热带太平洋海平面高度的年代际异常及其与中国东部夏季降水的关系
李丽平;袁爱军
【摘 要】利用美国国家海洋和大气管理局的GODAS逐月海平面高度资料、NCEP/NCAR 850 hPa逐月风场再分析资料和中国160站逐月降水资料,分析了热带太平洋海平面高度(Sea Surface Height,SSH)年代际异常的时空特征,并进一步分析了夏季热带太平洋SSH、850 hPa风场与中国东部夏季降水年代际异常的相关关系.结果表明:1)从秋到冬,热带太平洋SSH年代际异常主要空间形态向类“ENSO”型异常发展,从春到夏,类“ENSO”型异常逐渐减弱直到消失.1996前后热带太平洋SSH发生一次显著年代际转折,转折之后热带太平洋SSH呈东低西高特征,不同季节有所差异.2)1990年前后夏季热带太平洋SSH发生的一次弱波动,持续影响夏季大气环流,使得1992年前后东亚夏季风出现减弱趋势,造成中国东部黄河以南地区,特别是华南夏季降水显著异常偏多,四川盆地和东北大部降水异常偏少;1996年SSH的实质性转折加剧了中国夏季降水的年代际异常趋势.
【期刊名称】《大气科学学报》
【年(卷),期】2015(038)003
【总页数】8页(P371-378)
【关键词】热带太平洋;海平面高度;东亚夏季风;夏季降水;年代际异常
【作 者】李丽平;袁爱军
【作者单位】南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏南京210044;气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏南京210044;南京信息工程大学大气科学学院,江苏南京210044;南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏南京210044;气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏南京210044;南京信息工程大学大气科学学院,江苏南京210044
【正文语种】中 文
【中图分类】P444
海洋作为气候的主要部分,在确定气候状态、引起气候的变化中起着重要作用。海洋有很好的“记忆力”,气候的可预报性很大一部分存在于海洋当中,因此要进行气候预测,必须要考虑海洋的作用。前人在这方面已开展了大量研究工作,黄荣辉和孙凤英(1994)分析了西太平洋暖池的热状态对东亚夏季气候异常的影响。邹立尧和刘宣飞(2002)就太平洋—印度洋夏季海温异常对亚洲夏季风的影响进行了数值研究,结果表明二者对东亚、南亚夏季风的影响是同号的。李双林等(2009)总结了北大西洋年代际振荡对全球气候的影响,并讨论了其对未来气候的预测意义。关惠戈和余锦华(2014)重点分析冬季气温与前期海表温度异常模的最佳耦合模态。李丽平和罗婷(2014)研究指出,夏季西北太平洋季节内海表温度异常影响中国东部同期长江中游及华南沿海、江淮流域、华北大部的降水季节内变化特征。此外中太平洋海表温度异常(王苏瑶等,2012)、北太平洋混合层深度异常(李丽平等,2013)和中国东部海区热通量变化(周林义等,2011)与中国降水存在显著的年际及年代际异常关系。
近年来,由于全球变暖导致的海平面加速上升,使海平面高度(Sea Surface Height,SSH)特别是太平洋SSH变化特征及规律成为国内外气象、海洋等相关领域专家研究热点问题之一。已有研究表明,20世纪90年代初热带太平洋SSH总体呈上升趋势,并有加速上升的趋势(Cazenave and Nerem,2003;Lombard et al.,2005;Antonov et al.,2005)。荣增瑞等(2008)研究指出,1993—2004年期间全球和南海SSH均呈上升趋势。Cazenave et al.(2008)利用1993—2008年高度计资料得到热带西太平洋SSH有显著的上升趋势,而热带东太平洋SSH下降明显。而且SSH长期变化趋势有显著的区域性分布特征(Cabanes et al.,2001)。然而在使用短期资料分析SSH长期变化趋势时,其年际和年代际变化对研究结果有显著的影响(顾小丽和李培良,2009)。许多研究表明,热带太平洋SSH存在显著的年际和年代际变化(Smith,2000;Han and Webster,2002;Sasaki et al.,2008)。在探讨SSH年际和年代际变异常成因时,Tiwaria et al.(2004)指出ENSO和太平洋海温的年代际变化(Pacific Decadal Oscillation,PDO)是重要的影响因素。顾小丽等(2009)近期的研究也指出ENSO对太平洋地区SSH年际变化有显著影响,而SSH与PDO的相关性分布有区域性和随时间演变特征。也有不少学者研究我国近海SSH异常特征及成因。如,风场的变化是引起南海SSH变化的主要原因(Liu et al.,2001)。杨建等(2004)指出,我国近海SSH异常与风速和ENSO现象存在显著相关。迟永祥(2013)分析了东中国海SSH的季节变化规律,并讨论了局地风应力对东中国海SSH季节变化的影响。
综上可见,关于整个热带太平洋及中国近海SSH年际、年代际及长期变化趋势特征的研究已有不少工作,但对其年代际异常特征的研究还相对较少。关于SSH变化引起的气候效应的研究则更少。李丽平等(2011)研究了SSH季节变化及年际异常特征,并探讨了SSH年际异常与中国夏季降水年际异常之间的关系。那么在年代际尺度上,热带太平洋SSH异常与中国夏季降水有何关系,则是本文要重点研究和解决的科学问题。
1)美国国家海洋和大气管理局的Global Ocean Data Assimilation System(GODAS)逐月海平面高度资料,分辨率Δλ×Δφ=1.0°×0.333°。将120°E～60°W、20°S～20°N的热带太平洋海域作为研究范围(Behringer and Xue,2004)。
2)NCEP/NCAR 850 hPa逐月风场再分析资料,水平分辨率Δλ×Δφ=2.5°×2.5°,取80～160°E、20°S～60°N范围进行研究(Kistler et al.,2001)。
3)国家气象信息中心提供的中国160站逐月降水资料。
统一上述三类资料的时间长度,选取1980年1月—2009年12月进行研究。下文所指春、夏、秋和冬季均相对北半球而言,分别对应3—5月、6—8月、9—11月、12月—次年2月。
本文利用谐波分析方法(吴洪宝和吴蕾,2005)对3类资料进行滤波,滤出周期大于等于10 a的年代际分量。采用自然正交函数(EOF)分析方法(Lorenz,1956)、奇异值分解(SVD)(Prohaska,1976)及其蒙特卡洛显著性检验方法(Wallace et al.,1992)、相关分析等方法进行研究。
首先采用EOF分析方法,分别对秋、冬、春和夏季热带太平洋SSH年代际异常时空特征进行分析,因秋、冬、春、夏四个季节SSH EOF第一模态方差贡献率分别为39.5%、50.1%、46.8%、38.3%,能够反映各季SSH年代际异常最主要时空特征,下面重点分析第一模态。
由EOF第一特征向量(图1)可见,秋季(图1a),热带西太平洋及西南太平洋大部海域SSH为负异常,负异常中心位于南半球;赤道以北中太平洋、热带东太平洋SSH为正异常,正异常中心位于10°N附近热带东北太平洋。与秋季相比,位于赤道以北西太平洋的SSH负异常在冬季(图1b)向东扩展并加强,使得热带西北、西南太平洋均为SSH负异常,热带中东太平洋为SSH正异常,正异常中心位于赤道及以北地区,呈现类“ENSO”形态。春季第一特征向量(图1c)与冬季相似,但10°N附近的正异常略向西扩,正异常中心分别位于5°N和5°S附近,赤道东太平洋为SSH正异常相对低值区,SSH的类“ENSO”形态年代际异常开始减弱。到夏季(图1d),热带东太平洋赤道以北的正SSH异常向西扩展,而热带西太平洋赤道以南的SSH负异常向东扩展,赤道附近的SSH负异常已扩至100°W附近,类“ENSO”型SSH年代际异常趋于消失。热带太平洋SSH年代际异常主要空间形态的季节变化,非常类似于SSH年际尺度的季节变化特征(Li et al.,2013),即从秋到冬季,SSH年代际异常向类“ENSO”型异常发展,从春到夏,类“ENSO”型异常逐渐减弱直到消失。
由四个季节热带太平洋SSH年代际分量EOF第一时间系数(图2)可知,热带太平洋SSH在1996前后发生一次显著年代际转折,1996年后时间系数由此前的正异常为主转为之后的负异常为主。结合各自第一特征向量可知,1996年以来,冬春季热带太平洋SSH主要呈东低西高年代际异常特征;夏秋季特征类似,如热带太平洋东部和东北部大部地区SSH降低,热带西南太平洋SSH升高,主要区别在于菲律宾以东附近SSH异常夏秋季年代际异常呈相反趋势。另外也注意到,在1990年前后,SSH也存在一次持续时间较短的转折,特别是夏秋季节,这次转折之后,正的时间系数振幅显著减小,到1996年之后,时间系数完全转为负异常,这次弱转折,似乎为1996年SSH根本性转折的前奏,是否会对中国气候产生影响呢?这将是下面研究中重点关注的问题。
为了解热带海平面高度与中国东部夏季降水年代际异常的关系,进一步采用SVD方法,给出夏季热带太平洋SSH、850 hPa风场与中国东部降水三者之间的耦合模态,第一耦合模态反映了三者之间最主要的年代际异常耦合时空变化特征,下面重点分析这一模态。
夏季热带太平洋SSH与中国夏季降水年代际异常分量SVD第一模态(图3)协方差平方和贡献率为47.2%,该模态通过了信度α=0.05的蒙特卡洛显著性检验。由二者SVD第一模态时间系数(图3c)可见,在1992年前后,耦合模态发生了年代际转折,1992年之后,5°N以北的热带太平洋大部及东南太平洋海平面高度呈降低、西南太平洋呈升高态势,相应中国东部夏季降水(图3b)在华南、黄河中下游及其与长江中下游之间降水异常偏多,四川盆地及东北大部地区降水则呈异常偏少态势。
对比SSH的SVD第一奇异向量(图3a)与夏季SSH的EOF第一特征向量(图1d)可见,二者空间分布非常相似。对比SSH的SVD第一时间系数(图3c)与夏季SSH的EOF第一时间系数(图2d)可知,夏季SSH的EOF时间系数在1990年前后已发生一次较明显异常减小的波动(图2d),这一波动逐渐引起中国东部降水在1992年左右发生年代际异常(图3c)。1996年前后SSH发生年代际异常的质变(时间系数由正转负,图2d),SVD耦合模态的时间系数在1996年达到了负异常极值(图3c)。上述特征表明,一方面,热带太平洋SSH年代际异常最主要分量影响了中国夏季降水年代际变化;另一方面,1990年左右的热带太平洋SSH弱转折持续影响着中国夏季降水异常,到1992年使得中国夏季降水呈现出明显的年代际异常,SSH在1996年的实质性转折继续延续和加剧了中国夏季降水的年代际异常趋势。
图4给出了夏季850 hPa风场与中国降水场年代际异常SVD第一耦合模态,其协方差平方和贡献率为40.7%,该模态通过了信度α=0.05的蒙特卡洛显著性检验。由时间系数(图4c)可见,风场和降水场在1992先后发生年代际转折,风场较降水场年代际转折时间略早,年代际转折后的异常也在1996年前后达到极值。转折之后,菲律宾群岛以东附近及西北太平洋—中国东部沿海地区出现反气旋性—气旋性环流异常,使得西太平洋副高偏南偏东;中纬度贝加尔湖以东及鄂霍次克海上空存在反气旋—气旋式环流对,中国东北大部为偏北异常气流控制,这些都使得东亚夏季风减弱,造成黄河以南的中国东部沿海地区,特别是华南地区降水呈显著异常偏多,四川盆地及东北大部降水呈异常偏少趋势。
图5为夏季热带太平洋SSH与V850年代际异常分量SVD第一耦合模态,其协方差平方和贡献率为47.3%,通过了信度α=0.05的蒙特卡洛显著性检验。SSH第一奇异向量(图5a)特征与夏季SSH的EOF第一特征向量(图1d)、夏季SSH与中国降水年代际异常SVD第一奇异向量(图3a)非常相似,V850场第一奇异向量(图5a)与夏季850 hPa风场和中国降水场的SVD第一奇异向量(图4a)很相似,这说明SSH年代际异常最主要分量与850 hPa风场、中国夏季降水场年代际异常分量三者之间存在密切关系。两者的时间系数(图5c)在1990年前后正异常出现一次明显减弱,这一特征在图3a中也很明显,1996前后V850、SSH先后由正位相转为负位相,这也进一步说明,热带SSH在1990年左右的较弱转折已持续影响大气环流,鉴于大气环流要素热容量较小的特性,对外强迫会作出较快的反应,从而引起1992年左右中国降水场发生年代际转折,并在1996年左右年代际异常达到极值,这可能也是V850场早SSH场较早转入负位相的原因。
1)热带太平洋SSH年代际异常主要空间形态存在一定季节变化,从秋到冬,SSH年代际异常向类“ENSO”型异常发展,从春到夏,类“ENSO”型异常逐渐减弱直到消失。热带太平洋SSH在1996前后发生一次显著年代际转折,转折之后热带太平洋SSH呈东低西高特征,不同季节有所差异,冬春一致,夏秋类似。在1990年前后,SSH也发生一次持续时间较短的波动,特别是夏秋季,波动后正的时间系数振幅显著减小。
2)SSH年代际异常、850 hPa风场、中国夏季降水场年代际异常最主要分量三者之间存在密切关系。1990年左右的热带太平洋SSH年代际弱转折(波动)持续影响中国夏季降水异常,使得中国夏季降水在1992年呈现出明显的年代际异常,即:1992年之后,5°N以北的热带太平洋大部及东南太平洋海平面高度呈降低、西南太平洋呈升高态势,菲律宾群岛以东附近及西北太平洋—中国东部沿海地区出现反气旋性—气旋性环流异常,使得西太平洋副高偏南偏东;中纬度贝加尔湖以东及鄂霍次克海上空存在反气旋—气旋式环流对,中国东北大部为偏北气流控制,导致东亚夏季风减弱,造成中国东部黄河以南地区,特别是华南夏季降水呈显著异常偏多,四川盆地和东北大部降水呈异常偏少趋势。SSH在1996年的实质性转折加剧了上述中国夏季降水的年代际异常趋势特征。
本文初步讨论了热带太平洋海平面高度场与850 hPa风场相互作用对中国东部夏季降水年代际异常的影响,其中机理如何,还需未来进一步深入研究。
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