太平洋年代际涛动对中国东部季风区夏季降水的影响

于 淼 ,金 竑

（1.东北农业大学，黑龙江 哈尔滨150030;2.阿城区气象局，黑龙江 哈尔滨150300）

1 引言

近年研究发现， 太平洋年代际涛动 （以下简称PDO）可造成太平洋及其周边地区（包括中国东部季风区）气候年代际变化。 但至今仍缺乏关于上述两者的研究， 诸如PDO 与中国东部季风区夏季降水之间存在的关系、PDO 的变化对中国东部季风区夏季降水的影响等， 这些对于研究中国东部季风区的降水规律、变化等均具有重大意义。 本文利用1951-2013年全国160 个基准气象观测站夏季（6-8月）月降水资料， 分析中国东部季风区夏季降水的时空分布特征。 同时利用PDO 指数、赤道中、东太平洋海域海表温度等资料，将数据进行相关分析和相关性检验，进而研究和分析PDO 与中国东部季风区夏季降水的关系。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

（1）PDO 指数资料取自http://jisao.washington.edu/pdo/PDO.latest。 东亚夏季风指数（EASMI）资料则取自http://ljp.lasg.ac.cn/dct/page/1。 赤道中、东太平洋海域海表温度资料取自http://oceancolor.gsfc.nasa.gov。 覆盖时段：1951-2013年。

（2） 中国东部季风区160 个基准气象观测站1951-2013年夏季(6-8月)月降水资料及基准气象观测站所在地的经纬度资料，下载自国家气候中心网。

（3）研究中国东部季风区夏季降水的时空分布特征， 在此区域内选取了符合条件且分布较均匀的110 个基准气象观测站作为研究对象。

2.2 研究方法

经验正交函数是大气科学领域常用的时空分析方法。 该方法将原变量分解为正交函数的线性组合，用维数少的不相关典型模态代替原始变量， 从而有效浓缩空间场信息。 方法内的特征向量所对应的时间系数代表了这一区域由特征向量所表征的分布型式的时间变化特征。 系数数值绝对值越大，表明这一时刻这类分布型式越典型。

设N 为时间样本数， 即年代数；M 为空间格点数，即地面站点数；L 为每年的月数，并设第l 个月(l=l，2，…，L)的月降水量距平场资料矩阵为F（l）N×M，则F（l）N×M，F（2）N×M，…，F（L）N×M为矩阵F（l）N×M的分块矩阵。 将它们按下列方式排列

由（1）式可以看出：原始资料矩阵F 中包含了L个月的月降水量距平场的信息。 对(1)式做经验正交函数(EOF)展开，即有下面公式

式中，K0为拟合原距平场所取的特征向量场个数。前K0个特征向量场的累积方差拟合精度(方差贡献)可由下式求出

这里λk为第k 个特征向量所对应的特征值。 (2)式中VK0×LM 为综合EOF 展开的特征向量场。 对每一个特征向量场来说， 它同时包含着各月的降水量距平场的空间分布信息， 从而能够反映出各月降水场之间的相互联系和变化。 TN×K0为综合EOF 展开对应特征向量场的时间系数矩阵， 它包含了各月降水距平场整体结构的年际演变特征。因此对VK0×LM及TN×K0进行综合分析则可以了解月降水量距平场的空间结构和时变规律。

3 中国东部季风区夏季降水的空间变化模态

根据中国夏季降水空间分布的气候特点和大气环流成因差异将中国分为三大气候区， 即东部季风区、西部区和东北区。 中国东部季风区的地理位置大致在中国大陆105°E 以东， 包括华北至华南主要受季风系统影响的广大地区， 即沿着大兴安岭-阴山-贺兰山-乌鞘岭-念青唐古拉山-横断山脉这条分界线以东的广大地区。 中国东部季风区还包括了地形上属于第二级阶梯的黄土高原、 四川盆地、 云贵高原、横断山区，以及第三级阶梯的沿海广大平原和丘陵地区。 中国东部季风区内的风向与降水，均随季节变化有明显的变化和更替，主要表现为：夏季明显受到太平洋暖湿空气的影响， 湿润程度较高， 雨量丰沛；冬季则受西伯利亚高压控制，强冷空气活动较为频繁，雨量较少。 中国东部季风区内气候温度随着纬度位置的变化而发生变化，表现为：由北向南，气候逐渐变暖。

利用国家气候中心整理的1951-2013年全国l60 个基准气象观测台站夏季 （6-8月）月降水量数据，分析中国东部季风区夏季降水的时空分布特征。计算时，先将各站点的月降水量作距平化处理，然后按照公式(1)构造一个二维资料矩阵FN×LM 做经验正交展开，这里N = 63(年)，L = 3(月)，M = 105(站)。结果显示中国东部季风区夏季月降水量距平场综合EOF 分析的第一特征向量拟合了总方差的15.8%，给出了原始值、距平值、距平百分率和标准化值的综合EOF 分析第一特征向量对应的分析图。

发现中国东部季风区夏季月降水量的原始值综合EOF 分析的第一特征向量拟合了总方差的90.7%，距平场综合EOF 分析的第一特征向量拟合了总方差的15.8%， 距平百分率综合EOF 分析的第一特征向量拟合了总方差的13.4%， 而标准化值综合EOF 分析的第一特征向量拟合了总方差的11.3%，故距平百分率和标准化值综合EOF 分析第一特征向量图能比较清晰地反映中国东部季风区夏季降水的时空分布。 在中国东部季风区的长江中下游地区有一个显著的正值区域， 而在河套地区和靠海的东南地区各形成了一个显著的负值区域。 据此，可将中国东部季风区的这三个显著区域由北到南依次划分为中国东部季风区的北部（河套地区）、中部（华东、长江中下游地区）、南部（华南、东南地区）。 那么，中国东部季风区夏季降水的空间变化模态，即南部、北部地区夏季降水增多而中部降水减少。 这种空间分布模态与孙林海等所研究发现的中国东部季风区夏季降水最主要的特征是南北与中间的分布呈明显相反趋势是一致的。

为进一步证实中国东部季风区的南、 北部降水趋势是否与中部的降水趋势反相关， 也为下一步分析研究PDO 对中国东部季风区夏季降水时空分布的影响，分别在中国东部季风区的中部、南部和北部的降水趋势显著区内选取若干个典型降水趋势台站作为参考点，并对选取的参考点的数据资料进行分析。

参考点选取如下： 北部地区的5 个典型降水趋势台站分别是：呼和浩特、包头、榆林、中宁、银川;中部地区的5 个典型降水趋势台站分别是： 南京、合肥、上海、蚌埠、东台;南部地区的5 个典型降水趋势台站分别是：厦门、梅县、河源、汕头、广州。

利用1951-2013年中国东部季风区各分区内所选取的典型降水趋势台站夏季（6-8月）月降水资料做曲线图，曲线图如下：

分析图1，发现中国东部季风区中部地区的夏季降水曲线与另外两条降水曲线有很大不同， 起伏状况不太一致， 而中国东部季风区北部和南部夏季降水曲线的起伏变化较为一致。

图1 中国东部季风区北部、中部、南部地区夏季降水曲线图

为研究这三个分区夏季降水曲线间的相互关系， 将这三条降水曲线去除线性趋势后进行相关分析:中国东部季风区中部地区的降水与北部、南部地区的降水呈负相关， 相关系数分别为-0.573 和-0.301，可信度分别为99%和95%，为显著相关（可信度达95%以上为显著相关）。 即中国东部季风区的空间分布模态是南部、 北部地区夏季降水增多而中部降水减少。

4 PDO 与中国东部季风区夏季降水的关系

4.1 太平洋年代际涛动的变化特征

若以太平洋海温异常作为定义，PDO 可以分为暖位相和冷位相。 其暖位相表现为赤道中、东太平洋地区异常暖，而北太平洋中部异常冷,冷位相则与此情形相反。 太平洋年代际涛动指数(以下简称PDO 指数) 作为北太平洋SST 异常的EOF 第一模态时间系数， 能较好地反映大尺度海洋年代际变化的主要特征。

图2 太平洋年代际涛动指数曲线图

分析图2 可发现，1951-1976年间，PDO 处于冷位相时期 （PDO 指数多为负数且主要分布在横轴的下 方），PDO 指 数 曲 线 在1954-1956年、1960-1963年、1969年及1975年都出现了负值波谷， 而对应图1 同时期三地区的降水量，发现相同时间段内中国东部季风区的北部和南部地区夏季降水曲线均出现波峰，也就是说这两个地区出现强降水，而中部降水曲线出现波谷。 经分析，其他年份情况也是如此。

4.2 PDO 与中国东部季风区夏季降水的关系

根据上文， 发现PDO 与中国东部季风区夏季降水似乎有着一定的关系，因此，本节将对PDO 与中国东部季风区夏季降水的关系进行研究和分析。 赤道中、 东太平洋海域海表温度变化能反映PDO 的变化情况，故利用赤道中、东太平洋海域海表温度资料，研究PDO 与中国东部季风区夏季降水的关系。 将1951-2013年中国东部季风区110 个基准气象观测站夏季月降水资料与同期赤道中、 东太平洋海域海表温度求相关得图如下：

图3 中国东部季风区夏季月降水与赤道中、东太平洋海域海表温度的相关分布图(阴影区为可信度超过95%的区域)

由图3 可见，中国东部季风区的中部地区，尤其是长江以北地区为显著的正相关区， 相关系数达到0.3，可信度达到95%，而中国东部季风区的北部地区和南部地区为弱相关的负相关区， 其中以中国东部季风区中部地区的江淮地区为范围最大的显著正相关区，其余地区相关度较小。 结合图2、图3，发现PDO 与中国东部季风区夏季降水的时空分布关系密切。 PDO 处于暖位相时，赤道中、东太平洋地区异常暖，而北太平洋中部海域海温异常冷，中国东部季风区内与赤道中、 东太平洋海域海表温度呈负相关关系的北部、南部地区降水异常偏少，而与赤道中、东太平洋海域海表温度呈正相关关系的中部地区降水异常偏多；PDO 处于冷位相时，赤道中、东太平洋地区异常冷，而北太平洋中部海域海温异常暖，中国东部季风区内与赤道中、 东太平洋海域海表温度呈负相关关系的北部、南部地区降水异常偏多，而与赤道中、 东太平洋海域海表温度呈正相关关系的中部地区降水异常偏少。

5 结论

（1）中国东部季风区可按中国东部季风区夏季降水的空间分布进行分区， 由北向南依次分为北部（河套地区）、中部（长江中下游地区）和南部（华南东部地区）。 而中国东部季风区夏季降水的时空变化模态是南、北部与中部的降水呈明显的相反趋势，即中国东部季风区的南部、北部地区夏季降水增多时，中部降水减少。

（2）太平洋年代际涛动（PDO）是影响中国东部季风区夏季降水时空分布的一个重要因素。 PDO 与中国东部季风区的中部地区， 尤其是长江以北地区的降水为显著的正相关， 与中国东部季风区的北部地区（主要是河套地区）和南部地区（主要是华南东部地区）的降水为显著的负相关区，其中以中国东部季风区中部地区的江淮地区为范围最大的显著相关区，其余地区相关度较小。 PDO 与中国东部季风区夏季降水时空分布的关系是：PDO 处于暖位相时，东部季风区北部（河套地区）、南部（华南东部地区）降水异常偏少，而中部（长江中下游地区）降水异常偏多；PDO 处于冷位相时，则与上述情况相反。