貴州夏季降水特征及其與Wang and Fan指數(shù)的關(guān)系

廖洪敏，何 為，武金霖，石 薇，王麗麗，胡 蓉

(貴州省玉屏縣氣象局，貴州 玉屏 554000)

1 引言

貴州省地處青藏高原向我國(guó)東部低山丘陵過(guò)渡的斜坡地帶，省內(nèi)山脈交錯(cuò)，河谷縱橫，地形復(fù)雜。貴州降水的時(shí)空變化除受到復(fù)雜地形影響外，還受到大氣環(huán)流的制約。降水量的變化直接影響貴州的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，其中又以夏季降水為甚，因此，分析貴州夏季降水的時(shí)空分布特征就顯得非常重要。

影響貴州降水異常的主要環(huán)流系統(tǒng)有南壓高壓、印度西南季風(fēng)，西太平洋副熱帶高壓，中高緯度西風(fēng)帶擾動(dòng)系統(tǒng)等[1]。其中，許炳南[2]從東亞大槽和北美東岸大槽的異常變化的角度研究，并得出冬春季節(jié)東亞大槽明顯偏淺(弱)與北美東岸大槽明顯偏深(強(qiáng))同時(shí)發(fā)生，是貴州夏旱預(yù)測(cè)的一個(gè)強(qiáng)信號(hào)；王芬等[3]從前期北太平洋海溫異常的角度分析對(duì)貴州夏季降水的影響，得出影響貴州夏季降水的關(guān)鍵海溫區(qū)從前一年夏季至當(dāng)年春季逐步由北太平洋的加利福尼冷流區(qū)過(guò)渡到黑潮區(qū)；王芬等[4]認(rèn)為貴州夏季大部分區(qū)域的降水與副高面積指數(shù)、強(qiáng)度指數(shù)為正相關(guān)，與脊線位置、西伸脊點(diǎn)為負(fù)相關(guān)；許可等[5]揭示同期的印度洋海表溫度距平分布場(chǎng)與貴州夏季降水相關(guān)顯著,西印度洋索馬里海區(qū)的海溫距平場(chǎng)與貴州夏季降水關(guān)系最為密切,當(dāng)夏季索馬里海區(qū)海溫偏高(低)時(shí)貴州夏季降水偏少(多)。徐亞敏[6]分析東亞冬、夏季風(fēng)的年代際振蕩對(duì)夏季西太平洋副高和貴州降水的影響，指出冬、夏季風(fēng)不同長(zhǎng)度的年代際振蕩同位相增階段，夏季西太平洋副高位置容易偏北,貴州降水偏少;同位相減弱階段夏季西太平洋副高易偏南,貴州降水偏多。

那么夏季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)對(duì)貴州夏季降水的影響如何？張慶云等[7]將東亞熱帶輻合帶與東亞副熱帶輻合帶的850 hPa緯向風(fēng)的距平差,定義為東亞夏季風(fēng)指數(shù)，施能等[8]將月或季一定范圍內(nèi)的緯向標(biāo)準(zhǔn)化的海平面氣壓差之和進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化處理定義為東亞季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)。王斌等[9-10]將25種夏季風(fēng)指數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析，得出Wang and Fan指數(shù)的指示效果較好。那么該指數(shù)與貴州夏季降水關(guān)系如何？本文將對(duì)此開(kāi)展研究。

2 資料和方法

2.1 資料

①NCEP再分析資料：1980—2016年月平均850 hPa風(fēng)場(chǎng)，分辨率為2.5°×2.5°。

②CIMISS數(shù)據(jù)：1980—2016年貴州82個(gè)國(guó)家站夏季降水場(chǎng)。由于降水具有很明顯的區(qū)域特征，為了消除這種地理差異，本文均采用貴州夏季降水距平百分率來(lái)進(jìn)行分析，降水距平百分率公式：

2.2 Wang and Fan夏季風(fēng)指數(shù)的定義方法

Wang and Fan具體的定義方法為：850 hPa 5～15°N、90～130°E緯向風(fēng)平均，減去22.5～32.5°N、110～140°E緯向風(fēng)平均。即平均場(chǎng)U850(5°～15°N,90°～130°E)-U850(22.5°～32.5°N,110°～140°E)，本文用WF指代該指數(shù)。

3 貴州夏季降水的EOF分析

首先對(duì)貴州夏季降水進(jìn)行降水距平百分率處理，利用EOF對(duì)降水距平百分率場(chǎng)進(jìn)行分解,得到對(duì)應(yīng)的基本分布型。分解結(jié)果(如表1、圖1所示)表明：第一模態(tài)收斂快，方差貢獻(xiàn)達(dá)48.51%。貴州東北—西南向?yàn)樨?fù)值中心，整個(gè)貴州省均為同一符號(hào)，表明貴州夏季降水進(jìn)行降水距平百分率場(chǎng)具有相當(dāng)高的一致性。對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)中，時(shí)間系數(shù)絕對(duì)值越大表明對(duì)應(yīng)年份這種空間分布型越明顯。

表1 貴州夏季降水距平百分率EOF分解前三模態(tài)方差貢獻(xiàn)及與WF指數(shù)相關(guān)性Tab.1 The contribution of the front three-modal variance of the EOF of percent of the rainfall anomaly in Guizhou and its correlation with the WF index

為了解WF指數(shù)與前三模態(tài)時(shí)間系數(shù)的關(guān)系，本文用WF指數(shù)與前三種模態(tài)的時(shí)間系數(shù)分別求相關(guān)，與第一模態(tài)的時(shí)間系數(shù)相關(guān)性達(dá)到0.347 8，通過(guò)了信度t=0.05(rc=0.325)的檢驗(yàn)。表明第一模態(tài)空間分布的典型性變化與WF指數(shù)的變化是對(duì)應(yīng)的。

圖1 貴州夏季降水進(jìn)行降水距平百分率場(chǎng)EOF分析第一模態(tài)空間分布圖(a)及對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(b)Fig.1 The first modal spatial distribution map(a)of the EOF of percent of the rainfall anomaly in Guizhou and its time coefficient(b)

4 WF指數(shù)與貴州夏季降水的相關(guān)分析

4.1 WF指數(shù)

本文將強(qiáng)弱季風(fēng)指數(shù)做如下定義：當(dāng)指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化值大于1時(shí)為強(qiáng)季風(fēng)年，當(dāng)指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化值小于-1時(shí)為弱季風(fēng)年。如圖2所示，WF指數(shù)強(qiáng)季風(fēng)年有1981、1985、1986、1990、1994、2001、2004、2012年共8 a，WF指數(shù)強(qiáng)季風(fēng)年有1983、1988、1995、1996、1998、2010年共6 a。標(biāo)準(zhǔn)化WF指數(shù)5點(diǎn)平滑的變化曲線呈現(xiàn)年代際的變化特征，周期9～10 a。標(biāo)準(zhǔn)化WF指數(shù)每百年以0.79的趨勢(shì)減小。

圖2 1980—2016年標(biāo)準(zhǔn)化WF指數(shù)及其5點(diǎn)滑動(dòng)平均、線性趨勢(shì)Fig.2 Standardized WF index and its 5-point moving average and linear trend in 1980—2016

4.2 WF指數(shù)與貴州夏季降水的相關(guān)性

將貴州夏季降水距平百分率與標(biāo)準(zhǔn)化WF指數(shù)進(jìn)行相關(guān)系數(shù)的分析，通過(guò)信度(t=0.05)的區(qū)域主要集中在貴州省北部、黔東南與黔南交界。從貴州整個(gè)相關(guān)系數(shù)分布來(lái)看，除黔西南的西南角為正相關(guān)外，其余省大部地區(qū)都是負(fù)相關(guān)。

圖3 貴州夏季降水距平百分率與標(biāo)準(zhǔn)化WF指數(shù)的相關(guān)系數(shù)[注：通過(guò)t檢驗(yàn)(信度≥0.05)為陰影區(qū)]Fig.3 The correlation coefficient between standardized WF index and percent of the rainfall anomaly in Guizhou [Note: the t-test (reliability ≥ 0.05) for shadow zone]

4.3 WF指數(shù)強(qiáng)弱季風(fēng)年與貴州夏季降水合成分析

根據(jù)WF指數(shù)強(qiáng)弱季風(fēng)年將貴州夏季降水距平百分率進(jìn)行合成分析(圖4)。在強(qiáng)WF指數(shù)季風(fēng)年，貴州中東部夏季降水距平百分率主要是負(fù)值(圖4a)，說(shuō)明降水是偏少的，偏少了5%～15%，而在西南部則是偏多10%左右。在弱WF指數(shù)季風(fēng)年則相反(圖4b)，中東部偏多15%～25%，西南部偏少5%左右。分別將WF強(qiáng)、弱季風(fēng)年進(jìn)行合成差值分析，得出圖4c，在WF指數(shù)強(qiáng)、弱季風(fēng)，兩者的降水懸殊是非常大的，中部以東可以懸殊到20%～40%，西南部10%～20%。

圖4 貴州夏季降水距平百分率在WF指數(shù)強(qiáng)(a)、弱(b)季風(fēng)年的合成及強(qiáng)弱年合成差值場(chǎng)(c)(單位：%)Fig.4 The fields of percent of the rainfall anomaly in Guizhou in strong WF index years(a)、in weak WF index years(b)and composite differences between strong and weak WF index years(c)

5 WF指數(shù)強(qiáng)弱季風(fēng)年在850 hPa緯向風(fēng)場(chǎng)的差異

為分析WF指數(shù)所定義的選區(qū)的環(huán)流形勢(shì)與貴州夏季降水距平百分率的關(guān)系，本文從850 hPa緯向風(fēng)距平場(chǎng)進(jìn)行合成分析(圖5)。圖中左下角和右上角加框部分為WF指數(shù)計(jì)算所定義的區(qū)域：關(guān)鍵區(qū)Ⅰ(5°～15°N,90°～130°E)、關(guān)鍵區(qū)Ⅱ(22.5°～32.5°N,110°～140°E)。在WF指數(shù)強(qiáng)季風(fēng)年(圖5a)，關(guān)鍵區(qū)Ⅰ、Ⅱ主要盛行西風(fēng)，在這種環(huán)流形勢(shì)下貴州夏季降水距平百分率場(chǎng)是偏少，而在WF指數(shù)弱季風(fēng)年(圖5b)則是相反，關(guān)鍵區(qū)Ⅰ主要是盛行東風(fēng)，關(guān)鍵區(qū)Ⅱ北部是西風(fēng)，南部是東風(fēng)，在這種環(huán)流形勢(shì)中，貴州夏季降水距平百分率場(chǎng)是偏多。

圖5 850hPa緯向風(fēng)距平場(chǎng)在WF指數(shù)強(qiáng)(a)、弱(b)季風(fēng)年的合成(單位：m/s)Fig.5 The anomaly fields of 850 hPa weft wind in strong WF index years(a)and in weak WF index years(b)

6 討論

①貴州夏季降水距平百分率場(chǎng)EOF的分解，基本分布型為東北—西南向?yàn)樨?fù)值中心，整個(gè)貴州省均為同一符號(hào)，貴州夏季降水降水距平百分率場(chǎng)具有相當(dāng)高的一致性，時(shí)間系數(shù)絕對(duì)值越大，表明對(duì)應(yīng)年份這種空間分布型越明顯。且第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)與WF指數(shù)的相關(guān)通過(guò)了信度(t=0.05)的檢驗(yàn)，表明第一模態(tài)的空間分布的典型性變化與WF指數(shù)的變化是對(duì)應(yīng)的。

②標(biāo)準(zhǔn)化WF指數(shù)的線性趨勢(shì)每百年以0.79的趨勢(shì)減小，標(biāo)準(zhǔn)化WF指數(shù)5點(diǎn)平滑變化曲線呈現(xiàn)年代際的變化特征，周期9～10 a。

③與貴州夏季降水距平百分率的相關(guān)中，通過(guò)信度(t=0.05)的區(qū)域主要集中在貴州省北部、黔東南與黔南交界。從貴州整個(gè)相關(guān)系數(shù)分布來(lái)看，除黔西南的西南角為正相關(guān)外，其余省大部地區(qū)都是負(fù)相關(guān)。

④850 hPa緯向風(fēng)距平場(chǎng)在WF指數(shù)在強(qiáng)、弱季風(fēng)年合成中，在WF指數(shù)強(qiáng)季風(fēng)年(a)，關(guān)鍵區(qū)Ⅰ(5°～15°N,90°～130°E)、關(guān)鍵區(qū)Ⅱ(22.5°～32.5°N,110°～140°E)主要盛行西風(fēng)，在這種環(huán)流形勢(shì)下貴州夏季降水距平百分率場(chǎng)是偏少；當(dāng)關(guān)鍵區(qū)1盛行東風(fēng)，關(guān)鍵區(qū)2北部是西風(fēng)，南部是東風(fēng)，貴州夏季降水偏多。