北太平洋海温与江淮流域汛期水量丰枯关系研究.doc

北太平洋海温与江淮流域汛期流量丰枯关系研究李秋林 （湖南省气候中心，湖南 长沙 410007）摘 要：本文用自然正交分解的方法，对北太平洋海温距平场进行正交分解，根据典型场的数值分布，找到了对江淮流域汛期流量影响较明显的二个海温关键区。进而分别用关键区典型场时间系数作为影响江淮流域汛期流量的因子，通过分析表明：关键区海温距平的变化，尤其是前一年9月至当年4月海温距平的变化与当年江淮流域汛期流量的变化关系较为明显。关键词：海温 关键区 时间系数 汛期流量引言海洋约占地球表面面积的70%，是大气主要热源供应地。海温的变化将对大气环流产生重要影响，海温变化1，一般情况下感热及潜热输送量可变化167250焦耳/平方厘米天，在强对流情况下其量为330670焦耳/平方厘米天。海洋主要通过潜热和显热交换给大气提供能量，纬度越底强度越大；冬季最强，夏季最弱1。由此可看出，海洋是比陆地更重要的大气热源，海洋热源的异常分布，尤其是热带海洋热源的异常分布，是长期天气异常的重要原因。因此海洋与大气环流的相互作用已越来越受到气象工作者的重视，用海温距平典型场时间系数作为长期天气预报因子能够浓缩大范围的海温信息6，稳定性较强2。关键区海温距平某些典型场时间系数可以作为一种长期天气预报的指标。1 江淮流域汛期流量概况江淮流域位于我国中部，地域辽阔，是我国主要工农业基地。长江是我国最大的河流，长江流域大通水文站积水面积170万平方公里；淮河流域下游蚌埠水文站积水面积为12.1万平方公里。由于地理及气候的原因，两个流域常出现较大面积的暴雨和洪涝。59月为江淮流域的汛期，各年流量相差较大，以长江上游宜昌水文站为例：59月平均流量1900年为21240立方米/秒，1954年为50320立方米/秒，相差2.4倍。江淮流域汛期流量在各时段内的分布也不均匀，长江洪峰一般出现在78月，具有峰高、量大、持续时间长等特点。统计分析表明，江淮流域7月、8月及78月的平均流量的大小变化基本上反映了整个汛期平均流量的变化。江淮流域7、8月的流量丰枯同时也对应江淮流域的涝、旱。2 江淮流域汛期四站水量预报模型的建立2.1 自然正交函数分解法将某月海温距平场进行自然正交函数分解是把选定区域的格点海温距平观测值xij （i表示空间，j表示时间）看成由p个空间函数vik 和时间函数ykj （k=1，2，p）的线性组合，表示成：xij = vikykj = vi1y1j+ vi2y2j+vipypj （1）或者表示成矩阵形式 X=VY （2）由上式得 Y=VX （3）(4)X为海温距平矩阵，V、Y分别为空间函数和时间函数矩阵，它们具有正交性，满足： VVl=vikvil=0 （kl） yky =ykiylj=0 （kl） Y的值可以通过求X的特征向量的方法求得。根据Gray1 的研究，特征向量场是基本稳定的，其时间函（系）数 可以用来作为预报因子。 2.2 北太平洋海温对江淮流域流量影响的区域确定本文采用北太平洋海域（10S50N，120E80W）月平均海表面温度资料进行分析，该区域共计286个经纬点（每隔5一个）温度资料。在北太平洋中，海水温度异常的区域经常占据1/2到1/3，一般可持续几个月到十几个月，个别的时候可以持续二年以上。北太平洋由于面积大，且海温异常具有范围广、时间长的特点，因而对大气环流的影响也较大。如何有效地利用海温资料对江淮流域汛期水量进行预报则是一个重要的问题。直接使用各个格点的海温值作为因子是方法之一，但由于同一区域相同月份的海温变化幅度小，而流量变化幅度大，由于观测等原因造成的海温误差将使流量预报具有不确定性。利用自然正交分解法将北太平洋286个经纬点各月海温距平场进行自然正交分解，得到若干个典型距平场，这些典型场的时间系数大小随时间的变化表征了相应典型场对不同海温距平场方差贡献大小的变化。对于某一个典型场，它表征了一定的海温距平分布形式。每个典型场都有它的权重系数，权重系数的大小体现它对距平场的作用的大小。对于权重系数较大的典型场（如第一、第二、第三典型场），他们对距平场的分布形式影响较大，在一定意义上反应了距平场的特征6。海温距平典型场每年的强度会有变化，其大小将通过其时间系数来确定。因此，排在最前面的几个典型场的时间系数序列可以综合体现整个区域海温距平场的主要变化特征。利用北太平洋各月平均海面温度距平前3个典型场的时间系数序列分别与江淮流域宜昌、汉口、大通、蚌埠四个水文站的59月、78月、7月、8月平均流量进行相关分析，得到了相关性比较好的几个典型场。从这些典型场的数据分布来看，发现有二个区域的数值的绝对值较大，而其他区域的数值大多为零或接近于零。这二个区域分别是：赤道东太平洋（10S10N,18080W）；西北太平洋（35N45N,150E140W及30N，170W140W）。因此，可以认为这二个区域的海温变化对江淮流域汛期流量关系密切。既是敏感区，也是关键区。2.3 江淮流域汛期流量预报模型为了排除干扰，提炼更加有指示意义的预报因子，对以上二个关键区的海温距平场分别使用自然正交分解的方法进行分解。取前三个典型场的时间系数序列作为预报江淮流域汛期水量的备选因子，从中挑选了相关性较好的17个因子，分别建立了江淮流域汛期四站水量的预报模型。以大通水文站（代表整个长江流域）的汛期流量为例建立预报模型：Y=41192-1040T（17）-406T（13）-837T（1）+489T（16）其中，Y代表大通站当年59月流量预报值，T（17）代表前一年11月西北太平洋海温距平场第二典型场时间系数，T（13）代表前一年11月赤道东太平洋海温距平场第一典型场时间系数，T（1）代表前一年1月赤道东太平洋海温距平场第二典型场时间系数，T（16）代表前一年10月西北太平洋海温距平场第一典型场时间系数。大通汛期流量预报模型历史拟合相对误差小于20%的占92.1%相对均方误差为0.11。其他预报模型历史拟合误差小于20%的约占90%左右，试报二年四站共计24个要素，仅汉口8月流量预报误差为-10.7%，其他均在5%左右。2.4 海温对江淮流域汛期水量影响的物理过程分析通过对北太平洋海温距平场的自然正交分解分析表明，赤道东太平洋及西北太平洋（亲潮和黑潮的交汇处）的海温变化是影响江淮流域汛期流量丰枯的二个关键区。总的来说，当赤道东太平洋海温升高时，江淮流域汛期流量减少；反之，则增加。他们之间的作用关系如下：积云对流增强（减弱）纬向瓦克环流减弱（增强）经向哈得来环流增强（减弱）西太平洋副高增强（减弱）江淮流域汛期流量减少（增加）冬、春季赤道东太平洋海温升高（减低）3 海温因子与其它气象要素的相关性3.1 海温因子与南方涛动指数将南方涛动指数（SOI）分别与前一年、同年、滞后一年的17个海温因子进行相关分析，发现前一年的海温对南方涛动有较好的相关关系，最大相关系数达0.816，同样，南方涛动也对次年的海温变化产生影响，其最大相关系数为-0.653。说明海温与南方涛动之间相互作用明显。3.2 海温因子与次年副热带高压 统计分析表明，赤道东太平洋海温与次年冬季副热带高压面积指数、强度相关较好，其他海域的海温指示意义不大。当冬季赤道东太平洋海温升高时，西太平洋副热带高压面积增大，强度增强；反之，副高面积缩小，强度减弱。4 结束语（1）用自然正交函数对赤道东太平洋海温距平场进行正交分解，从中选择几个有代表性的典型场作为描述该区域海洋热状况的“量”，从统计结果来看，这些“量”确实反映了该区域海洋热状况的某些特征。且这些“量”的变化对江淮流域汛期水量丰枯、东亚大气环流的变化有一定的指示意义。（2）用自然正交函数分解海温距平场是一种浓缩海温信息的办法，利于找到影响大范围天气系统的海温关键区。利用时间系数作为气象因子，应用于长期天气预报，是一种有益的尝试。参考文献1 Gray，B.M.，On the stability of temperature eigenvector pattern ,J.Glimatology,1,273281,(1981)。2 章基嘉、葛玲