江西省冬季氣溫異常與海溫異常的聯(lián)系

江西省冬季氣溫異常與海溫異常的聯(lián)系

關(guān)鍵區(qū)域和地區(qū)冬季氣候異常氣候異常及其原因的研究是目前學(xué)術(shù)界乃至整個社會的一個熱點問題。引起氣候異常的因子很多,其中海洋方面強迫因子對氣候的影響已被氣象學(xué)家認(rèn)可,被認(rèn)為是地球氣候系統(tǒng)最重要的組成部分。陳佩燕等分析了我國東部地區(qū)冬季溫度異常的時空特征和變化規(guī)律,探討了全球海溫異常與我國東部地區(qū)冬季溫度異常的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)赤道印度洋、赤道東太平洋、黑潮區(qū)是影響我國東部地區(qū)冬季溫度異常的關(guān)鍵海區(qū)。陳少勇等分析了中國東部冬季地面氣溫與北大西洋及北太平洋海溫異常變化的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵區(qū)海溫對中國東部冬季氣溫的影響存在區(qū)域差異,北大西洋前期海溫與中國東部冬季氣溫有密切的關(guān)系,而西北太平洋的海溫主要影響長江流域及其以北的季風(fēng)中部區(qū)。張黎紅等研究了大連地區(qū)冬季氣溫異常與前期印度洋海溫異常的相互聯(lián)系,影響大連地區(qū)冬季氣溫的海溫異常關(guān)鍵區(qū)位于5°S～5°N、60°～75°E,關(guān)鍵影響時段為當(dāng)年的4—7月。江西省地處長江中下游季風(fēng)區(qū)域,冬季冷暖空氣頻繁交綏,冬季氣溫的年際變率較大,其異常已成為該地區(qū)的一種主要氣候災(zāi)害。戴熙敏等引入異常度的概念,對江西省48年冬季氣候進行分析,建立了冬季異常氣候(干濕冷暖)劃分的客觀標(biāo)準(zhǔn),并根據(jù)天氣氣候?qū)W原理對形成干濕冷暖異常冬季氣候的成因進行了對比分析,得出了一些有意義的結(jié)果。有關(guān)海溫影響江西冬季氣溫變化的工作比較少,因此在前人研究的基礎(chǔ)上,本文利用江西省81個臺站1960—2010年月平均氣溫觀測資料和NOAA全球月平均海表溫度資料(ERSST-V3),分析了江西省冬季氣溫異常與海溫異常的相互聯(lián)系,并運用超前—滯后相關(guān)分析和奇異值分解(SVD)方法初步探討了關(guān)鍵區(qū)海溫異常之間的相互作用,進一步探尋其影響因子的強信號,為短期氣候預(yù)測提供重要依據(jù)。1冬季平均氣溫的測量本文所用資料主要包括:①1960—2010年NOAA月平均海表溫度資料(ERSST-V3),空間分辨率為2°×2°;②江西省81站1960—2010年月平均氣溫資料。文中冬季指當(dāng)年12月至次年2月,用當(dāng)年12月至次年2月的平均氣溫代表當(dāng)年冬季氣溫。研究中采用的方法主要有二項式系數(shù)加權(quán)平均法、經(jīng)驗正交函數(shù)(EmpiricalOrthogonalFunction,EOF)分解、相關(guān)分析和奇異值分解(SingularValuedecomposition,SVD)方法。SVD方法用于分析兩個氣象要素場序列之間的相關(guān)關(guān)系,即它可最大限度地從兩個要素場分離出多個相互獨立的耦合模態(tài),從而揭示出兩個要素場所存在的時域相關(guān)性的空間聯(lián)系,這種耦合的空間分布型能最大限度地解釋兩場的交叉協(xié)方差。由于奇異值分解是以兩個場之間的最大協(xié)方差為基礎(chǔ)的展開,它在研究兩個要素場序列之間時空關(guān)系時是一個有力的工具,已被廣泛應(yīng)用于兩個要素場的氣候診斷分析中。2海溫場求點相關(guān)分析對江西81站1960—2009年50年冬季氣溫距平場進行EOF分析,第1特征向量場在全省區(qū)域內(nèi)呈一致性的正值,且空間分布比較均勻,數(shù)值基本在0.11左右(圖略)。其方差貢獻為94.1%,這說明第一主分量反映了冬季氣溫異常的主要時空結(jié)構(gòu),使用對應(yīng)的第1主成分(PC1)序列就能夠代表江西省冬季氣溫的變化。用PC1序列與全球當(dāng)年1月至次年2月逐月海溫場求點點相關(guān),全球海溫資料長度為1960—2010年。從相關(guān)圖中可以看出(圖略),從當(dāng)年7月至當(dāng)年9月在加里曼丹島周圍海區(qū)和赤道兩側(cè)東太平洋各有一高的正相關(guān)區(qū),相關(guān)系數(shù)達0.3以上,通過0.05水平的顯著性檢驗。從當(dāng)年6月到當(dāng)年9月在北大西洋中部有一高相關(guān)區(qū),相關(guān)系數(shù)達0.3以上,最大的正相關(guān)系數(shù)超過0.5。從當(dāng)年12月至次年2月在赤道印度洋和西北太平洋(黑潮區(qū))海區(qū)各有一正的高相關(guān)區(qū),相關(guān)系數(shù)一般都維持在0.4以上,通過0.01水平的顯著性檢驗。這與陳佩燕等的赤道印度洋、黑潮區(qū)是影響我國東部地區(qū)冬季氣溫異常的關(guān)鍵海區(qū)的結(jié)論相符。此外,12月和2月在北大西洋中低緯海區(qū)和北太平洋中低緯中東部海區(qū)分別有一顯著的正相關(guān)區(qū)和負(fù)相關(guān)區(qū),都通過0.05水平的顯著性檢驗?？紤]前期海溫具有預(yù)測的指示意義以及相關(guān)區(qū)域的穩(wěn)定性和持續(xù)時間長短,將影響江西省冬季氣溫異常的海溫關(guān)鍵區(qū)初步選為印度洋(10°S～20°N,54°～90°E)、西北太平洋(20°～40°N,120°～180°E)和北大西洋中部(24°～44°N,20°～60°W)海域,下文將分別討論它們與江西省冬季氣溫的關(guān)系。2.1印度洋重要的海溫地區(qū)2.1.1關(guān)鍵時段的確定將印度洋初選區(qū)海溫進行平均,運用江西省冬季氣溫PC1序列與初選區(qū)海溫從當(dāng)年12月到次年2月逐月滑動組合求相關(guān)(表1)。從表1可以看到,相關(guān)系數(shù)都達到0.40以上(通過0.01水平的顯著性檢驗),本文選取當(dāng)年冬季(同期)為印度洋關(guān)鍵區(qū)影響的關(guān)鍵時段。圖1是江西省冬季氣溫PC1序列與同期海溫相關(guān)系數(shù)分布,依據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小,仍選取10°S～20°N,54°～90°E作為印度洋海溫關(guān)鍵區(qū)。2.1.2關(guān)鍵區(qū)海面臨的冷、暖、年現(xiàn)象根據(jù)印度洋海溫關(guān)鍵區(qū)關(guān)鍵時段海溫的標(biāo)準(zhǔn)化距平年際變化曲線(圖略),以關(guān)鍵區(qū)海溫標(biāo)準(zhǔn)差的+1倍為標(biāo)準(zhǔn),分別選取冷水年10年、暖水年8年(表2)。以同樣方法選取江西省冷冬年8年、暖冬年9年(表3)。從表中可以看出,關(guān)鍵海區(qū)10個冷水年對應(yīng)6個冷冬年,8個暖水年對應(yīng)4個暖冬年,即冷、暖水年預(yù)示冷、暖冬年分別為6/10,4/8。其中,冷水年中出現(xiàn)暖冬年只有1年(1964年),其余年份對應(yīng)江西冬季氣溫偏冷或正常;暖水年中沒有出現(xiàn)冷冬年,對應(yīng)年份江西冬季氣溫偏暖。從圖2中可以看出,印度洋關(guān)鍵區(qū)海溫和江西冬季氣溫50年來呈明顯的波動上升態(tài)。除20世紀(jì)70年代后期以外,兩者的年代際變化有較好的對應(yīng)關(guān)系。從60年代至70年代中期和80年代初至中期關(guān)鍵區(qū)海溫的相對冷水期對應(yīng)江西冬季氣溫的相對偏冷期,80年代中期以后相對暖水期對應(yīng)著江西冬季的相對偏暖期。2.2西北太平洋-太平洋的主要海溫區(qū)和主要影響區(qū)2.2.1關(guān)鍵時段選取將西北太平洋初選區(qū)海溫進行平均,運用江西省冬季氣溫PC1序列與初選區(qū)海溫從當(dāng)年12月到次年2月逐月滑動組合求相關(guān)(表4)。從表4可以看到,相關(guān)系數(shù)都達到0.40以上(通過0.01水平的顯著性檢驗),當(dāng)年12月至次年2月、次年1—2月、次年2月3個時段內(nèi)相關(guān)系數(shù)均較大,相關(guān)系數(shù)絕對值均大于0.5,本文選取當(dāng)年冬季(同期)為影響的關(guān)鍵時段。根據(jù)圖1所示,依據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小,仍選取20°～40°N,120°～180°E作為西北太平洋海溫關(guān)鍵區(qū)。2.2.2江西城鎮(zhèn)展望區(qū)sst的年際變化冷、暖水年的選取方法同印度洋關(guān)鍵區(qū),選取冷、暖水年各9年(表5)。由表5可以看出,9個冷水年對應(yīng)4個冷冬年,9個暖水年對應(yīng)6個暖冬年,即冷、暖水年預(yù)示冷、暖冬年分別為4/9,6/9。其中,冷水年中出現(xiàn)暖冬年只有1年(1964年),其余年份對應(yīng)江西冬季氣溫偏冷或正常;暖水年中沒有出現(xiàn)冷冬年,對應(yīng)年份江西冬季氣溫偏暖或正常。圖2中空心圓是西北太平洋關(guān)鍵區(qū)SST標(biāo)準(zhǔn)化距平的11年滑動平均。除20世紀(jì)70年代后期以外,兩者的年代際變化有較好的對應(yīng)關(guān)系。從60年代至70年代中期、80年代初期至中期關(guān)鍵區(qū)海溫的相對冷水期對應(yīng)江西冬季氣溫的相對偏冷期,80年代中期以后相對暖水期對應(yīng)著江西冬季的相對偏暖期。2.3北大西洋溫和氣候中心和主要影響周期2.3.1逐月滑動組合將北大西洋初選區(qū)海溫進行平均,將江西省冬季氣溫PC1序列與初選區(qū)海溫從當(dāng)年6月至9月逐月滑動組合求相關(guān)(表6)。從表6可以看到,當(dāng)年8—9月相關(guān)系數(shù)最大,因此本文選取該時段為影響的關(guān)鍵時段。在江西省冬季氣溫PC1序列與當(dāng)年8—9月平均SST相關(guān)系數(shù)分布圖上(圖3),選取24°～44°N,20°～60°W作為海溫關(guān)鍵區(qū)。2.3.2北大西洋關(guān)鍵區(qū)海溫動態(tài)變化的年際變化冷、暖水年的選取方法同印度洋關(guān)鍵區(qū),選取冷水年7年、暖水年10年(表7)。由表7可以看出,7個冷水年有3個冷冬年,10個暖水年有5個暖冬年,即冷、暖水年預(yù)示冷、暖冬年分別為3/7,5/10。其中,冷水年中出現(xiàn)暖冬年只有1年(1964年),其余年份對應(yīng)江西冬季氣溫偏冷或正常;暖水年中沒有出現(xiàn)冷冬年,對應(yīng)年份江西冬季氣溫偏暖或正常。圖2中實線是北大西洋關(guān)鍵區(qū)的海溫11年滑動平均。除20世紀(jì)60年代初和70年代后期以外,北大西洋關(guān)鍵區(qū)海溫和江西冬季氣溫的年代際變化也有較好的對應(yīng)關(guān)系。從60年代中后期至70年代中期、80年代初期至中期關(guān)鍵區(qū)海溫的相對冷水期對應(yīng)江西冬季氣溫的相對偏冷期,80年代中期以后相對暖水期對應(yīng)著江西冬季的相對偏暖期。3基于svd分析的結(jié)果分析從上面的分析中可以看到,西北太平洋區(qū)海溫異常與印度洋區(qū)海溫異常是同時段與江西氣溫呈正相關(guān)關(guān)系。為了進一步了解關(guān)鍵區(qū)海溫異常與江西省冬季氣溫異常的關(guān)系,將印度洋區(qū)與西北太平洋區(qū)SSTA作超前滯后12個月的相關(guān),得到結(jié)果如圖4所示。1—4月印度洋區(qū)海溫與西北太平洋區(qū)海溫異常的相關(guān)在超前3～12個月是不顯著的,當(dāng)西北太平洋海溫異常超前2個月左右時,兩個關(guān)鍵區(qū)海溫的相關(guān)開始增強,并持續(xù)了14個月左右。其中,兩個關(guān)鍵區(qū)海溫同期相關(guān)最顯著,通過了0.01水平的顯著性檢驗。8—12月,當(dāng)西北太平洋區(qū)海溫異常滯后1～12個月相關(guān)比較顯著,通過0.05水平的顯著性檢驗。此外,5—7月,西北太平洋區(qū)海溫超前1～5個月和滯后5～8個月相關(guān)比較顯著,通過0.05水平的顯著性檢驗。通過前面兩個關(guān)鍵區(qū)海溫的冷、暖水年與江西冬季氣溫的對應(yīng)關(guān)系相比可以看出,西北太平洋區(qū)暖水年預(yù)示暖冬年好于印度洋區(qū),而印度洋區(qū)冷水年預(yù)示冷冬年稍好于西北太平洋區(qū),其中兩者預(yù)示的冷冬年有3年重合,暖冬年有4年重合。在江西省9年暖冬年中,兩者暖水年對應(yīng)暖冬年之和有6個,特別是2000年以來的5個暖冬年都對應(yīng)出來。在江西省8年冷冬年中,兩者冷水年對應(yīng)冷冬年之和有7個。這些結(jié)果說明2個關(guān)鍵區(qū)的共同作用可更好地預(yù)示江西冬季氣溫的異常,而兩個關(guān)鍵海區(qū)海溫異常的影響機制是值得進一步研究的問題。為了進一步討論關(guān)鍵區(qū)海溫之間的關(guān)系,以當(dāng)年8—9月北大西洋區(qū)域(24°～44°N,20°～60°W)的海溫距平場為SVD分析的右場,分別以當(dāng)年冬季赤道印度洋區(qū)域(10°S～20°N,54°～90°E)和西北太平洋區(qū)域(20°～40°N,120°～180°E)的海溫距平場為SVD分析的左場。結(jié)果表明:SVD分析2種耦合關(guān)系第1模態(tài)解釋協(xié)方差平方和百分比分別為98.5%和94.3%,展開系數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)均為0.66,都通過0.01水平的顯著性檢驗。其他模態(tài)的解釋協(xié)方差平方和太小,本文不予考慮。由圖5a可知,赤道印度洋區(qū)域都是正的高相關(guān),最大相關(guān)系數(shù)達0.7。與此相關(guān)的右奇異相關(guān)場也表現(xiàn)為正相關(guān)(圖5b),其最大相關(guān)區(qū)在24°～32°N之間,最大相關(guān)系數(shù)達0.6。由圖6a可以看出,冬季西北太平洋區(qū)域也是正相關(guān),最大相關(guān)系數(shù)最高可達0.6,與之相關(guān)的前期8—9月北大西洋區(qū)域最大相關(guān)區(qū)在26°—39°N之間,最大相關(guān)系數(shù)可達0.6(圖6b)。這表明前期8—9月北大西洋區(qū)域海溫與當(dāng)年冬季赤道印度洋和西北太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫都是有聯(lián)系的。從圖5c時間系數(shù)的演變看出,印度洋與北大西洋關(guān)鍵區(qū)海溫場的時間系數(shù)幾乎是同位相變化,尤其是兩個關(guān)鍵區(qū)的異常冷水年的1964、1966、1973、1974年和異常暖水年的2001、2003、2006、2008、2009年與這一模態(tài)密切相關(guān)。在這50年中,有11年兩關(guān)鍵區(qū)海溫距平符號相反。而在這11年之中,有5年氣溫距平與赤道印度洋海溫一致。從圖6c中看出,西北太平洋與北大西洋關(guān)鍵區(qū)海溫場的時間系數(shù)變化也比較一致,尤其是2個關(guān)鍵區(qū)的異常冷水年的1964、1981年和異常暖水年的1998、1999、2001、2006、2008、2009年都在這一模態(tài)顯現(xiàn)出來。在這50年中,西北太平洋與北大西洋關(guān)鍵區(qū)有9年海溫距平符號相反。且在這9年之中,有5年氣溫距平與西北太平洋海溫距平一致。由此看出,冬季西北太平洋與印度洋海溫異?？梢孕拚捌?—9月北大西洋中部海溫異常對江西省冬季氣溫的影響。4北大西洋中部海溫異常對江西冬季氣溫的影響(1)影響江西省冬季氣溫異常的海溫關(guān)鍵區(qū)為印