太平洋潜热通量及其与黄淮夏季降水的关系
胡雪;王文;李理;黄山江;谢旭生
【摘 要】研究了1979-2010年太平洋潜热通量的变化特征及其与中国黄淮夏季降水的关系.结果表明,潜热通量的气候场和方差场均存在着明显的季节变化,且各季节气候场的极值中心也是变化幅度较大的区域.黄淮地区降水与前期春季的潜热场相关性最好.定义了黄淮夏季降水指数来研究影响降水的潜热场关键区,发现春季潜热关键区为10°～20°N之间的中东太平洋和热带东太平洋沿岸海区.春季当上述两个海区净潜热通量增多时,后期夏季500 hPa和850 hPa位势高度异常场中,在太平洋西海岸-阿拉斯加南部一线上均表现为“正—负—正”的分布型,黄淮降水偏多.
【期刊名称】《气象科技》
【年(卷),期】2015(043)003
【总页数】6页(P482-487)
【关键词】潜热通量;降水异常;合成分析;关键区
【作 者】胡雪;王文;李理;黄山江;谢旭生
【作者单位】南京信息工程大学大气科学学院,南京210044;河北省宣化县气象局,张家口075100;南京信息工程大学大气科学学院,南京210044;河北省张家口市气象局,张家口075000;河北省张家口市气象局,张家口075000;河北省张家口市气象局,张家口075000
【正文语种】中 文
海气相互作用是气候学研究的重要内容之一。其中，海洋通过涡动热通量等主要方式直接向大气输送热量以调控大气运动，并最终影响天气、气候的形成和变化。显然，研究热通量的时空变化特征对于了解海气热交换的具体过程，进而探讨海气相互作用的物理机制是非常重要的。早在20世纪80年代，国内就有很多学者已经认识到海气相互作用对气候预测的重要意义，章基嘉[1]指出在数值模式中引入海气因子将有助于提高模式的气候预测能力。新世纪以来，更多学者把研究重心放在这一领域，并进一步探索海气作用对局地气候的影响，宋巧云等[2]指出江淮梅雨与海气作用密切相关，海温异常是梅雨异常的重要气候背景；刘青春等[3]认为冬季西太平洋海温综合指数高，三江源地区春季降水偏少，而冬季太平洋中部、加利福尼亚海域海温综合指数高，三江源地区夏季降水偏少。
自20世纪90年代以来，许多国家进行了海洋边界层、海气通量等方面的研究工作，我国的气象学家在这方面也做出了很多有意义的探索。孙即霖等[4]利用TOGA-COARE计划的强化观测资料，对“实验3号”科学考察船第1和第2两个航次期间暖池区内感热、潜热和海面净热通量、混合层深度进行了计算，初步分析指出上述各量均存在明显的季节内时间尺度变化。钱粉兰等[5]发现太平洋西北部海域的感热通量和潜热通量也有明显的季节性变化；刘衍韫等[6]根据COADS资料，使用经验正交分解(EOF)等分析方法，研究了北太平洋海气热通量的季节、年际和年代际变化特征，结果表明，北太平洋海洋夏季净得热，冬季净失热，且黑潮及其延伸体区失热最大，净热通量年际变化较明显；李忠贤等[7]分析了夏季太平洋湍流热通量年代际变化的时空特征，发现太平洋热通量的年代际转变时间大约出现在1974年，20世纪70年代中期以前，太平洋湍流热通量为异常偏多期；郑建秋等[8]认为冬季北太平洋湍流热通量的年际变化最为显著，而冬季潜热通量和感热通量年际变化的关键区位于我国东部海域及其向中东太平洋的延伸部分。
关于太平洋海表热通量与中国夏季降水之间的研究也在进行。一些学者发现了太平洋某些关键区的海气热量交换与中国夏季降水的时滞关系：陈锦年[9]指出了前期夏、秋季节黑潮区海气热量交换对青岛汛期降水有重要的影响。翁学传等[10]发现，东海黑潮冬季热输送与黄淮平原区汛期降水具有相近的长期变化趋势，两者存在较好的负相关关系。丁良模[11]的研究结果表明，9月黑潮海域的海面热量的释放对后期山东夏季降水有影响。徐桂玉等[12]指出，太平洋感热、潜热通量与后期长江降水存在显著相关，潜热和感热的异常分布能造成长江流域降水分布不均。另一些学者则致力于探索太平洋夏季潜热输送对同期中国降水的影响：任雪娟等[13]研究了南海地区潜热输送与我国东南部夏季降水的遥相关，发现夏季南海中部海盆是影响同期华南降水的关键区。戴彩悌等[14]对南海地区潜热输送与长江流域夏季降水的关系进行了探讨，结果表明，南海地区夏季潜热输送与长江流域夏季降水呈显著负相关，且潜热输送和降水都在20世纪70年代中期出现突变。李忠贤等[7]揭示了太平洋潜热通量异常与中国夏季降水年代际变化的关系，发现太平洋湍流热通量异常偏多时，东亚夏季风偏强，对应华北降水偏多。徐文明等[15]研究了长江中下游夏季降水及其与全球热通量的关系，指出中北太平洋西部和日本以东洋面当年春季热通量的异常分布形式是长江中下游夏季旱涝的一个前期讯号。李翠华等[16]指出东中国海及临近海域夏季海气热通量的异常变化是中国东部夏季降水出现异常的重要原因之一。齐庆华等[17]认为西太平洋潜热通量的大范围负异常通常对应江淮大部和华北北部的降水异常偏多。
本文在分析太平洋大部分区域各个季节的海气热通量时空变化特征的基础上，结合东亚地区环流结构的分析，初步研究太平洋潜热通量的变化及其与我国黄淮夏季降水的关系，以期用太平洋潜热通量的变化来预测黄淮夏季降水。
本文所用资料包括：
(1)NCAR/NCAEP提供的第2套全球大气再分析资料(1979—2010年)，范围选择为105°～75°W，30°～60°N的区域，潜热通量资料水平分辨率约为1.875°×1.9°；而其他资料的水平分辨率为2.5°×2.5°。
(2)国家气候中心提供的160站月平均降水资料(1951—2010年)。
定义了黄淮地区夏季降水指数，即该区域26个观测站的平均降水距平百分率；使用小波分析法分析了黄淮地区夏季降水的周期性变化。
1979—2010年各个季节太平洋海表总潜热场等值线的分布特征为：在靠近海岸的地方等值线近似与海岸线平行，而在远离海岸的海洋表面，等值线近似与纬线平行，这在北半球的春季和夏季表现尤为明显，秋季和冬季在南半球表现明显。不同季节总潜热通量的气候场中，潜热的空间分布存在差异，但主要的极值中心位置大体变化不大。并且，极值中心与方差场大值区分布较为一致，这说明了这些海区不仅是潜热通量的极值中心，也是潜热通量变化较大的地方。这几个中心分布在：东中国海-日本海-黑潮海域、赤道以南的西太平洋暖池区，北半球副热带中东太平洋海域、赤道中东太平洋及其两侧海区。
不同季节的气候场和方差场在空间分布上存在着差异，但相邻的季节存在着一定的时间上的连续性和间断性。春季和夏季、秋季和冬季之间表现出时间上的连续性，而冬季和春季、夏季和秋季之间表现出时间上的间断性。若仅是由于太阳直射位置的南北移动，整个空间场在时间上应当是接近连续变化的，但实际情况并非如此。这从侧面反映了，影响潜热通量的不仅仅是太阳直射位置的变动所引起的温度的变化，还有如洋流、季风等其他因素。另一个明显的现象是，各季节的气候场中等值线均在夏威夷群岛附近发生弯曲，这也充分说明了海陆热力性质的差异。
南北半球潜热场均存在明显季节变化(图1)。北太平洋黑潮海域的潜热场和方差场变化步调一致，均为冬季最强，秋季次强；夏季最弱，春季次弱。相比之下，北太平洋副热带中东太平洋海区的潜热场和方差场的变化并不完全一致，其中潜热场在冬季较强，春季最强，秋季较弱，夏季最弱；方差场在秋季较强，冬季最强，春季较弱，夏季最弱。而南半球的暖池区的变化情况和北半球黑潮海域的情况正好相反。
此外，热带东太平洋有3个极值中心，分别位于赤道东太平洋及其两侧，3个中心范围很小，在夏季和秋季表现尤为明显。其中，赤道东太平洋海域一年四季均为潜热通量的低值中心，中心强度变化不大，但范围上冬季最大，夏季最小。方差场在秋季和冬季大，最大值中心位于通量最小值中心的左侧，春季和夏季的方差小。赤道东太平洋两侧分别有一个极大值中心，北侧的夏季和秋季存在，春季和冬季消失，南侧的夏半年强，冬半年弱。
3.1 影响黄淮夏季降水的潜热场关键区
对黄淮地区(即图2a中的A区)内26个站点的夏季降水距平百分率求空间平均， 用该值作为黄淮地区的夏季降水指数，则可以得到一个60年的时间序列。对该指数进行标准化处理(图2b)，可以发现，1965年以前整体降水偏多，1965—1999年间总体降水偏少，2000年后总体降水偏多。通过小波分析可知(图3)，黄淮地区夏季降水有3年左右的周期性震荡，在20世纪60年代和1995—2005年两个时间段内表现尤为明显。
用1979—2010年降水指数的时间序列同前期春季的太平洋潜热场求相关，结果发现，黄淮夏季降水同前期春季潜热场有较明显的关系，而与其他季节的潜热场之间的关系并不明显。图4给出了前期春季的相关场。可以看到前期春季，两个显著的关键区分别位于6°～20°N之间的中东太平洋和热带东太平洋海区，中心最大相关系数均超过0.4，且通过显著性检验；前者呈带状分布，在范围和强度上最为明显。
3.2 潜热通量与大气环流
黄淮夏季降水同前期春季潜热场的相关性最强，并且关键区位于10°～20°N之间的中东太平洋海区和热带东太平洋沿岸附近海区。我们选取区域面积较大的位于10°～20°N之间的热带中东太平洋海区(图4)来做进一步研究。
对所选区域春季潜热场求空间平均，以此作该区潜热指数；然后对高、低标准化潜热指数年后期夏季500 hPa、850 hPa位势高度场做差值，其中高指数年选取标准化潜热指数大于0.85的年份，低指数年选取标准化潜热指数小于-0.85的年份。图5为春季潜热关键区潜热指数标准化时间序列。
从图6b中可以看出，后期夏季500 hPa和850 hPa的位势高度合成场中，在“太平洋西海岸—阿拉斯加南部—加拿大西部—美国东部—大西洋”一线上均表现为“正—负—正—负—正—负”的分布型，其中850 hPa上尤为明显。所以，春季当10°～20°N之间的中东太平洋海区和热带东太平洋沿岸附近海区潜热增多时，后期夏季500 hPa和850 hPa位势高度异常场中，在“太平洋西海岸—阿拉斯加南部—加拿大西部—美国东部—大西洋”一线上均表现为“正—负—正—负—正—负”的分布型，中国东部黄河以南地区为正异常，副高位置偏西，黄淮地区的偏南暖湿气流加强，水汽条件充足，有利于降水偏多。
为了进一步验证上面的结论，对后期夏季850 hPa风场也进行了分析。从图7a,b中也可以发现，高指数年与低指数年太平洋副热带高压中心位置相差不大，西部脊线位置均在25°N附近。但在范围和强度上前者均比后者要大，这可以从风场的大小和其西部边缘上比较看出。高指数年合成场中， 25°N一线北太平洋西部脊西伸到112°E的位置，低指数年西部脊大致位于120°E附近。中国东部黄河以南地区及中国东海海域的风场中南风分量明显要比低指数年的强。
高指数年与低指数年风场的差值场(图7c)中，差值风场分布型与高度差值场中异常分布型(图6b)是一致的，沿着太平洋西海岸从低纬到高纬依次为“反气旋—气旋—反气旋”。黄河以南的中国东部地区，差值风场中为偏南风，说明高指数年水汽条件比低指数年要好。综上所述，前期春季关键区潜热的正异常，有利于黄淮地区降水偏多。
(1)太平洋净潜热通量的气候场和方差场均存在着明显的季节变化，但相邻的季节分别存在着时间上的连续性和间断性。春季和夏季、秋季和冬季之间表现出时间上的连续性，而冬季和春季、夏季和秋季之间表现出时间上的间断性。各季节潜热场的总热通量极值中心区域也是变化幅度大的区域。
(2)黄淮夏季降水与前期春季潜热场相关性最强。春季潜热关键区为10°～20°N之间的中东太平洋海区和热带东太平洋沿岸附近海区。春季当上述两个海区净潜热通量增多时，后期夏季500 hPa和850 hPa位势高度异常场中在太平洋西海岸-阿拉斯加南部-加拿大西部-美国东部-大西洋一线上均表现为“正—负—正—负—正—负”的分布型，中国东部黄河以南地区为正异常，副高位置偏西，黄淮地区的偏南暖湿气流加强，水汽条件充足，黄淮降水偏多。
目前，在太平洋潜热方面的研究还不是很系统。一方面是由于现在存在着几套不同的海表潜热通量资料(如NCEP1、NCEP2、ERA40、OAFlux、COADS等)，这些资料有不同的空间和时间分辨率，样本长度也不同，各有优缺点，不同的研究者使用不同的数据所研究的结果也不尽相同；另一方面关于海洋热通量与大气环流相互作用的物理机制还需要更深入的研究。另外，文中所提到的几个中心与大气环流之间的关系、太平洋潜热场在90年代中期前后发生突变的原因以及冬半年和夏半年突变时间不相同的原因等问题，都值得进一步去探索。
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