冬春季节北极海冰的年际和年代际变化

冬春季节北极海冰的年际和年代际变化 冬季北大西洋海温年际 、年代际 变化与中国气温的关系 21 , 2 3 1 曲金华 ,江志红 ,谭桂容 ,孙力 ( 1. 南京信息工程大学大气科学系 , 江苏 南京 210044; 2. 吉林省气象局业务处 , 吉林 长春 130062; )3. 南京信息工程大学资源环境与城乡规划系 , 江苏 南京 210044 ( )摘要 :利用 NCEP /NCAR 月平均再分析 资料 新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单 1951,2001年 海洋表面月平均温度资料 、500 hPa月平均高度场以 ( )及中国 160站月平均气温资料 ,采用旋转方差极大正交旋转法 R EO F和小波变换等方法研究了冬季大西洋中 低纬海表温度分布的主要模态及其与中国冬季气温的关系 。结果表明 ,冬季北大西洋中部海表温度异常主要表 现为 2个基本模态 ,其中反映冬季大西洋 20?,50 N? 区域海表温度异常的第二特征模态 ,在年际 、年代际变化关系上与中国冬季平均气温关系非常密切 。进一步研究表明 ,冬季北大西洋中部海表温度异常 ,可激发欧亚 EU 型环流 ,致使中国冬季气温异常 。 关 键 词 :海洋表面温度 ; R EO F;冬季气温异常 ; EU 型环流 ( ) 文章编号 : 1000 - 0690 200605 - 0557 - 07 中图分类号 : P732 文献标识码 : A 响 。 引 言 1 资料和方法 20 世纪 80 年代初全球气候增暖趋势更加明 显 ,近 20年是 20世纪全球最暖的时期 。中国气温 1. 1 资料 也明显增暖 ,且自 20 世纪 90 年代有加速趋势 ,并 [ 1,6 ] 文中使用的资料有中国气象局国家气候中心 伴有降水异常等天气事件出现 。其中冬季增 整编的 160个站月平均气温 ; NCEP /NCAR 再分析 暖开始时间最早 、幅度最大 、持续时间最长 ,冬季气 温异常 已 成 为 中 国 一 些 地 区 的 一 种 主 要 气 候 灾 2. 5 ×?2. 5 网?格 500 hPa 月平均高度场和海洋表[ 7,9 ] 害 。 面 2 ?×2 网?格月平均温度场 。以上资料长度均为海洋热源异常分布是造成大尺度环流和长期 1951 年 12 月至 2001年 2月 ,冬季取 12,2月 。[ 10 , 11 ] 天气气候异常的重要原因 。全球气候增暖必 1. 2 方法然与海温异常有关 。研究结果已经证实海温变化 ) 1 旋转 方差 极大 正 交旋 转法 。经验 正 交函 [ 12 ] 与中国气候异常有密切的关系 , 特别是热带太 ( )数展开 EO F分离出的荷载向量反映的是变量场 平洋海温异常对中国的气候有重要影响 。由于海 整体的空间分布特征 ,而旋转后的各分量能集中表 气相互作用 ,大西洋海温异常也可引起环流异常 , 并通过上下游波动能量的频散影响到东亚季风区 现出地域的分布特征 ,还可以反映出在不同地域的 [ 13 ] 环流 。以往关于北太平洋海温对中国气候的影 相关性分布状况 ,因此本文采用旋转方差极大正交 响研究较多 ,而对大西洋海温的研究比较少 ,特别 ( ) (旋转法 R EO F 。先 对 标 准 化 海 温 距 平 场 X 其 ij 是在年代际变化尺度上 。因此本文试图从大西洋 中 , i = 1, . . . , m 为空间格点数 , j = 1, . . . , n 为样 海温的异常分布特征出发 ,运用小波等方法分析冬 )本长度 做 EO F分解 ,取其前 P 个特征向量 , 然后 季大西洋海温的年际 、年代际变化特征及其与中国 利用方差极大正交旋转法原则对其进行旋转 , 即使 同期气温的关系 , 并 进一 步 分析 海温 对 环流 的影 每个旋转主成分与每个时间序列间的相关系数的 平方的方差达到最大 。文中 P 通过 No rth 准则来 ( )确定 。根据 No rth 1982 判别准则 ,对按从大到小 收稿日期 : 2005 - 04 - 27; 修订日期 : 2005 - 09 - 21 ( )基金项目 :国家自然科学基金项目 40275019、40575047 资助 。 ( ) 作者简介 :曲金华 1969 - ,女 ,吉林省乾安县人 ,高级工程师 ,主要从事气候和气候变化研究 。 E - m a il: qu_ jin_hua@163. com λ排列的特征值来说 ,当第 K个特征值 和第 K + 1 k 2 海温的主要分布型及其年际 、年代 δλλ2 / n时 , 第 k 个特征向 大于 个特征值的差 k k 际变化特征量和第 K + 1个特征向量才可分离 , EO F 分解才有 2. 1 空间分布主要模态 意义 。在本文中 m 为 854、n 为 50。 ( 对 1951,2000 年冬季北大西洋 1 S? ,51 N?;) ( ) 2 小波变换 。对于时间序列 f t其小波变 )275 ,?360 E?区域内海温 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化距平进行 EO F分 换定义为 : 析 ,其特征值的误差分析见表 1。 t - t’ ( ) φ( )( ) ( )d t f t’, a = f t31 ?a 表 1 EO F分析的特征值及其 ? ’ t 1 d a t -误差分布 ( n = 50) ( ) ( )φ( 相应逆变换为 : f t= ) d t’f t’, a ? ca a φTab le 1 E igenva lue and its e rro r d istribu tion of 0 ( ) EO F ana lysis n = 50 ( ) 2 ( )( )1 2 3 序号 2 式中 , f t’, a 是小波系数 ; t是小波位置的移动 λ 参数 。参数 a 是决定小波宽度的膨胀尺度 , 具有时 252. 08 128. 23 112. 64 特征值 φ( )间因次 。函数 t称为母波函数 。通过移动和膨 2 201. 66 102. 58 λ( )1 - 3 n φφ胀产生一个小波波群 。是 的共轭函数 。对于 φ( )t的唯一的约束条件是 : 从表 1中可以看出 ,满足上述判别准则的只有 前两个特征向量 。于是提取前两个特征向量进行 2 dw π φ() ( )C= 2| w |< 0 3 φ ? w ( ) 方差极大正交旋转 R EO F分析 ,得到的旋转因子 ( )φ() ( )φ3 式中 ,w 是 t的傅氏变换 。 荷载向量 。为了了解旋转外区域的海温变化 ,用旋 (本文利用小波重建振荡周期大于 10 年 年代 转得到的时间系数与整个北大西洋区域海温求相 )() 际 和周期小于 10 年 年际 的时间序列 ,将年代 ()关 ,得到图 1。第一模态 图 1 a 表明 ,正的荷载的 际和年际尺度分离开来 。母波函数采用 M exican - 大值区在 30 N? 以南区域 ,因此它所对应的时间系 2 - t / 2 ( ) ( ) φH a t即 t= 1 - te。由于母波函数的准周 数反映的是这一区域海温的年际变化 ,该空间分布 () 期为 4年 月 ,膨胀尺度取 1 ,10 年 ,对应振荡周 ()型解释方差 30 % 。第二模态 图 1 b 上 ,负的荷载 () 期为 4,40 年 月 , 尺 度分 离取 膨 胀尺 度大 于 3 大值区在 25 ,?45 N? 间的北大西洋中部地区 ,解释 的分量重建年代际序列 。 方差为 20 % 。 ( )( )( )图 1 海温旋转分解 R EO F的第一 a和第二模态 b F ig. 1 F irst two R EO F mode s of w in ter A tlan tic su rface temp era tu re 2. 2 海温分布的年际 、年代际变化特征了以高何载地域为中心的空间分布随时间的变化 。 ,运用小 为了分析海温异常随时间的演变特征 方差极大正交旋转得到的因子荷载向量 ,高荷 () ) 2 。由年代际分量曲线 图 2 a 可见 ,第一模态对 1982 年由正距平转为负距平 , 并继续下降 。说明 ( )应的时间系数 TR EO F1 基本在平均值附近波动 ,北大西洋中部海温从 1982年至今持续偏高 。由年 () 期间在 1971 ,1979 年和 1994 ,2001 年对应为明 际变化曲线 图 2 b 可 知 , TR EO F1 和 TR EO F2 的 显的负 、正值 ,说明在 1971 ,1979 年 ,北大西洋南 变化没有明显的相关 ,说明海温的两种空间模态的 变化具有独立性 。另外 ,两时间系数的年际和年代 部海表温度年代际偏低 , 1994 ,2001 年则偏高 ; 第 ( ) 二模态 对 应的 时间 系数 TR EO F2 在 20 世 纪 60 际振荡的方差相当 , TR EO F1 序列对应的年际 、年 年代前 ,以年代际波幅较小 ,但从 1963年开始持续 代际分量 的 方 差 贡 献 分 别 占 总 方 差 的 55. 1 %和 上升 , 到 1970 年 达到 最高 。此后 则 持续 下降 , 到 44. 9 % , TR EO F2 为 56. 1 %和 43. 9 % 。 ( )( )图 2 R EO F分解的第一 、第二模态对应的时间系数的年代际 a和年际 b变化曲线 F ig. 2 A nnua l and decada l va ria tion of tim e coefficien ts of the first two vec to rs 3 海温的年际和年代际变化与气温 变化的对应关系 为寻找与中国气温密切相关的海温异常分布 模态 ,计算相应时间系数与中国气温的相关 ,结果 发现第一模态对应的时间系数与中国冬季气温相 关系数都没有达到统计 5 %的信度 ,而第二模态的 (时间系数与中国气温呈现显著的负相关分布 图 ) 3 ,除在高原东部和中国西南部分地区外 ,相关系 数都达到了 0. 05的统计显著性水平 。说明北大西 洋中部海温异常与中国气温有明显的相关 。当大 西洋海温偏高时 ,中国冬季气温偏暖 。 把中国冬季 160 站气温相加再除以站点数得 阴影区为显著性水平超过 0. 05 的区域 到一气温序列 ,用小波把气温序列的年代际和年际 图 3 TR EO F2与冬季气温的相关分布 变化分量进行分离 。图 4 a为 TR EO F2和气温的年 F ig. 3 Co rre la tion d istribu tion of summ e r 代际分 量 , 图 4 b 为 TR EO F2 和 气温 的年 际 分 量 。 ra infa ll in No rth Ch ina and who le Ch ina 可见 ,两者不论在年际还是年代际变化尺度上 ,均 ( The shaded a rea s m ean s sta tistica l )sign ificance ove r 0. 05 leve l 呈现出很好的负相关 ,两者年代际序列相关系数为 - 0. 76 ,年际变化序列的相关系数为 - 0. 59 ,都超 1980 年 ,年代际分量为正的贡献 ,中国气温年代际 过了 1 %的统计相关信度 。即当冬季大西洋海温 偏低 ;从 1985 年开始 , TR EO F2 的年代际分量为负 偏高时 ,中国气温偏高 ;反之亦然 。 距平贡献 ,气温偏高 。而在 1963 年以前其年代际 () 由 TR EO F2 和气温的小波系数图 图 5 ,可清 变化不明显 。 楚看到 ,气温与 TR EO F2 的小波系数对应很好 ,当 为进一步分析海温异常与中国气温空间分布气温为负时 , TR EO F2为正 。如 TR EO F2在 1963 , 的关系 ,根据 TR EO F2标准化值选取标准化距平大 于 1. 0 的 1965、1969、1970、1971、1972、1976、1997 ( ) ( )TR EO F2和气温的年代际分量 a; TR EO F2和气温的年际分量 b 图 4 F ig. 4 A nnual and decada l va ria tion of TR EO F2 and w in te r temp era tu re 重 、轻阴影区分别为气温正 、负值 图 5 TR EO F2和冬季气温的小波系数模 F ig. 5 W ave le t of TR EO F2 and w in te r temp e ra tu re 年和小于 1. 0的 1952、1961、1995、1998、1999、2001 4 海温与环流的关系分析 年为典型分布年 ,对相应年的冬季气温也进行合成 气候异常与大气环流有直接的关系 。以上的 分析 。图为正的 TR EO F2 典型年气温距平平均与 分析表明 ,冬季北 大 西洋 中部 海 表温 度异 常 偏高 () 负典型年气温相应值的差值图 正减负 。由图 6 a 时 ,中国气温也偏高 。那么 ,北大西洋海温又是怎 可见 ,中国冬季气温都是负距平 ,距平中心分布与 样作用大气环流 ,从而使气温发生异常的呢 ? 下面 图类似 。且在淮河以北的大部分地区 ,气温距平均 对 500 hPa高度场距平进行分析 。 通过了 95 %的统计检验信度 。因为 TR EO F2 对应 图 7 为正的 TR EO F2 典型年高度距平平均与 大西洋中低纬度海温负距平分布 ,所以以上结果表 () 负典型 年 气温 相应 值的 差 值图 正 减 负 。图 7 a 明 : 当大西洋海温偏低时 ,中国气温偏低 。根据前 ( 可见 ,当 TR EO F2 为正距平 即北大西洋中部海温 )偏低 时 ,北大西洋中部到欧洲西部高度场为负距 文 TR EO F2小波分析的结果选取两段 : 1963 ,1979 平 ,北欧到乌拉尔山为正距平 ,贝加尔湖及以南的 年和 1985 ,2001年 。对两段时间的冬季中国 160 中国为负距平 。从欧洲到日本以东洋面 ,高度场呈 站气温距平进行合成 。图 6 b 为 1963 ,1979 年中 EU 型环流异常 。图 7 b 为 1963 ,1979 年 500 hPa 国冬季气温距平平均与 1985,2001 年相应值的差 高度场距平 平 均 与 1985 ,2001 年 相 应 值 的 差 值 () 值 前段减去后段 。可见近段中国气温均较前段 () 前段减去后段 。图 7 b可见 ,其分布型式与图 7 a 相似 ,说明年代际海温增暖 ,使得环流也发生年代 偏高 ,特别是在北方地区 ,其中在河套到黄河下游 际异常 。以上分析表明 ,当冬季北大西洋中部海温 以及东北的大部分地区都通过了 95 %的统计检验 偏高时 ,欧亚呈现负的 EU 环流异常型 , 中国气温 信度 。这进一步说明北大西洋中部海温异常偏高 , 冬季中国气温将偏高 ,反之则偏低 。这与前文分析 一致 。 a. R EO F2 正 、负典型年 ; b. 1963 ,1981 年与 1983 ,2001 年间的气温距平差值 阴影区为显著性水平超过 0. 05 的区域 图 6 冬季气温距平差值及检验结果 ( ) ( ) aFo r typ ica l yea rs of R EO F2; bFo r yea rs of 1963 - 1981 and 1983- 2001 ( )The shaded a rea s m ean s sta tistica l sign ificance ove r 0. 05 leve l F ig. 6 Compo site anom a ly d iffe rence s of w in te r temp e ra tu re a. R EO F2 正 、负典型年 ; b. 1963 ,1981 年与 1983 ,2001 年间的气温距平差值 。 阴影区为显著性水平超过 0. 05 的区域 图 7 冬季 500 hPa高度场距平差值及检验结果 ( ) ( ) aFo r typ ica l yea rs of R EO F2; bFo r yea rs of 1963 - 1981 and 1983 - 2001 ( The shaded a rea s m ean s sta tistica l sign ificance ove r 0. 05 leve l )F ig. 7 Compo site anom a ly d iffe rence s of 500 hPa heigh t fie ld s 图 8为 1952,2001 年冬季气温与同期高度场 , EU 指数与中国冬季气温基本呈反位相 ,当 EU 到 的相关分布 ,可见其分布态势与图 7类似 。说明海 指数为正值时 ,中国冬季气温偏低 ,反之亦然 。对 温异常引起的环流变化确实可以使中国冬季气温 于中纬度海洋对大气的影响机制 , Pa lm ae r 和孙照 发生冷暖异常 。图 9 为 EU 指数与中国冬季气温 渤早在 1985年就进行了较深入的研究 ,并给出了 自 1952 年至 2001 年的 逐 年变 化 , 从 图 9 可 以 看 动 力学解释 :当低层斜压加热产生强的辐合时 ,需 要垂直上升运动来平衡 ,这样 ,由低层辐合激发的 涡旋将由南来的行星波动力系统平衡 ,于是在下游 图 8 冬季气温与同期高度场的相关分布 F ig. 8 Synch ronou s co rre la tion d istribu tion of w in ter temp e ratu re and heigh t fie ld 参考文献 : [ 1 ] 魏凤英 ,曹鸿兴 ,王丽萍. 20 世纪 80 ,90 年代我国气候增暖 ( ) 进程的统计事实 [ J ]. 应用气象学报 , 2003 , 14 1 : 79 ,86. 刘晓东 ,安芷生 , 方建刚 ,等. 全球气候变暖条件下黄河流域 [ 2 ] ( ) 降水的可能变化 [ J ]. 地理科学 , 2002 , 22 5 : 513 ,519. 闫敏 华 ,邓 伟 ,陈泮勤. 三江平原气候突变分析 [ J ]. 地理科 学 , [ 3 ] ( ) 2003 , 23 6 : 661 ,667. 孙 力 ,安 刚 , 高枞亭 ,等. 中国东北地区地表水资源与气 ( ) 候变化关系的研究 [ J ]. 地理科学 , 2004 , 24 1 : 42 ,49. 黄荣[ 4 ] 辉 ,郭其蕴 ,孙安民. 中国气象灾害分布图集 [ M ]. 北京 : 海洋图 9 EU 指数与中国冬季气温 出版社 , 1997. 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Soc, 1985 , 111: 947 - 975. ()) 3 北大西洋中部海温偏低 高 时 ,欧亚呈现 () 正 EU 负 型 环 流 异 常 , 500 hPa 上 中 国 处 于 负 ()() 正 高度距平 ,气温偏低 高 ;反之亦然 。且海温 与气温的关系在年际和年代际尺度上是相似的 。 Re la t ion be tween In terann ua l, In terdeca da l Va r ia b il ity of SST in Nor th A tlan t ic in W in ter an d A ir Tem pera ture in C h ina 1 , 2 3 1 2QU J in2H ua, J IAN G Zh i2Hong, TAN Gu i2Rong, SUN L i ( 1. D epa rtm en t of A tm ospheric S ciences, N an jing U n iversity of Inform a tion S cience & Technology, N an jing, J iangsu 210044; 2 M eteorolog ica l B u reau in J ilin P rovince, Changchun, J ilin 130062; D epa rtm en t of R escu rce, Environm eng t and C ity R u ra l P lann ing, N an jing U n iversity )of Inform a tion S cience & Technology, N an jing, J iangsu 210044 A b stra c t: The m a in mode ls of the d istribu tion of m id2low 2la titude A tlan tic SST in w in te r and its re la tion w ith a ir temp e ra tu re in Ch ina we re re sea rched by u sing NCEP /NCAR ’s m ean SST, the he igh t a t the leve l of 500 hPa rean2 a lysis mon th ly da ta from 1951 to 2001 a s we ll a s the ob se rved a ir temp e ra tu re go t from 160 ob se rva to rie s in Ch i2 na. The m e thod s of R EO F and wave le t tran sfo rm a tion we re adop ted in th is p ap e r. The re su lts show tha t SST a2 nom a lie s in cen tra l no rth A tlan tic in w in te r reflec ted two ba sic mode ls, and the in te rannua l and in te rdecada l va ri2 ab ility of second mode l cha rac te ristic s tha t can reflec t SST anom a lie s in the fie ld be tween 20 ?N to 50 N? in A tlan2 tic in w in te r ha s c lo se re la tion w ith m ean a ir temp e ra tu re in Ch ina. In add ition, the re su lt a lso showed tha t it w ill re su lt in h ighe r a ir temp e ra tu re when the SST anom a lie s in cen tra l no rth A tlan tic in w in te r mo tiva ted Eu ra sian c ir2 cu la tion of EU p a tte rn. Key word s: SST; R EO F; SST anom a ly; c ircu la tion of EU p a tte rn