• CN 62-1175/P
  • ISSN 1006-7639
  • 双月刊
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干旱气象, 2023, 41(6): 860-872 DOI: 10.11755/j.issn.1006-7639(2023)-06-0860

厄尔尼诺与干旱

厄尔尼诺/南方涛动事件对云南秋季气象干旱的不同影响分析

马思源,1,3, 金燕,1, 张思2, 王楚钦2, 马志敏2

1.云南省气候中心,云南 昆明 650034

2.云南省气象台,云南 昆明 650034

3.云南省大湄公河次区域气象灾害与气候资源重点实验室,云南 昆明 650034

Different impacts of El Niño/Southern Oscillation events on autumn meteorological drought in Yunnan Province

MA Siyuan,1,3, JIN Yan,1, ZHANG Si2, WANG Chuqin2, MA Zhimin2

1. Yunnan Climate Center, Kunming 650034, China

2. Yunnan Meteorological Observatory, Kunming 650034, China

3. Yunnan Key Laboratory of Meteorological Disasters and Climate Resources in the Greater Mekong Subregion, Kunming 650034, China

通讯作者: 金燕(1978—),女,云南楚雄人,高级工程师,主要气候变化及生态气象研究。E-mail:apple_jjyy25@163.com

责任编辑: 黄小燕;校对:王涓力

收稿日期: 2023-10-20   修回日期: 2023-11-7  

基金资助: 中国气象局气象能力提升联合研究专项(22NLTSZ005)
云南省基础研究专项重点基金项目(202201AS070069)
云南省重点研发计划-社会发展专项(202203AC100005)
云南省重点研发计划-社会发展专项(202203AC100006)
及云南省自然科学基金项目(202302AN360006)

Received: 2023-10-20   Revised: 2023-11-7  

作者简介 About authors

马思源(1990—),女,云南曲靖人,工程师,主要从事气候变化及气象灾害研究。E-mail:masiyuan_c@163.com

摘要

云南是我国干旱灾害高发区,为增进厄尔尼诺/南方涛动(El Niño/Southern Oscillation,ENSO)对云南干旱影响的认知,提升云南秋季气象干旱预测能力,采用1979—2022年云南125个气象站逐日降水资料、英国国家气象局哈德莱中心(Hadley Center)逐月海表温度(Sea Surface Temperature,SST)资料及欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)第五代再分析资料(the Fifth Generation of European Reanalysis,ERA5),揭示两类ENSO事件对导致云南秋季气象干旱的降水异常影响及相应的物理过程。结果表明:(1)中部(Central Pacific,CP)型El Niño或La Niña事件同期,云南秋季降水以偏少为主;东部(Eastern Pacific,EP)型El Niño或La Niña事件同期,云南秋季降水则以偏多为主,且EP型El Niño是云南秋季降水偏多的强信号。(2)EP型El Niño年和La Niña年,500 hPa位势高度场在欧亚大陆中低纬呈负距平,西太平洋副热带高压偏西,西南暖湿气流与冷空气在云南交汇,中低层以上升运动为主,有利于降水产生。CP型El Niño年和La Niña年,500 hPa位势高度在云南附近为正距平,加之向外长波辐射正异常,对流活动较弱,不利于云南地区的降水。(3)ENSO事件SST异常激发的赤道西北太平洋气旋(反气旋)环流的位置东西偏移是导致云南秋季降水异常的重要因素。

关键词: 云南; 秋季; 气象干旱; 两类厄尔尼诺/南方涛动事件; 西北太平洋气旋

Abstract

Yunnan Province is frequently affected by drought catastrophes, in order to enhance the understanding of the influence of El Niño/Southern Oscillation (ENSO) on drought and to improve the prediction ability of meteorological drought in autumn in Yunnan Province, the paper revealed the influence of two types of ENSO events on precipitation anomalies resulting in autumn meteorological drought in Yunnan and the associated physical processes based on monthly average sea surface temperature (SST) data from the Hadley Center, the fifth generation of European reanalysis data (ERA5) from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), and daily precipitation data from 125 meteorological stations in Yunnan Province from 1979 to 2022. The results are as follows: (1) During the period of Central Pacific (CP) type El Niño or La Niña events, the autumn precipitation in Yunnan is mainly less. Conversely, during the period of Eastern Pacific (EP) type El Niño or La Niña events, the autumn precipitation in Yunnan is mainly more. Furthermore, the EP type El Niño event is a strong signal of more autumn precipitation in Yunnan. (2) In the years of the EP type El Niño and La Niña, the 500 hPa geopotential-height field presents a negative anomaly over the middle and low latitudes of Eurasia, the Western Pacific subtropical high is westward, the warm and humid air from the southwest meets cold air in Yunnan, and the rising movement is mainly in the middle and low levels, which is conducive to precipitation generation in Yunnan. In the years of the CP type El Niño and La Niña, the 500 hPa geopotential height field in Yunnan is positive anomaly. In addition, there is the positive anomaly of outgoing longwave radiation (OLR), and the convective activity is weak, which is not conducive to the precipitation in Yunnan. (3) When ENSO event occurs, The east-west shift of the position of the equatorial northwest Pacific cyclonic (anticyclonic) circulation excited by the SST anomaly of ENSO event is an important factor leading to the autumn precipitation anomaly in Yunnan.

Keywords: Yunnan; autumn; meteorological drought; two types of El Niño/Southern Oscillation; Northwest Pacific cyclone

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本文引用格式

马思源, 金燕, 张思, 王楚钦, 马志敏. 厄尔尼诺/南方涛动事件对云南秋季气象干旱的不同影响分析[J]. 干旱气象, 2023, 41(6): 860-872 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2023)-06-0860

MA Siyuan, JIN Yan, ZHANG Si, WANG Chuqin, MA Zhimin. Different impacts of El Niño/Southern Oscillation events on autumn meteorological drought in Yunnan Province[J]. Arid Meteorology, 2023, 41(6): 860-872 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2023)-06-0860

引言

干旱是我国最突出的气象灾害之一,对我国农业生产影响最大,每年因旱灾造成的直接经济损失超400亿元人民币(黄荣辉等,2003;Su et al., 2018)。赤道太平洋海表温度变化与全球大气环流尤其是热带大气环流密切相关,热带东太平洋与热带西太平洋气压场存在的气压变化相反的跷跷板现象称为南方涛动(Southern Oscillation)。厄尔尼诺(El Niño)/拉尼娜(La Niña)事件是指热带中、东太平洋海表温度大范围持续异常偏暖或偏冷的现象,在厄尔尼诺期间,东太平洋气压明显减弱,西太平洋的气压增强,拉尼娜期间的情况正好相反,鉴于厄尔尼诺与南方涛动的密切关系,气象上把两者合称为厄尔尼诺/南方涛动(El Niño/Southern Oscillation,ENSO)(Philander,1983)。ENSO是热带太平洋海-气耦合系统中最显著的年际变化信号(Mcphaden et al.,2006;Timmermann et al.,2018),其发生和演变能引发区域乃至全球大气环流异常,对中国各区域的降水也有十分重要的影响(龚道溢和王绍武,1998;Wang et al., 2000;Chen et al., 2017;张人禾等,2017;李艳等,2019;李媛等,2019;罗晓玲和李玲萍,2020;黎凌峰等,2022)。

El Niño有时会表现出不同于传统的一种形态,其暖中心偏向日界线地区而不是东太平洋,这种形态被称为El Niño Modoki、暖池El Niño或中部型El Niño,而传统型El Niño则被称为东部型或冷舌El Niño(Weng et al., 2007; Ashok et al., 2007; Kao and Yu, 2009; Kug et al.,2009; Ren and Jin, 2011)。ENSO不同形态对气候的影响存在显著差异(Shinoda et al., 2011; Frauen et al., 2014; Zhang et al., 2015a; Ding et al., 2017),导致中国地区降水也表现出不同的异常特征:东部(Eastern Pacific,EP)型El Niño年,西太平洋副热带高压(简称“副高”)偏强偏西,西北太平洋出现反气旋环流,西南暖湿气流增强,西南和华南冬季、长江流域夏季降水易偏多;而中部(Central Pacific,CP)型El Niño年,副高脊线偏北,低层异常反气旋环流也偏北偏西,致使雨带偏北,江淮流域夏季、华南和西南地区冬季降水偏少(冯娟等,2010;袁媛等,2012;王钦等,2012;袁良和何金海,2013;陶威和陈权亮,2018;阙志萍等,2018;王黎娟等,2020)。此外,ENSO对我国南方秋季降水有显著影响,CP El Niño年秋季,我国降水一致偏少,易发生严重的秋旱,而EP型El Niño年秋季降水则出现“南多北少”分布,且我国南方秋季干旱事件的增加与CP型El Niño发生频率增加有关(Zhang et al., 2011;Zhang et al., 2014;薛亮等,2023;蒲于莉等,2023)。ENSO冷暖位相虽然海温形态相反,但产生的影响并非完全相反,El Niño和La Niña对中国降水的影响具有不对称性(Feng et al., 2017)。La Niña年冬季西北太平洋异常气旋较弱,季节内振荡强于年际变化,导致我国南方冬季降水响应较弱,而东南地区夏季降水对La Niña事件较为敏感,La Niña年秋季南方偏旱,由于CP型La Niña年相较于EP型La Niña年副高偏弱,西北太平洋气旋位置不稳定,导致我国东部降水响应偏弱(Zhang et al., 2015b;李天然等,2017;马百胜,2019;王黎娟等,2020;季悦,2022)。

云南以农业产业为主,生产方式相对落后,对自然环境依赖大,因此干旱灾害给当地造成的影响也更为严重(王劲松等,2015;张翔等,2021)。近年来云南干旱发生频次持续增加(王东等,2014;金燕等,2018;张强等,2020;周惜荫和李谢辉,2021;王莺等,2022;张强,2022),特别是2009—2013年云南连续4 a发生秋冬春连旱(宋洁等,2011;胡学平等,2015;荣艳淑等,2018),2019年秋末初冬云南发生严重气象干旱(云南省气象局,2020)。云南作为我国降水、气温等局部差异变化最复杂的地区之一(曹杰等,2009),气象要素对ENSO不同形态的响应也存在显著差异:冬季,EP型El Niño事件对云南冬季降水的影响大于CP型El Niño事件(周建琴和晏红明,2021);El Niño年云南雨季易偏晚,往往造成云南春末夏初降水不足,引发后续干旱(陈艳等,2017);同时云南秋季降水在El Niño年易偏多(琚建华和陈琳玲,2003)。前人研究表明El Niño是导致云南降水年际异常的强信号之一,但对于两种ENSO现象的不同形态影响低纬高原气候异常的机理还缺乏全面认识。云南属典型的季风气候区,干湿季明显,是我国干旱灾害高发区(张强等,2017),秋季是由雨季向干季转换的过渡季节,降水的多寡直接影响秋收秋种、库塘蓄水、冬春季森林防火和来年的春耕春播,秋季降水预测一直是云南气象服务的重难点,因此本文利用1979—2022年秋季云南省125个气象站观测资料、ERA5再分析资料及英国国家气象局海表温度(Sea Surface Temperature,SST)资料,揭示EP和CP型El Niño/La Niña事件与同期秋季云南降水的关系,并分析可能的物理机制,以期更好地认识ENSO对我国局地气候异常的影响机理,完善外强迫信号对云南年际气候异常影响物理机制的认知,提升云南气象干旱灾害风险管理能力,为云南关键期气候预测服务提供参考。

1 资料和方法

1.1 研究区概况

云南位于青藏高原东南边缘,境内海拔由西北向东南逐级下降,山地占比84%。地处低纬高原,受东亚季风、南亚季风、青藏高原共同影响,自然地理环境复杂多样,各类气象灾害频繁发生,其中干旱受灾率最高。据统计,云南平均干旱受灾面积占气象灾害总面积的43%,每年有一半左右的县(市)受干旱影响,除南部降水丰富的边境地区旱灾较少外,其余大部地区干旱较为普遍,特别是干热河谷地区旱灾最为突出(秦剑等,1997;程建刚等,2009;云南省气象局,2017)。

1.2 资料

所用资料包括:(1)云南省125个气象站(图1)逐日降水资料,由云南省气象信息中心提供并进行质量控制;(2)英国国家气象局哈德莱中心(Hadley Center)逐月海表温度(SST)资料,空间分辨率为1°×1°;(3)欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的第五代再分析资料(the Fifth Generation of European Reanalysis,ERA5),包括逐月位势高度、风场、垂直速度、整层水汽通量、整层水汽通量散度、向外长波辐射等,水平分辨率为0.25°×0.25°。因为海气相互作用在20世纪70年代末有显著调整(Trenberth,1990; Miller et al.,1994; Zhang et al.,1997),因此本文研究时段选择1979—2022年秋季(9—11月),气候平均态采用1979—2022年秋季平均。

图1

图1   研究区及站点分布

Fig.1   The study area and distribution of meteorological stations


文中附图涉及的云南省行政边界基于中华人民共和国自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS(2020)4619号的标准地图制作,底图无修改。

1.3 方法

按Ren和Jin(2011)提出的方法识别东部型和中部型厄尔尼诺事件,定义两个指数如下:

IEP=N3-αN4ICP=N4-αN3

式中:IEPICP(℃)分别表征东部(EP)型El Niño/La Niña与中部(CP)型El Niño/La Niña事件;N3N4分别为Niño3、Niño4指数;α为非线性变化参数,其取值由历史经验得到,当N3×N4>0时,α=0.4,当N3×N4≤0时,α=0。通常厄尔尼诺事件在秋季已发展稳定,参照厄尔尼诺/拉尼娜事件判别方法GB/T 33666—2017(中国气象局,2017),将IEP绝对值大于等于0.5 ℃至少持续3个月,且秋季平均最大海表温度距平在150°W以东定义为EP型El Niño/La Niña事件;将ICP绝对值大于等于0.5 ℃至少持续3个月,且秋季平均最大海表温度距平在150°W以西定义为CP型El Niño/La Niña事件。1979—2022年东部型和中部型厄尔尼诺和拉尼娜事件年份见表1,这与前人的分类结果基本一致(季悦,2022;毕成祥等,2023)。

表1   1979—2022年东部型和中部型厄尔尼诺和拉尼娜事件年份

Tab.1  Years statistics for eastern and central type El Niño and La Niña event during 1979-2022

事件类型厄尔尼诺事件年份拉尼娜事件年份
东部型1982、1987、1997、2002、2006、20151995、1999、2007、2017、2020、2022
中部型2004、2009、20181988、1998、2010

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采用合成分析研究EP和CP型ENSO事件对云南秋季降水的不同影响及其物理机制,另外,本文仅对指数归为一类的事件进行合成分析,并未细致区分IEPICP对应降水的一致性。根据《现代气候统计诊断与预测技术》(魏凤英,2007)中两组样本平均值差异的显著性检验应采用t检验,通过95%置信水平即认为EP(CP)型ENSO合成年的气候要素平均值与气候平均值(1979—2022年平均)在95%置信水平下有显著差异。

为了确定以上所选EP和CP型El Niño/La Niña个例能较好地代表各类事件的SST分布特征,绘制两类El Niño/La Niña年秋季SST异常合成分布(图2)。可以看出EP型事件显著升温/降温区均位于日界线以东,EP型El Niño年SST暖异常中心值偏高超过1.8 ℃[图2(a)],明显强于CP型El Niño,EP型La Niña年SST冷异常中心值偏低约1.2 ℃[图2(c)];CP型事件海表温度异常中心在160°W附近,CP型El Niño年SST暖异常中心值偏高约1.0 ℃[图2(b)],CP型La Niña年SST冷异常中心值偏低超过1.6 ℃[图2(d)],强于EP型La Niña年。可以看出两类ENSO事件中SST异常的空间分布和强度非对称性特征与前人研究结论一致(Karori et al., 2013;李智玉等,2015),表明文中合成分析所选个例合适。

图2

图2   EP型El Niño(a)与La Niña(c)年、CP型El Niño(b)与La Niña(d)年秋季海表温度异常的合成分布(单位:℃)

(打点区域通过95%置信水平的显著性检验)

Fig.2   Composite distributions of sea surface temperature anomaly (SSTA) in eastern Pacific type El Niño (a) and La Niña (c) years, central Pacific type El Niño (b) and La Niña (d) years (Unit: ℃)

(Dotted areas pass the significance test at the 95% confidence level)


图3为EP和CP型El Niño/La Niña年云南秋季平均降水距平百分率与Niño3.4区SST异常散点图。可以看出,CP型El Niño各年云南秋季平均降水一致偏少,易发生干旱;EP型El Niño各年除2002年出现降水明显偏少外,大部分年云南平均秋季降水一致偏多。EP型La Niña年云南平均秋季降水离散度较大,6 a中有2 a明显偏多,4 a偏少,但偏少幅度较小;CP型La Niña年云南平均秋季降水响应不稳定,2010年偏多,其余2 a偏少。另外,El Niño事件Niño3.4指数EP型大于CP型,La Niña事件时则相反,这与海表温度异常合成图(图2)分析结果一致。云南平均秋季降水EP型ENSO事件发生时以偏多为主,CP型ENSO事件发生时以偏少为主。

图3

图3   EP和CP型El Niño/La Niña年云南秋季平均降水距平百分率与Niño3.4区海表温度异常散点图

Fig.3   Scatterplot of autumn average precipitation anomaly percentage in Yunnan and the SSTA in Niño3.4 area in eastern Pacific and central Pacific type El Niño/La Niña years


2 结果分析

为了解不同ENSO背景下云南秋季降水情况,绘制了EP和CP型El Niño/La Niña年云南秋季降水距平百分率合成分布(图4)。EP型El Niño年[图4(a)],位于滇东南的正异常中心降水偏多超过25%,滇西北、滇西有降水偏少区域,大部地区降水偏多;EP型La Niña年[图4(c)],云南秋季降水正异常强度明显弱于EP型El Niño年,正异常中心降水偏多约15%,滇中以北部分区域降水偏少。CP型El Niño年[图4(b)],位于滇中的负异常中心降水偏少超过30%,除个别站点偏多外,其余全省大部地区降水均偏少;CP型La Niña年[图4(d)],降水从西北至东南逐渐减少,云南南部边缘地区最少,偏少超过30%。整体来看,CP型El Niño和La Niña事件云南秋季降水均以偏少为主,但降水异常中心位置不同,EP型El Niño和La Niña事件云南秋季降水则以偏多为主,EP型El Niño年降水偏多的强度和范围明显大于EP型La Niña年。

图4

图4   EP型El Niño(a)与La Niña(c)年、CP型El Niño(b)与La Niña(d)年云南秋季降水距平百分率合成分布(单位:%)

(打点区域通过95%置信水平的显著性检验)

Fig.4   Composite distributions of precipitation anomaly percentage in eastern Pacific type El Niño (a) and La Niña (c) years, central Pacific type El Niño (b) and La Niña (d) years (Unit: %)

(Dotted areas pass the significance test at the 95% confidence level)


两类ENSO事件对云南秋季降水的影响明显不同,为探讨造成这种差异的可能机制,以下从低层风场、高度场、水汽及垂直运动条件等方面进行分析。

图5为EP和CP型El Niño/La Niña年500 hPa位势高度异常场和向外长波辐射(Outgoing Longwave Radiation,OLR)异常场合成分布。可以看出,位势高度异常与OLR异常有较好的一致性,OLR负异常区一般也对应负高度异常,即低压控制地区对流活动加强。同时,当El Niño发生时,赤道西太平洋OLR显著偏高,说明该地区对流活动受到抑制,而在赤道中东太平洋OLR显著偏低,即该地区对流活动明显增强;当La Niña发生时,热带太平洋OLR的分布特征与El Niño事件发生时相反。此外,由于CP型El Niño(EP型La Niña)事件发生时,SST异常较EP型El Niño(CP型La Niña)偏小,相应OLR异常也偏小。

图5

图5   EP型El Niño(a)与La Niña(c)年、CP型El Niño(b)与La Niña(d)年500 hPa位势高度距平(等值线,单位:gpm)和OLR异常(填色区,单位:W·m-2)合成分布

(绿线和紫线分别为气候平均态和合成的5 880 gpm线,打点区域表示OLR异常通过95%置信水平的显著性检验,“+”和“-”分别代表500 hPa高度正和负异常)

Fig.5   Composite distributions of geopotential height anomalies (contours, Unit: gpm) and OLR anomalies (shaded areas, Unit: W·m-2) at 500 hPa in eastern Pacific type El Niño (a) and La Niña (c), central Pacific type El Niño (b) and La Niña (d) years

(Green and purple lines indicate 5 880 gpm contours of the climatological mean geopotential height and the composite geopotential height, respectively. Dotted areas pass the significance test at the 95% confidence level for OLR anomalies; The characters “+” and “-” indicate positive and negative 500 hPa height anomalies, respectively)


EP型El Niño年[图5(a)],热带西太平洋—东亚中纬度地区—鄂霍次克海地区上空呈现明显的经向波列,即“+、-、+”的东亚—太平洋遥相关波列(East Asia-Pacific, EAP)(黄荣辉,1990)。EAP与东亚降水异常存在密切相关,通过环流异常影响副热带高压、阻塞高压,进而影响雨带分布(黄荣辉和孙凤英,1994;Hsu and Lin, 2007),云南地区为负高度异常,经向环流加强,有利于冷空气南下,副高位置偏南西伸,暖湿气流向云南输送,冷暖空气在云南交汇,有利于降水产生,同时,云南附近OLR偏低,对流活动增强,降水偏多;CP型El Niño年[图5(b)],欧亚大陆至西北太平洋地区为大范围的正高度异常,位于日本上空的正异常中心向南延伸至25°N,中高纬地区经向环流减弱,副高偏北偏东,云南以南广大区域受强高压控制,加之OLR正异常,对流活动较弱,不利于云南地区降水产生。EP型La Niña年[图5(c)],欧亚大陆中低纬呈现北高南低的气压分布型,有利于冷空气向南侵入,副高位置偏西,有利于西南暖湿气流输送,加之云南附近OLR为较小的负异常,对流略偏强,导致云南地区降水偏多;CP型La Niña年[图5(d)],东亚大槽偏强偏东,云南受槽后的高压控制,不利于水汽向云南输送。

综上所述,副高外围西南气流携带充足的水汽,EP型El Niño年秋季EAP的建立通过影响副高位置和强度,对云南地区的水汽输送和降水产生有加强作用,是导致EP型El Niño年秋季云南降水明显偏多的主要原因之一。

充足的水汽条件和上升运动对降水形成起到关键作用,秋季影响云南的水汽源主要来自孟加拉湾、南海和西北太平洋(周长艳等,2006;张万诚等,2014;万云霞等,2016)。图6为EP和CP型El Niño/La Niña年秋季整层水汽输送及其散度的合成分布,图7为EP和CP型El Niño/La Niña年秋季云南地区(97°E-107°E)平均垂直速度和经向风的纬度-高度剖面合成。可见EP型El Niño年[图6(a)图7(a)],孟加拉湾北部西南气流携带大量水汽经缅甸向云南输送,且云南区域为水汽异常辐合区,中低层为一致上升运动,导致云南降水偏多;CP型El Niño年[图6(b)图7(b)],赤道西北太平洋的水汽辐散区位置向西扩展,导致向云南水汽输送强度较弱,中低层为一致下沉运动,不利于降水发生。在La Niña年,云南自东向西的水汽输送加大,EP型La Niña年[图6(c)图7(c)]云南大部分地区低层垂直运动较小,中层以上升运动为主,来自孟加拉湾的水汽,与南海附近偏东气流在云南南部和西部地区相遇,产生水汽辐合,形成降水有利条件;CP La Niña年[图6(d)图7(d)]云南东北向的水汽输送加大,同时云南西北部为水汽辐合区,其余大部分处于水汽异常辐散区,25°N以南从低层至高层为一致下沉运动,对应降水负异常区,25°N以北低层至中层有上升运动,与滇西北降水正异常区相对应。

图6

图6   EP型El Niño(a)与La Niña(c)年、CP型El Niño(b)与La Niña(d)年整层水汽通量异常(箭矢,单位:kg·m-1·s-1)和水汽通量散度异常(填色区,单位:10-5 kg·m-2·s-1)合成分布

(绿色箭头表示水汽通量异常通过90%置信水平的显著性检验,打点区域表示水汽通量散度异常通过90%置信水平的显著性检验)

Fig.6   Composite distributions of water vapor flux anomalies (arrow vectors, Unit: kg·m-1·s-1) and water vapor flux divergence anomalies (shaded areas, Unit: 10-5 kg·m-2·s-1) in eastern Pacific type El Niño (a) and La Niña (c) years, central Pacific type El Niño (b) and La Niña (d) years

(The green arrows pass the significance test at the 90% confidence level for water vapor flux anomalies, dotted areas passes the significance test at the 90% confidence level for water vapor flux divergence anomalies)


图7

图7   EP型El Niño(a)与La Niña(c)年、CP型El Niño(b)与La Niña(d)年沿97°E—107°E平均的垂直速度异常(填色为垂直速度乘以-100,单位:Pa·s-1)和经向风分量异常(矢量,单位:m·s-1)纬度-高度剖面合成分布

Fig.7   Latitude-height section composite distributions of vertical velocity anomalies (shaded areas, the vertical velocity multiplied by -100, Unit: Pa·s-1) and meridional wind anomalies (vectors, Unit: m·s-1) averaged along 97°E-107°E in eastern Pacific type El Niño (a) and La Niña (c) yeaars, central Pacific type El Niño (b) and La Niña (d) years


西北太平洋的异常反气旋/气旋环流与ENSO密切相关,早在1996年我国学者便提出El Niño通过这种异常环流影响东亚季风的观点(Zhang et al.,1996),近年来,许多研究表明西太平洋的气旋/反气旋是ENSO影响东亚季风和中国降水的重要环流系统,其通过影响副热带高压和水汽输送,进而导致东亚降水异常(陈文,2002;Zhang et al.,2011; Su et al., 2013;李天然等,2017)。陈文等(2018)指出,EP型El Niño年引起的西北太平洋反气旋异常明显强于EP型La Niña年引起的气旋环流异常,而CP型El Niño/La Niña西北太平洋的环流异常强度基本对称,且异常气旋环流中心较反气旋环流偏西。从EP和CP型El Niño/La Niña年850 hPa风场和涡度异常(图8)看,EP型El Niño年[图8(a)],菲律宾以东洋面存在显著负涡度异常,西北太平洋为反气旋,孟加拉湾北部至云南西部为正涡度异常,云南受西南气流影响,使得云南秋季降水明显增多;EP型La Niña年[图8(c)],南海为异常气旋性环流,孟加拉湾西北部为也为气旋性环流控制,云南南部受气旋性环流影响,为云南西南大部地区降水提供了有利条件;CP型El Niño年[图8(b)]秋季,西北太平洋为反气旋性环流,东亚大槽减弱,影响云南冷空气偏弱,孟加拉湾北部的反气旋性环流导致云南上空水汽减少;CP型La Niña年[图8(d)],南海附近存在显著的正涡度异常,西北太平洋有异常气旋性环流,导致东亚大槽偏东南伸,云南受较强的偏北风控制,阻碍了低纬洋面的暖湿气流输送,不利于产生降水。

图8

图8   EP型El Niño(a)与La Niña(c)年、CP型El Niño(b)与La Niña(d)年850 hPa风场(箭矢,单位:m·s-1)和涡度(填色区,单位:10-5s-1)异常合成分布

(绿色箭头表示风场异常通过90%置信水平的显著性检验,打点区域表示涡度异常通过90%置信水平的显著性检验;字母C和A分别代表气旋和反气旋环流异常;灰色阴影区为高原地形)

Fig.8   Composite distributions of wind anomalies (arrow vectors, Unit: m·s-1) and vorticity anomalies (shaded areas, Unit: 10-5s-1) at 850 hPa in eastern Pacific type El Niño (a) and La Niña (c) years, central Pacific type El Niño (b) and La Niña (d) years

(The green arrows pass the significance test at the 90% confidence level for wind anomalies, dotted areas passes the significance test at the 90% confidence level for vorticity anomalies; letters C and A denote cyclonic and anticyclonic circulation anomalies, respectively; gray shaded areas are plateau terrain)


EP型El Niño年赤道东太平洋SST暖异常在赤道西北太平洋激发出反气旋环流,CP型El Niño年SST暖异常中心偏西,西北太平洋反气旋性环流较弱且位置偏西,这与前人研究结论基本一致(Feng et al., 2010;王钦等,2012;伍红雨和吴遥,2018),但也有研究指出CP型El Niño年西北太平洋为气旋性环流(Zhang et al., 2011;Chen et al., 2014;季悦,2022),造成这种差异原因主要考虑CP El Niño发展过程中对称和不对称两类发展型,其SST异常区域的不同在西北太平洋所激发的异常环流也不尽相同(Wang and Wang, 2013; 张人禾等,2017)。La Niña年赤道西太平洋对流异常加热在西北太平洋激发出气旋性环流,EP型La Niña年此气旋性环流异常较CP型La Niña年偏弱,位置偏南,没有明显减弱暖湿气流向云南的输送,使得云南降水出现弱的正异常。由于菲律宾附近的西北太平洋反气旋是ENSO影响东南亚降水的直接因子(Wang et al., 2000;Wang and Zhang, 2002),该反气旋(气旋)强度和位置的差异可以很好地解释云南秋季降水对两类ENSO的不同响应。

图9为EP和CP型El Niño/La Niña年环流异常示意图。EP型El Niño年500 hPa位势高度场在欧亚大陆中低纬呈负距平,易于冷空气南下,副高偏西,菲律宾附近的西北太平洋为反气旋,孟加拉湾北部为气旋,来自孟加拉湾的西南气流携带大量水汽向云南输送,云南附近地区OLR偏低,且为水汽异常辐合区,中低层以上升运动为主,有利于产生降水,加之EP型El Niño年东亚EAP建立,对云南地区的水汽输送和降水产生有加强作用,降水明显偏多[图9(a)];EP La Niña年副高偏强偏西,西北太平洋为气旋性环流,云南西南部受气旋性环流影响,来自孟加拉湾的水汽与南海附近偏东气流在云南西部和南部地区相遇,云南区域为水汽异常辐合区,中层以上升运动为主,充足的水汽条件和上升运动导致云南秋季降水偏多[图9(c)];CP El Niño年云南受高压控制,西北太平洋的反气旋性环流减弱且位置偏西,云南至孟加拉湾北部的反气旋性环流导致云南的西南气流减弱,向云南的水汽输送较弱,加之OLR正异常,中低层为一致的下沉运动,对流活动较弱,不利于云南地区的降水形成[图9(b)];CP型La Niña年西北太平洋气旋性环流较强,云南处于偏北风控制,阻碍了孟加拉湾洋面的暖湿气流输送,云南东北向的水汽输送加大,同时云南除北部小范围为水汽辐合区,大部分处于水汽异常辐散区,25°N以南从低层至高层为一致的下沉运动,对应降水负异常区,25°N以北低层至中层有上升运动,与滇西北降水正异常区相对应[图9(d)]。

图9

图9   EP型El Niño(a)与La Niña(c)年、CP型El Niño(b)与La Niña(d)年环流异常示意图

Fig.9   Schematic diagram of the circulation anomalies during eastern Pacific type El Niño (a) and La Niña (c) years, central Pacific type El Niño (b) and La Niña (d) years


在此需要说明的是,2002年秋季云南降水偏少,与EP型El Niño其他年份差异较大,因为2002年相比EP型El Niño合成年副高偏东,西北太平洋反气旋位置偏东,西南气流不再影响云南,向云南输送的水汽较弱且对流活动偏弱,导致降水偏少;2010年秋季云南降水偏多,与CP型La Niña其他年份不一致,其原因是2010年500 hPa高度场云南地区为低压控制,西北太平洋气旋偏弱,使得来自南海的偏东南水汽影响云南,有利于降水产生。

3 结论与讨论

本文分析了两类ENSO事件不同海表温度分布形态中,云南秋季降水的空间差异;从大气环流、水汽输送及垂直运动等方面探讨造成这种差异的可能影响机制,主要得到以下结论:

(1)两类ENSO事件发生时,云南秋季降水存在明显差异。CP型El Niño和La Niña事件同期,云南秋季降水均以偏少为主,其中El Niño年全省大部地区一致偏少,La Niña年降水西北多、东南少。EP型El Niño和La Niña事件同期,云南秋季降水则以偏多为主,其中El Niño年正异常强度和范围明显大于La Niña年。

(2)EP型El Niño年和La Niña年,500 hPa位势高度场在欧亚大陆中低纬呈负距平,副高偏西,西南暖湿气流与冷空气在云南交汇,中低层以上升运动为主,有利于产生降水。CP型El Niño年和La Niña年,500 hPa位势高度在云南附近为正距平,加之OLR正异常,对流活动较弱,不利于云南地区的降水。

(3)ENSO年秋季,在西北太平洋激发的环流异常也是导致云南降水异常的重要因子。El Niño年激发的西北太平洋为反气旋,EP型El Niño年反气旋的位置较CP型El Niño年偏东,强度偏强,云南受西南气流影响,降水明显增多;CP型El Niño年该反气旋偏西,导致向云南的西南水汽输送减少。La Niña年西北太平洋为气旋性环流,EP型La Niña年较CP型La Niña年该气旋偏弱,位置偏南,为云南西南大部地区的降水提供了有利条件;CP型La Niña年该气旋位置东移,阻碍了低纬洋面的暖湿气流输送,不利于产生降水。

以往研究表明,在El Niño年秋季云南降水增多,而La Niña则相反(琚建华和陈琳玲,2003;李海燕等,2016;Feng et al., 2016),相比之前研究结论,本文进一步揭示了东部型和中部型El Niño/La Niña事件对云南秋季降水的不同影响及可能影响机制。由于云南特殊的地理位置和复杂的地形条件,影响云南秋季干旱的因子有很多(琚建华等,2011;吕俊梅等,2012;周秀华和肖子牛,2015;于凡越等,2020;孙昭萱等,2022;林纾等,2022),ENSO作为重要的影响因子之一,其不同形态对云南秋季降水的作用不容忽视,在今后的气候预测工作中,考虑ENSO影响的同时需要区分不同形态,更能准确把握其影响信号。

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利用历史资料记录,考虑西南(云贵川渝)和华南(粤桂)各自不同的孕灾环境(包括气候背景、下垫面状况、地貌类型、土壤类型、河网分布)、人口密度、经济条件等,分别构建了西南和华南地区的干旱灾害链模式,分析各自灾害链链条上的灾害传递特点。结果表明,尽管西南和华南干旱灾害链的链条结构有相似的地方,但各自链条上灾害的传递过程不同。干旱灾害链上灾害传递具有明显的区域性特征,西南在轻度气象干旱时就会引起作物干旱,而华南则要在中度气象干旱时才会下传到作物干旱;西南在中度气象干旱就会引起诸如人畜饮水困难和牲畜饲草料不足等问题,而华南则要在重度气象干旱时才会引起相应的问题;由于孕灾环境的差异,西南在重度气象干旱时可引起部分区域的石漠化现象,而华南则除了桂北外,其他大部分地区出现石漠化的概率小。在同一区域,对不同承灾体而言,干旱等级的下传阈值不同,如干旱达中旱等级就可下传影响航运,达到重旱等级时可下传引发森林火灾和病虫害,而达到特旱等级时才可下传导致土壤退化。

伍红雨, 吴遥, 2018.

不同类型和强度的厄尔尼诺事件对次年华南前汛期降水的可能影响

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薛亮, 袁淑杰, 王劲松, 2023.

我国不同区域气象干旱成因研究进展与展望

[J]. 干旱气象, 41(1): 1-13.

DOI      [本文引用: 1]

在全球增暖背景下,我国干旱灾害的严重程度、持续时间和影响范围均呈增加趋势。气象干旱是干旱灾害发生的前提,厘清气象干旱形成原因,对提高干旱预警能力、制定干旱灾害应对策略和防御措施有重要科学意义。本文较为全面地梳理了我国气象干旱成因的研究进展。首先,考虑干旱的成因具有区域差异性,分别总结了我国西北、华北、东北、华东、华南及西南6个区域的干旱成因;考虑干旱的时间持续性,基于季节干旱、两季连旱和三季连旱,分别从冷暖空气、位势高度场、海温场异常等方面归纳各区域不同持续时间气象干旱形成的主要影响因子。其次,提出了目前我国气象干旱成因研究面临的科学问题和未来研究方向。鉴于已有的干旱成因研究多以对单一影响因子研究为主,即便考虑了干旱形成的多个影响因子,但仍然相对缺乏对多因子间协同作用的定量分析,因此未来需要关注不同影响因子对气象干旱形成的贡献率及彼此间协同作用的定量关系。

袁良, 何金海, 2013.

两类ENSO对我国华南地区冬季降水的不同影响

[J]. 干旱气象, 31(1): 24-31.

DOI      [本文引用: 1]

El Nino Modoki 是近年发现的赤道太平洋海温异常分布的新特征,主要表现为热带太平洋海温异常为纬向“三极型”分布,与传统的El Nino 的“偶极型”分布显著不同。本文利用1979 ~ 2010 年冬季降水观测资料以及NCEP/NCAR 再分析月平均资料,分析了El Nino 和El Nino Modoki 对我国华南地区冬季降水的不同影响。结果表明,El Nino 年冬季,西太平洋副热带高压偏强偏南,我国华南地区受其西侧异常西南风影响,获得充足的水汽供应。另外,高层抽吸作用增强,上升运动加强,对流发展,降水偏多; 而El Nino Modoki 年冬季,西太平洋副热带高压位置偏北,我国华南地区受高压脊控制。华南地区高层抽吸作用减弱,上升运动减弱,对流减弱,并且水汽供应不足,导致降水偏少。

袁媛, 杨辉, 李崇银, 2012.

不同分布型厄尔尼诺事件及对中国次年夏季降水的可能影响

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云南省气象局, 2020.

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中国西南地区春旱特征及其异常环流分析

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张人禾, 闵庆烨, 苏京志, 2017.

厄尔尼诺对东亚大气环流和中国降水年际变异的影响:西北太平洋异常反气旋的作用

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秋季水汽输送特征及其与云南降水的关系

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中国干旱事件成因和变化规律的研究进展与展望

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张强, 姚玉璧, 王莺, , 2017.

中国南方干旱灾害风险特征及其防控对策

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张强, 2022.

科学解读“2022年长江流域重大干旱”

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今年从6月开始持续到目前的整个长江流域的干旱事件,不仅对农业和能源等各方面影响十分严重,而且干旱发展过程和影响特征还表现出许多与以往不同的独特性,对其进行科学分析十分必要。鉴于此,该文试图在科学与科普同时兼顾的基础上,分别从新常态与反常态两个视角,从干旱的表现特征、形成机制、影响特点及从中得到的启示与思考等方面,对当前还在肆虐的2022年长江流域严重干旱事件进行一些简单的科学解读,以促进社会公众对此次干旱事件的科学认识。

张翔, 韦燕芳, 李思宇, , 2021.

从干旱灾害到干旱灾害链:进展与挑战

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周建琴, 晏红明, 2021.

东部和中部型El Niño事件对云南冬季降水影响的差异分析

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利用1981 -2017年云南125个站逐日降水观测资料和NCEP再分析资料, 对比分析了两类El Ni?o事件期间云南冬季的降水差异, 发现东部型El Ni?o有利于冬季云南大部地区降水显著偏多, 而中部型El Ni?o的影响却不明显。进一步从两类事件相应的大气环流等方面分析了造成降水差异的物理原因。研究表明: (1)东部型El Ni?o年, Walker环流在西太平洋为异常强的下沉气流, 西太平洋副热带高压偏强偏西, Hadley环流在20°N为异常上升气流, 造成云南水汽输送和辐合加强, 中高纬度巴尔喀什湖和贝加尔湖脊发展, 冷空气沿高原东侧南下影响云南, 冷暖空气在云南频繁交汇, 导致云南冬季降水日数明显偏多, 相应降水偏多; (2)中部型El Ni?o年, Walker环流在西太平洋下沉支强度较东部型弱, 相应的西太平洋副热带高压较东部型偏弱偏东, Hadley环流在20°N为下沉气流, 对云南区域水汽输送影响较弱, 同时中高纬度环流不利于冷空气南下影响云南, 除对应冬季云南东部降水日数偏少外, 对其他地区降水的影响不明显。

周长艳, 李跃清, 李薇, , 2006.

东亚地区秋季水汽输送特征及水汽源地分析

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