冬季各月北太平洋濤動的年際變化及其與我國降水異常的聯系

李忠賢,何鵬

?

冬季各月北太平洋濤動的年際變化及其與我國降水異常的聯系

李忠賢*,何鵬

南京信息工程大學 氣象災害教育部重點實驗室/氣候與環境變化國際聯合實驗室/氣象災害預報預警與評估協同創新中心,江蘇 南京 210044

2014-12-01收稿,2015-03-31接受

國家自然科學基金資助項目(41575102);江蘇省高校自然科學研究面上項目(13KJB170013)

利用ERA-Interim的海平面氣壓(Sea Level Pressure,SLP)再分析資料和中國160站的降水觀測資料,分析了冬季各月(當年12月、次年1月和2月)北太平洋濤動(North Pacific Oscillation,NPO)的年際變化特征,及其與我國同期降水異常之間的聯系。結果表明:1)冬季各月NPO指數的年際變化較為顯著,但各月NPO指數年際變化之間的相關性較差,1979—2012年冬季12月與1月NPO指數年際變化之間的相關系數為0.09,而1月與2月NPO指數的相關系數僅為-0.003,均沒有通過信度檢驗。2)1月和12月NPO指數年際變化與同期我國黃淮流域降水異常之間存在明顯的正相關,而2月NPO指數年際變化與同期我國華北降水異常之間為明顯的負相關。3)當1月(12月)NPO指數增加1個標準差時,我國黃淮流域降水量比多年平均值增加約50%(40%);而當2月NPO指數增加1個標準差時,我國華北降水量比多年平均值減少約30%。

北太平洋濤動

年際變化

冬季

降水

環流特征

北太平洋濤動(North Pacific Oscillation,NPO)是指北太平洋大氣環流異常年際變化的主要模態,反映的是北太平洋區域海平面氣壓(Sea Level Pressure,SLP)在高緯和低緯之間的蹺蹺板變化特征(Rogers,1981;王會軍等,2007;王林等,2011;李忠賢等,2014)。NPO的概念是美國天氣預報員在1916年首次提出,并且于20世紀20年代開始被西方學者所關注(Walker,1924;Walker and Bliss,1932)。一些學者通過經驗正交函數(Empirical Orthogonal Function,EOF)分解方法對北太平洋SLP異常進行分析,發現其第二模態表現為NPO的分布形態(Kutzbach,1970;Roger,1979)。Wallace and Gutzler(1981)利用單點相關的技術,進一步證實了NPO的存在。研究指出NPO與其上空大氣的太平洋—北美型(Pacific-North American pattern,PNA)和太平洋西部型(Western Pacific pattern,WP)遙相關型有密切聯系,而且NPO和WP遙相關型有非常相似的垂直結構,被認為是同一種大氣環流異常模態分別在海平面氣壓場和空間高度場上的不同表達(Linkin and Nigam,2008)。冬季NPO和WP的年際變化與太平洋風暴軸等存在密切聯系(王娜和孫照渤,2013;袁凱等,2015)。

冬季NPO作為冬季北半球太平洋地區大尺度大氣環流的主要模態之一,其年際變化與中國的氣溫及降水之間有著密切的關系(Wang et al.,2007)。郭冬和孫照渤(2004)指出在NPO指數偏強年,東亞冬季風偏弱,中國氣溫普遍偏高,長江中下游地區降水偏少,而華南降水偏多;而在NPO指數偏弱年,東亞冬季風偏強,中國氣溫普遍偏低,降水偏少。此外,研究發現前期冬季NPO年際變化與中國春季和夏季降水分布存在緊密的聯系(趙振國和廖荃蓀,1992;張靜等,2007;王林等,2011;周波濤和夏冬冬,2013)。利用逐月平均SLP和地表氣溫資料,Walker and Bliss(1932)指出,冬季NPO變化與北美、亞洲和南美地區的氣溫與降水有非常明顯的影響。Linkin and Nigam(2008)的分析表明,冬季NPO變異對太平洋西北部和北美地區冬季氣候具有重要影響。

迄今為止,學界主要針對季節平均(特別是冬季)NPO的年際、年代際變化及其與全球大氣環流和氣候異常的關系作了大量工作。然而,有關不同月份NPO的年際變化及其氣候影響的研究尚不多見。本文主要利用觀測資料,初步分析冬季各月NPO的年際變化及其與我國降水的聯系。

圖1　1979—2012年冬季12月(紅色柱狀線)、1月(藍色柱狀線)和2月(綠色柱狀線)NPO指數變化(單位:hPa)Fig.1　December(red bars),January(blue bars) and February(green bars) NPO index in winter during 1979—2012(units:hPa)

1　資料和方法

本文使用的資料有:

1)歐洲中期天氣預報中心逐月SLP、500 hPa高度場與850 hPa風場資料(Dee et al.,2011),水平分辨率為2.5°×2.5°,時段為1979年1月—2013年12月。

2)國家氣候中心提供的全國160站逐月降水量資料,時間段為1951年1月—2013年10月。

上述資料本文選用時段均為1979年12月—2013年2月。文中冬季是指當年12月到次年2月(如:1979年冬季表示1979年12月、1980年1月與1980年2月,下不贅述)。

參照Furtado et al.(2012)定義NPO指數的方法,將冬季各月NPO北部中心(180°～140°W,55～72.5°N)各格點上SLP距平(SLP Anomaly,SLPA)的區域平均值與NPO南部中心(175°E～147.5°W,15～27.5°N)各格點上SLPA的區域平均值之差定義為當前月份的NPO指數。

本文采用的方法主要有相關分析、一元線性回歸分析和Morlet小波分析(Torrence and Compo,1998)等統計方法。

2　冬季各月北太平洋濤動的年際變化特征

圖1給出了1979—2012年冬季各月NPO指數的變化曲線。從圖1可以看出,冬季各月NPO指數均具有明顯的年際變化,而2月份NPO指數還存在年代際變化。此外,冬季NPO指數的季節內變化也較為明顯,其中1979—2012年共34個冬季中各月NPO指數正、負符號不一致的年份共有23個,約占總年份的68%。

為了分析冬季各月NPO指數變化的時間尺度特征,對冬季各月NPO指數進行小波分析(圖2)。可見,冬季各月NPO指數的年際變化特征較為顯著。12月NPO指數主要表現為2～4 a的周期變化(圖2a);1月NPO指數變化在20世紀80年代至90年代以2～4 a的周期為主,在21世紀初以后主要以4～8 a的周期為主(圖3b);2月NPO指數變化在20世紀80年代表現為2～4 a的顯著周期,20世紀90年代至21世紀初存在16 a左右的周期變化,但未通過信度檢驗。

對冬季各月NPO指數進行了年代際時間尺度分量濾波,提取出了各月NPO指數年際變化分量。如圖3所示,冬季各月NPO指數的正、負位相年份差異顯著。計算表明,12月NPO指數與1月NPO指數年際變化之間的相關系數為0.09,1月與2月NPO指數的相關系數為-0.003,均沒有通過信度檢驗。

圖2　1979—2012年冬季各月NPO指數的Morlet小波分析(陰影區通過了95%的置信度檢驗)　　a.12月;b.1月;c.2月Fig.2　The local wavelet power spectra for the winter monthly NPO index,based on the Morlet wavelet for the period 1979—2012(shading indicates the 95% confidence level):(a)December;(b)January;(c)February

圖3　1979—2012年冬季各月NPO指數的年際變化(單位:hPa)　　a.12月;b.1月;c.2月Fig.3　Interannual variations of the winter monthly NPO index during 1979—2012(units:hPa):(a)December;(b)January;(c)February

3　冬季各月北太平洋濤動年際變化與我國降水異常的關系

圖4為冬季各月NPO指數年際變化與同期我國降水距平百分率的回歸系數分布。對比圖4a、b、c可見,冬季不同月份NPO指數年際變化與同期降水異常之間的聯系存在較為明顯的差異。從圖4a可見,當12月NPO處于正(負)位相時,我國降水異常增加(減少)比較明顯的區域位于華北、黃淮和東南沿海地區,尤其是黃淮流域,而我國東北地區的降水異常偏少(多);當12月NPO指數增加(減少)1個標準差時,我國黃淮流域降水量比同期多年平均值增加(減少)40%左右。如圖4b所示,當1月NPO處于正(負)位相時,我國黃淮流域降水異常出現明顯的增加(減少);當1月NPO指數增加(減少)1個標準差時,我國黃淮流域降水量比同期多年平均值增加(減少)50%左右。圖4c表明,當2月NPO指數增加(減少)1個標準差時,我國華北地區降水量比同期多年平均值減少(增加)30%左右。

圖4　1979—2012年冬季各月NPO年際變化指數與同期中國160站降水百分率的回歸系數分布(淺、深陰影區分別通過了90%和95%的置信度檢驗；單位：%)　　a.12月;b.1月;c.2月Fig.4　The simultaneous regression coefficients of the winter monthly NPO index and precipitation anomaly percentage in China during 1979—2012(light and dark shading indicates the 90% and 95% confidence levels,respectively;units:%):(a)December;(b)January;(c)February

4　冬季各月北太平洋濤動年際變化與東亞大氣環流異常的關系

圖5為1979—2012年冬季各月NPO指數的年際變化與同期SLP場和500 hPa位勢高度距平場的回歸系數分布。圖5a表明,當12月NPO處于正(負)位相時,東亞地區的SLPA場異常偏高(低),同時在其上空500 hPa高度場上也有正(負)位勢高度異常變化,主要位于我國東北、朝鮮半島和日本地區(圖5d),這將有利于該地區異常反氣旋(氣旋)的形成,而且異常環流場通過了95%的置信度檢驗;與12月的情況較為類似,當1月NPO處于正(負)位相時,東亞地區SLP和500 hPa偏高(低)(圖5b、e),當2月NPO處于正(負)位相時,我國西北和內蒙古地區的SLP場偏高(低)(圖5c),而我國東北地區500 hPa高度場偏低(高)(圖5f),這將有利于我國華北地區出現異常的偏北(南)氣流。

圖5　1979—2012年冬季各月標準化NPO指數的年際變化與同期SLPA場(a,b,c；單位:hPa)和同期500 hPa位勢高度距平場(d,e,f；單位:gpm)的回歸系數分布(陰影區通過了95%的置信度檢驗)　　a,d.12月;b,e.1月;c,f.2月Fig.5　The simultaneous regression coefficients of (a—c)SLP anomaly(units:hPa) and (d—f)500 hPa geopotential height anomalies(units:gpm) on the interannual variations of the winter monthly NPO normalized index during 1979—2012(shadings indicate the 95% confidence level):(a,d)December;(b,e)January;(c,f)February

圖6為1979—2012年冬季各月NPO指數年際變化與同期850 hPa風場距平的回歸系數分布。由圖6a可見,當12月NPO處于正(負)位相時,我國東北地區為異常反氣旋(氣旋)式的風場距平,我國華北、黃淮地區位于異常反氣旋(氣旋)的南邊緣,將有利于(不利于)來自西太平洋的暖濕水汽向華北和黃淮地區輸送,從而使得華北、黃淮地區降水異常偏多(少);由圖6b所示,當1月NPO處于正位相時,長江流域以北地區有異常偏南氣流向華北南部和黃淮地區輸送,使得該區域的降水增加,反之亦然;圖6c表明,2月NPO處于正(負)位相時,我國華北地區受到異常偏北(南)氣流的影響,這種異常風場將加強(減弱)東亞冬季風,這一環流形勢有不利于(有利于)來自南邊海洋的暖濕氣流向我國華北地區輸送,從而導致我國華北地區降水減少(增加)。

5　結論與討論

本文利用1979年1月至2013年12月ERA-Interim逐月的SLP再分析資料和中國160站的降水觀測資料,分析了冬季各月NPO的年際變化特征,及其我國同期降水之間的聯系,得到如下結論:

1)冬季各月NPO指數年際變化的相關性較弱,其中12月與1月NPO指數年際變化之間的相關系數為0.09,而1月與2月NPO指數的相關系數僅為-0.003,均未通過信度檢驗。

2)冬季各月NPO年際變化與我國降水異常存在緊密的聯系。當12月NPO指數增加(減少)1個標準差時,我國黃淮流域降水量比多年平均值增加(減少)40%左右;當1月NPO指數增加(減少)1個標準差時,我國黃淮流域降水量比同期多年平均值增加(減少)50%左右;當2月NPO指數增加(減少)1個標準差時,我國華北地區降水量比多年平均值減少(增加)30%左右。

3)冬季各月NPO年際變化與東亞地區大氣環流異常關系密切。當12月NPO處于正(負)位相時,整個東亞地區的SLP場異常偏高(低),同時在其上空500 hPa高度場上也有正(負)位勢高度異常變化,這將有利于該地區異常反氣旋(氣旋)式的風場距平。受其影響,我國黃淮流域降水出現增加(減少);1月NPO與東亞大氣環流的聯系和12月較為類似;當2月NPO處于正(負)位相時,在我國西北、內蒙古地區的SLP場異常偏高(低),我國東北地區500 hPa高度場偏低(高),這將使得我國華北地區出現異常的偏北(南)氣流,導致2月華北地區降水出現減少(增加)。

本文的研究表明,冬季NPO不僅存在明顯的年際變化,還存在明顯的季節內(月平均時間尺度)變化。但是冬季不同月份NPO變化的相關系數偏小,這可能與冬季不同月份天氣尺度的北太平洋風暴軸活動和各月東亞副熱帶急流變化等有關(任雪娟等,2007;Linkin and Nigam,2008;王林等,2011),今后有必要對此進行深入研究。

圖6　1979—2012年冬季各月標準化NPO指數的年際變化與同期850 hPa風場距平的回歸系數分布(淺、深陰影區表示經向風場分別通過了90%和95%的置信度檢驗；單位:m·s-1)　　a.12月;b.1月;c.2月Fig.6　The simultaneous regression coefficients of 850 hPa wind anomalies on the winter monthly NPO normalized index during 1979—2012 (light and dark shading indicates the 90% and 95% confidence levels for the meridional wind fields,respectively;units:m·s-1):(a)December;(b)January;(c)February

References)

Dee D P,Uppala S M,Simmons A J,et al.,2011.The ERA-Interim reanalysis:Configuration and performance of the data assimilation system[J].Quart J Roy Meteor Soc,137(656):553-597.

Furtado J C,Lorenzo E D,Anderson B T,et al.,2012.Linkage between the North Pacific Oscillation and central tropical Pacific SSTs at low frequencies[J].Climate Dyn,39(12):2833-2846.

郭冬,孫照渤,2004.冬季北太平洋濤動異常與東亞季風和我國天氣氣候的關系[J].南京氣象學院學報,27(4):461-470.Guo D,Sun Z B,2004.Relationships of winter North Pacific Oscillation anomalies with the East Asian winter monsoon and the weather and climate in China[J].J Nanjing Inst Meteor,27(4):461-470.(in Chinese).

Kutzbach J E,1970.Large-scale features of monthly mean Northern Hemisphere anomaly maps of sea-level pressure[J].Mon Wea Rev,98(9):708-716.

李忠賢,何鵬,倪東鴻,等,2014.陣風效應對冬季北太平洋濤動年際變化模擬效果的影響[J].大氣科學學報,37(2):155-162.Li Z X,He P,Ni D H,et al.,2014.Impact of wind gustiness effect on simulation of interannual variation of North Pacific Oscillation in winter[J].Trans Atmos Sci,37(2):155-162.(in Chinese).

Linkin M E,Nigam S,2008.The North Pacific Oscillation—West Pacific teleconnection pattern:Mature-Phase structure and winter impacts[J].J Climate,21(9):1979-1997.

任雪娟,楊修群,韓博,等,2007.北太平洋風暴軸的變異特征及其與中緯度海氣耦合關系分析[J].地球物理學報,50(1):92-100.Ren X J,Yang X Q,Han B,et al.,2007.Storm track variations in the North Pacific in winter season and the coupled pattern with the mid-latitude atmosohere-ocean system[J].Chinese J Geophys,50(1):92-100.(in Chinese).

Rogers J C,1979.The North Pacific Oscillation and eigenvectors of Northern Hemisphere atmospheric circulation during winter[D].Boulder:Colorado University.

Rogers J C,1981.The North Pacific Oscillation[J].Int J Climatol,1(1):39-57.

Torrence C,Compo G P,1998.A practical guide to wavelet analysis[J].Bull Amer Meteor Soc,79(1):61-78.

Walker G T,1924.Correlation in seasonal variations of weather IX.A future study of world weather[J].Memoirs of the India Meteorological Department,24(4):275-332.

Walker G T,Bliss E W,1932.World Weather V[J].Memoirs of the Royal Meteorological Society,4(36):53-84.

Wallace J M,Gutzler D S,1981.Teleconnections in the geopotential height field during the Northern Hemisphere winter[J].Mon Wea Rev,109(4):784-812.

王會軍,孫建奇,范可,2007.北太平洋濤動與臺風和颶風頻次的關系研究[J].中國科學:地球科學,37(7):966-973.Wang H J,Sun J Q,Fan K,2007.Relationships between the North Pacific Oscillation and the typhoon/hurricane frequencies[J].Science China:Earth Sciences,37(7):966-973.(in Chinese).

Wang L,Chen W,Huang R H,2007.Change in the variability of North Pacific Oscillation around 1975/1976 and its relationship with East Asian winter climate[J].J Geophys Res,112(D11),D1110.doi:10.1029/2006JD008054.

王林,陳文,馮瑞權,等,2011.北太平洋濤動的季節演變及其與我國冬春氣候異常的聯系[J].大氣科學,35(3):393-402.Wang L,Chen W,Feng R Q,et al.,2011.The seasonal march of the North Pacific Oscillation and its association with the interannual variations of China’s climate in boreal winter and spring[J].Chin J Atmos Sci,35(3):393-402.(in Chinese).

王娜,孫照渤,2014.冬季北太平洋風暴軸的年際型態及其與大氣環流的關系[J].大氣科學學報,37(2):175-187.Wang N,Sun Z B,2014.Interannual patterns of winter North Pacific storm track and its relationship with atmospheric circulation[J].Trans Atmos Sci,37(2):175-187.(in Chinese).

袁凱,朱偉軍,陳懿妮,2015.北太平洋東部風暴軸的變化特征及其大氣環流和SST異常的關系[J].大氣科學學報,38(1):66-75.Yuan K,Zhu W J,Chen Y N,2015.Characteristics of eastern storm track variations over the North Pacific and its relationship with the atmospheric circulation and SST anomaly[J].Trans Atmos Sci,38(1):66-75.(in Chinese).

張靜,朱偉軍,李忠賢,2007.北太平洋濤動與淮河流域夏季降水異常的關系[J].南京氣象學院學報,30(4):546-550.Zhang J,Zhu W J,Li Z X,2007.Relationship between winter North Pacific Oscillations and summer precipitation anomalies in the Huaihe River basin[J].J Nanjing Inst Meteor,30(4):546-550.(in Chinese).

趙振國,廖荃蓀,1992.冬季北太平洋濤動和我國夏季降水[J].氣象,18(2):11-16.Zhao Z G,Liao Q S,1992.The relationship between the summer rainfall in China and the Northern Pacific Oscillation in winter[J].Meteor Mon,18(2):11-16.(in Chinese).

周波濤,夏冬冬,2013.淮河流域夏季降水與前冬北太平洋濤動聯系的年代際變化[J].中國科學:地球科學,43(4):547-555.Zhou B T,Xia D D,2013.Interdecadal change of the connection between winter North Pacific Oscillation and summer precipitation in the Huaihe River valley[J].Science China:Earth Sciences,43(4):547-555.(in Chinese).

The North Pacific Oscillation(NPO) is one of the most prominent large-scale patterns of atmospheric low-frequency variability in the northern extratropics.It plays an important role in modulating atmospheric circulation and climate over the East Asian region.Based on the ERA-Interim sea level pressure data,along with the observed precipitation data of 160 stations in China provided by the National Climate Center,spanning from January 1979 to December 2013,the interannual variation of the winter monthly(December,January and February) NPO and its association with simultaneous precipitation in China and atmospheric circulation over East Asia are investigated in this paper through use of correlation analysis,linear regression analysis and Morlet wavelet analysis.

The results show that the monthly NPO has a significant interannual variation in wintertime.The index of the monthly NPO has a 2—4 yr period.Importantly,however,the correlations among the interannual variation of the winter monthly NPO indices are weak.During 1979—2012,the correlation coefficients between the NPO index in December and that in January is 0.09,while between January and February it is only -0.003,without passing the reliability test at the 95% confidence level.

Additionally,it is shown that the interannual variation of the NPO impacts evidently upon the precipitation anomalies over East China.Significant positive correlation is found between the interannual variations of the NPO and the precipitation over the Huanghuai River valleys in December and January.However,the interannual variation of the NPO in February relates negatively to the precipitation over North China in February.The precipitation over the Huanghuai River valleys increases by about 50%(40%) compared with its climatology as the NPO index increases by one standard deviation in January(December).Meanwhile,when the NPO index increases by one standard deviation in February,the precipitation over North China decreases by about 30%.

Furthermore,the monthly NPO is closely associated with anomalous East Asian atmospheric circulation,which leads to anomalous precipitation over East China.When the NPO index is positive in December and January,the simultaneous sea level pressure and 500 hPa geopotential height anomalies are positive over East Asia.As a result,the precipitation over the Huanghuai River valleys increases in December and January.When the NPO index is negative in December and January,the simultaneous sea level pressure and 500 hPa geopotential height anomalies are negative over East Asia.Accordingly,the precipitation over the Huanghuai River valleys decreases in December and January.When the NPO index is positive in February,the sea level pressure anomalies are positive over northwestern China and Inner Mongolia and the 500 hPa geopotential height anomalies are negative over northeastern China,which leads to a decrease in precipitation over North China in February.Lastly,when the NPO index is negative in February,the sea level pressure anomalies are negative over northwestern China and Inner Mongolia and the 500 hPa geopotential height anomalies are positive over northeastern China,resulting in increased precipitation over North China in February.

North Pacific Oscillation;interannual variation;winter;precipitation;circulation features

(責任編輯：孫寧)

Interannual variation of the winter monthly North Pacific Oscillation and its association with precipitation in China

LI Zhongxian,HE Peng

KeyLaboratoryofMeteorologicalDisaster,MinistryofEducation(KLME)/JointInternationalResearchLaboratoryofClimateandEnvironmentChange(ILCEC)/CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20141203001

引用格式：李忠賢,何鵬,2016.冬季各月北太平洋濤動的年際變化及其與我國降水異常的聯系[J].大氣科學學報,39(5):600-607.

Li Z X,He P,2016.Interannual variation of the winter monthly North Pacific Oscillation and its association with precipitation in China[J].Trans Atmos Sci,39(5):600-607.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20141203001.(in Chinese).

*聯系人，E-mail:lizhongxian@nuist.edu.cn