中國(guó)東部水汽低頻振蕩的季節(jié)變化特征

潘一銘，李華實(shí)

（1.上思縣氣象局， 廣西 防城港 535500；2.崇左市氣象局，廣西 崇左 532200）

關(guān)于水汽的低頻振蕩，學(xué)者們大多研究了這幾方面，比如關(guān)于范圍降水與大氣低頻振蕩的關(guān)系，例如熱帶低頻振蕩與各地降水的關(guān)系等［1］，江淮梅雨［2］、西北地區(qū)東部春季降水［3］等，關(guān)于各種夏季風(fēng)的低頻振蕩，比如南海夏季風(fēng)［4］、京津冀夏季風(fēng)的低頻振蕩［5］等，關(guān)于某區(qū)域旱澇的低頻振蕩，例如江淮夏季典型旱澇年的水汽輸送低頻振蕩［6］、中國(guó)夏季各地區(qū)的持續(xù)性強(qiáng)降水等。但是我國(guó)大范圍的水汽低頻振蕩總特征卻少有研究。

圖1 （a）（b）（c）（d）分別為1981～2010年濾波后的春、夏、秋和冬季的水汽均方差分布（陰影）和濾波前后均方差比值分布（曲線）

本文希望通過(guò)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)、拓展經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)和小波分析等方法來(lái)對(duì)中國(guó)東部水汽低頻振蕩的季節(jié)性變化從空間和時(shí)間上進(jìn)行討論，希望能夠進(jìn)一步了解中國(guó)東部水汽的低頻振蕩特征，初步分析水汽低頻振蕩形勢(shì)變化的原因。

1 資料和方法說(shuō)明

1．1 資料

氣柱可降水量是氣柱各層水汽的累加值，它表示某地單位面積上整層大氣的總水汽含量。采用1981至2010年NCEP多年日平均可降水量資料來(lái)表示水汽，分辨率為 2．5°×2．5°。 根據(jù)中國(guó)東部的定義，又考慮到研究計(jì)算的方便性，選取范圍為110°～135°E，15°～55°N。

表1 EOF前5個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率

1．2 資料處理方法

已有研究表明，我國(guó)東部水汽的年信號(hào)最強(qiáng)，本文重點(diǎn)分析中國(guó)東部的低頻振蕩特征，為了探求中國(guó)東部的低頻振蕩的季節(jié)變化特征，先對(duì)原始資料去除了水汽資料的年變化趨勢(shì)，然后進(jìn)行10～90d的帶通濾波處理。用處理過(guò)的資料做四季的水汽資料均方差分布圖，觀察水汽低頻振蕩的空間和強(qiáng)度分布。然后進(jìn)行EOF、小波分析和EEOF分析，其中EEOF分析取了兩個(gè)滯后時(shí)段，每個(gè)滯后時(shí)段根據(jù)EOF時(shí)間系數(shù)的小波分析結(jié)果的主周期來(lái)確定。

2 中國(guó)東部水汽低頻振蕩的四季分布

圖1為我國(guó)東部濾波前及10～90d帶通濾波后的四季水汽均方差比的空間分布，反映了不同季節(jié)水汽低頻振蕩的地理分布和強(qiáng)度情況。

從圖1中可以看出，夏季的水汽低頻振蕩信號(hào)最強(qiáng)，能量最大，冬季的水汽低頻振蕩能量最小。四季的水汽低頻振蕩強(qiáng)度大值多出現(xiàn)在華南、東海、長(zhǎng)江中下游，低頻振蕩活躍區(qū)域大多出現(xiàn)在華南、東海、長(zhǎng)江中下游和東北地區(qū)，并且隨著季節(jié)的變化而移動(dòng)。其中，東北地區(qū)的水汽低頻振蕩雖然相對(duì)活躍，但是強(qiáng)度很小。以春季為基準(zhǔn)，水汽低頻振蕩的強(qiáng)度大值區(qū)在夏季北移，秋季西進(jìn)，冬季南移，似與西太平洋副熱帶高壓的季節(jié)移動(dòng)相符合，并且與中國(guó)東部的雨季隨時(shí)間變化相一致。

3 EOF分析結(jié)果

這里對(duì)濾掉年和半年變化并且進(jìn)行10～90d濾波的水汽資料進(jìn)行自然正交分解，得到我國(guó)東部水汽低頻振蕩的空間分布和時(shí)間特征。EOF分析中前5個(gè)模態(tài)均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)，前5個(gè)模態(tài)的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了71．62%，前五個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率見(jiàn)表1。這里只分析方差貢獻(xiàn)率較大的三個(gè)模態(tài)。

圖2和圖3分別為對(duì)中國(guó)東部水汽低頻振蕩做EOF后前三個(gè)模態(tài)的空間場(chǎng)和時(shí)間序列圖。這里對(duì)我國(guó)東部水汽低頻振蕩的EOF前三個(gè)模態(tài)的空間分布（圖2）和時(shí)間序列（圖3）進(jìn)行分析。

第一模態(tài)主要表現(xiàn)出了水汽低頻振蕩的總體空間分布特征，我國(guó)東部水汽低頻振蕩大約以長(zhǎng)江為界，南北符號(hào)相反，呈反向分布特征。對(duì)照該模態(tài)的時(shí)間序列（圖3a），當(dāng)時(shí)間系數(shù)為正的時(shí)候，可能受南海這個(gè)第一水汽源地的影響［7］，水汽在長(zhǎng)江以南增加，在長(zhǎng)江以北減少，而當(dāng)時(shí)間系數(shù)為負(fù)的時(shí)候正好相反，此時(shí)可能受亞洲北方大陸、歐洲大陸或海域這個(gè)第三水汽源地的影響，在長(zhǎng)江以北水汽含量增加，而在長(zhǎng)江以南水汽含量減少。

圖2 （a）（b）（c）分別為我國(guó)東部水汽低頻振蕩的EOF第一、第二和第三模態(tài)空間場(chǎng)

第二模態(tài)可以看出我國(guó)東部水汽低頻振蕩的另一種主要地理分布特征，長(zhǎng)江流域和東海地區(qū)為負(fù)值，其他地區(qū)為正值，在中國(guó)東部由北向南呈現(xiàn)出負(fù)——正——負(fù)的分布形勢(shì)，即不同的正負(fù)形勢(shì)由北向南間隔分布。對(duì)照該模態(tài)的時(shí)間序列（圖3b），當(dāng)時(shí)間系數(shù)為正值時(shí)，可能受孟加拉灣、阿拉伯海這個(gè)第二水汽源地的影響，從西南向東北朝我國(guó)傳送過(guò)來(lái)大量水汽，使得長(zhǎng)江流域、東海地區(qū)水汽增加，我國(guó)東部水汽低頻振蕩從北至南表現(xiàn)為負(fù)——正——負(fù)的分布形勢(shì)，而時(shí)間系數(shù)為負(fù)值時(shí)剛好相反。

第三模態(tài)可以看出我國(guó)東部水汽低頻振蕩另一種主要地理分布特征，即我國(guó)東部基本上大部分地區(qū)都是正異常，只在最北部出現(xiàn)負(fù)異常，說(shuō)明我國(guó)東部水汽振蕩在空間上具有整體的一致性，此時(shí)的異常中心出現(xiàn)在江南、華南的東部。當(dāng)時(shí)間系數(shù)是正值的時(shí)候，我國(guó)東部絕大部分地區(qū)水汽含量增加，當(dāng)時(shí)間系數(shù)為負(fù)時(shí)我國(guó)東部絕大部分地區(qū)水汽含量減少。而無(wú)論何時(shí)，江南、華南東部的水汽變化是最大的，說(shuō)明那里的水汽低頻振蕩最為強(qiáng)烈。

從圖3可以看出，我國(guó)東部去除年、半年變化的水汽資料具有明顯的低頻振蕩特征。圖3（a）（b）表現(xiàn)得最明顯，在夏季，時(shí)間序列分別出現(xiàn)正、負(fù)的最大值，說(shuō)明低頻振蕩在夏季的幅度最大，振蕩最明顯，能量也最大，春秋次之，冬季的振蕩能量最小，振蕩最弱。這與之前（圖1）中關(guān)于不同季節(jié)水汽低頻振蕩的分析相一致。

圖3 （a）（b）（c）分別為我國(guó)東部水汽低頻振蕩EOF分析前三個(gè)模態(tài)的時(shí)間變化系數(shù)

圖4是對(duì)處理過(guò)的水汽資料做EOF后前兩個(gè)模態(tài)的時(shí)間序列做小波分析得到的結(jié)果圖。從圖4中看出，我國(guó)東部水汽低頻振蕩在春、秋和冬季有60d左右的振蕩周期，在夏季明顯周期較短。

4 EEOF結(jié)果分析

為了進(jìn)一步研究我國(guó)東部水汽低頻振蕩的時(shí)空特征，特別是在不同季節(jié)里空間的分布和演變，這里對(duì)處理過(guò)的我國(guó)東部水汽進(jìn)行拓展經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析。因?yàn)榭紤]到理論上同一季節(jié)各個(gè)模態(tài)的水汽振蕩空間場(chǎng)演變的周期應(yīng)該是一致的，又因?yàn)槠拗频脑?，這里只分析EEOF前兩個(gè)模態(tài)的時(shí)空演變。

4．1 春季EEOF的演變特征

首先進(jìn)行春季的EEOF分析，根據(jù)上文圖4分析得到，我國(guó)東部水汽低頻振蕩在春季具有60d左右的振蕩周期，這里取8d作為EEOF分析的滯后時(shí)間。我國(guó)東部春季水汽低頻振蕩前8個(gè)特征向量分別解釋了總方差的 13．7% 、11．8% 、8．0% 、7．6% 、6．0%、5．5%、5．1%和 3．6%， 前八個(gè)特征向量方差貢獻(xiàn)總和達(dá)61．2%。其中前兩個(gè)特征向量解釋了總方差的25．5%，它們的典型場(chǎng)是描述我國(guó)春季東部水汽低頻振蕩的主要分量。由于篇幅限制，這里只給出EEOF分析后第一模態(tài) （EEOF1）和第二模態(tài)（EEOF2）的典型場(chǎng)。

圖4 EOF第一模態(tài)（a）和第二模態(tài)（b）時(shí)間序列的小波功率譜等值線分布（陰影覆蓋的區(qū)域?yàn)橥ㄟ^(guò)90%置信水平，點(diǎn)線區(qū)域?yàn)槭苓吔缬绊憛^(qū)域）

圖5 春季我國(guó)東部水汽低頻振蕩EEOF分析，（a）（b）（c）是不同滯后的EEOF1 典型場(chǎng)，（d）（e）（f）為不同滯后的 EEOF2 典型場(chǎng)。

從圖5可以看出，EEOF1中滯后16d與EEOF2中滯后0d的形勢(shì)相似，都是在河北和朝鮮半島出現(xiàn)負(fù)值中心，而南方是正值，并在臺(tái)灣、福建地區(qū)出現(xiàn)正值中心。而EEOF1滯后0天與EEOF2滯后16d的形勢(shì)相似，符號(hào)相反，特征相反。EEOF1滯后0天是中國(guó)東部的絕大部分地區(qū)是負(fù)值，南方小部分地區(qū)是正值，而EEOF2滯后16d正好相反，我國(guó)東部絕大部分是正值，南方小部分是負(fù)值。從中可以認(rèn)為，EEOF1和EEOF2是描述我國(guó)東部水汽低頻振蕩同一周期的不同時(shí)刻的形勢(shì)，EEOF1超前EEOF2四分之一的位相，這與圖6時(shí)間序列中顯示的兩模態(tài)位相關(guān)系一致。將EEOF1和EEOF2的不同時(shí)間滯后圖按下列次序排列，EEOF1滯后0d，滯后8d， 滯后 16d，EEOF2 滯后 0d，滯后8d，滯后16d正好構(gòu)成了水汽低頻振蕩的半個(gè)周期，即32d。這樣，我國(guó)東部水汽低頻振蕩在春季具有64d左右的振蕩周期。在春季，無(wú)論從哪個(gè)時(shí)刻開(kāi)始計(jì)算，我國(guó)東部某個(gè)地點(diǎn)的水汽低頻振蕩都在半個(gè)振蕩周期 （32d左右）以后會(huì)轉(zhuǎn)為完全相反的位相，整個(gè)振蕩周期（64d左右）回到原來(lái)的位相，形成一個(gè)循環(huán)，完成一次振蕩過(guò)程。

圖6是春季我國(guó)東部水汽低頻振蕩EEOF1和EEOF2的時(shí)間序列圖，可以明顯看出EEOF1超前EEOF2四分之一個(gè)位相，這與上面的討論一致，而且EEOF1和EEOF2擁有相似的振蕩趨勢(shì)，在春季，我國(guó)東部水汽低頻振蕩的振幅在18以內(nèi)。從圖中還可以看到，雖然特征向量時(shí)間系數(shù)變化很大，但在同一周期中，第一、二特征向量時(shí)間系數(shù)的振輻大小相差不大，這一現(xiàn)象對(duì)于保證第一、二特征向量之間可以互相替換，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的周期循環(huán)是非常重要的［8］。

圖6 春季我國(guó)東部水汽低頻振蕩EEOF分析的前兩個(gè)模態(tài)時(shí)間系數(shù)序列（第一模態(tài)（實(shí)線）和第二模態(tài)（虛線））

4．2 夏、秋和冬季EEOF的演變特征

夏、秋和冬季的EEOF演變分析與上文春季的方法相同，考慮到篇幅原因，這里只給出結(jié)論。根據(jù)分析，我國(guó)東部的水汽低頻振蕩在夏季具有24d左右的振蕩周期，振蕩振幅在30以內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于其他季節(jié)。在秋季，具有64d左右的振蕩周期，振幅在正負(fù)15以內(nèi)，強(qiáng)度與春季相當(dāng)。而在冬季也具有64d左右的振蕩周期，振幅在12以內(nèi)，是四季中低頻振蕩最不活躍的季節(jié)。

5 結(jié)果與討論

通過(guò)對(duì)中國(guó)東部水汽低頻振蕩進(jìn)行均方差分析、EOF和EEOF進(jìn)行分析，結(jié)果表明，我國(guó)東部的水汽具有明顯的低頻振蕩特征，并得到以下結(jié)論：

（1）我國(guó)東部夏季的水汽低頻振蕩信號(hào)最強(qiáng)，能量最大，冬季的水汽低頻振蕩能量最小。四季的水汽低頻振蕩強(qiáng)度大值多出現(xiàn)在華南、東海、長(zhǎng)江中下游，低頻振蕩活躍區(qū)域大多出現(xiàn)在華南、東海、長(zhǎng)江中下游和東北地區(qū)，并且隨著季節(jié)的變化而移動(dòng)，以春季為基準(zhǔn)，水汽低頻振蕩的強(qiáng)度大值區(qū)在夏季北移，秋季西進(jìn)，冬季南移，似與西太平洋副熱帶高壓的季節(jié)移動(dòng)相符合，并且與中國(guó)東部的雨季隨時(shí)間變化相一致。所以水汽低頻振蕩的強(qiáng)度位置變化可能與大氣環(huán)流形勢(shì)的改變有關(guān)。

（2）我國(guó)東部水汽低頻振蕩主要具有三個(gè)空間分布特征。一是我國(guó)東部水汽低頻振蕩大約以長(zhǎng)江為界，南北具有相反的變化趨勢(shì)。可能受南海這個(gè)第一水汽源地的影響，水汽在長(zhǎng)江以南增加，在長(zhǎng)江以北減少，但是當(dāng)受亞洲北方大陸、歐洲大陸或海域這個(gè)第三水汽源地的影響的時(shí)候，在長(zhǎng)江以北水汽含量增加，而在長(zhǎng)江以南水汽含量減少。二是不同的正負(fù)形勢(shì)由北向南間隔分布，即出現(xiàn)正負(fù)正或者負(fù)正負(fù)的形勢(shì)。這樣的形勢(shì)的出現(xiàn)可能是受孟加拉灣、阿拉伯海這個(gè)第二水汽源地的影響，當(dāng)從西南向東北朝我國(guó)傳送過(guò)來(lái)大量水汽，使得長(zhǎng)江流域、東海地區(qū)水汽增加時(shí)，我國(guó)東部水汽低頻振蕩從北至南表現(xiàn)為負(fù)——正——負(fù)的分布形勢(shì)。反之振蕩形勢(shì)相反。三是我國(guó)東部水汽振蕩在空間上具有整體的一致性，絕大部分都是正異?；蛘哓?fù)異常，此時(shí)的異常中心出現(xiàn)在江南、華南的東部。

（3）不同季節(jié)水汽低頻振蕩的周期，在春、秋和冬季都具有64d左右的振蕩周期，只有在夏季具有24d左右的振蕩周期。從中可以看出，我國(guó)東部的水汽低頻振蕩在夏季的幅度最大，振蕩最明顯，能量也最大，春秋次之，冬季的振蕩能量最小，振蕩最弱。而EEOF的空間場(chǎng)分布其實(shí)是上文中EOF分析中各個(gè)主要模態(tài)的交替，構(gòu)成了振蕩中的各個(gè)時(shí)刻的不同位相，其主要分布特征與EOF分析一致。

本文能夠初步得出中國(guó)東部水汽低頻振蕩的各個(gè)季節(jié)特征，但因?yàn)檎袷幹芷谳^短，EEOF分析中所滯后時(shí)間都是整數(shù)，所以歸納出來(lái)的各個(gè)時(shí)刻空間場(chǎng)的位相也有些偏差，但是不太影響整體的研究和討論。

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