引言

我国川渝地区毗邻青藏高原，境内有高原、山地、丘陵、盆地、平原等不同地貌，地形十分复杂，局地因子影响较大，是一个典型的气候多变区。特殊的地理位置、相互交错的特殊地形使得川渝地区的气候变化存在显著的局地特征，具有一定的区域气候代表性，如该区域气候变化与全球、全国变暖不同步^[1]，这种区域气候变化, 必然会对本区的降水带来独特的影响。

海洋对大气环流、长期天气气候变化的影响越来越为人们所重视，尤其是发生在赤道东太平洋的El Nino事件，作为海洋变化的强信号，对全球范围的气候异常都有明显的影响^[2]。近年来，许多学者在海温对我国气候变化影响等方面开展了广泛研究，取得了大量科研成果^[3-10]。李崇银等^[7]研究解释了中国东部地区气温异常与赤道东太平洋El Nino事件、热带海温变化之间的遥相关现象。施能等^[8]对El Nino发生前北半球大气环流及我国天气异常作了分析，发现：El Nino年前冬，中西太平洋地区高度场的负异常，阿留申、堪察加的500 hPa高度场正异常，呈现强的WP型遥相关; 同时我国降水偏少，气温偏低。董婕等^[9]通过研究赤道东太平洋海温与中国气温、降水的关系，认为赤道东太平洋海温、El Nino和La Nina事件与中国温度、降水有一定关系，其中与温度冬季关系较好，与降水秋季关系最好。李跃清^[1]在研究四川地区温度变化及其与西太平洋海温的关系时，认为热带西太平洋海温在变化趋势上与四川盆地气温变化具有同位相关系; 热带西太平洋海温异常偏暖(冷), 引起西太平洋副高位置偏西(东)偏北(南), 造成四川盆地气温异常偏暖(冷)。

赤道东太平洋海温的异常可以明显地影响中高纬度地区甚至全球的大气环流和天气气候，使之发生相应的异常变化^[10]，这种异常变化引起的空间环流场的改变可能会对我国川渝地区降水变化产生重要影响。然而，以往的研究偏重于太平洋海温对川渝夏季降水的影响，而两者相互之间的联系及相关关系的稳定性研究尚不多见。因此，研究川渝地区降水变化与赤道东太平洋海温等气候系统之间的联系，讨论其相关关系的稳定性，对于分析川渝区域气候以及区域气候资源要素的变化规律等具有重要的理论和现实意义。

1 资料与方法

采用的资料包括二部分，一是从ENSO监测4个海区中，选择最为常用的Nino3区(5°N~5°S、150°~90°W)的月海表温度(SST)，资料来自NOAA官方网站(www.noaa.gov)。二是由四川、重庆气候中心提供的川渝地区192站日降水资料，考虑到观测资料的完整性，处理得到川渝地区120个测站月降水资料。各站的降水序列长度与Nino3区SST序列保持一致，时间是1960年1月至2006年12月，资料样本数n=564。实际计算时，采用月平均距平序列ΔR和ΔSST，并对川渝地区各站降水距平ΔR和Nino3区SST距平ΔSST序列进行了标准化处理。然后运用趋势分析、EOF^[11]、小波分析^[12]、小波凝聚谱^[13]等方法, 对川渝地区降水的时空特征以及同Nino3区SST的关系及其稳定性做分析研究。

2 结果分析 2.1 川渝地区降水的时空特征

从年降水量的倾向率空间分布(图 1)来看，川渝地区降水量的空间分布很不均匀，其空间变化以103°E呈现西部增多、东部减少的变化趋势；西部主要减少区域为四川的普格一带，而东部增加区域为合川、沙坪坝、大竹一带，幅度都较小。增长率大于1 mm/a的区域主要位于川西高原，增长最明显的为四川的甘洛和雅江，增长率分别为4.8 mm/a和3.3 mm/a；减少最明显的为四川的金堂、北川、广汉，减少率分别为7.5 mm/a、7.3 mm/a、7.0 mm/a。

对川渝地区120个站点564个月的降水量标准化距平序列矩阵(120×564) 利用EOF展开，其载荷向量能较好地反映降水的空间异常特征。前三个载荷向量的方差贡献率分别为25.93%、11.63 %和8.26%。由于前两个载荷向量的方差贡献比较集中，故只分析第一和第二载荷向量。

从第一载荷向量(图 2a)可以看出，整个川渝地区表现为一致的正值，可称之为“全区一致型”，也就是说整个川渝地区降水变化表现出一致的同位相变化特征。相比较四川的乐至、安岳至重庆的潼南、铜梁一带的值较大，说明这些区域降水变化容易出现异常，川渝西部的值较小，同样说明该区域降水变化不易发生异常。这种全区一致的空间特征表明，川渝地区降水变化受大尺度气候的影响。

第二载荷向量(图 2b)为东负、中正、西负，揭示了川渝地区降水变化的东、西部与中部反相变化的特点, 可称之为“东中西部型”。

2.2 川渝地区降水与Nino3区SST的关系

由于第一载荷向量的方差贡献较大，第一模时间系数(PC1) 的变化基本能代表川渝地区降水变化的主要趋势。由图 3可以看出，川渝地区降水具有明显的年际尺度阶段性变化，在1965—1967、1974—1976、1980—1985、1988—1990、1998—2000和2005年以正距平为主，负距平主要出现在1962—1964、1968—1973、1977—1979、1986—1987、1991—1997、2001—2004和2006年。近年来由于大气环流异常事件的发生和川渝地区的特殊地形条件，使得川渝地区常出现高温、干旱等极端天气过程，例如1992、2001、2006年夏季川渝地区东部都曾出现过严重干旱的事件^[14]，这些偶发极端天气事件对川渝地区降水变化规律也会产生很大的影响。

Nino3区SST在20世纪70年代中期以前以负距平为主，70年代后期由负距平转为正距平为主，即赤道东太平洋SST在70年代后期经历了由冷水期向暖水期转化的气候跃变过程。近47年来Nino3区年平均海表温度为25.8 ℃，偏高的年份有25 a，正常和偏低的有22 a。

从川渝地区降水和Nino3区SST逐月时间序列三年滑动平均曲线来看(图 3)，降水变化和SST有较好的对应关系，同期相关系数为-0.18，通过0.01显著性水平检验。表明川渝地区降水变化与Nino3区SST存在一定的联系。表 1给出了川渝地区降水与Nino3区SST的相关系数，可见，川渝地区降水在滞后-10~0、12~24个月范围里和Nino3区SST有着较好的相关性，而且这种相关是在滞后-6、20个月时达到最好。考虑到El Nino事件是海气系统在全球范围内的异常现象，El Nino事件必定对全球以及区域气候的变化产生重要影响，因而，川渝地区降水和Nino3区SST存在较好的相关性并不偶然。国内外也有类似的研究，比如李威^[15]在研究中国北方春季沙尘暴的变化与ENSO的关系时，指出春季SOI与滞后1~2a的中国北方春季沙尘暴发生频率、夏季SOI与滞后2a的中国北方春季沙尘暴发生频率有较好的相关。Xu等^[16]在研究ENSO对东南亚和太平洋地区降水关系时，发现在数学统计意义上ENSO对该区影响有滞后从几个月到几年不等的现象。Gaucherel^[17]在基于ENSO事件对降水有较长时间的影响滞后假设下，研究认为1997—1998年特大ENSO事件是两年后(2000年)法国Guiana地区发生洪水的重要原因。

表 1所表明的这种关系还说明，在El Nino事件发生时，川渝地区降水量偏少，La Nina则情况相反。由于Nino3区SST冷暖状态时气候变化存在的不对称性，这种线性关系只是一个初级近似^[18]。为了更直观给出川渝地区降水和Nino3区SST的关系，图 4给出了川渝地区120站降水同期和滞后于SST -6个月、20个月的相关情况。当为同期时，川渝中部的宜宾至松潘、西北部的甘孜一带存在显著的负相关(图 4b)；当川渝降水滞后-6个月时，负相关区域明显扩大(图 4a)；但川渝降水滞后20个月时，81.7%的测站与Nino3区SST存在正相关，其中59个测站通过0.01显著性检验(图 4c)。这一关系对于预报川渝地区降水的变化趋势十分有意义。

赤道中东太平洋海温异常偏高(低)，使得沃克环流减弱(强)，引起东风强度减弱(加强)，进而导致西太平洋副热带高压加强(减弱)^[19-20]。夏季副高加强、西伸北进时，有利于川西降水，而不利于川中、川东降水；当副高减弱、东缩南退时，有利于川中、川东降水，而不利于川西降水^[21-22]。由此可以认为：赤道中东太平洋海温异常偏暖(冷), 引起西太平洋副高偏西(东)偏北(南), 影响川渝地区降水的变化。然而，由于赤道中东太平洋海温不同阶段对气候变化的影响不同^[23]，从而使得川渝地区降水变化与Nino3区SST之间的关系存在位相差异。采用交叉小波凝聚谱和位相谱方法分析川渝地区降水与Nino3区SST两者之间的多时间尺度相关，并讨论相关关系的稳定性。

2.3 川渝地区降水变化和Nino3区SST关系的稳定性分析

气候变化含有多种时间尺度，在时域中存在着多时间尺度结构和局部变化特征，而在频域中表现为不同显著性水平的周期振荡。小波变换将一维气候信号在时间域和频率域中展开，可以反映气候信号时频结构的精细变化和局部化特征^[12]。由川渝地区降水与Nino3区SST的小波功率谱(图 5)，可以了解川渝地区降水变化与Nino3区SST变化与之间的内在联系。图 5中等值线数值为标准化距平序列的小波功率谱与置信水平为95%的红噪声总体谱的比值，比值大于1表示通过显著性检验的显著周期振荡，比值越大表示振荡能量越强。可见：川渝地区降水变化具有准2 a、4 a、6~8 a、12~14 a左右尺度的显著变化周期(图 5a)，准2 a左右的周期振荡在1965—1975、1993—2006年表现明显，4 a左右的周期振荡在1980—1990年表现明显，6~8 a左右的周期振荡在1967—1985年能量强大，而12~14 a左右周期振荡在1967—2006年通过了显著性水平为95%的红噪声检验。Nino3区SST存在准2 a、4 a、6~8 a的年际尺度显著变化周期，年代际尺度周期信号较弱(图 5b)，准2 a左右的周期振荡在1963—1966、1972—1977、1980—1987和1993—2000年能量强大，4 a左右的周期振荡在1980—1990年表现明显，6~8 a左右周期振荡在1975—1985、1990—2006年通过了显著性水平为95%的红噪声检验。

图 5(a，b)还可以看出：川渝地区降水变化和Nino3区SST的时频结构存在相似性，都具有准2 a、4a、6~8 a尺度的显著变化周期，说明川渝地区降水变化与Nino3区SST变化存在不同程度的时频域相关，但并不完全一一对应，尤其是小尺度周期变化在时域中存在明显差异，反映了川渝地区降水变化对Nino3区SST变化的响应时间不同。

小波凝聚谱能够综合反映两个时间序列在时间域和频率域上互相关结构的主要信息，可以揭示相关性相对于频率的依赖关系及其在时域中的分布特征。图 6给出川渝地区降水与Nino3区SST之间的交叉小波凝聚谱和位相谱。图中边界效应线内的粗黑实线表示小波凝聚谱值通过了95%显著性水平F检验的显著相关振荡；可见，川渝地区降水与Nino3区SST相关显著，表现为准2 a、4~6 a尺度的显著共振周期，时域中1960—1986年两者凝聚性较高，箭头基本向右，表示Nino3区SST与川渝地区降水方差变化同位相；1987—2006年两者凝聚性较高，箭头基本向左，表示Nino3区SST和川渝地区降水方差变化反位相。不同尺度周期振荡能量的强弱和时域分布的位相差异是两者相关不稳定和存在时延相关的重要原因，Nino3区SST变化对川渝地区降水变化的影响具有持续性。

2.4 川渝地区降水变化和Nino3区SST不同时段相关关系

小波凝聚谱分析说明，川渝地区降水和Nino3区SST的相关关系存在位相差异，具有年代际变化特征，即1960—1986年同位相，1987—2006年反位相。图 7给出了1960—1986、1987—2006和1960—2006年3个时段的川渝地区降水与Nino3区SST的交叉相关，可见，3个时段基本上是川渝地区降水在滞后-6~0、12~20个月时和SST的相关达到最大，这与前面表 1的结论一致。当为同期时，3个时段的交叉相关系数值从高到低依次为:1960—1986、1960—2006和1987—2006年，表明川渝地区降水和Nino3区SST在1960—1986年正相关，1987—2006年负相关。特别值得注意的是，川渝地区降水与Nino3区SST的负相关关系在20世纪80年代后尤为显著。

3 小结

通过对川渝地区降水与Nino3区SST的关系研究，小结如下：

(1) 近47年来川渝地区降水东、西部(103°E)呈相反的变化趋势，东(西)部总体呈减少(增加)趋势。EOF分析结果表明，一致性异常特征是川渝地区降水的主要空间模态，但也存在东中西差异。

(2) EOF分析第一模时间系数(PC1) 与Nino3区SST存在较好的相关关系，PC1在滞后-6~0个月时，和SST具有较好的负相关，在滞后-6个月时最为显著；PC1在滞后12~20个月时，和SST存在较好的正相关，在滞后20个月时达到最大。川渝地区120站降水在同期和滞后-6、20个月时，和SST的相关亦显示了类似的结果。表明，在El Nino事件时，川渝地区降水偏少；在La Nina事件时则情况相反。

(3) 川渝地区降水具有准2 a、4 a、6~8 a、12~14 a左右尺度的显著变化周期，Nino3区SST存在准2 a、4 a、6~8 a的年际尺度显著变化周期。小波凝聚谱分析表明，川渝地区降水变化与Nino3区SST的相关表现为准2 a、4~6 a尺度的显著共振周期，但这种相关并不稳定，存在着年代际的相位差异：即1960—1986年呈正位相，1987—2006年呈反位相。

(4) 不同时段相关分析表明，川渝地区降水与Nino3区SST在1960—1986年呈正相关关系，1987—2006年为负相关关系。而整个47年呈负相关关系，在20世纪80年代后尤为显著。

海洋作为大气的一个巨大的热源，对大气的作用非常复杂，其对川渝地区降水变化的这种相关关系及稳定性的机理还需进一步研究。