气候信号检测新方法在长江中下游降水异常变化分析中的应用

【摘要】：本文引进了气候诊断分析的一种新方法—MTM-SVD,讨论了这一方法的原理和特点,比较了它与一般EOF、SVD、谱分析和小波分析在原理和功能上的差异和特色。作为应用实例,将MTM-SVD用于分析1951～2000年1～12月长江中下游地区降水量场与北太平洋海温场、北半球海平面气压场和北半球500hPa高度场的耦合特征,从不同于以往研究方法的角度,分析了近50年来海-气年代际及年际尺度异常变化对长江中下游降水的影响。分析表明,MTM-SVD方法的主要特点是:(1)它可以非常便利地分析气候变量场整体所具有的谱特征。由于MTM-SVD中包含了MTM方法,通过变量场时间序列与多个锥度相乘,使得在谱解析度和谱的变异之间达到了一个最佳的平衡,有效地防止了通常谱分析、小波分析出现的谱泄漏现象,因此得到的结果更丰富和更真实。(2)它可以为变量场重建时空信号。这种对信号在不同频率的重建可用一种比单一的空间或时间模式更为直观的方式描述振动模式的演变过程。同时,时间模态的振幅和位相信息可以描述信号变化的包迹随时间的变化特征。(3)它可以非常方便地应用到两个变量场的耦合特征分析上,即在同一时刻多于一个的区域的耦合。对耦合场进行空间和时间的重建,可以得到几个变量场在空间及时间上的相关关系。使用MTM-SVD方法分析了长江中下游降水不同时间尺度的变化特征,结果表明,使用这一种方法就可以有效地将最大熵谱和小波分析得到的不同尺度的显著振荡信号一次检测出来,并最大限度地防止了谱泄露。长江中下游降水不仅具有与大气振荡相同的准两年振荡周期,还存在与ENSO循环相联系的振荡周期,更具有16～18a左右的年代际振荡。利用长江中下游降水与北太平洋海温场、北半球海平面气压场和北半球500hPa高度场之间的年代际尺度的空间和时间重建,分析降水与这3个要素场年代际尺度之间的耦合特征。从年代际尺度而言,当北太平洋海温呈现PDO暖位相分布结构、而北半球海平面气压呈现高纬地区负位相与中纬地区正位相的相反结构十分显著,同时在500hPa高度场上太平洋地区正负中心呈现有规律的波列分布阶段时,长江中下游地区降水处于偏多时段的可能性较大。长江中下游降水与北太平洋海温场、北半球海平面气压场和北半球500hPa高度场年际尺度之间的耦合关系表明,赤道东太平洋海温的异常变化、北大西洋涛动(NAO)和北太平洋涛动(NPO)位相的异常变化、极涡强度的异常变化及西太平洋副高强度的异常变化等是长江中下游降水年际异常变化的信号。