1990年代末東亞北部地區(qū)夏季水汽輸送年代際變化特征及其影響機(jī)制

胡泊 張志森 喬少博 龔志強(qiáng)

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1990年代末東亞北部地區(qū)夏季水汽輸送年代際變化特征及其影響機(jī)制

胡泊1張志森3喬少博3龔志強(qiáng)2

1揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，揚(yáng)州225002;2中國氣象局國家氣候中心開放實(shí)驗(yàn)室和預(yù)測室，北京100081;3蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，蘭州730000

利用1983～2011年降水量、環(huán)流和海溫的再分析資料，探討了東亞北部地區(qū)夏季水汽輸送的年代際變化特征，并分析了前冬北大西洋海溫對東亞北部地區(qū)夏季水汽輸送與大氣環(huán)流的可能影響。研究結(jié)果表明，20世紀(jì)90年代末期東亞北部地區(qū)夏季整層水汽與降水年代際的變化特征相一致，整層水汽通量的年代際變化主要是由于緯向水汽輸送異常作用的結(jié)果。東亞北部地區(qū)（35°～55°N，90°～145°E）西邊界的水汽輸送通量由多變少，東邊界的水汽輸送通量由少變多特征則直接導(dǎo)致了該地區(qū)降水由偏多轉(zhuǎn)為偏少的年代際變化。就外強(qiáng)迫 海溫角度來說，前冬北大西洋海溫跟東亞北部地區(qū)夏季500 hPa高度場、850 hPa風(fēng)場和850 hPa比濕均顯著相關(guān)。同時，在20世紀(jì)90年代中后期前冬北大西洋海溫也表現(xiàn)出由偏低向偏高轉(zhuǎn)變的年代際變化特征，且由于海溫自身的記憶性前冬的海溫異常一直延續(xù)到夏季。并在夏季激發(fā)出橫跨北大西洋和歐亞大陸中高緯度地區(qū)的大西洋—?dú)W亞（AEA）遙相關(guān)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步影響東亞北部地區(qū)夏季水汽輸送。

水汽輸送 年代際變化 環(huán)流 外強(qiáng)迫

1 引言

東亞北部地區(qū)（主要包括我國華東地區(qū)、東北地區(qū)及日本等地）地處中高緯地區(qū)，其不僅受到低緯度亞洲季風(fēng)的影響，還會受到中緯度副熱帶環(huán)流異常所導(dǎo)致的水汽輸送異常的影響。該區(qū)域夏季降水異常而引起的旱澇問題一直是氣象學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)（廉毅等，1997；沈柏竹等，2011；封國林等，2012；龔志強(qiáng)等，2013；He et al.，2015）。東亞夏季降水具有多時間尺度變化特征，不僅具有季節(jié)變化、年際變化，還具有明顯的年代際變化特征。平凡等（2006）研究就指出，在考慮年際變化的同時也必須考慮年代際變化特征，將這兩種時間尺度的降水進(jìn)行分離，才能更好地預(yù)測中國汛期降水。影響東亞北部地區(qū)夏季降水的因素有很多（Huang et al.，1993；廉毅等，2003，2004；楊修群等，2005；張慶云，2007；Ding et al.，2008；李建平等，2013），但是大氣中必須有著充足的水汽和水汽的輸入才可能形成降水。黃榮輝等（1998）研究表明，水汽輸送的年代際變化可能對中國夏季降水的年代際變化有著重要的影響。因此，對東亞北部區(qū)域的水汽輸送異常進(jìn)行的研究，有利于進(jìn)一步了解中國東北和華北等地夏季降水的物理機(jī)制。

很多氣象工作者對東亞北部地區(qū)的水汽輸送特征做了大量的研究，得出了有助于我們理解東亞北部地區(qū)水汽輸送年際和年代際特征有幫助的結(jié)論。如馬京津和高曉清（2006）研究表明，華北夏季水汽輸送通量及其軌跡具有明顯的年際和年代際變化特征；曹麗青等（2004）研究，發(fā)現(xiàn)1960年代初至1980年代中期華北地區(qū)的水汽呈下降趨勢，之后開始上升，1990年代中期以后華北地區(qū)水汽又呈下降趨勢；此外，華北地區(qū)夏季水汽含量的變化跟中國南海至西太平洋地區(qū)和中緯度西風(fēng)帶有無水汽向中國華北地區(qū)輸送有關(guān)（周曉霞等，2008；韓軍彩等，2012）；來源于西太平洋及中高緯度西風(fēng)帶的水汽輸送對華北暴雨產(chǎn)生也有著重要的影響（梁萍等，2007）；顧正強(qiáng)等（2013）研究發(fā)現(xiàn)，1970～1990年東北區(qū)域內(nèi)的水汽增加，而2000年以后東北區(qū)域內(nèi)的水汽大幅度的減少，進(jìn)而對東北地區(qū)夏季降水也存在明顯年代際特征給出有利佐證（孫力等，2002）?？偠灾?，東亞北部地區(qū)水汽輸送在1970年代和1990年代末存在顯著的年代際轉(zhuǎn)折，并直接導(dǎo)致了該地區(qū)降水的年代際變化。

此外，北大西洋海溫是影響東亞夏季氣候的重要外強(qiáng)迫因子之一（Sun and Wang, 2012; Sun et al., 2009）。白人海（2001）發(fā)現(xiàn)北大西洋冬季海溫呈現(xiàn)出北冷南暖異常分布時，同期北大西洋中高緯度地區(qū)的阻塞形勢偏強(qiáng)，對應(yīng)來年夏季東亞西風(fēng)環(huán)流指數(shù)偏低，使得東北地區(qū)夏季降水增多。Ma and Fu（2007）研究發(fā)現(xiàn)北大西洋海溫的年代際變率是中國華北夏季降水年代際變化的一個主要原因。北大西洋濤動不僅直接影響北大西洋及附近的氣候，甚至對整個北半球的天氣、氣候都有重要影響。Lu et al.（2006）等通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，北大西洋年代際振蕩會引起北大西洋以外區(qū)域的海洋和大氣之間的反饋?zhàn)饔脤|亞夏季風(fēng)產(chǎn)生影響，并提出了一種非局地影響的機(jī)制。Xu et al.（2013）研究發(fā)現(xiàn)北大西洋海溫三極子結(jié)構(gòu)可以通過所謂“大氣橋”和“海洋橋”的相互作用，影響下一季節(jié)的東亞中北部地區(qū)的降水異常。

對應(yīng)20世紀(jì)90年代末發(fā)生的東亞地區(qū)夏季降水的調(diào)整（黃榮輝等，2013；Zhu et al. 2011；龔志強(qiáng)等，2013；Si and Ding, 2013），東亞北部地區(qū)東亞季風(fēng)區(qū)北部或北部邊緣，其夏季降水很大程度上取決于來自中緯度的副熱帶季風(fēng)的影響，且受到臺風(fēng)等擾動極端事件的影響程度較南方地區(qū)相對較弱，在1990年代末東亞北部地區(qū)夏季降水的年代際調(diào)整特征的顯著程度明顯強(qiáng)于東亞南部地區(qū)，有必要對該區(qū)域開展相對獨(dú)立的研究。同時，側(cè)重從中緯度水汽輸送的角度出發(fā)來研究此次年代際變化特征的研究也相對較少，且水汽輸送異常與北大西洋海溫異常之間的相互作用的機(jī)理還尚不明確。因此，本文嘗試根據(jù)1983～2011年降水量、環(huán)流和海溫的再分析資料，利用大氣學(xué)中常用的方法探討20世紀(jì)90年代末東亞北部地區(qū)夏季水汽輸送的年代際調(diào)整，及其對應(yīng)的大氣環(huán)流內(nèi)部過程和海溫外強(qiáng)迫的年代際變化。文章第二節(jié)給出了資料和方法；第三節(jié)分析了東亞北部地區(qū)夏季整體水汽輸送及其各邊界水汽輸送的年代際變化特征；第四節(jié)分析了北大西洋海溫年代際變化與東亞北部夏季水汽輸送的關(guān)系；第五節(jié)分析了北大西洋海溫對東亞北部地區(qū)夏季水汽輸送的影響過程；第六節(jié)最后給出本文的總結(jié)和簡要的討論。

2 資料和方法

資料來自美國國家環(huán)境預(yù)測中心/國家大氣研究中心（NCEP/NCAR）發(fā)布的1983年6月到2011年8月的全球逐月和6小時再分析資料，包括高度場、風(fēng)場、比濕、地面氣壓的月平均資料，分辨率為2.5°×2.5°；1983～2011年NOAA ERSST（Extended Reconstructed SST）的海面溫度資 料，分辨率為2°×2°；PREC（The PRECipitation REConstruction data set）6～8 月的總降水量的分析資料。

本文所采用的主要方法是合成分析、相關(guān)分析和回歸分析。計算水汽輸送采用的方法是從地表面（p）到300 hPa 厚度的整層緯向水汽輸送（Q）、經(jīng)向水汽輸送（Q）的計算方法。

其中，s為地面氣壓；為比濕；為緯向風(fēng)；為經(jīng)向風(fēng)；為重力加速度。水汽輸送首先每6小時計算一次，再季節(jié)平均得到夏季的水汽輸送。

3 1990年代末東亞北部地區(qū)水汽輸送年代際變化特征

胡泊等（2014）研究發(fā)現(xiàn)，在1990年代末東亞北部地區(qū)夏季降水比東亞南部地區(qū)夏季降水年代際變化特征更明顯。在對東亞北部夏季水汽通量和邊界進(jìn)行研究之前，先要了解影響東亞北部地區(qū)夏季的水汽路徑有哪些。因此利用NCAR/NCEP發(fā)布的6小時再分析資料，并通過水汽通量公式計算得到了1983～2011年東亞及其周邊地區(qū)夏季月平均水汽輸送通量的矢量分布（圖1）。圖中矩形方框代表東亞北部地區(qū)（35°～55°N，90°～145°E）。東亞北部主要包括我國東北、華北和日本等地區(qū)。從圖上可以看出輸入到東亞北部地區(qū)的水汽路徑主要有四支；第一支是中緯度西風(fēng)帶氣流所帶來的水汽；第二支是沿西太平洋副熱帶高壓西南側(cè)的東南季風(fēng)從熱帶西太平洋所帶來的水汽；第三支是越赤道氣流經(jīng)我國南海附近來的水汽；第四支水汽是印度西南季風(fēng)經(jīng)阿拉伯海，孟加拉灣流向我國東部的水汽。四條水汽路徑影響了東亞北部地區(qū)不同的水汽邊界。其中，第二支、第三支和第四支的水汽主要從東亞北部地區(qū)的南邊界進(jìn)入和從東邊界輸出，因東亞北部地區(qū)主要集中在中緯度西風(fēng)帶地區(qū)，東亞北部地區(qū)四支邊界都會受到來自西風(fēng)帶氣流所帶來水汽的影響。同時在圖上也可以發(fā)現(xiàn)，由于地形的影響，青藏高原、秦嶺等山脈的阻擋作用，后三支的水汽輸送主要影響到我國東部沿海地區(qū)，且到了40°N以北的東亞北部地區(qū)則南風(fēng)風(fēng)量明顯減弱。由此，中緯度西風(fēng)帶氣流所帶來的水汽對東亞北部地區(qū)的降水的作用會更突出。

圖1 1983～2011年東亞及其周邊地區(qū)垂直積分的夏季平均水汽輸送通量（單位：kg m?1 s?1）分布

為了進(jìn)一步分析20世紀(jì)90年代末東亞北部地區(qū)夏季水汽輸送年代際變化特征，圖2a、b分別是1983～1998年和1999～2011年東亞北部地區(qū)（35°～55°N，90°～145°E）夏季整層積分的水汽輸送的合成圖，圖2c、d則是與之相對應(yīng)的散度場。從圖2可以看出，1983～1998年期間，來自太平洋等地的水汽在東亞北部地區(qū)形成氣旋式異常輸送，水汽輸送輻合，對應(yīng)著水汽輸送增強(qiáng)，有利于東亞北部地區(qū)降水。而在1999～2011年的水汽輸送與前段時間的水汽輸送呈現(xiàn)相反的趨勢，東亞北部地區(qū)水汽輸送形成反氣旋式異常輸送，東亞北部地區(qū)以水汽輻散為主，不利于東亞北部地區(qū)降水偏多。圖3給出1983～2011年東亞沿100°E～130°E夏季（6～8月）的降水距平百分率的緯度—時間剖面圖。從圖3上可以看出東亞地區(qū)夏季降水存在明顯的年代際的變化特征，二十世紀(jì)八十年代初到九十年代末30°N以北地區(qū)降水偏多，30°N以南地區(qū)降水相對于東亞北部地區(qū)偏少；而九十年代末到今30°N以北地區(qū)降水由多變少，30°N以南降水也相應(yīng)的由少變多。而且從圖3也可以看出在東亞北部地區(qū)（35°～55°N，90°～145°E）的年代際變化特征更加明顯，這與水汽輸送的年代際變化特征相對應(yīng)。因此從水汽輸送的角度來研究東亞北部地區(qū)夏季降水的年代際變化特征具有一定的合理性。

圖2 （a、b）東亞北部地區(qū)垂直積分的夏季水汽輸送通量（矢量；單位：kg m?1 s?1）及（c、d）其散度場（等值線；單位：kg m?2 s?1）：1983～1998年平均與氣候態(tài)之差（左列）；1999～2011年平均與氣候態(tài)之差（右列）。陰影部分為通過0.1的顯著性水平檢驗(yàn)

圖3 東亞沿100°E～130°E夏季降水距平百分率的緯度—時間剖面

圖4a、b分別給出了東亞北部地區(qū)1983～1998年和1999～2011年兩個時間段合成的夏季水汽收支垂直積分通過各邊界的水汽收支和總水汽收支圖。將通過東亞北部（35°～55°N，90°～145°E）區(qū)域四個邊界的水汽作為東亞北部地區(qū)各邊界的水汽收支。從圖4可以看出1983～1998年和1999～2011年東亞北部地區(qū)夏季的水汽都是來自北邊界、南邊界和西邊界的水汽，并從東邊界流向太平洋地區(qū)。1999～2011年東亞北部地區(qū)夏季水汽凈收入比1983～1998年水汽總收支明顯的減少，對應(yīng)東亞北部地區(qū)夏季降少由多變少的特征。然而1983～1998年經(jīng)向進(jìn)入東亞北部地區(qū)的北邊界和南邊界的水汽較1999～2011年進(jìn)入東亞北部地區(qū)的水汽增多，而緯向進(jìn)入東亞北部地區(qū)的西邊界的水汽減少，東邊界輸出的水汽則增多。因此，緯向水汽輸入和輸出的變化可能直接導(dǎo)致1990年代末期東亞北部地區(qū)夏季水汽輸送發(fā)生年代際轉(zhuǎn)折。

圖4 （a）1983～1998年和（b）1999～2011年東亞北部地區(qū)夏季通過各邊界的水汽收支和總的水汽收支的示意圖。單位：kg s?1

基于上述結(jié)果，我們計算了東亞北部地區(qū)緯向整層水汽輸送通量和經(jīng)向整層水汽輸送通量的5年滑動平均（圖5a、b）。從圖5柱狀圖上可以看出，緯向整層水汽輸送通量在20世紀(jì)90年代中后期發(fā)生了年代際的轉(zhuǎn)折，從水汽偏少轉(zhuǎn)向水汽偏多；而經(jīng)向的整層水汽輸送通量在20世紀(jì)90年代末期的年代際轉(zhuǎn)折沒有緯向整層水汽輸送通量的年代際轉(zhuǎn)折明顯。因此，進(jìn)一步證實(shí)了導(dǎo)致20世紀(jì)90年代末東亞北部地區(qū)夏季降水年代際發(fā)生轉(zhuǎn)折中緯向水汽輸送異常的作用強(qiáng)于經(jīng)向水汽輸送。

圖5 1983～2011年夏季（a）緯向整層水汽輸送通量和（b）經(jīng)向整層水汽輸送通量的5年滑動平均。單位：kg m?1 s?1

圖6a–d給出了東亞北部地區(qū)各邊界的水汽收支序列圖和相應(yīng)的滑動檢驗(yàn)（簡稱MTT；符淙斌和王強(qiáng)，1992），其中滑動檢驗(yàn)采用的是5年滑動檢驗(yàn)。從東亞北部地區(qū)四個邊界的水汽輸入量可以發(fā)現(xiàn)，東邊界水汽、南邊界水汽和北邊界水汽更多的表現(xiàn)出的是年際的振蕩，而西邊界的水汽年代際的振蕩更明顯。西邊界的水汽在20世紀(jì)90年代末由多變少，對應(yīng)著東亞北部地區(qū)夏季降水的由偏多到偏少。同時利用5年的MTT對東亞北部四個邊界進(jìn)行年代際調(diào)整的檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只有西邊界的水汽輸入量的突變檢驗(yàn)通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，且發(fā)生突變的時間大致在20世紀(jì)90年代末。由表1中降水量與各邊界的水汽輸入量相關(guān)系數(shù)可知，降水量跟水汽凈輸入量相關(guān)系數(shù)為0.76，通過了0.05顯著性水平檢驗(yàn)。同時，夏季降水量與東邊界的水汽輸出量相關(guān)系數(shù)為－0.29，與西邊界水汽輸入量相關(guān)系數(shù)0.59，與北邊界水汽輸入量相關(guān)系數(shù)為0.23，與南邊界水汽輸入量相關(guān)系數(shù)為0.06。東亞北部地區(qū)夏季降水量只與總水汽收支和西邊界的水汽輸入量通過了顯著水平為0.05的顯著性檢驗(yàn)。由此表明水汽凈收支是降水的前提條件，而西邊界的水汽對東亞北部地區(qū)的降水起著更為重要的作用。

圖6 東亞北部（a）東邊界、（b）西邊界、（c）南邊界和（d）北邊界水汽收支序列及其滑動t檢驗(yàn)（MTT）通過0.05水平顯著性檢驗(yàn)的臨界值。單位：107 kg s?1

表1 東亞北部地區(qū)夏季降水量與各邊界水汽收支及其總收支的相關(guān)系數(shù)

*表示通過顯著水平為0.05的顯著性檢驗(yàn)

4 北大西洋海溫年代際變化與東亞北部地區(qū)夏季水汽輸送的關(guān)系

大西洋年代際振蕩（簡稱AMO）可能是導(dǎo)致北半球海表溫度（Zhang and Delworth, 2007）和全球空氣溫度發(fā)生變化（Kravtsov and Spannagle, 2008）的主要因素。圖7a–c分別給出了東亞北部地區(qū)夏季西邊界水汽通量與前冬，春季和夏季大西洋海溫的相關(guān)系數(shù)分布圖。前冬、春季和夏季北大西洋海溫都和東亞北部地區(qū)夏季西邊界的水汽通量有顯著的相關(guān)性，只是在通過0.05的顯著性水平檢驗(yàn)的區(qū)域有所差別。前冬北大西洋海溫與東亞北部地區(qū)夏季西邊界水汽通量通過檢驗(yàn)的相關(guān)區(qū)域主要集中在北大西洋中高緯（55°N～70°N，60°W～0°）區(qū)域和中低緯（30°N～60°N，40°W～15°W）區(qū)域；春季和夏季北大西洋海溫在中高緯地區(qū)依舊與東亞北部地區(qū)夏季西邊界水汽通量相關(guān)性顯著；然而在中低緯地區(qū)，北大西洋海溫與東亞北部地區(qū)夏季西邊界水汽通量隨著季節(jié)的變化通過0.05的顯著性水平檢驗(yàn)的區(qū)域逐漸往東南方向轉(zhuǎn)移。春季和夏季北大西洋海溫與東亞北部地區(qū)西邊界水汽輸送通量通過相關(guān)性檢驗(yàn)區(qū)域分別集中在（25°N～35°N，65°W～30°W）和（25°N～35°N，70°W～50°W）區(qū)域。因此，將前冬、春季和夏季北大西洋海溫與東亞北部地區(qū)夏季西邊界水汽輸送通量通過0.05的顯著性水平檢驗(yàn)的區(qū)域計算逐年海溫距平的平均值，并將均值序列作為前冬、春季和夏季北大西洋海溫異常指數(shù)。已有研究表明，海表溫度的異常直接影響鄰近地區(qū)的氣候變化，而對遠(yuǎn)離的地區(qū)則可能是對大氣產(chǎn)生影響后，再通過遙相關(guān)來傳播（白人海，2001）。冬季的大西洋海溫可能對包括東亞地區(qū)在內(nèi)的廣大北半球中高緯度夏季氣候存在顯著的影響（Ogi et al.，2003）。

圖7 夏季西邊界水汽通量與（a）前冬、（b）春季和（c）夏季大西洋海表溫度的相關(guān)系數(shù)分布（圖中陰影區(qū)域通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)）

為了更好的研究東亞北部地區(qū)夏季水汽輸送通量與北大西洋海溫兩者之間的聯(lián)系，將通北大西洋前冬、春季和夏季北大西洋海溫異常指數(shù)序列與夏季東亞北部地區(qū)各個邊界水汽輸送和總水汽收支求相關(guān)（表2）。由表2可見，前冬北大西洋海溫與東亞北部地區(qū)夏季西邊界的水汽輸送通量的相關(guān)系數(shù)通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，而與其他三個邊界的水汽沒有通過0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，同時與總水汽收支的相關(guān)性也通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，并且這種相關(guān)性情況一直持續(xù)到夏季。由此，東亞北部地區(qū)西邊界的水汽通量與前期和同期的北大西洋海溫有顯著相關(guān)性，并對夏季東亞北部的降水起到主要作用。

表2 北大西洋各季海表溫度指數(shù)與東亞北部各邊界水汽通量、總水汽收支的相關(guān)系數(shù)

*表示通過0.05的顯著性水平檢驗(yàn)

為了進(jìn)一步分析前冬北大西洋海溫對東亞北部地區(qū)水汽輸送的影響，將前冬北大西洋海溫指數(shù)序列標(biāo)準(zhǔn)化，大于1個標(biāo)準(zhǔn)差的年定義為偏暖年，小于一個標(biāo)準(zhǔn)差的年定義為偏冷年。偏冷年為：1985、1986、1987、1990、1991、1994年；偏暖年為：2002、2004、2005、2006、2008、2011年。從北大西洋海溫偏冷年和偏暖年合成的東亞北部地區(qū)垂直積分的水汽輸送通量和散度場圖上（圖8）可以看到，在北大西洋海溫偏冷年時，東亞北部地區(qū)的水汽輸送呈氣旋式異常輸送，對應(yīng)著東亞北部地區(qū)水汽輸送輻合，有利于水汽輸送增強(qiáng)，這樣的形勢使得東亞北部地區(qū)降水偏多；對比北大西洋海溫偏暖年所對應(yīng)的東亞北部地區(qū)水汽輸送形成反氣旋式異常輸送，東亞北部地區(qū)以水汽輻散為主，不利于東亞北部地區(qū)降水偏多。

圖8 （a、b）前冬北大西洋海溫合成的夏季水汽輸送（單位：kg m?1 s?1）及（c、d）其散度場（單位：g cm?2 hPa?1 s?1）：偏冷年（左列）；偏暖年（右列）。陰影部分通過了0.1的顯著性水平檢驗(yàn)

本節(jié)進(jìn)一步分析前冬的北大西洋海溫對東亞北部地區(qū)的環(huán)流形勢的影響，進(jìn)而明確北大西洋海溫影響東亞北部地區(qū)水汽輸送的可能動力過程。大氣環(huán)流也存在著年代際的轉(zhuǎn)折，大氣環(huán)流的年代際演變對應(yīng)著降水和水汽的年代際變化（施能和朱乾根，1995）。圖9a、b給出了500 hPa高度場1999～2011年和1983～1998年兩時段的差值圖和前冬北大西洋海溫與500 hPa高度場的相關(guān)系數(shù)分布圖。從圖9b中可以看出，前冬北大西洋海溫與500 hPa高度場通過檢驗(yàn)的區(qū)域主要集中在東亞北部地區(qū)。同時圖9a中，1999～2011年東亞北部地區(qū)和地中海上游地區(qū)的高度場比1983～1998年東亞北部地區(qū)的高度場偏高，中亞地區(qū)到中國東部華南地區(qū)為負(fù)距平所控制，在東亞地區(qū)從北向南呈現(xiàn)“＋－”的偶極分布特征。歐亞大陸中高緯度高度場從西到東呈“＋－＋”分布，即在北大西洋海溫偏高時易出現(xiàn)“兩脊一槽”的分布，這樣的環(huán)流形勢容易在東亞北部地區(qū)形成阻塞高壓，不利于東亞北部地區(qū)的水汽輸送。圖10a、b給出了850 hPa風(fēng)場1999～2011年和1983～1998年兩時段的差值圖和前冬北大西洋海溫與850 hPa緯向風(fēng)場的相關(guān)系數(shù)分布圖。前冬北大西洋海溫跟850 hPa 緯向風(fēng)場在東亞北部地區(qū)50°N以北為正相關(guān)，50°N以南為負(fù)相關(guān)。這樣的配置使得850 hPa風(fēng)場在東亞北部為異常的反氣旋所控制，低層風(fēng)場輻散，下沉運(yùn)動增強(qiáng)，高層輻合。高低層環(huán)流異常配置使得20世紀(jì)90年代末以后東亞北部地區(qū)水汽輸送減少，同時不利于該地區(qū)降水。水汽通量是表示單位時間流經(jīng)某個單位截面面積的水汽含量，分為水平水汽通量和垂直水汽通量。這反映了大氣中的水汽由氣流攜帶從一個地區(qū)輸送到另一個地區(qū)的輸送路徑和強(qiáng)度。水平水汽通量和垂直水汽通量分別是由緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)與比濕相乘得來的。因此，在北大西洋海溫的影響下，東亞北部地區(qū)的比濕發(fā)生明顯的年代際變化，從而造成東亞北部水汽輸送在20世紀(jì)90年代末發(fā)生年代際變化。圖11a、b給出了850 hPa比濕1999～2011年和1983～1998年兩時段的差值圖和前冬北大西洋海溫與850 hPa比濕的相關(guān)系數(shù)分布圖。從圖11可以發(fā)現(xiàn)，前冬北大西洋海溫跟我國華北、東北地區(qū)相關(guān)性通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。同時我國華北地區(qū)和東北地區(qū)的比濕在20世紀(jì)90年代末以后相對減少，沿海地區(qū)水汽相對增多。這也恰好對應(yīng)了20世紀(jì)90年代末東亞北部地區(qū)夏季水汽輸送減少的變化特征。

圖9 （a）500 hPa高度場1999～2011年和1983～1998年兩時段差值（單位：gpm）分布和（b）前冬北大西洋海表溫度與500 hPa高度場的相關(guān)系數(shù)分布。（b）中陰影區(qū)域是通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)

圖10 （a）850 hPa風(fēng)場1999～2011年和1983～1998年兩時段差值（單位：m s?1）和（b）前冬北大西洋海溫與850 hPa緯向風(fēng)場的相關(guān)系數(shù)分布。（b）中陰影區(qū)域是通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)

圖11 同圖10，但為比濕

5 北大西洋海溫對東亞北部地區(qū)夏季水汽輸送的影響過程

以上的結(jié)果表明，前冬的北大西洋海溫通過影響與東亞北部地區(qū)夏季水汽輸送相聯(lián)系的環(huán)流特征，從而使東亞北部地區(qū)夏季水汽輸送在20世紀(jì)90年代末發(fā)生年代際調(diào)整。接下來進(jìn)一步分析環(huán)流結(jié)構(gòu)與北大西洋海溫異常對應(yīng)的環(huán)流結(jié)構(gòu)之間存在的對應(yīng)關(guān)系。圖12給出了東亞北部地區(qū)夏季西邊界水汽輸送與同期500 hPa高度場和200 hPa高度場的相關(guān)系數(shù)。從圖12a可以發(fā)現(xiàn)，位勢高度場在北大西洋地區(qū)為顯著的正相關(guān)，北大西洋地區(qū)的上區(qū)域和下區(qū)域?yàn)轱@著的負(fù)相關(guān)，黑海附近區(qū)域?yàn)轱@著的負(fù)相關(guān)，中亞地區(qū)為顯著的正相關(guān)，東亞北部地區(qū)則出現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)。這樣的“＋－”相間的遙相關(guān)結(jié)構(gòu)在對流層中、高層均存在圖12b。同時這種遙相關(guān)結(jié)構(gòu)在200 hPa緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)中也存在（圖略）。這種結(jié)果和Xu et al.（2013）等的研究結(jié)果相似，他將這種波列稱為大西洋—?dú)W亞（AEA）遙相關(guān)。Ambrizzi et al.（1995）也發(fā)現(xiàn)遙相關(guān)沿著急流波導(dǎo)呈緯向分布，其中一支波列位于北非—亞洲地區(qū)。Branstator（2002）以及Ding and Wang（2005）研究指出，中緯度地區(qū)對流層上層的急流可以作為羅斯貝波傳播的波導(dǎo)。

圖12 1983～2011年夏季西邊界水汽輸送通量與同期（a）500 hPa高度場和（b）200 hPa高度場的相關(guān)系數(shù)分布（圖中陰影區(qū)域通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)）

為了進(jìn)一步分析北大西洋海溫對AEA遙相關(guān)結(jié)構(gòu)的影響，圖13給出了1983～2011年夏季北大西洋海溫對200 hPa高度場和200 hPa經(jīng)向風(fēng)場的回歸系數(shù)分布圖。從圖13可以發(fā)現(xiàn)無論是在200 hPa高度場還是在200 hPa經(jīng)向風(fēng)場中均存在北大西洋—黑?！衼啞獤|亞北部遙相關(guān)結(jié)構(gòu)，并且在徑向風(fēng)場上面表現(xiàn)的更明顯。因此夏季北大西洋海溫影響了AEA遙相關(guān)型，從而造成了東亞地區(qū)夏季水汽輸送在20世紀(jì)90年代末發(fā)生轉(zhuǎn)折。

圖13 1983～2011年夏季北大西洋海溫指數(shù)對（a）200 hPa高度場 [單位：gpm (°C)?1]和（b）200 hPa經(jīng)向風(fēng)場 [單位：m s?1 (°C)?1]的回歸系數(shù)分布（圖中陰影區(qū)域是通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)）

同時北大西洋海溫與東亞夏季氣候異常存在著一種超前滯后的關(guān)系。周波濤（2011）研究證實(shí)了冬季海溫會由于自身的持續(xù)性，將信號持續(xù)到夏季，并影響對流活動進(jìn)而導(dǎo)致東亞夏季環(huán)流異常。因此將前冬大西洋海溫與東亞北部地區(qū)夏季西邊界水汽相關(guān)性通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)區(qū)域作為北大西洋海溫距平作為指數(shù)，并做出前冬、春季和夏季北大西洋海溫距平的演變圖（圖14）。從圖14可以發(fā)現(xiàn)，前冬、春季和夏季的北大西洋海溫在20世紀(jì)90年代中后期都存在由偏低到偏高相位轉(zhuǎn)變的趨勢。前冬的北大西洋海溫和春季的北大西洋海溫的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.81，春季的北大西洋海溫與夏季的北大西洋海溫的相關(guān)系數(shù)為0.79，都通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。并且通過北大西洋海溫隔季相關(guān)圖（圖略）上也可以看出，在中高緯地區(qū)和20°N附近地區(qū)隔季的海溫依舊存在顯著的相關(guān)性。表明了冬季的北大西洋海溫由于自身的發(fā)展會延續(xù)到夏季。

圖14 冬季（黑線）、春季（紅線）和夏季（藍(lán)線）北大西洋海表溫度距平的時間序列（單位：°C）

6 結(jié)論和討論

利用1983～2011年月總降水量、環(huán)流和海溫的再分析資料，分析了20世紀(jì)90年代末東亞北部地區(qū)的夏季水汽輸送的年代際調(diào)整，并從北大西洋海溫這一外強(qiáng)迫因子出發(fā)，進(jìn)行了可能的物理過程探究，得到了以下幾點(diǎn)重要結(jié)論：

（1）影響東亞北部地區(qū)的夏季水汽路徑一共有四支，其中來自西太平洋，南海和孟加拉灣的水汽由于地形的影響，青藏高原、秦嶺等山脈的阻擋作用，主要輸送到我國東部沿海地區(qū)。而從西風(fēng)帶帶來的水汽影響東亞北部整個地區(qū)；造成20世紀(jì)90年代末緯向的水汽輸送比經(jīng)向的水汽輸送年代際特征更明顯；使得從西邊界輸入由多變少的水汽和從東邊界輸出由少變多的水汽更符合東亞北部地區(qū)夏季降水由多變少的年代際變化特征。再通過對四個邊界的水汽輸送通量進(jìn)行MTT檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，西邊界的水汽輸送通量的年代際變化特征最為明顯，且只有西邊界的水汽輸送通量通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。西邊界的水汽輸送異常的年代際變化特征對應(yīng)著東亞北部地區(qū)水汽輸送在20世紀(jì)90年代末轉(zhuǎn)變?yōu)榉礆庑惓］斔停蛯虞椛?，水汽減少等特征。因此西邊界的水汽通量才是導(dǎo)致東亞北部地區(qū)水汽輸送在20世紀(jì)90年代末發(fā)生年代際轉(zhuǎn)折的主要因素之一。

（2）前冬的北大西洋海溫也在20世紀(jì)90年代中后期發(fā)生由冷變暖的年代際變化特征，與東亞北部地區(qū)西邊界水汽輸送通量有良好的對應(yīng)關(guān)系；同時前冬的北大西洋海溫跟東亞北部地區(qū)夏季500 hPa高度場、850 hPa風(fēng)場和850 hPa比濕顯著相關(guān)；前冬的北大西洋海溫由于自身的記憶性使得前冬海溫的年代際信號持續(xù)到夏季；夏季的北大西洋海溫通過“大氣橋”的作用激發(fā)大西洋—?dú)W亞（AEA）遙相關(guān)型，最終影響東亞北部地區(qū)水汽輸送在20世紀(jì)90年代末期發(fā)生年代際調(diào)整。

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The Interdecadal Variation and Physical Mechanism for the Summertime Water Vapor Transport in Northern East Asia in the Late 1990s

HU Po1, ZHANG Zhisen3, QIAO Shaobo3, and GONG Zhiqiang2

1,,225002;2,,,100081;3,,730000

Time water vapor transport over the northern East Asia have been analyzed using various datasets of precipitation, atmospheric circulation and sea surface temperature (SST) for the period of 1983 to 2011. The influence of preceding winter North Atlantic SST on the summertime water vapor transport and atmospheric circulation in northern East Asia are investigated. Results show that the decadal variability of summertime integrated water vapor transport, which is caused by changes in zonal water vapor, is similar to that of precipitation over northern East Asia in the late 1990s. Moreover, the decadal change is more significant along the western boundary than in the eastern boundary of the study region. A significant correlation is found between preceding winter North Atlantic SST and 500 hPa geopotential height, 850 hPa wind and specific humidity in the summer. In the late 1990, SST changes from anomalously cool to anomalously warm in the winter and the warm SST anomaly persists into the following summer. The summer North Atlantic SST anomaly generates an Atlantic-Eurasia (AEA) teleconnection structure that is across the North Atlantic and the middle-high latitude of Eurasia during the corresponding period, and further influences the summertime water vapor transport over northern East Asia.

Water vapor transport, Inter-decadal variation, Circulation, Extra-forcing factor

1006-9895(2016)05-0933-13

P461

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1512.15158

2015-03-16；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期 2015-12-18

胡泊，男，1990年出生，碩士研究生，主要從事非線性大氣動力學(xué)研究。E-mail: 383876027@qq.com

龔志強(qiáng)，E-mail: gongzq@cma.gov.cn

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目41575082、41205040、41375078，公益性行業(yè)專項(xiàng)GYHY201306021，國家重大基礎(chǔ)研究計劃項(xiàng)目2012CB955902

Funded by National Natural Science Foundation of China (Grants 41575082, 41205040, 41375078), the Special Research Project for Public Interest, China (Grant GYHY201306021), the National Basic Research Program of China (Grant 2012CB955902)