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热带太平洋和印度洋海温与巴西东北部逐月降水的关系

CINTIA BERTACCHI UVO，CARLOS A. REPELLI, STEPHEN E. ZEBIAK, YOCHANAN KUSHNIR

（隆德大学水利工程系，瑞典 德隆；哥伦比亚大学拉蒙特多尔蒂地球天文台，纽约 帕利塞兹）

收稿日期：1994.2.15 终稿日期：1997.5.14

摘要

利用奇异值分解的方法分析得到，巴西东北部的逐月降水跟热带太平洋和大西洋海温有所关联。并且得到，在雨季期间（2-5月）所有流域的降水和海温关系都有很大的不同。在一月，赤道太平洋海温与巴西东北部的小范围地区的降水呈弱相关，但大西洋海温却对区域降水却没有体现出显著的相关。在二月，太平洋海温与降水相关性不好，但南赤道大西洋海温却与葡萄牙的诺德什蒂北部的降水有着明显的相关，后者更像是在反映热带幅合带降水区域南移异常的早期（或者晚期）。在三月期间，赤道太平洋海温与诺德什蒂降水成负相关，但大西洋海温与降水之间没有一致的关联。在所有月份或任一海域中得到，大西洋海温与降水的联系在四月和五月时最强。诺德什蒂的降水与热带大西洋南部海温有明显的相关，与热带大西洋北部海温有负相关关系。这些联系对于决定季节平均的海温和降水关系的结构已经足够强了，尽管在季节的前期月份相应模式有些不同。四月和五月的太平洋海温与降水的联系与三月份的联系相似。当太平洋和大西洋海温模式在四五月同时发生时诺德什蒂会出现极端湿或极端干年。一个单独的研究分析支持了以前的研究成果，表明热带太平洋和热带大西洋北部的海温有着显著的联系，而热带太平洋和大西洋南部海温的联系是可以忽略不计的。

时滞分析潜在的表明对于预测季节平均或者是月平均降水模式都有一定的技巧。在某些情况下，个别月平均海温与季节平均（2-5月）降水的关系与相应的逐月海温和逐月降水的关系有很大的不同。也有人认为，在季节的结尾，季节平均的关系会导致相对强的逐月关系，与所有海域很大的持续性海温相结合。

1 引 言

巴西政治的东北地区（以下简称NEB）是一个人口稠密的地区，分布大约在南纬1°

-18°，西经35°-47°。其气候特点是经过订正的年降水量介于600-2000mm，在不同的区域及每年不同的时间都得以实现（斯特朗，1972；考斯基，1979；莫拉和舒拉，1981；饶等人，1993）。巴西东北部的东边部分有雨季存在，时间在5月到8月间。这个区域的南部在11月到12月之间有降水的最大值。最后，巴西东北部的半干旱的北部区域（以下简称Nordeste）的雨季在2月到5月之间，具有非常大的年际变化，平均高达40%。

之前的研究都已经判断出巴西东北部降水与1）ENSO事件；2）大西洋海表温度，信风和海平面气压；3）大西洋上热带幅合带的位置和4）冷锋的关系了（Namias 1972; Ratisbona 1976; Markham and McLain 1977; Hastenrath and Heller 1977; Kousky 1979; Moura and Shukla 1981; Nobre and Molion 1988;Ropelewski and Halpert 1987; Uvo 1989; Alves and Repelli 1992）。

巴西东北部北部地区呈现的不光是在年际总降水量上有很大的变化性（考斯基，1979），还有在雨季期间降水有很高的空间与时间变化。这种逐月的不同与不同月份雨季在不同区域的降水导致的不同的降水系统有关。在一月和二月之间，巴西东北部北部区域的降水被冷锋或是它的降水残留显著的影响（Kousky 1979; Oliveira 1989; Alves and Kayano 1991）。同样重要的是高层热带涡旋与冷锋的配合（Kousky and Gan 1981）。在二月和三月之间，热带大西洋上的热带幅合带到达了它最南的位置（Hastenrath and Lamb 1977），被叫做巴西东部部北部初始化的主要雨季。热带幅合带回到它的较北位置取决于巴西东北部北部主要雨季的结束（Uvo 1989; Uvo and Nobre 1989）。这个回归的时间有很大的不同，同时很大一部分取决于季度的总降水。Hastenrath 和Heller (1977), Uvo (1989), 和 Uvo 和Nobre(1989)的研究表明，在近似正常的降水年份，热带幅合带开始往北部走的时间在四月中旬。在湿润的年份，赤道幅合带总是留在赤道的南部直到五月初。在干旱的年份，热带幅合带不能到达赤道的南部位置或是向北撤退的早，通常是在三月份。

到目前为止，关于巴西东北部或巴西东北部北部的降水诊断的研究已经解决了把区域作为一个整体或者是做了整个雨季的平均。这也一直是降水相关预报研究的情况（比如：Ward and Folland 1991; Hastenrath 1990; Brito等人. 1991）。虽然平均信息是非常有用的，但更有利于农业和水资源管理应用的是更细致的时间和空间分析。这就是本研究的动机。现在我们扩展了以前的分析，考虑了巴西东北部北部站点序列的月平均降水和它与热带太平洋和大西洋流域的月海温异常的关系。

接下来，第二部分描述了要用的数据资料，第三部分描述了要用的方法，第四部分介绍了研究成果，然后第五部分得出结论。

2 资 料

在这项研究中我们通过分散在巴西东北部的105个雨量站的网格标准偏差和1946年至1985年的热带太平洋构成月降水的异常标准化（图一）。降水的资料组来自巴西东北部北部的监管局（Brito等人，1991）；包含了总共116个站的站点数据。这个资料组的数据的质量控制分析先前由国家空间研究所做出。接下来的Lau和Sheu（1998），我们只保留了1946-1985年之间的缺失数据小于10%的站点；最后在资料组中只保留了105个站点。在保留的记录中，总体3.2%的数据资料丢失了。在这个相对较小百分比的丢失数据的情况下，允许使用以下的算法来近似的处理缺失值而不对结果有严重的影响。对于在一个特定的站在雨季的数据丢失，采用在过去和随后几个月的降水基础上做一个线性时间插值的方法。在这第一步之后，47站的数据资料中至少有一个资料缺测点，然后总的丢失数据占总体的1.4%。这些剩余的空白处将被适当的长期平均插入填补。

海温资料组数据的获得则是来源于综合的海洋大气数据集的分析（Pan和Oort，1990）。这些数据的经纬度网格分辨率为1°times;1°，采用连续插值格式，然后插值到国家海洋和大气管理局的高斯网格-地球物理流体动力学实验室光谱模型中，它的分辨率约为纬度经度为4.5°times;7.5°（Lau和Nath，1990）。为了符合本研究的研究目的，纬度选择从南纬24.75°到北纬24.75°。

3 方 法

本研究的研究方式是基于多因素分析的奇异值分解的方法，是利用两个数据资料组之间的协方差矩阵来进行的（Bretherton等人，1992）。奇异值分解方法的使用允许一个分离的正交双空间模式，可以将两个物理变量之间的时空协方差最大化。Bretherton等人（1992）和Wallace等人把奇异值分解的理论与其他多元方法相比较讨论。奇异值分解的交叉矩阵C_sz奇异向量和一组奇异值的两个矩阵的两个领域。一个奇异值矢量组描述了关于相应的奇异值的整体协方差的每一个领域的空间分布。Wallace等人（1993）定义了一个归一化平方协方差（NSC），可以与每一组空间模型相联系。当两个变量不相关时归一化平方协方差的范围从0开始，当在每个网格点在第一个场的的变化与所有网格点在第二个场的变化是完全相关变化时，到1。我们将要在此研究中利用归一化平方协方差的方法去比较不同海表和降雨辨率变化的关系。

从交叉协方差矩阵的奇异值向量组，我们可以通过投影到适当的奇异向量的方法来获得每个领域的时间扩展序列（Bretherton等人，1992）。所谓的非均匀相关图的左边和右边区域代表了每个网格点的值和其他区域扩展系数之间的相关系数。在我们的方法中，通过对第k个奇异值分解扩展模式的非均匀相关图可以很好的揭示降水模式（海温）异常与第k个海温（降水）扩展系数的相关。在空间域中，不同的非均匀映射是相互正交的。在时间扩展序列之间的相关系数能很好的优势来揭示两个领域的关系。

只提供了40年的数据资料，在雨季中月关系的解释和比较出现了噪声污染的威胁。额外的数据将会有明显的帮助但是却不可用。取而代之的，我们用将数据分为两个部分和重复每一部分所有计算结果的方法来测试出现的结果。我们发现主要的研究结果是一致的（没有表示），因此，我们认为以下所描述的结果是确信的。

4 研究结果

用同时和时滞的降水与海温资料做了巴西东北区域的月海温和降水的奇异值分解的分析。这个是分别对巴西东北部降水和热带太平洋与巴西东北部和热带大西洋做的分析。他们不光能让我们在整体上辨别海温和巴西东北部北部的降水联系，还能辨别在此研究过程中与太平洋和大西洋海温相关的区域降水模式。从结果来看只有奇异值分解的第一特征场是对此例子研究中有显著意义的。在本例中，第二模态给出了所有联系模式的重要意义，它只出现在非均匀的图中的其中一个中而与其他一致的不均匀图的任何显著模式没有关联。因此，结果只在奇异值分解的首个模态中有所表现。

1. 同时分析

图二反映了雨季（1-5月）中每月太平洋海温与降水的分析。在每一个非均匀图中，相关在0.4以上和0.6以上的分别被表示为亮阴影和暗阴影（0.4的相关性在95%水平有统计学意义）。在一月，赤道太平洋中部和东部的海温与巴西东北部南部小区域的降水量呈正相关（几乎在本月雨季结束时）。巴西东北部南部的在二月的分析中出现了一个稍大的分配，但没有与海温的相关模式相伴，表示在本月没有明显的相关。在三月，赤道太平洋中部的海温与巴西东北部北部地区的降水表现出了负相关。在四月和五月不同程度的保留了这样的关联。与海温区域的最高相关出现在四月份（也是巴西东北部的最高值，有12.1%），虽然降水领域的最高相关出现在三月分。在任何时候，海温和降水上都会做同时出现高于0.6的相关。

图三中显示了基于大西洋海温的一组相似的月分析。在这个部分，一月的相关很弱。在二月，一组更有联系的模式出现，同时，赤道大西洋南部的海温与诺德什蒂的北部降水表现出了正相关关系。在巴西东北部的这个区域，包括塞阿拉，皮奥伊和北里奥格兰德州这些部分，它们的雨季与热带辐合带的年度南移相关。二月的分析结果表现，南大西洋的暖海温异常与早的向南移动的热带辐合带的移动相关，也表示了雨季会有早的开始。

三月的情况有些不同。在这个月，降水与大西洋海温没有找到明显的关系（降雨的相关模式本质上是一个单独作用的基本成分；当这两个领域之间的协方差的主成分很少或者没有时奇异值默认为有一个领域的单变量主要成分）。

1. 时滞分析

在巴西东北部和1-5月逐月海温中整个雨季（2-3月）的降水也应用了奇异值分解分析。

图六和图七分别表示了太平洋和大西洋的结果。

对于所有流域，最强的相关（和归一化平方协方差值）存在于3-5月的海温，而且这三个月的海温和降水模型十分相似。与此同时，每个流域3-5月模式的分析与四到五月的逐月分析的相关模型十分类似（甚至更连贯）（图2-3）。尤其值得注意的是，大西洋三月的海温与季节性降水的相关模型表现出了与南边海温和诺德什蒂降水的很强的相关，尽管事实上三月的单独分析没有表现出显著的联系。图七所示的模式与以前的研究相一致（Hastenrath和Heller,1997;Moura和Shukla,1981）,也采用了季节性或三月平均降水的异常。目前的研究结果表明，季节性降水的异常主要由四月和五月的逐月异常所确定。这进一步支持了区域季节性降水指数和相应的月度指数之间的简单相关性：四月与季节性的相关为0.73，五月与季节性的相关性为0.72，和所有其他相关系数小于或等于0.53。众所周知，所有流域的海温异常展示出相当大的时间尺度为2-3个月的持续性，这是因为海洋上层和大尺度大气-海洋相互作用的热惯性的组合。这个持续性的属性可能可以解释为什么1-3月之间的海温模式与季节性降水表现出很好的相关，尽管它们与同时的每月降水的相关性不是很好。这种关系是由于持续性海温模式对四月和五月的降水有很强的影响。同样的解释也适用于一月和二月之间逐月太平洋海温和季节性降水结果的差异。在逐月降水量的分析中，大西洋地区的海温和季节性降水的相关性比较强，但其实太平洋与季节性降水也有很明显的相关性。

图六和图七所描述的关系反映了巴西东北部季节性降水的预测有技术层面比概率层面更好的潜在性规律。这个已经被上下文中研究诺德什蒂的统计降水预测模型的Hastenrath和Greischar（1993）和其他人所证明了。

总的来说，从一月到四月个别月份海温异常和雨季随后几个月每个月的降水之间的的奇异值分解分析可以看出，大西洋海温是一个更好的预测信号来提前预测诺德什蒂1-3月逐月降水量（不显示图像）。在三月份巴西中心区域和东部区域的降水是一个例外，因为此时中心区域和东部区域的降水与前期太平洋海温（赤道区域）的相关关系比与大西洋海温异常的相关关系要好。我们还在大西洋和太平洋海温之间进行了滞后的奇异值分解分析。表明出了两个大洋之间的的海温异常有很好的相关性。先前也被Hastenrath等人（1987），Ward等人（1988）和Curtis和Hastenrath（1995）用不同的分析方法发现过。最高的相关被发现是存在于

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