“絲綢之路”模態(tài)與東亞夏季環(huán)流的關(guān)系

李　艷，張英華，鄭鳳魁，袁有林

（1.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.94582部隊氣象臺，河南確山 463217；3.93123部隊氣象臺，遼寧遼陽 111000；4.63610部隊氣象臺，新疆 庫爾勒 841001）

大氣遙相關(guān)是指遠距離的大氣環(huán)流變化間的相關(guān)，是一種大氣環(huán)流持續(xù)異常的現(xiàn)象，Wallace和Gutzler[1]發(fā)現(xiàn)冬季北半球500 hPa主要存在5個遙相關(guān)型，即太平洋—北美（PNA）型、歐亞（EU）型、西大西洋（WA）型、西太平洋（WP）型和東大西洋（EA）型，這些遙相關(guān)型在夏季仍然存在，但不及冬季典型，且在夏季隨著西風(fēng)環(huán)流向北推移[2]。而夏季歐亞大陸上空的遙相關(guān)波列中，主要包括太平洋—日本（PJ）波列（或稱為東亞—太平洋（EAP）波列）[3-6]、OKJ波列[7-8]以及“絲綢之路”遙相關(guān)波列[9]（the Silk Road pattern，以下簡稱SR型）等。PJ波列在夏季經(jīng)常起源于菲律賓附近，沿東北方向向北美傳播，它與菲律賓附近地區(qū)的對流活動加熱有關(guān)[4-5]，但近年來也有研究指出，PJ波列還與中高緯度的正壓和斜壓能量轉(zhuǎn)換有關(guān)，且具有自我維持的機制[10-11]，它對中國中東部地區(qū)和日本的天氣氣候有重要影響[12-13]。OKJ波列在初夏最強，通常起源于里海，經(jīng)貝加爾湖、鄂霍次克海后轉(zhuǎn)向東南經(jīng)日本再傳播到副熱帶的洋面上空，它有相當(dāng)長的路徑是在中國以北的西伯利亞上空[7-8，14]。而SR遙相關(guān)模態(tài)大體沿 40°N附近呈準(zhǔn)緯向分布并貫穿歐亞大陸，西起地中海，東至日本上空附近，它與夏季亞洲急流的分布位置相當(dāng)一致，SR模態(tài)通過正壓和斜壓能量轉(zhuǎn)換從基本流中獲得動能，從而得以維持[14-15]，其中西風(fēng)急流起到了波導(dǎo)的作用，并將波列限制在它附近，SR波列與西風(fēng)基本流的相互作用可以解釋SR模態(tài)的鎖相特征和自我維持機制[17-18]。一些研究認為熱帶加熱在觸發(fā)SR模態(tài)上有一定貢獻，Ding等[19]經(jīng)過分析，認為印度夏季降水異常產(chǎn)生的熱源加熱在激發(fā)SR模態(tài)向下游傳播時起到一定作用。此外，一些學(xué)者對SR模態(tài)的分布和變化特征也做了研究，Song等[20]通過經(jīng)驗正交函數(shù)分解（EOF）等方法，認為存在兩種SR模態(tài)，并分別分析了這兩種SR模態(tài)的特征。Chen等[21]從理論和模式上分析了SR模態(tài)在熱力耗散情況下的斜壓不穩(wěn)定特征。Hong等[18]分析發(fā)現(xiàn)SR模態(tài)的位相與亞洲急流位置的南北變動有密切關(guān)系，當(dāng)亞洲急流偏北時，西亞和東亞出現(xiàn)反氣旋異常，而歐洲和中亞出現(xiàn)氣旋性異常。

SR模態(tài)通過大氣環(huán)流的作用對東亞的氣溫和降水也有重要影響，且常常與其他遙相關(guān)模態(tài)共同影響東亞地區(qū)的天氣和氣候。Wang等[22]指出2014年夏季強的SR遙相關(guān)型、太平洋—日本（PJ）遙相關(guān)型和歐亞（EU）遙相關(guān)型對西太平洋副高和東亞大槽產(chǎn)生重要影響，從而導(dǎo)致了東亞降水“三極子”型模態(tài)和中國華北以及東北亞嚴重干旱的出現(xiàn)。Hsu等[23]指出東亞沿海南北向的遙相關(guān)模態(tài)在東亞夏季“三極子”型降水的正位相更加活躍，而在負位相，沿歐亞大陸的東西向波列則更加顯著。

由于西太平洋副高、南亞高壓、梅雨鋒等夏季風(fēng)系統(tǒng)對東亞環(huán)流形勢的影響更加直接和重要，關(guān)于這些系統(tǒng)對東亞氣候影響的分析已經(jīng)很多。而已有的與SR模態(tài)有關(guān)的一些研究也大多是從分析大氣環(huán)流和地面氣象要素異常成因的角度，僅將SR模態(tài)作為其中一個影響因子來分析環(huán)流異常的原因，但專門討論SR模態(tài)與某一地區(qū)中低層大氣環(huán)流及地面氣象要素之間關(guān)系的研究還不多，且這些分析中關(guān)于印度、日本等地區(qū)的較多，而關(guān)于整個東亞尤其是中國中東部的較少。因此，本文將重點分析SR模態(tài)與東亞環(huán)流系統(tǒng)的聯(lián)系，并在此基礎(chǔ)上，進一步分析SR模態(tài)對東亞地面氣象要素的影響。

1　資料與方法

1.1　資料

本文使用歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）的ERA-Interim月平均位勢高度場、風(fēng)場等資料進行環(huán)流分析，高度層為1000～100 hPa，使用350 K等位溫面上的位渦（PV）資料，試圖從位渦觀點來分析環(huán)流異常的成因。使用GPCP Version 2.2月降水率資料分析環(huán)流異常對東亞地區(qū)降水的影響。所有資料采用6、7、8月的平均值作為夏季平均場，年份為1979—2015年，共37 a，資料的空間分辨率為2.5°×2.5°。

1.2　關(guān)于SR模態(tài)的定義及所用方法

本文SR模態(tài)的定義為：夏季（30°～50°N，30°～130°E）范圍內(nèi)200 hPa經(jīng)向風(fēng)場EOF分解第1模態(tài)的時間系數(shù)（PC1），將PC1標(biāo)準(zhǔn)化后，定義為SRI指數(shù)，該定義也為不少文獻所采用[16，18，20]，只是選取的范圍略有差異。

由于本文主要關(guān)注SR模態(tài)的年際而非年代際變化對氣候的影響，因此所有資料在求距平前，均除去其逐年的線性趨勢。本文還用到線性回歸、合成分析以及t分布檢驗等方法。

2　關(guān)于SR模態(tài)正負異常年的環(huán)流特征分析

2.1　回歸特征分析

從關(guān)于SRI指數(shù)在200 hPa的回歸場（圖1）可知，典型的SR遙相關(guān)波列中，有3個顯著的位勢高度異常中心分別位于東歐、中亞和中國新疆、內(nèi)蒙古西部、甘肅附近上空，在中國東北、朝鮮半島和日本附近，也有一個異常中心，該遙相關(guān)波列甚至延伸到了日本以東洋面上空。除了東歐的異常中心緯度偏高些，自東歐至日本以東，SR模態(tài)的位勢高度距平大體沿40°N呈“+、-、+、-、+”的準(zhǔn)緯向分布。

圖1　關(guān)于SRI指數(shù)線性回歸的200 hPa位勢高度場距平

2.2　500 hPa合成分析結(jié)果

本文在計算合成分析結(jié)果時，以SRI指數(shù)分別≥1和≤-1作為選取正負異常年份的依據(jù)，這樣篩選出來的SR模態(tài)正異常年為1981，1989，1991，1999，2000，2002，2009，2010年，共8 a；負異常年為1983，1984，1990，1994，1995，2008年，共6 a。

雖然SR模態(tài)在對流層上層最顯著，但仍可通過大氣環(huán)流影響到對流層中下層。圖2為關(guān)于SR模態(tài)合成的500 hPa正負異常年的環(huán)流異常特征，在正異常年（圖2a），高度場距平位置的分布與200 hPa線性回歸（圖1）的情況比較一致，但與200 hPa相比，中國西北的高度異常區(qū)明顯偏東，顯著區(qū)范圍延伸到了中國華北上空，而200 hPa上位于朝鮮半島的負異常中心已東移至中國東北且變得不顯著，風(fēng)場異常與高度場大體是配合的。在中國環(huán)渤海附近，沿高壓東側(cè)有比較明顯的偏北風(fēng)異常，且高壓在中國北方應(yīng)是不利于海上暖濕氣流輸送至此的。配合200 hPa的急流區(qū)來看（圖3a），正異常年的急流區(qū)在東亞上空比較彎曲，在90°～105°E區(qū)域急流區(qū)北抬，顯示出一種“波峰”的形態(tài)，而在環(huán)渤海和朝鮮半島，則顯示出“波谷”的形態(tài)，與之對應(yīng)的是，500 hPa實際位勢高度合成場中（圖3a），中緯度90°～110°E區(qū)域的中國新疆上空附近，也有一高壓脊存在，有利于中高緯度的冷空氣沿脊前南下影響環(huán)渤海和朝鮮半島地區(qū)，而在環(huán)渤海附近，則有一較明顯的低槽存在。值得注意的是，由圖2a可知，SR模態(tài)在500 hPa上，主要與中國的中緯度地區(qū)有關(guān)，而與30°N以南的中國南方，關(guān)系不大，在850 hPa上，情況也類似。在日本列島附近，沿日本以東的高壓（Enomoto[8，23]稱該高壓為“小笠原高壓”，該高壓是夏季位于日本附近的一個副熱帶反氣旋）偏強，其西側(cè)有明顯的偏南風(fēng)異常，有利于西北太平洋上的暖濕氣流的輸送。

在負異常年（圖2b），SR波列與正異常年相比更加顯著，遙相關(guān)波列特征更加清楚，且有一個明顯的不同是，西北歐附近出現(xiàn)一個顯著的高度正距平區(qū)，這表明在SR模態(tài)負異常年，上游歐洲地區(qū)的定常波活動對SR模態(tài)的影響，比正異常年更顯著一些。在東亞地區(qū)，朝鮮半島附近的反氣旋異常中心比較顯著，中國華北位于此反氣旋的西側(cè)，有東南風(fēng)異常，有利于海上暖濕水汽的輸送，而在日本附近則相反，在該反氣旋東側(cè)，有偏北風(fēng)異常。從200 hPa急流來看（圖3b），負異常年的急流區(qū)比正異常年更加平直，急流也更強些，25 m·s-1以上的區(qū)域已經(jīng)向東延伸到環(huán)渤海附近，與200 hPa急流相一致的是，500 hPa位勢高度場上（圖3b），新疆附近并沒有高度脊存在，環(huán)渤海地區(qū)也沒有明顯的低槽。

圖2　關(guān)于SRI指數(shù)合成的正（a）、負（b）異常年500 hPa位勢高度場距平（等值線，單位：gpm）和風(fēng)場距平（箭頭，單位：m·s-1）

圖3　 關(guān)于SRI指數(shù)合成的正（a）、負（b）異常年500 hPa位勢高度場（等值線，單位：gpm）、500 hPa風(fēng)場（箭頭，單位：m·s-1，風(fēng)速＜5 m·s-1的未顯示）和200 hPa急流區(qū)

2.3　剖面圖分析

為了更直觀地分析SR模態(tài)在整個對流層中的環(huán)流結(jié)構(gòu)，計算得到了關(guān)于SR模態(tài)正負異常年的經(jīng)度—高度剖面圖和緯度—高度剖面圖（圖4、圖5）。在經(jīng)度—高度剖面圖的正異常年中（圖4a），SR模態(tài)的波列特征比較清楚，尤其是位于中亞、中國新疆和日本以東的異常中心，且是相當(dāng)正壓的，自高層的100 hPa一直延伸到低層的700 hPa左右，但在135°E附近的東亞地區(qū)的異常中心不明顯，這與圖2a一致。在對流層中低層110°～130°E區(qū)域的中國北方，有明顯的下沉氣流，與圖2a中500 hPa的偏北風(fēng)結(jié)合分析，不利于該地區(qū)降水的產(chǎn)生，而在140°E附近的日本列島，上升氣流的距平是主要的。

在負異常年（圖4b），SR模態(tài)的波列特征仍比較清楚，不同之處在于30°～70°E對流層的中低層，有位勢高度負距平，伴隨上升氣流異常，且位于東亞135°E的正異常中心變得顯著，在該異常中心的西側(cè)和東側(cè)分別有上升和下沉氣流異常，而日本以東的負異常中心則變得不顯著。

圖4　關(guān)于SRI指數(shù)正（a）、負（b）異常年合成的位勢高度場（等值線，單位：gpm）、風(fēng)場（箭頭，單位：m·s-1，風(fēng)速＜0.5 m·s-1的未顯示）距平沿35°～45°N平均的經(jīng)度—氣壓剖面圖

由于本文主要關(guān)注SR模態(tài)與東亞環(huán)流的聯(lián)系，因此計算了關(guān)于120°～135°E平均的緯度-高度剖面圖，在正異常年（圖5a），SR模態(tài)對該區(qū)域的影響不明顯，高度場距平很小且不顯著，風(fēng)場異常大體以60°N為界，以北為偏北風(fēng)異常，以南為偏南風(fēng)異常，且這種特征幾乎在整個對流層都存在，偏南風(fēng)異常在40°N以南就變得不顯著，這與500 hPa的分析也比較一致。而在低緯度，位勢高度場的異常不明顯，赤道南側(cè)的5°S和北側(cè)的15°N附近，各有一支異常上升氣流存在，且從低層一直持續(xù)到250 hPa左右。在負異常年（圖5b），最主要的特征就是在中緯度30°～45°N之間，有一位勢高度正異常中心，該異常中心從對流層高層延伸到低層的700 hPa，且相當(dāng)正壓，并伴隨著偏北風(fēng)異常。在低緯度，與正異常年不同的是，在赤道附近而非赤道兩側(cè)，有一支明顯的上升異常氣流，表明赤道附近的對流活動比較旺盛。總體來看，緯度-高度剖面圖的結(jié)果表明，SR模態(tài)對東亞環(huán)流中高緯度的影響較大一些，而對東亞低緯度的影響則較弱。

2.4　700 hPa環(huán)流異常及地面降水分析

在前面分析了500 hPa和垂直剖面圖環(huán)流異常的基礎(chǔ)上，計算得到了東亞地區(qū)700 hPa位勢高度場、風(fēng)場以及地面降水的異常場（圖6），在正異常年（圖6a），位勢高度場距平的分布特征與500 hPa的情況（圖2a）十分一致，這也反映了SR模態(tài)的相當(dāng)正壓性，在此不過多分析。與500 hPa脊前的西北氣流較強（圖3a）對應(yīng)的是，在環(huán)渤海地區(qū)，由于該地位于中國北方的異常高壓東側(cè)，會產(chǎn)生偏北風(fēng)異常，而夏季大陸上水汽較少，使得輸送到該地的水汽偏少，對應(yīng)地面降水偏少。由于SR模態(tài)正異常年小笠原高壓偏強，日本諸島位于小笠原高壓西側(cè)，盛行偏南風(fēng)異常，偏南風(fēng)有利于將中低緯度太平洋上的暖濕水汽輸送至日本附近，使得該地區(qū)降水偏多。

在負異常年（圖6b），自中國北方、朝鮮半島至日本以東，分別有“-、+、-”3個位勢高度異常中心，波列特征比較清楚，且與500 hPa的形勢相當(dāng)一致。與正異常年（圖6a）不同的是，環(huán)渤海地區(qū)位于中國北方低壓的東側(cè)和朝鮮半島附近高壓的西側(cè)，兩個高度場異常中心的共同作用使得該地區(qū)出現(xiàn)偏南風(fēng)異常，有利于將南方的水汽輸送至此，使得該地區(qū)降水偏多。事實上，從圖6b可以看出，自環(huán)渤海、朝鮮半島南部和日本，以及日本以東洋面上，降水率距平分別出現(xiàn)偏多、偏少和偏多3個異常中心，這與位勢高度場和風(fēng)場的分布特征是相當(dāng)一致的。

3　等熵面位渦分析

等熵位渦（IPV）分析，即在等位溫面上分析等位渦線。IPV思想是Hoskins等[25]在1985年提出的，目前已成為診斷天氣系統(tǒng)發(fā)展的一種理論方法。關(guān)于等熵面上位渦異常與對流層低層環(huán)流場之間的關(guān)系已在許多文獻中[9，24，26-27]得到討論和應(yīng)用。由于SR模態(tài)在對流層高層最顯著，從位渦觀點分析它對低層要素場的影響是有意義的，因此本節(jié)將初步探討SR模態(tài)正負位相時位渦異常對低層環(huán)流的影響。

圖5　關(guān)于SRI指數(shù)正（a）、負（b）異常年合成的位勢高度場（等值線，單位：gpm）、風(fēng)場（箭頭，單位：m·s-1，風(fēng)速＜0.5 m·s-1的未顯示）距平沿120°～135°E平均的緯度—氣壓剖面圖

圖6　關(guān)于SRI指數(shù)合成的正（a）、負（b）異常年700 hPa位勢高度場距平（等值線，單位：gpm）、風(fēng)場距平

依照Enomoto[16]的方法，選取350 K等位溫面進行IPV分析。在SR模態(tài)的正異常年（圖7a），在中國北方的內(nèi)蒙古、蒙古國以及日本以東，出現(xiàn)位渦負異常，而在朝鮮半島和中國東北，則有位渦正異常出現(xiàn)。在中國北方和日本以東的負位渦中心，有利于低層相應(yīng)地區(qū)及其周圍出現(xiàn)反氣旋性風(fēng)場，這與圖2a及圖6a中的分析是一致的，而朝鮮半島附近的正位渦區(qū)不太明顯，對應(yīng)的低層雖然出現(xiàn)了氣旋性風(fēng)場，但也不太明顯。而在負異常年（圖7b），最顯著的特征就是朝鮮半島、中國東北甚至日本海及日本諸島上空有一個明顯的負位渦中心，其中心值小于-0.6 PVU，這種形勢有利于對應(yīng)的低層出現(xiàn)較強的反氣旋性距平風(fēng)場（圖6b）。此外，中國北方及日本東南洋面上空各有一個正位渦異常中心，但位渦異常中心的值不大，相應(yīng)的700 hPa上的氣旋性環(huán)流也弱一些（圖6b）。

4　結(jié)論與討論

本文從SR模態(tài)在200 hPa急流、500 hPa、700 hPa環(huán)流形勢和地面降水場的合成特征，以及等熵面上位渦的合成特征等方面，分析了SR模態(tài)與夏季東亞地區(qū)環(huán)流之間的關(guān)系，得到如下主要結(jié)論：

圖7　關(guān)于SRI指數(shù)合成的正（a）、負（b）異常年350 K等位溫面上的位渦距平

（1）在SR模態(tài)正異常年，200 hPa急流在東亞地區(qū)比較彎曲，在中國新疆和環(huán)渤海地區(qū)500 hPa上分別有一個高度脊和一個高度槽，距平場上，在蒙古國和中國內(nèi)蒙古以及日本以東500 hPa各有1個顯著的位勢高度正異常中心，而朝鮮半島附近的負異常中心不明顯；SR模態(tài)在負異常年，200 hPa急流在東亞相對平直且更強，東亞地區(qū)500 hPa的槽脊不如正異常年明顯，距平場上，在上游的西北歐地區(qū)有一個顯著的氣旋性異常環(huán)流中心，且波列特征比正異常年時更加顯著，在東亞的中國北方、朝鮮半島和日本以東依次分布著“-+-”3個高度場異常中心。等熵位渦分析的結(jié)果表明，位渦異常對對流層中低層的環(huán)流場有較好的指示意義，尤其是在SR模態(tài)負異常年。另外，總體來看，SR模態(tài)與東亞低緯度環(huán)流之間的聯(lián)系不大。

（2）SR模態(tài)是相當(dāng)正壓的，在正異常年，它在朝鮮半島135°E附近的異常中心不顯著，在對流層中低層110°～130°E區(qū)域的中國北方，有明顯的下沉氣流，而在140°E附近的日本列島，異常上升氣流是主要的，在東亞地區(qū)，60°N以北有偏北風(fēng)異常，而60°N以南有偏南風(fēng)異常。在負異常年，SR模態(tài)位于朝鮮半島附近的正異常中心變得顯著，在該異常中心的西側(cè)和東側(cè)分別有上升和下沉氣流異常，在經(jīng)向上，沿朝鮮半島附近的異常中心出現(xiàn)偏北風(fēng)異常。

（3）在SR模態(tài)的正異常年，環(huán)渤海和朝鮮半島地區(qū)降水偏少，日本中北部地區(qū)降水偏多；在SR模態(tài)的負異常年，環(huán)渤海、朝鮮半島南部和日本，以及日本以東洋面上，降水率距平分別出現(xiàn)偏多、偏少和偏多3個異常中心。

本文的結(jié)論表明，SR模態(tài)雖然在對流層高層最顯著，但與對流層中低層的大氣環(huán)流也有關(guān)系，因此，在分析東亞夏季風(fēng)的異常及其影響因子時，SR模態(tài)是一個值得考慮的因素。此外，本文主要用回歸和合成的方法初步探討了SR模態(tài)與東亞對流層高中低層環(huán)流的關(guān)系，但SR模態(tài)與急流、南亞高壓、副高甚至中低緯度系統(tǒng)是如何相互作用或者相互配合共同影響大氣環(huán)流的？還值得進一步深入研究；另外，SR模態(tài)在負異常年比正異常年的波列特征更清楚，其正負位相之間差異的原因是什么？這些問題也值得進一步探討。