南海及周边地区晚春初夏降水变异关联主模态及其机理*

简茂球，彭敏，罗欣

(中山大学大气科学学院∥季风与环境研究中心∥广东省气候变化与自然灾害研究重点实验室，广东 广州 510275)

南海是亚州、印度洋和太平洋的交汇区。受多方大气环流和天气系统的影响，该地区天气和气候复杂多变。南海及周边地区气候的季节变化与南海夏季风活动有密切联系，南海夏季风一般爆发于 5月中旬，标志着东亚夏季风和南海地区雨季的开始[1]。气候平均而言，南海和中南半岛地区的雨季出现在5-10月，5、6月是该地区雨量激增的阶段。而南海北侧的华南的雨季是4-9月，其中4-6月是华南前汛期，又以5-6月雨量最多。所以5、6月是南海及周边地区春夏季节或季节气候的转换阶段，也是洪涝灾害多发期的开始，因此，研究该地区5、6月降水异常特征具有重要的科学价值和经济意义。另外，南海夏季风系统的爆发和强度都有着非常显著的年际和年代际变化变化[2-3]，因此必然会造成当地及周边地区甚至更远区域的降水和气候出现显著的逐年变异。目前，许多关于东亚季风区降水的研究着眼点多为单个季节的降水变化、或者前汛期、后汛期降水[4-9]等等。但是，南海及周边地区春夏节转换阶段的降水变异的特征，尤其是5、6月降水变异的关联性及其机理还尚不清楚，相关的研究还较缺乏。因此，本文的目的就是要分析南海及周边地区5、6月份降水变异的关联主模态及其特殊型，并进一步探讨与之相关的机理。对上述问题的研究将丰富人们对春夏季节转换阶段南海及周边地区的降水气候异常的特殊性及其机理的理解，也可为提高该地区的气候预测水平提供有益的参考依据。

1 资料与方法

本研究所用资料包括：① 美国美国国家大气海洋局(NOAA)提供的CMAP(CPC Merged Analysis of Precipitation)月降水资料[10]和逐日向外射出长波辐射资料(OLR)；② 欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的ERA-Interim月平均风场及位势高度资料[11]，分辨率为2.5°×2.5°；③ 美国NOAA提供的NOAA_ERSST_V3b海温资料[12]，水平分辨率约为 2°×2°所用资料时间段均为1979-2016年。

本文采用扩展经验正交函数分解(EEOF)法来提取研究区域5、6月相关联的降水量逐年变异主要模态。具体的做法是，将研究区域5、6月降水量场时间序列放在一起做EOF分析，相当于EOF分析的空间格点数是研究区域格点数的两倍,然后从EEOF计算结果中再分离同一模态5、6月的空间特征向量，分别画图，但它们对应的时间系数是一样的。除了上述方法，本研究还用到相关、线性回归、谐波分解和合成分析等常用的统计方法。

另外，参考文献[13-14]的定义，本研究用到的南海夏季风的爆发时间是按以下标准确定的：当区域(110 -120°E,5-17.5°N)平均的850 hPa纬向风和250 hPa纬向风分别为西风和东风同时持续5 d，并在之后10 d(第6-15天)，低层或高层风场中断不超过5 d，那么满足上述条件的第1天视为南海夏季风爆发时间。

2 结果分析

2.1 EEOF前两个模态

对南海及周边地区5、6月降水场进行EEOF分析得到的前3个模态的方差贡献率分别为12.86%、9.21%、7.28%。下面将主要对前两个模态进行分析。

图1为EEOF 第一模态空间特征向量分布以及局地方差贡献分布图。局地方差贡献是指某模态的空间特征向量和对应时间系数还原得到的各空间格(站)点的时间序列方差占该点原始时间序列方差的比重[15]。第一特征向量分布显示出5月(图1a)和6月(图1b)的降水异常空间分布较为相似,即中南半岛、南海及菲律宾海均为正值区，而在中国南方地区均为负值区。从5-6月中南半岛和南海的正值范围缩小，南海-菲律宾海的极值中心位置东移，并略有北移。第一模态的局地方差贡献分布(图1c,d)可以更清楚地反映出5月和6月降水异常中心的差别。5月(图1c)局部方差贡献率大于40%的极大值区集中在南海中南部-菲律宾东南部洋面，而6月(图1d)则主要集中在菲律宾东部洋面。上述模态的空间分布一方面反映了5、6月份中南半岛-南海-热带西太平洋降水与中国南方降水异常的反相关系，另一方面也反映了该区域5、6月降水异常分布的关联性。第一模态的时间系数PC1(图3a)表现出以年际变化为主，兼有一定的年代际变化。所以第一模态反映了南海及周边地区5、6月降水年际异常的持续性。另外，图1a,b的正负值区可以看成是对应PC1为正时实际降水异常的分布情形，若PC1为负，则结果相反。

图 1 EEOF分析的5-6月降水第一模态的特征向量分布(EOF1)以及第一模态局部方差贡献(EOF1_VR, %)分布Fig.1 The first leading extended EOF mode (EOF1) of precipitation for May and June, and the corresponding local variance percentage (EOF1_VR, %) for May and June

南海区域及附近区域5月的降水多寡与南海夏季风爆发早晚有密切关系，爆发早则多雨，反之则少雨。为此，计算南海夏季风爆发时间序列与PC1的相关系数为-0.53，通过95%置信度检验。这一证据表明，上述降水第一模态的确受南海夏季风爆发时间的年际尺度变异影响所致。

EEOF第二模态特征分布及其局部方差贡献分布如图2所示。南海及周边地区5月(图2a)、6月(图2b)降水第二模态特征向量分布大致反相。如果我们讨论时间系数PC2为正的情形，那么5月在南海中部及菲律宾东部存在降水正异常，在我国东部存在降水负异常；到了6月，南海及菲律宾海上空出现降水负异常，且范围较大，而我国南方的降水量为正异常。从5、6月对应的第二模态局部方差贡献分布(图2c、d)也可以看出，5月方差贡献大值区还是集中在南海及菲律宾东部，而到了6月，方差贡献大值中心数值较5月的明显大，且位置稍偏北。上面分析结果是针对PC2为正的情形，如果PC2为负，则结果相反。

第二模态对应的时间系数如图3b所示，可以清晰看到PC2既有显著的年际变化，也有明显的年代际变化，1981-1993年为负位相年代，而1994-2011年间为正位相年代，表明5月南海中部及菲律宾东部洋面的降水在负位相年代是偏少，而在正位相年代是偏多的，我国南方降水的年代际变化则正好与之相反；6月降水的年代际变化则又与5月的趋势相反。最近有研究表明，南海夏季风爆发时间在1993-1994发生了年代际的提前[13,16]，而上述PC2也显示出正好在1993-1994发生了年代际转变，因此，可以推测降水的第二模态与南海夏季风爆发时间的年代际转变有一定的联系。为此，我们计算经五点平滑处理后的南海夏季风爆发时间序列与PC2的相关系数为-0.76，通过95%置信度检验，表明上述降水第二模态的确受南海夏季风爆发时间的年代际尺度变异影响所致。

图 2 EEOF分析的5-6月降水第二模态的特征向量分布(EOF2)以及第二模态局部方差贡献(EOF2_VR, %)分布Fig.2 The second leading extended EOF mode (EOF2) of precipitation for May and June, and the corresponding local variance percentage (EOF2_VR, %) for May and June

2.2 前两个降水模态对应的环流特征

降水异常的最直接原因是大气环流异常。下面将通过分别计算前面EEOF分析得到的PC1和PC2与高层及低层风场及500 hPa垂直速度场的回归场来分析与各降水异常模态相关的环流异常特征。

降水第一模态PC1与高低空风场及500 hPa垂直速度的回归场如图4所示。与降水第一模态所对应的南海及周边地区5、6月份低层环流异常形势相似(图4a,b)，当PC1为正时，在南海及菲律宾东部低空存在显著的异常气旋风场，异常气旋的西侧和南侧为显著的辐合异常，北侧即江南、华南地区有异常辐散，高空则分别存在明显的风场异常辐散、辐合区与之对应(图4c,d)，因此也在上述地区分别有异常上升运动和下沉运动与之对应，于是便分别产生了降水量偏多和偏少异常(图1a,b)。

上述5-6月份850 hPa异常风场的相似性实际上反映了南海及附近地区风场异常信号的持续性，这可能是热带海洋的持续异常信号强迫的结果。为此，我们进一步分析了PC1与海温的联系。图5是PC1与前冬和同期春季海表温度的回归系数场。从图5a可知，与降水第一模态相关联的前冬海温异常分布型是典型的ENSO，具体而言，南海及附近地区5，6月的降水量异常分布如图1(a,b)的符号所示，则前冬海温处于ENSO冷事件；反之，则处于ENSO暖事件。到了春季(图5b)，随着ENSO事件的演变，赤道中东太平洋的海温异常强度减弱，但热带印度洋的海温异常信号加强。正是由于ENSO冷事件(暖事件)的强迫作用下，使得在南海-菲律宾附近出现持续的异常气旋(反气旋)[17-20]，进而影响南海及周边地区的降水异常。因此，降水的第一模态主要是ENSO的影响所致。

图3 EEOF分析的前2个模态时间系数序列及7点平滑曲线(虚线)Fig.3 The principle components for the first two leading EOF modes and their 7-point running mean curves(dashed lines)

图6为降水第二模态PC2与高低空风场及500 hPa垂直速度的回归系数场，由图可以看出，降水第二模态对应的5、6月份环流形势大致反相。五月份在南海及菲律宾东部洋面上空低层为气旋式异常风场(图6a)，在中南半岛南部至菲律宾南部为西风异常，结合PC2的正负值时段的分布(图3b)，这种西风异常正是南海夏季风爆发在1994之后出现年代际提前的表现；另外，在气旋的西侧和南侧出现明显的辐合异常，而在长江中下游有辐散异常，高空的散度异常则大致与低层相反(图6c)，对应地在中南半岛西部-南海中部-菲律宾东部上空出现异常上升运动(图6e)，导致降水增多，而在我国南方则出现异常的下沉运动，导致该区降水偏少。到了6月，在南海北部-台湾以东洋面上空850hPa层存在显著的异常反气旋(图6b)，反气旋南侧的偏东风异常表明南海夏季风的年代际减弱，并伴随着异常辐散，在江南一带则有异常辐合；高层的异常风场导致的散度异常分布大致与低层反号，从而造成在中南半岛南部-南海中部-菲律宾海存在明显的异常下沉运动，对应降水偏少，而在我国南方出现异常上升运动，对应降水偏多(图6f，图2b)。

在前面2.1节的结果已表明南海及周边地区降水EEOF第二模态主要受南海夏季风爆发时间出现年代际提前变异的影响所致。有关南海夏季风爆发时间出现年代际变异的物理机制已有一些研究从热带西太平洋的海温和对流活动的年代际变异进行了探讨。Kajikawa and Wang[16]南海夏季风爆发在1993-1994年的年代际提前现象主要是赤道西太平洋海温的年代际变化的结果。由于热带西太平洋的海温增暖，导致在1994之后西太平洋的季节内变化显著增强，并且经过南海以及菲律宾海的热带气旋数量是前一年代的2倍。增强的季节内振荡以及西北行的热带扰动是触发后一年代南海夏季风爆发提前的重要因素。Yuan and Chen[13]进一步指出，热带西太平洋的海温增暖有利于该地区的对流活动生成，而活跃的对流促使副热带高压提早东退，从而导致南海夏季风提早爆发。

另外，图2显示的南海及菲律宾海的5、6月降水反号的年代际异常趋势，这与Kajikawa and Wang[16]在1994年后上述地区5月的对流出现年代际加强而6月的对流减弱的结果是一致的。由于大气的季节内振荡对南海夏季风爆发有重要影响作用，南海夏季风爆发时间在1994之后出现年代际提前实际上是与对流活动的季节内分量在5月份处于年代际异常活跃位相有关，随着季节内时间尺度变化的演变，到6月份南海及附近地区的对流活动便处于年代际异常抑制位相。如图7a显示的OLR低频分量(周期在10 d以上)的年代际差值(1994-2010年的平均值减1979-1993年的平均值)的逐日经度-时间剖面图所示，从90-140°E在5月主要出现负值为主，说明中南半岛东至菲律宾海的对流活动在(1994-2010)年代是偏强的，但在1979-1993年代是相对偏弱的；6月的情形则与5月基本相反。上述OLR在5、6月的反相变异特征主要是由于25～90 d的季内分量的年代际变异所致(图7b)。

图4 EEOF分析的标准化PC1与5月、6月850 hPa、200 hPa风场(m/s)及500 hPa垂直速度场(10-3 Pa/s)的回归系数场 图中填色部分为PC1与各风场水平散度(a-d), 500 hPa垂直速度(e,f)的相关系数通过95%置信度检验的范围Fig.4 Regression coefficients of 850 hPa wind (m/s), 200 hPa wind (m/s) and 500 hPa p-velocity(10-3 Pa/s) against the normalized PC1 Shadings of (a-d) denote regions with the correlation coefficients between PC1 and divergence (a-d), and vertical p-velocity(e,f) significant above 95% confidence level

图5 降水量EEOF分析的标准化PC1分别与前期冬季海温(a)和春季海温(b)的回归系数场(℃)。填色区表示是PC1与海温的相关系数通过95%置信度检验区域Fig.5 Regression coefficients(℃) of sea surface temperature(SST) in previous winter(a) and spring(b) against the normalized PC1. Shadings denote regions with correlation coefficients between SST and PC1 significant above 95 % confidence level

图6 EEOF分析的标准化PC2与5月、6月850 hPa、200 hPa风场(m/s)及500 hPa垂直速度场(10-3 Pa/s)的回归系数场图中填色部分为PC2与各风场水平散度(a-d), 500 hPa垂直速度(e,f)的相关系数通过95%置信度检验的范围Fig.6 Regression coefficients of 850 hPa wind (m/s), 200 hPa wind (m/s) and 500 hPa p-velocity(10-3 Pa/s) against the normalized PC2 Shadings of (a-d) denote regions with the correlation coefficients between PC2 and divergence (a-d), and vertical p-velocity(e,f) significant above 95% confidence level

图7 OLR的(1994-2010)-(1979-1993)年代际差值场沿10°N的经度-时间剖面图(W/m2)填色区为通过90%置信度检验区域Fig.7 Hovmöller diagram of epochal difference in the out-going longwave radiation (W/m2) along 10°N (1994-2010 minus 1979-1993). Shadings denote regions significant above 90% confidence level

3 结 论

本文分析了南海及周边地区5、6月降水异常的关联主模态及与之相关的环流特征，并进一步分析了它们背后的机理，得到以下结果：

1)南海及周边地区5、6月份降水的EEOF第一关联主模态反映出5、6月的降水变异的空间分布相似，即中南半岛、南海及菲律宾海均为同号区，而在中国南方地区则与之反号；时间尺度上以年际变化为主。该模态与前期发生的ENSO事件有密切联系，在ENSO冷事件(暖事件)的强迫作用下，使得5、6月份在南海-菲律宾附近出现持续的异常气旋(反气旋)，进而影响南海及周边地区的降水的持续异常。

2)EEOF第二模态显示南海及周边地区5月、6月降水异常的空间分布大致反相，其中在南海中部及菲律宾海的降水异常与我国东部的降水负异常反号；时间尺度以年代际变化为主。该模态主要是受南海夏季风爆发时间出现年代际提前的影响所致，其中又以低频季内分量的年代际变异的作用更为重要。