【doc】东南沿海地区降水与全球海温变化的关系

【doc】东南沿海地区降水与全球海温变化的关系 东南沿海地区降水与全球海温变化的关系 第39卷第6期 2011年12月 气象科技 METEOROL()GICALSCIENCEANDTECHNOL()GY VoI.39,NO.6 Dec.2011 引言 东南沿海地区降水与全球海温变化的关系 郑益群高俊岭熊琳峰曾新民 (解放军理工大学气象学院,南京211101) 摘要为了解近5o年来东南沿海地区降水与海温变化的关系,对该地区降水与全球海温度进行了奇异值分解 (SVD).结果表明:印度洋,南海及赤道东太平洋地区是对东南沿海地区降水有影响的关键区域.东南沿海地区 秋冬季的降水总体上来说对前期海温变化的响应不敏感,而东南沿海地区夏季降水受前期海温的影响较为明显, 尤其是上年夏季北印度洋,南海地区海温的变化对当年降水有明显影响.因此,在预测东南沿海地区夏季降水时 应该重点考虑上年夏季北印度洋及南海地区海温的变化情况. 关键词东南沿海降水海温奇异值分解 近百年来全球气候正经历以全球增暖为主要特 征的显着变化,这种变暖是由自然气候振荡和人类 活动共同引起的.强有力的新证据表明2O世纪的 增温明显不同于自然强迫的响应,尤其是后5o年每 10年约0.1?的增温主要应该归因于人类活 动_1].而2O世纪8O年代开始的剧烈增温的主要 影响因子则是温室气体的增加].全球增温引起蒸 发加强,有可能增加降水,但由于中高纬度地区增温 大于低纬度地区,会减少经向温度梯度和西风强度, 也减少了中纬度地区由海洋向大陆水分的输送;同 时,大陆的部分地表蒸发却因增温而有所加强,两种 作用的结果都使得中高纬度大陆部分地区有可能出 现干旱化趋势. 但由于中国地域辽阔,地形复杂,气候具有明显 的地域特征,即使中国东部如华北,长江流域和华南 的气候也有很大不同.在东部季风区,与北方地 区降水量的普遍减少趋势相对应的是,长江中下游 地区和华南南部近半个世纪以来降水量有增加趋 势],使得近年来我国长江中下游地区,东南沿海地 区等我国洪涝特重度灾变地区[3的洪涝发生频率和 强度呈现加快和增强趋势.我国是全球气候变暖特 征最显着的国家之一.受气候变暖影响,我国南方 部分地区大雨日数将显着增加,特别是在东南地区 的福建和江西西部,气候有趋向于恶劣化的趋势j. 虽然影响中国各区域降水变化的因素非常 多l5],但许多研究都指出赤道太平洋的ENSO循 环,热带西太平洋,特别是西太平洋暖池的热力状态 是影响中国东部地区旱涝的主要原因]. 东南沿海地区属亚热带湿润季风气候区,该地 区降水也与海温变化有密切关系,但对于不同季节 的降水,其海温强影响区和时间都会存在差异. 了解东南沿海地区不同季节降水的海温高响应区域 及其可能的影响机制,可以为该地区模式预测结果 的解释应用,统计预测模型的建立提供有益参考. 本工作采用奇异值分解(SVD)的,分季节研究 了东南沿海地区降水与全球海温的响应关系,并对 这种响应关系的物理机制作了初步分析. 1资料和方法 本文所用测站降水资料为中国气象局国家气候 中心资料室整编的1951—2003年中国740站逐日 降水资料.由于这些站点的建站时间不同,资料长 度不一,且存在很多缺测,因而本文在进行数据分析 之前对资料进行了补插,检验,剔除了有效资料年限 短于45年的测站,并选取了东南沿海地区57个资 料较完整测站(具有相同的45年年限),进行月平均 国家重点基础研究发展规划项目(2010CB428505),国家自然科学基金项目 (40875067)资助 作者简介:郑益群,男,1967年生,博士,副教授,研究方向为全球变化和气候模 拟,Email:gaojunling163@163.c.m 收稿日期:2010年5月20日;定稿日期:2011年7月29日 第6期郑益群等:东南沿海地区降水与全球海温变化的关系773 后作为奇异值分解方法(SVD)分解分析的右场. 采用英国气象局哈德莱气候中心1.×1.的同期月平 均海表温度资料作为左场.两个场均经标准化后进 行SVD分解分析,以获得降水与海温之间的场响应 关系.由矩阵理论引入的奇异值分解方法,已经被 证明是分析两要素场耦合型态的一种有效工具,它 能同时在时间和空间上考虑两个要素场的相互关 系,而且物理意义清楚,已在气候诊断分析中得到广 泛应用. 另外,在本文的有关分析中还采用了NCEP/ NCAR高斯网格的地表观测量资料及2.5.×2.5. 的高空观测资料,来进行地表物理量及大气环流状 况的分析. 2海温对东南沿海地区降水变化的影响 本文利用奇异值分解方法来诊断东南沿海地区 降水与全球海温之间的耦合信号,以期发现对东南 沿海地区降水有重要影响的海洋区域和季节,为未 来进行该地区降水的统计预测打下基础. 2.1东南沿海地区降水与同期海温变化的关系 通过对东南沿海地区冬季降水与同期海温的 60.N 30. EQ 30. 60.S SVD分解第一模态异性相关系数的分析可以发现, 许多地区的海温与该地区冬季降水间存在明显相关 关系(图la),尤其是南海,北印度洋及赤道东太平 洋等地区的异性相关系数绝对值可超过0.6,同时, 东南沿海地区冬季降水对海温的变化也很敏感(图 lb),存在大范围高响应区,湘,赣,闽等高响应区的 异性相关系数绝对值也可超过0.6,并且东南沿海 地区冬季降水与同期海温的SVD分解第一模态解 释的协方差达到了76.7,说明南海,北印度洋及赤 道东太平洋地区的冬季海温异常降低(升高),则我 国东南沿海地区的冬季降水很可能会随之减少(增 加).东南沿海地区冬季降水与南海,北印度洋及赤 道东太平洋等地区的同期海温之间之所以存在明显 的相关关系,可能是由于这些地区的海温降低(升 高),与东亚地区冬季风减弱(增强)之间的密切联系 有关.东南沿海地区春季降水与同时期印度洋和赤 道东太平洋之间也存在明显的响应关系(图1c,d), 且异性相关中心的相关系数绝对值也可超过0.6, SVD分解的第一模态解释的协方差能达到55.7,但 春季降水的高响应区主要出现在台湾海峡及闽粤沿 海地区,高响应中心明显比冬季南移.春季东南沿 图1东南沿海地区各季降水与同期海温的SVD分解第一模态异性相关系数:(a) 冬季季平均海温, (b)冬季季平均降水,(c)春季季平均海温,(d)春季季平均降水 (图中实线代表正值,虚线代表负值,深灰色区域为相关系数绝对值超过0.5的区域, 浅灰色为显着性水平达到o.05的区域,下同) 腿.. ?00? 774气象科技第39卷 海地区受到冬,夏季风的交替影响,而东亚夏季风通 常5月中下旬最先在南海地区爆发_1,由于中低纬 度地区海温偏高(低)造成东亚夏季风偏弱(强),有 利于东亚西南夏季风与偏北冬季风较长(短)时间在 东南沿海地区相持,从而造成该地区降水偏多(少). 在Ueda等的工作中也得到了类似的结论『1引. 由于夏季是东南沿海地区全年降水最多的季 节,夏季降水的变化往往决定了该地区全年的降水 情况.夏季的海温强响应区主要出现在赤道西太平 洋,南海及北印度洋地区,强响应中心的相关系数绝 对值可超过0.6(图2a),而中国东部降水对这些地 区海温变化的响应由南到北呈"正一负一正"相间分 布的特点(图2b),赤道西太平洋,南海及北印度洋 60.N 30. Eo 30. 60.S 60.N 30. EQ 30. 6O.S 地区夏季海温偏低(高),闽,粤沿海地区降水增加 (减少),长江中下游地区降水减少(增加),而黄淮地 区降水增加(减少),这与东亚强(弱)夏季风年的降 水分布十分相似],暗示赤道西太平洋,南海及北 印度洋地区夏季海温的变化与东亚夏季风之间存在 明显的相互反馈作用.与其他季节相比,东南沿海 地区的秋季降水与同期海温之间的响应关系较弱 (图2c,d),说明东南沿海地区秋季降水对海温变化 不敏感,该地区秋季降水可能还受到其他更重要因 子的影响.从上面的分析可以发现,几乎在各个季 节,北印度洋,南海等地区都是与东南沿海地区降水 存在明显相关关系的关键区域,在诊断,预测时须重 点关注. 图2东南沿海地区各季降水与同期海温的SVD分解第一模态异性相关系数:(a) 夏季季平均海温, (b)夏季季平均降水,(c)秋季季平均海温,(d)秋季季平均降水 为更好了解海温变化与东南沿海地区降水互反 馈作用的可能物理机制,我们利用1998年和1994 年这两个东南沿海地区典型旱涝年的气候资料,来 分析海温变化与东亚季风及东南沿海地区降水的相 互影响.有关资料显示,1994年珠江流域发生特大 洪涝灾害,受灾人口4000万,经济损失430亿 元l_3,同时,江淮流域的春,夏季降水偏少;而 1998年江淮流域地区发生特大洪涝灾害,东南沿海 地区的降水却相对偏少L1.从1998年与1994年 的春季(图3a)和夏季(图3b)降水图中可以看到, 1998年春季长江中下游地区的降水明显比1994年 增多,到夏季,长江流域的降水仍然明显比1994年 增多,尤其是长江中游地区,这也是造成1998年长 江流域特大洪涝灾害的主要原因.与此同时,东南 沿海地区1994年的夏季降水则明显比1998年增多 (图3b),并在该地区发生了近50年来最大的洪涝 灾害.从1998年与1994年夏季降水的差异,及前 人的许多工作]均表明,东南沿海与江淮流域的 夏季降水变化基本上呈现出反位相关系,也就是当 江淮流域降水偏多(少)时,则东南沿海地区降水偏 少(多),这可能与决定这两个地区夏季降水多寡的 主要因素不同有关.东南沿海地区夏季降水的多少 主要取决于东亚夏季风的强弱,而江淮流域夏季降 水却主要决定于降水区在该地区的持续时间长短, 第6期郑益群等:东南沿海地区降水与全球海温变化的关系775 降水在江淮流域停留时间长短则主要与偏南夏季风 和来源于中高纬度地区的偏北风在该地区的相持时 间长短有关.因而,当东亚夏季风强时,夏季风能够 较快越过江淮流域北推到华北地区,雨区在江淮流 域停留时间短,使得江淮流域降水偏少,同时,东南 沿海地区降水却往往偏多. 75.90.105.120.135.150.E75.90.105.120.135.150.E 图31998年与1994年降水,大气环流和海温变化:(a)1998年与1994年春季降水之 差,(b)1998年与1994年夏季 降水之差,(c)1998年夏季平均850hPa风环流矢量,(d)1998年与1994年夏季差值 风环流,(e)1998年与1994 年春季海表温度之差,(f)1998年与1994年夏季海表温度之差. 从1998年与1994年的夏季环流图中可以清楚 看到这两年季风强弱的变化情况.图3c为1998年 夏季平均850hPa风环流矢量图,从中可以看到,有 3股气流在江淮流域交汇,一股是由孟加拉湾绕流 过来的偏西气流,另一股是由南海经东南沿海地区 而来的西南气流,还有一股是从中高纬度地区流过 来的西北气流,前两股由低纬度海洋地区吹过来的 暖湿气流,带来了大量水汽和热量,与北方吹来的干 冷空气在江淮流域汇合,造成了该地区灾害性的长 时间降水过程.另外,从图3c中还可以看到,1998 年夏季的西太平洋副热带高压位置较偏南(500hPa 与此相似,图略),东南沿海地区1998年夏季基本为 副高控制,使得该地区降水较常年偏少.从1998年 与1994年的夏季差值环流图中可以看到(图3d), 在长江流域中上游和下游地区分别存在明显的风环 流汇合现象,对应着这两个地区降水的增加(图 3b),在东南沿海地区出现了一个反气旋差值环流 中心,并使得1998年该地区降水较1994年减少(图 3b).比较1998年与1994年夏季环流情况还可以 发现,华北地区出现了较强的偏北差值环流,说明 1998年夏季风向北伸展比1994年弱,同时,1998年 东南沿海地区的偏南夏季风也较1994年偏弱,这 与东亚弱夏季风年的环流形势类似,暗示1998年的 夏季风较1994年弱.而1998年与1994年的春,夏 季海温变化与这两年夏季风强弱变化有密切联系. 图3e,f分别给出了1998年与1994年的春,夏季海 表温度(SST)差值,从中可以看到,1998年的春夏 季海温明显比1994年偏高,尤其是东海,南海等环 776气象科技第39卷 东亚大陆海域,而l998年夏季风也明显较l994年 夏季减弱.从上面的分析可以发现,春夏季中,低纬 度地区海温升高(低),与该年东亚夏季风减弱(增 强)之间存在明显相关关系,并使得江淮流域降水增 加(减少),而东南沿海地区降水出现相反的变化. 当然,这些变化规律主要是通过两个典型旱,涝年份 的海温,大气环流及相应降水变化分析得出的,是否 具有一定的普适性,还需作更多诊断分析. 2.2前期海温对东南沿海地区降水变化的影响 对于预测东南沿海地区降水的变化趋势来说, 了解海温等气候要素的前期变化对该地区降水的影 响比同期影响更为重要.通过对冬季降水与前期各 6O.N 30. E0 30. 60.S 60.N 30. EQ 30. 60.S 0.60.120.E180.120W60.0. 季(以3个月平均作为一个季节,滚动进行)海温变 化的SVD分解可以看到,总体上说前期海温对中国 东南沿海冬季降水的影响较小,除了上一年冬季(图 4a)的赤道东太平洋与北印度洋海温与冬季降水存 在较明显的负相关关系外,其余各季节的海温与降 水之间的相关性均较小(图略),而降水对海温的高 响应区主要出现在长江中下游地区(图4b).说明 东南沿海地区冬季降水对前期海温的变化不敏感, 同时也说明海温变化对冬季降水的影响具有较长的 时间滞后性,因而在预测东南沿海地区冬季降水的 变化趋势时可以重点考虑上年冬季赤道东太平洋与 北印度洋海温的变化情况. 图4东南沿海地区冬春季降水与前期海温的SVD分解第一模态异性相关系数:(a) 上年冬季平 4月平均海温,(d)当年春季平均降水 均海温,(b)当年冬季平均降水,(c)2— 对东南沿海地区春季降水影响最明显的是赤道 东太平洋和北印度洋冬,春季节的海温变化,尤其是 2—4月平均的海温(图4c),在赤道东太平洋和北印 度洋均出现了明显的负相关响应中心,相关系数的 绝对值可超过0.6,而在北太平洋地区为正相关响 应高值区.对应这些地区海温的变化,中国东南沿 海地区的降水也出现了明显的负相关响应(图4d), 尤其是福建沿海地区的降水,说明当冬春季赤道东 太平洋和北印度洋的海温偏低(高)时,则中国东南 沿海地区的春季降水将可能减少(增多),这可能与 冬春季赤道东太平洋和北印度洋的海温偏低(高), 造成该年冬季风强度偏弱(强)有关.因而,我们在 预测东南沿海地区春季降水时应该重点考虑当年冬 春季赤道东太平洋与北印度洋海温的变化情况. 夏季不但是中国东部降水最为丰富的季节,同 时该季节的降水受前期海温变化的影响也最明显, 几乎前期各季节海温都存在响应系数超过0.5的海 区(图5a,c),特别是上年夏季北印度洋,南海地区 海温的变化对当年降水的影响最为明显(图5c,d), 负相关中心的绝对数值可超过0.6,而中国东部降 水对前期海温变化的响应呈现出"正一负一正"分布的 形势(图5b,d),也就是当前期北印度洋,南海地区 海温偏低(高)时,中国东南沿海地区降水将增多(减 少),而江淮流域降水减少(增加),华北地区降水又 可能增多(减少).通过比较上年不同季节海温对当 年东南沿海地区降水的影响程度可以发现,上年夏 第6期郑益群等:东南沿海地区降水与全球海温变化的关系777 季海温的影响最为明显(图5C),这一方面可能与大 气对海温响应的滞后性有关,另一方面也可能与 SST和大气环流异常之间存在的强烈互反馈作用 有关l_1,因而我们在预测东南沿海地区夏季降水时 应该重点考虑前一年夏季北印度洋及南海地区海温 的变化情况.从东南沿海地区秋季降水与前期海温 变化的SVD分解可以看到,总体上来说,该地区秋 60.N 30. E0 3O. 6O.S 60.N 3O. EQ 3O. 60.S 60.N 30. EQ 30. 60.S 季降水与前期海温变化的相关性较小,只有上年秋 冬季赤道东太平洋及北印度洋的海温与第二年秋季 降水间存在较明显相关性(图5e,f),说明对东南沿 海地区的秋季降水来说,前期海温的变化可能不是 主要影响因子,应该从其他气候影响因子中寻找与 该地区秋季降水相关性更好的因子. O.60.120.E180.120.W60.0.105.UO.115.120.125.130.135.E 图5东南沿海地区夏秋季降水与前期海温的SVD分解第一模态异性相关系数:(a) 春季平均海温,(b)当年夏季 平均降水,(c)上年夏季平均海温,(d)当年夏季平均降水,(e)上年秋季平均海温,(f)当 年秋季平均降水 从各季降水对前期海温变化的响应程度来说, 以春,夏季最为敏感,这可能与这两个时期的降水与 东亚夏季风强度密切相关,而东亚夏季风强度又主 要决定于海陆温差有关. 3结论与讨论 通过上面利用SVD及其他气候诊断方法对近 5O年来东南沿海地区降水与海温等气候强迫因子 间的相互作用关系的研究表明: (1)印度洋,南海及赤道东太平洋地区是与东南 沿海地区降水存在密切联系的关键区域,这些地区 的冬,春季海温与同期东南沿海地区的降水存在明 显正相关性,而这些地区的夏季海温与同期降水间 则存在负相关,秋季的海温与同期降水间的相关性 较小.当然,由于海温变化对降水的影响必须通过 大气环流变化的传导来实现,而大气环流与海温之 间存在互反馈作用,因而对于降水的同期影响来说, 大气环流的作用是第一位的,海温的影响具有滞 后性. (2)对于东南沿海春季降水来说,其与赤道东太 平洋和北印度洋冬,春季节的海温变化存在较强相 关性,尤其是这些区域2—4月的平均海温.从季节 囱一一一 刚口. 33 778气象科技第39卷 上来说,东南沿海地区夏季降水与前期海温变化的 相关性最为明显,尤其是上年夏季北印度洋,南海地 区海温的变化对当年降水存在明显影响,因此,在预 测东南沿海地区夏季降水时应该重点考虑上年夏季 北印度洋及南海地区海温的变化情况. (3)从典型旱,涝年气候要素变化的分析可以发 现,春夏季中,低纬度地区海温升高(低),则该年东 亚夏季风通常较弱(较强),并使得江淮流域降水增 加(减少),而东南沿海地区降水出现相反的变化. (4)从总体上来说,东南沿海地区春,夏季的降 水与前期海温变化的相关性较好,而秋冬季较不 敏感. (5)许多研究都表明,近几十年来热带地区海温 存在线性增暖趋势,而这种增暖趋势与海温异常对 降水的影响是有差异的.本工作在进行奇异值分解 研究时并未区分这两种影响的差异,在未来的工作 中将进一步对这种差异进行分析研究. 参考文献 [1]IPCCWO1.ClimateChange2007:ThePhysicalScienceBasis, SummaryforPolicymakers[G].Cambridge:Cambridge UniversityPress,2007:1—18. [23秦大河,陈宜瑜.中国气候与环境演变[M].北京:科学出版 社,2005:560—569. I-3]高庆华,聂高众,张业成,等.中国减灾需求与综合减灾[M]. 北京:气象出版社,2007:6570. [4]报告解读.全球气候变化的最新科学事实和研究进展 IPCC第一工作组第四次评估报告初步解读.环境保护,2007 (06A):27—3O. [5]郑益群,于革,王苏民.等.区域气候模式对末次盛冰期东亚季 风气候的模拟研究[J].中国科学(D辑),2002,32(10):871 — 880. [6]QianYongfu,ZhengYiqun,ZhangYan,eta1.Responsesof China'Ssummermonsoonclimatetosnowanomalyoverthe TibetanPlateau口].IntJClimatol,2003,23(6):593,6l3. [7]扬琨,武炳义.欧亚大陆积雪与亚洲季风关系研究进展口].气 象科技,2009,37(3):263—269. [8]黄安宁,张耀存,黄丹青.南海海温异常影响南海夏季风的数 值模拟研究EJ].大气科学,2008,32:640,652. [9]沈爱华,王成有,任广成.北京冷暖冬年环流特征及其与前期 北太平洋海温的关系EJ].气象科技,2008,36:185—190. [10]张云瑾,张天圣.亚洲热带近海海温与云南夏季降水的关系 口].气象科技,2008,36:31—35. [11]祈莉,何金海,张祖强,等.纬向海陆热力差异的季节转换与东 亚副热带季风环流[J].科学通报,2007,52:2895—2899. [12]UedaH,OhbaM,XieSP.Importantfactorsforthedevelopment oftheAsian—NorthwestPacificsummermonsoon_J].JClimate, 2009,22(3):649—669.D【)I:10.1175/2008JCI12341.1. [13]高庆华,马宗晋,张业成,等.自然灾害评估[M].北京:气象出 版社,2007:22—25. [14]WangB,INngQH,FuXH,eta1.Fundamentalchallengein simulationandpredictionofsummermonsoonrainfall[J].Geophy ResLett,2005,32,L157l1.I)【)I:1O.1029/2005GI022734. RelationshipofSoutheastChinaPrecipitationVariationtoSSTChange ZhengYiqunGaoJunling (InstituteofMeteorology,PLAUniversity XiongLinfengZengXinmin ofSciencesandTechnology,Nanjing211101) Abstract:TheprecipitationvariationoverSoutheastChinaduringrecent5Oyearsanditsrelationshipwith SSTareanalyzedbyusingtheSVD(SingularValueDecomposition)method.Theresultsshowthatthe IndiaOcean,SouthChinaSeaandtheeasternPacificOceanwerekeyregionsforinfluencingthe precipitationoverSoutheastChina.TheautumnandwinterprecipitationsoverSoutheastChinawerenot stronglyaffectedbytheSSTofpreviousmonthsasawhole,whilethereismarkednegativerelationship betweenthesummerprecipitationandtheprevioussummerSST,especiallyinNorthIndiaandtheSouth ChinaSPa. Keywords:SoutheastChina,precipitation,SST,SVD(SingularValueDecomposition)