熱帶海溫的時空變化及其與我國降水的關系

洛桑旺姆 達瓊 赤桑單吉 拉珍

摘要利用1979—2014年的NOAA/NASA海表溫度延長重構數據和國家臺站的觀測數據，采用經驗正交函數（EOF）方法，從赤道年平均海溫出發，分析熱帶海溫的時空變化特征以及印度洋—太平洋海溫對我國年降水量的影響。結果表明，1979—2014年熱帶地區年平均海溫為26 ℃，海溫暖區主要集中在印度洋和西太平洋的赤道地區。熱帶海溫距平時空變化特征：第1特征向量場在印度洋海溫表現為全區一致型，太平洋海溫表現為弱El Nio（La Nia）現象，時間系數與年降水量主要在新疆、西藏、青海、甘肅和河套地區為顯著的正相關關系；第2特征向量場在太平洋海溫表現為El Nio（La Nia）現象，印度洋海溫表現為偶極子型，時間系數與年降水量在西藏和黃河中游地區為顯著的正相關關系，在東北東部和長江以南地區為顯著的負相關關系；第3特征向量場在太平洋海溫表現為弱El Nio（La Nia）現象，印度洋海溫表現為南北型，時間系數與年降水量在西藏、新疆、福建和東北西北部為顯著的負相關關系。

關鍵詞熱帶海溫；時空變化；降水；偶極子；厄爾尼諾

中圖分類號S161.6文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）11-0164-04

AbstractUsing the NOAA / NASA sea surface temperature extension reconstruction data and the national station observation data from 1979 to 2014，starting from the annual average sea surface temperature（SST） of equator，the temporal and spatial characteristics of tropical SST and the effect of Indian Ocean Pacific SST on the annual precipitation in China were analyzed by the empirical orthogonal function （EOF） method.The results showed that the annual average SST in the tropical region was 26 ℃ from 1979 to 2014， and the warm zone of SST was mainly concentrated in the equatorial region of the Indian Ocean and the western Pacific.The tropical SST anomalies were characterized by the fact that the first eigenvector field was consistent with the same area in the Indian Ocean SST， and the Pacific SST was weak El Nio （La Nia）. The time coefficient and the annual precipitation were mainly positive correlation in Xinjiang， Tibet，Qinghai， Gansu and Hetao area.The second eigenvector field was El Nio （La Nia） in the Pacific SST，and the Indian Ocean SST was characterized by dipole type.There was a significant positive correlation between time coefficient and annual precipitation in Tibet and the middle reaches of the Yellow River，and significant negative correlation between the eastern part of the Northeast and the south of the Yangtze River.The third eigenvector field was weak El Nio （La Nia） in the Pacific SST，and the Indian Ocean SST was the northsouth type，there was significant negative correlations between time coefficient and annual precipitation in Tibet， Xinjiang， Fujian and the northwest part of the northeast.

Key wordsTropical SST；Spatiotemporal variation；Precipitation；Dipole；El Nio

低緯熱帶地區是全球大氣的能量源，吸收來自太陽的輻射，向高緯度地區傳輸熱量，同時給中高緯度地區提供豐富的水汽資源。熱帶地區海洋通過海氣相互作用，引起大氣環流變化進而對中高緯地區降水產生影響。印度洋和太平洋海溫一直是國內外學者研究我國降水的首要考慮因子，早在1987年，李麥村等[1]就太平洋海溫和長江流域降水的聯系進行了研究，發現長江流域旱年（澇年）與赤道東太平洋海溫發生El Nio（La Nia）相對應，當冬季赤道東太平洋發生El Nio（La Nia），與其落后4.2個月且正相關的西太平洋副熱帶高壓在夏季加強（減弱），長江流域夏季降水將減少（增加）。龔道溢等[2]討論了ENSO對我國四季降水的影響。同時El Nio發生對同年和次年我國降水影響是不同的，厄爾尼諾開始年，4—8月和次年2—3月，除江淮、黃淮和東北大部地區外，全國大部地區明顯少雨；9月—次年1月和次年4—8月，我國降水基本上呈現出南多北少的分布型，江南到長江中游一帶明顯多雨和黃淮地區明顯少雨[3]。袁媛等[4]研究不同分布型El Nio事件對次年夏季我國降水的影響發現，20世紀50年代以來的El Nio可以分為東部型、中部型和混合型El Nio，不同的海溫分布將會給赤道緯向環流以及水汽輸送帶來不同的影響，同時影響副熱帶高壓，3種El Nio分布型分別會造成次年我國夏季降水雨帶分布呈南方型（Ⅲ 類）、中間型（Ⅱ 類）和北方型（Ⅰ類）。鄧愛軍等[5]分析指出印度洋海溫對我國降水有很好的指示意義，當印度洋西南部暖（冷），南海和西太平洋冷（暖），我國華南前汛期降水增加（減少），同時這種相關關系落后2個月。長江流域梅雨降水與西北太平洋SST有落后2個月的顯著負相關，而與阿拉伯海海溫有落后2個月的顯著正相關[2]。同時當印度洋海溫呈現偶極型（IOD）時，其正（負）位相使得我國西南（云南西部除外）、華南以及華北、東北地區的冬季降水出現正（負）異常，在江淮流域出現負（正）異常[6]。但當IOD與ENSO同時出現時，IOD的作用使得ENSO對我國西南（云南西部除外）、內蒙、東北地區冬季降水的影響作用更為顯著，從而體現了IOD與ENSO對我國降水的協同作用[6]。

在熱帶地區，對海溫變化的研究區域以印度洋和太平洋為主，已有研究結果表明，印度洋海溫的空間分布主要存在全區一致型、東西差異型（印度洋偶極子）、南北差異型3種定常型[7]，太平洋海溫的空間分布型主要存在全區一致型、西部與東南部符號相反的偶極型（El Nio/La Nia）2種定常型[8]。同時印度洋海溫與太平洋海溫存在密切的聯系，印度洋海溫從偶極子型轉變為全區一致型，對應著厄爾尼諾事件從發展到衰減的過程[8]。已有研究表明，印度洋和太平洋對我國降水均有顯著的影響[1-6]，但在時空變化上，印度洋和太平洋海溫的主要空間分布型的聯系還不是很清楚，我國位于赤道印度洋和太平洋之北，印度洋—太平洋海溫不同的空間分布型對我國降水的影響需要進一步分析。基于此，筆者從赤道年平均海溫出發，探討印度洋—太平洋海溫對我國年降水量的影響，旨在為研究我國降水的氣候變化特征提出依據。

1資料與方法

1.1數據來源海溫數據采用的是NOAA/NASA 1979—2014年的海表溫度延長重構數據[NOAA Extended Reconstructed Sea Surface Temperature（SST）V4]，該數據集已經被廣泛應用到熱帶海溫變化的研究中[9]；我國降水選用的是國家臺站1979—2014年的觀測數據。

1.2經驗正交函數（EOF）方法經驗正交函數是一種尋找物理量變化主要特征向量場的數學方法，假設Xt（t=1，2，…，n）是m維空間中的n個向量，將其用一組正交基向量盡可能準確地表示成公式（1）：

Xt=k1k=1αk（t）Vk+εt（1）

式中，Vk是m維正交基向量，不隨時間變化；εt是m維誤差向量，通過建立V1，V2，…，使其與α1（t），α2（t），…乘積對Xt貢獻的剩余誤差εt最小，從而找到Xt主要貢獻的空間特征向量場和時間系數，進而分析Xt的時空變化特征[10]。

該研究選用熱帶海溫標準化距平場做經驗正交函數分解，進而分析熱帶海溫的時空變化特征。

2熱帶海溫的時空變化特征

經統計，熱帶地區年平均海溫26 ℃，熱帶地區海溫暖區主要集中在印度洋和西太平洋的赤道地區，溫度由南向北依次遞減（圖1）。

將海溫距平標準化再進行EOF分解，得到海溫距平的前3個特征向量場（圖2），其方差貢獻率依次為34.4%、192%和9.3%，累計方差貢獻達62.9%，說明前3個特征向量場的海溫距平對海表溫度的時空變化貢獻最大。熱帶海溫距平EOF第1特征向量場的時間系數（圖3a）表現出明顯的年代際變化，1979—1998年，時間系數為負，印度洋和西太平洋為海溫負距平，東太平洋為海溫正距平；1998—2014年，時間系數為正，印度洋、西太平洋和大西洋為海溫正距平，東太平洋為海溫負距平。第1特征向量場空間分布（圖2a）表現：熱帶海溫在印度洋、西太平洋和大西洋為海溫正距平，同時其時間系數與海溫距平序列相關系數大部分都超過0.6，最大相關系數在0.8以上，這一地區的海溫變化對海溫距平序列方差貢獻率超過36.0%，最大可達64.0%；熱帶海溫在東太平洋地區為海溫負距平，其時間序列與海溫距平序列相關系數大部分超過0.2，對海溫距平變化的方差貢獻率超過4.0%，僅在小部分地區相關系數超過0.4。可見，熱帶海溫距平時間序列在第1特征向量場上，方差貢獻率由印度洋、西太平洋和大西洋海溫變化主導。第1特征向量場中，印度洋海溫表現為全區一致型，太平洋海溫表現為弱El Nio（La Nia）現象。

熱帶海溫距平EOF第2特征向量場的時間系數（圖3b）表現為年際變化。第2特征向量場空間分布（圖2b）表現：熱帶海溫在印度洋和中東太平洋為負距平，印度洋海溫時間系數與海溫距平序列相關系數大部分地區超過0.2，相關系數超過0.4的地區與其相近，海溫變化對海溫距平序列方差貢獻率達16.0%；在中東太平洋地區，海溫時間系數與海溫距平序列相關系數大部分地區超過0.4，在赤道地區相關系數達0.8，海溫變化對海溫距平序列方差貢獻率達640%；其他地區的海溫變化對海溫距平序列的方差貢獻率在40%左右。可見，熱帶海溫距平時間序列在第2特征向量場上，方差貢獻率由赤道中東太平洋海溫變化主導，其次為印度洋。第2特征向量場中，太平洋海溫表現為El Nio（La Nia）現象，印度洋海溫表現為偶極子型。

熱帶海溫距平EOF第3特征向量場的時間系數（圖3c）表現為年際變化。第3特征向量場空間分布（圖2c）表現：熱帶海溫在北印度洋和東太平洋為負距平，北印度洋海溫時間系數與海溫距平序列相關系數大部分地區低于0.2，東太平洋海溫時間系數與海溫距平序列相關系數大部分地區超過0.2，在赤道地區相關系數達0.6，海溫變化對海溫距平序列方差貢獻率達36.0%；熱帶海溫在西太平洋為正距平，時間系數與海溫距平序列相關系數大部分地區超過0.4，海溫變化對海溫距平序列的方差貢獻率超過16.0%，赤道地區海溫變化方差貢獻率可達36.0%。可見，熱帶海溫距平時間序列在第3特征向量場上，方差貢獻率由赤道太平洋海溫變化主導。第3特征向量場中，太平洋海溫表現為弱El Nio（La Nia）現象，印度洋海溫表現為南北型。對比第2和第3特征向量場發現，2個模態非常相近，計算2個特征向量場時間系數的滯后相關系數發現，第3與第2特征向量場時間系數超前1～2年的時間系數關系達-0.5～-0.4，說明當前一年出現第3特征向量場，第2年或第3年很大程度上會出現第2特征向量場。

3熱帶海溫時空變化與我國降水的關系

由圖4可知，我國年平均降水量由東南向西北逐漸減少，華南沿海地區降水量多在4.65 mm/d，部分地區可達565 mm/d，

長江中下游地區降水量多在2.65 mm/d，東北、華北黃河流域和長江上游地區降水量在1.65 mm/d左右，新疆和西藏部分地區降水量在0.65 mm/d。

分析熱帶海溫EOF前3個模態時間系數與我國年降水量的相關系數分布（圖5）發現：第1特征向量的時間系數與我國年降水量在新疆、西藏、青海、甘肅和河套地區為顯著的正相關關系，在西南和東北部分地區為顯著的負相關關系，說明當印度洋和西太平洋海溫越暖（冷），新疆、西藏、青

海、甘肅和河套地區的年降水量越多（少），西南和東北部分地區年降水量越少（多）；第2特征向量的時間系數與我國年降水量在西藏和黃河中游地區為顯著的正相關關系，特別是西藏地區，相關系數在0.4以上，在東北東部和長江以南地區為顯著的負相關關系，由此可見，當中東太平洋和印度洋海溫越暖（冷），西藏和黃河中游地區年降水量越多（少），東北東部和長江以南地區年降水量越少（多）；第3特征向量的時間系數與我國年降水量在西藏、新疆、福建和東北西北部為顯著的負相關關系，在河套地區為顯著的正相關關系，當赤道西太平洋越暖（冷），東太平洋越冷（暖），西藏、新疆、福建和東北西北部地區年降水量越少（多），河套地區年降水量越多（少）。綜上所述，西藏年降水量與太平洋海溫變化為負相關關系，與印度洋海溫變化為正相關關系。

4結論

（1）1979—2014年熱帶地區年平均海溫26 ℃，海溫暖區主要集中在印度洋和西太平洋的赤道地區，熱帶海溫距平時空變化特征為：第1特征向量場時間系數為明顯的年代際變化，空間分布場在印度洋和西太平洋海溫一致為正距平，赤道東太平洋海溫為負距平，印度洋海溫表現為全區一致型，太平洋海溫表現為弱El Nio（La Nia）現象；第2特征向量場在印度洋和中東太平洋為負距平，太平洋海溫表現為El Nio（La Nia）現象，印度洋海溫表現為偶極子型；第3特征向量場在北印度洋和東太平洋為負距平，在西太平洋為正距平，太平洋海溫表現為弱El Nio（La Nia）現象，印度洋海溫表現為南北型。

（2）我國年降水量由東南向西北逐漸減少，降水量最多超過4.65 mm/d，最少低于0.65 mm/d。第1特征向量的時間系數與我國年降水量在新疆、西藏、青海、甘肅和河套地區為顯著的正相關關系，在西南和東北部分地區為顯著的負相關關系；第2特征向量的時間系數與我國年降水量在西藏和黃河中游地區為顯著的正相關關系，在東北東部和長江以南地區為顯著的負相關關系；第3特征向量的時間系數與我國年降水量在西藏、新疆、福建和東北西北部為顯著的負相關關系。

參考文獻

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