陕西夏秋两季降水量在厄尔尼诺年的时空特征分析

刘金晶

（陕西省气象台，陕西 西安 710014）

美国气候预测中心（Climate Prediction Center，CPC）将3 个月滑动平均的厄尔尼诺关键区海温距平指数连续5个月超过0.5℃定义为一次厄尔尼诺事件。 目前大部分学者认为厄尔尼诺事件分为两种类型，且几乎相互独立[1]。Nio3.4 指数被认为是较权威的监测指标，将厄尔尼诺事件分为中部型和东部型两种类型。 秦坚肇[2]在2014 年定义了新的厄尔尼诺指数IEP 和ICP，将厄尔尼诺事件演变类型分为东部型（EP）、中部型（CP）、混合型（MIX）三类，并讨论了东部型及中部型厄尔尼诺事件对次年中国东部降水的影响。张宏平等[3]（1997）曾探讨了1910—1960 年厄尔尼诺事件的及陕西降水的相关性。 目前，新指数分型下的厄尔尼诺事件对陕西降水当年的影响还鲜有人探讨，因此文章主要探讨以上两种指标下的厄尔尼诺事件下的陕西夏秋两季降水量在的空间分布特征[4]。

1 数据原理与检验

选取1971—2013 年陕西地区94 个国家站月平均降水资料，进行数据预处理，通常处理成距平或标准化的形式。 EOF 分解方法首先将某气候变量时空场的观测资料以矩阵的形式给出：

式中：m 代表空间点( 观测站点或网格点)的个数，n 表示时间序列的长度即观测次数。

先计算数据矩阵Xm×n与其矩阵XT的交叉积，得到方阵

计算方阵C 的特征根（λ1…，m）和特征向量Vm×n，二者满足

一般将特征根λ 按从大到小顺序排列， 即λ1＞λ2＞…λm。 因为数据X 是真实的观测值，所以λ 应该大于或者等于0。每个非0 的特征根对应一列特征向量值，也称EOF。如λ1对应的特征向量值称第一个EOF 模态，也就是A 的第一列即EOF1=A(：, 1)；第λk对应的特征向量是A 的第k列，即EOFk=A(：, k)。

检验各个模态之间是否相互独立，也就是能否称为一个有着独立特征的模态。 使用North 检验，计算特征值误差范围来进行显著性检验。 特征值λ 的误差范围，n 为样本量， 当相邻特征值λj+1满足λj+1-λj≥ej时，认为这两个特征值对应的经验正交函数是有价值的信号。

2 陕西夏秋两季降水空间分布特征

图1 表示为第一特征向量的空间分布，其方差贡献率为40.1%，该模态最具优势地位，是表征陕西夏季降水变化的主要分布形式。 陕西全省除榆林局部地区特征向量为正值分布，说明降水的分布在该模态下具有一致性。 向量大值区位于汉中市，也是对降水反应最敏感的地区。 第二特征向量的空间分布，方差贡献率为15.5%，负相位荷载最大的地区以清涧、子长、延川为中心的区域。 正相位荷载最大的地区以镇巴、紫阳、岚皋、平利、镇坪及商南为中心的区域。 全省呈“西北负东南正”的反向分布，“零”线位于关中南部及汉中中部一带。

图2 表示第一特征向量的空间分布，其方差贡献率为75.1%，该模态最具优势地位，是表征陕西秋季降水变化的主要分布形式。 陕西全省特征向量均为正值分布，同样说明降水的分布在该模态下具有一致性。 向量大值区位于镇巴县及紫阳县，也是对降水反应最敏感的地区。 第二特征向量的空间分布，方差贡献率为8.0%，负相位荷载最大的地区以吴起、志丹、安塞、子长为中心的区域。 正相位荷载最大的地区以镇巴、紫阳、岚皋、汉阴为中心的区域。全省呈“北负南正”的反向分布，“零”线位于关中南部及汉中中部一带。

图1 夏季降水第一、第二模态的特征向量

图2 秋季降水第一、第二模态的特征向量

3 两种指标下不同类型厄尔尼诺发生年夏秋两季降水时间分布特征

根据美国气候预测中心观测统计定义1971 年至2013 年发生12 次厄尔尼诺事件， 其中1972、1982、1983、1992、1997 年为夏季发生东部型厄尔尼诺事件的年份，1972、1976、1982、1991、1997 年为秋季发生东部型厄尔尼诺事件的年份，1987、2002、2004、2006、2009 年为夏季发生中部型厄尔尼诺事件的年份，1977、1986、1987、1994、2002、2004、2006、2009 年为秋季发生中部型厄尔尼诺事件的年份。

图3 Ni o3.4 指数厄尔尼诺年陕西夏秋两季第一、第二模态对应的降水时间变化

根据秦（2014）新定义的指数分类1971 年至2013 年发生19 次厄尔尼诺事件， 其中1976、1982、1983、1987、1990、1992、1997、1998、2008 年为发生在夏季的东部型厄尔 尼 诺 事 件 的 年 份，1972、1977、1982、1986、1987、1990、1991、1993、1994、1995、2002、2004 为发生在夏季的中部型厄尔尼诺事件的年份，1982、1987、1990 年为发生在夏季的混合型厄尔尼诺事件的年份；1972、1976、1982、1983、1987、1991、1997、2008 年为发生在秋季的东部型厄尔尼诺 事 件 的 年 份，1972、1977、1982、1990、1991、1993、1994、2002、2004、2006、2009 年为发生在秋季的中部型厄尔尼诺事件的年份，1972、1982 年为发生在秋季的混合型厄尔尼诺事件的年份。

图3 显示出在夏季第一模态降水的空间分布随时间的变化较第二模态分布离散， 且表现出一定的周期性变化。 在秋季第一模态下的降水随时间几乎为负位相的变化，第二模态下的降水随时间大部分为正位相的变化。 图4 显示新指数划分下的厄尔尼诺年份数据更密集， 但第一、 第二模态分布随时间的变化规律与前者定义的变化规律相似，厄尔尼诺事件发生在夏季的第一、二模态均表现一定的年际变化。 新指数定义的东部型厄尔尼诺事件降水空间分布在夏季和秋季随时间的变化存在年代际的变化， 在夏季表现为1997 年之前随时间的变化同位相变化，1997 年之后表现相反， 在秋季表现为1995 年之前几乎同位相变化，且呈3～5 年的周期性变化，1995 年之后呈同位相变化。 中部型厄尔尼诺事件降水空间分布在夏季和秋季随时间的变化呈基本一致。

4 结语

两种指标分类的厄尔尼诺年内，陕西夏秋两季降水量的空间分布随时间的变化是一致的，从第一模态的分布表现为夏季的降水分布整体表现为偏多或偏少，且变化幅度较大，秋季的降水成负位相变化，表示厄尔尼诺年份陕西省秋季降水量整体偏少；从第二模态的分布表现为降水呈现的北少南多的分布特点，且降水成正位相变化，表示陕北、关中、汉中西部降水偏少，汉中东部、安康、商洛降水偏多。

新指标分类的东部型厄尔尼诺事件中夏季降水第一模态表现为1997 年之前陕西降水整体偏多，1997 年之后整体偏少。 第二模态表示降水北少南多的特点且呈现年代际变化。 中部型厄尔尼诺事件中夏季降水的第一模态在1995 年之前陕西整体降水偏多或偏少， 且呈3～5 年的周期性变化，1995 年之后则整体偏少。 第二模态在1995年之前北少南多的降水特点呈3～5 年的周期性变化，1995年之后则为北略偏多南略偏少的特点。

东部型厄尔尼诺事件中秋季降水第一模态表现为整体偏少， 第二模态表现为北略偏少南略多的特点比较稳定。 中部型厄尔尼诺事件中秋季降水第一模态表现为全省整体降水偏少，第二模态北略偏少南略偏多到北略偏多南略偏少的呈3～5 年的周期性变化。