西太平洋低頻振蕩強度的年際變化及其主模態特征

陳沛宇, 侯劭禹, 鞏遠發, 付 嬌, 趙?；? 劉成瀚, 王煥哲

(1.河北省氣象技術裝備中心,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.成都信息工程大學大氣科學學院,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80年代,蔣尚城等[5-6]就發現了OLR與云量、對流強度之間的聯系,并且利用OLR資料,指出副熱帶高壓和ITCZ的演變規律。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生洪澇,黃河流域、華北等地降水偏少易發生干旱[8]。宋文玲[9]定義了西太平洋OLR強度指數,也發現了夏季西太平洋地區對流活動強度與同期江淮地區降水有很好的負相關。

中國大部分地區的降水異常與熱帶西太平洋上空大氣低頻振蕩密切相關[10-11]。謝安等[12]通過對OLR 30～60天低頻振蕩進行合成分析,發現低頻對流信號在赤道西太平洋附近北抬時,西太平洋海域臺風較多,這些臺風的活動與中國華南、華北的降水異常有直接的關系。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、強弱,進而對四川盆地降水產生影響[13]。鞏遠發等[14]研究了亞洲季風區大氣熱源匯,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、西太平洋季風的強度至關重要[15-16]。南海附近30～60天低頻振蕩的發展是南海夏季風爆發的一個不可或缺的因素[17]。李崇銀等[18]分析了南海強、弱夏季風低頻振蕩的活動,指出強、弱南海夏季風主要由異常的大氣季節內震蕩(ISO)所激發,南海附近ISO的變化往往與江淮地區的變化反相。周兵等[19]通過定義東亞副熱帶季風指數,發現長江流域中下游降水異常與東亞副熱帶季風強弱有顯著的關聯。東亞副熱帶季風強度較強時,長江中下游降水偏多;反之,則偏少。西北太平洋夏季風強度受850 hPa緯向風和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上,研究西太平洋OLR 30～60天低頻振蕩強度的季節分布特征和夏季OLR 30～60天低頻振蕩強度對中國長江流域降水異常的影響。

1 資料和方法

1.1 數據

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布的839個臺站的逐日降水數據.兩個數據的時段均為1979年1月1日到2017年12月31日。

1.2 方法

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

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天低頻振蕩強度的季節變化

圖1為西太平洋地區1979-2017年OLR 30～60天低頻振蕩強度的季節變化分布圖。由圖1(a)、(b)可以看出,冬、春季低頻振蕩強度大致呈東-西帶狀分布,其活躍區偏于南半球,極大值中心位于澳大利亞北部的帝汶海域附近,中心強度最高可以達到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),低頻振蕩強度的活躍區顯著北移,大部分位于北半球熱帶低緯地區的南海海域、菲律賓海域附近,其經度跨度相較于冬、春季大幅減小,出現2個極大值中心,分別位于南海海域、菲律賓海域,極大值中心可以達到300 W2/m4左右。

圖1 1979-2017年平均OLR的30～60 d低頻振蕩強度的空間分布

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主要位于赤道以南的熱帶低緯地區。在夏、秋季活躍區主體主要存在于北半球低緯地區。

3 西太平洋 OLR 30～60天低頻振蕩強度時空變化特征

表1顯示了每個季節的前三個空間模態的方差貢獻率,各個季節均是前兩個模態累計方差貢獻率較大,故本文主要介紹EOF展開的前兩個主模態的空間場和相應的時間序列。

表1 前三個空間模態的方差貢獻率 單位:%

3.1 時空變化的第一模態

冬季第一模態特征向量的空間變化(圖2a,相應的時間序列為圖3a)主要是經向變化。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為正值變異區,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,向東最遠可延伸至180°E附近。在南半球存在兩個變異中心區,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。春季第一模態特征向量的空間分布圖(圖2b,相應的時間序列為圖3b)與冬季情況基本相似,但強度有所減弱,變異中心區略向北移。在南海、菲律賓海域附近還存在兩個強度較弱的負變異中心。

圖2 1979-2017年西太平洋OLR 30～60 d低頻振蕩強度EOF分析第一模態空間向量

圖3 1979-2017年西太平洋OLR 30～60 d低頻振蕩強度EOF分析第一模態時間系數

圖2(c)和圖3(c)給出了夏季第一模態特征向量場的空間分布圖和時間系數圖。從圖2(c)可以看出,變異區的整體形態與西太平洋季風的形態相似。在赤道低緯的西太平洋地區基本為正值變異區,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,并且高值區呈不連續的帶狀分布。負值變異區位于中國長江流域以南的中緯度地區。這種南北向的分布趨勢表明,夏季西太平洋OLR 30～60天低頻振蕩強度在經向上具有明顯的反位相變化。當南海、菲律賓群島附近低頻振蕩的強度有負距平出現時,中國長江流域以南的部分地區強度增強;反之,中國長江流域以南的低頻振蕩強度減弱。

相比于夏季,秋季的正變異中心(圖2d,相應的時間序列為圖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,但強度減弱。負值變異區向東南移動,強度減弱。

3.2 時空變化的第二模態

圖4(a)和圖5(a)為冬季第二模態特征向量場及時間系數,其特征向量表現為“+-+”經向三極子型分布。負中心整體呈東-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,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,該正值中心的強度和范圍都明顯較弱。

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

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

圖4(d)和圖5(d)給出了秋季第二模態的特征向量場和時間系數,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的南海海域,另一個位于中西太平洋海域。負變異中心位于赤道以北的北半球熱帶低緯地區。

圖4 1979-2017年西太平洋OLR 30～60 d低頻振蕩強度EOF分析第二模態空間向量

圖5 1979-2017年西太平洋OLR 30～60 d低頻振蕩強度EOF分析第二模態時間系數

4 與OLR 30～60天低頻振蕩強度相聯系的降水距平場特征

夏季西太平洋地區OLR 30～60天低頻振蕩強度的第一模態和第二模態分別對應西太平洋季風與南海、副熱帶季風強度的位相變化,因此該地區夏季低頻振蕩強度的變化必然會對中國降水產生影響。但具體哪一種季風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OLR 30～60天低頻振蕩強度的關系及其與亞洲夏季風之間的聯系。

圖6給出了與夏季西太平洋OLR 30～60天低頻振蕩強度的EOF第一模態時間序列相聯系的降水距平回歸場。從圖中可以發現,當南海海域、菲律賓群島附近的低頻振蕩強度異常偏高,而長江流域下游的低頻振蕩強度異常偏低時,西太平洋季風處于強度較強的位相,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,表明在夏季,西太平洋季風主要影響中國長江流域以南部分地區的降水。圖7給出了第一模態還原場與距平場的同號率檢驗結果。從圖中可以看出,同號率檢驗的結果平均為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低頻振蕩強度EOF分析第一模態時間系數與降水的回歸場(加點的區域表示通過95%的信度檢驗)

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

與夏季西太平洋OLR 30～60天低頻振蕩強度EOF第二模態時間序列相聯系的降水距平回歸場(圖8)大值區主要出現在中國西南、東北等內陸地區。由圖8可以看到,當中國南海與長江流域下游的低頻振蕩強度異常偏高時,南海季風、副熱帶季風也處于強度較強的位相,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降水量一致偏高,而福建、浙江、江西以及湖南部分地區降水量偏低;反之亦然。這說明中國華南部分沿海地區與西南、華北以及東北地區的降水場呈反位相變換,即關鍵區的OLR 30～60天低頻振蕩強度較強,南海季風、副熱帶季風也較強,那么西南、華北以及東北地區降水偏多,易引發洪澇,而華南地區降水偏少,易引發干旱;反之亦然。這些降水場的異常變化都超過了95%的信度檢驗。圖9給出了第二模態還原場與距平場的同號率檢驗結果,可以看出,同號率檢驗的結果平均約為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低頻振蕩強度EOF分析第二模態時間系數與降水的回歸場(加點的區域表示通過95%的信度檢驗)

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

對比兩次回歸與同號率檢驗的結果,發現第二模態時間系數與降水的回歸效果反而更好。這表明中國夏季降水受南海、副熱帶季風的影響多于西太平洋季風。

5 結論

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

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

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

低頻振蕩強度EOF分解第二主分量表明:冬、春季變異區呈現出經向三極子型分布,南海、菲律賓附近為強度較弱的正值變異區;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;秋季變異區呈現為緯向三極子型分布。第二模態中夏季正值變異區的整體形態與南海季風、副熱帶季風相似,在某種程度上也可以反映南海季風、副熱帶季風的強弱變化。

(3)長江流域以南的部分地區降水異常與西太平洋季風強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、副熱帶季風的強弱變化影響較大。對比兩次回歸的同號率結果可以發現,夏季第二模態時間序列的回歸結果優于第一模態時間序列的回歸結果,說明中國夏季降水異常主要是受到南海季風、副熱帶季風的影響,西太平洋季風對中國夏季降水異常的影響相對較弱。

研究發現,夏季第二模態時間系數與降水的回歸場對青藏高原南部的部分地區有較好的反映,可能是印度季風與南海季風之間的聯系所導致的,但其具體的過程和物理機制還有待于進一步研究。