陳沛宇, 侯劭禹, 鞏遠(yuǎn)發(fā), 付 嬌, 趙福虎, 劉成瀚, 王煥哲

(1.河北省氣象技術(shù)裝備中心,河北 石家莊 050021;2.河北省人工影響天氣辦公室,河北 石家莊 050021;3.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,四川 成都 610225;4.重慶市氣象臺,重慶 401147;5.遼寧省氣象臺,遼寧 沈陽 110166)

0 引言

西太平洋海域及其上空的對流加熱異常對中國降水異常有重要的影響[1-4]。早在20世紀(jì)80年代,蔣尚城等[5-6]就發(fā)現(xiàn)了OLR與云量、對流強(qiáng)度之間的聯(lián)系,并且利用OLR資料,指出副熱帶高壓和ITCZ的演變規(guī)律。副熱帶高壓與ITCZ的周期性變化對長江流域中下游連陰雨和連晴過程有重要的影響[7]。夏季熱帶西太平洋對流活動異常強(qiáng)時,長江中下游降水偏少,而黃河流域、華北等地降水偏多;反之,則長江中下游降水偏多易發(fā)生洪澇,黃河流域、華北等地降水偏少易發(fā)生干旱[8]。宋文玲[9]定義了西太平洋OLR強(qiáng)度指數(shù),也發(fā)現(xiàn)了夏季西太平洋地區(qū)對流活動強(qiáng)度與同期江淮地區(qū)降水有很好的負(fù)相關(guān)。

中國大部分地區(qū)的降水異常與熱帶西太平洋上空大氣低頻振蕩密切相關(guān)[10-11]。謝安等[12]通過對OLR 30～60天低頻振蕩進(jìn)行合成分析,發(fā)現(xiàn)低頻對流信號在赤道西太平洋附近北抬時,西太平洋海域臺風(fēng)較多,這些臺風(fēng)的活動與中國華南、華北的降水異常有直接的關(guān)系。熱帶西太平洋上空位勢高度場30～50天低頻振蕩也可以通過影響副熱帶高壓的位置、強(qiáng)弱,進(jìn)而對四川盆地降水產(chǎn)生影響[13]。鞏遠(yuǎn)發(fā)等[14]研究了亞洲季風(fēng)區(qū)大氣熱源匯,指出南海附近大氣熱源(熱匯)低頻振蕩較活躍時,長江流域降水偏少(多)。

西太平洋上空大氣低頻振蕩對南海夏季風(fēng)、西太平洋季風(fēng)的強(qiáng)度至關(guān)重要[15-16]。南海附近30～60天低頻振蕩的發(fā)展是南海夏季風(fēng)爆發(fā)的一個不可或缺的因素[17]。李崇銀等[18]分析了南海強(qiáng)、弱夏季風(fēng)低頻振蕩的活動,指出強(qiáng)、弱南海夏季風(fēng)主要由異常的大氣季節(jié)內(nèi)震蕩(ISO)所激發(fā),南海附近ISO的變化往往與江淮地區(qū)的變化反相。周兵等[19]通過定義東亞副熱帶季風(fēng)指數(shù),發(fā)現(xiàn)長江流域中下游降水異常與東亞副熱帶季風(fēng)強(qiáng)弱有顯著的關(guān)聯(lián)。東亞副熱帶季風(fēng)強(qiáng)度較強(qiáng)時,長江中下游降水偏多;反之,則偏少。西北太平洋夏季風(fēng)強(qiáng)度受850 hPa緯向風(fēng)和OLR的30～60天低頻振蕩的影響較大[20],其與長江流域夏季降水位相相反[21]。

上述研究,大多是從季風(fēng)或低頻振蕩的角度討論其對中國降水異常影響。目前針對西太平洋30～60天低頻振蕩強(qiáng)度對中國長江流域降水異常,指明具體哪種因素對中國長江流域降水異常影響較大的研究還很少。因此,本文在前人大量研究的基礎(chǔ)上,研究西太平洋OLR 30～60天低頻振蕩強(qiáng)度的季節(jié)分布特征和夏季OLR 30～60天低頻振蕩強(qiáng)度對中國長江流域降水異常的影響。

1 資料和方法

1.1 數(shù)據(jù)

射出長波輻射(OLR)資料來源于美國國家海洋大氣局(NOAA),分辨率為2.5°×2.5°。降水資料為中國氣象局發(fā)布的839個臺站的逐日降水?dāng)?shù)據(jù).兩個數(shù)據(jù)的時段均為1979年1月1日到2017年12月31日。

1.2 方法

與研究海氣系統(tǒng)季內(nèi)振蕩的方法類似[21],本文將帶通濾波的結(jié)果取平方,是為了更明顯地體現(xiàn)低頻振蕩強(qiáng)度特征。采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)分解的方法來得到低頻振蕩強(qiáng)度四季變化的主要空間模態(tài)和相應(yīng)的時間系數(shù)。在分析各模態(tài)所對應(yīng)的降水異常狀況時,采用了一元線性回歸的方法,并用t檢驗(yàn)來驗(yàn)證其顯著性。為較明確地檢驗(yàn)整體回歸效果,對每個回歸場做了同號率檢驗(yàn)。

文中的冬季指12月-次年2月,春季3-5月,夏季6-8月,秋季9-11月。

2 西太平洋OLR 30～60天低頻振蕩強(qiáng)度的季節(jié)變化

圖1為西太平洋地區(qū)1979-2017年OLR 30～60天低頻振蕩強(qiáng)度的季節(jié)變化分布圖。由圖1(a)、(b)可以看出,冬、春季低頻振蕩強(qiáng)度大致呈東-西帶狀分布,其活躍區(qū)偏于南半球,極大值中心位于澳大利亞北部的帝汶海域附近,中心強(qiáng)度最高可以達(dá)到350 W2/m4以上。在其東部的所羅門群島附近,存在次極大值中心。夏、秋季(圖1c～d),低頻振蕩強(qiáng)度的活躍區(qū)顯著北移,大部分位于北半球熱帶低緯地區(qū)的南海海域、菲律賓海域附近,其經(jīng)度跨度相較于冬、春季大幅減小,出現(xiàn)2個極大值中心,分別位于南海海域、菲律賓海域,極大值中心可以達(dá)到300 W2/m4左右。

圖1 1979-2017年平均OLR的30～60 d低頻振蕩強(qiáng)度的空間分布

總體看來,西太平洋海域附近冬、春、夏、秋季的低頻振蕩強(qiáng)度具有顯著的季候異常特征,其中冬、春季低頻振蕩的活躍區(qū)主要位于赤道以南的熱帶低緯地區(qū)。在夏、秋季活躍區(qū)主體主要存在于北半球低緯地區(qū)。

3 西太平洋 OLR 30～60天低頻振蕩強(qiáng)度時空變化特征

表1顯示了每個季節(jié)的前三個空間模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率,各個季節(jié)均是前兩個模態(tài)累計方差貢獻(xiàn)率較大,故本文主要介紹EOF展開的前兩個主模態(tài)的空間場和相應(yīng)的時間序列。

表1 前三個空間模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率 單位:%

3.1 時空變化的第一模態(tài)

冬季第一模態(tài)特征向量的空間變化(圖2a,相應(yīng)的時間序列為圖3a)主要是經(jīng)向變化。從圖2～3可以看出,特征向量場的空間分布在中西太平洋地區(qū)為正值變異區(qū),并且總體呈東-西帶狀分布,絕大部分位于赤道以南的熱帶低緯地區(qū),向東最遠(yuǎn)可延伸至180°E附近。在南半球存在兩個變異中心區(qū),一個位于赤道以南,澳大利亞北部的帝汶海域,另一個位于所羅門群島附近。春季第一模態(tài)特征向量的空間分布圖(圖2b,相應(yīng)的時間序列為圖3b)與冬季情況基本相似,但強(qiáng)度有所減弱,變異中心區(qū)略向北移。在南海、菲律賓海域附近還存在兩個強(qiáng)度較弱的負(fù)變異中心。

圖2 1979-2017年西太平洋OLR 30～60 d低頻振蕩強(qiáng)度EOF分析第一模態(tài)空間向量

圖3 1979-2017年西太平洋OLR 30～60 d低頻振蕩強(qiáng)度EOF分析第一模態(tài)時間系數(shù)

圖2(c)和圖3(c)給出了夏季第一模態(tài)特征向量場的空間分布圖和時間系數(shù)圖。從圖2(c)可以看出,變異區(qū)的整體形態(tài)與西太平洋季風(fēng)的形態(tài)相似。在赤道低緯的西太平洋地區(qū)基本為正值變異區(qū),變異中心相比春季大幅向西北方向移動。正變異中心位于南海海域、菲律賓群島的東部,并且高值區(qū)呈不連續(xù)的帶狀分布。負(fù)值變異區(qū)位于中國長江流域以南的中緯度地區(qū)。這種南北向的分布趨勢表明,夏季西太平洋OLR 30～60天低頻振蕩強(qiáng)度在經(jīng)向上具有明顯的反位相變化。當(dāng)南海、菲律賓群島附近低頻振蕩的強(qiáng)度有負(fù)距平出現(xiàn)時,中國長江流域以南的部分地區(qū)強(qiáng)度增強(qiáng);反之,中國長江流域以南的低頻振蕩強(qiáng)度減弱。

相比于夏季,秋季的正變異中心(圖2d,相應(yīng)的時間序列為圖3d)向東移動至中西太平洋海域,此時南海、菲律賓群島仍為正值,但強(qiáng)度減弱。負(fù)值變異區(qū)向東南移動,強(qiáng)度減弱。

3.2 時空變化的第二模態(tài)

圖4(a)和圖5(a)為冬季第二模態(tài)特征向量場及時間系數(shù),其特征向量表現(xiàn)為“+-+”經(jīng)向三極子型分布。負(fù)中心整體呈東-西帶狀分布,主要集中在赤道附近的低緯度10°S～10°N。兩個正中心分布于其南北兩側(cè),其中北半球的正中心位于中國南海、菲律賓群島附近,相比于南半球的正中心,該正值中心的強(qiáng)度和范圍都明顯較弱。

春季第二模態(tài)的特征向量場(圖4b,相應(yīng)的時間序列為圖5b),其空間分布較為復(fù)雜。有3個正值變異區(qū):強(qiáng)度最強(qiáng)的位于澳大利亞北部的帝汶海域附近,強(qiáng)度稍弱的位于南半球中緯澳大利亞東部的洋面上,強(qiáng)度最弱的位于南海、菲律賓海域附近。負(fù)變異中心位于赤道附近的日更線西側(cè)的中西太平洋海域,以赤道為界呈南北分布。

夏季第二模態(tài)特征向量(圖4c,相應(yīng)的時間序列為圖5c)在空間上同樣呈經(jīng)向三極子型分布。存在兩個正值變異區(qū),一個位于北半球熱帶地區(qū)的南海海域、菲律賓海域附近,另一個正值變異區(qū)強(qiáng)度相對較弱,其范圍覆蓋了中國長江流域下游的部分地區(qū)。正值變異區(qū)的整體形態(tài)與南海季風(fēng)、副熱帶季風(fēng)的形態(tài)相似。負(fù)值變異區(qū)位于赤道附近的中西太平洋海域。這種經(jīng)向分布表明,夏季西太平洋OLR 30～60天低頻振蕩強(qiáng)度在經(jīng)向上具有明顯的反位相變化。中西太平洋海域附近的OLR 30～60天低頻振蕩強(qiáng)度距平為負(fù),則長江流域中下游、南海海域的低頻振蕩強(qiáng)度距平為正,其在經(jīng)向空間分布上表現(xiàn)為北高南低,相應(yīng)的南海季風(fēng)、副熱帶季風(fēng)強(qiáng)度較強(qiáng),中國長江流域以南、四川盆地等地區(qū)降水較多;反之,則長江流域中下游、南海海域的低頻振蕩強(qiáng)度距平為負(fù),其在經(jīng)向空間分布上表現(xiàn)為南高北低,中國相應(yīng)地區(qū)降水較少。

圖4(d)和圖5(d)給出了秋季第二模態(tài)的特征向量場和時間系數(shù),其中特征向量呈三角形三極子型分布。有兩個正變異中心,一個位于北半球熱帶地區(qū)的南海海域,另一個位于中西太平洋海域。負(fù)變異中心位于赤道以北的北半球熱帶低緯地區(qū)。

圖4 1979-2017年西太平洋OLR 30～60 d低頻振蕩強(qiáng)度EOF分析第二模態(tài)空間向量

圖5 1979-2017年西太平洋OLR 30～60 d低頻振蕩強(qiáng)度EOF分析第二模態(tài)時間系數(shù)

4 與OLR 30～60天低頻振蕩強(qiáng)度相聯(lián)系的降水距平場特征

夏季西太平洋地區(qū)OLR 30～60天低頻振蕩強(qiáng)度的第一模態(tài)和第二模態(tài)分別對應(yīng)西太平洋季風(fēng)與南海、副熱帶季風(fēng)強(qiáng)度的位相變化,因此該地區(qū)夏季低頻振蕩強(qiáng)度的變化必然會對中國降水產(chǎn)生影響。但具體哪一種季風(fēng)對中國降水的影響較大?鑒于此,選取1979-2017年中國839站降水資料,將其與EOF第一、二模態(tài)的時間序列做回歸分析,以考察中國夏季降水與西太平洋地區(qū)OLR 30～60天低頻振蕩強(qiáng)度的關(guān)系及其與亞洲夏季風(fēng)之間的聯(lián)系。

圖6給出了與夏季西太平洋OLR 30～60天低頻振蕩強(qiáng)度的EOF第一模態(tài)時間序列相聯(lián)系的降水距平回歸場。從圖中可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)南海海域、菲律賓群島附近的低頻振蕩強(qiáng)度異常偏高,而長江流域下游的低頻振蕩強(qiáng)度異常偏低時,西太平洋季風(fēng)處于強(qiáng)度較強(qiáng)的位相,此時四川南部、貴州、云南、廣西、湖南等長江流域以南的地區(qū)夏季降水一致偏高,而長江流域附近的浙江、江西等地夏季降水一致偏低;反之亦然。這些降水的異常變化通過了95%的信度檢驗(yàn),表明在夏季,西太平洋季風(fēng)主要影響中國長江流域以南部分地區(qū)的降水。圖7給出了第一模態(tài)還原場與距平場的同號率檢驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出,同號率檢驗(yàn)的結(jié)果平均為53%左右,大部分值介于48% ～57%,效果最好的是2015年,同號率為65%。

圖6 西太平洋OLR 30～60 d低頻振蕩強(qiáng)度EOF分析第一模態(tài)時間系數(shù)與降水的回歸場(加點(diǎn)的區(qū)域表示通過95%的信度檢驗(yàn))

圖7 1979-2017年第一模態(tài)還原場與距平場同號率檢驗(yàn)折線圖(紅線代表平均數(shù),藍(lán)線代表四分位數(shù))

與夏季西太平洋OLR 30～60天低頻振蕩強(qiáng)度EOF第二模態(tài)時間序列相聯(lián)系的降水距平回歸場(圖8)大值區(qū)主要出現(xiàn)在中國西南、東北等內(nèi)陸地區(qū)。由圖8可以看到,當(dāng)中國南海與長江流域下游的低頻振蕩強(qiáng)度異常偏高時,南海季風(fēng)、副熱帶季風(fēng)也處于強(qiáng)度較強(qiáng)的位相,此時四川、重慶、甘肅南部和新疆東部、青藏高原東部以及東北的部分地區(qū)降水量一致偏高,而福建、浙江、江西以及湖南部分地區(qū)降水量偏低;反之亦然。這說明中國華南部分沿海地區(qū)與西南、華北以及東北地區(qū)的降水場呈反位相變換,即關(guān)鍵區(qū)的OLR 30～60天低頻振蕩強(qiáng)度較強(qiáng),南海季風(fēng)、副熱帶季風(fēng)也較強(qiáng),那么西南、華北以及東北地區(qū)降水偏多,易引發(fā)洪澇,而華南地區(qū)降水偏少,易引發(fā)干旱;反之亦然。這些降水場的異常變化都超過了95%的信度檢驗(yàn)。圖9給出了第二模態(tài)還原場與距平場的同號率檢驗(yàn)結(jié)果,可以看出,同號率檢驗(yàn)的結(jié)果平均約為55%左右,大部分值介于50% ～59.5%,效果最好的是1998年,同號率約為76%。

圖8 西太平洋OLR 30～60 d低頻振蕩強(qiáng)度EOF分析第二模態(tài)時間系數(shù)與降水的回歸場(加點(diǎn)的區(qū)域表示通過95%的信度檢驗(yàn))

圖9 1979-2017年第二模態(tài)還原場與距平場同號率檢驗(yàn)折線圖(紅線代表平均數(shù),藍(lán)線代表四分位數(shù))

對比兩次回歸與同號率檢驗(yàn)的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)第二模態(tài)時間系數(shù)與降水的回歸效果反而更好。這表明中國夏季降水受南海、副熱帶季風(fēng)的影響多于西太平洋季風(fēng)。

5 結(jié)論

利用多種資料,計算出了西太平洋地區(qū)(30°S～40°N,105°E～180°E)OLR 30～60天低頻振蕩強(qiáng)度,對低頻振蕩強(qiáng)度進(jìn)行EOF分解,并且利用夏季EOF前兩個模態(tài)的時間系數(shù)對中國降水距平進(jìn)行了線性回歸,得到如下結(jié)論。

(1)西太平洋地區(qū)OLR 30～60天低頻振蕩強(qiáng)度及其活躍區(qū)的分布都具有明顯的季節(jié)變化?；钴S區(qū)主體基本位于南北半球的中低緯海域,經(jīng)向跨度大。其中冬、春兩季低頻振蕩活躍區(qū)主要位于赤道以南的帝汶海域和所羅門群島附近;夏、秋兩季活躍區(qū)的位置相比于冬、春季明顯偏向西北方向,極大值區(qū)位于南海、菲律賓海域附近。

(2)低頻振蕩強(qiáng)度EOF分解第一主分量表明:冬、春季變異區(qū)主體位于赤道以南的熱帶地區(qū),變異中心在澳大利亞北部的帝汶海域;夏、秋季變異區(qū)北移,位于赤道以北的低緯地區(qū),正值變異中心位于南海、菲律賓群島的東部,負(fù)值變異區(qū)覆蓋長江中下游地區(qū)。其中夏季變異區(qū)的整體形態(tài)與西太平洋季風(fēng)類似,在一定程度上可以反映夏季西太平洋季風(fēng)異常強(qiáng)弱。

低頻振蕩強(qiáng)度EOF分解第二主分量表明:冬、春季變異區(qū)呈現(xiàn)出經(jīng)向三極子型分布,南海、菲律賓附近為強(qiáng)度較弱的正值變異區(qū);夏季正值變異中心位于南海、菲律賓,范圍覆蓋中國長江中下游的部分地區(qū);秋季變異區(qū)呈現(xiàn)為緯向三極子型分布。第二模態(tài)中夏季正值變異區(qū)的整體形態(tài)與南海季風(fēng)、副熱帶季風(fēng)相似,在某種程度上也可以反映南海季風(fēng)、副熱帶季風(fēng)的強(qiáng)弱變化。

(3)長江流域以南的部分地區(qū)降水異常與西太平洋季風(fēng)強(qiáng)弱有較為一致的變化,而長江流域中游、中國華北、東北等地的降水異常受南海季風(fēng)、副熱帶季風(fēng)的強(qiáng)弱變化影響較大。對比兩次回歸的同號率結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),夏季第二模態(tài)時間序列的回歸結(jié)果優(yōu)于第一模態(tài)時間序列的回歸結(jié)果,說明中國夏季降水異常主要是受到南海季風(fēng)、副熱帶季風(fēng)的影響,西太平洋季風(fēng)對中國夏季降水異常的影響相對較弱。

研究發(fā)現(xiàn),夏季第二模態(tài)時間系數(shù)與降水的回歸場對青藏高原南部的部分地區(qū)有較好的反映,可能是印度季風(fēng)與南海季風(fēng)之間的聯(lián)系所導(dǎo)致的,但其具體的過程和物理機(jī)制還有待于進(jìn)一步研究。