引言

20世纪80年代末以来，在海气系统气候异常的研究中发现，年代际变化是一种普遍存在的现象。Nitta等^[1]、Trenberth等^[2]指出，1976年后热带太平洋海表温度 (SST) 升高，而副热带、中纬太平洋SST降低，并伴随有阿留申低压加深南移。李崇银等^[3]指出，印度洋赤道地区的SSTA在1962年以前以西低东高为主要特征，而之后则以西高东低形势多见。一些研究^[4~5]表明，ENSO这种年际气候变化的最强信号也存在显著的年代际振荡特征，20世纪80年代以来的ENSO循环明显强于以往。在我国气候异常的研究中，叶笃正、黄荣辉^[6]总结了20世纪90年代中期以前中国东部旱涝的发生规律，指出其存在年代际变化。王绍武^[7]指出，中国的气温在20世纪20~40年代变暖、40~70年代降温剧烈、80年代略有回升。郭其蕴^[8]的研究表明，20世纪60年代初中期东亚季风最强，我国夏季干旱；而60年代末起夏季风显著减弱，70年代我国夏季气温明显偏低。

在年代际尺度海洋异常与我国气候异常关系的研究上，李峰等^[9]指出，北太平洋海气系统的年代际变化影响华北夏季旱涝。Li等^[10]将周期分解用于北太平洋、热带太平洋浅层海洋热状况 (海表温度、0~400 m海水热含量) 异常与大气状况 (海平面气压、1000hPa风) 异常分解，证明了北太平洋海气要素的年代际变化显著；基于其上的奇异值分解 (SVD) 揭示了北太平洋、热带太平洋区域年代际、年际变化相互关系的时空特征，提供了深入分析太平洋热状况异常影响我国气候异常的线索。但这些研究主要着眼于太平洋、印度洋区域，分析使用的资料和方法存在较大差异，难以形成对全球海洋与我国气候异常关系的整体认识。

我们认为，作为年代际尺度上我国气候异常与全球海洋热异常关系的分析基础，必须首先明确在上述异常中年代际变化的重要性。文献[11]已分析了我国冬、夏季气温、降水异常中与年代际、年际变化对应的慢、快变分量的方差贡献，结果表明，冬、夏季气温以及夏季降水异常中的慢变分量较快变分量显著，且夏季两要素慢变分量存在以负相关为主的明显同期相关。考虑冬季温度、夏季降水是相对重要的成灾要素，本文选择我国冬温、夏雨与全球海洋热状况年代际相关联系为研究目标，使用与文献[11]统一的资料及简明的统计方法，在给出全球SSTA年代际分量方差贡献的基础上，分析SSTA年代际分量与我国冬温、夏雨的相关联系，力求给出具有基本参考价值的统计结果。

1 资料与方法 1.1 资料

中国160站月平均气温 (T，单位:℃) 和月平均降水资料 (R，单位:mm)，时域为1951~2002年1~12月，中国气象局整编。

全球逐月海表温度格点资料 (SST，单位:℃)，范围为全球海洋部分，格距为Δλ×Δφ=2°×2°，时域为1950~1998年1~12月，英国气象局整编。

分析取季为时域分辨率。为叙述方便，按北半球习惯，称t_y年12月至次年2月为t_y年冬季，t_y年6~8月为t_y年夏季。整理得到中国160站冬季气温 (t_y=1954~1997年、t_y=1955~1998年和夏季降水t_y=1955~1998年) 序列；全球冬季 (t_y=1954~1997年) 和夏季 (t_y=1955~1998年) 海表温度序列。这些序列均化作距平 (以“′”标记) 及标准化距平 (以~′标记)。

1.2 方法

(1) 周期分析

按文献[11]，将单点距平序列z′(s，t_y)，t_y=1~T_y，(T_y=44为序列总长) 作周期分析

(1)

其中，k=1~5波 (对应周期44~8.8年) 为慢变波，其全体构成年代际变化，以s标记；k=6~22波 (对应周期7.3~2年) 为快变波，其全体构成年际变化，以f标记。由此得到单点距平序列z′(s) 和场序列Z′的分解式

(2)

为判断z′(s)、Z′中慢、快变分量的显著性，文献[11]提出了一套方法。当T_y=44时，距平序列中z′(s)、z_s′(s)、z_f′(s) 的自由度分别为43、10、33。对单点序列构造F统计量，F=(S_s/10)/(S_f /33)，由此得到α=0.05时，F_α(10，33)=2.14；若某一点F≥2.14，则该点距平序列中，年代际变化显著。类似地，若某点F≤0.37，则该点距平序列中，年际变化显著^[11]。对场序列也作了类似文献[11]的显著性检验。

(2) 奇异值分解 (SVD) 方法及显著性检验

根据文献[12]，对标准化距平场时间序列SST′~T′和SST′~R′做SVD分析。用Monte Carlo方法^[13]对第一模态模方拟合率ρ₁进行显著性检验；检验步骤为:①产生足够多的随机数，用以构造随机序列z_s′(s)、z_f′(s)；②用它们构造了100个慢、快变随机场序列Z_s′、Z_f′，模拟SST′、并分别与T′、R′进行SVD分析；③将得到的100个ρ₁作降序排列，并将第6个大的ρ₁作为信度α=0.05的临界值ρ_α。若实际SVD的ρ₁大于ρ_α，则表示该模态通过了信度α=0.05的显著性检验。

2 年代际、年际变化的分离和方差分析 2.1 方差分析

文献[9]对分解式 (2) 给出两种参数，一是ρ_s(ρ_f)，是z_s′(z_f′) 与z′的模方比，它不计自由度数；二是γ=(ρ_s/10)/(ρ_f /33) 是按自由度均分的方差比，即统计量F。

由表 1，冬、夏季SST′序列中，全球海洋年代际、年际分量方差比约为1 :2，年际变化占优势；但按自由度 (10，33) 均分的方差，年代际分量明显占优势。

表 2给出了通过F显著性检验场站点数N_s、N_f，据此从整个场年代际、年际变化是否占优的角度给出了检验；结果表明，全球海洋SST′的年代际变化整体上较年际变化显著。

2.2 年代际、年际变化显著区的空间分布

根据单点F值，在信度α=0.05下，得到了冬、夏季SST′年代际、年际变化显著区的地理分布。

由图 1，全球海洋SST′中SST_s′显著区域面积远较SST_f′大，主要分布在热带外海洋，冬半球SST_s′更显著。SST_f′显著区常年存在于热带东太平洋，范围冬季较夏季大；另外，冬季在澳洲以西的印度洋和南海及夏季东南太平洋也存在小块SST_f′显著区。

上述分析表明，无论冬、夏季，全球海洋SST′的年代际变化均较年际变化显著，这与文献[11]对中国T′、R′的分析结果相似；故下面选择年代际分量间的相关联系 (SST′_s~T′_s、R′_s) 为研究对象。

3 年代际尺度同期相关分析

用SVD方法分析了海洋热异常与中国冬温夏雨的同期相关联系。使用了年代际分量标准化距平场序列SST′和T′、R′(下标s省略)，冬季取1954~1997年，夏季取1955~1998年。

3.1 参数分析

由表 3可见，SVD第一模态ρ₁均通过了信度为0.05的显著性检验；冬季气温 (简称冬温) 第一奇异向量对其标准化距平场序列的模方拟合率 (β₁) 很大，它远大于夏季降水 (简称夏雨) 的相应参数，这主要由气温异常的随机性远大于降水引起。而海洋要素的参数 (α₁) 冬、夏季变化甚小，这表明SST′季节变化甚小且与大气异常间有稳定的相关联系。

3.2 冬季SST′与T′的SVD第一模态分析

图 2为冬季SST′和T′SVD第一模态。它表明海温场与气温场年代际变化正相关显著，当印度洋大部、副热带北大西洋海温异常偏高 (偏低) 的年代，中国冬温一致偏高 (偏低)，尤以北部、东部明显。

时间系数表明，近50年主要由一个低态 (20世纪70年代中期及以前)、一个过渡态 (70年代末到80年代中期) 和一个高态 (80年代后期起) 构成，主要变化发生在70年代后期；目前二者仍处于高态，即全球SST′及中国冬温仍以正异常为主的年代。

3.3 夏季SST′与R′的SVD第一模态分析

图 3为夏季SST′和R′SVD第一模态。它表明在夏季海温偏高为主的年代，中国降水场主要特征为长江流域及华南降水偏多、黄河中下游偏少，南北反位相。

对应的时间系数演变特征与冬季SST′~T′的时间系数演变特征基本相同。

因此，在海表温度偏高的年代 (20世纪70年代末以来)，以我国北部、东部为主的大部分区域冬温偏高，以我国江淮流域及华南为主的区域夏雨偏多、而华北夏雨偏少。

4 年代际尺度时滞相关分析

用SVD方法分析了海洋热异常与时滞半年的中国冬温夏雨的相关联系，使用了年代际分量标准化距平序列SST′、T′、和R′(下标s省略)。要素搭配分别为:1955~1998年夏季SST′与1955~1998年冬季T′；1954~1997年冬季SST′与1955~1998年夏季R′。

4.1 参数分析

由表 4可见，全球SST′与时滞半年的中国冬温 (T′)、夏雨 (R′) 的SVD第一模态ρ₁均是显著的。且参数的总体特征与SST′~T′、R′的同时SVD分解结果 (表 3) 有类似特点；这应与分析对象为慢变 (年代际尺度) 过程有关，半年时滞不足以引起年代际过程相关性的明显变化。

4.2 SST′与T′的时滞SVD第一模态分析

由图 4a，b知，夏季SST′总体偏高的年代，中国冬季气温一致偏高 (北方和东部为主)。前期SST′正距平区域包括大西洋大部、印度洋东北部、热带西太平洋和副热带东太平洋，而副热带中太平洋存在SST′负距平区。比较图 2、图 4，T′对应的奇异向量Y₁变化很小，而SST′对应的X₁变化较大；这与SST′存在明显的季节变化有关。

时滞SVD给出的第一对奇异向量时间系数 (图 4c) 具有与同期SVD相应时间系数 (图 2c) 类似的演变。它们均可大致分为三个阶段:20世纪70年代中期及以前为负值阶段，70年代末至80年代中期为过渡阶段，80年代后期起为正值阶段。由图 4a、b，在最后10年阶段，中国出现暖冬 (北方和东部为主)，这与实况一致。

图 4给出的是时滞半年的关系，具有一定预报意义。

4.3 SST′与R′的时滞SVD第一模态分析

由图 5a，b知，它与SST′和R′的同期SVD第一奇异向量 (图 3a、b) 十分相似 (图 3a上赤道中东太平洋狭长带除外)。故冬季SST′总体偏高 (热带太平洋、热带印度洋大范围SST′偏高，副热带太平洋、副热带印度洋明显偏低，但范围较小) 的年代，降水异常的主要特征为，长江流域及华南降水偏多，华北降水偏少。

时滞SVD给出的第一对奇异向量时间系数 (图 5c) 也具有与同期SVD相应的时数 (图 3c) 类似的演变。以20世纪70年代后期为界的前、后两段分属于低、高态，后者有利于长江流域及华南出现洪涝、华北出现干旱。

类似于图 4，图 5也具有预报意义。

5 结论

(1) 方差分析表明，无论冬、夏，全球海洋SSTA的方差构成中，年代际变化分量方差均较年际变化分量显著。

(2) 年代际SSTA与我国冬温、夏雨异常的同期SVD分解第一模态均是统计显著的。海洋SSTA年代际分量正异常占优势的年代 (20世纪80年代后期以来)，我国 (以北方和东部为主) 易出现一致的冬温正异常，长江流域、华南夏雨易出现正异常，而华北夏雨易出现负异常；反之亦然。

(3) 类似于 (2) 的时滞SVD分解也得到了统计显著的、与 (2) 相似的第一模态，它具有一定的预报我国冬温、夏雨异常的意义。

关于全球SSTA与我国冬温、夏雨年际异常分量关系的讨论将涉及ENSO对我国气候异常影响的定量估计，结论在另文给出。