江西省冬季气温异常与海温异常的联系

江西省冬季气温异常与海温异常的联系

关键区域和地区冬季气候异常气候异常及其原因的研究是目前学术界乃至整个社会的一个热点问题。引起气候异常的因子很多,其中海洋方面强迫因子对气候的影响已被气象学家认可,被认为是地球气候系统最重要的组成部分。陈佩燕等分析了我国东部地区冬季温度异常的时空特征和变化规律,探讨了全球海温异常与我国东部地区冬季温度异常的关系,发现赤道印度洋、赤道东太平洋、黑潮区是影响我国东部地区冬季温度异常的关键海区。陈少勇等分析了中国东部冬季地面气温与北大西洋及北太平洋海温异常变化的关系,发现关键区海温对中国东部冬季气温的影响存在区域差异,北大西洋前期海温与中国东部冬季气温有密切的关系,而西北太平洋的海温主要影响长江流域及其以北的季风中部区。张黎红等研究了大连地区冬季气温异常与前期印度洋海温异常的相互联系,影响大连地区冬季气温的海温异常关键区位于5°S～5°N、60°～75°E,关键影响时段为当年的4—7月。江西省地处长江中下游季风区域,冬季冷暖空气频繁交绥,冬季气温的年际变率较大,其异常已成为该地区的一种主要气候灾害。戴熙敏等引入异常度的概念,对江西省48年冬季气候进行分析,建立了冬季异常气候(干湿冷暖)划分的客观标准,并根据天气气候学原理对形成干湿冷暖异常冬季气候的成因进行了对比分析,得出了一些有意义的结果。有关海温影响江西冬季气温变化的工作比较少,因此在前人研究的基础上,本文利用江西省81个台站1960—2010年月平均气温观测资料和NOAA全球月平均海表温度资料(ERSST-V3),分析了江西省冬季气温异常与海温异常的相互联系,并运用超前—滞后相关分析和奇异值分解(SVD)方法初步探讨了关键区海温异常之间的相互作用,进一步探寻其影响因子的强信号,为短期气候预测提供重要依据。1冬季平均气温的测量本文所用资料主要包括:①1960—2010年NOAA月平均海表温度资料(ERSST-V3),空间分辨率为2°×2°;②江西省81站1960—2010年月平均气温资料。文中冬季指当年12月至次年2月,用当年12月至次年2月的平均气温代表当年冬季气温。研究中采用的方法主要有二项式系数加权平均法、经验正交函数(EmpiricalOrthogonalFunction,EOF)分解、相关分析和奇异值分解(SingularValuedecomposition,SVD)方法。SVD方法用于分析两个气象要素场序列之间的相关关系,即它可最大限度地从两个要素场分离出多个相互独立的耦合模态,从而揭示出两个要素场所存在的时域相关性的空间联系,这种耦合的空间分布型能最大限度地解释两场的交叉协方差。由于奇异值分解是以两个场之间的最大协方差为基础的展开,它在研究两个要素场序列之间时空关系时是一个有力的工具,已被广泛应用于两个要素场的气候诊断分析中。2海温场求点相关分析对江西81站1960—2009年50年冬季气温距平场进行EOF分析,第1特征向量场在全省区域内呈一致性的正值,且空间分布比较均匀,数值基本在0.11左右(图略)。其方差贡献为94.1%,这说明第一主分量反映了冬季气温异常的主要时空结构,使用对应的第1主成分(PC1)序列就能够代表江西省冬季气温的变化。用PC1序列与全球当年1月至次年2月逐月海温场求点点相关,全球海温资料长度为1960—2010年。从相关图中可以看出(图略),从当年7月至当年9月在加里曼丹岛周围海区和赤道两侧东太平洋各有一高的正相关区,相关系数达0.3以上,通过0.05水平的显著性检验。从当年6月到当年9月在北大西洋中部有一高相关区,相关系数达0.3以上,最大的正相关系数超过0.5。从当年12月至次年2月在赤道印度洋和西北太平洋(黑潮区)海区各有一正的高相关区,相关系数一般都维持在0.4以上,通过0.01水平的显著性检验。这与陈佩燕等的赤道印度洋、黑潮区是影响我国东部地区冬季气温异常的关键海区的结论相符。此外,12月和2月在北大西洋中低纬海区和北太平洋中低纬中东部海区分别有一显著的正相关区和负相关区,都通过0.05水平的显著性检验。考虑前期海温具有预测的指示意义以及相关区域的稳定性和持续时间长短,将影响江西省冬季气温异常的海温关键区初步选为印度洋(10°S～20°N,54°～90°E)、西北太平洋(20°～40°N,120°～180°E)和北大西洋中部(24°～44°N,20°～60°W)海域,下文将分别讨论它们与江西省冬季气温的关系。2.1印度洋重要的海温地区2.1.1关键时段的确定将印度洋初选区海温进行平均,运用江西省冬季气温PC1序列与初选区海温从当年12月到次年2月逐月滑动组合求相关(表1)。从表1可以看到,相关系数都达到0.40以上(通过0.01水平的显著性检验),本文选取当年冬季(同期)为印度洋关键区影响的关键时段。图1是江西省冬季气温PC1序列与同期海温相关系数分布,依据相关系数的大小,仍选取10°S～20°N,54°～90°E作为印度洋海温关键区。2.1.2关键区海面临的冷、暖、年现象根据印度洋海温关键区关键时段海温的标准化距平年际变化曲线(图略),以关键区海温标准差的+1倍为标准,分别选取冷水年10年、暖水年8年(表2)。以同样方法选取江西省冷冬年8年、暖冬年9年(表3)。从表中可以看出,关键海区10个冷水年对应6个冷冬年,8个暖水年对应4个暖冬年,即冷、暖水年预示冷、暖冬年分别为6/10,4/8。其中,冷水年中出现暖冬年只有1年(1964年),其余年份对应江西冬季气温偏冷或正常;暖水年中没有出现冷冬年,对应年份江西冬季气温偏暖。从图2中可以看出,印度洋关键区海温和江西冬季气温50年来呈明显的波动上升态。除20世纪70年代后期以外,两者的年代际变化有较好的对应关系。从60年代至70年代中期和80年代初至中期关键区海温的相对冷水期对应江西冬季气温的相对偏冷期,80年代中期以后相对暖水期对应着江西冬季的相对偏暖期。2.2西北太平洋-太平洋的主要海温区和主要影响区2.2.1关键时段选取将西北太平洋初选区海温进行平均,运用江西省冬季气温PC1序列与初选区海温从当年12月到次年2月逐月滑动组合求相关(表4)。从表4可以看到,相关系数都达到0.40以上(通过0.01水平的显著性检验),当年12月至次年2月、次年1—2月、次年2月3个时段内相关系数均较大,相关系数绝对值均大于0.5,本文选取当年冬季(同期)为影响的关键时段。根据图1所示,依据相关系数的大小,仍选取20°～40°N,120°～180°E作为西北太平洋海温关键区。2.2.2江西城镇展望区sst的年际变化冷、暖水年的选取方法同印度洋关键区,选取冷、暖水年各9年(表5)。由表5可以看出,9个冷水年对应4个冷冬年,9个暖水年对应6个暖冬年,即冷、暖水年预示冷、暖冬年分别为4/9,6/9。其中,冷水年中出现暖冬年只有1年(1964年),其余年份对应江西冬季气温偏冷或正常;暖水年中没有出现冷冬年,对应年份江西冬季气温偏暖或正常。图2中空心圆是西北太平洋关键区SST标准化距平的11年滑动平均。除20世纪70年代后期以外,两者的年代际变化有较好的对应关系。从60年代至70年代中期、80年代初期至中期关键区海温的相对冷水期对应江西冬季气温的相对偏冷期,80年代中期以后相对暖水期对应着江西冬季的相对偏暖期。2.3北大西洋温和气候中心和主要影响周期2.3.1逐月滑动组合将北大西洋初选区海温进行平均,将江西省冬季气温PC1序列与初选区海温从当年6月至9月逐月滑动组合求相关(表6)。从表6可以看到,当年8—9月相关系数最大,因此本文选取该时段为影响的关键时段。在江西省冬季气温PC1序列与当年8—9月平均SST相关系数分布图上(图3),选取24°～44°N,20°～60°W作为海温关键区。2.3.2北大西洋关键区海温动态变化的年际变化冷、暖水年的选取方法同印度洋关键区,选取冷水年7年、暖水年10年(表7)。由表7可以看出,7个冷水年有3个冷冬年,10个暖水年有5个暖冬年,即冷、暖水年预示冷、暖冬年分别为3/7,5/10。其中,冷水年中出现暖冬年只有1年(1964年),其余年份对应江西冬季气温偏冷或正常;暖水年中没有出现冷冬年,对应年份江西冬季气温偏暖或正常。图2中实线是北大西洋关键区的海温11年滑动平均。除20世纪60年代初和70年代后期以外,北大西洋关键区海温和江西冬季气温的年代际变化也有较好的对应关系。从60年代中后期至70年代中期、80年代初期至中期关键区海温的相对冷水期对应江西冬季气温的相对偏冷期,80年代中期以后相对暖水期对应着江西冬季的相对偏暖期。3基于svd分析的结果分析从上面的分析中可以看到,西北太平洋区海温异常与印度洋区海温异常是同时段与江西气温呈正相关关系。为了进一步了解关键区海温异常与江西省冬季气温异常的关系,将印度洋区与西北太平洋区SSTA作超前滞后12个月的相关,得到结果如图4所示。1—4月印度洋区海温与西北太平洋区海温异常的相关在超前3～12个月是不显著的,当西北太平洋海温异常超前2个月左右时,两个关键区海温的相关开始增强,并持续了14个月左右。其中,两个关键区海温同期相关最显著,通过了0.01水平的显著性检验。8—12月,当西北太平洋区海温异常滞后1～12个月相关比较显著,通过0.05水平的显著性检验。此外,5—7月,西北太平洋区海温超前1～5个月和滞后5～8个月相关比较显著,通过0.05水平的显著性检验。通过前面两个关键区海温的冷、暖水年与江西冬季气温的对应关系相比可以看出,西北太平洋区暖水年预示暖冬年好于印度洋区,而印度洋区冷水年预示冷冬年稍好于西北太平洋区,其中两者预示的冷冬年有3年重合,暖冬年有4年重合。在江西省9年暖冬年中,两者暖水年对应暖冬年之和有6个,特别是2000年以来的5个暖冬年都对应出来。在江西省8年冷冬年中,两者冷水年对应冷冬年之和有7个。这些结果说明2个关键区的共同作用可更好地预示江西冬季气温的异常,而两个关键海区海温异常的影响机制是值得进一步研究的问题。为了进一步讨论关键区海温之间的关系,以当年8—9月北大西洋区域(24°～44°N,20°～60°W)的海温距平场为SVD分析的右场,分别以当年冬季赤道印度洋区域(10°S～20°N,54°～90°E)和西北太平洋区域(20°～40°N,120°～180°E)的海温距平场为SVD分析的左场。结果表明:SVD分析2种耦合关系第1模态解释协方差平方和百分比分别为98.5%和94.3%,展开系数之间的相关系数均为0.66,都通过0.01水平的显著性检验。其他模态的解释协方差平方和太小,本文不予考虑。由图5a可知,赤道印度洋区域都是正的高相关,最大相关系数达0.7。与此相关的右奇异相关场也表现为正相关(图5b),其最大相关区在24°～32°N之间,最大相关系数达0.6。由图6a可以看出,冬季西北太平洋区域也是正相关,最大相关系数最高可达0.6,与之相关的前期8—9月北大西洋区域最大相关区在26°—39°N之间,最大相关系数可达0.6(图6b)。这表明前期8—9月北大西洋区域海温与当年冬季赤道印度洋和西北太平洋关键区海温都是有联系的。从图5c时间系数的演变看出,印度洋与北大西洋关键区海温场的时间系数几乎是同位相变化,尤其是两个关键区的异常冷水年的1964、1966、1973、1974年和异常暖水年的2001、2003、2006、2008、2009年与这一模态密切相关。在这50年中,有11年两关键区海温距平符号相反。而在这11年之中,有5年气温距平与赤道印度洋海温一致。从图6c中看出,西北太平洋与北大西洋关键区海温场的时间系数变化也比较一致,尤其是2个关键区的异常冷水年的1964、1981年和异常暖水年的1998、1999、2001、2006、2008、2009年都在这一模态显现出来。在这50年中,西北太平洋与北大西洋关键区有9年海温距平符号相反。且在这9年之中,有5年气温距平与西北太平洋海温距平一致。由此看出,冬季西北太平洋与印度洋海温异常可以修正前期8—9月北大西洋中部海温异常对江西省冬季气温的影响。4北大西洋中部海温异常对江西冬季气温的影响(1)影响江西省冬季气温异常的海温关键区为印