ENSO、NAO、IOD和PDO对珠江流域降水的影响研究*

黄 翀，张 强，肖名忠

(1. 中山大学地理科学与规划学院∥华南地区水循环与水安全广东省普通高校重点实验室∥广东省城市化与地理环境空间模拟重点实验室，广东 广州510275)

ENSO、NAO、IOD和PDO对珠江流域降水的影响研究*

黄 翀，张 强，肖名忠

(1. 中山大学地理科学与规划学院∥华南地区水循环与水安全广东省普通高校重点实验室∥广东省城市化与地理环境空间模拟重点实验室，广东 广州510275)

通过旋转经验正交分解法，将珠江流域季节和年降水分为时间分量和相应的空间特征，研究了珠江流域降水与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)、北大西洋涛动(NAO)、印度洋偶极子(IOD)和太平洋10 a涛动(PDO)的遥相关关系。同时，通过分析季节和年降水发生天数及强度的变化与ENSO、NAO、IOD和PDO指数的关系，探讨了上述气候指标对降水的影响机制。研究结果表明：① ENSO和NAO是导致珠江流域季节降水和年降水发生变化的主要因素。春季降水与NAO和PDO成正相关，与ENSO和IOD成负相关；夏季降水与NAO成负相关；秋季降水与ENSO和IOD成正相关；冬季降水与ENSO和NAO成正相关；年降水与NAO和IOD成正相关。② ENSO、NAO、IOD和PDO对珠江流域季节和年降水的影响主要是通过改变降水天数与降水强度来达到的，同时这种影响具有季节的差异性。

气候指标；降水机制；旋转经验正交分解；ENSO；珠江流域

作为当今世界最重要的环境问题之一，气候变化对水循环与水资源的影响越来越引起国内外学者的高度重视[1]。降水是水循环的重要要素之一，是探讨水资源对气候变化响应及气候变化与人类活动水文效应研究的核心问题，降水时空变化及其成因近年来正受到越来越多的关注[2]。

由于受气候变异和剧烈人类活动的双重影响，珠江流域水文要素时空变异十分突出[3]。张强等[4]通过分析珠江流域降水集中度的时空变化，得出流域南部、东南部和西北部的降水集中度高，而西南部和东北部的降水集中度低的结论。陆文秀等[5]发现珠江流域全年、春季、冬季降水量呈微弱上升趋势，秋季降水量呈稳定下降趋势，夏季降水量则无明显变化趋势。对于流域降水天数与降水强度的变化，张强等[6]发现珠江流域降水强度呈上升趋势，尤其在流域中部和东部，而降水天数则呈下降趋势；彭俊台等[7]全面探究了珠江流域近40 a降雨的变化特征，认为整个流域降雨天数和降雨强度的变化比较显著，并存在明显的季节性。

有研究表明：降水时空演变特征与全球海温场内外强迫有关，热带太平洋、热带大西洋和印度洋均表现出海气耦合相互作用[8]。近年来，众多研究发现ENSO对东亚季风影响显著[9-10]。El Nio作为我国气候变化的一个强信号，可以通过影响大气循环的作用来影响我国气候，对我国的降雨有很大影响[11]。在厄尔尼诺成熟期，中国南部春季、秋季及冬季降雨增多；南部和北部夏季降雨减少[12]。但是，综合分析比较ENSO、NAO、IOD及PDO等多种气候指标对珠江流域降水时空变化影响的研究较少，尤其是上述气候指标导致降水发生变化的机制目前仍没有定论，而此研究对于科学理解大尺度气候变化信号对珠江流域水循环的影响及流域水资源管理有重要意义。基于此，本文主要探讨① ENSO、NAO、IOD和PDO对珠江流域季节降水及年降水时空变化的影响；②ENSO、NAO、IOD和PDO对珠江流域降水的影响主要是影响降水发生天数还是强度？此项研究可为根据降水与ENSO、NAO、IOD和PDO等的关系进一步提高降水长期预测提供重要依据。

1 研究地区和数据介绍

1.1 研究地区

珠江流域(102°14′-115°53′E；21°31′-26°49′N)位于中国南部，西起云贵高原，北起南岭山地，经两广丘陵和珠江三角洲后汇入南海，面积达4.537×105km2。该流域地处热带和亚热带季风气候区，多年平均气温在14～22 ℃之间，降水时空分布差异明显，多集中于4-9月，且总体呈现东多西少的变化趋势，多年平均年降水量在1 200～2 200 mm之间。

1.2 数据

本文研究数据为珠江流域46个雨量站(图1)1959-2010年日降水资料，且以每年3月至次年2月作为一年，每年3-5月作为春季，6-8月作为夏季，9-11月作为秋季，12-次年2月作为冬季。其中有8个雨量站存在数据缺失，只有1个雨量站有2.73%的数据缺失，其余7个雨量站数据缺失不足0.1%，对于缺测值，研究中以其余有数据年份相应日期的降水平均值来代替。

图1 研究区域和雨量站位置Fig.1 Locations of the study region and the rain-gauge stations

2 方 法

2.1 降水时空模态分解

由于区域降水具有非线性及高维度等特点，为将区域降水分为几个主要模态，本文采用旋转经验正交函数分解(REOF)[13]将珠江流域降水分为一个时间分量及对应的空间特征。REOF是在EOF[14]基础上经再旋转得出，旋转后典型空间分布结构清晰，且误差较小。

在运用旋转经验正交分解法时，选取多少个EOF的模态进行旋转是一个关键问题，目前对于此问题还没有统一的定论。理论上所有的EOF模态均需要旋转，但这样会采用到价值较小的信息并难以达到降维的目的，并有可能导致平凡解。此外，与相应奇异值成比例的EOF可能会排除一些特征值较小但物理相关的低等级EOF主要模态的贡献[15]。因此，本文选择一系列不成比例的EOF进行旋转，即5、8、11、14这一序列EOF值，然后再从中挑选合适的。同时对于旋转经验正交分解主要模态的选取，本文采用的是通过判断特征值对数曲线变化来确定旋转特征向量的个数。如果某个特征值之后直线的斜率明显变小，即以该点特征值的个数作为旋转特征向量的个数。由于该方法应用较多，其基本算法不在此赘述，详情可参阅其他文献[13]。

2.2 气候指标与季节降水和年降水的遥相关关系

本文研究所用的气候指标的定义及数据均来自NOAA网站(http:∥www.noaa.gov/)。各项气候指标的定义见表1。数据时间序列均为1958年3月至2011年2月，以每年3月至次年2月作为一年，每年的气候指标以各月气候指标的均值表示。ENSO、NAO、IOD和PDO对季节和年降水(包括降水量、降水天数及降水强度)的影响可通过ENSO、NAO、IOD和PDO指标与REOFs时间分量之间的皮尔逊相关系数来分析。运用studentt检验皮尔逊相关系数的显著性，自由度为50，计算得出当系数的绝对值大于等于0.23时，达到95%显著性水平。由于每年的气候指标可能会影响珠江流域当年及下一年的降水变化，因此需研究当年及前一年气候指标对季节和年降水的影响。此外，为消除趋势的影响，本文对REOFs的时间特征进行了去趋势处理, 即通过减去最小二乘拟合直线来去除平均线性趋势。

表1 各项气候指标的定义

2.3 气候指标与季节降水和年降水天数和强度的联系

本文研究ENSO、NAO、IOD和PDO指标与季节降水和年降水天数和强度的联系，是为了找出在上述气候指标的影响下，造成季节和年降水发生变化的主要机制。气候指标对年降水和季节降水天数和强度的影响由气候指标的系数来表示，它反映气候指标每增加1个单位，季节降水和年降水天数和强度变化的幅度。

在本文的研究中，气候指标的系数通过珠江流域所有雨量站的季节及年降水天数和强度与气候指标进行线性回归计算得到，并对其进行分类，将置信度为80%的分为一类，其中线性回归系数的显著性是由student t来检验的，自由度为50。

3 结果与讨论

3.1 年降水和季节降水REOFs模态

对于旋转经验正交分解，本文分别选择了5、8、11和14个EOFs进行旋转，对季节降水和年降水进行旋转经验正交分解后得到前几个主要模态的解释方差见图2。由图2及定量分析结果，前6个模态的累积解释方差均超过了总方差的50%，故而春季降水选择14个EOFs旋转下的前6个模态来代表降水变化，其余季节及年降水则选择11个EOFs旋转下的前6个模态。

3.2 气候指标与季节降水和年降水时间分量的关系

气候指标与季节降水和年降水时间分量的关系如图3所示。由图3看出，PDO与下一年春季降水、夏季降水以及冬季降水呈正相关关系，而与秋季降水呈负相关关系；与当年珠江流域夏季降水呈负相关关系，而与其他季节降水变化关系不确定。NAO与下一年珠江流域春季、秋季降水呈正相关关系；与当年夏季降水呈显著负相关关系，与当年冬季降水则呈显著正相关关系。而IOD与下一年春季降水、秋季降水及冬季降水均呈显著负相关关系；与当年春季降水亦呈负相关关系，与其他季节降水则呈正相关关系。对于ENSO与珠江流域季节降水的关系，ENSO与下一年春季、秋季降水呈负相关关系，与夏季降水呈正相关关系；与当年春季降水呈负相关关系，与当年冬季降水则呈显著正相关关系。上述各气候指标对珠江流域年降水变化的影响以正相关关系为主，而IOD是个例外，与下一年珠江流域全年降水呈负相关关系。

图2 季节及年降水标准化后前m个REOFs的解释方差频谱(m：REOFs的个数)Fig.2 Spectrum of the explained variance of the leading REOFs for seasonal and annual precipitation anomalies(m: the number of EOFs to be rotated)

图3 REOFs时间分量与气候指标之间的皮尔逊相关系数(后缀“_0”：当年；后缀“_1”：前一年；深色数值：相关系数达到95%显著性水平)Fig.3 The correlation between the principle components of annual and seasonal precipitation and the climate indices. (“_0”: the climate index with 0-year ahead; “_1”: the climate index with 1-year ahead; the number with the dark color: significant at the 95% confidence level)

3.3 气候指标对年降水和季节降水空间特征的影响

从图4(a)看出，春季珠江流域下游降水在前一年PDO事件为正时趋于增加(REOF1)。但Chan等[16]发现当PDO指标较高时，每年季风期中国南方出现干季风的概率较大。由此可见，当年和前一年的PDO对中国南方降水的影响可能不同。而南部降水在前一年IOD事件为负时趋于增加(REOF2)。此外，上游降水在前一年负ENSO的影响下趋于增加(的REOF3)，这与Chan等[16]的研究结果一致，中国南方夏初(5-6月)季风降水的年代际变化与ENSO和PDO有关，当ENSO与PDO处于同位相时，在低ENSO指标的影响下，中国南方季风降水往往会高于常值。西南部和中部的降水在当年正NAO的影响下趋于增加(REOF6)。

图4 春季与夏季降水标准化值前6个REOFs的空间特征Fig.4 The spatial patterns of the leading six REOFs for the spring and summer precipitation anomalies

从图4(b)看出，在当年NAO事件为负时，夏季珠江流域中部(REOF1，REOF3)和下游(REOF2)的降水趋于增加，这与Sung等[17]的研究结果一致。冬季NAO指标与下一年的东亚夏季风降水之间存在着相当明显的负相关关系，这可能是受到源于北大西洋的一种大气波列的影响，每年6月，波列向东传播，影响东亚大气环流，当前一年12月的NAO指标为正时，次年6月的急流抑制中国南方降水，反之亦然。

图5 秋季与冬季降水标准化值前6个REOFs的空间特征Fig.5 The spatial patterns of the leading six REOFs for the autumn and winter precipitation anomalies

由图5(a)看出，在当年IOD事件为正时，秋季珠江流域北部(REOF1)的降水趋于增加，下游降水在前一年负IOD事件的影响下亦趋于增加(REOF6)。可见前一年与当年的IOD事件与珠江流域秋季降水的关系并不相同。IOD作为海气耦合现象具有明显的季节锁相特征——春季开始出现、秋季达到盛期、冬季衰亡，IOD指标为正位相时，汛期华北及江淮流域干旱少雨，华南沿海地区为多雨带，IOD指标为负位相时，汛期雨带分布基本为南北多雨而长江流域少雨[18]。珠江流域中部(REOF3)降水在当年正ENSO事件的影响下趋于增加。此结论与ENSO对珠江流域的子流域——东江流域的降水影响类似，张强[19]等将ENSO定义为以下3种类型：东太平洋异常变暖(EPW)、中太平洋异常变暖(CPW)和东太平洋异常变冷(EPC)，其中EPW和CPW使东江流域秋季降水趋于增加，而CPW则使东江流域秋季降水减少。可见，秋季珠江流域的降水可能受到IOD和ENSO的影响(包括单独影响和共同影响)。闫晓勇[20]等研究表明，仅考虑IOD时，东亚地区西南季风爆发偏晚，印度夏季风和南海夏季风增强，此时我国东南沿海降水偏多，IOD对东亚季风区的天气气候影响十分显著，而在ENSO期间，其影响更大，ENSO和IOD有协同作用。

由图5(b)看出，在当年NAO事件为正时，冬季珠江流域东部(REOF1)、中部(REOF2)、西南部(REOF3)和西北部(REOF6)的降水趋于增加，下游(REOF2，REOF6)的降水却趋于减少。可见，同一年同一气候指标对珠江流域冬季不同区域的降水影响不同。武炳义和黄荣辉[21]指出，冬季NAO指标与冬季西伯利亚高压范围呈反向变化关系，冬季NAO指标异常偏高(低)时，30°～50°N亚洲大陆中部气压显著偏低(高)，致使冬季西伯利亚高压和东亚冬季风减弱(增强)。东亚冬季风的年际变化、年代际变化与我国冬季气候关系密切，弱冬季风时，气候是暖、湿；强冬季风时，则是干、冷[22]。在当年ENSO事件为正时，珠江流域北部(REOF4)的降水趋于增加。这与一些学者的研究结论一致。龚道溢等[23]研究ENSO对中国不同地区四季降水的影响，其中发现在ENSO年，我国东南地区冬季降水偏多。袁良等[24]的研究表明，ENSO年冬季，西太平洋副热带高压偏强偏南，我国华南地区受其西侧异常西南风影响，获得充足的水汽供应，高层抽吸作用增强，上升运动加强，对流发展，降水偏多。

从图6看出，珠江流域南部和东北部的年降水在当年的IOD事件为正时趋于增加(REOF4)，已有研究证明1952-2000年珠江流域的降水模式与IOD正等级相关[25]。西南部降水在前一年的NAO事件为正时亦趋于增加(REOF5)。

3.4 气候指标对年降水和季节降水天数和强度的影响

珠江流域春季降水天数及降水强度与相应气候指标的关系如图7(a)所示。 对于REOF1来讲，当REOF值为正时，气候指标与降水天数及降水强度的线性回归系数均为正值，而当REOF值为负时，系数均为负值，表明春季降水天数和降水强度均与前一年PDO事件成正相关，与前文对于春季降水与PDO关系的分析结果一致。其他模态的分析结果相似，在此不再赘述。

夏季降水天数及降水强度与相应气候指标的关系见图7(b)。对于不同模态，同一气候指标导致降水发生变化的机制不同。当年的NAO事件对夏季降水的影响可能有：对降水天数及降水强度几乎均无影响(图7(b1))，与降水强度(图7(b2))或降水天数(图7(b3))成负相关。

图6 年降水标准化值前6个REOFs的空间特征Fig.6 The spatial patterns of the leading six rotated EOFs for the annual precipitation anomalies

图7 对应于旋转经验正交空间特征值(REOF)，春季(a)和夏季(b)降水天数及降水强度与气候指标相关关系的散点图(蓝色：气候指标与降水天数的关系；红色：气候指标与降水强度的关系；实心点：回归系数达到80%显著性水平)Fig.7 The coefficient of climate indices against the corresponding REOF value for spring (a) and summer (b) precipitation(blue: relations between the number of wet days and the climate index; red: relations between precipitation intensity of wet days and the climate index; solid points: significant at the 80% confidence level)

由图8(a)看出，IOD与珠江流域当年秋季降水天数及降水强度成正相关(图8(a1))，与IOD对珠江流域当年年降水的影响类似(图8(c));对下一年秋季降水天数及降水强度却几乎均无影响(图8(a3))而当年的ENSO主要影响秋季降水强度，二者成正相关(图8(a2))。

图8 对应于旋转经验正交空间特征值(REOF)，秋季(a)，冬季(b)和全年(c)

珠江流域冬季降水天数及降水强度与相应气候指标的关系见图8(b)。对于REOF1和REOF3，当年的NAO对降水天数及降水强度几乎均没有影响(图8(b1)，(b3))，而对于REOF2和REOF6，则主要影响降水天数，二者成正相关(图8(b2)，(b5))，说明NAO对当年珠江流域冬季降水的影响较为复杂。而ENSO则与当年冬季降水天数及降水强度均成正相关(图8(b4))。

由图8(c1)-(c2)看出，当年IOD和前一年NAO与珠江流域年降水强度均成正相关。

综合上述各气候指标对珠江流域季节降水和年降水的影响，并将其与长江流域的情况进行对比可以发现：① ENSO与珠江流域当年秋季降水强度、冬季降水天数及强度均成正相关，与下一年春季降水强度却成负相关。ENSO对长江流域季节降水的影响也较显著[26]。② NAO与珠江流域当年春季降水强度、冬季降水天数成正相关，与当年夏季降水天数及降水强度却均成负相关，与下一年全年降水强度则成正相关。可见同一气候指标对珠江流域同一年季节和年降水的影响可能不同，对当年及下一年季节和年降水的影响也可能不同。在本文的研究中，NAO对珠江流域季节降水的影响较为显著，但肖名忠等[26]发现其对长江流域的影响却较小。③ IOD与珠江流域当年秋季降水天数、降水强度和年降水强度成正相关，与下一年春季降水天数则成负相关。而在长江流域，IOD对当年季节降水的影响较为显著，对下一年季节降水却几乎没有影响[26]。④ PDO对珠江流域季节和年降水的影响相对较小，仅对下一年春季降水产生较显著的影响，与降水天数及强度成正相关。肖名忠等[26]研究发现PDO对长江流域季节降水的影响也较小，也只影响春季降水。

4 结 论

本文使用旋转经验正交分解法，将珠江流域46个雨量站的季节降水和年降水分解为只依赖于时间变化的时间分量和不随时间变化的空间特征。再基于分解得到的时间分量和空间特征对ENSO、NAO、IOD和PDO对珠江流域季节和年降水的可能影响进行分析。除此之外，还通过分析季节降水和年降水天数及强度与ENSO、NAO、IOD和PDO指标的关系来研究上述气候指标影响降水发生变化的机制。综合上述研究，得出如下重要结论：

1) ENSO对珠江流域当年秋季和冬季降水的影响较为显著，呈正相关关系，与当年春季降水则成负相关，对下一年季节降水的影响相对较小，且多成负相关。NAO与珠江流域当年春、冬季降水为正相关，与夏季降水成负相关，且对夏季和冬季的影响较为显著，而对下一年季节降水的影响较小。IOD与当年春季降水成负相关，但与其余季节均呈正相关，与下一年珠江流域四季降水则均成负相关。PDO对珠江流域季节降水的影响较小，主要与春季降水成正相关。上述各气候指标与珠江流域年降水变化的关系以正相关为主，除了IOD与下一年年降水呈负相关关系。总体而言，年降水受上述各气候指标影响的程度较季节降水为小。

2) 在各气候指标的影响下，珠江流域不同区域的季节降水及年降水天数与降水强度的变化不同。春季，上游降水强度与当年ENSO成负相关，西南部和中部降水强度与当年NAO成正相关，南部降水天数与前一年IOD成负相关，下游降水天数及强度与前一年PDO成正相关。夏季，珠江流域中部降水天数及下游降水强度均与当年NAO成负相关。秋季，北部降水天数及强度与当年IOD成正相关，中部降水强度与当年ENSO成正相关。冬季，北部降水天数及降水强度与当年ENSO成正相关，西北部和中部降水天数与当年NAO成正相关。对于珠江流域年降水而言，东北部和南部降水与当年IOD成正相关，西南部降水则与前一年NAO成正相关。

3) ENSO和NAO是导致珠江流域季节降水和年降水发生变异的主要因素。ENSO对珠江流域季节降水的影响，除自身的单独影响外，还包括与IOD及PDO产生的共同影响。ENSO年，西太平洋副热带高压异常，珠江流域受其西侧异常西南风影响，降水发生变化[24]。且在ENSO期间，IOD对东亚季风区的气候影响更大，二者具有协同作用[20]。当ENSO与PDO处于同位相时，珠江流域季风降水受到ENSO影响，而当二者处于异位相时，降水没有明显的变化趋势[16]。NAO主要影响珠江流域夏季和冬季的降水，这是由于冬季NAO指标异常时，源于北大西洋的一种大气波列会影响东亚大气环流，从而影响珠江流域夏季降水[17]，同时，亚洲大陆中部气压异常，导致东亚冬季风的强度发生变化，从而使珠江流域冬季降水出现异常[21]。

总而言之，本文的研究可为根据降水与ENSO、NAO、IOD和PDO等的关系进一步提高降水长期预测提供重要的科学依据，在目前气候多变的情况下，能够有效减少由极端气候事件引起的影响及增强人们对气候变化的适应性。

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Influences of ENSO, NAO, IOD and PDO on precipitation regimes in the Pearl River basin

HUANGChong,ZHANGQiang,XIAOMingzhong

( 1. School of Geography and Planning∥Key Laboratory of Water Cycle and Water Security in Southern China of Guangdong High Education Institute∥Guangdong Key Laboratory for Urbanization and Geo-Simulation, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China )

Teleconnections between El Nio/Southern Oscillation (ENSO), North Atlantic Oscillation (NAO), Indian Ocean Dipole (IOD) and Pacific Decadal Oscillation (PDO) and seasonal and annual precipitation regimes over the Pearl River basin have been analyzed based on the Rotated Empirical Orthogonal Functions decomposing the seasonal and annual precipitation into temporal and the associated spatial patterns. Furthermore, changes in the seasonal and annual occurrence and intensity of wet days linked to the ENSO, NAO, IOD and PDO indices have also been investigated to discover the influences of the climate indices on precipitation regimes. The results show that: ① ENSO and NAO are the leading driving factors for seasonal and annual precipitation variability over the Pearl River basin. The spring precipitation is positively related with NAO and PDO, and is negatively related with ENSO and IOD. The summer precipitation is negatively related with NAO. The autumn precipitation is positively related with ENSO and IOD. The winter precipitation is positively related with ENSO and NAO. And the annual precipitation is positively related with NAO and IOD. ② ENSO, NAO, IOD and PDO affect seasonal and annual precipitation mainly by changing the occurrence and intensity of wet days in the Pearl River basin, and this effect has seasonal differences.

climate indices; precipitation regimes; Rotated Empirical Orthogonal Functions; ENSO; Pearl River basin

10.13471/j.cnki.acta.snus.2016.02.023

2015-03-10

国家杰出青年科学基金资助项目(51425903)；香港特别行政区研究资助局基金资助项目(CUHK441313)

黄翀(1993年生)，女；研究方向：气象水文学；通讯作者：张强;E-mail:zhangq68@mail.sysu.edu.cn

P339;TV125

A

0529-6579(2016)02-0134-09