東亞季風(fēng)過(guò)渡帶降水變化特征及物理機(jī)制研究進(jìn)展

趙威，張恒德，胡藝

(國(guó)家氣象中心，北京 100081)

引言

東亞夏季風(fēng)(East Asian summer monsoon，EASM)爆發(fā)后，階段性地向北推進(jìn)和向東擴(kuò)展是其活動(dòng)的一個(gè)顯著特征。早在1987年，TAO and CHEN[1]就指出了東亞季風(fēng)及雨帶向北推進(jìn)的幾個(gè)階段：4—6月，伴隨著南海夏季風(fēng)的爆發(fā)，華南前汛期開(kāi)始；6—7月，東亞夏季風(fēng)逐漸向北推進(jìn)，雨帶維持在長(zhǎng)江流域；7—8月，東亞夏季風(fēng)到達(dá)黃河以北，進(jìn)入華北雨季；自9月初東亞夏季風(fēng)開(kāi)始迅速向南撤退；10月中旬完全撤出中國(guó)大陸。

在整個(gè)東亞夏季風(fēng)北推過(guò)程中，東亞夏季風(fēng)所能到達(dá)的最北的邊界被稱為東亞季風(fēng)北界[2-3]，它將整個(gè)東亞地區(qū)劃分為季風(fēng)影響區(qū)和非季風(fēng)影響區(qū)[4-5]。在季風(fēng)影響區(qū)和非季風(fēng)影響區(qū)之間，還存在一個(gè)狹長(zhǎng)的過(guò)渡地帶，即“東亞季風(fēng)過(guò)渡帶(moon transitional zone, MTZ)”。東亞季風(fēng)過(guò)渡帶呈東北—西南走向，覆蓋范圍與我國(guó)半干旱氣候區(qū)和農(nóng)牧交錯(cuò)帶高度重合，橫跨內(nèi)蒙古、河北、山西、陜西、甘肅等若干省份[6-7]。作為典型的農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)，東亞季風(fēng)過(guò)渡帶氣候類型復(fù)雜、生態(tài)系統(tǒng)脆弱，對(duì)氣候變化非常敏感[8-9]。

胡豪然和錢維宏[2]曾指出，副熱帶夏季風(fēng)北邊界位置的年際和年代際變化，就形成了東亞季風(fēng)北邊緣活動(dòng)帶(圖1)。地處東亞季風(fēng)北界附近，東亞季風(fēng)過(guò)渡帶以南地區(qū)主要受到東亞季風(fēng)的影響，以北地區(qū)主要受到中緯度西風(fēng)的控制。區(qū)別于典型的沙漠干旱區(qū)與季風(fēng)濕潤(rùn)區(qū)，東亞季風(fēng)過(guò)渡帶降水受到副熱帶夏季風(fēng)和中高緯度西風(fēng)帶環(huán)流系統(tǒng)的共同作用[11-13]。因此，東亞季風(fēng)過(guò)渡帶的水汽源地除我國(guó)中東部以及西太平洋等南部海域外，也包括歐亞大陸等中緯度地區(qū)，此外局地蒸發(fā)也是東亞季風(fēng)過(guò)渡帶重要的水汽源地。

圖1 東亞季風(fēng)北邊緣活動(dòng)帶地理位置示意(黑色方框；藍(lán)色實(shí)線表示7 a滑動(dòng)平均后1979—2013年的東亞夏季風(fēng)的北邊界，東亞夏季風(fēng)的北邊界是根據(jù)LIU et al.[10]中的定義，即北半球夏季(5—9月)和北半球冬季(11月—次年3月)日降水量差值為2 mm·d-1的地理位置；灰色陰影表示海拔高度)Fig.1 Definition of the MTZ region (represented by the black box) in East Asia (blue lines represent the north fringe of East Asian summer monsoon with a 7-year running window from 1979 to 2013; the north fringe is the place where the daily precipitation difference is 2 mm·d-1 between boreal summer (MJJAS) and winter (NDJFM)[10]; areas marked with grey shadings indicate the altitude)

值得注意的是，東亞季風(fēng)過(guò)渡帶的降水異常和干濕變化與東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度變化之間并不一定有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[14-15]，比如在某些東亞夏季風(fēng)偏強(qiáng)的年份，華北地區(qū)的降水量并不一定偏多。許多經(jīng)典的東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)在描述東亞季風(fēng)過(guò)渡帶降水異常方面存在很大的局限性。已有研究表明，東亞季風(fēng)過(guò)渡帶降水與東亞夏季風(fēng)北界位置的南北或東西擺動(dòng)之間有著很好的關(guān)聯(lián)[16-18]。無(wú)論在年際還是年代際尺度上，均表現(xiàn)出東亞夏季風(fēng)北界位置的緯度越低，出現(xiàn)時(shí)間越早，或持續(xù)時(shí)間越短，對(duì)應(yīng)東亞季風(fēng)過(guò)渡帶就越是干燥[16]。

與東亞夏季風(fēng)的北界變化相對(duì)應(yīng)，東亞季風(fēng)過(guò)渡帶降水也呈現(xiàn)出顯著的年際與年代際變化。近年來(lái)，相關(guān)研究指出東亞季風(fēng)過(guò)渡帶夏季降水異常受到氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率的調(diào)制，包括絲綢之路遙相關(guān)、北大西洋濤動(dòng)等大氣環(huán)流遙相關(guān)型，以及ENSO等熱帶海氣耦合模態(tài)等等[19-21]。觀測(cè)顯示，20世紀(jì)下半葉以來(lái)，東亞季風(fēng)區(qū)降水存在明顯增多的跡象，而對(duì)于東亞季風(fēng)過(guò)渡帶而言，總降雨量和降雨天數(shù)正逐漸減少，干旱事件逐漸增多，干旱程度愈發(fā)嚴(yán)重[22-27]。在全球變暖背景下，東亞季風(fēng)過(guò)渡帶降水的年代際減少是否受到氣候系統(tǒng)外強(qiáng)迫(如溫室氣體、人為氣溶膠等)的影響，也成為近年來(lái)科學(xué)界高度關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題[28-32]。

目前，圍繞東亞夏季風(fēng)進(jìn)退及其影響下的東亞季風(fēng)過(guò)渡帶降水異常方面的研究還比較少。文中從東亞季風(fēng)過(guò)渡帶夏季降水年際、年代際變化的變化特征和驅(qū)動(dòng)因子以及物理機(jī)制等幾個(gè)方面，系統(tǒng)回顧東亞夏季風(fēng)過(guò)渡帶夏季降水異常方面的最新研究進(jìn)展，并在最后提出該領(lǐng)域仍需進(jìn)一步研究的科學(xué)問(wèn)題。對(duì)于該領(lǐng)域的持續(xù)研究，不僅有助于深入理解東亞氣候過(guò)渡帶的干旱化成因，為改進(jìn)和提高東亞氣候過(guò)渡帶降水的未來(lái)預(yù)估水平提供科學(xué)基礎(chǔ)，還可以為氣候風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、適應(yīng)管理和政府決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 東亞季風(fēng)過(guò)渡帶定義

目前，由于研究領(lǐng)域、研究目的以及研究角度的不同，學(xué)者們對(duì)東亞季風(fēng)北邊緣活動(dòng)帶的地理界定尚未達(dá)成統(tǒng)一。比如，一些學(xué)者從降水角度進(jìn)行了定義：史正濤[33]采用年降水量為200～450 mm的區(qū)域大致作為我國(guó)季風(fēng)北邊緣活動(dòng)帶的范圍；QIAN et al.[4]將降雨量4 mm·d-1等時(shí)線的氣候平均位置定義為東亞季風(fēng)的最北邊界。一些學(xué)者從地理生態(tài)角度進(jìn)行了定義：王錚等[34]指出，胡煥庸早年提出的“人口地理分界線”，即騰沖—黑河的沿線地帶就是一條生態(tài)環(huán)境過(guò)渡帶。另一些學(xué)者從干旱角度進(jìn)行了定義：WANG et al.[35]采用聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署的干旱指數(shù)(年總降水量/年總蒸發(fā)量)，將局地干旱指數(shù)大于0.2且小于0.65的地區(qū)(即半干旱區(qū)與半濕潤(rùn)區(qū))，定義為“東亞氣候過(guò)渡區(qū)”。

值得注意的是，盡管以往研究對(duì)于東亞季風(fēng)北邊緣活動(dòng)帶的定義各不相同，但這些定義所確定的東亞季風(fēng)北邊緣活動(dòng)帶的核心區(qū)域卻是大體相同的。近年來(lái)，“全球季風(fēng)區(qū)”的概念開(kāi)始被廣泛應(yīng)用于對(duì)全球季風(fēng)和季風(fēng)降水的研究當(dāng)中[36-37]。比如，LIU et al.[10]將全球季風(fēng)區(qū)定義為：局地降水的年變化(即北半球夏季(5—9月)平均降水與冬季(12月—次年3月)平均降水之差)超過(guò)2 mm·d-1，且局地夏季降水占年總降水量的比例超過(guò)55%的地方。QIAN and JIANG[36]基于候平均降水率，將局地最大降水率與最小降水率之差有兩候超過(guò)4 mm·d-1的地區(qū)定義為全球季風(fēng)主導(dǎo)的區(qū)域。這些劃分季風(fēng)區(qū)與非季風(fēng)區(qū)的方式也為確定東亞區(qū)域的季風(fēng)北邊緣活動(dòng)帶提供了參考依據(jù)。

2 東亞季風(fēng)過(guò)渡帶降水的空間分布特征

東亞季風(fēng)過(guò)渡帶降水最多的兩個(gè)月份為7月和8月，占全年總降水量的50%。圖2為1979—2019年?yáng)|亞季風(fēng)過(guò)渡帶夏季(7—8月)降水的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(empirical orthogonal function，EOF)分析結(jié)果?？梢钥吹?，EOF前3個(gè)主模態(tài)分別為全區(qū)一致變化型、東北—西南反向變化型以及經(jīng)向三極子型，方差貢獻(xiàn)率總計(jì)68.2%，其中全區(qū)一致變化型的方差貢獻(xiàn)最大，達(dá)到36.1%。EOF前3個(gè)主模態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列呈現(xiàn)出顯著的年際與年代際變化特征，沒(méi)有明顯的趨勢(shì)變化。前人研究表明：EOF第一模態(tài)的年際變化主要受東亞夏季風(fēng)環(huán)流的控制，位于東北太平洋上的正位勢(shì)高度異常西側(cè)的西南氣流為東亞季風(fēng)過(guò)渡帶提供了充足的水汽供應(yīng)；而第二模態(tài)的年際變化更多受中緯度系統(tǒng)的影響，東北地區(qū)上空的氣旋性環(huán)流異常西側(cè)的偏北風(fēng)阻礙了東亞季風(fēng)過(guò)渡帶西部的水汽輸送，從而有利于在東亞季風(fēng)過(guò)渡帶東部激發(fā)上升運(yùn)動(dòng)和對(duì)流活動(dòng)[38-39]。

3 東亞季風(fēng)過(guò)渡帶降水的年際變化及影響因子

如前文所述，東亞季風(fēng)過(guò)渡帶是東亞夏季風(fēng)和中緯度西風(fēng)相互作用的地帶，其內(nèi)部降水變化既受到來(lái)自低緯度地區(qū)海氣相互作用的影響，又受到中高緯度大氣環(huán)流的作用。接下來(lái)將重點(diǎn)回顧熱帶關(guān)鍵區(qū)海溫異常對(duì)東亞季風(fēng)過(guò)渡帶降水年際變化的調(diào)制作用，同時(shí)也對(duì)中高緯氣候系統(tǒng)影響的進(jìn)展加以總結(jié)。

3.1 熱帶影響

3.1.1 ENSO的作用

ENSO作為熱帶地區(qū)年際尺度上海氣相互作用最顯著的模態(tài)，是影響東亞夏季風(fēng)年際變率及降水異常的重要因子[40-44]。前人已有大量研究表明，與ENSO有關(guān)的熱帶中東太平洋暖海溫異常，能夠通過(guò)風(fēng)-海溫-蒸發(fā)反饋機(jī)制，在西北太平洋上空激發(fā)反氣旋環(huán)流異常，并在“印度洋電容器”機(jī)制的作用下持續(xù)到次年夏季，通過(guò)調(diào)節(jié)西北太平洋副熱帶高壓的強(qiáng)度、位置和形態(tài)，進(jìn)一步引起東亞夏季風(fēng)的年際變化及與之有關(guān)的降水異常。

ZHAO et al.[45-47]專門針對(duì)東亞季風(fēng)過(guò)渡帶晚夏降水的年際變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明：熱帶中東太平洋La Nia型的冷海溫異常能夠通過(guò)Gill型羅斯貝(Rossby)波響應(yīng)在西北太平洋地區(qū)激發(fā)反氣旋環(huán)流異常，而這種西北太平洋反氣旋環(huán)流有利于東亞季風(fēng)過(guò)渡帶晚夏降水的年際偏多。根據(jù)熱帶太平洋海溫異常的空間形態(tài)，最近不少研究指出El Nio事件可以分為兩種類型：傳統(tǒng)的東太平洋型(eastern Pacific，EP)和中太平洋型(central Pacific，CP)[48-50]。這兩類 ENSO 事件的形成機(jī)制和演變過(guò)程均存在顯著差異，對(duì)東亞夏季風(fēng)的影響也有明顯不同[51-54]。那么，兩類ENSO事件對(duì)東亞季風(fēng)過(guò)渡帶夏季降水影響是否會(huì)有不同？目前，相關(guān)研究還比較少，而這也是一個(gè)未來(lái)可以繼續(xù)探索方向之一。

圖2 1979—2019年?yáng)|亞氣候過(guò)渡帶7—8月降水EOF分析結(jié)果(a. EOF第一模態(tài)，b. EOF第二模態(tài)，c. EOF第三模態(tài)，a—c中右上角數(shù)字為該模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率，色階表示載荷向量；d、e、f分別對(duì)應(yīng)EOF第一模態(tài)、EOF第二模態(tài)、EOF第三模態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間系數(shù)PC1、PC2、PC3，d—f中右上角數(shù)字為該時(shí)間系數(shù)中年際分量的方差貢獻(xiàn)率，黃色實(shí)線表示年代際分量)Fig.2 EOF analysis on precipitation from July to August in transitional climate zone in East Asia for period of 1979-2019 (a, b, and c represent EOF1, EOF2, and EOF3, the contributions of the three leading modes to the total variance are 36.1%, 20.9%, and 11.2%, respectively, and the color scale represents loading vector; d, e, and f represent standardized time coefficients (PC1, PC2, and PC3) of EOF1, EOF2, and EOF3, the interannual variation explains 73.0%, 82.2%, and 80.9% of the total variance of corresponding PCs, respectively, and the yellow solid lines are interdecadal components of PCs)

3.1.2 熱帶北大西洋海溫的作用

近年來(lái)，一些學(xué)者注意到除ENSO的貢獻(xiàn)外，熱帶北大西洋的海溫異常對(duì)東亞季風(fēng)過(guò)渡帶夏季降水的年際變化也有重要的調(diào)制作用[55-58]。前人基于觀測(cè)和數(shù)值模擬研究[55-58]指出，熱帶北大西洋暖海溫異常，一方面能夠激發(fā)沃克(Walker)環(huán)流異常，在熱帶中太平洋產(chǎn)生異常的下沉輻散運(yùn)動(dòng)，通過(guò)Gill型羅斯貝波響應(yīng)在西北太平洋地區(qū)激發(fā)出西北太平洋反氣旋，從而通過(guò)熱帶路徑影響西北太平洋反氣旋的變化進(jìn)而調(diào)制東亞夏季風(fēng)及東亞季風(fēng)過(guò)渡帶晚夏降水；另一方面，熱帶北大西洋暖海溫異常還能夠激發(fā)一支橫跨歐亞的中高緯遙相關(guān)波列，在東亞季風(fēng)過(guò)渡帶附近形成負(fù)位勢(shì)高度異常，為該地區(qū)降水增多提供有利條件。圖3為熱帶北大西洋海溫異常影響東亞季風(fēng)過(guò)渡帶夏季降水年際變化的物理過(guò)程示意圖。

圖3 熱帶北大西洋海溫異常影響東亞季風(fēng)過(guò)渡帶8月降水異常物理過(guò)程示意圖(a.中高緯路徑，紅、綠色圓圈表示300 hPa位勢(shì)高度正、負(fù)異常；b.熱帶路徑，“AC”代表對(duì)流層低層反氣旋環(huán)流；藍(lán)色箭頭表示熱帶北大西洋暖海溫異常激發(fā)的Walker環(huán)流異常在熱帶大西洋地區(qū)上升，在熱帶中太平洋地區(qū)下沉；a、b中的紅色箭頭表示風(fēng)，黑色方框表示東亞季風(fēng)過(guò)渡帶的位置)[46]Fig.3 Schematic diagram illustrating impacts of the northern tropical Atlantic (NTA) sea surface temperature (SST) anomalies on the MTZ precipitation anomalies in August (a. mid- and high-latitude pathway, red circles and green circles represent positive and negative anomalies of 300 hPa geopotential height, respectively; b. tropical pathway, “AC” over western North Pacific denotes the anticyclonic circulation in lower troposphere; blue arrows indicate anomalous Walker circulation induced by NTA SST warming with ascending branch in the NTA and descending branch over the central tropical Pacific; in Fig.3a and Fig.3b, red arrows indicate wind anomalies and black boxes denote the MTZ region)[46]

3.2 中高緯氣候系統(tǒng)的影響

熱帶關(guān)鍵區(qū)的海溫異常通過(guò)激發(fā)大氣環(huán)流異常，能夠影響東亞季風(fēng)過(guò)渡帶夏季降水，沿西風(fēng)帶傳播的中高緯遙相關(guān)波列的變化對(duì)東亞季風(fēng)過(guò)渡帶夏季降水的年際變率也有重要調(diào)制作用。比如，HUANG et al.[11]研究表明，中國(guó)北方夏季平均降水的年際變化與一種繞球遙相關(guān)型(circum global teleconnection，CGT)之間有很好的關(guān)系，當(dāng)CGT處于正位相時(shí)，南風(fēng)異常能夠?qū)⒏嗟乃蛭覈?guó)北方地區(qū)輸送，同時(shí)高空的輻散增強(qiáng)了華北和東北地區(qū)低空的輻合上升運(yùn)動(dòng)，有利于該地區(qū)降水的異常偏多。BUHE et al.[13]指出，CGT模態(tài)可以和異常的印度夏季風(fēng)與北極-歐亞波列一起，通過(guò)水汽輸送作用，構(gòu)成導(dǎo)致中國(guó)北方地區(qū)降水一致變化模態(tài)的環(huán)流型。PIAO et al.[59]研究表明，前期5月北大西洋濤動(dòng)(North Atlantic Oscillation，NAO)可以通過(guò)調(diào)制極地-歐亞(Polar-Eurasian，POL)型遙相關(guān)波列建立與東北亞7月降水年際變化之間的顯著聯(lián)系，并且這種聯(lián)系在20世紀(jì)70年代之后存在顯著的年代際增強(qiáng)。

除此之外，青藏高原的熱力強(qiáng)迫也會(huì)影響東亞季風(fēng)過(guò)渡帶夏季降水[59-62]。例如，SATO and KIMURA[60]研究表明，夏季青藏高原的熱源可以激發(fā)遙相關(guān)波列，沿副熱帶急流傳播至東北亞地區(qū)，通過(guò)引起異常的垂直運(yùn)動(dòng)而影響該地區(qū)降水的變化。

4 東亞季風(fēng)過(guò)渡帶降水的年代際變化及影響因子

伴隨著東亞夏季風(fēng)最北邊界的年代際移動(dòng)，東亞季風(fēng)過(guò)渡區(qū)夏季降水異常呈現(xiàn)出明顯的年代際變化特征[4，63-66]。以華北地區(qū)為例，QIAN et al.[4]研究表明，旱季向雨季的轉(zhuǎn)變發(fā)生在1800年、1875年和1940年左右，而從雨季向旱季的轉(zhuǎn)變則出現(xiàn)在1840年、1910年和20世紀(jì)70年代后期。20世紀(jì)70年代末，伴隨著東亞夏季風(fēng)突然減弱，我國(guó)東部雨帶南移到江淮地區(qū)，呈現(xiàn)“北旱南澇”的分布；隨后雨帶繼續(xù)南移至華南地區(qū)，華北地區(qū)降水出現(xiàn)增多，表現(xiàn)為“+-+”的三極型分布；90年代中后期之后東亞夏季風(fēng)又開(kāi)始增強(qiáng)，雨帶開(kāi)始向北移動(dòng)至長(zhǎng)江以北地區(qū)[63-65]。

東亞氣候過(guò)渡帶夏季降水的年代際減少，不僅受到氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率的調(diào)控，還同時(shí)受到外強(qiáng)迫的影響。前人研究已初步揭示出太平洋年代際振蕩(Pacific decadal oscillation，PDO)和大西洋多年代際振蕩(Atlantic multidecadal oscillation，AMO)等氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率對(duì)東亞半干旱地區(qū)干濕變化的調(diào)制作用[66-67]，以及溫室氣體、人為氣溶膠等氣候系統(tǒng)外強(qiáng)迫對(duì)東亞地區(qū)降水趨勢(shì)的貢獻(xiàn)[21,28,68-70]。下面將對(duì)PDO、AMO，以及人類活動(dòng)影響東亞氣候過(guò)渡帶夏季降水年代際變化的具體物理機(jī)制進(jìn)行回顧。

4.1 PDO的影響

太平洋年代際振蕩(PDO)是北太平洋海面溫度年代際振蕩的主導(dǎo)模態(tài)[71]，許多研究都發(fā)現(xiàn)PDO與東亞夏季風(fēng)的年代際變化及其影響下的東亞季風(fēng)過(guò)渡帶降水密切相關(guān)[19-20,72]。PDO 的負(fù)位相(冷位相)有利于東亞夏季風(fēng)的增強(qiáng)和東亞季風(fēng)過(guò)渡帶降水的增多，而當(dāng)PDO處于暖位相時(shí)，日本北部及東西伯利亞氣壓異常偏低，而華北及其以南的大部分地區(qū)氣壓偏高，華北地區(qū)上空由異常西北風(fēng)所控制，不利于水汽的向北輸送，華北地區(qū)異常干旱[73]。圖4為QIAN and ZHOU[20]利用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(ensemble empirical mode decomposition，EEMD)分析的20世紀(jì)以來(lái)華北地區(qū)的帕默爾干旱指數(shù)(Palmer Drought Severity Index，PDSI)與PDO位相變化的關(guān)系，可以看到華北地區(qū)PDSI和PDO指數(shù)呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。與PDO正位相有關(guān)的熱帶西太平洋和熱帶印度洋海溫的異常增暖，一方面能夠激發(fā)從熱帶西太平洋向東亞沿岸延伸的經(jīng)向波列，即東亞-太平洋(East Asia-Pacific，EAP)/太平洋-日本(Pacific-Japan，PJ)型羅斯貝波列，在華北地區(qū)上空形成反氣旋環(huán)流異常，從而抑制局地降水；另一方面，能夠減小海洋性大陸與中高緯度陸地上空的溫度差異，使得東亞夏季風(fēng)減弱，華北地區(qū)降水減少[74]。

圖4 1900—2010年月平均華北地區(qū)PDSI(a，水平虛線“-1”是區(qū)分該月份或時(shí)期是否處于干旱條件的閾值)和PDO(b)(開(kāi)始于1922年的帶顏色的實(shí)線表示低頻曲線；陰影表示132個(gè)月(11 a)滑動(dòng)平均后的低通分量；垂直虛線表示1946年1月和1977年1月)[20] Fig.4 Monthly mean PDSI in North China(a, the horizontal dashed line in Fig. 4a indicates a value of -1, which is a threshold for distinguishing whether a month or a period is in drought conditions) and PDO (b) from 1900 to 2010 (solid colored lines beginning from 1922 represent low-frequency curve; shading area is the low-pass variability after applying a 132-month (11 years) running mean; the vertical dashed lines indicate January 1946 and January 1977)[20]

4.2 AMO的影響

大西洋多年代際振蕩(AMO)是發(fā)生在北大西洋區(qū)域具有海盆尺度的、60～80 a周期的海面溫度異常變化[75]，在全球范圍內(nèi)的區(qū)域氣候演變中發(fā)揮著重要作用。許多研究表明，AMO可以通過(guò)激發(fā)由北大西洋出發(fā)向歐亞中高緯地區(qū)傳播的準(zhǔn)定常羅斯貝波列調(diào)制東亞氣候過(guò)渡帶夏季降水的年代際變化[76-78]。當(dāng)AMO處于正位相時(shí)，北大西洋海溫異常增暖激發(fā)的絲綢之路型與極地-歐亞型羅斯貝波列，在東北地區(qū)上空形成正位勢(shì)高度異常，使得局地下沉運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，不利于局地降水增多[79]。PIAO et al.[78]研究發(fā)現(xiàn)亞洲內(nèi)陸高原地區(qū)的夏季降水在1999年前后經(jīng)歷了一次顯著減少的突變，一系列大氣模式的敏感性試驗(yàn)表明，北大西洋夏季AMO型的暖海溫異常能夠在歐亞地區(qū)上空激發(fā)一支大氣遙相關(guān)波列，導(dǎo)致東亞季風(fēng)邊緣地區(qū)的降水在1999后明顯減少。ZHAO et al.[77]研究指出，東亞季風(fēng)過(guò)渡帶夏季降水與熱帶北大西洋海溫的年際關(guān)系在20世紀(jì)90年代末期發(fā)生了明顯的年代際變化，90年代末之前二者關(guān)系十分緊密，而90年代末之后，二者關(guān)系明顯減弱，其原因可能是后一個(gè)年代類似于AMO型的北大西洋海溫所激發(fā)的遙相關(guān)波列的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。

4.3 氣候系統(tǒng)外強(qiáng)迫的貢獻(xiàn)

觀測(cè)顯示，20世紀(jì)下半葉以來(lái)觀測(cè)到的東亞季風(fēng)過(guò)渡帶降水呈現(xiàn)出顯著減少趨勢(shì)。除氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率的調(diào)制外，已有研究也揭示了全球變暖背景下人為強(qiáng)迫(溫室氣體、人為氣溶膠等)的可能貢獻(xiàn)[4，21,28,62-63]。其中，人為氣溶膠強(qiáng)迫一方面通過(guò)直接輻射效應(yīng)減小東亞地區(qū)海陸經(jīng)向熱力差異，削弱東亞夏季風(fēng)，從而導(dǎo)致北方地區(qū)更多干旱少雨事件的發(fā)生[67-69,80]；另一方面，還可通過(guò)間接輻射效應(yīng)增加云滴數(shù)濃度，降低雨滴碰并效率，進(jìn)而導(dǎo)致局地小雨頻率和雨量的顯著下降[81-82]。溫室氣體的輻射強(qiáng)迫對(duì)東亞夏季風(fēng)的影響則存在兩種競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制：一是通過(guò)增加海陸的熱力差異使得東亞夏季風(fēng)增強(qiáng)；二是通過(guò)增加大氣穩(wěn)定度使得哈得來(lái)(Hadley)環(huán)流下沉支擴(kuò)大，Walker環(huán)流減弱，從而令季風(fēng)環(huán)流減弱[83]。通過(guò)改變東亞夏季風(fēng)的強(qiáng)度和南北位移，溫室氣體的輻射強(qiáng)迫也能影響我國(guó)北方地區(qū)的旱澇格局[21,28]?；贑MIP5歷史實(shí)驗(yàn)和單因子強(qiáng)迫試驗(yàn)的輸出結(jié)果，ZHAO et al.[81]檢驗(yàn)了人為和自然強(qiáng)迫對(duì)東亞季風(fēng)過(guò)渡帶晚夏(8月)降水減少趨勢(shì)的相對(duì)貢獻(xiàn)。結(jié)果表明：氣溶膠強(qiáng)迫通過(guò)減小海陸熱力差，從而在我國(guó)中東部低層激發(fā)顯著的偏北風(fēng)異常，抑制來(lái)自南部海洋上空的水汽輸送，導(dǎo)致東亞季風(fēng)過(guò)渡帶上空更加干燥；而溫室氣體強(qiáng)迫的貢獻(xiàn)是通過(guò)激發(fā)南風(fēng)異常使得東亞季風(fēng)過(guò)渡帶變濕，從而抵消人為氣溶膠強(qiáng)迫的影響。自然強(qiáng)迫對(duì)東亞季風(fēng)過(guò)渡帶干旱趨勢(shì)的影響較弱。

目前，對(duì)于氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率與外強(qiáng)迫影響東亞氣候過(guò)渡帶降水趨勢(shì)相對(duì)重要性的定量研究仍較欠缺。上述工作僅從定性角度揭示人為強(qiáng)迫的可能貢獻(xiàn)，但并未從定量角度闡明氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率和外強(qiáng)迫對(duì)20世紀(jì)下半葉以來(lái)東亞季風(fēng)過(guò)渡帶干旱化趨勢(shì)的相對(duì)貢獻(xiàn)，而這也是值得進(jìn)一步研究的科學(xué)問(wèn)題。

5 總結(jié)與展望

文中對(duì)東亞夏季風(fēng)進(jìn)退及其影響下的東亞夏季風(fēng)北邊緣活動(dòng)帶夏季降水變化的相關(guān)進(jìn)展進(jìn)行了回顧。在年際時(shí)間尺度，從ENSO的影響、熱帶北大西洋海溫的影響、ENSO與熱帶北大西洋海溫的協(xié)同作用等幾個(gè)方面，歸納了東亞夏季風(fēng)北邊緣活動(dòng)帶夏季降水年際變化的影響因子及物理機(jī)制；在年代際尺度上，從PDO的影響、AMO的影響，以及氣候系統(tǒng)外強(qiáng)迫的影響等幾個(gè)方面，總結(jié)了東亞夏季風(fēng)北邊緣活動(dòng)帶夏季降水年代際變化的影響因子及物理機(jī)制。目前，針對(duì)東亞夏季風(fēng)進(jìn)退及其影響下的東亞夏季風(fēng)北邊緣活動(dòng)帶降水變化機(jī)理的研究還比較少，未來(lái)相關(guān)研究應(yīng)關(guān)注如下方面：

(1)兩類ENSO的作用。前人研究表明，CP型與EP型ENSO 事件在形成機(jī)制和演變過(guò)程均存在顯著差異，對(duì)東亞夏季風(fēng)的影響也有明顯不同。那么，兩類ENSO事件對(duì)東亞季風(fēng)過(guò)渡帶夏季降水年際變化的影響是否也存在差異？這一問(wèn)題有待深入研究。

(2)中高緯西風(fēng)環(huán)流和副熱帶環(huán)流系統(tǒng)的貢獻(xiàn)。東亞夏季風(fēng)北邊緣活動(dòng)帶降水同時(shí)與東亞夏季風(fēng)和中高緯西風(fēng)帶環(huán)流系統(tǒng)的變化密切相聯(lián)，以往研究大多從定性角度分析東亞夏季風(fēng)或中高緯西風(fēng)帶環(huán)流的作用，缺乏對(duì)二者相對(duì)貢獻(xiàn)的定量闡釋。如何定量描述中高緯西風(fēng)帶環(huán)流和東亞夏季風(fēng)副熱帶環(huán)流系統(tǒng)的貢獻(xiàn)，二者是否存在年際或年代際尺度特征，仍有待進(jìn)一步研究。

(3)氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率和外強(qiáng)迫對(duì)東亞氣候過(guò)渡帶降水年代際變化的定量貢獻(xiàn)。全球變暖背景下東亞氣候過(guò)渡帶降水的年代際變化，不僅受到氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率的調(diào)制，還受到氣候系統(tǒng)外強(qiáng)迫的影響。由于區(qū)域降水具有較大的內(nèi)部變率，其對(duì)全球變暖的響應(yīng)信號(hào)極易被內(nèi)部變率所掩蓋[76]。因此，在年代際時(shí)間尺度上量化東亞氣候過(guò)渡帶降水變化中氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率與外強(qiáng)迫的相對(duì)貢獻(xiàn)目前仍是一個(gè)難點(diǎn)[77]，有必要借助國(guó)際先進(jìn)的氣候變化歸因方法深入開(kāi)展系統(tǒng)研究。

(4)PDO和AMO對(duì)東亞季風(fēng)過(guò)渡帶降水年代際變化的間接調(diào)制作用。前人研究表明，東亞氣候過(guò)渡帶降水的年際變化與熱帶中東太平洋海溫、熱帶北大西洋海溫等諸多因子的變化密切相關(guān)，而在年代際尺度上，PDO、AMO等通過(guò)海氣相互作用對(duì)于影響東亞氣候過(guò)渡帶降水年際變化的關(guān)鍵區(qū)海溫異常又有著顯著的調(diào)制作用。那么，PDO、AMO能否通過(guò)影響這些關(guān)鍵因子，來(lái)調(diào)制東亞氣候過(guò)渡帶降水的年代際變化呢？這同樣是值得繼續(xù)深入研究的問(wèn)題。