北太平洋增暖對我國西北秋雨的影響

韓晉平

（中國氣象科學(xué)研究院，北京100081）

北太平洋增暖對我國西北秋雨的影響

韓晉平＊

（中國氣象科學(xué)研究院，北京100081）

利用1979—2012年我國160站逐月降水資料、NOAA全球海洋表面溫度資料和NCEP－DOE大氣環(huán)流再分析資料，采用統(tǒng)計(jì)分析方法研究了北太平洋海表增暖對我國西北秋雨年代際變化的影響。結(jié)果表明：西北秋雨在2000年前后經(jīng)歷了年代際躍變，1986—1999年為少雨期，2000—2012年為多雨期。進(jìn)一步分析表明：西北秋雨的年代際變化與北太平洋海表增暖關(guān)系密切，北太平洋海溫偏暖時，東亞—北太平洋地區(qū)的大氣溫度升高，引起東亞地區(qū)的南北溫差減弱，使東亞西風(fēng)急流減弱，急流中心偏北，東亞中緯度地區(qū)氣壓升高，導(dǎo)致異常東風(fēng)水汽輸送帶偏強(qiáng)，造成西北秋雨異常偏多。

我國西北秋雨；北太平洋海溫；年代際變化

引 言

我國秋雨區(qū)位于中緯度內(nèi)陸地區(qū)，主要包括陜西、甘肅、寧夏和四川，該地區(qū)處于夏季風(fēng)活動邊緣帶［1］，干濕季節(jié)分明，降雨主要集中在夏秋季，降水量遠(yuǎn)小于東部地區(qū)，氣候平均年降水量為200～1000mm，立秋后，持續(xù)性陰雨主要發(fā)生在這里［2－3］，我國其他大部分地區(qū)秋高氣爽，降水稀少。由于秋雨的雨區(qū)集中，持續(xù)時間長，對秋季作物生長、冬季作物播種會產(chǎn)生很大影響，同時，由于西部地區(qū)多山地，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，持續(xù)降水易引起滑坡和泥石流等次級災(zāi)害，會給人民生命和國家經(jīng)濟(jì)造成損失。

秋雨有顯著的年代際周期變化，馮麗文等［4］研究發(fā)現(xiàn)，9月華西秋雨有3年和17年的周期，10月的周期為13年。白虎志等［5］指出華西秋雨有年代際變化特征，20世紀(jì)60年代到70年代初、80年代初呈北多南少；70年代末、80年代末到21世紀(jì)初呈北少南多。2000年以后，華西秋雨有了新變化，施雅風(fēng)等［6］研究發(fā)現(xiàn)，近年來北方部分地區(qū)的氣候在向暖濕轉(zhuǎn)變，與此同時，華西秋雨顯著增多［7］。

秋雨異常與大氣環(huán)流配置和下墊面狀況關(guān)系密切。持續(xù)秋雨往往是中高緯度環(huán)流系統(tǒng)與西太平洋副熱帶高壓相互作用的結(jié)果，歐亞環(huán)流型、中高緯度低壓槽、西太平洋副熱帶高壓西脊線位置等為秋雨提供了必要條件［8－19］。穩(wěn)定維持的異常環(huán)流場與海表溫度密切相關(guān)，ENSO與我國秋季降水關(guān)系密切。Zhang等［20－21］研究發(fā)現(xiàn)，El Nio年西北太平洋海洋性大陸附近的對流減弱，激發(fā)出大氣Rossby波，產(chǎn)生異常反氣旋，導(dǎo)致我國南方秋雨偏多。El Nio年，西北地區(qū)秋雨偏少，江南秋雨偏多［22－24］。還有研究發(fā)現(xiàn)，西太平洋海溫、印度洋偶極子和青藏高原東部的地表熱力狀況均與秋雨關(guān)系顯著［25－28］。魏鋒等［29］研究指出，西北地區(qū)的降水與北太平洋海溫異常有較好的對應(yīng)關(guān)系。朱益民等［30］研究發(fā)現(xiàn)，ENSO與我國氣候的關(guān)系受太平洋海溫的年代際躍變影響。北太平洋海表溫度在20世紀(jì)70年代末發(fā)生了躍變，躍變前后我國汛期降水的格局發(fā)生了明顯變化，躍變前華北和華南地區(qū)降水偏多，躍變后東北地區(qū)和長江流域降水偏多［31－32］。

伴隨我國東部夏季降水的年代際變化［33］，西部秋雨在20世紀(jì)80—90年代持續(xù)減少，干旱加劇，2000年以后，秋雨顯著增多，即秋雨發(fā)生了年代際變化。ENSO與秋雨關(guān)系顯著，北太平洋海表溫度異常調(diào)制ENSO與我國氣候的關(guān)系，但北太平洋海表溫度異常是否影響我國秋雨的變化及可能的影響過程研究較少。本文研究北太平洋海表溫度對30°～40°N我國西北地區(qū)東部秋雨的影響，研究范圍與通常定義的華西秋雨區(qū)有所不同，一方面考慮了近年來有暖濕變化趨勢的區(qū)域主要在西北地區(qū)，西南地區(qū)不明顯，另一方面西北秋雨與西南秋雨是兩個相對獨(dú)立的雨區(qū)，二者變化不同步，如2011年北方遭遇了近60年罕見的秋雨，造成了嚴(yán)重洪澇災(zāi)害，此時西南地區(qū)深受干旱困擾［34］。

1 資 料

本文使用國家氣候中心提供的160站逐月降水資料、NCEP－DOE大氣環(huán)流月平均再分析資料（空間分辨率為2.5°×2.5°）［35］、美國國家海洋大氣管理局的全球海洋表面溫度重建延長資料（NOAA extended reconstructed SST）（空間分辨率為2°×2°）［36］，以上資料時間均為1979—2012年，共34年。

2 我國西北秋雨年代際變化特征

用秋雨占全年降水量的百分比表示秋雨對該地區(qū)年降水的貢獻(xiàn)，值越大反映秋雨對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)活動影響越大。圖1a為9—10月氣候平均降水量占全年降水量的百分比分布圖。由圖1可知，百分比大于20%的區(qū)域主要位于黃河中上游和西南局部地區(qū)，最大值位于西北地區(qū)東部，超過25%，可見這里的秋雨對年降水量貢獻(xiàn)大，秋雨異常可能造成嚴(yán)重災(zāi)害，為了方便描述，以下將西北地區(qū)東部的秋雨簡稱為西北秋雨。

將30°～38°N，100°～113°E范圍內(nèi)9—10月降水量定義為秋雨指數(shù)，其多年時間序列如圖1b所示。西北秋雨指數(shù)氣候平均值為147mm，均方差為34mm，由圖1b可見，該指數(shù)年代際變化特征明顯，1986—1999是秋雨偏少年份，平均值為125mm，2000—2012年是秋雨偏多年份，平均值為157mm，兩個年代的降水量相差32mm，超過氣候平均值的20%。對西北秋雨指數(shù)的13年滑動t檢驗(yàn)（圖1c）表明，西北秋雨指數(shù)有年代際變化，1999年為轉(zhuǎn)折年。因此，本文將1986—1999年作為秋雨負(fù)異常年，2000—2012年作為秋雨正異常年，各氣象要素在正異常年和負(fù)異常年的平均值差異表示年代際變化。對300hPa以下的水汽和水汽水平輸送進(jìn)行垂直積分，分別得到整層水汽和整層水汽輸送，二者在正異常年與負(fù)異常年兩個時段平均值的差異作為年代際變化。

圖1 我國9—10月氣候平均降水量占全年降水量的百分比（單位：%）（a）和1979—2012年西北秋雨指數(shù)（黑色實(shí)線為對應(yīng)時段平均值）（b）及其13年滑動t檢驗(yàn)曲線（虛線表示0.01顯著性水平）（c）Fig.1 The percentage of climate mean precipitation in September and October to total amount（unit：%）（a）and autumn rain index（black lines denote averaged values for corresponding period）（b）with 13－year－runningttest of autumn rain index（the dashed line denotes 0.01level）（c）

圖2是我國秋雨的年代際變化。由圖2可見，發(fā)生年代際變化的區(qū)域主要集中在30°N以北的黃河流域，除東北和西南有個別顯著減少的站點(diǎn)外，其他地區(qū)變化不顯著，這也說明西北秋雨與西南秋雨變化不同步。圖2表明，21世紀(jì)后，西北秋雨增加明顯，這對緩解西北地區(qū)的干旱有重要意義。

圖2 2000—2012年與1986—1999年我國秋雨的降水量之差（實(shí)心圖標(biāo)表示該站差值達(dá)到0.05顯著性水平，其中●表示差值為正，▲表示差值為負(fù)）Fig.2 The precipitation difference in September and October for 2000－2012and 1986－1999China（●denotes positive difference above 0.05level，▲denotes negative difference above 0.05level）

3 大氣環(huán)流的年代際變化

降水變化與大氣中的水汽輸送有密切關(guān)系，圖3a是大氣整層水汽輸送的年代際變化。由圖3a可知，110°E以東，沿35°N為一條東西向的異常東風(fēng)輸送帶，向東可追溯到太平洋上空，向西北可延伸到達(dá)巴爾喀什湖。異常東風(fēng)輸送帶使35°～40°N，80°～110°E范圍的水汽顯著增加，其南北兩側(cè)的水汽減少（圖3b）。結(jié)合圖3a和3b可知，異常東風(fēng)帶將水汽輸送到我國西北地區(qū)，為該地區(qū)的秋雨提供了水汽條件。由于我國地形總體為西高東低，異常東風(fēng)帶將水汽自東向西輸送，遇到地形抬升，更有利于降水落在我國西北地區(qū)東部。

低層氣流輻合由氣壓場引導(dǎo)，由500hPa位勢高度年代際差異（圖4a）可知，100°E以東的大陸，正高度異常的顯著區(qū)位于30°～50°N，50°N以北為負(fù)高度異常。在秋季氣候平均環(huán)流場上，30°～50°N為東亞大陸沿岸的槽區(qū)，正位勢高度異常表明秋雨偏多年代中緯度東亞沿岸的槽比較淺，這不利于中緯度冷空氣南下。

低層氣流的輻合必然導(dǎo)致上升運(yùn)動。圖4b顯示30°N以北的我國北方存在大范圍的上升運(yùn)動，在上升運(yùn)動區(qū)的南北兩側(cè)是氣流下沉區(qū)。從100°～115°E范圍內(nèi)的剖面（圖4c）可見，20°～40°N 的垂直上升運(yùn)動可達(dá)400hPa，其南側(cè)（20°～25°N）也存在一上升區(qū)，但僅在對流層中下層明顯。40°N以北的下沉區(qū)在對流層中層最顯著。這表明秋雨異常偏多年伴有深厚的上升運(yùn)動。

圖3 2000—2012年與1986—1999年整層水汽輸送之差（a）和整層水汽積分之差（單位：g·m－2）（b）（填色區(qū)表示達(dá)到0.05顯著性水平）Fig.3 Differences of integrated water vapor transport（a）and integrated water vapor（unit：g·m－2）（b）for 2000－2012and 1986－1999periods（the shaded denotes above 0.05level）

圖4 2000—2012年與1986—1999年500hPa高度場之差（單位：gpm）（a）、垂直運(yùn)動之差（單位：Pa·s－1）（b）和100°～115°E剖面垂直運(yùn)動之差（單位：Pa·s－1）（c）（填色區(qū)表示達(dá)到0.05顯著性水平）Fig.4 Differences of 500hPa geopotential height（unit：gpm）（a），500hPa vertical velocity（unit：Pa·s－1）（b）and section of difference of vertical velocity over 100°－115°E（unit：Pa·s－1）（c）for 2000－2012 and 1986－1999（the shaded denotes above 0.05level）

4 北太平洋海表增暖與北方秋雨的關(guān)系

從海表溫度年代際變化（圖5a）可知，中緯度北太平洋海表溫度為正異常，最大增暖超過0.8℃，熱帶—副熱帶東太平洋海表溫度為負(fù)異常，最大值為－0.4℃，即海表溫度異常呈現(xiàn)類似太平洋年代際振蕩（PDO）的冷位相型分布。將21°～ 61°N，140°～220°E區(qū)域平均的海表溫度作為北太平洋海表溫度指數(shù)（圖5b）。由圖5b可見，北太平洋海溫最近幾十年持續(xù)增暖，1999年以后增暖更顯著。

圖5 2000—2012年與1986—1999年海表溫度之差（單位：℃；填色區(qū)表示達(dá)到0.05顯著性水平）（a）及北太平洋海表溫度指數(shù)（虛線表示平均值）（b）Fig.5 The difference of sea surface temperature for 2000－2012and 1986－1999（unit：℃；the shaded denotes above 0.05level）（a）and North Pacific sea surface temperature index（the dashed line denotes averaged value）（b）

PDO作為氣候背景對東亞氣候有調(diào)制作用，在PDO冷位相背景下，北太平洋海表溫度持續(xù)增暖對大氣環(huán)流以及我國西北秋雨的影響顯著。由于中緯度海氣相互作用異常強(qiáng)烈，二者非線性關(guān)系顯著，同期相關(guān)不能表明二者的因果關(guān)系，因此，以7—8月的海表溫度指數(shù)與秋季大氣環(huán)流的關(guān)系來體現(xiàn)前期海溫異常對后期大氣環(huán)流的影響。

圖6為7—8月北太平洋海表溫度與我國秋季降水的關(guān)系。由圖6可知，西北地區(qū)東部和黃河河套地區(qū)的降水為顯著正相關(guān)關(guān)系，表明北太平洋海表溫度異常增暖時，上述地區(qū)的秋季降水偏多。由此可見，北太平洋海表溫度升高與我國西北秋雨增加有密切關(guān)系。

圖6 1979—2012年7—8月北太平洋海表溫度指數(shù)與我國秋季降水相關(guān)關(guān)系（實(shí)心圖標(biāo)表示達(dá)到0.1顯著性水平，其中●為正相關(guān)，▲為負(fù)相關(guān)）Fig.6 The correlation of July－August North Pacific Sea surface temperature to China autumn precipitation during 1979－2012（●denotes positive above 0.1level，▲ denotes negative above 0.1level）

5 北太平洋海溫對北方秋雨的影響機(jī)制

由7—8月海表溫度指數(shù)與秋季對流層大氣溫度的相關(guān)分布（圖7a）可知，二者在中緯度東亞—北太平洋地區(qū)和北極地區(qū)相關(guān)為正，熱帶太平洋為負(fù)，表明前期北太平洋增暖會導(dǎo)致中緯度的東亞—北太平洋秋季對流層增暖。中緯度大氣增暖會減弱東亞南北溫差，導(dǎo)致西風(fēng)急流減弱（圖7b）。

北太平洋增暖對500hPa位勢高度影響也很顯著，從北太平洋海表溫度指數(shù)與500hPa高度場的相關(guān)（圖8）來看，當(dāng)7—8月海表溫度增暖時，秋季20°～45°N位勢高度為正異常，熱帶和50°N以北為負(fù)異常，與圖4a空間分布形勢相似，只是顯著區(qū)位置略偏東。這表明前期北太平洋增暖有利于秋季這一區(qū)域的氣壓升高，減弱了東亞沿岸的淺槽，不利于冷空氣南下活動，對穩(wěn)定對流層低層的偏東風(fēng)有重要作用。

圖7 1979—2012年7—8月北太平洋海表溫度指數(shù)與秋季對流層大氣溫度（a）和200hPa緯向風(fēng)（b）相關(guān)分布（填色區(qū)表示達(dá)到0.05顯著性水平）Fig.7 The correlation of July－August North Pacific sea surface temperature to tropospheric mean temperature（a）and 200hPa zonal wind（b）in autumn during 1979－2012（the shaded denotes above 0.05level）

圖8 1979—2012年7—8月北太平洋海表溫度指數(shù)與500hPa位勢高度（a）和垂直速度（b）相關(guān)分布（填色區(qū)表示達(dá)到0.05顯著性水平）Fig.8 The correlation of July－August North Pacific sea surface temperature to 500hPa geopotential height（a）and vertical velocity（b）in autumn during 1979－2012（the shaded denotes above 0.05level）

中緯度地區(qū)氣壓升高會導(dǎo)致其南部出現(xiàn)偏東風(fēng)異常。由7—8月海表溫度與秋季整層水汽輸送相關(guān)分布（圖9）可見，當(dāng)前期海表溫度偏暖時，90°～120°E范圍內(nèi)以40°N為界，北部40°～60°N，90°～120°E為異常反氣旋，南部20°～40°N，90°～110°E為異常氣旋區(qū)，二者間的異常東風(fēng)水汽輸送帶，向東可追溯到西北太平洋，這與圖3a結(jié)果類似。

圖9 1979—2012年7—8月北太平洋海表溫度與秋季整層水汽輸送相關(guān)分布（填色區(qū)表示達(dá)到0.05顯著性水平）Fig.9 The correlation of July－August North Pacific sea surface temperature to autumn integrated water vapor transport during 1979－2012（the shaded denotes above 0.05level）

綜上所述，北太平洋海表增暖可以使秋季東亞中緯度大氣增暖，從而減弱東亞地區(qū)的南北溫差，引起大氣環(huán)流發(fā)生變化，導(dǎo)致西北秋雨增多。

6 結(jié)論和討論

本文研究北太平洋海表增暖對我國西北秋雨的影響，得到以下結(jié)論：

1）我國西北秋雨在2000年出現(xiàn)了年代際變化，1986—1999為少雨期，2000—2012為多雨期。

2）我國西北秋雨的年代際變化與北太平洋海表增暖關(guān)系密切。當(dāng)北太平洋海表溫度增加時，中緯度對流層大氣溫度升高，使東亞沿岸的南北溫差減小，進(jìn)而使東亞西風(fēng)急流減弱。

3）對流層大氣升溫導(dǎo)致東亞沿岸氣壓升高，大槽變淺，其南部出現(xiàn)異常偏東風(fēng)，有利于水汽從海洋向我國內(nèi)陸輸送，豐富的水汽在西北地區(qū)東部輻合上升，最終導(dǎo)致我國西北秋雨異常偏多。

本文側(cè)重北太平洋海表增暖對我國西北秋雨變化的影響，但這只是秋雨年代際變化的一個可能原因，存在不確定性，還有很多工作值得深入開展。西北地區(qū)降水往往是鋒面降水，不僅需要暖濕氣流的輸送，還與冷空氣活動有關(guān)，本文強(qiáng)調(diào)了異常東風(fēng)帶來的暖濕氣流作用，但其他環(huán)流因子的作用也不可忽視。秋季正值季節(jié)轉(zhuǎn)換時期，夏季風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)逐漸減弱撤離大陸，冬季風(fēng)系統(tǒng)正在建立，此時二者勢力相當(dāng)，冷暖空氣都比較活躍，因此各個環(huán)流系統(tǒng)的配置顯得格外重要，如中緯度貝加爾湖低壓和低緯度印緬槽對干冷氣流和暖濕氣流的強(qiáng)度和路徑有重要影響。另外，資料長度不足，樣本少是氣候年代際變化研究不確定性的重要原因，本文也不例外，本文使用的資料只有34年，年代際變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)只有1次，因此尚無法確定北太平洋海表溫度與我國西北秋雨的關(guān)系是否穩(wěn)定。Wang等［37］和 Wei等［38］研究發(fā)現(xiàn)，東亞冬季風(fēng)在1987年和2000年有兩次年代際變化，同時我國東部夏季降水在20世紀(jì)90年代末也發(fā)生了年代際變化［39］，與我國西北秋雨年代際變化發(fā)生時間大體一致，是否有內(nèi)在聯(lián)系還無法確定，我國西北秋雨與冬、夏季風(fēng)強(qiáng)弱的關(guān)系值得進(jìn)一步探討。

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Influences of the North Pacific Warming on Autumn Precipitation in Northwest China

Han Jinping
（Chinese Academy of Meteorological Sciences，Beijing100081）

Based on monthly precipitation data from 160meteorological stations established by National Climate Center in China，NOAA reconstructed extended monthly SST and monthly atmospheric circulation data from NCEP－DOE Reanalysis datasets，the influence of North Pacific sea surface temperature（SST）on autumn precipitation from 1979to 2012in Northwest China is studied by using statistical analysis method.An inter－decadal change of the autumn precipitation is found around the year of 2000by 11－year－runningttest.It is in the dry period during 1986－1999and wet period during 2000－2012for the region in Northwest China.Further analysis shows that the inter－decadal change of autumn precipitation in Northwest China is connected with the warming SST in the North Pacific after 2000.When the SST in the North Pacific is in warm phase，the troposphere temperature over East Asia－Northwest Pacific is dramatically increased.The contrast of troposphere temperature between the north and the south over the East Asia－Northwest Pacific is directly associated with the strength of westerly jet and the geopotential high anomalies over the region.The warming of troposphere temperature over East Asia－Northwest Pacific weakens the atmospheric thermal contrast between the mid－low latitudes and the polar area in the East Asian region.Influenced by the decreased thermal contrast along East Asia region，the westerly jet over the East Asia－Northwest Pacific is reduced significantly.And the westerly jet center at middle latitudes near the East Asian coast shifts northward.The warming in troposphere circulation and the north shifting of weakened westerly jet tend to make the geopotential high along East Asian coast increase significantly.In other words，the trough at 500hPa along the East Asian coast is weakened，which is characterized as an anomalous anticyclone at 500hPa.The anomalous wind flows at 850hPa in the south of the anticyclone are easterlies.As a result，the water vapor transported by anomalous easterlies from the Northwest Pacific into Northwest China along East Asian coast is increased.Both water vapor and convergence are enhanced，leading to increasing autumn precipitation in northwest China after 2000.Results suggest that autumn precipitation in Northwest China is in the wet phase after 2000and has a rising chance to bring flood disaster.As the autumn precipitation is much different from summer rainfall，the prediction of the autumn precipitation in the Northwest China is a new challenge to short term climate forecast.The warming background in the North Pacific could be a factor to consider at the decadal timescale.

autumn precipitation in Northwest China；SST in the North Pacific；inter－decadal change

韓晉平.北太平洋增暖對我國西北秋雨的影響.應(yīng)用氣象學(xué)報，2014，25（3）：257－264.

2013－09－13收到，2014－02－18收到再改稿。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41005045），中國氣象科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（2013Z002），科技部國際合作項(xiàng)目（2009DFA21430）。

＊email：hanjp＠cams.cma.gov.cn