中国华南3月降水和大气环流的年代际转型及其与PDO的联系

程 乘，朱益民，于 斌，马孝通，袁茂林

（1．中国人民解放军95178部队，广西 南宁 530226；2．解放军理工大学气象海洋学院，江苏 南京 211101）

中国华南3月降水和大气环流的年代际转型及其与PDO的联系

程 乘1，2，朱益民2，于 斌1，马孝通1，袁茂林1

（1．中国人民解放军95178部队，广西 南宁 530226；2．解放军理工大学气象海洋学院，江苏 南京 211101）

利用1951—2012年华南30个测站逐月降水资料、NCEP／NCAR月平均再分析资料和NOAA全球月平均海表温度等资料，研究分析了中国华南地区3月降水的年代际转型及相关海气异常型。在此基础上，建立基于海表温度的预测模型对华南3月降水进行回报与预测。结果表明：1970年代中后期和1990年代末PDO发生2次位相转换与华南3月降水的年代际变化联系紧密。当PDO位于暖（冷）位相时，北太平洋中部海表温度偏低（高），阿留申低压减弱（加强），使得东北—日本海气压偏高（低），青藏高原气压偏低（高），华南地区处在较强垂直上升（下沉）运动区，且低层有一显著的气旋性（反气旋性）环流异常，有（不）利于低层水汽辐合，从而导致华南3月降水增加（减少）。此外，PDO位于暖（冷）位相时，赤道西太平洋海表温度偏冷（暖），导致菲律宾上空反气旋加强（减弱），南海向我国华南地区的水汽输送增加（减少），致使华南3月降水增加（减少）。

华南3月降水；年代际气候转型；PDO；1990年代末

程 乘，朱益民，于 斌，等．中国华南3月降水和大气环流的年代际转型及其与PDO的联系［J］．干旱气象，2016，34（6）：936－944，［CHENG Cheng，ZHU Yimin，YU Bin，et al．Interdecadal Shift of March Precipitation and Atmospheric Circulation in South China and Their Relationshipswith PDO［J］．Journal of Arid Meteorology，2016，34（6）：936－944］，DOI：10．11755／j．issn．1006－7639（2016）－06－0936

引 言

我国东部地区气候在1990年代发生了一次明显的年代际转型，这一事实已经得到越来越多气象学家的认可［1－3］。与此同时，太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation，PDO）也发生了年代际位相转换，这种海盆尺度的海温年代际变化对东亚气候会产生什么影响？这对我国未来气候预估和重大决策具有重要的指导意义，因此需要更加深入地研究。

我国华南地区人口稠密、经济发达，也是重要的农作物产区，华南地区的气候变化与当地居民的生产、生活息息相关。在地理位置上，华南地区东临西太平洋，南接南海，气候变化受海温影响较大［4－7］，同时，由于西侧青藏高原地形的阻挡，华南成为东亚季风进出我国的门户，对东亚季风的年际变化异常敏感［8－12］。然而，目前对于华南区域降水的研究主要侧重于华南前汛期［13－17］，而对华南早春降水的研究较少。统计表明，华南地区在春、秋季容易发生干旱，春旱出现的频率最高，这对华南地区春耕播种及农作物生长有较大影响，因此研究华南3月早春降水的演变规律和形成机理具有重要的现实意义。

已有研究表明，由南海向华南的经向水汽输送变化将导致华南整体降水异常，而纬向的水汽输送变化将导致华南区域降水不均，出现局部降水异常［18－19］。韩晋平等［20］通过耦合模式的长期积分发现，华南春季气候主要受副热带系统和中高纬环流影响。高辉等［21］发现近20 a华南地区汛期降水已由典型的双峰型季节变化特征向单峰型转变。郑菲等［22］利用CAM3进行海温敏感性试验发现，南半球环状模偏强时，有利于华南春季降水的生成。朱志伟等［23］发现春季青藏高原大气热源的年代际减弱，使高原东南侧的西南风减弱，导致中国南方上空水汽输送不足，春季降水减少。Duan等［2］研究指出，PDO对华南初夏降水年际变化的预测具有重要的调制作用。之前的研究多注重1970年代PDO冷暖位相的转换对华南气候的影响，特别是对华南前汛期降水的影响，而对1990年代PDO冷暖位相转换对华南气候影响的研究较少，尤其对早春3月降水的研究更是寥寥无几。因此，本文对比分析了PDO 在1970年代和1990年代的2次年代际转换及其对东亚大气环流年代际变化的作用，旨在发现PDO通过影响东亚大气环流进而调制华南3月降水年代际变化的可能机理，为我国华南春季降水预测提供有意义的参考依据。

1 资料与方法

本文将（105°E—120°E，18°N—28°N）范围定义为中国华南地区，前冬是指前一年12月至当年2月。所用降水资料来自中国气象局整编的1951—2012年华南地区30个测站逐月降水资料；大气环流资料为美国国家环境预报中心和大气管理局研究中心（NCEP／NCAR）1951—2012年逐月再分析资料，包括位势高度场、水平风场、垂直运动场等要素，分辨率为2．5°×2．5°；海表温度资料分别为1951—2012年美国国家海洋与大气管理局（NOAA）发布的2°×2°全球月平均海表温度资料和英国气象局Hadley中心整编的5°×5°全球月平均海表温度资料。

为提取原始资料中的年代际分量，采用9 a Gauss滤波器滤去原始资料中年际尺度的气候变率。此外，还使用了合成分析、相关分析和奇异值分解（Singular Value Decomposition，SVD）等分析方法。

2 降水的年代际变化

2．1 降水的年代际变化

图1给出1951—2012年华南地区3月降水标准化时间序列。可以看出，我国华南地区3月降水不仅有年际变化，还有显著的年代际变化特点。从9 a Gauss滤波曲线来看，62 a来华南地区3月降水主要发生了2次年代际转变。第1次出现在1976／1977年前后，降水由年代际偏少期进入偏多时期，第2次出现在1998／1999年前后，降水由年代际偏多转为年代际偏少。基于以上分析，本文以1951—2012年为气候背景场，以1951—1976年和1999—2012年为华南3月降水偏少时期，以1977—1998年为降水偏多时期，对华南3月降水的年代际变化及其对应的海气异常型进行研究。

图1 1951—2012年华南地区3月降水的标准化时间序列（实线为9 a Gauss滤波后的降水）Fig．1 The standardized time series of precipitation in March in South China during 1951－2012 （Solid line for the filtered precipitation by 9 a Gauss filter）

2．2 年代际降水距平场的空间分布

图2分别给出华南地区1951—2012年3个年代际阶段3月降水距平分布。1951—1976年（图2a），华南3月年平均降水基本呈整体一致偏少的分布形势，且华南东部地区偏少更为明显，降水较常年偏少近20 mm。1977—1998年（图2b），华南3月年平均降水距平分布与前一时期刚好相反，基本呈整体一致偏多的分布形势，其中华南东部地区降水偏多更为明显，3月降水较常年偏多40 mm，而华南南部的海南与西北部的贵州降水略有偏少。1999—2012年（图2c），华南地区3月年平均降水距平分布又出现了反位相变化，其中华南东部地区降水异常偏少，最大偏少量达30 mm，降水偏少区域较1951—1976年时段偏少得更明显，而华南西北部贵州地区降水略有偏多。综上所述，华南地区3月降水基本呈现出全区一致偏多（偏少）的空间分布特征，其中华南东部地区对降水年代际变化的响应更加敏感，变化幅度较大。这可能是受青藏高原地形的阻挡，来自南海、孟加拉湾的水汽更易沿着东南沿海地区北上，导致这一地区的3月降水更易受到东亚地区大气环流年代际变化的影响。

3 降水与前冬北太平洋海表温度年代际变化关系

3．1 前冬北太平洋海表温度的年代际变化

图2 1951—1976年（a）、1977—1998年（b）、1999—2012年（c）华南3月年平均降水距平的年代际分布（单位：mm）Fig．2 Interdecadal precipitation anomalies in March in South China during 1951－1976（a），1977－1998（b），1999－2012（c）（Unit：mm）

图3 1951—1976年（a）、1977—1998（b）、1999—2012年（c）前冬北太平洋海表温度距平场（单位：℃）（阴影区通过了90%及以上的信度检验，下同）Fig．3 The sea surface temperature（SST）anomalies in pre－winter over the North Pacific during 1951－1976（a），1977－1998（b），1999－2012（c）（Uint：℃）（The shaded areas passed the 90%and above confidence level test，the same below）

图3给出1951—1976年、1977—1998年和1999—2012年前冬北太平洋海表温度距平场。可以看出，1951—1976年北太平洋中部海区海表温度偏暖，北美沿岸海表温度偏冷，具有PDO冷位相的分布特征（图3a）；1977—1998年北太平洋海表温度距平场分布与前一时期正相反（图3b），其中部地区海表温度偏冷，北美沿岸海表温度偏暖，具有PDO暖位相的分布特征，且赤道西太平洋海表温度偏冷，赤道东太平洋海表温度偏暖，具有El Niño的分布特征；1999—2012年北太平洋海表温度分布出现了明显的年代际变化（图3c），北太平洋中部及西部地区海表温度偏暖，东部北美沿岸海表温度偏冷，具有PDO冷位相的分布特征，且赤道西太平洋海表温度偏暖，赤道东太平洋海表温度偏冷，具有La Niña的分布特征。值得注意的是，1951—1976年和1977—1998年期间北太平洋海表温度的暖、冷中心位置都位于160°W附近，而1999—2012年期间北太平洋海表温度的暖中心位置向西收缩至日界线附近；此外，北太平洋中部海表温度年代际异常的强度逐渐加强，这种与PDO相联系的大范围海温年代际尺度异常可通过海气相互作用造成年代际尺度上东亚季风环流系统的异常，从而导致PDO对东亚季风及我国东部地区气候异常的影响更加明显。

3．2 降水与前冬北太平洋海表温度的耦合关系

为分析华南3月降水与前冬北太平洋海表温度的耦合关系，将华南3月降水距平场作为左场，前冬北太平洋海表温度距平场作为右场，进行SVD分解得到第1模态（SVD1）异性相关分布及其时间系数（图4）。经分解，SVD1的方差贡献为73．51%。从华南春季3月降水的异性相关分布场来看（图4a），华南地区3月降水以正相关分布为主，其中华南东部地区相关系数达0．3以上，通过α＝0．1的显著性检验。从前冬北太平洋海表温度异性相关分布场来看（图4b），北太平洋海表温度表现出PDO的分布特点，赤道西太平洋和北太平洋中部地区为显著负相关区，相关系数最高＜－0．4，而北美沿岸以及赤道中东太平洋地区为显著正相关区，相关系数最高＞0．4，均通过α＝0．1的显著性检验。这种空间分布型表明，当前冬北太平洋中部以及赤道西太平洋地区海表温度偏冷、北美沿岸以及赤道中东太平洋地区海表温度偏暖时，华南3月降水偏多，且华南东部地区偏多趋势更为明显，反之亦然。从时间系数9 a Gauss滤波来看（图4c），左场和右场的时间系数都表现出明显的年代际变化特征，相关系数达0．53，通过α＝0．01的显著性检验；二者均分别在1976／1977年和1998／1999年前后发生了年代际转型，这与PDO的年代际位相转换时间恰好吻合，说明在年代际时间尺度上，北太平洋海表温度的变化是影响华南地区3月降水变化的重要因子。

图4 1951—2012年华南3月降水（a）与前冬北太平洋海表温度（b）SVD1异性相关分布（a，b）及其时间系数（c）Fig．4 The spatial patterns（a，b）and time coefficients（c）of the first SVD mode of precipitation in March in South China（a）and pre－winter SST over the North Pacific（b）

4 大气环流年代际异常型

4．1 850 hPa风场及垂直运动场

降水是诸多气象条件共同作用的结果，其中最关键的是水汽条件和上升运动。图5给出1951—1976年、1977—1998年和1999—2012年3月东亚地区850 hPa风场及垂直运动距平场。可以看出，1951—1976年（图5a），3月850 hPa距平风场在华南地区表现为反气旋式环流，菲律宾上空反气旋环流较弱，对华南地区水汽输送较少；此外，华南地区垂直运动距平场上表现为下沉运动，这都不利于在华南地区产生降水，导致华南3月年代际降水偏少。相反，1977—1998年（图5b），3月华南地区存在气旋式环流，环流南部为偏南风距平，菲律宾上空反气旋环流偏强，有利于南海对华南地区的水汽输送；另外垂直运动场上，华南地区为上升运动，二者的共同作用导致这一阶段华南地区3月降水偏多。1999—2012年（图5c），850 hPa距平风场上，3月华南区域存在反气旋式环流，全区为偏北风控制，菲律宾上空为气旋式环流，这不利于水汽向华南地区输送；垂直运动场上，3月华南大部为下沉运动区，不利于产生降水，只有华南东部存在上升运动，但由于缺乏充沛的水汽，在二者的共同作用下该时期华南3月降水整体偏少。

图5 1951—1976年（a）、1977—1998年（b）、1999—2012年（c）3月东亚地区850 hPa风场及垂直运动场（单位：m·s－1）距平（阴影区表示上升气流区，A表示反气旋式环流，C表示气旋式环流，黑色矩形区域为华南地区）Fig．5 The anomalies of wind field and verticalmotion field（Unit：m·s－1）on 850 hPa in March over East Asia during 1951－1976（a），1977－1998（b），1999－2012（c）（Shaded areas for the ascending zone of airflow，A for anticyclone，C for cyclone，the black rectangle area for the South China）

4．2 纬向平均垂直流场

图6给出3月105°E—120°E范围纬向平均垂直流场。可以看出，1951—1976年华北为深厚的上升气流距平区，华南为深厚的下沉气流距平区，不利于华南地区水汽上升凝结形成降水；此外，近赤道地区同样被深厚下沉气流距平控制，不利于南海水汽向华南地区输送，二者共同作用导致这一时期华南3月降水偏少（图6a）。相反，1977—1998年华北为深厚的下沉气流距平区，华南为深厚的上升气流距平区（图6b），这有利于华南地区水汽上升凝结形成降水。此外，近赤道地区同样被深厚上升气流距平控制，有利于南海水汽向华南输送，二者共同作用导致这一时期华南3月降水偏多。1999—2012年（图6c），华北地区为深厚的下沉气流距平区，下沉气流距平向低纬度低层地区渗透，导致华南对流层以下受下沉气流控制，不利于水汽凝结产生降水。此外，近赤道地区对流层被下沉气流控制，不利于水汽向华南地区输送。二者的共同作用导致这一时期华南3月降水偏少。

图6 1951—1976年（a）、1977—1998年（b）、1999—2012年（c）3月纬向平均（105°E—120°E）的垂直流场距平（冷色表示上升气流区，暖色表示下沉气流区）Fig．6 The anomalies of zonalmean（105°E－120°E）vertical flow field in March during 1951－1976（a），1977－1998（b），1999－2012（c）（Cold color for ascendingmotion，warm color for sinkingmotion）

4．3 海平面气压距平场

为了更清楚地描述1990年代末PDO位相转换对华南3月降水年代际变化的影响，这里取气候平均态为1977—2012年平均，着重对比1977—1998年和1999—2012年2个阶段海气异常型变化。图7给出3月海平面气压距平场的年代际变化，可以看出，1977—1998年（图 7a），阿留申低压加深，东北—日本海气压偏高，青藏高原气压偏低，西西伯利亚气压偏高，气压距平场在中纬度地区由东向西呈“－、+、－、+”的波列型分布。青藏高原气压偏低，有利于在此产生气旋式环流，环流底部的西南风将来自南海的水汽向华南地区输送，有利于华南地区的降水增加。此外，东北—日本海气压偏高，有利于在本地产生反气旋式环流，环流底部的东北风将来自南海的暖湿气流阻挡在长江以南地区，造成这一阶段华南3月降水偏多。相反，1999—2012年（图7b），阿留申低压减弱，东北—日本海气压偏低，青藏高原气压偏高，西西伯利亚气压偏低，气压距平场在中纬度地区由东向西呈“+、－、+、－”的波列型分布。青藏高原气压偏高，有利于在青藏高原地区产生反气旋式环流，环流底部的东北风阻碍了来自南海的水汽向华南地区输送，不利于华南地区产生降水。此外，东北—日本海气压偏低，有利于在该地区产生气旋式环流，环流底部的西南风将华南地区的水汽向北输送，造成华南地区水汽减少，导致这一阶段华南3月降水偏少。

5 基于多元线性回归方法的降水预测模型

5．1 前冬逐月北太平洋海表温度异常与降水的关系

为了分析前冬北太平洋海表温度演变对华南3月降水的影响，将1951—2012年北太平洋前冬逐月海表温度与华南地区3月降水求相关，得到相关系数的逐月演变（图8）。可以看出，随着时间的推移，与华南3月降水显著相关的海表温度分布较为稳定，位置和强度变化都不大，在北太平洋中纬地区表现为 PDO型，而低纬地区东西部呈相反变化。因此，选取其中各月均通过α＝0．1显著性检验的海区作为关键区，将关键区海表温度距平视为华南3月降水变化的影响因子，参与预测建模试验。为了便于计算，将关键区定为10°×10°，得出关键区为SST1（134°W—124°W，0°—10°N）、SST2（150°E—160°E，6°N—16°N）、SST3（174°W—164°W，26°N—36°N）、SST4（136°W—126°W，34°N—44°N）。

图7 1977—1998年（a）、1999—2012年（b）3月海平面气压距平场（单位：hPa）Fig．7 The anomalies of SLP field in March during 1977－1998（a）and 1999－2012（b）（Unit：hPa）

图8 前冬12月、1月、2月（从上至下）北太平洋海表温度与华南3月降水的相关系数Fig．8 The correlation coefficients between pre－winter SST in December，January，February（from top to bottom）over North Pacific and March precipitation in South China

5．2 华南3月降水的预测模型

将前冬关键区逐月海表温度与华南3月降水求相关，得到逐月相关系数（表1）。可以看出，除了SST2区域12月海表温度与华南3月降水的相关系数未通过α＝0．05的信度检验外，其余各区各月的相关系数均通过α＝0．05及以上的信度检验。其中，SST3区域各月和SST4区域1月海表温度与华南3月降水的相关系数通过α＝0．01的信度检验，说明相对于热带太平洋海表温度异常而言，与PDO相联系的中纬度北太平洋地区海表温度异常的变化对华南3月降水的影响更大。将每个关键区各月相关系数最大的作为华南3月降水的预测因子，得到预测因子为SST1Feb、SST2Feb、SST3Dec和SST4Jan（SST1Feb表示SST1区域同年2月海表温度距平，SST2Feb表示SST2区域同年2月海表温度距平，SST3Dec表示SST3区域前一年12月海表温度距平，SST4Jan表示SST4区域同年1月海表温度距平）。

表1 1951—2012年前冬关键区逐月海表温度与华南3月降水的相关系数Tab．1 The correlation coefficients between pre－winter SST over key regions and March precipitation in South China during 1951－2012

采用多元线性回归方法，将华南3月降水距平百分率（SCRp）作为预测对象，利用上述预测因子，建立华南3月降水的预测模型。其公式为：

选取1951—2002年为建模和回报时段，2003—2012年为独立样本预测时段，得到华南3月降水的回报与预测结果（图9），二者相关系数为0．47。由图9可看出，预测模型能够较好地预测华南3月降水异常的年际和年代际变化，特别是在年代际时间尺度上，预测模型回报和预测的华南3月降水年代际异常与观测值拟合较好，表明PDO对华南早春3月降水异常具有明显的调制作用。

图9 多元线性回归模型对华南3月降水的回报（1951—2002年）与预测（2003—2012年）Fig．9 The fitted during 1951－2002 and predicted during 2003－2012 March precipitation in South China by usingmultiple linear regression model

6 结 论

（1）华南3月降水具有明显的年代际变化特点，其中1951—1976年降水偏少，1977—1998年降水偏多，1999—2012年降水偏少。华南3月降水异常年代际转型的时间与PDO冷暖位相发生转换的时间基本一致。

（2）华南3月降水与前冬北太平洋海表温度异常在时间尺度上有很好的耦合关系，当北太平洋海表温度呈现PDO暖位相分布时，华南3月降水偏多，二者的时间系数在1976／1977年前后和1998／1999年前后均发生了年代际转折。

（3）当PDO位于暖（冷）位相时，北太平洋中部海表温度偏低（高），阿留申低压减弱（加深），使得东北—日本海气压偏高（低），青藏高原气压偏低（高），华南地区处在较强垂直上升（下沉）运动区，且低层有一显著的气旋性（反气旋性）环流异常，有（不）利于低层水汽辐合，从而导致华南3月降水增加（减少）。此外，PDO位于暖（冷）位相时，赤道西太平洋海表温度偏冷（暖），导致菲律宾上空反气旋加强（减弱），南海向我国华南地区的水汽输送增加（减少），致使华南3月降水增加（减少）。

（4）基于多元线性回归模型对华南3月降水的回报与预测表明，与PDO相联系的北太平洋海表温度异常的年代际变化是造成华南3月降水年际和年代际异常的重要因子，PDO对华南早春3月降水异常具有明显的调制作用。

本文建模因子仅考虑了海表温度对华南3月降水影响，而对与PDO相联系的大气环流异常对华南3月降水的作用尚未作为预测因子引入模型，今后若采用多因子、多物理过程的预测模型可能将会提高降水的预测准确率。

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［23］朱志伟，何金海，钟珊珊，等．春夏东亚大气环流年代际转折的影响及其可能机理［J］．气象学报，2013，71（3）：440－451．

Interdecadal Shift of M arch Precipitation and Atmospheric Circulation in South China and Their Relationships w ith PDO

CHENG Cheng1，2，ZHU Yimin2，YU Bin1，MA Xiaotong1，YUAN Maolin1

（1．The 95178 Troops of PLA，Nanning 530226，China；2．College of Meteorology and Oceanography，PLAUniversity of Science and Technology，Nanjing 211101，China）

Based on themonthly precipitation data at30 weather stations in South China during 1951－2012，monthly reanalysis data from NCEP／NCAR andmonthly global sea surface temperature（SST）data from NOAA，the interdecadal shiftofMarch precipitation in South China and accompanying change of East Asia circulation were investigated．And on this basis the predictionmodel of precipitation in March based on SST was established．The results show that the interdecadal change of March precipitation in South China were closely related with two interdecadal shift of the pacific decadal oscillation（PDO）in themid to late 1970s and the late 1990s．When PDO was in positive（negative）phase，SST in central North Pacific was colder（warmer），Aleutian low pressureweakened（strengthened），which led to higher（lower）sea－level pressure（SLP）over Northeast China to Japan sea and lower（higher）SLPover the Tibet Plateau．In themeantime，South China located in the ascending（sinking）motion region，and the cyclone（anticyclone）circulation anomalies existed in lower layer over South China，which was conducive to convergence（divergence）ofwater vapour to cause the flood（drought）in South China．In addition，when PDO was in positive（negative）phase，SST in equatorial western Pacific Ocean was colder（warmer），which resulted in the intensification（weakening）of anticyclone over Philippines and increase（decrease）of water vapor transport from South China Sea to South China，and further March precipitation over South China increased（decreased）．

March precipitation in South China；interdecadal climate shift；PDO；the late 1990s

1006－7639（2016）－06－0936－09

10．11755／j．issn．1006－7639（2016）－06－0936

P426．6

A

2016－05－13；改回日期：2016－06－06

公益性行业（气象）科研专项（GYHY201106017）资助

程乘（1994－），男，汉族，江西景德镇人，硕士，助理工程师，主要从事年代际气候变化相关研究．E－mail：chengcheng＿cici＠yeah．net