熱帶海溫的時(shí)空變化及其與我國降水的關(guān)系

洛桑旺姆 達(dá)瓊 赤桑單吉 拉珍

摘要利用1979—2014年的NOAA/NASA海表溫度延長重構(gòu)數(shù)據(jù)和國家臺站的觀測數(shù)據(jù)，采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（EOF）方法，從赤道年平均海溫出發(fā)，分析熱帶海溫的時(shí)空變化特征以及印度洋—太平洋海溫對我國年降水量的影響。結(jié)果表明，1979—2014年熱帶地區(qū)年平均海溫為26 ℃，海溫暖區(qū)主要集中在印度洋和西太平洋的赤道地區(qū)。熱帶海溫距平時(shí)空變化特征：第1特征向量場在印度洋海溫表現(xiàn)為全區(qū)一致型，太平洋海溫表現(xiàn)為弱El Nio（La Nia）現(xiàn)象，時(shí)間系數(shù)與年降水量主要在新疆、西藏、青海、甘肅和河套地區(qū)為顯著的正相關(guān)關(guān)系；第2特征向量場在太平洋海溫表現(xiàn)為El Nio（La Nia）現(xiàn)象，印度洋海溫表現(xiàn)為偶極子型，時(shí)間系數(shù)與年降水量在西藏和黃河中游地區(qū)為顯著的正相關(guān)關(guān)系，在東北東部和長江以南地區(qū)為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系；第3特征向量場在太平洋海溫表現(xiàn)為弱El Nio（La Nia）現(xiàn)象，印度洋海溫表現(xiàn)為南北型，時(shí)間系數(shù)與年降水量在西藏、新疆、福建和東北西北部為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞熱帶海溫；時(shí)空變化；降水；偶極子；厄爾尼諾

中圖分類號S161.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2017）11-0164-04

AbstractUsing the NOAA / NASA sea surface temperature extension reconstruction data and the national station observation data from 1979 to 2014，starting from the annual average sea surface temperature（SST） of equator，the temporal and spatial characteristics of tropical SST and the effect of Indian Ocean Pacific SST on the annual precipitation in China were analyzed by the empirical orthogonal function （EOF） method.The results showed that the annual average SST in the tropical region was 26 ℃ from 1979 to 2014， and the warm zone of SST was mainly concentrated in the equatorial region of the Indian Ocean and the western Pacific.The tropical SST anomalies were characterized by the fact that the first eigenvector field was consistent with the same area in the Indian Ocean SST， and the Pacific SST was weak El Nio （La Nia）. The time coefficient and the annual precipitation were mainly positive correlation in Xinjiang， Tibet，Qinghai， Gansu and Hetao area.The second eigenvector field was El Nio （La Nia） in the Pacific SST，and the Indian Ocean SST was characterized by dipole type.There was a significant positive correlation between time coefficient and annual precipitation in Tibet and the middle reaches of the Yellow River，and significant negative correlation between the eastern part of the Northeast and the south of the Yangtze River.The third eigenvector field was weak El Nio （La Nia） in the Pacific SST，and the Indian Ocean SST was the northsouth type，there was significant negative correlations between time coefficient and annual precipitation in Tibet， Xinjiang， Fujian and the northwest part of the northeast.

Key wordsTropical SST；Spatiotemporal variation；Precipitation；Dipole；El Nio

低緯熱帶地區(qū)是全球大氣的能量源，吸收來自太陽的輻射，向高緯度地區(qū)傳輸熱量，同時(shí)給中高緯度地區(qū)提供豐富的水汽資源。熱帶地區(qū)海洋通過海氣相互作用，引起大氣環(huán)流變化進(jìn)而對中高緯地區(qū)降水產(chǎn)生影響。印度洋和太平洋海溫一直是國內(nèi)外學(xué)者研究我國降水的首要考慮因子，早在1987年，李麥村等[1]就太平洋海溫和長江流域降水的聯(lián)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)長江流域旱年（澇年）與赤道東太平洋海溫發(fā)生El Nio（La Nia）相對應(yīng)，當(dāng)冬季赤道東太平洋發(fā)生El Nio（La Nia），與其落后4.2個(gè)月且正相關(guān)的西太平洋副熱帶高壓在夏季加強(qiáng)（減弱），長江流域夏季降水將減少（增加）。龔道溢等[2]討論了ENSO對我國四季降水的影響。同時(shí)El Nio發(fā)生對同年和次年我國降水影響是不同的，厄爾尼諾開始年，4—8月和次年2—3月，除江淮、黃淮和東北大部地區(qū)外，全國大部地區(qū)明顯少雨；9月—次年1月和次年4—8月，我國降水基本上呈現(xiàn)出南多北少的分布型，江南到長江中游一帶明顯多雨和黃淮地區(qū)明顯少雨[3]。袁媛等[4]研究不同分布型El Nio事件對次年夏季我國降水的影響發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)50年代以來的El Nio可以分為東部型、中部型和混合型El Nio，不同的海溫分布將會給赤道緯向環(huán)流以及水汽輸送帶來不同的影響，同時(shí)影響副熱帶高壓，3種El Nio分布型分別會造成次年我國夏季降水雨帶分布呈南方型（Ⅲ 類）、中間型（Ⅱ 類）和北方型（Ⅰ類）。鄧愛軍等[5]分析指出印度洋海溫對我國降水有很好的指示意義，當(dāng)印度洋西南部暖（冷），南海和西太平洋冷（暖），我國華南前汛期降水增加（減少），同時(shí)這種相關(guān)關(guān)系落后2個(gè)月。長江流域梅雨降水與西北太平洋SST有落后2個(gè)月的顯著負(fù)相關(guān)，而與阿拉伯海海溫有落后2個(gè)月的顯著正相關(guān)[2]。同時(shí)當(dāng)印度洋海溫呈現(xiàn)偶極型（IOD）時(shí)，其正（負(fù)）位相使得我國西南（云南西部除外）、華南以及華北、東北地區(qū)的冬季降水出現(xiàn)正（負(fù)）異常，在江淮流域出現(xiàn)負(fù)（正）異常[6]。但當(dāng)IOD與ENSO同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，IOD的作用使得ENSO對我國西南（云南西部除外）、內(nèi)蒙、東北地區(qū)冬季降水的影響作用更為顯著，從而體現(xiàn)了IOD與ENSO對我國降水的協(xié)同作用[6]。

在熱帶地區(qū)，對海溫變化的研究區(qū)域以印度洋和太平洋為主，已有研究結(jié)果表明，印度洋海溫的空間分布主要存在全區(qū)一致型、東西差異型（印度洋偶極子）、南北差異型3種定常型[7]，太平洋海溫的空間分布型主要存在全區(qū)一致型、西部與東南部符號相反的偶極型（El Nio/La Nia）2種定常型[8]。同時(shí)印度洋海溫與太平洋海溫存在密切的聯(lián)系，印度洋海溫從偶極子型轉(zhuǎn)變?yōu)槿珔^(qū)一致型，對應(yīng)著厄爾尼諾事件從發(fā)展到衰減的過程[8]。已有研究表明，印度洋和太平洋對我國降水均有顯著的影響[1-6]，但在時(shí)空變化上，印度洋和太平洋海溫的主要空間分布型的聯(lián)系還不是很清楚，我國位于赤道印度洋和太平洋之北，印度洋—太平洋海溫不同的空間分布型對我國降水的影響需要進(jìn)一步分析。基于此，筆者從赤道年平均海溫出發(fā)，探討印度洋—太平洋海溫對我國年降水量的影響，旨在為研究我國降水的氣候變化特征提出依據(jù)。

1資料與方法

1.1數(shù)據(jù)來源海溫?cái)?shù)據(jù)采用的是NOAA/NASA 1979—2014年的海表溫度延長重構(gòu)數(shù)據(jù)[NOAA Extended Reconstructed Sea Surface Temperature（SST）V4]，該數(shù)據(jù)集已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到熱帶海溫變化的研究中[9]；我國降水選用的是國家臺站1979—2014年的觀測數(shù)據(jù)。

1.2經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（EOF）方法經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)是一種尋找物理量變化主要特征向量場的數(shù)學(xué)方法，假設(shè)Xt（t=1，2，…，n）是m維空間中的n個(gè)向量，將其用一組正交基向量盡可能準(zhǔn)確地表示成公式（1）：

Xt=k1k=1αk（t）Vk+εt（1）

式中，Vk是m維正交基向量，不隨時(shí)間變化；εt是m維誤差向量，通過建立V1，V2，…，使其與α1（t），α2（t），…乘積對Xt貢獻(xiàn)的剩余誤差εt最小，從而找到Xt主要貢獻(xiàn)的空間特征向量場和時(shí)間系數(shù)，進(jìn)而分析Xt的時(shí)空變化特征[10]。

該研究選用熱帶海溫標(biāo)準(zhǔn)化距平場做經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解，進(jìn)而分析熱帶海溫的時(shí)空變化特征。

2熱帶海溫的時(shí)空變化特征

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，熱帶地區(qū)年平均海溫26 ℃，熱帶地區(qū)海溫暖區(qū)主要集中在印度洋和西太平洋的赤道地區(qū)，溫度由南向北依次遞減（圖1）。

將海溫距平標(biāo)準(zhǔn)化再進(jìn)行EOF分解，得到海溫距平的前3個(gè)特征向量場（圖2），其方差貢獻(xiàn)率依次為34.4%、192%和9.3%，累計(jì)方差貢獻(xiàn)達(dá)62.9%，說明前3個(gè)特征向量場的海溫距平對海表溫度的時(shí)空變化貢獻(xiàn)最大。熱帶海溫距平EOF第1特征向量場的時(shí)間系數(shù)（圖3a）表現(xiàn)出明顯的年代際變化，1979—1998年，時(shí)間系數(shù)為負(fù)，印度洋和西太平洋為海溫負(fù)距平，東太平洋為海溫正距平；1998—2014年，時(shí)間系數(shù)為正，印度洋、西太平洋和大西洋為海溫正距平，東太平洋為海溫負(fù)距平。第1特征向量場空間分布（圖2a）表現(xiàn)：熱帶海溫在印度洋、西太平洋和大西洋為海溫正距平，同時(shí)其時(shí)間系數(shù)與海溫距平序列相關(guān)系數(shù)大部分都超過0.6，最大相關(guān)系數(shù)在0.8以上，這一地區(qū)的海溫變化對海溫距平序列方差貢獻(xiàn)率超過36.0%，最大可達(dá)64.0%；熱帶海溫在東太平洋地區(qū)為海溫負(fù)距平，其時(shí)間序列與海溫距平序列相關(guān)系數(shù)大部分超過0.2，對海溫距平變化的方差貢獻(xiàn)率超過4.0%，僅在小部分地區(qū)相關(guān)系數(shù)超過0.4。可見，熱帶海溫距平時(shí)間序列在第1特征向量場上，方差貢獻(xiàn)率由印度洋、西太平洋和大西洋海溫變化主導(dǎo)。第1特征向量場中，印度洋海溫表現(xiàn)為全區(qū)一致型，太平洋海溫表現(xiàn)為弱El Nio（La Nia）現(xiàn)象。

熱帶海溫距平EOF第2特征向量場的時(shí)間系數(shù)（圖3b）表現(xiàn)為年際變化。第2特征向量場空間分布（圖2b）表現(xiàn)：熱帶海溫在印度洋和中東太平洋為負(fù)距平，印度洋海溫時(shí)間系數(shù)與海溫距平序列相關(guān)系數(shù)大部分地區(qū)超過0.2，相關(guān)系數(shù)超過0.4的地區(qū)與其相近，海溫變化對海溫距平序列方差貢獻(xiàn)率達(dá)16.0%；在中東太平洋地區(qū)，海溫時(shí)間系數(shù)與海溫距平序列相關(guān)系數(shù)大部分地區(qū)超過0.4，在赤道地區(qū)相關(guān)系數(shù)達(dá)0.8，海溫變化對海溫距平序列方差貢獻(xiàn)率達(dá)640%；其他地區(qū)的海溫變化對海溫距平序列的方差貢獻(xiàn)率在40%左右?？梢?，熱帶海溫距平時(shí)間序列在第2特征向量場上，方差貢獻(xiàn)率由赤道中東太平洋海溫變化主導(dǎo)，其次為印度洋。第2特征向量場中，太平洋海溫表現(xiàn)為El Nio（La Nia）現(xiàn)象，印度洋海溫表現(xiàn)為偶極子型。

熱帶海溫距平EOF第3特征向量場的時(shí)間系數(shù)（圖3c）表現(xiàn)為年際變化。第3特征向量場空間分布（圖2c）表現(xiàn)：熱帶海溫在北印度洋和東太平洋為負(fù)距平，北印度洋海溫時(shí)間系數(shù)與海溫距平序列相關(guān)系數(shù)大部分地區(qū)低于0.2，東太平洋海溫時(shí)間系數(shù)與海溫距平序列相關(guān)系數(shù)大部分地區(qū)超過0.2，在赤道地區(qū)相關(guān)系數(shù)達(dá)0.6，海溫變化對海溫距平序列方差貢獻(xiàn)率達(dá)36.0%；熱帶海溫在西太平洋為正距平，時(shí)間系數(shù)與海溫距平序列相關(guān)系數(shù)大部分地區(qū)超過0.4，海溫變化對海溫距平序列的方差貢獻(xiàn)率超過16.0%，赤道地區(qū)海溫變化方差貢獻(xiàn)率可達(dá)36.0%?？梢?，熱帶海溫距平時(shí)間序列在第3特征向量場上，方差貢獻(xiàn)率由赤道太平洋海溫變化主導(dǎo)。第3特征向量場中，太平洋海溫表現(xiàn)為弱El Nio（La Nia）現(xiàn)象，印度洋海溫表現(xiàn)為南北型。對比第2和第3特征向量場發(fā)現(xiàn)，2個(gè)模態(tài)非常相近，計(jì)算2個(gè)特征向量場時(shí)間系數(shù)的滯后相關(guān)系數(shù)發(fā)現(xiàn)，第3與第2特征向量場時(shí)間系數(shù)超前1～2年的時(shí)間系數(shù)關(guān)系達(dá)-0.5～-0.4，說明當(dāng)前一年出現(xiàn)第3特征向量場，第2年或第3年很大程度上會出現(xiàn)第2特征向量場。

3熱帶海溫時(shí)空變化與我國降水的關(guān)系

由圖4可知，我國年平均降水量由東南向西北逐漸減少，華南沿海地區(qū)降水量多在4.65 mm/d，部分地區(qū)可達(dá)565 mm/d，

長江中下游地區(qū)降水量多在2.65 mm/d，東北、華北黃河流域和長江上游地區(qū)降水量在1.65 mm/d左右，新疆和西藏部分地區(qū)降水量在0.65 mm/d。

分析熱帶海溫EOF前3個(gè)模態(tài)時(shí)間系數(shù)與我國年降水量的相關(guān)系數(shù)分布（圖5）發(fā)現(xiàn)：第1特征向量的時(shí)間系數(shù)與我國年降水量在新疆、西藏、青海、甘肅和河套地區(qū)為顯著的正相關(guān)關(guān)系，在西南和東北部分地區(qū)為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明當(dāng)印度洋和西太平洋海溫越暖（冷），新疆、西藏、青

海、甘肅和河套地區(qū)的年降水量越多（少），西南和東北部分地區(qū)年降水量越少（多）；第2特征向量的時(shí)間系數(shù)與我國年降水量在西藏和黃河中游地區(qū)為顯著的正相關(guān)關(guān)系，特別是西藏地區(qū)，相關(guān)系數(shù)在0.4以上，在東北東部和長江以南地區(qū)為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，由此可見，當(dāng)中東太平洋和印度洋海溫越暖（冷），西藏和黃河中游地區(qū)年降水量越多（少），東北東部和長江以南地區(qū)年降水量越少（多）；第3特征向量的時(shí)間系數(shù)與我國年降水量在西藏、新疆、福建和東北西北部為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，在河套地區(qū)為顯著的正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)赤道西太平洋越暖（冷），東太平洋越冷（暖），西藏、新疆、福建和東北西北部地區(qū)年降水量越少（多），河套地區(qū)年降水量越多（少）。綜上所述，西藏年降水量與太平洋海溫變化為負(fù)相關(guān)關(guān)系，與印度洋海溫變化為正相關(guān)關(guān)系。

4結(jié)論

（1）1979—2014年熱帶地區(qū)年平均海溫26 ℃，海溫暖區(qū)主要集中在印度洋和西太平洋的赤道地區(qū)，熱帶海溫距平時(shí)空變化特征為：第1特征向量場時(shí)間系數(shù)為明顯的年代際變化，空間分布場在印度洋和西太平洋海溫一致為正距平，赤道東太平洋海溫為負(fù)距平，印度洋海溫表現(xiàn)為全區(qū)一致型，太平洋海溫表現(xiàn)為弱El Nio（La Nia）現(xiàn)象；第2特征向量場在印度洋和中東太平洋為負(fù)距平，太平洋海溫表現(xiàn)為El Nio（La Nia）現(xiàn)象，印度洋海溫表現(xiàn)為偶極子型；第3特征向量場在北印度洋和東太平洋為負(fù)距平，在西太平洋為正距平，太平洋海溫表現(xiàn)為弱El Nio（La Nia）現(xiàn)象，印度洋海溫表現(xiàn)為南北型。

（2）我國年降水量由東南向西北逐漸減少，降水量最多超過4.65 mm/d，最少低于0.65 mm/d。第1特征向量的時(shí)間系數(shù)與我國年降水量在新疆、西藏、青海、甘肅和河套地區(qū)為顯著的正相關(guān)關(guān)系，在西南和東北部分地區(qū)為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系；第2特征向量的時(shí)間系數(shù)與我國年降水量在西藏和黃河中游地區(qū)為顯著的正相關(guān)關(guān)系，在東北東部和長江以南地區(qū)為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系；第3特征向量的時(shí)間系數(shù)與我國年降水量在西藏、新疆、福建和東北西北部為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

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