张璟,智协飞,缪锴,罗晓蔚

(1.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044;2.内蒙古额济纳旗气象局,内蒙古 额济纳旗 735400)

江淮流域夏季降水的准两年振荡特征及其关联因子分析

张璟1,智协飞1,缪锴1,罗晓蔚2

(1.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044;2.内蒙古额济纳旗气象局,内蒙古 额济纳旗 735400)

利用1951—2010年我国江淮流域11个测站夏季(6—8月)降水资料和NCAR提供的北半球月平均海平面气压场资料以及相关的西太平洋副高指数资料,采用Morlet小波变换、交叉小波变换及相关分析等方法讨论了降水准两年振荡现象的年际变化规律及其与东亚夏季风、副高的关系。结果表明,准两年振荡分量在江淮地区夏季降水场的年际振荡中十分重要,且经历了由强到弱再到强的变化过程;同时降水与夏季风强度及副高脊线位置的准两年变化均存在较好的同期相关,彼此间的相互影响还体现在年际尺度上,并分别在4 a和1 a时间尺度上有明显的滞后、 超前关系。

江淮流域夏季降水;准两年周期振荡;东亚夏季风;西太平洋副热带高压

0 引言

大气中一种显著而稳定的年际尺度变化是发生在热带平流层下层纬向风的准两年周期变化,这是Reed et al.(1961)以及Veryard and Ebdon(1961)在20世纪60年代初首先发现的。Belmont and Dartt(1968)正式提出准两年振荡(quasi-biennial oscillation,QBO)的概念来表征这种准周期变化。之后,越来越多的研究结果表明对流层中QBO也普遍存在,且不仅有大气环流,还包括许多气候要素甚至天气过程。

降水是重要的气象要素之一,研究表明我国降水也存在明显的QBO现象。王绍武(1993)用谱分析方法对我国若干测站旱涝级别序列进行分析时发现,长江流域与黄河北部的某些站点具有QBO特征。赵汉光(1986)采用詹金斯的谱分析方法揭示出我国东部(110°E以东)降水周期主要集中在21.2～29.2月。黄嘉佑(1988)研究表明,准两年周期在我国降水序列中主要表现在华北和长江中下游地区。朱乾根和智协飞(1991)用最大熵谱法和EEOF方法证明了1951—1985年我国大部分地区降水的QBO现象比较明显,且推测东部地区QBO同南方涛动的2～3 a周期有密切关系。况雪源等(2002)用带通滤波法、奇异谱分析和小波分析揭示出QBO中国降水场年际振荡中的重要性。Zhi(1997)、贾建颖等(2010)均认为中国东部地区是降水QBO方差变化最大的区域。

关于我国降水影响因子的研究,认为它既受局地地形和下垫面等的影响,又与大范围环流因子的变化有关。许多学者表明,中国降水的年际变化与东亚夏季风的变化密切相关(李建平和曾庆存,2005;黄荣辉等,2006;Yang et al.,2011);此外,西太平洋副高作为北半球夏季重要的大气环流系统之一,其强度和位置等的变化也会导致我国降水的变化(梁建茵,1994;沙万英和郭其蕴,1998;何金海等,2001;黄嘉佑等,2004;魏凤英和黄嘉佑,2010)。

很多学者都通过不同的方法揭示出我国降水的QBO特征,但关于QBO在不同时期的强弱表现,目前研究尚有空白;此外,在研究其影响因子时,大多采用前期(约1 a左右)及同期指数与降水量的相关进行分析。然而,由于气候系统年际变化间非线性相互作用的存在,QBO强度及位相是随时间变化的,同时系统中各分量的年际相关性也会发生明显改变,最终导致影响因子的相对重要性随时间而变化,增加了短期气候预测的复杂性。因此,有必要运用更长时间的资料和更新的研究方法来进一步了解QBO分布型态在不同时期的演变规律及其与大尺度环流背景在年际尺度上的相关关系。

本文在前人研究基础上,利用新的江淮夏季降水资料,运用小波分析、交叉小波变换及相关分析等方法揭示出这一特殊地区QBO现象的年际变化规律及其与东亚夏季风、副高之间的关系,以期提高对江淮流域旱涝的长期预测能力。

1 资料与方法

1.1 资料

1)中国国家气候中心气候系统诊断预测室提供的江淮流域11个测站(黄荣辉等,2006)1951—2010年逐月降水资料;

2)美国国家大气研究中心和大气研究大学联合会(NCAR-UCAR)提供的北半球5°×5°格点的月平均海平面气压场资料;

3)中国国家气候中心气候系统诊断预测室提供的74项环流指数,选取其中与西太平洋副高有关的5项指数(包括强度指数、面积指数、脊线位置指数、北界位置指数及西伸脊点指数)。

1.2 东亚夏季风强度指数定义

施能等(1996)考虑东西向海陆热力差异,采用海平面气压差将东亚夏季风强度指数定义为:20、25、30、35、40、45、50°N(7个纬带)中,110°E与160°E上的标准化海平面气压差之和,所得数据序列再进行一次标准化处理。用公式表示为:

式中:下标1、2分别表示110°E与160°E;p*代表夏季(6、7、8月平均)标准化海平面气压。对所得的时间序列Mt再进行一次标准化处理就得到季风强度指数。该指数反映了东亚地区夏季海陆气压系统的差异。同时,指数值越大,表示夏季风强度越弱。

1.3 所用方法概述

1.3.1 一维连续小波变换

小波变换方法是通过尺度可变的小波基对时间序列f(t)在时间域和频率域上进行同步分解,从而得出时间序列中各种周期信号的振幅以及这些振幅随时间变化的信息。由于小波变换是时间和频率域的局部变换,而时频局部性质恰好是非平稳信号最基本、最关键的性质,因而该方法能有效地从信号中提取信息(Torrence and Compo,1998;Zhi,2001)。本文选取Morlet小波作为小波母函数,对降水资料进行分析,以分析其周期振荡的年际变化规律。另外需要指出,为了使两年左右的周期更容易识别,文中小波功率谱图的色标值取了对数。

1.3.2 交叉小波变换

其中:σX、σY为时间序列X和Y各自的标准差;Morlet小波变换,自由度v取2;Zv(P)是与概率P有关的置信度,在显著性水平α=0.05下,Z2(95%)=3.999。先求出红噪声功率谱的95%的置信限上界,当等式左端超过置信限,则认为通过了显著性水平α=0.05下的红噪声标准谱的检验,两者相关显著。

2 结果分析

2.1 江淮流域夏季降水的周期振荡特征

江淮流域一般是指中国东部110～122°E、28～34°N 范围的地区,是旱涝灾害较为频发的地区之一。首先对所选取的11个测站(图1中包括长江以北和淮河流域的清江、徐州、蚌埠、阜阳、南阳、信阳、东台、南京、合肥、安庆、汉口)1951—2010年夏季(6—8月总和)降水资料进行分析。

图1 江淮流域11站分布Fig.1 The distribution of the 11 stations over the Yangtze-Huaihe valley

图2a显示夏季降水标准化距平的时间序列,图2b是Morlet小波分析功率谱,图2c是全球小波功率谱。可以看到,除1968—1975年外,其余年份降水均表现出明显的QBO特征,振荡经历了由强到弱再到强的变化过程(图2a、b)。全球功率谱中也在2.5 a左右的周期上有一个很大的峰值,且通过了置信度为95%的显著性检验(图2c)。另外需要指出的是在图2b中,20世纪50至60年代及80年代还存在8 a左右的振荡,这也正好验证了王建新和龚佃利(1994)的研究结果。只是由于本文所选取的时间长度更长,80年代以后准8 a周期并不明显,因此在全球功率谱图中8 a振荡并未通过检验(图2c)。可以看到,QBO分量在江淮地区夏季降水场的年际振荡中十分重要,且经历了由强到弱再到强的变化过程。

图2 江淮流域夏季降水标准化距平(a),Morlet小波分析功率谱(b;黑粗线包围的红色区域是功率谱通过95%置信度检验的部分,锥形线以下的区域表示边界延拓影响区域)及全球小波功率谱(c;虚线表示95%信度水平的红噪声检验曲线)Fig.2 (a)Standardized anomaly,(b)Morlet wavelet energy spectrum of summer precipitation over the Yangtze-Huaihe valley(the red area enclosed by the thick black line represents power spectrum over 95% confidence level,while the area below the tapered line denotes boundary extension regions of influence) and (c)the global wavelet power spectrum(the dashed line denotes the significance at 95% confidence level in red-noise test)

2.2 东亚夏季风与江淮夏季降水的关系

已有研究表明,我国降水在很大程度上受东亚夏季风的影响。本文首先利用月平均海平面气压资料按1.2节定义计算出1951—2010年夏季风强度指数(6—8月),然后将2.1节中经过标准化距平处理的降水量与其进行比对(图3)。可以看出,夏季风强度变化(虚线)也具有QBO特征,且与降水的QBO变化(实线)趋势基本一致,尤其在2000年以前,相关系数高达0.34,通过了置信度为99%的显著性检验。虽然近几年出现了负相关,但总体上看它们的准两年振荡仍呈现出较好同步性。由于夏季风指数值越大,表示季风强度越弱(施能等,1996)。因此,二者的年际变化间存在很好的负相关关系,即夏季风强度越强降水量越少,反之降水越多。分析认为,东亚夏季风能够从热带西太平洋、南海和孟加拉湾带来大量水汽到东亚,其强度越强,水汽输送越向北,导致江淮一带降水偏少。

图3 东亚夏季风强度指数(虚线)与江淮夏季降水标准化距平(实线)变化Fig.3 The variation curves of the east Asian summer monsoon intensity index(the dashed line) and standardized summer precipitation anomalies over Yangtze-Huaihe valley(the solid line)

运用交叉小波变换法来揭示1951—2010年不同时期夏季风与降水之间共同的高能量区和位相关系。由图4可见,在21世纪初期两者在2～3 a的时间尺度上有明显的相关,为反位相变化;此外,20世纪80年代在3～4 a内以及90年代初期在4～6 a的范围内均显示出强的相关性,且几乎均为同位相变化。以上分析都充分说明了夏季风与降水之间的相互影响还主要体现在年际尺度上。

图4 东亚夏季风与江淮夏季降水交叉小波功率谱(黑粗线包围的区域是功率谱通过95%置信度检验的部分,而锥形线以下为边界延拓影响区域;箭头表示两者相对位相关系,向右表示同位相,向左表示反位相,向上表示东亚夏季风超前夏季降水90°位相)Fig.4 The cross-wavelet power spectrum between east Asian summer monsoon and summer precipitation over Yangtze-Huaihe valley(the area enclosed by the thick black line represents power spectrum over 95% confidence level,while the area below the tapered line denotes boundary extension regions of influence;the relative phase relationship is shown as arrows,with in-phase towards right,anti-phase towards left and summer monsoon leading precipitation by 90° upwards)

图5 东亚夏季风与江淮夏季降水的超前、滞后相关系数(虚线表示95%信度水平的显著性检验曲线;Fig.5 The leading and lagged correlation coefficients of east Asian summer monsoon and summer precipitation over Yangtze-Huaihe valley(the dashed line denotes the significance at 95% confidence level of in t-test)

为了进一步说明夏季风与降水在年际尺度上的时滞相关性,下面给出这两个时间序列间的超前、滞后相关系数(图5)。从中可以发现,二者的同期相关系数最大,达0.27,通过了置信度为95%的显著性检验(图3)。此外,超前4 a的相关系数也通过了95%的检验,表明在4 a时间尺度上夏季风的变化明显超前于降水量。

2.3 西太平洋副高脊线与江淮夏季降水的关系

已有研究认为具有行星尺度的西太平洋副高的活动和异常对我国东部天气气候具有很大影响。本文利用最近60 a与副高有关的5项指数(包括强度、面积、脊线位置、北界及西伸脊点)与江淮地区11站的夏季降水资料进行求相关,发现副高脊线位置与降水关系最好(图略)。因此,以下着重讨论脊线与降水的关系。

由图6可见,副高脊线变化(虚线)也具有QBO特征,且与降水的变化(实线)趋势基本相反(相关系数达-0.27,通过了95%置信水平的检验),即脊线位置偏北降水量偏少,反之降水偏多。分析认为,由于脊线偏北,我国江淮地区正好位于副高控制之下,抑制了降水的发生发展;只有当副高位置偏南时,热带的暖湿气流和水汽才能输送到江淮地区,出现有利于降水的条件。

图6 副高脊线(虚线)与江淮夏季降水标准化距平(实线)的变化Fig.6 The variation curves of the subtropical high ridge(the dashed line) and standardized summer precipitation anomalies over Yangtze-Huaihe valley(the solid line)

图7 副高脊线与江淮夏季降水交叉小波功率谱(黑粗线包围的区域是功率谱通过95%置信度检验的部分,而锥形线以下为边界延拓影响区域;箭头表示两者相对位相关系,向右表示同位相,向左表示反位相,向上表示东亚夏季风超前夏季降水90°位相)Fig.7 The cross-wavelet power spectrum between subtropical high ridge and summer precipitation over Yangtze-Huaihe valley(the area enclosed by the thick black line represents power spectrum over 95% confidence level,while the area below the tapered line denotes boundary extension regions of influence;the relative phase relationship is shown as arrows,with in-phase towards right,anti-phase towards left and summer monsoon leading precipitation by 90° upwards)

利用交叉小波变换来揭示副高脊线与降水在时频域中的相互关系。图7中,20世纪90年代后期在2～3 a范围内有明显的相关区,80年代初还存在3～4 a的相关振荡,二者均为反位相变化。可以看到,脊线与降水的变化在年际尺度上也具有明显的相关关系。

图8给出了副高脊线与降水之间的超前、滞后相关系数,可以看到,它们的同期相关系数为-0.27,通过了置信度为95%的置信水平检验(如图6所示)。此外,滞后1 a的相关系数也通过了95%的置信水平检验,这表明前期降水的异常也可导致次年副高脊线位置的异常。

图8 副高脊线与江淮夏季降水的超前、滞后相关系数(虚线表示95%置信水平检验曲线)Fig.8 The leading and lagged correlation coefficients of the subtropical high ridge and summer precipitation over Yangtze-Huaihe valley(the dashed line denotes the significance at 95% confidence level in t-test)

3 结论与讨论

利用1951—2010年我国江淮流域11个测站夏季(6—8月)降水资料和NCAR提供的北半球月平均海平面气压场资料以及相关的西太平洋副高指数资料,讨论了降水QBO现象的年际变化规律及其与夏季风、副高之间的相关关系,得到如下几点结论:

1)QBO分量在江淮地区夏季降水场的年际振荡中十分重要,且经历了由强到弱再到强的变化过程。

2)东亚夏季风的QBO与降水呈显著的同期相关关系,即夏季风越强降水越少,反之亦然;此外,二者间的相互影响还体现在年际尺度上,并且在4 a时间尺度上夏季风的变化明显超前于降水量。

3)副高脊线的QBO与降水的变化趋势基本相反,即脊线位置偏北降水量偏少,反之亦然;此外,二者的变化在年际尺度上也有着明显的相关关系,滞后1 a的相关系数也通过了95%的置信水平检验,表明前期降水的异常也可导致次年的副高脊线位置的异常。

本文在进行江淮降水关联因子的分析中,发现夏季风和副高的确是比较重要的影响因子。但是影响降水的因素非常复杂,既包括海气相互作用也包括南北半球环流系统相互作用。这里仅考虑了气候业务中常用的环流特征量。从分析结果来看,虽然突出了季风和副高的作用,但这并不是说其他因素不重要。今后将进一步深化这方面的研究。

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(责任编辑：刘菲)

Characteristicsofthequasi-biennialoscillationofthesummerprecipitationoverYangtze-HuaiheValleyanditscorrelationfactors

ZHANG Jing1,ZHI Xie-fei1,MIAO Kai1,LUO Xiao-wei2

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China;2.Ejinaqi Meteorological Bureau in Inner Mongolia,Ejinaqi 735400,China)

Based on the summer(June—August) precipitation data from 11 stations over Yangtze-Huaihe valley from 1951 to 2010,the northern hemisphere mean sea level pressure field data provided by NCAR and the west Pacific subtropical high indexes,the interannual variability of the quasi-biennial oscillation(QBO) of the summer precipitation and its relationship with east Asia summer monsoon and west Pacific subtropical high were discussed by using Morlet wavelet transform,cross wavelet transform and correlation analysis method.The results showed that QBO component was very important in the interannual oscillation of summer precipitation field in Yangtze-Huaihe region,which experienced a course of changing from strong to weak,and then to strong again.In addition,the contemporaneous correlation between precipitation and QBO of summer monsoon intensity as well as subtropical high ridge was good.Their mutual impact was also shown in the interannual scale and there was obvious lagged and leading correlation respectively in four-year and one-year scales.

summer precipitation over the Yangtze-Huaihe valley;quasi-biennial oscillation(QBO);east Asian summer monsoon;west Pacific subtropical high

2012-10-30；改回日期2012-12-13

国家自然科学基金资助项目(41175078)；江苏省高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)；江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(CXZZ13_05)

智协飞，博士，教授，研究方向为数值天气预报、短期气候预测，zhi@nuist.edu.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121030006.

1674-7097(2014)05-0541-07

P426

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121030006

张璟,智协飞,缪锴，等.2014.江淮流域夏季降水的准两年振荡特征及其关联因子分析[J].大气科学学报,37(5):541-547.

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