引言

太平洋年代际振荡(Pacific decadal oscillation, PDO)是北太平洋海面温度(sea surface temperature, SST)年代际循环的海洋现象，最早由MANTUA et al.^[1]在1997年提出。通常当PDO暖位相时，西北太平洋异常低温，而北美洲的西海岸是显著的高温带，冷位相时则反之。PDO指数作为北太平洋SST异常的EOF第一模态时间系数，很好地反映了太平洋年代际变化的主要特征，分别以“暖位相”(PDO指数为正)和“冷位相”(PDO指数为负)两种形式交替出现，每种现象持续20~30 a。近100多年来，已出现了2个完整的周期。第一周期的“冷位相”发生于1890—1924年，而1925—1946年为“暖位相”; 第二周期的“冷位相”出现于1947—1976年，1977—1999年为“暖位相”，2000年以来是第三周期的“冷位相”^[1-2]。PDO通过海气相互作用可直接影响太平洋及周边地区气候的年代际变化，对亚洲季风及中国的天气气候变化有很大影响^[3-5]。许多研究^[6-11]指出，在PDO暖位相时期，华北降水整体减少，在PDO冷位相时期，华北降水整体偏多。

青岛位于黄淮地区，属于东部季风气候区，处于从江淮多雨区向华北少雨区的过渡地带。青岛气象站建站较早，至今已有120 a观测资料，那么青岛汛期降水量是否也存在类似于PDO指数年代际演变的规律？同时，青岛又是一个缺水城市，提前预测夏季降水量的变化对工农业生产及人们的生活具有十分重要的意义。但是，研究^[12]表明，夏季降水预测常用的外强迫因子如ENSO、积雪、土壤湿度等在黄淮地区指示信号均偏弱，使得黄淮地区夏季旱涝预测准确率低。前期PDO指数及其相关联的太平洋SST对青岛汛期降水量的年际变化是否有指示意义？这些问题的分析有助于寻找影响青岛汛期降水量的物理因子，提高青岛汛期降水量预测的准确率。

1 资料与方法

使用青岛1900—2016年历年逐月平均降水量资料，其中对1914年7月—1915年3月及1937年9月—1938年1月缺测资料，采用5 a滑动平均方法进行了插补。国家气候中心下发的1951—2016年74项环流指数。

1900—2016年历年逐月太平洋年代际振荡指数(Pacific Decadal Oscillation Index，PDOI)数据来自http://jisao.washington.edu/pdo/PDO.latest。1900—2016年逐月SST数据来自NOAA Extended Reconstructed Sea Surface Temperature(SST)V4资料，空间分辨率为2°×2°。1948—2016年大气环流要素数据来源于NCEP/NCAR再分析数据集，所涉及的变量有500 hPa位势高度、850 hPa风场等，格点分辨率为2.5°×2.5°。

采用相关分析、累积距平分析、t检验及合成分析等统计方法。

2 青岛汛期降水量与PDO指数年代际变化的对应关系

青岛降水量的年内变化极其显著，从冬季至夏季降水量迅速增多，从夏季至冬季降水量又急剧减少。其中夏季(6—8月)降水量在四季中最多，占全年的57%，汛期(6—9月)降水量占全年的70%;这表明青岛的降水量主要集中于汛期，汛期的降水量决定着全年的降水量。因此对汛期降水量变化规律的分析显得非常重要。由1900—2016年汛期降水量变化曲线(图 1a)可见，117 a平均值为475 mm，但年际波动较大，多年平均变率达到131 mm，相对变率为27.6%，降水量最少年为1981年，仅有162.4 mm，最多年为1926年，达989.9 mm，为最少年的6.1倍。结合21 a滑动平均曲线与历年变化曲线可见，青岛在1920年前、1945—1976年、2002—2013年降水量偏多，而1921—1944年、1977—2001年、2014—2016年降水量偏少。

分析1900—2016年汛期PDO指数的逐年演变曲线(图 1b)，可以看出，PDO指数的年代际变化特征也非常显著，值得注意的是，在20~30 a的冷/暖位相中，存在短期的反向指数，如1938—1939年(暖位相中的负指数)和1959—1961年(冷位相中的正指数)等。结合21 a滑动平均曲线和历年变化曲线可见：1923年前、1944—1975年、2002—2013年PDO指数小于0，表现为冷位相; 1924—1943年、1975—2001年、2014—2016年PDO指数大于0，表现为暖位相。与文献[1-2]对1900年以来PDO冷暖位相时期的划分结果(1900—1924年、1946—1976年、2000—2013年为冷位相时期，1925—1945年、1977—1999年是暖位相时期)比较，基本上是一致的，将21 a滑动平均划分的结果与之比较，提前或延后最多2 a。同时21 a滑动平均划分出的冷位相时期1900—1923年、1944—1975年、2002—2013年分别和青岛汛期降水量偏多时期1900—1920年、1945—1976年、2002—2013年相对应，暖位相时期1924—1943年、1975—2001年分别和青岛汛期降水量偏少时期1921—1944年代初、1977—2001年对应较好，时间跨度前后最多相差1~3 a。可见，用21 a滑动平均曲线可以较好地刻画出青岛汛期降水量与PDO指数均存在年代际变化特征。

按照前人对冷暖位相时期划分^[1-2]，再分段统计青岛汛期降水量与PDO指数多年平均值的特征，可以看出，3段冷位相时期青岛汛期降水量分别为462 mm、572 mm和518 mm(表 1)，用每段冷位相时期青岛汛期降水量分别乘以年数然后相加除以冷位相时期总年数，得到平均值为513 mm; 而3段暖位相时期青岛汛期降水量分别是431 mm、390 mm和368 mm，同样，用每段暖位相时期青岛汛期降水量分别乘以年数后相加再除以暖位相时期总年数，得到平均值为407 mm。暖位相时期比冷位相时期降水量平均每年少104 mm。分析逐年资料发现，不同冷暖位相时期青岛汛期降水量与PDO指数相反对应关系的显著性也不同，如1900—1924年虽是冷位相时期，但汛期PDO指数多年平均仅为-0.02，年际间汛期PDO指数波动比较大，相反变化的对应关系并不好，以至于PDO正(负)指数年，青岛汛期降水量偏多(少)年反而更明显，同号率为64%;1925—1945年二者相反对应关系也不好，可能和这2段时期资料的可靠性有关。1946年以后4段冷暖位相时期青岛汛期降水量与PDO指数相反对应关系较明显，即PDO负指数年，青岛汛期降水量一般偏多，反之偏少。

进一步计算1900—2016年、1951—2016年青岛汛期降水量与汛期PDO指数的相关系数，分别得到结果为-0.26、-0.47，均通过了0.01的显著性水平检验，相对而言，1951—2016年两者相关更好。特别是1900—2016年21 a滑动平均后青岛汛期降水量与汛期PDO指数的相关系数高达-0.90，显著通过了0.01的显著性水平检验，这些计算结果验证了上述的分析结论。

综上所述，青岛汛期降水量具有明显的年代际变化特征，同时也与PDO这一具有显著年代际振荡周期的气候变化现象存在较好的负相关联系。

3 PDO影响青岛汛期降水量年代际变化的成因分析

众所周知，季风的强(弱)是造成季风气候区汛期降水量偏多(少)的主要原因，而海陆热力差异是季风的第一推动力，所以海洋的热力特征决定了其在气候变化中扮演极其重要的角色。本节通过分析PDO冷暖位相时期，太平洋SST场及大气环流场的不同配置特征，试图寻找影响季风强弱及青岛汛期降水量多少的原因。考虑到NCEP/NCAR再分析资料始于1948年，而1938年前青岛降水量资料存在着部分年份缺测的现实以及1951—2016年青岛汛期降水量与PDO指数相关更好的情况，以下的分析均基于1951—2016年青岛降水量、PDO指数、海表面温度、风场及环流场资料。

3.1 太平洋SST场特征

首先计算了1951—2016年青岛汛期降水量与同期太平洋SST的相关分布，由图 2看出，有2个大范围的高相关区域，其中西北太平洋的区域为正相关，最大正相关区域位于30°~45°N，170°E~150°W范围内，通过了0.05的显著性水平检验，中心区域通过了0.01的显著性水平检验，而热带中东太平洋地区呈现大范围显著的负相关，似呈赤道南北对称的特征，通过了0.01的显著性水平检验，15°~30°S，170°E~170°W西南太平洋为正相关，而北美沿岸、阿留申群岛以北太平洋是负相关区，从南至北呈现“+-+-”的相关分布。特别是青岛汛期降水量与赤道中东太平洋SST呈显著负相关，表明其与ENSO事件有关，即El Niño年青岛降水偏少，La Niña年则相反。上述结论与费艳琴等^[13]研究结果“5月北太平洋160°E~175°W，36°N以北SST与青岛夏季降水量呈正相关关系”、郭飞燕等^[14]研究结果“厄尔尼诺年夏季，青岛降水往往偏少”、高晓梅等^[15]和李辑等^[16]研究结果“西风漂流带SST偏高时，赤道中东太平洋地区SST偏低，北上台风及影响山东的台风个数偏多，青岛汛期降水偏多”比较一致。

计算发现，汛期PDO负指数年数有33 a、正指数年数也有33 a，进一步对汛期PDO负指数年、汛期PDO正指数年分别做SST距平合成分析，探究是否存在图 2的分布形态。由图 3a可见，PDO负指数年时西北太平洋区域为大范围正距平，距平中心大于0.5 ℃，而热带中东太平洋地区呈现大范围显著的负距平，距平中心小于-0.5 ℃，15°~30°S，170°E~170°W西南太平洋为正距平，而阿留申群岛以北太平洋及北美西岸也是负距平。由图 3b可见，PDO正指数年，西北太平洋区域为大范围负距平，而热带中东太平洋地区呈现大范围的正距平，0°~20°S，150°~180°E西南太平洋为负距平，而阿留申群岛以北太平洋及北美西岸也是正距平，与图 3a呈现相反的距平分布，并且与图 2分布形态也极为相似。

再详细看不同PDO冷暖位相时期汛期太平洋SST距平场分布特征。冷位相时期1951—1976年(图 3c)、2000—2013年(图 3e)太平洋SST距平场分布特征与PDO负指数年相似(图 3a); 暖位相时期，1977—1999年(图 3d)，太平洋SST距平场分布特征与PDO正指数年一致(图 3b)，2014—2016年(图 3f)与PDO正指数年分布结构虽然相似，但西北太平洋区负距平范围与数值均较小，热带中东太平洋地区SST正距平范围与数值均较大，可能与样本数只有3 a，代表性不够有关。

综上所述，汛期PDO正(负)指数年、PDO冷(暖)位相年所对应的太平洋SST距平场分布特征几乎是相反的。青岛汛期降水量的年代际变化与西北太平洋区域及热带中东太平洋地区SST距平的年代际变化有密切联系。

3.2 大气环流特征

西太平洋副热带高压(以下简称“副高”)对中国夏季降水有重要影响^[17]，山东汛期降水与副高关系密切，副高北抬西伸，西南季风向山东发展是雨季开始的主要特征之一^[18]。因此有必要探究青岛汛期降水量与西太平洋副高的关系。首先分别计算了1951—2016年青岛汛期降水量、PDO指数与西太平洋副高脊线位置、西伸脊点、面积、强度4项指数的相关系数(表 2)，由相关系数数值可以得出：PDO负指数年副高脊线偏北，面积偏小，强度偏弱; PDO正指数年，特征相反。而副高脊线与青岛汛期降水量呈显著的正相关，相关系数为0.46，通过了0.01的显著性水平检验，即副高脊线偏北时，青岛汛期降水量偏多，反之偏少。

既然西太平洋副高脊线与青岛汛期降水量是显著正相关关系，而青岛汛期降水量存在年代际变化，那么西太平洋副高脊线长期变化特征如何？计算1951—2016年每年6—9月西太平洋副高脊线纬度和，由6—9月西太平洋副高脊线纬度和距平累积曲线(图 4)可发现，1951—1976年距平累积波浪式增加，说明此段时期西太平洋副高脊线总体位置偏北，而1977—1998年距平累积波浪式减少，说明西太平洋副高脊线总体位置偏南，1999—2016年距平累积波浪式增加，西太平洋副高脊线位置又趋向偏北。1977年是转折年，这与PDO从冷位相向暖位相转换的时间一致，另一个转折年1999年，比PDO暖位相向冷位相转换时间早1 a。上述分析说明了PDO造成西太平洋副高脊线及青岛汛期降水量均发生了年代际变化。

大气环流的配置特征有助于理解汛期降水量多少的物理成因。因此进行了PDO冷暖位相时期，850 hPa风场、500 hPa位势高度场合成分析，由图 5a可见，1951—1976年汛期副高脊线偏北，西伸脊点偏东，面积偏小，通过对流层低层850 hPa风场距平可见，东亚中高纬地区是显著的气旋性环流，我国东部从南到北均是异常的偏南风，来自副高外围的西南暖湿气流与北方冷空气在山东半岛交汇产生降水，使得青岛汛期降水量偏多。而1977—1998年汛期副高西伸(图 5b)，脊线偏南，面积增加，控制华南地区，对流层低层850 hPa风场距平可见，我国东部长江以北是偏北风异常，暖湿气流沿副高边缘北上在长江中下游地区凝结形成降水，造成长江中下游地区夏季降水偏多，青岛降水量偏少。2000—2013年汛期(图 5c)，副高脊线偏北，面积减少，有利于东亚夏季风增强，由对流层低层850 hPa风场距平可见，我国东部呈现偏南风异常，使得东部地区夏季雨带进一步向北推进，青岛降水量偏多。2014—2016年汛期(图 5d)，副高脊线偏南，西伸，面积增大，对流层低层850 hPa风场距平可见，我国东部呈现偏北风异常，东亚夏季风减弱，使得东部地区夏季雨带偏南，青岛降水量偏少。

以上分析表明，青岛汛期降水的年代际转型与PDO的年代际位相转换存在紧密联系。PDO位于冷位相，西北太平洋SST偏暖，北美沿岸以及热带中东太平洋SST偏冷，副高偏弱偏东，脊线偏北，东亚夏季风偏强，青岛汛期降水偏多; PDO位于暖位相，西北太平洋SST偏冷，北美沿岸以及热带中东太平洋SST偏暖，副高偏强偏西，脊线偏南，东亚夏季风偏弱，青岛汛期降水偏少。

4 春季PDO指数及其相关联的太平洋SST分布对青岛汛期降水量影响

研究发现，PDO指数具有较好的持续性，马柱国和邵丽娟^[11]分析了华北区域平均年湿润指数和年PDO指数的时间滞后关系，发现滞后时间在0~10 a的范围内，相关系数都能通过0.01的显著性水平检验，前期的PDO指数可作为华北年代际干湿变化预测的一个重要指标。前文分析得出，汛期PDO指数与青岛汛期降水量有较好的负相关关系，那么春季PDO指数与青岛汛期降水量相关如何？

计算发现，3—5月PDO指数与青岛汛期降水量的相关系数为-0.35，通过了0.01的显著性水平检验，说明春季到夏季PDO指数与青岛汛期降水量存在持续的负相关关系。由于PDO指数反映北太平洋SST异常的EOF第一模态时间系数，下面再来分析春季太平洋SST场与青岛汛期降水量的关系。图 6给出了青岛汛期降水与春季太平洋SST的相关关系分布图。可以看出，青岛汛期降水与春季西北太平洋SST有显著的正相关关系，与热带中东太平洋的SST有显著的负相关关系。图 6与图 2分布非常相似，说明青岛汛期降水与春、夏季太平洋SST有稳定且显著的相关分布。

众所周知，气候变化受到许多物理因子的协同影响。西北太平洋是影响年代际气候变化的重要区域，热带中东太平洋又是ENSO发生发展的指示海区，影响年际气候变化。选择春季西北太平洋SST正相关关系最明显的30°~34°N，164°~150°W区域，以及热带中东太平洋SST负相关关系最显著的10°~16°N，160°~146°W与20°~26°N，130°~120°W区域，所选3个区域内每个格点相关系数均通过0.05以上显著性水平检验，将每个格点SST标准化后分别进行西北太平洋与热带中东太平洋区域平均，将两者之差定义为一个新的SST指数SSTI，SSTI指数反映了西北太平洋与热带中东太平洋SST距平异常的反相变化的协同特征。下面来分析SSTI与青岛汛期降水量及大气环流的关系，计算春季SSTI指数与青岛汛期降水量的相关系数为0.47，通过0.01的显著性水平检验，明显比春季PDO指数与青岛汛期降水量相关性更好，同时也比图 6中太平洋任一格点上SST与青岛汛期降水量的相关性更好。

由青岛汛期降水量和SSTI指数时间演变曲线(图 7)可知，1951—2016年共66 a中，青岛汛期降水量距平符号与SSTI正负指数同号率为68%。1951—1976年，正的SSTI指数基本上对应着汛期降水量正距平，也就是说，当春季西北太平洋SST偏暖、热带中东太平洋SST偏冷时，对应着青岛汛期降水量偏多。如1956、1962、1964、1970、1971、1975年青岛汛期降水量偏多较多的年份对应着春季大的SSTI指数; 而1977—1999年期间，负的SSTI指数基本上对应着青岛汛期降水量负距平，一般降水量偏少较多年对应着小的SSTI指数，如1981、1992、1997、2002、2016年。当然，也有些年份，如1977年偏少较多、2005年偏多较多和2010年偏多较多的事实并不能被太平洋SSTI指数所解释，说明虽然太平洋SSTI指数是影响青岛汛期降水量的一个重要因素，但降水量还受其他外强迫因子的协同影响。

前文指出青岛汛期降水量受西太平洋副高影响较大，所以分别计算了SSTI指数与夏季西太平洋副高面积指数、强度指数、脊线位置、西伸脊点4个指数的相关系数，分别为-0.44、-0.43、0.54和0.30，前3个指数均通过0.01的显著性水平检验，其中与脊线位置的正相关最明显，与西伸脊点的相关也通过0.05的显著性水平检验。可见，一般SSTI正指数对应汛期西太平洋副高脊线偏北、面积偏小、强度偏弱，有利于青岛汛期降水量偏多，反之偏少。

正如文献[12]所说，黄淮地区汛期降水与前期物理意义明确的因子如ENSO、积雪、土壤湿度等相关性不明显。计算发现青岛汛期降水量与前期AO指数等相关性也不太明显，相对而言，SSTI指数与夏季西太平洋副高、青岛汛期降水相关性都很好，可作为青岛汛期降水预测的指示因子。

5 结论

1) 青岛汛期降水量具有显著的年际、年代际变化特征，同时也与PDO这一具有显著年代际振荡周期的气候变化现象存在重要联系。1900—2016年青岛汛期降水量与汛期PDO指数存在负相关关系，特别是1951年以来负相关关系更明显。一般PDO冷位相，青岛汛期降水量偏多，PDO暖位相，青岛汛期降水量偏少。

2) PDO冷、暖位相时，太平洋SST距平场对应2种相反的分布形态，同时西太平洋副高的位置、强度、面积也有明显不同。PDO位于冷位相，西北太平洋区SST偏暖，北美沿岸以及热带中东太平洋SST偏冷，副热带高压偏弱偏东，脊线偏北，东亚夏季风偏强，青岛汛期降水量偏多，反之偏少。

3) PDO指数具有多季节持续性特征，春、夏季PDO指数与青岛汛期降水有稳定且显著的相关关系。青岛汛期降水与春季西北太平洋SST有显著的正相关关系，与热带中东太平洋SST有明显的负相关关系。

4) 定义了一个新的SST距平指数。该指数包含了西北太平洋与热带中东太平洋SST距平反相变化的协同影响，由于西北太平洋SST影响着PDO冷暖位相，而热带中东太平洋SST的正负距平大小是ENSO生消的指示海区，因此从某种程度来讲，SSTI指数包含了PDO与ENSO的协同影响。与PDO指数或西北太平洋、热带中东太平洋SST和青岛汛期降水量相关性比较，SSTI指数与青岛汛期降水量相关更好，SSTI正指数对应汛期西太平洋副高脊线偏北、面积偏小、强度偏弱，东亚夏季风偏强，青岛汛期降水量偏多。

5) 东亚季风区气候异常受到青藏高原、海洋、季风、中高纬度环流系统等诸多因素的影响，气候异常的成因极其复杂^[19]。青岛汛期降水量与前期物理意义明确的因子如ENSO、积雪、土壤湿度、AO指数等相关性不太明显，气候预测的难度很大。鉴于SSTI指数有较明确的物理意义，可作为青岛汛期降水预测的指示因子。