南海及周邊地區(qū)晚春初夏降水變異關(guān)聯(lián)主模態(tài)及其機(jī)理*

簡茂球，彭敏，羅欣

(中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院∥季風(fēng)與環(huán)境研究中心∥廣東省氣候變化與自然災(zāi)害研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510275)

南海是亞州、印度洋和太平洋的交匯區(qū)。受多方大氣環(huán)流和天氣系統(tǒng)的影響，該地區(qū)天氣和氣候復(fù)雜多變。南海及周邊地區(qū)氣候的季節(jié)變化與南海夏季風(fēng)活動有密切聯(lián)系，南海夏季風(fēng)一般爆發(fā)于 5月中旬，標(biāo)志著東亞夏季風(fēng)和南海地區(qū)雨季的開始[1]。氣候平均而言，南海和中南半島地區(qū)的雨季出現(xiàn)在5-10月，5、6月是該地區(qū)雨量激增的階段。而南海北側(cè)的華南的雨季是4-9月，其中4-6月是華南前汛期，又以5-6月雨量最多。所以5、6月是南海及周邊地區(qū)春夏季節(jié)或季節(jié)氣候的轉(zhuǎn)換階段，也是洪澇災(zāi)害多發(fā)期的開始，因此，研究該地區(qū)5、6月降水異常特征具有重要的科學(xué)價值和經(jīng)濟(jì)意義。另外，南海夏季風(fēng)系統(tǒng)的爆發(fā)和強(qiáng)度都有著非常顯著的年際和年代際變化變化[2-3]，因此必然會造成當(dāng)?shù)丶爸苓叺貐^(qū)甚至更遠(yuǎn)區(qū)域的降水和氣候出現(xiàn)顯著的逐年變異。目前，許多關(guān)于東亞季風(fēng)區(qū)降水的研究著眼點(diǎn)多為單個季節(jié)的降水變化、或者前汛期、后汛期降水[4-9]等等。但是，南海及周邊地區(qū)春夏節(jié)轉(zhuǎn)換階段的降水變異的特征，尤其是5、6月降水變異的關(guān)聯(lián)性及其機(jī)理還尚不清楚，相關(guān)的研究還較缺乏。因此，本文的目的就是要分析南海及周邊地區(qū)5、6月份降水變異的關(guān)聯(lián)主模態(tài)及其特殊型，并進(jìn)一步探討與之相關(guān)的機(jī)理。對上述問題的研究將豐富人們對春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換階段南海及周邊地區(qū)的降水氣候異常的特殊性及其機(jī)理的理解，也可為提高該地區(qū)的氣候預(yù)測水平提供有益的參考依據(jù)。

1 資料與方法

本研究所用資料包括：① 美國美國國家大氣海洋局(NOAA)提供的CMAP(CPC Merged Analysis of Precipitation)月降水資料[10]和逐日向外射出長波輻射資料(OLR)；② 歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECMWF)提供的ERA-Interim月平均風(fēng)場及位勢高度資料[11]，分辨率為2.5°×2.5°；③ 美國NOAA提供的NOAA_ERSST_V3b海溫資料[12]，水平分辨率約為 2°×2°所用資料時間段均為1979-2016年。

本文采用擴(kuò)展經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(EEOF)法來提取研究區(qū)域5、6月相關(guān)聯(lián)的降水量逐年變異主要模態(tài)。具體的做法是，將研究區(qū)域5、6月降水量場時間序列放在一起做EOF分析，相當(dāng)于EOF分析的空間格點(diǎn)數(shù)是研究區(qū)域格點(diǎn)數(shù)的兩倍,然后從EEOF計算結(jié)果中再分離同一模態(tài)5、6月的空間特征向量，分別畫圖，但它們對應(yīng)的時間系數(shù)是一樣的。除了上述方法，本研究還用到相關(guān)、線性回歸、諧波分解和合成分析等常用的統(tǒng)計方法。

另外，參考文獻(xiàn)[13-14]的定義，本研究用到的南海夏季風(fēng)的爆發(fā)時間是按以下標(biāo)準(zhǔn)確定的：當(dāng)區(qū)域(110 -120°E,5-17.5°N)平均的850 hPa緯向風(fēng)和250 hPa緯向風(fēng)分別為西風(fēng)和東風(fēng)同時持續(xù)5 d，并在之后10 d(第6-15天)，低層或高層風(fēng)場中斷不超過5 d，那么滿足上述條件的第1天視為南海夏季風(fēng)爆發(fā)時間。

2 結(jié)果分析

2.1 EEOF前兩個模態(tài)

對南海及周邊地區(qū)5、6月降水場進(jìn)行EEOF分析得到的前3個模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率分別為12.86%、9.21%、7.28%。下面將主要對前兩個模態(tài)進(jìn)行分析。

圖1為EEOF 第一模態(tài)空間特征向量分布以及局地方差貢獻(xiàn)分布圖。局地方差貢獻(xiàn)是指某模態(tài)的空間特征向量和對應(yīng)時間系數(shù)還原得到的各空間格(站)點(diǎn)的時間序列方差占該點(diǎn)原始時間序列方差的比重[15]。第一特征向量分布顯示出5月(圖1a)和6月(圖1b)的降水異常空間分布較為相似,即中南半島、南海及菲律賓海均為正值區(qū)，而在中國南方地區(qū)均為負(fù)值區(qū)。從5-6月中南半島和南海的正值范圍縮小，南海-菲律賓海的極值中心位置東移，并略有北移。第一模態(tài)的局地方差貢獻(xiàn)分布(圖1c,d)可以更清楚地反映出5月和6月降水異常中心的差別。5月(圖1c)局部方差貢獻(xiàn)率大于40%的極大值區(qū)集中在南海中南部-菲律賓東南部洋面，而6月(圖1d)則主要集中在菲律賓東部洋面。上述模態(tài)的空間分布一方面反映了5、6月份中南半島-南海-熱帶西太平洋降水與中國南方降水異常的反相關(guān)系，另一方面也反映了該區(qū)域5、6月降水異常分布的關(guān)聯(lián)性。第一模態(tài)的時間系數(shù)PC1(圖3a)表現(xiàn)出以年際變化為主，兼有一定的年代際變化。所以第一模態(tài)反映了南海及周邊地區(qū)5、6月降水年際異常的持續(xù)性。另外，圖1a,b的正負(fù)值區(qū)可以看成是對應(yīng)PC1為正時實(shí)際降水異常的分布情形，若PC1為負(fù)，則結(jié)果相反。

圖 1 EEOF分析的5-6月降水第一模態(tài)的特征向量分布(EOF1)以及第一模態(tài)局部方差貢獻(xiàn)(EOF1_VR, %)分布Fig.1 The first leading extended EOF mode (EOF1) of precipitation for May and June, and the corresponding local variance percentage (EOF1_VR, %) for May and June

南海區(qū)域及附近區(qū)域5月的降水多寡與南海夏季風(fēng)爆發(fā)早晚有密切關(guān)系，爆發(fā)早則多雨，反之則少雨。為此，計算南海夏季風(fēng)爆發(fā)時間序列與PC1的相關(guān)系數(shù)為-0.53，通過95%置信度檢驗(yàn)。這一證據(jù)表明，上述降水第一模態(tài)的確受南海夏季風(fēng)爆發(fā)時間的年際尺度變異影響所致。

EEOF第二模態(tài)特征分布及其局部方差貢獻(xiàn)分布如圖2所示。南海及周邊地區(qū)5月(圖2a)、6月(圖2b)降水第二模態(tài)特征向量分布大致反相。如果我們討論時間系數(shù)PC2為正的情形，那么5月在南海中部及菲律賓東部存在降水正異常，在我國東部存在降水負(fù)異常；到了6月，南海及菲律賓海上空出現(xiàn)降水負(fù)異常，且范圍較大，而我國南方的降水量為正異常。從5、6月對應(yīng)的第二模態(tài)局部方差貢獻(xiàn)分布(圖2c、d)也可以看出，5月方差貢獻(xiàn)大值區(qū)還是集中在南海及菲律賓東部，而到了6月，方差貢獻(xiàn)大值中心數(shù)值較5月的明顯大，且位置稍偏北。上面分析結(jié)果是針對PC2為正的情形，如果PC2為負(fù)，則結(jié)果相反。

第二模態(tài)對應(yīng)的時間系數(shù)如圖3b所示，可以清晰看到PC2既有顯著的年際變化，也有明顯的年代際變化，1981-1993年為負(fù)位相年代，而1994-2011年間為正位相年代，表明5月南海中部及菲律賓東部洋面的降水在負(fù)位相年代是偏少，而在正位相年代是偏多的，我國南方降水的年代際變化則正好與之相反；6月降水的年代際變化則又與5月的趨勢相反。最近有研究表明，南海夏季風(fēng)爆發(fā)時間在1993-1994發(fā)生了年代際的提前[13,16]，而上述PC2也顯示出正好在1993-1994發(fā)生了年代際轉(zhuǎn)變，因此，可以推測降水的第二模態(tài)與南海夏季風(fēng)爆發(fā)時間的年代際轉(zhuǎn)變有一定的聯(lián)系。為此，我們計算經(jīng)五點(diǎn)平滑處理后的南海夏季風(fēng)爆發(fā)時間序列與PC2的相關(guān)系數(shù)為-0.76，通過95%置信度檢驗(yàn)，表明上述降水第二模態(tài)的確受南海夏季風(fēng)爆發(fā)時間的年代際尺度變異影響所致。

圖 2 EEOF分析的5-6月降水第二模態(tài)的特征向量分布(EOF2)以及第二模態(tài)局部方差貢獻(xiàn)(EOF2_VR, %)分布Fig.2 The second leading extended EOF mode (EOF2) of precipitation for May and June, and the corresponding local variance percentage (EOF2_VR, %) for May and June

2.2 前兩個降水模態(tài)對應(yīng)的環(huán)流特征

降水異常的最直接原因是大氣環(huán)流異常。下面將通過分別計算前面EEOF分析得到的PC1和PC2與高層及低層風(fēng)場及500 hPa垂直速度場的回歸場來分析與各降水異常模態(tài)相關(guān)的環(huán)流異常特征。

降水第一模態(tài)PC1與高低空風(fēng)場及500 hPa垂直速度的回歸場如圖4所示。與降水第一模態(tài)所對應(yīng)的南海及周邊地區(qū)5、6月份低層環(huán)流異常形勢相似(圖4a,b)，當(dāng)PC1為正時，在南海及菲律賓東部低空存在顯著的異常氣旋風(fēng)場，異常氣旋的西側(cè)和南側(cè)為顯著的輻合異常，北側(cè)即江南、華南地區(qū)有異常輻散，高空則分別存在明顯的風(fēng)場異常輻散、輻合區(qū)與之對應(yīng)(圖4c,d)，因此也在上述地區(qū)分別有異常上升運(yùn)動和下沉運(yùn)動與之對應(yīng)，于是便分別產(chǎn)生了降水量偏多和偏少異常(圖1a,b)。

上述5-6月份850 hPa異常風(fēng)場的相似性實(shí)際上反映了南海及附近地區(qū)風(fēng)場異常信號的持續(xù)性，這可能是熱帶海洋的持續(xù)異常信號強(qiáng)迫的結(jié)果。為此，我們進(jìn)一步分析了PC1與海溫的聯(lián)系。圖5是PC1與前冬和同期春季海表溫度的回歸系數(shù)場。從圖5a可知，與降水第一模態(tài)相關(guān)聯(lián)的前冬海溫異常分布型是典型的ENSO，具體而言，南海及附近地區(qū)5，6月的降水量異常分布如圖1(a,b)的符號所示，則前冬海溫處于ENSO冷事件；反之，則處于ENSO暖事件。到了春季(圖5b)，隨著ENSO事件的演變，赤道中東太平洋的海溫異常強(qiáng)度減弱，但熱帶印度洋的海溫異常信號加強(qiáng)。正是由于ENSO冷事件(暖事件)的強(qiáng)迫作用下，使得在南海-菲律賓附近出現(xiàn)持續(xù)的異常氣旋(反氣旋)[17-20]，進(jìn)而影響南海及周邊地區(qū)的降水異常。因此，降水的第一模態(tài)主要是ENSO的影響所致。

圖3 EEOF分析的前2個模態(tài)時間系數(shù)序列及7點(diǎn)平滑曲線(虛線)Fig.3 The principle components for the first two leading EOF modes and their 7-point running mean curves(dashed lines)

圖6為降水第二模態(tài)PC2與高低空風(fēng)場及500 hPa垂直速度的回歸系數(shù)場，由圖可以看出，降水第二模態(tài)對應(yīng)的5、6月份環(huán)流形勢大致反相。五月份在南海及菲律賓東部洋面上空低層為氣旋式異常風(fēng)場(圖6a)，在中南半島南部至菲律賓南部為西風(fēng)異常，結(jié)合PC2的正負(fù)值時段的分布(圖3b)，這種西風(fēng)異常正是南海夏季風(fēng)爆發(fā)在1994之后出現(xiàn)年代際提前的表現(xiàn)；另外，在氣旋的西側(cè)和南側(cè)出現(xiàn)明顯的輻合異常，而在長江中下游有輻散異常，高空的散度異常則大致與低層相反(圖6c)，對應(yīng)地在中南半島西部-南海中部-菲律賓東部上空出現(xiàn)異常上升運(yùn)動(圖6e)，導(dǎo)致降水增多，而在我國南方則出現(xiàn)異常的下沉運(yùn)動，導(dǎo)致該區(qū)降水偏少。到了6月，在南海北部-臺灣以東洋面上空850hPa層存在顯著的異常反氣旋(圖6b)，反氣旋南側(cè)的偏東風(fēng)異常表明南海夏季風(fēng)的年代際減弱，并伴隨著異常輻散，在江南一帶則有異常輻合；高層的異常風(fēng)場導(dǎo)致的散度異常分布大致與低層反號，從而造成在中南半島南部-南海中部-菲律賓海存在明顯的異常下沉運(yùn)動，對應(yīng)降水偏少，而在我國南方出現(xiàn)異常上升運(yùn)動，對應(yīng)降水偏多(圖6f，圖2b)。

在前面2.1節(jié)的結(jié)果已表明南海及周邊地區(qū)降水EEOF第二模態(tài)主要受南海夏季風(fēng)爆發(fā)時間出現(xiàn)年代際提前變異的影響所致。有關(guān)南海夏季風(fēng)爆發(fā)時間出現(xiàn)年代際變異的物理機(jī)制已有一些研究從熱帶西太平洋的海溫和對流活動的年代際變異進(jìn)行了探討。Kajikawa and Wang[16]南海夏季風(fēng)爆發(fā)在1993-1994年的年代際提前現(xiàn)象主要是赤道西太平洋海溫的年代際變化的結(jié)果。由于熱帶西太平洋的海溫增暖，導(dǎo)致在1994之后西太平洋的季節(jié)內(nèi)變化顯著增強(qiáng)，并且經(jīng)過南海以及菲律賓海的熱帶氣旋數(shù)量是前一年代的2倍。增強(qiáng)的季節(jié)內(nèi)振蕩以及西北行的熱帶擾動是觸發(fā)后一年代南海夏季風(fēng)爆發(fā)提前的重要因素。Yuan and Chen[13]進(jìn)一步指出，熱帶西太平洋的海溫增暖有利于該地區(qū)的對流活動生成，而活躍的對流促使副熱帶高壓提早東退，從而導(dǎo)致南海夏季風(fēng)提早爆發(fā)。

另外，圖2顯示的南海及菲律賓海的5、6月降水反號的年代際異常趨勢，這與Kajikawa and Wang[16]在1994年后上述地區(qū)5月的對流出現(xiàn)年代際加強(qiáng)而6月的對流減弱的結(jié)果是一致的。由于大氣的季節(jié)內(nèi)振蕩對南海夏季風(fēng)爆發(fā)有重要影響作用，南海夏季風(fēng)爆發(fā)時間在1994之后出現(xiàn)年代際提前實(shí)際上是與對流活動的季節(jié)內(nèi)分量在5月份處于年代際異常活躍位相有關(guān)，隨著季節(jié)內(nèi)時間尺度變化的演變，到6月份南海及附近地區(qū)的對流活動便處于年代際異常抑制位相。如圖7a顯示的OLR低頻分量(周期在10 d以上)的年代際差值(1994-2010年的平均值減1979-1993年的平均值)的逐日經(jīng)度-時間剖面圖所示，從90-140°E在5月主要出現(xiàn)負(fù)值為主，說明中南半島東至菲律賓海的對流活動在(1994-2010)年代是偏強(qiáng)的，但在1979-1993年代是相對偏弱的；6月的情形則與5月基本相反。上述OLR在5、6月的反相變異特征主要是由于25～90 d的季內(nèi)分量的年代際變異所致(圖7b)。

圖4 EEOF分析的標(biāo)準(zhǔn)化PC1與5月、6月850 hPa、200 hPa風(fēng)場(m/s)及500 hPa垂直速度場(10-3 Pa/s)的回歸系數(shù)場 圖中填色部分為PC1與各風(fēng)場水平散度(a-d), 500 hPa垂直速度(e,f)的相關(guān)系數(shù)通過95%置信度檢驗(yàn)的范圍Fig.4 Regression coefficients of 850 hPa wind (m/s), 200 hPa wind (m/s) and 500 hPa p-velocity(10-3 Pa/s) against the normalized PC1 Shadings of (a-d) denote regions with the correlation coefficients between PC1 and divergence (a-d), and vertical p-velocity(e,f) significant above 95% confidence level

圖5 降水量EEOF分析的標(biāo)準(zhǔn)化PC1分別與前期冬季海溫(a)和春季海溫(b)的回歸系數(shù)場(℃)。填色區(qū)表示是PC1與海溫的相關(guān)系數(shù)通過95%置信度檢驗(yàn)區(qū)域Fig.5 Regression coefficients(℃) of sea surface temperature(SST) in previous winter(a) and spring(b) against the normalized PC1. Shadings denote regions with correlation coefficients between SST and PC1 significant above 95 % confidence level

圖6 EEOF分析的標(biāo)準(zhǔn)化PC2與5月、6月850 hPa、200 hPa風(fēng)場(m/s)及500 hPa垂直速度場(10-3 Pa/s)的回歸系數(shù)場圖中填色部分為PC2與各風(fēng)場水平散度(a-d), 500 hPa垂直速度(e,f)的相關(guān)系數(shù)通過95%置信度檢驗(yàn)的范圍Fig.6 Regression coefficients of 850 hPa wind (m/s), 200 hPa wind (m/s) and 500 hPa p-velocity(10-3 Pa/s) against the normalized PC2 Shadings of (a-d) denote regions with the correlation coefficients between PC2 and divergence (a-d), and vertical p-velocity(e,f) significant above 95% confidence level

圖7 OLR的(1994-2010)-(1979-1993)年代際差值場沿10°N的經(jīng)度-時間剖面圖(W/m2)填色區(qū)為通過90%置信度檢驗(yàn)區(qū)域Fig.7 Hovm?ller diagram of epochal difference in the out-going longwave radiation (W/m2) along 10°N (1994-2010 minus 1979-1993). Shadings denote regions significant above 90% confidence level

3 結(jié) 論

本文分析了南海及周邊地區(qū)5、6月降水異常的關(guān)聯(lián)主模態(tài)及與之相關(guān)的環(huán)流特征，并進(jìn)一步分析了它們背后的機(jī)理，得到以下結(jié)果：

1)南海及周邊地區(qū)5、6月份降水的EEOF第一關(guān)聯(lián)主模態(tài)反映出5、6月的降水變異的空間分布相似，即中南半島、南海及菲律賓海均為同號區(qū)，而在中國南方地區(qū)則與之反號；時間尺度上以年際變化為主。該模態(tài)與前期發(fā)生的ENSO事件有密切聯(lián)系，在ENSO冷事件(暖事件)的強(qiáng)迫作用下，使得5、6月份在南海-菲律賓附近出現(xiàn)持續(xù)的異常氣旋(反氣旋)，進(jìn)而影響南海及周邊地區(qū)的降水的持續(xù)異常。

2)EEOF第二模態(tài)顯示南海及周邊地區(qū)5月、6月降水異常的空間分布大致反相，其中在南海中部及菲律賓海的降水異常與我國東部的降水負(fù)異常反號；時間尺度以年代際變化為主。該模態(tài)主要是受南海夏季風(fēng)爆發(fā)時間出現(xiàn)年代際提前的影響所致，其中又以低頻季內(nèi)分量的年代際變異的作用更為重要。