关键海区海温异常的变化与中国区域降水和气温的关系外文翻译资料

 2022-12-09 10:53:02

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关键海区海温异常的变化与中国区域降水和气温的关系

张卫青 钱永甫

大气科学系 南京大学 南京 210093

摘 要

利用1951年到1998年的月平均海温资料及同时期中国160个测站的降水和气温的月平均资料，选用海温异常的变化趋势一变温，讨论了关键海区海温异常的变化与我国降水和气温的关系，旨在探讨变温因子与我国降水和气温的关系与海温距平与降水和气温的关系有什么不同，用变温因子能否降低降水预报的不确定性。结果表明 : 降水异常对海温异常两种变化趋势的响应不完全相同，说明分别讨论同一种海温异常态的两种变化趋势对降水的影响比单独。讨论海温距平对降水的影响更有效一些，有助于降低预报的不确定性；除西太平洋海区外，气温异常对各海区海温异常两种变化趋势的响应较一致。降水异常对变温的响应与对海温异常的响应。有一致之处，也有不同之处。

关键词：变温，降水异常，气温异常，信度检验

1.引言

对于海表温度异常和中国降水温度异常的关系，诸多数值实验已经做过测试，它们主要集中在不同区域海表温度异常和中国降水异常的关系（参考罗等，1985；李，1987；陈和吴，1998；吴，1995）和不同季节海表温度异常和中国降水的关系（参考唐，1993；费，1993），当然还包括ENSO对中国降水的异常（参考张等，1999；刘、丁，1995），海表温度异常对于中国气温以及中国东北气温的影响（参考刘、丁，1995；郑、倪，1999）等等。

海表温度是主要影响中国降水异常的因素之一，但是不是唯一因素。因此，海表面温度异常的对于降水的影响在一定程度上不太确定。比如说：ENSO海表温度异常模态和长江中下游干旱洪水有着紧密关系，大部分干旱年份是和厄尔尼诺年联系在一起的除了1969年以外（参考李等，1987）。但是，相关研究指示：长江下游的降水异常滞后于赤道东太平洋海表温度异常四个月左右并且他们之间有着明显的正相关关系（参考费等，1993）。结果表明：在洪水高发期间，ENSO海表温度异常模态导致的长江中下游降水异常不是很明显。

事实上，海表温度异常自身也是时刻变化的。在正位相的海表温度异常状态下，可能会产生正的海表温度异常值变化（即海表温度异常升高）或者反之负的海表温度异常值变化（即海表温度异常降低）。所以，当我们考虑海表温度异常对于气候的影响，我们需要首先关注海表温度异常自身的变化，这个我们定义为海表温度异常值变化。

在这个研究中，EOF、SVD、相关分析等诸多方法被应用于分析与关键海区海表温度异常变化值值趋势对于中国降水的影响。我们试图于研究正负关键海区海表温度异常变化值值趋势对于中国降水的影响。另外，我们试图研究是否海表温度异常和降水的关系与海表温度异常值变化和降水的关系之间是不一样的。

2.数据和方法

论文的数据来自NCEP|NCAR1951年到1988年再分析月平均海表面温度资料和160个相同时间段中国站点降水温度资料。

首先，48年季节性平均海表面温度异常变化值（两个相邻的季节性海表面温度异常的差值，并且没有通过年度平均）通过了EOF分析而选择出了五个主要的区域。它们分别是中东太平洋（180°—80°W，10°S—10°N），西太平洋（120°E—180°，10°S—10°N），南中国海和菲律宾海（100°—135°，0°—20°N），西北太平洋（120°E—180，20—40°N），

和赤道印度洋（50°—100°E，10°S—10°N），它们的分布如图一所示。每一个海区的海表面温度异常变化值和中国降水/温度异常显著相关的季节由SVD法挑出。

总的方差贡献率用公式t=[(M-m)/s],这其中t是一个拥有n-1自由度的随机变量，n是样本数量，M和s是一个整季度降水的平均值和标准差，信号m是这些年所有季度平均降水值。

3.降水/温度异常与海表温度异常变化值之间的重要相关季节

相同位相的关键区域海表温度异常变化值和中国降水/温度异常（用SVD五模态展示）在图二和图三中显示。左边的区域为每个关键海区过去和将来局地平均季节海表温度异常变化值，右边区域是区域平均季节性降水/温度异常年度变化。在图中，从上到下关键海区分别为中东太平洋（ME-P），西太平洋（W-P）,南中国海和菲律宾海，赤道印度洋和西北太平洋（WN-P）。每个关键海区的主要前两个模态已经给出。X轴是季节，Y轴是相同的相关系数并且横直线代表0.05的差异值。括号里的值是两个区域的协方差。

相同的SVD相关系数可以揭示出一些有关于左右区域的遥相关（参考江等，1995）。以中东太平洋为例子，我们可以发现在第一模态中两个区域协方差相关系数高达85％，那么我们可以得出结论:先前一年的春、夏、秋的海表面温度异常变化值和当前春季降水异常值之间存在明显的正相关关系，同样相同季节段的海表面温度异常变化值和当前冬季降水异常值之间存在明显的负相关关系。另外，当前春季海表面温度异常和降水异常、下一个冬天降水异常之间分别存在负、正相关关系。类似的，对于图三显示的中东太平洋，当前年份每一个季节的温度和先前一年的春、夏、秋海表面温度异常变化值存在着显著的正相关。

为了证实SVD分解得到的相关季节符合统计上的检验，我们进一步运用古典相关方法来分析这些基于SVD的相关季节。试验结果表明：不是所有通过SVD分解法得出的显著季节都达到了统计检验标准。所以，为了挑选出真正意义上的相关季节，我们遵循以下三个法则：1）相关季节除了要达到SVD的遥相关标准也要超过90％的信度检验；2）海表面温度异常变化值的季节领先随后的降水/温度异常不超过一年；3）海表面温度异常变化值和冬天降水目前暂时不考虑。最终按照此规则得出的相关季节分布图，在TABLE1和TABLE2中展示出来。图中，“0”代表当前年份，“-”代表先前一年。对于关键相应区域的判断将在文章后面讨论。

从图表中的相关季节我们可以看出关键海区海表面温度异常变化值仅仅在某些特定季节会对中国降水以及温度异常造成影响。除此之外，季节降水异常主要对相同时间段的海表面温度异常变化值做出响应（TABLE1所示），而季节温度异常主要对上时间段的海表面温度异常值做出响应（TABLE2所示），除了西北太平洋冬夏温度异常和对同期海表面温度异常变化值做出明显响应。

4.重要相关季节降水温度综合法

图4a展示了从1952年到1997年中东太平洋春季海表面温度异常变化值时间序列和相同时间段的跨年份降水异常序列，图4b和图4a是一样的，除了先前的秋季海表面温度异常变化值和当前年份的温度。它们的相关系数分别是-0.35和0.36。

从图中我们可以发现：虽然中国降水/温度异常和中东太平洋的海表面温度异常变化值超过了统计显著性水平，用海表面温度异常变化值去预测降水和温度仍然具有很大的不确定性，那是因为相关系数不能算够高并且我们也不知道降水/温度异常的异常响应区间。所以，在此我们引进了一种新的综合复合方法去尽可能降低预测的不确定性。

这种新的方法是用来挑选并且整理出所有分别满足正（负）海表面温度异常变化值时期的相关标准的异常年份。我们不妨举一些例子：对于降水和海表面温度异常变化值呈正相关的季节，拥有相同海表面温度异常变化值信号的季节性降水异常被挑选并整理在一起，对于呈负相关的例子，我们也采取了同样的方法。所以通过这种复合方法，那些没有满足相关要求的降水/温度异常年份被剔除了，因为它们也未必是由于海表面温度异常变化值所造成的。

所以合成域和海表面温度异常变化值之间的相关性被加强了并且预测的不确定性被大大降低。

以前的诸多研究热衷于将降水异常的区域进行划分然后分别研究不同降水异常区域和不同海区或海区合并区间之间的关系。正因为雨区由于划分标准的不同是不一样的，在这篇文章里我们并没有划分不同的降水异常区间。关键的降水/温度异常响应区域是在基于新的复合方法的空间模态下选择的，并且都做过显著性水平测试以保证降水/温度异常明显和海表面温度异常变化值相关。

5.响应于关键海区的复合降水异常以及它们的显著性水平测试

联系于各个大洋区域海表面温度异常变化值的复合季节性降水异常已经在图5到图10中展现。左右专栏分别是响应于正负海表面温度异常变化值时期，并且通过括号里的“ ，—”号进行标注。在图7和图8中，文章展示了正负时期的西和西北太平洋复合海表面温度异常变化值。我们可以看到不论是在正负时期，复合的海表面温度异常变化值在这两个区域都非常合理地同单独的正、负海表面温度异常变化值吻合。并且其他的大洋也适用这一原则。图中的阴影区域是通过显著性水平95％测试的区域，也就是说，它们显著区别于正常年份的降水/温度季节响应。针对于每一个大洋区域的显著降水异常响应区域被展现在Table1中。

从区域复合降水的特点来看，在显著相关的季节，所有大洋区域都存在超过显著性水平检验的异常降水响应区域。进一步研究证明这个复合方法是可信的。

从Table1的显著降水响应区域来看，我们可以看到无论是在正的或者是负的海表面温度异常变化时期，对当前春季和来年夏季中东太平洋海表面温度异常变化值响应的显著降水异常区域大多位于长江中下游和它的南部。这些显著响应区域和之前的研究结论是相一致的，但是对于海表面温度异常变化值显著的降水异常响应季节是春季，而非夏季。无论是对于中东太平洋海表面温度异常还是海表面温度异常变化值的响应，降水异常的响应区域均位于长江中下游。另外，不论是当前春季还是先前夏季的海表面温度异常变化值，都对当前春季降水异常起到明显的作用，这一点对克服春季降水的预测障碍非常有帮助。

有一部分科学研究曾经聚焦于西太平洋海表面温度异常和中国降水。吴等（1995）指出：西太平洋和西北太平洋间有一个明显的遥相关，来自于以上这两个地方的正的海表面温度异常传播形式可以导致东部和北部中国夏季降水的异常增多和长江淮河流域夏季降水的异常减小。图7和图8显示西太平洋和西北太平洋之间海表面温度异常变化遥相关也是存在的，这个结论和吴等（1995）得出的结论不谋而合。 我们可以在相对应的复合降水异常发现前期冬季西太平洋海表面温度异常变化值显著响应区域是在长江流域中部和中国北方北部地区，这发生在正的海表面温度异常变化值期间。然而在负的海表面温度异常变化值期间，明显的响应区域是南部中国和北部中国。对于同期西北太平洋海表面温度异常变化值秋季降水异常显著响应区域是在长江下游的南部，南部中国和中国北方的中部，这些发生在正的海表面温度异常变化值期间。但是，在负的海表面温度异常变化期间，相对应的显著响应区域是长江中下游和其南部区域，中国北方的南部和河套地区。显著响应区域的分布是和吴等（1995）做出的结论相一致的，但是显著响应季节上和吴等（1995）做出的结论不同。对于西太平洋和西北太平洋海表面温度异常变化值的显著响应季节分别是夏季和秋季。这和吴等（1995）做出的对西太平洋区域的判断相一致，但是和西北太平洋区域的判断有一定偏差。

对于南中国海、赤道印度洋海夏季海表面温度异常变化值降水异常显著响应季节是夏季，这个和其他先前的研究结果也是相一致的，但是显著响应的区域却是不相同的。南中国海正的海表面温度异常变化值主要导致了中国北方北部地区的降水异常、湖北南部、长江上游地区。然而在负的海表面温度异常变化时期，南部中国区域是主要影响地区。这是和罗等（1985）所提出的不相同的。他说前一年的南中国海海表面温度异常和下一年的夏季长江下游降水异

常有着正相关关系。对于赤道印度洋，在正的海表面温度异常变化值期间，南中国的降水和南部黄河流域上游是主要受影响区域，然而在负的海表面温度异常变化值期间，中国北方的北部区域是主要影响区域。在南中国海正的海表面温度异常变化期间，中国的雨量分布形式是这样的：淮河流域少于长江南部和北中国。在负的海表面温度异常变化值期间这个形式正好是相反的。由赤道印度洋海表面温度异常变化值产生的雨量形式是和南中国海相反的不论是在正或者负的海表温度异常变化值值值期间。它和“W”形式是相同的。吴等（1995）曾经指出。

以上的这些分析表明海表面温度异常变化值和降水的关系与海表面温度异常和降水的关系都具有差异和共同点。就像在前文所说的那样，中东太平洋、西太平洋、西北太平洋海表面温度异常变化值的显著响应区间是和现有研究结果相一致的，但是总体来说显著响应季节却有些不同。只有针对南中国海和赤道印度洋的雨量分布形式才和其他研究者相同。

另外一个需要被提及的关键点是在满足海表面异常变化值与降水/温度相关显著的季节中，仍然有一些地方不能满足相关条件。进一步地，这些地区的分布在正负异常变化时期是不同的。虽然这些地区在相关显著季节中没有满足相关条件，它们也没有位于统计显著区域，它们仍然应该授予关注，那是因为这些地区的降水异常没有非常显著地响应于海表面温度异常变化值，对于准确预测，其他的一些因素需要考虑。

6. 响应于关键海区的复合温度异常以及它们的显著性水平测试

温度的复合方法和降水的复合方法是大致相同的。数据表明：复合海表面温度异常变化值和温度异常的关系是和整个区域平均海表面异常变化值和温度异常的关系相似的。这个表明了温度响应于海表面温度异常变化值的效果要优于降水。降水的季节性振荡比温度要强。为了节约版面，对于研究数据，在此我们仅仅给出西太平洋和相对应的中国温度异常。

秋季和冬季的温度异常主要受三个关键海区海表面温度异常变化值的影响。先前夏季、秋季和当前中东太平洋海表面温度异常变化值和温度异常呈正相关关系。另外，温度异常还和先前秋季南中国海海表面温度异常变化值呈

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