太平洋年代際濤動(dòng)對中國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水的影響

于 淼 ,金 竑

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱150030;2.阿城區(qū)氣象局，黑龍江 哈爾濱150300）

1 引言

近年研究發(fā)現(xiàn)， 太平洋年代際濤動(dòng) （以下簡稱PDO）可造成太平洋及其周邊地區(qū)（包括中國東部季風(fēng)區(qū)）氣候年代際變化。 但至今仍缺乏關(guān)于上述兩者的研究， 諸如PDO 與中國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水之間存在的關(guān)系、PDO 的變化對中國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水的影響等， 這些對于研究中國東部季風(fēng)區(qū)的降水規(guī)律、變化等均具有重大意義。 本文利用1951-2013年全國160 個(gè)基準(zhǔn)氣象觀測站夏季（6-8月）月降水資料， 分析中國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水的時(shí)空分布特征。 同時(shí)利用PDO 指數(shù)、赤道中、東太平洋海域海表溫度等資料，將數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析和相關(guān)性檢驗(yàn)，進(jìn)而研究和分析PDO 與中國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水的關(guān)系。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

（1）PDO 指數(shù)資料取自http://jisao.washington.edu/pdo/PDO.latest。 東亞夏季風(fēng)指數(shù)（EASMI）資料則取自http://ljp.lasg.ac.cn/dct/page/1。 赤道中、東太平洋海域海表溫度資料取自http://oceancolor.gsfc.nasa.gov。 覆蓋時(shí)段：1951-2013年。

（2） 中國東部季風(fēng)區(qū)160 個(gè)基準(zhǔn)氣象觀測站1951-2013年夏季(6-8月)月降水資料及基準(zhǔn)氣象觀測站所在地的經(jīng)緯度資料，下載自國家氣候中心網(wǎng)。

（3）研究中國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水的時(shí)空分布特征， 在此區(qū)域內(nèi)選取了符合條件且分布較均勻的110 個(gè)基準(zhǔn)氣象觀測站作為研究對象。

2.2 研究方法

經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)是大氣科學(xué)領(lǐng)域常用的時(shí)空分析方法。 該方法將原變量分解為正交函數(shù)的線性組合，用維數(shù)少的不相關(guān)典型模態(tài)代替原始變量， 從而有效濃縮空間場信息。 方法內(nèi)的特征向量所對應(yīng)的時(shí)間系數(shù)代表了這一區(qū)域由特征向量所表征的分布型式的時(shí)間變化特征。 系數(shù)數(shù)值絕對值越大，表明這一時(shí)刻這類分布型式越典型。

設(shè)N 為時(shí)間樣本數(shù)， 即年代數(shù)；M 為空間格點(diǎn)數(shù)，即地面站點(diǎn)數(shù)；L 為每年的月數(shù)，并設(shè)第l 個(gè)月(l=l，2，…，L)的月降水量距平場資料矩陣為F（l）N×M，則F（l）N×M，F(xiàn)（2）N×M，…，F(xiàn)（L）N×M為矩陣F（l）N×M的分塊矩陣。 將它們按下列方式排列

由（1）式可以看出：原始資料矩陣F 中包含了L個(gè)月的月降水量距平場的信息。 對(1)式做經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)展開，即有下面公式

式中，K0為擬合原距平場所取的特征向量場個(gè)數(shù)。前K0個(gè)特征向量場的累積方差擬合精度(方差貢獻(xiàn))可由下式求出

這里λk為第k 個(gè)特征向量所對應(yīng)的特征值。 (2)式中VK0×LM 為綜合EOF 展開的特征向量場。 對每一個(gè)特征向量場來說， 它同時(shí)包含著各月的降水量距平場的空間分布信息， 從而能夠反映出各月降水場之間的相互聯(lián)系和變化。 TN×K0為綜合EOF 展開對應(yīng)特征向量場的時(shí)間系數(shù)矩陣， 它包含了各月降水距平場整體結(jié)構(gòu)的年際演變特征。因此對VK0×LM及TN×K0進(jìn)行綜合分析則可以了解月降水量距平場的空間結(jié)構(gòu)和時(shí)變規(guī)律。

3 中國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水的空間變化模態(tài)

根據(jù)中國夏季降水空間分布的氣候特點(diǎn)和大氣環(huán)流成因差異將中國分為三大氣候區(qū)， 即東部季風(fēng)區(qū)、西部區(qū)和東北區(qū)。 中國東部季風(fēng)區(qū)的地理位置大致在中國大陸105°E 以東， 包括華北至華南主要受季風(fēng)系統(tǒng)影響的廣大地區(qū)， 即沿著大興安嶺-陰山-賀蘭山-烏鞘嶺-念青唐古拉山-橫斷山脈這條分界線以東的廣大地區(qū)。 中國東部季風(fēng)區(qū)還包括了地形上屬于第二級(jí)階梯的黃土高原、 四川盆地、 云貴高原、橫斷山區(qū)，以及第三級(jí)階梯的沿海廣大平原和丘陵地區(qū)。 中國東部季風(fēng)區(qū)內(nèi)的風(fēng)向與降水，均隨季節(jié)變化有明顯的變化和更替，主要表現(xiàn)為：夏季明顯受到太平洋暖濕空氣的影響， 濕潤程度較高， 雨量豐沛；冬季則受西伯利亞高壓控制，強(qiáng)冷空氣活動(dòng)較為頻繁，雨量較少。 中國東部季風(fēng)區(qū)內(nèi)氣候溫度隨著緯度位置的變化而發(fā)生變化，表現(xiàn)為：由北向南，氣候逐漸變暖。

利用國家氣候中心整理的1951-2013年全國l60 個(gè)基準(zhǔn)氣象觀測臺(tái)站夏季 （6-8月）月降水量數(shù)據(jù)，分析中國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水的時(shí)空分布特征。計(jì)算時(shí)，先將各站點(diǎn)的月降水量作距平化處理，然后按照公式(1)構(gòu)造一個(gè)二維資料矩陣FN×LM 做經(jīng)驗(yàn)正交展開，這里N = 63(年)，L = 3(月)，M = 105(站)。結(jié)果顯示中國東部季風(fēng)區(qū)夏季月降水量距平場綜合EOF 分析的第一特征向量擬合了總方差的15.8%，給出了原始值、距平值、距平百分率和標(biāo)準(zhǔn)化值的綜合EOF 分析第一特征向量對應(yīng)的分析圖。

發(fā)現(xiàn)中國東部季風(fēng)區(qū)夏季月降水量的原始值綜合EOF 分析的第一特征向量擬合了總方差的90.7%，距平場綜合EOF 分析的第一特征向量擬合了總方差的15.8%， 距平百分率綜合EOF 分析的第一特征向量擬合了總方差的13.4%， 而標(biāo)準(zhǔn)化值綜合EOF 分析的第一特征向量擬合了總方差的11.3%，故距平百分率和標(biāo)準(zhǔn)化值綜合EOF 分析第一特征向量圖能比較清晰地反映中國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水的時(shí)空分布。 在中國東部季風(fēng)區(qū)的長江中下游地區(qū)有一個(gè)顯著的正值區(qū)域， 而在河套地區(qū)和靠海的東南地區(qū)各形成了一個(gè)顯著的負(fù)值區(qū)域。 據(jù)此，可將中國東部季風(fēng)區(qū)的這三個(gè)顯著區(qū)域由北到南依次劃分為中國東部季風(fēng)區(qū)的北部（河套地區(qū)）、中部（華東、長江中下游地區(qū)）、南部（華南、東南地區(qū)）。 那么，中國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水的空間變化模態(tài)，即南部、北部地區(qū)夏季降水增多而中部降水減少。 這種空間分布模態(tài)與孫林海等所研究發(fā)現(xiàn)的中國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水最主要的特征是南北與中間的分布呈明顯相反趨勢是一致的。

為進(jìn)一步證實(shí)中國東部季風(fēng)區(qū)的南、 北部降水趨勢是否與中部的降水趨勢反相關(guān)， 也為下一步分析研究PDO 對中國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水時(shí)空分布的影響，分別在中國東部季風(fēng)區(qū)的中部、南部和北部的降水趨勢顯著區(qū)內(nèi)選取若干個(gè)典型降水趨勢臺(tái)站作為參考點(diǎn)，并對選取的參考點(diǎn)的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析。

參考點(diǎn)選取如下： 北部地區(qū)的5 個(gè)典型降水趨勢臺(tái)站分別是：呼和浩特、包頭、榆林、中寧、銀川;中部地區(qū)的5 個(gè)典型降水趨勢臺(tái)站分別是： 南京、合肥、上海、蚌埠、東臺(tái);南部地區(qū)的5 個(gè)典型降水趨勢臺(tái)站分別是：廈門、梅縣、河源、汕頭、廣州。

利用1951-2013年中國東部季風(fēng)區(qū)各分區(qū)內(nèi)所選取的典型降水趨勢臺(tái)站夏季（6-8月）月降水資料做曲線圖，曲線圖如下：

分析圖1，發(fā)現(xiàn)中國東部季風(fēng)區(qū)中部地區(qū)的夏季降水曲線與另外兩條降水曲線有很大不同， 起伏狀況不太一致， 而中國東部季風(fēng)區(qū)北部和南部夏季降水曲線的起伏變化較為一致。

圖1 中國東部季風(fēng)區(qū)北部、中部、南部地區(qū)夏季降水曲線圖

為研究這三個(gè)分區(qū)夏季降水曲線間的相互關(guān)系， 將這三條降水曲線去除線性趨勢后進(jìn)行相關(guān)分析:中國東部季風(fēng)區(qū)中部地區(qū)的降水與北部、南部地區(qū)的降水呈負(fù)相關(guān)， 相關(guān)系數(shù)分別為-0.573 和-0.301，可信度分別為99%和95%，為顯著相關(guān)（可信度達(dá)95%以上為顯著相關(guān)）。 即中國東部季風(fēng)區(qū)的空間分布模態(tài)是南部、 北部地區(qū)夏季降水增多而中部降水減少。

4 PDO 與中國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水的關(guān)系

4.1 太平洋年代際濤動(dòng)的變化特征

若以太平洋海溫異常作為定義，PDO 可以分為暖位相和冷位相。 其暖位相表現(xiàn)為赤道中、東太平洋地區(qū)異常暖，而北太平洋中部異常冷,冷位相則與此情形相反。 太平洋年代際濤動(dòng)指數(shù)(以下簡稱PDO 指數(shù)) 作為北太平洋SST 異常的EOF 第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)， 能較好地反映大尺度海洋年代際變化的主要特征。

圖2 太平洋年代際濤動(dòng)指數(shù)曲線圖

分析圖2 可發(fā)現(xiàn)，1951-1976年間，PDO 處于冷位相時(shí)期 （PDO 指數(shù)多為負(fù)數(shù)且主要分布在橫軸的下 方），PDO 指 數(shù) 曲 線 在1954-1956年、1960-1963年、1969年及1975年都出現(xiàn)了負(fù)值波谷， 而對應(yīng)圖1 同時(shí)期三地區(qū)的降水量，發(fā)現(xiàn)相同時(shí)間段內(nèi)中國東部季風(fēng)區(qū)的北部和南部地區(qū)夏季降水曲線均出現(xiàn)波峰，也就是說這兩個(gè)地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降水，而中部降水曲線出現(xiàn)波谷。 經(jīng)分析，其他年份情況也是如此。

4.2 PDO 與中國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水的關(guān)系

根據(jù)上文， 發(fā)現(xiàn)PDO 與中國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水似乎有著一定的關(guān)系，因此，本節(jié)將對PDO 與中國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水的關(guān)系進(jìn)行研究和分析。 赤道中、 東太平洋海域海表溫度變化能反映PDO 的變化情況，故利用赤道中、東太平洋海域海表溫度資料，研究PDO 與中國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水的關(guān)系。 將1951-2013年中國東部季風(fēng)區(qū)110 個(gè)基準(zhǔn)氣象觀測站夏季月降水資料與同期赤道中、 東太平洋海域海表溫度求相關(guān)得圖如下：

圖3 中國東部季風(fēng)區(qū)夏季月降水與赤道中、東太平洋海域海表溫度的相關(guān)分布圖(陰影區(qū)為可信度超過95%的區(qū)域)

由圖3 可見，中國東部季風(fēng)區(qū)的中部地區(qū)，尤其是長江以北地區(qū)為顯著的正相關(guān)區(qū)， 相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.3，可信度達(dá)到95%，而中國東部季風(fēng)區(qū)的北部地區(qū)和南部地區(qū)為弱相關(guān)的負(fù)相關(guān)區(qū)， 其中以中國東部季風(fēng)區(qū)中部地區(qū)的江淮地區(qū)為范圍最大的顯著正相關(guān)區(qū)，其余地區(qū)相關(guān)度較小。 結(jié)合圖2、圖3，發(fā)現(xiàn)PDO 與中國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水的時(shí)空分布關(guān)系密切。 PDO 處于暖位相時(shí)，赤道中、東太平洋地區(qū)異常暖，而北太平洋中部海域海溫異常冷，中國東部季風(fēng)區(qū)內(nèi)與赤道中、 東太平洋海域海表溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的北部、南部地區(qū)降水異常偏少，而與赤道中、東太平洋海域海表溫度呈正相關(guān)關(guān)系的中部地區(qū)降水異常偏多；PDO 處于冷位相時(shí)，赤道中、東太平洋地區(qū)異常冷，而北太平洋中部海域海溫異常暖，中國東部季風(fēng)區(qū)內(nèi)與赤道中、 東太平洋海域海表溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的北部、南部地區(qū)降水異常偏多，而與赤道中、 東太平洋海域海表溫度呈正相關(guān)關(guān)系的中部地區(qū)降水異常偏少。

5 結(jié)論

（1）中國東部季風(fēng)區(qū)可按中國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水的空間分布進(jìn)行分區(qū)， 由北向南依次分為北部（河套地區(qū)）、中部（長江中下游地區(qū)）和南部（華南東部地區(qū)）。 而中國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水的時(shí)空變化模態(tài)是南、北部與中部的降水呈明顯的相反趨勢，即中國東部季風(fēng)區(qū)的南部、北部地區(qū)夏季降水增多時(shí)，中部降水減少。

（2）太平洋年代際濤動(dòng)（PDO）是影響中國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水時(shí)空分布的一個(gè)重要因素。 PDO 與中國東部季風(fēng)區(qū)的中部地區(qū)， 尤其是長江以北地區(qū)的降水為顯著的正相關(guān)， 與中國東部季風(fēng)區(qū)的北部地區(qū)（主要是河套地區(qū)）和南部地區(qū)（主要是華南東部地區(qū)）的降水為顯著的負(fù)相關(guān)區(qū)，其中以中國東部季風(fēng)區(qū)中部地區(qū)的江淮地區(qū)為范圍最大的顯著相關(guān)區(qū)，其余地區(qū)相關(guān)度較小。 PDO 與中國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水時(shí)空分布的關(guān)系是：PDO 處于暖位相時(shí)，東部季風(fēng)區(qū)北部（河套地區(qū)）、南部（華南東部地區(qū)）降水異常偏少，而中部（長江中下游地區(qū)）降水異常偏多；PDO 處于冷位相時(shí)，則與上述情況相反。