貴州夏季降水特征及其與Wang and Fan指數的關系

廖洪敏，何 為，武金霖，石 薇，王麗麗，胡 蓉

(貴州省玉屏縣氣象局，貴州 玉屏 554000)

1 引言

貴州省地處青藏高原向我國東部低山丘陵過渡的斜坡地帶，省內山脈交錯，河谷縱橫，地形復雜。貴州降水的時空變化除受到復雜地形影響外，還受到大氣環流的制約。降水量的變化直接影響貴州的農業生產和經濟社會發展，其中又以夏季降水為甚，因此，分析貴州夏季降水的時空分布特征就顯得非常重要。

影響貴州降水異常的主要環流系統有南壓高壓、印度西南季風，西太平洋副熱帶高壓，中高緯度西風帶擾動系統等[1]。其中，許炳南[2]從東亞大槽和北美東岸大槽的異常變化的角度研究，并得出冬春季節東亞大槽明顯偏淺(弱)與北美東岸大槽明顯偏深(強)同時發生，是貴州夏旱預測的一個強信號；王芬等[3]從前期北太平洋海溫異常的角度分析對貴州夏季降水的影響，得出影響貴州夏季降水的關鍵海溫區從前一年夏季至當年春季逐步由北太平洋的加利福尼冷流區過渡到黑潮區；王芬等[4]認為貴州夏季大部分區域的降水與副高面積指數、強度指數為正相關，與脊線位置、西伸脊點為負相關；許可等[5]揭示同期的印度洋海表溫度距平分布場與貴州夏季降水相關顯著,西印度洋索馬里海區的海溫距平場與貴州夏季降水關系最為密切,當夏季索馬里海區海溫偏高(低)時貴州夏季降水偏少(多)。徐亞敏[6]分析東亞冬、夏季風的年代際振蕩對夏季西太平洋副高和貴州降水的影響，指出冬、夏季風不同長度的年代際振蕩同位相增階段，夏季西太平洋副高位置容易偏北,貴州降水偏少;同位相減弱階段夏季西太平洋副高易偏南,貴州降水偏多。

那么夏季風強度指數對貴州夏季降水的影響如何？張慶云等[7]將東亞熱帶輻合帶與東亞副熱帶輻合帶的850 hPa緯向風的距平差,定義為東亞夏季風指數，施能等[8]將月或季一定范圍內的緯向標準化的海平面氣壓差之和進一步標準化處理定義為東亞季風強度指數。王斌等[9-10]將25種夏季風指數進行了對比分析，得出Wang and Fan指數的指示效果較好。那么該指數與貴州夏季降水關系如何？本文將對此開展研究。

2 資料和方法

2.1 資料

①NCEP再分析資料：1980—2016年月平均850 hPa風場，分辨率為2.5°×2.5°。

②CIMISS數據：1980—2016年貴州82個國家站夏季降水場。由于降水具有很明顯的區域特征，為了消除這種地理差異，本文均采用貴州夏季降水距平百分率來進行分析，降水距平百分率公式：

2.2 Wang and Fan夏季風指數的定義方法

Wang and Fan具體的定義方法為：850 hPa 5～15°N、90～130°E緯向風平均，減去22.5～32.5°N、110～140°E緯向風平均。即平均場U850(5°～15°N,90°～130°E)-U850(22.5°～32.5°N,110°～140°E)，本文用WF指代該指數。

3 貴州夏季降水的EOF分析

首先對貴州夏季降水進行降水距平百分率處理，利用EOF對降水距平百分率場進行分解,得到對應的基本分布型。分解結果(如表1、圖1所示)表明：第一模態收斂快，方差貢獻達48.51%。貴州東北—西南向為負值中心，整個貴州省均為同一符號，表明貴州夏季降水進行降水距平百分率場具有相當高的一致性。對應的時間系數中，時間系數絕對值越大表明對應年份這種空間分布型越明顯。

表1 貴州夏季降水距平百分率EOF分解前三模態方差貢獻及與WF指數相關性Tab.1 The contribution of the front three-modal variance of the EOF of percent of the rainfall anomaly in Guizhou and its correlation with the WF index

為了解WF指數與前三模態時間系數的關系，本文用WF指數與前三種模態的時間系數分別求相關，與第一模態的時間系數相關性達到0.347 8，通過了信度t=0.05(rc=0.325)的檢驗。表明第一模態空間分布的典型性變化與WF指數的變化是對應的。

圖1 貴州夏季降水進行降水距平百分率場EOF分析第一模態空間分布圖(a)及對應的時間系數(b)Fig.1 The first modal spatial distribution map(a)of the EOF of percent of the rainfall anomaly in Guizhou and its time coefficient(b)

4 WF指數與貴州夏季降水的相關分析

4.1 WF指數

本文將強弱季風指數做如下定義：當指數標準化值大于1時為強季風年，當指數標準化值小于-1時為弱季風年。如圖2所示，WF指數強季風年有1981、1985、1986、1990、1994、2001、2004、2012年共8 a，WF指數強季風年有1983、1988、1995、1996、1998、2010年共6 a。標準化WF指數5點平滑的變化曲線呈現年代際的變化特征，周期9～10 a。標準化WF指數每百年以0.79的趨勢減小。

圖2 1980—2016年標準化WF指數及其5點滑動平均、線性趨勢Fig.2 Standardized WF index and its 5-point moving average and linear trend in 1980—2016

4.2 WF指數與貴州夏季降水的相關性

將貴州夏季降水距平百分率與標準化WF指數進行相關系數的分析，通過信度(t=0.05)的區域主要集中在貴州省北部、黔東南與黔南交界。從貴州整個相關系數分布來看，除黔西南的西南角為正相關外，其余省大部地區都是負相關。

圖3 貴州夏季降水距平百分率與標準化WF指數的相關系數[注：通過t檢驗(信度≥0.05)為陰影區]Fig.3 The correlation coefficient between standardized WF index and percent of the rainfall anomaly in Guizhou [Note: the t-test (reliability ≥ 0.05) for shadow zone]

4.3 WF指數強弱季風年與貴州夏季降水合成分析

根據WF指數強弱季風年將貴州夏季降水距平百分率進行合成分析(圖4)。在強WF指數季風年，貴州中東部夏季降水距平百分率主要是負值(圖4a)，說明降水是偏少的，偏少了5%～15%，而在西南部則是偏多10%左右。在弱WF指數季風年則相反(圖4b)，中東部偏多15%～25%，西南部偏少5%左右。分別將WF強、弱季風年進行合成差值分析，得出圖4c，在WF指數強、弱季風，兩者的降水懸殊是非常大的，中部以東可以懸殊到20%～40%，西南部10%～20%。

圖4 貴州夏季降水距平百分率在WF指數強(a)、弱(b)季風年的合成及強弱年合成差值場(c)(單位：%)Fig.4 The fields of percent of the rainfall anomaly in Guizhou in strong WF index years(a)、in weak WF index years(b)and composite differences between strong and weak WF index years(c)

5 WF指數強弱季風年在850 hPa緯向風場的差異

為分析WF指數所定義的選區的環流形勢與貴州夏季降水距平百分率的關系，本文從850 hPa緯向風距平場進行合成分析(圖5)。圖中左下角和右上角加框部分為WF指數計算所定義的區域：關鍵區Ⅰ(5°～15°N,90°～130°E)、關鍵區Ⅱ(22.5°～32.5°N,110°～140°E)。在WF指數強季風年(圖5a)，關鍵區Ⅰ、Ⅱ主要盛行西風，在這種環流形勢下貴州夏季降水距平百分率場是偏少，而在WF指數弱季風年(圖5b)則是相反，關鍵區Ⅰ主要是盛行東風，關鍵區Ⅱ北部是西風，南部是東風，在這種環流形勢中，貴州夏季降水距平百分率場是偏多。

圖5 850hPa緯向風距平場在WF指數強(a)、弱(b)季風年的合成(單位：m/s)Fig.5 The anomaly fields of 850 hPa weft wind in strong WF index years(a)and in weak WF index years(b)

6 討論

①貴州夏季降水距平百分率場EOF的分解，基本分布型為東北—西南向為負值中心，整個貴州省均為同一符號，貴州夏季降水降水距平百分率場具有相當高的一致性，時間系數絕對值越大，表明對應年份這種空間分布型越明顯。且第一模態時間系數與WF指數的相關通過了信度(t=0.05)的檢驗，表明第一模態的空間分布的典型性變化與WF指數的變化是對應的。

②標準化WF指數的線性趨勢每百年以0.79的趨勢減小，標準化WF指數5點平滑變化曲線呈現年代際的變化特征，周期9～10 a。

③與貴州夏季降水距平百分率的相關中，通過信度(t=0.05)的區域主要集中在貴州省北部、黔東南與黔南交界。從貴州整個相關系數分布來看，除黔西南的西南角為正相關外，其余省大部地區都是負相關。

④850 hPa緯向風距平場在WF指數在強、弱季風年合成中，在WF指數強季風年(a)，關鍵區Ⅰ(5°～15°N,90°～130°E)、關鍵區Ⅱ(22.5°～32.5°N,110°～140°E)主要盛行西風，在這種環流形勢下貴州夏季降水距平百分率場是偏少；當關鍵區1盛行東風，關鍵區2北部是西風，南部是東風，貴州夏季降水偏多。