域（90°～110°E，10°S～0°）的海温差异，计算IOD指数，并对其进行标准化处理，将绝对值大于1的年份定义为IOD事件。当标准化处理的IOD指数大于等于1时，为正位相印度洋偶极子（Positive Indian Ocean Dipole，PIOD）事件，即东印度洋海温呈负异常，西印度洋海域呈正异常;当标准化处理的IOD指数小于等于-1时，为负位相印度洋偶极子（Nagative Indian Ocean Dipole，NIOD），即东印度洋海温呈正异常，西印度洋海域呈负异常。

基于Ren and Jin（2011）的定義，利用Hadley环流中心HadISST冬季海温场资料对东部型El Nio指数（IEP）与中部型El Nio指数（ICP）进行计算，如式（1）所示，

IEP=N3-αN4，

ICP=N4-αN3。 其中，α=25， N3N4>0;

0，N3N4≤0。（1）

N3和N4分别代表Nio3区（150°～90°W，5°S～5°N）和Nio4区（160°E～150°W，5°S～5°N）的平均海表温度距平，α为非线性变化参数。对IEP和ICP序列进行标准化处理，当两组标准化后的IEP和ICP数值相差0.2，且较大者的数值大于1.0，则将较大者定义为相应的El Nio事件。

2 热带印度洋-太平洋海温主模态分析

基于Ren and Jin（2011）的定义，通过东部型El Nio指数和中部型El Nio指数（图1），选取东部型El Nio事件（EP）和中部型El Nio事件（CP），如图1所示，CP事件出现的频率高于EP事件的出现频率，20世纪80年代以后表现尤为明显，但EP事件发生时，强度更大，如1982、1997、2015年，其标准化的IEP均超过2.0，为强El Nio事件。

根据Wang and Wang（2013）的定义，进一步将CP事件分为对称型（CPⅠ）和非对称型（CPⅡ），当赤道中太平洋增暖事件沿赤道呈对称型发展即为CPⅠ，当赤道中太平洋增暖事件由东北太平洋海温增暖发展而来即为CPⅡ。由于所用降水资料从1961年开始，所以考虑20世纪60年代以后的情况，不同类型El Nio事件年份如表1所示，EP事件的发展年份为1965、1972、1976、1982、1991、1997、2015年，CPⅠ事件的发展年份为1957、1987、1990、1994、2002、2014年，CPⅡ事件的发展年份为1968、2004、2009年。对各类型El Nio事件热带太平洋海区的海表面温度场进行合成，如图2所示，在EP型El Nio事件发展年的春季，异常暖海温首先出现在赤道东太平洋，随后暖海温异常逐渐向赤道中太平洋扩展，至冬季达到最强;在CPⅠ型El Nio事件发展年的夏季，较明显的异常暖海温沿赤道对称首先出现在中太平洋，随后暖海温异常向赤道东太平洋扩展但未至东太平洋海岸，海温暖异常至冬季达到最强;在CPⅡ型El Nio事件发展年的夏季，较明显的异常暖海温首先出现在东北太平洋，随后暖异常海温在赤道中太平洋进一步发展加强，且向东西两侧扩展，至冬季达到最强。三类El Nio事件的海温增暖位置和强度存在差异，EP型El Nio事件海温增暖由赤道东太平洋向赤道中太平洋扩展，且强度最大;CPⅠ型El Nio事件海温增暖由赤道中太平洋向赤道东太平洋扩展，强度较弱;CPⅡ型El Nio事件海温增暖沿赤道呈非对称型，其首先出现在东北太平洋，随后由热带中太平洋向东西两侧发展，强度与CPⅠ型事件相当。CPⅠ型和CPⅡ型事件的暖海温边界均较EP型偏西20个经距左右。

不同类型El Nio事件发展过程中，大气环流场和海洋热动力场均存在差异（Zhi et al.，2019），使得其与印度洋海温异常的关系存在差异，因而对不同类型El Nio事件印度洋-太平洋海区的降水场和低层环流场进行合成，如图3所示，分析各类型El Nio事件与IOD事件之间的关系。当EP型和CPⅠ型El Nio事件发生时，印度洋东部及海洋性大陆区域降水呈负异常，印-太海区的Walker环流减弱，热带东印度洋上空对流层低层呈现东风异常，根据Bjerknes反馈，在异常东风的作用下，赤道东印度洋海洋性大陆附近冷水上翻，海表面温度出现负异常，与PIOD事件有联系（图4a、b），且两类事件相比，EP型El Nio事件与PIOD事件联系更加密切。而当CPⅡ型El Nio事件发生时（图3c），印度洋东部及海洋性大陆区域降水异常情况不显著，对流层低层未出现赤道东印度洋东风异常，与典型IOD事件联系不密切（图4c）。不同类型El Nio事件与IOD事件的联系与Wang and Wang（2013）的结果基本一致，El Nio事件与IOD事件密切相关且相互独立，二者均与东亚气候异常密切相关，那么El Nio事件、IOD事件及二者的组合模态如何影响中国南部的秋季降水异常？在第3节中将对其进行详细的讨论。

3 热带印度洋-太平洋不同海温主模态组合对中国南部秋季降水的影响

基于第2部分的分析发现，不同类型的El Nio事件与IOD事件的关系存在差异，EP型和CPⅠ型与PIOD事件联系密切，而CPⅡ型与IOD事件的联系并不显著。因此，将热带印度洋-太平洋海区海温主模态分为独立EP型El Nio事件、EP型与PIOD联合发生事件、独立CPⅠ型El Nio事件、CPⅠ型与PIOD联合发生事件、独立CPⅡ型El Nio事件和PIOD事件六种热带印-太海温主模态，讨论其与中国南部秋季降水的关系。各印-太海温主模态异常年份如表1所示，未标注1）的年份为事件的独立发生年，标注1）的年份为印-太海温主模态联合发生年。

对各异常年份的秋季降水场进行合成分析（图5），发现当EP型El Nio事件独立发展时，我国华南、江南地区秋季降水偏多，且当PIOD与其联合发展时，我国华南、江南地区秋季降水正异常较独立EP事件发生时强;当CPⅠ型El Nio事件发展时，我国江南地区秋季降水偏多，且当PIOD与其联合发展时，我国江南地区秋季降水正异常强度较独立CPⅠ事件发生时强，但由于我们讨论的样本中仅有1994年出现了CPⅠ型与PIOD联合发生事件，所得结果无法进行合成检验;当CPⅡ型El Nio事件发展时，中国南部大部分地区秋季降水为负异常;当PIOD事件独立发展时，我国西南地区出现秋季降水正异常，而东南地区呈现负异常。

进一步对各异常年份秋季整层垂直积分的水汽通量（图6）及其主要降水异常区（图7黑色矩形框）四周的整层垂直积分水汽收支进行合成分析，结果表明，在EP型El Nio事件独立发展年（图6a、7a），输入中国南部的水汽通道主要有两条，一条是从赤道印度洋经孟加拉湾进入中国，另一条是由热带太平洋经南海进入中国，从主要降水异常区四周的水汽收支分析发现，水汽的净输入来自自西向东的纬向贡献。在EP型与PIOD联合发展年（图6b、7b），影响中国南部秋季降水的水汽通道与独立EP型事件类似，分别从赤道印度洋和热带太平洋进入中国，但从主要降水异常区四周的水汽收支分析发现，此海温主模态组合背景下，水汽的净输入主要来自由南向北的经向贡献，这与中国东南部沿海的异常反气旋关系密切。对EP型与PIOD联合发展年的500 hPa位势高度场进行合成分析发现，西太平洋副热带高压异常西伸（图略），588线西伸脊点至112.5°E，较气候态向西延伸了30个纬距，因此中国东南部沿海出现了异常的反气旋，来自热带太平洋的水汽沿副高的西南边缘，经南海向北输送进入中国大陆东南部。在独立的CPⅠ型El Nio事件发展年（图6c、7c），水汽通道和局地水汽收支与EP型基本一致，水汽主要来自赤道印度洋和热带太平洋，且主要降水异常区水汽的净输入以自西向东的纬向贡献为主。在CPⅠ型与PIOD联合发展年（图6d、7d），水汽亦主要来自赤道印度洋和热带太平洋，但主要降水异常区区域减小，主要位于江南地区，水汽的净输入为自西向东的纬向贡献。而在CPⅡ型El Nio事件发展年（图6e、7e），来自赤道印度洋的水汽输送偏北，而來自热带太平洋的水汽沿中国大陆东南沿海向南输送，使得中国东南部为水汽净流出，秋季中国东南部降水异常偏少。

4 结论和讨论

4.1 结论

利用Hadley中心逐月海温、CN05.1格点化数据集、全球降水气候中心（GPCC）逐月降水资料和NCEP/NCAR再分析资料，分析了热带印度洋-太平洋海温主模态及其组合背景下，中国南部秋季降水异常及其相关环流场特征，得到以下主要结论：

1）东部型（EP）和对称型中部（CPⅠ）El Nio事件与PIOD联系密切。在EP型和CPⅠ型El Nio事件发展年，印度洋东部及海洋性大陆降水呈负异常，凝结潜热释放减少，Walker环流减弱，从而使得热带印度洋出现异常东风，热带东印度洋冷水上翻，海温降低，有利于PIOD事件的发生。

2）EP型和CPⅠ型El Nio事件发展年，中国东南部秋季降水异常偏强，尤其在与PIOD事件联合发展年，中国东南部秋季降水正异常强度更大。非对称型中部（CPⅡ）El Nio事件发展年，中国南部大部分地区秋季降水异常偏少。独立PIOD事件发展年，中国西南部地区秋季降水表现为正异常，而东南部呈负异常。

3）独立EP型、独立CPⅠ型、EP与PIOD组合型及CPⅠ与PIOD组合型，四种印-太海区海表温度异常模态下，中国东南部秋季降水正异常的主要水汽来源均来自赤道印度洋及热带太平洋，水汽通道一条是从赤道印度洋经孟加拉湾进入中国，另一条是由热带太平洋经南海进入中国，其中独立EP型、独立CPⅠ型和CPⅠ与PIOD组合型对中国东南部的局地水汽净输入以自西向东的纬向贡献为主，而EP与PIOD组合型由于西太平洋副热带高压的异常西伸，水汽沿副高西南边缘向北输送进入中国东南部，对中国东南部的局地水汽净输入以经向贡献为主。

4.2 讨论

EP型与CPⅠ型El Nio事件发展年，中国东南部秋季降水均呈现正异常，且在两类El Nio事件与PIOD事件联合发展年，中国东南部秋季降水正异常较独立El Nio事件发生时强，那么热带印度洋海区正位相的IOD模态对东南部降水异常会产生怎样的影响？本文进一步对独立PIOD事件异常年的中国东部秋季降水场（图5f）、整层垂直积分的水汽通量场（图6f）、降水正异常区四周的水汽收支（图7f）进行了合成分析，结果表明在独立的PIOD年，中国西南局部地区呈现秋季降水正异常，而东南部秋季降水呈现负异常，水汽由热带印度洋和太平洋分别经孟加拉湾和南海，在东南亚汇合后进入中国西南地区，在西南暖湿气流的作用下，造成中国西南地区降水偏多。由此看来，PIOD事件对中国秋季东南部的降水为负贡献，那么EP型与CPⅠ型El Nio事件与PIOD事件联合发展年份的降水异常偏多可能是由于热带太平洋的海温异常作用，而非印度洋的海温异常的直接作用，且由于El Nio事件与PIOD事件联合发展时，易出现强El Nio事件（Saji et al.，2018），尤其是EP型，因此，中国东南部秋季降水的正异常可能与EP型与CPⅠ型El Nio事件的强度成正比。虽然独立正位相IOD的海温异常对中国东南部降水异常非正贡献，但最近有研究表明（Kim and An，2019）IOD在调节菲律宾反气旋异常强度（与中国东南部降水异常关系密切）方面起着积极的作用，当PIOD与El Nio事件同年发生时，菲律宾附近的异常反气旋才会强大，而独立的El Nio事件发生时，菲律宾附近的异常反气旋并不显著。因此，在El Nio事件与PIOD事件联合发展年，有关PIOD事件及El Nio事件强度对中国东南部秋季降水异常的作用和贡献尚不明晰，需进一步研究，将在接下来的工作中通过数值试验进行进一步的讨论和验证。

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Modulations of different SST patterns in tropical Indo-Pacific on autumn precipitation anomaly in southern China

ZHANG Ling，MA Xiya，YUAN Xiaoyu，FENG Jiali，JIANG Yujie

Key Laboratory of Meteorological Disaster，Ministry of Education （KLME）/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters （CIC-FEMD），Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China

Based on the monthly sea surface temperature （SST） data derived from HadISST，this paper studied the tropical Indo-Pacific SST modes and their combination modes.Results show that the negative precipitation anomalies appear in the eastern tropical Indian Ocean and maritime continent and the Walker circulation weakens over Indo-Pacific region during the eastern Pacific （EP） and symmetric central Pacific （CPⅠ） El Nio developing years，which results in the surface easterly anomalies off Java-Sumatra.Under the Bjerknes feedback，the abnormal easterlies lead to negative SST anomalies off Java-Sumatra，which is favorable for the formation of positive Indian Ocean Dipole （IOD） events.But，the asymmetric central Pacific El Nio events （CPⅡ） are not related to the IOD events.The relationship between SST modes and their combination modes over Indo-Pacific region and autumn precipitation anomalies in southern China were further investigated by the composite analysis method.Results show that during the developing years of single EP El Nio，single CPⅠ El Nio，combination of EP El Nio and positive IOD （PIOD），and combination of CPⅠ El Nio and PIOD，the autumn precipitation anomaly in southeastern China is positive due to the effect of warm and moist air from equatorial Indian Ocean and tropical Pacific.Under the Indo-Pacific SST modes，the moisture related to positive autumn precipitation anomaly in southeastern China is contributed by zonal transport from west to east，except the EP&PIOD modes.During the EP&PIOD developing years，the western Pacific subtropical high （WPSH） further extends westward，which results in the moisture transport northward into southeastern China along the southwest boundary of WPSH，therefore，the moisture related to the positive autumn precipitation anomaly in southeastern China is contributed by meridional transport.The negative autumn precipitation anomaly appears in southern China during the CPⅡ El Nio developing years.In addition，the positive （negative） autumn precipitation anomaly occurs in southwestern （southeastern） China during the single PIOD developing years.

El Nio;IOD;precipitation;autumn;southern China

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20200630001

（責任编辑：张福颖）