引言

海温异常是造成我国气候异常最主要的因素之一。海洋具有很强的“记忆力”，海温异常也有很长的持续性，所以在气候变化中，特别是在短期气候和长期天气中起着重要作用。已有许多工作对海温异常与我国气候变化的关系进行了研究，表明太平洋赤道地区、黑潮区、暖池地区等各海区与中国东部及其长江中下游地区汛期降水有十分密切的联系^[1-20]，其中大多数研究都着眼于中、东部或长江中下游地区，关于太平洋海温异常与西部地区降水关系的研究则相对较少^[21-26]，其中有关海温与西部春播期间降水关系的研究就更少。然而，春播期是重庆农业生产的关键时期，期间降水严重影响着重庆地区水稻、玉米等农作物的播种育苗，对农业生产起着十分重要的作用。如前面所述，太平洋海温作为影响中国气候变化主要的因素之一，分析其与重庆春播期间降水的关系是可行且十分必要的，目前关于这方面的研究则较少，本文将利用重庆春播期间长序列降水资料对这一问题进行分析研究，希望找出海温与降水之间的物理联系及其机制。

1 资料和方法 1.1 资料

利用重庆34个常规气象观测站春播期间(3—4月)降水的观测资料，并以此计算得到重庆地区春播期间的区域降水指数。还使用到美国环境预报中心(NCEP) /美国国家大气研究中心(NCAR)第1版再分析月平均位势高度场资料，垂直方向分为17层(分别为1000、925、850、700、600、500、400、300、250、200、150、100、70、50、30、20和10 hPa)，网格点密度为2.5°×2.5°，范围为0°~90°N、0°~360°。NOAA Extended Reconstructed SST V2逐月海温资料，网格点密度为2°×2°。以上所用资料均为1961—2008年，其中春播期间取3—4月，秋季取9—11月。

1.2 方法

为了研究重庆春播期间降水的基本特征，本文采用线性趋势估计、Mann-Kendall检验法和小波分析等数理统计方法。除此之外，本文选用区域降水指数作为研究对象分析重庆春播期间降水的气候特征，以下简称降水指数。区域降水指数用下式表示^[27]：

${r_c} = \frac{r}{{{r_0}}} + \frac{{{n_0}}}{n}$

式中r_c表示区域降水指数，r为区域内所选站点的平均降水量，r₀为其多年平均值；n₀为区域内降水正距平的站点数，n为总站数。区域降水指数可以很好地表示区域降水的整体情况，第一项代表降水强度，第二项代表降水偏多的范围。

2 春播期间降水的基本特征

图 1是重庆1961—2008年春播期间降水指数距平序列(图 1a)及其Mann-Kendall统计量曲线(图 1b)。如图 1a可见，近48年来重庆春播期间降水呈微弱的减少趋势，但不十分明显。图中虚线为6阶拟合曲线，其反映出20世纪60年代前期重庆春播期间为少雨期，60年代中期开始一直持续到70年代末为显著的多雨期，然后是又一段长时间的少雨期，直达21世纪初才开始缓慢回升。图 1b为春播期间区域降水指数的Mann-Kendall统计量曲线。从图中可见，1978年是一个明显的突变点，UF和UB曲线相交于此，随后UF曲线持续下降，表明春播期间降水在该时期一直处于减少趋势。UF和UB两条曲线在2006年再次相交，之前UF曲线一直处于上升趋势。

图 2是1961—2008年重庆春播期间降水指数的小波分析结果，其中图 2a是小波变换系数实部分布图，图 2b是小波变换系数模值分布图。从图 2可知，近48年来重庆春播期间降水在多个特征时间尺度上的周期变化特征及其在时间域中的分布情况。图中数值反映的是不同尺度振荡的振幅大小。近48年中，春播期间降水以3~5年和8年左右的年际振荡为主，年代际振荡则较弱。期间，20世纪80年代中期以前3~5年和8年左右的周期振荡都十分明显，其中整个70年代最明显，振荡最强；20世纪80年代后期到90年代末3~5年周期振荡已经衰弱，但8年左右的周期振荡仍很明显，振荡也很强；进入21世纪后各尺度的周期振荡都较弱，没有明显的主周期振荡。周期振荡的分布特点，说明重庆春播期间降水以年际变化周期为主(10年以内)，变化频率较快，一般3~5年就发生一次明显的变化。

上面详细分析了重庆春播期间降水的时间演变特征，降水的变化势必与对其有影响的大气环流、海温、积雪等因素的异常变化有密切联系。众所周知，这些因素对降水的影响作用是错落交织，十分复杂的，要想一步就搞清它们之间的关系也是很困难的。故本文选取海温作为研究对象，探讨其与重庆春播期间降水的关系，试图找到影响重庆春播期间降水异常的物理机制。

3 海温异常与降水的关系

分析前一年5月到同年4月的逐月全球海温与后期重庆春播期间降水指数的相关系数分布(图 3)，发现降水指数与前一年9—11月北太平洋地区的海温存在南、北向的相关分布特征。这种相关特征有很好的持续性，从9月一直到11月。分布特征可以从秋季北太平洋海温与后期重庆春播期间降水指数之间的相关分布图中得到明显表现(图 3d)。如图 3d可见，北太平洋暖流附近(20°~40°N、165°E~140°W)海区为显著负相关区，北太平洋阿拉斯加暖流附近(40°~60°N、165°E~140°W)海区为显著正相关区，即南、北两个海区的相关系数符号正好相反，说明重庆春播期间降水异常年份前一年秋季北太平洋地区海温已出现显著异常。

针对重庆春播期间降水指数与前期秋季北太平洋地区海温的南、北向相关系数分布特征，选取北太平洋暖流附近(20°~40°N、165°E~140°W)海域的平均海温和北太平洋阿拉斯加暖流附近(40°~60°N、165°E~140°W)海域的海温之差定义重庆春播期间降水判别指数：

$f = {\rm{nor}}\left( {ss{t_2} - ss{t_1}} \right)$

(1)

其中，

$\left\{ \begin{array}{l} ss{t_1} = {\rm{ave}}\left[ {sst\left( {{{20}^ \circ } \sim {{40}^ \circ }{\rm{N、16}}{{\rm{5}}^ \circ }{\rm{E}} \sim {{140}^ \circ }{\rm{W}}} \right)} \right]\\ ss{t_2} = {\rm{ave}}\left[ {sst\left( {{{40}^ \circ } \sim {{60}^ \circ }{\rm{N、16}}{{\rm{5}}^ \circ }{\rm{E}} \sim {{140}^ \circ }{\rm{W}}} \right)} \right] \end{array} \right.$

(2)

式中，sst₁为秋季北太平洋暖流附近海区(20°~40°N、165°E~140°W)的平均海温，同理可知sst₂是秋季北太平洋阿拉斯加暖流附近海区(40°~60°N、165°E~140°W)的平均海温。判别指数是由上述两个海区的平均海温之差，并做标准化处理后得到。判别指数与重庆春播期间降水指数以及与春播期间的降水距平百分率两种表征降水特征的资料之间的相关系数分别为-0.57和-0.53，都达到0.05以上显著性水平检验。反映出该判别指数对重庆春播期间降水异常变化确有一定的表征和预测能力。

上述分析结果表明：前期秋季北太平洋海温异常可能导致后期重庆春播期间降水异常变化。通过分析代表海温异常的判别指数与对降水有直接作用的大气环流的关系，可进一步理解海温与降水的关系。

从判别指数与同期秋季500 hPa高度场的相关系数分布图中(图 4a)可以看出，北太平洋副热带地区、中高纬度地区、北美西北部和美国东部的高相关区域组成“-+-+”的形势，与PNA大气遥相关型的分布特征相似，区域相关区域中心的系数值都超过0.01的显著性水平检验。如图 4b可见，重庆春播期间降水与前期秋季500 hPa高度场的高相关区与图 4a的高相关区位置基本一致，且最大相关区均位于北太平洋中高纬度海区上空，且正好在图 3d中海温关键区上空。海温和大气的相互作用可使海温的持续性异常引起大气环流异常，并通过大气环流内部作用影响其他区域环流的异常。由此可见，海温异常信号可通过大气环流作用于重庆春播期间降水，即前期北太平洋海温异常造成其上空500 hPa高度场异常，环流异常一直持续到春季，就将影响重庆春播期间降水的变化。

从图 5可以看出，判别指数(图 5a)和重庆春播期间降水(图 5b)同春播期间北半球500 hPa高度场都存在高相关区(图中阴影部分为通过0.05显著性水平检验的相关区域)。如图 5a所示，重庆春播期间降水与同期500hPa高度场的负相关区主要位于欧亚大陆中高纬度地区，其中一部分向南延伸到蒙古和中国北方地区；正相关区主要位于大陆以东的北太平洋上。高相关区分布特征表明，春播期间降水偏多的年份，中高纬度地区高度场表现为负距平异常，位势高度降低，有利于蒙古低槽的形成和发展，同时使得乌拉尔山高脊位相略有西退，同时蒙古和中国北方地区的高度场也偏低说明冷空气正是沿着这个路径经蒙古、中国北方南下，这对重庆降水有利；同时在大陆以东的北太平洋上空的高度场出现正距平，这使得北太平洋地区位势高度升高，阻碍上游蒙古低槽东移，使其停留在蒙古地区，从而有利于冷空气不断从北方南下影响重庆，致使降水增多。降水偏少的年份，中高纬度地区高度场距平的表现截然不同，最显著的表现是以贝加尔湖为中心的正距平区域，表明乌拉尔山脊偏强偏东。虽然乌拉尔山高脊偏强有利于北方冷空气南下，但其位置偏东，导致冷空气南下路径偏东，到达不了重庆。同降水偏多的年份不一样的是降水偏少时，大陆以东的北太平洋地区为高度场负值区，东亚大槽十分深厚且位置偏东，中高纬度大气环流经向度增大，环流系统维持时间相对较长，重庆地区以晴朗天气为主，降水较少。从图 5b可见，西太平洋地区为负相关区，欧亚大陆北部为正相关区，高相关区主要位于西太平洋中部地区，表明该地区高度场的变化对重庆降水有显著影响。比较分析图 5a和图 5b，西太平洋中部均是高相关区，同时该区域是影响重庆春播期间降水的关键区，关键区变化和降水有密切关系，判别指数和降水与大气环流的相关系数分布特征的相似性说明，秋季海温异常与春季西太平洋中部地区高度场变化的关系可以将秋季海温与春播降水联系起来。

综上所述：判别指数具有明确的气象物理意义，其代表的海温通过与大气的相互作用影响大尺度环流，进而与降水产生联系，上述分析已表明秋季太平洋海温可造成秋季500 hPa高度场大气环流异常，大气环流内部作用使异常变化的信号一直持续到春播期间，进而影响降水。

4 结论

分析重庆春播期间降水的变化特征及其与前期秋季北太平洋海温的关系，得出如下主要结论：

(1) 1961—2008年，重庆春播期间降水呈减少趋势。近48年降水大致分为3个阶段：20世纪60年代前期为少雨期；60年代中期至70年代末为显著的多雨期；在1978年出现明显的突变，随后降水开始减少，到21世纪初才开始缓慢回升。另外，春播期间降水明显以年际变化特征为主。年际尺度(10年以下)的变化周期主要在20世纪80年代中期和20世纪80年代后期到90年代末两个时期，其中70年代最明显，振荡最强。进入21世纪后各尺度的周期振荡都较弱。年代际尺度(10年以上)的变化则不明显，周期性相对较弱。

(2) 秋季北太平洋南、北向的海温异常与后期重庆春播期间降水有密切的联系。当前期秋季北太平洋副热带地区海温异常偏高，同时中高纬度地区海温异常偏低时，后期春播期间降水将出现偏多的情况；反之，北太平洋副热带地区海温异常偏低，同时中高纬度地区海温异常偏高，春播期间降水将偏少。针对海温与降水的这种典型相关关系，定义了用于诊断和指示重庆春播期间降水异常的判别指数，该指数很好地代表了海温异常的变化特征。

(3) 通过分析发现，判别指数与同期西太平洋地区500 hPa高度场有密切关系，其能使大气环流场产生显著异常，随着环流场异常一直持续到春季，就将影响后期重庆春播期间的降水变化。所以，秋季海温的异常通过作用于大气环流场来影响后期重庆春播期间的降水，表明秋季海温异常与后期降水的密切关系有明确的物理意义，判别指数亦具有重要的天气气候学意义。

(4) 由于秋季判别指数与后期春播期间降水的高相关性及指数有明确的物理意义，加之该指数的时效性，具有一定的预报意义，所以该指数可作为重庆春播期间降水的预报因子。