中图分类号：P467 文献标识码：A 文章编号：1000-0690(2014)10-1239-08

中国华南地区(广东、广西、福建、海南)一年内降水主要集中在4~9月,并且呈“双峰型”分布,“双峰”即对应4~6月的前汛期和7~9月的后汛期,前汛期峰值出现在6月,后汛期峰值出现在8月^[1,2]。然而在华南地区范围内的个别地区降水年内分布有所不同。本文对广东北江流域(图1)进行研究,发现该区域前汛期降水突出,峰值出现在5月,后汛期降水不突出,呈明显的“单峰型”分布。前汛期降水持续时间长,强度大,往往造成洪涝,危害甚大。因此,对前汛期降水的研究显得十分重要。

占地球表面积三分之二以上的海洋是驱动大气运动能量的直接供应者和调节器,又是大气中水汽的主要来源。海洋的热力和动力学特性又使它对大气变化具有一种独特的“记忆功能”和“低通滤波作用”。有研究指出^[3]：海温异常的区域和量值不要求很大,所引起的感热量值也不大,但却是气候异常的一个重要的触发因子。因此海洋热状况的变化和海气相互作用一直被认为是引起全球气候变化的一个非常重要的因素。以前涉及广东北江流域前汛期降水与海温关系的研究^[4,5],都是把该区域嵌套在华南地区尺度范围内且仅限于中国近海;至于为什么只研究近海海温与降水的关系,并没有给出具体明确的原因;在时间上都是把前汛期4、5、6月作为一个整体与海温进行相关性研究。本文试着从全球海域角度研究海表温度与广东北江流域前汛期各月份降水的关系,研究中发现影响前汛期降水的海温异常关键区并不仅仅局限于近海,并且发现影响前汛期不同月份降水的海温异常关键区和关键时段存在较大差异。

由于气候变化原因复杂,制约因素众多,不同区域原因不尽相同,为了寻求其变化规律及影响因素,近年来国内外专家学者对各种遥相关现象与全球气候变化的关系做了大量研究^[6~19]。也有学者对遥相关现象与中国气候变化的关系做了一些研究^[10~19],并发现这些遥相关现象与气候变化关系密切。然而,这些遥相关现象与广东北江流域前汛期降水之间关系的研究尚未出现,本文试着进行这一研究,以寻求它们之间可能存在的联系。

北江发源于南岭山系,源头深入江西、湖南边境,全长约582 km,贯穿广东省北部和中部,是珠江水系第二大支流。北江流域位于111.82°E~114.97°E,23.12°N~25.69°N之间,流域面积约4.7×10⁴km²(其中广东境内约4.3×10⁴km²)（图1）。本文着重研究了前期及同期全球海温变化及各种遥相关现象与广东北江流域前汛期各月份降水的关系,以减少该区域前汛期降水预报的不确定性,为指导工农业生产及防灾减害提供一定的科学依据,也可为研究区域气候变化规律及其影响因素提供一种思路。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

选用的数据资料包括3部分,一是广东北江流域分布较均匀且没有经历站点变更的18测站(图1)1965年1月~2007年12月的月降水数据。二是美国国家大气海洋局(NOAA)发布的1964~2007年月平均全球海表温度(sea surface temperature, SST)资料(ERSST-V2)^[20],空间分辨率为2°纬度×2°经度;并在此基础上根据Saji等^[21]对印度洋偶极子的定义,将赤道印度洋西部(50°E~70°E,10°S~10°N)区域平均海表温度距平减去东部(90°E~110°E,10°S~0°)区域平均海表温度距平,计算了1964年1月~2007年12月印度洋偶极子指数(IOD)。三是本文所用的遥相关指数[北极涛动(AOI)、北大西洋涛动(NAO)、太平洋-北美型(PNA)、西太平洋型(WP)、东太平洋/北太平洋涛动(EP/NP)、北方涛动(NOI)、南方涛动(SOI)、Nino3SST、南极涛动(AAOI)]取自美国国家大气海洋局(NOAA)气候预测中心(CPC)网站,AAOI序列长度为1979年1月~2007年12月,其它指数序列长度均为1964年1月~2007年12月。

1.2 EOF分析及时滞相关分析

为便于分析,首先利用气象水文学研究中已被广泛使用的经验正交函数(EOF)法对流域1965~2007年前汛期各月份降水场进行分析,从表1可看出,各月份第一模态方差贡献率均在63%以上,说明流域前汛期各月份降水变化的全区一致性较高,因此使用各自对应的第一模态时间系数(PC1)就能够代表流域前汛期各月降水的变化。考虑前期海温和遥相关指数对前汛期降水具有预测性的指示意义,本文将流域前汛期各月份PC1与同期和前期1~12月全球逐个格点的海温及各种遥相关指数进行相关,以寻求影响流域前汛期降水的关键海区、遥相关指数及其关键影响时段。由于南极涛动指数(AAOI)序列始于1979年1月,因此流域前汛期降水与其进行同期和前期1~12月相关分析时所取时间段为1980~2007年,从该时间段前汛期降水场EOF分析结果(表2)来看,各月份第一模态方差贡献率均在61%以上,这也说明全区一致性较高,各自第一模态时间系数(PC1)能够代表流域前汛期各月降水的变化,因此在与AAOI进行时滞相关分析时采用流域1980~2007年前汛期各月降水EOF分析的第一模态时间系数。

2 结果与分析

2.1 流域各月平均降水量统计

根据流域18站1965~2007年月降水量资料统计,前汛期降水量平均约为795.84 mm(4、5、6月降水量分别为229.67 mm、292.33 mm、273.84 mm)占全年降水量(约1 736.18 mm)的45.84%。从年内分布(图2)来看,前汛期降水突出,峰值出现在5月,后汛期降水不突出,呈明显的“单峰型”分布。

2.2 变化趋势分析

采用Mann-Kendall趋势检验法^[22]对1965~2007年广东北江流域前汛期降水的年际变化趋势进行分析。本文以置信水平α=0.1即|Z_α/2|=1.28为界分为显著增加、不显著增加、显著减少和不显著减少4类。4月降水（图3）分别有9站、7站、2站为显著下降、不显著下降、不显著上升,5月降水(图略)分别有5站、11站、2站为显著下降、不显著下降、不显著上升,6月降水(图略)分别有2站、9站、7站为显著上升、不显著上升、不显著下降;由此可得出,广东北江流域1965~2007年间4月、5月降水主要呈下降趋势,6月降水主要呈上升趋势。

2.3 前汛期降水与全球海表温度时滞相关分析

为了寻求影响广东北江流域前汛期降水的关键海区及关键时段,本文将流域1965~2007年前汛期各月降水EOF分析的第一模态时间系数PC1与同期和前期1~12月全球逐个格点的海温进行时滞相关,统计出相关性通过了0.05显著性检验(r=0.304,n=43)的海温格点,并把集中连片分布(≥10个)的显著相关格点所在海域作为关键海域。为方便统计关键海区及关键时段(显著相关时段),本文用ArcGIS 9.3软件将13个月(同期及前期1~12月,即PC1滞后海温0~12月,滞后0月为同期,下同)的关键海区进行叠加(图4、图5、图6),统计出的关键海区及关键时段见表3、表4、表5。

2.3.1 影响流域4月份降水的关键海区及关键时段

结合图4a可以看出,与4月降水显著正相关的海域有澳大利亚西侧和南侧海域(具体经纬度范围及关键时段见表3,下同)、东南太平洋、西北印度洋、北大西洋海域。其中澳大利亚西侧、南侧海域,东南太平洋海域范围较大。正相关即该海域SST偏高(偏低)时,广东北江流域降水偏多(偏少)。

与4月降水显著负相关的海域(图4b、表3)范围较大,主要有西北太平洋、赤道北太平洋、西南太平洋、南大西洋中部、赤道大西洋中部-几内亚湾、北大西洋周边海域、南印度洋中部、澳大利亚东侧海域、巴西南侧海域、苏门答腊岛西侧海域、阿拉伯海西部、东西伯利亚海、南海北部。其中,西北太平洋(124°E~166°W、28°N~56°N)、赤道北太平洋(136°E~116°W、22°N~4°S)、西南太平洋(176°W~228°W、20°S~54°S)海域在滞后0-12月均与4月降水显著负相关。南海北部(108°E~114°E、16°N~20°N)在滞后10~11月与4月降水显著负相关。负相关即该海域SST偏高(偏低)时,广东北江流域降水偏少(偏多)。

2.3.2 影响流域5月份降水的关键海区及关键时段

结合图5a、表4可以看出,澳大利亚东侧及东南侧海域、南印度洋海域、印度洋中西部、赤道北太平洋、阿拉伯海、台湾岛东侧、巴西南侧及南大西洋零散分布海域等海温变化与5月降水显著正相关。其中,澳大利亚东南侧海域、以马达加斯加岛为中心的印度洋中西部海域范围较大,台湾岛东侧(126°E~130°E、20°N ~24°N)海域海温变化与广东北江流域5月降水同期正相关显著。

与5月降水显著负相关的海域(图5b、表4)有西北太平洋海域、澳大利亚西侧及南侧海域、南海南部、南美洲南侧、北大西洋东部-地中海、墨西哥湾-加勒比海等。其中,北大西洋东部-地中海、西北太平洋海域、南美洲南侧海域范围较大,南美洲南侧海域(106°W~36°W、48°S~70°S)在滞后0~12月均与5月降水显著负相关。南海南部(112°E~118°E、6°N~14°N)海域在滞后1月与5月降水显著负相关。

2.3.3 影响流域6月份降水的关键海区及关键时段

结合图6a、表5可以看出,与6月降水显著正相关的海域有赤道中太平洋、东北太平洋、欧洲北侧海域、南海南部-菲律宾东侧海域、赤道北太平洋、印度洋西部、墨西哥西南侧-加勒比海域、澳大利亚南侧、巴西南侧等海域。其中,赤道中太平洋、东北太平洋、赤道北太平洋海域范围较大;赤道中太平洋(180°W~128°W、8°N~16°S)、东北太平洋海域(164°W~128°W、36°N~50°N)、欧洲北侧海域(12°E~68°E、70°N~78°N)海温变化在滞后0~12月均与6月降水显著正相关;南海南部-菲律宾东侧海域(108°E~126°E、4°N ~12°N)海温变化与6月降水同期正相关显著。

西北太平洋海域、澳大利亚北侧太平洋海域、澳大利亚东侧及东南侧海域、澳大利亚西侧及西南侧海域、东南太平洋、东南大西洋、赤道南大西洋、欧洲西侧大西洋海域等与6月降水显著负相关。总体来看与6月降水显著负相关的海域(图6b、表5)主要集中在以澳大利亚大陆为中心的太平洋、印度洋海域及南大西洋海域。

综合以上分析,可以看出影响广东北江流域前汛期降水的海温异常关键区(显著相关海区)并不仅仅局限于广东近海,影响各月份降水的海温异常关键区和关键时段存在较大差异。从海温异常关键区面积来看,4、5、6月均表现为负相关海域多于正相关海域;4月和5月正相关海域主要分布在南半球,6月正相关海域主要分布在北太平洋海域;有些海区在滞后0~12月均与流域前汛期降水显著相关;涉及华南地区近海的集中连片海域主要有南海、台湾岛东侧海域、菲律宾东侧海域。

2.4 前汛期降水与遥相关指数的时滞相关分析

为了寻求显著影响流域前汛期降水的遥相关指数及其时滞关系,本文将流域前汛期各月降水EOF分析的第一模态时间系数PC1与同期和前期1~12月的10种遥相关指数进行时滞相关,统计出相关性通过了0.1显著性检验(AAOI样本数为28,r临界值为0.323 3;其余9种遥相关指数样本数为43,r临界值为0.257 3)的遥相关指数。

从图7a可以看出,与流域4月份降水显著相关(通过0.1显著性检验,下同)的遥相关指数有AOI(滞后1月、12月,均为负相关)、NAO(滞后11月,正相关)、WP(滞后4、7月为负相关,滞后5月为正相关)、PNA(滞后1、5、6月,均为正相关)和AAOI(滞后7月,负相关)。

从图7b可以看出,与流域5月份降水显著相关的遥相关指数有AOI(同期及滞后11月,均为负相关)、NAO(滞后2月,负相关)、EP/NP(滞后3月,正相关)、PNA(滞后6月,均为正相关)、IOD(滞后2~3月,负相关)和AAOI（滞后4、7、12月,负相关）。

从图7c可以看出,与流域6月份降水显著相关的遥相关指数有NAO(滞后1月,负相关)、WP(同期及滞后3月,均为负相关)、PNA(滞后3月,正相关)、NOI(同期正相关,滞后1月、12月为负相关)、SOI(滞后2、8、10、11、12月,均为负相关)、Nino 3 SST(6、7、8、12月,均为正相关)、IOD(滞后7~8月,正相关)和AAOI(滞后7月,负相关)。

综合以上统计分析可以看出,遥相关指数PNA、AAOI、NAO与4、5、6月降水均有显著相关关系,其中,PNA均为正相关,AAOI均为负相关;与5、6月降水显著相关的遥相关指数,其相关性多表现为负相关。

3 结论与讨论

着重研究了前期1~12月及同期全球海温变化及各种遥相关现象与广东北江流域前汛期各月份降水的关系,得到以下结论：

1) 流域前汛期降水突出,峰值出现在5月,后汛期降水不明显,降水年内分布呈明显的“单峰型”分布。Mann-Kendall趋势检验表明,1965~2007年间4月、5月降水主要呈下降趋势,6月降水主要呈上升趋势。

2) 影响广东北江流域前汛期降水的海温异常关键区并不仅仅局限于广东近海,影响前汛期不同月份降水的海温异常关键区存在较大差异。从海温异常关键区面积来看,4、5、6月均表现为负相关海域多于正相关海域;4月和5月正相关海域主要分布在南半球,6月正相关海域主要分布在北太平洋海域;4月负相关海域北半球居多,主要集中在北太平洋及北大西洋周边海域,在西南太平洋、南大西洋中部、南印度洋中部也有较大面积分布,5月负相关海域主要集中在北大西洋东部-地中海、西北太平洋、南美洲南侧、澳大利亚西侧及南侧海域,6月负相关海域主要集中在以澳大利亚大陆为中心的太平洋、印度洋海域及南大西洋海域。

3) 影响前汛期各月降水的海温异常关键区所对应的关键时段存在较大差异。其中,西北太平洋(124°E~166°W、28°N~56°N)、赤道北太平洋(136°E~116°W、22°N~4°S)、西南太平洋(176°W~228°W、20°S~54°S)海域在滞后0~12月均与4月降水显著负相关。南美洲南侧海域(106°W~36°W、48°S~70°S)在滞后0~12月均与5月降水显著负相关。赤道中太平洋(180°W~128°W、8°N~16°S)、东北太平洋海域(164°W~128°W、36°N~50°N)、欧洲北侧海域(12°E~68°E、70°N ~78°N)海温变化在滞后0~12月均与6月降水显著正相关。

4) 涉及华南地区近海的集中连片海域有南海、台湾岛东侧海域、菲律宾东侧海域,具体为南海北部(108°E~114°E、16°N~20°N)在滞后10~11月与4月降水显著负相关,台湾岛东侧海域(126°E~130°E、20°N~24°N)海温变化与广东北江流域5月降水同期正相关显著,南海南部(112°E~118°E、6°N~14°N)海域在滞后1月与5月降水显著负相关,南海南部-菲律宾东侧海域(108°E~126°E、4°N~12°N)海温变化与6月降水同期正相关显著。

5) 影响流域前汛期各月份降水的遥相关指数及关键时段也存在较大差异。综合分析发现遥相关指数PNA、AAOI、NAO与4、5、6月降水均有显著相关关系,其中,PNA均为正相关,AAOI均为负相关;与5、6月降水显著相关的遥相关指数,其相关性多表现为负相关。

可以根据以上相关海区海表温度和遥相关指数的研究结果对广东北江流域前汛期降水进行预报,并建立具体的预报模型。以上研究主要基于统计学的角度进行分析讨论,并未涉及大气环流变化等动力学机制,这对我们了解其具体的物理过程是不够的,这些工作都有待于进一步的研究。

The authors have declared that no competing interests exist.

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参考文献

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