熱帶大西洋對東亞氣候的影響

王健博，李婧語，蔡金波

遼源市氣象局，吉林遼源 136200

近年來，學者們做了許多有關海—氣相互作用理論和數(shù)值的研究。現(xiàn)有的事實與理論研究證明，在幾乎所有關于時間尺度的氣候變化中，海洋起著非常重要的作用。作為氣候系統(tǒng)重要組成的一部分，海表面溫度（SST）是衡量氣候平均和變率的重要因素，它主要控制著海洋向大氣輸送水和熱量的空間分布和強度。由于赤道低壓帶（ITCZ）從中部貫穿大西洋，其形成機制與海溫作用有一定關系。熱帶大西洋位于南美洲與非洲大陸之間，赤道低壓帶隨著季節(jié)變化而南北移動，導致熱帶大西洋海面高度在赤道附近有明顯的季節(jié)性波動[1]。此外，熱帶大西洋還受到北大西洋濤動（NAO）和太平洋厄爾尼諾—南方濤動（ENSO）的影響[2]。以熱帶大西洋為研究對象，通過正/負相關年的850 hPa年平均環(huán)流場與500 hPa位勢高度場距平的差值，重點研究熱帶大西洋海溫異常對東亞大氣環(huán)流的影響及其可能機制，為我國氣象工作者更好地了解東亞氣候變化成因提供4。

1 資料與方法

通過分析35年(1980—2015年)夏季北半球500 hPa位勢高度場年際變化特征表明：北半球夏季自大西洋到東亞存在一個遙相關型，稱為歐亞型，該型的揭示對理解大西洋海溫異常的作用十分有意義。熱帶大西洋選取其緯度范圍為25°N~15°S、90°W~0°，海溫數(shù)據(jù)采用Hadley中心1980—2015年SST資料，分辨率為1°×1°，高度場和風場資料采用NCEP/NCAR再分析資料，分辨率2.5°×2.5°。

EOF分析是時間序列統(tǒng)計分析中的重要方法之一。它是基于對許多觀測站因素場的分析，分析了大量測量數(shù)據(jù)，并將因素場劃分為只依賴時間的函數(shù)和僅依賴空間的函數(shù)的乘積之和，客觀、定量地反映因素場中的變化和各種因素之間的統(tǒng)計協(xié)調(diào)關系。氣象要素場可看成是時間和空間的函數(shù)，具體函數(shù)如下：

式（1）中，n是時間點或樣本數(shù)，即為觀測次數(shù)，m是空間點，即為網(wǎng)格點或觀測站等。

經(jīng)過EOF展開后，將X分解為時間系數(shù)矩陣T和空間系數(shù)矩陣V 2個部分，即：

EOF分析結果也不完善，EOF的時程曲線仍然有許多組件需要進一步分解的成分，傳統(tǒng)的EOF分析方法還無法提取這些深層信息。

根據(jù)EOF分解得到的第一特征向量的時間系數(shù)序列，挑選出時間系數(shù)絕對值較大的年份作為典型年份，分別得到正/負異常年份組，即正相關年與負相關年份。然后，就各組對應的500 hPa年平均高度距平場與850 hP環(huán)流場a做合成，并求出差值(正減負)。

可采用t檢驗法對差值圖的顯著性檢驗：

2 熱帶大西洋對東亞氣候的影響分析

通過運用Hadley中心資料，對熱帶大西洋1980—2015年平均海溫EOF分解，得出幾個主要模態(tài)圖：

由圖1可看出，熱帶大西洋海溫的第一模態(tài)呈東西反相的偶極子分布，第一模態(tài)解釋方差達到40.7%。熱帶大西洋偶極子呈正位相分布時，海溫西暖東冷；負位相分布時，西冷東暖。

圖1 熱帶大西洋1980—2015年平均海溫EOF展開的第一空間模態(tài)

由圖2可知，第二模態(tài)的解釋方差為28.3%，整個熱帶大西洋區(qū)域均為負值。以赤道為分界南北反向型，赤道以北區(qū)域負值的絕對值大于南區(qū)域。

圖2 熱帶大西洋1980—2015年平均海溫EOF展開的第二空間模態(tài)

由圖3可知，第三模態(tài)的解釋方差為9.9%，以6°N度為分界線，其特征向量空間分布為南北反向型。6°N以南區(qū)域為負值，以南區(qū)域為正值。熱帶大西洋北部為冷水區(qū)，南部為暖水區(qū)。

圖3 熱帶大西洋1980-2015年平均海溫EOF展開的與第三空間模態(tài)

由于熱帶大西洋1980—2015年平均海溫EOF展開的第一空間模態(tài)解釋方差最大，其貢獻最大，因此重點討論第一模態(tài)。

分析1980—2015年熱帶大西洋地區(qū)平均海溫EOF展開的第一空間模態(tài)所對應的時間系數(shù)。2005年以來，熱帶大西洋海溫主要以正位相即西暖冬冷分布。以0.8個標準差為判別標準，大于0.8個標準差的取為典型年份，其中，典型的正位相年份包括1983、1987、1997、1998、2015年，典型的負位相年份包括1984、1985、1988、1994、1996、2007、2013年。

從1980—1983年熱帶大西洋海溫急劇上升，且在1983年達到最高值；1983—1988年熱帶大西洋海溫急劇下降，且在1988年達到最低值；1988—1997年熱帶大西洋海溫呈上升趨勢；1997—2007年熱帶大西洋海溫呈下降趨勢；2007—2015年呈波動狀發(fā)展。1983年是海溫相比較平均狀態(tài)最低的一年，而1985年是海溫相比較平均狀態(tài)最高的一年。

根據(jù)選取的正相關年與負相關年的高度場與風場的NCEP/NCAR再分析資料，做出對應年份850 hPa年平均環(huán)流場圖與500 hPa位勢高度場距平圖，并將其組合，便于研究。

從圖4的正相關年東亞地區(qū)850 hPa年平均環(huán)流場圖可以看出，中國東南部（17°N，20°E）海域上空存在高壓反氣旋，蒙古地區(qū)（38°N ,103°E）上空存在高壓反氣旋，日本東部太平洋海域（40°N，163°E）上空存在低壓氣旋加強了此區(qū)域的對流活動。

從圖4的正相關東亞地區(qū)500 hPa位勢高度場距平圖可以看出，20°N~30°N的風場整體為正距平，同時越靠近赤道，正距平就越強，在赤道附近（0°S~20°N）出現(xiàn)最大距平值＞1.6，在北海道以東（40°N~60°N，140°E~170°E）區(qū)域出現(xiàn)了較弱的負距平。

比較圖5的負相關年東亞地區(qū)850 hPa年平均環(huán)流場圖與圖4正相關年東亞地區(qū)850 hPa年平均環(huán)流場，大氣環(huán)流形勢基本相似，只是某些氣旋與反氣旋位置存在偏差。尤其是太平洋中部（33°N~26°N，145°E~165°E）區(qū)域出現(xiàn)了一個高壓反氣旋。

圖4 正相關年東亞地區(qū)850 hpa年平均環(huán)流場與正相關年東亞地區(qū)500 hpa位勢高度場距平合成圖

從圖5負相關年東亞地區(qū)500 hPa位勢場距平圖看出，東亞大陸30°N附近（25°N~40°N，90°E~140°E）區(qū)域出現(xiàn)帶狀正距平，在30°N太平洋洋面中心（140°E~160°E）區(qū)域出現(xiàn)負距平。

圖5 負相關年東亞地區(qū)850 hPa年平均環(huán)流場與負相關年東亞地區(qū)500 hPa位勢高度場距平合成圖

從圖6正/負相關年東亞地區(qū)850 hPa年平均環(huán)流場差值圖可以看出，在典型正位相年，日本海以東的氣旋/反氣旋的位置相對負位相年份更加偏北。從圖6正/負相關年份東亞地區(qū)500 hPa位勢高度場差值圖中可以看出，30°N以南為正高度距平控制，有利于副高偏強偏北。東亞地區(qū)呈現(xiàn)北負南正的高度距平分布， 即正位相年份有利于季風的向北推進。

圖6 正/負相關年東亞地區(qū)850 hPa年平均環(huán)流場差值與正/負相關年東亞地區(qū)500 hPa位勢高度場距平的差值的合成圖

由上文得到的熱帶大西洋海溫EOF距平時間序列圖，在1983年熱帶大西洋海溫到最高值，并且20°N~30°N的850 hPa風場整體為正距平，同時越靠近赤道，正距平就越強，在赤道附近（0°S~20°N）出現(xiàn)最大距平值，大于1.6。在北海道以東（40°N~60°N，140°E~170°E）區(qū)域出現(xiàn)了較弱的負距平。中國東南部（17°N，120°E）海域上空存在高壓反氣旋，蒙古地區(qū)（38°N，103°E）上空存在高壓反氣旋，日本東部太平洋海域（40°N，163°E）上空存在低壓氣旋加強了此區(qū)域的對流活動。

1988年熱帶大西洋海溫達到最低值，并且在此年氣環(huán)流形勢基本相似，只是某些氣旋與反氣旋位置存在偏差。尤其是太平洋中部（33°N~26°N，145°E~165°E）區(qū)域出現(xiàn)一個高壓反氣旋。東亞大陸30°N附近（25°N~40°N，90°E~140°E）區(qū) 域 出 現(xiàn) 帶狀正距平，在30°N太平洋洋面中心（140E°~160°E）區(qū)域出現(xiàn)負距平。

總之，熱帶大西洋海溫異常使得東亞地區(qū)環(huán)流形勢發(fā)生變化，如日本海以東的氣旋/反氣旋的位置相對負位相年份發(fā)生偏移。東亞地區(qū)以北30°N為界線，以南出現(xiàn)大范圍正距平，以北有部分區(qū)域（35°N~50°N，120°E~180°E）出現(xiàn)負距平，整個東亞地區(qū)呈現(xiàn)北負南正的高度距平分布。由此可知大西洋海溫異常能對東亞區(qū)域大氣環(huán)流產(chǎn)生顯著影響。

3 結論

（1）根據(jù)對熱帶大西洋海溫EOF進行分析，熱帶大西洋在1980—2015年的年平均海溫EOF第一模態(tài)解釋方差最大，為40.7%。通過對其第一模態(tài)空間分布和時間系數(shù)圖分析，可以得出熱帶大西洋海溫第一模態(tài)呈東西反相的偶極子分布。當熱帶大西洋偶極子呈正位相分布時，海溫西暖東冷，負位相分布時，西冷東暖。

（2）通過對正/負相關年850 hPa環(huán)流場差值分析，可以看出日本海以東氣旋/反氣旋位置相對負位相年份更加偏北，熱帶大西洋海溫異常可能對東亞地區(qū)部分氣旋移動產(chǎn)生影響。

（3）通過對正/負相關年500 hPa高度場距平差值分析可以得出東亞地區(qū)以北30°N為界線，以南出現(xiàn)大范圍正距平，以北有部分區(qū)域（35°N~50°N，120°E~180°E）出現(xiàn)負距平，整個東亞地區(qū)呈現(xiàn)“北負南正”的高度距平分布，即正位相年份有利于季風向北推進。