下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
太平洋副热带高压年际变率最大的地区不在副高中心附近，而在副高西边缘的西北太平洋地区，同时副高西边缘也是北半球夏季副热带低层大气环流年际变率最大的区域，称为西太平洋副高。由于副高中心只能够较为客观地反映副高的位置，而副高西边缘能够更清楚地反映副高的年际变率，因此，在研究副高的年际变率时，主要着眼于西太平洋副高。对于西太副高的年际变率特征已有许多的分析研究，其中准两年和准三到五年振荡是主流周期。在500 hPa上，西太副高常年都有闭合中心，且中心基本在110° ～ 180°E,10° ～ 45°N区域内。所以其位置基本不动，因此可以重建表征西太副高强度和位置的特征指数，即副高强度指数和脊线指数。通过对副高特征指数进行功率谱分析并研究其年际变率。
研究表明，西太副高的年际变率受热带多个海区海-气相互作用过程的调控。并且归纳出了影响西太副高年际变率的三个关键海区，即赤道东太平洋、赤道中太平洋、暖池区，同时选定大气环流异常的地区：赤道纬向西风区。定义影响因子的特征指数，通过连续小波变换对影响因子的特征指数进行时频特征分析，能更清楚地揭示其年际变化周期，计算其与西太副高的年际变率之间的相关性，做显著性检验，探讨西太副高与其因子之间的相关性大小，对可能存在的机理做简单的阐述。
利用美国国家环境预报中心（NCEP）提供的1948—2019年1月的月平均资料，包括500 hPa位势高度场,500 hPa和850 hPa纬向风场以及海表温度场。其中位势高度场和纬向风场的分辨率为2.5°×2.5°，海表温度场的分辨率为2°×2°，资料长度都为854个月。
本节选用的Morlet小波是一个复数形式小波，相比于实数形式的小波,Morlet小波能够轻易地将小波变换的系数和模分离开来，其中模代表某一振荡周期所占成分的多少，位相可以用来研究时间序列的位相关系，取Morlet小波的无量纲频率等于6.0,此时该小波的Fourier周期近似等于伸缩尺度，这样便可以保证在使用Morlet小波进行连续小波变换时，时域和频域分辨能力达到最佳平衡。
为了揭示西太副高的年际变率与热带海温及大气环流异常的相关性，通过对1948—2019年1月的NCEP月平均资料的分析，利用500 hPa的纬向风场和位势高度重建西太副高指数，即强度指数和脊线指数，并通过海表温度场和850 hPa的纬向风场定义热带关键海区和赤道纬向西风的特征指数。
首先利用Matlab中的dmey小波对所定义的各指数以及各要素场进行小波滤波，保留2—8年尺度的振荡频率。再用Morlet小波对已滤波的西太副高及其影响因子的特征指数进行功率谱分析，给出95%的置信度曲线，得到西太副高及其影响因子的年际变率。其次对滤波后的因子的特征指数进行连续小波变换，得到影响因子的小波能量谱图并看出其年际变率。
最后利用matlab中的corrcoef函数（其中 x 、 y 是两个 n 维向量）对滤波后同时间尺度、同样本数的不同特征指数进行相关性分析，对所定义的各特征指数进行小波变换后，所得时间序列的样本数为 n = 854。这个量的大小是否显著还需要做统计检验。采用 t 检验法来检验，在样本容量固定的情况下，可以实现计算统一的判别标准相关系数，即相关系数的临界值 r c 。
若 r > r c ,则通过显著性的 t 检验，表明这两个时间序列存在显著的相关关系。
在500 hPa上西太副高常年都有闭合中心且中心基本在110° ～ 180°E,10° ～ 45°N区域内。在此范围内，分别对NCEP资料500 hPa的高度场和纬向风场的月平均值以及气候值进行分析，得到描述西太副高的强度指数（Ⅱ）、脊线指数（RI）。
在500 hPa高度场110° ～180°E,10° ～45°N范围内，对位势高度 H >5840 gpm点的位势高度进行求和再取平均，并求其距平，定义这组距平值为副高强度指数（Ⅱ）（1974年1月在上述区域内副高中心最大值为5838.2 gpm,小于5840 gpm,将这个月的副高强度定为5838.2 gpm）。
在500 hPa纬向风场110° ～180°E,10° ～45°N范围内，对纬向风 U = 0的点所在纬度进行求和再取平均，并求其距平，定义这组距平值为副高脊线指数（RI）。
为了描述和刻画西太副高的年际变率，首先画出重建的西太副高的强度指数和脊线指数的时间序列图，如图2.1和2.2所示，由于此图中不但包含了西太副高的年际变率，同时还有短期季节内的异常变化，导致图中西太副高特征指数的变化杂乱无章，不能很好地看出西太副高的年际变化特征。因此，再次对这两个时间序列进行低通滤波，滤去季节内的变化，只保留西太副高2—8年内的年际变化，如图2.3和2.4所示。在1948—2019年这71年间，西太副高的强度指数和脊线指数在年际尺度上有35个峰值，对应了西太副高的35次异常活动。由此可看出西太副高大致存在两年左右的异常变化周期。最后，对滤波后特征指数的时间序列进行功率谱分析，得到如图2.5和2.6所示的强度指数以及脊线指数的功率谱值，结合图2.3和2.5的特征可得出，西太副高的强度指数存在明显的准2—3年和准5年两个年际振荡周期；同理，结合图2.4和2.6的特征得到西太副高的脊线指数也存在明显的准2—3年和准5年两个年际振荡周期，并且都通过了显著性水平的红色噪声检验。通过对西太副高强度指数和脊线指数的小波功率谱分析，综合其变化特征，可以得出西太副高存在着准2—3年和准5年的年际变率。
图2.1 强度指数的时间序列图
图2.2 脊线指数的时间序列图
图2.3 红线表示滤波后强度指数的时间序列图
图2.4 红线表示滤波后脊线指数的时间序列图
图2.5 副高强度指数的功率谱图
图2.6 副高脊线指数的功率谱图
近年来，随着对西太副高年际变率与海洋大气相互作用关系研究的加深，发现其年际变率与某些关键海区海温以及大气环流的异常变化相关。本章在此选定三个关键海区，分别为赤道东太平洋、赤道中太平洋、暖池区。同时选定大气环流异常变化的区域：赤道纬向西风区。在此范围内，分别运用NCEP月平均资料中的海表温度场和850 hPa的纬向风场，定义了相关影响因子的特征指数，包括：
在赤道东太平洋Nino 3区（5°S～5°N,150° ～90°W）范围内，定义海表温度距平的区域平均值为Nino 3指数。
把170°E～150°W,7.5°S～5°N区域的海表温度距平值的平均值，定义为赤道中太平洋海温指数（MPSST）。
把140°E～ 160°E,0° ～ 5°N区域的海表温度距平值的平均值，定义为暖池区海温指数（WP）。
把赤道中、西太平洋（120°E～160°W,5°S～5°N）上空850 hPa纬向风距平的区域平均值，定义为赤道纬向西风指数（WWI）。
为了研究西太副高影响因子的年际变化特征，对各影响因子的特征指数做小波滤波处理，同时画出各个影响因子滤波后特征指数的时间序列变化图，如图2.7至2.10所示，发现Nino 3指数、赤道中太平洋海温指数在年际尺度上存在35个峰值，代表了在这71年中出现的35次ENSO（El Nino / La Nina-Southern Oscillation,后文简称ENSO）现象，同时暖池区海温指数以及赤道纬向西风指数也有类似的周期变化，说明各影响因子之间存在一定的相关性且与西太副高的年际变率有关。但是仅从时间序列变化图看，所得到结论的准确度和精确度都不够有说服力，因此需要对滤波后的各个特征指数进行连续小波变换，得到相应的小波功率谱图，通过任意时刻的最显著以及各尺度变化贡献的大小，能更精确地得到西太副高各影响因子在时间序列范围内各个时间段的周期变化特征。如图2.11至2.14所示，分别表示Nino 3指数、赤道中太平洋海温指数、暖池区海温指数以及赤道纬向西风指数的小波能量谱图，从图中可以看出，这些影响因子也存在着明显的年际变化特征，主要表现为16—32个月左右的准2—3年振荡周期、32—64个月左右的准5年振荡周期以及比较少见的100个月左右的准8年振荡周期，并且三种振荡周期相互交杂，彼此叠加共存。
图2.7 红线表示滤波后Nino 3指数的时间序列
图2.8 红线表示滤波后赤道中太平洋海温指数的时间序列
图2.9 红线表示滤波后暖池区海温指数的时间序列
图2.10 红线表示滤波后赤道纬向西风指数的时间序列
具体来看,Nino 3指数在16—64个月的周期范围内出现连续的高值能量区，其中16—32个月的周期在这71年中有间隔，而32—64个月左右周期中的高值能量区连续存在且分布基本均匀，说明赤道东太平洋海温具有比较明显的振荡周期，间隔存在的16—32个月左右的准两年振荡以及连续存在的32—64个月左右的准4—5年振荡，两种周期的高值能量区都比较强，表明两种周期的贡献率基本相同，都显著存在，并且振荡周期基本固定，没有出现太大偏差。赤道中太平洋海温指数在16—100个月不等的周期范围内出现不规则的高值能量区，和Nino 3指数相同的是,16—32个月左右的准两年振荡周期间隔出现,32—64个月左右的振荡周期连续存在。不同的是在第200—600个月的时间内出现了100个月左右的振荡周期，且与前两种周期共存，说明赤道中太平洋海温存在准2—3年和准4—5年以及准8年左右的振荡周期，并且在这三种周期中，由于后两种周期高值能量区的值更高，因此准4—5年以及准8年的贡献率较高，则其存在性更为显著。暖池区海温指数在16—100个月左右的范围内出现不规则的高值能量区，和前两种指数存在较大差异的是准两年振荡周期更弱且不规则变化更明显，同时在32—64个月的周期范围内出现了更多相对低值的能量区。三种周期的存在性更为复杂，其中16—32个月左右的振荡周期能量较小,32—64个月左右的振荡周期能量较高,100个月左右的振荡周期能量最高，即暖池区海温准8年的振荡周期更为显著。赤道纬向西风指数连续小波变换后的能量谱图与Nino 3指数能量谱图类似，都存在16—32个月的准2—3年变化周期和32—64个月的准4—5年变化周期，并且两种周期高值能量区的能量占比很高，因此两种周期的存在性都很显著。同时在第450—650个月时，出现了能量较高且显著存在的准8年变化周期，说明赤道纬向西风指数和Nino 3指数的相关性比较高，且都与西太副高的年际变化存在相关性。
图2.11 Nino 3指数的小波能量谱
图2.12 赤道中太平洋海温指数的小波能量谱
图2.13 暖池区海温指数的小波能量谱
图2.14 赤道纬向西风指数的小波能量谱
通过对西太副高及其影响因子特征指数时间序列的分析，大致可以看出其中存在一定的相关性，然后对所有特征指数进行连续小波变换，通过对每一个指数小波能量谱图的分析，得出各个指数任意时刻的显著周期并与西太副高的年际变率作对比，分析其中的相关性。本节将使用matlab中的corrcoef函数，分别将西太副高的强度指数、脊线指数与各个影响因子的特征指数带入，求其相关系数，并做显著性检验，此处使用 t 检验法来检验显著性。由于样本容量都是854个月，所以只需算出相关系数的临界值 r c ,当 r > r c 时，则说明两个时间序列存在相关性，且 r 越大，相关性越强。采用相关系数临界值公式：
当 α = 0.01时, t α = 2.576, r c = 0.0881。
即置信度为0.01时的显著相关系数临界值为0.0881,当 r >0.0881时，为显著相关。
表2.1为西太副高强度指数、脊线指数和各个影响因子之间的相关系数表。
表2.1 西太副高强度指数、脊线指数和各个影响因子之间的相关系数表
从表中可以看出，四个影响因子和西太副高强度以及脊线指数的相关系数均大于相关系数临界值，说明这四个影响因子和西太副高强度、脊线位置显著相关，则可以用这三个关键海区海温以及赤道纬向西风的年际异常变化来研究西太副高的年际变率。