厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation，ENSO)是发生在热带太平洋地区大尺度的海-气耦合现象^[1-2]，表现为显著的海面温度异常，其发生往往伴随着全球天气、气候异常^[3-6]。厄尔尼诺(El Niño)发生年夏季，热带西太平洋和亚洲上空的东亚-太平洋(EAP)^[7]遥相关型影响东亚阻塞高压的年际变化和西北太平洋副热带高压(以下简称“西太副高”)的位置变化^[8-9]，从而引起我国江淮流域的降水^[10]和气温异常。龚道溢和王绍武^[11]、宗海锋等^[12]、郭飞燕等^[13]就ENSO冷暖位相对我国不同季节、不同区域的气温、降水等方面的影响做了研究。

20世纪80年代开始，多位科学家发现热带太平洋El Niño并非只有一种^[14-15]。El Niño事件一般可根据其周期性、传播方向、爆发时间或与之相关的纬向海面温度结构^[16-17]进行分类。在以上多种El Niño的分类方法中，最常用的指标特性是海面温度异常中心位置在赤道太平洋所处位置。传统的El Niño是指海面温度正异常首先出现在赤道东太平洋，而近些年提出来的新型El Niño事件则是海面温度正异常出现在中太平洋，这类El Niño事件被称为“Modoki El Niño”^[17]、“日界线El Niño”^[18]、“中部型(central Pacific，CP) El Niño”^[19]或“暖池El Niño”^[20]。CP El Niño的发生机理^[19-20]以及对热带大气的响应^{[17, 21]}上与传统El Niño有显著的差异，尽管其对全球大部分地区气温和降水也同样产生极大的影响，但在具体影响途径等上与传统El Niño有极大的差别^[22]。ASHOK et al. ^[17]指出CP El Niño在不同季节对日本、新西兰、美国西海岸等地区的影响甚至与传统的东部型(eastern Pacific，EP) El Niño的影响效应完全相反。YUAN and YANG^[21]发现在当年夏季，CP El Niño对东亚气候的影响要比EP El Niño强，而在其次年夏季EP El Niño对东亚气候的影响更显著。王淼等^[23]发现不同类型的El Niño事件与夏季西太副高强度、西伸脊点以及脊线位置关系密切，且影响夏季风的强弱变化。袁媛等^[24]研究了不同类型El Niño对中国夏季降水的影响，指出EP El Niño和CP El Niño事件可能导致中国雨带呈南方型和中间型。

山东省地处中国南北方气候过渡带，多位学者指出El Niño事件对山东降水影响明显^[25-29]。在讨论El Niño对山东夏季降水的影响时不仅要区分是哪种类型的El Niño，同时要指明当年还是次年，否则得到的结论将可能完全相反。本文对1951-2017年的El Niño事件进行分类，对比研究EP El Niño和CP El Niño事件当年和次年对山东夏季降水的影响，以期为山东夏季降水的预测、预报提供科学的参考依据。

本文中气象观测资料使用了1951年1月-2017年12月中国160个站点的月平均降水观测资料，通过线性插值的方法将站点数据转化为格点数据，然后对山东行政区域以外的数据进行屏蔽。采用美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)扩充重建海面温度(Extended Reconstructed Sea Surface Temperature，Version 4，ERSST V4)，空间分辨率为2.0°×2.0°。位势高度、风场、比湿数据使用的是美国国家环境预报中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)的再分析资料，空间分辨率为2.5°×2.5°。ENSO是最强年际变化信号，因此本文所用到的物理量在扣除年循环的基础上，通过带通滤波的方式将年际变化信号之外即季节变化以下和年代际变化以上的噪声过滤掉，仅保留了4~108个月之间的信号。

研究中用Niño3区(150°W~90°W，5°N~5°S)平均海面温度异常(sea surface temperature anomaly，SSTA)的Niño3指数表征EP El Niño的振幅，用ASHOK et al. ^[17]定义的EMI指数(El Niño Modoki index)来表征CP El Niño的振幅，EMI指数(I_EM)公式如下：

式中，A_SSTA、B_SSTA、C_SSTA分别代表A区域(165°E~140°W，10°S~10°N)、B区域(110°W~70°W，15°S~5°N)、C区域(125°E~145°E，10°S~20°N)SSTA的区域平均。以Niño3和EMI指数超过0.75个标准差且持续5个月以上并结合海面温度异常的空间分布特征筛选出EP El Niño和CP El Niño事件，与陈梦燕等^[30]的分类方法相同。本文采用分类合成分析法研究EP El Niño和CP El Niño当年和次年对山东夏季降水年际变化的影响。

图 1为1951-2017年期间Niño3指数和EMI指数时间序列，Niño3指数(蓝色实线)振幅远大于EMI指数(红色实线)，由此表明EP El Niño要比CP El Niño事件强。67 a间热带太平洋分别发生11次EP El Niño事件和7次CP El Niño事件(表 1)，这一分类结果与陈梦燕等^[30]的结果基本一致。EP El Niño事件不仅强度偏强，发生频次也较CP El Niño事件偏多，历史上最强的几次El Niño如1972、1982、1997、2015年，均属于EP El Niño事件，而历史上相对较弱的几次El Niño如1992、2002年等均属于CP El Niño事件，这一结果与袁媛和晏红明^[31]的研究一致。1994年历来是比较有争议的一年，依据本文的标准定义1994年为CP El Niño年。CAI et al.^[32]指出在未来温室气体效应的进一步影响下，EP ENSO事件的强度将进一步增强。两类El Niño发生频次、强度、空间形态不同，尤其是海面温度异常中心位置不同会引起不同的环流异常^[33]，那么通过大气过程对不同区域气候的影响也势必会有显著差异。本文将El Niño事件发生的当年称为El Niño当年，而事件发生年的第二年称为El Niño次年，主要分析El Niño当年和次年山东夏季降水变化特征。下一节分别就两类El Niño事件当年及次年对山东地区夏季降水的影响进行研究。

图 1 Niño3(蓝色实线)和EMI指数(红色实线)的时间序列(单位：℃)(蓝色虚线和红色虚线分别表示±0.75个Niño3和EMI指数的标准差) Fig.1 Times series of Niño3 index (blue solid line) and EMI (El Niño Modoki index, red solid line) (units: ℃) (blue and red dashed lines indicate the ±0.75 standard deviation of Niño3 index and EMI)

表 1 Table 1

表 1 1951-2017年EP El Niño和CP El Niño事件年份 Table 1 EP El Niño and CP El Niño events from 1951 to 2017 类型 年份 EP El Niño 1951，1957，1965，1972，1976，1982，1987，1991，1997，2006，2015 CP El Niño 1963，1968，1977，1986，1994，2002，2009

表 1 1951-2017年EP El Niño和CP El Niño事件年份 Table 1 EP El Niño and CP El Niño events from 1951 to 2017

为了对比研究山东夏季降水在两类El Niño事件当年、次年的响应差异，对EP El Niño和CP El Niño当年和次年山东夏季降水异常进行分类分析(图 2)。两类El Niño当年，山东夏季降水均较常年显著偏少，但CP El Niño背景下，山东夏季干旱更为严重，范围也更广，这与YUAN and YANG^[21]结果相符合，两者造成山东降水偏少的空间分布差异显著。EP El Niño当年夏季，聊城西部、德州西部、滨州北部、青岛西部地区降水量较常年偏少60 mm以上(超过信度检验)，负的降水量异常自西北向东南递减，鲁南以及半岛东部降水量无明显异常(图 2a)。CP El Niño当年夏季，山东全省降水量整体较常年异常偏少，鲁中东部和半岛西部地区降水较常年偏少尤为严重，偏少可达60 mm以上(图 2b)。

图 2 EP El Niño(a/c)和CP El Niño(b/d)当年(a/b)和次年(c/d)山东夏季降水异常合成图(等值线区域表示通过85%信度的显著性检验; 填色，单位：mm) Fig.2 Summer precipitation anomaly composites in Shandong during the developing years (a/b) and the following years (c/d) of EP El Niño (a/c) and CP El Niño (b/d) events (contour areas denote passing the significance test at 85% level; colored, units: mm)

两类El Niño在其次年对山东夏季降水的影响非常显著，甚至超过其当年对山东夏季降水的影响强度(图 2c和2d)。EP El Niño次年夏季，山东东部尤其是半岛地区降水较常年异常偏少，全省几乎1/3地区降水较常年偏少60 mm以上(图 2c，超过信度检验)，青岛地区降水偏少最为突出。CP El Niño次年夏季，山东中部和北部地区降水较常年异常偏多，尤其是山东西北部地区(约占1/3山东地区)偏多60 mm以上(图 2d，超过信度检验)，这与其在当年夏季对山东降水的影响完全相反。EP El Niño和CP El Niño次年对山东夏季降水异常的影响呈反位相，且影响大值区空间位置也完全相反，前者在东南后者在西北。由此可知，不同类型El Niño以及在其当年和次年对山东夏季降水的影响不仅在强度、空间分布和范围上存在较大差异，对降水异常正负位相的影响上也存在较大的差别。因此在做夏季降水气候预报预测时，对El Niño进行细致的分类分析是非常有必要的。

El Niño事件发生时，热带太平洋海面温度异常引起大气环流的改变，从而导致降水分布的异常。由于两类El Niño发生频次、强度、空间形态不同，尤其是海面温度异常中心位置不同会引起不同的环流异常^[33]，进而可能会引起截然不同的气候响应。

由1951-2017年夏季500 hPa平均高度场(图 3黑色实线)可以看出，亚洲中高纬地区以纬向环流为主，我国东北至黄淮一带受浅槽的控制，山东处于槽底部。副热带高压的584 dagpm等值线穿过江苏境内，588 dagpm等值线呈舌形，位于135°E以东的海面上，副热带高压脊线在27°N附近。

图 3 EP El Niño(a/c)和CP El Niño(b/d)当年(a/b)和次年(c/d)夏季500 hPa位势高度距平合成(填色)和500 hPa高度场夏季气候平均(实线等值线)(虚线区域表示通过85%信度的显著性检验; 单位：gpm) Fig.3 Summer geopotential height anomaly composites (colored) at 500 hPa and climate mean at summer geopotential height field at 500 hPa (solid contour) during the developing years (a/b) and the following years (c/d) of EP El Niño (a/c) and CP El Niño (b/d) events (dotted line areas denote passing the significance test at 85% level; units: gpm)

EP El Niño当年夏季(图 3a)，贝加尔湖以西位势高度异常偏高，我国东部地区至日本及海上存在一显著的位势高度负异常区，表明该区域受异常低压槽的影响，我国北方处于低压槽后，冷空气较为强盛。山东上空位势高度的负异常自西向东愈加明显(图 3a)，此种环流形势不利于副热带高压北抬。正如图 4a所示，在EP El Niño背景下，夏季副热带高压较平均位置偏南，强度偏弱，不利于南方水汽向高纬度输送，导致了山东尤其是偏北部地区降水偏少。CP El Niño当年夏季(图 3b)，亚欧大陆位势高度异常场为“-+-”形式，贝加尔湖上空受异常高压控制，乌拉尔山和朝鲜半岛上空均为异常低压形势，包括山东在内的中国东部处于低压异常的后部。副热带高压位置接近常年，但588 dagpm等值线明显东缩强度偏弱(图 4a)。

图 4 两类El Niño当年(a)及次年(b)夏季西太副高5 840 gpm、5 860 gpm、5 880 gpm合成(黑线为气候平均态，红线为EP El Niño事件，蓝线为CP El Niño事件) Fig.4 Composites of 5 840 gpm, 5 860 gpm, and 5 880 gpm contours of the western Pacific subtropical high in the summer (a) and following summer (b) of the two types of El Niño events (black line for climatological mean, red line for EP El Niño event, blue line for CP El Niño event)

EP El Niño次年夏季(图 3c)，亚洲中高纬度位势高度呈东西带状型正异常分布，范围从乌拉尔山一直到鄂霍次克海以东，亚洲大陆北部包括山东地区在内受强大的异常高压控制，对流受到抑制，因此不利于夏季降水的发生。副热带高压脊线位置和584 dagpm等值线接近常年，但副热带高压较常年西伸明显，强度也有所增强(图 4b)，无法为山东地区提供更为有利的水汽供应条件。山东以南无有利水汽输送，以北地区又无明显冷空气配合，这样的环流形势下不利于山东夏季降水的增多。CP El Niño次年夏季(图 3d)，乌拉尔山和日本南部上空各存在一个显著的正异常中心，鄂霍次克海上空为负异常中心。山东地区高空处于强大异常高压中心的西北部，高空有明显的西南风异常(图 3d)。副热带高压西伸明显，强度异常偏强，位置较常年显著偏北，584 dagpm等值线压至山东南界(图 4b)。结合500 hPa高度场异常和850 hPa风场异常可进一步发现，山东位于副热带高压外围，山东尤其是北部地区处于副热带高压边缘，是南方暖湿气流和北方冷空气交汇最频繁的地区，造成同期山东北部降水量较常年偏多超过60 mm(图 2d)。

吴萍等^[34]研究发现，低层风场异常致使水汽输送条件差是导致两类El Niño当年中国大部分地区夏季降水偏少的原因。而水汽的输送和辐合的情况直接影响着降水的分布。下面分析两类El Niño事件当年和次年夏季850 hPa风场和整层(地面至500 hPa)的水汽通量散度(图 5)。

图 5 EP El Niño(a/c)和CP El Niño(b/d)当年(a/b)和次年(c/d)夏季850 hPa风场异常(矢线，单位：m·s-1)和整层水汽通量散度异常(填色，单位：10-5 kg·m-2·s-1)合成(虚线区域表示通过85%信度的显著性检验) Fig.5 Composites of wind anomaly (arrow, units: m·s-1) at 850 hPa and vertically integrated water vapor flux divergence anomaly (shaded, units: 10-5 kg·m-2·s-1) during the developing summer (a/b) and the following summer (b/d) of EP El Niño (a/c) and CP El Niño events (b/d) (dotted line areas denote passing the significance test at 85% level)

EP El Niño当年夏季(图 5a)，山东地区尤其是山东西北部地区低层850 hPa为相对干冷的东北风异常，且山东地区上空为弱的水汽通量散度正异常，总体而言山东地区水汽条件较差不利于降水的发生，因此EP El Niño当年山东夏季降水偏少(图 2a)。CP El Niño当年夏季(图 5b)，包括山东在内的中国东部地区850 hPa为偏北风异常，长江及以南地区上空处于显著的偏东北风异常，表明水汽输送能力较常年偏弱，来自低纬度的水汽难以到达山东，山东境内水汽通量异常辐散，不利于降水，对应全省降水量异常偏少(图 2b)。

EP El Niño次年夏季(图 5c)，山东上空850 hPa处于偏东风异常区，除西部小范围地区，山东大部分地区无水汽辐合，造成降水异常偏少(图 2c)。CP El Niño次年夏季(图 5d)，山东及以南地区850 hPa风场为西南风异常，山东上空西南风风速较常年偏大接近2 m·s^-1，山东全省水汽通量异常辐合，来自南方的暖湿气流源源不断地被输送至山东，造成同期降水显著偏多(图 2d)。

本文利用1951年1月-2017年12月NOAA ERSST V4月平均海面温度和NCEP/NCAR位势高度、风场、比湿再分析数据以及中国160个站点的月平均气温和降水观测资料，使用Niño3和EMI指数并结合逐月海面温度异常空间分布场，对EP El Niño和CP El Niño事件进行了分类对比分析。1951-2017年热带太平洋分别发生11次EP El Niño和7次CP El Niño，EP El Niño事件不仅强度偏强，发生频次也较CP El Niño事件偏多。同时采用合成分析的方法，揭示了两类El Niño事件与山东夏季降水异常的关系，并从500 hPa环流、西太副高的位置和强度、850 hPa风场、整层水汽通量散度多方面分析了导致地面降水量异常的原因。通过本文的研究得出以下结论。

1) 两类El Niño发生当年，山东夏季降水均较常年显著偏少，但EP El Niño对山东夏季降水的影响强度和范围略弱于CP El Niño：EP El Niño发生年夏季，仅鲁西北部分地区以及胶州湾附近降水较常年显著偏少，而CP El Niño当年夏季山东全区降水较常年显著偏少。EP El Niño和CP El Niño次年对山东夏季降水异常的影响呈反位相，且影响大值区空间位置也完全相反：EP El Niño次年夏季山东东部尤其是半岛地区降水较常年异常偏少(青岛地区最为突出)，而CP El Niño次年夏季山东中部和北部尤其是西北部地区降水较常年异常偏多。不同类型El Niño以及在其当年和次年对山东夏季降水的影响不仅在强度、空间分布和范围上存在较大差异，对降水异常正负位相的影响上也存在较大的差别。因此在做夏季降水气候预报预测时，对El Niño进行细致的分类分析是非常有必要的。

2) 两类El Niño事件当年及次年夏季，高空环流形势和水汽输送条件的明显差异造成了山东夏季不同的降水异常分布。EP El Niño当年夏季，山东地区高空受异常低压后部影响，850 hPa为相对干冷的东北风异常，冷空气较常年偏强，但副热带高压较平均位置偏南强度偏弱，山东地区上空为弱的水汽通量散度正异常，不利于南方水汽向高纬度输送，从而导致山东尤其是偏北部降水偏少; CP El Niño当年夏季，与EP El Niño年相比，山东高层受弱低压异常的影响，低层850 hPa为弱的偏北风异常，水汽输送条件较差，山东境内水汽通量辐散，对应地面降水量异常偏少。EP El Niño次年夏季，亚洲中高纬度位势高度呈带状型显著正异常分布，北方亚洲大陆包括山东地区在内受强大的异常高压控制，对流受到抑制，且无有利的水汽辐合区，导致同期地面降水量显著偏少。CP El Niño次年夏季，山东地区高空处于强大异常高压中心的西北部，高空有明显的西南风异常，850 hPa也为明显的西南风异常，高低空均为有利的暖湿气流，整层水汽通量为辐合异常，水汽条件非常有利于夏季降水的发生。同时副热带高压西伸明显，强度异常偏强，位置显著偏北，山东尤其是北部地区处于副热带高压边缘暖湿气流和北方冷空气交汇最频繁的地区，与有利的水汽条件配合，从而使得降水显著偏多。