（气象学专业论文）华南前春降水特征及其与青藏高原地温年代际异常的关系.pdf

摘要 华南前春降水特征及其与青藏高原地温年 代际异常的关系 专业：气象学 硕士生：张锦标 指导老师：温之平教授 摘要 本文利用1 9 6 0 - - - 2 0 0 5 年n c e p n c a r 再分析资料及全国7 3 0 站降水资料，通 过经验正交函数分解( e o f ) 、m o r l e t 小波分析、奇异值分析( s v d ) 、相关及合成 等常用统计分析方法，在对华南前春时段进行定义划分的基础上，分析了华南前 春降水及相应大气环流的基本特征，并讨论了华南前春降水与前期青藏高原地表 温度异常间的关系，根据高原地温年代际异常对有关气象要素及环流场进行合成 分析，最后对前期青藏高原地表温度年代际异常影响华南前春降水的可能机理进 行了初步探讨。主要结论如下： ( 1 ) 从气候平均上来看，华南前春降水属于江南地区至日本以东呈东北一西 南走向雨带的一部分，前春时段华南地区降水呈稳定快速上升的趋势；华南前春 降水具有明显的时空分布特征，其e o f 前三模态空间分布分别表现为全区一致 型、东西反相型及南北反相型分布。 ( 2 ) 华南前春降水与超前不同时刻的青藏高原地表温度都存在着显著负相 关，但与前期8 - - - 1 9 候青藏高原地表温度间相关最好。进一步分析表明，前期8 1 9 候高原地温与华南前春降水问的高相关属于年代际尺度上的耦合，1 9 6 0 - - - 1 9 7 7 年为高原地表温度偏高阶段，对应华南前春降水阶段性偏少，而1 9 7 8 - 1 9 9 5 年为高原地表温度偏低阶段，对应华南前春降水阶段性偏多。前期高原地表温度 年代际异常偏低与偏高阶段相比，对应前春环流形势差异为：副高加强西伸，其 m 摘要 西侧偏强西南风使得华南地区水汽输送偏强；且低层蒙古附近高压和北太平洋地 区低压同时偏强，对应中层东亚大槽偏强，冷空气南下也偏强；异常偏强的冷暖 空气交绥造成华南地区水汽通量辐合及上升运动偏强，以致年代际降水异常偏 多。 ( 3 ) 根据热力适应理论进行初步分析后认为，8 1 9 候高原地表温度年代际 异常( 偏低减偏高) 造成的感热加热异常，有利于激发低层8 5 0 h p a 出现环绕高 原的距平反气旋式环流，高层2 0 0 h p a 则为环绕高原的距平气旋式环流。这种高、 低层的异常环流形势可以从前期8 - - - 1 9 候一直持续到前春时段。前春低层8 5 0 h p a 环绕高原的距平反气旋与菲律宾以东距平反气旋( p e a 遥相关型激发) 相配合， 使得华南西北部地区盛行距平东北风，而南海至华南东南部盛行距平西南风，因 此华南地区低层处于距平气旋式环流的控制之下，有利其前春降水异常偏多。 关键词：华南，前春降水，青藏高原，地表温度，热力适应 i v a b s t r a d f e a t u r e so f e a r l ys p r i n gp r e c i p i t a t i o n o v e r s o u t hc h i n aa n di t sr e l a t i o n s h i pw i t h d e c a d a la n o m a l i e so fs u r f a c et e m p e r a t u r e o v e rt h et i b e t a np l a t e a u m a j o r ：m e t e o r o l o g y n a m e ：z h a n g j i n b i a o s u p e r v i s o r ：p r o f w e nz h i p i n g a bs t r a c t b a s e do ne m p i r i c a lo r t h o g o n a lf u n c t i o n ( e o f ) ，m o r l e tw a v e l e ta n a l y s i s ， s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ( s v d ) ，c o r r e h t i o na n a l y s i sa n dc o m p o s i t ea n a l y s i s m e t h o d s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fe a r l ys p r i n gp r e c i p i t a t i o no v e rs o u t hc h i n a ( s c ) a n d r e l a t e da t m o s p h e r i cc i r c u l a t i o nf i e l d sa r ei n v e s t i g a t e dw i t hn c e p n c a rr e a n a l y s i s d a t aa n dp r e c i p i t a t i o nd a t ao f7 3 0s t a t i o n si nc h i n af r o m1 9 6 0 - 2 0 0 5 a n dt h e nt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ne a r l ys p r i n gp r e c i p i t a t i o na n dt h ep r o p h a s es u r f a c et e m p e r a t u r e o v e rt h et i b e t a np l a t e a u ( 皿) i sp r e s e n t e d i ti sf o u n dt h a td e c a d a la n o m a l i e so ft h e s u r f a c et e m p e r a t u r eo v e rt p m a y h a v ei n f l u e n c eo nt h ep r e c i p i t a t i o ni ne a r l ys p r i n go f s c t h ep o s s i b l em e c h a n i s mi sf u r t h e rd i s c u s s e d s o m em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i nl o n gt e r mm e a n , e a r l ys p r i n gp r e c i p i t a t i o no v e rs ci s ap a r to ft h e n o r t h e a s t s o u t h w e s tr a i nb e l ti ne a s t e r nc h i n a ；i ti n c r e a s e ss t e a d i l yd u r i n ge a r l y s p r i n g e o fa n a l y s i ss h o w st h a tt h r e em a i nm o d e so fe a r l ys p r i n gp r e c i p i t a t i o no v e r s ca r et h ew h o l e - a r e a - c o n s i s t e n tp a t t e r n , t h ee a s t - w e s tr e v e r s e dp a t t e r n , a n dt h e s o u t h n o r t hr e v e r s e dp a t t e r n ( 2 ) o b v i o u sn e g a t i v ec o r r e l a t i o ne x i s t sw h e ns k i nt e m p e r a t u r eo v e rt pi sl e a d i n g v a b s t r a c t p r e c i p i t a t i o ni ne a r l ys p r i n go fs c a n dt h eh i g h e s tc o r r e l a t i o no c c u r sw h e ns k i n t e m p e r a t u r ei sl e a d i n g5p e n t a d s ( t h e8 t h - 1 9 t hp e n t a d ) f u r t h e ra n a l y s i sf o u n dt h a t 8 t h 1 9 t hp e n t a ds k i nt e m p e r a t u r eo v e rt pa f f e c t st h ee a r l ys p r i n gp r e c i p i t a t i o no v e r s cm o s t l yi nad e c a d a ls c a l e t h ec i r c u l a t i o nf i e l d si ne a r l ys p r i n gc o r r e s p o n d i n gt o p r o p h a s es u r f a c et e m p e r a t u r ea n o m a l i e s ( d e c a d a ll o w e rm i n e r sh i g h e r ) s h o w st h a t ：t h e s o u t h w e s tf l o wt os cb e c o m e ss t r o n g e rf o rt h ew e s t w a r de x t e n s i o no fs u b t r o p i c a l h i g h ，a n dt h es o u t h w a r dc o l da i ri sa l s os t r o n g e rd u et ot h ee n h a n c e dm o n g o l i ah i g h a n dn o r t hp a c i f i cl o w t h e r e f o r e ，w h e nt h ep r o p h a s et e m p e r a t u r eo v e rt pi sd e c a d a l h i g h e r ( 1 0 w e 0 ，t h ep r e c i p i t a t i o ni ne a r l ys p r i n gb e c o m e sl e s s ( m o r e ) ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h et h e r m a la d a p t a t i o nt h e o r y , w h e nt h es k i nt e m p e r a t u r eo v e r t pi sd e c a d a ll o w e ri n8 t h 一1 9 t hp e n t a d ，a na b n o r m a la n t i c y c l o n e ( c y c l o n e ) w i l lo c c u r a r o u n dt pa t8 5 0 h p a ( 2 0 0 h p a ) t h i sk i n do fc i r c u l a t i o nc a np e r s i s tt i l le a r l ys p r i n g t h ea b n o r m a la n t i c y c l o n ea r o u n dt pa t8 5 0 h p ac o m b i n e sw i t ht h ea b n o r m a l a n t i c y c l o n e ( c a u s e db yt h ep e at e l e c o n n e c t i o n ) i nt h ee a s to fp h i l i p p i n es e ac a n c a u s ea b n o r m a ln o r t h - - e a s tw i n di nn o r t h - - w e s tp a r to fs ca n da b n o r m a ls o u t h - w e s t w i n di ns o u t h - e a s tp a r to fs c t h e r e f o r e ，i nl o w e rl e v e lo fs c , i ti sc o n t r o l l e db ya n a b n o r m a lc y c l o n e ，w h i c hi sb e n e f i c i a lf o rm o r ep r e c i p i t a t i o ni ns c k e yw o r d s ：s o u t hc h i n a ，e a r l ys p r i n gp r e c i p i t a t i o n , t i b e t a np l a t e a u ，s k i nt e m p e r a t u r e ， t h e r m a la d a p t a t i o n v i 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：乏雩锖j 学 日期：加d 7 年月6 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：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、院系资料室 被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：矜铸杨导师签名：( 聊 日期：知7 年6 月日日期：咖9 年占月3 日 第一章引言 1 1 研究意义 第一章引言 华南地区既是气候资源优越的地区，又是气象灾害频繁且严重的地区，因 此研究其降水规律有着非常重要的意义。许多学者对华南旱涝( 前、后汛期) 进行 了研究，取得了一定的成果。 就整个华南来说，前汛期占全年降水4 0 , - - - 5 0 或更多，降水集中，造成灾 害程度较严重，故更加受到重视，因此有学者将华南前汛期进一步细分，指出华 南前汛期降水包含了锋面性质的降水和热带季风降水h q l ，前汛期的初期和后期 由于降水性质的不同会导致降水分布的差异。 到目前为止，对华南春季降水的研究相对较少。春季降水量比夏季少，但 是春季是农作物生长的重要时期，降水异常对春耕播种以及农作物生长有着 重要影响m 3 ；资料统计说明，华南严重春早往往是大范围的，且各省早期大多 同步，而夏秋旱往往此有彼无，发生时段也有所差异，不象春旱那么一致m ；近 年来华南春旱日趋严重，连旱也时常发生，如1 9 9 8 年1 1 月至1 9 9 9 年4 月、2 0 0 4 年1 0 月至2 0 0 5 年4 月华南部分地区发生了持续秋冬春三季的连旱，对工农业及 生活用水等影响很大。因此，研究华南春季降水变化特征及其影响机制，及时 做好预报并制定对策，防灾减灾，意义重大。 1 2 研究现状 1 2 1 华南春季降水研究概况 前面已经提到，对华南旱涝的研究主要侧重于对汛期的研究，其研究成果 也相对较成熟。在降水规律方面，文献口1 中对华南降水的一般气候变化规律进行 了描述；吴尚森等哺刮用1 5 个站的资料讨论过华南前后汛期降水量的时空分布特 征；纪忠萍等n 们研究了广州前汛期和后汛期降水的多时间尺度变化特征。在降水 成因方面，对影响华南汛期降水的各种因子，如副热带高压、海表温度、热带低 1 第一章引言 纬环流、极冰、n a o ( n o r t ha t l a n t i co s c i l l a t i o n ) 等都有学者进行了研究n h 町。 随着对汛期降水研究的不断深入，作为夏季风爆发前的过渡季节一春季， 也越来越受到学者的关注，由于所处季节不同，影响春季与汛期降水的大尺度环 流背景形势也有所不同，因此，华南春季降水的变化规律及成因与汛期降水存在 明显的差别。 在降水变化规律方面，谷德军等n 钔认为，广卅i 春季降水存在以准2 年为主 的年际变化和以3 0 年为主的年代际变化，目前处于年代际尺度上的少雨时段； 纪忠萍等啪3 研究指出广东春季降水具有明显的2 - - , 3 年和4 年左右的年际变化以 及3 6 年左右的年代际变化周期，2 0 世纪9 0 年代以来严重春旱的发生呈增多趋 势；郑彬等h 1 对比了华南前汛期前期锋面降水( 性质上属于春季降水) 和后期季 风降水的空间分布特征，结果表明华南前汛期的锋面降水分布主要有三种类型： 即全区旱涝型、西南涝( 旱) 东北旱( 涝) 型、东南涝( 早) 西北旱( 涝) 型。 以上分析表明，华南春季降水具有明显时空分布特征，年际、年代际变化周期显 著，且在空间分布上也具有其独特性。 在华南春季降水成因方面，热带海温异常成了众多学者关注的焦点。如谷 德军等n 钔认为：n i n 0 3 区的海温异常是广州春季降水异常的最强前兆信号，前冬 n i n 0 3 区海温异常对广州春季降水的影响是通过影响春季北太平洋副热带高压 和低层风场异常实现的；陆丹等乜妇利用s v d 方法研究了广西秋季到第2 年3 月降 水与海温场间的关系，第一耦合场表现为明显e n s o 信号，因此认为e n s o 的变化 是造成华南秋冬春特大干旱的原因之一；任广成等陇1 也研究表明，当前一年出现 厄尔尼诺现象时，东南沿海3 月降水偏多；反之，前一年出现拉尼娜现象，东南 沿海3 月降水偏少。 除此之外，欧亚大陆中高纬度系统异常同样受到了学者的关注。张恒德等 认为，在春季，若i i 区( 1 5 0 。e 一- - 1 2 0 。w ) 极涡面积异常大，i 区( 6 0 1 5 0 。e ) 、 i i i 区( 1 2 0 - - 3 0 。w ) 极涡强度异常弱，长江、黄河之间中游地区降水出现负距 平，广东、福建沿海降水则为正距平；王会军等1 则研究指出，华南春季降水年 际变化与热带大气环流关系不大，主要受太平洋北部异常环流影响，这种异常环 流又与亚洲北部西风急流和极地涡旋有关；纪忠萍等啪1 也认为：广东春季降水的 异常主要与极涡、亚洲大陆及其以北的5 0 0 h p a 环流异常有关。异常春早年5 0 0 h p a 2 第一章引言 同期环流场上极涡较强，偏向鄂霍次克海，亚洲大陆及其以北为明显的正高度距 平，冷空气的活动偏强，副高偏东偏弱，异常涝年情况则基本相反。 也有学者从定量诊断角度探讨华南春季降水成因，如温之平等3 从建立在 流体所有守恒定律的华南局地纬向平均经向环流数学模式入手，在成功地模拟了 导致华南春旱的华南地区1 0 5 - - - , 1 2 0 。e 纬向平均经向环流后，定量地诊断分析了 各动力热力因子对该经向环流的贡献。 1 2 2 青藏高原研究现状 在亚洲季风区，耸立着世界上面积最大、平均高度最高、地形最为复杂的 青藏高原，它东西长约3 0 0 0 公里，接近大气长波的半波长尺度；南北宽约1 0 0 0 公里，相当于大气长波的振幅；主体大部分地方海拔超过3 0 0 0 米，直达对流层 中层，因此青藏高原对其邻近地区乃至全球的环流系统和天气气候均有显著影 响。 在1 9 5 0 年之前，有关青藏高原的研究大都集中在其大地形机械作用对大气 环流和气候的影响上，一系列理论研究乜蚴1 及数值试验晒1 揭示了山脉对大气环流 产生的重要作用。到了2 0 世纪5 0 年代中期，叶笃正汹1 和f l o h n 妇几乎同时分别 发现青藏高原在夏季是大气运动的热源，从此青藏高原加热场的时空分布特征及 其对天气气候的影响开始成为气象学研究的重要领域。如y a n a i 与其合作者d 糊3 曾利用倒算法，对高原的加热特征进行了一系列深入研究。我国在青藏高原研究 方面也取得了一些重要的成果，通过开展两次大规模的青藏高原大气科学试验， 揭示出了高原许多重要的大气现象汹一。以青藏高原动力和热力强迫作用为核心 的青藏高原气象学，目前已经成为重要的天气、气候研究领域。 1 2 3 青藏高原对华南汛期降水的影响 青藏高原的存在使得亚洲季风区成为全球最强且最为复杂的季风区。h a h n 和m a n a b e 口力通过数值试验发现，只有在模式中加入高原地形才能模拟出亚洲季 风；w u 和z h a n g 啪1 指出，青藏高原的热力和机械强迫是导致亚洲季风爆发呈阶段 3 第一章引言 性和区域性变化的一个重要因子。中国属于典型的季风气候区，高原对季风活动 的影响势必会对我国夏季大范围地区的旱涝产生影响。 不少学者关注了青藏高原对华南汛期降水的影响，得到了一些有意义的结 论。张艳口刚通过相关分析，发现高原地区( 8 0 - - 1 0 0 。e ，3 0 - 4 0 。n ) 3 月的地表 温度异常与华南前汛期降水有很好的负相关，青藏高原热力异常使高原东侧中国 大陆地区对流层低层维持异常经向风和太平洋热带地区出现异常反气旋环流差 异，造成华南地区低层辐合增强，高层辐散增强，有利于华南地区降水；张爱华 等1 探讨了青藏高原冬季至初夏冷暖特征及其与广西前汛期降水的关系，认为冬 季高原大气冷暖存在着较显著的持续性，为此将制约后期高原大气冷暖，从而影 响广西前汛期降水；蔡学湛等h 妇通过典型旱涝年前期对比诊断与相关分析，指出 青藏高原雪盖对华南i j 汛期降水的影响相当显著，前冬春多( 少) 雪年有利于前汛 期雨涝( 干旱) 。 1 3 问题的提出 迄今为止，对华南旱涝的研究大多集中在对汛期的研究上，且已有的对华 南春季降水的研究中，都将华南春季作为一个整体进行研究，春季的时间范围为 3 5 月，而5 月份恰好为南海夏季风爆发所在月份，南海季风爆发前为锋面性 质降水，爆发后则为季风性质降水，因此笼统地将春季降水当成一个整体研究是 不恰当的。 影响降水的因子众多，在探讨华南春季旱涝成因时，许多学者都将目光集 中在热带海温和极涡上，而忽略了对其它因子，如高原大地形等的关注。青藏高 原对季风和汛期降水的影响已经得到广泛的验证和较为完善的理论支持，相比较 而言，高原对过渡季节的影响有关研究才刚刚起步，最近开始有学者h 糊3 认识到 青藏高原对华南春季降水具有重要作用。但这些研究仅仅是从气候平均角度上， 阐述了高原的动力、热力对华南春季降水的维持作用，至于高原热力异常是否会 造成相应的华南春季降水异常，其影响程度如何，作用的中间过程及可能机理是 什么，目前仍然没有答案。 综上所述，如何对华南春季进一步定义划分，以区分锋面和季风性质降水， 4 第一章引言 其相应的降水分布特征如何? 华南春季降水与青藏高原热力异常间有着怎样的 关系? 它们之间产生作用的可能物理机制是什么? 都是值得研究及探讨的问题。 1 4 研究的内容 本文首先对华南前春时段进行定义划分，并分析了华南前春降水及相应大 气环流的基本特征；接着利用相关分析、奇异值分析等统计方法对华南前春降水 与青藏高原地表温度异常间的关系进行了定性分析；最后初步探讨了前期青藏高 原地表温度年代际异常影响华南前春降水的可能机理。 所用的资料和方法介绍见第二章：第三章分析了华南前春降水的气候平均和 时空分布特征，并将华南前春降水和环流形势特征与前期冬季和后期初夏进行对 比分析；第四章定性分析了华南前春降水与青藏高原地表温度异常间的关系，并 根据前期地温年代际异常对前春气象要素及环流场进行合成分析；第五章则利用 热力适应理论，对前期青藏高原地表温度年代际异常影响华南前春降水可能物理 过程进行初步探讨；第六章是总结和讨论。 5 第二章资料和分析方法 第二章资料和分析方法 2 1 资料来源 ( 1 ) 国家气候中心提供的1 9 6 0 ，- - 2 0 0 5 年全国7 3 0 站逐日降水资料。 ( 2 ) 国家气候中心提供的1 9 6 0 - - - , 2 0 0 5 年7 4 项环流指数资料。 ( 3 ) n c e p n c a r ( 美国国家大气研究中心环境预测中心) 提供的1 9 6 0 2 0 0 5 年全球逐日再分析资料m 3 ，包括1 7 层水平风速及位势高度场、1 2 层垂直速度场 以及8 层相对湿度场等，水平空间分辨率为2 5 。2 5 。；以及1 9 6 0 2 0 0 5 年 全球逐日地表温度( s k i nt e m p e r a t u r e ) 资料，以高斯格点形式存放。 ( 4 ) n o a a ( 美国国家海洋和大气局) 提供的1 9 6 0 - - 2 0 0 5 年逐月e r s s t 海温 资料h 副，水平空间分辨率为2 o 。2 0 。；以及1 9 7 9 , - - - 2 0 0 5 年逐候c m a p 降水 资料m 1 ，水平空间分辨率为2 5 。2 5 。 2 2 数据处理和分析方法 数据处理：本文首先根据需要对全国7 3 0 站逐日降水资料进行候平均、月平 均处理，且在画图时将站点资料插值成0 2 5 。0 2 5 。均匀网格点形式；并从 全国7 3 0 站中选取广东、广西两省代表华南区域，在该区域中共有4 7 个台站， 这些站点分布均匀，能较好地代表华南地区，站点分布如图2 - i 所示。 图2 - i 华南4 7 个站点( 实心圆) 分布图 6 第二章资料和分析方法 分析方法：本文采用的方法主要有线性相关分析、合成分析及两组样本平 均值差异的显著性t 检验、经验正交函数分解方法( e o f ) 、m o r l e t 小波分析及奇 异值分析方法( s v d ) 等，下面对几种主要方法做简单介绍。 2 2 1 经验正交函数分解方法( e o f ) 经验正交分解( 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 ) 最早由统计学家p e a r s o n “刀 在1 9 0 2 年提出，5 0 年代l o r e n z 将其引入到大气科学的研究中，该方法具有一 系列突出优点。简单来说，经验正交函数展开就是将气象变量场分解成相互正交 的空间典型场和与之相对应的时间序列两部分，功能是将主要的空间分布结构有 效地分离出来啪1 。 将某气象变量场以矩阵表示( 所是空间点，刀是时间数) x = 毛l而2 x 2 1x 2 2 l 2 工2 ： 将上述矩阵分解为空间函数矿和时间函数z 两部分 x v z 其中y 、z 分别称为空间函数矩阵和时间函数矩阵。y 的每一列表示一个 空间典型场，只与空间有关。根据正交性，空间典型场和时间权重系数应满足以 下条件： y r y 。r 。j 三z z r 人 2 2 2 小波分析 虽然f o u r i e r 变换方法可以对某一周期变化的序列进行频率上的局部化， 但在空间时间上没有任何局部化，而小波则具有这项功能。小波变换基于仿射群 的不变性，即平移和伸缩的不变性，从而允许把一个信号分解为时间和频率( 空 7 第二章资料和分析方法 间和尺度) 的贡献。小波变换对于信号处理十分有用，它在n 维场中已具有分辨 不同尺度的“显微镜”作用和具有分离信号在不同角度贡献的“偏振境 作用。 气候资料含有多时间尺度性，由于大小尺度相互包含，所以就显得杂乱无章，用 传统的统计辨别方法很难判别其演变过程，而小波分析具有多方辨性。它就好像 是数学放大镜，调节其放大倍数( 1 a ) 就可以清楚地看出气候时间序列在各个层 次上的变化趋势以及各层次突变点的确切位置h 钔。 对于一维时间序列x q ) ，其小波变换定义为： w 瓴沪吒( t ) d t = 去弘叭譬渺 其中：w ( 口，b ) 是小波系数，a 是尺度参数，b 是位置平移参数，1 王，曲o ) 是 小波的函数，v + o ) 是小波函数平曲o ) 的共轭函数。小波函数l l ，曲o ) 可以取不同 的形式，本文采用m o r l e t 小波变换咖3 。 2 2 3 奇异值分析方法( s v d ) 奇异值分解( s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ) 是国外学者提出并用于研究两 个气象场相关特征的诊断技术。近来已被广泛用于气候诊断分析中，s v d 方法的 详细介绍可参阅国外文献璐1 硎，下面对该方法进行简单介绍。 设两个气象场，x 冉( 左) ，。：k ( 右) ，m ，、m ：是空间点数，n 为样本数。 s v d 方法对x y r 作奇异值分解，求得奇异值呸，f = 1 ，厂，sm i n ( m l ，m 2 ) 及正交的左、右奇异向量及时间系数。成对的奇异向量构成一对s v d 空间模态。 这种方法的效果量度指标有： ( 1 ) s c f k ：善2 1 0 0 善z 表示第k 个s v d 模所解释的平方协方差的百分比，即模态贡献率。 8 第二章资料和分析厅法 呱；娶舢 善仃? 是前尼个s v d 模所解释的方差百分比，称累积贡献率。这里盯。2 盯：苫q 。 ( 3 ) r ，场问相关系数 它是第七个左、右场的特征型随时间变化的相关性的量度。r 与奇异值吼 成比例。 此外，左( 右) 奇异向量的时间系数与右( 左) 观测场格点的时间序列之 间的相关，称为非齐次或异性( h e t e r o g e n e o u s ) 相关，它与右( 左) 奇异向量只 差常数倍数。同样，还可以将左( 右) 奇异向量的时间系数与左( 右) 观测场格 点的时间序列求相关，称为齐次或同性( h o m o g e n e o u s ) 相关。通常只分析非齐次 相关。 9 第二章华南前春降水及环流特征 第三章华南前春降水及环流特征 气候学上将春季定义为3 - - 5 月，春季降水事实上已经包含一部分季风性质 降水在里面，为了更好地分析华南春季降水的特征，本章定义划分了华南i j 春时 段，并且对这一时段降水的气候平均和时空分布特征进行了分析。此外，还将前 春时段的环流特征与前期冬季和后期初夏进行对比，试图找出影响华南前春降水 的主要环流系统。 3 1 前春时段的划分 春季的时间范围为3 - - - 5 月，而5 月份恰好为南海季风爆发所在月份。沈如 桂等旧1 曾研究指出，华南前汛期初期的降水与南海高压脊北侧的偏西气流和西风 带南支气流有关，而随着南海夏季风的建立和加强，华南开始受季风环流控制， 前汛期进入后期。可见，夏季风的爆发前后降水性质存在明显不同，爆发前为锋 面性质降水，而爆发后则为季风性质降水。在分析华南春季降水的特征时，为了 保证降水的单一性，有必要对春季进一步细分，将季风性质降水排除在外，而南 海夏季风的爆发日期显然是划分的关键。 关于南海夏季风爆发的指数目前有很多，虽然这些指数定义的爆发日期基 本一致( 5 月第4 候) ，但个别年份却不尽相同泓1 。前人已有的季风指数在时间 长度上无法满足我们的研究需要，因此本文首先对1 9 6 0 - - 2 0 0 5 年的季风爆发日 期进行了统计，采用的是温之平等汹3 定义的南海夏季风爆发季风指数( i u h ) ： i u h i u n r a 当i u 0 m h ；砌当i u 0 i u = u 渤 i h = h 。一h 。 其中u 8 卯为5 1 7 5 。n ，i i 0 - - ，1 2 0 。e 区域平均8 5 0 h p a 纬向风，h s 和h 。 分别为5 。n ，1 1 7 5 。e 和1 7 5 。n ，1 1 7 5 。e 两个选定点上的8 5 0 h p a 位势高度。 1 0 第三章华南前春降水及环流特征 正i h 值表示南海高压脊已东撤。这个指数主要考虑季风建立时低层为偏东风且 南海高压已撤出南海这一环流形势的变化。 根据以上定义，得出1 9 6 0 - 2 0 0 5 年南海夏季风爆发日期( 表3 1 ) ，由表中 可知，季风爆发的平均日期为5 月第4 候，与其它指数所得结果相一致。 根据南海夏季风爆发指数，可以对春季进行如下细分，将研究的时段定义 为3 月l 候至4 月6 候，也即全年的第1 3 - - - - 2 4 候，以下称为华南前春时段。从 表中可以看出，只有1 9 6 6 和1 9 9 9 年南海夏季风的爆发早于5 月份，因此将华南 前春定义为3 月1 候至4 月6 候( 全年1 3 - - - 2 4 候) ，较为合理，因为该划分基本 将南海夏季风爆发后带来的季风性质降水排除在外，保证了前春降水的单一性。 表3 - 11 9 6 0 一- - 2 0 0 5 年南海夏季风爆发日期 年份爆发日期年份爆发日期年份爆发日期年份爆发日期 1 9 6 05 2 71 9 6 15 1 41 9 6 25 。1 71 9 6 35 2 9 1 9 6 45 1 71 9 6 55 2 21 9 6 64 3 01 9 6 75 2 0 1 9 6 85 2 41 9 6 95 2 21 9 7 06 61 9 7 15 9 1 9 7 25 71 9 7 36 1 01 9 7 45 2 51 9 7 55 2 8 1 9 7 65 1 7 1 9 7 75 1 5 1 9 7 85 1 8 1 9 7 95 1 3 1 9 8 05 1 51 9 8 1 6 1 1 9 8 25 3 01 9 8 36 2 1 9 8 45 2 31 9 8 55 2 71 9 8 65 1 21 9 8 76 7 1 9 8 85 2 01 9 8 95 1 71 9 9 0 5 1 7 1 9 9 16 9 1 9 9 25 1 51 9 9 3 6 8 1 9 9 45 21 9 9 55 1 2 1 9 9 65 61 9 9 75 1 71 9 9 85 2 01 9 9 94 2 2 2 0 0 05 72 0 0 15 1 02 0 0 2 5 1 4 2 0 0 35 1 6 2 0 0 45 1 72 0 0 55 2 6 3 2 华南前春降水的气候平均及时空分布特征 在对华南前春时段进行定义划分之后，为了进一步了解华南前春降水的分 布特征和变化规律，本节从多年平均、时空演变角度出发，探讨华南前春降水的 1 1 第三章华自h u 春降水及“流特征 气候平均和时字分布特征 32l 华南前春降水的气候平均特征一空间分巾 图3 一lr f l 为1 9 7 9 2 0 0 5 多年平均的前春c m a p 降水大范围分布图，由于c m a p 降水资料的长度限制，文中只给出了1 9 7 9 2 0 0 5 多年平均的降水图，但它仍能 代表降水的气候分旬情况。由图中可知，在前春时段，从华南东北部到江南地区 再到日本以东存在着一条东北一西南走向的雨带，其中江南地区和日本以东为降 水大值中心。从空间分布上来看，华南前春降水属于整个中国东部雨带的一部分， 华南地处雨带的西南边缘，由于整个雨带呈东北一西南走向，因此这一雨带对广 东的影响较大，广东的降水量级要比广西的大很多，可达6 m m d 以上。k a t o 等m 曾对中国东部的这一东北一西南雨带进行研究，并指出它的形成与中纬度斜压区 和大陆东岸的锋区有关。 m t il i - cl 0 ：= = 二= = = = = = = = = 二= e 二= = _ 一 4567a自 蚓3lc m a p 气候平均( 1 9 7 9 2 0 0 5 年) 前春降农分布图( 单位：n d a y ) 为了验证c m a p 资料的可靠性，利用相同时长( 1 9 7 9 2 0 0 5 年) 的全国7 3 0 站降水资料，得到中国东部多年平均前春降水分布图( 图3 - 2 a ) ，从图中看出在 江南地区确实存在降水的大值中心，且其降水量可达4 0 0 m m 以上，该大值中心向 西南延伸到华南地区的东北部，与c m a p 资料降水分布图较吻合；由于本文的研 究时段为1 9 6 0 2 0 0 5 年，因此以下同时给出了i 9 6 0 2 0 0 5 多年平均日口春站点降 水分布( 图32 b ) ，从图中可以看出，与1 9 7 9 2 0 0 5 年平均相比，降水的分布 形势差别不大，降水大值中心基本重台，只是在量级上略有差别，由此可知，华 1 2 第= 章华南前春降水及环流特征 南前春降水在气候平均惫上呈稳定分布 翳l | 隰 对于江南地区在这一时期的降水大值中心，已经有许多学者进行了研究， t i a n 等。1 将江南地区在这一时期的降水称为春季持续降水，郎s p r i n g p e r s i s t e n tr a i n ，简称s p r 并认为中南半岛与西太平洋至菲律宾之间“增暖 不同步”，从而形成向西温度梯度和向东的气压梯度，是江南春雨形成的根本原 因。w a n 等“”也对江南春雨的气候成因做了详细分析，且认为青藏高原在江南春 雨的形成过程中起丁关键作用。然而关于华南前春降水的变化规律及气候成因， 目前仍然没有得到关注。 3 2 2 华南前春降水的气候平均特征一季节内变化 前文分析了华南前春降水的气候平均空间分布特征，指出它属于江南地区 至日本以东呈东北一西南走向雨带的一部分。那么，华南降水在前春这一时段内 的变化及分布特征又如何，下面对华南前春降水的季节内变化特征进行初步分 析。 围3 - 3 给出了1 9 6 0 2 0 0 5 多年平均的华南区域( 4 7 个站点) 平均降水年变 化曲线，可以看出，在前春3 月1 候到4 月6 候( 全年1 3 2 4 候) 期间，除了 在4 月2 候左右略有起伏外，华南地区降水呈快速稳定上升趋势；5 月1 候之后， 华南降水继续迅速上升，在6 月l 候左右达到最大值，之后开始回落，意味着前 汛期降水的结束。从降水的量级上看，在前春时段，华南地区候平均降水大约为 第二章华南前春降水及环流特征 2 5 r a m 左右，比前期冬季降水要大一个量级以上，而与夏季降水相比则略微偏小。 图3 - 3 气候平均( 1 9 6 0 - - - - 2 0 0 5 年) 华南降水年变化曲线( 单位：m m ) 华南地区所跨的经度范围大约是1 0 5 1 2 0 。e ，图3 - 4 给出了1 9 6 0 2 0 0 5 年纬向1 0 5 1 2 0 。e 平均降水随时间一纬度分布图。由图可知，在前春3 月l 候至4 月6 候期间，华南至江南地区降水逐步增加，4 月1 候左右江南地区开始 出现降水大值中心，最大中心大约位于2 8 。n 附近，同时在华南地区的北部，即 2 4 2 6 。n 之间，也出现相对零散的降水大值中心，与江南春雨大值中心呈南北 对称分布，华南北部地区降水要比南部降水大得多；5 月l 候之后，华南地区所 在纬带降水继续增多，这一时期华南降水的增加可能是由于江南春雨雨带南移造 成，华南、江南降水开始连成一片，随着时间的推移，到了6 月l 候之后由于南 海夏季风的爆发，季风降水开始在华南南部( 2 1 。n 左右) 出现并北推，其量级 要比前春降水大得多。夏季风的爆发平均为5 月4 候，然而强季风雨带在华南南 部出现却到了6 月l 候左右，说明南海夏季风爆发以后，并不意味着华南夏季风 降水的开始，这与郑彬等呻1 的研究是相符的。 图3 - 5 为1 9 6 0 - - 2 0 0 5 年纬向1 0 5 - 1 2 0 。e 平均水平8 5 0 h p a 风场随时间一纬 度分布图。从图中可以看出在前春3 月l 候至4 月6 候阶段，2 0 一2 6 。n 为西南 风大值区并且稳定维持，而2 4 - - - 3 0 。n 则为强的风速辐合区( 图中阴影) ，最强 的风速辐合出现在2 8 。n 附近。2 8 。n 附近最强的风速辐合与对应于图3 - 3 中的 江南地区降水大值中心，而在2 4 。n 2 6 。n 间稍弱风速辐合则对应华南北部的 降水大值中心，总的来说，前春时段江南至华南地区整体辐合偏强( 大于 一3 5 1 0 啼s 1 ) ；到了5 月4 候左右，2 0 - - , 2 6 。n 间的西南风突然减弱，大值控制 范围在南北方向上收缩，且在3 5 。n 以北的西风也迅速减弱，对应着南海季风的 1 4 第三章华南前春降水敷环流特征 爆发；6 月1 候以后，华南所处纬度西南风再次开始加强，且量级更大，华南地 区开始进入季风性质降水阶段。 凹3 41 9 5 0 2 0 0 5 年纬向1 0 5 】2 0 9 e 平均降水年变化( 单t = 1 = m m r 35252 151 050 i 剖3 51 9 6 0 2 0 0 5 址纬向10 j 1 2 0 e 半均8 5 0 h l am 土奇年变化 ( 风速单位：m 3 ；阴影代表辐台区，单位：l 矿s - ) 3 2 3 华南前春降水的时空分布特征 在了解华南前春降水的气候平均特征的基础上，接着探讨华南前春降水的时 空分布特征。首先从全国7 3 0 站降水资料中选取广东、广西4 7 个站点代表华南， 并对其做e o f 分析，图36 给出了华南前春降水e o f 分析前三个模态的空阃分布 及对应的时间曲线，前三个模杰的方差贡献分别是4 8 秭，1 7 o ，6 5 5 ，累积 方差贡献达到7 l7 ( 表3 - 2 ) 。从前三模态空间分布中可以看出( 图a 卜c 1 ) ， 华南前春降水第