与我国降水关系的向量eof分析.pdf
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第2 5 卷 第3 期 2 0 0 1年 5月大气科学 C h i n e s e J o u r n a l o f A t m o s p h e r i c S c ie n ce sV o l . Ma y2 5 , N o . 3 2 0 01夏季东亚季风区5 0 0 h P a 月环流异常及其与我国降水关系的向量E O F 分析*宋正山杨辉( 中国科学院大气物理研究所，北京1 0 0 0 2 9摘要利用N C E P / N C A R 1 9 8 0 - 1 9 9 7 年夏季月平均风场及同时期我国 1 6 0 个侧站月 平均降水资料，讨论了 运用向10脸正交展开 ( E O F )方法得到的流场月距平主耍模态的时 空变化特征.分析了主要模态与中国x季降水 ( 雨型)的相关分布指出E O F 1 及E 0 17 2 顿 态与中国X季降水最主要分布型式有很好的对应关系.用小波变换方法对主要模态的时间系 敬进行了分析，揭示了各模态的多时间尺度性质，发现3 ~6 年周期振荡是主要的.关挂词;向 *E O F 分解;降水;相关分析;多时间尺度1 引言东亚季风区环流异常与我国夏季降水的关系是很重要的课题。
研究者在用实际资料 分析时，往往将降水分布或环流状况划分为一定的类型，进而讨论它们的联系在从降 水的 时 空 分布 人 手的 研 究中 ， 对 降 水要素 进 行经 验 正交 展开 的 研究比 较 多 【1 - 4 1， 这类 方 法所确定的降水型客观定a，由于降水时空分布的高度离散化，降水空间型 ( E O F模 态) 方 差 都不 很显 著，N i t t a 等 [2 1所得到的 第一 个E O F 模 态方 差 仅占1 1 .4 5 %，如 果 用 月平均降水资料，方差所占比例将更小，这就限制了主要模态的 代表性.此外，由于降 水可由不同的环流系统产生，单由降水进行成因 分析是相当困难的从 环 流 的 基 本 型 态 出 发 进 行 的 研 究 [5 1， 比 较 符 合一 般 的 预 报 思 路 ， 便 于 进 行 成 因 分 析，但需要避免环流分型的主观性.向 f E O F方法可以定a客观地研究包括低纬度广 大地区的环流型态，与降水相应的环流主要模态方差所占比例比降水高得多，季节平均 流场第一个E O F分f可占3 0 %以上，月份的也可占2 0 %以上，主要模态更具代表 性.此外，模态的时间系数包含流场时间变化的重要信息.但过去在环流异常与我国夏 季降水关系的研究中用向 I E O F方法的还很少.本文试图用向 f E O F 分解的统计分析方法，讨论我国夏季月异常环流各模态时空 变化及其与我国 夏季各地区降水 ( 雨型)的关系，并用小波变换方法分析了各异常环流 模态夏季平均时间系数的多时间尺度特征.2 0 0 0 -0卜邓收到，2 0 0 0 - -0 6 - 0 6 收到修改稿国 家自 然科学羞金资 助项目4 9 6 7 5 2 6 1 资助，还得到国家宜点羞础 研究发展 规划G 1 9 9 8 0 4 0 9 0 0 项目 第一 部分的部分资助4 0 2大气科学2 5卷2 资料及计算方法本文使用的资料是 N C E P / N C A R 1 9 8 0 ^ 1 9 9 7 年共 1 8 年的夏季各月5 0 0 h P a 高 空风场网格点 ( 2 . 5 0 x 2 . 5 0 )资料，以 及中国气象局提供的同期中国1 6 0 个测站的月平 均降水资料。
风场的分析范围取为 ( 1 0 - - 5 0 0 N , 7 0 ^ 1 7 0 0 E ) .计算时对各月风场先求出距平， 然后对各年夏季各月距平流场进行向量经验正交 ( E O F )分解处理，得到距平流场的 主要模态 ( 即复特征向 量)和各模态对应的时间系数序列，为了 揭示各模态的年际变化 的多时间尺度特征我 们对夏季平均的时间系数用小波变换方法进行了 处理对风场的向量 E O F分解及时间序列的小波变换分析方法已广泛应用于气象研究 中 [4 ,6 - 刃 ， 了 解 具 体 计 算 方 法 可 参 考 有 关 文 刮8 ,9 ]a3 主要结果3 . 1 季风区流场的向f E O F 分析我们对1 9 8 0 - - 1 9 9 7 年各年6 , 7 , 8 月季风区5 0 0 bL P a 层上各月距平流场所构成的 时间序列作了向 盈E O F分解E O F l - - 8 各模态所占的方差百分数分别为2 1 , 1 3 , 9 , 8 , 6 , 6 , 5 , 4 ,前四个分1A 所占方差之和达到5 1 %，而且E O F I 及E O F 2 具有显著比 重，其和达到3 4 %。
从第9 个模态开始方差占 全体的比例降至3 %以下，已很不显著， 因此，我们仅讨论前8 个模态的时空变化情况图 1 给出5 0 0 h P a E O F I -8 各模态的水平分布我国东部大陆到西太平洋地区异 常环流的基本模态大致可分为两类，一类是准纬向型的，异常环流系统呈南北向 分布 这时中国东部地区主要受纬向异常环流影响 ( 如E O F I - - 4 模态) ，其中以E O F I 和 E O F 4 最为明 显.另一类异常环流以南北向经向气流为主，主要异常环流系统呈东西向 分布，中国东部地区主要受经向异常气流的影响，如E O F 5 - - 8 棋态.由于E O F l - - 4 模态所占方差在 5 0 0 h P a 可达 5 1 %，而E O F 5 - v 8 模态仅为2 1 %，因此我国夏季异常环流主要型态是纬向的.图l a 是E O F I 模态的 水平分布.其主要特征 是在西太平洋南北 有一 对东西 伸展很 宽广的气旋 ( 北)和反气旋 ( 南)异常环流系统，北边的气旋性环流中 心位于日 本以东 ( 4 4 0 N , 1 6 8 0 E )附 近，我国东北 及华北地区 受其西端的 偏北 气流控制.与此相对应的 南部反气旋异常环流中 心位于 ( 2 6 0 N , 1 5 4 0 E )附近，其反气旋脊向西南伸展到我国华 南地区。
此处脊线位于2 0 0 N附近.E O F I 模态的另一个显著特点是在这一对异常环流系统之间为强准纬向 偏西异常气 流，它在青藏高原附近约在 2 0 - - 3 0 0 N之间，向东逐渐北抬，在日 本附近达到 2 5 - - 4 0 0 N范围 而我国长江中下游及淮河流 域正好位于来源于 北部气 旋性异常环流西端的 偏西北气流和南部反气旋异常环流西端的偏西南气流的汇合处.E O F I 模 态 与S o n g 等 (5 1及 叶 笃 正 、 黄 荣 辉 等 p 0 ]研 究 中 所 列 的 未 加E O F 分 解 的 综 合 异 常环流型 ( 中 下层)A 3 型非常相似，而与其A N 型大 致相反.这一 模态的方 差可占- 一一一一-一-一---，，--3 期宋正山等;夏季东亚季风区5 0 0 h P a 月环流异常及其与我国降水关系的向f E O F 分析 4 0 32 1 %，因 此是夏季影响我国的最主要的异常环流模态.E O F 2 模态的特征与E O F I 有一定的类似 ( 图 l b ) ，西太平洋也有一对气旋 ( 北) 和反气旋 ( 南)异常环流系统，但其东西所占范围小，中心位置均偏西.南部的反气旋 环流中心位于 ( 2 0 0 N , 1 1 5 0 E )附 近。
控制了我国华南地区，而其东北部的气旋性异常 环流中心位于日 本南部 ( 3 5 0 N , 1 3 6 0 E )附 近我国长江流域仍位于从这两个异常环流 系统出来的 偏西气流汇合处，而华北和黄淮地区则受到偏北气流的影响‘500N40oN卿20oN10oN5 0 0 N1 0 配E1 2 0 0 E 1 4 0 0 E1 6 0 0 ES O 0 E 1 0 0 0 E 1 2 0 0 E 1 4 0 0 E 1 6 0 0 E5 0 , N3 0 0 N1 0 0 0 E1 2 0 0 E1 4 0 0 E1 6 0 0 E1 0 0 E1 2 0 0 E 1 4 0 0 E 1 6 0 1 E1 0 0 0 E1 2 0 0 E1 4 1 1 0 E1 6 0 0 ES 0 0 E 1 0 0 0 E1 2 0 0 E 1 4 0 0 E 1 6 0 0 E50oN40w30w200N10w卿40bo30oN20oN脚卿40DN30oN脚10oN5 0 0 N1 0 0 0 E1 2 0 0 E400N卿20oN100N1 4 0 0 E 1 6 0 “ E图宜 5 0 0 h p a 层东亚季风区距平流场向 f E O F展开工 一8 模态( a ) -( h } 水平分布( 风 速单 位: 0 .0 1 m 3 - , )E O F 3 模态显示影响我国东部地区的异常环流系统也是一对性质不同的系统 ( 图 l c ) ，但南部反气旋性异常环流系统中心位于台湾东北 ( 2 5 0 N , 1 2 5 0 E )附近，在其北 部为一气旋性距平环流系统，中心位于 ( 4 5 0 N , 1 2 5 0 E )附 近.两个异常环流系统之间 也为辐合性的偏西风异常气流，影响到长江和黄河之间地区.我国 华南受到反气旋性环 流影响， . 而西南地区为偏南异常气流影响.我国黄河中上游地区则受偏西北异常气流影 响.奋—一 一 一 不 丽兀1 .4 0 4大气科学2 5 卷叫00仍[囚。
0巴下 了sO囚00刊1乡 〕勺四00州1卜les0 」 誉电入矛︺︵荞︶叫000-山00山~山00N工剑层囚01一闺L又︶1溉恭藏gg10︵因润招昌0十椒侧乍叔四公玻︶ 根吸积班舞喧9节傲公十叫补川圃照却截喊亘盆︵月·巴之.02之毛门之八导200硕国乞ml200巴2石自20字2乞的叫口011田000一叫.0价1.别|叫 沁叙芍臼」 03岛200叫20州2卜甘Zao功山00州一200八N00价20嘴N00价报那的!︻葬翻噢己月8峭目毛到一闺0叫1山001叫︺2一国001一叫吕1w2色叫200价Za导2七的20叭， 2 -i囚00曰一之0曰20导囚乞叫1闺0闪1夕因乞一1囚0011山oDO工见200囚a20导5 r200访ZaO州20代200甘200的—一 },a 丁一.—一.刁 翻3 期宋正山 等:夏季东亚季风区5 0 0 h P a 月环流异常及其与我国降水关系的向f E O F 分析 4 0 5E O F 4 模态的异常气流对我国的影响与E O F 3 相反 ( 图l d ) ，南部是气旋性异常环 流区，并向西延伸到我国西南地区，而我国西北东部、华北及东北地区受反气旋异常环 流系统的影响。
从我国东部到西太平洋地区明显是准纬向型环流结构E O F 5 - V 8 模态 ( 图1 e - - h )与上述E O F I - 4 模态有很大不同，在我国大陆到西太 平洋地区，前者以经向 流型为主.后者以纬向型为主E O F 5 及E O F 6 中我国东部主要 受南北比较一致的异常偏南气流影响，但E O F 6 从南到北偏西或偏东分f也较明显. 此外，由于E O F 7 控制我国大陆的反气旋异常环流南北两 侧的 纬向 气流较强，使得我 国 南北方与中 部地区影响异常气流差别很大，即南北方受纬向异常气流影响而中部地区 受经向异常气流影响E O F I - r 8 模态的时间系数均表现了 很大的季内和年际变化 ( 图略) ，在下面有关部 分我 们将讨论它们的多时间尺度特征. 3 . 2 异常环流各徽态与我国 互攀降水的关系环流异常是造 成降 水异 常分布的 直接 原因 ，为了揭 示它 们之间的 关系我 们计算了 E O F I -- 8 各模态时间系数与同期全国降水的相关系数 ( 图2 ) ，并与我国夏季降水分布 。
