印度洋偶极子与中国冬季降水的关系.docx
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印度洋偶极子与中国冬季降水的关系
印度洋偶极子与中国冬季降水的关系
摘要
利用1950—2013年Hadley环流中心全球月平均海表温度资料、1960—2013年NCEP/NCAR再分析资料以及中国气象局整编的160站降水资料,研究分析了印度洋偶极子(IOD)和太平洋异常海温(ENSO)对中国冬季降水的协同影响和不同作用,通过对比分析,揭示了IOD独立发生、ENSO独立发生以及IOD与ENSO联合发生时中国冬季降水的差异。
研究结果表明:
IOD异常海温和ENSO异常海温的出现虽然具有较高的协同性,但二者对我国冬季降水的影响效应不尽相同,IOD与ENSO的同时发生并不是两者单独发生时各自作用的叠加,而是具有协同或抵消作用。
仅有IOD发生时,其正位相年使得中国西南(云南西部除外)、华南以及华北、东北地区的冬季降水出现正异常,在江淮流域出现负异常,反之亦然。
但是IOD正位相比负位相对中国冬季降水的影响更显著。
当IOD与ENSO同时出现时,IOD的作用使得ENSO对我国西南(云南西部除外)、内蒙、东北地区冬季降水的影响作用更为显著。
此外还初步分析了IOD与中国冬季降水关系影响的环流成因。
关键词:
印度洋偶极子;ENSO;中国冬季降水;
Abstract
Hadleycirculationcenterinuse1950-2013monthlyaverageglobalseasurfacetemperaturedatafrom1960to2009NCEP/NCARreanalysisdataandreorganizationofChinaMeteorologicalAdministration,160stationsprecipitationdata,researchandanalysisoftheIndianOceanDipole(IOD)andthePacificabnormalSST(ENSO)synergisticeffectsonChinesewinterrainfallanddifferentrole,throughcomparative.analysisrevealsthedifferencesbetweenChinesewinterprecipitationoccursindependentlyofIOD,ENSOandIODandENSOoccursindependentjointoccurs.
Theresultsshowthat:
IODabnormalseasurfacetemperatureandseasurfacetemperatureanomaliesappearENSO,whilehavingahighsynergy,buttheimpactontheeffectofwinterprecipitationintwodifferent,IODandENSOnotbothoccursimultaneouslywheneachindividualadditiveeffect,buthasasynergisticeffectoroffset.IODoccurswhenonlyitspositivephaseinmakingChinaSouthwest(exceptwesternYunnan),winterprecipitationinsouthernChinaandnorthChina,northeastChina'semergencepositiveanomaly,negativeanomaliesintheHuaiheRiverbasin,andviceversa.However,thenegativeIODanteroposteriorpositionrelativetoChinacomparedtomoresignificantimpactonwinterprecipitation.WhentheIODandENSOoccursimultaneously,theroleofENSOIODmakesSouthwest(exceptwesternYunnan),theeffectofInnerMongolia,NortheastChinawinterprecipitationismoresignificantinChina.Inaddition,preliminaryanalysisofthecausesandeffectsofwinterprecipitationcirculationIODrelationshipwithChina.
Keywords:
IndianOceandipole;ENSO;Chinawinterprecipitation;
目录
摘要1
Abstract2
1绪论4
1.1研究背景4
1.2印度洋偶极子的提出4
1.3印度洋偶极子与ENSO的关系5
1.4印度洋偶极子对中国降水的影响5
1.5本文拟解决的问题6
2资料和方法6
2.1资料6
2.2方法6
2.2.1奇异值分解法(SVD)6
2.2.2相关分析6
2.2.3合成分析7
2.2.4t检验7
3IOD对我国冬季降水变化的影响7
3.1秋季IOD与我国冬季降水的关系7
3.2IOD对中国冬季降水影响关系的偏相关分析9
3.3IOD和ENSO对我国冬季降水的异常分布的影响11
4IOD对中国冬季降水影响的水汽环流成因分析15
5结论17
参考文献18
致谢20
1绪论
1.1研究背景
印度洋是世界第三大洋,面积约为7万多平方千米,约占地球水表面积的20%,且大部分处于热带,水面平均温度20e一27e。
印度洋位于亚洲、大洋洲、非洲和南极洲之间,它东接太平洋)世界第一大洋,西临大西洋)世界第二大洋。
虽然印度洋面积不及前两大洋,但是独特的地理状况导致北印度洋、东南印度洋、热带印度洋分别受到亚洲季风、印度尼西亚穿越流、越赤道流的影响,这使得印度洋呈现出独特的海一气相互作用的特征。
并且,印度洋作为我国西南季风的发源地,同时也是我国季风雨水汽的主要源地之一,该海区海温的异常对西南季风的异常活动起着重要的作用。
因此,对我国天气气候的变化有着重要的影响。
1994年夏季,我国华南地区出现了特大洪涝,印度的夏季风很强,而日本却非常炎热,出现了干早天气。
虽然这一年太平洋上出现了弱的ElNni。
但是显然不能解释亚洲季风区如此极端的气候异常。
1997年下半年,太平洋出现了20世纪最强的EINni。
印度季风降水却趋于正常,非洲出现了大洪水,而印尼却经历了罕见的干早天气。
后来人们发现,这与热带印度洋海温东部出现负距平、西部出现正异常现象有关,这种异常的海温分布被称为印度洋偶极子((IndianoeeanDIPole,简称IOD)。
1.2印度洋偶极子的提出
Saji根据分析的结果,利用赤道印度洋西部(50oE一70OE,100S一10ON)和东部(90OE一1100E,100S一EQ)区域平均的海表温度距平之差定义了偶极子指数,并根据这个指数选择T6次极端事件(1961,1967,1972,1982,1994,1997年)合成T偶极子的演变,发现它具有很强的季节锁相,和环流的变化具有很强的藕合,偶极子期间赤道中印度洋存在很强的东风异常。
Lizuka等第一次利用高分辨海气藕合模式成功模拟了印度洋偶极子,在50年模式积分中共出现了8次,揭示的特征与Saji等一致,模式热通量分析表明,受海洋热力过程强烈影响的热带海气相互作用对偶极子的产生至关重要。
很多学者用不同的模式对印度洋偶极子进行模拟研究,成功地模拟了热带印度洋偶极子信号,并得到较为一致的结论,即在印度洋偶极子正位相期间,东风异
常的出现和西扩激发了海洋的Rossby波的西传,导致了东印度洋暖水西移;其表面异常东风转换为异常西风所引起的异常环流结构调整是偶极子消亡的主要动力学原因,海气界面热通量异常的交换对热带印度洋海表温度距平偶极子模态的形成和演变有重要作用。
1.3印度洋偶极子与ENSO的关系
IOD与ENSO之间的关系问题是近来学者们争论的焦点。
Saji等、Webster等在提出IOD概念时,就强调了IOD与ENSO的独立性。
但李崇银等指出,尽管在极个别年份IOD似乎与ENSO独立,总体而论两者具有很好的相关性;巢纪平等认为,ENSO和IOD的发展,在统计上呈现出时滞的相互关系,一般赤道东太平洋海温距平的变化超前IOD一个季度左右,联系这两者变化之间的纽带是赤道太平洋和印度洋的一对反相转动的Walker环流的耦合演变;谭言科等在对热带印度洋海温的年际变化与ENSO关系的讨论中指出,印度洋海温从偶极到单极的变化对应着ElNino事件从发展到衰减的过程,印度洋偶极超前Nino3区海温距平约4个月,单极滞后约6个月。
1.4印度洋偶极子对中国降水的影响
不少学者针对热带印度洋海温异常对我国气候的影响做了大量研究。
在研究降水的影响方面,许多学者都指出印度洋海温异常与中国尤其是华南夏季降水有很好的相关关系。
肖子牛等通过相关普查得出,IOD正位相使中国北方地区少雨而南方多雨,IOD正位相比负位相对中国气候的影响大;正位相时可能是通过西南季风较直接地影响中国夏季降水,而负位相则可能通过PJ波列来影响中国的降水。
刘宣飞等研究指出,IOD独立发生时,其正位相年以湖南为中心的华南地区夏季降水偏多;闫晓勇等认为IOD通过影响西南季风来影响我国大陆降水。
此外,吴国雄等通过数值试验认为ElNiño期间江淮流域8月降水偏多并非是对赤道东太平洋暖海温的直接响应,而主要是对同期中、西赤道印度洋暖海温的邻域响应。
肖子牛等也通过大气环流模式指出当西印度洋和阿拉伯海海温升高
时我国西南地区夏季降水减少,而华东、长江流域和华南等地降水量增加。
然而,国内过去较多的工作都是针对印度洋海温异常对中国夏季降水的影响,对冬季中国降水(雪)作用的研究并不多。
1.5本文拟解决的问题
以上的研究表明,印度洋偶极子作为一个客观存在的现象,与ENSO之间是否存在相互作用?
两者是通过何种途径相互作用的?
研究也表明,印度洋偶极子对东亚大气环流和降水有着很大的影响。
但这种影响在有无ENSO发生时是否一样?
针对这些问题,本文将重点从下面两个方面来分析印度洋偶极子及其与中国冬季降水的关系。
(1)ENSO与IOD的相互作用关系。
(2)有无ENSO强迫作用时,I0D对中国降水的影响
2资料和方法
2.1资料
(1)国家气候中心整编的1951年1月一2000年12月的中国160站月平均降水资料。
(2)美国NCEP伽CAR的再分析资料中的1950年1月一1999年12月的月平均高度、风场、垂直速度资料,水平分辨率为2.50x.250"
(3)Hdalye中心1950一2013年50年10xl0全球月平均海温资料。
其中所有当年冬季资料都取为当年12月至次年2月的平均。
2.2方法
2.2.1奇异值分解法(SVD)
SVD是研究两个气象变量场相关结构的诊断技术,广泛应用于气候诊断研究中,用于分析两个气象要素场序列之间的相关关系,给出两个要素场之间相互配对的典型空间分布和每个典型空间分布的权重系数序列。
所谓相互配对的典型空间分布是指每一对典型空间分布之间有尽可能大的协方差。
2.2.2相关分析
用来描述两个时间序列间相互关系的方法,用相关系数rkl表示:
其中sk,s1,分别表示第k、第1个变量的标准差,rKL的绝对值越大,表示两者的关系越密切实际研究工作中使用的相关性检验方法是直接查相关系数检验表。
2.2.3合成分析
合成分析的置信水平:
检验两组样本序列平均值差异的显著性,两序列样本个数分别为n1,n2,平均值分别是x,y。
定义一个统计量为:
S11,s22对是相应的方差.上式服从自由度r=n1+n2-2的t分布,给定显著性水平a,查t分布表,若t>ta表明两个总体的均值存在显著差值。
2.2.4t检验
t检验是用t分布理论来推论差异发生的概率,从而比较两个平均数的差异是否显著。
单总体t检验是检验一个样本平均数与一个已知的总体平均数的差异是否显著。
当总体分布是正态分布,如总体标准差未知且样本容量小于30,那么样本平均数与总体平均数的离差统计量呈t分布。
单总体t检验统计量为:
3IOD对我国冬季降水变化的影响
3.1秋季IOD与我国冬季降水的关系
已经知道印度洋偶极子指数强度在秋季达到鼎盛,因此本文选取IOD正负位相典型年的9—11月异常海温场来代表整个IOD模态海温场的基本特征。
图3-1是秋季IOD与同年中国冬季降水的相关分布。
可看到秋季IOD与同年中国冬季降水有很好的相关关系,通过显著性检验的两个显著正相关区分别位于我国江南到华南东部地区、以及内蒙古地区和华北北部地区,东南地区最大正相关系
数达0.47。
因此,当印度洋偶极子指数为正位相时,即当印度洋海温分布为东冷西暖时,同年我国冬季可能会在东南沿海及内蒙古中部和华北北部出现两个降水显著增多的雨带;相反,当印度洋偶极子指数为负位相时,即海温分布为东暖西冷时,次年冬季我国东南及内蒙古中部地区降水将会显著减少。
此外,在我国中部江淮一带为负相关。
图3-1秋季IODI与同年中国冬季降水的相关分布
阴影区为通过95%的信度检验
从以上相关分析可以看到,IOD与我国冬季降水确有很好的相关关系,然而过去的一些分析表明,IOD的发生一般都与ENSO事件的发生相关连,李崇银等指出,尽管在极个别年份IOD似乎与ENSO独立,总体而论两者具有很好的相关性,巢纪平等也认为ENSO和IOD之间存在一定的时滞相关关系,并且也有研究表明在1970年代之后IOD事件都是伴随着ENSO事件发生的。
同时一些研究也表明,尽管IOD与ENSO相伴发生,但其对亚洲的气候影响却不尽相同。
在研究IOD与我国冬季降水相关关系的同时,也必须考虑由于ENSO与IOD的相互作用而可能带来的复杂影响。
因此,再通过对偏相关的分析,进一步探讨IOD
对我国冬季降水的影响以及与ENSO影响的区别和联系。
由于在图3-1的相关图上我国中部和东部的冬季降水与IODI的相关性较好,而且这些地区的站点比较齐全、降水资料相对完整,所以下面将重点讨论我国中东部地区降水的变化。
3.2IOD对中国冬季降水影响关系的偏相关分析
前面讨论中用秋季印度洋异常海温场来代表整个IOD模态海温场的基本特征,为了可以取得更好的一致性来分析ENSO的影响作用,我们也同样选取同期的秋季Niño3指数来进行讨论。
为了排除ENSO在印度洋偶极子年对中国冬季降水过程中的影响作用,进一步计算了秋季IODI及秋季Niño3指数与我国冬季降水的偏相关系数(图3-2a、b),由此揭示IOD或ENSO独立因子对我国冬季降水的分布的影响特征。
图3-2a反映的是在控制了ENSO的影响效应之后,秋季IODI与我国冬季降水的偏相关关系,可以看到在内蒙古的东北部有超过90%信度检验的负相关区,而其他地区除了江淮一带为弱的负相关区之外,我国整个东部地区基本上为正相关区域,且西南地区超过了90%信度检验,而内蒙大部分地区的正相关区则通过了95%的信度检验。
这说明在排除了ENSO的影响之后,IODI正位相典型年会使我国江淮流域以及内蒙古东北部降水减少,而西南、华南及华北、东北地区降水增加,反之亦然。
图3-2aIODI与中国冬季降水的偏相关
浅色和深色阴影区分别为通过90%和95%的信度检验
图3-2bNiño3指数与中国冬季降水的偏相关
浅色和深色阴影区分别为通过90%和95%的信度检验
图3-2b给出了Niño3指数与中国冬季降水的偏相关系数的分布,在我国江南大部分区域为正相关区域,尤其是东南、云南西部地区,其正相关系数通过95%的信度检验,此外在华北东部地区也表现为正相关;而在西南部分地区、江淮黄河流域以及东北地区为负相关区域,且河套附近负相关区通过了90%的信度检验,部分地区信度还超过了95%。
因此,ElNiño的发生有利于冬季我国江南地区降水增加,而江淮黄河流域以及东北地区降水减少,这与龚道溢等的讨论结果相一致,此外西南地区的降水也明显减少(云南西部除外)。
比较图3-2a与3-2b发现相关同号的区域主要集中在江南-华南一带,表明IOD、ENSO对这些地区冬季降水的影响具有协同一致的作用,即西印度洋和东太平洋海温异常升高,有利于我国江南-华南一带冬季降水显著增加;而异号区域主要位于我国河套附近以及内蒙、东北地区,另外在西南地区、长江中下游也有较好的反相位关系,表明IOD、ENSO异常海温对这些区域冬季降水的影响是相反的。
对比图3-1,IOD与ENSO对我国江南到华南地区冬季降水的影响是一致的,但两者正(负)共同作用时,对降水的增加(减少)作用更为显著。
但IOD
与ENSO对我国其他地区冬季降水则有几乎是相反的影响,当两者共同作用时,在内蒙古到华北北部地区主要表现为IOD的影响,即正(负)相位之后的冬季内蒙古到华北降水的显著增加(减少)。
总的来看,ENSO主要直接影响我国南方地区的冬季降水,而IOD主要影响我国北方地区的冬季降水,但IOD可能通过与ENSO的相互影响会加强对我国南方地区冬季降水的异常。
下面再通过典型年实况降水资料,分析在IOD单独作用、ENSO单独作用以及IOD与ENSO共同作用下,我国冬季降水异常的特征来进一步验证探讨IOD与我国冬季降水的关系。
3.3IOD和ENSO对我国冬季降水的异常分布的影响
首先,选取能代表IOD单独发生、ENSO单独发生以及IOD与ENSO共同发生的典型年份,这些典型年份的选取同样以秋季的IOD指数以及秋季的Niño3指数作为讨论前提。
因此,根据文献的方法并参考Saji等的典型年选取结果,选出22例偶极子异常事件作为研究个例,其中正、负偶极子年份各11例。
同样,根据文献的方法选取23例异常事件作为ENSO的研究个例,其中11例为ElNiño典型年,12例为LaNiña典型年。
表3-3是上述三种情况的典型年份。
下面通过这些典型年份的合成降水以及环流场特征来验证讨论IOD对冬季降水的影响,以及与ENSO气候影响的区别和联系。
图3-3-1a、图3-3-1b是IOD与ElNiño共同发生及IOD独立发生的典型正位相年我国冬季降水距平百分率的合成分布。
从图3-3-1a中可见,在同时发生年冬季,内蒙中部、华北北部以及我国南方冬季降水显著增多,特别是江南及沿海一带,其最大正距平百分率中心值达到60%,而在江淮黄河流域以及东北地区出现降水负距平。
在IOD独立发生的正位相典型年(图3-3-1b),正距平降水区位于华北及东北中南部,东北北部以及长江中下游大部分地区为冬季降水负距平,值得注意的是南方显著的异常的降水正中心位于西南地区。
过去的研究表明,ElNiño发生的冬季一般会使我国东南沿海地区冬季降水显著增加,而西南、华中、华北地区的降水有减少的趋势。
因此,在IOD正位相与ElNiño同时发生时,IOD对我国西南、内蒙以及东北地区冬季降水影响更为显著,而ENSO对华南、江淮流域的影响作用更为显著,两者在各自影响的关键区占主导作用,使得我国东部区域呈现南北多雨中间少雨的情况。
这一结果与图3-2a、图3-2b的结论基本一致。
图3-3-1aIOD正位相与ElNiño共同发生(a)典型年我国冬季降水的距平合成百分率单位:
100%
图3-3-1bIOD独立发生典型年我国冬季降水的距平合成百分率单位:
100%
表3-3IOD、ENSO独立发生年及共同发生年典型年份
上标a表示IOD与ENSO相位不一致的年份。
分析IOD、ENSO典型负位相年我国冬季异常降水距平可以发现类似的情形。
当IOD负位相与LaNiña年同时发生时(图3-3-2a),异常降水分布与图3-3-1a基本相反,呈现出南北少雨而中间多雨的带状分布。
而在IOD负位相典型年(图3-3-2b),长江中下游一带的冬季降水有显著增加的趋势,其它地区的降水则显著减少,但东北北部变化不明显。
同时也注意到,虽然图3-3-2b与图3-3-1b的异常降水分布型基本相反,但是异常降水的强度偏弱,即IOD正位相典型年对我国冬季降水的影响比IOD负位相典型年的影响更明显,也与肖子牛等的结论一致。
与IOD正位相的气候影响一样,虽然IOD和ENSO负位相海温异常通常同时发生,但两者对我国冬季降水也有不同的影响。
赤道东太平洋海温的冷异常通常使得我国江淮流域以及长江以南地区降水趋于减少,使我国西南、河套附近以及东北中部降水显著增加;而IOD负位相海温异常则使得我国东部地区除长江中下游以外的冬季降水一致减少。
但在两者负位相海温异常共同作用下,我国江南的冬季降水减少,而华北黄河流域降水增加,这也与上述所讲到的二者作用的关键区相吻合。
图3-3-2aIOD负位相与LaNiña共同发生典型年我国冬季降水的距平合成百分率单位:
100%
图3-3-2bIOD独立发生典型年我国冬季降水的距平合成百分率单位:
100%
4IOD对中国冬季降水影响的水汽环流成因分析
印度洋偶极子作为低纬海温异常信号是怎样影响到中国冬季降水的呢?
为了分析这一问题,下面选择850hPa流场和500hPa高度场作为分析对象,在分别讨论IOD独立发生年、IOD与EN-SO联合发生年环流场特征的基础上,对两者之间的差异进行对比分析,以揭示ENSO对IOD与中国冬季降水关系影响的环流成因。
图4-1a给出了冬季IOD独立发生年正、负位相之间的同期850hPa环流差值场。
图中显示,在热带印度洋地区和东亚地区的环流均为差异显著的区域,这表明,IOD不仅能影响热带印度洋局地的环流,还对东亚地区的大气环流有显著影响。
在热带印度洋地区为显著的东风异常,孟加拉湾有一反气旋距平环流中心,该反气旋距平环流北侧的偏西气流越过中南半岛北部后,转为西南气流进入我国西南地区,从而造成我国西南地区的多雨。
在东亚地区有一气旋性距平环流,对应副高减弱。
图4-1b为冬季IOD与ENSO联合发生年正、负位相之间的同期850hPa环流差值场。
由图可见,在赤道印度洋地区仍为一致的偏东气流,这与图4-1a的情况是非常相似的。
图4-1a中位于孟加拉湾的反气旋性环流中心移到了印度北部,该反气旋环流东北侧的偏西气流越过中南半岛后,转为西南气流进入我国西南地区,并与中心位于台湾南部的反气旋环流西侧的西南气流汇合,在我国南方形成大范围的
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