塔里木盆地夏季降水和海溫的關(guān)系

張梅心，樊 磊，趙 勇

（1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川 成都610225；2.鐵干里克氣象站，新疆 尉犁841508）

海洋占據(jù)了地表約70%的面積，接收了85%的太陽輻射，并以感熱、潛熱、長波輻射的方式傳遞給大氣能量[1]，以及通過水循環(huán)等作用，對全球氣候起到了重要調(diào)節(jié)和穩(wěn)定的作用。海洋對氣候的影響主要體現(xiàn)在4個(gè)方面：對全球大氣的熱力平衡具有重要影響；對全球水循環(huán)產(chǎn)生影響；對大氣運(yùn)動(dòng)有重要的調(diào)諧作用；對溫室效應(yīng)具有調(diào)節(jié)作用[1-4]。因而海洋可作為氣候變化重要的預(yù)測因子，可為短期氣候預(yù)測業(yè)務(wù)提供有效參考[5]。

塔里木盆地是我國最大的內(nèi)陸盆地，面積約5.3×105km2，降水稀少，年均降水量不足 100 mm，主要集中在夏季[6]，屬于典型的暖溫帶大陸性干旱氣候[7]。對于影響盆地夏季降水可能因素的研究已有很多：沙塵氣溶膠[8]、青藏高原積雪[9]、高原季風(fēng)[10]、北大西洋濤動(dòng)[11]等。塔里木盆地特殊的C字地形以及受到西風(fēng)帶和季風(fēng)的影響，導(dǎo)致其成為氣候變化的敏感區(qū)和脆弱區(qū)[12-13]，突出表現(xiàn)為20世紀(jì)80年代中后期，以塔里木盆地為代表的西北干旱區(qū)降水顯著增加[14]。而全球海洋變暖是全球變暖的突出表現(xiàn)，那么海溫變化是否與歐亞內(nèi)陸的塔里木盆地夏季降水存在密切聯(lián)系呢？楊蓮梅[15]等研究發(fā)現(xiàn)，新疆北部夏季降水與ENSO關(guān)聯(lián)不大，但是和北印度洋、熱帶中東太平洋、西太平洋暖池及黑潮區(qū)、北大西洋以及熱帶大西洋呈明顯的正相關(guān)性，春季最為顯著。楊舵等[16]采用SVD方法分析發(fā)現(xiàn)，印度洋海溫分布的3種類型與春季新疆降水場的分布有較好對應(yīng)關(guān)系。楊舵等[17]還通過相關(guān)分析揭示新疆的3個(gè)地區(qū)（南疆、北疆、天山山區(qū)）的春季降水與前年7月北大西洋海溫相關(guān)性最好，且找出了與降水較好對應(yīng)的海溫分布形式。譚艷梅[18]指出太平洋海溫對北疆夏季降水的影響最為顯著，且與Nino4區(qū)的海溫關(guān)系密切，El Nino爆發(fā)年的次年，夏季降水可能會(huì)增多，La Nina爆發(fā)年的次年，降水可能會(huì)減少。此外不僅針對新疆地區(qū)，近年來對于其他地區(qū)的降水和海溫也開展了大量研究工作。例如王建波[19]等指出引起華北地區(qū)5月降水呈年際變化的重要原因是：低緯印度洋海溫的變化以及中緯西傳羅斯貝波列。顧偉宗[20]證實(shí)冬季印度洋對華北春季降水影響最顯著，且顯著時(shí)段在前期。胡桂芳[21]等指出在下半年Nino3區(qū)海溫顯著升高，山東地區(qū)以及中緯東部降水量都呈較多趨勢。王群英[22]等也指出在El Nino發(fā)生當(dāng)年以及后期，華北地區(qū)春季降水偏多。

以往對降水和海溫關(guān)系的研究中，大多數(shù)研究重點(diǎn)都在于某個(gè)海域（如赤道太平洋，印度洋和大西洋等）與降水的關(guān)系，各個(gè)區(qū)域?qū)邓木C合影響涉及較少。目前干旱背景下氣候預(yù)測難度較大，那么基于多區(qū)域海溫預(yù)測因子，是否對塔里木盆地夏季降水具有較好的預(yù)測性能呢？需要進(jìn)一步討論分析。

1 研究資料

降水資料為1961—2015由新疆氣象信息中心提供的55 a塔里木盆地夏季（6—8月）降水量數(shù)據(jù)，選取了沿塔里木盆地周圍分布的34個(gè)站點(diǎn)。海表溫度資料選取了1960—2015年NOAA提供的空間分辨率為2°×2°的全球月均海溫?cái)?shù)據(jù)，取60°S～60°N的區(qū)域用于研究。

2 塔里木盆地夏季降水和全球海溫的相關(guān)

由圖1可見，塔里木盆地夏季降水和前期秋季海溫的相關(guān)性較差，僅出現(xiàn)小范圍的顯著正相關(guān)區(qū)，分布在菲律賓、澳大利亞東北方以及南太平洋中部海區(qū)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.3，通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)。由于關(guān)鍵區(qū)范圍很小，這里不再分析距平序列以及與秋季各月的相關(guān)性。

圖1 塔里木盆地夏季降水與前秋海溫場的相關(guān)系數(shù)

由圖2可見，前期冬季海溫和降水的相關(guān)性明顯強(qiáng)于秋季。在印度洋區(qū)域主要呈正相關(guān)，在南印度洋出現(xiàn)一個(gè)大范圍顯著正相關(guān)區(qū)，相關(guān)系數(shù)超過了0.4，通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)；太平洋區(qū)域，在北太平洋白令海附近出現(xiàn)了一個(gè)顯著正相關(guān)區(qū)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.3，但10°～40°N區(qū)域的相關(guān)性較差，在南太平洋為正負(fù)相關(guān)區(qū)交替，在30°～40°S的正相關(guān)性很好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.5；在大西洋全部為正相關(guān)區(qū)，在45°N與40°S都存在顯著正相關(guān)區(qū)。澳大利亞西部出現(xiàn)了小范圍顯著負(fù)相關(guān)區(qū)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.3，地中海區(qū)域有一片顯著負(fù)相關(guān)區(qū)。

圖2 塔里木盆地夏季降水與前冬海溫場的相關(guān)系數(shù)

由圖3可以看出，降水和南大西洋海溫在1961—1987年間的同號(hào)率極高，達(dá)到了90%；在1987年之后兩者位相在一半的年數(shù)呈反向變化，一半的年數(shù)呈正向變化，從此可以看出塔里木盆地夏季降水和南大西洋海溫具有較好的正相關(guān)性。

圖3 冬季南大西洋海溫與塔里木盆地夏季降水去除線性趨勢的標(biāo)準(zhǔn)化序列

圖4顯示了塔木盆地夏季降水和前期冬季各月海溫的相關(guān)分布。南印度洋顯著正相關(guān)區(qū)在整個(gè)冬季都存在，但是12月范圍很小，當(dāng)年1月范圍和強(qiáng)度大大增加，在2月形勢維持。白令海峽的正相關(guān)區(qū)在當(dāng)年1月最顯著，到2月又開始減弱。而南太平洋的顯著區(qū)同樣也存在于整個(gè)冬季，在當(dāng)年1月相關(guān)性最好。在大西洋區(qū)域，北部在12月出現(xiàn)了一個(gè)小范圍顯著正相關(guān)區(qū)，而南部顯著區(qū)在3個(gè)月強(qiáng)度和范圍相差不大。綜上所述，對于前期冬季海溫場的4個(gè)關(guān)鍵區(qū)，南印度洋中部在前期12月和當(dāng)年1月最顯著，白令海區(qū)域在當(dāng)年1月最顯著，南太平洋中部在當(dāng)年1月最顯著，南大西洋西部在3個(gè)月里強(qiáng)度差別較小。

圖4 塔里木盆地夏季降水與前期冬季各月海溫場的相關(guān)系數(shù)

圖5給出了塔里木盆地夏季將會(huì)和前期春季海溫的相關(guān)分布。在印度洋區(qū)域主要呈正相關(guān)，其中南印度洋中部有一個(gè)大范圍顯著正相關(guān)區(qū)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.3以上，通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)，在赤道東印度洋也存在小范圍顯著正相關(guān)區(qū)。還可見在地中海地區(qū)，有一顯著的負(fù)相關(guān)區(qū)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.3，也通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)。太平洋地區(qū)，在10°～45°N范圍內(nèi)相關(guān)性不好，但在45°N以北相關(guān)性又逐漸增強(qiáng)，在白令海附近出現(xiàn)了顯著正相關(guān)區(qū)，相關(guān)系數(shù)超過0.3。在赤道東太平洋，存在顯著正相關(guān)區(qū)，相關(guān)系數(shù)在0.3以上，其中心區(qū)域相關(guān)系數(shù)超過了0.4。在南太平洋主要呈正相關(guān)，中部出現(xiàn)了小片相關(guān)系數(shù)＞0.3的顯著正相關(guān)區(qū)。在以往的研究中，考慮海溫對塔里木盆地地區(qū)降水的影響時(shí)，大多都只選擇印度洋和太平洋地區(qū)，較少考慮到大西洋地區(qū)，但由上圖可以看出，在南大西洋臨近阿根廷的區(qū)域，有一較大范圍的正相關(guān)區(qū)，中心區(qū)域相關(guān)系數(shù)甚至達(dá)到了0.4，因此大西洋與塔里木盆地夏季降水的關(guān)系也不容忽視。

圖5 塔里木盆地夏季降水與前期春季海溫場的相關(guān)系數(shù)

由圖6可以看出，從大體上來看，降水與赤道東太平洋的海溫呈正相關(guān)，但是關(guān)系并不是很穩(wěn)定，有的年份海溫的變化滯后于降水變化，例如1981年，降水自此之后開始減少，而相對應(yīng)的海溫卻在增加，直到1983年后海溫才開始呈下降趨勢。1983年后塔里木盆地夏季降水和赤道東太平洋冬季海溫同號(hào)率相對很高，可達(dá)90%以上。

圖6 赤道東太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫與降水去除線性趨勢的標(biāo)準(zhǔn)化序列

圖7給出了塔里木盆地夏季降水和前期春季海溫各月相關(guān)分布。在南印度洋海域的顯著正相關(guān)區(qū)域在整個(gè)春季一直存在，3月的范圍最大，4月、5月明顯開始減弱；3月，在赤道印度洋的相關(guān)系數(shù)超過0.4，通過0.01的顯著性檢驗(yàn)，但是4月突然消失，5月又重新出現(xiàn)并且強(qiáng)度范圍有所增大；赤道東太平洋的顯著正相關(guān)區(qū)域3—5月范圍逐漸擴(kuò)大，而南太平洋中部的區(qū)域減弱至消失。南大西洋的顯著正相關(guān)區(qū)域3—4月強(qiáng)度和范圍增大，5月減弱。綜上所述，對于前期春季海溫場的4個(gè)關(guān)鍵區(qū)，南印度洋中部在3月最顯著，赤道印度洋在5月最顯著，赤道東太平洋在5月最顯著，南大西洋在4月最顯著。

3 基于前期海溫的塔里木盆地夏季降水預(yù)測

圖7 塔里木盆地夏季降水與前期春季各月海溫場的相關(guān)系數(shù)

由于前期秋季海溫與降水通過顯著檢驗(yàn)的相關(guān)區(qū)域較小，因此只著重選取降水和前冬以及前春海溫場相關(guān)系數(shù)＞0.3的8個(gè)顯著正相關(guān)區(qū)（表1），去除線性趨勢后，降水和海溫的相關(guān)系數(shù)仍能通過0.05的顯著性檢驗(yàn)，說明二者在年際和年代際關(guān)系緊密?；谶@8個(gè)區(qū)域平均的海溫作為預(yù)測因子，將1961—2005年的降水觀測值代入，建立逐步回歸方程，結(jié)果為：y=4.74x3+12.73x6+13.94x8-416.35。其中x3代表的是春季熱帶東太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫，x6代表的是冬季白令海關(guān)鍵區(qū)海溫，x8代表的是冬季南太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫。然后基于預(yù)測方程，得出了2006—2015年的降水預(yù)測值。所得結(jié)果與觀測值的距平序列如圖8所示，降水觀測值和回歸擬合值相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.66，說明這3個(gè)區(qū)域的海溫可以解釋塔里木盆地夏季降水的40%，同號(hào)率達(dá)90%，為預(yù)測打下良好基礎(chǔ)。進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)，預(yù)測值和降水觀測值的距平同號(hào)率達(dá)到了70%，說明該預(yù)測方程對塔里木盆地夏季降水具有一定的預(yù)測能力。

4 結(jié)論

塔里木盆地夏季降水和和前期秋季海溫場的相關(guān)性不高，只在菲律賓附近海域和南太平洋中部分布有一些小塊正相關(guān)區(qū)，前冬和前春海溫與塔里木盆地夏季降水聯(lián)系緊密，主要表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系。

表1 前期各關(guān)鍵區(qū)海溫和塔里木盆地夏季降水的相關(guān)系數(shù)

圖8 回歸擬合值、預(yù)測值與觀測值距平的年變化

（1）前期冬季海溫場的相關(guān)性（正相關(guān)）在4個(gè)大范圍區(qū)域顯著，即：南印度洋中部、南太平洋中部、南大西洋西部，白令海附近，且范圍和強(qiáng)度最大依次在次年2月、次年1月、12月、次年1月。

（2）前期春季海溫場的相關(guān)性（正相關(guān)）在4個(gè)大范圍區(qū)域顯著，即：南印度洋中部，赤道東印度洋，赤道東太平洋，南大西洋西部，且范圍和強(qiáng)度最大依次在3月、5月、5月、4月。綜上所述，與塔里木盆地夏季降水呈顯著正相關(guān)的區(qū)域有赤道東印度洋、南印度洋中部、赤道東太平洋、南大西洋西部。

（3）采用1961—2005年前冬和前春海溫場的8個(gè)關(guān)鍵區(qū)作為多元逐步回歸方程的預(yù)報(bào)因子，得到了回歸方程y=4.74x3+12.73x6+13.94x8-416.35，求得降水的回歸擬合值，其距平與降水觀測值的距平同號(hào)率達(dá)到了90%，相關(guān)系數(shù)為0.66。將2006—2015年的海溫?cái)?shù)據(jù)帶入預(yù)測方程，求得降水預(yù)測值，其距平與降水觀測值的距平同號(hào)率達(dá)到了70%。因而該預(yù)測模型對于塔里木盆地夏季降水的短期氣候預(yù)測具有一定的借鑒意義。