陜西夏秋兩季降水量在厄爾尼諾年的時空特征分析

劉金晶

（陜西省氣象臺，陜西 西安 710014）

美國氣候預測中心（Climate Prediction Center，CPC）將3 個月滑動平均的厄爾尼諾關鍵區海溫距平指數連續5個月超過0.5℃定義為一次厄爾尼諾事件。 目前大部分學者認為厄爾尼諾事件分為兩種類型，且幾乎相互獨立[1]。Nio3.4 指數被認為是較權威的監測指標，將厄爾尼諾事件分為中部型和東部型兩種類型。 秦堅肇[2]在2014 年定義了新的厄爾尼諾指數IEP 和ICP，將厄爾尼諾事件演變類型分為東部型（EP）、中部型（CP）、混合型（MIX）三類，并討論了東部型及中部型厄爾尼諾事件對次年中國東部降水的影響。張宏平等[3]（1997）曾探討了1910—1960 年厄爾尼諾事件的及陜西降水的相關性。 目前，新指數分型下的厄爾尼諾事件對陜西降水當年的影響還鮮有人探討，因此文章主要探討以上兩種指標下的厄爾尼諾事件下的陜西夏秋兩季降水量在的空間分布特征[4]。

1 數據原理與檢驗

選取1971—2013 年陜西地區94 個國家站月平均降水資料，進行數據預處理，通常處理成距平或標準化的形式。 EOF 分解方法首先將某氣候變量時空場的觀測資料以矩陣的形式給出：

式中：m 代表空間點( 觀測站點或網格點)的個數，n 表示時間序列的長度即觀測次數。

先計算數據矩陣Xm×n與其矩陣XT的交叉積，得到方陣

計算方陣C 的特征根（λ1…，m）和特征向量Vm×n，二者滿足

一般將特征根λ 按從大到小順序排列， 即λ1＞λ2＞…λm。 因為數據X 是真實的觀測值，所以λ 應該大于或者等于0。每個非0 的特征根對應一列特征向量值，也稱EOF。如λ1對應的特征向量值稱第一個EOF 模態，也就是A 的第一列即EOF1=A(：, 1)；第λk對應的特征向量是A 的第k列，即EOFk=A(：, k)。

檢驗各個模態之間是否相互獨立，也就是能否稱為一個有著獨立特征的模態。 使用North 檢驗，計算特征值誤差范圍來進行顯著性檢驗。 特征值λ 的誤差范圍，n 為樣本量， 當相鄰特征值λj+1滿足λj+1-λj≥ej時，認為這兩個特征值對應的經驗正交函數是有價值的信號。

2 陜西夏秋兩季降水空間分布特征

圖1 表示為第一特征向量的空間分布，其方差貢獻率為40.1%，該模態最具優勢地位，是表征陜西夏季降水變化的主要分布形式。 陜西全省除榆林局部地區特征向量為正值分布，說明降水的分布在該模態下具有一致性。 向量大值區位于漢中市，也是對降水反應最敏感的地區。 第二特征向量的空間分布，方差貢獻率為15.5%，負相位荷載最大的地區以清澗、子長、延川為中心的區域。 正相位荷載最大的地區以鎮巴、紫陽、嵐皋、平利、鎮坪及商南為中心的區域。 全省呈“西北負東南正”的反向分布，“零”線位于關中南部及漢中中部一帶。

圖2 表示第一特征向量的空間分布，其方差貢獻率為75.1%，該模態最具優勢地位，是表征陜西秋季降水變化的主要分布形式。 陜西全省特征向量均為正值分布，同樣說明降水的分布在該模態下具有一致性。 向量大值區位于鎮巴縣及紫陽縣，也是對降水反應最敏感的地區。 第二特征向量的空間分布，方差貢獻率為8.0%，負相位荷載最大的地區以吳起、志丹、安塞、子長為中心的區域。 正相位荷載最大的地區以鎮巴、紫陽、嵐皋、漢陰為中心的區域。全省呈“北負南正”的反向分布，“零”線位于關中南部及漢中中部一帶。

圖1 夏季降水第一、第二模態的特征向量

圖2 秋季降水第一、第二模態的特征向量

3 兩種指標下不同類型厄爾尼諾發生年夏秋兩季降水時間分布特征

根據美國氣候預測中心觀測統計定義1971 年至2013 年發生12 次厄爾尼諾事件， 其中1972、1982、1983、1992、1997 年為夏季發生東部型厄爾尼諾事件的年份，1972、1976、1982、1991、1997 年為秋季發生東部型厄爾尼諾事件的年份，1987、2002、2004、2006、2009 年為夏季發生中部型厄爾尼諾事件的年份，1977、1986、1987、1994、2002、2004、2006、2009 年為秋季發生中部型厄爾尼諾事件的年份。

圖3 Ni o3.4 指數厄爾尼諾年陜西夏秋兩季第一、第二模態對應的降水時間變化

根據秦（2014）新定義的指數分類1971 年至2013 年發生19 次厄爾尼諾事件， 其中1976、1982、1983、1987、1990、1992、1997、1998、2008 年為發生在夏季的東部型厄爾 尼 諾 事 件 的 年 份，1972、1977、1982、1986、1987、1990、1991、1993、1994、1995、2002、2004 為發生在夏季的中部型厄爾尼諾事件的年份，1982、1987、1990 年為發生在夏季的混合型厄爾尼諾事件的年份；1972、1976、1982、1983、1987、1991、1997、2008 年為發生在秋季的東部型厄爾尼諾 事 件 的 年 份，1972、1977、1982、1990、1991、1993、1994、2002、2004、2006、2009 年為發生在秋季的中部型厄爾尼諾事件的年份，1972、1982 年為發生在秋季的混合型厄爾尼諾事件的年份。

圖3 顯示出在夏季第一模態降水的空間分布隨時間的變化較第二模態分布離散， 且表現出一定的周期性變化。 在秋季第一模態下的降水隨時間幾乎為負位相的變化，第二模態下的降水隨時間大部分為正位相的變化。 圖4 顯示新指數劃分下的厄爾尼諾年份數據更密集， 但第一、 第二模態分布隨時間的變化規律與前者定義的變化規律相似，厄爾尼諾事件發生在夏季的第一、二模態均表現一定的年際變化。 新指數定義的東部型厄爾尼諾事件降水空間分布在夏季和秋季隨時間的變化存在年代際的變化， 在夏季表現為1997 年之前隨時間的變化同位相變化，1997 年之后表現相反， 在秋季表現為1995 年之前幾乎同位相變化，且呈3～5 年的周期性變化，1995 年之后呈同位相變化。 中部型厄爾尼諾事件降水空間分布在夏季和秋季隨時間的變化呈基本一致。

4 結語

兩種指標分類的厄爾尼諾年內，陜西夏秋兩季降水量的空間分布隨時間的變化是一致的，從第一模態的分布表現為夏季的降水分布整體表現為偏多或偏少，且變化幅度較大，秋季的降水成負位相變化，表示厄爾尼諾年份陜西省秋季降水量整體偏少；從第二模態的分布表現為降水呈現的北少南多的分布特點，且降水成正位相變化，表示陜北、關中、漢中西部降水偏少，漢中東部、安康、商洛降水偏多。

新指標分類的東部型厄爾尼諾事件中夏季降水第一模態表現為1997 年之前陜西降水整體偏多，1997 年之后整體偏少。 第二模態表示降水北少南多的特點且呈現年代際變化。 中部型厄爾尼諾事件中夏季降水的第一模態在1995 年之前陜西整體降水偏多或偏少， 且呈3～5 年的周期性變化，1995 年之后則整體偏少。 第二模態在1995年之前北少南多的降水特點呈3～5 年的周期性變化，1995年之后則為北略偏多南略偏少的特點。

東部型厄爾尼諾事件中秋季降水第一模態表現為整體偏少， 第二模態表現為北略偏少南略多的特點比較穩定。 中部型厄爾尼諾事件中秋季降水第一模態表現為全省整體降水偏少，第二模態北略偏少南略偏多到北略偏多南略偏少的呈3～5 年的周期性變化。