我國東部旱(澇)年亞洲地區(qū)地面感熱的低頻振蕩特征研究

王 犇 (西安咸陽國際機(jī)場現(xiàn)場運(yùn)行中心指揮室，陜西 西安 712000)

我國東部旱(澇)年亞洲地區(qū)地面感熱的低頻振蕩特征研究

王 犇 (西安咸陽國際機(jī)場現(xiàn)場運(yùn)行中心指揮室，陜西 西安 712000)

用EOF方法分析2001及2003年地面感熱低頻分量的空間分布及時(shí)間演變特征，然后對2003年“關(guān)鍵”區(qū)平均的地面感熱低頻分量與我國東部地區(qū)降水之間的關(guān)系進(jìn)行研究。結(jié)果表明，夏季亞洲地區(qū)地面感熱季節(jié)內(nèi)變化特征的不同可導(dǎo)致我國東部地區(qū)異常的洪澇發(fā)生。

低頻振蕩；地面感熱；EOF

干旱和洪澇實(shí)際上是大氣環(huán)流異常變化的反映，而大氣環(huán)流的異常變化又常常是地面感熱異常強(qiáng)迫的結(jié)果。下面，筆者對亞洲地區(qū)地面感熱低頻分量進(jìn)行分析，以便了解我國東部地區(qū)旱澇之間的關(guān)系。

1 資料與方法

1.1資料選取

研究所用資料是國家氣候中心提供的2001、2003年全國726個(gè)臺站的逐日降水資料以及2001、2003年NCEP/NCAR的逐日再分析高度場(500hPa)和感熱資料，資料的水平分辨率為2.5°×2.5°。

1.2研究方法

1)帶通濾波方法 為了得到地面感熱的低頻分量，根據(jù)選擇的頻帶范圍對地面感熱時(shí)間序列進(jìn)行帶通濾波，由此得到其低頻分量。在分析區(qū)域?qū)γ恳粋€(gè)格點(diǎn)上1年(365d)逐日的地面感熱時(shí)間序列進(jìn)行傅里葉展開[1]：

(1)

為了確認(rèn)SH所具有的低頻變化特征，對所分析的主要區(qū)域的SH區(qū)域的平均時(shí)間序列進(jìn)行了譜分析，發(fā)現(xiàn)大多都有30～70d的主要周期。為此，在式(1)中，取5波(周期為73d)到14波(周期為26d)的和，即：

(2)

式(2)表示SH的時(shí)間變化周期范圍在26～73d之間的季節(jié)內(nèi)變化特征，也稱之為SH的低頻分量。上述方法的優(yōu)點(diǎn)是能最大限度地將所需頻帶的信息從時(shí)間序列中提取出來，因而是研究季節(jié)內(nèi)振蕩中常用的工具之一。

3)EOF方法 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析方法(Cmpirical Orthogonal Function，EOF)是針對氣象要素場進(jìn)行的，它是把原變量場分解為正交函數(shù)的線性組合，用為數(shù)很少的不相關(guān)的典型模態(tài)代替原始變量場，每個(gè)典型模態(tài)都含有盡量多原始場信息。該方法的基本原理是把包含m個(gè)空間點(diǎn)(變量)的場隨時(shí)間變化進(jìn)行分解[2]。

將某一氣象變量場的資料以矩陣X形式給出：

X=(xij)m×n

式中，m是空間點(diǎn)(可以是觀測站或網(wǎng)格點(diǎn))；n是時(shí)間點(diǎn)，即觀測次數(shù)；xij表示在第i個(gè)觀測站或網(wǎng)格上的第j次觀側(cè)值。

EOF展開將X分解為X=VT，V、T分別稱為空間函數(shù)矩陣和時(shí)間系數(shù)矩陣：

V=(vij)m×nT=(tij)m×n

其中，V和T滿足正交性的性質(zhì)。空間函數(shù)矩陣由XXT中的特征向量求出，即可得到時(shí)間系數(shù)(或稱為主分量)T=VTX。

通過EOF展開得到的前幾個(gè)特征向量可以最大限度地表征氣候變量場整個(gè)區(qū)域的變率結(jié)構(gòu)。

2 2001及2003年夏季中國東部天氣氣候概況

圖1 2003年與2001年6月21日～7月22日全國累計(jì)降水量之差圖

2001年夏季(6～8月)長江以北大部地區(qū)降水持續(xù)偏少，出現(xiàn)了嚴(yán)重的春夏連旱，夏季主要多雨帶位于江南東部至華南大部，邕江發(fā)生了嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害[3]。2003年夏季(6～8月)主要雨帶位于淮河流域至黃河流域，淮河流域發(fā)生1991年后的最大洪水，黃河中游部分地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重洪澇，江南和華南的高溫伏旱數(shù)十年罕見[4]。

圖1所示為2003年和2001年6月21日～2001年7月22日的全國累計(jì)降水量之差圖。從圖1可以看出，長江流域及其以北大部分地區(qū)為正值，這說明上述地區(qū)2001年降水明顯偏少，而2003年降水明顯偏多；江南到華南的大部分地區(qū)以及云南省為負(fù)值區(qū)，說明上述地區(qū)2001年降水偏多。

3 EOF分析結(jié)果

表12001及2003年前5個(gè)特征向量的方差貢獻(xiàn)和累計(jì)方差貢獻(xiàn)表

為了解2001及2003年亞洲地區(qū)地面感熱低頻分量的分布和變化特征，用EOF方法分析了這2年5月1日～9月30日期間共153d的地面感熱低頻分量分布和變化特征，前5個(gè)特征向量的方差貢獻(xiàn)和累積方差貢獻(xiàn)如表1所示。由表1可見，2001及2003年的第1個(gè)特征向量的方差貢獻(xiàn)都超過21%，基本反映了夏季亞洲地區(qū)感熱低頻分量的空間變化特征。

3.1第一特征向量的空間分布特征

圖2所示為2001夏季亞洲地區(qū)地面感熱低頻分量的第一特征向量空間分布特征。從圖2可以看到，第一特征向量零等值線清楚地勾畫出2001年夏季亞洲地區(qū)地面感熱低頻分量的空間差異分界線。地面感熱低頻分量在青藏高原東北部有一個(gè)正值中心。而在青藏高原東側(cè)、東南部以及西部，遼東半島、山東半島及其之間的沿海地區(qū)，中南半島東南部為負(fù)值中心。

2003年夏季亞洲地區(qū)地面感熱低頻分量的第一特征向量敏感區(qū)域在印度半島(見圖3)。與2001年相比，青藏高原西部和西南部、中南半島東南部、印度半島東部變?yōu)檎祬^(qū)，而印度半島的西部和南部為負(fù)值中心。由以上分析看出，2001年與2003年感熱低頻分量變化分布差異主要在青藏高原西部、印度半島、中南半島以及遼東、山東半島。

圖2 2001年夏季亞洲地區(qū)地面感熱低頻分量的第一特征向量空間分布特征圖 圖3 2003年夏季亞洲地區(qū)地面感熱低頻分量的第一特征向量空間分布特征圖

3.2第一特征向量的時(shí)間系數(shù)變化特征

從第一特征向量時(shí)間系數(shù)來看，系數(shù)越大，對應(yīng)的特征向量特征越明顯，反之亦然，為負(fù)時(shí)甚至出現(xiàn)反位相分布。圖4所示為2001年夏季亞洲地區(qū)地面感熱低頻分量的第一特征向量的時(shí)間系數(shù)變化圖。從圖4可以看出，2001年5月13日～6月12日，時(shí)間系數(shù)為負(fù)。結(jié)合第一特征向量的空間分布，發(fā)現(xiàn)青藏高原東北部感熱低頻分量為負(fù)值，而青藏高原東南部、西部、中南半島東南部以及遼東半、山東半島附近感熱低頻分量為正。6月13日～7月4日，時(shí)間系數(shù)為正，這段時(shí)間地面感熱低頻分量分布與前一段時(shí)間位相相反，變化更劇烈。7月5日～7月25日，時(shí)間系數(shù)為負(fù)，這段時(shí)間與5月中旬到6月中旬的感熱低頻分量位相相同，絕對值略大。8、9月時(shí)間系數(shù)變化幅度小，以正值為主。

圖5所示為2003年夏季亞洲地區(qū)地面感熱低頻分量的第一特征向量的時(shí)間系數(shù)變化圖。從圖5可以看出，2003年比2001年的第一特征向量的時(shí)間系數(shù)變化幅度要小。2003年5月12日～6月11日，時(shí)間系數(shù)為負(fù)，這段時(shí)間與2001年一致，時(shí)間系數(shù)均為負(fù)值，但2003年振幅更大。結(jié)合第一特征向量的空間分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)印度半島東部感熱低頻分量為負(fù)值，西部和南部為正值；青藏高原西部感熱低頻分量為負(fù)值，東南部則為正值。6月12日～7月6日，時(shí)間系數(shù)為正，這段時(shí)間感熱低頻分量分布與前一段時(shí)間分布位相相反，隨后時(shí)間系數(shù)呈下降趨勢。9月中下旬時(shí)間系數(shù)逐漸減小。

圖4 2001年夏季亞洲地區(qū)地面感熱低頻分量的一特征向量時(shí)間系數(shù)變化圖 圖5 2003年夏季亞洲地區(qū)地面感熱低頻分量的第第一特征向量的時(shí)間系數(shù)變化圖

4 “關(guān)鍵”區(qū)地面感熱低頻分量的變化與我國東部地區(qū)降水的關(guān)系

為了進(jìn)一步分析整個(gè)夏季地面感熱低頻分量的變化特征，同時(shí)也為了分析感熱低頻分量的變化與我國東部地區(qū)降水的關(guān)系，選取了2001年與2003年2個(gè)差異較大的“關(guān)鍵”區(qū)，分別是A區(qū)(印度半島西南部地區(qū)(73°E～78°E，10°N～15°N))和B區(qū)(青藏高原東側(cè)地區(qū)(105°E～110°E， 30°N～37°N))。由此分析上述區(qū)域的區(qū)域平均感熱低頻分量的時(shí)間變化特征，并分析其與我國東部地區(qū)降水的關(guān)系。

圖6所示為2001年與2003年夏季5月1日～9月30日期間A、B區(qū)域的區(qū)域平均感熱低頻分量的時(shí)間變化圖。從圖6可以看出，在2001年與2003的5月至6月，印度半島南部地區(qū)的平均感熱低頻分量的時(shí)間變化為反位相；從5月初至7月中旬，青藏高原東側(cè)地區(qū)的平均感熱低頻分量的時(shí)間變化幾乎為反位相。

圖6 夏季“關(guān)鍵”區(qū)的逐日平均感熱低頻分量的時(shí)間變化圖

為了研究感熱低頻分量與我國東部降水的關(guān)系，對圖6中2003年5月1日～7月1日印度半島西南部地區(qū)逐日平均感熱低頻分量與我國常規(guī)氣象臺站的滯后20d(5月21～7月21日)逐日降水量計(jì)算相關(guān)系數(shù)(見圖7)。從圖7可以看出，江淮地區(qū)是顯著的的負(fù)相關(guān)區(qū)，相關(guān)系數(shù)超過0.32；河套及其以南地區(qū)也是顯著的負(fù)相關(guān)區(qū)，相關(guān)系數(shù)超過0.24，部分地區(qū)達(dá)0.32以上；同時(shí)華南東部地區(qū)則是顯著正相關(guān)區(qū)。

對圖6中2003年5月1日～7月5日青藏高原東側(cè)地區(qū)逐日平均感熱低頻分量與常規(guī)氣象臺站的滯后20d(5月21～7月25日)的逐日降水量計(jì)算相關(guān)系數(shù)(見圖8)。結(jié)果顯示，在長江中游以及下游北側(cè)部分地區(qū)未顯著的負(fù)相關(guān)區(qū)，華南南部則為顯著的正相關(guān)區(qū)，其中部分地區(qū)相關(guān)系數(shù)超過0.31。

由此可見，印度半島西南部地區(qū)有較強(qiáng)的感熱低頻熱匯(熱源)時(shí)，在后期江淮地區(qū)降水偏多(少)，華南東部地區(qū)降水偏少(多)；青藏高原東側(cè)地區(qū)有較強(qiáng)的感熱低頻熱匯(熱源)時(shí)，在后期長江中游以及下游北側(cè)部分地區(qū)降水偏多(少)，華南南部地區(qū)降水偏少(多)。

注：淺色和深色陰影區(qū)分別是通過顯著性水平為0.05和0.01檢驗(yàn)的區(qū)域，下同。

5 結(jié)論

(1)2001及2003年地面感熱第一特征向量的空間分布特征主要差異如下：青藏高原西南部，2001年為負(fù)值，2003年則為正值；青藏高原東側(cè)，2001年為負(fù)值，2003年為正值；印度半島西南部，2001年感熱低頻變化不明顯，而2003年則為負(fù)中心。從時(shí)間系數(shù)來看，2001年比2003年的振幅略大。

(2)印度半島西南部地區(qū)、青藏高原東側(cè)地區(qū)地面感熱低頻分量的變化與我國東部地區(qū)降水存在顯著相關(guān)性。印度半島西南部地區(qū)有較強(qiáng)的感熱低頻熱匯(熱源)時(shí)，在后期江淮地區(qū)降水偏多(少)，華南東部地區(qū)降水偏少(多)；青藏高原東側(cè)地區(qū)有較強(qiáng)的感熱低頻熱匯(熱源)時(shí)，在后期長江中游以及下游北側(cè)部分地區(qū)降水偏多(少)，華南南部地區(qū)降水偏少(多)。

[1]蔣尚誠.OLR對低頻振蕩及ENSO過程的分析應(yīng)用[J].氣象,1993,19(12): 48-53.

[2]施能.氣象科研與預(yù)報(bào)中的多元分析方法[M].北京:氣象出版社，1995.

[3]艾悅秀.2001年北半球大氣環(huán)流特征及其對中國氣候異常的影響[J].氣象,2002,28(4): 21-24.

[4]楊義文,許力,龔振淞.2003年北半球大氣環(huán)流及中國氣候異常特征[J].氣象,2004,30(4): 20-25.

[編輯] 李啟棟

P401

A

1673-1409(2013)22-0025-04

2013-05-13

王犇(1985-)，男，助理工程師，現(xiàn)主要從事應(yīng)用氣象方面的研究工作。