中國東部夏季降水年際變化與同期東海潛熱通量的關系

李翠華，蔡榕碩，譚紅建

（國家海洋局 第三海洋研究所，國家海洋局 海洋－大氣化學與全球變化重點實驗室，福建 廈門 361005）

0 引言

中國東部夏季降水的異常變化對國民經(jīng)濟特別是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響極大，其中對大范圍的旱澇氣候災害的影響尤為嚴重［1］。作為人口密度最大區(qū)域的東亞地區(qū)，夏季氣候的變化對當?shù)厝粘Ｉ钜灿兄匾挠绊?，這是因為受夏季風的影響，大部分地區(qū)夏季的降水占到全年的70%以上的緣故。在全球氣候變暖背景下，災害性天氣氣候事件更加頻繁，且隨著人們生活水平的提高，旱澇災害造成的經(jīng)濟損失越來越大［2］。掌握夏季降水年際和年代際變化規(guī)律，提高短期氣候預測水平，已成為目前政府部門和科學家廣泛關注的科學問題。

中國東部夏季降水具有多時間尺度的變化特征，不僅具有季節(jié)變化和年際變化，而且還具有年代際變化［3－5］，其影響因子多樣。在預測中國夏季汛期降水時，必須將年代際變化和年際變化這兩種時間尺度進行分離［5］。另外，中國夏季降水的影響因素眾多，包括海溫［6－9］、ENSO［10－11］、季風環(huán)流［6，12］、OLR［13］、青藏高原［14］和湍 流 熱 通 量［15－17］等。 最 近 李 翠 華 等［17］和蔡榕碩 等［8］的研究進一步認識到，中國夏季旱澇災害的年際變化亦與中國近海的熱狀況有密切關系。

近幾十年來，隨著全球氣候變暖和東亞季風的減弱，西北太平洋邊緣海有持續(xù)變暖的現(xiàn)象，尤其是1976年之后，中國近海等西北太平洋邊緣海升溫明顯，并且，以東海及鄰近海域包括渤海、黃海和東海及鄰近海域（以下簡稱東海）的升溫尤為顯著［18－21］。相應地，東海夏季的潛熱通量也具有長期增加的趨勢和明顯的年際變化特征［17］。而海氣界面間的潛熱和感熱通量反映了海洋對大氣的加熱，其中，潛熱主要由蒸發(fā)過程提供，伴隨著水汽相變及水汽輻合上升等過程，對大氣環(huán)流和降水等變化有重要的影響。目前潛熱通量與降水關系的研究主要側(cè)重于年代際尺度，涉及年際尺度則較少。中國東部地處東亞典型的季風區(qū)，汛期降水一個顯著的特點是年際變化大。為此，本文利用觀測資料著重探討中國東部夏季降水年際變化與同期東海夏季潛熱通量變異的聯(lián)系。

1 數(shù)據(jù)和方法

鑒于1985年以來美國國家海洋大氣局提供的全球表面熱通量第三代數(shù)據(jù)產(chǎn)品（OAFlux3）［22］采用了衛(wèi)星遙感觀測資料等數(shù)據(jù)，資料可信度和時間分辨率上有了較大的提高，因此，本文主要應用1985～2008年夏季（6～8月）潛熱通量資料分析東海潛熱通量變化顯著的海域；其次，應用1985～2008年夏季（6～8月）的美國NCEP＼NCAR再分析資料［23］和國家氣候中心提供的1985～2008年中國大陸東部（105°E以東）108個站的降水資料，分析中國東部降水的年際變化與同期東海潛熱通量異常的關系，并從大氣環(huán)流異常的角度出發(fā)，探討東海潛熱通量變異對中國東部夏季降水的影響。

本文應用的方法主要有經(jīng)驗正交分解（EOF）以及合成和回歸等統(tǒng)計方法，鑒于近幾十年來東海熱力異常具有明顯上升趨勢［17－21，24］，本文濾去了東海潛熱通量和中國東部降水等的長期變化趨勢，以突出考慮并分析東海潛熱通量的年際變異在中國東部降水年際變化中的可能作用。

2 東海夏季潛熱通量的年際變化特征

由于本文關注的東海潛熱通量變化可能存在時空的不一致性，且對中國東部夏季降水影響過程也可能不同，故首先分析東海夏季潛熱通量變化顯著的海區(qū)，再針對顯著海區(qū)深入研究。為此，在對上述海域夏季（6～8月）的潛熱通量做距平分析和去掉長期趨勢后，再進行EOF分解。前三個模態(tài)的方差貢獻率分別為24.0%、15.7%和11.9%，第一模態(tài)主要體現(xiàn)了東海夏季潛熱通量顯著的年際變化信號，而第二、第三模態(tài)主要體現(xiàn)的是日本島以北海域和西太平洋局部海域潛熱通量的顯著變化，故本文主要討論第一模態(tài)的空間結(jié)構(gòu)和時間變化特征，第一模態(tài)共解釋了東海潛熱通量變化的24.0%（圖1）。

圖1 東海夏季潛熱通量EOF第一模態(tài)的空間結(jié)構(gòu)（a）和時間系數(shù)（b）Fig.1 Spatial pattern（a）and time series（b）of the first EOF modes of latent heat flux in East China Sea

圖1分別為東海夏季潛熱通量的EOF第一模態(tài)（EOF 1，下同）的空間結(jié)構(gòu)和時間系數(shù)，潛熱通量的EOF 1解釋了潛熱通量變化的24.0%。由圖1a可見，EOF 1的空間場表現(xiàn)為全海域位相一致，黃海局部、東海至臺灣海峽和南海北部局部等靠近中國大陸近海及局部太平洋海域為信號高值區(qū)。濾掉了長期變化趨勢后，圖1b表明EOF 1的時間系數(shù)（PC1）具有明顯的年際變化特征。由于海氣界面的潛熱通量是表征海氣相互作用的一個重要參數(shù)，其變異既會影響海洋環(huán)境及其上空的大氣環(huán)流狀況，同時又受到海洋熱含量及低層大氣環(huán)流的影響。而近幾十年來東海海表溫度具有強烈的年際和年代際變化特征，同時東亞夏季風也表現(xiàn)出顯著的年際和年代際變化［20－21］，因此，這可能是引起東海潛熱通量的年際和年代際變化的重要因素。

由東海夏季潛熱通量的時空分布特征可見（圖1），其變化顯著的區(qū)域位于東海，具體范圍為27.5°～36°N、122°～133°E，將該區(qū)夏季（6～8月）的潛熱通量進行區(qū)域平均，形成了1985～2008年的潛熱通量變化指數(shù)序列。為了突出東海夏季潛熱通量年際變異因素，區(qū)域平均得到的潛熱通量序列首先濾去該海域潛熱通量1985～2008年的長期變化趨勢，再對取得的去掉24年變化趨勢后的潛熱通量指數(shù)進行標準化，分別選取超過正、負0.5標準差的年份為潛熱通量偏高、偏低年份（圖2）。由圖2可見，東海潛熱通量偏高的年份為：1986、1988、1992、1994、2000、2001、2002和2004年，偏低的年份為：1987、1990、1991、1993、1995、1996、1999、2003、2006和2007年。

圖2 東海潛熱通量（a）和去掉線性趨勢并進行標準化后的潛熱通量指數(shù)（b）（深、淺陰影：偏高、偏低年份）Fig.2 Latent heat flux index（LHFI）of East China Sea（a）and the detrended，standardized LHFI（b）（The high（above）and low（below）years are shaded）

3 中國東部夏季降水與同期東海潛熱通量的關系

為了分析中國東部夏季降水年際變化與同期東海潛熱通量的關系，本文利用合成方法分析了東海潛熱通量偏高（低）年份時中國東部夏季降水的異常分布（圖3）。圖3a、圖3b分別為根據(jù)圖2b中所選取的東海潛熱通量處于偏高（低）年份時中國東部夏季降水的合成結(jié)果，從圖3a可以看到，當東海潛熱通量偏高時，長江中、下游流域的夏季降水一般出現(xiàn)負異常（局部超過90%的信度檢驗），華南地區(qū)的夏季降水出現(xiàn)正異常（局部超過90%的信度檢驗）。反之，如圖3b所示，當東海潛熱通量偏低時，上述地區(qū)的夏季降水異常出現(xiàn)相反現(xiàn)象。為了進一步確認中國東部夏季降水與東海潛熱通量年際變化的關系，本文利用上述去掉長期變化趨勢并標準化后的東海潛熱通量指數(shù)與中國東部夏季降水進行回歸分析（圖略），得到的結(jié)果與前面的分析基本一致。此外，上述結(jié)果與蔡榕碩等［8］有關東海的海溫異常與中國東部夏季降水年際變化關系的研究結(jié)果一致。

圖3 東海潛熱通量偏高（a）和偏低（b）時中國東部夏季降水的合成分布（單位：mm／d，陰影區(qū)表示通過90%信度檢驗的區(qū)域）Fig.3 Summer precipitation for the LHFI of high anomalies（a）and low anomalies（b）of East China Sea（The areas with the significant level atα＝0.10are shaded）

4 東海夏季潛熱通量異常與同期東亞大氣環(huán)流的關系

上述分析表明，東海潛熱通量異常與我國東部夏季降水存在顯著的相關關系。本文下面著重討論產(chǎn)生這種關系的機制及其驅(qū)動因子。由于局地海域熱力異?？梢杂绊戇b遠地區(qū)的氣候狀況［25］，而降水異常雖然也會影響潛熱通量的變化［26］，但一般只影響降水所在的地區(qū)。為了分析東海潛熱通量異常是否會影響中國東部地區(qū)的降水，本文進一步分析了東海潛熱通量與東亞地區(qū)水平和垂直大氣環(huán)流異常的關系，以探討東海潛熱通量變異對中國東部地區(qū)降水可能的影響過程。

4.1 與水平環(huán)流的關系

圖4為東海夏季潛熱通量偏高（低）時中國東部及近海上空對流層低層850hPa風場的合成分布。由圖4可見，當東海潛熱通量偏高時（圖4a），西北太平洋上空出現(xiàn)一個異常的氣旋性環(huán)流，環(huán)流中心位于菲律賓東部海面，中國東部大陸位于氣旋性環(huán)流的西北部，其上空為偏東北風異常，顯著區(qū)域位于東海及中國華南地區(qū)，而江淮流域及華北地區(qū)環(huán)流異常并不顯著。當東海潛熱通量偏高時，上述異常的氣旋性環(huán)流顯然不利于水汽由南方地區(qū)向北的輸送，從而可能使到達長江中、下游流域及以北地區(qū)的水汽偏少；當東海潛熱通量偏低時（圖4b），大氣環(huán)流情況則基本與圖4a相反，西北太平洋上空為異常的反氣旋性環(huán)流，這有利于水汽由南方向北方的輸送，從而可使得長江中、下游流域及以北地區(qū)水汽增多。

圖4 東海潛熱通量偏高（a）和偏低（b）時中國東部及近海850hPa風場合成分布（單位：m／s，陰影表示通過90%信度檢驗的區(qū)域）Fig.4 Summer precipitation for the LHFI of high anomalies（a）and low anomalies（b）of wind field at 850hPa（The areas with the significant level atα＝0.10are shaded）

4.2 與經(jīng)向垂直環(huán)流的關系

為了研究東海夏季潛熱通量年際變異時東亞地區(qū)上空經(jīng)向環(huán)流的異常狀況，本文首先利用合成方法分析了東海潛熱通量偏高（低）狀態(tài)時東亞地區(qū)上空大氣經(jīng)向環(huán)流的異常分布（圖5）。

從圖5可以看到：東海潛熱通量異常與我國東部上空經(jīng)向環(huán)流密切相關。當東海潛熱通量處于偏高時（圖5a），長江中、下游流域（約30°～34°N）盛行下沉氣流正異常（90%的信度檢驗）；而在華南地區(qū)（約22°～24°N）為上升氣流正異常。當潛熱通量處于偏低時（圖5b），上述地區(qū)的經(jīng)向環(huán)流情況相反。由此可知，當東海潛熱通量處于偏高（偏低）狀態(tài)時，長江中、下游流域會出現(xiàn)異常的下沉（上升）氣流，低層水汽輻散（輻合）加強和降水偏少（偏多），而在華南地區(qū)形成上升（下沉）氣流和低層水汽輻合（輻散）加強和降水偏多（偏少）。

為了進一步比較和分析東海潛熱通量異常時中國東部上空經(jīng)向環(huán)流的異常情況，利用上述的東海潛熱通量年際變化顯著海區(qū)的潛熱通量指數(shù)與東亞區(qū)域（110°～135°E）緯向平均的大氣經(jīng)向環(huán)流進行回歸分析（圖6）。

圖5 東海潛熱通量偏高（a）和偏低（b）時東亞地區(qū)經(jīng)向環(huán)流的合成分布（陰影區(qū)表示通過90%信度檢驗的區(qū)域）Fig.5 Summer meridional circulation for the LHFI of high anomalies（a）and low anomalies（b）of East China Sea（The areas with the significant level atα＝0.10are shaded）

圖6 東海潛熱通量指數(shù)與東亞地區(qū)經(jīng)向環(huán)流的回歸分布（陰影區(qū)表示通過90%信度檢驗的區(qū)域）Fig.6 Regression patterns of the summer meridional circulation in East Asia and LHFI in East China Sea（The areas with the significant level atα＝0.10are shaded）

由圖6可見，當東海的潛熱通量為正（負）異常時，對應的經(jīng)向環(huán)流在華南地區(qū)形成上升（下沉）氣流和低層水汽輻合（輻散）正異常，而在長江中、下游流域形成下沉（上升）氣流和低層水汽輻散（輻合）正異常，均通過90%的信度檢驗，這與前面合成分析的結(jié)果（圖5）基本一致。由此可見，東海潛熱通量異?？赡苤饕峭ㄟ^影響東亞地區(qū)上空的經(jīng)向環(huán)流而引起中國東部夏季降水年際變化的異常。如前所述，局地海域的潛熱通量異?？梢酝ㄟ^影響其上空大氣環(huán)流而進一步影響其它地區(qū)環(huán)流及降水等氣候狀況［25］，因此，東海夏季正異常的潛熱通量容易引起華南地區(qū)異常的上升氣流和低層水汽輻合的加強，從而使得長江中、下游地區(qū)出現(xiàn)異常的下沉氣流和低層水汽輻散加強；同樣，東海夏季負異常的潛熱通量也容易引起前者下沉氣流異常和低層水汽輻散的加強，后者的上升氣流異常和低層水汽輻合加強。

4.3 與緯向垂直環(huán)流的關系

為研究東海夏季潛熱通量異常時我國東部上空大氣緯向環(huán)流的異常情況，利用合成和回歸分析方法分別研究當東海潛熱通量處于偏高（低）狀態(tài)時同期東亞地區(qū)上空大氣緯向環(huán)流的異常情況。由于長江中、下游流域和華南地區(qū)的降水分布不同，可能上空的緯向環(huán)流也有不同，故分別分析了東海夏季潛熱通量指數(shù)與華南地區(qū)（22.5°～27.5°N）和長江中、下游地區(qū)（27.5°～35°N）上空平均的大氣緯向環(huán)流的關系。

圖7為華南地區(qū)上空大氣緯向環(huán)流的異常分布。由圖7可以看出，當東海潛熱通量偏高時（圖7a），華南地區(qū)及近海上空盛行東風異常和上升氣流，大約在112.5°～125°E地區(qū)有異常的上升運動，而在112.5°E以西的區(qū)域有異常的下沉運動；當東海潛熱通量偏低時（圖7b），華南地區(qū)及近海上空盛行西風異常和下沉氣流，大約在112.5°～125°E地區(qū)有異常的下沉運動，而在112.5°E以西的區(qū)域有異常的上升運動。此外，利用回歸方法做了類似圖6的分析，得到的結(jié)果與圖7基本一致。這種緯向環(huán)流的異常與圖3所示的華南地區(qū)的降水異常相對應。由此可知，當東海潛熱通量偏高（低）時，華南地區(qū)容易形成異常的上升（下沉）氣流和低層水汽輻合（輻散）加強，降水偏多（少）。當東海潛熱通量偏高（低）時，華南地區(qū)則容易產(chǎn)生異常的下沉（上升）氣流和低層水汽輻散（輻合）加強，降水偏少（多）。

圖7 東海潛熱通量偏高（a）和偏低（b）時22.5°～27.5°N平均的緯向環(huán)流的合成分布（陰影區(qū)表示通過90%信度檢驗的區(qū)域）Fig.7 Summer zonal mean circulation（22.5°～27.5°N ）for the LHFI of high anomalies（a）and low anomalies（b）of East China Sea（The areas with the significant level atα＝0.10are shaded）

圖8為長江中、下游地區(qū)上空緯向環(huán)流的異常分布。由圖8可以看到，當東海潛熱通量偏高時（圖8a），長江中、下游地區(qū)及近海上空盛行東風異常和上升氣流，大約在110°～122.5°E地區(qū)有異常的下沉運動，而在110°E以西的區(qū)域有異常的上升運動；當東海潛熱通量偏低時（圖8b），大約在110°～122.5°E地區(qū)有異常的上升運動，而在110°E以西的區(qū)域有異常的下沉運動，回歸分析的結(jié)果也與此基本一致。這種緯向環(huán)流的異常也與圖3所示的長江中、下游地區(qū)的降水異常相對應。由此可知，當東海潛熱通量處于偏高（低）時，都有利于在長江中、下游地區(qū)形成下沉（上升）氣流和低層水汽輻散（輻合）加強，降水偏少（多）。

圖8 東中國海潛熱通量偏高（a）和偏低（b）時27.5°～35°N平均的緯向環(huán)流的合成分布（陰影區(qū)表示通過90%信度檢驗的區(qū)域）Fig.8 Summer zonal mean circulation（27.5°～35°N ）for the LHFI of high anomalies（a）and low anomalies（b）of East China Sea（The areas with the significant level atα＝0.10are shaded）

綜上所述，東海夏季潛熱通量的年際變化與中國東部上空的大氣環(huán)流和中國東部降水的變化關系密切。當東海潛熱通量偏高（低）時，中國東部的氣旋性（反氣旋性）環(huán)流異常不（有）利于水汽向長江中、下游流域及以北地區(qū)的輸送；并且，無論是經(jīng)向，還是緯向的大氣垂向環(huán)流，在長江中、下游流域為異常的下沉（上升）氣流和低層水汽輻散正（負）異常，有利于該地區(qū)夏季降水偏少（偏多）；而華南地區(qū)為異常上升（下沉）氣流和低層水汽輻合正（負）異常，有利于該地區(qū)夏季降水偏多（偏少）。由此可知，東海的潛熱通量異常可通過影響東亞地區(qū)上空的大氣環(huán)流變化而引起中國東部夏季降水年際變化的異常。

5 討論與結(jié)論

本文利用OAflux3、NCEP＼NCAR的再分析資料和中國大陸東部（105°E以東）108個站點的降水資料，分析了中國東部夏季降水的年際變化和東亞地區(qū)夏季大氣緯向、經(jīng)向環(huán)流異常與東海潛熱通量異常的關系，得到如下幾點結(jié)論：

（1）根據(jù)東海及鄰近海域夏季潛熱通量的時空分布特征，潛熱通量顯著變化區(qū)域位于東海，具體范圍為27.5°～36°N、122°～133°E，而潛熱通量的年際異?？赡芘c東海海表溫度及東亞季風的年際變化有關。

（2）由統(tǒng)計分析結(jié)果得知，中國東部夏季年際降水與東海潛熱通量的異常關系密切，當東海潛熱通量處于偏高（低）時，在長江中、下游流域降水偏少（多）；華南地區(qū)降水偏多（少）。

（3）當東海潛熱通量偏高時，西北太平洋低層上空為氣旋性環(huán)流異常，中國東部大陸上空盛行異常的偏東北風，不利于暖濕氣流向北輸送，從而可能使到達長江中、下游流域及以北地區(qū)的水汽偏少；當東海潛熱通量偏低時，情況則基本相反，西南氣流加強，有利于水汽向北的輸送，從而可為長江中、下游及以北地區(qū)的降水提供充足的水汽來源。

（4）當東海潛熱通量處于偏高（低）狀態(tài)時，長江中、下游流域為異常的下沉（上升）氣流和低層水汽輻散（輻合）正異常，不（有）利于長江中、下游流域的降水；在華南地區(qū)為異常上升（下沉）氣流和低層水汽輻合（輻散）正異常，有（不）利于華南地區(qū)的降水。

由此可見，東海夏季潛熱通量的異常與東亞地區(qū)上空大氣環(huán)流和中國東部降水的異常變化有密切關系。上述的分析表明，東海夏季潛熱通量的年際變化很可能是通過影響東亞地區(qū)上空的大氣環(huán)流和水汽輸送而引起中國東部夏季降水年際變化的異常。但由于中國地處東亞季風區(qū)，夏季汛期降水的年際變化大，影響因素多，而本文僅著重研究了中國東部夏季降水年際變化與同期東海關鍵區(qū)潛熱通量變異的關系，且所使用的數(shù)據(jù)資料時間仍相對較短，故僅從潛熱通量的角度研究降水的年際變化，仍顯不足，這可能也影響了本文部分結(jié)果檢驗的顯著性。此外，關于東海潛熱通量異常對中國東部氣候的影響機制還有待于利用數(shù)值模式等方法深入研究。

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