基于SVD的長白山地區降水與北太平洋海溫的耦合關系分析

全文哲 金愛芬

摘 要 利用長白山地區20個氣象站點(1960~2009年)月平均降水量與全球海溫SST(1960-2009年)逐月平均做相關分析和SVD分析。相關分析的結果表明:超前5月北太平洋海域海溫與長白山地區降水存在顯著相關關系。由SVD的第一模態異性相關系數分布表明：與長白山地區降水存在相關的關鍵海域為北太平洋東部地區，并與長白山全域存在較好的耦合正相關。說明：當關鍵海域的海溫偏暖（冷）時，滯后5月的長白山地區降水偏多（少）。

關鍵詞 長白山地區 SST SVD分析 相關分析

中圖分類號：P72文獻標識碼：A

SVD Analyses of the Precipitation of Changbai

Mountain area from January to December and the Sea

Surface Temperature in the North Pacific Ocean

QUAN Wenzhe , JIN Aifen

(Department of Geography, Science College of Yanbian University, Yanji, Jilin 133002)

Abstract Using average monthly rainfall in the 20 meteorological stations in the Changbai mountain area(1960 to 2009) and average monthly sea surface temperature SST(1960 to 2009) with the correlation and SVD analysis. Correlation analysis showed that: in May ahead of the North Pacific Ocean sea surface temperature and precipitation in Changbai mountain area there was a significant correlation. The first mode of the SVD analysis showed that: the key region lies in the eastern of the North pacific Ocean which influences the Precipitation of Changbai mountain area and North pacific area have a good positive correlation coupling with the whole Changbai mountain area. It description that: when the temperature of the key area in the North Pacific Ocean is warm(cold), then the lag 5 month precipitation of Changbai mountain area would more(less).

Key words Changbai mountain area; SST; SVD analysis; correlation analysis

0 引言

眾所周知，海洋面積占全球面積的71%，在全球氣候變化中起重要作用。在我國，對于海溫與降水之間相關性已有很多研究。其中對于東北地區的氣溫及降水與海溫的主要研究成果有東北低溫科研協作組提出的赤道東太平洋海溫與東北夏季氣溫之間有較好的反相關關系。馮新等研究發現，東北地區汛期降水與前一年6~7月的西南印度洋海溫有較好的負相關關系以及與北大西洋有較好的正相關關系。孫力等指出，東北亞地區南風出現異常的出現前冬季和前春季的北太平洋海溫的異常信號，而東北亞地區南風的強弱與東北旱澇有著密切的關系。可見，以往對于東北地區與海溫之間相關性的研究上都把東北地區作為整體與海溫進行研究。但我國東北地區的地勢不是一致的，用東北地區整體作為研究范圍，不能具體地反應各地區與海溫之間的相關性。因此，本文將把長白山地區單獨作為研究對象，分析長白山地區降水與海溫之間的耦合相關性。

1 資料和研究方法

1.1 資料

美國NCEP/NCAR在分析資料中的1960年1月至2009年12月的逐月平均海溫格點資料，網格距為2皜?啊?

長白山地區20個氣象站點的1960年1月至2009年12月逐月平均降水資料。長白山地區的站點包括安圖、白山、長白、東崗、敦化、和龍、琿春、輝南、集安、靖宇、臨江、柳河、

龍井、梅河口、松江、通化、通化縣、圖們、汪清、延吉等20個氣象站點。

1.2 研究方法

奇異值分解(SVD)方法是分析兩個變量場相關關系的診斷方法，它是以兩個場的協方差最大為基礎展開，分別計算交叉協方差矩陣的奇異值、左右奇異向量以及時間系數。異類相關表明，一個場的某一模態時間上的變化對另一個場的影響情況即異類相關。其顯著相關區代表另一個場受該模態影響最關鍵的區域。同類相關則表明一個場的某一模態時間變化對自身場的影響狀況，其顯著相關區代表自身變化最為關鍵的區域。在氣象學中研究兩個場的相關關系方面，多數研究者用異性相關系數分析左場和右場的相關性。因此本文也用異性相關系數的時間和空間分布特征對兩個場的關系進行討論。

2 長白山地區降水與全球海溫相關分析

用長白山地區20個氣象站點1月~12月50年（1960年~2009年）的標準化距平與全球超前12月至滯后12月的逐月海溫標準化距平分別求點點相關。從長白山地區1月~12月降水量與超前5個月的全球海溫相關系數分布圖可以發現(圖1),長白山地區降水與北太平洋海域的相關穩定，持續時間長；與其他海域的相關性不夠穩定且持續時間短。因此本文將影響長白山地區1~12月降水的海溫關鍵區選為北太平洋海域（28癗~40癗，145癊~145癢），影響時段為前年的8月份。

3 長白山地區1~12月降水與北太平洋關鍵區海溫的SVD分析

3.1 長白山地區降水與北太平洋關鍵區的時滯關系分析

上面是通過相關分析確定了同長白山地區降水相關較好的海溫關鍵區和關鍵時段，但這樣得到的關鍵區和關鍵時段比較粗略。因此將進一步借助SVD方法，來確定關鍵區和關鍵時段。

提取北太平洋關鍵區超前12月至滯后12月以及當月的標準化距平作為氣象左場（共25個），提取長白山地區20個氣象站點平均標準化距平為氣象右場做SVD分析。這種對應關系能在月份的尺度上分析海溫關鍵區與長白山地區降水之間的時滯關系。

長白山地區降水標準化距平與北太平洋關鍵區標準化距平做SVD分析，第一模態的平方協方差貢獻率為40.79%，相應的模態相關系數為0.49。長白山地區降水標準化距平與北太平洋關鍵區標準化做SVD分析第一模態的異性相關系數如圖2。可以看出，長白山地區降水與北太平洋關鍵區整體呈正相關關系。其中超前5月的相關通過99%的信度檢驗。由于我們關心的是長白山地區降水與北太平洋關鍵區的耦合相關關系。因此，我們選取超前5月的北太平洋關鍵區海溫作為影響長白山地區降水的關鍵時段。

3.2 長白山地區降水與北太平洋關鍵區的空間分布特征

為了進一步了解長白山地區全年降水與北太平洋關鍵區之間的時空分布關系，分別以長白山地區50年（1960-2009年）1~12月的降水量標準化距平作為左場，北太平洋關鍵海域（28癗~40癗，145癊~145癢）的海溫標準化距平作為右場進行SVD分析，所得結果第一模態平方協方差貢獻率為90.88%，相應的模態相關系數為0.46。因其他模態的平方協方差貢獻率太小，本文中不予考慮。由第一模態的左(右)場的異性相關系數的空間分布及時間系數（圖3）可知：長白山地區的降水具有全區同位相分布特征，相關顯著的區域位于東崗、集安、通化附近及延吉、安圖、汪清等地區（深色區）。由右場的異性相關系數圖（圖3b）可以發現，超前5個月的北太平洋海域以東附近海域的海溫有較大的正相關關系。由于模態的相關系數為正，因此長白山地區降水與北太平洋關鍵海域特別是相關顯著的海域有顯著的耦合正相關。也就是說，當北太平洋東部海域的海溫異常偏暖（冷）時，滯后5個月的長白山地區降水偏多（少）。時間系數對應也較好，時間系數主要表現為年際變化的特征。

圖3長白山地區降水(b)與超前5月北太平洋SST(a)SVD分析第一模態的異性相關系數和對應的時間系數(c).圖a中陰影區通過= 0.01的顯著性水平檢驗

通過以上SVD的分析，我們確定了北太平洋海域與長白山地區逐月降水耦合相關的關鍵區和關鍵時段即北太平洋東部海域的超前5個月海溫。

4 結論

（1）通過長白山地區的降水與全球海溫SST的逐月相關分析發現，北太平洋地區與長白山地區有較好的顯著相關關系。相關的時段為超前5月的全球海溫。

（2）通過長白山地區降水與北太平洋地區超前滯后共25個月的時滯關系發現：長白山地區降水與超前5月的北太平洋關鍵區的海溫有較好的耦合相關關系。

（3）通過SVD分析發現：長白山地區降水與超前5月的北太平洋關鍵區呈顯著的同位相分布。也就是說北太平洋關鍵海域的海溫異常偏暖（冷），滯后5個月的長白山地區降水偏多（少）。

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