華北夏季降水異常與南太平洋夏季海表溫度變化主要模態(tài)的可能聯(lián)系

孫密娜，管兆勇，張蓬勃，3，曹舒婭，4

(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210044;2.天津市氣象局，天津300074;3.南京市氣象局，江蘇南京210009;4.江蘇省氣象局，江蘇南京210008)

0 引言

人們很早就注意到海表溫度(sea surface temperature，SST)的異常變化對(duì)全球天氣氣候的影響，并對(duì)此進(jìn)行了大量的研究。黃榮輝和孫鳳英(1994)研究了熱帶西太平洋暖池上空的對(duì)流活動(dòng)對(duì)我國(guó)江淮流域夏季降水的影響。余貞壽等(2005)討論了太平洋SST對(duì)中國(guó)東部夏季降水的影響。吳勝安等(2005)研究了太平洋SST變化與中國(guó)夏季降水年代際變化的相互關(guān)系，發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)50年代至70年代后期，熱帶西太平洋SST變化為正異常時(shí)，長(zhǎng)江以南地區(qū)夏季降水偏多，而長(zhǎng)江以北地區(qū)降水偏少;之后則反之。陳烈庭和吳仁廣(1998)的研究結(jié)果就表明前期太平洋主要洋流區(qū)的各種海溫距平不同配置的共同影響，是導(dǎo)致中國(guó)東部各種雨帶分布類(lèi)型的一個(gè)重要因素。嚴(yán)華生等(2002)指出北太平洋12月SST與中國(guó)5月降水有較好的相關(guān)關(guān)系。

近年來(lái)，許多工作將研究擴(kuò)展到南太平洋。Hsuing and Newell(1983)指出ENSO(El Ni～no-Southern Oscillation)模態(tài)是太平洋SST場(chǎng)的最主要模態(tài):赤道太平洋和美洲西岸SST偏高，其余地區(qū)偏低，這種分布型顯示了ENSO的年際特征。Garreaud and Battisti(1999)指出南太平洋SST場(chǎng)中存在著比ENSO頻率低的類(lèi)ENSO結(jié)構(gòu)。Luo and Yamagata(2001)討論了南太平洋類(lèi)ENSO變化的長(zhǎng)期趨勢(shì)。Holbrook and Bindoff(1997)發(fā)現(xiàn)西南太平洋海溫存在與南極副極地環(huán)狀海流相聯(lián)系的模態(tài)。而Guan and Yamagata(2001)、盧楚翰等(2008)的研究表明南北半球間存在著南北濤動(dòng)(inter-hemisphere oscillation，IHO)，這表明北半球包括中國(guó)夏季降水與氣候預(yù)測(cè)可能與南北半球間的海氣信號(hào)存在內(nèi)在聯(lián)系。

然而，整個(gè)南太平洋SST變化對(duì)中國(guó)降水的影響，尤其是南半球夏季的SST變化對(duì)中國(guó)降水影響的研究還不是很多。本文首先分析了南太平洋12—2月SST變化的主要模態(tài)及其表征的含義，然后分析了它們對(duì)中國(guó)夏半年降水的影響，并給出了回歸預(yù)報(bào)方程。

1 資料與方法

采用NCEP/NCAR 1951—2006年2°×2°分辨率的SST資料，以及NCEP/NCAR 2.5°×2.5°分辨率的高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)資料。中國(guó)160站1951—2006年降水資料。采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(empirical orthogonal function，EOF)展開(kāi)、小波分析、相關(guān)分析、多元回歸等方法。

南半球環(huán)狀模(Southern-Hemisphere annual mode，SAM)指數(shù)采用40°S與70°S緯向月平均海平面氣壓標(biāo)準(zhǔn)化差值(南極濤動(dòng)指數(shù)采用的是40°S與65°S差值)。這是因?yàn)榫曄蚱骄暮Ｆ矫鏆鈮?sea level pressure，SLP)在40°S與70°S的相關(guān)系數(shù)高于在40°S與65°S的相關(guān)系數(shù)(南素蘭和李建平，2005a，2005b)。

2 12—2月南太平洋SST的主要模態(tài)

為了研究南太平洋SST異常的變化規(guī)律，利用EOF分析提取SST異常變化的主要模態(tài)(前3個(gè)特征向量通過(guò)了North準(zhǔn)則檢驗(yàn)(North et al.，1982))。前兩個(gè)特征向量的累積方差貢獻(xiàn)超過(guò)50%(表1)，能基本反映相應(yīng)年的12—2月SST異常的空間和時(shí)間變化特征。

表1 12—2月南太平洋SST異常EOF分解各個(gè)特征向量的方差貢獻(xiàn)率和累積方差貢獻(xiàn)率Table 1Variance contribution ratios of the first three EOFs of the South Pacific SST anomalies from December to February%

2.1 EOF1

EOF1特征向量場(chǎng)(方差貢獻(xiàn)占總方差的41.7%)，反映了12—2月南太平洋SST異常變化的主要空間分布(圖1a)。整個(gè)南太平洋海域，SST異常呈現(xiàn)西低東高的分布特征。從南美洲沿岸向西有一暖舌結(jié)構(gòu)伸向赤道西太平洋，從澳大利亞沿岸向東南太平洋有一冷舌結(jié)構(gòu)。30°S的中部海區(qū)也存在一個(gè)異常中心。

圖1 12—2月南太平洋SST變化EOF1及其時(shí)間序列的小波功率譜分析a.第1特征向量;b.第1特征向量所對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù);c.時(shí)間序列的小波功率譜分析(陰影區(qū)域表示通過(guò)95%置信水平的檢驗(yàn))Fig.1 EOF1 of the DJF South Pacific SST anomalies and its power spectrum analysis of the Mor let wavelet transform from December to Februarya.EOF1;b.its time coefficient;c.power spectrum analysis(the shaded areas denote the significance at 95%confidence level)

當(dāng)EOF1的時(shí)間系數(shù)(圖1b)處于正位相時(shí)，赤道海域呈現(xiàn)西冷東暖型分布，赤道外中西部海域海溫降低。反之，當(dāng)時(shí)間系數(shù)處于負(fù)位相時(shí)，赤道海域呈現(xiàn)東冷西暖型分布，赤道外中西部海域海溫升高。

為了了解其周期變化特征，圖1c給出了EOF1時(shí)間系數(shù)的Morlet小波功率譜，結(jié)果表明EOF1所表示的特征場(chǎng)存在著3～5 a的周期，1968—1973年存在準(zhǔn)3 a的周期，1980—1988年存在著準(zhǔn)4 a的周期，到1995年周期變?yōu)闇?zhǔn)3 a。研究表明ENSO的主周期為3～7 a(Lau and Shen，1988)，說(shuō)明EOF1的周期與ENSO的周期相接近。

2.2 EOF2

圖2 12—2月南太平洋SST變化EOF2及其時(shí)間序列的小波功率譜分析a.第2特征向量;b.第2特征向量所對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù);c.時(shí)間序列的小波功率譜分析(陰影區(qū)域表示通過(guò)95%置信水平的檢驗(yàn))Fig.2 EOF2 of the DJF South Pacific SST anomalies and its power spectrum analysis of the Morlet wavelet transform from December to Februarya.EOF2;b.its time coefficient;c.power spectrum analysis(the shaded areas denote the significance at 95%confidence level)

EOF2特征向量場(chǎng)(方差貢獻(xiàn)占總方差的12.2%)反映的SST異常的分布型(圖2a)與EOF1的結(jié)構(gòu)不同，赤道太平洋呈現(xiàn)三極型分布，這種分布是否與Ashok et al.(2007)提出的El Ni～no-Modoki有聯(lián)系，目前尚不清楚。同時(shí)在南太平洋中部存在兩個(gè)與赤道中部相反的中心。

小波功率譜分析表明EOF2所表示的特征場(chǎng)在20世紀(jì)60—70年代初以及1995年以后存在著準(zhǔn)2 a的周期。

2.3 EOF1、EOF2與ENSO及SAM的聯(lián)系

2.3.1 與ENSO的聯(lián)系

圖3 EOF1對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(擴(kuò)大10倍，空心圈)與標(biāo)準(zhǔn)化的CPC(Climate Prediction Center)冬季Ni～no3指數(shù)(實(shí)心圈)Fig.3 The time coefficients of EOF1(×10，hollow circles)and the DJF standardized(Climate Prediction Center)Ni～no3 index in winter(solid circles)

圖4 EOF1對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)回歸表面(a)、200 hPa(b)u、v風(fēng)場(chǎng)的回歸系數(shù)分布及其與全球SST(a)、全球SLP(b)的相關(guān)分布(陰影區(qū)通過(guò)了95%置信水平的檢驗(yàn))Fig.4 The series of the global reanalyzed(a)surface and(b)200 hPa(u，v)wind fields regressed upon the time coefficient of EOF1 and correlations of the latter with(a)SST and(b)SLP anomalies(The shaded areas denote the significance at 95%confidence level)

EOF1對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)和Ni～no3指數(shù)存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.89(圖3)。EOF1時(shí)間序列與全球海溫的相關(guān)系數(shù)空間分布(圖4a)顯示出顯著的偶極型特征，即赤道中東太平洋是正相關(guān)區(qū)，在赤道西太平洋是負(fù)相關(guān)區(qū)。北太平洋中部存在一個(gè)負(fù)相關(guān)區(qū)，而北美西海岸存在正相關(guān)區(qū)，這種分布與PDO(Pacific Decade Oscillation)的海溫分布類(lèi)似，反映了南太平洋與北太平洋SST也存在著聯(lián)系(呂俊梅等，2005)。與全球SLP的相關(guān)系數(shù)空間分布(圖4b)，表現(xiàn)為澳大利亞、印度洋和西太平洋為正相關(guān)區(qū)，東太平洋為負(fù)相關(guān)區(qū)，與El Ni～no相對(duì)應(yīng)。

用EOF1時(shí)間系數(shù)回歸表面風(fēng)場(chǎng)，回歸系數(shù)分布(圖4a)顯示，赤道太平洋地區(qū)出現(xiàn)偏西風(fēng)異常，南太平洋上存在一個(gè)氣旋，意味著ENSO暖位相時(shí)，南太平洋副高減弱，引起太平洋中部風(fēng)暴軸氣候平均位置的改變(Sinclair et al.，1997)。在200 hPa上，赤道太平洋上空存在一對(duì)關(guān)于赤道對(duì)稱(chēng)的反氣旋對(duì)，這與赤道東太平洋地區(qū)的海表加熱有關(guān)。Gill理論可以解釋這一現(xiàn)象，西風(fēng)帶與Kelvin波相聯(lián)系，東風(fēng)帶與Rossby波相聯(lián)系(Gill，1980)。

2.3.2 與南半球環(huán)狀模的聯(lián)系

EOF2對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)與3—5月南半球環(huán)狀模指數(shù)的相關(guān)達(dá)到－0.59(圖5)，去掉線(xiàn)性趨勢(shì)后相關(guān)為－0.29。EOF2與南太平洋1 000 hPa和500 hPa高度場(chǎng)的相關(guān)(圖6)顯示:圍繞極地有一個(gè)條帶狀的相關(guān)區(qū)，并且與低緯地區(qū)的符號(hào)相反，反映了南半球環(huán)狀模的特征。

EOF2與全球SST的相關(guān)分布(圖7a)表現(xiàn)為:南太平洋中部是負(fù)相關(guān)區(qū)，在大陸附近負(fù)相關(guān)區(qū)范圍更大。此外，在印度洋也存在著負(fù)相關(guān)區(qū)。

EOF2與全球6—8月海平面氣壓的相關(guān)系數(shù)分布(圖7b)顯示出顯著的南北蹺蹺板特征:中緯地區(qū)是負(fù)相關(guān)區(qū)，高緯是正相關(guān)區(qū)，在60°S以南形成繞極的帶狀分布。在EOF2負(fù)相位時(shí)，繞極低壓加深，SAM加強(qiáng)。

用EOF2時(shí)間系數(shù)回歸表面風(fēng)場(chǎng)，回歸系數(shù)分布(圖7a)顯示:當(dāng)EOF2處于正位相時(shí)，赤道東太平洋地區(qū)出現(xiàn)偏東風(fēng)異常，在北太平洋存在一個(gè)位于北美大陸西岸的氣旋，中心位于50°N。在南太平洋高緯地區(qū)存在著一個(gè)以70°S為中心的反氣旋。在北半球由于受陸地的影響風(fēng)向比較散亂。

圖5 EOF2對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(擴(kuò)大10倍，空心圈)與南半球環(huán)狀模指數(shù)(實(shí)心圈)Fig.5 The time coefficients of EOF2(×10，hollow circles)and the DJF Southern hemisphere Annual Mode index(solid circles)

圖6 南太平洋12—2月EOF2與南半球1 000 hPa(a)和500 hPa(b)高度場(chǎng)的相關(guān)(淺、深陰影分別表示通過(guò)95%、99%置信水平的檢驗(yàn))Fig.6 Correlations of time coefficient of EOF2 with(a)1 000 hPa and(b)500 hPa geopotential height(The light and dark shaded areas denote the significance at 95%and 99%confidence levels respectively)

圖7 EOF2對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)回歸表面(a)、200 hPa(b)u、v風(fēng)場(chǎng)的回歸系數(shù)分布及其與全球SST(a)、全球SLP(b)的相關(guān)分布(陰影區(qū)通過(guò)了95%置信水平的檢驗(yàn))Fig.7 The series of the global reanalyzed(a)surface and(b)200 hPa(u，v)wind fields regressed upon the time coefficient of EOF2 and correlations of the latter with(a)SST and(b)SLP anomalies(The shaded areas denote the significance at 95%confidence level)

200 hPa上(圖7b)，在南太平洋上存在著與PSA(Pacific South American)型相對(duì)應(yīng)的波列，北太平洋上的波列與PNA(Pacific Nouth American)型相對(duì)應(yīng)。與EOF1的回歸結(jié)果相似，但是波列的分布更清晰。在印度洋上分布著一對(duì)關(guān)于30°S對(duì)稱(chēng)的氣旋對(duì)。

2.4 與我國(guó)夏季降水的聯(lián)系

圖8 南太平洋EOF1對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)去除線(xiàn)性趨勢(shì)前(a)、后(b)與中國(guó)5月降水的相關(guān)和EOF2對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)去除線(xiàn)性趨勢(shì)前(c)、后(d)與中國(guó)6—8月降水的相關(guān)(陰影區(qū)表示通過(guò)90%置信水平檢驗(yàn))Fig.8 Correlations of time coefficient of EOF1(a)before and(b)after removing the linear trend with the rainfall of China in May;correlations of time coefficient of EOF2(c)before and(d)after removing the linear trend with the JJA rainfall of China(The shaded areas denote the significance at 90%confidence level)

EOF1、EOF2時(shí)間系數(shù)與降水的聯(lián)系顯示出顯著的滯后性。圖8a顯示了EOF1時(shí)間系數(shù)與中國(guó)5月降水的相關(guān)空間分布，顯示出在華北地區(qū)有正相關(guān)區(qū)，最大相關(guān)達(dá)0.41，說(shuō)明在EOF1時(shí)間系數(shù)為正值時(shí)，5月華北夏季的降水偏多。研究(楊芳林和袁重光，1995;張秉倫等，1998;勵(lì)申申和壽紹文，2000;孫淑清和馬淑杰，2003;高輝，2006)顯示:當(dāng)前期ENSO為暖位相狀態(tài)時(shí)，夏季中國(guó)主要雨帶位置偏南，長(zhǎng)江流域降水偏多;反之，當(dāng)前期ENSO為冷位相狀態(tài)時(shí)，夏季中國(guó)主要雨帶位置偏北，長(zhǎng)江流域降水偏少。圖8c顯示EOF2時(shí)間系數(shù)與同年我國(guó)夏季降水的相關(guān)空間分布，在江南地區(qū)存在負(fù)相關(guān)，在華北存在正相關(guān)區(qū)。去掉EOF1和EOF2的線(xiàn)性趨勢(shì)后(圖8b、8d)，這種相關(guān)仍然存在，只是范圍有所改變。

為了驗(yàn)證南太平洋SST對(duì)中國(guó)降水的影響，圖9分別給出了12—2月南太平洋SST與中國(guó)降水的相關(guān)。南太平洋12—2月平均SST與華北5月降水的相關(guān)區(qū)域集中在熱帶東太平洋地區(qū)，與華北6—8月平均降水的相關(guān)區(qū)域集中在中緯度地區(qū)，與長(zhǎng)江中下游夏季平均降水的相關(guān)區(qū)域集中在東南太平洋地區(qū)。

2.5 對(duì)中國(guó)5月降水的預(yù)報(bào)

圖9 華北5月(a)、華北夏季(b)以及長(zhǎng)江中下游夏季(c)降水序列與南太平洋12—2月平均SST的相關(guān)Fig.9 Correlations of time coefficient of DJF South Pacific mean SST with(a)North China rainfall in May，(b)North China summer rainfall and(c)summer rainfall over the middle and lower reaches of the Yangtze River(The shaded areas denote the significance at 90%confidence level)

為了更好地對(duì)中國(guó)降水做出預(yù)報(bào)，比較南北太平洋對(duì)中國(guó)降水的影響，對(duì)北太平洋12—2月SST變化做EOF分析，前兩個(gè)模態(tài)如圖10所示，研究顯示:北太平洋冬季EOF1主要反映了ENSO信號(hào)，EOF2反映的主要是12—2月北太平洋海溫的異常模態(tài)，代表了北太平洋海溫中緯度與低緯度及高緯度的局地差異。即東亞沿海、西太平洋暖池區(qū)SST與北太平洋西風(fēng)漂流區(qū)SST呈反位相變化(解思梅等，1986;高慶九和屠其璞，2003)。對(duì)應(yīng)EOF1時(shí)間序列與中國(guó)5月降水的相關(guān)(圖11a)與南太平洋EOF1時(shí)間序列的相關(guān)范圍相近，都反映了ENSO對(duì)中國(guó)5月降水的影響。12—2月EOF2時(shí)間系數(shù)與同年中國(guó)夏季月降水在江南地區(qū)存在負(fù)相關(guān)(圖11b)。利用南、北太平洋的EOF1時(shí)間序列(南太平洋:x1;北太平洋:x2)與中國(guó)華北地區(qū)5月降水建立回歸預(yù)報(bào)方程(y=35.22+66.35x1－2.15x2)，其方差貢獻(xiàn)達(dá)到20.3%。圖11c反映的是預(yù)報(bào)序列與實(shí)際降水序列的相關(guān)，在華北地區(qū)的相關(guān)很高，這一結(jié)果顯示太平洋的SST能夠影響中國(guó)夏季降水并能做出預(yù)測(cè)。

圖10 北太平洋SST變化EOF1(a)、EOF2(b)及其所對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列(c、d)Fig.1 0EOFs of the North Pacific SST anomalies in DJF(a，c.EOF1 and its time coefficient;b，d.EOF2 and its time coefficient)

圖11 北太平洋EOF1對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)與中國(guó)5月(a)、EOF2對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列與6—8月(b)降水的相關(guān)以及華北5月降水預(yù)報(bào)序列與實(shí)際降水量的相關(guān)(c)(陰影區(qū)表示通過(guò)90%置信水平檢驗(yàn))Fig.1 1Correlations of time coefficient of EOF1，EOF2 with the rainfall of China in(a)May，and(b)JJA，and(c)correlation between the prediction series and observed rainfall in May(The shaded areas denote the significance at 90%confidence level)

3 結(jié)論

1)EOF1主要反映了ENSO信息，EOF2與南半球環(huán)狀模聯(lián)系比較緊密。通過(guò)小波功率譜分析，發(fā)現(xiàn)EOF1的周期和ENSO的周期相近，主要是年際變化，EOF2的周期為準(zhǔn)兩年的周期。EOF1對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列與Ni～no3指數(shù)的相關(guān)達(dá)到0.89，反映了其與ENSO的聯(lián)系。EOF2時(shí)間序列與3—5月SAM指數(shù)的相關(guān)明顯，與500 hPa和200 hPa高度場(chǎng)的相關(guān)在高低緯呈反相的環(huán)狀分布，反映了其與南半球環(huán)狀模之間的聯(lián)系。EOF2與太平洋的行星波的遙相關(guān)有關(guān)，反映出EOF2與高緯(60°S以南)地區(qū)的大氣活動(dòng)聯(lián)系密切。

2)通過(guò)分析EOF1與我國(guó)5月降水的相關(guān)場(chǎng)，得出當(dāng)南太平洋SST出現(xiàn)西低東高偶極型分布的年份華北地區(qū)5月降水偏多，反之則降水偏少。EOF2與中國(guó)6—8月平均降水的相關(guān)場(chǎng)反映出:赤道中太平洋SST偏高而其他海域SST偏低的年份我國(guó)江南地區(qū)夏季降水偏少而華北降水偏多，反之則江南地區(qū)降水偏多，華北降水偏少。去掉EOF1和EOF2的線(xiàn)性趨勢(shì)后，這種相關(guān)仍然存在，只是范圍有所縮小。

3)南太平洋的EOF1與中國(guó)5月降水的相關(guān)與北太平洋EOF1的相關(guān)分布一致，這是由于它們都反映了ENSO信號(hào)。利用南、北太平洋的EOF1時(shí)間序列建立回歸方程，可為華北5月降水的預(yù)測(cè)提供線(xiàn)索。

致謝:NOAA-CIRES Climate Diagnostics Center和國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)地球科學(xué)部大氣資料服務(wù)中心提供資料服務(wù)，謹(jǐn)致謝忱!

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