內(nèi)蒙古夏季降水變率的優(yōu)勢(shì)模態(tài)及其環(huán)流特征

李妍布和朝魯林大偉, 3謝作威

1成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院，成都6102252中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所國(guó)際氣候與環(huán)境科學(xué)中心，北京1000293中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049

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內(nèi)蒙古夏季降水變率的優(yōu)勢(shì)模態(tài)及其環(huán)流特征

李妍1布和朝魯2林大偉2, 3謝作威2

1成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院，成都610225
2中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所國(guó)際氣候與環(huán)境科學(xué)中心，北京100029
3中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049

摘 要本文基于1961～2013年的中國(guó)氣象局降水資料以及NCEP/NCAR再分析資料，針對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)夏季降水，利用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解法（EOF）和合成分析法，考察了年際尺度上內(nèi)蒙古地區(qū)夏季降水分布的不同類(lèi)型，并分析其前兩個(gè)模態(tài)的典型環(huán)流形勢(shì)以及相關(guān)的春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換特征。內(nèi)蒙古夏季降水在年際尺度上主要分為整體一致型和東西反向型。整體一致型模態(tài)以貝加爾湖北側(cè)和南側(cè)對(duì)流層中上層環(huán)流的反位相變化、源于伊朗北部—中亞地區(qū)的中緯度遙相關(guān)型波列以及東亞地區(qū)“東高西低”或“西高東低”的環(huán)流形勢(shì)為主要特征。而東西反向型模態(tài)以東歐平原—烏拉爾山東側(cè)—內(nèi)蒙古東部及東北地區(qū)為異常中心的波狀環(huán)流以及東亞沿岸中高緯地區(qū)偶極子環(huán)流異常（“北高南低”或“北低南高”）為主要特征。這兩種夏季降水模態(tài)的正負(fù)位相分別對(duì)應(yīng)著亞洲中高緯環(huán)流春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換提前和滯后的情形。這些結(jié)論有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)內(nèi)蒙古地區(qū)夏季降水異常及其典型環(huán)流特征，從而為其預(yù)測(cè)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞內(nèi)蒙古夏季降水 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解 環(huán)流異常 春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換

李妍，布和朝魯，林大偉，等. 2016. 內(nèi)蒙古夏季降水變率的優(yōu)勢(shì)模態(tài)及其環(huán)流特征 [J]. 大氣科學(xué), 40 (4): 756-776. Li Yan, BUEH Cholaw, Lin Dawei, et al. 2016. The dominant modes of summer precipitation over Inner Mongolia and its typical circulation characteristics [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 40 (4): 756-776, doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1509.15187.

1 引言

中國(guó)是世界氣候脆弱區(qū)之一（黃燕玲等，2015），其氣候異常往往引發(fā)旱澇等重大氣候?yàn)?zāi)害。內(nèi)蒙古自治區(qū)位于我國(guó)北部邊疆，地處內(nèi)陸，遠(yuǎn)離海洋，干旱少雨，屬于干旱、半干旱地區(qū)，東亞夏季風(fēng)對(duì)它的影響較弱，也是我國(guó)氣候變化最敏感的地區(qū)之一（包云等，2011）。內(nèi)蒙古地區(qū)大部分為沙壤土，土質(zhì)疏松，嚴(yán)重的干旱少雨可造成植被的退化，也使農(nóng)業(yè)大幅度減產(chǎn)，甚至絕收。內(nèi)蒙古地區(qū)是我國(guó)畜牧業(yè)的主要基地，該地區(qū)的氣候異?？芍苯佑绊懩敛莸纳L(zhǎng)，從而影響牲畜的生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖，干旱少雨對(duì)牧業(yè)造成重大損失。充分了解內(nèi)蒙古地區(qū)降水異常分布特征及其影響因子對(duì)提高內(nèi)蒙古旱澇災(zāi)害的預(yù)報(bào)水平以及農(nóng)業(yè)和牧業(yè)生產(chǎn)有著極為重要的意義。

國(guó)內(nèi)很多學(xué)者研究了不同地區(qū)降水的時(shí)空變化等問(wèn)題（Yang and Lau, 2004；Ding et al., 2007；張磊和繆啟龍，2007）。針對(duì)我國(guó)北方降水的研究也有很多，但大多分為華北、東北和西北三個(gè)區(qū)域進(jìn)行分析（李棟梁等，1997；黃榮輝等，1999，2006；趙春雨等，2008），對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)的研究則較少。內(nèi)蒙古自治區(qū)地域遼闊、地形復(fù)雜，東西向橫跨西北、華北和東北三個(gè)區(qū)域，它的氣候存在一定的特殊性。此前一些學(xué)者探討了內(nèi)蒙古地區(qū)的氣候變化，他們的研究表明近 50年我國(guó)東北北部和內(nèi)蒙古大部分地區(qū)降水都有一定程度的增加（丁一匯等，2006；白美蘭等，2006；張智等，2009）。烏云娜等（2002）發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古沙地和沙漠表現(xiàn)出變暖和變干的趨勢(shì)，20世紀(jì)90年代后期降水有所增加，但其分布不均勻?？傮w來(lái)看，目前有關(guān)內(nèi)蒙古降水異常的研究大多從氣候變化趨勢(shì)和年代際變化的角度探討，而對(duì)其年際變化特征及其典型環(huán)流特征的綜合分析則很少。然而，內(nèi)蒙古地區(qū)深處我國(guó)內(nèi)陸，降水總量較少，年際變率較大，對(duì)該地區(qū)生產(chǎn)生活有重要影響。因此對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)降水在年際尺度上的研究是很有必要的。

大范圍的夏季降水異常都是大氣環(huán)流異常的結(jié)果（楊蓮梅和張慶云，2008）。研究表明，東亞夏季風(fēng)強(qiáng)弱、西太平洋副高的異常、中高緯環(huán)流異常以及ENSO事件等都是影響我國(guó)夏季降水異常的重要因素（龔道溢，2003；黃嘉佑等，2004；王蕾等，2004；丁一匯等，2013）。雖然內(nèi)蒙古位于我國(guó)北方地區(qū)，地處內(nèi)陸，但其夏季降水情況也在一定程度上受東亞夏季風(fēng)的影響。當(dāng)夏季風(fēng)較強(qiáng)時(shí)，極鋒偏北，對(duì)北方的降水有利，而長(zhǎng)江中下游一帶在東亞夏季風(fēng)控制下表現(xiàn)為少雨形勢(shì)；在弱夏季風(fēng)年，長(zhǎng)江中下游以多雨占優(yōu)勢(shì)，華南和華北則多為少雨（郭其蘊(yùn)，1983）。此外，東亞夏季風(fēng)呈現(xiàn)多模態(tài)變化特征，其中高階模態(tài)與高緯度環(huán)流異常有密切的關(guān)系，而且夏季中高緯大氣環(huán)流異常的影響主要體現(xiàn)在阻塞高壓異常和遙相關(guān)波列的盛行（張慶云和陶詩(shī)言，1998；Wu et al., 2008；武炳義和張人禾，2011）。此前的一些工作也提到了中高緯大氣環(huán)流異常對(duì)中國(guó)北方夏季降水多寡的影響。例如，張培忠和楊素蘭（1996）指出，內(nèi)蒙古地區(qū)的夏季干旱多與貝加爾湖地區(qū)（80°E～100°E）和東北亞地區(qū)（120°E～150°E）阻塞高壓的持續(xù)維持相聯(lián)系。烏拉爾山、鄂霍次克海以及貝加爾湖等地區(qū)高度場(chǎng)的變化也對(duì)北方夏季降水有很大的影響（李春和孫照渤，2003）。衛(wèi)捷等（2003，2004）發(fā)現(xiàn)，北半球歐亞型（EU）靜止波列的持續(xù)維持以及下墊面的熱力反饋是我國(guó)北方干旱形成的主要原因。Liang et al. (2011）指出，華北多雨年和少雨年歐亞大陸西風(fēng)急流帶中存在相反的遙相關(guān)波列，即多（少）雨年亞洲中高緯從烏拉爾山到鄂霍茨克區(qū)域出現(xiàn)“＋－＋（－＋－）”波列形勢(shì)，該波列向下游傳播，引起華北降水的偏多（少）。

此外，東北冷渦和極渦對(duì)內(nèi)蒙古夏季降水也有非常重要的影響。陶詩(shī)言（1980）指出東北冷渦型是造成中國(guó)東北地區(qū)、內(nèi)蒙古東部以及華北北部暴雨或雷陣雨的環(huán)流形勢(shì)之一。在東北冷渦活躍的夏季，東亞地區(qū)對(duì)流層維持著深厚的偶極子型位勢(shì)高度異常，高空急流向南偏移并略加強(qiáng)，易于使華北和東北地區(qū)降水偏多，甚至能造成大范圍持續(xù)性強(qiáng)降水（孫力等，2000；胡開(kāi)喜等，2011；謝作威和布和朝魯，2012；布和朝魯和謝作威，2013）。另一方面，馬清霞（2003）的研究發(fā)現(xiàn)極渦向歐洲和東北亞/鄂霍茨克海地區(qū)伸入與否與隨后的內(nèi)蒙古地區(qū)降水有著密切的關(guān)系，因此極渦活動(dòng)特征可能對(duì)內(nèi)蒙古夏季旱澇預(yù)測(cè)有一定的指示意義。盡管華北降水異常特征也或多或少與內(nèi)蒙古降水異常有聯(lián)系，但這一聯(lián)系（如相關(guān)系數(shù)）并不顯著（孫燕等，2002）。換言之，華北降水異常的典型環(huán)流特征與內(nèi)蒙古降水多寡的典型環(huán)流特征存在差異。因此，本文試圖給出內(nèi)蒙古夏季降水分布的不同類(lèi)型（或模態(tài)）及其對(duì)應(yīng)的典型環(huán)流特征。

本文在前人的工作基礎(chǔ)上，試圖回答以下幾個(gè)問(wèn)題：（1）在年際尺度上內(nèi)蒙古夏季降水分布存在哪些主要類(lèi)型？（2）對(duì)應(yīng)的典型環(huán)流特征分別是什么？（3）如何去理解與內(nèi)蒙古夏季降水異常對(duì)應(yīng)的環(huán)流形勢(shì)？通過(guò)上述問(wèn)題的回答可望為內(nèi)蒙古夏季旱澇的預(yù)測(cè)提供參考依據(jù)。

2 資料與方法

本文使用了中國(guó)氣象局1961～2013年的地面降水格點(diǎn)數(shù)據(jù)集（V 2.0），水平分辨率為0.5°×0.5° （趙煜飛等，2014）。該數(shù)據(jù)集是基于全國(guó)2474個(gè)國(guó)家級(jí)臺(tái)站近50年逐月、逐日降水量資料，并引入CTOP030數(shù)據(jù)（分辨率為 30"×30"）重采樣生成的中國(guó)范圍0.5°×0.5°數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)DEM，采用薄盤(pán)樣條法，制定了采用3個(gè)自變量（經(jīng)度、緯度、海拔高度）、降水量開(kāi)平方預(yù)處理、3次樣條的插值方案，對(duì)中國(guó)區(qū)域地面降水站臺(tái)資料進(jìn)行空間內(nèi)插而得到的。此外，本文還使用了 NCEP/NCAR逐月再分析資料（Kalnay et al., 1996），水平分辨率為2.5°×2.5°，垂直方向?yàn)?7層，資料長(zhǎng)度為1961～2013年（53年）。

本文研究時(shí)段為1966～2008年夏季（6～8月），所指的前期為當(dāng)年5月。本文主要關(guān)注內(nèi)蒙古地區(qū)夏季降水的年際變化特征及其相聯(lián)系的環(huán)流特征，因此下文中所討論的異常指的是原始場(chǎng)相對(duì)于其年代際分量（11年滑動(dòng)平均）的距平。本文采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（Empirical Orthogonal Function，簡(jiǎn)稱EOF）分解方法（Jolliffe，1986）對(duì)內(nèi)蒙古夏季降水進(jìn)行時(shí)空分解。EOF分析是針對(duì)氣象要素進(jìn)行的一種統(tǒng)計(jì)分析方法，基本原理是把隨時(shí)間變化的氣象要素場(chǎng)分解為空間函數(shù)部分和時(shí)間函數(shù)部分（黃嘉佑，2004；魏鳳英，2007）。

由于變量場(chǎng)空間點(diǎn)數(shù)大于樣本量，所以本文運(yùn)用North et al.（1982）提出的計(jì)算特征值誤差范圍的方法來(lái)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。特征值誤差范圍為其中，n為樣本量，當(dāng)特征值的取樣誤差小于等于該特征值與相鄰特征值之差時(shí)，即滿足時(shí)，就認(rèn)為這兩特征值所對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)是有價(jià)值的。

本文還使用了氣象上常用的合成和相關(guān)的分析方法來(lái)討論了內(nèi)蒙古夏季降水異常及其環(huán)流特征，并用t檢驗(yàn)法來(lái)檢驗(yàn)其顯著性。

3 內(nèi)蒙古夏季降水的年際變率

為了反映內(nèi)蒙古夏季降水在年際尺度上的空間分布特征，首先提取了內(nèi)蒙古地區(qū)夏季降水的年際變化部分（去除年代際變化部分，詳見(jiàn)第2節(jié)），然后進(jìn)行EOF分解。就年代際分量而言，由于其時(shí)間尺度比年際分量要大，屬于緩慢變化的部分，可由前期若干年的數(shù)據(jù)做出判斷。對(duì)內(nèi)蒙古夏季降水變率而言，其年際變化的方差貢獻(xiàn)率占主導(dǎo)，因此本文主要探討其年際變化特征。本文的最后一節(jié)（討論部分）將給出內(nèi)蒙古夏季降水的年代際和年際變化方差貢獻(xiàn)率的對(duì)比。

由于本文主要針對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)進(jìn)行研究，所以EOF分析選取的區(qū)域?yàn)閮?nèi)蒙古自治區(qū)范圍。經(jīng)計(jì)算，前三個(gè)特征向量通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)。圖1給出了EOF分解得到的前兩個(gè)特征向量的空間分布圖。

如圖 1所示，前兩個(gè)模態(tài)的解釋方差分別為30.6%、17.1%，占總方差的47.7%，所以這兩個(gè)模態(tài)基本上體現(xiàn)了在年際尺度上內(nèi)蒙古夏季降水的空間分布特征，因此本文只對(duì)前兩個(gè)優(yōu)勢(shì)模態(tài)做出分析。第一模態(tài)（圖1a）代表內(nèi)蒙古大部分地區(qū)夏季降水一致偏多或偏少的異常特征，因此根據(jù)它的正負(fù)位相可分為多雨年和少雨年。第二模態(tài)（圖1b）表征內(nèi)蒙古東部和西部降水異常的反向分布，即當(dāng)內(nèi)蒙古東部降水偏多時(shí)，內(nèi)蒙古西部降水則偏少，反之亦然。

圖1 1966～2008年年際尺度上內(nèi)蒙古夏季降水EOF前兩個(gè)模態(tài)的空間分布：（a）、（b）分別為第一和第二模態(tài)的空間型；（c）、（d）分別為第一和第二主分量與我國(guó)夏季降水的相關(guān)系數(shù)分布。圖（c）、（d）中等值線間隔為0.1，深灰（淺灰）陰影分別表示95%（90%）的置信度Fig. 1 The two leading EOF modes [(a) EOF1; (b) EOF2] of the interannual summer precipitation for 1966–2008 over Inner Mongolia, and (c, d) correlation maps of concurrent summer precipitation in China with the time series of (a, b). (c, d) Contours interval = 0.1; dark (light) shading marks regions with statistical significance at the 95% (90%) confidence level

由于 EOF所得到的空間模態(tài)只是對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)降水進(jìn)行分析到的，為了說(shuō)明它與全國(guó)夏季降水的關(guān)系，本文將前兩個(gè)優(yōu)勢(shì)模態(tài)的展開(kāi)系數(shù)與全國(guó)夏季降水做了相關(guān)分析。有意思的是，內(nèi)蒙古夏季降水的兩個(gè)模態(tài)與全國(guó)降水異常分布存在非常好的相關(guān)關(guān)系。例如，與第一模態(tài)的正位相對(duì)應(yīng)（圖1c），東北、新疆東部以及長(zhǎng)江中上游地區(qū)的降水偏多；與第二模態(tài)的正位相對(duì)應(yīng)（圖 1d），東北和長(zhǎng)江流域的降水偏多，華南降水偏少。實(shí)際上，內(nèi)蒙古夏季降水形勢(shì)主要受中高緯環(huán)流及相應(yīng)天氣擾動(dòng)的影響，而內(nèi)蒙古降水異常與全國(guó)降水異常的相關(guān)關(guān)系則說(shuō)明了中高緯環(huán)流影響的重要性。

為了進(jìn)一步研究年際尺度上內(nèi)蒙古夏季降水的分布特征，圖2給出了EOF前兩個(gè)模態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化后的時(shí)間序列（展開(kāi)系數(shù)）。在合成分析中，與各個(gè)模態(tài)對(duì)應(yīng)的降水異常年的挑選方法如下：首先，以標(biāo)準(zhǔn)化展開(kāi)系數(shù)為+0.7和?0.7作為閾值，挑選出正異常年和負(fù)異常年，在有些年份會(huì)出現(xiàn)反映降水異常的幾個(gè)模態(tài)展開(kāi)系數(shù)非常接近的情況。針對(duì)這種情況，我們還要參考具體某一年的降水距平分布與上述兩個(gè)模態(tài)空間分布（圖 1a，b）的空間相關(guān)系數(shù)，并以相對(duì)高的空間相關(guān)系數(shù)為依據(jù)來(lái)確定這一年的降水異常所對(duì)應(yīng)的降水模態(tài)。表1列出了兩個(gè)模態(tài)所對(duì)應(yīng)的正異常年和負(fù)異常年。圖3分別給出了它們合成的降水距平百分率。

表1 內(nèi)蒙古夏季降水前兩個(gè)模態(tài)的異常年份Table 1 　Anomalous years for the two leading modes of summer precipitation over Inner Mongolia

圖2 內(nèi)蒙古夏季降水（a）第一和（b）第二EOF模態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列（主分量）。虛線分別表示+0.7和?0.7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，實(shí)心圓點(diǎn)為正異常年份，空心圓點(diǎn)為負(fù)異常年份Fig. 2 Normalized time series of (a) EOF1 and (b) EOF2 for the summer precipitation over Inner Mongolia [dashed lines signify the +0.7 and ?0.7 standard deviations; filled (open) circles indicate years with positive (negative) anomalies]

圖3 內(nèi)蒙古夏季降水距平百分率合成（等值線）：（a）、（b）分別為第一和第二模態(tài)的正異常年；（c）、（d）同（a）、（b），但為負(fù)異常年。等值線間隔為6%，深灰（淺灰）陰影分別表示95%（90%）的置信度Fig. 3 Composite anomaly percentage of summer precipitation over Inner Mongolia (%) in anomalous positive years for (a) EOF1 and (b) EOF2; (c, d) as in (a, b) but for anomalous negative years [contour interval = 6%; dark (light) shading marks regions with statistical significance at the 95% (90%) confidence level]

與第一模態(tài)對(duì)應(yīng)的正負(fù)異常年分別為7年和8年。在正異常年，內(nèi)蒙古大部分地區(qū)的夏季降水顯著偏多（圖 3a），特別是在大興安嶺南側(cè)，降水量偏多35%。而在負(fù)異常年則大部分地區(qū)降水顯著偏少（圖 3c），與正異常年的情況基本相反。根據(jù)第二模態(tài)挑選的正負(fù)異常年分別為6年和7年，正異常年在內(nèi)蒙古東部的大興安嶺地區(qū)降水顯著偏多，異常中心值為37%，而在內(nèi)蒙古西部地區(qū)（特別是鄂爾多斯地區(qū)）降水顯著偏少（圖 3b）。在負(fù)異常年，呼倫貝爾和興安盟降水顯著偏少，異常中心值為?30%，在鄂爾多斯和阿拉善盟的東南部降水顯著偏多，與正異常年的降水分布基本相反（圖3d）。總之，合成分析進(jìn)一步證實(shí)內(nèi)蒙古夏季降水分布的兩個(gè)EOF優(yōu)勢(shì)模態(tài)具有事實(shí)基礎(chǔ)，正負(fù)位相上也接近鏡像對(duì)稱，較好地反映了其主要空間分布類(lèi)型。在年際變化尺度上，可將內(nèi)蒙古夏季降水分布分類(lèi)為整體一致型、東西反向型。

4 典型環(huán)流特征

圖4 內(nèi)蒙古夏季降水整體一致型模態(tài)的300 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)距平合成（單位：gpm）：（a）、（c）分別為正異常年和負(fù)異常年；（b）和（d）同（a）和（c），但表示500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)距平合成。等值線間隔為6 gpm，深灰（淺灰）陰影分別表示95%（90%）的置信度Fig. 4 Composite 300 hPa geopotential height anomalies for the ‘consistent distribution’ of summer precipitation over Inner Mongolia (gpm) for(a) anomalous positive years and (b) anomalous negative years; (c, d) as in (a, b) but for 500 hPa geopotential height anomalies [contour interval = 6 gpm; dark (light) shading marks regions with statistical significance at the 95% (90%) confidence level]

以上分析揭示了內(nèi)蒙古地區(qū)夏季降水存在著不同的分布類(lèi)型，它們可能與不同的環(huán)流異常相聯(lián)系。這一節(jié)將通過(guò)分析對(duì)流層不同層次的環(huán)流異常特征，在年際尺度上揭示與內(nèi)蒙古夏季降水不同模態(tài)相對(duì)應(yīng)的典型環(huán)流特征。

4.1 環(huán)流特征

4.1.1 整體一致型

圖4給出了內(nèi)蒙古夏季降水整體一致型模態(tài)正異常年和負(fù)異常年的異常環(huán)流形勢(shì)。由正異常年的300 hPa高度異常場(chǎng)（圖4a）可見(jiàn)，在歐亞大陸上出現(xiàn)兩個(gè)明顯的正異常區(qū)，其中一個(gè)正異常區(qū)從貝加爾湖北側(cè)延伸至巴倫支海，中心位于泰梅爾半島，另一個(gè)從伊朗高原到中亞地區(qū)。與前者對(duì)應(yīng)，在貝加爾湖南側(cè)形成了一個(gè)氣旋式環(huán)流異常。同時(shí)，與后者對(duì)應(yīng)，在伊朗高原/中亞—蒙古高原—日本海地區(qū)呈現(xiàn)“+ - +”的波狀環(huán)流異常。這與印度夏季風(fēng)降水異常有關(guān)的環(huán)半球遙相關(guān)型（CGT）波列結(jié)構(gòu)（Ding and Wang，2005；劉蕓蕓和丁一匯，2008；林大偉等，2016）基本一致。500 hPa高度異常環(huán)流與300 hPa基本一致（圖4b），對(duì)流層中高層呈現(xiàn)相當(dāng)正壓結(jié)構(gòu)，但蒙古高原和日本海地區(qū)異常中心更為顯著。當(dāng)內(nèi)蒙古夏季降水表現(xiàn)為一致型偏少時(shí)（圖4c，d），從中亞到日本海的高度異常則呈現(xiàn)出“- + -”的波列，且貝加爾湖西北側(cè)地區(qū)為負(fù)距平區(qū)，與圖4a和4b的環(huán)流特征基本相反。值得注意的是，貝加爾湖南側(cè)的氣旋式環(huán)流異常和環(huán)日本海地區(qū)的反氣旋式環(huán)流異常構(gòu)成了一個(gè)“東高西低”環(huán)流形勢(shì)，這是內(nèi)蒙古地區(qū)（甚至中國(guó)北方地區(qū)）降水偏多的典型環(huán)流形勢(shì)。反之，東亞中緯度地區(qū)的“西高東低”環(huán)流形勢(shì)為內(nèi)蒙古地區(qū)干旱少雨的典型環(huán)流形勢(shì)。

由圖4a和4b可見(jiàn)，由于合成分析所選樣本年份較少，在貝加爾湖南側(cè)的位勢(shì)高度異常的合成結(jié)果并不顯著。為此，我們還以關(guān)鍵區(qū)域（圖4中的方框所示）出現(xiàn)相應(yīng)的合成環(huán)流異常的年數(shù)與總合成年數(shù)的比率來(lái)進(jìn)一步檢驗(yàn)。表2給出了正和負(fù)異常年關(guān)鍵區(qū)的平均位勢(shì)高度距平。從表中可以看到，在正異常年，關(guān)鍵區(qū)300 hPa和500 hPa高度距平為負(fù)的年份均為 6年，占正異常年份的 86% （6/7）；而在負(fù)異常年里，該區(qū)域在300 hPa和500 hPa高度上為正異常區(qū)的年份分別為6年和7年，分別占負(fù)異常年份的75%（6/8）和87.5%（7/8）。由此可見(jiàn)，該區(qū)域的環(huán)流異常形勢(shì)在絕大多數(shù)年份中與合成結(jié)果相吻合。

表2 第一模態(tài)正和負(fù)異常年關(guān)鍵區(qū)的平均位勢(shì)高度距平Table 2 Height anomalies averaged in key region in years with positive and negative anomalous values for the first mode

為了進(jìn)一步說(shuō)明與內(nèi)蒙古夏季降水第一模態(tài)對(duì)應(yīng)的冷暖空氣交匯及水汽輸送特征，圖5給出了850 hPa風(fēng)場(chǎng)、水汽通量散度異常場(chǎng)、水汽通量場(chǎng)以及比濕場(chǎng)的異常特征。由圖 5a 可見(jiàn)，該模態(tài)的正異常年內(nèi)蒙古處于氣旋式異常環(huán)流區(qū)內(nèi)，有三支不同的氣流異常在內(nèi)蒙古匯合：一支是貝加爾湖以北的反氣旋式環(huán)流，其東側(cè)的偏北風(fēng)異常將高緯度的冷空氣向內(nèi)蒙古地區(qū)輸送；第二支是巴爾喀什湖以北的西風(fēng)加強(qiáng)，在內(nèi)蒙古西側(cè)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)異常，有利于冷空氣侵入內(nèi)蒙古地區(qū)；最后一支是暖濕氣流，日本附近的反氣旋式環(huán)流西側(cè)的異常偏南風(fēng)將西太平洋的暖濕氣流源源不斷地輸送到內(nèi)蒙古地區(qū)，與上述兩支冷空氣氣流在內(nèi)蒙古地區(qū)交匯。圖5b給出了該模態(tài)正異常年850 hPa水汽通量場(chǎng)的散度異常特征。貝加爾湖南部的蒙古高原地區(qū)大部分為水汽通量輻合區(qū)，但在內(nèi)蒙古中部地區(qū)存在一個(gè)局部的水汽通量輻散區(qū)。整體而言，與850 hPa內(nèi)蒙古地區(qū)的氣旋式異常環(huán)流相對(duì)應(yīng)（圖 5a），水汽在內(nèi)蒙古地區(qū)輻合抬升，有利于內(nèi)蒙古地區(qū)降水增強(qiáng)。同時(shí)在外興安嶺地區(qū)為水汽通量輻散區(qū)，與圖5a中該區(qū)域的反氣旋式異常環(huán)流相對(duì)應(yīng)。 850 hPa水汽通量和比濕異常場(chǎng)上也可以看到有一支明顯的水汽異常通道（圖 5c），即從西北太平洋經(jīng)渤海灣進(jìn)入內(nèi)蒙古，有利于內(nèi)蒙古降水增多。相應(yīng)地，在這一降水模態(tài)的負(fù)異常年（圖5d），內(nèi)蒙古處于反氣旋式異常環(huán)流中，在其東部日本海附近為氣旋式異常環(huán)流，從貝加爾湖東側(cè)經(jīng)中國(guó)東北至中國(guó)東南部地區(qū)有明顯的偏北風(fēng)異常，這不利于暖濕氣流向內(nèi)蒙古地區(qū)輸送。850 hPa水汽通量散度異常場(chǎng)上同樣可以看到內(nèi)蒙古大部分地區(qū)都為水汽通量輻散區(qū)，不利于內(nèi)蒙古地區(qū)產(chǎn)生降水（圖 5e）。水汽通量和比濕異常場(chǎng)上也可以看出，整個(gè)內(nèi)蒙古地區(qū)水汽異常偏少，導(dǎo)致整個(gè)內(nèi)蒙古降水偏少（圖5f）。

圖5 （a，d）內(nèi)蒙古夏季降水整體一致型模態(tài)的850 hPa水平風(fēng)異常合成場(chǎng)（箭頭），（a）和（d）分別為正異常年和負(fù)異常年，陰影代表內(nèi)蒙古地區(qū)。（b，e）同（a，d），但為850 hPa水汽通量異常（箭頭）及水汽通量散度異常（陰影，單位：10?8g s?1cm?2）合成場(chǎng)。（c，f）同（a，d），但為850 hPa水汽通量異常（箭頭）和比濕異常場(chǎng)（單位：g kg?1；等值線間隔為0.1；深灰（淺灰）陰影分別表示95%（90%）的置信度）。（b，c，e，f）內(nèi)蒙古地區(qū)邊界以黑色實(shí)線表示Fig. 5 Composite 850 hPa horizontal wind anomalies (arrow) for the ‘consistent distribution’ of summer precipitation over Inner Mongolia for (a) anomalous positive years and (d) anomalous negative years; (b, e) as in (a, d) but for 850 hPa vapor flux anomalies (arrow) and 850 hPa vapor flux divergence anomalies (shading); (c, f) as in (a, d) but for 850 hPa vapor flux anomalies (arrow) and specific humidity anomalies [units: g kg?1; contour interval = 0.1; dark (light) shading marks regions with statistical significance at the 95% (90%) confidence level]. (b, c, e, f) Inner Mongolia boundary is represented by the bold black line

圖6 內(nèi)蒙古夏季降水整體一致型模態(tài)的200 hPa緯向風(fēng)異常合成場(chǎng)（單位：m s?1；等值線間隔為0.5）：（a）正異常年；（b）負(fù)異常年。黑色粗實(shí)線和粗虛線分別代表氣候平均的20 m s?1和25 m s?1風(fēng)速的緯向風(fēng)，深灰（淺灰）陰影分別表示95%（90%）的置信度，內(nèi)蒙古地區(qū)邊界以黑色實(shí)線表示Fig. 6 Composite 200 hPa zonal wind anomalies (contours interval = 0.5 m s?1) for the ‘consistent distribution’ of summer precipitation over Inner Mongolia for (a) anomalous positive years and (b) anomalous negative years [the thick black solid and dashed lines represent the climate average zonal wind speeds of 20 and 25 m s?1, respectively; dark (light) shading marks regions with statistical significance at the 95% (90%) confidence level; Inner Mongolia boundary is represented by the black line]

東亞急流的強(qiáng)度、位置的經(jīng)向偏移和東亞夏季雨帶異?；顒?dòng)有密切關(guān)系（Lu，2004）。內(nèi)蒙古地區(qū)位于東亞急流的出口區(qū)，其上空急流的強(qiáng)度和位置能反映有利或不利的降水條件。圖6給出了該模態(tài)正、負(fù)異常年的200 hPa緯向風(fēng)異常場(chǎng)。當(dāng)內(nèi)蒙古降水表現(xiàn)為一致型偏多時(shí)（圖 6a），在祁連山附近以及我國(guó)東北一帶緯向風(fēng)增強(qiáng)，兩個(gè)中心分別位于祁連山和長(zhǎng)白山北側(cè)，而在祁連山以北以及渤海灣到西北太平洋地區(qū)緯向風(fēng)異常減弱。其中，祁連山的緯向風(fēng)正異常中心與其北側(cè)貝加爾湖的緯向風(fēng)負(fù)異常中心正好位于急流軸（40°N）的南北兩側(cè)，它使得急流位置偏南且向東延伸，有利于內(nèi)蒙古中西部地區(qū)（40°N及其以北）天氣尺度斜壓擾動(dòng)的增強(qiáng)，從而使該地區(qū)降水增多。而靠近東北地區(qū)的緯向風(fēng)正異常使得急流偏北，同樣使內(nèi)蒙古東部地區(qū)降水偏多。反之，當(dāng)內(nèi)蒙古降水表現(xiàn)為一致型偏少時(shí)（圖6b），對(duì)應(yīng)的緯向風(fēng)異常分布表現(xiàn)出與上述情況相反的結(jié)果，急流在內(nèi)蒙古地區(qū)顯著減弱，不利于斜壓擾動(dòng)的發(fā)展，生成一個(gè)不利于內(nèi)蒙古降水的西風(fēng)帶結(jié)構(gòu)。

4.1.2 東西反向型

圖7給出了內(nèi)蒙古夏季降水東西反向型模態(tài)的正異常年和負(fù)異常年的環(huán)流異常特征。當(dāng)內(nèi)蒙古地區(qū)夏季降水分布呈東多西少時(shí)（圖7a、b），與第一模態(tài)正異常年的環(huán)流形勢(shì)也有相似之處。具體來(lái)說(shuō)，在貝加爾湖西北側(cè)和東南側(cè)仍為反氣旋式異常環(huán)流和氣旋式異常環(huán)流，其中后者與內(nèi)蒙古東部地區(qū)降水偏多相聯(lián)系。但不論是貝加爾湖西北側(cè)的正異常環(huán)流還是中高緯波狀環(huán)流都有所不同。由圖7a 和 7b可見(jiàn)，東北大西洋—?dú)W洲—烏拉爾山東側(cè)—貝加爾湖東南側(cè)（外蒙古、內(nèi)蒙古以及東北）地區(qū)呈現(xiàn)了“+ - + - ”的波狀環(huán)流異常，這與第一模態(tài)對(duì)應(yīng)的 CGT波列明顯不同，其東亞中緯度異常中心的位置也有所偏東。烏拉爾山以東到東西伯利亞為顯著的正距平帶，西南—東北方向傾斜，中心分別位于鄂畢河和科雷馬河，這與圖4a和4b中的貝加爾湖西北側(cè)西北—東南走向的正異常帶明顯不同。更值得關(guān)注的是，東亞沿岸呈現(xiàn)了南北向的偶極子環(huán)流，北側(cè)的正異常環(huán)流源源不斷地將冷空氣輸送至南側(cè)的負(fù)異常區(qū)，有利于其維持，從而使內(nèi)蒙古東部和東北地區(qū)的降水增多（廉毅等，2010；謝作威和布和朝魯，2012）。500 hPa位勢(shì)高度異常與300 hPa基本一致，但東亞區(qū)域兩個(gè)異常中心更為顯著（圖 7b）。該模態(tài)的環(huán)流異常分布與謝作威和布和朝魯（2012）定義的雅庫(kù)茨克—鄂霍次克型（YO型）東北冷渦的環(huán)流特征相似。當(dāng)內(nèi)蒙古地區(qū)夏季降水呈現(xiàn)東少西多的分布時(shí)（圖7c、d），其環(huán)流異常與內(nèi)蒙古夏季降水呈現(xiàn)東多西少年的環(huán)流特征基本相反，但也有結(jié)構(gòu)上的差異，與正異常年的情況相比，東亞中高緯兩個(gè)異常中心在西北—東南方向傾斜，其經(jīng)向波列特征也更加明顯。表3同樣給出了貝加爾湖南側(cè)的關(guān)鍵區(qū)（圖4中的方框區(qū)域）在正和負(fù)異常年的平均位勢(shì)高度場(chǎng)距平，該區(qū)域所選位置相對(duì)于模態(tài)一所選的區(qū)域來(lái)說(shuō)相對(duì)偏西，位于我國(guó)內(nèi)蒙古西部地區(qū)以及東北地區(qū)。從表中可以看到，在正異常年里，該區(qū)域內(nèi) 300 hPa 和500 hPa高度上負(fù)異常中心的年份都為4年，占正異常年份的67%（4/6）；而在負(fù)異常年里，該區(qū)域內(nèi)300 hPa和500 hPa高度上正異常中心的年份都為5年，占負(fù)異常年份的71%（5/7）。說(shuō)明該區(qū)域的合成結(jié)果能夠反應(yīng)合成的環(huán)流特征。

圖7 同圖4，但為內(nèi)蒙古夏季降水東西反向型模態(tài)Fig. 7 As in Fig. 4 but for the second mode of summer precipitation over Inner Mongolia with an east–west seesaw distribution

圖8 同圖5，但為內(nèi)蒙古夏季降水東西反向型模態(tài)Fig. 8 As in Fig. 5 but for the second mode of summer precipitation over Inner Mongolia with an east–west seesaw distribution

圖8給出了與內(nèi)蒙古夏季降水第二模態(tài)對(duì)應(yīng)的850 hPa風(fēng)場(chǎng)、水汽通量散度異常場(chǎng)、水汽通量場(chǎng)以及比濕場(chǎng)的異常特征。由圖 8a可以看出，在正異常年，內(nèi)蒙古東部以及東北地區(qū)受氣旋式異常環(huán)流控制，其西側(cè)的異常西北風(fēng)將高緯的冷空氣輸送到內(nèi)蒙古地區(qū)。此外，鄂霍次克海上空為反氣旋式異常環(huán)流，其南側(cè)的異常偏東風(fēng)將西北太平洋上的水汽輸送到東北地區(qū)，冷暖氣流在內(nèi)蒙古東部和東北地區(qū)輻合，從而使這些地區(qū)降水增多。在850 hPa水汽通量散度異常場(chǎng)上（圖8b），相對(duì)于整體一致型模態(tài)正異常年，貝加爾湖到我國(guó)東北地區(qū)為水汽通量輻合區(qū)，該輻合區(qū)在西北—東南方向上呈帶狀分布，對(duì)應(yīng)著在內(nèi)蒙古東部地區(qū)的氣旋式異常環(huán)流（圖 8a）。貝加爾湖西南部到內(nèi)蒙古西部大部分地區(qū)則為水汽通量輻散區(qū)。這樣的分布使得內(nèi)蒙古東部地區(qū)水汽輻合抬升，有利于降水增強(qiáng)，其西部地區(qū)則水汽輻散，不利于降水的產(chǎn)生。圖 8c 給出了850 hPa水汽通量和比濕異常場(chǎng)，圖中可以看到明顯的水汽異常通道，西北太平洋上的水汽經(jīng)過(guò)日本海北部輸送到我國(guó)東北地區(qū)和內(nèi)蒙古東北部，使得內(nèi)蒙古東部降水增多。由圖 8c還可看出，內(nèi)蒙古西部地區(qū)處于水汽通量異常的輻散區(qū)，局地濕度場(chǎng)為負(fù)異常，使得該區(qū)域內(nèi)降水偏少。在負(fù)異常年（圖8d），貝加爾湖到我國(guó)東北地區(qū)均處于反氣旋式異常環(huán)流中，其東南側(cè)的東北異常氣流將冷濕空氣輸送至內(nèi)蒙古地區(qū)。鄂霍次克海附近則處于氣旋式異常環(huán)流中，從中西伯利亞經(jīng)東北至西太平洋地區(qū)為明顯的偏北氣流異常，這不利于暖濕氣流向內(nèi)蒙古地區(qū)輸送。相應(yīng)地，850 hPa水汽通量散度異常場(chǎng)上，內(nèi)蒙古東部地區(qū)為水汽輻散區(qū)，西部地區(qū)為水汽輻合區(qū)。有利于西部地區(qū)降水加強(qiáng)（圖8e）。850 hPa水汽通量異常場(chǎng)上，內(nèi)蒙古西部為比濕正異常區(qū)，這一地區(qū)受反氣旋式異常環(huán)流西南側(cè)的偏濕氣流的控制，水汽通量在這一帶輻合，導(dǎo)致降水偏多（圖8f）。

表3 同表2，但為內(nèi)蒙古夏季降水東西反向型模態(tài)Table 3 As in Table 2, but for the second mode of summer precipitation over Inner Mongolia with an east–west seesaw distribution

綜上所述，內(nèi)蒙古夏季降水異常與中高緯度環(huán)流異常有明顯的聯(lián)系。當(dāng)貝加爾湖以北地區(qū)以及伊朗高原/中亞地區(qū)反氣旋環(huán)流異常盛行時(shí)，在東亞中緯度地區(qū)有利于形成一個(gè)“東高西低”環(huán)流形勢(shì)，這是內(nèi)蒙古地區(qū)（甚至中國(guó)北方地區(qū)）降水整體偏多的典型環(huán)流形勢(shì)。反之，在東亞中緯度地區(qū)有利于形成“西高東低”的異常環(huán)流，為內(nèi)蒙古全區(qū)干旱少雨的典型環(huán)流形勢(shì)。對(duì)東西反向型降水模態(tài)來(lái)說(shuō)，當(dāng)東歐平原—烏拉爾山東側(cè)—內(nèi)蒙古東部及東北地區(qū)分別出現(xiàn)“- + -”的波狀環(huán)流異常，并且在靠近東亞沿岸的中高緯地區(qū)呈現(xiàn)“北高南低”的偶極子環(huán)流異常時(shí)，內(nèi)蒙古夏季降水形勢(shì)為“東多西少”。反之，當(dāng)上述緯向波列和南北偶極子環(huán)流的各個(gè)異常中心均為反位相時(shí)，內(nèi)蒙古夏季降水形勢(shì)為“西多東少”。

4.2 環(huán)流異常的逐月演變特征

在夏季，隨著東亞急流逐漸的向北移動(dòng)，與之相聯(lián)系的各個(gè)月份的環(huán)流異常有所變化，同時(shí)中緯度Rossby波活動(dòng)也有所不同（布和朝魯?shù)龋?008；施寧等，2008，2009；宣守麗等，2013）。為此，我們將分析夏季逐月的異常環(huán)流，考察圖4和圖7給出的異常環(huán)流特征是否在夏季各個(gè)月份都會(huì)典型，或者在哪月更典型。

圖9給出了與內(nèi)蒙古夏季降水整體一致型模態(tài)對(duì)應(yīng)的逐月500 hPa位勢(shì)高度異常場(chǎng)。從內(nèi)蒙古夏季降水整體偏多年的演變特征來(lái)看（圖9a、b和c），6～8月歐亞大陸上空的環(huán)流異常分布，包括貝加爾湖北側(cè)的正高度異常區(qū)和源自伊朗北部/中亞的“+- +”波列型環(huán)流異常，與夏季平均狀態(tài)均比較相似（圖 4b），可以認(rèn)為上一節(jié)給出的夏季環(huán)流形勢(shì)在各個(gè)月都比較典型。但如果仔細(xì)比較的話，7月的異常中心位置、強(qiáng)度以及形態(tài)均與夏季平均的情況更為接近。對(duì)貝加爾湖北側(cè)的正高度異常區(qū)來(lái)說(shuō)，6月和 8月有所偏東。對(duì)中緯度波狀環(huán)流而言，6月和7月比較清晰，8月則貝加爾湖南北側(cè)的正負(fù)高度異常環(huán)流為主要特征。貝加爾湖南側(cè)的氣旋式環(huán)流異常中心的位置在6月和7月有所偏南，但到了8月更靠近貝加爾湖，強(qiáng)度也增強(qiáng)。需要指出的是，7月（圖9b）日本上空的反氣旋式環(huán)流異常較為增強(qiáng)，其西側(cè)的偏東南氣流將西北太平洋上的水汽輸送到內(nèi)蒙古地區(qū)，使得內(nèi)蒙古地區(qū)降水增加。

在內(nèi)蒙古夏季降水整體偏少年（圖9d、e和f），6月和7月的環(huán)流異常與其夏季平均的情況更為相近。到8月時(shí)，中緯度波列仍然清晰，但鄂霍茨克海正高度異常發(fā)展，其環(huán)流形勢(shì)與夏季平均情況有一定的差異。但總體來(lái)看，夏季各個(gè)月均存在東亞中緯度地區(qū)“西高東低”的環(huán)流形勢(shì)。

圖9 內(nèi)蒙古夏季降水整體一致型模態(tài) 500 hPa逐月環(huán)流異常合成場(chǎng)（單位：gpm），（a、b、c）分別為正異常年6月、7月、8月的位勢(shì)高度距平合成。等值線間隔為6 gpm，深灰（淺灰）陰影分別表示95%（90%）的置信度。（b、e、f）同（a、b、c），但為負(fù)異常年Fig. 9 Composite monthly 500 hPa geopotential height anomalies (units: gpm) for anomalous positive years of ‘consistent distribution’ in (a) June, (b) July, and (c) August; (d–f) as in (a–c) but for anomalous negative years. Contour interval = 6 gpm; dark (light) shading marks regions with statistical significance at the 95% (90%) confidence level

圖10 同圖9，但為內(nèi)蒙古夏季降水東西反向型模態(tài)Fig. 10 As in Fig. 9 but for the second mode of summer precipitation over Inner Mongolia with an east–west seesaw distribution

對(duì)于內(nèi)蒙古夏季降水東西反向型模態(tài)來(lái)說(shuō)（圖10），當(dāng)內(nèi)蒙古夏季呈現(xiàn)東多西少的降水分布時(shí)（圖10a、b和c），夏季平均的環(huán)流異常（圖7b）主要反映6月和7月的環(huán)流異常特征。8月的環(huán)流異常（圖 10c）在東北亞地區(qū)的正高度異常環(huán)流及西太平洋副高的增強(qiáng)這兩個(gè)方面與夏季平均異常環(huán)流特征相吻合。當(dāng)內(nèi)蒙古夏季降水呈東少西多的分布時(shí)（圖10d、e和f），夏季平均環(huán)流異常（圖7d）也主要反映6月和7月的環(huán)流異常特征。圖10f 給出的8月環(huán)流異常顯出圖10c的反位相特征。

總之，在年際尺度上，與內(nèi)蒙古夏季降水整體一致型模態(tài)對(duì)應(yīng)的環(huán)流形勢(shì)在夏季各個(gè)月份都能夠穩(wěn)定維持，具有典型意義。而對(duì)于東西反向型降水模態(tài)來(lái)說(shuō)，其對(duì)應(yīng)的夏季平均環(huán)流異常主要反映6月和7月的環(huán)流異常特征，在8月只反映東北亞地區(qū)環(huán)流和西太平洋副高的異常特征。

5 環(huán)流的春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換特征

圖11 內(nèi)蒙古夏季降水整體一致型模態(tài)（a）正異常年和（b）負(fù)異常年5月份300 hPa位勢(shì)高度異常合成場(chǎng)（單位：gpm）。（c、d）同（a、b），但為內(nèi)蒙古夏季降水東西反向型模態(tài)的正、負(fù)異常年。等值線間隔為10 gpm，深灰（淺灰）陰影分別表示95%（90%）的置信度Fig. 11 Composite 300 hPa geopotential height anomalies (gpm) in May for the ‘consistent distribution’ of summer precipitation over Inner Mongolia for (a) anomalous positive years and (b) anomalous negative years; (c, d) as in (a, b) but for the second mode of summer precipitation over Inner Mongolia with an east–west seesaw distribution. Contour interval = 10 gpm; dark (light) shading marks regions with statistical significance at the 95% (90%) confidence level

上一節(jié)主要揭示了與內(nèi)蒙古夏季降水的兩種模態(tài)所對(duì)應(yīng)的典型環(huán)流特征。但這些環(huán)流異常特征很難由大家所熟知的北半球夏季遙相關(guān)型來(lái)解釋。那么，究竟如何去理解與內(nèi)蒙古夏季降水異常對(duì)應(yīng)的環(huán)流形勢(shì)呢？下面我們從歐亞大陸中高緯環(huán)流春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換的角度探討與內(nèi)蒙古夏季降水異常所對(duì)應(yīng)的環(huán)流異常問(wèn)題。

首先，我們考察與內(nèi)蒙古降水前兩個(gè)模態(tài)對(duì)應(yīng)的5月份環(huán)流異常情況。圖11給出了這兩個(gè)模態(tài)正負(fù)異常年的環(huán)流異常分布。有意思的是，與這兩個(gè)夏季降水模態(tài)對(duì)應(yīng)，5月歐亞大陸中高緯環(huán)流異常呈現(xiàn)出顯著的前兆信號(hào)。而且對(duì)某一模態(tài)而言，在正和負(fù)異常年，歐亞大陸波狀環(huán)流的異常中心基本呈反位相。具體來(lái)說(shuō)，在內(nèi)蒙古夏季降水整體一致型模態(tài)的正異常年，5月份的300 hPa高度異常場(chǎng)上可以看出（圖11a），東歐平原—烏拉爾山—中西伯利亞?wèn)|部/東北亞—北太平洋呈現(xiàn)“+ - + -”的波列，同時(shí)在渤海灣到日本海為負(fù)異常區(qū)，青藏高原一帶為正異常區(qū)。而在這一模態(tài)的負(fù)異常年（圖11b），歐亞大陸波狀環(huán)流異常中心基本與正異常年位相相反，且異常中心的位置略向東偏移。與正異常年相似的是，渤海灣到日本海也表現(xiàn)為負(fù)異常區(qū)，東北—西南方向傾斜。相應(yīng)地，在內(nèi)蒙古夏季降水東西反向型模態(tài)的正異常年，歐洲東部—烏拉爾山脈—葉尼塞河—日本海呈現(xiàn)“- + - +”的波列，鄂霍茨克海上空則為負(fù)異常區(qū)，與第一模態(tài)正異常年存在差異。而在負(fù)異常年，鄂霍次克海和日本海上空的異常中心與正異常年的異常中心位相相反。我們也注意到春季的其他兩個(gè)月，即3月和4月，沒(méi)有顯著的前兆信號(hào)。這啟示我們，內(nèi)蒙古夏季降水異?？赡芘c亞洲中高緯環(huán)流的春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換特征相聯(lián)系。

圖12 氣候態(tài)平均（a）5月、（b）6月300 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)及其緯偏場(chǎng)（單位：gpm）。（c、d）同（a、b），但為內(nèi)蒙古夏季降水整體一致型模態(tài)的正異常年，（e、f）同（c、d），但為內(nèi)蒙古夏季降水整體一致型模態(tài)的負(fù)異常年。（g、h、i、j）同（c、d、e、f），但表示內(nèi)蒙古夏季降水東西反向型模態(tài)正、負(fù)異常年。等值線間隔為80 gpm，點(diǎn)狀陰影表示90%的置信度Fig. 12 Climatological 300-hPa geopotential height and eddy anomalies (gpm) in (a) May and (b) June; (c, d) as in (a, b) but for anomalous positive years of ‘consistent distribution’; (e, f) as in (c, d) but for anomalous negative years; (g–j) as in (c–f) but for the second mode of summer precipitation with an east–west seesaw distribution (contour interval = 80 gpm; black dots mark the regions with statistical significance at the 90% confidence level)

圖12a和b給出了氣候態(tài)5月和6月歐亞大陸上空300 hPa高度場(chǎng)以及對(duì)應(yīng)的定常渦動(dòng)（緯偏）場(chǎng)。5月歐亞大陸中高緯環(huán)流呈“一脊一槽”，即歐洲脊和東亞大槽，東亞地區(qū)仍顯出冬季環(huán)流形勢(shì)的特點(diǎn)。其中，東亞大槽向東擴(kuò)展至北太平洋地區(qū)。到了 6月，歐洲脊仍維持，但隨著東北亞脊的形成，葉尼塞河流域至貝加爾湖和巴爾喀什湖之間的區(qū)域形成一個(gè)槽（簡(jiǎn)稱兩湖槽）。兩湖槽的形成標(biāo)志著亞洲中高緯環(huán)流在春夏之間的調(diào)整，即春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換（朱乾根等，2000）。

圖12c–f給出了與內(nèi)蒙古夏季降水第一模態(tài)（整體一致型模態(tài)）對(duì)應(yīng)的正和負(fù)異常年5月和6 月300 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)及其相應(yīng)的緯偏場(chǎng)。在正異常年，由5月環(huán)流場(chǎng)與其緯偏場(chǎng)（圖12c）可見(jiàn)，極渦偏向西西伯利亞平原，東北亞脊已經(jīng)形成，與之對(duì)應(yīng)，兩湖槽也相當(dāng)清楚，這與其5月氣候態(tài)的情形（圖12a）明顯不同，相反，與6月的氣候態(tài)環(huán)流形勢(shì)（圖 12b）相類(lèi)似。這說(shuō)明正異常年的亞洲中高緯度環(huán)流春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換將提前發(fā)生。到了6月，東北亞脊西退到貝加爾湖北側(cè)，其西側(cè)的槽也西退至烏拉爾山地區(qū)，鄂霍茨克海地區(qū)變?yōu)椴蹍^(qū)，歐亞大陸初夏環(huán)流呈“C”型特征（潘婕等，2009）。在負(fù)異常年，5月環(huán)流以歐洲槽、貝加爾湖以西的脊以及東亞大槽為主要特征，顯出冬季環(huán)流的特點(diǎn)，這表明了季節(jié)進(jìn)程的滯后特點(diǎn)。到了6月，兩湖槽形成，位置有所偏西，其南端的中亞地區(qū)也變?yōu)轱@著的槽區(qū)，與之對(duì)應(yīng)，貝加爾湖及以南地區(qū)形成了脊。這時(shí)，雖然已進(jìn)入夏季環(huán)流狀態(tài)，但東北亞地區(qū)仍由極渦活動(dòng)控制，沒(méi)有形成明顯的脊。這一定程度上說(shuō)明了春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換的滯后特征。

圖12g–j給出了與內(nèi)蒙古夏季降水東西反向型對(duì)應(yīng)的5月和6月300 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)及其相應(yīng)的緯偏場(chǎng)。在正異常年的5月，極渦伸向貝加爾湖和巴爾喀什湖之間的地區(qū)，兩湖槽強(qiáng)盛，東西伯利亞地區(qū)出現(xiàn)弱脊。此類(lèi)環(huán)流形勢(shì)仍然與6月氣候態(tài)情況相近，也代表亞洲中高緯度環(huán)流春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換的提前。到了6月，與5月的情況相比，準(zhǔn)定常波的波峰和波谷均向下游移動(dòng)，貝加爾湖及其東南側(cè)的地區(qū)變?yōu)椴蹍^(qū)，可能有利于東北低渦活動(dòng)的加強(qiáng)，從而使內(nèi)蒙古東部和東北地區(qū)的降水偏多。在負(fù)異常年的5月，貝加爾湖脊和東亞大槽非常清晰，環(huán)流形勢(shì)仍具有冬季環(huán)流特征。到了6月，夏季環(huán)流特征才建立起來(lái)，但兩湖槽的位置偏西，并且東北亞脊局限于貝加爾湖地區(qū)。

綜上所述，內(nèi)蒙古夏季降水的一致型模態(tài)和東西反向型模態(tài)的正位相對(duì)應(yīng)著亞洲中高緯環(huán)流的春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換提前的情況，而其負(fù)位相則對(duì)應(yīng)著亞洲中高緯環(huán)流的季節(jié)性滯后情形。

6 結(jié)論和討論

6.1 結(jié)論

基于 1961～2013年的中國(guó)氣象局降水資料、NCEP/NCAR再分析資料，本文在年際尺度上對(duì)我國(guó)內(nèi)蒙古地區(qū)夏季（6～8月）降水分布進(jìn)行了EOF分析，得出了內(nèi)蒙古地區(qū)夏季降水的主要類(lèi)型，并分析其前兩個(gè)模態(tài)的典型環(huán)流形勢(shì)以及相關(guān)的春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換特征。主要結(jié)論如下：

（1）內(nèi)蒙古夏季降水分布在年際尺度上存在兩個(gè)主要模態(tài)，即整體一致型模態(tài)和東西反向型模態(tài)。

（2）在整體一致型模態(tài)的正（負(fù)）異常年，內(nèi)蒙古大部分地區(qū)降水偏多（少）。多雨年，在對(duì)流層中高層的位勢(shì)高度場(chǎng)上，貝加爾湖北側(cè)延伸至巴倫支海表現(xiàn)為正異常，異常中心位于泰梅爾半島。亞洲中緯度地區(qū)以 CGT波列的形式傳播。貝加爾湖南側(cè)的氣旋式環(huán)流異常和環(huán)日本海地區(qū)的反氣旋式環(huán)流異常構(gòu)成了一個(gè)“東高西低”環(huán)流形勢(shì)，將西太平洋上的暖濕氣流輸送到內(nèi)蒙古地區(qū)，使得內(nèi)蒙古地區(qū)一致降水偏多。反之，東亞中緯度地區(qū)為“西高東低”的環(huán)流形勢(shì)，內(nèi)蒙古地區(qū)干旱少雨。

（3）在東西反向型模態(tài)的正（負(fù)）異常年，內(nèi)蒙古東部降水偏多（少），西部降水偏少（多）。當(dāng)內(nèi)蒙古降水分布呈東多西少時(shí)，在對(duì)流層中高層的位勢(shì)高度場(chǎng)上，東北大西洋歐洲—烏拉爾山東側(cè)—貝加爾湖東南側(cè)（外蒙古、內(nèi)蒙古以及東北）地區(qū)呈現(xiàn)了“+ - + -”的波狀環(huán)流異常。貝加爾湖西北側(cè)和東南側(cè)與一致型模態(tài)正位相年相似，仍為反氣旋式異常環(huán)流和氣旋式環(huán)流異常。同時(shí)在靠近東亞沿岸的中高緯地區(qū)呈現(xiàn)“北高南低”的偶極子環(huán)流異常。在上述環(huán)流形勢(shì)的作用下，內(nèi)蒙古夏季降水形勢(shì)為“東多西少”。反之，當(dāng)上述緯向波列和南北偶極子環(huán)流的各個(gè)異常中心均為反位相時(shí)，內(nèi)蒙古夏季降水形勢(shì)為“西多東少”。

（4）與內(nèi)蒙古夏季降水整體一致型模態(tài)對(duì)應(yīng)的環(huán)流形勢(shì)在夏季各個(gè)月份都能夠穩(wěn)定維持，具有典型意義。而與東西反向型降水模態(tài)對(duì)應(yīng)的夏季平均環(huán)流異常主要反映6月和7月的環(huán)流異常特征，在8月僅反映東北亞地區(qū)環(huán)流和西太平洋副高的異常特征。

（5）內(nèi)蒙古夏季降水異常與亞洲中高緯環(huán)流春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換的早晚及形式有著密切的聯(lián)系。內(nèi)蒙古夏季降水一致型模態(tài)和東西反向型模態(tài)的正位相對(duì)應(yīng)著亞洲中高緯環(huán)流的春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換提前的情況，而其負(fù)位相則對(duì)應(yīng)著亞洲中高緯環(huán)流的季節(jié)性滯后情形。

6.2 討論

內(nèi)蒙古地區(qū)的夏季降水具有多時(shí)間尺度特征，包含年際和年代際分量，而本文中主要探討了內(nèi)蒙古夏季降水的年際變化特征。為了說(shuō)明內(nèi)蒙古夏季降水年際變化模態(tài)是否具有主導(dǎo)性和代表性意義，我們也對(duì)其原始場(chǎng)進(jìn)行了EOF分解。

圖13給出了EOF分解的前兩個(gè)模態(tài)的空間分布，其解釋方差分別為32.2%、17.8%，占總方差的50.0%，可見(jiàn)這兩個(gè)模態(tài)基本上體現(xiàn)了內(nèi)蒙古夏季降水的空間分布特征。兩個(gè)模態(tài)分別表示了內(nèi)蒙古大部分地區(qū)夏季降水一致偏多或偏少的異常特征（圖 13a）和內(nèi)蒙古地區(qū)東部和西部降水異常的反向分布特征（圖13b）。這兩種分布特征與年際尺度上內(nèi)蒙古夏季降水的空間分布特征（圖 1a、b）基本一致。圖13c和圖13d為前兩個(gè)模態(tài)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列，圖中可以看出兩個(gè)模態(tài)存在明顯的年際變化和年代際變化特征，相對(duì)而言，第一模態(tài)的年際變率更強(qiáng)些。

圖13 內(nèi)蒙古夏季降水原始場(chǎng)的（a）第一和（b）第二EOF模態(tài)空間分布。（c、d）分別為前兩個(gè)EOF模態(tài)的主分量時(shí)間序列Fig. 13 The two leading EOF modes [(a) EOF1; (b) EOF2] of summer precipitation over Inner Mongolia; (c, d) as in (a, b) but for time series of the two leading principal components

為了說(shuō)明內(nèi)蒙古夏季降水的年際變化的相對(duì)重要性，圖 14給出了內(nèi)蒙古夏季降水在年際和年代際尺度上的方差分布特征。如圖14a所示，內(nèi)蒙古地區(qū)自西向東由干旱區(qū)逐漸過(guò)渡到溫帶半干旱區(qū)，降水分布不均勻，其降水方差自西向東逐漸增大。在年際尺度上（圖14b），內(nèi)蒙古夏季降水也存在類(lèi)似的分布，其降水方差也自西向東逐漸增大。圖14c給出了內(nèi)蒙古地區(qū)夏季降水年際分量的方差貢獻(xiàn)率，圖中顯示內(nèi)蒙古大部分地區(qū)夏季降水年際分量的方差貢獻(xiàn)率超過(guò)75%。由此可見(jiàn)，內(nèi)蒙古夏季降水在年際尺度上的變化非常重要。盡管如此，如圖 14c、d所示，內(nèi)蒙古夏季降水的年代際變化特征及其背景原因值得我們進(jìn)一步研究。

內(nèi)蒙古自治區(qū)地域遼闊，既受中高緯度系統(tǒng)的影響，又受低緯度環(huán)流的影響，因此影響內(nèi)蒙古夏季降水的因子有很多。王蕾等（2004）的研究表明，春季海溫與中國(guó)夏季降水之間存在較好的關(guān)系，春季海溫在較大程度上決定了中國(guó)夏季降水雨帶及其分布特征。武炳義等（1999）發(fā)現(xiàn)，從長(zhǎng)期變化趨勢(shì)來(lái)看，冬季喀拉海、巴倫支海海冰可以影響8月份海河、遼河流域的降水異常；而冬季巴芬灣、戴維斯海峽海冰對(duì) 7月黃河中上游流域降水有影響，海冰與降水變化均呈相反的變化趨勢(shì)。他們還指出了冬季格陵蘭島西部的海冰密集度可作為歐亞大陸北部夏季降水異常以及夏季大氣環(huán)流的前兆因子（Wu et al., 2013）。本文只分析了引起內(nèi)蒙古夏季降水的環(huán)流形勢(shì)特征，以后需要進(jìn)一步研究外強(qiáng)迫因子對(duì)內(nèi)蒙古夏季降水異常的作用。

此外，本文中只以5月和6月的平均環(huán)流異常來(lái)判斷亞洲中高緯環(huán)流春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換的早晚，缺乏嚴(yán)謹(jǐn)，應(yīng)該以逐日數(shù)據(jù)來(lái)給出詳細(xì)的季節(jié)轉(zhuǎn)換日期以及季節(jié)轉(zhuǎn)換的具體形式，即從5月某種環(huán)流異常轉(zhuǎn)換到6月的某種環(huán)流異常的類(lèi)型。今后我們將進(jìn)一步給出關(guān)于亞洲中高緯環(huán)流春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換的具體細(xì)節(jié)。

圖14 內(nèi)蒙古夏季降水（a）原始場(chǎng)和（b）其年際分量的方差分布（單位：mm?2），（c）內(nèi)蒙古夏季降水年際變化的方差貢獻(xiàn)率Fig. 14 (a) The variance (mm?2) of summer precipitation over Inner Mongolia; (b) as in (a) but for its interannual variation; (c) the ratio of the variance of the interannual time scale to the entire variance

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資助項(xiàng)目 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目41375064

Funded by National Natural Science Foundation of China (Grant 41375064)

文章編號(hào)1006-9895(2016)04-0756-21 中圖分類(lèi)號(hào) P467

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1509.15187

收稿日期2015-04-17；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期 2015-09-03

作者簡(jiǎn)介李妍，女，1988年出生，碩士研究生，主要從事短期氣候研究。E-mail: liyan_lyl@sina.cn

通訊作者布和朝魯，E-mail: bueh@lasg.iap.ac.cn

The Dominant Modes of Summer Precipitation over Inner Mongolia and Its Typical Circulation Characteristics

LI Yan1, BUEH Cholaw2, LIN Dawei2, 3, and XIE Zuowei2
1 College of Atmosphere Science, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225
2 International Center for Climate and Environment Sciences, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029
3 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049

AbstractBased on precipitation data from the China Meteorological Administration and NCEP–NCAR reanalysis data, the dominant patterns of summer precipitation over Inner Mongolia were investigated on the interannual scale with the EOF and composite analysis methods. This study focused mainly on the typical circulation patterns of the two leading modes as well as features of their related seasonal transition from spring to summer. On the interannual scale, the spatial distributions of summer precipitation over Inner Mongolia were classified into two main types: ‘consistent distribution’and ‘east–west seesaw distribution’. The consistent distribution type was primarily characterized by a dipole circulation in the mid- and upper-troposphere levels around Lake Baikal, wave-train anomalies in the midlatitudes originating fromnorthern Iran and central Asia, and a circulation pattern with high (low) pressure in the east and low (high) pressure in the west over East Asia. In contrast, the east–west seesaw distribution type featured a wave-train-like pattern propagating from the eastern European Plain, via the eastern Ural Mountains, to eastern Inner Mongolia and Northeast China. Meanwhile, a dipole anomaly pattern with high (low) pressure in the north and low (high) pressure in the south was situated in the mid and high latitudes over East Asia. For both patterns, their positive or negative phase corresponded to an advanced and delayed spring-to-summer seasonal circulation transition over mid- and high-latitude Asia. These results are helpful in deepening our understanding of the interannual-scale variability of anomalous summer precipitation and its typical circulation over Inner Mongolia, thus providing some clues for its prediction.

KeywordsSummer precipitation, Inner Mongolia, EOF, Circulation anomaly, Spring-to-summer seasonal transition