常怡瑤，魏麟驍

(1.民航重慶空管分局，重慶　401120；2.重慶市氣候中心，重慶　401147)

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西南地區(qū)東部秋季降水特征及其異常年對(duì)應(yīng)的?！?dú)怅P(guān)系

常怡瑤，魏麟驍

(1.民航重慶空管分局，重慶401120；2.重慶市氣候中心，重慶401147)

該文利用觀測(cè)降水資料，NCEP/NCAR再分析資料以及NOAA第四版月平均海溫資料，分析了西南地區(qū)東部秋季降水年際變化的主模態(tài)以及與其聯(lián)系的大氣環(huán)流和海溫異常。結(jié)果表明，西南地區(qū)東部秋季降水主要表現(xiàn)為全區(qū)一致型(EOF1)和南北反相型(EOF2)。第一模態(tài)對(duì)應(yīng)著副熱帶西風(fēng)急流減弱，青藏?zé)岬蛪汉透睙釒Ц邏浩珡?qiáng)、偏西，東亞大槽偏弱，印緬槽持續(xù)發(fā)展，來(lái)自孟加拉灣和南海的水汽不斷向西南地區(qū)東部輸送；這一模態(tài)與同期10月的赤道中部太平洋海溫有著密切關(guān)系。與秋季降水第二模態(tài)相聯(lián)系的環(huán)流場(chǎng)上，副熱帶西風(fēng)急流增強(qiáng)，青藏?zé)岬蛪汉透备咂酰瑢?duì)流層中部的位勢(shì)高度場(chǎng)以經(jīng)向環(huán)流為主，南支槽活動(dòng)較弱，不利于水汽向中、高緯地區(qū)輸送；這一模態(tài)與同期3月南半球新喀里多尼亞島附近海域的海溫最為密切。

西南地區(qū)東部；秋季降水；大氣環(huán)流；海表溫度

1　引言

“華西秋雨”是我國(guó)主要的雨季之一，主要出現(xiàn)在四川、重慶、貴州、云南等地，出現(xiàn)時(shí)段以9—10月為主，其主要特點(diǎn)是雨日雖多，雨量卻不大，降水量多于春季，僅次于夏季?！叭A西秋雨”使該地區(qū)氣溫偏低，減少了日照時(shí)數(shù)，不利于農(nóng)作物的收獲和播種，雖然沒有其它氣象災(zāi)害嚴(yán)重，但同樣給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來(lái)了很大損失，因此，對(duì)華西地區(qū)秋雨的研究具有重要意義。高由禧[1，2]發(fā)現(xiàn)秋季降水主要集中在華西地區(qū)，最早始于高空西風(fēng)環(huán)流首次在秋雨區(qū)出現(xiàn)，并且地面冬季風(fēng)開始建立時(shí)；當(dāng)西風(fēng)急流穩(wěn)定在西南地區(qū)上空，冬季風(fēng)開始盛行時(shí)，華西秋雨結(jié)束，并將華西秋雨的起止日期定為8月底和10月第4候，隨后，我國(guó)研究人員對(duì)“華西秋雨”展開了一系列的研究。徐桂玉[3]等指出華西秋雨期間的降水空間分布表現(xiàn)為緯向型、經(jīng)向型和準(zhǔn)全區(qū)型。馮麗文和郭其蘊(yùn)[4]發(fā)現(xiàn)華西秋雨具有準(zhǔn)3 a、13 a和17 a周期，并且具有年代際變化[5]，20世紀(jì)60—70年代秋雨北多南少，80年代后到21世紀(jì)北少南多。蔣竹將等[5]和羅霄等[6]通過(guò)對(duì)不同的華西秋雨指數(shù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，華西秋雨主要具有4～8 a和5～8 a的周期。

華西秋雨發(fā)生在大氣環(huán)流進(jìn)行調(diào)整的時(shí)期，受到環(huán)流系統(tǒng)和外強(qiáng)迫的共同影響。徐桂玉等[3]的研究發(fā)現(xiàn)，9月和10月的500 hPa環(huán)流場(chǎng)上的歐亞型特征是華西秋雨緯向型降水的背景場(chǎng)。鮑媛媛等[7]通過(guò)對(duì)2001年的華西秋雨進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，巴爾喀什湖地區(qū)低壓槽上不斷分裂東移的冷空氣與暖濕氣流交匯于華西地區(qū)，造成該地區(qū)持續(xù)不斷的陰雨天氣，這一結(jié)論和王遵婭等[8]的結(jié)論一致。白虎志和董文杰[9]的研究也發(fā)現(xiàn)巴爾喀什湖低壓槽、西太平洋副熱帶高壓和印緬槽是影響華西秋雨強(qiáng)、弱的主要環(huán)流系統(tǒng)。陸面熱狀況對(duì)華西地區(qū)秋季降水有一定影響，陳忠明等[10]的研究發(fā)現(xiàn)，青藏高原地表熱狀況與華西秋雨之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。我國(guó)很多學(xué)者[11-13]都指出赤道太平洋海溫異常對(duì)我國(guó)降水有影響，也包括秋季。韓晉平等[14]的研究指出熱帶中太平洋海表偏冷時(shí)，副熱帶高壓偏強(qiáng)偏西，我國(guó)北方秋雨偏多，反之亦然。劉宣飛和袁慧珍[15]指出ENSO可以調(diào)制IOD 與秋雨的關(guān)系，IOD正位相年，我國(guó)西南地區(qū)和黃河流域的秋季降水均偏多，但是，當(dāng)其伴隨著El Nio發(fā)生時(shí)，黃河流域的秋季降水偏少。

盡管對(duì)于“華西秋雨”的研究已經(jīng)取得了大量成果，但是，西南地區(qū)東部的氣候特征有別于西南其它地區(qū)，前人已經(jīng)對(duì)該地區(qū)夏季降水特征做出了分析，例如，李永華等[16]發(fā)現(xiàn)西南地區(qū)東部與宜賓以下的整個(gè)長(zhǎng)江流域和西藏東部及川西高原的降水呈顯著正相關(guān),而與華南及東南沿海地區(qū)、華北中部和四川盆地西部地區(qū)呈顯著負(fù)相關(guān)；并且發(fā)現(xiàn)前期赤道東太平洋海表溫度偏高,西南地區(qū)東部夏季降水偏多的可能性大，同時(shí)，當(dāng)前期春季印度洋海表溫度偏高時(shí),西南地區(qū)東部夏季降水也可能偏多[17]。但是對(duì)于該區(qū)域秋季降水的變化特征還沒有人涉及，本文在前人工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討西南地區(qū)東部秋季降水的變化特征及其成因，利用EOF方法揭示其時(shí)空分布特征，并采用相關(guān)分析和合成分析等方法分析與主模態(tài)相聯(lián)系的大氣環(huán)流、海溫特征。

2　資料和方法

本文使用的觀測(cè)資料包括國(guó)家氣候中心整編的全國(guó)月平均降水格點(diǎn)資料[18]，這套資料共有0.25°×0.25°和0.5°×0.5°兩個(gè)版本，本文使用了后者，起始時(shí)間為1961—2010年，這套資料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于氣候變化研究中。以及美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心/國(guó)家大氣研究中心(NCEP/NCAR)提供的月平均再分析資料，水平分辨率為2.5°×2.5°，主要使用了位勢(shì)高度場(chǎng)、海平面氣壓場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)等；海溫資料使用的是美國(guó)國(guó)家大氣海洋局(NOAA)發(fā)布的第四版延長(zhǎng)重構(gòu)的月平均海溫資料，水平分辨率為2°×2°，選用的時(shí)間段為1960—2010年。由于冬季風(fēng)一般始于11月，本文將9月和10月的降水量之和作為秋季降水，將9月和10月環(huán)流場(chǎng)的平均作為秋季環(huán)流場(chǎng)。采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(EOF)方法得到西南地區(qū)東部秋季降水場(chǎng)的主模態(tài)及相應(yīng)的時(shí)間系數(shù)。也使用了合成、相關(guān)等方法來(lái)探討與各模態(tài)對(duì)應(yīng)的大氣環(huán)流和海溫特征。

3　西南地區(qū)東部秋季降水主模態(tài)

首先，利用EOF方法對(duì)西南地區(qū)東部秋季降水進(jìn)行分析(這一區(qū)域的格點(diǎn)數(shù)共有144個(gè)，能夠合理地描述降水的空間分布特征)，EOF方法是氣候研究中常用的分析方法，它能夠揭示出氣象場(chǎng)中的主要模態(tài)[19,20]。秋季降水前5個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率見表1。前兩個(gè)特征向量的方差貢獻(xiàn)率分別為46.5%和26.4%,累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到72.9%，這兩個(gè)模態(tài)基本可以代表西南地區(qū)東部秋季降水的分布特征，并且都通過(guò)了North檢驗(yàn)。其余模態(tài)所占的方差貢獻(xiàn)率太小(例如第3模態(tài)只占了8.5%)，本文不再分析。

圖1a、1b分別為EOF分析第1模態(tài)的空間分布、時(shí)間系數(shù)序列圖。如圖1a所示，空間場(chǎng)的整體特征為全區(qū)一致，其高值區(qū)出現(xiàn)在29.5～31.5°N之間。從第1模態(tài)時(shí)間序列的變化可以看到，西南地區(qū)東部降水有下降的趨勢(shì)。

表1　西南地區(qū)東部秋季降水前5個(gè)主模態(tài)的方差貢獻(xiàn)

圖1　1961—2010年西南地區(qū)東部降水年際變化EOF第1模態(tài)的空間分布(a)、時(shí)間系數(shù)(b)Fig.1　The spatial distribution and normalized time series of the first EOF mode of autumn precipitation over the east of Southwestern China for the period of 1961—2010

圖2a、2b分別給出了西南地區(qū)東部降水EOF2的空間分布、時(shí)間系數(shù)圖。從圖2a上可以看到，30°N以北和以南區(qū)域存在著反位相的變化關(guān)系。EOF2時(shí)間序列的變化表明(圖2b)，這種分布型存在著年際和年代際的變化特征。

圖2　1961—2010年西南地區(qū)東部降水年際變化EOF第2模態(tài)的空間分布(a)、時(shí)間系數(shù)(b)Fig.2　The spatial distribution and normalized time series of the second EOF mode of autumn precipitation over the east of southwestern China for the period of 1961—2010

大氣環(huán)流和海表溫度是影響降水的主要因子，本文利用合成分析的方法，首先從EOF1和EOF2的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列中分別挑選出>+1和<-1的年份(表2)，然后計(jì)算出時(shí)間系數(shù)>+1與<-1年份平均的大氣環(huán)流場(chǎng)之間的差值場(chǎng)，得到與西南地區(qū)東部秋季降水前兩個(gè)主模態(tài)相關(guān)的合成圖。本文也利用相關(guān)分析的方法，將前兩個(gè)主模態(tài)的時(shí)間系數(shù)與前期(超前1 a)和同期海溫做相關(guān)，挑選出相關(guān)最大月份的相關(guān)系數(shù)分布場(chǎng)。

表2　西南地區(qū)東部秋季降水主模態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化事件序列<-1和>1的年份

4　與降水相聯(lián)系的大氣環(huán)流和海溫異常

西南地區(qū)東部秋季降水必然受到大氣環(huán)流的影響，因此，選取對(duì)流層不同氣壓層上的氣象要素進(jìn)行合成，用來(lái)考察與秋季降水各主模態(tài)的相聯(lián)系的大氣環(huán)流變化特征。

圖3是與西南地區(qū)東部秋季降水相聯(lián)系的大氣環(huán)流場(chǎng)。由圖3a可見，當(dāng)降水一致偏多時(shí)，以蒙古國(guó)西部為中心，東亞大陸的海平面氣壓異常偏低，青藏?zé)岬蛪旱挠绊懗掷m(xù)存在，暖濕空氣團(tuán)在冷氣團(tuán)上方大量凝結(jié)，形成連陰雨天氣，而西太平洋地區(qū)的海平面氣壓偏高。850 hPa風(fēng)場(chǎng)上，我國(guó)東部地區(qū)都被異常的偏南風(fēng)控制，這會(huì)為該地區(qū)帶來(lái)更多的水汽，中國(guó)大陸東部為一弱的反氣旋型環(huán)流，副熱帶高壓的影響仍然存在，與海平面氣壓場(chǎng)相對(duì)應(yīng)，蒙古國(guó)西部被異常的氣旋性環(huán)流控制。同時(shí)，在500 hPa高度上，我國(guó)東部、朝鮮和日本上空被正的位勢(shì)高度異?？刂疲f(shuō)明東亞大槽偏弱，而西北等地位勢(shì)高度為負(fù)異常，這說(shuō)明新疆高壓脊減弱，-10 gpm的負(fù)距平線向南伸展到了孟加拉灣附近，表明西部中緯度地區(qū)多低槽活動(dòng)，同時(shí)印緬槽發(fā)展。200 hPa高度上，副熱帶西風(fēng)急流明顯減弱，而急流核的南北兩側(cè)緯向西風(fēng)加強(qiáng)(圖3d)。這樣的環(huán)流配置有利于西南地區(qū)東部秋季降水的增加。

圖4是與西南地區(qū)東部降水EOF2相聯(lián)系的大氣環(huán)流異常場(chǎng)。對(duì)應(yīng)于EOF2的正位相，我國(guó)大部分地區(qū)的海平面氣壓場(chǎng)異常偏高，高壓中心位于蒙古國(guó)西部(圖4a)，850 hPa風(fēng)場(chǎng)上，蒙古國(guó)西部被一異常的反氣旋性環(huán)流控制，這一信號(hào)在500 hPa高度場(chǎng)上也有體現(xiàn)，東亞大陸上空被異常的偏北風(fēng)控制，華南地區(qū)上空為一異常的反氣旋型環(huán)流。500 hPa上，環(huán)流以經(jīng)向環(huán)流為主，東部地區(qū)被負(fù)的位勢(shì)高度異?？刂?，副熱帶高壓減弱，孟加拉灣附近為正的位勢(shì)高度距平，不利于南支槽的發(fā)展。200 hPa上的緯向風(fēng)分布與EOF1對(duì)應(yīng)的風(fēng)場(chǎng)分布相反，副熱帶西風(fēng)急流明顯增強(qiáng)。總之，這樣的環(huán)流配置不利于水汽向北方輸送，造成了該地區(qū)南部降水偏多，而北部降水偏少。

圖3　1961—2010年西南地區(qū)東部秋季降水EOF1時(shí)間序列對(duì)應(yīng)的氣象要素的合成差值場(chǎng)：(a)海平面氣壓；(b)850 hPa風(fēng)場(chǎng)；(c) 500 hPa高度場(chǎng)；(d)200 hPa緯向風(fēng)場(chǎng)(陰影區(qū)域表示通過(guò)了95%信度檢驗(yàn)的區(qū)域)Fig.3　The composite maps of the normalized anomalies of (a) Sea level pressure, (b) 850-hPa wind, (c) 500 hPa geopotential height and (d) 200 hPa u-wind on thenormalized first principal component (PC1) of autumn precipitation over the east of southwestern China for the period of 1961—2010.light and dark shadings have passed significance levels at 95%

海洋與大氣相比，它的質(zhì)量和比熱很大，對(duì)大氣環(huán)流的變化起著緩沖期和調(diào)節(jié)器的作用，因而對(duì)中國(guó)氣候的年際和年代際變異具有重要作用，唐浩鵬[21]等分析了貴州夏季降水與太平洋海溫的關(guān)系，因此，下面進(jìn)一步分析與西南地區(qū)東部秋季降水年際變化相聯(lián)系的海平面溫度(SST)的分布狀況。

圖5是與我國(guó)西南地區(qū)東部降水EOF1的時(shí)間系數(shù)與同期(1961—2010年)和前期(1960—2009年)相關(guān)系數(shù)分布圖，本文挑選出了相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最大，并且分布范圍最廣的區(qū)域?？梢钥吹剑谕?0月，赤道中太平洋的海溫分布與EOF第1模態(tài)最為密切，呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值在0.4以上，而且，這一區(qū)域密切的相關(guān)性從同期6月份就已經(jīng)出現(xiàn)，并且不斷發(fā)展擴(kuò)大，阿留申群島附近的相關(guān)性也很顯著。因此，當(dāng)赤道中太平洋地區(qū)的海溫為負(fù)異常時(shí)，西南地區(qū)東部秋季降水偏多，反之，降水則偏少。本文也給出了超前1 a 4月的海溫與EOF1時(shí)間系數(shù)的相關(guān)分布圖，阿留申群島附近和菲律賓東北部海域的海溫與第1模態(tài)的關(guān)系最為密切，分別呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)和負(fù)相關(guān)分布，這表明這兩個(gè)區(qū)域前1 a的海溫異常對(duì)該模態(tài)具有一定的預(yù)測(cè)意義。

圖4　1961—2010年西南地區(qū)東部秋季降水EOF2時(shí)間序列對(duì)應(yīng)的氣象要素的合成差值場(chǎng)：(a)海平面氣壓；(b)850 hPa風(fēng)場(chǎng)；(c) 500 hPa高度場(chǎng)；(d)200 hPa緯向風(fēng)場(chǎng)(陰影區(qū)域表示通過(guò)了95%信度檢驗(yàn)的區(qū)域)Fig.4　The composite maps of the normalized anomalies of (a) Sea level pressure, (b) 850-hPa wind, (c) 500 hPa geopotential height and (d) 200 hPa u-wind on thenormalized secondprincipal component (PC2) of autumn precipitation over the east of southwestern China for the period of 1961—2010.light and dark shadings have passed significance levels at 95%

圖5　1961—2010年西南地區(qū)東部秋季降水EOF1時(shí)間系數(shù)序列與同期和前期海溫的相關(guān)系數(shù)分布(陰影區(qū)域表示通過(guò)了95%信度檢驗(yàn)的區(qū)域)Fig.5　Correlation maps of concurrent SST and preceding SST with the time series of EOF1 for the autumn rainfall in the east of Southwest from 1961 to 2010, shading areas indicate statistical significance at 95% level

EOF2的時(shí)間系數(shù)與同期海溫相關(guān)最為密切的時(shí)間出現(xiàn)在同年3月，位于南半球新喀里多尼亞島附近，這種相關(guān)性從同期3月開始，共持續(xù)了4個(gè)月(圖略)，與EOF1的海溫相關(guān)分布相比，其相關(guān)范圍較小。當(dāng)該區(qū)域海溫異常偏低時(shí)，有利于該地區(qū)30°N以北降水減少，30°N以南降水增加，反之亦然。圖6b是EOF2時(shí)間系數(shù)與前1 a 7月海溫場(chǎng)的相關(guān)分布圖，所羅門群島以東的海平面溫度是相關(guān)最為密切的區(qū)域，從前1 a 6月開始，這種負(fù)相關(guān)共持續(xù)了4個(gè)月。從海溫的相關(guān)分布可知，同年3月新喀里多尼亞島海域的海溫和前1 a 7月所羅門群島東部海域的海溫是相關(guān)最為密切的關(guān)鍵區(qū)，對(duì)于EOF2的空間分布型具有一定的預(yù)測(cè)意義。

圖6　1961—2010年西南地區(qū)東部秋季降水EOF2時(shí)間系數(shù)序列期和前期海溫的相關(guān)系數(shù)分布(陰影區(qū)域表示通過(guò)了95%信度檢驗(yàn)的區(qū)域)Fig.6　Correlation maps of concurrent SST and preceding SST with the time series of EOF2 for the autumn rainfall in the east of Southwest from 1961 to 2010, shading areas indicate statistical significance at 95% level

5　結(jié)論

本文利用西南地區(qū)東部的降水資料，使用EOF方法分析了該地區(qū)秋季降水年際變化的主模態(tài)及與其對(duì)應(yīng)的大氣環(huán)流和海溫異常。結(jié)果表明：

①西南地區(qū)東部秋季降水變化的第1模態(tài)反映了全區(qū)降水量一致的變化特征，解釋了秋季降水年際變化總方差的46.5%，該模態(tài)的時(shí)間系數(shù)存在著下降趨勢(shì)，反映了自20世紀(jì)60年代以來(lái)，西南地區(qū)東部秋季降水量不斷下降；第2模態(tài)主要反映了30°N以北和以南區(qū)域的降水分布呈現(xiàn)反相變化的特征，占年際變化總方差的26.4%。

②與EOF1相聯(lián)系的環(huán)流場(chǎng)上，青藏?zé)岬蛪汉透睙釒Ц邏浩珡?qiáng)，東亞大槽偏弱，印緬槽持續(xù)發(fā)展，來(lái)自孟加拉灣和南海的水汽不斷向西南地區(qū)輸送，這樣的環(huán)流分布有利于西南地區(qū)東部秋季降水的增加；EOF2的環(huán)流場(chǎng)上則表現(xiàn)為青藏?zé)岬蛪汉透备咂酰?00 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)以經(jīng)向環(huán)流為主，南支槽也偏弱，不利于水汽向中、高緯地區(qū)輸送。

③與兩個(gè)降水模態(tài)相聯(lián)系的海溫場(chǎng)上，同期10月的赤道中部太平洋海溫與EOF1的時(shí)間系數(shù)關(guān)系緊密，當(dāng)該區(qū)域海溫變冷時(shí)，有利于西南地區(qū)東部秋季降水的增加，前1 a 4月阿留申群島附近和菲律賓以東海域的海溫對(duì)這一模態(tài)有指示意義；EOF2的降水分布型與同期3月南半球新喀里多尼亞島附近的海溫異常顯著相關(guān)，前1 a 7月所羅門群島附近的海溫對(duì)這一模態(tài)有指示意義。

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The Characteristics of Precipitation in the East of Southwest China and the Corresponding Relationship of the General Circulation and SST

CHANG Yiyao1，WEI Linxiao2

(1.Chongqing Air Traffic Management Sub-bureau, Chongqing 401120, China;2.Chongqing Climate Center, Chongqing 401147, China)

The observed precipitation data, NCEP/NCAR reanalysis data and NOAA's fourth edition of the monthly mean SST data were used to analyze the main modes of the autumn precipitation's interannual variability in the east of southwest China and the associated atmospheric circulation and SST anomalies. The results show that the first EOF has an identical signal in whole area and the second EOF has a seesaw pattern between southern and northern China. The first mode corresponds to the weaker of the subtropical westerly jet. Tibetan heat low and subtropical high pressure are continuously strong and inclining to the west.While the East Asian trough is weak, the India Burma trough develop sustainably; the water vapor from the bay of Bengal and the South China Sea continuously move to the area; the mode with the same period in October and the central equatorial Pacific SST have a close relationship. Associated with the autumn rainfall in the second mode of the general circulation, subtropical westerly jet is enhancing. The Tibetan heat low and subtropical high are weak. The meridional circulation is main in the mid troposphere. The southern trough is weak, which is not conducive to water vapor transport to middle and high latitudes; this mode is closely related with the SST of the same period in March in the southern hemisphere near the New Caledonia island.

the east of southwest China; autumn precipitation; the general circulation; sea surface temperature

1003-6598(2016)02-0008-07

2015-11-02

常怡瑤(1989—)，女，助工，主要從事天氣預(yù)報(bào)工作，E-mail:quiet7@126.com。

公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY 201306053)。

P426.61+4

A