（气象学专业论文）近50年亚太海陆温度变化对中国东部夏季风降水年代际变化的影响.pdf

中文摘要 中文摘要 最近5 0 年全球温度变化表明，陆地增温幅度大于海洋，主要的增暖中心位于亚洲北部、 欧洲和北美等地区。因此，全球变暖有可能通过改变大尺度季风环流影响中国气候变化。 本文利用观测资料分析了1 9 5 1 2 0 0 7 年中国东部夏季降水的年代际尺度变化特征，并重点 讨论了其与北半球大陆地表气温和热带太平洋次表层海温的年代际变化关系。结果表明： ( 1 ) 近5 0 年以来中国东部夏季降水异常主要表现为“南旱北涝”与“南涝北旱”两 者年代际异常之间的转换，但在1 9 9 6 年之后，伴随北方干旱区向南发展，华北和长江中下 游地区降水表现为同时减少的特征。 ( 2 ) 环贝加尔湖地区是过去5 0 年全球变暖的最显著地区之一，因此全球变暖可以通过 关键区域的温度变化对中国的气候变化产生直接影响。分析表明，中国华北夏季降水与同 期的环贝加尔湖地表气温在年代际尺度上存在显著的负相关关系。根据热成风原理，该地 区地表气温的持续升高导致亚洲北部对流层温度经向梯度和纬向风垂直切变的减小，从而 减弱了局地对流层的大气斜压性和维持了暖性异常反气旋环流，使得位于蒙古地区的气旋 频数减少和强度减弱。由于华北降水与蒙古气旋的活动直接相关，从而导致华北地区夏季 降水的持续性减少。自1 9 9 6 年后贝加尔湖地区的地表气温进一步升高，导致北方干旱化加 剧。 ( 3 ) 利用谐波和e o f 分析方法对1 9 4 5 2 0 0 5 年热带太平洋次表层海温的长期变化趋势 研究表明，近6 0 年以来热带西太平洋次表层海温出现显著的变冷现象，同时在年代际时间 尺度上热带太平洋次表层海温存在类似于e n s o 的纬向偶极型振荡( t p d o ) 。 ( 4 ) t p d o 与东亚夏季风之间存在明显负相关关系，在年代际时间尺度上热带西太平 洋次表层海温处于异常偏冷( 暖) ，表层海温异常偏暖( 冷) ，同时热带东太平洋表层和次 表层海温异常偏暖( 冷) ，即对应着t p d o 及p d o 的暖( 冷) 位相，则东亚夏季风偏弱( 强) ， 从而影响中国东部夏季风降水年代际变化。 关键词：中国东部夏季降水，年代际变化，环贝加尔湖变暖，蒙古气旋活动，t i ： d o i i a b s l 、r a c t a b s t r a c t t h er e c e n tc h a n g eo fg l o b a ls u r f a c ea i rt e m p e r a t u r ei n d i c a t e st h a tt h el a n dr e g i o n sh a v ew a r m e d a taf a s t e rr a t et h a nt h eo c e a n s ，a n dt h ew a r m i n gr a t ei sb i g g e ri nh i g h e rl a t i t u d e st h a nt h el o w e r l a t i t u d e s t h ew a r m i n gc e n t e r sm a i n l yl o c a t ei nn o r t ha s i a ，e u r o p e ，a n dn o r t ha m e r i c ar e g i o n s o v e rt h ep a s t5 0y e a r s t h u s ，t h eg l o b a lw a r m i n gi nh i g h e rl a t i t u d e so v e rl a n dp o s s i b l ya f f e c t c h i n ac l i m a t eb ym o d u l a t i n gt h ee a s ta s i a nm o n s o o nc i r c u l a t i o n s o nt h eb a s i so fo b s e r v a t i o n s ， w ed i s c u s s e dt h ed e c a d a ll i n k a g eo fs u m m e r p r e c i p i t a t i o na n o m a l i e si ne a s t e r nc h i n aw i t ht h e l a n ds u r f a c ea i rt e m p e r a t u r ec h a n g e si nn o r t h e r nh e m i s p h e r i ca n ds u b s u r f a c eo c e a nt e m p e r a t u r e i nt h e t r o p i c a lp a c i f i cd u r i n g19 51 - 2 0 0 7 s o m ec o n c l u s i o n sa r ed r a w n a sf o l l o w s ： ( 1 ) s u m m e rp r e c i p i t a t i o na p p e a r sam c r i d i o n a ls e e s a ws p a t i a lp a t t e mi ne a s t e r nc h i n a b e f o r e19 9 6 ，a n di th a ss h i f t e df r o mt h e f l o o d i n gi nn o r t ha n dd r o u g h ti ns o u t h p a r e r nt ot h e “f l o o d i n gi ns o u t ha n dd r o u g h ti nn o r t h ”m o d es i n c et h el a t eo f1 9 7 0 s h o w e v e r , o u re v i d e n c e s s h o w st h a ts u m m e rp r e c i p i t a t i o na n o m a l i e sb o t hi nn o r t h e r nc h i n aa n di nt h el o w e r - m i d d l e r e a c h e so fy a n g t z er i v e rh a sj o i n t l ya p p e a r e dad e c r e a s i n gt r e n da r e r19 9 6 ，a n dt h er e c e n t g l o b a lw a r m i n gh a sd e s t r o y e dt h ep r e v i o u ss u m m e rp r e c i p i t a t i o na n o m a l o u sp a t t e m ( 2 ) p a s ts t u d i e sh a v es u g g e s t e dl a k eb a i k a li so n eo ft h em o s to b v i o u sr e g i o n si ng l o b a l w a r m i n g ，t h u s ，i ti m p l i e st h a tt h eg l o b a lw a r m i n gm a ya f f e c tc h i n ar e g i o n a lc l i m a t ev i at h e s u r f a c ea i rt e m p e r a t u r e ( s a t ) c h a n g e si nn o r t ha s i a i ti sf o u n dt h ep r e c i p i t a t i o ni nn o r t hc h i n a b e a r sas i g n i f i c a n t l yn e g a t i v ec o r r e l a t i o nw i t ht h el a n ds a tn e a rl a k eb a i k a lo nd e c a d a lt i m e s c a l e a n dt h ew a r m i n go fs a ta r o u n dl a k eb a i k a lc a l ld e c r e a s et h em e r i d i o n a lt e m p e r a t u r e g r a d i e n ti nt h el o w e ra n dm i d d l et r o p o s p h e r eo v e rn o r t ha s i a ，w e a k e n i n gt h ev e r t i c a lz o n a lw i n d s h e a ra n dt h ea t m o s p h e r i cb a r o c l i n i c i t yi nt h et r o p o s p h e r e ，m a i n t a i n i n ga l la n o m a l o u sw a r m e r a n t i c y c l o n ei nt h et r o p o s p h e r eo v e rm o n g o l i a nr e g i o n ，w h i c hw e a k e n sa c t i v i t i e so fm o n g o l i a n c y c l o n e ( m c ) a n dr e s u l t si n t h ed e c r e a s eo fp r e c i p i t a t i o no v e rn o r t hc h i n a o u ra n a l y s i s s u g g e s t st h es a tn e a rl a k eb a i k a lh a sa g a i ne n h a n c e da f t e r1 9 9 6 ，a n di tr e s u l t si naf u r t h e r i v a b s t r a c t d e c r e a s eo fp r e c i p i t a t i o ni nn o r t hc h i n a ( 3 ) t h et r e n da n dd e c a d a lo s c i l l a t i o ni nt r o p i c a lp a c i f i c1 0 0 - 2 0 0 ms u b s u r f a c eo c e a n t e m p e r a t u r e ( s o t ) d u r i n g19 4 5 2 0 0 5i sa n a l y z e do nt h eb a s i so f h a r m o n i ca n de o fm e t h o d s i t i sf o u n dt h e r ei sas i g n i f i c a n tc o o l i n gt r e n di nt h es o ti nt h et r o p i c a lw e s t e r np a c i f i co v e rt h e p a s t6 0y e a r s ，a n dt h ef k r s te o fo ft h es o t i nt r o p i c a lp a c i f i cd i s p l a y sa l le n s o - l i k ez o n a l d i p o l ep a t t e r no nd e c a d a lt i m es c a l e ( t p d o ) 0 )o u ra n a l y s i ss u g g e s t st h et p d ob e a r sas i g n i f i c a n t l yn e g a t i v ec o r r e l a t i o n 、加le a s t a s i a ns u m m e rm o n s o o n ( e a s m ) o nd e c a d a lt i m es c a l e ，a n di th a ss h i f t e df r o mt h ec o l dp h a s e i n t ow a r mp h a s es i n c et h el a t eo f19 7 0 s w h e ns u r f a c es e at e m p e r a t u r e ( s s t ) i nt h et r o p i c a l w e s t e r np a c i f i cb e c o m e sc o l d e r ( w a r m e r ) ，a n ds u b s u r f a c eo c e a nt e m p e r a t u r e ( s o t ) b e c o m e s w a r l t l e r ( c o l d e r ) ，t h e nb o t hs s ta n ds o t i nt h et r o p i c a le a s t e r np a c i f i ca p p e a rw a r n l e r ( c o l d e r ) ， w h i c hb a s i c a l l yc o r r e s p o n d st ot h ew a r m ( c o l d ) p h a s eo ft h et p d oa n dt h ep d o ，t h u s ，i ti s i m p l i e st h a tt h ee a s mg e t sw e a k e r ( s t r o n g e r ) , a n dr e s u l t si nt h ed e c a d a lv a r i a t i o n so ft h e s u m m e rp r e c i p i t a t i o ni ne a s t e r nc h i n a k e y w o r d s ：s u m m e rp r e c i p i t a t i o ni ne a s t e r nc h i n a ，i n t c r d e c a d a lv a r i a t i o n ，t h ew a r m i n gn e a r l a k eb a i k a l ，a c t i v i t i e so fm o n g o l i a nc y c l o n e ，t p d o v 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以靠求实、创新 的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发 表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢 意。 作者签名： 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定，学校 有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸 质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书 馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索：有权将学位论 文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名： 第章绪论 1 1 引言 第一章绪论 中国东部( 1 0 0 0 e 以东) 地处东亚季风区，其降水主要集中于夏季，尤其在夏季风的影 响下，中国东部地区降水量大，降水变率也较大。季风环流异常引起的干旱、洪涝，高温 或冻害等天气气候灾害一直影响着我国人民的社会经济生活，尤其是夏季降水的时空分布 和变化对农业生产、能源消耗和水资源分布有极其重要的影响，而夏季大范围地区降水的 开始结束、空间分布以及引发旱涝灾害等在很大程度上受到东亚夏季风的爆发早晚、强弱 和持续时间长短的影响。同时，季风环流是全球大气环流的重要成员之一，季风环流的形 成、维持和变化对整个大气环流系统有重要影响。因此，研究东亚夏季风环流及其降水的 形成及年代际变化是进行准确气候预测，进而实现防灾减灾的重要科学依据，对国家的经 济建设和社会发展尤为重要。 目前跨季度的短期降水量预报的准确率还不尽如人意，其中年代际尺度气候变化对东 亚季风的影响是导致短期气候预测水平不高的主要因素。因此，揭示年代际尺度中国东部 夏季风降水异常的特征、原因和物理机制，是提高短期气候预测的重要途径之一。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 中国气候变化研究 全球变暖已经成为世界科学界和各国政府重视的重要科学和政治问题。政府间气候变 化委员会( i p c c ) 2 0 0 7 年发表的第四次评估报告( 口c c ，2 0 0 7 ) 指出：2 0 世纪以来( 1 9 0 6 - 2 0 0 5 年) 全球平均气温上升了近0 7 4 c ，近5 0 年的温度增长率是过去1 0 0 年的2 倍。最近1 2 年中( 1 9 9 5 - 2 0 0 6 年) 有1 1 年位列1 8 5 0 年以来最暖1 2 个年份之中。观测研究表明，过去 5 0 年全球温度的变暖主要发生在冬春季节，突出表现为亚洲北部、欧洲、加拿大和北美等 地区的大陆中高纬度地区温度升高( h a n s e ne ta 1 ，1 9 9 9 ，2 0 0 6 ) 。中国地处北半球欧亚大 l 第一章绪论 陆，有研究指出：中国气温变化总的趋势与北半球气温变化相似，但两者在年代际时间尺 度上的变化存在一定差别( 林学椿等，1 9 9 5 1 唐国利等，2 0 0 5 ) 。 对于中国近5 0 年的气候变化，有大量的研究结果表明：过去5 0 年中国的气候变化主要 表现为中国年平均温度增加，这种变暖趋势自上世纪8 0 年代以来尤为明显。其中，中国北 方增暖比较显著并被认为是北半球大陆增温的一部分( 张先恭等，1 9 8 2 ；j o n e se t a l ，1 9 9 2 ) 。 王绍武( 2 0 0 0 a ) 研究发现，近1 0 0 年来中国的气温上升了0 5 左右，略低于全球平均的0 6 ， 2 0 世纪2 0 年代到4 0 年代我国气温持续升高，5 0 年代到8 0 年代初气温有所下降，8 0 年代中期 开始又持续增温。2 0 世纪9 0 年代是我国近百年来最暖时期之一，但尚未超过2 0 世纪2 0 - 4 0 年 代的最暖时期。h u 等( 2 0 0 3 ) 将中国地区年和季节平均气温和降水的变化与全球变暖联系， 通过研究中国东部地区夏季长期气候变化的趋势，发现冷( 暖) 趋势一般与湿( 干) 趋势 并存。陈隆勋等( 1 9 9 8 ，2 0 0 4 ) 对近5 0 年中国气候的研究发现，中国气温总体上呈上升趋 势，但夏季青藏高原下游到长江流域地面气温出现变冷趋势( “e ta 1 ，1 9 9 5 ；陈隆勋等， 1 9 9 8 ，2 0 0 4 ) ，具体表现为自上世纪5 0 年代以来，我国东部存在一个以四川盆地为中心的变 冷区，但此变冷区自1 9 9 0 年以后有减弱的趋势( 陈隆勋等，2 0 0 4 ) 。王遵娅等( 2 0 0 4 ) 研究 表明，全国平均气温在2 0 世纪8 0 年代以后上升明显，西南低温区在9 0 年代以后温度也处于 上升状态。陈隆勋等( 2 0 0 4 ) 较为系统地分析了2 0 世纪2 0 年代以来中国气候变化的特征， 指出中国大陆3 5 0 n 以北地区8 0 年代早期开始变暖，3 5 。n 以南地区则在8 0 年代末期才开始变 暖。 对应温度的变暖趋势，降水的变化则更加复杂。王绍武等( 2 0 0 0 b ) 对中国东部近1 2 0 年的降水研究发现，中国同全球陆地降水的变化基本一致，不同的是中国东部降水的年代 际变化更明显，周期主要是3 3 年和2 6 7 年，前者可能与e n s o 有关，后者则表明我国东部降 水有显著的年代际变化，并认为近几十年来我国降水的低频波动可能主要是年代际变化引 起的，而并非全为气候变化趋势。相关研究表明，中国夏季降水在年代际时间尺度变化上 突出表现为华北和长江中下游地区夏季降水之间的空间反向变化特征，即所谓的旱涝分布 型( h u a n ge ta 1 ，2 0 0 3 ：d i n ge ta 1 ，2 0 0 4 ) 。例如，6 0 年代夏季华北降水偏多而长江中下游 降水偏少，处于“南旱北涝”形势，而8 0 9 0 年代则处于相反的“南涝北旱”空间分布特征 2 第一章绪论 ( 王绍武等，2 0 0 2 ；黄荣辉等，2 0 0 8 ) 。钱维宏等( 2 0 0 7 ) 和丁一汇等( 2 0 0 8 ) 研究表明， 进入9 0 年代中期后中国东部降水的早涝分布型遭到破坏，南方的降水表现出明显的减少， 与北方降水的减少出现了同步现象。同时魏风英和张婷( 2 0 0 9 ) 研究发现，2 0 世纪9 0 年代 末以来，淮河流域夏季降水处于年代际偏多期，准2 年振荡特征突出，且其年代际变化进程 落后于长江中下游地区。除此之外，中国气候变化的另一个突出特征是西部地区的变暖变 湿现象( 施雅风等，2 0 0 3 ) 。 1 2 2 太平洋海温年代际变化研究 太平洋海气耦合系统具有很强的年际变率，其中e n s o 是气候系统中年际气候变化的 最强信号。然而近年来研究表明，太平洋海气系统( 特别是北太平洋) 在2 0 世纪7 0 年代 末( 1 9 7 6 7 7 年) 发生了一次显著的年代际突变现象( n i t t a ，1 9 8 7 ：m a n t u ae ta 1 ，1 9 9 7 ： z h a n ge ta 1 ，1 9 9 7 ；b a r n e t te ta 1 ，1 9 9 9 a ，1 9 9 9 b ；杨修群等，2 0 0 4 ) ，也称太平洋年代际振 荡( p d o ) ，即北太平洋中部和黑潮、亲潮及其延伸体( k o e ) 区的海表温度( s s t ) 异常 降低，而北美西岸s s t 异常偏暖，海平面气压( s l p ) 场上阿留申低压异常加深、东移并 偏南。肖栋和李建平( 2 0 0 7 ) 研究表明，全球海温也在7 0 年代末发生了一次年代际突变。 王宏娜等( 2 0 0 9 ) 通过对热带太平洋s s t 进行突变分析发现，热带太平洋s s t 在2 0 世纪 7 0 年代末发生了一次年代际突变现象，变化趋势是从冷位相转变成暖位相，即年代际增温。 由此可见热带太平洋s s t 的年代际突变与整个太平洋系统的年代际突变过程是一致的。同 时最新研究表明，热带太平洋次表层海温有变冷趋势，且存在着年代际变化特征( 陈锦年 等，2 0 0 8 ：s ue ta 1 ，2 0 0 9 ) 。 1 2 3 东亚夏季风降水影响机制的研究概述 在过去的气候变化研究中，东亚夏季风降水的年代际变化一直是研究的重点之一。其 中对夏季风降水的形成及影响机制受到广泛关注。d i n g 和c h a n ( 2 0 0 5 ) 对东亚夏季风的研 究进行了总结和回顾。太平洋和印度洋海表面温度，欧亚大陆和青藏高原的积雪，被认为 是影响海陆热力对比变化的两个主要因子，也是影响东亚夏季风活动的主要因子。 3 第一章绪论 海洋表面温度s s t 对海陆水平温度梯度的分布起着重要作用，因而与季风环流密切相 关。观测事实和研究表明，东亚季风和e n s o 是相互作用的耦合系统( w e b s t e r a n d y a n g ， 1 9 9 2 ：w a n ge ta 1 ，2 0 0 0 ；孙淑清等，2 0 0 3 ；黄荣辉等，2 0 0 3 ，2 0 0 6 ) 。w e b s t e r 和y a n g ( 1 9 9 2 ) 认为东亚季风与e n s o 的相互作用具有选择性。赤道中东部太平洋、热带印度洋和西太平 洋暖池的海表面温度的变化对东亚夏季降水都有显著影响( n i t t ae ta 1 ，1 9 8 7 ：黄荣辉等， 1 9 9 4 ：陶诗言和张庆云，1 9 9 8 ；武炳义等，2 0 0 3 ：l ia n dz e n g ，2 0 0 3 ，2 0 0 5 ) 。青藏高原的 动力和热力作用以及青藏高原与南亚之间的海陆热力对比对东亚季风的形成和变化具有独 特作用( l ie ta 1 ，1 9 9 6 ：吴国雄等，1 9 9 9 ，2 0 0 4 ) 。 东亚夏季风降水不仅受到热带和副热带的非绝热加热影响，大气环流系统的变化也会 影响其年际和年代际尺度变化，特别是欧亚大陆中高纬度阻塞高压( 李春等，2 0 0 2 ) 、西太 平洋副热带高压的变化( 彭加毅等，1 9 9 9 ；张庆云等，2 0 0 3 ) 、太平洋年代际振荡( 杨修群 等，2 0 0 5 ；马柱国等，2 0 0 6 ) 和北极涛动( a o ) 大尺度环流( 李建平等，2 0 0 5 b ；琚建华 等，2 0 0 6 ) 对东亚夏季风降水具有制约或促进作用。李峰和何金海( 2 0 0 1 ) 研究指出，与 东亚夏季风降水显著相关的海温关键区域由北太平洋( 1 9 7 6 年前) 转移到中东太平洋和我 国近海地区( 1 9 7 6 年后) ，同时东亚夏季经圈环流与太平洋低纬纬圈环流( w | a l k e r 环流) 更加显著。最近，宇如聪等( 2 0 0 4 ，2 0 0 8 ) 研究表明东亚地区对流层上部的温度变冷同样 对东亚夏季风降水有着重要的影响，更是从动力学机理上较为全面地总结了我国东部地区 气候年代际变化三维结构。 东距夏季风变异的成因复杂，东亚区域海陆热力差异以及季风系统成员的年际或年代 际变化等均为不可忽视的关键环节。东亚季风年代际尺度气候变化特征及其可能的物理机 制还有待于进一步的研究，尤其在全球气候变暖背景下，亚太海陆关键区( 吴国雄等，2 0 0 6 ) 温度差异与东亚季风年代际变化的相关特征，东亚夏季风环流调整与中国东部夏季降水年 代际变化的关联特征均有待于进步深入研究的问题。 1 3 问题的提出 众所周知，季风是大气对海陆热力差异季节变化的响应。海陆热力对比是形成季风环 4 第章绪论 流的主要原因( h a d l e y ，1 7 3 5 ) 。热带夏季风依赖于经向海陆热力差异，而东亚副热带夏季 风依赖于纬向海陆热力差异( 何金海等，2 0 0 7 ，2 0 0 8 ) ，但是造成东亚夏季风及其降水变化 的关键因子、关键区域、关键时段至今仍未完全清楚。研究表明：近5 0 年全球最明显的气 候变化是全球平均温度的持续升高( 口c c ，2 0 0 7 ) 。其中，陆地增温幅度大于海洋，主要 的增暖中心位于亚洲北部、欧洲和北美等地区。因此，在全球变暖背景下中高纬度的地表 气温变暖和赤道太平洋次表层海温变化势必通过影响大尺度环流，进而影响中国区域气候 变化。本论文工作旨在分析研究近5 0 年全球变暖背景下亚太关键地区海陆温度变化特征， 揭示与中国夏季降水变化所联系的环贝加尔湖地表气温的长期变化和热带太平洋次表层海 温的年代际变化特征，揭示它们影响东亚夏季风环流及其降水物理途径和机制。 1 4 本文研究内容 全文共分6 章，各章的内容简介如下： 第一章为绪论，回顾有关中国气候变化、太平洋海温年代际变化以及东亚夏季风降水 变化和影响机理的研究，提出本文将要研究的主要问题，指出本文的主要特色和创新。 第二章为资料和方法，介绍本文研究中使用的资料和相关的理论方法。 第三章为近5 0 年中国东部气候变化特征，主要揭示中国东部地区降水的年代际变化特 征及其与环流的关系，并重点讨论了华北夏季降水的年代际特征，同时寻找影响其变化的 因子。 第四章为夏季环贝加尔湖地表气温变化。通过研究环贝加尔湖地表气温的长期变化趋 势特征，分析其与东亚环流的关系，并指出贝加尔湖地区的地表温度变暖通过影响蒙古气 旋活动的频数和强度进而影响中国夏季降水时空变化。 第五章为热带太平洋次表层海温的变化。通过i s h i i 海温数据集分析及推断，提出t p d o 和p d o 有可能是太平洋海温年代际变化的两种表现，并指出其与中国东部夏季风降水的可 能联系。 第六章为全文总结和讨论。对全文进行总结，就存在问题进行讨论，并对将来要进一 步研究的工作进行展望。 5 第一章绪论 1 5 本文特色与创新 ( 1 ) 本文重点讨论近5 0 多年来北半球陆地气温变暖与中国夏季降水之间的长期变化 关系，提出了贝加尔湖地区的地表温度变暖通过影响蒙古气旋活动的频数和强度进而影响 中国夏季降水时空变化，并给出了全球变暖通过影响中国气候关键区域的地表温度变化直 接影响中国夏季降水的观点。 ( 2 ) 在全球增暖的背景下，海表面温度增暖幅度小于陆地增暖幅度，然而研究发现近 6 0 年以来西太平洋暖池的次表层海温却显著变冷，并在热带太平洋次表层存在年代际时间 尺度的纬向偶极型分布。t p d o 与p d o 之间有密切的联系，它们可能是太平洋海温在不同 层次( 次表层和表层) 不同方向( 纬向和经向) 上的年代际变化特征。 ( 3 ) t p d o 及p d o 与东亚夏季风之间存在明显负相关关系，在年代际时间尺度上热带 西太平洋次表层海温处于异常偏冷( 暖) ，表层海温异常偏暖( 冷) ，同时热带东太平洋表 层和次表层海温异常偏暖( 冷) ，即对应着t p d o 及p d o 的暖( 冷) 位相，则东亚夏季风 偏弱( 强) ，从而影响中国东部夏季风降水年代际变化。通过上述相关关系，这可能为中国 夏季降水预测提供一种新思路。 ( 4 ) 研究发现，贝加尔湖地区的地表温度在冬春季节变暖特征更加明显，同时近6 0 年来t p d o 在四季均显著存在。我们可以将两者均列为夏季降水预测的关键因子之一，为 中国气候变化长期预测提供科学参考。 6 第二章资料与方法 2 1 资料说明 第二章资料和方法 本文中使用的主要数据集包括： ( 1 ) 中国气缘局气象信息中心提供的1 9 5 1 2 0 0 7 年中国7 2 2 个台站逐月气温、降水量 和无降水量资料。 ( 2 ) n c e p n c a r 提供的1 9 5 1 2 0 0 7 年逐月的位势高度场、温度场、风场再分析资料 ( k a l n a y e ta 1 ，1 9 9 6 ) ，分辨率均为2 5 。2 5 。，垂直方向分为1 7 层。为比较结果，本文还 分析了欧洲中期天气预报中，b ( e c m w f ) 的e r a - 4 0 的2 3 层相应大气再分析资料( u p p a l a ， 2 0 0 2 ) ，分辨率均为2 5 0 2 5 0 。 ( 3 ) 美国国家航空航天局空间研究中心( g i s s ) 提供的1 9 5 1 - 2 0 0 7 年北半球逐月地表 气温资料( h a n s e ne ta 1 ，1 9 9 9 ，2 0 0 6 ) ，分辨率为o 5 0 0 5 。 ( 4 ) 美国国家海洋和大气管理局( n o a a ) 提供的1 9 4 8 2 0 0 2 年北半球逐月气旋活动 资料( h t t p ：w w w c d c n o a a g o v m a p c l i m s td a t a h t m ) 。该气旋频率和强度统计来源于n c e p 每天4 次大气再分析资料，采用m a r ks e r r e z ea n df i o n al o 的判定方法( s e r r e z ee ta 1 ，1 9 9 7 ) 。 其中，气旋中心强度由局地气压拉普拉斯项( l o c a ll a p l a c i a no f p r e s s u r e ) 来反映，分辨率 为1 0 1 0 。 ( 5 ) i s h i i 温盐资料( v e r s i o n6 7 ) 是日本气象局提供的1 9 4 5 2 0 0 5 年的逐月平均客观分 析三维温盐场( i s h i ie ta 1 ，2 0 0 3 ，2 0 0 5 ，2 0 0 6 ) ，主要基于w o d 0 5 ( w o r l do c e a n d a t a b a s e ) ( b o y e re ta 1 ，2 0 0 6 ) 构建而成，同时采用了全球温盐剖面计划采集的1 9 9 0 2 0 0 5 年的温盐 数据，垂直方向有1 6 层( o 7 0 0 m ) ，各层的水平分辨率是l o x l o 。为了验证资料的可靠性， 本文也选用了美国马里兰大学简单海洋同化模式( s o d a ) 的输出产品，该模式基于p a r a l l e l o c e a np r o g r a m 动力模块，结果包含盐度、温度、水平和垂直速度以及风应力旋度等。本 文利用1 9 5 8 2 0 0 1 年的s o d a - p o e 2 0 2 和2 0 0 2 2 0 0 7 年的s o d a p o p 2 0 4 得到逐月结果 ( c a r t o ne ta 1 ，2 0 0 5 ) ，共4 0 层( 5 0 1 5 3 7 4 m ) ，分辨率为0 5 0 x o 0 。 7 第二章资料与方法 ( 6 ) 本文所用的太平洋年代际振荡( p d o ) 指数和北极涛动( a o ) 指数均取自 2 2 研究方法 文中主要采用线性倾向估计、相关分析、e o f 和谐波分析等分析方法( w i l k se ta 1 ， 1 9 9 5 ；魏凤英等，1 9 9 9 ) ，其中显著性检验采用t 检验方法。本文中夏季指6 8 月( j j a ) 三 个月的平均值。 2 2 1 距平 最常用的表示气候变量偏离正常情况的量是距平。一组数据的某一个数z ，与均值之间 的差就是距平，即 x i xi = 1 , 2 ，3o 9 r 气候变量的一组数据一，z 2 ，屯，z 。与其均值的差异就构成了距平序列： ( 2 1 ) 工i z ，x 2 一工，z 3 一x ，x 月一戈 ( 2 2 ) 在气候诊断分析中，常用距平序列来代替气候变量本身的观测数据。任何气候变量序列， 经过中心化处理，都可以化为平均值为0 的序列。 2 2 2 线性倾向估计 如果容量为，l 的气候变t y 与时间z 存在统计线性关系，则气候变量的估计值夕与x 有如下关系： 夕= b o + k ( 2 3 ) 使全部观测值y ，与回归估计值夕，的离差平方和达到最小值，即 8 第二章资料与方法 q ( b o ，6 ) = ( 一乡，) 2 专r n i n 其中y 表示时间序列的实际水平，夕表示相应水平的趋势值。 根据微积分学中的极值原理，要求 a _ q q ：0 望：0 o b 7 将( 2 1 ) ( 2 2 ) 代入上式有 r i 一2 z ( y ，一6 0 - b x ，) = 0 i f - l 1 1 2 2 ( y f - b o - b x f ) 曩= 0 l 括l 整理上式得到回归常数b o ，回归系数6 的方程组 l 刀b o + 6 工，= y ； 。 扫1 。 矧 。 1 6 0 一+ 6 z ，2 - z 毛y ， ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 上述求回归系数的方法称为最d - - - 乘法。回归系数b 的符号表示气候变量的趋势倾向，当 b 0 时，说明随时间x 的增加y 呈上升趋势：当b 0 时，表明两变量呈正相关： 当， t a ，则拒绝原假设， 认为相关系数显著。 2 2 4 滑动平均 滑动平均是趋势拟合技术的最基础的方法，它相当于低通滤波器。用确定时间序列的 平滑值来显示变化趋势。对样本量为，z 的序列石，其滑动平均序列表示为： 铲昙和棚- - 1 , 2 , - , n - k + 1 ) 旺 式中k 为滑动长度。作为一种规则，k 最好取奇数，以使滑动平均值可以加到时间序列中 项的时间坐标上，若k 取偶数，可以对滑动平均后的新序列取每两项的平均值，以使滑动 平均对准中间排列。 可以证明，经过滑动平均后，可以消除序列中由于偶然因素所引起的不规则变动，序 列中短于滑动长度的周期大大削弱，从而呈现出现象在较长时间的基本发展趋势。 l o 芬 = f 第二章资料与方法 2 2 5 滑动t 检验 滑动t 检验是通过考察两组样本平均值的差异是否显著来检验突变。本文用的主要是 滑动t 检验，其基本思想是把一气候序列中两段子序列均值有无显著差异看做来自两个总 体均值有无显著差异的问题来检验。如果两段子序列的均值差异超过了一定的显著性水平， 可以认为均值发生了质变，有突变发生。 我们把一个连续的随机变量x 分成两个子样本集五和x 2 ，让，j ，2 ，n i 分别代表一 的平均值，方差和样本长度( i = 1 , 2 ) 。其中以；根据需要人为地定义长度。 对于具有n 个样本量的时间序列x ，人为设置某一时刻为基准点，基准点前后两段子 序列而和z 2 的样本长度分别为n l 、以2 ，两段子序列平均值分别为工1 和x 2 ，方差分别是 s 2 i 和s 2 2 。然后进行连续的滑动计算，得到t 的统计量序列。给定显著性水平口，确定 临界值f 。，若川 f 口，则认为基准点前后的两子序列均值无显著差异，否则认为在基准 点时刻出现了突变。 其中 咒1以2 s ：! ! ! 二! 迸亟二! 选 咒l + 力2 2 方程( 2 i i ) 遵从自由度y = n l + 聆2 2 的f 分布。 2 2 6m a n n k e n d a l l ( m k ) 检验方法 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) m k 方法以气候序列稳定为前提，且序列是随机独立的，其概率分布等同。原假设h o ： 气候序列没有变化的情况下，设此序列为x i , x 2 ，h ，m ，表示第i + r 4 本x i 大于x ， 2一，工一 一x 一 一 一一 + - ，满哥 = b 第二章资料与方法 ( 1 时，接受原假设风，当口 g o 时，原假设被否定， 表示此样本序列存在明显的增长或减少趋势。所有“( 以) ( 1 后) 将组成一条曲线c 。， 通过信度检验可知其是否有变化趋势。 把此方法引用到反向序列中，肌j 表示第f 个样本t 大于t ( 1 f ) 的累计数， 当i 7 = n + i - i 时，如果m f = m f ，则反序列的“( 噍) 由下式给出： u ( d t ) = u ( d f ) i = + l - i ，( f ，i 1 , 2 ，) ( 2 1 3 ) 所有u ( 以) 绘成曲线c 2 。当曲线c 。超过信度线，即表示存在明显的变化趋势，如果c i 和c 2 的交叉点在信度线之间，这个点便是突变点的开始。 另外，当曲线c l 超过信度线，但c l 和c 2 的交叉点位于信度区间之外，这是即不能轻 易认定这个点是突变点，也不能说它不是。 2 2 7 经验正交函数分解( e o f ) 经验正交函数( e m p i r i c a lo r t h o g o n a lf u n c t i o n ) 是分析场序列的常用方法。它是把某 一要素场序列分解成正交的时间函数与正交的空间函数乘积之和，即： ( 2 1 4 ) 式中，为要素场，i = 1 , 2 ，研为时间序号，_ ，二1 , 2 ，刀为站点序号；t h 为时间函 1 2 瓦 捌 = 驴 z 第二章资料与方法 数，为空间函数，h = 1 , 2 ，h 为分解场的个数。 通常把空间函数视为典型场，它完全随空间变化，而不随时间变化；而把只随时 间变化的时间函数瓦视为典型场的权重系数。经验正交函数一般收敛很快，其前几个典型 场之和就能大体代表实际场，时间系数的变化则反应各典型场在不同时刻的重要程度。 2 2 8 谐波分析 为将时间序列的年际、年代际尺度分量分离，采用谐波分析( w i l k s e t a l ，1 9 9 5 ：w a n g e ta 1 ，1 9 9 7 ) 的方法，具体方法步骤如下： ( 1 ) 设某站点( 或网格点) 的要素时间序列为石( f y ) ，其中0 为年序，t ，= 1 历( 年) ， 由此求得聊年平均值一= 去茎蚓及聊年距平序列异常序舭 工( f j ，) = z ( f y ) 一工，t j ，= 1 m ( 2 ) 对z 7 ( f y ) 作完整谐波分析，得 x ( f y ) = kc o s ( o k ( t ，- 1 ) + b ts i n c o , ( t y 一1 ) ( 2 1 5 ) 其中，k 为波数，总波数k = m 1 2 ( m 为偶数) 或k = ( m - 1 ) 2 ( ，z 为奇数) ；纰为k 波的角频率q ：至堕 ，竹 谐波展开系数 口t2 x qy ) c o s w 七( t y z ( f y ) c o s w , ( t j ， - 1 ) 】( 尼= 1 k 一1 ) - 1 ) 】( 七= k ) 钆= 昙秘加i n 吼( t - ，- - 1 ) 】 1 3 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 。一所伊 2 一m 一m ，-_l-tj、l_ 第二章资料与方法 k91 01 11 21 31 41 51 6 七1 71 81 92 02 12 2 ( 3