冬半年南支槽的氣候特征分析

張永莉, 范廣洲, 周定文, 謝清霞,2, 朱麗華, 王炳

(1.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室,四川成都610225;2.貴州省氣象局,貴州貴陽550002)

0 引言

南支槽是冬半年(10月～次年5月)500hPa南支西風(fēng)氣流上的短波槽[1],也常稱為孟加拉灣南支槽、印緬槽或南支波動等等[2],在印度,一般把冬半年經(jīng)常出現(xiàn)在印度西北部的低壓稱為“西方擾動”[3]。它對中國乃至整個亞洲氣候格局的形成有重要影響。

Ramage[4]研究得出南支急流的出現(xiàn)是冬季天氣的突然開始。索渺清等[5]認為,南支槽10月在孟加拉灣北部建立,冬季(11～2月)加強,春季(3～5月)活躍,6月消失并轉(zhuǎn)換為孟加拉灣槽。任敏等[6]分析了30年500hPa逐日高度場資料,指出孟加拉灣南支槽生成一般有三類,第一類是地中海南支槽東移,影響中國南方地區(qū);第二類是高原西部大槽斷裂,生成南支槽;第三類是上游非洲西海岸、地中海到阿拉伯半島一帶有槽脊發(fā)展,影響下游高原南側(cè)常會生成南支波動。樊平[7]認為南支槽主要是在70°E附近發(fā)展然后東移,并將印度西北部、巴基斯坦和阿拉伯海的北部作為南支槽發(fā)展預(yù)報的關(guān)鍵區(qū),由于高原地形的作用,在80°E～90°E地區(qū)容易形成動力性低槽[8]。

李崇銀等[9]分別探討強、弱南海夏季風(fēng)槽年的例子,分析南海夏季風(fēng)槽的年際變化和影響。潘靜等[10]利用氣候平均資料,揭示了南海夏季風(fēng)槽和印度季風(fēng)槽的結(jié)構(gòu)特征和演變特征的異同點,有利于提高對亞洲夏季風(fēng)系統(tǒng)的認識。索渺清和丁一匯[5]從氣候?qū)W角度探討了冬半年副熱帶南支西風(fēng)槽的結(jié)構(gòu)和演變特征。范廣洲等[11]分析了青藏高原植被變化對區(qū)域氣候影響,提出了一些可能的物理過程。朱麗華等[12]采用經(jīng)驗正交函數(shù)分解、Yamamoto法、Morlet小波等方法,對青藏高原500hPa緯向風(fēng)近59年來的年際、年代際變化趨勢及其與中國降水的關(guān)系進行了分析。馬振鋒和高文良[13]應(yīng)用墨西哥帽小波分析及最大熵譜分析方法,研究了青藏高原夏季風(fēng)和長江上游夏季氣溫及降水的時間-頻率多層次年際時間尺度變化特征。郭圳勉等[14]利用Morlet小波分析理論、Marnn-Kendall檢驗和滑動 t檢驗等方法對陽江單站57年6～8月逐日降水資料進行分析。張雷等[15]利用38年巴中地區(qū)4個站點的地面常規(guī)觀測資料和滑動平均、MK法及MHF小波分析等統(tǒng)計診斷方法,分析了該地區(qū)降水和溫度的年際、年代際的氣候變化特征。管勇等[16]采用經(jīng)驗正交函數(shù)分解和合成分析方法研究了38年廣東前汛期4～6月降水的年際變化異常以及時空特征,得出第一類雨型是廣東前汛期一致多雨或少雨型。

文中利用1950～2009年冬半年(10月～次年5月)的NCEP/NCAR全球月平均再分析資料,先定義了一個描寫冬半年南支槽強度的指數(shù),采用經(jīng)驗正交函數(shù)分解(EOF)、墨西哥帽小波分析、Mann-Kendal檢驗等方法,研究了南支槽的年際、年代際變化異常以及時空特征。

1 資料和方法說明

使用的高度場為NCEP/NCAR月平均再分析資料,其水平分辨率為2.5°×2.5°經(jīng)緯度網(wǎng)格,時間為1950～2009年的冬半年(10月～次年5月)。使用的方法有經(jīng)驗正交函數(shù)分解(EOF)、墨西哥帽小波分析、Mann-Kendal檢驗等。

2 冬半年南支槽指數(shù)的年際和年代際變化特征分析

目前,氣象上經(jīng)常用距平值代替原樣本中資料數(shù)值作為研究對象,因為在氣象要素的研究中,受年變化周期影響很大,為使之能在同一水平下進行比較,常使用距平值來表示氣候變量偏離正常情況,即對平均值的正常情況的偏差[17-18]。

2.1 冬半年南支槽指數(shù)的確定

在對冬半年南支槽的結(jié)構(gòu)特征有較全面認識的基礎(chǔ)上,以冬半年(10月～次年5月)南支槽主要活動區(qū)域(15°N～27.5°N,80°E～100°E)平均的500hPa位勢高度場作為衡量該年南支槽強、弱的指數(shù)。南支槽指數(shù)值大,表示該年南支槽比較弱,反之亦然。

2.2 年際變化特征分析

1950～2009年近60年逐年冬半年南支槽強度指數(shù)的結(jié)果如圖1所示,可以看出,冬半年南支槽的強、弱程度逐年不同,有很明顯的年際變化。隨著南支槽指數(shù)的整體上升,其強度總體呈現(xiàn)減弱的趨勢(R=0.746)。線性傾向值b=0.5033,反映出南支槽強度以5.033gpm/10a的線性傾向變?nèi)?。另?圖1還顯示了南支槽在50～70年代明顯偏強,其中1950年最強,之后處于強、弱振蕩期,但仍屬于較強的狀態(tài),此現(xiàn)象持續(xù)到1976年,之后開始逐漸減弱,在1989年南支槽最弱,至今一直處于偏弱狀態(tài)。

對近60年逐年冬半年南支槽的強度指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化后,以正、負1為臨界值,確定的南支槽強、弱年分別如下:在1950、1954、1955、1957、1959、1960、1961、1962、1963、1964、1971、1974、1975 這 13年 ,呈現(xiàn)出強南支槽特征;而弱南支槽有 11年 ,即 1977、1979、1987、1993、1997、1998、2003、2005、2006、2008、2009年。從南支槽的強、弱年的分布也可以看出,1976年前主要表現(xiàn)為強南支槽的特征,之后主要表現(xiàn)為弱南支槽的特征。

圖1 1950～2009年南支槽強度指數(shù)的年際變化(實線)及其變化趨勢(虛線)

2.3 年代際變化特征分析

為了進一步說明南支槽的年代際變化特征,在此計算了1950～2009年南支槽強度指數(shù)的年代距平(見表1),年代距平計算公式為:

y=x1-x2其中,x1為南支槽強度指數(shù)在各個年代的平均值,年代劃分方式見表1,x2為南支槽指數(shù)60年的平均值。距平百分比計算公式為:

其中,y、x2意義同上。

由表1可知,20世紀(jì)50～70年代南支槽強度指數(shù)距平為負值,說明期間南支槽偏強,尤其是60年代距平達-9.98gpm,可以看出50年代的南支槽逐漸增強,到60年代達到最強,70年代已經(jīng)開始減弱,但比50年代稍強。20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初南支槽強度指數(shù)的距平均為正值,說明期間南支槽偏弱,且逐漸在減弱,尤其是在21世紀(jì)初比較明顯,南支槽強度指數(shù)的距平百分比達0.19%,說明目前正處于南支槽偏弱的時期。這些從圖1中也可以看出來。

3 冬半年南支槽的氣候特征分析

表1 1950～2009年冬半年南支槽的年代距平

經(jīng)驗正交函數(shù)方法是一種使用特征技術(shù)的統(tǒng)計方法,能夠?qū)⒆兞繄鰰r間和空間變化分離,并用盡可能少的模態(tài)表達出主要的時間和空間變化。對南支槽強度指數(shù)的周期分析采用的是小波分析(多分辨率分析)方法,它是近幾年國際上十分熱門的一個前沿領(lǐng)域,被認為是傅里葉分析方法的突破性進展。小波變換不僅可以給出氣候序列變化的尺度,還可以顯示出變化的時間位置,對于氣候預(yù)測十分有用[18]。

3.1 空間分布

圖2是1950～2009近60年冬半年南支槽的線性趨勢分布,其中實線代表上升趨勢,說明在此區(qū)域范圍內(nèi),近60年南支槽指數(shù)的值呈增強趨勢,這種趨勢是由西北向東南遞增,印度半島以北的強度較小,中南半島附近強度最大,也就是說在冬半年南支槽為減弱的趨勢,且從西北向東南遞減。

圖2 1950～2009年冬半年南支槽線性趨勢分布

表2 1950～2009年冬半年南支槽區(qū)域高度場EOF分解前3個模態(tài)的方差貢獻及累計方差貢獻

3.2 EOF分析

對60年來南支槽區(qū)域內(nèi)的高度場作EOF分解,見表2,可以看出得到的前3個模態(tài)的方差貢獻之和達到97%以上,僅第一模態(tài)的方差貢獻就達80.29%,其余的貢獻率都相對比較低,所以在此僅取第一個模態(tài)(見圖3)進行相關(guān)的分析。

從第一模態(tài)的特征向量的空間分布圖(圖3a)看,區(qū)域范圍內(nèi)均為正值,且由北向南遞增,說明第一模態(tài)表現(xiàn)為整體增強型,而南支槽逐漸減弱的情況,由于第一模態(tài)方差貢獻率為80.29%,故南支槽的變化特征大多數(shù)年呈第一模態(tài)的分布特征。相應(yīng)的時間權(quán)重系數(shù)存在明顯的年際和年代際變化,且具有長期正趨勢,表明南支槽減弱的趨勢越來越顯著。

另外,第一特征向量對應(yīng)的時間系數(shù)(圖3b)還表現(xiàn)出明顯的年代際變化。對時間系數(shù)進行11年的滑動平均,如圖4中所示,實線為圖3(b)中的時間系數(shù),虛線為滑動平均曲線。可以看出,50～70年代后期時間系數(shù)均為負值,且絕對值和振幅都比較大,這說明了在此期間南支槽增強趨勢比較明顯。從70年代后期至今的時間系數(shù)為正值,且變化趨勢比較平緩,說明從70年代末以來,南支槽開始由強轉(zhuǎn)變?yōu)槿?并一直處于減弱的階段,雖有小波動,但沒有明顯的增強和減弱的趨勢,由此也可以說明,1976年的突變點是可信的。

圖4 1950～2009年冬半年南支槽距平場EOF分解第一模態(tài)時間系數(shù)(實線)及其11年滑動平均(虛線)

3.3 周期分析

利用小波分析方法對冬半年南支槽指數(shù)分析得出如圖5的小波變換的結(jié)果。從圖5中可以看出,圖的上半部分對應(yīng)的是低頻區(qū),等值線相對比較稀疏,對應(yīng)著長時間尺度的周期;下半部分對應(yīng)的是高頻區(qū),等值線相對比較密集,對應(yīng)著短時間尺度的周期。20世紀(jì)50年代以來,南支槽強度在各個時期的主要振蕩周期也不盡相同。在中高頻率區(qū),有最強的幾個振蕩中心,分別出現(xiàn)在50年代初期和末期、60年代中期、70年代初期和末期、80年代末期、90年代末期以及21世紀(jì)00年代后期,各階段主要周期以準(zhǔn)3年或準(zhǔn)8年為主,在低頻區(qū)還存在準(zhǔn)17年的周期。值得注意的是,在50年代中期、60年代末期、80年代初期、90年代中期和21世紀(jì)00年代中期,高頻變化和低頻變化位相有時很不一致,致使南支槽表現(xiàn)出強弱振動特征,而60年代初期和70年代中期高低頻變化一致偏強,70年代末期和21世紀(jì)初期均為一致的偏弱期,至今一直處于偏弱的狀態(tài)。

圖5 1950～2009年冬半年南支槽的小波變換圖

3.4 突變檢驗

從以上的分析可以看出冬半年南支槽在1976年前后有一個由強變?nèi)醯霓D(zhuǎn)變過程,圖6顯示了1950～2009年近60年來冬半年南支槽的M-K檢驗。從圖中可以看出,C1值在20世紀(jì)60年代期間基本小于0之外,其余時間都大于0,表示冬半年南支槽在20世紀(jì)50年代初期60年代初期一直處于增強趨勢,尤其是在20世紀(jì)60年代期間最強,之后逐漸減弱,至70年代一直處于正的1.96信度線以下,并不斷有小幅振蕩,從70年代末至今,南支槽一直處于減弱的階段。其中,C1和C2曲線在正負1.96信度線間有2個交點,表示有兩個可能的強度突變年,分別是1976和1977年,可見,1976年的突變點是可信的。

圖6 1950～2009年冬半年南支槽的M-K檢驗

4 結(jié)論和討論

先提出了一個衡量冬半年南支槽強度的指數(shù),進而從氣候?qū)W角度上對其近60年來年際、年代際和時空的變化進行了較全面的分析,并對應(yīng)著不同的影響,得到以下主要結(jié)論:

(1)在年際尺度上,冬半年南支槽的強、弱程度逐年不同,隨著南支槽指數(shù)的整體上升,其強度總體呈現(xiàn)減弱的趨勢。另外南支槽在20世紀(jì)50～70年代明顯偏強,其中1950年最強,之后處于強、弱振蕩期,但仍屬于較強的狀態(tài),此現(xiàn)象持續(xù)到1976年,之后開始逐漸減弱,在1989年南支槽最弱,至今一直處于偏弱狀態(tài)。

(2)從年代際尺度上分析,20世紀(jì)50～70年代南支槽強度指數(shù)距平為負值,說明期間南支槽偏強,80年代～21世紀(jì)初南支槽強度指數(shù)的距平均為正值,說明期間南支槽偏弱,并且目前正處于南支槽偏弱的時期。

(3)近60年來南支槽強度指數(shù)的值呈增強趨勢,是由西北向東南遞增,印度半島以北的強度較小,中南半島附近強度最大,也就是說在冬半年南支槽為減弱的趨勢,且從西北向東南遞減。

(4)對南支槽強度指數(shù)做EOF分解,得出的前3個模態(tài)的方差貢獻之和達到97%以上,僅第一模態(tài)的方差貢獻就達80.29%,故南支槽的變化特征大多數(shù)年呈第一模態(tài)的分布特征。相應(yīng)的時間權(quán)重系數(shù)存在明顯的年際和年代際變化,且具有長期正趨勢,表明南支槽減弱的趨勢越來越顯著。

(5)20世紀(jì)50年代以來,南支槽強度在各個時期的主要振蕩周期不盡相同。在中高頻率區(qū),主要周期以準(zhǔn)3年或準(zhǔn)8年為主,在低頻區(qū)還存在準(zhǔn)17年的周期。另外,60年代初期和70年代中期高低頻變化一致偏強,70年代末期和21世紀(jì)初期均為一致的偏弱期,至今一直處于偏弱的狀態(tài)。

(6)通過對1950～2009年近60年來冬半年南支槽的M-K檢驗,也得出了冬半年南支槽在20世紀(jì)50年代初期60年代初期一直處于增強趨勢,尤其是在20世紀(jì)60年代期間最強,之后一直處于減弱的階段。

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