西南地區(qū)東部秋季降水特征及其異常年對應的?！獨怅P系

常怡瑤，魏麟驍

(1.民航重慶空管分局，重慶　401120；2.重慶市氣候中心，重慶　401147)

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西南地區(qū)東部秋季降水特征及其異常年對應的?！獨怅P系

常怡瑤，魏麟驍

(1.民航重慶空管分局，重慶401120；2.重慶市氣候中心，重慶401147)

該文利用觀測降水資料，NCEP/NCAR再分析資料以及NOAA第四版月平均海溫資料，分析了西南地區(qū)東部秋季降水年際變化的主模態(tài)以及與其聯(lián)系的大氣環(huán)流和海溫異常。結果表明，西南地區(qū)東部秋季降水主要表現(xiàn)為全區(qū)一致型(EOF1)和南北反相型(EOF2)。第一模態(tài)對應著副熱帶西風急流減弱，青藏熱低壓和副熱帶高壓偏強、偏西，東亞大槽偏弱，印緬槽持續(xù)發(fā)展，來自孟加拉灣和南海的水汽不斷向西南地區(qū)東部輸送；這一模態(tài)與同期10月的赤道中部太平洋海溫有著密切關系。與秋季降水第二模態(tài)相聯(lián)系的環(huán)流場上，副熱帶西風急流增強，青藏熱低壓和副高偏弱，對流層中部的位勢高度場以經向環(huán)流為主，南支槽活動較弱，不利于水汽向中、高緯地區(qū)輸送；這一模態(tài)與同期3月南半球新喀里多尼亞島附近海域的海溫最為密切。

西南地區(qū)東部；秋季降水；大氣環(huán)流；海表溫度

1　引言

“華西秋雨”是我國主要的雨季之一，主要出現(xiàn)在四川、重慶、貴州、云南等地，出現(xiàn)時段以9—10月為主，其主要特點是雨日雖多，雨量卻不大，降水量多于春季，僅次于夏季。“華西秋雨”使該地區(qū)氣溫偏低，減少了日照時數(shù)，不利于農作物的收獲和播種，雖然沒有其它氣象災害嚴重，但同樣給農業(yè)生產和國民經濟建設帶來了很大損失，因此，對華西地區(qū)秋雨的研究具有重要意義。高由禧[1，2]發(fā)現(xiàn)秋季降水主要集中在華西地區(qū)，最早始于高空西風環(huán)流首次在秋雨區(qū)出現(xiàn)，并且地面冬季風開始建立時；當西風急流穩(wěn)定在西南地區(qū)上空，冬季風開始盛行時，華西秋雨結束，并將華西秋雨的起止日期定為8月底和10月第4候，隨后，我國研究人員對“華西秋雨”展開了一系列的研究。徐桂玉[3]等指出華西秋雨期間的降水空間分布表現(xiàn)為緯向型、經向型和準全區(qū)型。馮麗文和郭其蘊[4]發(fā)現(xiàn)華西秋雨具有準3 a、13 a和17 a周期，并且具有年代際變化[5]，20世紀60—70年代秋雨北多南少，80年代后到21世紀北少南多。蔣竹將等[5]和羅霄等[6]通過對不同的華西秋雨指數(shù)進行分析后發(fā)現(xiàn)，華西秋雨主要具有4～8 a和5～8 a的周期。

華西秋雨發(fā)生在大氣環(huán)流進行調整的時期，受到環(huán)流系統(tǒng)和外強迫的共同影響。徐桂玉等[3]的研究發(fā)現(xiàn)，9月和10月的500 hPa環(huán)流場上的歐亞型特征是華西秋雨緯向型降水的背景場。鮑媛媛等[7]通過對2001年的華西秋雨進行分析后發(fā)現(xiàn)，巴爾喀什湖地區(qū)低壓槽上不斷分裂東移的冷空氣與暖濕氣流交匯于華西地區(qū)，造成該地區(qū)持續(xù)不斷的陰雨天氣，這一結論和王遵婭等[8]的結論一致。白虎志和董文杰[9]的研究也發(fā)現(xiàn)巴爾喀什湖低壓槽、西太平洋副熱帶高壓和印緬槽是影響華西秋雨強、弱的主要環(huán)流系統(tǒng)。陸面熱狀況對華西地區(qū)秋季降水有一定影響，陳忠明等[10]的研究發(fā)現(xiàn)，青藏高原地表熱狀況與華西秋雨之間存在顯著的負相關關系。我國很多學者[11-13]都指出赤道太平洋海溫異常對我國降水有影響，也包括秋季。韓晉平等[14]的研究指出熱帶中太平洋海表偏冷時，副熱帶高壓偏強偏西，我國北方秋雨偏多，反之亦然。劉宣飛和袁慧珍[15]指出ENSO可以調制IOD 與秋雨的關系，IOD正位相年，我國西南地區(qū)和黃河流域的秋季降水均偏多，但是，當其伴隨著El Nio發(fā)生時，黃河流域的秋季降水偏少。

盡管對于“華西秋雨”的研究已經取得了大量成果，但是，西南地區(qū)東部的氣候特征有別于西南其它地區(qū)，前人已經對該地區(qū)夏季降水特征做出了分析，例如，李永華等[16]發(fā)現(xiàn)西南地區(qū)東部與宜賓以下的整個長江流域和西藏東部及川西高原的降水呈顯著正相關,而與華南及東南沿海地區(qū)、華北中部和四川盆地西部地區(qū)呈顯著負相關；并且發(fā)現(xiàn)前期赤道東太平洋海表溫度偏高,西南地區(qū)東部夏季降水偏多的可能性大，同時，當前期春季印度洋海表溫度偏高時,西南地區(qū)東部夏季降水也可能偏多[17]。但是對于該區(qū)域秋季降水的變化特征還沒有人涉及，本文在前人工作的基礎上，進一步探討西南地區(qū)東部秋季降水的變化特征及其成因，利用EOF方法揭示其時空分布特征，并采用相關分析和合成分析等方法分析與主模態(tài)相聯(lián)系的大氣環(huán)流、海溫特征。

2　資料和方法

本文使用的觀測資料包括國家氣候中心整編的全國月平均降水格點資料[18]，這套資料共有0.25°×0.25°和0.5°×0.5°兩個版本，本文使用了后者，起始時間為1961—2010年，這套資料已經廣泛應用于氣候變化研究中。以及美國國家環(huán)境預測中心/國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)提供的月平均再分析資料，水平分辨率為2.5°×2.5°，主要使用了位勢高度場、海平面氣壓場、風場、溫度場等；海溫資料使用的是美國國家大氣海洋局(NOAA)發(fā)布的第四版延長重構的月平均海溫資料，水平分辨率為2°×2°，選用的時間段為1960—2010年。由于冬季風一般始于11月，本文將9月和10月的降水量之和作為秋季降水，將9月和10月環(huán)流場的平均作為秋季環(huán)流場。采用經驗正交函數(shù)分解(EOF)方法得到西南地區(qū)東部秋季降水場的主模態(tài)及相應的時間系數(shù)。也使用了合成、相關等方法來探討與各模態(tài)對應的大氣環(huán)流和海溫特征。

3　西南地區(qū)東部秋季降水主模態(tài)

首先，利用EOF方法對西南地區(qū)東部秋季降水進行分析(這一區(qū)域的格點數(shù)共有144個，能夠合理地描述降水的空間分布特征)，EOF方法是氣候研究中常用的分析方法，它能夠揭示出氣象場中的主要模態(tài)[19,20]。秋季降水前5個模態(tài)的方差貢獻率見表1。前兩個特征向量的方差貢獻率分別為46.5%和26.4%,累計方差貢獻率達到72.9%，這兩個模態(tài)基本可以代表西南地區(qū)東部秋季降水的分布特征，并且都通過了North檢驗。其余模態(tài)所占的方差貢獻率太小(例如第3模態(tài)只占了8.5%)，本文不再分析。

圖1a、1b分別為EOF分析第1模態(tài)的空間分布、時間系數(shù)序列圖。如圖1a所示，空間場的整體特征為全區(qū)一致，其高值區(qū)出現(xiàn)在29.5～31.5°N之間。從第1模態(tài)時間序列的變化可以看到，西南地區(qū)東部降水有下降的趨勢。

表1　西南地區(qū)東部秋季降水前5個主模態(tài)的方差貢獻

圖1　1961—2010年西南地區(qū)東部降水年際變化EOF第1模態(tài)的空間分布(a)、時間系數(shù)(b)Fig.1　The spatial distribution and normalized time series of the first EOF mode of autumn precipitation over the east of Southwestern China for the period of 1961—2010

圖2a、2b分別給出了西南地區(qū)東部降水EOF2的空間分布、時間系數(shù)圖。從圖2a上可以看到，30°N以北和以南區(qū)域存在著反位相的變化關系。EOF2時間序列的變化表明(圖2b)，這種分布型存在著年際和年代際的變化特征。

圖2　1961—2010年西南地區(qū)東部降水年際變化EOF第2模態(tài)的空間分布(a)、時間系數(shù)(b)Fig.2　The spatial distribution and normalized time series of the second EOF mode of autumn precipitation over the east of southwestern China for the period of 1961—2010

大氣環(huán)流和海表溫度是影響降水的主要因子，本文利用合成分析的方法，首先從EOF1和EOF2的標準化時間序列中分別挑選出>+1和<-1的年份(表2)，然后計算出時間系數(shù)>+1與<-1年份平均的大氣環(huán)流場之間的差值場，得到與西南地區(qū)東部秋季降水前兩個主模態(tài)相關的合成圖。本文也利用相關分析的方法，將前兩個主模態(tài)的時間系數(shù)與前期(超前1 a)和同期海溫做相關，挑選出相關最大月份的相關系數(shù)分布場。

表2　西南地區(qū)東部秋季降水主模態(tài)標準化事件序列<-1和>1的年份

4　與降水相聯(lián)系的大氣環(huán)流和海溫異常

西南地區(qū)東部秋季降水必然受到大氣環(huán)流的影響，因此，選取對流層不同氣壓層上的氣象要素進行合成，用來考察與秋季降水各主模態(tài)的相聯(lián)系的大氣環(huán)流變化特征。

圖3是與西南地區(qū)東部秋季降水相聯(lián)系的大氣環(huán)流場。由圖3a可見，當降水一致偏多時，以蒙古國西部為中心，東亞大陸的海平面氣壓異常偏低，青藏熱低壓的影響持續(xù)存在，暖濕空氣團在冷氣團上方大量凝結，形成連陰雨天氣，而西太平洋地區(qū)的海平面氣壓偏高。850 hPa風場上，我國東部地區(qū)都被異常的偏南風控制，這會為該地區(qū)帶來更多的水汽，中國大陸東部為一弱的反氣旋型環(huán)流，副熱帶高壓的影響仍然存在，與海平面氣壓場相對應，蒙古國西部被異常的氣旋性環(huán)流控制。同時，在500 hPa高度上，我國東部、朝鮮和日本上空被正的位勢高度異?？刂?，說明東亞大槽偏弱，而西北等地位勢高度為負異常，這說明新疆高壓脊減弱，-10 gpm的負距平線向南伸展到了孟加拉灣附近，表明西部中緯度地區(qū)多低槽活動，同時印緬槽發(fā)展。200 hPa高度上，副熱帶西風急流明顯減弱，而急流核的南北兩側緯向西風加強(圖3d)。這樣的環(huán)流配置有利于西南地區(qū)東部秋季降水的增加。

圖4是與西南地區(qū)東部降水EOF2相聯(lián)系的大氣環(huán)流異常場。對應于EOF2的正位相，我國大部分地區(qū)的海平面氣壓場異常偏高，高壓中心位于蒙古國西部(圖4a)，850 hPa風場上，蒙古國西部被一異常的反氣旋性環(huán)流控制，這一信號在500 hPa高度場上也有體現(xiàn)，東亞大陸上空被異常的偏北風控制，華南地區(qū)上空為一異常的反氣旋型環(huán)流。500 hPa上，環(huán)流以經向環(huán)流為主，東部地區(qū)被負的位勢高度異常控制，副熱帶高壓減弱，孟加拉灣附近為正的位勢高度距平，不利于南支槽的發(fā)展。200 hPa上的緯向風分布與EOF1對應的風場分布相反，副熱帶西風急流明顯增強?？傊?，這樣的環(huán)流配置不利于水汽向北方輸送，造成了該地區(qū)南部降水偏多，而北部降水偏少。

圖3　1961—2010年西南地區(qū)東部秋季降水EOF1時間序列對應的氣象要素的合成差值場：(a)海平面氣壓；(b)850 hPa風場；(c) 500 hPa高度場；(d)200 hPa緯向風場(陰影區(qū)域表示通過了95%信度檢驗的區(qū)域)Fig.3　The composite maps of the normalized anomalies of (a) Sea level pressure, (b) 850-hPa wind, (c) 500 hPa geopotential height and (d) 200 hPa u-wind on thenormalized first principal component (PC1) of autumn precipitation over the east of southwestern China for the period of 1961—2010.light and dark shadings have passed significance levels at 95%

海洋與大氣相比，它的質量和比熱很大，對大氣環(huán)流的變化起著緩沖期和調節(jié)器的作用，因而對中國氣候的年際和年代際變異具有重要作用，唐浩鵬[21]等分析了貴州夏季降水與太平洋海溫的關系，因此，下面進一步分析與西南地區(qū)東部秋季降水年際變化相聯(lián)系的海平面溫度(SST)的分布狀況。

圖5是與我國西南地區(qū)東部降水EOF1的時間系數(shù)與同期(1961—2010年)和前期(1960—2009年)相關系數(shù)分布圖，本文挑選出了相關系數(shù)絕對值最大，并且分布范圍最廣的區(qū)域?？梢钥吹?，在同期10月，赤道中太平洋的海溫分布與EOF第1模態(tài)最為密切，呈現(xiàn)顯著的負相關，相關系數(shù)的絕對值在0.4以上，而且，這一區(qū)域密切的相關性從同期6月份就已經出現(xiàn)，并且不斷發(fā)展擴大，阿留申群島附近的相關性也很顯著。因此，當赤道中太平洋地區(qū)的海溫為負異常時，西南地區(qū)東部秋季降水偏多，反之，降水則偏少。本文也給出了超前1 a 4月的海溫與EOF1時間系數(shù)的相關分布圖，阿留申群島附近和菲律賓東北部海域的海溫與第1模態(tài)的關系最為密切，分別呈現(xiàn)出明顯的正相關和負相關分布，這表明這兩個區(qū)域前1 a的海溫異常對該模態(tài)具有一定的預測意義。

圖4　1961—2010年西南地區(qū)東部秋季降水EOF2時間序列對應的氣象要素的合成差值場：(a)海平面氣壓；(b)850 hPa風場；(c) 500 hPa高度場；(d)200 hPa緯向風場(陰影區(qū)域表示通過了95%信度檢驗的區(qū)域)Fig.4　The composite maps of the normalized anomalies of (a) Sea level pressure, (b) 850-hPa wind, (c) 500 hPa geopotential height and (d) 200 hPa u-wind on thenormalized secondprincipal component (PC2) of autumn precipitation over the east of southwestern China for the period of 1961—2010.light and dark shadings have passed significance levels at 95%

圖5　1961—2010年西南地區(qū)東部秋季降水EOF1時間系數(shù)序列與同期和前期海溫的相關系數(shù)分布(陰影區(qū)域表示通過了95%信度檢驗的區(qū)域)Fig.5　Correlation maps of concurrent SST and preceding SST with the time series of EOF1 for the autumn rainfall in the east of Southwest from 1961 to 2010, shading areas indicate statistical significance at 95% level

EOF2的時間系數(shù)與同期海溫相關最為密切的時間出現(xiàn)在同年3月，位于南半球新喀里多尼亞島附近，這種相關性從同期3月開始，共持續(xù)了4個月(圖略)，與EOF1的海溫相關分布相比，其相關范圍較小。當該區(qū)域海溫異常偏低時，有利于該地區(qū)30°N以北降水減少，30°N以南降水增加，反之亦然。圖6b是EOF2時間系數(shù)與前1 a 7月海溫場的相關分布圖，所羅門群島以東的海平面溫度是相關最為密切的區(qū)域，從前1 a 6月開始，這種負相關共持續(xù)了4個月。從海溫的相關分布可知，同年3月新喀里多尼亞島海域的海溫和前1 a 7月所羅門群島東部海域的海溫是相關最為密切的關鍵區(qū)，對于EOF2的空間分布型具有一定的預測意義。

圖6　1961—2010年西南地區(qū)東部秋季降水EOF2時間系數(shù)序列期和前期海溫的相關系數(shù)分布(陰影區(qū)域表示通過了95%信度檢驗的區(qū)域)Fig.6　Correlation maps of concurrent SST and preceding SST with the time series of EOF2 for the autumn rainfall in the east of Southwest from 1961 to 2010, shading areas indicate statistical significance at 95% level

5　結論

本文利用西南地區(qū)東部的降水資料，使用EOF方法分析了該地區(qū)秋季降水年際變化的主模態(tài)及與其對應的大氣環(huán)流和海溫異常。結果表明：

①西南地區(qū)東部秋季降水變化的第1模態(tài)反映了全區(qū)降水量一致的變化特征，解釋了秋季降水年際變化總方差的46.5%，該模態(tài)的時間系數(shù)存在著下降趨勢，反映了自20世紀60年代以來，西南地區(qū)東部秋季降水量不斷下降；第2模態(tài)主要反映了30°N以北和以南區(qū)域的降水分布呈現(xiàn)反相變化的特征，占年際變化總方差的26.4%。

②與EOF1相聯(lián)系的環(huán)流場上，青藏熱低壓和副熱帶高壓偏強，東亞大槽偏弱，印緬槽持續(xù)發(fā)展，來自孟加拉灣和南海的水汽不斷向西南地區(qū)輸送，這樣的環(huán)流分布有利于西南地區(qū)東部秋季降水的增加；EOF2的環(huán)流場上則表現(xiàn)為青藏熱低壓和副高偏弱，500 hPa位勢高度場以經向環(huán)流為主，南支槽也偏弱，不利于水汽向中、高緯地區(qū)輸送。

③與兩個降水模態(tài)相聯(lián)系的海溫場上，同期10月的赤道中部太平洋海溫與EOF1的時間系數(shù)關系緊密，當該區(qū)域海溫變冷時，有利于西南地區(qū)東部秋季降水的增加，前1 a 4月阿留申群島附近和菲律賓以東海域的海溫對這一模態(tài)有指示意義；EOF2的降水分布型與同期3月南半球新喀里多尼亞島附近的海溫異常顯著相關，前1 a 7月所羅門群島附近的海溫對這一模態(tài)有指示意義。

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The Characteristics of Precipitation in the East of Southwest China and the Corresponding Relationship of the General Circulation and SST

CHANG Yiyao1，WEI Linxiao2

(1.Chongqing Air Traffic Management Sub-bureau, Chongqing 401120, China;2.Chongqing Climate Center, Chongqing 401147, China)

The observed precipitation data, NCEP/NCAR reanalysis data and NOAA's fourth edition of the monthly mean SST data were used to analyze the main modes of the autumn precipitation's interannual variability in the east of southwest China and the associated atmospheric circulation and SST anomalies. The results show that the first EOF has an identical signal in whole area and the second EOF has a seesaw pattern between southern and northern China. The first mode corresponds to the weaker of the subtropical westerly jet. Tibetan heat low and subtropical high pressure are continuously strong and inclining to the west.While the East Asian trough is weak, the India Burma trough develop sustainably; the water vapor from the bay of Bengal and the South China Sea continuously move to the area; the mode with the same period in October and the central equatorial Pacific SST have a close relationship. Associated with the autumn rainfall in the second mode of the general circulation, subtropical westerly jet is enhancing. The Tibetan heat low and subtropical high are weak. The meridional circulation is main in the mid troposphere. The southern trough is weak, which is not conducive to water vapor transport to middle and high latitudes; this mode is closely related with the SST of the same period in March in the southern hemisphere near the New Caledonia island.

the east of southwest China; autumn precipitation; the general circulation; sea surface temperature

1003-6598(2016)02-0008-07

2015-11-02

常怡瑤(1989—)，女，助工，主要從事天氣預報工作，E-mail:quiet7@126.com。

公益性行業(yè)(氣象)科研專項(GYHY 201306053)。

P426.61+4

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