林桂煥，彭旭鋼，翁錦文，陳柏洋，王磊

摘要 季風(fēng)區(qū)降雨可以對(duì)農(nóng)業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生重要的影響，研究和預(yù)測(cè)季風(fēng)區(qū)降雨的變異對(duì)農(nóng)業(yè)具有重要的意義。對(duì)比了全球各主要季風(fēng)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(fēng)—ENSO準(zhǔn)兩年關(guān)系），旨在更好地理解全球季風(fēng)降雨的演變規(guī)律和季風(fēng)—ENSO之間的關(guān)系。結(jié)果表明，全球各個(gè)主要季風(fēng)降雨量與同時(shí)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(fēng)、東亞季風(fēng)和南非季風(fēng)存在季風(fēng)降雨—ENSO的相關(guān)系數(shù)在考察的時(shí)間范圍內(nèi)出現(xiàn)正負(fù)符號(hào)轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。印度夏季風(fēng)降雨與Ni?o3.4指數(shù)的負(fù)相關(guān)關(guān)系在2000年以后增強(qiáng);與之相反，北非夏季風(fēng)降雨與Ni?o3.4指數(shù)的負(fù)相關(guān)關(guān)系在2000年以后則減弱。澳洲夏季風(fēng)和北美夏季風(fēng)降雨與同時(shí)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(fēng)，西北太平洋夏季風(fēng)降雨與ENSO具有更強(qiáng)的準(zhǔn)兩年關(guān)系。

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

中圖分類號(hào)：P458.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2022）03–0102–04

季風(fēng)是大范圍盛行風(fēng)向隨季節(jié)明顯變化的風(fēng)系，季風(fēng)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(gè)主要的季風(fēng)區(qū)。季風(fēng)區(qū)降雨被比喻成農(nóng)業(yè)活動(dòng)的“血液”，季風(fēng)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(fēng)區(qū)降雨的變異特征和物理機(jī)制具有重要的科學(xué)和現(xiàn)實(shí)意義[1-11]。

厄爾尼諾—南方濤動(dòng)（El Ni?o-Southern Oscillation，ENSO）作為影響全球氣候年際變化的最重要?dú)夂蚰B(tài)，能夠顯著影響和調(diào)節(jié)全球各個(gè)季風(fēng)的強(qiáng)度和降雨的變異。因此，開展季風(fēng)—ENSO關(guān)系的研究，有利于更好地理解季風(fēng)區(qū)降雨的變異規(guī)律，從而提升預(yù)測(cè)全球季風(fēng)降雨變化的能力。以往關(guān)于季風(fēng)—ENSO關(guān)系的研究局限于特定的季風(fēng)區(qū)域，對(duì)全球各季風(fēng)區(qū)與ENSO關(guān)系的綜合性比較研究較少。季風(fēng)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(duì)比分析了全球各主要季風(fēng)區(qū)降雨與ENSO相關(guān)關(guān)系的年代際變異，以及季風(fēng)降雨與ENSO的準(zhǔn)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(yùn)動(dòng)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(shí)間范圍為1979—2020年。

根據(jù)Wang等（2006）[1]對(duì)季風(fēng)的定義方法來確定全球季風(fēng)的主要區(qū)域，能夠滿足以下2個(gè)條件的區(qū)域被定義為季風(fēng)區(qū)域：（1）當(dāng)?shù)叵募竞投窘涤炅康牟钪荡笥?80 mm;（2）當(dāng)?shù)叵募镜慕涤炅砍^全年總降雨量的35%。在確定的各個(gè)主要季風(fēng)區(qū)域?qū)涤炅窟M(jìn)行區(qū)域評(píng)估后，得到各季風(fēng)區(qū)降雨量的時(shí)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(dòng)相關(guān)分析來考察季風(fēng)降雨與Ni?o3.4指數(shù)之間相關(guān)關(guān)系可能隨時(shí)間而變化。相關(guān)系數(shù)的顯著性用 t 檢驗(yàn)來進(jìn)行判別。

定義季風(fēng)—ENSO準(zhǔn)兩年關(guān)系指數(shù)（Monsoon-ENSO biennial relationship index， MEBRI）來衡量北半球夏季風(fēng)降雨與ENSO之間準(zhǔn)兩年關(guān)系的強(qiáng)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(dāng)年北半球夏季（June-July-August，JJA）季風(fēng)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(dāng)年北半球夏季（JJA）季風(fēng)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(zhǔn)兩年關(guān)系越強(qiáng)的時(shí)候計(jì)算得到的MEBRI為正值，在（1）式中乘以-1系數(shù)。當(dāng)計(jì)算得到的MEBRI值越大時(shí)，表示季風(fēng)降雨與ENSO之間可以存在更強(qiáng)的準(zhǔn)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(fēng)區(qū)域的范圍。根據(jù)地理位置，將確定的季風(fēng)區(qū)域具體分為8個(gè)主要季風(fēng)區(qū)：西北太平洋（Western North Pacific，WNP）季風(fēng)、東亞（East Asian; EA）季風(fēng)、印度（Indian，ID）季風(fēng)、北美（North American，NAM）季風(fēng)、南美（South American，SAM）季風(fēng)、北非（North African，NAF）季風(fēng)和南非（South American，SAF）季風(fēng)。

利用全球各主要季風(fēng)區(qū)降雨量與同時(shí)期的Ni?o3.4指數(shù)進(jìn)行13年滑動(dòng)相關(guān)分析，考察季風(fēng)—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(fēng)—ENSO的相關(guān)系數(shù)在考察的時(shí)間范圍內(nèi)有出現(xiàn)正負(fù)符號(hào)轉(zhuǎn)變（既有正值相關(guān)系數(shù)的時(shí)期，又有負(fù)值相關(guān)系數(shù)的時(shí)期）的季風(fēng)包括西北太平洋季風(fēng)（圖1a）、東亞季風(fēng)（圖1b）和南非季風(fēng)（圖1h）。印度夏季風(fēng)降雨與Ni?o3.4指數(shù)的負(fù)相關(guān)關(guān)系在2000年以后得到增強(qiáng)（圖1c）。Yang等（2021）[16]的研究結(jié)果也支持印度夏季風(fēng)與ENSO之間關(guān)系在2000年以后的年代際得到加強(qiáng)。與之相反，北非夏季風(fēng)降雨與Ni?o3.4指數(shù)的負(fù)相關(guān)關(guān)系在2000年以后出現(xiàn)減弱（圖1e）。澳洲夏季風(fēng)（圖1f）和北美夏季風(fēng)（圖1d）降雨與同時(shí)期Ni?o3.4指數(shù)的相關(guān)關(guān)系在考察的時(shí)間范圍內(nèi)比較穩(wěn)定[9-12]。

為更好地比較季風(fēng)—ENSO關(guān)系的年代際變異，以1993年為分界點(diǎn)劃分成P1（1979—1993年）和P2（1994—2020年）2個(gè)時(shí)期，進(jìn)一步考察全球各主要季風(fēng)降雨量與3個(gè)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(shí)期的變化情況（圖2）。所有北半球季風(fēng)與次年冬季Ni?o3.4指數(shù)的相關(guān)關(guān)系在P2時(shí)期都發(fā)生了相關(guān)系數(shù)符號(hào)的正負(fù)轉(zhuǎn)變（圖2c），這表明北半球季風(fēng)強(qiáng)度與次年冬季Ni?o3.4指數(shù)的相關(guān)關(guān)系在P2時(shí)期發(fā)生了顯著的變化。東亞季風(fēng)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(hào)都在P2時(shí)期都產(chǎn)生符號(hào)正負(fù)轉(zhuǎn)變的季風(fēng)，表明東亞季風(fēng)降雨與ENSO的相關(guān)關(guān)系并不穩(wěn)定[13-16]。

利用各季風(fēng)區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的降雨序列與Ni?o3.4指數(shù)序列進(jìn)行相關(guān)性分析（圖3），可以更好地展示全球各主要季風(fēng)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(fēng)降雨與Ni?o3.4指數(shù)在P1時(shí)期存在顯著的負(fù)相關(guān)（圖3a），而在P2時(shí)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(fēng)降雨對(duì)ENSO事件的響應(yīng)關(guān)系在20世紀(jì)90年代前后可能發(fā)生了較大的變異。Wu等（2019）[17]利用風(fēng)場(chǎng)異常定義的西太夏季風(fēng)指數(shù)的研究結(jié)果也支持西太夏季風(fēng)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(qiáng)。澳洲季風(fēng)、北美季風(fēng)區(qū)域降雨與ENSO在年代際尺度上一直維持著負(fù)相關(guān)，并且在P2時(shí)期顯著性有所增強(qiáng)和影響的范圍有所擴(kuò)大。南美季風(fēng)、南非季風(fēng)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(fù)相關(guān)區(qū)域同時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象。在P2時(shí)期這兩個(gè)季風(fēng)區(qū)域的相關(guān)關(guān)系的顯著性相比較P1時(shí)期增強(qiáng)。

利用500 hPa大氣垂直運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)考察各季風(fēng)區(qū)大氣垂直運(yùn)動(dòng)異常與同時(shí)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(yùn)動(dòng)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(shí)該區(qū)域500 hPa大氣下沉運(yùn)動(dòng)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(fēng)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(qiáng)度在P2時(shí)期也傾向強(qiáng)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(huì)增強(qiáng)。

以北半球夏季風(fēng)為主要分析對(duì)象，引入季風(fēng)—ENSO的準(zhǔn)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(fēng)降雨與ENSO之間的準(zhǔn)兩年關(guān)系（表1）。分析結(jié)果表明，所有北半球季風(fēng)降雨與ENSO的準(zhǔn)兩年關(guān)系在年代際尺度上呈現(xiàn)減弱的趨勢(shì)。P2時(shí)期僅有西北太平洋季風(fēng)與ENSO之間仍然可以維持準(zhǔn)兩年關(guān)系（MEBRI表現(xiàn)為正值）。東亞季風(fēng)、印度季風(fēng)、北美季風(fēng)以及北非季風(fēng)與ENSO的準(zhǔn)兩年關(guān)系都相對(duì)較弱，在P2時(shí)期以上季風(fēng)降雨與ENSO之間的準(zhǔn)兩年關(guān)系趨于消失（MEBRI表現(xiàn)為負(fù)值）。相比其他季風(fēng)區(qū)，西北太平洋夏季風(fēng)降雨與ENSO存在更強(qiáng)的準(zhǔn)兩年關(guān)系。Chen等[2]（2020）的結(jié)果也支持西太夏季風(fēng)與ENSO之間可以存在顯著的準(zhǔn)兩年關(guān)系。

3 結(jié)論

對(duì)比了1979—2020年全球各主要季風(fēng)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(fēng)—ENSO準(zhǔn)兩年關(guān)系）的差異，得到以下幾個(gè)主要的研究結(jié)論。

（1）全球各個(gè)主要季風(fēng)降雨量與同時(shí)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(fēng)、東亞季風(fēng)和南非季風(fēng)存在季風(fēng)降雨—ENSO的相關(guān)系數(shù)在考察的時(shí)間范圍內(nèi)出現(xiàn)正負(fù)符號(hào)轉(zhuǎn)變的情況。印度夏季風(fēng)降雨與Ni?o3.4指數(shù)的負(fù)相關(guān)關(guān)系在2000年以后增強(qiáng);與之相反，北非夏季風(fēng)降雨與Ni?o3.4指數(shù)的負(fù)相關(guān)關(guān)系在2000年以后減弱。澳洲夏季風(fēng)和北美夏季風(fēng)降雨與同時(shí)期Ni?o3.4指數(shù)的相關(guān)關(guān)系在考察的時(shí)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(fēng)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(kuò)大和強(qiáng)度增強(qiáng)的趨勢(shì)。

（3）相比其他季風(fēng)區(qū)，西北太平洋夏季風(fēng)降雨與ENSO具有更強(qiáng)的準(zhǔn)兩年周期關(guān)系。

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責(zé)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