冬季各月北太平洋濤動(dòng)的年際變化及其與我國(guó)降水異常的聯(lián)系

李忠賢,何鵬

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冬季各月北太平洋濤動(dòng)的年際變化及其與我國(guó)降水異常的聯(lián)系

李忠賢*,何鵬

南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣候與環(huán)境變化國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044

2014-12-01收稿,2015-03-31接受

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41575102);江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目(13KJB170013)

利用ERA-Interim的海平面氣壓(Sea Level Pressure,SLP)再分析資料和中國(guó)160站的降水觀測(cè)資料,分析了冬季各月(當(dāng)年12月、次年1月和2月)北太平洋濤動(dòng)(North Pacific Oscillation,NPO)的年際變化特征,及其與我國(guó)同期降水異常之間的聯(lián)系。結(jié)果表明:1)冬季各月NPO指數(shù)的年際變化較為顯著,但各月NPO指數(shù)年際變化之間的相關(guān)性較差,1979—2012年冬季12月與1月NPO指數(shù)年際變化之間的相關(guān)系數(shù)為0.09,而1月與2月NPO指數(shù)的相關(guān)系數(shù)僅為-0.003,均沒(méi)有通過(guò)信度檢驗(yàn)。2)1月和12月NPO指數(shù)年際變化與同期我國(guó)黃淮流域降水異常之間存在明顯的正相關(guān),而2月NPO指數(shù)年際變化與同期我國(guó)華北降水異常之間為明顯的負(fù)相關(guān)。3)當(dāng)1月(12月)NPO指數(shù)增加1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差時(shí),我國(guó)黃淮流域降水量比多年平均值增加約50%(40%);而當(dāng)2月NPO指數(shù)增加1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差時(shí),我國(guó)華北降水量比多年平均值減少約30%。

北太平洋濤動(dòng)

年際變化

冬季

降水

環(huán)流特征

北太平洋濤動(dòng)(North Pacific Oscillation,NPO)是指北太平洋大氣環(huán)流異常年際變化的主要模態(tài),反映的是北太平洋區(qū)域海平面氣壓(Sea Level Pressure,SLP)在高緯和低緯之間的蹺蹺板變化特征(Rogers,1981;王會(huì)軍等,2007;王林等,2011;李忠賢等,2014)。NPO的概念是美國(guó)天氣預(yù)報(bào)員在1916年首次提出,并且于20世紀(jì)20年代開(kāi)始被西方學(xué)者所關(guān)注(Walker,1924;Walker and Bliss,1932)。一些學(xué)者通過(guò)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(Empirical Orthogonal Function,EOF)分解方法對(duì)北太平洋SLP異常進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)其第二模態(tài)表現(xiàn)為NPO的分布形態(tài)(Kutzbach,1970;Roger,1979)。Wallace and Gutzler(1981)利用單點(diǎn)相關(guān)的技術(shù),進(jìn)一步證實(shí)了NPO的存在。研究指出NPO與其上空大氣的太平洋—北美型(Pacific-North American pattern,PNA)和太平洋西部型(Western Pacific pattern,WP)遙相關(guān)型有密切聯(lián)系,而且NPO和WP遙相關(guān)型有非常相似的垂直結(jié)構(gòu),被認(rèn)為是同一種大氣環(huán)流異常模態(tài)分別在海平面氣壓場(chǎng)和空間高度場(chǎng)上的不同表達(dá)(Linkin and Nigam,2008)。冬季NPO和WP的年際變化與太平洋風(fēng)暴軸等存在密切聯(lián)系(王娜和孫照渤,2013;袁凱等,2015)。

冬季NPO作為冬季北半球太平洋地區(qū)大尺度大氣環(huán)流的主要模態(tài)之一,其年際變化與中國(guó)的氣溫及降水之間有著密切的關(guān)系(Wang et al.,2007)。郭冬和孫照渤(2004)指出在NPO指數(shù)偏強(qiáng)年,東亞冬季風(fēng)偏弱,中國(guó)氣溫普遍偏高,長(zhǎng)江中下游地區(qū)降水偏少,而華南降水偏多;而在NPO指數(shù)偏弱年,東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng),中國(guó)氣溫普遍偏低,降水偏少。此外,研究發(fā)現(xiàn)前期冬季NPO年際變化與中國(guó)春季和夏季降水分布存在緊密的聯(lián)系(趙振國(guó)和廖荃蓀,1992;張靜等,2007;王林等,2011;周波濤和夏冬冬,2013)。利用逐月平均SLP和地表氣溫資料,Walker and Bliss(1932)指出,冬季NPO變化與北美、亞洲和南美地區(qū)的氣溫與降水有非常明顯的影響。Linkin and Nigam(2008)的分析表明,冬季NPO變異對(duì)太平洋西北部和北美地區(qū)冬季氣候具有重要影響。

迄今為止,學(xué)界主要針對(duì)季節(jié)平均(特別是冬季)NPO的年際、年代際變化及其與全球大氣環(huán)流和氣候異常的關(guān)系作了大量工作。然而,有關(guān)不同月份NPO的年際變化及其氣候影響的研究尚不多見(jiàn)。本文主要利用觀測(cè)資料,初步分析冬季各月NPO的年際變化及其與我國(guó)降水的聯(lián)系。

圖1　1979—2012年冬季12月(紅色柱狀線(xiàn))、1月(藍(lán)色柱狀線(xiàn))和2月(綠色柱狀線(xiàn))NPO指數(shù)變化(單位:hPa)Fig.1　December(red bars),January(blue bars) and February(green bars) NPO index in winter during 1979—2012(units:hPa)

1　資料和方法

本文使用的資料有:

1)歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心逐月SLP、500 hPa高度場(chǎng)與850 hPa風(fēng)場(chǎng)資料(Dee et al.,2011),水平分辨率為2.5°×2.5°,時(shí)段為1979年1月—2013年12月。

2)國(guó)家氣候中心提供的全國(guó)160站逐月降水量資料,時(shí)間段為1951年1月—2013年10月。

上述資料本文選用時(shí)段均為1979年12月—2013年2月。文中冬季是指當(dāng)年12月到次年2月(如:1979年冬季表示1979年12月、1980年1月與1980年2月,下不贅述)。

參照Furtado et al.(2012)定義NPO指數(shù)的方法,將冬季各月NPO北部中心(180°～140°W,55～72.5°N)各格點(diǎn)上SLP距平(SLP Anomaly,SLPA)的區(qū)域平均值與NPO南部中心(175°E～147.5°W,15～27.5°N)各格點(diǎn)上SLPA的區(qū)域平均值之差定義為當(dāng)前月份的NPO指數(shù)。

本文采用的方法主要有相關(guān)分析、一元線(xiàn)性回歸分析和Morlet小波分析(Torrence and Compo,1998)等統(tǒng)計(jì)方法。

2　冬季各月北太平洋濤動(dòng)的年際變化特征

圖1給出了1979—2012年冬季各月NPO指數(shù)的變化曲線(xiàn)。從圖1可以看出,冬季各月NPO指數(shù)均具有明顯的年際變化,而2月份NPO指數(shù)還存在年代際變化。此外,冬季NPO指數(shù)的季節(jié)內(nèi)變化也較為明顯,其中1979—2012年共34個(gè)冬季中各月NPO指數(shù)正、負(fù)符號(hào)不一致的年份共有23個(gè),約占總年份的68%。

為了分析冬季各月NPO指數(shù)變化的時(shí)間尺度特征,對(duì)冬季各月NPO指數(shù)進(jìn)行小波分析(圖2)。可見(jiàn),冬季各月NPO指數(shù)的年際變化特征較為顯著。12月NPO指數(shù)主要表現(xiàn)為2～4 a的周期變化(圖2a);1月NPO指數(shù)變化在20世紀(jì)80年代至90年代以2～4 a的周期為主,在21世紀(jì)初以后主要以4～8 a的周期為主(圖3b);2月NPO指數(shù)變化在20世紀(jì)80年代表現(xiàn)為2～4 a的顯著周期,20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初存在16 a左右的周期變化,但未通過(guò)信度檢驗(yàn)。

對(duì)冬季各月NPO指數(shù)進(jìn)行了年代際時(shí)間尺度分量濾波,提取出了各月NPO指數(shù)年際變化分量。如圖3所示,冬季各月NPO指數(shù)的正、負(fù)位相年份差異顯著。計(jì)算表明,12月NPO指數(shù)與1月NPO指數(shù)年際變化之間的相關(guān)系數(shù)為0.09,1月與2月NPO指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為-0.003,均沒(méi)有通過(guò)信度檢驗(yàn)。

圖2　1979—2012年冬季各月NPO指數(shù)的Morlet小波分析(陰影區(qū)通過(guò)了95%的置信度檢驗(yàn))　　a.12月;b.1月;c.2月Fig.2　The local wavelet power spectra for the winter monthly NPO index,based on the Morlet wavelet for the period 1979—2012(shading indicates the 95% confidence level):(a)December;(b)January;(c)February

圖3　1979—2012年冬季各月NPO指數(shù)的年際變化(單位:hPa)　　a.12月;b.1月;c.2月Fig.3　Interannual variations of the winter monthly NPO index during 1979—2012(units:hPa):(a)December;(b)January;(c)February

3　冬季各月北太平洋濤動(dòng)年際變化與我國(guó)降水異常的關(guān)系

圖4為冬季各月NPO指數(shù)年際變化與同期我國(guó)降水距平百分率的回歸系數(shù)分布。對(duì)比圖4a、b、c可見(jiàn),冬季不同月份NPO指數(shù)年際變化與同期降水異常之間的聯(lián)系存在較為明顯的差異。從圖4a可見(jiàn),當(dāng)12月NPO處于正(負(fù))位相時(shí),我國(guó)降水異常增加(減少)比較明顯的區(qū)域位于華北、黃淮和東南沿海地區(qū),尤其是黃淮流域,而我國(guó)東北地區(qū)的降水異常偏少(多);當(dāng)12月NPO指數(shù)增加(減少)1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差時(shí),我國(guó)黃淮流域降水量比同期多年平均值增加(減少)40%左右。如圖4b所示,當(dāng)1月NPO處于正(負(fù))位相時(shí),我國(guó)黃淮流域降水異常出現(xiàn)明顯的增加(減少);當(dāng)1月NPO指數(shù)增加(減少)1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差時(shí),我國(guó)黃淮流域降水量比同期多年平均值增加(減少)50%左右。圖4c表明,當(dāng)2月NPO指數(shù)增加(減少)1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差時(shí),我國(guó)華北地區(qū)降水量比同期多年平均值減少(增加)30%左右。

圖4　1979—2012年冬季各月NPO年際變化指數(shù)與同期中國(guó)160站降水百分率的回歸系數(shù)分布(淺、深陰影區(qū)分別通過(guò)了90%和95%的置信度檢驗(yàn)；單位：%)　　a.12月;b.1月;c.2月Fig.4　The simultaneous regression coefficients of the winter monthly NPO index and precipitation anomaly percentage in China during 1979—2012(light and dark shading indicates the 90% and 95% confidence levels,respectively;units:%):(a)December;(b)January;(c)February

4　冬季各月北太平洋濤動(dòng)年際變化與東亞大氣環(huán)流異常的關(guān)系

圖5為1979—2012年冬季各月NPO指數(shù)的年際變化與同期SLP場(chǎng)和500 hPa位勢(shì)高度距平場(chǎng)的回歸系數(shù)分布。圖5a表明,當(dāng)12月NPO處于正(負(fù))位相時(shí),東亞地區(qū)的SLPA場(chǎng)異常偏高(低),同時(shí)在其上空500 hPa高度場(chǎng)上也有正(負(fù))位勢(shì)高度異常變化,主要位于我國(guó)東北、朝鮮半島和日本地區(qū)(圖5d),這將有利于該地區(qū)異常反氣旋(氣旋)的形成,而且異常環(huán)流場(chǎng)通過(guò)了95%的置信度檢驗(yàn);與12月的情況較為類(lèi)似,當(dāng)1月NPO處于正(負(fù))位相時(shí),東亞地區(qū)SLP和500 hPa偏高(低)(圖5b、e),當(dāng)2月NPO處于正(負(fù))位相時(shí),我國(guó)西北和內(nèi)蒙古地區(qū)的SLP場(chǎng)偏高(低)(圖5c),而我國(guó)東北地區(qū)500 hPa高度場(chǎng)偏低(高)(圖5f),這將有利于我國(guó)華北地區(qū)出現(xiàn)異常的偏北(南)氣流。

圖5　1979—2012年冬季各月標(biāo)準(zhǔn)化NPO指數(shù)的年際變化與同期SLPA場(chǎng)(a,b,c；單位:hPa)和同期500 hPa位勢(shì)高度距平場(chǎng)(d,e,f；單位:gpm)的回歸系數(shù)分布(陰影區(qū)通過(guò)了95%的置信度檢驗(yàn))　　a,d.12月;b,e.1月;c,f.2月Fig.5　The simultaneous regression coefficients of (a—c)SLP anomaly(units:hPa) and (d—f)500 hPa geopotential height anomalies(units:gpm) on the interannual variations of the winter monthly NPO normalized index during 1979—2012(shadings indicate the 95% confidence level):(a,d)December;(b,e)January;(c,f)February

圖6為1979—2012年冬季各月NPO指數(shù)年際變化與同期850 hPa風(fēng)場(chǎng)距平的回歸系數(shù)分布。由圖6a可見(jiàn),當(dāng)12月NPO處于正(負(fù))位相時(shí),我國(guó)東北地區(qū)為異常反氣旋(氣旋)式的風(fēng)場(chǎng)距平,我國(guó)華北、黃淮地區(qū)位于異常反氣旋(氣旋)的南邊緣,將有利于(不利于)來(lái)自西太平洋的暖濕水汽向華北和黃淮地區(qū)輸送,從而使得華北、黃淮地區(qū)降水異常偏多(少);由圖6b所示,當(dāng)1月NPO處于正位相時(shí),長(zhǎng)江流域以北地區(qū)有異常偏南氣流向華北南部和黃淮地區(qū)輸送,使得該區(qū)域的降水增加,反之亦然;圖6c表明,2月NPO處于正(負(fù))位相時(shí),我國(guó)華北地區(qū)受到異常偏北(南)氣流的影響,這種異常風(fēng)場(chǎng)將加強(qiáng)(減弱)東亞冬季風(fēng),這一環(huán)流形勢(shì)有不利于(有利于)來(lái)自南邊海洋的暖濕氣流向我國(guó)華北地區(qū)輸送,從而導(dǎo)致我國(guó)華北地區(qū)降水減少(增加)。

5　結(jié)論與討論

本文利用1979年1月至2013年12月ERA-Interim逐月的SLP再分析資料和中國(guó)160站的降水觀測(cè)資料,分析了冬季各月NPO的年際變化特征,及其我國(guó)同期降水之間的聯(lián)系,得到如下結(jié)論:

1)冬季各月NPO指數(shù)年際變化的相關(guān)性較弱,其中12月與1月NPO指數(shù)年際變化之間的相關(guān)系數(shù)為0.09,而1月與2月NPO指數(shù)的相關(guān)系數(shù)僅為-0.003,均未通過(guò)信度檢驗(yàn)。

2)冬季各月NPO年際變化與我國(guó)降水異常存在緊密的聯(lián)系。當(dāng)12月NPO指數(shù)增加(減少)1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差時(shí),我國(guó)黃淮流域降水量比多年平均值增加(減少)40%左右;當(dāng)1月NPO指數(shù)增加(減少)1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差時(shí),我國(guó)黃淮流域降水量比同期多年平均值增加(減少)50%左右;當(dāng)2月NPO指數(shù)增加(減少)1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差時(shí),我國(guó)華北地區(qū)降水量比多年平均值減少(增加)30%左右。

3)冬季各月NPO年際變化與東亞地區(qū)大氣環(huán)流異常關(guān)系密切。當(dāng)12月NPO處于正(負(fù))位相時(shí),整個(gè)東亞地區(qū)的SLP場(chǎng)異常偏高(低),同時(shí)在其上空500 hPa高度場(chǎng)上也有正(負(fù))位勢(shì)高度異常變化,這將有利于該地區(qū)異常反氣旋(氣旋)式的風(fēng)場(chǎng)距平。受其影響,我國(guó)黃淮流域降水出現(xiàn)增加(減少);1月NPO與東亞大氣環(huán)流的聯(lián)系和12月較為類(lèi)似;當(dāng)2月NPO處于正(負(fù))位相時(shí),在我國(guó)西北、內(nèi)蒙古地區(qū)的SLP場(chǎng)異常偏高(低),我國(guó)東北地區(qū)500 hPa高度場(chǎng)偏低(高),這將使得我國(guó)華北地區(qū)出現(xiàn)異常的偏北(南)氣流,導(dǎo)致2月華北地區(qū)降水出現(xiàn)減少(增加)。

本文的研究表明,冬季NPO不僅存在明顯的年際變化,還存在明顯的季節(jié)內(nèi)(月平均時(shí)間尺度)變化。但是冬季不同月份NPO變化的相關(guān)系數(shù)偏小,這可能與冬季不同月份天氣尺度的北太平洋風(fēng)暴軸活動(dòng)和各月東亞副熱帶急流變化等有關(guān)(任雪娟等,2007;Linkin and Nigam,2008;王林等,2011),今后有必要對(duì)此進(jìn)行深入研究。

圖6　1979—2012年冬季各月標(biāo)準(zhǔn)化NPO指數(shù)的年際變化與同期850 hPa風(fēng)場(chǎng)距平的回歸系數(shù)分布(淺、深陰影區(qū)表示經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)分別通過(guò)了90%和95%的置信度檢驗(yàn)；單位:m·s-1)　　a.12月;b.1月;c.2月Fig.6　The simultaneous regression coefficients of 850 hPa wind anomalies on the winter monthly NPO normalized index during 1979—2012 (light and dark shading indicates the 90% and 95% confidence levels for the meridional wind fields,respectively;units:m·s-1):(a)December;(b)January;(c)February

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The North Pacific Oscillation(NPO) is one of the most prominent large-scale patterns of atmospheric low-frequency variability in the northern extratropics.It plays an important role in modulating atmospheric circulation and climate over the East Asian region.Based on the ERA-Interim sea level pressure data,along with the observed precipitation data of 160 stations in China provided by the National Climate Center,spanning from January 1979 to December 2013,the interannual variation of the winter monthly(December,January and February) NPO and its association with simultaneous precipitation in China and atmospheric circulation over East Asia are investigated in this paper through use of correlation analysis,linear regression analysis and Morlet wavelet analysis.

The results show that the monthly NPO has a significant interannual variation in wintertime.The index of the monthly NPO has a 2—4 yr period.Importantly,however,the correlations among the interannual variation of the winter monthly NPO indices are weak.During 1979—2012,the correlation coefficients between the NPO index in December and that in January is 0.09,while between January and February it is only -0.003,without passing the reliability test at the 95% confidence level.

Additionally,it is shown that the interannual variation of the NPO impacts evidently upon the precipitation anomalies over East China.Significant positive correlation is found between the interannual variations of the NPO and the precipitation over the Huanghuai River valleys in December and January.However,the interannual variation of the NPO in February relates negatively to the precipitation over North China in February.The precipitation over the Huanghuai River valleys increases by about 50%(40%) compared with its climatology as the NPO index increases by one standard deviation in January(December).Meanwhile,when the NPO index increases by one standard deviation in February,the precipitation over North China decreases by about 30%.

Furthermore,the monthly NPO is closely associated with anomalous East Asian atmospheric circulation,which leads to anomalous precipitation over East China.When the NPO index is positive in December and January,the simultaneous sea level pressure and 500 hPa geopotential height anomalies are positive over East Asia.As a result,the precipitation over the Huanghuai River valleys increases in December and January.When the NPO index is negative in December and January,the simultaneous sea level pressure and 500 hPa geopotential height anomalies are negative over East Asia.Accordingly,the precipitation over the Huanghuai River valleys decreases in December and January.When the NPO index is positive in February,the sea level pressure anomalies are positive over northwestern China and Inner Mongolia and the 500 hPa geopotential height anomalies are negative over northeastern China,which leads to a decrease in precipitation over North China in February.Lastly,when the NPO index is negative in February,the sea level pressure anomalies are negative over northwestern China and Inner Mongolia and the 500 hPa geopotential height anomalies are positive over northeastern China,resulting in increased precipitation over North China in February.

North Pacific Oscillation;interannual variation;winter;precipitation;circulation features

(責(zé)任編輯：孫寧)

Interannual variation of the winter monthly North Pacific Oscillation and its association with precipitation in China

LI Zhongxian,HE Peng

KeyLaboratoryofMeteorologicalDisaster,MinistryofEducation(KLME)/JointInternationalResearchLaboratoryofClimateandEnvironmentChange(ILCEC)/CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20141203001

引用格式：李忠賢,何鵬,2016.冬季各月北太平洋濤動(dòng)的年際變化及其與我國(guó)降水異常的聯(lián)系[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),39(5):600-607.

Li Z X,He P,2016.Interannual variation of the winter monthly North Pacific Oscillation and its association with precipitation in China[J].Trans Atmos Sci,39(5):600-607.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20141203001.(in Chinese).

*聯(lián)系人，E-mail:lizhongxian@nuist.edu.cn