（气象学专业论文）svd分析揭示的澳大利亚高压年际变化对中国夏季气候的影响及其机制研究.pdf

摘要 利用1 9 5 8 2 0 0 6 年澳大利亚海平面气压和中国1 6 0 站月降水和温度资料，使用奇异 值分解和线性回归方法揭示了澳大利亚高压年际变化对中国夏季降水和气温的可能影 响。并进一步分析了与澳大利亚高压相关的海洋性大陆区域的海温异常对中国夏季气候 的可能影响及其机制。结果表明： ( 1 ) s v d 的第一模态( 以下统称s v d l ) 反映出澳大利亚高压的年际变化与中国江南 地区夏季降水和气温存在密切联系，也即澳高增强( 减弱) 时，江南地区降水增多( 减 少) ，气温偏低( 偏高) 。整层垂直积分大气加热场、海平面气压场、5 0 0 h p a 的高度场变 化以及降水和总云量的变化都对夏季降水和气温的形成有一定作用。 ( 2 ) 澳高对中国夏季气候的可能影响途径为：澳高强( 弱) 年时，澳大利亚地区低 层的异常辐散风场在菲律宾东侧的暖池附近产生辐合( 辐散) ，引起正( 负) 涡度源，激 发p j 型波列，伴随着在南海一西太平洋地区产生副高正异常( 负异常) ，导致副高偏西 ( 偏东) ，进而增强( 减弱) 来自孟加拉湾的水汽输送，同时江南地区水汽和异常风场辐 合( 辐散) ，有利于( 不利于) 该地区降水异常的发生和维持，有益于气温降低( 升高) 。 在强( 弱) 澳高年，印度尼西亚及热带辐合带海区s s t a 负异常使得低层风场的异常辐散 ( 辐合) ，激发了澳大利亚南部以及西太平洋地区异常反气旋环流( 异常气旋环流) 。 ( 3 ) 依据澳大利亚高压的年际变化与全球海温的相关分布确定了海温关键区，既印度 尼西亚附近海区，两者之间的时间序列相关系数高达一0 6 。这就说明当澳高偏强( 偏弱) 时，印度尼西亚海温偏低( 偏高) ，辽宁、吉林大部分以及安徽南部地区夏季降水显著偏 少( 偏多) ，江南地区被降水正距平( 负距平) 覆盖。同时，吉林辽宁大部分夏季温度显 著偏高( 偏低) ，江南地区夏季气温显著偏低( 偏高) 。 关键词：澳大利亚高压年际变化，降水和气温，夏季 a b s t r a c t b yu s i n gt h ep r e c i p i t a t i o na n dt e m p e r a t u r ed a t af r o mc h i n e s e16 0s t a t i o n sa n da u s t r a l i a n s e al e v e lp r e s s u r ed a t a , w eh a v ei n v e s t i g a t e dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e ni n t e r a n n u a lv a r i a b i l i t y o fa u s t r a l i a nh i 【g ha n ds u m m e rc l i m a t eo fc h i n au s i n gt h es v da n dr e g r e s s i o nm e t h o d s w e h a v ea l s oa n a l y z e dt h ei n f l u e c e so ft h em a r i t i m ec o n t i n e n t a ls s t ar e l a t e dt oa u s t r a l i a nh j 【g h o ns u m m e r t i m er a i n f a l la n dt e m p e r a t u r ec h a n g e si nc h i n a t h er e s u l t sa r es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： ( 1 ) t h ef i r s tm o d eo fs v d lc o m p o n e n t st h ei n t i m i t a t er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n t e r a n n u a l v a r i a b i l i t yo fa u s t r a l i a nh i 【g ha n ds u m m e rp r e c i p i t a t i o na l o n gw i n t ht e m p e r a t u r ec h a g e st h e s o u t ha e r ao ft h ey a n g t z er i v e rw h e nt h i n k i n go fe n s os i g n a l s ，t h a ti st os a y , w h e na u s t r a l i a n h i g hi ss t r o n g e r ( w e e k e r ) t h a nn o r m a l ，s u m m e rp r e c i p i t i o ni nt h es o u t ha e r ao ft h ey a n g t z er i v e r w i l lb em o r e ( 1 e s s ) w h i l es u m m e rt e m p e r a t u r ei na r e as o u t ho ft h ey a n g t z er i v e ri s s i g n i f i c a n t l yl o w e r ( h i g h e r ) t h a nn o r m a l t h ed i a b a t i ch e a t i n ga ta l ll e v e l si nt r o p o s p h e r e ，t h e g e n e r a lc i r c u l a t i o nc h a n g e sa td i f f e r e n tl e v e l sa n dv a r i a t i o n so f h ep r e c i p i t a t i o na l o n gw i t ht h e t o t a lc l o u dc o v e ra r er e s p o n s i b l ef o rt h et e m p e r a t u r ec h a g e sd u r i n gb o r e a ls u m m e r ( 2 ) a u s t r a l i ah i g hi n f l u e n c es u m m e rc l i m a t eo fc h i n ai nf o l l o w i n gw a y s ：w h e nt h e a u s t r a l i a nh i g hi ss t r o n g e r ( w e a k e r ) t h a nn o r m a l ，t h ea n o m a l o u sd i v e r g e n t ( c o n v e r g e n 0w i n d s f r o ma u s t r a l i a nr e g i o nc a u s e st h ea n o m a l o u sc o n v e r g e n c e ( d i v e r g e n c e ) i nt h ew a r mp o o r r e g i o na r o u n dt h ee a s t e r np h i l i p p i n e s ，i n d u c i n gt h ea n o m a l o u sp o s i t i v e ( n e g a t i v e ) e d d ys o u r c e t h e r e , w h i c he x c i t e st h ep jw a v ep a t t e r nt h a tp r o p a g a t e sn o r t h e a s t w a r d s i m u l t a n e o u s l yt h e w e s tp a c i f i cs u b t r o p i c a lh i g hl o c a t e sm o r ew e s t e r n ( e a s t e r n ) t h a nn o r m a l ，w h i c ht r a n s p o r t s m o r e ( 1 e s s ) w a t e rv a p o rn o r t h e a s t w a r dt oa r e as o u t ho ft h ey a n g t z er i v e r t h ea n o m a l o u s c o n v e r g e n c e ( d i v e r g e n c e ) o fw i n df i e l dt o g e t h e rw i t hv a p o u ra r ei n d u c e di na r e as o u t ho ft h e y a n g t z er i v e r , w h i c he v e n t u a l l yf a c i l i t a t e sm o r e ( 1 e s s ) r a i n f a l la n dt h ec o l d e r ( w a r m e r ) t e m p e r a t u r ei ns o u t h e r nc h i n ai nb o r e a ls u m m e r ( 3 ) t h et i m es e r i e so ft h es s t aa r o u n di n d o n e s i a ni sf o u n dt ob ev e r yh i g h l yc o r r e l a t e dw i t h i i t h ea u s t r a l i a nh i g hi n d e x ；c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n ti s 一0 6 ，t h a ti st os a y , w h e nt h ea u s t r a l i a nh i 【g h i ss t r o n g e r ( w e a k e r ) t h a nn o r m a l ，t h es s t an e a r b yi n d o n e s i a ni sn e g a t i v e ( p o s i t i v e ) i ft h es s t a w a r m e r ( c o l d e r ) t h a nn o r m a li ni n d o n e s i a nr e g i o n ，t h es u m m e rp r e c i p i t a t i o ni nm o s tp a r to f j i l i na n dl i a o n i n gp r o v i n c e sa n di na r e as o u t ho fa n h u ip r o v i n c ew i l lb el e s s ( m o r e ) p o s i t i v e ( n e g a t i v e ) r a i n f a l la n o m a l i e sa p p e a ri na r e as o u t ho ft h ey a n g t z er i v e r i nt h es a m et i m e ，w h e n t h es s t an e a r b yi n d o n e s i a ni sn e g a t i v e ( p o s i t i v e ) ，s u m m e rt e m p e r a t u r ei nm o s tp a r to fj i l i n a n dl i a o n i n gp r o v i n c e si ss i g n i f i c a n t l yh i g h e r ( 1 0 w e r ) t h a nn o r m a l ，a n dw h i c hi ni na r e as o u t h o ft h ey a n g t z er i v e ri ss i g n i f i c a n t l yl o w e r ( h i g h e r ) t h a nn o r m a l k e yw o r d s ：i n t e r a n n u a lv a r i a b i l i t yo f a u s t r a l i a nh i g h ，r a i n f a l la n da i rt e m p e r a t u r e ，s u m m e r i i i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“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。 意。 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 作者签名：筮墨显 e l 期：汕4 ：壁 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： 日期： 一 篮怠 垫啦趣加 一 第一章绪论 第一章绪论 1 1 南半球环流在中国夏季气候变化中的重要作用 半个世纪来的研究表明，南半球环流变化是影响东亚夏季风活动的重要因子，它对东 亚夏季风的季节变化和年际变化都有很大影响幢。1 。从陆地系统来看，北半球夏季，南半 球环流主要分为与南极海冰有关的绕极低压、以及澳大利弧高压和马克斯林高压等系统。 在北半球从冬到夏的季节变化过程中，南半球高纬地区的环流场首先改变，然后通过越 赤道气流影响到亚洲夏季风环流的建立和发展，因而南半球环流变化起到主动和先导的 作用。陶诗言等u 1 早期研究发现，在东亚低纬度盛行经向环流期间，南半球也盛行经向 环流，并且在澳洲附近从南半球向北半球的质量输送最强烈。 王会军等人心剖就南极涛动的年际变化对东亚气候的影响做了较为详细的研究，他们认 为当春季尤其是5 月南极涛动异常强时，常常对应于夏季江淮流域降水的偏多，梅雨出 梅偏晚，梅期长度偏长；反之，当前期南极涛动异常弱时，江淮流域降水易偏少，梅雨 出梅偏早，梅期长度偏短比1 。冬、春季南极涛动正( 强) 年不利于东亚冬、春季冷空气加 强1 。符淙斌h 1 较早地研究了我国长江流域梅雨变动与南极冰雪状况的可能联系，即前 一年南极海冰面积缩小，当年长江流域出梅晚，梅期长，反之，海冰面积扩展，下一年 出梅就早，梅期短。吴恒强等人3 指出南极罗斯海方向海冰的年度收缩或扩展，与澳高、 副高的强弱密切相关，可能是广西前汛期旱涝月相间出现的一个原因。前汛期前期南半 球s s p 距平场和南极罗斯海方向海冰的伸缩动态可给预测广西区前汛期雨情提供有用 的信号。 近些年来，很多气象学家发现马斯克林高压与澳大利亚高压均为夏季系统中的关键成 员，其强度变化对南北两半球大气环流相互作用起着十分重要的作用，二者都对我国夏 季气候产生了一定的影响或者是某一现象的触发机制。陈隆勋等人嵋1 指出，澳大利亚冷 高压在其西部强烈爆发及其上空的高空槽由其西部移到东部，是南海i t c z 加强的重要 标志，这也是我国华南东亚季风雨带开始早晚和强弱的重要标志。施能和朱乾根h 1 在9 0 1 第一章绪论 年代初就提出，马斯克林高压、澳大利亚高压在形成我国东部夏季6 7 月降水中有重要 作用，但是它们在形势上、区域上以及时间上都是不同的，总的看来，两系统强度偏强 时，我国6 - 7 月份同时降水偏多。盛夏8 月份，南半球这两个系统对我国降水影响不大。 马斯克林高压对我国后期降水有较大影响。 南半球是季风形成的一个关键区。澳大利亚高压作为亚澳季风环流系统的成员之一协1 ， 其强弱变化对亚洲夏季风环流有重要影响，从而进一步影响到中国的天气气候特征。 因此，对澳大利亚高压年际变化进行深入研究，具有重要的理论意义和现实意义。 1 2 澳大利亚高压的研究进展 1 2 1 澳大利亚高压与中国夏季气候的关系 中国大部分地区处在东亚季风区，因此东亚季风影响着中国的天气和气候。由于东亚季 风的复杂性，所以影响其活动的因子很多。澳大利亚冷空气对北半球亚洲夏季风的影响以 及南北半球大气环流的相互作用是我国气象学家早已予以重视的课题n 2 1 。 张元箴n 3 1 利用1 9 8 5 年6 8 月气象资料和卫星云图资料，利用计算凝聚谱、位相谱的 方法，发现澳大利亚高压与我国夏季降水在准一周期处时间尺度上存在反位相振荡。通 过对1 9 7 6 年和1 9 7 9 年6 8 月澳大利亚高压( 以1 0 0 0 h p a 平均涡度代表) 与中国华北1 5 个站2 4 小时降水量的功率谱、交叉谱分析，发现两者在准一周周期处有较高的凝聚值， 并呈反位相相关。即澳大利亚有冷空气爆发( 澳大利亚高压弱年) 时，有利于华北产生 大范围的大到暴雨。林丽珊等人n 钔利用1 9 8 2 年7 - - 一9 月地面气压，8 5 0 、5 0 0 h p a 高度和 温度，广东地区测站的雨量等资料，进行功率谱、交叉谱、凝聚谱以及相关系数的计算， 指出广东地区夏季降水更多地是受澳大利亚高压周期振荡的影响。施宁n 5 3 应用 n c e p n c a r 全球再分析资料和n o a a 卫星接收的h i r s t b l 2 等资料得出澳大利亚高压 对位于1 0 0 1 1 0 。e 、1 2 0 - - - 1 3 0 0 e 越赤道气流具有重要的影响，多数夏旱年南半球高压、 越赤道气流以及西太平洋副高均持续偏强，暖湿气流多数时间维持在3 0 0n 以北，造成 华东地区高温干旱。 薛峰等人n 6 1 利用相关分析和所选取的个例分析证实了，东亚夏季风降水与马斯克林高 2 第一章绪论 压与澳大利亚高压有密切关系。当北半球从春至夏( 南半球从秋至冬) 马斯克林高压增 强时，中国长江流域至日本一带多雨，华南到台湾以东的西太平洋以及东亚中纬度大部 分地区少雨，与马斯克林高压相比，澳大利亚高压的影响仅限于华南地区，当澳大利亚 高压增强时，华南多雨。赵玉春、李泽椿n ”以2 0 0 5 年6 月1 7 2 4 日这次连续性暴雨天 气过程为例，初步分析了南半球冷空气爆发在华南地区暴雨形成中的作用。结果发现：在 5 0 0 h p a 西风带低压槽的诱导下，马斯克林高压向东移动并登陆澳大利亚，促使南半球冷 空气爆发，加大了4 0 - - - 6 0 。e 、6 0 7 0 。e 和8 5 9 5 。e 等通道的越赤道气流，这是华南地 区连续多日暴雨的主要原因之一。李建辉u 引指出每年5 月中旬，来自澳大利亚的东南 气流开始稳定地越过赤道进入南海，并沿着南海变性高压西侧和西南倒槽南侧的脊后槽 前地区进入华南沿海，给这一地区带来了水汽、热量和动量。 1 2 2 澳大利亚高压与e n s o 的关系 e n s o 现象是太平洋海气系统最强的年际变化信号，它对东亚夏季风的强弱变化和中 国夏季降水的分布有重要影响。关于e n s o 的起因，人们早期发现它与西风异常有关。 w y r t k i n 明在1 9 7 5 年提出，赤道中太平洋表明信风松弛可引起中东太平洋海表温度异常升 高。r a s m u s s o n 和c a r p e n t e r 啪1 发现每次e 1n i n o 发生前冬春季西太平洋有西风异常，并 激发东传的k e l v i n 波，导致e ln i n o 发生。李崇银等瞳u 指出，赤道西太平洋异常西风是 引起次表层海温异常东传，最终导致e 1n i n o 发生的重要原因。 陈烈庭、吴仁广陇1 的研究证明西太平洋西风( 东风) 异常的加强和东传与澳大利亚冬季 风的异常加强( 减弱) 有密切关系。这支强化( 减弱) 的来自澳大利亚冷高压的东南( 偏北) 风距平气流越过赤道后转成西南( 偏东) 风距平气流加入西太平洋，使这里的西风( 东风) 异常进一部加强并向东伸展，促使东太平洋信风异常减弱o j n 强) ，通过海一气相互作用，导 致厄尔尼诺( 拉尼娜) 的形成。他们认为，单靠前冬东亚强( 弱) 冬季风尚不足以引起厄尔尼 诺( 拉尼娜) 的生成，还必须在当年夏季接着有澳大利亚强( 弱) 冬季风的持续作用，才能产 生厄尔尼诺( 拉尼娜) 。张祖强、丁一汇等心跚也提出了在赤道中东太平洋增暖的当年4 月 与7 月，赤道西太平洋发生两次季节尺度的西风局地增强过程，具体发生在1 4 0 。e - 1 8 0 3 第一章绪论 。e 范围内。这种西风增强的原因并不仅仅是印度洋的西风异常东移，更在于南北半球 的经向风在该地区强烈辐合，造成局地气压梯度增强，推动西风加强并向东爆发。同时由 于地球自转效应的作用，来自北半球的东北风到达赤道附近后逐渐转为西北风，南半球 的东南转西南风，直接加强了西风的强度。对比分析南北半球经向风作用表明，来自南半 球的东南风的强度与位置更稳定，对赤道西风两次增幅过程的贡献更大。这支南半球的 经向气流起源于高纬极区，与中高纬度的气压场异常有直接的关系。薛峰等人瞳副在外热 带大气扰动对e n s 0 的影响中选取2 0 世纪8 0 年代以来5 次主要的e n s o 事件，合 成分析了外热带大气扰动对e n s 0 发生、发展和衰亡的影响。结果发现，在e n s o 发 生之前，南印度洋为明显的反气旋异常。由于西风带r o s s b y 波的频散效应，反气旋异 常向东传播并使澳大利亚地区气压升高，反气旋环流加强，促进了南方涛动环流型的建 立。另一方面，澳大利亚东部的南风异常与北半球菲律宾海附近的北风异常在赤道附近 辐合，促使西太平洋西风异常的爆发和e n s o 的发生。 1 3 研究的目的和意义 中国处于亚洲季风区。东亚季风环流系统对中国天气、气候有重要的影响。复杂的海 陆分布使得东亚季风在时间尺度和空间上变化复杂。从空间上，它的南半球部分有澳大 利亚大陆及其周围海洋，北半球部分有印尼、菲律宾、中南半岛以及亚洲大陆及南海、 西太平洋等海洋，造成的复杂的热力差使得东亚季风区分为南海一西太平洋热带季风区和 大陆一日本副热带季风区。从时间尺度上来说，东亚季风存在季节内变化、季节变化、年 际和年代际等多时间尺度变率。海陆地形的热力对比是季风形成的主要因子，东半球南、 北半部的海陆不均匀分布是南北半球间季风形成的原因。北半球相对于南半球地形复杂， 因此影响东亚季风的因子较为复杂，我国许多气象学家就影响因子作了很多详细的研究。 亚澳季风环流无论冬、夏都是一个整体，其低频变化也是相互联系和相互协调的。澳 大利亚高压作为亚澳季风环流中一个重要的系统，它在南北半球大气的相互作用过程中 起到积极和主动的作用。在北半球夏季，澳大利亚高压对东亚夏季风的影响尤为重要。 因此，弄清澳高对东亚季风变化的影响及与我国夏季气候变化的联系，对认识我国气候 4 第一章绪论 变化规律，加强防灾减灾具有重要的应用参考价值。 1 4 研究的主要内容 在澳大利亚强( 弱) 年时，许多年份同时发生了e i n i n o ( l a n i n a ) 时间，这使得认识澳 大利亚高压年际变化对中国气候异常的影响变得更为复杂。以往用观测资料研究澳大利 亚高压与中国降水联系时，并不考虑e n s o 所带来的干扰作用。因此，本文对滤除e n s o 干扰时使用观测资料进行以下问题的研究：i 、澳大利亚年际变化对中国夏季降水和气温 的影响，i i 、与澳大利亚高压相关的海洋性大陆区域的海温异常对中国夏季气候的可能 影响。 全文共有六章： 第一章绪论，简单介绍了南半球环流在中国夏季气候变化的重要作用，阐述了有关澳 大利亚高压的国内外研究进展，简要分析了目前研究中存在的不足，进而提出了本文研 究的几个问题。 第二章主要介绍本文所使用的资料和方法。 第三章利用s v d 等方法分析了澳大利亚高压年际变化对中国夏季降水的可能影响， 并进一步揭示了对降水影响的可能机制。 第四章利用s v d 等方法分析了澳大利亚高压年际变化对中国气温降水的可能影响， 并进一步揭示了对气温影响的可能机制。 第五章通过相关分析和合成分析揭示了与澳大利亚高压相关的海洋性大陆区域的海 温异常对中国夏季气候的可能影响及其机制。 第六章对全文进行总结和讨论，对将来的工作进行展望。 1 5 本文研究的创新之处 尽管目前已有一些关于澳大利亚高压对中国夏季降水影响的研究，但所得结论并不 完全一致。这归因于南半球环流与东亚季风之间、以及与e n s o 之间关系非常复杂； 5 第一章绪论 澳大利亚高压与东亚夏季风均存在着明显的年代际及更长时间尺度的变化，使得澳大 利亚高压与中国夏季降水异常的关系变得更为复杂；澳大利亚高压对中国夏季降水影 响的区域存在差异。因此， ( 1 ) 本文在滤除e n s o 信号和年际变化的背景下，研究澳大利亚高压对中国夏季气 候的可能影响，为深刻认识中国夏季气候异常成因和预测提供了参考线索。 ( 2 ) 本文研究发现，澳大利亚高压年际变化与印度尼西亚附近的海温存在显著的负相 关关系，即当澳高增强时，其海温异常偏冷；反之，情况相反。进一步研究发现，印度 尼西亚附近的海温异常对中国夏季气候异常有显著的影响，且显著影响区域与澳大利亚 高压年际变化对中国夏季气候的显著影响区域不同。 6 第二章资料和方法 第二章资料和方法 2 1 资料说明 本文使用了如下资料： 1 美国国家环境预测中心的n c e p n c a r 在分析资料d ，为2 5 x 2 5 月平均资料，时间 序列取自1 9 5 8 年1 月一2 0 0 6 年1 2 月。 2 中国国家气候中心( n m c ) 提供的中国东部区域 2 0 。n - - - 4 5 0 n ，1 0 5 。e - - - 1 3 5 。e 1 0 7 站 月平均降水和气温资料，时段为：1 9 5 8 年1 月一2 0 0 6 年1 2 月。 3 采用n c e p n c a r 全球再分析月平均海温资料，资料的空间分辨率为2 0 x 2 。，时段 为：1 9 5 8 年1 月一2 0 0 6 年1 2 月。 4 由c p c 提供的n i n 0 3 指数和由n 0 从提供的s o i 指数，时段为：1 9 5 8 年一2 0 0 6 年。 5 日平均总云量资料( 高斯格点分布) ，时段为：1 9 5 8 年1 月一2 0 0 6 年1 2 月。 2 2 方法介绍 线性相关分析用来描述两个时间序列之间的相互关系，主要用相关系数r 来表示，绝 对值r 越大，表示两者之间关系越密切。相关系数是否显著，需要经过显著性检验。假 设两个时间序列x 和y ，其样本长度为n ，其中必须有一个一维时间序列( 设为 | f ) ，两个 序列的平均值分别表示为：i 和歹，那么，相关系数表达式为： ( x ；一i ) ( y 。- y ) r2( 2 1 ) 2 2 2t 检验 ( 1 ) 单序列相关性的t 检验1 对于气候变量不同时刻的线性相关和两气候变量的线性相关是否显著，必须进行统计 7 第二章资料和方法 检验。由相关系数r ，求t 值，( 2 2 ) 该式服从自由度y = n - 2 的t 分布，给定显著性水平a ，查t 分布表，若t t 表明这两 个序列存在显著的相关关系。 ( 2 ) 差值t 检验咖 用于对高、低值年所对应的变量场要进行差值显著性检验。( 2 3 ) 式中n 。，n ：分别 是高、低值年的年数，i ，一y 分别是高、低值年时段要素的多年平均值，s ；，s ；是相应 的方差。上式服从自由度y = n 。+ n ：- 2 的t 分布，给定显著性水平a ，查t 分布表，若 t t 表明两个总体的均值存在显著差异。 x y ( 2 3 ) ( 3 ) 总体均值t 检验州 构造检验总体均值的t 统计量，t ：进i ，其中i 和s 分别代表样本均值和标准 s 差；心为总体均值，n 为样本量。在确定显著性水平a 后，根据自由度y = i l 一1 查t 分布 表，若t t a ，则认为发生显著性变化。 2 2 3 线性倾向估计咧 用x ；表示样本数为n 的某一气候变量，用t ；表示自然数序列，建立x 。与t ；之间的一 元线性回归 i j = a + b t i ( i = 1 , 2 ，n ) ( 2 4 ) ( 2 4 ) 式可以看作一种特殊的、最简单的线性回归形式。式中叠为回归常数，b 为回归 系数。a 和b 可以用最小二乘法进行估计。 对观测数据x 。及自然数序列t 。，回归系数b 和常数a 的最小二乘估计为 8 筹 = t 第二章资料和方法 b = 口= i b t 其中i = 昙妻而小 豁 ( 2 5 ) 回归系数b 的符号表示气候变量的趋势倾向。b 0 时，说明随f 的增加x 呈上升趋 势；6 0 时，说明随f 的增加x 呈下降趋势。6 值的大小反映了上升或下降的速率，即 表示上升或下降的倾向程度。 回归效果可以用f 检验法来检验之。( 参见文献3 1 ，p 2 5 1 - 2 5 5 ) 2 2 4 奇异值分解( s v d ) 方法泓堋1 奇异值分解法是研究两个气象变量场相关结构的诊断技术，广泛应用于气候诊断研究 中，用于分析两个气象要素场序列之间的相关关系，给出两个要素场之间相互配对的典 型空间分布和每个典型空间分布的权重系数序列。所谓相互配对的典型空间分布是指每 一对空间分布之间有尽可能大的协方差。 设有两个零均值气象要素场 x ( f ) = k 似屯似，。o 矿 l ，o ) = ( i ，。o ) y ：似，蚱：( ，矿 ( 2 6 ) 分别有p ，p ：个网格点( 测站) 或变量构成，序列长度均为n ，通常x o ) 为左气象 场( 左场) ，y ( ，) 为右气象场( 右场) ，两气象场之间的交叉协方差阵为 c x ，= 仁( ，) y r ( f ) ) ( 2 7 ) 式中符号 表示求平均，y r ( f ) 表示矩阵的转置。 分别有左、右气象场构造两组新变量 9 第二章资料和方法 a = b = 。口。( ，) 口：( f ) 口p ( f ) 6 。( f ) 6 ：( f ) 6 ，( f ) ，l 。，1 ： ，2 。k lp t l 咛 朋l i 朋2 l 朋，l 朋1 2 册2 2 m p 2 朋l ，2 朋2 ，2 朋即2 x i ( f ) 毛( f ) x p l ( f ) = r x( 2 8 ) j ，。( f ) ，：o ) j ； y p , ( t ) 在、肘的列向量为正交化向量的条件下， 即工r = lm m r = 1 使彳、召之间有极大化协方差 c o v ( a ，曰) = i f c x r m = m a x 根据条件极值求解，可以证明 c tx y l k 2 ak m t 写成矩阵形式 或 = m 7 y ( 2 9 ) pm i n ( p 。，p 2 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) c r 盯 以= 仃 厶 k = 1 , 2 ，p p m i n ( p 。，p 2 ) ( 0 t c x r 肘= ( 吾匀 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 其中, - - d i a g l c r 。，盯：，仃p j ，上式就是矩阵理论中的奇异值分解，q 为矩阵c 胛的奇 异值，工的列向量是矩阵的左奇异向量，m 的列向量为矩阵c 删的右奇异向量。可见从 数学上讲，s v d 实际上是非方阵和非对称方阵的广义对角化运算。 1 0 0 0 ；0 第二章资料和方法 根据式( 2 8 ) ( 2 9 ) ，并利用( 2 1 0 ) ，可得 x ( o = ( 厶，l z , - - , o 】a 2 ；( t i ) r 口。( f ) l ： l ，( f ) = 似。，肘：，m 尸l ； l6 2 ( f ) r 6 。( f ) i ； = l 4 = m b ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 由( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 可见，s v d 也相当于将左、右气象场分解成左、右奇异向量的 线性和。通常称l i ，m 。) 为一对变量型；a i , b ；分别为左、右场展开系数，每一对变量型 和相应的展开系数确定了一种模态。 为衡量各模态对交叉协方差阵的贡献大小、引入第k 各模态对平方协方差阵的贡献 百分率s c f k 为 静焉 汜 前k 个模态的积累平方协方差贡献百分率为 c s c f k = ( 2 1 8 ) 由于奇异值是按降序排列的，即 = m a x ，第1 模态对交叉协方差阵的贡献 率最大，其余第2 ，第3 ，依次递减，这样在实际工作中，可挑选前几个平方协方差 贡献百分率较大的模态，从而既降低了变量的维数，又找到了反映两气象场大尺度相互 作用的主要耦合信号。 为了客观反映每一模态左、右场的遥相关程度及相互作用的“关键区”，定义各模 态左、右场展开系数的时间系数，( 口。，巩) 为模态相关系数 1 1 墨三兰鋈型翌互望 氘川= 焉秽鹄每 仫 并定义各模态左( 右) 场展开系数与右( 左) 气象场之间的时间相关系数为异类相关系 数 ，伍，以( f ) ) = ：了i 适号蜘= 茄 若 - - 1 i 2 2 0 ) ，p ，口。( f ) ) = ：1 万乏号蜘= 券 若 _ l ( 2 2 1 ) 左( 右) 场展开系数与左( 右) 气象场的相关系数为同类相关系数 ，伍，口。( f ”= = j i 戈号蜘= 茄 若 = i ( 2 2 2 ) ，( y ，6 i ( f ) ) = 二1 万丢手= 茄 若 - l ( 2 2 3 ) 第k 个模态异类相关系数分布性表示第k 个左( 右) 场的展开系数所反映的右( 左) 气象场时间变化程度大小的分布，显著相关区则代表了两气象场相互影响的“关键区”， 同类相关系数的分布则反映了展开系数序列表示自身气象场时间变化程度大小的地理分 布，在一定程度上代表了左、右气象场的遥相关型。 此外，本文通过1 1 a 滑动滤波方法滤除了资料的年代际变化 3 2 1 。 1 2 第三章s v d 分析揭示的澳大利亚高压年际变化对中国夏季降水的可能影响 第三章s v d 分析揭示的澳大利亚高压年际变化 对中国夏季降水的可能影响+ 3 1 引言 半个世纪来的研究表明，南半球环流变化是影响东亚夏季风活动的重要因子，它对 东亚夏季风的季节变化和年际变化有着重大影响。在北半球从冬到夏的季节变化过程中， 南半球高纬地区的环流通过越赤道气流影响到亚洲夏季风环流的建立和发展。陶诗言等 早期的研究发现，在东亚低纬度盛行经向环流期间，南半球也盛行经向环流，并且在 澳洲附近从南半球向北半球的质量输送最强烈。因此越来越多的工作开始关注南半球环 流对我国气候异常的直接或间接的影响。文献口1 指出，马斯克林高压、澳大利亚高压在 形成我国夏季6 、7 月份降水中有重要作用。虽然东亚夏季风降水与马高和澳高有密切关 系，但是与马高相比，澳高的影响仅限于华南地区u 耵。 在澳高影响气候的过程中，e n s o 起到了一定的干扰作用。如所知，e n s o 是海气耦 合系统中最强的年际变化信号，它对东亚夏季风的强弱变化和中国夏季降水的分布有重 要影响。热带大气扰动与热带海洋存在相互作用，而澳大利亚东部的反气旋通过经向风 异常影响着e n s o 的发生、发展和衰减乜 。特别要指出的是在澳大利皿高压强年时，许 多年份同时发生了e l n i n o 事件。这使得澳大利亚高压对我国夏季降水的影响变得复杂， 因此，在去除n i n 0 3 信号的干扰作用下，弄清澳大利亚高压对我国夏季降水的影响是 十分重要的。 研究表明，在2 0 世纪7 0 年代中期前后，赤道东太平洋海温拉耵、东亚夏季风防2 和大 气环流心8 1 均发生了显著的突变。在这样的背景，尽管目前已有一些关于澳大利亚高压对 中国夏季降水影响的研究盯h 6 2 们，但所得结论并不完全一致。这归因于南半球环流与 东亚季风之间、以及与e n s o 之间关系非常复杂；澳大利亚高压与东亚夏季风均存在 着明显的年代际及更长时间尺度的变化【3 0 1 ，使得澳大利亚高压与中国夏季降水异常的关 本章已作为“s v d 分析揭示的澳大利亚高压年际变化对中国夏季降水的可能影响”一文的主要内容投 送气象学报，审稿中 第三章s v l ) 分析揭示的澳大利亚高压年际变化对中国夏季降水的可能影响 系变得更为复杂；澳大利亚高压对中国夏季降水影响的区域存在差异。本部分研究侧 重年际时间尺度上的澳大利亚高压变化对中国东部夏季降水的可能影响。 3 2 资料和方法 3 2 1 资料 ( 1 ) 采用n c e p n c a r 全球再分析1 9 5 8 2 0 0 6 年月平均风场资料和气压场资料， 资料的空间分辨率为2 5 。2 5 巾；( 2 ) 国家气候中一l ( n m c ) 提供的1 9 5 8 2 0 0 6 年中 国东部区域 2 0 。n - 一4 5 。n ，1 0 5 。e - - 一1 3 5 。e 1 0 7 站月平均降水量资料；( 3 ) n i n 0 3 指数由c p c 提供，年份1 9 5 8 2 0 0 6 年：( 4 ) 采用n c e p n c a r 全球再分析1 9 5 8 一- 2 0 0 6 年月平均海温资料，资料的空间分辨率为2 0x 2 0 ；本文的冬季是指前年的1 2 月份到当 年的2 月份，春季指当年的3 5 月份，夏季指当年的6 8 月份，秋季则指当年的9 1 1 月份。 3 2 2 方法 本文仅分析年际变化。年代际变化通过l l a 滑动滤波予以滤除m 3 。 s v d 方法的主要功能是分离出关联最密切的空间型。本文选取夏季( 6 _ 8 月平均) 澳 大利亚区域内( 4 0 。s 1 0 。s 、1 1 0 。e - 1 6 0 。e ) 的海平面气压场为左场，同期中国 1 0 7 站的夏季降水为右场。 为滤掉e l n i n o 事件干扰信号，利用n i n 0 3 指数对资料( 少) 进行回归分析，并去除 n i n 0 3 信号，获取分析场( y 一叮，) 。 文中运用了t 检验方法对高度距平等变量场合成平均进行显著性检验，结果表明大部 分区域都通过了0 1 的显著性检验。 3 3 澳大利亚高压年际变化对中国夏季降水的影响 中国大部分地区受东亚季风影响，夏季主要雨带的位置和强度与夏季风环流系统特 别是东亚环流系统紧密相连。这些系统中的某一系统的强弱、位置的变化均可影响到整 1 4 第三章s v d 分析揭示的澳大利亚高压年际变化对中国夏季降水的可能影响 个环流系统的变化，进而影响到各个地区的旱涝。黄士松等船3 1 认为构成东亚夏季风体系 的环流成员有青藏高原、西北太平洋高压、马斯克林高压、澳大利亚高压，印度一南海低 压以及派生的南海热带辐合带与上升云系、梅雨峰与上升云系等等。因此澳大利亚澳高 压与我国区域气候特征必定有密切关系，澳大利亚高压对中国夏季降水的研究已有一些， 但是e l n i n o 事件对澳高和中国降水都有影响，使得确定澳高对中国降水影响变得复杂。 因此，去除e l n i n o 事件的影响，会进一步确认澳大利亚高压对中国夏季降水的影响。 参照薛峰等6 1 施能等口1 对澳大利亚高压( 以下简称澳高) 强度指数的定义，将澳高强 度指数( 厶塔) 定义为( 1 2 0 - - 1 5 0 。e ，2 5 - - 3 5 。s ) 标准化海平面气压的区域平均值。从澳 大利亚及其邻近地区1 9 5 8 2 0 0 6 年夏季( 6 8 月) 气候平均的海平面气压场( 图3 - 1 a 的 阴影区域) 来看，所选区域基本涵盖了澳高所在位置3 。 在滤除年代际变化后，进行s v d 分解。( 1 ) 未滤除n 1 n 0 3 信号时，s v d 分解的结 果( 表3 1 ) 显示，s v d l 累计解释协方差的百分比为8 5 。从它的第一模态左、右异 类相关上( 图3 一l a 、b ) 可以反映出澳大利亚高压与中国1 0 7 个站夏季降水的关系。第 一模态左右场展开系数之间的相关系数达到了0 7 。因此，当澳大利亚高压为正异常时， 以长江为分界线，我国夏季降水呈南多北少型，降水正异常中心位于我国东部浙江地区， 而陕西中部地区为负异常中心。反之，情况相反。( 2 ) 滤除n i n 0 3 信号后的s v d 分解 的结果( 表3 2 ) 显示，s v d l 累积解释协方差的百分比为7 9 ，右场展开系数之间的 相关系数为0 6 6 。两种资料的右异类相关( 图3 1 b 、d ) 对比分析得到，在滤除n i n 0 3 干扰信号之后，主要的雨型分布由原来的南多北少型变成了中间少两边多的类型，主要 是以黄河中下游为界，在其南北出现了两个位相相反的异常中心。长江以南地区的降水 异常区域范围增大、强度增强。负异常区从浙江一直延伸到湖南地区，这就进一步说明 澳大利亚高压对我国长江以南的浙、赣、湘地区的夏季降水有着重要的影响，即澳高增 强时，浙、赣、湘地区的降水增多，陕西南部地区的降水偏少。 s v d l 左奇异向量对应的时间序列与由薛峰、施能等人定义的澳大利亚高压指数的时 间序列相关为o 9 8 ( 图3 2 a 、b ) ，这种很强的正相关关系说明s v d l 左奇异向量( i s v 0 1 ) 在年际