潘一銘，李華實

（1.上思縣氣象局， 廣西 防城港 535500；2.崇左市氣象局，廣西 崇左 532200）

關(guān)于水汽的低頻振蕩，學(xué)者們大多研究了這幾方面，比如關(guān)于范圍降水與大氣低頻振蕩的關(guān)系，例如熱帶低頻振蕩與各地降水的關(guān)系等［1］，江淮梅雨［2］、西北地區(qū)東部春季降水［3］等，關(guān)于各種夏季風(fēng)的低頻振蕩，比如南海夏季風(fēng)［4］、京津冀夏季風(fēng)的低頻振蕩［5］等，關(guān)于某區(qū)域旱澇的低頻振蕩，例如江淮夏季典型旱澇年的水汽輸送低頻振蕩［6］、中國夏季各地區(qū)的持續(xù)性強降水等。但是我國大范圍的水汽低頻振蕩總特征卻少有研究。

圖1 （a）（b）（c）（d）分別為1981～2010年濾波后的春、夏、秋和冬季的水汽均方差分布（陰影）和濾波前后均方差比值分布（曲線）

本文希望通過經(jīng)驗正交函數(shù)、拓展經(jīng)驗正交函數(shù)和小波分析等方法來對中國東部水汽低頻振蕩的季節(jié)性變化從空間和時間上進行討論，希望能夠進一步了解中國東部水汽的低頻振蕩特征，初步分析水汽低頻振蕩形勢變化的原因。

1 資料和方法說明

1．1 資料

氣柱可降水量是氣柱各層水汽的累加值，它表示某地單位面積上整層大氣的總水汽含量。采用1981至2010年NCEP多年日平均可降水量資料來表示水汽，分辨率為 2．5°×2．5°。 根據(jù)中國東部的定義，又考慮到研究計算的方便性，選取范圍為110°～135°E，15°～55°N。

表1 EOF前5個模態(tài)的方差貢獻率

1．2 資料處理方法

已有研究表明，我國東部水汽的年信號最強，本文重點分析中國東部的低頻振蕩特征，為了探求中國東部的低頻振蕩的季節(jié)變化特征，先對原始資料去除了水汽資料的年變化趨勢，然后進行10～90d的帶通濾波處理。用處理過的資料做四季的水汽資料均方差分布圖，觀察水汽低頻振蕩的空間和強度分布。然后進行EOF、小波分析和EEOF分析，其中EEOF分析取了兩個滯后時段，每個滯后時段根據(jù)EOF時間系數(shù)的小波分析結(jié)果的主周期來確定。

2 中國東部水汽低頻振蕩的四季分布

圖1為我國東部濾波前及10～90d帶通濾波后的四季水汽均方差比的空間分布，反映了不同季節(jié)水汽低頻振蕩的地理分布和強度情況。

從圖1中可以看出，夏季的水汽低頻振蕩信號最強，能量最大，冬季的水汽低頻振蕩能量最小。四季的水汽低頻振蕩強度大值多出現(xiàn)在華南、東海、長江中下游，低頻振蕩活躍區(qū)域大多出現(xiàn)在華南、東海、長江中下游和東北地區(qū)，并且隨著季節(jié)的變化而移動。其中，東北地區(qū)的水汽低頻振蕩雖然相對活躍，但是強度很小。以春季為基準，水汽低頻振蕩的強度大值區(qū)在夏季北移，秋季西進，冬季南移，似與西太平洋副熱帶高壓的季節(jié)移動相符合，并且與中國東部的雨季隨時間變化相一致。

3 EOF分析結(jié)果

這里對濾掉年和半年變化并且進行10～90d濾波的水汽資料進行自然正交分解，得到我國東部水汽低頻振蕩的空間分布和時間特征。EOF分析中前5個模態(tài)均通過了顯著性檢驗，前5個模態(tài)的累計方差貢獻率達到了71．62%，前五個模態(tài)的方差貢獻率見表1。這里只分析方差貢獻率較大的三個模態(tài)。

圖2和圖3分別為對中國東部水汽低頻振蕩做EOF后前三個模態(tài)的空間場和時間序列圖。這里對我國東部水汽低頻振蕩的EOF前三個模態(tài)的空間分布（圖2）和時間序列（圖3）進行分析。

第一模態(tài)主要表現(xiàn)出了水汽低頻振蕩的總體空間分布特征，我國東部水汽低頻振蕩大約以長江為界，南北符號相反，呈反向分布特征。對照該模態(tài)的時間序列（圖3a），當(dāng)時間系數(shù)為正的時候，可能受南海這個第一水汽源地的影響［7］，水汽在長江以南增加，在長江以北減少，而當(dāng)時間系數(shù)為負的時候正好相反，此時可能受亞洲北方大陸、歐洲大陸或海域這個第三水汽源地的影響，在長江以北水汽含量增加，而在長江以南水汽含量減少。

圖2 （a）（b）（c）分別為我國東部水汽低頻振蕩的EOF第一、第二和第三模態(tài)空間場

第二模態(tài)可以看出我國東部水汽低頻振蕩的另一種主要地理分布特征，長江流域和東海地區(qū)為負值，其他地區(qū)為正值，在中國東部由北向南呈現(xiàn)出負——正——負的分布形勢，即不同的正負形勢由北向南間隔分布。對照該模態(tài)的時間序列（圖3b），當(dāng)時間系數(shù)為正值時，可能受孟加拉灣、阿拉伯海這個第二水汽源地的影響，從西南向東北朝我國傳送過來大量水汽，使得長江流域、東海地區(qū)水汽增加，我國東部水汽低頻振蕩從北至南表現(xiàn)為負——正——負的分布形勢，而時間系數(shù)為負值時剛好相反。

第三模態(tài)可以看出我國東部水汽低頻振蕩另一種主要地理分布特征，即我國東部基本上大部分地區(qū)都是正異常，只在最北部出現(xiàn)負異常，說明我國東部水汽振蕩在空間上具有整體的一致性，此時的異常中心出現(xiàn)在江南、華南的東部。當(dāng)時間系數(shù)是正值的時候，我國東部絕大部分地區(qū)水汽含量增加，當(dāng)時間系數(shù)為負時我國東部絕大部分地區(qū)水汽含量減少。而無論何時，江南、華南東部的水汽變化是最大的，說明那里的水汽低頻振蕩最為強烈。

從圖3可以看出，我國東部去除年、半年變化的水汽資料具有明顯的低頻振蕩特征。圖3（a）（b）表現(xiàn)得最明顯，在夏季，時間序列分別出現(xiàn)正、負的最大值，說明低頻振蕩在夏季的幅度最大，振蕩最明顯，能量也最大，春秋次之，冬季的振蕩能量最小，振蕩最弱。這與之前（圖1）中關(guān)于不同季節(jié)水汽低頻振蕩的分析相一致。

圖3 （a）（b）（c）分別為我國東部水汽低頻振蕩EOF分析前三個模態(tài)的時間變化系數(shù)

圖4是對處理過的水汽資料做EOF后前兩個模態(tài)的時間序列做小波分析得到的結(jié)果圖。從圖4中看出，我國東部水汽低頻振蕩在春、秋和冬季有60d左右的振蕩周期，在夏季明顯周期較短。

4 EEOF結(jié)果分析

為了進一步研究我國東部水汽低頻振蕩的時空特征，特別是在不同季節(jié)里空間的分布和演變，這里對處理過的我國東部水汽進行拓展經(jīng)驗正交函數(shù)分析。因為考慮到理論上同一季節(jié)各個模態(tài)的水汽振蕩空間場演變的周期應(yīng)該是一致的，又因為篇幅限制的原因，這里只分析EEOF前兩個模態(tài)的時空演變。

4．1 春季EEOF的演變特征

首先進行春季的EEOF分析，根據(jù)上文圖4分析得到，我國東部水汽低頻振蕩在春季具有60d左右的振蕩周期，這里取8d作為EEOF分析的滯后時間。我國東部春季水汽低頻振蕩前8個特征向量分別解釋了總方差的 13．7% 、11．8% 、8．0% 、7．6% 、6．0%、5．5%、5．1%和 3．6%， 前八個特征向量方差貢獻總和達61．2%。其中前兩個特征向量解釋了總方差的25．5%，它們的典型場是描述我國春季東部水汽低頻振蕩的主要分量。由于篇幅限制，這里只給出EEOF分析后第一模態(tài) （EEOF1）和第二模態(tài)（EEOF2）的典型場。

圖4 EOF第一模態(tài)（a）和第二模態(tài)（b）時間序列的小波功率譜等值線分布（陰影覆蓋的區(qū)域為通過90%置信水平，點線區(qū)域為受邊界影響區(qū)域）

圖5 春季我國東部水汽低頻振蕩EEOF分析，（a）（b）（c）是不同滯后的EEOF1 典型場，（d）（e）（f）為不同滯后的 EEOF2 典型場。

從圖5可以看出，EEOF1中滯后16d與EEOF2中滯后0d的形勢相似，都是在河北和朝鮮半島出現(xiàn)負值中心，而南方是正值，并在臺灣、福建地區(qū)出現(xiàn)正值中心。而EEOF1滯后0天與EEOF2滯后16d的形勢相似，符號相反，特征相反。EEOF1滯后0天是中國東部的絕大部分地區(qū)是負值，南方小部分地區(qū)是正值，而EEOF2滯后16d正好相反，我國東部絕大部分是正值，南方小部分是負值。從中可以認為，EEOF1和EEOF2是描述我國東部水汽低頻振蕩同一周期的不同時刻的形勢，EEOF1超前EEOF2四分之一的位相，這與圖6時間序列中顯示的兩模態(tài)位相關(guān)系一致。將EEOF1和EEOF2的不同時間滯后圖按下列次序排列，EEOF1滯后0d，滯后8d， 滯后 16d，EEOF2 滯后 0d，滯后8d，滯后16d正好構(gòu)成了水汽低頻振蕩的半個周期，即32d。這樣，我國東部水汽低頻振蕩在春季具有64d左右的振蕩周期。在春季，無論從哪個時刻開始計算，我國東部某個地點的水汽低頻振蕩都在半個振蕩周期 （32d左右）以后會轉(zhuǎn)為完全相反的位相，整個振蕩周期（64d左右）回到原來的位相，形成一個循環(huán)，完成一次振蕩過程。

圖6是春季我國東部水汽低頻振蕩EEOF1和EEOF2的時間序列圖，可以明顯看出EEOF1超前EEOF2四分之一個位相，這與上面的討論一致，而且EEOF1和EEOF2擁有相似的振蕩趨勢，在春季，我國東部水汽低頻振蕩的振幅在18以內(nèi)。從圖中還可以看到，雖然特征向量時間系數(shù)變化很大，但在同一周期中，第一、二特征向量時間系數(shù)的振輻大小相差不大，這一現(xiàn)象對于保證第一、二特征向量之間可以互相替換，構(gòu)成一個穩(wěn)定的周期循環(huán)是非常重要的［8］。

圖6 春季我國東部水汽低頻振蕩EEOF分析的前兩個模態(tài)時間系數(shù)序列（第一模態(tài)（實線）和第二模態(tài)（虛線））

4．2 夏、秋和冬季EEOF的演變特征

夏、秋和冬季的EEOF演變分析與上文春季的方法相同，考慮到篇幅原因，這里只給出結(jié)論。根據(jù)分析，我國東部的水汽低頻振蕩在夏季具有24d左右的振蕩周期，振蕩振幅在30以內(nèi)，遠遠強于其他季節(jié)。在秋季，具有64d左右的振蕩周期，振幅在正負15以內(nèi)，強度與春季相當(dāng)。而在冬季也具有64d左右的振蕩周期，振幅在12以內(nèi)，是四季中低頻振蕩最不活躍的季節(jié)。

5 結(jié)果與討論

通過對中國東部水汽低頻振蕩進行均方差分析、EOF和EEOF進行分析，結(jié)果表明，我國東部的水汽具有明顯的低頻振蕩特征，并得到以下結(jié)論：

（1）我國東部夏季的水汽低頻振蕩信號最強，能量最大，冬季的水汽低頻振蕩能量最小。四季的水汽低頻振蕩強度大值多出現(xiàn)在華南、東海、長江中下游，低頻振蕩活躍區(qū)域大多出現(xiàn)在華南、東海、長江中下游和東北地區(qū)，并且隨著季節(jié)的變化而移動，以春季為基準，水汽低頻振蕩的強度大值區(qū)在夏季北移，秋季西進，冬季南移，似與西太平洋副熱帶高壓的季節(jié)移動相符合，并且與中國東部的雨季隨時間變化相一致。所以水汽低頻振蕩的強度位置變化可能與大氣環(huán)流形勢的改變有關(guān)。

（2）我國東部水汽低頻振蕩主要具有三個空間分布特征。一是我國東部水汽低頻振蕩大約以長江為界，南北具有相反的變化趨勢?？赡苁苣虾＿@個第一水汽源地的影響，水汽在長江以南增加，在長江以北減少，但是當(dāng)受亞洲北方大陸、歐洲大陸或海域這個第三水汽源地的影響的時候，在長江以北水汽含量增加，而在長江以南水汽含量減少。二是不同的正負形勢由北向南間隔分布，即出現(xiàn)正負正或者負正負的形勢。這樣的形勢的出現(xiàn)可能是受孟加拉灣、阿拉伯海這個第二水汽源地的影響，當(dāng)從西南向東北朝我國傳送過來大量水汽，使得長江流域、東海地區(qū)水汽增加時，我國東部水汽低頻振蕩從北至南表現(xiàn)為負——正——負的分布形勢。反之振蕩形勢相反。三是我國東部水汽振蕩在空間上具有整體的一致性，絕大部分都是正異?；蛘哓摦惓?，此時的異常中心出現(xiàn)在江南、華南的東部。

（3）不同季節(jié)水汽低頻振蕩的周期，在春、秋和冬季都具有64d左右的振蕩周期，只有在夏季具有24d左右的振蕩周期。從中可以看出，我國東部的水汽低頻振蕩在夏季的幅度最大，振蕩最明顯，能量也最大，春秋次之，冬季的振蕩能量最小，振蕩最弱。而EEOF的空間場分布其實是上文中EOF分析中各個主要模態(tài)的交替，構(gòu)成了振蕩中的各個時刻的不同位相，其主要分布特征與EOF分析一致。

本文能夠初步得出中國東部水汽低頻振蕩的各個季節(jié)特征，但因為振蕩周期較短，EEOF分析中所滯后時間都是整數(shù)，所以歸納出來的各個時刻空間場的位相也有些偏差，但是不太影響整體的研究和討論。

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