華北雨季降水年代際變化與水汽輸送的聯(lián)系

崔童 張若楠 郝立生 孫丞虎

1 中國氣象局國家氣候中心, 北京 100081

2 復(fù)旦大學(xué)大氣與海洋科學(xué)系/大氣科學(xué)研究院, 上海 200433

3 上海市海洋—大氣相互作用前沿科學(xué)研究基地, 上海 200433

4 天津氣候中心, 天津 300074

5 中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及氣候與氣候變化研究所, 北京 100081

1 引言

華北地區(qū)位于我國北部，是我國政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心，人口密度大，土地、礦產(chǎn)資源豐富，也是我國工農(nóng)生產(chǎn)的主要基地。在全球變暖背景下，華北地區(qū)干旱化趨勢加重，區(qū)域性極端干旱事件頻次顯著增加，隨之而來的水資源短缺和生態(tài)問題愈發(fā)突顯（符淙斌和馬柱國, 2008; 任福民等, 2015）。2014年，“南水北調(diào)工程”中線黃河以北總干渠開始充水試驗(yàn)，同年丹江口水庫江水正式進(jìn)入華北以供生產(chǎn)生活。雖然南水北調(diào)生態(tài)補(bǔ)水成效顯著，地下水位明顯回升，但是僅僅依靠水利工程并不能完全解決華北缺水問題（劉憲亮, 2020），因此更應(yīng)關(guān)注云水資源的補(bǔ)充。華北雨季的降水多寡能直接影響該地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉、土壤墑情、城市居民用水和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)等。因此，雨季降水也是彌補(bǔ)用水缺口的重要途徑之一，對華北雨季降水變化的研究具有十分重要的意義。

每年夏季華北地區(qū)降水最集中的時段稱為華北雨季，降水量約占全年的60%以上（陳興芳和趙振國, 2000; 郝立生和丁一匯, 2012）。華北雨季降水性質(zhì)與南方地區(qū)有所不同，如長江中下游地區(qū)的梅雨季多持續(xù)性準(zhǔn)靜止鋒面降水，而華北地區(qū)雨季多間歇性的雷暴雨，如用逐日降水資料來劃定雨季起止期，往往比較難以確定。趙漢光（1994）最早采用旬降水量定義的華北雨季開始期主要集中在7月中旬左右，結(jié)束期主要集中在8月中旬左右，其中雨季開始期比結(jié)束期在時間上相對地要集中。這些結(jié)果在1990年代被應(yīng)用于國家級氣候監(jiān)測業(yè)務(wù)中，但這種方法只用到華北地區(qū)7 個代表站，有明顯的局限性。此外，以往研究大多關(guān)注華北夏季平均或7～8月平均降水，對華北雨季的季節(jié)進(jìn)程研究相對不足。本文擬研究華北雨季的季節(jié)進(jìn)程特征，這就需要對雨季的起訖日期有準(zhǔn)確的識別，僅僅考察逐旬降水量是不夠的。隨著對監(jiān)測精度要求的提高，采用逐候或逐日降水量劃分雨季，顯著提高了雨季劃分的精確性以及時間分辨率（劉海文和丁一匯, 2008; 王遵婭和丁一匯, 2008），但這些指標(biāo)也僅僅以降水量為標(biāo)準(zhǔn)，并沒有參考環(huán)流狀況。2019年，《中國雨季監(jiān)測指標(biāo) 華北雨季》氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布（中國氣象局, 2019），該標(biāo)準(zhǔn)基于自然季節(jié)進(jìn)程的客觀識別方法，不僅考慮了降水量，還以西北太平洋副熱帶高壓的南北位置等指標(biāo)加以約束，能夠有效剔除初夏華北冷渦系統(tǒng)帶來的非季風(fēng)性降水（符嬌蘭等, 2019），對華北雨季起訖日期的判定效果更好。因此，本文采用該最新指標(biāo)來系統(tǒng)考察華北雨季的季節(jié)進(jìn)程及其水汽輸送和降水特征。

華北雨季降水具有顯著的年際和年代際變化特征，降水的形成與水汽輸送及其輻合密切相關(guān)，后者受大尺度環(huán)流調(diào)控。因此，華北雨季降水受到包括東亞夏季風(fēng)在內(nèi)的多種因子影響，這些變化與水汽輸送變化有著密切的內(nèi)在聯(lián)系，進(jìn)而直接影響大尺度降水異常分布格局（Webster, 1994; 陳烈庭,1999; 譚桂容和孫照渤, 2004; 楊修群等, 2005; 宋燕等, 2011; 林大偉等, 2016, 2018）。近年來，圍繞我國東部降水的水汽輸送源地、路徑、年代際變化等開展了一些研究。一般認(rèn)為，我國東部夏季降水的水汽主要來源于孟加拉灣、南海和熱帶西太平洋（黃榮輝和陳際龍, 2010）。Zhou and Yu（2005）研究了與中國東部大尺度降水異常模態(tài)相關(guān)的水汽輸送特征，指出西太平洋副熱帶高壓的位置通過影響水汽輸送路徑，進(jìn)而主導(dǎo)雨帶的南北位置。申樂琳等（2010）討論了影響我國東部夏季降水變化的可能機(jī)制，強(qiáng)調(diào)對于華北旱澇的形成，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注來自西北太平洋副熱帶高壓西側(cè)的異常西南季風(fēng)性水汽輸送。周曉霞等（2008a）研究指出，我國水汽主要由南海北部邊界輸入，東亞水汽輸送的北進(jìn)同我國雨帶的北進(jìn)時間一致，兩者之間相互協(xié)調(diào)。且華北雨季水汽不僅源于東亞季風(fēng)輸送，還與西風(fēng)帶有關(guān)。在1970年代末之后，伴隨西南風(fēng)的減弱，中國東部自南向北的水汽輸送明顯減弱，到達(dá)華北的水汽減少，這可能是華北干旱頻率增加的主要因素之一（周曉霞等, 2008b；Zhang et al., 2009）。這種年代際的變化具體表現(xiàn)為多雨年代的異常南風(fēng)水汽輸送及異常水汽輻合，改變?yōu)樯儆昴甏漠惓Ｆ憋L(fēng)水汽輸送及異常輻散（劉海文和丁一匯,2011; 郝立生等, 2016; 楊柳等, 2018）。此外，熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩（Madden–Julian Oscillation，簡稱MJO）對華北夏季降水也存在影響，通過MJO 對流區(qū)的氣旋性異常在其北側(cè)激發(fā)反氣旋環(huán)流，形成“氣旋—反氣旋對”，反氣旋西側(cè)的偏南氣流會加強(qiáng)向華北的水汽輸送，即可以通過850 hPa 風(fēng)場異常造成華北夏季偏南風(fēng)水汽輸送加強(qiáng)，從而有利于雨季降水形成（郝立生等, 2020）。本文根據(jù)雨季起訖時間針對性地考察雨季季節(jié)進(jìn)程及其活動期內(nèi)水汽輸送特征，進(jìn)而探討水汽輸送的年代際變化，更能體現(xiàn)大尺度環(huán)流系統(tǒng)的影響，這也是應(yīng)用新的華北雨季客觀監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢。

以往對華北雨季及水汽輸送變化的相關(guān)研究存在三個問題：一是華北雨季多陣性降水，其監(jiān)測本身存在一定難度，一直以來對華北雨季的定義沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)測方法和結(jié)果差異較大。二是為了簡化計(jì)算，往往針對整個夏季（6～8月）來考察華北的水汽特征及其與降水的關(guān)系，而并沒有考慮雨季的季節(jié)進(jìn)程，這是本文的研究重點(diǎn)，也是創(chuàng)新點(diǎn)。實(shí)際情況是華北雨季歷年雨量變化大、雨季起訖時間和雨季長度差異大，存在顯著的年際變化，所以要想考察雨季的季節(jié)進(jìn)程，需要首先確定歷年雨季的起訖日期等指標(biāo)。三是以往研究往往針對雨季平均的降水和環(huán)流特征進(jìn)行分析，沒有對雨季季節(jié)進(jìn)程的各個階段進(jìn)行獨(dú)立分析。因此，依據(jù)以往研究的不足，本文依據(jù)新的監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)判定華北雨季起訖日期和季節(jié)進(jìn)程，重點(diǎn)分析雨季季節(jié)進(jìn)程內(nèi)的水汽輸送和大氣環(huán)流特征，并將雨季劃分為開始、峰值、結(jié)束三個階段進(jìn)行獨(dú)立分析，最后深入分析了其年代際變化特征和差異。文章還討論了海溫可能對雨季水汽輸送的強(qiáng)迫作用，以期望對華北地區(qū)的雨季監(jiān)測及預(yù)測提供一些參考。

2 資料和方法

本文所用的資料包括：（1）歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）制作的ERA5 全球再分析資料（Hersbach et al., 2020），由哥白尼氣候數(shù)據(jù)中心官方網(wǎng)站下載https://cds.climate.copernicus.eu [2021-01-26]，選取時段為1961～2018年5～9月的逐日四個時次資料，水平空間分辨率為0.25°×0.25°，要素包括緯向風(fēng)分量u、經(jīng)向風(fēng)分量v、比濕q，其垂直層次分別為1000、925、850、700、600、500、400 和300 hPa 等壓面，以及地面氣壓場ps和500 hPa 位勢高度場；此外還用到月平均的850 hPa風(fēng)場資料。（2）月平均海溫資料來自美國國家海洋大氣局（NOAA）提供的擴(kuò)展重建海表溫度資料ERSST（v4），空間 分 辨率2°×2°（Huang et al., 2015）。（3）日降水資料采用中國國家級地面氣象站均一化降水?dāng)?shù)據(jù)集，其基礎(chǔ)資料源自中國國家級地面氣象站基本氣象要素日值數(shù)據(jù)集（V3.0），采用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)檢驗(yàn)方法結(jié)合臺站元數(shù)據(jù)信息與人工核查的方式對臺站降水資料進(jìn)行了均一性檢驗(yàn)，以保證數(shù)據(jù)完整性和可靠性（楊溯和李慶祥, 2014）。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)（中國氣象局, 2019），選出236 個氣象臺站用于華北雨季監(jiān)測，資料時段為1961～2018年7～9月逐日降水量。

本文所用主要方法包括：（1）文中計(jì)算常年平均值的時段均為1961～2018年，即氣候態(tài)選取時段。（2）水汽通量，計(jì)算方法參考黃榮輝等人（2011）的研究，單位面積氣柱整層大氣水汽通量Q（單位：kg m?1s?1）計(jì)算方法如下：

其中，u、v分別表示緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)分量，Qλ、Qφ分別表示緯向和經(jīng)向水汽通量，g為重力加速度，取9.80665 m s?2，ps為下邊界氣壓，pt為上邊界氣壓，真實(shí)大氣中300 hPa 以上水汽含量極少，故計(jì)算整層積分水汽通量時取pt為300 hPa。此外對垂直大氣分三個層次，其中低層為地面至700 hPa、中 層 為700 hPa～400 hPa、高 層 為400 hPa～300 hPa。V表示各等壓面大氣風(fēng)速矢量，q為比濕。（3）水汽收支，所考察的華北地區(qū)各邊界上的水汽收支（單位：kg s?1）計(jì)算方法（Sun et al., 2011）如下：

南邊界：

北邊界：

西邊界：

東邊界：

其中，λW表示西邊界所在經(jīng)度，λE表示東邊界所在經(jīng)度，φS表示南邊界所在緯度，φN表示北邊界所在緯度。φ為緯度；λ為經(jīng)度。QλW、QλE分別為通過西邊界和東邊界的緯向水汽通量，QφS、QφN分別為通過南邊界和北邊界的經(jīng)向水汽通量。Rr為地球平均半徑，取6.37×106m。Sq表示所考察區(qū)域水汽輸送凈收支，其正值表示水汽盈余，負(fù)值表示水汽虧損。本文所研究的華北地區(qū)四個邊界（圖1a）分別為：東邊界（35°N～42.5°N，120°E）、西邊界（35°N～42.5°N，110°E）、南邊界（110°E～120°E，35°N）、北邊界（110°E～120°E，42.5°N）。經(jīng)向水汽收支為南北邊界之和，緯向水汽收支為東西邊界之和。（4）水汽通量散度D（單位：kg m?2s?1）表征水汽匯聚或輻散，水汽水平輻散地區(qū)散度為正值，輻合地區(qū)散度為負(fù)值，其計(jì)算公式如下：

圖1 1961～2018年華北雨季（a）降水量（單位：mm）、（b）整層積分水汽通量（箭頭，單位：kg m?1 s?1）及其散度（填色，單位：10?5 kg m?2 s?1）、500 hPa 位勢高度（藍(lán)色實(shí)線，單位：gpm）氣候場分布。（a）中虛線框表示華北區(qū)域Fig. 1 Distributions of climatologically averaged (a) precipitation (units: mm), (b) vertically integrated water vapor fluxes (arrows, units: kg m?1 s?1)and associated divergence (shaded, units: 10?5 kg m?2 s?1), and 500 hPa geopotential height (blue isolines, units: gpm) during the rainy season of North China. The dashed box in (a) indicates the geographical locations of North China

本文使用的華北雨季行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，華北雨季起訖日期主要由4 個要素來確定：華北地區(qū)236個臺站逐日降水量、5 天滑動累計(jì)降水量、5 天平均的西太平洋副熱帶高壓脊線位置及達(dá)到條件的站點(diǎn)比率閾值。當(dāng)某日5 天平均的西太平洋副熱帶高壓脊線位置在25°N 以北，且單站日降水量和5 天滑動累計(jì)降水量達(dá)到或超過一定閾值時，則此日期為該站雨季開始日；雨季開始后，截至某日，連續(xù)10 天中5 天滑動累計(jì)降水量均不大于一定閾值，則將此日定為此站雨季結(jié)束日。最后，當(dāng)某日滿足開始或結(jié)束條件的站點(diǎn)達(dá)到一定站點(diǎn)比例時，既可以判定出華北雨季的起訖日期。該標(biāo)準(zhǔn)基于自然季節(jié)進(jìn)程的客觀識別方法，首先識別了華北雨季的影響區(qū)域，進(jìn)而在自然季節(jié)進(jìn)程變化的基礎(chǔ)上不僅考慮了降水量，還考慮了西北太平洋副熱帶高壓的南北位置。該方法的優(yōu)勢在于，一方面能精確監(jiān)測華北雨季的變化特征，剔除了雨季時段外的降水和環(huán)流，進(jìn)而精準(zhǔn)分析水汽輸送對華北雨季降水的不同影響；另一方面可以依據(jù)季節(jié)進(jìn)程劃分雨季期，更加真實(shí)體現(xiàn)了雨季活動期內(nèi)水汽輸送的具體特征，與雨帶變化的聯(lián)系更為緊密。從近幾年的雨季實(shí)際監(jiān)測業(yè)務(wù)中也驗(yàn)證了其科學(xué)性與及時性等優(yōu)點(diǎn)。

3 華北雨季水汽輸送氣候特征

3.1 水汽輸送通道

華北雨季降水是指根據(jù)雨季起訖日期計(jì)算的累積降水量。圖1a 展示的是1961～2018年華北雨季降水量氣候值的分布，華北雨季期間，各站普遍降水量達(dá)100～250 mm，呈現(xiàn)東部多西部少的分布格局，同時華南地區(qū)存在降水大值中心。雨季降水的形成受大氣中充足的水汽及水汽輸送的影響。圖1b展示的是1961～2018年華北雨季水汽通量及其散度氣候場，可以看出，維持華北雨季降水的水汽輸送通道主要有四個。其一是印度季風(fēng)水汽，源于索馬里以東的越赤道氣流，夾帶來自阿拉伯海及孟加拉灣的強(qiáng)盛水汽經(jīng)中南半島及南海轉(zhuǎn)向我國中東部，水汽源于印度洋；其二是來自西太平洋的東亞夏季風(fēng)水汽，這支水汽與西太平洋副熱帶高壓西側(cè)的西南風(fēng)水汽相聯(lián)系；其三是100°E～120°E 之間的越赤道氣流，在南海和熱帶西太平洋匯入印度季風(fēng)和東亞季風(fēng)水汽，相對較為微弱。這三個水汽通道均為明顯的經(jīng)向水汽輸送，這是我國東部夏季降水水汽輸送的重要特征（繆啟龍等, 2010）。值得注意的是，在40°N 及其以北附近中緯度西風(fēng)帶存在一支水汽，對華北北部有影響，這支水汽可能源于大西洋或北冰洋。

從水汽通量散度場來看（圖1b），雨季期間我國東部大陸以水汽輻合為主，華北地區(qū)明顯為水汽匯，同雨季降水對應(yīng)。最主要的水汽輻散地區(qū)為南半球印度洋以及阿拉伯海，季風(fēng)將水汽輸送至南亞地區(qū)再經(jīng)孟加拉灣向東輸送，由于青藏高原地形屏障作用導(dǎo)致印度季風(fēng)帶來的水汽在100°E 以東轉(zhuǎn)向，進(jìn)而向北輸送影響華北。華北上游40°N 及其以北地區(qū)也是水汽輻散區(qū)，雖強(qiáng)度偏弱但為西風(fēng)帶水汽通道的區(qū)域，同樣是華北雨季降水形成的水汽來源。

3.2 水汽輸送季節(jié)演變

由于華北雨季每年起始日期不同，最早開始于7月6日，因此我們計(jì)算了7月6日以來氣候平均的雨季降水和環(huán)流的逐日演變，雨季以外的降水和環(huán)流沒有計(jì)算在內(nèi)。圖2 給出了各緯度上沿110°E～120°E 平均的整層積分水汽通量及其散度、降水量及850 hPa 矢量風(fēng)場逐日演變，以考察中東部水汽輸送演變規(guī)律及其對華北雨季降水的影響。進(jìn)入7月之后，伴隨夏季風(fēng)推進(jìn)到華北，北方雨帶逐步建立。整個雨季大范圍降水分為5 個階段：第一階段，7月上旬末至中旬初，我國東部地區(qū)大氣低層穩(wěn)定的西南風(fēng)建立，水汽由南向北輸送，225 kg m?1s?1水汽通量等值線北進(jìn)到35°N 以北，華北大部地區(qū)水汽通量維持在100～225 kg m?1s?1，水汽輻合中心與首次大范圍降水中心對應(yīng)，華北各地雨季相繼開始。第二階段，7月中旬末至下旬初，隨著西南風(fēng)加強(qiáng)，華北中北部地區(qū)（37°N～42.5°N）水汽通量增大，大范圍降水再次出現(xiàn)，與首個雨期相比持續(xù)時間更長、降水大值中心更偏北。第三階段，7月下旬末至8月上旬中，華北在經(jīng)歷了短暫的少雨期后再度出現(xiàn)大范圍降水，此時段江淮、江南北部（30°N～35°N）等地水汽輸送較前期明顯減弱，進(jìn)而導(dǎo)致到達(dá)華北的水汽減少，水汽輻合強(qiáng)度減弱，對應(yīng)雨季降水強(qiáng)度減弱。第四階段，在8月上旬末到中旬左右，華北出現(xiàn)第四個雨期，前期降水大值中心偏北、強(qiáng)度較弱；后期降水中心偏南、強(qiáng)度較強(qiáng)，此時段內(nèi)水汽通量減弱，水汽通量南北梯度變小，低層風(fēng)場由前期的西南風(fēng)轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，這體現(xiàn)了西太平洋副熱帶高壓向北移動的特征，表明這一階段的水汽可能主要由副高西側(cè)的東南風(fēng)輸送。第五階段，8月中旬末至下旬初，華北北部降水增多，雨帶位置更加偏北，低層風(fēng)場轉(zhuǎn)以西風(fēng)為主，徑向水汽通量較小，緯向水汽輸送起主要作用（圖略）。8月下旬后期，伴隨東亞夏季風(fēng)南撤，華北地區(qū)水汽通量和降水減弱。

圖2 1961～2018年華北雨季沿110°E～120°E 平均整層積分經(jīng)向水汽通量（藍(lán)色等值線，單位：kg m?1 s?1）、水汽通量散度（紅色等值線，單位：10?5 kg m?2 s?1）、降水量（填色，單位：mm）以及850 hPa 水平風(fēng)場（箭頭，單位：m s?1）的緯度—時間逐日演變Fig. 2 Time–latitude section along 110°E–120°E averaged meridional vertically integrated water vapor fluxes (blue isolines, units: kg m?1 s?1),divergence (red isolines , units: 10?5 kg m?2 s?1), precipitation (shaded, units: mm), and 850 hPa wind vector (arrows, units: m s?1) in 1961–2018 during the rainy season of North China

綜上所述，華北雨季內(nèi)，到達(dá)華北的水汽通量波動較大，表現(xiàn)出明顯“階段式”的變化，雨季開始到盛期徑向水汽輸送強(qiáng)，緯向弱；雨季結(jié)束階段緯向輸送相對偏強(qiáng)。雨季內(nèi)水汽通量南北梯度差異大，由開始到結(jié)束階段梯度逐漸減小。雨季降水和水汽通量北邊緣以及散度的時空對應(yīng)關(guān)系較好，反映出水汽輸送變化對華北雨季降水有較大影響。

3.3 雨季不同階段水汽輸送特征

在夏季，東亞地區(qū)水汽輸送通量場表現(xiàn)出與低層風(fēng)場相似的特征（丁一匯等, 2018）。以對流層850 hPa 的水汽通量和風(fēng)速為例，我們分析了華北雨季歷年開始日、峰值日及結(jié)束日的水汽輸送氣候特征。如圖3a，在華北雨季開始日，隨著夏季風(fēng)北進(jìn)，西太平洋副高平均脊線位置越過25°N，平均水汽通量高值區(qū)位于華南西北部經(jīng)江南中西部至黃淮一帶，從華南至黃淮地區(qū)呈現(xiàn)西南至東北向分布，最大值區(qū)超過130 kg m?1s?1hPa?1，基本與大于5 m s?1風(fēng)速區(qū)重疊。華北地區(qū)850 hPa 水汽通量普遍有30～110 kg m?1s?1hPa?1，此時到達(dá)華北地區(qū)的水汽主要來源于印度季風(fēng)水汽在中南半島及南海地區(qū)的轉(zhuǎn)向氣流，累積的水汽沿著西太平洋副高外圍向長江流域及華北輸送。由110°E～120°E平均的水汽通量緯度—高度分布來看，水汽通量的垂直分布自低層到高層向北傾斜，水汽在低層開始堆積并垂直抬升，在中高層形成“倒V 型”結(jié)構(gòu)（圖3b）。水汽通量大值中心出現(xiàn)在江淮地區(qū)的925～850 hPa 附近，華北地區(qū)上空水汽通量等值線較密集，垂直梯度大，且向北逐漸減小。

華北雨季開始后至結(jié)束前，逐年選取雨季時段中最大降水量所在當(dāng)日為峰值日。在峰值日，副高再度北抬，華北地區(qū)處于副高的西北側(cè)，水汽輸送高值區(qū)中心到達(dá)華北南部至黃淮東部一帶（圖3c），由華北地區(qū)峰值日與開始日850 hPa 風(fēng)場和水汽通量差值場對比看（圖略），伴隨華北以南地區(qū)偏南風(fēng)加強(qiáng)，同時華北北部出現(xiàn)偏北風(fēng)，風(fēng)場在華北低層輻合，中低層水汽通量進(jìn)一步增強(qiáng)。從垂直分布看，中高層“倒V 型”垂直結(jié)構(gòu)更加明顯（圖3d），低層水汽輻合抬升向中高層入侵，抬升作用更有利于形成降水，此時華北上空主要由偏南風(fēng)帶來的水汽量達(dá)到最高峰。

圖3 華北雨季（a、b）開始日、（c、d）峰值日、（e、f）結(jié)束日850 hPa 風(fēng)場（箭頭）、風(fēng)速（藍(lán)色等值線，單位: m s?1）、5860 和5880 gpm等高線范圍（白色虛線）以及水汽通量（填色，單位：kg m?1 s?1 hPa?1）分布（左列）及其對應(yīng)的沿110°E～120°E 的平均緯度—高度剖面（右列）Fig. 3 (a, c, e) 850 hPa wind vector (arrows), wind velocity (blue isolines, units: m s?1), the climatological extent of the 5860 and 5880 gpm (white dashed isolines), water vapor fluxes (shaded), and (b, d, e) latitude–altitude cross section of 110°E–120°E averaged moisture fluxes (shaded; unit: kg m?1 s?1 hPa?1) on (a, b) onset date, (c, d) peak date and (e, f) ending date

在結(jié)束日，副高南落且強(qiáng)度減弱，華北地區(qū)850 hPa 風(fēng)速明顯減小，水汽通量減弱到70 kg m?1s?1hPa?1以下，水汽通量高值中心南撤至華南一帶，華北中高層“倒V 型”垂直結(jié)構(gòu)被破壞，低層水汽由盛轉(zhuǎn)衰（圖3e、f），伴隨季風(fēng)的低頻振蕩水汽南撤，華北降水減少，雨季結(jié)束。由此可見，在雨季進(jìn)程中的不同階段，水汽輸送及環(huán)流特征明顯發(fā)生變化，而且降水和水汽輸送總體協(xié)同一致，兩者的變化聯(lián)系緊密。

4 華北雨季降水和水汽輸送年代際變化

4.1 降水年代際變化

1961～2018年華北雨季歷年開始日期在7月6日至8月10日之間，常年平均開始日為7月17日，雨季開始日有漸晚趨勢，平均為0.5 d (10 a)?1；歷年結(jié)束日期在7月25日至9月3日之間，常年平均結(jié)束日期為8月18日，雨季結(jié)束日有漸早趨勢，平均為1.1 d (10 a)?1；歷年雨季長度在16～60天之間，常年平均值為32.5 天，雨季長度有明顯變短趨勢，平均為1.7 d (10 a)?1，通過95%顯著性檢驗(yàn)（圖4a）。華北雨季歷年降水量在41.2～311.9 mm 之間，常年平均值為143.1 mm（圖4b）。從長期變化看，1961～2018年華北雨季降水量呈現(xiàn)出減少趨勢，平均為0.7 mm a?1。整個華北地區(qū)7～8月降水量均呈現(xiàn)出減少的變化趨勢，其中北京及周邊的河北中北部地區(qū)減少趨勢顯著，超過2.5 mm a?1（圖略）。通過計(jì)算雨季開始日期、結(jié)束日期早晚與降水距平的相關(guān)系數(shù)發(fā)現(xiàn)，歷年雨季開始早晚與降水距平相關(guān)系數(shù)為?0.52，通過99%顯著性檢驗(yàn)，表明雨季開始早晚與降水量多寡存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，雨季開始早，降水量易偏多，雨季開始晚，降水量易偏少；雨季結(jié)束早晚與降水量距平相關(guān)系數(shù)為0.43，超過99%置信水平，表明雨季結(jié)束早晚與降水量多寡存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，雨季結(jié)束早，降水量易偏少，雨季結(jié)束晚，降水量易偏多。雨季長度與降水量距平相關(guān)系數(shù)為0.81，超過99%置信水平，表明雨季偏長的大多年份降水多，雨季偏短的大多年份降水少。

圖4 1961～2018年華北雨季歷年（a）開始日期（實(shí)線）、結(jié)束日期（虛線）及雨季長度（直方圖；單位：d）時間變化；（b）降水量歷年值（直方圖）、多年平均值（虛線）、11年滑動平均值（實(shí)線）及四個時期的降水量平均值（三角），單位：mmFig. 4 (a) Onset date (solid curve), ending date (dashed curve), and length (histogram; units: d) of the rainy season in North China in 1961–2018;(b) Annual precipitation (histogram), climatological precipitation (dashed line), 11-year running average (solid curve), and mean precipitation in the four periods (triangle) of the rainy season in North China in 1961–2018, units: mm

以往研究表明，華北地區(qū)夏季降水在20 世紀(jì)70年代中后期發(fā)生了一次明顯的躍變，此后華北地區(qū)降水較前期顯著減少（周連童和黃榮輝, 2003;丁一匯和張莉, 2008）。榮艷淑（2013）指出，華北夏季降水量在1977年前后發(fā)生突變而減少,1980年代末至1990年代末，降水有所增加，而21 世紀(jì)以來再次減為最少的時期。由圖4b 可知，1961年以來華北雨季降水量年代際波動較大，總體呈現(xiàn)“減—增—減”階段式變化特征，1977年后雨季降水量明顯減少。同時，對華北雨季降水量滑動t檢驗(yàn)分析表明，1986年、1999年前后兩處存在突變，且都通過了95%顯著性檢驗(yàn)（圖略）。因此，結(jié)合前人的研究以及降水量11年滑動平均曲線的變化，我們選擇以1977年、1987年和1999年把降水量劃分出四個時期：分別為1961～1976年（P1）、1977～1986年（P2）、1987～1998年（P3）和1999～2018年（P4）。P1 降水偏多15.1%；P2 降水偏少16.4%，為四個時期中最少的時段；P3 降水再次轉(zhuǎn)多，較常年偏多20.2%，為四個時期中最大的時段；P4 降水量再次減少，較常年偏少16.0%。這里我們選擇雨季降水量偏多超過一倍標(biāo)準(zhǔn)差的所有年份代表多雨年，有1963、1964、1973、1988、1995、1996 和2012年共7年，其中除2012年外，其余6年均處在降水量偏多的P1和P3 兩個多雨年代；同理，雨季降水量偏少一倍標(biāo)準(zhǔn)差的年份代表少雨年，有1965、1971、1980、1986、2000、2001、2002、2014 和2015年共9年，其中除1965 和1971年外，其余7年均在P2 和P4 兩個少雨年代中。9 個華北少雨年夏季均出現(xiàn)了不同程度的氣象干旱，其中1965、1980、2000 和2001年華北地區(qū)均有極端干旱事件發(fā)生（畢慕瑩和丁一匯, 1992; 中國氣象局, 2010, 2015; 安莉娟等,2014）。由圖5 可以看到，在多雨年代，華北大部地區(qū)雨季降水量較常年偏多20%～100%，其中在華北中部局部地區(qū)偏多一倍以上，同時東北地區(qū)和江南地區(qū)降水相對偏少；在少雨年代，華北大部地區(qū)雨季降水量較常年偏少30%～60%，華北北部部分地區(qū)偏少60%以上，而廣大的南方地區(qū)和東北東部地區(qū)降水相對偏多，為典型的“南澇北旱”式降水分布。

圖5 華北雨季（a）多雨年代和（b）少雨年代合成的降水距平百分率（填色）分布。黑點(diǎn)表示通過99%的顯著性檢驗(yàn)，（a）和（b）中央黑色線框表示華北區(qū)域Fig. 5 Distribution of the precipitation anomaly percentage (shaded) in rainy decades (a) and rainless decades (b) during the rainy season. The dark stipplings indicate values exceeding 99% confidence levels, and the black boxes in the middle of (a) and (b) indicate the geographical locations of North China

4.2 水汽收支年代際變化

東亞地區(qū)夏季大尺度降水的形成依賴于充足的水汽來源，配合地形或有利的動力抬升條件形成大范圍降水。因此，我們考察了1961～2018年華北雨季水汽收支變化及其與降水量的聯(lián)系。結(jié)果表明，華北雨季降水量與區(qū)域內(nèi)凈水汽收支關(guān)系密切并表現(xiàn)出同位相變化，二者時間相關(guān)系數(shù)為0.82，通過99%顯著性檢驗(yàn)（圖6a）。一方面表明雨季降水量同水汽凈收支具有較好的對應(yīng)關(guān)系，另一方面說明華北雨季降水所需水汽主要來自于外界的輸入。

由華北地區(qū)四個邊界多年平均的水汽收支來看，經(jīng)向水汽輸送收支盈余，緯向虧損。整體而言，南邊界和西邊界分別有最大、次大水汽輸入量，分別占水汽總輸入的64.7%和35.3%，與區(qū)域內(nèi)水汽凈收支相關(guān)系數(shù)分別為0.81 和0.59，表明南邊界的水汽輸入對華北雨季水汽收支和降水有主導(dǎo)作用（圖6b、c）。東邊界和北邊界為水汽輸出，分別占水汽總輸出的83.5%和16.5%，與區(qū)域內(nèi)水汽凈收支相關(guān)分別為?0.68 和?0.4，表明兩邊界的水汽流出狀況與華北雨季水汽收支負(fù)相關(guān)關(guān)系顯著，若流出多，凈收支少（圖6d、e）。從長期趨勢來看，四個邊界的水汽收支均表現(xiàn)為統(tǒng)計(jì)顯著的減少趨勢，這與降水的減少趨勢相對應(yīng)。

從年代際變化來看，各邊界的水汽收支與雨季降水量的變化存在較好的對應(yīng)關(guān)系（圖6；表1）。其中，南邊界水汽輸入在P1 階段偏強(qiáng)，但有減弱趨勢；P2 階段水汽輸入偏弱，隨后在P3 階段水汽輸入轉(zhuǎn)強(qiáng)，但1999年以來再次減弱為四個時期中最小。西邊界水汽收支的年代際變化與南邊界的特征類似，但強(qiáng)度在四個時期均弱于南邊界，表明南邊界是華北雨季降水最主要水汽路徑，西邊界為次之的水汽路徑。東邊界的水汽輸出表現(xiàn)出與降水量類似的“減—增—減”式年代際演變。北邊界水汽流出的年代際變化略有不同，大致為先強(qiáng)后弱，P1 至P3階段水汽流出總體偏強(qiáng)，P4 階段流出轉(zhuǎn)弱，甚至轉(zhuǎn)為流入。值得注意的是，1961～2018年中有12年北邊界由水汽輸出轉(zhuǎn)變?yōu)樗斎?，其?1年均為雨季降水異常偏少年，這種轉(zhuǎn)變是否為少雨年代特有的？與其相聯(lián)系的大尺度水汽通量輸送模態(tài)發(fā)生了哪些變化？將在下一節(jié)討論。

圖6 1961～2018年華北雨季（a）區(qū)域凈水汽收支（虛線，單位：107 kg s?1）及降水量（實(shí)線，單位：mm）變化；（b）南、（c）西、（d）東、（e）北邊界水汽收支（虛折線）、11年滑動平均值（實(shí)線）及平均值（虛直線）歷年變化，單位：107 kg s?1Fig. 6 (a) Annual water vapor net budget (units: 107 kg s?1) and precipitation (units: mm) in the rainy season of North China during 1961-2018.Annual value (dashed curve), 11-year running average (solid curve), and the climatic value (dashed line) of water vapor budget on (b) southern boundary, (c) western boundary, (d) eastern boundary, and (e) northern boundary. Units: 107 kg s?1

表1 四個不同時期的華北雨季降水量（單位：mm）、各邊界上和區(qū)域凈水汽收支（單位：107 kg s?1）及其距平百分率Table 1 Precipitation (units: mm), water vapor budget (units: 107 kg s?1), and percentage anomalies relative to 1961–2018 climatology for each boundary during the four different periods of the rainy season in North China

4.3 多雨年代與少雨年代的水汽輸送差異

多雨年代、少雨年代華北雨季降水量的多寡同水汽輸送聯(lián)系如何？可從大尺度水汽輸送時空分布差異來考慮其對降水量的影響。

我們分別計(jì)算了華北雨季多雨、少雨年代整層積分水汽輸送通量距平及散度距平分布。如圖7a所示，在多雨年代，西北太平洋為反氣旋式異常水汽輸送，我國東部地區(qū)受異常偏南水汽控制，延伸至華北北部。來自南海及西太平洋偏南水汽輸送異常偏強(qiáng)，與中高緯西風(fēng)帶異常偏西水汽匯聚于華北，雖然西風(fēng)帶水汽通量相對偏弱，但其對華北雨季降水起到補(bǔ)充作用。梁萍等人（2007）的研究指出這種異常水汽輸送對華北暴雨的產(chǎn)生具有重要作用，華北地區(qū)水汽輻合異常偏強(qiáng)易造成雨季偏強(qiáng)，強(qiáng)降水日偏多。而在少雨年代（圖7b），我國江南東部經(jīng)東海至西北太平洋、巴爾喀什湖到蒙古國中東部均為反氣旋式異常水汽通量，中心分別位于琉球群島附近及蒙古國西部；而我國東北地區(qū)及朝鮮半島、日本海附近為氣旋式異常水汽通量，中心位于我國東北北部，華北地區(qū)主要受異常偏北水汽影響，來自鄂霍茨克海及中高緯西風(fēng)帶來的水汽加強(qiáng)，來自南海和西太平洋的偏南水汽減弱，不僅如此，華北地區(qū)水汽輻散異常偏強(qiáng)，通過了95%的顯著性檢驗(yàn)，少雨年代雨季這種水汽異常分布的特征，區(qū)別于多雨年代水汽輸送，可能是造成雨季降水偏少的重要因素。

圖7 華北雨季多雨年代（a）和少雨年代（b）合成的整層積分水汽通量距平（箭頭；單位：kg m?1 s?1）及散度距平（填色；單位：10?5 kg m?2 s?1）分布（黑點(diǎn)表示通過95%的顯著性檢驗(yàn)）Fig. 7 Distribution of the water vapor flux vector anomaly (units: kg m?1 s?1), divergence (shaded; units: 10?5 kg m?2 s?1) in (a) rainy decades and (b)rainless decades during the rainy season. Dark stipplings indicate values exceeding 95% confidence levels

圖8a、b 分別為華北雨季多雨年代、少雨年代沿110°E～120°E 平均的850 hPa 水汽通量逐日演變，不同年代水汽輸送時間變化特征差異明顯。在多雨年代，水汽到達(dá)華北地區(qū)的時間早，減弱的時間晚，停留時間長；7月上旬起華北南部水汽通量穩(wěn)定維持在30 kg m?1s?1hPa?1以上，7月中旬前后，水汽持續(xù)向北推進(jìn)到華北以北地區(qū)；在少雨年代，7月上中旬華北地區(qū)水汽通量波動明顯，不穩(wěn)定在10～30 kg m?1s?1hPa?1。整體來看，7月中旬至8月中旬35°N 以北大部分地區(qū)水汽通量多雨年代明顯強(qiáng)于少雨年代（圖8c），差值中心位于37°～42°N 之間，分別出現(xiàn)在7月中旬、7月下旬和8月上中旬，其中最大差值超過30 kg m?1s?1hPa?1，出現(xiàn)在8月上旬。此外，7～8月華北地區(qū)多雨年代相比少雨年代大多數(shù)時間水汽輻合偏強(qiáng)（圖8d），特別在8月上中旬，華北中部及南部低層水汽匯聚偏強(qiáng)。

圖8 華北雨季（a）多雨年代、（b）少雨年代合成的850 hPa 水汽通量（單位：kg m?1 s?1 hPa?1）及（c）其差值場、（d）水汽通量散度（單位：10?5 kg m?2 s?1 hPa?1）差值場沿110°E～120°E 平均的時間—緯度分布。（c、d）中陰影表示通過90%、95%或99%的顯著性檢驗(yàn)Fig. 8 Time–latitude section along the 110°E–120°E average of 850 hPa water vapor fluxes (units: kg m?1 s?1 hPa?1) in (a) rainy decades, (b) rainless decades, the differences in (c) water vapor fluxes and (d) divergence (units: 10?5 kg m?2 s?1 hPa?1) between rainy and rainless decades. The shadings indicate values exceeding 90%, 95%, or 99% confidence levels in (c, d)

以上分析表明，水汽通量的強(qiáng)弱、到達(dá)華北的時間早晚是雨季降水量多寡的重要決定因素。一般而言，季風(fēng)向北推進(jìn)偏早（晚）有（不）利于水汽向北輸送，華北雨季開始偏早（晚），水汽輻合偏強(qiáng)（弱）從而導(dǎo)致降水易偏多（少）。這可能與副熱帶高壓及東亞夏季風(fēng)各層環(huán)流系統(tǒng)的演變有關(guān)（于曉澄等, 2019）。

前文提到，華北雨季開始日和峰值日氣候平均水汽通量自低層到高層向北傾斜，水汽在低層堆積并垂直抬升，到對流層中高層形成“倒V 型”結(jié)構(gòu)。那么多雨年代以及少雨年代的差異如何？如圖9 所示，多雨年代雨季開始時低層水汽通量已十分強(qiáng)盛，中高層水汽的“倒V 型”結(jié)構(gòu)完全建立，水汽大值區(qū)范圍由江淮至華北南部，異常南風(fēng)輸送及水汽輻合使華北地區(qū)上空得以維持深厚的水汽，利于降水形成；雨季盛期時華北地區(qū)水汽更加強(qiáng)盛；結(jié)束時水汽快速減弱。而少雨年代雨季開始時，低層水汽勢力弱，水汽在中高層尚未建立“倒V 型”垂直結(jié)構(gòu)，水汽大值中心位于華南，臨近峰值日“倒V 型”顯現(xiàn)，但其水汽通量強(qiáng)度及垂直梯度均不及多雨年代；結(jié)束時與多雨年代差別不大。由此可以看出，這種水汽分布差異和雨季降水量多寡聯(lián)系緊密。

圖9 華北雨季（a、b）多雨年代、（c、d）少雨年代合成的水汽通量沿110°E～120°E 平均的緯度—高度剖面及（e、f）其差值場，單位：kg m?1 s?1 hPa?1：開始日（第一行）；峰值日（第二行）。（e、f）中陰影表示通過95%的顯著性檢驗(yàn)Fig. 9 Latitude–altitude section along 110°E–120°E averaged of water vapor fluxes (units: kg m?1 s?1 hPa?1) in (a, b) rainy decades, (c, d) rainless decades and (e, f) the differences between rainy and rainless decades: Onset date (top line); peak date (bottom line). The shadings indicate values exceeding 95% confidence levels in (e, f)

為了揭示華北雨季多雨年代和少雨年代水汽收支狀況的差異，圖10 給出了雨季期各邊界水汽收支，可以看出不論多雨年代還是少雨年代，華北地區(qū)大氣有凈水汽收入以供產(chǎn)生降水，水汽最大輸入在南邊界，多雨年代是少雨年代的近4 倍，西邊界有次大水汽輸入，南邊界、西邊界水汽輸入量的變化同雨季降水多寡聯(lián)系密切，其中南邊界的水汽輸入量起主要作用。一般而言華北地區(qū)東邊界、北邊界為負(fù)水汽收支既水汽輸出，東邊界水汽輸出大于北邊界。值得注意的是，在少雨年代，北邊界表現(xiàn)為水汽凈收入，這區(qū)別于多雨年代。前文提到，在少雨年代我國華北地區(qū)受到異常偏北水汽通量的影響，這支異常水汽由蒙古反氣旋式異常水汽通量的右支和我國東北地區(qū)及朝鮮半島附近的氣旋式異常水汽通量左支匯合而成，說明這種異常水汽配置在少雨年代對降水的水汽來源起到了補(bǔ)償作用。更進(jìn)一步研究表明，不論氣候平均、多雨年代或少雨年代（表2），南邊界有最大水汽收入，主要集中在低層，是中層和高層總輸送量的2～4 倍。南邊界的水汽匯入體現(xiàn)出東亞夏季風(fēng)經(jīng)向水汽輸送的特點(diǎn)；西邊界有次大水汽收入，集中在中高層，而低層很小，表明西邊界的水汽輸入主要發(fā)生在對流層中層到高層，與西風(fēng)帶水汽輸送通道聯(lián)系密切；東邊界有最大的水汽輸出，低層和中層量值相差不大，高層較小。北邊界在多年平均和多雨年代的不同高度上均表現(xiàn)為水汽輸出，且由低層向高層遞減；但在少雨年代，北邊界水汽由輸出轉(zhuǎn)為輸入，且大多出現(xiàn)在1979年后，這可能是受到東亞夏季風(fēng)在1970年代末之后強(qiáng)度和輻合作用減弱的影響，華北地區(qū)降水水分供應(yīng)不足，我國東部雨帶南移進(jìn)而華北出現(xiàn)少雨期（Ding et al., 2008）。

圖10 1961～2018年華北地區(qū)各邊界多年平均、多雨年代和少雨年代水汽收支（單位：107 kg s?1）柱狀圖Fig. 10 Water vapor budget (units: 107 kg s?1) at each boundary of North China for 1961–2018 climatology, rainy decades, and rainless decades

表2 華北雨季多年平均、多雨年代和少雨年代各邊界不同層次的水汽收支（單位：107 kg s?1）Table 2 Averaged water vapor budget with different layers at each boundary in climatology (1961–2018), rainy decades, and rainless decades (units: 107 kg s?1)

5 討論

本文從大尺度大氣環(huán)流角度，重點(diǎn)研究了華北地區(qū)東、西、南、北四個邊界水汽輸送對華北雨季降水的影響。由于華北地區(qū)主要水汽源地為海洋，因此我們又進(jìn)一步討論了水汽輸送對熱帶太平洋海溫、印度洋海溫等外強(qiáng)迫變化的響應(yīng)機(jī)理。圖11給出了華北地區(qū)四個邊界水汽收支與前冬至夏季的海溫以及850 hPa 風(fēng)場的相關(guān)系數(shù)空間分布。夏季，西、南邊界水汽輸入與西北太平洋和印度洋海溫存在顯著的負(fù)相關(guān)，與赤道中東太平洋海溫也存在顯著的負(fù)相關(guān)，中國東部地區(qū)對流層低層呈現(xiàn)反氣旋性環(huán)流異常，對應(yīng)西北太平洋副熱帶高壓偏強(qiáng)。這說明西北太平洋和印度洋低海溫的強(qiáng)迫作用可能是造成東亞東部夏季低層環(huán)流強(qiáng)弱變化的原因之一（Zhang et al., 1996; Zhang, 2001），進(jìn)而影響華北雨季水汽輸入量。由于東邊界和北邊界為水汽輸出，海溫場和風(fēng)場相關(guān)分布特征與西邊界、南邊界相反。總體來看，西北太平洋和印度洋海溫低（高）時，西北太平洋副熱帶高壓偏強(qiáng)（弱），中國東部低層西南風(fēng)強(qiáng)（弱），到達(dá)華北地區(qū)水汽收支多（少），造成降水偏多（少）。

從短期氣候預(yù)測角度而言，我們更加關(guān)注前期信號對華北雨季降水異常的影響，從圖11 可以看到，雨季年冬季（前年12月至當(dāng)年2月）到夏季，西、南邊界水汽收支與西北太平洋和印度洋地區(qū)海溫為持續(xù)負(fù)相關(guān)，而與赤道中東太平洋海溫的相關(guān)系數(shù)由正向負(fù)演變，這意味El Ni?o 位相與La Ni?a 位相的轉(zhuǎn)換。以往研究指出不同模態(tài)和類型的ENSO 季節(jié)變化過程我國東部降水異常分布和強(qiáng)度都有明顯差異，一般在冬季El Ni?o 轉(zhuǎn)盛夏La Ni?a時，東亞夏季風(fēng)雨帶迅速北跳到華北至東北南部一帶，降水異常偏多；而La Ni?a 轉(zhuǎn) El Ni?o的情況基本相反（宗海鋒, 2017）。趙樹云等（2017）更進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)華北雨季降水異常偏多年通常發(fā)生在El Ni?o 結(jié)束且當(dāng)年轉(zhuǎn)為La Ni?a 的年份，而降水異常偏少年通常發(fā)生在赤道中東太平洋冷水位相結(jié)束且當(dāng)年發(fā)展成El Ni?o 事件的年份。我們的研究結(jié)果與以往研究基本一致。由此可見，赤道中東太平洋大范圍海溫的季節(jié)演變，聯(lián)合西北太平洋和印度洋海溫持續(xù)異常，可能是影響華北雨季降水水汽收支的重要因子，在El Ni?o 轉(zhuǎn)La Ni?a 的夏季，華北雨季水汽收支多，降水量多；在La Ni?a 轉(zhuǎn)El Ni?o 的夏季，華北雨季水汽收支少，降水量少。

圖11 華北地區(qū)各邊界水汽收支與前冬（左列）、春季（中間列）、夏季（右列）海溫（填色）及850 hPa 水平風(fēng)矢量（箭頭）相關(guān)分布。圖中黑點(diǎn)表示海溫相關(guān)系數(shù)通過95%的顯著性檢驗(yàn)，僅給出與風(fēng)場的相關(guān)系數(shù)大于0.15 的矢量箭頭Fig. 11 Spatial pattern of correlation coefficients between the Pacific and Indian Ocean surface temperatures (shaded), 850 hPa horizontal wind vector (arrow), and water vapor budget at each boundary of North China in the previous winter (left column) , previous spring (middle column), and concurrent summer (left column). Dark stippling indicates values exceeding the 95% confidence level, only vector with a correlation coefficients exceeding 0.15 is showed

但需要指出的是，這一結(jié)論建立在相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果之上，有的統(tǒng)計(jì)值并未通過顯著性檢驗(yàn)，例如冬季的凈水汽收支和北邊界水汽輸送與赤道中東太平洋海溫的正相關(guān)并不顯著，這說明ENSO 的季節(jié)演變對東、南、西邊界的水汽收支的影響比北邊界大。北邊界水汽輸送主要受到中高緯度環(huán)流系統(tǒng)（Zhang et al., 2017; 張若楠等, 2018）等因素的調(diào)制，還需未來做進(jìn)一步討論。

6 結(jié)論

本文利用國家氣象信息中心的1961～2018年逐日歷史整編均一化降水資料和歐洲中期天氣預(yù)報中心ERA5 全球再分析等資料，采用新的華北雨季監(jiān)測氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)研究了華北雨季的季節(jié)進(jìn)程的水汽輸送和降水特征，并在年代際尺度上明確了水汽輸送時空變化對降水的不同影響，并淺析了熱帶太平洋海溫、印度洋海溫等水汽源地的影響機(jī)理，得出結(jié)論如下：

（1）華北雨季降水的形成與水汽輸送及其輻合密切相關(guān)。從氣候特征來看，維持華北雨季降水的水汽通道主要有四個：印度季風(fēng)水汽、西太平洋的東亞季風(fēng)水汽、110°E～120°E 之間的越赤道氣流為最主要的水汽源，華北上游40°N 及其以北地區(qū)的水汽輻散雖然強(qiáng)度偏弱，但也從西風(fēng)帶帶來了水汽，這四條水汽匯入華北地區(qū)，以維持雨季大范圍降水。這與以往的認(rèn)識基本一致。

（2）本文在新的華北雨季指標(biāo)基礎(chǔ)上，深入研究了華北雨季的季節(jié)進(jìn)程特征，獲得了一些新的認(rèn)識。依據(jù)新指標(biāo)劃分的每年雨季起訖時間均有不同，我們首先識別了每年雨季平均的降水和環(huán)流特征，進(jìn)而將華北雨季分為開始、峰值和結(jié)束三個階段來考察雨季降水和水汽輸送的季節(jié)內(nèi)進(jìn)程：從雨季開始到盛期，徑向水汽輸送強(qiáng)，緯向較弱，水汽通量南北梯度大，對流層中低層垂直梯度大，水汽通量大值區(qū)自低層到高層向北傾斜，在中高層形成“倒V 型”垂直結(jié)構(gòu)，華北地區(qū)上空得以維持深厚的水汽；而雨季結(jié)束階段，緯向輸送相對偏強(qiáng)，水汽通量南北梯度減小，“倒V 型”垂直結(jié)構(gòu)破壞，水汽通量大值中心南撤至華南一帶，低層水汽由盛轉(zhuǎn)衰，華北雨季結(jié)束。

（3）華北雨季降水量有顯著的年代際變化，分別在1977、1987、1999年發(fā)生年代際突變，雨季降水和水汽收支均呈現(xiàn)“減—增—減”的階段性變化趨勢，并且降水和水汽收支存在顯著的相關(guān)性。水汽通量的強(qiáng)弱及到達(dá)華北的時間早晚對雨季降水多寡有重要影響，華北雨季多雨年代和少雨年代水汽通量差異主要表現(xiàn)在：多雨年代，西北太平洋為反氣旋式異常水汽通量，我國東部地區(qū)受異常偏南水汽控制。來自南海及西太平洋偏南水汽輸送異常偏強(qiáng)，與中高緯西風(fēng)帶異常偏西水汽匯聚于華北，華北水汽輻合偏強(qiáng)。雖然西風(fēng)帶水汽通量相對偏弱，但其對華北雨季降水起到加強(qiáng)作用，二者共同造成華北雨季偏強(qiáng)；少雨年代，我國東北地區(qū)及朝鮮半島、日本海附近為氣旋式異常水汽通量，中心位于東北北部，華北地區(qū)主要受偏北水汽影響，水汽輻散異常偏強(qiáng)顯著。另外，多（少）雨年代水汽到達(dá)華北地區(qū)的時間早（晚）、強(qiáng)度大（小），減弱的時間晚（早），停留時間長（短），這也對雨季降水多寡產(chǎn)生重要影響。從四個邊界來看華北雨季水汽收支，南邊界和西邊界對雨季水汽收支有主導(dǎo)作用，這兩個邊界水汽收支的年代際變化是導(dǎo)致華北雨季降水發(fā)生年代際變化的直接原因。在多雨年代，南邊界和西邊界水汽凈輸入很強(qiáng)，北邊界的輸出也很強(qiáng)，但區(qū)域凈收支很大；在少雨年代，南邊界和西邊界水汽凈輸入很弱，但北邊界水汽輸出轉(zhuǎn)為輸入，對降水的水汽來源起到一定的補(bǔ)償作用，這是區(qū)別于多雨年代的重要特征。