長白山地區(qū)汛期降水對全球海表溫度和海平面氣壓異常的響應(yīng)

金愛芬, 朱衛(wèi)紅

( 延邊大學(xué)理學(xué)院 地理系， 吉林 延吉 133002 )

對于我國東北汛期降水的成因，很多學(xué)者從多個角度進(jìn)行了研究，例如：在大氣環(huán)流方面，文獻(xiàn)[1-3]認(rèn)為西太平洋副熱帶高壓脊線變化、夏季東北冷渦強度和夏季北極偶極子異常等均與東北汛期降水呈現(xiàn)較高的相關(guān)性；文獻(xiàn)[4]認(rèn)為北太平洋濤動區(qū)500 hPa高度場對東北地區(qū)降水有明顯影響，當(dāng)北太平洋濤動區(qū)前冬500 hPa高度場呈負(fù)位相時，東北地區(qū)夏季降水偏多，反之，東北地區(qū)夏季干旱少雨.在海表溫度方面，文獻(xiàn)[5]認(rèn)為中東太平洋海表溫度、北大西洋冬季海表溫度與東北大部分地區(qū)夏季降水有遙相關(guān)，當(dāng)前期冬季和春季甚至是前一年夏季赤道中東太平洋海表溫度處于異常偏暖(冷)狀態(tài)，并且西風(fēng)漂流區(qū)具有較明顯的海表溫度負(fù)(正)距平分布時，東北大部分地區(qū)夏季降水呈偏多(少)趨勢；文獻(xiàn)[6]認(rèn)為北大西洋冬季海表溫度出現(xiàn)南部暖北部冷異常時，東北地區(qū)夏季降水偏多.另外，文獻(xiàn)[7-8]的研究認(rèn)為，歐亞、青藏高原冬春季積雪及北半球雪蓋均對東北地區(qū)的汛期降水產(chǎn)生一定的影響.但由于影響東北地區(qū)汛期降水的因素較多且復(fù)雜，因此影響東北地區(qū)汛期降水的成因仍有待進(jìn)一步研究[9].

郭彥等[10]研究表明，不同的時間尺度變率受不同的大尺度氣候因子控制.長白山地區(qū)位于東亞夏季風(fēng)的北界邊緣，是全球氣候響應(yīng)的敏感區(qū)之一，也是東北亞海陸間水汽交換的重要過渡區(qū)和西風(fēng)急流與溫帶風(fēng)暴路徑的入口區(qū)，其地理特征與東北其他地區(qū)有明顯差異，因此其汛期降水的成因可能有別于東北其他地區(qū).基于這種考慮，本文對長白山地區(qū)汛期降水進(jìn)行時間序列分析后，分離出年際波動和年代際的波動成分，探討其對全球海表溫度和海平面氣壓異常的響應(yīng).

1 資料與方法

本文使用的資料有：①中國國家氣象信息中心整編的長白山地區(qū)20個氣象站(如圖1)1960—2009年月平均降水?dāng)?shù)據(jù)集.由于7、8兩個月降水量占全年降水量的46%(如圖2)，因此用7—8月的降水總量代表汛期降水.②美國國家環(huán)境預(yù)報中心和國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)發(fā)布的同時段的海平面氣壓資料，水平分辨率為2.5°×2.5°.③美國國家海洋大氣管理局(NOAA)氣候診斷中心提供的同時段的海表溫度(sea surface temperature, SST)資料，水平分辨率為2°×2°.

圖1 長白山地區(qū)20個氣象站點的位置分布

圖2 長白山地區(qū)各月降水量以及占年降水量的百分比

分析方法使用最大熵譜分析(maximum entropy spectrum analysis)和小波分析.首先在長白山地區(qū)汛期降水序列中分離出年際波動和年代際波動成分，然后用相關(guān)分析研究年際和年代際波動對海表溫度和海平面氣壓異常的響應(yīng).

2 長白山地區(qū)汛期降水的時間序列分析

首先采用最大熵譜分析提取了長白山地區(qū)汛期降水序列的周期，如圖3所示.圖中最大熵功率譜有尖銳的峰點出現(xiàn)，說明其對應(yīng)的周期就是序列存在的平均顯著周期(周期=1/頻率).由圖可以看出長白山地區(qū)汛期降水序列存在25年、4～5年以及10年左右的周期.

圖3 長白山地區(qū)汛期降水的最大熵譜

為了進(jìn)一步揭示長白山地區(qū)降水序列的多時間尺度變化特征，采用Morlet小波分析方法，繪制了降水序列的Morlet小波系數(shù)模平方的時頻變化圖(見圖4).從圖4 a可見，小波變換有3個振動中心，最強的出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代初期至2000年期間，其周期大致為4～5年.同時，在1960—2007年出現(xiàn)了10～12年的周期，在1960—2009年出現(xiàn)了25年的周期，但均不能通過顯著性檢驗，這可能與時間序列太短有關(guān).

圖4 長白山地區(qū)汛期降水序列Morlet小波系數(shù)的模平方圖

從圖3和圖4可以看出，長白山地區(qū)汛期降水在年際尺度上有4～5年周期，年代際尺度上有25年和10年左右的周期.對降水序列進(jìn)行5年滑動平均處理，分離出了年際波動和年代際的波動成分，如圖5所示.由圖5可知，年際波動和年代際波動的標(biāo)準(zhǔn)差分別為7.2和35.5.

圖5 長白山地區(qū)汛期降水序列5年滑動平均分解: a為原始序列; b為5年滑動平均序列(年代際波動); c為a/b序列(年際波動)

3 長白山地區(qū)汛期降水對海表溫度的響應(yīng)

將1962—2007年汛期年際波動、年代際波動與1962年6月—2007年6月全球的海表溫度作相關(guān)分析，結(jié)果如圖6和表1所示.結(jié)果表明，年際波動對海表溫度異常的滯后1個月的響應(yīng)并不明顯，但年代際波動的響應(yīng)明顯.年代際波動與西北太平洋(45°～55°N，160°～175°E)海表溫度顯著正相關(guān)，與南印度洋(60°～45°S，60°～85°E)(40°～25°S，60°～80°E)(20°S～EQ，50°～65°E)以及南大西洋(55°～40°S，25°～5°W)海表溫度顯著負(fù)相關(guān)，顯著性水平均達(dá)到的95%以上.

圖6 長白山地區(qū)汛期降水年際波動(a)和年代際波動(b)與全球海表溫度的相關(guān)分布

表1 長白山地區(qū)汛期降水與海表溫度的相關(guān)分析

注：*表示顯著性水平達(dá)到95%以上.

4 長白山地區(qū)汛期降水對海平面氣壓的響應(yīng)

將1962—2007年汛期年代際波動和年際波動與1962年6月—2007年6月全球海平面氣壓作相關(guān)分析，結(jié)果如圖7和表2所示.結(jié)果表明，年際波動與年代際波動對全球海平面氣壓異常的滯后1個月的響應(yīng)都很明顯.其中：年際波動與南大西洋(90°S～70°S，140°～20°W)海平面氣壓顯著正相關(guān)；年代際波動與中國大范圍地區(qū)(30°～60°N，100°～120°E)以及熱帶大西洋海域(30°S～30°N，20°W～30°E)海表面氣壓顯著負(fù)相關(guān)，與南極大部分地區(qū)(90°S～75°S，110°W～10°W)(90°S～70°S，30°～70°E)海表面氣壓顯著正相關(guān)，顯著性水平均達(dá)到了95%以上.

圖7 長白山地區(qū)汛期降水年際波動(a)和年代際波動(b)與全球海平面氣壓的相關(guān)分布

表2 長白山地區(qū)汛期降水與海平面氣壓的相關(guān)分析

注：*表示顯著性水平達(dá)到95%以上.

5 結(jié)論

本文研究結(jié)果表明：

1) 長白山地區(qū)汛期降水存在4～5年的年際振動周期，25年和10年左右的年代際振動周期.對長白山地區(qū)汛期降水序列進(jìn)行5年滑動平均，可以有效分離出年際波動和年代際的波動成分.

2) 年際波動對海表溫度異常的滯后1個月的響應(yīng)不明顯，但年代際波動對海表溫度的響應(yīng)明顯.年代際波動與西北太平洋(45°～55°N，160°～175°E)海表溫度顯著正相關(guān)，與南印度洋(60°～45°S，60°～85°E)(40°～25°S，60°～80°E)(20°S～EQ，50°～65°E)海表溫度顯著負(fù)相關(guān)，與南大西洋(55°～40°S，25°～5°W)海表溫度顯著負(fù)相關(guān).

3) 年際波動和年代際波動對海平面氣壓異常的滯后1個月的響應(yīng)都很明顯，但響應(yīng)地區(qū)有差異.年際波動與南大西洋(90°S～70°S，140°～20°W)海平面氣壓顯著正相關(guān).年代際波動與中國大范圍地區(qū)(30°～60°N，100°～120°E)以及熱帶大西洋(30°S～30°N，20°W～30°E)海平面氣壓顯著負(fù)相關(guān)，與南極大部分地區(qū)(90°S～75°S，10°W～10°W)(90°S～70°S，30°～70°E)海平面氣壓顯著正相關(guān).

以上結(jié)果說明，在長白山地區(qū)降水的不同時間尺度變率受不同的大尺度氣候因子控制，預(yù)測長白山地區(qū)汛期降水時，有必要把年際和年代際分離，建立不同的預(yù)測模型.

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