陕西省夏季降水特征及其与太平洋地区OLR的关系
陈小婷
【摘 要】利用美国NOAA卫星观测的逐月平均OLR资料和陕西省96个自动站观测降水资料,对1981 ～2010年陕西夏季降水变化特征以及陕西夏季降水和太平洋地区地气系统射出长波辐射(OLR)之间的关系进行了分析.结果表明,1981 ～2010年陕西省夏季平均降水有微弱的减少趋势,但不同区域表现并不一致,陕北降水明显减少,关中、陕南明显增加;陕西夏季降水存在一个7年左右、2年左右的周期,7年左右的周期占主导地位;陕西夏季降水偏多年,同期赤道西太平洋地区OLR正异常明显,对流偏弱,日本岛东南洋面OLR负异常明显,对流较强,前冬与前春赤道太平洋地区OLR呈“西正东负”分布,反之亦然;奇异值分解(SVD)分析表明,太平洋地区OLR与陕西夏季降水之间关系密切.
【期刊名称】《安徽农业科学》
【年(卷),期】2015(000)007
【总页数】4页(P205-208)
【关键词】夏季降水;OLR;小波分析;奇异值分解
【作 者】陈小婷
【作者单位】陕西省气象台,陕西西安710014
【正文语种】中 文
【中图分类】S161.6
20世纪80年代以来，全球增暖趋势明显，我国北方地区的降水量明显减少、气温升高，干旱化的趋势十分严重。西北地区由于自然和人类活动等原因，一直是生态脆弱区之一，陕西位于西北地区东部，其中陕北和关中大部分地区属于干旱、半干旱地区，干旱、洪涝几乎每年都可发生，水资源利用主要来自于空中降水。近年来，气候变化加剧，影响着该区域的农业生产。7、8月份是陕西的主汛期，期间累积降水占全年降水的55%以上，对旱涝起着重要的作用，因此研究陕西该时段降水的变化特征很有意义。
卫星观测的地气系统射出长波辐射(Outgoing Long wave Radiation，OLR)是指在地球大气顶单位平方米面积上、单位时间内(每秒)地球向外空辐射出去的所有波长的电磁波能量的总和，又称热辐射能量;其大小主要取决于下表面(晴空地表和云层顶部)温度的高低，当下表面为温暖晴空时，其发射出去的OLR高;当下垫面为云覆盖时，由于云顶温度低。其发射出去的OLR值低。OLR资料基本上反映了观测地区的云和晴空的天气气候状况。蒋尚城研究表明OLR在天气气候的诊断分析和监测工作中有着重要的意义，可以作为气候分析和中长期预报的一个新的途径［1］。近年来，气象工作者利用OLR对夏季旱涝、冰冻雨雪、高温等多种灾害性天气和气候预报有关问题进行了诸多研究［2－6］，表明OLR与多种灾害性天气有密切关系，可以对气候预测提供一定的指示意义。笔者利用1981～2010年资料研究在新的气候时期陕西夏季降水新的变化特征以及与OLR的关系，揭示新的气候时段陕西夏季降水变化特征，为天气预报提供准确实时的背景场，同时为汛期的天气气候预测提供方法和依据。
1 资料和方法
1.1 资料选取 数据采用1981～2010年美国NOAA卫星观测的逐月平均 OLR 格点资料(分辨率为2.5°×2.5°)和1981～2010年陕西省96个自动站观测降水量资料。
1.2 分析方法
1.2.1 SVD 方法。奇异值分解(SVD)方法［7］是线性代数中一种重要的矩阵分解，通过分析2个要素场之间的相关，旨在最大限度地分离出两场的高相关区，以此了解成对变量场之间相关系数的空间结构及各自对相关场的贡献，该方法在气象场的时空分布耦合信号的诊断分析中具有普适性，特别适合大尺度气象场的遥相关型研究。在此采用SVD方法研究热带太平洋地区夏季OLR异常(左场)对陕西省夏季降水异常(右场)的影响。
1.2.2 小波分析。小波分析是一种信号的时间－频率分析方法，其优于Fourier变换的地方是它在时域和频域上同时具有良好的局部化性质［7］。它不仅可以给出气候序列变化的尺度，还可以显示变化的时间位置，这一点对于气候预测很有用，因此小波分析被广泛应用于气候诊断中。用小波分析对某一具体问题进行研究时，要先选一个小波母函数，文中采用了文献［7］的Marr小波。
2 陕西夏季降水特征
2.1 时空变化特征 通过计算1981～2010年期间陕西省96个自动站夏季降水(7、8月份)与全省平均降水之间的相关系数发现，除了镇坪、府谷、安塞、神木、横山、佳县、清涧、吴堡、米脂、子洲、绥德、子长、吴起、靖边、榆林、定边(主要分布在榆林市)16站以外，其他80站的相关系数均通过了0.001显著性水平检验的临界相关系数。即除了陕北北部，全省夏季降水变化趋势基本一致，因此，剔除上述16站以外，用剩余80站的平均降水量能够较好地代表全省降水量，下面用该资料分析降水的时空变化特征。
从1981～2010陕西省夏季平均降水量演变(图1)可以看出，陕西夏季降水有明显的年代际变化特征，20世纪80年代陕西夏季降水偏多，90年代降水偏少，21世纪降水偏多;降水显著偏多的年份为1981、1988、1998、2010年，显著偏少的年份为1986、1991、1997、2002年;从线性趋势来看，1981 ～2010年全省夏季降水有微弱的下降趋势。用1981～2010年陕西夏季气候平均降水与1971～2000年气候平均的差值表示气候变化趋势。从图2可以看出，在新的气候时期陕北降水明显减少，而关中、陕南降水增多。
图1 1981～2010年陕西夏季降水量演变
图2 陕西省夏季降水气候变化趋势(单位:mm)
2.2 降水周期分析 从陕西夏季降水小波方差(图3b)可以看出，1981～2010年陕西夏季降水主要有2个周期，即7年左右和2年左右。7年左右的周期与前面年代际变化基本一致，20世纪80年代和21世纪初期陕西处于降水偏多阶段，90年代处于降水偏少阶段(图3a)。对照上文挑选的降水显著偏多、偏少年可以看出，在长周期和短周期降水偏多(偏少)叠加阶段更容易出现年降水量极值。如1981、2010年均不仅处于7年周期降水偏多年，同时处于2年周期降水偏多年(图3c、d)，因此这2年降水显著偏多。
图3 1981～2010年陕西夏季降水量小波指数分布(a)、方差变化(b)和不同时间尺度的小波系数(c、d)
3 降水与OLR的关系
3.1 异常年份合成分析 为了研究陕西省夏季旱涝年太平洋上空的对流活动情况，选取降水偏多年、偏少年同期OLR场进行距平合成分析。从降水偏多年份太平洋地区的OLR距平分布(图4a)可以看出，OLR距平在太平洋地区呈北负南正分布，在10°S～10°N的太平洋地区存在大面积正异常区，在130°～180°E、20°～30°N 范围内存在一小范围的负异常区，也就是说，当赤道地区对流较弱，25°N附近东太平洋地区对流较强时，陕西夏季降水偏多;相反，陕西夏季降水偏少时，OLR距平在太平洋地区呈北正南负分布，赤道太平洋地区为大面积负异常区，日本岛东南洋面上为小范围的正异常区，即当赤道地区对流较强、25°N附近东太平洋地区对流较弱时，陕西夏季降水偏少(图4b)。很显然，陕西夏季降水偏多或偏少时，太平洋上空的对流活动是截然相反的。另外，从图4可以看出，在陕西夏季降水偏多年份，环东亚、西太平洋地区OLR场的距平分布呈“－ + － + －”的分布，而在陕西夏季降水偏少的年份，该区域OLR场的距平分布呈“+ － + － +”的分布，两者截然相反，Wang研究指出在环太平洋地区存在经向风的遥相关分布，热带地区异常对流活动很有可能是触发这一现象的因子［8］。该研究仅从现象上揭示了这一类似特征，具体物理机制还需要进一步研究。
图4 陕西省夏季多雨年(a)和少雨年(b)OLR距平分布合成图(单位:W/m2)
对陕西夏季多雨年和少雨年的前冬(前一年12月、当年1和2月)、前春(当年3～5月)OLR距平场进行合成分析发现，降水偏多年的前冬，10°S～10°N的太平洋地区，以160°E为分界线，OLR呈西正东负分布，前春，负值区减小，正值区东扩，逐渐向降水偏多年夏季OLR的分布特征发展，且出现了“－ + － + －”波列形势分布的雏形;降水偏少年的特征与偏多年呈相反的分布。可见，陕西夏季降水与OLR场前期和同期的异常变化有着密切的关系。
3.2 OLR与陕西夏季降水的相关分析 选取陕西80个自动站7、8月平均降水量作为陕西夏季降水指数。从陕西夏季降水指数与夏季OLR相关系数分布情况(图5)可以看出，在赤道西太平洋上存在一个高正相关区，通过95%的信度检验，日本岛附近洋面上存在一个负相关区，进一步表明当赤道太平洋地区OLR为正异常、对流较弱，日本岛东南洋面为负异常、对流较强时，陕西夏季降水偏多。
图5 陕西夏季降水指数与夏季OLR相关分布注:阴影区表示通过0.05的显著性检验。
3.3 SVD分析 为了进一步分析太平洋地区OLR场和陕西夏季降水之间的遥相关关系，对1981～2010年夏季太平洋地区OLR和陕西夏季降水做SVD分析。从图6a可以看出，20°S～20°N范围内，热带印度洋－太平洋OLR场呈东正西负分布，赤道太平洋地区大部分为显著正异常，对应陕西夏季降水呈北正南负分布(图6b)，陕北中北部为正异常，其余地区为负异常。可见，当赤道太平洋地区OLR值偏高、对流偏弱，而赤道东印度洋到印尼群岛的OLR值偏低、对流偏强时，陕北中北部夏季降水偏多，陕西其余地区夏季降水偏少。相反，当西太平洋地区的OLR值偏低、对流偏强时，陕北中北部夏季降水偏少，关中、陕南夏季降水偏多。从第1模态时间系数(图6c)可以看出，OLR场与陕西夏季降水场的变化趋势几乎呈同位相变化。由于右场(陕西夏季降水场)站点数远小于左场(OLR)格点数，因而其协方差远小于左场，导致振幅明显小于左场，当降水出现一个小波动时，对应OLR场有个大波动与之对应。
4 结论
(1)在1981～2010年的气候时段，陕西省夏季降水有微弱的减少趋势，但不同区域表现并不一致。与1971～2000年的气候时段相比，陕北降水明显减少，关中、陕南明显增加。
(2)陕西省夏季降水存在一个7年左右、2年左右的周期，7年左右的周期占主导地位。
(3)陕西夏季降水偏多年，同期赤道西太平洋地区OLR正异常明显、对流偏弱，日本岛东南洋面OLR负异常明显、对流较强，前冬与前春赤道太平洋地区OLR呈西正东负分布，反之亦然。
(4)陕西夏季降水与同期赤道西太平洋OLR呈正相关，即该区域对流强的时候，降水弱;与日本岛东南洋面的OLR呈反相关，即该区域对流强的时候，降水也强。
(5)从SVD分析表明，太平洋地区OLR与陕西夏季降水两者之间关系密切。第1模态分布显示，赤道印度洋－太平洋地区OLR场呈东正西负分布，陕西夏季降水呈北正南负分布，即当赤道太平洋地区OLR值偏高、对流偏弱时，陕北中北部夏季降水偏多，陕西其余地区夏季降水偏少。
图6 热带太平洋地区夏季OLR场(a)、陕西夏季降水场(b)SVD分析的第1模态同性相关型及时间系数(c)
参考文献
［1］蒋尚城.我国OLR应用研究的进展［J］.气象科技，1994(1):1－9.
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［8］WANG H J.The Circum-Pacific Teleconnection Pattern in Meridional Wind in the High Troposphere［J］.Advances in Atmospheric Sciences，2005，22(3):463－466.
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