熱帶太平洋海平面高度的年代際異常及其與中國東部夏季降水的關系

李麗平,袁愛軍

(1.南京信息工程大學 氣象災害預報預警與評估協同創新中心,江蘇 南京 210044;

2.氣象災害教育部重點實驗室(南京信息工程大學),江蘇 南京 210044;3.南京信息工程大學 大氣科學學院,江蘇 南京 210044)

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熱帶太平洋海平面高度的年代際異常及其與中國東部夏季降水的關系

李麗平1,2,3,袁愛軍1,2,3

(1.南京信息工程大學 氣象災害預報預警與評估協同創新中心,江蘇 南京 210044;

2.氣象災害教育部重點實驗室(南京信息工程大學),江蘇 南京 210044;3.南京信息工程大學 大氣科學學院,江蘇 南京 210044)

摘要：利用美國國家海洋和大氣管理局的GODAS逐月海平面高度資料、NCEP/NCAR 850 hPa逐月風場再分析資料和中國160站逐月降水資料,分析了熱帶太平洋海平面高度(Sea Surface Height,SSH)年代際異常的時空特征,并進一步分析了夏季熱帶太平洋SSH、850 hPa風場與中國東部夏季降水年代際異常的相關關系。結果表明:1)從秋到冬,熱帶太平洋SSH年代際異常主要空間形態向類“ENSO”型異常發展,從春到夏,類“ENSO”型異常逐漸減弱直到消失。1996前后熱帶太平洋SSH發生一次顯著年代際轉折,轉折之后熱帶太平洋SSH呈東低西高特征,不同季節有所差異。2)1990年前后夏季熱帶太平洋SSH發生的一次弱波動,持續影響夏季大氣環流,使得1992年前后東亞夏季風出現減弱趨勢,造成中國東部黃河以南地區,特別是華南夏季降水顯著異常偏多,四川盆地和東北大部降水異常偏少;1996年SSH的實質性轉折加劇了中國夏季降水的年代際異常趨勢。

關鍵詞：熱帶太平洋;海平面高度;東亞夏季風;夏季降水;年代際異常

0引言

海洋作為氣候的主要部分,在確定氣候狀態、引起氣候的變化中起著重要作用。海洋有很好的“記憶力”,氣候的可預報性很大一部分存在于海洋當中,因此要進行氣候預測,必須要考慮海洋的作用。前人在這方面已開展了大量研究工作,黃榮輝和孫鳳英(1994)分析了西太平洋暖池的熱狀態對東亞夏季氣候異常的影響。鄒立堯和劉宣飛(2002)就太平洋—印度洋夏季海溫異常對亞洲夏季風的影響進行了數值研究,結果表明二者對東亞、南亞夏季風的影響是同號的。李雙林等(2009)總結了北大西洋年代際振蕩對全球氣候的影響,并討論了其對未來氣候的預測意義。關惠戈和余錦華(2014)重點分析冬季氣溫與前期海表溫度異常模的最佳耦合模態。李麗平和羅婷(2014)研究指出,夏季西北太平洋季節內海表溫度異常影響中國東部同期長江中游及華南沿海、江淮流域、華北大部的降水季節內變化特征。此外中太平洋海表溫度異常(王蘇瑤等,2012)、北太平洋混合層深度異常(李麗平等,2013)和中國東部海區熱通量變化(周林義等,2011)與中國降水存在顯著的年際及年代際異常關系。

近年來,由于全球變暖導致的海平面加速上升,使海平面高度(Sea Surface Height,SSH)特別是太平洋SSH變化特征及規律成為國內外氣象、海洋等相關領域專家研究熱點問題之一。已有研究表明,20世紀90年代初熱帶太平洋SSH總體呈上升趨勢,并有加速上升的趨勢(Cazenave and Nerem,2003;Lombard et al.,2005;Antonov et al.,2005)。榮增瑞等(2008)研究指出,1993—2004年期間全球和南海SSH均呈上升趨勢。Cazenave et al.(2008)利用1993—2008年高度計資料得到熱帶西太平洋SSH有顯著的上升趨勢,而熱帶東太平洋SSH下降明顯。而且SSH長期變化趨勢有顯著的區域性分布特征(Cabanes et al.,2001)。然而在使用短期資料分析SSH長期變化趨勢時,其年際和年代際變化對研究結果有顯著的影響(顧小麗和李培良,2009)。許多研究表明,熱帶太平洋SSH存在顯著的年際和年代際變化(Smith,2000;Han and Webster,2002;Sasaki et al.,2008)。在探討SSH年際和年代際變異常成因時,Tiwaria et al.(2004)指出ENSO和太平洋海溫的年代際變化(Pacific Decadal Oscillation,PDO)是重要的影響因素。顧小麗等(2009)近期的研究也指出ENSO對太平洋地區SSH年際變化有顯著影響,而SSH與PDO的相關性分布有區域性和隨時間演變特征。也有不少學者研究我國近海SSH異常特征及成因。如,風場的變化是引起南海SSH變化的主要原因(Liu et al.,2001)。楊建等(2004)指出,我國近海SSH異常與風速和ENSO現象存在顯著相關。遲永祥(2013)分析了東中國海SSH的季節變化規律,并討論了局地風應力對東中國海SSH季節變化的影響。

綜上可見,關于整個熱帶太平洋及中國近海SSH年際、年代際及長期變化趨勢特征的研究已有不少工作,但對其年代際異常特征的研究還相對較少。關于SSH變化引起的氣候效應的研究則更少。李麗平等(2011)研究了SSH季節變化及年際異常特征,并探討了SSH年際異常與中國夏季降水年際異常之間的關系。那么在年代際尺度上,熱帶太平洋SSH異常與中國夏季降水有何關系,則是本文要重點研究和解決的科學問題。

1資料及方法

1)美國國家海洋和大氣管理局的Global Ocean Data Assimilation System(GODAS)逐月海平面高度資料,分辨率Δλ×Δφ=1.0°×0.333°。將120°E～60°W、20°S～20°N的熱帶太平洋海域作為研究范圍(Behringer and Xue,2004)。

2)NCEP/NCAR 850 hPa逐月風場再分析資料,水平分辨率Δλ×Δφ=2.5°×2.5°,取80～160°E、20°S～60°N范圍進行研究(Kistler et al.,2001)。

3)國家氣象信息中心提供的中國160站逐月降水資料。

統一上述三類資料的時間長度,選取1980年1月—2009年12月進行研究。下文所指春、夏、秋和冬季均相對北半球而言,分別對應3—5月、6—8月、9—11月、12月—次年2月。

本文利用諧波分析方法(吳洪寶和吳蕾,2005)對3類資料進行濾波,濾出周期大于等于10 a的年代際分量。采用自然正交函數(EOF)分析方法(Lorenz,1956)、奇異值分解(SVD)(Prohaska,1976)及其蒙特卡洛顯著性檢驗方法(Wallace et al.,1992)、相關分析等方法進行研究。

2熱帶太平洋SSH年代際異常時空特征

首先采用EOF分析方法,分別對秋、冬、春和夏季熱帶太平洋SSH年代際異常時空特征進行分析,因秋、冬、春、夏四個季節SSH EOF第一模態方差貢獻率分別為39.5%、50.1%、46.8%、38.3%,能夠反映各季SSH年代際異常最主要時空特征,下面重點分析第一模態。

由EOF第一特征向量(圖1)可見,秋季(圖1a),熱帶西太平洋及西南太平洋大部海域SSH為負異常,負異常中心位于南半球;赤道以北中太平洋、熱帶東太平洋SSH為正異常,正異常中心位于10°N附近熱帶東北太平洋。與秋季相比,位于赤道以北西太平洋的SSH負異常在冬季(圖1b)向東擴展并加強,使得熱帶西北、西南太平洋均為SSH負異常,熱帶中東太平洋為SSH正異常,正異常中心位于赤道及以北地區,呈現類“ENSO”形態。春季第一特征向量(圖1c)與冬季相似,但10°N附近的正異常略向西擴,正異常中心分別位于5°N和5°S附近,赤道東太平洋為SSH正異常相對低值區,SSH的類“ENSO”形態年代際異常開始減弱。到夏季(圖1d),熱帶東太平洋赤道以北的正SSH異常向西擴展,而熱帶西太平洋赤道以南的SSH負異常向東擴展,赤道附近的SSH負異常已擴至100°W附近,類“ENSO”型SSH年代際異常趨于消失。熱帶太平洋SSH年代際異常主要空間形態的季節變化,非常類似于SSH年際尺度的季節變化特征(Li et al.,2013),即從秋到冬季,SSH年代際異常向類“ENSO”型異常發展,從春到夏,類“ENSO”型異常逐漸減弱直到消失。

圖1　熱帶太平洋SSH年代際異常的EOF第一模態的特征向量(單位:m)　　a.秋季;b.冬季;c.春季;d.夏季Fig.1　The first eigenvectors of the EOF mode of SSH interdecadal anomaly over the tropical Pacific(units:m)a.autumn;b.winter;c.spring;d.summer

由四個季節熱帶太平洋SSH年代際分量EOF第一時間系數(圖2)可知,熱帶太平洋SSH在1996前后發生一次顯著年代際轉折,1996年后時間系數由此前的正異常為主轉為之后的負異常為主。結合各自第一特征向量可知,1996年以來,冬春季熱帶太平洋SSH主要呈東低西高年代際異常特征;夏秋季特征類似,如熱帶太平洋東部和東北部大部地區SSH降低,熱帶西南太平洋SSH升高,主要區別在于菲律賓以東附近SSH異常夏秋季年代際異常呈相反趨勢。另外也注意到,在1990年前后,SSH也存在一次持續時間較短的轉折,特別是夏秋季節,這次轉折之后,正的時間系數振幅顯著減小,到1996年之后,時間系數完全轉為負異常,這次弱轉折,似乎為1996年SSH根本性轉折的前奏,是否會對中國氣候產生影響呢?這將是下面研究中重點關注的問題。

圖2　熱帶太平洋SSH年代際異常的EOF第一模態的時間系數　　a.秋季;b.冬季;c.春季;d.夏季Fig.2　The time coefficients of the first EOF mode of SSH interdecadal anomaly over the tropical Pacifica.autumn;b.winter;c.spring;d.summer

3夏季熱帶太平洋SSH、V850與中國夏季降水年代際異常相關關系

為了解熱帶海平面高度與中國東部夏季降水年代際異常的關系,進一步采用SVD方法,給出夏季熱帶太平洋SSH、850 hPa風場與中國東部降水三者之間的耦合模態,第一耦合模態反映了三者之間最主要的年代際異常耦合時空變化特征,下面重點分析這一模態。

3.1　夏季熱帶太平洋SSH與中國夏季降水年代際異常耦合模態

夏季熱帶太平洋SSH與中國夏季降水年代際異常分量SVD第一模態(圖3)協方差平方和貢獻率為47.2%,該模態通過了信度α=0.05的蒙特卡洛顯著性檢驗。由二者SVD第一模態時間系數(圖3c)可見,在1992年前后,耦合模態發生了年代際轉折,1992年之后,5°N以北的熱帶太平洋大部及東南太平洋海平面高度呈降低、西南太平洋呈升高態勢,相應中國東部夏季降水(圖3b)在華南、黃河中下游及其與長江中下游之間降水異常偏多,四川盆地及東北大部地區降水則呈異常偏少態勢。

對比SSH的SVD第一奇異向量(圖3a)與夏季SSH的EOF第一特征向量(圖1d)可見,二者空間分布非常相似。對比SSH的SVD第一時間系數(圖3c)與夏季SSH的EOF第一時間系數(圖2d)可知,夏季SSH的EOF時間系數在1990年前后已發生一次較明顯異常減小的波動(圖2d),這一波動逐漸引起中國東部降水在1992年左右發生年代際異常(圖3c)。1996年前后SSH發生年代際異常的質變(時間系數由正轉負,圖2d),SVD耦合模態的時間系數在1996年達到了負異常極值(圖3c)。上述特征表明,一方面,熱帶太平洋SSH年代際異常最主要分量影響了中國夏季降水年代際變化;另一方面,1990年左右的熱帶太平洋SSH弱轉折持續影響著中國夏季降水異常,到1992年使得中國夏季降水呈現出明顯的年代際異常,SSH在1996年的實質性轉折繼續延續和加劇了中國夏季降水的年代際異常趨勢。

圖3　夏季熱帶太平洋SSH(a;單位:m)與中國降水年代際異常(b;單位:mm)的SVD第一耦合模態及其對應的時間系數(c;實線:SSH;虛線:降水)Fig.3　The first SVD mode between interdecadal anomaly of SSH over the tropical Pacific and that of precipitation in China in summer　　a.SSH(units:m);b.precipitation(units:mm);c.time coefficients(solid line:SSH;dashed line:precipitation)

3.2　夏季850 hPa風場與中國夏季降水年代際異常相關耦合模態

圖4給出了夏季850 hPa風場與中國降水場年代際異常SVD第一耦合模態,其協方差平方和貢獻率為40.7%,該模態通過了信度α=0.05的蒙特卡洛顯著性檢驗。由時間系數(圖4c)可見,風場和降水場在1992先后發生年代際轉折,風場較降水場年代際轉折時間略早,年代際轉折后的異常也在1996年前后達到極值。轉折之后,菲律賓群島以東附近及西北太平洋—中國東部沿海地區出現反氣旋性—氣旋性環流異常,使得西太平洋副高偏南偏東;中緯度貝加爾湖以東及鄂霍次克海上空存在反氣旋—氣旋式環流對,中國東北大部為偏北異常氣流控制,這些都使得東亞夏季風減弱,造成黃河以南的中國東部沿海地區,特別是華南地區降水呈顯著異常偏多,四川盆地及東北大部降水呈異常偏少趨勢。

圖4　夏季V850(a;單位:m/s)與中國降水年代際異常(b;單位:mm)的SVD第一耦合模態及其對應的時間系數(c;實線:降水;虛線:V850)Fig.4　The first SVD mode between interdecadal anomaly of V850and that of precipitation in China in summera.V850(units:m/s);b.precipitation(units:mm);c.time coefficients(solid line:precipitation;dashed line:V850)

3.3　夏季熱帶太平洋SSH與V850年代際異常相關耦合模態

圖5為夏季熱帶太平洋SSH與V850年代際異常分量SVD第一耦合模態,其協方差平方和貢獻率為47.3%,通過了信度α=0.05的蒙特卡洛顯著性檢驗。SSH第一奇異向量(圖5a)特征與夏季SSH的EOF第一特征向量(圖1d)、夏季SSH與中國降水年代際異常SVD第一奇異向量(圖3a)非常相似,V850場第一奇異向量(圖5a)與夏季850 hPa風場和中國降水場的SVD第一奇異向量(圖4a)很相似,這說明SSH年代際異常最主要分量與850 hPa風場、中國夏季降水場年代際異常分量三者之間存在密切關系。兩者的時間系數(圖5c)在1990年前后正異常出現一次明顯減弱,這一特征在圖3a中也很明顯,1996前后V850、SSH先后由正位相轉為負位相,這也進一步說明,熱帶SSH在1990年左右的較弱轉折已持續影響大氣環流,鑒于大氣環流要素熱容量較小的特性,對外強迫會作出較快的反應,從而引起1992年左右中國降水場發生年代際轉折,并在1996年左右年代際異常達到極值,這可能也是V850場早SSH場較早轉入負位相的原因。

圖5　夏季熱帶太平洋SSH(a;單位:m)與V850年代際異常分量(b;單位:m/s)的SVD第一模態及其對應的時間系數(c;實線:SSH;虛線:V850)Fig.5　The first SVD mode between interdecadal anomaly of SSH over the tropical Pacific and that of V850in summera.SSH(units:m);b.V850(units:m/s);c.time coefficients(solid line:SSH;dashed line:V850)

4結論

1)熱帶太平洋SSH年代際異常主要空間形態存在一定季節變化,從秋到冬,SSH年代際異常向類“ENSO”型異常發展,從春到夏,類“ENSO”型異常逐漸減弱直到消失。熱帶太平洋SSH在1996前后發生一次顯著年代際轉折,轉折之后熱帶太平洋SSH呈東低西高特征,不同季節有所差異,冬春一致,夏秋類似。在1990年前后,SSH也發生一次持續時間較短的波動,特別是夏秋季,波動后正的時間系數振幅顯著減小。

2)SSH年代際異常、850 hPa風場、中國夏季降水場年代際異常最主要分量三者之間存在密切關系。1990年左右的熱帶太平洋SSH年代際弱轉折(波動)持續影響中國夏季降水異常,使得中國夏季降水在1992年呈現出明顯的年代際異常,即:1992年之后,5°N以北的熱帶太平洋大部及東南太平洋海平面高度呈降低、西南太平洋呈升高態勢,菲律賓群島以東附近及西北太平洋—中國東部沿海地區出現反氣旋性—氣旋性環流異常,使得西太平洋副高偏南偏東;中緯度貝加爾湖以東及鄂霍次克海上空存在反氣旋—氣旋式環流對,中國東北大部為偏北氣流控制,導致東亞夏季風減弱,造成中國東部黃河以南地區,特別是華南夏季降水呈顯著異常偏多,四川盆地和東北大部降水呈異常偏少趨勢。SSH在1996年的實質性轉折加劇了上述中國夏季降水的年代際異常趨勢特征。

本文初步討論了熱帶太平洋海平面高度場與850 hPa風場相互作用對中國東部夏季降水年代際異常的影響,其中機理如何,還需未來進一步深入研究。

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(責任編輯：張福穎)

Interdecadal anomaly of tropical Pacific sea surface height and its relationship with summer precipitation in eastern China

LI Li-ping1,2,3,YUAN Ai-jun1,2,3

(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,NUIST,Nanjing 210044,China; 2.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China; 3.School of Atmospheric Sciences,NUIST,Nanjing 210044,China)

Abstract:Using NOAA Global Ocean Data Assimilation System(GODAS) monthly sea surface height(SSH) data,NCEP/NCAR monthly 850 hPa wind field reanalysis data,and monthly precipitation of 160 stations in China,the temporal and spatial characteristics of SSH interdecadal anomaly in the tropical Pacific and the relationships among SSH,850 hPa wind field and summer precipitation in eastern China are investigated.The results show that: 1)From autumn to winter,the main spatial pattern of SSH interdecadal anomaly in the tropical Pacific develops toward the similar “ENSO” pattern.From spring to summer,the similar “ENSO” pattern gradually decreases,and eventually disappears.An obvious SSH interdecadal turning in the tropical Pacific occurs around 1996.The SSH shows the low-east and high-west pattern since 1996,with some different evolutions in different seasons.2)A weak SSH fluctuation in summer over the tropical Pacific takes place around 1990,which continuously affects summer atmospheric circulation,weakens East Asian summer monsoon around 1992 and causes summer precipitation significantly abundant(deficient) in regions south of the Yellow River in eastern China,especially in South China(in Sichuan Basin and Northeast China).The substantive turning of SSH around 1996 exacerbates the above interdecadal variation trends of summer precipitation in China.

Key words:tropical Pacific;sea surface height;East Asian summer monsoon;summer precipitation;interdecadal anomaly

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140902001

文章編號：1674-7097(2015)03-0371-08

中圖分類號：P444

文獻標志碼：A

通信作者：李麗平,博士,副教授,研究方向為區域氣候與海氣相互作用及低頻振蕩,li.liping@163.com.

基金項目:國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2013CB430202);國家自然科學基金重點項目(41330425);公益性行業(氣象)科研專項(GYHY201406024);江蘇省第四期“333工程”第三層次人才培養項目;江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(PAPD)

收稿日期：2014-09-02；改回日期：2014-11-07

李麗平,袁愛軍.2015.熱帶太平洋海平面高度的年代際異常及其與中國東部夏季降水的關系[J].大氣科學學報,38(3):371-378.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140902001.

Li Li-ping,Yuan Ai-jun.2015.Interdecadal anomaly of tropical Pacific sea surface height and its relationship with summer precipitation in eastern China[J].Trans Atmos Sci,38(3):371-378.(in Chinese).