我国东部旱(涝)年亚洲地区地面感热的低频振荡特征研究

王 犇 (西安咸阳国际机场现场运行中心指挥室，陕西 西安 712000)

我国东部旱(涝)年亚洲地区地面感热的低频振荡特征研究

王 犇 (西安咸阳国际机场现场运行中心指挥室，陕西 西安 712000)

用EOF方法分析2001及2003年地面感热低频分量的空间分布及时间演变特征，然后对2003年“关键”区平均的地面感热低频分量与我国东部地区降水之间的关系进行研究。结果表明，夏季亚洲地区地面感热季节内变化特征的不同可导致我国东部地区异常的洪涝发生。

低频振荡；地面感热；EOF

干旱和洪涝实际上是大气环流异常变化的反映，而大气环流的异常变化又常常是地面感热异常强迫的结果。下面，笔者对亚洲地区地面感热低频分量进行分析，以便了解我国东部地区旱涝之间的关系。

1 资料与方法

1.1资料选取

研究所用资料是国家气候中心提供的2001、2003年全国726个台站的逐日降水资料以及2001、2003年NCEP/NCAR的逐日再分析高度场(500hPa)和感热资料，资料的水平分辨率为2.5°×2.5°。

1.2研究方法

1)带通滤波方法 为了得到地面感热的低频分量，根据选择的频带范围对地面感热时间序列进行带通滤波，由此得到其低频分量。在分析区域对每一个格点上1年(365d)逐日的地面感热时间序列进行傅里叶展开[1]：

(1)

为了确认SH所具有的低频变化特征，对所分析的主要区域的SH区域的平均时间序列进行了谱分析，发现大多都有30～70d的主要周期。为此，在式(1)中，取5波(周期为73d)到14波(周期为26d)的和，即：

(2)

式(2)表示SH的时间变化周期范围在26～73d之间的季节内变化特征，也称之为SH的低频分量。上述方法的优点是能最大限度地将所需频带的信息从时间序列中提取出来，因而是研究季节内振荡中常用的工具之一。

3)EOF方法 经验正交函数分析方法(Cmpirical Orthogonal Function，EOF)是针对气象要素场进行的，它是把原变量场分解为正交函数的线性组合，用为数很少的不相关的典型模态代替原始变量场，每个典型模态都含有尽量多原始场信息。该方法的基本原理是把包含m个空间点(变量)的场随时间变化进行分解[2]。

将某一气象变量场的资料以矩阵X形式给出：

X=(xij)m×n

式中，m是空间点(可以是观测站或网格点)；n是时间点，即观测次数；xij表示在第i个观测站或网格上的第j次观侧值。

EOF展开将X分解为X=VT，V、T分别称为空间函数矩阵和时间系数矩阵：

V=(vij)m×nT=(tij)m×n

其中，V和T满足正交性的性质。空间函数矩阵由XXT中的特征向量求出，即可得到时间系数(或称为主分量)T=VTX。

通过EOF展开得到的前几个特征向量可以最大限度地表征气候变量场整个区域的变率结构。

2 2001及2003年夏季中国东部天气气候概况

图1 2003年与2001年6月21日～7月22日全国累计降水量之差图

2001年夏季(6～8月)长江以北大部地区降水持续偏少，出现了严重的春夏连旱，夏季主要多雨带位于江南东部至华南大部，邕江发生了严重的洪涝灾害[3]。2003年夏季(6～8月)主要雨带位于淮河流域至黄河流域，淮河流域发生1991年后的最大洪水，黄河中游部分地区出现严重洪涝，江南和华南的高温伏旱数十年罕见[4]。

图1所示为2003年和2001年6月21日～2001年7月22日的全国累计降水量之差图。从图1可以看出，长江流域及其以北大部分地区为正值，这说明上述地区2001年降水明显偏少，而2003年降水明显偏多；江南到华南的大部分地区以及云南省为负值区，说明上述地区2001年降水偏多。

3 EOF分析结果

表12001及2003年前5个特征向量的方差贡献和累计方差贡献表

为了解2001及2003年亚洲地区地面感热低频分量的分布和变化特征，用EOF方法分析了这2年5月1日～9月30日期间共153d的地面感热低频分量分布和变化特征，前5个特征向量的方差贡献和累积方差贡献如表1所示。由表1可见，2001及2003年的第1个特征向量的方差贡献都超过21%，基本反映了夏季亚洲地区感热低频分量的空间变化特征。

3.1第一特征向量的空间分布特征

图2所示为2001夏季亚洲地区地面感热低频分量的第一特征向量空间分布特征。从图2可以看到，第一特征向量零等值线清楚地勾画出2001年夏季亚洲地区地面感热低频分量的空间差异分界线。地面感热低频分量在青藏高原东北部有一个正值中心。而在青藏高原东侧、东南部以及西部，辽东半岛、山东半岛及其之间的沿海地区，中南半岛东南部为负值中心。

2003年夏季亚洲地区地面感热低频分量的第一特征向量敏感区域在印度半岛(见图3)。与2001年相比，青藏高原西部和西南部、中南半岛东南部、印度半岛东部变为正值区，而印度半岛的西部和南部为负值中心。由以上分析看出，2001年与2003年感热低频分量变化分布差异主要在青藏高原西部、印度半岛、中南半岛以及辽东、山东半岛。

图2 2001年夏季亚洲地区地面感热低频分量的第一特征向量空间分布特征图 图3 2003年夏季亚洲地区地面感热低频分量的第一特征向量空间分布特征图

3.2第一特征向量的时间系数变化特征

从第一特征向量时间系数来看，系数越大，对应的特征向量特征越明显，反之亦然，为负时甚至出现反位相分布。图4所示为2001年夏季亚洲地区地面感热低频分量的第一特征向量的时间系数变化图。从图4可以看出，2001年5月13日～6月12日，时间系数为负。结合第一特征向量的空间分布，发现青藏高原东北部感热低频分量为负值，而青藏高原东南部、西部、中南半岛东南部以及辽东半、山东半岛附近感热低频分量为正。6月13日～7月4日，时间系数为正，这段时间地面感热低频分量分布与前一段时间位相相反，变化更剧烈。7月5日～7月25日，时间系数为负，这段时间与5月中旬到6月中旬的感热低频分量位相相同，绝对值略大。8、9月时间系数变化幅度小，以正值为主。

图5所示为2003年夏季亚洲地区地面感热低频分量的第一特征向量的时间系数变化图。从图5可以看出，2003年比2001年的第一特征向量的时间系数变化幅度要小。2003年5月12日～6月11日，时间系数为负，这段时间与2001年一致，时间系数均为负值，但2003年振幅更大。结合第一特征向量的空间分布进行分析，发现印度半岛东部感热低频分量为负值，西部和南部为正值；青藏高原西部感热低频分量为负值，东南部则为正值。6月12日～7月6日，时间系数为正，这段时间感热低频分量分布与前一段时间分布位相相反，随后时间系数呈下降趋势。9月中下旬时间系数逐渐减小。

图4 2001年夏季亚洲地区地面感热低频分量的一特征向量时间系数变化图 图5 2003年夏季亚洲地区地面感热低频分量的第第一特征向量的时间系数变化图

4 “关键”区地面感热低频分量的变化与我国东部地区降水的关系

为了进一步分析整个夏季地面感热低频分量的变化特征，同时也为了分析感热低频分量的变化与我国东部地区降水的关系，选取了2001年与2003年2个差异较大的“关键”区，分别是A区(印度半岛西南部地区(73°E～78°E，10°N～15°N))和B区(青藏高原东侧地区(105°E～110°E， 30°N～37°N))。由此分析上述区域的区域平均感热低频分量的时间变化特征，并分析其与我国东部地区降水的关系。

图6所示为2001年与2003年夏季5月1日～9月30日期间A、B区域的区域平均感热低频分量的时间变化图。从图6可以看出，在2001年与2003的5月至6月，印度半岛南部地区的平均感热低频分量的时间变化为反位相；从5月初至7月中旬，青藏高原东侧地区的平均感热低频分量的时间变化几乎为反位相。

图6 夏季“关键”区的逐日平均感热低频分量的时间变化图

为了研究感热低频分量与我国东部降水的关系，对图6中2003年5月1日～7月1日印度半岛西南部地区逐日平均感热低频分量与我国常规气象台站的滞后20d(5月21～7月21日)逐日降水量计算相关系数(见图7)。从图7可以看出，江淮地区是显著的的负相关区，相关系数超过0.32；河套及其以南地区也是显著的负相关区，相关系数超过0.24，部分地区达0.32以上；同时华南东部地区则是显著正相关区。

对图6中2003年5月1日～7月5日青藏高原东侧地区逐日平均感热低频分量与常规气象台站的滞后20d(5月21～7月25日)的逐日降水量计算相关系数(见图8)。结果显示，在长江中游以及下游北侧部分地区未显著的负相关区，华南南部则为显著的正相关区，其中部分地区相关系数超过0.31。

由此可见，印度半岛西南部地区有较强的感热低频热汇(热源)时，在后期江淮地区降水偏多(少)，华南东部地区降水偏少(多)；青藏高原东侧地区有较强的感热低频热汇(热源)时，在后期长江中游以及下游北侧部分地区降水偏多(少)，华南南部地区降水偏少(多)。

注：浅色和深色阴影区分别是通过显著性水平为0.05和0.01检验的区域，下同。

5 结论

(1)2001及2003年地面感热第一特征向量的空间分布特征主要差异如下：青藏高原西南部，2001年为负值，2003年则为正值；青藏高原东侧，2001年为负值，2003年为正值；印度半岛西南部，2001年感热低频变化不明显，而2003年则为负中心。从时间系数来看，2001年比2003年的振幅略大。

(2)印度半岛西南部地区、青藏高原东侧地区地面感热低频分量的变化与我国东部地区降水存在显著相关性。印度半岛西南部地区有较强的感热低频热汇(热源)时，在后期江淮地区降水偏多(少)，华南东部地区降水偏少(多)；青藏高原东侧地区有较强的感热低频热汇(热源)时，在后期长江中游以及下游北侧部分地区降水偏多(少)，华南南部地区降水偏少(多)。

[1]蒋尚诚.OLR对低频振荡及ENSO过程的分析应用[J].气象,1993,19(12): 48-53.

[2]施能.气象科研与预报中的多元分析方法[M].北京:气象出版社，1995.

[3]艾悦秀.2001年北半球大气环流特征及其对中国气候异常的影响[J].气象,2002,28(4): 21-24.

[4]杨义文,许力,龚振淞.2003年北半球大气环流及中国气候异常特征[J].气象,2004,30(4): 20-25.

[编辑] 李启栋

P401

A

1673-1409(2013)22-0025-04

2013-05-13

王犇(1985-)，男，助理工程师，现主要从事应用气象方面的研究工作。