基于熱帶印-太海溫異常主要模態(tài)的夏季西太平洋副熱帶高壓預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

錢(qián)代麗 管兆勇 徐菊艷

摘要 利用1981—2018年國(guó)家氣候中心的西太平洋副熱帶高壓（Western Pacific Subtropical High，以下簡(jiǎn)稱“西太副高”或“WPSH”）特征指數(shù)、美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局海表溫度、美國(guó)氣候預(yù)測(cè)中心NINO3.4指數(shù)資料，對(duì)熱帶印-太海洋海溫異常（Sea Surface Temperature Anomaly，SSTA）主要模態(tài)及其與西太副高變動(dòng)的可能聯(lián)系進(jìn)行了探討，并基于這些聯(lián)系建立了西太副高面積、強(qiáng)度和西脊點(diǎn)異常的預(yù)報(bào)方程。結(jié)果表明，熱帶印-太海洋上最重要的SSTA模態(tài)為緯向三極型，其次是緯向偶極型和東南-西北向跨南、北半球的“蹺蹺板”異常。這三種模態(tài)解釋了印-太海洋海溫異常中61.58%的方差，與太平洋El Nio、印度洋海盆尺度模、Ningaloo Nio等異常信號(hào)的出現(xiàn)密切相關(guān)。另外，這三種模態(tài)與夏季W(wǎng)PSH異?；顒?dòng)存在緊密聯(lián)系?；谶^(guò)去30 a穩(wěn)定的相關(guān)關(guān)系建立的預(yù)報(bào)模型可較好地預(yù)報(bào)未來(lái)8 a夏季W(wǎng)PSH面積、強(qiáng)度和西脊點(diǎn)的異常。

關(guān)鍵詞熱帶印度洋-太平洋;海溫異常;西太平洋副熱帶高壓;北半球夏季;氣候預(yù)測(cè)

眾所周知，我國(guó)東部位于活躍的西太平洋副熱帶高壓（Western Pacific Subtropical High，WPSH，以下簡(jiǎn)稱“西太副高”或“副高”）西側(cè)，夏季天氣氣候受夏季風(fēng)環(huán)流特別是副高控制。夏季W(wǎng)PSH作為東亞季風(fēng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵成員，其強(qiáng)弱變化、南北活動(dòng)、西部脊的伸縮異常等是導(dǎo)致我國(guó)汛期旱澇的關(guān)鍵原因（錢(qián)代麗等，2009;管兆勇等，2010;劉屹岷等，2013;李麗平等，2015;李清泉和閔慶燁，2016;翟盤(pán)茂等，2016）。此外，其南緣對(duì)熱帶氣旋和臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)路徑亦有重要影響（任素玲等，2007）。研究熱帶印-太海洋海溫異常與西太副高的聯(lián)系，找到其中對(duì)西太副高活動(dòng)異常存在重要影響的因子，并建立具有較高可信度的預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)模型對(duì)于東亞天氣氣候預(yù)測(cè)工作具有重要意義。

大量研究表明，熱帶印度洋-太平洋（Indian and Pacific Oceans，以下簡(jiǎn)稱“印-太”海洋）海溫的年際變率最為顯著，其熱力變化對(duì)東亞大氣環(huán)流存在重要影響（李崇銀和胡季，1987;Zhang et al.，1996;張人禾等，2017）。在熱帶印-太海洋海溫異常（Sea Surface Temperature Anomaly，SSTA）與西太副高異常的聯(lián)系中，既包括WPSH附近下墊面——熱帶西太平洋暖池上SSTA通過(guò)增強(qiáng)菲律賓附近對(duì)流而使得西太平洋副高位置偏北（蒲書(shū)箴和于惠苓，1993）的局地過(guò)程，也包括來(lái)自熱帶東太平洋和印度洋的遠(yuǎn)程熱力強(qiáng)迫影響。其中，赤道東太平洋異常增暖通過(guò)次年在西太平洋低層生成異常反氣旋增強(qiáng)WPSH（Zhang et al.，1996;Wang et al.，2000;陳蔚和管兆勇，2016）;而熱帶印度洋一側(cè)的熱力異?？杉ぐl(fā)出東傳的Kelvin波，通過(guò)Ekman抽吸影響WPSH的強(qiáng)度（Xie et al.，2009;Tao et al.，2015）;印度洋偶極子（Indian Ocean Diple，IOD）（Saji et al.，1999;Webster et al.，1999）可通過(guò)一個(gè)三角形相關(guān)機(jī)制影響東亞夏季環(huán)流（Guan and Yamaga，2003）。

然而，熱帶印-太海洋被海洋性大陸區(qū)隔和連接，海溫異常既有各自特點(diǎn)亦存在協(xié)同變化。因此，有部分研究將印-太海洋結(jié)合起來(lái)作為一個(gè)綜合區(qū)考慮。陳烈庭（1982）、吳國(guó)雄和孟文（1998）以及應(yīng)明和孫淑清（2000）指出印-太海溫相互配置及它們的緯向梯度對(duì)西太副高具有重要影響。琚建華等（2004）、黎鑫等（2013）、Li and Li（2017）指出太平洋-印度洋海溫異常聯(lián)合（綜合）模對(duì)大氣環(huán)流的影響與單獨(dú)的厄爾尼諾（El Nio）及印度洋偶極子都不盡相同。然而，在熱帶印-太海溫協(xié)同變化時(shí)，除了這一聯(lián)合模態(tài)外，是否還存在其他典型模態(tài)？這些模態(tài)與實(shí)際觀測(cè)到的海溫異常信號(hào)有何關(guān)聯(lián)？與 WPSH活動(dòng)是否存在密切聯(lián)系？現(xiàn)階段能否通過(guò)海溫異常的典型模態(tài)構(gòu)建一個(gè)具有較高可信度的預(yù)報(bào)模型，提前預(yù)測(cè)夏季西太副高的強(qiáng)度和位置變化？對(duì)以上問(wèn)題的探討將有助于進(jìn)一步完善熱帶海洋熱力強(qiáng)迫對(duì)WPSH活動(dòng)的研究，為WPSH的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)提供更有力的理論支持，便于提出新思路，提高預(yù)報(bào)效果，服務(wù)于我國(guó)的防災(zāi)減災(zāi)工作。

1 資料和方法

研究使用的資料包括：1）美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局2°×2°分辨率逐月海表溫度（Sea Surface Temperature，SST）（Huang et al.，2015）;2）美國(guó)氣候預(yù)測(cè)中心（Climate Prediction Center，CPC）提供的NINO3.4區(qū)平均的SSTA指數(shù)（Barnston and Ropelewski，1992）;3）國(guó)家氣候中心（National Climate Center，NCC）提供的WPSH強(qiáng)度、脊線、西脊點(diǎn)指數(shù)。以上資料均為1981年1月—2018年8月共452個(gè)月，取1981—2010年的同期平均為氣候態(tài)。

分析印-太海洋海溫異常的時(shí)空分布特征時(shí)采用經(jīng)驗(yàn)正交分解（Empirical Orthogonal Function，EOF），并使用North方法對(duì)特征值的誤差范圍進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。特征值λ的誤差范圍：

ej=λj2n12。? （1）

其中：n為樣本量;當(dāng)相鄰特征值λj和λj+1滿足（λj+1-λj）≥ej時(shí)，認(rèn)為特征值λj對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)是有價(jià)值的信號(hào)（North et al.，1982）。

在分析印-太海洋海溫異常模態(tài)的物理意義時(shí)，討論了幾種重要的海溫異常，包括El Nio、印度洋海盆尺度模（Indian Ocean Basin Mode，IOBM）、印度洋偶極子以及西北太平洋-東南印度洋SSTA梯度。其中，使用CPC提供的NINO3.4區(qū)平均的SSTA指數(shù)INino34作為El Nio指數(shù)（Barnston and Ropelewski，1992）;使用熱帶印度洋海盆區(qū)域[50°～100°E，15°～15°N]面積平均的SSTA作為IOBM的強(qiáng)度指數(shù)IIOBM（Qian et al.，2018），并取赤道西印度洋[50°～70°E，10°S～10°N]與東南印度洋[90°～110°E，10°S～0°N]上的SSTA之差作為印度洋偶極子（IOD）指數(shù)IIOD （Saji et al.，1999）;使用澳洲西側(cè)[108°～116°E，28°～22°S]區(qū)域平均的SSTA作為Ningaloo Nio指數(shù)INingalooNio（Feng et al.，2013;Kataoka et al.，2014;Tozuka et al.，2014）;將西北太平洋東部（NWPOE，[160°～180°E，0～20°N]）與東南印度洋（SEIO，[105°～120°E，30°～10°S]）區(qū)域平均的SSTA相減記為熱帶中太平洋與東南印度洋的海溫梯度指數(shù)INWPOE-SEIO。

2 熱帶印-太海洋SSTA的主要模態(tài)

2.1 主要模態(tài)的時(shí)、空特征

將近38 a共452個(gè)月的熱帶印-太海洋[40°E～90°W，30°S～20°N]SSTA進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交分解，得到前4個(gè)特征向量（主成分）的方差貢獻(xiàn)（表1）。其中，第一特征向量的累積方差貢獻(xiàn)達(dá)到39.73%，而第二和第三特征向量的貢獻(xiàn)率分別為12.82%和9.03%，第四特征向量的貢獻(xiàn)率僅為3.92%。前3個(gè)特征向量均能通過(guò)North檢驗(yàn)，表明它們分別代表了獨(dú)立的海溫異常信號(hào)，且其累積方差貢獻(xiàn)達(dá)61.58%，反映了印-太海洋海溫異常的主要特征。因此，下文中將前3個(gè)特征向量作為印-太海洋SSTA的主要典型場(chǎng)進(jìn)行討論。

分析上述3個(gè)特征向量的空間場(chǎng)分布特征可以看到，第一特征向量在整個(gè)印-太地區(qū)呈現(xiàn)出正、負(fù)、正的“三極型”分布特征（圖1a），但印度洋和西太平洋的異常值偏小，熱帶中東太平洋地區(qū)的正異常十分清楚，類似厄爾尼諾事件發(fā)生時(shí)的SSTA分布特征，并因其39.73%的方差貢獻(xiàn)率成為熱帶印-太海盆里最重要的海溫異常信號(hào)。而第二特征向量則表現(xiàn)為印度洋至西太平洋（Indo-Western pacific，IWP）上較明顯的一致變化（圖1b），且中東太平洋（Central East Pacific，CP）上的SSTA負(fù)異常較弱，類似厄爾尼諾衰減期（或拉尼娜發(fā)展初期）的SSTA分布。

EOF第三特征向量的空間場(chǎng)上主要表現(xiàn)為太平洋上的偶極型異常以及南印度洋上的偶極型異常（圖1c），其中澳洲西側(cè)的異常有類似Ningaloo Nio的特征（Feng et al.，2013;Kataoka et al.，2014;Tozuka et al.，2014）。然而，若橫跨海洋性大陸來(lái)看，其兩側(cè)表現(xiàn)出清楚的蹺蹺板異常。這樣的異常配置雖在以往的研究有過(guò)關(guān)注（張奔奔等，2018），但尚未有系統(tǒng)深入的討論。它很可能反映了一種來(lái)自東南印度洋與熱帶中太平洋上的海溫異常梯度的強(qiáng)迫作用。

若以Ti表示EOF分析第i模的時(shí)間系數(shù)序列，分析前三個(gè)模態(tài)時(shí)間序列的變化可見(jiàn)（圖2a），1981年至今，T1主要表現(xiàn)為年際和年代際上的周期性振蕩，功率譜分析可以得到其主要有3～5 a的短周期和11 a左右的長(zhǎng)周期，意味著印-太海洋緯向上“+-+”三極存在周期性的轉(zhuǎn)換，這與厄爾尼諾的變化周期一致的。另外，第二特征向量的時(shí)間系數(shù)T2也存在3 a左右的短周期。進(jìn)一步計(jì)算T1與T2的超前滯后相關(guān)系數(shù)可以得到，當(dāng)T1超前T2 約7 mon時(shí)，兩者的相關(guān)系數(shù)最高，可達(dá)0.25（通過(guò)99%置信水平檢驗(yàn)），表明當(dāng)厄爾尼諾現(xiàn)象出現(xiàn)半年后，印-太海洋SSTA很可能呈現(xiàn)出如第二模態(tài)空間場(chǎng)的分布。這與Ashok et al.（2003）給出的結(jié)果一致?？梢?jiàn)，太平洋上的厄爾尼諾事件很可能是印-太海洋三極模與IWP-CP偶極模的在印-太海洋上的周期性轉(zhuǎn)換。

另外，T2除了短周期振蕩外，還存在明顯的長(zhǎng)期增長(zhǎng)趨勢(shì)，這在其9 a滑動(dòng)平均曲線上表現(xiàn)得更加清楚（圖2b）。20世紀(jì)90年代末，T2由負(fù)位相轉(zhuǎn)為正位相，表明IWP SST越來(lái)越暖，來(lái)自IWP的一致增暖信號(hào)的影響會(huì)越來(lái)越強(qiáng)。就第三特征向量而言，其既有5 a左右的短周期變化，也有年代際尺度上的周期振蕩（圖2b），但長(zhǎng)期趨勢(shì)不明顯。

選取各模態(tài)時(shí)間系數(shù)的年平均值為正（負(fù)）的年份為正（負(fù)）異常年。分別計(jì)算1—12月的時(shí)間系數(shù)在正、異常年的合成并差值，可進(jìn)一步分析三個(gè)特征向量的月際變化特征。由圖2c可知，三個(gè)特征向量的強(qiáng)度均存在清楚的逐月變化。T1在冬季最強(qiáng)，夏季最弱，表現(xiàn)出單峰特點(diǎn)，這和厄爾尼諾在冬季發(fā)展成熟的季節(jié)特征吻合。而第二和第三特征向量在年內(nèi)為雙峰異常，T2的峰值分別出現(xiàn)在6月和10月，T3的峰值則是在4月和8月。

2.2 關(guān)于前3個(gè)特征向量的進(jìn)一步說(shuō)明

為進(jìn)一步明確上述3個(gè)特征向量的物理意義及其與印-太海洋上幾種經(jīng)典海溫異常信號(hào)的可能聯(lián)系，分別計(jì)算了T1、T2和T3與INino34、IIOD、IIOBM、INingalooNio以及INWPOE-SEIO的同期相關(guān)系數(shù)（表2）。結(jié)果表明，第一特征向量時(shí)間系數(shù)與這5個(gè)指數(shù)均存在顯著的相關(guān)關(guān)系（通過(guò)99%置信水平檢驗(yàn)）。其中，與INino34的關(guān)系最為密切（相關(guān)系數(shù)為0.84），其次是與IIOBM（相關(guān)系數(shù)為0.52）及IIOD（相關(guān)系數(shù)為-0.27）。另外，第二模態(tài)—偶極模態(tài)與IIOBM表現(xiàn)出0.72的極高的相關(guān)關(guān)系，但與其他幾個(gè)海溫信號(hào)的關(guān)系不夠密切。

若計(jì)算印-太海洋海溫異常分別向INino34、IIOD、IIOBM以及INWPOE-SEIO的回歸系數(shù)（圖3）可以看到，前2者的回歸系數(shù)都表現(xiàn)為“+-+”的三極型分布（圖3a、c），只是它們的中心位置有所差異;而向IIOBM（Behera et al.，1999）的回歸系數(shù)大部分都為正值，但數(shù)值大小卻也呈現(xiàn)出整體由西向東的高-低-高分布（圖3b）。這些與印-太海洋上的第一模態(tài)——緯向三極模都很相似。這些都再次印證了El Nio/La Nia很可能是印-太海洋SSTA三極模在太平洋上的表現(xiàn)，而IIOD和IIOBM的發(fā)生也與緯向三極模的變動(dòng)有關(guān)。

至于第三模態(tài)，上文已指出它的空間場(chǎng)上在澳洲西側(cè)的異常中心類似Ningaloo Nio的特征（Feng et al.，2013;Kataoka et al.，2014;Tozuka et al.，2014）。事實(shí)上這其中確實(shí)含有Ningaloo Nio的作用，T3與INingalooNio的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.47（表2）（通過(guò)了99.9%的置信水平檢驗(yàn)）。然而，若從整個(gè)印-太海洋看，它還體現(xiàn)了東南印度洋（SEIO）和熱帶中北太平洋東部（NWPOE）在南北方向上的蹺蹺板變化。計(jì)算SSTA對(duì)INWPOE-SEIO的回歸系數(shù)場(chǎng)（圖3d）與圖1c具有非常相似的分布，只是NWPOE與SEIO上的值相比其他區(qū)域更強(qiáng)。這與表2中的T3與INWPOE-SEIO相關(guān)系數(shù)最大，與INingalooNio的相關(guān)系數(shù)次之，而與其他海洋異常指數(shù)的相關(guān)性極弱的結(jié)果吻合。

綜上所述，對(duì)熱帶印-太海洋SSTA進(jìn)行正交分解的前3個(gè)模態(tài)與已知的幾種觀測(cè)得到的海溫異常信號(hào)關(guān)系密切。其中第一模態(tài)在太平洋上表現(xiàn)為El Nio/La Nia，在印度洋上多表現(xiàn)為IOBM，由此也可解釋El Nio/La Nia與IOBM往往相伴出現(xiàn)的原因;而IOD事件很可能是三極模中海洋性大陸極向印度洋擴(kuò)大、增強(qiáng)所致。另外，第二模態(tài)是印度洋-海洋性大陸上的強(qiáng)中心配合太平洋上SSTA弱中心的偶極特征，這對(duì)應(yīng)了某些年份太平洋上SSTA偏弱，而印度洋上IOBM偏強(qiáng)，特別是與海洋性大陸一起出現(xiàn)明顯的海溫增暖。第三模態(tài)則與上述兩類緯向異常模不同，它體現(xiàn)了跨南、北半球的聯(lián)合異常模，具體表現(xiàn)為東南印度洋與中北太平洋上SSTA的“蹺蹺板”異常。

3 主要模態(tài)與WPSH活動(dòng)的可能聯(lián)系

以往研究曾指出印-太海洋SSTA對(duì)西太副高的異?；顒?dòng)具有重要影響（黎鑫等，2013;Li and Li，2017）。計(jì)算熱帶印-太海洋SSTA前3個(gè)模態(tài)的時(shí)間系數(shù)與西太副高各特征指數(shù)的相關(guān)系數(shù)（表3）可見(jiàn)，印-太海洋SSTA與西太副高的異?；顒?dòng)確實(shí)存在重要聯(lián)系。其中第一和第二模態(tài)與WPSH面積、強(qiáng)度和西脊點(diǎn)位置異常的正相關(guān)均通過(guò)了99%置信水平檢驗(yàn)，同時(shí)與WPSH西脊點(diǎn)的位置異常也存在顯著負(fù)相關(guān)，但對(duì)其脊線的南北位移的影響不大。相較之下，第三模態(tài)與WPSH的各項(xiàng)特征指數(shù)的關(guān)系都顯得很弱。

然而，注意到上述時(shí)間序列中包含了多種時(shí)間尺度的波動(dòng)，但人們更關(guān)心的仍是夏季W(wǎng)PSH的年際異常，特別是前期海溫異常模態(tài)與夏季W(wǎng)PSH活動(dòng)的聯(lián)系，并力求應(yīng)用這種聯(lián)系預(yù)測(cè)夏季W(wǎng)PSH的異?；顒?dòng)。因此，進(jìn)一步考慮前期各季節(jié)SSTA的主要模態(tài)（圖4）。

可以看到，春（MAM）、夏（JJA）、秋（SON）、冬（DJF）各季節(jié)EOF分析的前3個(gè)模態(tài)（其總體方差貢獻(xiàn)分別為64.48%、65.32%、76.45%和73.04%）的主要空間特征與圖1中的前三個(gè)模態(tài)的空間場(chǎng)非常相似，分別為緯向三極型（圖4a—d）、偶極型（圖4e—h）和東南印度洋與中北太平洋上的“蹺蹺板”異常型（圖4i—l）。由此可明確，在全年各季節(jié)里，熱帶印-太海洋上的主要熱力強(qiáng)迫均是由這三種典型模態(tài)組合而來(lái)。

分析前期各季節(jié)主要模態(tài)時(shí)間系數(shù)與夏季W(wǎng)PSH強(qiáng)度和位置特征指數(shù)的超前滯后相關(guān)系數(shù)可以看到（表4），三極模（EOF1）對(duì)夏季西太副高的面積、強(qiáng)度、脊點(diǎn)以及西脊點(diǎn)的影響主要是超前相關(guān)：當(dāng)上一年秋季至當(dāng)年春季出現(xiàn)正位相時(shí)，往往有利于夏季W(wǎng)PSH強(qiáng)度顯著偏強(qiáng)、脊線偏南、西脊點(diǎn)顯著偏西（陳衛(wèi)和陸日宇，2016;Qian et al.，2018）。第二模態(tài)對(duì)夏季W(wǎng)PSH的面積、強(qiáng)度和西脊點(diǎn)年際異常的顯著影響可從上一年秋一直持續(xù)至同期夏季，且以同期相關(guān)最顯著（Qian et al.，2018）。但它與WPSH的異常南北活動(dòng)的關(guān)系并不顯著。

對(duì)于第三模態(tài)，這項(xiàng)來(lái)自東南印度洋與熱帶中太平洋上的聯(lián)合海溫異常強(qiáng)迫僅與夏季W(wǎng)PSH的脊線位置異常存在顯著的同期相關(guān)。當(dāng)夏季東南印度洋SSTA偏冷且熱帶中太平洋SSTA偏暖時(shí)，往往有利于出現(xiàn)同期WPSH脊線明顯偏北的情況，但與其強(qiáng)度、面積和西脊點(diǎn)的東、西進(jìn)退關(guān)系卻很弱。

另外注意到，若從近38 a逐月SSTA的EOF分解得到的主模態(tài)時(shí)間系數(shù)中提取逐年各季節(jié)的平均值，分別與各季節(jié)SSTA的EOF分解出的典型場(chǎng)逐年時(shí)間系數(shù)求相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均超過(guò)0.9。因此，下文基于前期SSTA主模態(tài)逐年變化與夏季W(wǎng)PSH年際異常的關(guān)系構(gòu)建WPSH預(yù)測(cè)模型時(shí)，可從逐月SSTA的EOF分析結(jié)果直接提取季節(jié)平均的序列，而不必做多個(gè)季節(jié)的EOF分析，從而減少運(yùn)算量，優(yōu)化預(yù)測(cè)步驟。

4 基于SSTA主要模態(tài)的西太副高特征指數(shù)的預(yù)測(cè)

若能根據(jù)上文中熱帶印-太海洋SSTA主要模態(tài)與夏季W(wǎng)PSH活動(dòng)的關(guān)系建立預(yù)報(bào)模型，便可提前捕捉印-太海洋的熱力異常，對(duì)WPSH的特征指數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4.1 預(yù)報(bào)因子篩選與可行性分析

進(jìn)行物理量統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)的思路為，基于前期預(yù)報(bào)量與預(yù)報(bào)因子的關(guān)系建立預(yù)測(cè)模型，在后續(xù)事件中將預(yù)報(bào)因子的異常帶入預(yù)報(bào)模型，從而得到預(yù)報(bào)量的異常。因此，要求預(yù)報(bào)量與預(yù)報(bào)因子間存在相對(duì)穩(wěn)定的協(xié)同變化關(guān)系。

根據(jù)上文分析可知，與夏季W(wǎng)PSH面積、強(qiáng)度和西脊點(diǎn)年際變化關(guān)系最密切的是同年春季SSTA的第一模態(tài)（記為高影響因子1）和夏季SSTA的第二模態(tài)（記為高影響因子2）（表4）。與脊線位置異常關(guān)系最密切的是同年春季SSTA的第一模態(tài)（同記為高影響因子1），和夏季SSTA的第三模態(tài)（同記為高影響因子2）。進(jìn)一步分析這些高影響因子與WPSH特征指數(shù)的10 a滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)（圖5）卻發(fā)現(xiàn)，面積（強(qiáng)度與之類似，在圖中略去）和西脊點(diǎn)與各自高影響因子間始終保持著穩(wěn)定、顯著的相關(guān)關(guān)系。但脊線指數(shù)與其影響因子間在2006年之前關(guān)系較密切，但在2006年后相關(guān)關(guān)系突然變得很弱。這意味著，對(duì)于WPSH脊線位置的異常無(wú)法通過(guò)基于前期變化規(guī)律所建立的模型進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。因此，下文中僅探討WPSH面積、強(qiáng)度以及西脊點(diǎn)異常的預(yù)報(bào)。

另外，在實(shí)際預(yù)報(bào)時(shí)，同期信號(hào)不能作為預(yù)報(bào)因子，而需要使因子獲得更大的時(shí)間提前量，以滿足預(yù)報(bào)目的。通過(guò)計(jì)算夏季第二模態(tài)時(shí)間系數(shù)與其前期各月值的相關(guān)系數(shù)可知（圖6），5月的值與其最接近。因此，選取EOF1的春季值（記為T(mén)1-MAM）作為WPSH面積、強(qiáng)度以及西脊點(diǎn)的預(yù)報(bào)因子X(jué)1，EOF2的5月時(shí)間系數(shù)（記為T(mén)2-May）作為預(yù)報(bào)因子X(jué)2。

4.2 回歸試驗(yàn)與預(yù)報(bào)模型

考慮到預(yù)測(cè)需要，這里使用了1981年1月—2010年12月（共360 mon）的數(shù)據(jù)進(jìn)行EOF分析，得到了前3個(gè)特征向量。這前3個(gè)特征向量與使用1981年1月—2018年8月（共452 mon）進(jìn)行EOF分析所得的前3個(gè)特征向量（圖1），無(wú)論是在空間上還是時(shí)間上，每一對(duì)均十分相似。進(jìn)一步地，對(duì)于EOF1（EOF2、EOF3），兩者之間的空間相似系數(shù)為0.99（0.66、0.86）（均通過(guò)99%置信水平檢驗(yàn)）。而對(duì)于時(shí)間系數(shù)序列T1（T2、T3），在同一時(shí)段即1981年1月—2010年12月（共360 mon）上兩者之間的相關(guān)系數(shù)則為0.99（0.83、0.76）（均通過(guò)99%置信水平檢驗(yàn)）。據(jù)此，并根據(jù)前述因子篩選，可利用線性回歸方法，構(gòu)建夏季W(wǎng)PSH強(qiáng)度和位置特征指數(shù)的擬合模型，進(jìn)而對(duì)2011—2018年夏季副高特征指數(shù)進(jìn)行模擬預(yù)報(bào)。

具體流程如圖7所示。首先，使用1981—2010年逐月SSTA（記為Xobs1）進(jìn)行EOF分解，得到第一、二特征向量（記為Vobs），將其作為基底（式2）。

Xobs1=VobsTobs。? （2）

同時(shí)可獲得兩個(gè)特征向量對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)（記為T(mén)obs），并從中計(jì)算出預(yù)報(bào)因子X(jué)1和X2的時(shí)序。然后按如下三項(xiàng)試驗(yàn)構(gòu)建夏季W(wǎng)PSH強(qiáng)度和位置特征指數(shù)的擬合模型，比較擬合效果，進(jìn)而選取最優(yōu)模型進(jìn)行模擬預(yù)報(bào)。

試驗(yàn)1：僅使用單因子X(jué)1;

試驗(yàn)2：僅使用單因子X(jué)2;

試驗(yàn)3：同時(shí)使用因子X(jué)1和X2。

值得注意的是，由于X1和X2并不完全獨(dú)立（兩者在1981—2010年存在0.27的相關(guān)系數(shù)），在試驗(yàn)3中使用雙因子預(yù)報(bào)時(shí)，考慮到多元回歸模型中要求自變量間線性獨(dú)立，還需濾除X2中X1的作用。

具體做法是，將X2分解為兩部分之和：

X2=X′2+αX1。（3）

其中：α為X2向X1的回歸系數(shù);X′2即為從X2中扣除X1信號(hào)后的剩余部分，其線性獨(dú)立于X1。

上述3種試驗(yàn)條件下的西太副高特征指數(shù)擬合模型及效果對(duì)比顯示（表5），對(duì)于WPSH的三項(xiàng)特征指數(shù)而言，無(wú)論是使用X1、X2或雙因子均能取得與實(shí)況具有高度相關(guān)（通過(guò)99%置信水平檢驗(yàn)）的擬合序列，而使用雙因子構(gòu)建出的模型可比單因子模型的擬合結(jié)果所解釋的原序列方差百分比出現(xiàn)較大幅增長(zhǎng)，與原始序列的相關(guān)性也更好，優(yōu)化了單因子的擬合效果。因此，下文中將選擇雙因子的預(yù)報(bào)模型對(duì)2011—2018年夏季W(wǎng)PSH特征指數(shù)進(jìn)行模擬預(yù)報(bào)。

在對(duì)2011—2018年夏季W(wǎng)PSH特征指數(shù)進(jìn)行模擬預(yù)報(bào)時(shí)，可將2011—2018年SSTA（記為Xobs2）投影到基底向量Vobs上（式4），即得到估測(cè)的時(shí)間系數(shù)Tfor（譚桂容等，1992），

Tfor=VobsXobs2 。（4）

此類方法估測(cè)的時(shí)間系數(shù)與用新資料更新EOF特征向量的時(shí)間系數(shù)非常相近（圖8）。

進(jìn)一步利用估測(cè)的時(shí)間系數(shù)Tfor，計(jì)算出預(yù)報(bào)因子X(jué)1和X2在2011—2018年上的值，最終代入雙因子模型對(duì)2011—2018年夏季西太副高三項(xiàng)特征指數(shù)進(jìn)行預(yù)報(bào)（圖9）?？梢钥吹剑瑢?duì)WPSH西脊點(diǎn)異常變動(dòng)的預(yù)報(bào)效果最好，預(yù)報(bào)曲線與實(shí)況曲線吻合度最高，相關(guān)系數(shù)為0.77，解釋了實(shí)況序列54.6%的方差。其次是對(duì)面積和強(qiáng)度異常的預(yù)報(bào)，分別與實(shí)況序列存在0.64和0.60的高相關(guān)（均通過(guò)了90%置信水平檢驗(yàn)），但從解釋的方差百分比來(lái)看，對(duì)面積的預(yù)報(bào)效果要好于強(qiáng)度的。

5 討論和結(jié)論

本文對(duì)近38 a逐月熱帶印-太海洋海溫異常進(jìn)行了EOF分析，并重點(diǎn)探討了前3個(gè)模態(tài)的時(shí)、空特征和物理意義，以及這些模態(tài)與西太副高強(qiáng)度和位置變化的可能聯(lián)系，最后基于這些聯(lián)系建立了西太副高面積、強(qiáng)度和西脊點(diǎn)異常的預(yù)報(bào)模型。主要結(jié)論有：

1）熱帶印-太海洋海溫異常EOF分析的前3個(gè)特征向量累積方差貢獻(xiàn)達(dá)61.58%，反映了印-太海洋海溫異常的主要特征。從其時(shí)、空分布特征來(lái)看，第一特征向量表現(xiàn)為印度洋-MC-中東太平洋上的緯向“三極型”分布，其時(shí)間序列主要存在3～5 a的短周期和11 a左右的長(zhǎng)周期。第二特征向量表現(xiàn)為熱帶印度洋至西太平洋正異常與中太平洋負(fù)異常的偶極型分布，其年際周期主要為3 a，另存在明顯的長(zhǎng)期線性趨勢(shì)。第三特征向量的空間場(chǎng)在印度洋上為西南印度洋與中南印度洋的偶極型;太平洋上為赤道中太平洋和東太平洋的偶極型;從MC兩側(cè)來(lái)看，則為東南印度洋與熱帶中太平洋上的“蹺蹺板”異常，且年代際周期振蕩明顯。另外，這三個(gè)特征向量在年內(nèi)有明顯的季節(jié)變化：T1在冬季最強(qiáng)，表現(xiàn)出單峰特點(diǎn)，而第二和第三特征向量在年內(nèi)為雙峰異常，T2的峰值分別出現(xiàn)在6月和10月，T3的峰值則是在4月和8月。

2）這3個(gè)異常模態(tài)與觀測(cè)到的幾種重要海溫異常信號(hào)存在密切聯(lián)系。其中第一模態(tài)反映了El Nio/La Nia以及IOBM同時(shí)在兩個(gè)大洋出現(xiàn)的特征，可解釋El Nio/La Nia與IOBM往往相伴出現(xiàn)的原因。第二模態(tài)對(duì)應(yīng)了某些年份太平洋上SSTA偏弱，而IOBM的作用明顯。第三模態(tài)則體現(xiàn)了東南印度洋與中北太平洋上SSTA的“蹺蹺板”異常，這是異于上述兩個(gè)緯向異常模的跨南、北半球間的聯(lián)合異常模。

3）這3個(gè)SSTA模態(tài)與WPSH異常活動(dòng)存在密切聯(lián)系。其中，夏季W(wǎng)PSH面積、強(qiáng)度、西脊點(diǎn)的年際異常與早春時(shí)節(jié)的第一模態(tài)，以及同期夏季的第二模態(tài)的年際變化關(guān)系最為密切，且這種關(guān)系一直穩(wěn)定維持。而與WPSH脊線存在高相關(guān)的是前期春季的第一模態(tài)和同期夏季的第三模態(tài)，但這種關(guān)系在2006年后突然變得很弱。基于WPSH特征指數(shù)與影響因子間穩(wěn)定的相關(guān)關(guān)系，可構(gòu)建夏季W(wǎng)PSH特征指數(shù)的預(yù)報(bào)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)WPSH面積、強(qiáng)度和西脊點(diǎn)的預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)試驗(yàn)結(jié)果顯示西脊點(diǎn)的預(yù)報(bào)效果最好。

需要說(shuō)明的是，EOF第三模態(tài)與夏季W(wǎng)PSH脊線年際變化的高相關(guān)關(guān)系在2006年后突然變得很弱。2007年以后，9月北極海冰范圍頻繁出現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄新低，北極放大信號(hào)異常顯著，西風(fēng)急流向極移動(dòng)，這可能也會(huì)對(duì)副高的南北變化產(chǎn)生較大的影響。能否在建立預(yù)報(bào)模型時(shí)同時(shí)考慮中高緯度的因子等問(wèn)題需要后續(xù)工作進(jìn)行探討。

致謝：NCC、NOAA、CPC提供了WPSH特征指數(shù)、SST、NINO3.4資料的在線下載服務(wù)。

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Prediction models for summertime Western Pacific Subtropical High based on the leading SSTA modes in the tropical Indo-Pacific sector

QIAN Daili，GUAN Zhaoyong，XU Juyan

Key Laboratory of Meteorological Disaster，Ministry of Education（KLME）/Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change（ILCEC）/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disaster（CIC-FEMD），Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China

This study utilized the monthly NOAA sea surface temperature（SST） data for the past 38 years，as well as the Western Pacific Subtropical High（WPSH） characteristic indexes of the National Climate Center（NCC），and the NINO3.4 indexes of the United States Climate Prediction Center（CPC）.The main modes of the SST anomalies（SSTA） on the tropical Indo-Pacific Ocean were examined using the Empirical Orthogonal Function（EOF） and linear regression analysis methods.In addition，the possible relationships between those modes and the intensities and locations of the anomalies of the WPSH were examined.Finally，based on the observed relationships，prediction models of the area were established，which included the intensities and west ridge point indexes of the WPSH.The results showed that the three leading modes explained 61.58% of the variances of the SSTA in the Indo-Pacific Ocean，which accurately reflected the main characteristics of the SSTA.Among these，it was determined that the most important SSTA mode（EOF1） in the Indo-Pacific Ocean was a zonal tripolar mode，which explained 39.73% of the variances of the SSTA，and displayed periods of approximately 5 years and 11 years.In terms of seasonal variations，it was observed to be the most obvious during the winter months.The second mode（EOF2） showed a dipole distribution of positive anomalies ranging from the tropical Indian Ocean to the Western Pacific Ocean，and negative anomalies in the central Pacific Ocean.It was also found to have a 3-year interannual period and an obvious long-term linear trend.The spatial field of the third mode（EOF3） displayed a dipole type over the southern Indian Ocean and another dipole type over the equatorial Pacific Ocean.It also had the appearance of “seesaw” anomalies between the southeastern Indian Ocean and the tropical central Pacific Ocean，on both sides of the marine continents（MC）.The time coefficients of both the EOF2 and EOF3 displayed two peaks per year.The former was mainly obvious during the months of June and October，and the latter was most obvious during the months of April and August.This study found that these three modes were closely related to the occurrences of anomalous signals，such as El Nio in the Pacific Ocean，and basin modes and Ningaloo Nio in the Indian Ocean.Among the three modes，it was determined that the EOF1 may lead to the El Nio/La Nia events in the Pacific Ocean and IOBM in the Indian Ocean.Therefore，it was considered that the EOF1 could be used to explain why the El Nio/La Nia and IOBM often occurred together.Moreover，it was believed that the IOD events probably occurred due to the anomalous eastward moving of one pole near the MC in the tripolar mode to the Indian Ocean.However，the second mode（EOF2） reflected the features when the SSTA was weak over the Pacific Ocean.However，the IOBM over the Indian Ocean was obvious during some of the examined years.In addition，the first two modes had stable and significant correlations with the anomalous areas，intensity，and west ridge point indexes of the WPSH during the summer months.However，it was found that the significant correlations between the anomalous WPSH ridge and the first mode during the early spring months，as well as the third mode during the summer months，had suddenly become weaker after 2006.In the current study，according to the aforementioned stable correlations over the past 30 years，the indexes of the WPSH area，intensity，and west ridge point can potentially be accurately forecasted for the next eight years.

Tropical Indo-Pacific Ocean;SSTA;ENSO;Western Pacific Subtropical High;boreal summer;climate prediction

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20200331010

（責(zé)任編輯：劉菲）