華南夏季降水兩次年代際轉(zhuǎn)折的水汽輸送異常成因初探

曲姝霖蘇濤韓子軒趙俊虎封國(guó)林,,

1蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，蘭州730000

2揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，揚(yáng)州225002

3中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心氣候研究開放實(shí)驗(yàn)室，北京100081

1 引言

華南地處東亞季風(fēng)區(qū)，夏季降水與東亞夏季風(fēng)環(huán)流的年際和年代際變化密切相關(guān)。Tao and Chen（1987）研究指出，影響華南地區(qū)降水的夏季風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)包括西太平洋副熱帶高壓（簡(jiǎn)稱西太副高）、南亞高壓、東亞副熱帶西風(fēng)急流、定常羅斯貝波和歐亞中高緯度阻塞高壓等。高層的南亞高壓和低層的西太副高存在“相向而行”和“相背而去”的關(guān)系（陶詩(shī)言和朱?？?1964;譚晶等,2005）,當(dāng)南亞高壓位置偏西（東），西太副高位置偏東（西），華南地區(qū)則低層輻合（輻散）異常、高層輻散（輻合）異常，產(chǎn)生異常上升（下沉）運(yùn)動(dòng)，華南地區(qū)降水年代際偏多（少）（伯忠凱等,2017）。東亞高空副熱帶急流對(duì)同期和后期東亞及我國(guó)東部地區(qū)降水影響很大，夏季東亞急流偏南時(shí)華南和江南降水偏多；相反急流偏北時(shí)華北降水偏多（廖清海等,2004）。同時(shí)，烏拉爾山附近（50°E～80°E）阻高活動(dòng)與華南降水為顯著的負(fù)相關(guān)；而貝加爾湖附近（80°E～120°E）阻高與華南降水關(guān)系則呈正相關(guān)（黃菲和姜治娜,2002）。朱益民和楊修群（2003）研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PDO處在暖（冷）位相時(shí)，熱帶中東太平洋海溫異常暖（冷），北太平洋海溫異常冷（暖），華南南部降水偏多（少）。

華南夏季降水還存在顯著的年代際變化（Ha et al.,2016）。眾多研究表明，我國(guó)東部夏季降水在20世紀(jì)70年代中后期、90年代初和90年代末有三次年代際變化（周連童和黃榮輝,2003;Ding et al.,2008;Zhu et al.,2011;呂俊梅等,2014）。其中，華南夏季降水在20世紀(jì)70年代產(chǎn)生了年代際減少（Xin et al.,2006;Ding et al.,2008,2009;Ye and Lu,2012），研究基本一致認(rèn)為這次年代際轉(zhuǎn)折主要受東亞夏季風(fēng)減弱（Wang,2001)、熱帶印度洋暖池和熱帶太平洋中東部變暖對(duì)應(yīng)的太平洋年代際振蕩（PDO）位相轉(zhuǎn)變的影響（黃榮輝等,1999;Li et al.,2010;Qian and Zhou,2014;Yu et al., 2015）；而20世紀(jì)90年代初發(fā)生了年代際增多（Ding et al.,2008;Wang et al.,2009;Wu et al.,2010b），而在90年代末21 世紀(jì)初華南夏季降水又發(fā)生了年代際減少（黃榮輝等,2013;Ha et al.,2016,2019）。多數(shù)研究認(rèn)為是可能是夏季熱帶印度洋和太平洋持續(xù)變暖引發(fā)的沃克環(huán)流和哈德萊環(huán)流異常，導(dǎo)致了青藏高原冬春季積雪增加和東亞季風(fēng)槽的變化（Wu et al.,2010a;Zhu et al.,2014），以及歐亞大陸北部春季降雪減少共同作用（Zhang et al.,2004;Wu et al.,2010a），導(dǎo)致了90年代初華南降水年代際增多。而90年代末至21世紀(jì)初，華南夏季降水相比前一時(shí)段減少，主要是由于熱帶太平洋海溫異常導(dǎo)致的西太副高的增強(qiáng)而引發(fā)的緯向環(huán)流下沉支在華南地區(qū)增強(qiáng)（Ha et al.,2016），及南海熱帶氣旋活動(dòng)在本世紀(jì)初顯著減少導(dǎo)致（Ha et al.,2014）。

水汽是形成降水的必要條件之一，并且水汽輸送的強(qiáng)弱和路徑的變化是影響雨帶和雨型的重要因素之一（周天軍等, 2001;黃榮輝等,2011）。大氣中水汽輸送和收支是研究全球大氣環(huán)流持續(xù)和變化的一個(gè)重要方面。研究水汽收支對(duì)降水的研究已有很多。Simmonds et al.（1999）通過(guò)分析中國(guó)夏季水汽輸送和收支，指出東南亞和印度季風(fēng)環(huán)流分別從南海和孟加拉灣為中國(guó)東南部提供水汽。葉敏和封國(guó)林（2015）從水汽路徑研究了長(zhǎng)江中下游地區(qū)夏季降水并給出了客觀定量化的定義，通過(guò)各水汽通量指標(biāo)與前期海溫關(guān)系的分析，發(fā)現(xiàn)前冬東太平洋發(fā)生El Ni?o時(shí)，有利于夏季西太平洋水汽輸送增強(qiáng)，進(jìn)而有利于長(zhǎng)江中下游地區(qū)夏季降水偏多。楊柳等（2018）則研究了中國(guó)東部季風(fēng)區(qū)夏季四類雨型的水汽輸送特征及差異，發(fā)現(xiàn)華南型的水汽輸送和收支特征與其他雨型有明顯的差異。

綜上可見，水汽輸送和收支異常是中國(guó)夏季降水異常的直接原因，而前人對(duì)華南夏季降水兩次年代際變化的研究主要集中在大氣環(huán)流和海溫、積雪等外強(qiáng)迫信號(hào)等方面，但鮮有研究從水汽來(lái)源貢獻(xiàn)的角度定量化地分析華南降水的兩次年代際轉(zhuǎn)折，尤其是從水汽輸送方程出發(fā)，衡量水汽方程各分量貢獻(xiàn)的工作還沒有。因而本文選擇從水汽收支平衡的角度，來(lái)對(duì)比研究華南地區(qū)夏季降水兩次年代際變化的成因，探討水汽收支平衡方程中各項(xiàng)對(duì)兩次年代際變化的貢獻(xiàn)及其與海溫異常的聯(lián)系，相關(guān)研究結(jié)論將對(duì)了解水循環(huán)和華南地區(qū)旱澇異常預(yù)測(cè)有一定的參考意義。

2 資料和方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

本文選取了美國(guó)氣象環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）提供的逐日以及月平均再分析資料（NCEP/NCAR Reanalysis 1），包括全球月平均高度場(chǎng)（H500）、垂直速度場(chǎng)（ω500）、海平面氣壓（SLP）、逐日風(fēng)場(chǎng)（u、v 分量）、整層比濕（q）再分析資料（Kalnay et al.,1996）和來(lái)自美國(guó)國(guó)家海洋大氣局（NOAA）的月平均再分析蒸發(fā)資料（Chen et al.,2002），水平分辨率均為2.5°×2.5°。本文還用到了中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心提供的2374站逐日降水觀測(cè)資料。以上資料的時(shí)間范圍均為1979～2017年。Ha et al.（2016）研究發(fā)現(xiàn)，華南地區(qū)夏季降水的年代際轉(zhuǎn)折主要發(fā)生在6月中旬至8月中旬 [參考Ha et al.（2016）文章圖4]，因此本文中夏季指的是6月15日至8月15日。華南地區(qū)范圍為（21°～30°N，105°～120°E），包含580個(gè)站點(diǎn)。

2.2 水汽收支方程

大氣水汽輸送收支方程表示在季節(jié)尺度上通過(guò)其邊界進(jìn)、出大氣柱的降水量、蒸發(fā)量和水汽輸送量是平衡的（Brubaker et al.,1993）。方程公式為

其中，E 為蒸發(fā)量，P 為降水量， ρw為水汽密度，g 為重力加速度，ps為地表氣壓，q為比濕， V為風(fēng)速，上劃線表示夏季平均，分號(hào)表示相對(duì)氣候平均值的偏差（擾動(dòng)項(xiàng)），方程右端為水汽輻散通量，代表進(jìn)出大氣柱的凈水汽輸送（以下簡(jiǎn)稱“水汽輸送項(xiàng)”）。

此外，水汽輸送平流項(xiàng)是由比濕和風(fēng)速?zèng)Q定，這兩個(gè)變量分別與大氣的熱力和動(dòng)力作用有關(guān)（周天軍等,1999;Seager and Vecchi.,2010;Seager et al.,2010;Han et al.,2019），水汽平衡方程可寫為

3 華南地區(qū)降水的年代際特征

華南夏季降水量空間分布整體比較均勻（圖1），大部地區(qū)平均降雨量均在300 mm 以上，南部沿海大于500 mm。華南夏季降水具有較大的年際變率。區(qū)域平均的氣候平均降水量為399.5 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為71.8 mm，2002年降雨量最大為536.1 mm，2013年最少為276.6 mm（圖2）。此外，華南夏季降水還具有明顯的年代際變化特征。表1給出了華南夏季降水的t 檢驗(yàn)值，結(jié)果表明華南夏季降水分別在1992/1993年和2002/2003年發(fā)生年代際增多和年代際減少，這一結(jié)果與Ha et al.（2016）的研究結(jié)論相一致。在1992～2002年期間，華南地區(qū)夏季年平均降水量為478.1 mm，較常年平均偏多19.7%，而2003～2013年期間，華南地區(qū)夏季年平均降水量明顯減少，為370.3 mm，較常年平均偏少7.3%（表1）。據(jù)此本文定義了三個(gè)時(shí)期：P1時(shí)期（1979～1992年）、P2時(shí)期（1993～2002年）和P3時(shí)期（2003～2013年）。

為了降水量年代際變化的空間分布，圖3給出了不同時(shí)期的降水量差值。從P2時(shí)期與P1時(shí)期的降水量差值可見，全區(qū)為廣泛的降水正異常，大部分地區(qū)增加超過(guò)50 mm，其中東南沿海地區(qū)增加在100 mm 以上，通過(guò)95%的顯著性檢驗(yàn)。從P3時(shí)期與P2時(shí)期的降水量差值可見（圖3b），全區(qū)降水量顯著減少，大部分地區(qū)減少100 mm 以上，與P2時(shí)期的年代際增加形成了鮮明的對(duì)比。

表1 華南地區(qū)（21°～30°N，105°～120°E）在P1、P2、P3階段降水量和最大、最小值Table 1 The maximum,minimum and total precipitation in South China(21°-30°N,105°-120°E)during P1(1979-1992),P2( 1993-2002)and P3(2003-2013)period,respectively

圖1 華南地區(qū)夏季（6月15日至8月15日）降水量氣候態(tài)（陰影，單位：mm）和站點(diǎn)分布（黑點(diǎn)）Fig.1 Precipitation climate state(shaded,units:mm)and station distribution(black dots)in summer(15 June-15 August)in South China

4 華南夏季降水與水汽輸送特征

4.1 華南地區(qū)夏季水汽輸送特征

圖2 華南地區(qū)夏季降水量（紅色實(shí)線）和降水距平百分率（灰色柱狀圖）。黑色虛線表示1979～1992（P1）、1993～2002（P2）、2003～2013（P3）三個(gè)時(shí)段均值Fig.2 Summer precipitation in South China (red line)and percentageof precipitation anomalies(gray histogram).Theblack dotted line represents the mean valuein thethree periodsof 1979-1992(P1),1993-2002(P2),2003-2013(P3)

水汽是形成降水必不可少的條件，因此本節(jié)基于大氣水汽輸送收支方程，重點(diǎn)分析華南夏季降水不同時(shí)期水汽輸送及其各項(xiàng)的特征與差異，從水汽的角度來(lái)探討華南夏季降水年代際轉(zhuǎn)折的機(jī)理。首先從空間分布來(lái)看分別計(jì)算了不同時(shí)期夏季平均水汽輸送散度（圖4）及其分解出的主要成分——水汽輸送平流項(xiàng)（圖5）的差值。由P2時(shí)期與P1時(shí)期的差值場(chǎng)可見（圖4a），華南地區(qū)呈現(xiàn)一個(gè)異常的氣旋式水汽輸送分布，其東側(cè)的偏南水汽把西太平洋的暖濕水汽輸送到華南地區(qū)，形成水汽輻合，導(dǎo)致P2時(shí)期華南地區(qū)夏季降水年代際增多（圖4a）。P3時(shí)期與P2時(shí)期的差值場(chǎng)分布（圖4b）和P2時(shí)期與P1時(shí)期的差值場(chǎng)（圖4a）恰好相反，華南地區(qū)受偏東北氣流控制，形成水汽輻散，從而導(dǎo)致華南夏季降水年代際減少。不同時(shí)期夏季平均的水汽輸送平流項(xiàng)的差值分布（圖5）與水汽輸送散度場(chǎng)的差值分布（圖4）基本一致，表明水汽輸送平流項(xiàng)對(duì)華南地區(qū)夏季降水的兩次年代際轉(zhuǎn)折有重要的影響。

而從不同時(shí)期水汽輸送渦流項(xiàng)的差值場(chǎng)（圖6）可見，渦流項(xiàng)主要差異在熱帶地區(qū)，通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)。在P2時(shí)期，華南地區(qū)西北部輻合，東北部大部輻散，南海、西太平洋水汽輻合，有利于臺(tái)風(fēng)、熱帶氣旋等天氣尺度的擾動(dòng)增加，對(duì)華南地區(qū)夏季降水的年代際增加起到了正貢獻(xiàn)作用（Chen et al.,2012）。而在P3時(shí)期，華南地區(qū)水汽輻合，南海區(qū)域水汽輻散，不利于華南沿海區(qū)域臺(tái)風(fēng)等天氣尺度的渦旋生成，華南登陸臺(tái)風(fēng)頻次顯著減少（Ha et al.,2016），不利于華南地區(qū)臺(tái)風(fēng)性降水增加。

圖3 華南地區(qū)不同時(shí)期夏季降水量的差值（單位：mm）：（a）P2時(shí)期減去P1時(shí)期；（b）P3時(shí)期減去P2時(shí)期。黑點(diǎn)表示通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)Fig.3 Composite difference in the precipitation in summer during different periods in South China(units:mm):(a)P2 minus P1;(b)P3 minus P2.Black dotsindicate significance at the95% confidencelevel

圖4 華南地區(qū)不同時(shí)期夏季水汽輸送通量（箭頭，單位：kg m-1 s-1）和水汽輸送散度（陰影，單位：mm d-1）的差值：（a）P2時(shí)期減去P1時(shí)期；（b）P3時(shí)期減去P2時(shí)期。黑色箭頭和紫色打點(diǎn)區(qū)域表示通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)，黑框表示華南地區(qū)Fig.4 Difference in the moisture transport flux(vector, units: kg m-1 s-1)and divergence(shadow, units: mm d-1)in summer during different periods in South China:(a)P2 minus P1;(b)P3 minus P2.Black vectors and purple dotsindicate significance at the 95%confidence level,and the black box indicates the South China region

本文進(jìn)一步對(duì)華南地區(qū)年代際轉(zhuǎn)折占主導(dǎo)影響的水汽輸送平流項(xiàng)分解為以風(fēng)場(chǎng)擾動(dòng)為主的水汽輸送動(dòng)力項(xiàng)和以比濕變化為主的水汽輸送熱力項(xiàng)。從水汽輸送動(dòng)力項(xiàng)差值場(chǎng)（圖7）可以發(fā)現(xiàn)，其分布與水汽輸送項(xiàng)（圖4）較為相似，說(shuō)明華南地區(qū)降水的年代際轉(zhuǎn)折主要受到由風(fēng)場(chǎng)主導(dǎo)的動(dòng)力項(xiàng)水汽輸送異常的影響（對(duì)華南降水水汽輸送貢獻(xiàn)率50.2%）。從圖7a 的分布來(lái)看，華南為水汽輻合區(qū)，主要受到南海、西太平洋的水汽輸送年代際增多的影響，從而導(dǎo)致P2期間降水年代際增多。而在P3時(shí)期降水年代際減少的同時(shí)伴隨著華南地區(qū)為水汽輻散區(qū)，來(lái)自西太平洋的水汽較前一時(shí)段顯著減少。此外，從印度洋、阿拉伯海輸送到華南的水汽有微弱增加（圖7b）。

從不同時(shí)期水汽輸送熱力項(xiàng)的差值場(chǎng)（圖8）可見，熱力項(xiàng)在不同時(shí)期的差值較動(dòng)力項(xiàng)量級(jí)明顯偏?。▽?duì)華南降水水汽輸送貢獻(xiàn)率25.0%），P2時(shí)期降水年代際增多時(shí)，比濕引導(dǎo)的水汽輸送熱力項(xiàng)引起的華南上空水汽含量的增加，結(jié)合這一時(shí)段水汽輸送動(dòng)力項(xiàng)的引導(dǎo)的華南地區(qū)的動(dòng)力抬升作用，有利于華南降水增加。這可能與菲律賓和西太平洋一帶異常的海溫通過(guò)蒸發(fā)機(jī)制加濕低層大氣，再通過(guò)異常的西南風(fēng)將暖濕水汽帶到華南地區(qū)有關(guān)。而在P3時(shí)期，華南東北部為水汽輻散，南邊界至南海水汽輻合，異常偏北的干冷氣流進(jìn)入華南地區(qū)在南邊界與南方暖濕氣流匯合，導(dǎo)致海上區(qū)域水汽較多，華南降水年代際減少。

圖5 華南地區(qū)不同時(shí)期夏季水汽輸送平流散度（單位：mm d-1）的差值：（a）P2時(shí)期減去P1時(shí)期；（b）P3時(shí)期減去P2時(shí)期。打點(diǎn)區(qū)域表示通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)，黑框表示華南地區(qū)Fig.5 Differencein the mean flow of moisturetransport divergence in summer during different periods in South China(units:mm d-1):(a)P2 minus P1;(b)P3 minus P2.Black dotsindicate significanceat the95% confidencelevel,and the black box indicatesthe South China region

考慮到不同階段華南地區(qū)水汽輸送熱力項(xiàng)散度差值具有明顯的南、北部反相特征（圖8），本文進(jìn)一步以25°N 為界分別討論華南南、北兩個(gè)區(qū)域水汽平衡方程各項(xiàng)的變化（圖9）。在華南北部（圖9a），三個(gè)階段蒸發(fā)量均遠(yuǎn)小于降水量，其中P1、P2和P3各個(gè)時(shí)段的平均降水量分別為8.72、9.77和8.53 mm d-1，平均蒸發(fā)量4.78、4.59和4.90 mm d-1，說(shuō)明水汽輸送項(xiàng)對(duì)華南夏季降水的影響更為顯著，水汽輸送項(xiàng)可以解釋大部分華南地區(qū)降水的變化。水汽輸送渦流項(xiàng)和熱力項(xiàng)的量級(jí)相對(duì)較小，平均值分別為2.1和-0.1 mm d-1，對(duì)華南降水貢獻(xiàn)遠(yuǎn)小于水汽輸送動(dòng)力項(xiàng)。從各階段變化來(lái)看，在P2階段降水發(fā)生年代際增多之后，相對(duì)應(yīng)的水汽輸送項(xiàng)及其分解的平流項(xiàng)、動(dòng)力項(xiàng)的量級(jí)顯著增大，其中最大值為分別為1.97和1.63 mm d-1，平均增值分別為1.7和2.1 mm d-1，同時(shí)與降水關(guān)系也顯著增強(qiáng)，然而熱力項(xiàng)和渦流項(xiàng)在P1、P2時(shí)段的量級(jí)小且變化不大。在P3時(shí)段降水年際減少之后，各個(gè)項(xiàng)的量級(jí)均呈現(xiàn)不同程度的減小，值得注意的是該時(shí)段熱力項(xiàng)相較與前一時(shí)段，與降水的關(guān)系明顯增強(qiáng)，并且從前兩時(shí)段弱的正相關(guān)變?yōu)樨?fù)相關(guān)，不利于降水的發(fā)生。

圖7 華南地區(qū)不同時(shí)期夏季水汽輸送通量動(dòng)力項(xiàng)（箭頭，單位：kg m-1 s-1）及其散度（陰影，單位：mm d-1）的差值：（a）P2時(shí)期減去P1時(shí)期；（b）P3時(shí)期減去P2時(shí)期。黑色箭頭和紫色打點(diǎn)區(qū)域表示通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)，黑框表示華南地區(qū)Fig.7 Difference in the dynamic component of the moisture transport flow(vector,units:kg m-1 s-1)and divergence(shaded,units: mm d-1)in summer during different periods in South China:(a)P2 minus P1;(b)P3 minus P2.Black vectors and purple dots indicate significance at the 95%confidence level,and the black box indicates the South China region

圖8 華南地區(qū)不同時(shí)期夏季水汽輸送通量熱力項(xiàng)（箭頭，單位：kg m-1 s-1）及其散度（陰影，單位：mm d-1）的差值：（a）P2時(shí)期減去P1時(shí)期；（b）P3時(shí)期減去P2時(shí)期。黑色箭頭和紫色打點(diǎn)區(qū)域表示通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)，黑框表示華南地區(qū)Fig.8 Differencein thethermodynamic component of the moisture transport flux (vector,units:kg m-1 s-1)and divergence(shaded,units: mm d-1)in summer during different periods in South China:(a)P2 minus P1;(b)P3 minus P2.Black vectors and purple dots indicate significance at the 95%confidence level and the black box indicating the South China region

圖9 華南地區(qū)（a）北部和（b）南部在P1、P2、P3階段降水量（pre）、蒸發(fā)量（evp）、水汽輸送散度項(xiàng)（mt）、水汽輸送平流散度項(xiàng)（mf）、水汽輸送渦流散度項(xiàng)（sse）、水汽輸送動(dòng)力散度項(xiàng)（dy）、水汽輸送熱力散度項(xiàng)（th）的平均態(tài)（單位：mm d-1）以及平均可降水量（pw）（單位：kg m-2）。星標(biāo)表示變量在該時(shí)間段相對(duì)于1979～2013年時(shí)段的差值通過(guò)95%的顯著性檢驗(yàn)Fig.9 Precipitation (pre),evaporation(evp),moisture transport divergence(mt),mean flow of moisture transport divergence(mf),subseasonal-scale eddies of moisture transport divergence(sse),dynamic component of moisture transport divergence(dy),thermodynamic component of moisture transport divergence(th)in P1,P2,and P3(units:mm d-1),and the precipitable water(pw)(units:kg m-2)in(a)Northern and(b)Southern South China.The colored starsindicate the differenceof thevariable in this period and the period from 1979 to 2013 at the95% confidencelevel

對(duì)比華南北部，華南南部（圖9b）也主要受到水汽輸送項(xiàng)、水汽輸送平流項(xiàng)以及水汽輸送動(dòng)力項(xiàng)的影響，但不同的是，華南南部的水汽輸送動(dòng)力項(xiàng)在各個(gè)時(shí)段影響要更為顯著，其中量級(jí)相較于華南北部P1、P2和P3平均增值分別為0.54、1.7和0.06 mm d-1。華南北部和南部主要差異體現(xiàn)在熱力項(xiàng)上，南北熱力項(xiàng)基本呈反向關(guān)系，華南北部熱力項(xiàng)水汽輸送與動(dòng)力項(xiàng)等共同促進(jìn)（P2）/抑制（P1、P3）華南降水的增加，而南部熱力項(xiàng)則抵消動(dòng)力項(xiàng)的作用。值得注意的是，通過(guò)計(jì)算各個(gè)項(xiàng)的趨勢(shì)系數(shù)發(fā)現(xiàn)，除了華南南北可降水量趨勢(shì)系數(shù)分別為-0.67和-0.69 kg m-2，其它項(xiàng)趨勢(shì)系數(shù)量級(jí)均較小，也就是說(shuō)其它項(xiàng)的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)不明顯。

4.2 華南地區(qū)夏季水汽輸送動(dòng)力項(xiàng)潛在機(jī)制

從環(huán)流場(chǎng)討論可以發(fā)現(xiàn)，P2時(shí)段由于北半球局地環(huán)流異常，產(chǎn)生異常上升運(yùn)動(dòng)（圖10a），西太副高偏弱偏東（圖11a），來(lái)自西太平洋的水汽沿西太副高邊緣，以副高西北側(cè)的西南風(fēng)輸送為主，低層華南地區(qū)西南側(cè)被異常反氣旋式環(huán)流控制（圖10e），該反氣旋西側(cè)的西南氣流把菲律賓和西太平一帶的暖濕水汽帶到華南，與此同時(shí)南亞高壓位置偏西（圖11b），南亞高壓和西太副高“相向而行”（圖11c），印證了陶詩(shī)言和朱?？担?964）等提出的南亞高壓和西太副高的進(jìn)退有密切關(guān)系，南亞高壓偏西導(dǎo)致南亞高壓南支從北印度洋輸送到華南地區(qū)的水汽增多，副高偏東，這些都有利于華南水汽增多，因而華南地區(qū)在P2時(shí)段降水年代際偏多。而在P3時(shí)段分布幾乎完全相反，垂直氣流減弱，產(chǎn)生異常下沉運(yùn)動(dòng)（圖10b），加強(qiáng)了西太副高，此時(shí)西太副高偏強(qiáng)偏西（圖11a），不利于華南地區(qū)來(lái)自副高西南側(cè)水汽的積累，且低層華南地區(qū)大部受東北冷干氣流控制（圖10f），異常的東北氣流從中國(guó)華南沿海向西南方向延伸至印度尼西亞爪哇島，這表明南海夏季風(fēng)自2003年以來(lái)一直較弱，局部850 hPa 風(fēng)場(chǎng)常被用來(lái)代表南海夏季風(fēng)的強(qiáng)度和變化（Wang et al.,2009），以往研究說(shuō)明南海夏季風(fēng)可以在很大程度上影響沿海區(qū)域的天氣尺度擾動(dòng)和對(duì)流活動(dòng)（Xu and Wang,2013），南海夏季風(fēng)較弱，減少南海水汽向華南輸送，不利于華南地區(qū)降水增多，與此同時(shí)南亞高壓位置偏東（圖11b），南亞高壓西太副高“相背而去”（圖11c），來(lái)自于北印度洋的西南風(fēng)水汽從南部沿海進(jìn)入華南地區(qū)。

4.3 華南地區(qū)夏季水汽輸送熱力項(xiàng)潛在機(jī)制

關(guān)于水汽輸送熱力項(xiàng)年代際變化的原因：一方面會(huì)受動(dòng)力作用影響，大尺度大氣環(huán)流輻合輻散能直接影響比濕分布，并會(huì)間接影響與比濕緊密相關(guān)的熱力項(xiàng)變化。此外，P2時(shí)期降水年代際增多時(shí)，受氣壓梯度力影響（圖10c），有從華南北邊界流入的北方氣流與從南邊界進(jìn)入的菲律賓和西太平洋一帶的暖濕水汽在華南北部匯合（圖8a），另一方面P2時(shí)段熱帶印度洋和西北太平洋海溫升高（圖12a），蒸發(fā)增強(qiáng)（圖13a），會(huì)導(dǎo)致水汽增多，結(jié)合西太副高西北側(cè)西南水汽輸送增加，有利于來(lái)自印度洋和南海、西北太平洋的水汽向華南地區(qū)輸送，進(jìn)而造成華南地區(qū)南北區(qū)域可降水量顯著增加（圖9a、b）；P3時(shí)段我國(guó)內(nèi)蒙古東北部至西南地區(qū)為東北—西南走向的低槽控制（圖10d），有利于低層冷空氣沿偏東路徑影響南方地區(qū)，且季風(fēng)槽（90°E）較強(qiáng)，有利于低緯度水汽輸送，但華南被高壓控制，盛行下沉氣流帶來(lái)暖干空氣，水汽含量減少，同時(shí)西北太平洋降溫（圖12b），華南地區(qū)蒸發(fā)增強(qiáng)、印度洋和西太平洋蒸發(fā)減弱（圖13b），來(lái)自海洋的水汽減少，導(dǎo)致華南地區(qū)降水偏少。

4.4 華南地區(qū)夏季降水年代際轉(zhuǎn)折成因

華南地區(qū)夏季降水在過(guò)去幾十年中發(fā)生了兩次年代際轉(zhuǎn)折，在1992/1993年顯著增多，在2002/2003年顯著減少（圖14）。其中，1992/1993華南夏季降水年代際增多主要與西太平洋副熱帶高壓南側(cè)的西南水汽與南海季風(fēng)水汽加強(qiáng)有關(guān)，來(lái)自南海、西太平洋和熱帶印度洋的水汽輸送是降水水汽的主要來(lái)源；而2002/2003華南夏季降水年代際減少與這兩條水汽輸送通道減弱有密切關(guān)系。水汽輸送強(qiáng)弱主要與動(dòng)力項(xiàng)和熱力項(xiàng)有關(guān)。在前一時(shí)段西太副高偏弱偏東，副高西北側(cè)的西南氣流把菲律賓和西太平洋一帶的暖濕水汽輸送到華南地區(qū)，與此同時(shí)南亞高壓偏西導(dǎo)致從北印度洋輸送到華南地區(qū)的水汽增多，這都有利于華南夏季降水偏多；而在后一時(shí)段西太副高偏強(qiáng)偏西，不利于副高西南側(cè)水汽向華南地區(qū)輸送，且低層又受東北冷干氣流控制，南海夏季風(fēng)偏弱，而南亞高壓位置偏東，導(dǎo)致華南降水偏少。

水汽輸送熱力項(xiàng)主要受到比濕變化的影響，比濕一方面會(huì)受到大氣環(huán)流動(dòng)力項(xiàng)的影響，通過(guò)輻合輻散影響比濕分布，另一方面下墊面蒸發(fā)量也會(huì)直接影響局地比濕，進(jìn)而引起熱力項(xiàng)異常。前一時(shí)段熱帶印度洋和西北太平洋海溫升高，蒸發(fā)增加，導(dǎo)致比濕上升，進(jìn)入華南地區(qū)的水汽增加，北方冷干空氣與南邊界進(jìn)入的暖濕水汽在華南北部匯合，有利于降水偏多；后一時(shí)段我國(guó)中西部受到低槽控制，有利于冷空氣南下，且季風(fēng)槽偏強(qiáng)，華南地區(qū)受高壓控制盛行下沉氣流，且來(lái)自海洋的水汽輸送偏弱，華南地區(qū)降水增少。

圖10 夏季P2時(shí)期與P1時(shí)期（a）0°～30°N 上經(jīng)向風(fēng)（箭頭；單位：m s-1）和垂直方向上的風(fēng)(箭頭；單位：10-3 Pa s-1)合成的垂直環(huán)流以及垂直速度（陰影；單位：10-3 Pa s-1）、（c）500 hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)（陰影；單位：gpm）和（e）850 hPa 風(fēng)場(chǎng)差值場(chǎng)（陰影；單位：m s-1）;（b）、（d）和（f）分別與（a）、（c）和（e）相同，但為P3時(shí)期與P2時(shí)期的差值。（c，d）中打點(diǎn)區(qū)域以及（e，f）中黑色箭頭均表示通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)；（c，d）中黑色實(shí)線為氣候態(tài)的等值線，綠（紫）色等值線分別表示P1（P2）和P2（P3）合成的等值線，（c-f）中黑框表示華南地區(qū)。Fig.10 Difference for P2 minus P1 in (a) vertical circulation consisting of meridional winds (vectors; m s-1) and p-vertical velocity (vectors; 10-3 Pa s-1)along 0°-30°Eand vertical velocity(shaded;units:10-3 Pa s-1),(c)500-hPa geopotential height field (units:gpm),and (e)850-hPa wind field.(b),(d),and(f)same as(a),(c),and(e), but for the difference for P3 minus P2.The black dots in(c)and(d)and the black vectors in(e)and(f)indicate significance at the 95%confidence level, black solid line represents the climatology contour,green(purple)contour line represents the composite contour in P1(P2),green (purple)contour linerepresents the composite contour in P2(P3),and black box indicates the South China region

圖11 三個(gè)時(shí)段夏季（a）500 hPa 西太副高和（b）200 hPa 南亞高壓的位置變化；南亞高壓與西太副高脊點(diǎn)指數(shù)的（c）標(biāo)準(zhǔn)差（std）和（d）滑動(dòng)t 檢驗(yàn)Fig.11 Variances of(a)200-hPa South Asia high and(b)500-hPa western Pacific subtropical high positions in the summer of the three periods;(c)extension index standard deviation (std)and (d)sliding t testsfor the South Asia high and western Pacific subtropical high

圖12 （a）P2 時(shí)期與P1時(shí)期和（b）P3時(shí)期與P2時(shí)期海表溫度的差值（單位：°C）。黑點(diǎn)區(qū)域表示通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)，黑框區(qū)域分別表示海溫關(guān)鍵區(qū)熱帶印度洋（10°S～10°N，55°～90°E）和西北太平洋（20°～35°N，140°～160°E）Fig.12 Difference in the sea surface temperature(SST)for(a)P2 minus P1 and(b)P3 minus P2(units:°C).The black dots indicate significance at the 95%confidence level,and the black box indicates the key SST areas of the tropical Indian Ocean(10°S-10°N,55°-90°E)and northwest Pacific Ocean (20°-35°N,140°-160°E)

圖13 （a）P2時(shí)期與P1時(shí)期和（b）P3時(shí)期與P2時(shí)期蒸發(fā)量（陰影；單位：mm d-1）和水汽輸送通量矢量（箭頭，單位：kg m-1 s-1）的差值。箭頭表示為通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)，黑框表示華南地區(qū)Fig.13 Difference in the evaporation(shaded,units: mm d-1)and moisture transport flux(vector,units:kg m-1 s-1)for(a)P2 minus P1 and(b)P3 minus P2.The black vectors indicate significance at the95%confidence level and the black box indicates the South China region

圖14 華南夏季降水年代際轉(zhuǎn)折可能成因Fig.14 Possiblecausesof the interdecadal transition of summer precipitation in South China

5 結(jié)論與討論

本文利用NCEP/NCAR 再分析資料和2374站日降水資料，基于大氣水汽平衡方程分析了華南地區(qū)夏季降水年代際變化的水汽輸送特征及其成因，主要結(jié)果如下：（1）華南地區(qū)夏季降水在近三十年來(lái)發(fā)生了兩次年代際轉(zhuǎn)折，其中在1992/1993年后顯著增多，至2002/2003年后又顯著減少，造成1992/1993年華南夏季降水年代際增多的主要原因是西太平洋副熱帶高壓南側(cè)的西南水汽與南海季風(fēng)水汽輸送加強(qiáng)；而2002/2003年后華南夏季降水年代際減少也與這兩條水汽輸送通道減弱有密切關(guān)系。（2）水汽輸送對(duì)華南降水年代際轉(zhuǎn)折有重要影響，兩次年代際轉(zhuǎn)折主要是大氣環(huán)流異常引起的水汽輸送平衡方程各項(xiàng)異常導(dǎo)致，動(dòng)力項(xiàng)主要受到環(huán)流場(chǎng)作用，在1992/1993（2002/2003）年異常局地環(huán)流引起異常下沉（上升）運(yùn)動(dòng)，影響西太副高和南亞高壓相離（相向），導(dǎo)致華南水汽輻合（輻散），最終導(dǎo)致華南降水增多（減少）；熱力項(xiàng)差異相對(duì)動(dòng)力項(xiàng)量級(jí)較小，起次要作用，該項(xiàng)主要受到比濕變化的影響，在1992/1993（2002/2003）年，西北太平洋增溫（降溫）蒸發(fā)增強(qiáng)（減弱），影響比濕增大（減?。瑫r(shí)受到環(huán)流場(chǎng)影響，最終影響華南夏季降水增多（減少）。

以往有關(guān)華南夏季降水年代際轉(zhuǎn)折成因主要是從大氣環(huán)流變化（Ding et al.,2008;Wu et al.,2010b;黃榮輝等,2013;Ha et al.,2016,2019）的角度分析，本文主要研究了水汽輸送動(dòng)力和熱力項(xiàng)對(duì)華南夏季降水的貢獻(xiàn)，為水循環(huán)和預(yù)測(cè)旱澇異常提供了參考。但是關(guān)于水汽輸送渦流項(xiàng)和地表相關(guān)項(xiàng)的作用尚需進(jìn)一步深入研究。