全球各主要季風區(qū)降雨與ENSO之間關(guān)系的對比

林桂煥，彭旭鋼，翁錦文，陳柏洋，王磊

摘要 季風區(qū)降雨可以對農(nóng)業(yè)活動產(chǎn)生重要的影響，研究和預測季風區(qū)降雨的變異對農(nóng)業(yè)具有重要的意義。對比了全球各主要季風區(qū)降雨與El Ni?o-Southern Oscillation（ENSO）之間關(guān)系的差異（包括相關(guān)關(guān)系的年代際變異以及季風—ENSO準兩年關(guān)系），旨在更好地理解全球季風降雨的演變規(guī)律和季風—ENSO之間的關(guān)系。結(jié)果表明，全球各個主要季風降雨量與同時期Ni?o3.4指數(shù)之間相關(guān)關(guān)系的年代際變異存在顯著的差異。西北太平洋季風、東亞季風和南非季風存在季風降雨—ENSO的相關(guān)系數(shù)在考察的時間范圍內(nèi)出現(xiàn)正負符號轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。印度夏季風降雨與Ni?o3.4指數(shù)的負相關(guān)關(guān)系在2000年以后增強;與之相反，北非夏季風降雨與Ni?o3.4指數(shù)的負相關(guān)關(guān)系在2000年以后則減弱。澳洲夏季風和北美夏季風降雨與同時期Ni?o3.4指數(shù)的相關(guān)關(guān)系比較穩(wěn)定。相比較全球其他季風，西北太平洋夏季風降雨與ENSO具有更強的準兩年關(guān)系。

關(guān)鍵詞 全球季風;ENSO;降雨;年代際變異;相關(guān)關(guān)系;準兩年關(guān)系

中圖分類號：P458.2 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2022）03–0102–04

季風是大范圍盛行風向隨季節(jié)明顯變化的風系，季風在全球范圍內(nèi)分布在亞洲、澳洲、美洲、非洲等不同區(qū)域，從而形成全球各個主要的季風區(qū)。季風區(qū)降雨被比喻成農(nóng)業(yè)活動的“血液”，季風降雨異常能夠?qū)r(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的影響。研究全球季風區(qū)降雨的變異特征和物理機制具有重要的科學和現(xiàn)實意義[1-11]。

厄爾尼諾—南方濤動（El Ni?o-Southern Oscillation，ENSO）作為影響全球氣候年際變化的最重要氣候模態(tài)，能夠顯著影響和調(diào)節(jié)全球各個季風的強度和降雨的變異。因此，開展季風—ENSO關(guān)系的研究，有利于更好地理解季風區(qū)降雨的變異規(guī)律，從而提升預測全球季風降雨變化的能力。以往關(guān)于季風—ENSO關(guān)系的研究局限于特定的季風區(qū)域，對全球各季風區(qū)與ENSO關(guān)系的綜合性比較研究較少。季風與ENSO的關(guān)系在最近年代也可能已經(jīng)發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)變。在本研究中，對比分析了全球各主要季風區(qū)降雨與ENSO相關(guān)關(guān)系的年代際變異，以及季風降雨與ENSO的準兩年關(guān)系。

1 數(shù)據(jù)和方法

研究中使用的全球降雨數(shù)據(jù)來自GPCP的月平均降雨數(shù)據(jù)[12]。所選用的海表面溫度（Sea surface temperature，SST）數(shù)據(jù)為ERSST月平均數(shù)據(jù)[13]。大氣垂直運動速度數(shù)據(jù)使用的是NCEP/NCAR再分析資料的月平均數(shù)據(jù)[14-15]。研究選取的數(shù)據(jù)的時間范圍為1979—2020年。

根據(jù)Wang等（2006）[1]對季風的定義方法來確定全球季風的主要區(qū)域，能夠滿足以下2個條件的區(qū)域被定義為季風區(qū)域：（1）當?shù)叵募竞投窘涤炅康牟钪荡笥?80 mm;（2）當?shù)叵募镜慕涤炅砍^全年總降雨量的35%。在確定的各個主要季風區(qū)域?qū)涤炅窟M行區(qū)域評估后，得到各季風區(qū)降雨量的時間序列。選用Ni?o3.4指數(shù)作為ENSO的表征指數(shù)，Ni?o3.4指數(shù)被定義為赤道太平洋區(qū)域（170°W～120°W，5°N～5°S）的SST異常。利用13年滑動相關(guān)分析來考察季風降雨與Ni?o3.4指數(shù)之間相關(guān)關(guān)系可能隨時間而變化。相關(guān)系數(shù)的顯著性用 t 檢驗來進行判別。

定義季風—ENSO準兩年關(guān)系指數(shù)（Monsoon-ENSO biennial relationship index， MEBRI）來衡量北半球夏季風降雨與ENSO之間準兩年關(guān)系的強度。根據(jù)Chen等（2020）[2]MEBRI的具體定義方法：

MEBRI=-1×Cor1×Cor2 ? ? ?（1）

其中，Cor1為當年北半球夏季（June-July-August，JJA）季風區(qū)降雨量與之前北半球冬季（December-January-February，D（-1）JF）Ni?o3.4指數(shù)的相關(guān)系數(shù)，而Cor2則為當年北半球夏季（JJA）季風區(qū)降雨量與接下來的北半球冬季（DJF（+1））Ni?o3.4指數(shù)的相關(guān)系數(shù)。為保證準兩年關(guān)系越強的時候計算得到的MEBRI為正值，在（1）式中乘以-1系數(shù)。當計算得到的MEBRI值越大時，表示季風降雨與ENSO之間可以存在更強的準兩年關(guān)系[3-7]。

2 結(jié)果與分析

首先，利用全球降雨數(shù)據(jù)確定全球主要季風區(qū)域的范圍。根據(jù)地理位置，將確定的季風區(qū)域具體分為8個主要季風區(qū)：西北太平洋（Western North Pacific，WNP）季風、東亞（East Asian; EA）季風、印度（Indian，ID）季風、北美（North American，NAM）季風、南美（South American，SAM）季風、北非（North African，NAF）季風和南非（South American，SAF）季風。

利用全球各主要季風區(qū)降雨量與同時期的Ni?o3.4指數(shù)進行13年滑動相關(guān)分析，考察季風—ENSO相關(guān)關(guān)系可能在年代際尺度上發(fā)生的變異（圖1）。季風—ENSO的相關(guān)系數(shù)在考察的時間范圍內(nèi)有出現(xiàn)正負符號轉(zhuǎn)變（既有正值相關(guān)系數(shù)的時期，又有負值相關(guān)系數(shù)的時期）的季風包括西北太平洋季風（圖1a）、東亞季風（圖1b）和南非季風（圖1h）。印度夏季風降雨與Ni?o3.4指數(shù)的負相關(guān)關(guān)系在2000年以后得到增強（圖1c）。Yang等（2021）[16]的研究結(jié)果也支持印度夏季風與ENSO之間關(guān)系在2000年以后的年代際得到加強。與之相反，北非夏季風降雨與Ni?o3.4指數(shù)的負相關(guān)關(guān)系在2000年以后出現(xiàn)減弱（圖1e）。澳洲夏季風（圖1f）和北美夏季風（圖1d）降雨與同時期Ni?o3.4指數(shù)的相關(guān)關(guān)系在考察的時間范圍內(nèi)比較穩(wěn)定[9-12]。

為更好地比較季風—ENSO關(guān)系的年代際變異，以1993年為分界點劃分成P1（1979—1993年）和P2（1994—2020年）2個時期，進一步考察全球各主要季風降雨量與3個不同季節(jié)（前一年冬季、同年夏季和次年冬季）的Ni?o3.4指數(shù)的相關(guān)系數(shù)在P1和P2時期的變化情況（圖2）。所有北半球季風與次年冬季Ni?o3.4指數(shù)的相關(guān)關(guān)系在P2時期都發(fā)生了相關(guān)系數(shù)符號的正負轉(zhuǎn)變（圖2c），這表明北半球季風強度與次年冬季Ni?o3.4指數(shù)的相關(guān)關(guān)系在P2時期發(fā)生了顯著的變化。東亞季風是唯一與前年冬季、同年夏季以及次年冬季Ni?o3.4指數(shù)的相關(guān)系數(shù)符號都在P2時期都產(chǎn)生符號正負轉(zhuǎn)變的季風，表明東亞季風降雨與ENSO的相關(guān)關(guān)系并不穩(wěn)定[13-16]。

利用各季風區(qū)域內(nèi)各點的降雨序列與Ni?o3.4指數(shù)序列進行相關(guān)性分析（圖3），可以更好地展示全球各主要季風區(qū)降雨與ENSO相關(guān)關(guān)系的空間分布情況。西北太平洋季風降雨與Ni?o3.4指數(shù)在P1時期存在顯著的負相關(guān)（圖3a），而在P2時期則表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)（圖3b）。這說明西北太平洋季風降雨對ENSO事件的響應關(guān)系在20世紀90年代前后可能發(fā)生了較大的變異。Wu等（2019）[17]利用風場異常定義的西太夏季風指數(shù)的研究結(jié)果也支持西太夏季風與同期Ni?o3.4指數(shù)的相關(guān)系數(shù)在90年代以后顯著增強。澳洲季風、北美季風區(qū)域降雨與ENSO在年代際尺度上一直維持著負相關(guān)，并且在P2時期顯著性有所增強和影響的范圍有所擴大。南美季風、南非季風區(qū)域降雨與ENSO的相關(guān)關(guān)系在空間分布上具有偶極子特征，存在正相關(guān)區(qū)域和負相關(guān)區(qū)域同時出現(xiàn)的現(xiàn)象。在P2時期這兩個季風區(qū)域的相關(guān)關(guān)系的顯著性相比較P1時期增強。

利用500 hPa大氣垂直運動數(shù)據(jù)考察各季風區(qū)大氣垂直運動異常與同時期Ni?o3.4指數(shù)的相關(guān)關(guān)系（圖4）。澳洲附近區(qū)域的大氣垂直運動與Ni?o3.4指數(shù)顯著正相關(guān)，這說明發(fā)生El Ni?o事件時該區(qū)域500 hPa大氣下沉運動劇烈，即Walker環(huán)流下降支控制該區(qū)域，降雨趨于減少。這種Walker環(huán)流的異常特征可以解釋ENSO與大部分季風降雨之間的相關(guān)關(guān)系。ENSO引起的大氣環(huán)流異常的作用范圍和強度在P2時期也傾向強化。Hu等（2021）[18]的研究結(jié)果也表明ENSO引起的大氣環(huán)流異常在全球變暖背景下會增強。

以北半球夏季風為主要分析對象，引入季風—ENSO的準兩年關(guān)系指數(shù)（MEBRI），具體定義見公式（1），定量考察全球北半球各主要季風降雨與ENSO之間的準兩年關(guān)系（表1）。分析結(jié)果表明，所有北半球季風降雨與ENSO的準兩年關(guān)系在年代際尺度上呈現(xiàn)減弱的趨勢。P2時期僅有西北太平洋季風與ENSO之間仍然可以維持準兩年關(guān)系（MEBRI表現(xiàn)為正值）。東亞季風、印度季風、北美季風以及北非季風與ENSO的準兩年關(guān)系都相對較弱，在P2時期以上季風降雨與ENSO之間的準兩年關(guān)系趨于消失（MEBRI表現(xiàn)為負值）。相比其他季風區(qū)，西北太平洋夏季風降雨與ENSO存在更強的準兩年關(guān)系。Chen等[2]（2020）的結(jié)果也支持西太夏季風與ENSO之間可以存在顯著的準兩年關(guān)系。

3 結(jié)論

對比了1979—2020年全球各主要季風區(qū)降雨與ENSO關(guān)系（包括相關(guān)關(guān)系的年代際變異以及季風—ENSO準兩年關(guān)系）的差異，得到以下幾個主要的研究結(jié)論。

（1）全球各個主要季風降雨量與同時期Ni?o3.4指數(shù)之間相關(guān)關(guān)系的年代際變異存在顯著的差異。西北太平洋季風、東亞季風和南非季風存在季風降雨—ENSO的相關(guān)系數(shù)在考察的時間范圍內(nèi)出現(xiàn)正負符號轉(zhuǎn)變的情況。印度夏季風降雨與Ni?o3.4指數(shù)的負相關(guān)關(guān)系在2000年以后增強;與之相反，北非夏季風降雨與Ni?o3.4指數(shù)的負相關(guān)關(guān)系在2000年以后減弱。澳洲夏季風和北美夏季風降雨與同時期Ni?o3.4指數(shù)的相關(guān)關(guān)系在考察的時間范圍內(nèi)比較穩(wěn)定。

（2）ENSO主要是通過引起大氣環(huán)流異常來影響季風降雨量的變化，與ENSO相關(guān)的大氣環(huán)流異常在最近年代呈現(xiàn)控制范圍擴大和強度增強的趨勢。

（3）相比其他季風區(qū)，西北太平洋夏季風降雨與ENSO具有更強的準兩年周期關(guān)系。

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責任編輯：黃艷飛

Comparison of the Rainfall-ENSO Relationship in Main Monsoon Regions of the World

LIN Guihuan et al（College of Ocean and Meteorology， Guangdong Ocean University， Zhanjiang， Guangdong 524088）

Abstract Rainfall in the monsoon region can have an important impact on agricultural activities， and the study and prediction of the variation of rainfall in the monsoon region is of great significance to agriculture. This study compares the differences between rainfall in major global monsoon regions and El Ni?o-Southern Oscillation （ENSO） （including interdecadal variation of correlation and monsoon-ENSO biennial relationship）， in order to better understand the evolution law of global monsoon rainfall and the relationship between monsoon and ENSO. The results showed that there were significant differences in the interdecadal variation of the correlations between the global main monsoon rainfall and the Ni?o3.4 index in the same period. The Northwest Pacific monsoon， East Asian monsoon and South African monsoon had positive and negative sign changes in the correlation coefficient of monsoon rainfall and ENSO within the time frame of the investigation. The negative correlation relationship between Indian summer monsoon rainfall and Ni?o3.4 index was strengthened after 2000. On the contrary， the negative correlation relationship between north African summer monsoon rainfall and Ni?o3.4 index was weakened after 2000. A relatively stable correlation relationship could be maintained between rainfall and Ni?o3.4 index for the Australian summer monsoon and North American summer Monsoon. Compared with other monsoons， the Northwest Pacific summer monsoon rainfall had a stronger quasi-biennial relationship with ENSO.

Key words Global monsoon; ENSO; Precipitation; Interdecadal variability; Correlation relationship;? Quasi-biennial relationship