太平洋年代際濤動對中國東部季風區夏季降水的影響

于 淼 ,金 竑

（1.東北農業大學，黑龍江 哈爾濱150030;2.阿城區氣象局，黑龍江 哈爾濱150300）

1 引言

近年研究發現， 太平洋年代際濤動 （以下簡稱PDO）可造成太平洋及其周邊地區（包括中國東部季風區）氣候年代際變化。 但至今仍缺乏關于上述兩者的研究， 諸如PDO 與中國東部季風區夏季降水之間存在的關系、PDO 的變化對中國東部季風區夏季降水的影響等， 這些對于研究中國東部季風區的降水規律、變化等均具有重大意義。 本文利用1951-2013年全國160 個基準氣象觀測站夏季（6-8月）月降水資料， 分析中國東部季風區夏季降水的時空分布特征。 同時利用PDO 指數、赤道中、東太平洋海域海表溫度等資料，將數據進行相關分析和相關性檢驗，進而研究和分析PDO 與中國東部季風區夏季降水的關系。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

（1）PDO 指數資料取自http://jisao.washington.edu/pdo/PDO.latest。 東亞夏季風指數（EASMI）資料則取自http://ljp.lasg.ac.cn/dct/page/1。 赤道中、東太平洋海域海表溫度資料取自http://oceancolor.gsfc.nasa.gov。 覆蓋時段：1951-2013年。

（2） 中國東部季風區160 個基準氣象觀測站1951-2013年夏季(6-8月)月降水資料及基準氣象觀測站所在地的經緯度資料，下載自國家氣候中心網。

（3）研究中國東部季風區夏季降水的時空分布特征， 在此區域內選取了符合條件且分布較均勻的110 個基準氣象觀測站作為研究對象。

2.2 研究方法

經驗正交函數是大氣科學領域常用的時空分析方法。 該方法將原變量分解為正交函數的線性組合，用維數少的不相關典型模態代替原始變量， 從而有效濃縮空間場信息。 方法內的特征向量所對應的時間系數代表了這一區域由特征向量所表征的分布型式的時間變化特征。 系數數值絕對值越大，表明這一時刻這類分布型式越典型。

設N 為時間樣本數， 即年代數；M 為空間格點數，即地面站點數；L 為每年的月數，并設第l 個月(l=l，2，…，L)的月降水量距平場資料矩陣為F（l）N×M，則F（l）N×M，F（2）N×M，…，F（L）N×M為矩陣F（l）N×M的分塊矩陣。 將它們按下列方式排列

由（1）式可以看出：原始資料矩陣F 中包含了L個月的月降水量距平場的信息。 對(1)式做經驗正交函數(EOF)展開，即有下面公式

式中，K0為擬合原距平場所取的特征向量場個數。前K0個特征向量場的累積方差擬合精度(方差貢獻)可由下式求出

這里λk為第k 個特征向量所對應的特征值。 (2)式中VK0×LM 為綜合EOF 展開的特征向量場。 對每一個特征向量場來說， 它同時包含著各月的降水量距平場的空間分布信息， 從而能夠反映出各月降水場之間的相互聯系和變化。 TN×K0為綜合EOF 展開對應特征向量場的時間系數矩陣， 它包含了各月降水距平場整體結構的年際演變特征。因此對VK0×LM及TN×K0進行綜合分析則可以了解月降水量距平場的空間結構和時變規律。

3 中國東部季風區夏季降水的空間變化模態

根據中國夏季降水空間分布的氣候特點和大氣環流成因差異將中國分為三大氣候區， 即東部季風區、西部區和東北區。 中國東部季風區的地理位置大致在中國大陸105°E 以東， 包括華北至華南主要受季風系統影響的廣大地區， 即沿著大興安嶺-陰山-賀蘭山-烏鞘嶺-念青唐古拉山-橫斷山脈這條分界線以東的廣大地區。 中國東部季風區還包括了地形上屬于第二級階梯的黃土高原、 四川盆地、 云貴高原、橫斷山區，以及第三級階梯的沿海廣大平原和丘陵地區。 中國東部季風區內的風向與降水，均隨季節變化有明顯的變化和更替，主要表現為：夏季明顯受到太平洋暖濕空氣的影響， 濕潤程度較高， 雨量豐沛；冬季則受西伯利亞高壓控制，強冷空氣活動較為頻繁，雨量較少。 中國東部季風區內氣候溫度隨著緯度位置的變化而發生變化，表現為：由北向南，氣候逐漸變暖。

利用國家氣候中心整理的1951-2013年全國l60 個基準氣象觀測臺站夏季 （6-8月）月降水量數據，分析中國東部季風區夏季降水的時空分布特征。計算時，先將各站點的月降水量作距平化處理，然后按照公式(1)構造一個二維資料矩陣FN×LM 做經驗正交展開，這里N = 63(年)，L = 3(月)，M = 105(站)。結果顯示中國東部季風區夏季月降水量距平場綜合EOF 分析的第一特征向量擬合了總方差的15.8%，給出了原始值、距平值、距平百分率和標準化值的綜合EOF 分析第一特征向量對應的分析圖。

發現中國東部季風區夏季月降水量的原始值綜合EOF 分析的第一特征向量擬合了總方差的90.7%，距平場綜合EOF 分析的第一特征向量擬合了總方差的15.8%， 距平百分率綜合EOF 分析的第一特征向量擬合了總方差的13.4%， 而標準化值綜合EOF 分析的第一特征向量擬合了總方差的11.3%，故距平百分率和標準化值綜合EOF 分析第一特征向量圖能比較清晰地反映中國東部季風區夏季降水的時空分布。 在中國東部季風區的長江中下游地區有一個顯著的正值區域， 而在河套地區和靠海的東南地區各形成了一個顯著的負值區域。 據此，可將中國東部季風區的這三個顯著區域由北到南依次劃分為中國東部季風區的北部（河套地區）、中部（華東、長江中下游地區）、南部（華南、東南地區）。 那么，中國東部季風區夏季降水的空間變化模態，即南部、北部地區夏季降水增多而中部降水減少。 這種空間分布模態與孫林海等所研究發現的中國東部季風區夏季降水最主要的特征是南北與中間的分布呈明顯相反趨勢是一致的。

為進一步證實中國東部季風區的南、 北部降水趨勢是否與中部的降水趨勢反相關， 也為下一步分析研究PDO 對中國東部季風區夏季降水時空分布的影響，分別在中國東部季風區的中部、南部和北部的降水趨勢顯著區內選取若干個典型降水趨勢臺站作為參考點，并對選取的參考點的數據資料進行分析。

參考點選取如下： 北部地區的5 個典型降水趨勢臺站分別是：呼和浩特、包頭、榆林、中寧、銀川;中部地區的5 個典型降水趨勢臺站分別是： 南京、合肥、上海、蚌埠、東臺;南部地區的5 個典型降水趨勢臺站分別是：廈門、梅縣、河源、汕頭、廣州。

利用1951-2013年中國東部季風區各分區內所選取的典型降水趨勢臺站夏季（6-8月）月降水資料做曲線圖，曲線圖如下：

分析圖1，發現中國東部季風區中部地區的夏季降水曲線與另外兩條降水曲線有很大不同， 起伏狀況不太一致， 而中國東部季風區北部和南部夏季降水曲線的起伏變化較為一致。

圖1 中國東部季風區北部、中部、南部地區夏季降水曲線圖

為研究這三個分區夏季降水曲線間的相互關系， 將這三條降水曲線去除線性趨勢后進行相關分析:中國東部季風區中部地區的降水與北部、南部地區的降水呈負相關， 相關系數分別為-0.573 和-0.301，可信度分別為99%和95%，為顯著相關（可信度達95%以上為顯著相關）。 即中國東部季風區的空間分布模態是南部、 北部地區夏季降水增多而中部降水減少。

4 PDO 與中國東部季風區夏季降水的關系

4.1 太平洋年代際濤動的變化特征

若以太平洋海溫異常作為定義，PDO 可以分為暖位相和冷位相。 其暖位相表現為赤道中、東太平洋地區異常暖，而北太平洋中部異常冷,冷位相則與此情形相反。 太平洋年代際濤動指數(以下簡稱PDO 指數) 作為北太平洋SST 異常的EOF 第一模態時間系數， 能較好地反映大尺度海洋年代際變化的主要特征。

圖2 太平洋年代際濤動指數曲線圖

分析圖2 可發現，1951-1976年間，PDO 處于冷位相時期 （PDO 指數多為負數且主要分布在橫軸的下 方），PDO 指 數 曲 線 在1954-1956年、1960-1963年、1969年及1975年都出現了負值波谷， 而對應圖1 同時期三地區的降水量，發現相同時間段內中國東部季風區的北部和南部地區夏季降水曲線均出現波峰，也就是說這兩個地區出現強降水，而中部降水曲線出現波谷。 經分析，其他年份情況也是如此。

4.2 PDO 與中國東部季風區夏季降水的關系

根據上文， 發現PDO 與中國東部季風區夏季降水似乎有著一定的關系，因此，本節將對PDO 與中國東部季風區夏季降水的關系進行研究和分析。 赤道中、 東太平洋海域海表溫度變化能反映PDO 的變化情況，故利用赤道中、東太平洋海域海表溫度資料，研究PDO 與中國東部季風區夏季降水的關系。 將1951-2013年中國東部季風區110 個基準氣象觀測站夏季月降水資料與同期赤道中、 東太平洋海域海表溫度求相關得圖如下：

圖3 中國東部季風區夏季月降水與赤道中、東太平洋海域海表溫度的相關分布圖(陰影區為可信度超過95%的區域)

由圖3 可見，中國東部季風區的中部地區，尤其是長江以北地區為顯著的正相關區， 相關系數達到0.3，可信度達到95%，而中國東部季風區的北部地區和南部地區為弱相關的負相關區， 其中以中國東部季風區中部地區的江淮地區為范圍最大的顯著正相關區，其余地區相關度較小。 結合圖2、圖3，發現PDO 與中國東部季風區夏季降水的時空分布關系密切。 PDO 處于暖位相時，赤道中、東太平洋地區異常暖，而北太平洋中部海域海溫異常冷，中國東部季風區內與赤道中、 東太平洋海域海表溫度呈負相關關系的北部、南部地區降水異常偏少，而與赤道中、東太平洋海域海表溫度呈正相關關系的中部地區降水異常偏多；PDO 處于冷位相時，赤道中、東太平洋地區異常冷，而北太平洋中部海域海溫異常暖，中國東部季風區內與赤道中、 東太平洋海域海表溫度呈負相關關系的北部、南部地區降水異常偏多，而與赤道中、 東太平洋海域海表溫度呈正相關關系的中部地區降水異常偏少。

5 結論

（1）中國東部季風區可按中國東部季風區夏季降水的空間分布進行分區， 由北向南依次分為北部（河套地區）、中部（長江中下游地區）和南部（華南東部地區）。 而中國東部季風區夏季降水的時空變化模態是南、北部與中部的降水呈明顯的相反趨勢，即中國東部季風區的南部、北部地區夏季降水增多時，中部降水減少。

（2）太平洋年代際濤動（PDO）是影響中國東部季風區夏季降水時空分布的一個重要因素。 PDO 與中國東部季風區的中部地區， 尤其是長江以北地區的降水為顯著的正相關， 與中國東部季風區的北部地區（主要是河套地區）和南部地區（主要是華南東部地區）的降水為顯著的負相關區，其中以中國東部季風區中部地區的江淮地區為范圍最大的顯著相關區，其余地區相關度較小。 PDO 與中國東部季風區夏季降水時空分布的關系是：PDO 處于暖位相時，東部季風區北部（河套地區）、南部（華南東部地區）降水異常偏少，而中部（長江中下游地區）降水異常偏多；PDO 處于冷位相時，則與上述情況相反。