孟加拉国季风降水模式的变化及其与全球气候的遥相关

季风系统是地球水循环最关键的要素之一，也是全球循环和环境系统功能的重要决定因素。它可能是南亚和东亚降水气候学的主要决定因素(Serreze和Barry, 2010)。季风到来的时间及其降水强度和持续时间决定了该地区的作物产量、水力发电、森林植被、水资源和生态(Turner和Annamalai, 2012;Mie Sein等人2015;Ye?il?rmak、Atatan?r, 2016;Zeng等。2019;Dubache et al. 2019)。季风降水强度大、时间长可能导致洪水，反之则可能导致干旱。它在热带向高纬度地区传递热量和调节地球温度方面也起着至关重要的作用(Loo et al. 2015)。受气候变化的影响，近年来季风降水型发生了显著变化(Guilbert et al. 2015;Zhang et al. 2017)。大多数气候模型预计，在全球变暖的情况下，极端降水事件会增加(Zhang et al. 2018)。其后果可能是强降水事件发生的可能性增加，干旱地区增加(Ashfaq等，2009;联合国政府间气候变化专门委员会,2013;Singh等人2014;Xu et al. 2020)，这可能对大量人口的生计构成迫在眉睫的威胁(Safdar et al. 2019)。此外，在气候变化的背景下，未来几年南亚地区极端降水情景将更加频繁(Donat et al. 2016;Islam等，2021a)。对于像孟加拉国这样人口密集的农业国家来说，这种影响会严重得多，在那里，时间和季风降水的轻微变化会严重影响农业生产力、粮食安全和人民的生计(Matsumoto, 1988)。

孟加拉国在季风期间获得了近71%的年总降水量(Islam等人，2019年)。世界上一些最严重的降水事件发生在季风期间的孟加拉国(Matsumoto, 1988)。如此巨大的降水量经常会在该国造成严重的洪水。该国近年来经历了一些毁灭性的洪水，平均造成了22亿美元的经济损失，相当于该国国内生产总值(GDP)的1.5%(尾崎，2016)。1998年的洪水淹没了近60%的土地，造成的经济损失相当于该国GDP的8%。气候模型的预测表明，全球降水系统将经历多次调整，这将深刻影响包括孟加拉国在内的许多亚洲国家的雷暴(Azad et al. 2021)、干旱和洪水等极端天气事件。因此，更好地了解孟加拉国季风降水变化及其与不同海气振荡指数和大尺度季风环流模式的关系对孟加拉国至关重要。

许多研究已经进行了全球季风降水的特征(王et al . 2012年)和地区,例如,Asia-Australia(冷缩et al . 2012),南亚(特纳和Annamalai, 2012),东南亚(厕所et al . 2015年)、东亚(杨et al . 2019),北美(陈德良et al . 2017年),中国(黄et al . 2019年),中国东部和太平洋地区(Ping et al. 2009)，尼泊尔和喜马拉雅地区(Bhatt和Nakamura, 2005)，梅加拉亚高原(Fujinami et al. 2017)，印度尼西亚(Moron et al. 2010)，巴基斯坦(Safdar et al. 2019)，印度(Chaudhary et al. 2018)。这些已发表的研究涵盖了广泛的知识，包括季风降水集中指数、降水集中程度、降水集中期、季风起始转移、季风季节日变率和年际变率、季节内变率和雨滴大小特征。此外，几项研究对未来季风降水进行了预测和预测(Yang et al. 2019;Loo et al. 2015)。

还进行了一些研究以评估孟加拉国降水模式的变化(Ahmed等人，1996年;Rahman等人，1997;Ahasan等人2011;舍希德,2010;Rahman等人2017;Khan等人，2019;《拉赫曼与伊斯兰》，2019年;Islam等，2020年;Fahad等，2021年)。这些研究大多基于季风季节获得的总降水或集中于全年降水来评估季风降水变化。然而，很少有研究试图评估季风降水强度和持续时间的时空变化(Shahid 2011;Montes et al. 2021)，这对了解该国潜在水文灾害的变化极为重要。此外，在孟加拉国，驱动季风降水模式变化的可能天气环流仍不太清楚(Rafiuddin et al. 2010;Endo等人2015;Hassan et al. 2015)。已发表的研究主要探讨了降水趋势及其可能的原因。例如，Rafiuddin等人(2010)分析了孟加拉国及其周边地区的降水特征，指出季风系统大、稳定或移动缓慢。Hassan et al.(2015)利用1951 - 2012年12个雨量计数据研究了季风降水的趋势和空间分布。Basher等人(2018)仅使用7个站点的降雨记录，分析了1984-2016年孟加拉国东北部季风前和季风季节的极端降水指数趋势。Khan等人(2019)观测了1981-2010年孟加拉国极端降水和温度指数的趋势。Montes等人(2021年)利用百分数和阈值指数评估了基于观测数据的卫星衍生日降水产品，表征了孟加拉国季风季节期间这些产品的强度。Fahad等人(2021)探讨了周边地形和海表温度对孟加拉国及其周边地区夏季风降水的影响。尽管如此，这些研究主要集中在降水活动的平均特征或特定方面，以提供孟加拉国降水变化模式的一般情况。因此，对该地区的季风降水的时空变化仍需以整个季风为重点进行综合研究。

但是，孟加拉国的季风降水模式可能与不同的海洋-大气指数有关(Wahiduzzaman和Luo, 2020)。最近，许多研究工作探讨了东亚夏季风指数(EASMI)与整个南亚和东亚地区夏季风降雨之间的关系(Lin et al. 2019;Chen et al. 2021)，因为EASMI被认为是亚洲季风的一个重要方面(Li和Zeng, 2003;吴,2017)。像尼诺指数这样的海洋-大气指数是印度地区夏季风降水的重要决定因素(Shukla et al. 2011)。另一个海洋-大气指数SASMI与Rahman和Islam(2019)使用的不同降水指数存在遥相关关系。南方涛动指数(SOI)在估计孟加拉国的降水方面也至关重要(Rana et al. 2007)，而Madden-Julian涛动(MJO)与印度次大陆的极端降水有着有趣的关系(Anandh and Vissa, 2020)。相反，垂直整体水汽散度与季节尺度上的热带大气水文循环密切相关(Xu et al. 2016)，而具有足够水汽散度通量的升高的位势高度可以促进孟加拉国的降水变率(Rahman and Islam, 2019)。夏季海表温度的升高通常伴随着热带地区降水的增加(Roxy, 2014)。Salahuddin等人(2006)发现在孟加拉国海温和夏季风降雨之间存在显著的遥相关。此外，与降水相关的其他参数如温度、夏季蒸发量等也会影响不同强度和持续时间的季风降水。但目前还没有研究这些天气环流型指数和大尺度环流指数对孟加拉国季风降雨型变化的共同影响。因此，有必要进行深入研究，以充分了解季风降水模式的时空变化以及可能影响这种变化的天气环流。

然而，这项研究的动机是回答以下问题:不同阈值的季风降水如何限制孟加拉国的时空变化?季风降水指数与海洋-大气振荡指数是否存在遥相关关系?不同强度和持续时间的季风降水变化是否由天气环流驱动?因此，我们的目标是(1)研究孟加拉国季风降水指数的时空变化，(2)研究季风降水指数和海洋-大气振荡指数之间的遥相关，()研究影响孟加拉国季风降水变化的天气环流模式。与早期的研究相比，本研究有两个新颖之处。首先，研究了孟加拉国季风降水模式的变化，使用了基于适当阈值开发的指数，特别是针对孟加拉国季风季节降水。其次，这可能是首次尝试在不同阈值范围内同时评估大尺度环流和天气环流型对季风降水时空变化的影响。研究结果有助于预测水文灾害潜在变化，并制定减轻其影响的措施。

季风降水指数趋势分析显示，孟加拉国轻、中降水日数和日数均呈减少趋势，表明干燥或少雨日数增加，对土壤湿度有影响。这些指数的突变也被注意到，这可能与印度洋海面快速变暖有关(图7a)，导致降水减少。这种变暖导致的陆-海温差(图7a和b)导致东南亚一些地区的降水量和日数下降(Roxy et al. 2015)。中强降水日数和日数均表现出稳定特征。它们在时间序列中也没有显示出任何潜在的转折点。强降水日数和降水日数呈增加趋势;其中，强降水日指数的时间序列发生突变，可能会影响季风季节的洪水发生。Shahid(2010)指出孟加拉湾海温的增加可能导致孟加拉国强降水的增加，这与我们的发现相矛盾，因为我们没有注意到BoB上空海温的显著变化。相反，观察到印度洋上空的海温大幅增加(图7a)。更高的温度在印度洋蒸发了更多的水，然后这些水被季风作为湿气输送，带来倾盆大雨。这项研究的结果与Wu等人(2016)的报告一致，他们在中国报告了类似类型的降水变化。Joshi和Rai(2015)发现，在正向大西洋多年代际振荡(AMO)和负的太平洋年代际振荡(IPO)期间，印度东北部的强降水正在减少，这也与我们的研究结果相矛盾。大部分降水指标表现为东南部增加趋势，东北部减少趋势。Rahman et al.(1997)在位于孟加拉国东南部丘陵地区的站点发现了一个不断变化的降水模式。这种空间变化可能是由于2001年降水的突然变化(图S2)，这可能是由天气环流指数(ERA5再分析指数)的改变(图7)或全球季风环流的减弱造成的(Chase et al. 2003;裤子,2003)。利用ECMWF ERA5再分析资料1980-2001年和2002-2017年的差异，分析了天气环流指数对这些增长的影响。

2002-2017年和1980-2001年850 hPa海温场(a)、850 hPa温度场(b)、850 hPa位势高度随风向的空间差异(c)、平均垂直综合水汽散度(d)、总降水率(e)和夏季蒸发量(f)

图7b显示2002-2017年季风季节孟加拉国各地850 hPa温度升高了0.2°开尔文，这可能会影响季风降水的变化。图7c描绘了季风季节孟加拉国西北部850 hPa的位势高度变化较为显著，其余地区的变化相对较小。喜马拉雅山脉附近的位势高度变化明显更大，支持反气旋的形成。风环流从反气旋带水汽到高海拔的西隆高原和阿萨姆邦，然后从东北方向进入孟加拉国，经过印度的西孟加拉邦。这些潮湿的空气循环为降水的形成创造了有利的气氛。图7d描绘了平均垂直整体水汽散度(MVIMD)在北部和中南部的微小变化，而该国其他地区没有变化可能是造成孟加拉国降水型空间变化的原因。此外，MVIMD在北部边界附近显著降低，造成北部地区降水增强和洪水。孟加拉国大部分地区的总降水率保持稳定，但北部地区有所增加(图7e)。孟加拉国周边地区的总降水率出现异常，这可能是该国降水模式发生变化的一个原因。除此之外，土地覆盖和土地利用的变化可能间接影响自然气候系统(John et al. 2009)。在夏季(图7f) BoB海岸附近的海上蒸发增加可能是季风季节强降水或非常强降水增加的一个可能原因。较高的蒸发量使更多的水分可以形成更密集的云，而这些更厚的云在夏季由风循环形成，在季风季节常常凝结，导致强降水增加。此外，强降水指数的空间异质性受到地形的影响，地形被认为是一个重要的因素(Huang et al. 2019)。

天气环流型指数对季风降水指数的影响也可以通过Pearson相关分析和小波分析得到。Pearson相关分析(图4)显示，降水指数与大部分ERA5再分析指数均存在相关性。此外，WTC(图5)和MWC(图6)在P10和Nino3.4之间表现出一致性，在T850的影响下，二者一致性增强。同样，考虑到T850的影响，D10与Nino3.4的一致性也有所提高。考虑到ERA5再分析指标G850、MVIMD、SEV的影响，以及P60plus与SOI的一致性，考虑到MTPR和MVIMD的影响，P20与SASMI、P20与EASMI也有类似的改善。结果表明，天气环流指数对大部分季风降水指数有显著影响。此外，在区域尺度上，降水在空间(Liu et al. 2013)和时间(Zhang et al. 2014)上与海拔有关。孟加拉国的季风来自孟加拉湾，经过平原的北部和东北部，然后被喜马拉雅山的山麓转向西部和西北部(Shahid, 2010)。Rahman et al.(1997)指出，孟加拉国东北部引起BoB低层潮湿空气的地形抬升和对流翻转，这可能对时空降水变化有影响。

Nino3.4、SOI、SASMI、EASMI和MJO等海洋-大气环流指数是决定季风降水分布的重要指标(Rahman and Islam, 2019)。Wang等(2017)指出季风气候的年际变化可能来自热力学反馈系统，包括Nino3.4和SOI。Rahman和Islam(2019)认为SASMI和EASMI是孟加拉国降水的影响因子，支持我们的研究结果，SASMI和EASMI与季风降水之间存在显著的中度降水指数关系。Akhoury和Avishek(2019)发现印度SOI和季风降水之间存在很强的相关性，但与我们的结果不符。相反，Revadekar和Kulkarni(2008)发现极端降水事件的强度和频率与印度的尼诺3.4之间存在很强的相关性，这与我们在轻降水意义上的结果相似。Moron和Robertson(2014)也发现6 - 9月西孟加拉邦(靠近孟加拉国)的季风降水与Nino3.4和海温之间存在弱相关。侯赛因et al。(2001)注意到孟加拉国东部地区降水的减少由于SOI在厄尔尼诺事件的负面影响,不支持我们的结果SOI并未表现出显著相关性与降水指数,尽管非常沉重的降水显示高一致性与SOI。可能的原因是，在厄尔尼诺年期间，低层的风主要是东风，而上层是强西风带。这种情景在该地区产生垂直风切变，抑制了气旋的发生;因此，强东方波可能与孟加拉国的强降水有关。MJO也被认为是全球范围内气旋形成的一个影响因素(Roman-Stork and Subrahmanyam, 2020年)。Anandh和Vissa(2020)发现，在印度夏季风期间，极端降雨事件与印度东海岸MJO的活跃期和抑制期密切相关，这与我们的结果相矛盾。MJO仅与弱降水指数有关。

尽管如此，在轻降水事件减少和强降水事件增加的背景下，孟加拉国的季风降水模式正在发生变化。此外，各指数对海洋-大气环流也有响应。因此，必须保护农业、生态系统、鱼类养殖、水资源，从而保护国家整体经济不受季风季节频繁洪水的影响。本研究的结果可以帮助更好的决策方面，采用适当的防洪技术和规划水资源的使用和管理在孟加拉国。然而，自然资源开发、土地利用模式改变、化石燃料燃烧和温室气体排放、森林砍伐、蒸发悖论和气溶胶负载的云微物理等人为活动可能会影响孟加拉国的季风降水系统。因此，未来的研究应重点关注当地驱动因素或其他全球气候周期的具体影响。此外，由于几次大尺度振荡具有相互联系的性质，皮尔逊相关分析和小波分析等统计方法无法清楚地分离大量气候振荡的相互作用效应。因此，这项研究没有明确分析不同气候周期之间的相互关系。