基于SVD的長白山地區(qū)降水與北太平洋海溫的耦合關(guān)系分析

全文哲 金愛芬

摘 要 利用長白山地區(qū)20個氣象站點(diǎn)(1960~2009年)月平均降水量與全球海溫SST(1960-2009年)逐月平均做相關(guān)分析和SVD分析。相關(guān)分析的結(jié)果表明:超前5月北太平洋海域海溫與長白山地區(qū)降水存在顯著相關(guān)關(guān)系。由SVD的第一模態(tài)異性相關(guān)系數(shù)分布表明：與長白山地區(qū)降水存在相關(guān)的關(guān)鍵海域?yàn)楸碧窖髺|部地區(qū)，并與長白山全域存在較好的耦合正相關(guān)。說明：當(dāng)關(guān)鍵海域的海溫偏暖（冷）時，滯后5月的長白山地區(qū)降水偏多（少）。

關(guān)鍵詞 長白山地區(qū) SST SVD分析 相關(guān)分析

中圖分類號：P72文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

SVD Analyses of the Precipitation of Changbai

Mountain area from January to December and the Sea

Surface Temperature in the North Pacific Ocean

QUAN Wenzhe , JIN Aifen

(Department of Geography, Science College of Yanbian University, Yanji, Jilin 133002)

Abstract Using average monthly rainfall in the 20 meteorological stations in the Changbai mountain area(1960 to 2009) and average monthly sea surface temperature SST(1960 to 2009) with the correlation and SVD analysis. Correlation analysis showed that: in May ahead of the North Pacific Ocean sea surface temperature and precipitation in Changbai mountain area there was a significant correlation. The first mode of the SVD analysis showed that: the key region lies in the eastern of the North pacific Ocean which influences the Precipitation of Changbai mountain area and North pacific area have a good positive correlation coupling with the whole Changbai mountain area. It description that: when the temperature of the key area in the North Pacific Ocean is warm(cold), then the lag 5 month precipitation of Changbai mountain area would more(less).

Key words Changbai mountain area; SST; SVD analysis; correlation analysis

0 引言

眾所周知，海洋面積占全球面積的71%，在全球氣候變化中起重要作用。在我國，對于海溫與降水之間相關(guān)性已有很多研究。其中對于東北地區(qū)的氣溫及降水與海溫的主要研究成果有東北低溫科研協(xié)作組提出的赤道東太平洋海溫與東北夏季氣溫之間有較好的反相關(guān)關(guān)系。馮新等研究發(fā)現(xiàn)，東北地區(qū)汛期降水與前一年6~7月的西南印度洋海溫有較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系以及與北大西洋有較好的正相關(guān)關(guān)系。孫力等指出，東北亞地區(qū)南風(fēng)出現(xiàn)異常的出現(xiàn)前冬季和前春季的北太平洋海溫的異常信號，而東北亞地區(qū)南風(fēng)的強(qiáng)弱與東北旱澇有著密切的關(guān)系?？梢?，以往對于東北地區(qū)與海溫之間相關(guān)性的研究上都把東北地區(qū)作為整體與海溫進(jìn)行研究。但我國東北地區(qū)的地勢不是一致的，用東北地區(qū)整體作為研究范圍，不能具體地反應(yīng)各地區(qū)與海溫之間的相關(guān)性。因此，本文將把長白山地區(qū)單獨(dú)作為研究對象，分析長白山地區(qū)降水與海溫之間的耦合相關(guān)性。

1 資料和研究方法

1.1 資料

美國NCEP/NCAR在分析資料中的1960年1月至2009年12月的逐月平均海溫格點(diǎn)資料，網(wǎng)格距為2皜?啊?

長白山地區(qū)20個氣象站點(diǎn)的1960年1月至2009年12月逐月平均降水資料。長白山地區(qū)的站點(diǎn)包括安圖、白山、長白、東崗、敦化、和龍、琿春、輝南、集安、靖宇、臨江、柳河、

龍井、梅河口、松江、通化、通化縣、圖們、汪清、延吉等20個氣象站點(diǎn)。

1.2 研究方法

奇異值分解(SVD)方法是分析兩個變量場相關(guān)關(guān)系的診斷方法，它是以兩個場的協(xié)方差最大為基礎(chǔ)展開，分別計(jì)算交叉協(xié)方差矩陣的奇異值、左右奇異向量以及時間系數(shù)。異類相關(guān)表明，一個場的某一模態(tài)時間上的變化對另一個場的影響情況即異類相關(guān)。其顯著相關(guān)區(qū)代表另一個場受該模態(tài)影響最關(guān)鍵的區(qū)域。同類相關(guān)則表明一個場的某一模態(tài)時間變化對自身場的影響狀況，其顯著相關(guān)區(qū)代表自身變化最為關(guān)鍵的區(qū)域。在氣象學(xué)中研究兩個場的相關(guān)關(guān)系方面，多數(shù)研究者用異性相關(guān)系數(shù)分析左場和右場的相關(guān)性。因此本文也用異性相關(guān)系數(shù)的時間和空間分布特征對兩個場的關(guān)系進(jìn)行討論。

2 長白山地區(qū)降水與全球海溫相關(guān)分析

用長白山地區(qū)20個氣象站點(diǎn)1月~12月50年（1960年~2009年）的標(biāo)準(zhǔn)化距平與全球超前12月至滯后12月的逐月海溫標(biāo)準(zhǔn)化距平分別求點(diǎn)點(diǎn)相關(guān)。從長白山地區(qū)1月~12月降水量與超前5個月的全球海溫相關(guān)系數(shù)分布圖可以發(fā)現(xiàn)(圖1),長白山地區(qū)降水與北太平洋海域的相關(guān)穩(wěn)定，持續(xù)時間長；與其他海域的相關(guān)性不夠穩(wěn)定且持續(xù)時間短。因此本文將影響長白山地區(qū)1~12月降水的海溫關(guān)鍵區(qū)選為北太平洋海域（28癗~40癗，145癊~145癢），影響時段為前年的8月份。

3 長白山地區(qū)1~12月降水與北太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫的SVD分析

3.1 長白山地區(qū)降水與北太平洋關(guān)鍵區(qū)的時滯關(guān)系分析

上面是通過相關(guān)分析確定了同長白山地區(qū)降水相關(guān)較好的海溫關(guān)鍵區(qū)和關(guān)鍵時段，但這樣得到的關(guān)鍵區(qū)和關(guān)鍵時段比較粗略。因此將進(jìn)一步借助SVD方法，來確定關(guān)鍵區(qū)和關(guān)鍵時段。

提取北太平洋關(guān)鍵區(qū)超前12月至滯后12月以及當(dāng)月的標(biāo)準(zhǔn)化距平作為氣象左場（共25個），提取長白山地區(qū)20個氣象站點(diǎn)平均標(biāo)準(zhǔn)化距平為氣象右場做SVD分析。這種對應(yīng)關(guān)系能在月份的尺度上分析海溫關(guān)鍵區(qū)與長白山地區(qū)降水之間的時滯關(guān)系。

長白山地區(qū)降水標(biāo)準(zhǔn)化距平與北太平洋關(guān)鍵區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化距平做SVD分析，第一模態(tài)的平方協(xié)方差貢獻(xiàn)率為40.79%，相應(yīng)的模態(tài)相關(guān)系數(shù)為0.49。長白山地區(qū)降水標(biāo)準(zhǔn)化距平與北太平洋關(guān)鍵區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化做SVD分析第一模態(tài)的異性相關(guān)系數(shù)如圖2?？梢钥闯?，長白山地區(qū)降水與北太平洋關(guān)鍵區(qū)整體呈正相關(guān)關(guān)系。其中超前5月的相關(guān)通過99%的信度檢驗(yàn)。由于我們關(guān)心的是長白山地區(qū)降水與北太平洋關(guān)鍵區(qū)的耦合相關(guān)關(guān)系。因此，我們選取超前5月的北太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫作為影響長白山地區(qū)降水的關(guān)鍵時段。

3.2 長白山地區(qū)降水與北太平洋關(guān)鍵區(qū)的空間分布特征

為了進(jìn)一步了解長白山地區(qū)全年降水與北太平洋關(guān)鍵區(qū)之間的時空分布關(guān)系，分別以長白山地區(qū)50年（1960-2009年）1~12月的降水量標(biāo)準(zhǔn)化距平作為左場，北太平洋關(guān)鍵海域（28癗~40癗，145癊~145癢）的海溫標(biāo)準(zhǔn)化距平作為右場進(jìn)行SVD分析，所得結(jié)果第一模態(tài)平方協(xié)方差貢獻(xiàn)率為90.88%，相應(yīng)的模態(tài)相關(guān)系數(shù)為0.46。因其他模態(tài)的平方協(xié)方差貢獻(xiàn)率太小，本文中不予考慮。由第一模態(tài)的左(右)場的異性相關(guān)系數(shù)的空間分布及時間系數(shù)（圖3）可知：長白山地區(qū)的降水具有全區(qū)同位相分布特征，相關(guān)顯著的區(qū)域位于東崗、集安、通化附近及延吉、安圖、汪清等地區(qū)（深色區(qū)）。由右場的異性相關(guān)系數(shù)圖（圖3b）可以發(fā)現(xiàn)，超前5個月的北太平洋海域以東附近海域的海溫有較大的正相關(guān)關(guān)系。由于模態(tài)的相關(guān)系數(shù)為正，因此長白山地區(qū)降水與北太平洋關(guān)鍵海域特別是相關(guān)顯著的海域有顯著的耦合正相關(guān)。也就是說，當(dāng)北太平洋東部海域的海溫異常偏暖（冷）時，滯后5個月的長白山地區(qū)降水偏多（少）。時間系數(shù)對應(yīng)也較好，時間系數(shù)主要表現(xiàn)為年際變化的特征。

圖3長白山地區(qū)降水(b)與超前5月北太平洋SST(a)SVD分析第一模態(tài)的異性相關(guān)系數(shù)和對應(yīng)的時間系數(shù)(c).圖a中陰影區(qū)通過= 0.01的顯著性水平檢驗(yàn)

通過以上SVD的分析，我們確定了北太平洋海域與長白山地區(qū)逐月降水耦合相關(guān)的關(guān)鍵區(qū)和關(guān)鍵時段即北太平洋東部海域的超前5個月海溫。

4 結(jié)論

（1）通過長白山地區(qū)的降水與全球海溫SST的逐月相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，北太平洋地區(qū)與長白山地區(qū)有較好的顯著相關(guān)關(guān)系。相關(guān)的時段為超前5月的全球海溫。

（2）通過長白山地區(qū)降水與北太平洋地區(qū)超前滯后共25個月的時滯關(guān)系發(fā)現(xiàn)：長白山地區(qū)降水與超前5月的北太平洋關(guān)鍵區(qū)的海溫有較好的耦合相關(guān)關(guān)系。

（3）通過SVD分析發(fā)現(xiàn)：長白山地區(qū)降水與超前5月的北太平洋關(guān)鍵區(qū)呈顯著的同位相分布。也就是說北太平洋關(guān)鍵海域的海溫異常偏暖（冷），滯后5個月的長白山地區(qū)降水偏多（少）。

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