热带海温的时空变化及其与我国降水的关系

洛桑旺姆 达琼 赤桑单吉 拉珍

摘要利用1979—2014年的NOAA/NASA海表温度延长重构数据和国家台站的观测数据，采用经验正交函数（EOF）方法，从赤道年平均海温出发，分析热带海温的时空变化特征以及印度洋—太平洋海温对我国年降水量的影响。结果表明，1979—2014年热带地区年平均海温为26 ℃，海温暖区主要集中在印度洋和西太平洋的赤道地区。热带海温距平时空变化特征：第1特征向量场在印度洋海温表现为全区一致型，太平洋海温表现为弱El Nio（La Nia）现象，时间系数与年降水量主要在新疆、西藏、青海、甘肃和河套地区为显著的正相关关系；第2特征向量场在太平洋海温表现为El Nio（La Nia）现象，印度洋海温表现为偶极子型，时间系数与年降水量在西藏和黄河中游地区为显著的正相关关系，在东北东部和长江以南地区为显著的负相关关系；第3特征向量场在太平洋海温表现为弱El Nio（La Nia）现象，印度洋海温表现为南北型，时间系数与年降水量在西藏、新疆、福建和东北西北部为显著的负相关关系。

关键词热带海温；时空变化；降水；偶极子；厄尔尼诺

中图分类号S161.6文献标识码A文章编号0517-6611（2017）11-0164-04

AbstractUsing the NOAA / NASA sea surface temperature extension reconstruction data and the national station observation data from 1979 to 2014，starting from the annual average sea surface temperature（SST） of equator，the temporal and spatial characteristics of tropical SST and the effect of Indian Ocean Pacific SST on the annual precipitation in China were analyzed by the empirical orthogonal function （EOF） method.The results showed that the annual average SST in the tropical region was 26 ℃ from 1979 to 2014， and the warm zone of SST was mainly concentrated in the equatorial region of the Indian Ocean and the western Pacific.The tropical SST anomalies were characterized by the fact that the first eigenvector field was consistent with the same area in the Indian Ocean SST， and the Pacific SST was weak El Nio （La Nia）. The time coefficient and the annual precipitation were mainly positive correlation in Xinjiang， Tibet，Qinghai， Gansu and Hetao area.The second eigenvector field was El Nio （La Nia） in the Pacific SST，and the Indian Ocean SST was characterized by dipole type.There was a significant positive correlation between time coefficient and annual precipitation in Tibet and the middle reaches of the Yellow River，and significant negative correlation between the eastern part of the Northeast and the south of the Yangtze River.The third eigenvector field was weak El Nio （La Nia） in the Pacific SST，and the Indian Ocean SST was the northsouth type，there was significant negative correlations between time coefficient and annual precipitation in Tibet， Xinjiang， Fujian and the northwest part of the northeast.

Key wordsTropical SST；Spatiotemporal variation；Precipitation；Dipole；El Nio

低纬热带地区是全球大气的能量源，吸收来自太阳的辐射，向高纬度地区传输热量，同时给中高纬度地区提供丰富的水汽资源。热带地区海洋通过海气相互作用，引起大气环流变化进而对中高纬地区降水产生影响。印度洋和太平洋海温一直是国内外学者研究我国降水的首要考虑因子，早在1987年，李麦村等[1]就太平洋海温和长江流域降水的联系进行了研究，发现长江流域旱年（涝年）与赤道东太平洋海温发生El Nio（La Nia）相對应，当冬季赤道东太平洋发生El Nio（La Nia），与其落后4.2个月且正相关的西太平洋副热带高压在夏季加强（减弱），长江流域夏季降水将减少（增加）。龚道溢等[2]讨论了ENSO对我国四季降水的影响。同时El Nio发生对同年和次年我国降水影响是不同的，厄尔尼诺开始年，4—8月和次年2—3月，除江淮、黄淮和东北大部地区外，全国大部地区明显少雨；9月—次年1月和次年4—8月，我国降水基本上呈现出南多北少的分布型，江南到长江中游一带明显多雨和黄淮地区明显少雨[3]。袁媛等[4]研究不同分布型El Nio事件对次年夏季我国降水的影响发现，20世纪50年代以来的El Nio可以分为东部型、中部型和混合型El Nio，不同的海温分布将会给赤道纬向环流以及水汽输送带来不同的影响，同时影响副热带高压，3种El Nio分布型分别会造成次年我国夏季降水雨带分布呈南方型（Ⅲ 类）、中间型（Ⅱ 类）和北方型（Ⅰ类）。邓爱军等[5]分析指出印度洋海温对我国降水有很好的指示意义，当印度洋西南部暖（冷），南海和西太平洋冷（暖），我国华南前汛期降水增加（减少），同时这种相关关系落后2个月。长江流域梅雨降水与西北太平洋SST有落后2个月的显著负相关，而与阿拉伯海海温有落后2个月的显著正相关[2]。同时当印度洋海温呈现偶极型（IOD）时，其正（负）位相使得我国西南（云南西部除外）、华南以及华北、东北地区的冬季降水出现正（负）异常，在江淮流域出现负（正）异常[6]。但当IOD与ENSO同时出现时，IOD的作用使得ENSO对我国西南（云南西部除外）、内蒙、东北地区冬季降水的影响作用更为显著，从而体现了IOD与ENSO对我国降水的协同作用[6]。

在热带地区，对海温变化的研究区域以印度洋和太平洋为主，已有研究结果表明，印度洋海温的空间分布主要存在全区一致型、东西差异型（印度洋偶极子）、南北差异型3种定常型[7]，太平洋海温的空间分布型主要存在全区一致型、西部与东南部符号相反的偶极型（El Nio/La Nia）2种定常型[8]。同时印度洋海温与太平洋海温存在密切的联系，印度洋海温从偶极子型转变为全区一致型，对应着厄尔尼诺事件从发展到衰减的过程[8]。已有研究表明，印度洋和太平洋对我国降水均有显著的影响[1-6]，但在时空变化上，印度洋和太平洋海温的主要空间分布型的联系还不是很清楚，我国位于赤道印度洋和太平洋之北，印度洋—太平洋海温不同的空间分布型对我国降水的影响需要进一步分析。基于此，笔者从赤道年平均海温出发，探讨印度洋—太平洋海温对我国年降水量的影响，旨在为研究我国降水的气候变化特征提出依据。

1资料与方法

1.1数据来源海温数据采用的是NOAA/NASA 1979—2014年的海表温度延长重构数据[NOAA Extended Reconstructed Sea Surface Temperature（SST）V4]，该数据集已经被广泛应用到热带海温变化的研究中[9]；我国降水选用的是国家台站1979—2014年的观测数据。

1.2经验正交函数（EOF）方法经验正交函数是一种寻找物理量变化主要特征向量场的数学方法，假设Xt（t=1，2，…，n）是m维空间中的n个向量，将其用一组正交基向量尽可能准确地表示成公式（1）：

Xt=k1k=1αk（t）Vk+εt（1）

式中，Vk是m维正交基向量，不随时间变化；εt是m维误差向量，通过建立V1，V2，…，使其与α1（t），α2（t），…乘积对Xt贡献的剩余误差εt最小，从而找到Xt主要贡献的空间特征向量场和时间系数，进而分析Xt的时空变化特征[10]。

该研究选用热带海温标准化距平场做经验正交函数分解，进而分析热带海温的时空变化特征。

2热带海温的时空变化特征

经统计，热带地区年平均海温26 ℃，热带地区海温暖区主要集中在印度洋和西太平洋的赤道地区，温度由南向北依次递减（图1）。

将海温距平标准化再进行EOF分解，得到海温距平的前3个特征向量场（图2），其方差贡献率依次为34.4%、192%和9.3%，累计方差贡献达62.9%，说明前3个特征向量场的海温距平对海表温度的时空变化贡献最大。热带海温距平EOF第1特征向量场的时间系数（图3a）表现出明显的年代际变化，1979—1998年，时间系数为负，印度洋和西太平洋为海温负距平，东太平洋为海温正距平；1998—2014年，时间系数为正，印度洋、西太平洋和大西洋为海温正距平，东太平洋为海温负距平。第1特征向量场空间分布（图2a）表现：热带海温在印度洋、西太平洋和大西洋为海温正距平，同时其时间系数与海温距平序列相关系数大部分都超过0.6，最大相关系数在0.8以上，这一地区的海温变化对海温距平序列方差贡献率超过36.0%，最大可达64.0%；热带海温在东太平洋地区为海温负距平，其时间序列与海温距平序列相关系数大部分超过0.2，对海温距平变化的方差贡献率超过4.0%，仅在小部分地区相关系数超过0.4。可见，热带海温距平时间序列在第1特征向量场上，方差贡献率由印度洋、西太平洋和大西洋海温变化主导。第1特征向量场中，印度洋海温表现为全区一致型，太平洋海温表现为弱El Nio（La Nia）现象。

热带海温距平EOF第2特征向量場的时间系数（图3b）表现为年际变化。第2特征向量场空间分布（图2b）表现：热带海温在印度洋和中东太平洋为负距平，印度洋海温时间系数与海温距平序列相关系数大部分地区超过0.2，相关系数超过0.4的地区与其相近，海温变化对海温距平序列方差贡献率达16.0%；在中东太平洋地区，海温时间系数与海温距平序列相关系数大部分地区超过0.4，在赤道地区相关系数达0.8，海温变化对海温距平序列方差贡献率达640%；其他地区的海温变化对海温距平序列的方差贡献率在40%左右。可见，热带海温距平时间序列在第2特征向量场上，方差贡献率由赤道中东太平洋海温变化主导，其次为印度洋。第2特征向量场中，太平洋海温表现为El Nio（La Nia）现象，印度洋海温表现为偶极子型。

热带海温距平EOF第3特征向量场的时间系数（图3c）表现为年际变化。第3特征向量场空间分布（图2c）表现：热带海温在北印度洋和东太平洋为负距平，北印度洋海温时间系数与海温距平序列相关系数大部分地区低于0.2，东太平洋海温时间系数与海温距平序列相关系数大部分地区超过0.2，在赤道地区相关系数达0.6，海温变化对海温距平序列方差贡献率达36.0%；热带海温在西太平洋为正距平，时间系数与海温距平序列相关系数大部分地区超过0.4，海温变化对海温距平序列的方差贡献率超过16.0%，赤道地区海温变化方差贡献率可达36.0%。可见，热带海温距平时间序列在第3特征向量场上，方差贡献率由赤道太平洋海温变化主导。第3特征向量场中，太平洋海温表现为弱El Nio（La Nia）现象，印度洋海温表现为南北型。对比第2和第3特征向量场发现，2个模态非常相近，计算2个特征向量场时间系数的滞后相关系数发现，第3与第2特征向量场时间系数超前1～2年的时间系数关系达-0.5～-0.4，说明当前一年出现第3特征向量场，第2年或第3年很大程度上会出现第2特征向量场。

3热带海温时空变化与我国降水的关系

由图4可知，我国年平均降水量由东南向西北逐渐减少，华南沿海地区降水量多在4.65 mm/d，部分地区可达565 mm/d，

长江中下游地区降水量多在2.65 mm/d，东北、华北黄河流域和长江上游地区降水量在1.65 mm/d左右，新疆和西藏部分地区降水量在0.65 mm/d。

分析热带海温EOF前3个模态时间系数与我国年降水量的相关系数分布（图5）发现：第1特征向量的时间系数与我国年降水量在新疆、西藏、青海、甘肃和河套地区为显著的正相关关系，在西南和东北部分地区为显著的负相关关系，说明当印度洋和西太平洋海温越暖（冷），新疆、西藏、青

海、甘肃和河套地区的年降水量越多（少），西南和东北部分地区年降水量越少（多）；第2特征向量的时间系数与我国年降水量在西藏和黄河中游地区为显著的正相关关系，特别是西藏地区，相关系数在0.4以上，在东北东部和长江以南地区为显著的负相关关系，由此可见，当中东太平洋和印度洋海温越暖（冷），西藏和黄河中游地区年降水量越多（少），东北东部和长江以南地区年降水量越少（多）；第3特征向量的时间系数与我国年降水量在西藏、新疆、福建和东北西北部为显著的负相关关系，在河套地区为显著的正相关关系，当赤道西太平洋越暖（冷），东太平洋越冷（暖），西藏、新疆、福建和东北西北部地区年降水量越少（多），河套地区年降水量越多（少）。综上所述，西藏年降水量与太平洋海温变化为负相关关系，与印度洋海温变化为正相关关系。

4结论

（1）1979—2014年热带地区年平均海温26 ℃，海温暖区主要集中在印度洋和西太平洋的赤道地区，热带海温距平时空变化特征为：第1特征向量场时间系数为明显的年代际变化，空间分布场在印度洋和西太平洋海温一致为正距平，赤道东太平洋海温为负距平，印度洋海温表现为全区一致型，太平洋海温表现为弱El Nio（La Nia）现象；第2特征向量场在印度洋和中东太平洋为负距平，太平洋海温表现为El Nio（La Nia）现象，印度洋海温表现为偶极子型；第3特征向量场在北印度洋和东太平洋为负距平，在西太平洋为正距平，太平洋海温表现为弱El Nio（La Nia）现象，印度洋海温表现为南北型。

（2）我国年降水量由东南向西北逐渐减少，降水量最多超过4.65 mm/d，最少低于0.65 mm/d。第1特征向量的时间系数与我国年降水量在新疆、西藏、青海、甘肃和河套地区为显著的正相关关系，在西南和东北部分地区为显著的负相关关系；第2特征向量的时间系数与我国年降水量在西藏和黄河中游地区为显著的正相关关系，在东北东部和长江以南地区为显著的负相关关系；第3特征向量的时间系数与我国年降水量在西藏、新疆、福建和东北西北部为显著的负相关关系。

参考文献

[1] 李麦村，吴仪芳，黄嘉佑.中国东部季风降水与赤道东太平洋海温的关系[J].大气科学，1987，11（4）：365-372.

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[3] 赵振国.厄尔尼诺现象对北半球大气环流和中国降水的影响[J].大气科学，1996，20（4）：422-428.

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