洞庭湖区域夏季降水与全球大洋海温异常关系的SVD分析
彭莉莉;罗伯良;张超
【摘 要】By dint of the summer precipitation data from 21 stations in the Dongting Lake region during 1960 -2008 and the sea surface temperature (SST) data from NOAA, the spatial and temporal distributions of summer precipitation and their correlations with SST are analyzed.The coupling relationship between the anomalous distribution in summer precipitation and the variations of SST has between studied with the Singular Value Decomposition (SVD) analysis. The increase or decrease of summer precipitation in the Dongting Lake region is closely associated with the SST anomalies in three key regions. The variation of SST in the three key regions has bee n proved to be a significant previous sigmd to anomalyof summer rainfall in Dongting Lake region.%利用洞庭湖区域21站1960～2008年夏季降水量资料和美国国家海洋、大气管理局(NOAA)提供的扩展重建海温(ERSST)资料,采用相关分析和SVD方法,探讨了洞庭湖区域夏季降水与全球海温异常的关系.结果表明,全球大洋存在3个稳定维持的关键海区,其海温场与洞庭湖区域夏季降水有显著正相关关系.当关键区海温偏高(低)时,洞庭湖区域夏季降水易偏多(少).3个关键区海温场的变化是洞庭湖区域夏季降水异常预测的一个重要前兆信号.
【期刊名称】《安徽农业科学》
【年(卷),期】2011(039)003
【总页数】4页(P1562-1565)
【关键词】夏季降水;海温;SVD分析;洞庭湖
【作 者】彭莉莉;罗伯良;张超
【作者单位】湖南省气象科学研究所,湖南长沙410007;湖南省气象科学研究所,湖南长沙410007;湖南省气象科学研究所,湖南长沙410007
【正文语种】中 文
【中图分类】R468.0+24
作为我国四大淡水湖之一，特殊的地理生态环境使得洞庭湖区域成为受全球气候变化影响较为敏感的区域，也是洪涝灾害最为严重的区域之一。湖区降水异常直接对区域粮食、生态环境、水资源等方面造成严重影响。以往针对长江流域和湖南区域的旱涝研究较多［1-5］，从大气环流、海温等各方面讨论了夏季旱涝形成机制及降水异常的可能前兆信息，在一定程度上揭示了引起夏季降水异常的主要因子。但是系统地针对洞庭湖区域降水异常的大尺度气候背景研究较少。段德寅等探讨了厄尔尼诺与湖南洞庭湖区域降水异常之间存在的关系，认为厄尔尼诺造成的环流异常对强降水造成影响［5-6］。余曼平分析得出，前一年秋冬季黑潮暖流区海温与洞庭湖区汛期降水和洪涝存在显著相关关系［7］。这些研究多局限于频率和相关系数分析，为进一步揭示海温对降水异常的影响，探讨各种时滞的显著耦合相关的“关键区”，笔者拟采用奇异值分解法(SVD)研究洞庭湖区域夏季降水与全球大洋海温的关系。
1 资料与方法
洞庭湖区域共有23个气象站，鉴于各台站降水资料起始年份不一，笔者选取了21个气象站1960～2008年夏季(6～8月)逐月降水资料进行分析。海温数据是美国国家海洋和大气管理局(NOAA)提供的扩展重建海温(ERSST)资料［8］，它是水平分辨率为2°×2°的全球逐月平均海温格点数据，选择的时间尺度为1959年1月～2008年12月。
SVD方法由于其坚实的数学基础和简便的计算方法，近年来被广泛应用于气候诊断研究中［9-11］。其主要原理是以2个变量场的最大协方差为基础展开，进而提取2个场的耦合信号，具体方法见文献［12］。与其他耦合场分解方法如CCA(典型相关分析)和CPCA(联合主成分分析)等相比，SVD所提取的耦合信号对交叉协方差场贡献最大，被证明是一种通用的广义诊断分析工具［13-14］。
2 洞庭湖区域夏季降水与全球海温异常的相关关系
为了寻找洞庭湖区域夏季降水与全球海温显著相关的海区和关键时段，首先将洞庭湖区域作为一个点，利用区域平均的1960～2008年夏季平均降雨量与相对应的前1年至当年共24个月全球海温逐月格点数据求相关，得到24张逐月相关图(图略)。经过对比分析，发现主要显著相关且稳定的区域分布在如下几个海区:①从前一年5月开始，低纬中东太平洋海区存在一个稳定的舌状显著正相关区，相关系数达0.30以上，通过了0.05的显著性检验;前一年7月以后，该正相关区域往东南方向延伸至赤道以南，南美大陆西侧的太平洋海域，并一直维持到当年的1月份。②从当年2月开始，西太平洋暖池北部的小范围区域有一显著正相关区，相关系数超过0.40，到当年5月暖池的正相关强度减弱，相关系数不再显著。③当年2～4月，印度洋北部马尔代夫群岛附近存在一个以赤道为轴的南北方向对称的大范围显著正相关区，相关系数超过0.30，从当年5月开始正相关强度减弱，显著相关区域范围缩小。
通过综合24张相关图，考虑相关系数的大小、相关区域的稳定性等因素，分析与洞庭湖区域夏季降水有不同时滞的相关关系，选取前一年5月至当年1月低纬中东太平洋海区(120°～150°W，10°～30°N)作为具有显著时滞耦合关系的两气象场相互影响的关键区Ⅰ;当年2～4月西太平洋暖池北部的小范围海区(120°～160°E，24°～36°N)作为关键区Ⅱ;当年2～4月印度洋北部赤道附近的海区(60°～90°E，10°N～10°S)作为关键区Ⅲ(图1)。下面将对洞庭湖区域汛期与这3个关键区海温的关系进行分析。
3 洞庭湖区域夏季降水量距平场与相应海温距平场的SVD分析
3.1 SVD左、右气象场的选取 设关键区Ⅰ共176个格点，前一年5月至当年1月(1959年5月～2008年1月共49年)平均海温距平场为左场，X(t)=(x1(t)，x2(t)，...，x176(t))'，洞庭湖区域21个气象台站夏季(1960～2008年共49年)平均降水量距平场为右场，Y(t)=(y1(t)，y2(t)，...，y21(t))';设关键区Ⅱ共140个格点，当年2～4月(1960～2008年共49年)海温距平场为左场;设关键区Ⅲ共175个格点，当年2～4月(1960～2008年共49年)海温距平场为左场。
图1 洞庭湖区域夏季降水与前一年6月(a)和当年3月(b)的全球海温相关系数分布Fig.1 Correlation coefficients between summer precipitation in Dongting Lake and global SST in June of the last year(a)and in March(b)of this year注:浅阴影区为通过了95%的信度检验区，深阴影区为通过了99%的信度检验区。Note:Light-shaded-area presents the region where correlation coefficients are significant at a 0.05 confidence level.Dark-shaded-area presents the region where correlation coefficients are significant at a 0.01 confidence level.
3.2 洞庭湖区域夏季降水量与关键区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ海温时滞关系分析
3.2.1 与关键区Ⅰ海温时滞关系。洞庭湖区域夏季降水量标准化距平场与关键区Ⅰ海温距平场做SVD分析，第1模态的平方协方差贡献率为13.02%，相应的模态相关系数为
0.50，超过0.01的显著性水平。一般左右场奇异向量的时间系数相关越高，左右奇异向量间的关系越密切。结果表明，第1模态反映了洞庭湖区域夏季降水场与关键区Ⅰ低纬中东太平洋海区海温场相关关系的主要信息，且两向量场关系密切。由图2可见，海温场第1模态的空间分布型仅西北角为负相关区，且相关系数不大;其余大范围区域为正相关区，高相关中心位于14°N海域，相关系数超过0.80，达到0.001显著性水平(图2b)。与之对应，洞庭湖区域夏季降水场的第1空间分布型为一致的正相关区，高相关区位于29°N附近的汉寿、沅江一带，相关系数达0.80以上(图2a)。表明关键区Ⅰ低纬中东太平洋海区的海温场与洞庭湖区域夏季降水场之间存在显著的时滞耦合关系，即前一年5月至当年1月关键区Ⅰ的海温偏高(低)时，洞庭湖区域当年夏季降水易偏多(少)。
由图3可见，洞庭湖区域夏季降水距平场与关键区Ⅰ海温距平场SVD分解第1模态的时间系数变化比较一致，相关系数达0.50，说明两者的变化有密切联系。如1963、1972、2000年等洞庭湖区域的严重干旱年与1969、1998年等的严重洪涝年，两者都有很好的对应关系。
图2 洞庭湖区域夏季降水场(a)与关键区Ⅰ海温场(b)SVD分解第1模态同性相关系数分布Fig.2 The homogeneous correlation coefficient of the first SVD mode，(a)for SST in the key ocean regionⅠ，and(b)for summer precipitation in Dongting Lake
3.2.2 与关键区Ⅱ海温时滞关系。分析洞庭湖区域夏季降水标准化距平场与关键区Ⅱ西太平洋暖池北部标准化海温距平场SVD分解的第1模态同性相关系数分布(图4)发现，第1模态的平方协方差贡献率为12.13%，相应的模态相关系数为0.39。海温场第1空间分布型为一致的正相关区，高相关中心位于29°N以南海域，相关系数超过0.90(图4b)。相应的洞庭湖区域夏季降水场第1空间分布型同样为一致正相关区，高相关区域与关键区Ⅰ第1模态相似，位于常德、汉寿、沅江一带(图4a)。表明关键区Ⅱ西太平洋暖池北部海区的海温场与洞庭湖区域夏季降水场之间存在显著的遥相关关系，即当年2～4月关键区Ⅱ的海温偏高(低)时，洞庭湖区域当年夏季降水易偏多(少)。
图3 洞庭湖区域夏季降水场与关键区Ⅰ海温场SVD分解第1模态时间系数变化Fig.3 The time coefficients of the first SVD mode for SST in the key ocean regionⅠand summer precipitation in Dongting Lake
由图5可见，洞庭湖区夏季降水距平场与关键区Ⅱ海温距平场SVD分解第1模态的时间系数变化一致，能清楚地反映1960～2008年洞庭湖区域发生的主要旱涝事件，且强度吻合的较好。
3.2.3 与关键区Ⅲ海温时滞关系。洞庭湖区域夏季降水距平场与关键区Ⅲ印度洋北部赤道附近海区海温距平场做SVD分析，第1模态的平方协方差贡献率为11.97%，相应的模态相关系数为0.50。由图6可见，海温场第1空间分布型为一致的正相关区，高相关中心位于赤道以南海域，相关系数超过0.80，4°S以南相关系数达0.90以上(图6b)。洞庭湖区域夏季降水场第1空间分布型同样为一致正相关区，高相关区域与关键区Ⅰ、Ⅱ第1模态相比略有偏北，位于安乡、岳阳一带(图6a)。表明关键区Ⅲ印度洋北部赤道附近海区的海温场与洞庭湖区域夏季降水场之间存在密切的正相关关系，即当年2～4月关键区Ⅲ的海温偏高(低)时，洞庭湖区域当年夏季降水偏多(少)。
图4 洞庭湖区域夏季降水场(a)与关键区Ⅱ海温场(b)SVD分解第1模态同性相关系数分布Fig.4 The homogeneous correlation coefficient of the first SVD mode，(a)for SST in the key ocean regionⅡ，and(b)for summer rainfall in Dongting Lake
图5 洞庭湖区域夏季降水场与关键区Ⅱ海温场SVD分解第1模态时间系数变化Fig.5 The time coefficients of the first SVD mode for SST in the key ocean regionⅡand summer rainfall in Dongting Lake
由图7可见，洞庭湖区域夏季降水距平场与关键区Ⅲ海温距平场SVD分解第1模态的时间系数变化趋势基本一致，同样说明两者存在显著的时滞耦合关系。
4 结论与讨论
洞庭湖区域受气候变化的影响相对敏感，其降水的异常变化直接影响区域生态环境、城市居民生活和经济发展等。对洞庭湖区域夏季降水的研究探讨，一定程度上揭示了形成区域旱涝的相关因子，对于进一步讨论旱涝形成机制，寻找夏季降水异常的可预测信号则显得越来越重要。笔者利用洞庭湖区域夏季降水资料和NOAA月平均海表温度资料，应用相关分析、SVD方法对洞庭湖区域夏季降水与全球海温异常进行了诊断分析。
相关分析表明，与洞庭湖区域夏季降水存在显著相关关系的海温场有3个稳定维持的关键区，分别是前一年5月至当年1月的低纬中东太平洋海区(120°～150°W，10°～30°N);当年2～4月的西太平洋暖池北部小范围海区(120°～160°E，24°～36°N);当年2～4月的印度洋北部赤道附近海区(60°～90°E，10°N ～10°S)。SVD 分析结果表明，3个关键区海温场与洞庭湖区域夏季降水场有显著的时滞耦合关系，并且表现为一致性，即当关键区海温偏高(低)时，洞庭湖区夏季降水易偏多(少)。
此前对长江中下游旱涝月环流异常和海温异常的分析发现，夏季南海海温分别与前冬赤道东太平洋海温和前春赤道印度洋海温存在显著正相关关系［3］。这2个海区分别对应于文中的关键区Ⅰ和Ⅲ，当关键区海温异常偏暖时，则夏季南海海温异常偏暖，南海低空出现异常偏南风，有充足的水汽向我国南方输送，从而使得包括洞庭湖区域在内的长江流域容易出现洪涝。因此，可以说关键区海温场的异常变化是预测洞庭湖区域夏季降水异常的一个重要前兆信号。
图6 洞庭湖区域夏季降水场(a)与关键区Ⅲ海温场(b)SVD分解第1模态同性相关系数分布Fig.6 The homogeneous correlation coefficient of the first SVD mode，(a)for SST in the key ocean region Ⅲ，and(b)for summer rainfall in Dongting Lake
图7 洞庭湖区域夏季降水场与关键区Ⅲ海温场SVD分解第1模态时间系数变化Fig.7 The time coefficients of the first SVD mode for SST in the key ocean regionⅢand summer rainfall in Dongting Lake
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