PDO和ENSO与我国华北地区夏季降水的关系分析

赵思文，李俊乐*，刘多文，全美兰，李祥明，田 琳，马骁颖，王 磊

(1.辽宁省抚顺市气象局，辽宁 抚顺 113006;2.辽宁省抚顺市清原县气象局，辽宁 清源 113300)



PDO和ENSO与我国华北地区夏季降水的关系分析

赵思文1，李俊乐1*，刘多文1，全美兰1，李祥明1，田 琳1，马骁颖1，王 磊2

(1.辽宁省抚顺市气象局，辽宁 抚顺 113006;2.辽宁省抚顺市清原县气象局，辽宁 清源 113300)

摘要：统计了不同太平洋年代际振荡背景下ENSO发生的频率、强度等特征，进而分析了PDO对ENSO的调制作用；计算了华北地区赤峰、北京等25个站作为华北地区代表站的夏季降水距平，分析得到两者与降水的关系，结果表明：(1)PDO的振荡周期为年代际尺度，为ENSO提供气候背景；(2)我国华北地区夏季降水存在年代际变化，与PDO指数大致呈负相关；(3)暖ENSO年我国华北地区夏季降水偏少，冷ENSO年则偏多。ENSO对我国华北地区夏季降水的影响受到PDO的制约；该研究可以更好地对我国华北地区夏季降水进行短期预测，可预测2016年我国华北地区夏季降水将偏少。

关键词：太平洋年代际振荡(PDO)；ENSO事件分型；中国华北地区；夏季降水

在长期的研究实践中，我们发现PDO直接或间接对我国夏季降水产生一定影响，也同时导致ENSO对中国降水的预测性出现异常。不少研究都表明我国降水对ENSO有显著响应，不同季节、不同区域响应的显著性不同，其中对我国华北地区夏季的降水预测性置信度较高[1]，因此主要研究此区域。由于将ENSO和PDO一起作为影响因素的研究很少，而这一问题对我们短期气候预测具有非常重要的意义。从关于暴雨研究来说，夏季是全国暴雨多发季节，华北地区夏季防汛工作也是气象工作重点。对暴雨灾害风险评估也是防汛的有效工作[2]，而暴雨与大气环流和海温特征相关性也较强[3]。因此，该研究对华北地区的夏季防汛也有重要意义。ENSO是热带海表温度最强的年际异常信号，20世纪90年代以来，人们开始关注造成ENSO异常的原因，其中PDO引起了研究人员的很大关注。关于ENSO存在年代际变化的原因有好几种解释，王东晓等[4]认为，太平洋环流年际变化参与ENSO循环，年代际变化参与了PDO循环，两者是相互作用的。本研究着手于背景场，在前人研究成果的基础上，对年代际振荡的PDO一个周期内冷暖两个位相下年际变化的ENSO事件进行统计，并对比分析了不同PDO背景下ENSO的频率、强度、类型及持续时间等特征的异同。进一步研究不同太平洋年代际振荡背景、不同类型ENSO事件对中国华北地区夏季降水的影响，为我国华北地区夏季汛期短期气候预测提供重要参考。

1资料与方法

1.1资料

PDO指数可以很好地代表气候模态的特点，为了更直观地区分PDO的冷暖周期，本文利用NCEP/NCAR全球月平均海表温度(SST)，再分析资料来计算PDO指数，水平分辨率为2.5°×2.5°，时间序列为1900～2012年。为了确定ENSO影响年，笔者选用张礼平等[5]的定义方法并参考王绍武等[6]的统计结果。为了分析ENSO强度及其气候突变，本文选用欧洲中心提供的ENSO指数。降水资料为国家气候中心提供的1951～2010年中国160站逐月降水资料，取6、7、8月降水季平均作为夏季降水。在计算华北地区降水距平时，取赤峰、承德、张家口、呼和浩特、包头、北京、天津、石家庄、德州、邢台、安阳、烟台、青岛、潍坊、济南、临沂、菏泽、新浦、徐州、郑州、长治、太原、临汾、榆林、延安25个站作为华北代表站。

1.2方法

利用全球月平均海表温度资料，对北太平洋20°～60° N、110° E～100° W范围内求距平并进行EOF分析，得到的第一时间序列即为PDO指数。根据1.1中的资料和方法选出PDO一个周期内中出现的ENSO事件，合成得到每次事件从起始到结束时间段内的平均海温距平，根据正海温距平最大值所在区域对ENSO事件进行分类，对属同一类型的事件再进行合成分析，研究不同气候背景对ENSO的影响分析整个夏季中国东部降水异常场的分布情况；对6、7、8月即夏季中国华北地区降水求距平并作8 a滑动平均；通过MK方法计算统计量来计算气候突变。

2结果与分析

2.1PDO的冷暖位相及ENSO事件的分类

2.1.1PDO的演变周期按照1.2方法计算北太平洋海表温度距平并得到PDO指数，由前人的研究[6]可知，PDO属于气候态，故对PDO指数进行标准化、计算年平均，并对计算结果进行11 a滑动平均，得到1900～2012年PDO时间演变序列(图1)。

由图1可知，从1900年到2012年有2个比较明显的转折点，分别为1940年和1975年，据文献[7-8]中给出的PDO指数的定义方法，可以得到20世纪初期至20年代、1940年至1975为冷位相，20世纪20年代中期至40年代、1975年至21世纪初期为暖位相。周期为40 a左右，属年代际变化。20世纪后期的PDO指数变化周期较前期长，一个多世纪的时间仅包含2个周期，并且第2个周期约占60 a，指数的突变值也较少。从图1还可以认为2016年处于PDO冷位相时期。

图1　PDO指数年平均序列(直方条)及相应11 a滑动平均(曲线)

2.1.2不同PDO背景下ENSO事件的特征许多研究指出，对应不同的PDO年代际背景，年际ENSO空间结构[9]、El Nino发生频率与强度[10]以及El Nino的发生特点[11]均表现出显著的差异，本文由上述计算分析已知冷暖位相年，依据翟盘茂等[12]合成结果，统计不同位相年各自包含的ENSO时间的特点(表略)。

在冷位相年，ENSO两类事件次数相当且持续时间都较长，持续时间在10个月以上的有11次，其中1954～1957年ENSO冷事件持续时间达34个月。ENSO暖事件峰值大多处于10、11月秋末；暖位相年基本呈相反态势，ENSO暖事件次数增加，但持续时间有所减少。在暖气候背景下，ENSO冷暖事件次数明显不平衡，ENSO冷事件仅为4次。在强度方面，冷位相下，ENSO暖事件多为弱，强事件仅为1次；暖位相下，11次ENSO暖事件中强事件为8次，ENSO冷事件则相反，在冷位相时期强度明显强于暖位相时期。

从吕俊梅等[13]对PDO冷暖位相下ENSO暖事件及ENSO冷事件的频率、强度变化的统计可以看出，海温距平绝对值较大时强度和频率都处于峰值。在周期方面，可以认为2016年已经开始进入冷位相循环，但邓伟涛等[14]研究指出：20世纪90年代以后，北太平洋海温从PDO模态转变为日本以南西北太平洋海温增暖的模态，故海温仍为较暖状态，因此PDO指数很有可能是正值或绝对值较小的负值。

2.2不同PDO冷暖背景下降水特点

有研究指出全国夏季雨型在近60 a内有2次明显变化[15-16]，一次是在19世纪70年代前后，中国东部降水由北至南为“+-+”三极分布，华北地区降水为正距平；另一次是在19世纪70年代中后期至80年代末90年代初，中国东部夏季降水型表现出“-+-”的三极分布形态，华北地区为负降水距平。

由图2可以看出，在这2次年代际变化过程中，华北地区夏季降水的变化和PDO变化有一定的相关性，20世纪70年代中后期，PDO由暖位相转变为冷位相，此时华北地区降水低于平均水平，为负距平。于淑秋等[17]应用滑动T检验法对北太平洋海温年代际跃变进行了研究，指出在1976/1977年海温跃变前中国汛期降水量在华北地区偏多，而跃变后则相反，这与本文得到的结论是一致的。

直方图为降水距平，曲线为8 a滑动平均图2　华北地区1951～2010年夏季降水时间序列

2.3ENSO对夏季降水的影响

2.3.1ENSO指数与降水的关系利用ENSO指数资料及中国华北地区25个站夏季降水资料，通过MK方法来判断两者是否存在气候突变(图3)。由UF曲线的变化趋势可知，ENSO指数及我国华北地区夏季降水均有气候突变；由UF和UB交点可知，突变开始时间均为1976年左右，与PDO位相转折年一致；两者都存在几十年的周期。同时对比ENSO指数同中国华北地区夏季降水距平(图略)，发现暖ENSO年我国华北地区夏季降水偏少，冷ENSO年偏多，且强度越强，降水偏少或偏多的程度越大。从图2中也可以看到，在2000年前后出现了十年来降水最小值，且据最新资料[18]，1998～2002年的暖ENSO事件的强度是非常强的，这也与据过去百年资料统计显示出的暖ENSO年中国降水的异常一致。

a.ENSO指数；b.降水距平；点圈线为UF，实线为UB图3　ENSO指数和中国华北地区夏季降水年平均距平MK统计量曲线

2.3.2ENSO不同类型对降水的影响3种类型暖ENSO事件对应影响年(一般为起始年次年)夏季降水距平的合成(图4)。比较发现，nino3、nino4及nino3.4型ENSO事件对我国降水的影响区域不同，且对应降水较多区域大体呈现依次由南向北的分布。nino3、nino4型事件会导致华北地区夏季降水偏少，nino3.4型事件则利于华北地区降水。

单位：mm；阴影部分通过信度α=0.1的显著性检验；a.nino3型；b.nino4型；c.nino3.4型图4　3种不同类型El Nino事件对应影响年夏季降水异常值分布对比图

2.3.3ENSO不同发展阶段对降水的影响ENSO事件在其发展的时间演变上具有季节锁相性(即一般在春夏季发生发展，秋冬季达到成熟，次年夏季衰亡)，与之相对应的大气异常响应也不同，因而对中国气候影响的区域、性质和程度也有所不同。有研究[19-20]发现：当ENSO事件处于发展阶段，华北地区降水偏少；当ENSO事件处于衰减阶段，华北地区的降水可能偏多。朱益民等[21]计算得到一样的结论，并且得到处于衰减阶段的ENSO事件，随着年代的演变，华北地区的正相关区逐渐减小，部分地区甚至呈现负相关。通过滑动相关分析表明，这种年代际转变也出现在1976年左右。

2.4PDO和ENSO与夏季降水关系

PDO不同振荡背景下ENSO对降水的影响，本研究归结为PDO对ENSO与中国夏季气候异常关系的调制作用。

为了更清楚地考察PDO对ENSO的降水预测性的影响，对PDO冷暖位相下ENSO年华北地区夏季降水进行统计得到表1。其中ENSO强度分为3个等级强中弱，降水则根据影响年华北地区夏季降水距平大小(相对所处PDO位相)分为偏多、偏少、略偏多、略偏少及正常5个等级。

表1　PDO、ENSO及华北地区夏季降水统计

3小结

本文对PDO进行冷暖位相区分并在此基础上将不同位相下的ENSO事件进行特征分析，分别研究PDO和ENSO对我国华北地区夏季降水的影响，进一步得到PDO和ENSO与我国华北地区夏季降水的关系。主要结论如下：

(1)PDO属于年代际振荡，PDO为ENSO提供气候背景，冷位相更利于ENSO冷事件发生发展，暖位相则更利于ENSO暖事件，相应的对反事件也就有所抑制。

(2)ENSO对我国华北地区夏季降水的影响明显受到PDO的制约，相同强度和冷暖性质的ENSO，在不同PDO位相期内，对我国华北地区夏季降水的影响各不相同。

我国华北地区夏季降水在暖ENSO年，总体上比常年偏少。在PDO冷位相期内，总体上比常年偏多，当暖ENSO强度偏强时降水偏少，当暖ENSO强度中等或偏弱时，降水偏少的程度更大。冷ENSO年，总体上比常年偏多。强冷ENSO年无论在PDO暖位相还是冷位相，均表明降水总体上比常年偏多；而中等冷ENSO年和弱冷ENSO年在PDO暖位相偏多，在冷位相总体上略偏少。

(3)2015年为强暖ENSO年并将持续到2016年春季，2016年PDO处于冷位相阶段，但近年来北太平洋海温多为偏暖，即PDO为正。可预测2016年我国华北地区夏季降水为较大负距平，且小于冷位相时期降水平均值。

参考文献：

[1] 龚道溢,王绍武.近百年ENSO对全球陆地及中国降水的影响[J].科学通报,1999,44(3):315-320.

[2] 王博,崔春光,彭涛,等.暴雨灾害风险评估与区划的研究现状与进展[J].暴雨灾害,2007(3):281-286.

[3] 杨明,宫宇,吴晓娜,等.安徽省夏季暴雨时空分布特征的成因分析[J].暴雨灾害,2015(2):143-152.

[4] 王东晓,谢强,刘赟,等.太平洋年代际海洋变率研究进展[J].热带海洋学报,2003,22(1):76-83.

[5] 张礼平,张乐飞,曾凡平.ENSO与中国东部夏季降水的关联[J].热带气象学报,2012,28(2):177-186.

[6] 王绍武,龚道溢.近百年来的ENSO事件及其强度[J].气象,1999,25(1):9-13.

[7] Mantua N J, Hare S R, Zhang Y, et al. A Pacific interdecadal climate oscillation with impacts on salmon production[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 1997, 78(6): 1069-1079.

[8] Zhang Y, Wallace J M, Battisti D S. ENSO-like interdecadal variability: 1900～1993[J]. Journal of climate, 1997, 10(5): 1004-1020.

[9] Tanimoto Y, Hanawa K, Toba Y, et al. Characteristic variations of sea surface temperature with multiple time scales in the North Pacific[J]. Journal of Climate, 1993, 6(6): 1153-1160.

[10] Trenberth K E, Hoar T J. The 1990～1995 El Nino-Southern Oscillation event: Longest on record [J]. Geophysical research letters, 1996, 23(1): 57-60.

[11] Wang B. Interdecadal changes in El Nino onset in the last four decades[J]. Journal of Climate, 1995, 8(2): 267-285.

[12] 李晓燕,翟盘茂,任福民.气候标准值改变对ENSO事件划分的影响[J].热带气象学报,2005,21(1):72-78.

[13] 吕俊梅,琚建华,张庆云,等.太平洋年代际振荡冷,暖背景下ENSO循环的特征[J].气候与环境研究,2005,10(2):238-249.

[14] 邓伟涛,孙照渤,曾刚,等.中国东部夏季降水型的年代际变化及其与北太平洋海温的关系[J].大气科学,2009,33(4):835-846.

[15] 徐建军,朱乾根.ENSO及其年代际异常对全球及亚洲季风降水影响的数值研究[J].气象学报,1999,57(3):301-315.

[16] 朱益民,杨修群.太平洋年代际振荡与中国气候变率的联系[J].气象学报,2003,61(6):641-65.

[17] 于淑秋,林学椿.北太平洋海温的气候跃度及其对中国汛期降水的影响[J].热带气象学报,1997,13(3):265-275.

[18] Gerald D Bell. NEAR REAL-TIME OCEAN/ATMOSPHERE Monitoring, Assessments, and Prediction[M]. Climate Prediction Center: Climate Diagnostics Bulletin,U.S. Department of Commerce, NOAA NWS NCEP.

[19] 张键,李长春.ENSO事件对中国东部降水的影响研究[J].首都师范大学学报:自然科学版,2002,23(4):72-78.

[20] Huang R H,Wu Y F. The influence of ENSO on the summer climate change in China and its mechanism [J]. Advances in Atmospheric Sciences, 1989, 6(1): 21-32.

[21] 朱益民,杨修群,陈晓颖,等.ENSO与中国夏季年际气候异常关系的年代际变化[J].热带气象学报,2007,23(2):105-116.

(责任编辑：曾小军)

收稿日期：2015-12-24

基金项目：辽宁省抚顺市气象局科研课题“强对流天气预报预警指标体系本地化技术研究”(201402)。

作者简介：赵思文(1991─)，女，黑龙江绥化人，助理工程师，研究方向：气候展望及短期预报预测。*通讯作者：李俊乐。

中图分类号：P426.6

文献标志码：A

文章编号：1001-8581(2016)07-0121-05

Analysis of Relationship between PDO, ENSO and Summer Precipitation in North China

ZHAO Si-wen1, LI Jun-yue1*, LIU Duo-wen1, QUAN Mei-lan1,LI Xiang-ming1, TIAN Lin1, MA Xiao-ying1, WANG Lei2

(1. Meteorological Bureau of Fushun City in Liaoning Province, Fushun 113006, China;2. Meteorological Bureau of Qingyuan County, Fushun City, Liaoning Province, Qingyuan 113300, China)

Abstract：This paper carried out a statistics of occurrence frequency, intensity and other characteristics of ENSO events under the background of different Pacific Decadal Oscillation (PDO), and further analyzed the regulatory effect of PDO on ENSO. The author calculated the anomalies of summer precipitation at 25 representative stations (such as Chifeng and Beijing) in North China, and further analyzed the relationships between PDO, ENSO and summer precipitation in North China. The results indicated that: (1) PDO had a decadal oscillation period, and it provided climatic background for ENSO; (2) The summer rainfall in North China had a decadal variation, and it was generally negatively correlated with the PDO index; (3) The summer rainfall in North China in warm ENSO year was less than that in normal year, while the summer rainfall in cold ENSO year was more than that in normal year. In conclusion, the impact of ENSO on the summer rainfall in North China was restricted by PDO. Based on the conclusions of this study, it is predicted that the summer rainfall in North China in 2016 will be at a lower level.

Key words：Pacific Decadal Oscillation (PDO); Classification of ENSO event; Northern China; Summer precipitation