冬季各月北太平洋涛动的年际变化及其与我国降水异常的联系

李忠贤,何鹏



冬季各月北太平洋涛动的年际变化及其与我国降水异常的联系

李忠贤*,何鹏

南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044

2014-12-01收稿,2015-03-31接受

国家自然科学基金资助项目(41575102);江苏省高校自然科学研究面上项目(13KJB170013)

利用ERA-Interim的海平面气压(Sea Level Pressure,SLP)再分析资料和中国160站的降水观测资料,分析了冬季各月(当年12月、次年1月和2月)北太平洋涛动(North Pacific Oscillation,NPO)的年际变化特征,及其与我国同期降水异常之间的联系。结果表明:1)冬季各月NPO指数的年际变化较为显著,但各月NPO指数年际变化之间的相关性较差,1979—2012年冬季12月与1月NPO指数年际变化之间的相关系数为0.09,而1月与2月NPO指数的相关系数仅为-0.003,均没有通过信度检验。2)1月和12月NPO指数年际变化与同期我国黄淮流域降水异常之间存在明显的正相关,而2月NPO指数年际变化与同期我国华北降水异常之间为明显的负相关。3)当1月(12月)NPO指数增加1个标准差时,我国黄淮流域降水量比多年平均值增加约50%(40%);而当2月NPO指数增加1个标准差时,我国华北降水量比多年平均值减少约30%。

北太平洋涛动

年际变化

冬季

降水

环流特征

北太平洋涛动(North Pacific Oscillation,NPO)是指北太平洋大气环流异常年际变化的主要模态,反映的是北太平洋区域海平面气压(Sea Level Pressure,SLP)在高纬和低纬之间的跷跷板变化特征(Rogers,1981;王会军等,2007;王林等,2011;李忠贤等,2014)。NPO的概念是美国天气预报员在1916年首次提出,并且于20世纪20年代开始被西方学者所关注(Walker,1924;Walker and Bliss,1932)。一些学者通过经验正交函数(Empirical Orthogonal Function,EOF)分解方法对北太平洋SLP异常进行分析,发现其第二模态表现为NPO的分布形态(Kutzbach,1970;Roger,1979)。Wallace and Gutzler(1981)利用单点相关的技术,进一步证实了NPO的存在。研究指出NPO与其上空大气的太平洋—北美型(Pacific-North American pattern,PNA)和太平洋西部型(Western Pacific pattern,WP)遥相关型有密切联系,而且NPO和WP遥相关型有非常相似的垂直结构,被认为是同一种大气环流异常模态分别在海平面气压场和空间高度场上的不同表达(Linkin and Nigam,2008)。冬季NPO和WP的年际变化与太平洋风暴轴等存在密切联系(王娜和孙照渤,2013;袁凯等,2015)。

冬季NPO作为冬季北半球太平洋地区大尺度大气环流的主要模态之一,其年际变化与中国的气温及降水之间有着密切的关系(Wang et al.,2007)。郭冬和孙照渤(2004)指出在NPO指数偏强年,东亚冬季风偏弱,中国气温普遍偏高,长江中下游地区降水偏少,而华南降水偏多;而在NPO指数偏弱年,东亚冬季风偏强,中国气温普遍偏低,降水偏少。此外,研究发现前期冬季NPO年际变化与中国春季和夏季降水分布存在紧密的联系(赵振国和廖荃荪,1992;张静等,2007;王林等,2011;周波涛和夏冬冬,2013)。利用逐月平均SLP和地表气温资料,Walker and Bliss(1932)指出,冬季NPO变化与北美、亚洲和南美地区的气温与降水有非常明显的影响。Linkin and Nigam(2008)的分析表明,冬季NPO变异对太平洋西北部和北美地区冬季气候具有重要影响。

迄今为止,学界主要针对季节平均(特别是冬季)NPO的年际、年代际变化及其与全球大气环流和气候异常的关系作了大量工作。然而,有关不同月份NPO的年际变化及其气候影响的研究尚不多见。本文主要利用观测资料,初步分析冬季各月NPO的年际变化及其与我国降水的联系。

图1　1979—2012年冬季12月(红色柱状线)、1月(蓝色柱状线)和2月(绿色柱状线)NPO指数变化(单位:hPa)Fig.1　December(red bars),January(blue bars) and February(green bars) NPO index in winter during 1979—2012(units:hPa)

1　资料和方法

本文使用的资料有:

1)欧洲中期天气预报中心逐月SLP、500 hPa高度场与850 hPa风场资料(Dee et al.,2011),水平分辨率为2.5°×2.5°,时段为1979年1月—2013年12月。

2)国家气候中心提供的全国160站逐月降水量资料,时间段为1951年1月—2013年10月。

上述资料本文选用时段均为1979年12月—2013年2月。文中冬季是指当年12月到次年2月(如:1979年冬季表示1979年12月、1980年1月与1980年2月,下不赘述)。

参照Furtado et al.(2012)定义NPO指数的方法,将冬季各月NPO北部中心(180°～140°W,55～72.5°N)各格点上SLP距平(SLP Anomaly,SLPA)的区域平均值与NPO南部中心(175°E～147.5°W,15～27.5°N)各格点上SLPA的区域平均值之差定义为当前月份的NPO指数。

本文采用的方法主要有相关分析、一元线性回归分析和Morlet小波分析(Torrence and Compo,1998)等统计方法。

2　冬季各月北太平洋涛动的年际变化特征

图1给出了1979—2012年冬季各月NPO指数的变化曲线。从图1可以看出,冬季各月NPO指数均具有明显的年际变化,而2月份NPO指数还存在年代际变化。此外,冬季NPO指数的季节内变化也较为明显,其中1979—2012年共34个冬季中各月NPO指数正、负符号不一致的年份共有23个,约占总年份的68%。

为了分析冬季各月NPO指数变化的时间尺度特征,对冬季各月NPO指数进行小波分析(图2)。可见,冬季各月NPO指数的年际变化特征较为显著。12月NPO指数主要表现为2～4 a的周期变化(图2a);1月NPO指数变化在20世纪80年代至90年代以2～4 a的周期为主,在21世纪初以后主要以4～8 a的周期为主(图3b);2月NPO指数变化在20世纪80年代表现为2～4 a的显著周期,20世纪90年代至21世纪初存在16 a左右的周期变化,但未通过信度检验。

对冬季各月NPO指数进行了年代际时间尺度分量滤波,提取出了各月NPO指数年际变化分量。如图3所示,冬季各月NPO指数的正、负位相年份差异显著。计算表明,12月NPO指数与1月NPO指数年际变化之间的相关系数为0.09,1月与2月NPO指数的相关系数为-0.003,均没有通过信度检验。

图2　1979—2012年冬季各月NPO指数的Morlet小波分析(阴影区通过了95%的置信度检验)　　a.12月;b.1月;c.2月Fig.2　The local wavelet power spectra for the winter monthly NPO index,based on the Morlet wavelet for the period 1979—2012(shading indicates the 95% confidence level):(a)December;(b)January;(c)February

图3　1979—2012年冬季各月NPO指数的年际变化(单位:hPa)　　a.12月;b.1月;c.2月Fig.3　Interannual variations of the winter monthly NPO index during 1979—2012(units:hPa):(a)December;(b)January;(c)February

3　冬季各月北太平洋涛动年际变化与我国降水异常的关系

图4为冬季各月NPO指数年际变化与同期我国降水距平百分率的回归系数分布。对比图4a、b、c可见,冬季不同月份NPO指数年际变化与同期降水异常之间的联系存在较为明显的差异。从图4a可见,当12月NPO处于正(负)位相时,我国降水异常增加(减少)比较明显的区域位于华北、黄淮和东南沿海地区,尤其是黄淮流域,而我国东北地区的降水异常偏少(多);当12月NPO指数增加(减少)1个标准差时,我国黄淮流域降水量比同期多年平均值增加(减少)40%左右。如图4b所示,当1月NPO处于正(负)位相时,我国黄淮流域降水异常出现明显的增加(减少);当1月NPO指数增加(减少)1个标准差时,我国黄淮流域降水量比同期多年平均值增加(减少)50%左右。图4c表明,当2月NPO指数增加(减少)1个标准差时,我国华北地区降水量比同期多年平均值减少(增加)30%左右。

图4　1979—2012年冬季各月NPO年际变化指数与同期中国160站降水百分率的回归系数分布(浅、深阴影区分别通过了90%和95%的置信度检验；单位：%)　　a.12月;b.1月;c.2月Fig.4　The simultaneous regression coefficients of the winter monthly NPO index and precipitation anomaly percentage in China during 1979—2012(light and dark shading indicates the 90% and 95% confidence levels,respectively;units:%):(a)December;(b)January;(c)February

4　冬季各月北太平洋涛动年际变化与东亚大气环流异常的关系

图5为1979—2012年冬季各月NPO指数的年际变化与同期SLP场和500 hPa位势高度距平场的回归系数分布。图5a表明,当12月NPO处于正(负)位相时,东亚地区的SLPA场异常偏高(低),同时在其上空500 hPa高度场上也有正(负)位势高度异常变化,主要位于我国东北、朝鲜半岛和日本地区(图5d),这将有利于该地区异常反气旋(气旋)的形成,而且异常环流场通过了95%的置信度检验;与12月的情况较为类似,当1月NPO处于正(负)位相时,东亚地区SLP和500 hPa偏高(低)(图5b、e),当2月NPO处于正(负)位相时,我国西北和内蒙古地区的SLP场偏高(低)(图5c),而我国东北地区500 hPa高度场偏低(高)(图5f),这将有利于我国华北地区出现异常的偏北(南)气流。

图5　1979—2012年冬季各月标准化NPO指数的年际变化与同期SLPA场(a,b,c；单位:hPa)和同期500 hPa位势高度距平场(d,e,f；单位:gpm)的回归系数分布(阴影区通过了95%的置信度检验)　　a,d.12月;b,e.1月;c,f.2月Fig.5　The simultaneous regression coefficients of (a—c)SLP anomaly(units:hPa) and (d—f)500 hPa geopotential height anomalies(units:gpm) on the interannual variations of the winter monthly NPO normalized index during 1979—2012(shadings indicate the 95% confidence level):(a,d)December;(b,e)January;(c,f)February

图6为1979—2012年冬季各月NPO指数年际变化与同期850 hPa风场距平的回归系数分布。由图6a可见,当12月NPO处于正(负)位相时,我国东北地区为异常反气旋(气旋)式的风场距平,我国华北、黄淮地区位于异常反气旋(气旋)的南边缘,将有利于(不利于)来自西太平洋的暖湿水汽向华北和黄淮地区输送,从而使得华北、黄淮地区降水异常偏多(少);由图6b所示,当1月NPO处于正位相时,长江流域以北地区有异常偏南气流向华北南部和黄淮地区输送,使得该区域的降水增加,反之亦然;图6c表明,2月NPO处于正(负)位相时,我国华北地区受到异常偏北(南)气流的影响,这种异常风场将加强(减弱)东亚冬季风,这一环流形势有不利于(有利于)来自南边海洋的暖湿气流向我国华北地区输送,从而导致我国华北地区降水减少(增加)。

5　结论与讨论

本文利用1979年1月至2013年12月ERA-Interim逐月的SLP再分析资料和中国160站的降水观测资料,分析了冬季各月NPO的年际变化特征,及其我国同期降水之间的联系,得到如下结论:

1)冬季各月NPO指数年际变化的相关性较弱,其中12月与1月NPO指数年际变化之间的相关系数为0.09,而1月与2月NPO指数的相关系数仅为-0.003,均未通过信度检验。

2)冬季各月NPO年际变化与我国降水异常存在紧密的联系。当12月NPO指数增加(减少)1个标准差时,我国黄淮流域降水量比多年平均值增加(减少)40%左右;当1月NPO指数增加(减少)1个标准差时,我国黄淮流域降水量比同期多年平均值增加(减少)50%左右;当2月NPO指数增加(减少)1个标准差时,我国华北地区降水量比多年平均值减少(增加)30%左右。

3)冬季各月NPO年际变化与东亚地区大气环流异常关系密切。当12月NPO处于正(负)位相时,整个东亚地区的SLP场异常偏高(低),同时在其上空500 hPa高度场上也有正(负)位势高度异常变化,这将有利于该地区异常反气旋(气旋)式的风场距平。受其影响,我国黄淮流域降水出现增加(减少);1月NPO与东亚大气环流的联系和12月较为类似;当2月NPO处于正(负)位相时,在我国西北、内蒙古地区的SLP场异常偏高(低),我国东北地区500 hPa高度场偏低(高),这将使得我国华北地区出现异常的偏北(南)气流,导致2月华北地区降水出现减少(增加)。

本文的研究表明,冬季NPO不仅存在明显的年际变化,还存在明显的季节内(月平均时间尺度)变化。但是冬季不同月份NPO变化的相关系数偏小,这可能与冬季不同月份天气尺度的北太平洋风暴轴活动和各月东亚副热带急流变化等有关(任雪娟等,2007;Linkin and Nigam,2008;王林等,2011),今后有必要对此进行深入研究。

图6　1979—2012年冬季各月标准化NPO指数的年际变化与同期850 hPa风场距平的回归系数分布(浅、深阴影区表示经向风场分别通过了90%和95%的置信度检验；单位:m·s-1)　　a.12月;b.1月;c.2月Fig.6　The simultaneous regression coefficients of 850 hPa wind anomalies on the winter monthly NPO normalized index during 1979—2012 (light and dark shading indicates the 90% and 95% confidence levels for the meridional wind fields,respectively;units:m·s-1):(a)December;(b)January;(c)February

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The North Pacific Oscillation(NPO) is one of the most prominent large-scale patterns of atmospheric low-frequency variability in the northern extratropics.It plays an important role in modulating atmospheric circulation and climate over the East Asian region.Based on the ERA-Interim sea level pressure data,along with the observed precipitation data of 160 stations in China provided by the National Climate Center,spanning from January 1979 to December 2013,the interannual variation of the winter monthly(December,January and February) NPO and its association with simultaneous precipitation in China and atmospheric circulation over East Asia are investigated in this paper through use of correlation analysis,linear regression analysis and Morlet wavelet analysis.

The results show that the monthly NPO has a significant interannual variation in wintertime.The index of the monthly NPO has a 2—4 yr period.Importantly,however,the correlations among the interannual variation of the winter monthly NPO indices are weak.During 1979—2012,the correlation coefficients between the NPO index in December and that in January is 0.09,while between January and February it is only -0.003,without passing the reliability test at the 95% confidence level.

Additionally,it is shown that the interannual variation of the NPO impacts evidently upon the precipitation anomalies over East China.Significant positive correlation is found between the interannual variations of the NPO and the precipitation over the Huanghuai River valleys in December and January.However,the interannual variation of the NPO in February relates negatively to the precipitation over North China in February.The precipitation over the Huanghuai River valleys increases by about 50%(40%) compared with its climatology as the NPO index increases by one standard deviation in January(December).Meanwhile,when the NPO index increases by one standard deviation in February,the precipitation over North China decreases by about 30%.

Furthermore,the monthly NPO is closely associated with anomalous East Asian atmospheric circulation,which leads to anomalous precipitation over East China.When the NPO index is positive in December and January,the simultaneous sea level pressure and 500 hPa geopotential height anomalies are positive over East Asia.As a result,the precipitation over the Huanghuai River valleys increases in December and January.When the NPO index is negative in December and January,the simultaneous sea level pressure and 500 hPa geopotential height anomalies are negative over East Asia.Accordingly,the precipitation over the Huanghuai River valleys decreases in December and January.When the NPO index is positive in February,the sea level pressure anomalies are positive over northwestern China and Inner Mongolia and the 500 hPa geopotential height anomalies are negative over northeastern China,which leads to a decrease in precipitation over North China in February.Lastly,when the NPO index is negative in February,the sea level pressure anomalies are negative over northwestern China and Inner Mongolia and the 500 hPa geopotential height anomalies are positive over northeastern China,resulting in increased precipitation over North China in February.

North Pacific Oscillation;interannual variation;winter;precipitation;circulation features

(责任编辑：孙宁)

Interannual variation of the winter monthly North Pacific Oscillation and its association with precipitation in China

LI Zhongxian,HE Peng

KeyLaboratoryofMeteorologicalDisaster,MinistryofEducation(KLME)/JointInternationalResearchLaboratoryofClimateandEnvironmentChange(ILCEC)/CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20141203001

引用格式：李忠贤,何鹏,2016.冬季各月北太平洋涛动的年际变化及其与我国降水异常的联系[J].大气科学学报,39(5):600-607.

Li Z X,He P,2016.Interannual variation of the winter monthly North Pacific Oscillation and its association with precipitation in China[J].Trans Atmos Sci,39(5):600-607.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20141203001.(in Chinese).

*联系人，E-mail:lizhongxian@nuist.edu.cn