热带太平洋潜热通量变化及其与我国夏季降水的关系

刘娜，王彰贵，凌铁军，韩雪，蔡怡

（1.国家海洋环境预报中心，国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室，北京 100081）

1 引言

中国夏季降水有明显的年代际变化，在1976年前后发生了一次气候突变，1977—2000年夏季江淮流域和长江下游地区的降水明显增加，而华北地区和黄河流域夏季降水明显减少，出现了严重干旱；西北地区从20世纪70年代降水开始增多[1-2]。在气候变化过程中，海洋和大气的相互作用通过海洋的潜热、感热、水汽和动量等主要方式直接向大气输送热量和水汽以调控大气运动，并将导致海洋上空大气热源、水汽汇的异常，从而影响大气环流和各种物理过程，造成天气、气候的异常。Bjerknes[3]发现热带太平洋海表温度异常增暖使得海洋向大气的感热输送大大增加，“降水-海表面温度（SST）”正的相关关系是异常Walker环流和增强的西北太平洋季风激发的跨赤道气流共同作用的结果[4]。Walker环流导致西北太平洋负的降水异常，而跨赤道气流则会通过增大向上的潜热通量，令西北太平洋SST变冷。“降水-SST”负的相关关系，可归因于西北太平洋异常反气旋。其一方面抑制局地降水，另一方面通过增加达到海表的太阳短波辐射、减少向上的潜热通量，令局地SST增暖。

海洋上空的水汽含量在适当环流下，水汽被输送到陆地上空，成为陆地降水的重要来源[5]。水汽输送的异常及其辐合/辐散与降水密切相关[6]，并且东亚季风区的水汽辐合主要是由季风气流所引起的水汽平流造成[7]。Zhou和Yu[8]发现，与异常降水相对应的水汽输送，其源头与气候平均输送不同。与长江中下游多雨对应的异常水汽输送一支来自热带西南方向，其直接源地是孟加拉湾，但源头可追溯至菲律宾海，另一支来自中纬度东北方向，二者在长江中下游辐合；与淮河流域多雨降水型相对应的异常水汽输送，一支来自副热带?的西南方向，其直接源地是南海，源头可追溯到东海以及临近的20°—25°N的副热带太平洋。

热带太平洋尤其是热带西太平洋纬度较低，海表温度较高，是夏季众多影响东亚及中国天气的大型系统的源头或必经之路，也是中国降水的主要水汽源地之一。位于热带太平洋上空的大气热源是全球最大的热源之一，其变化可直接影响东亚大气环流。关于中国夏季降水年代际变化的成因研究很多，但是热带太平洋潜热通量异常与中国降水年代际变化关系如何目前暂不清楚。本文将通过分析热带太平洋潜热通量年代际主要模态及其与大气环流、水汽输送及中国夏季降水年代际变化的相关关系，揭示其与东亚大气环流及中国降水年代际变化的联系。

2 资料与方法

本文所使用的资料包括：NCEP/NCAR（美国环境预测中心和大气研究中心）提供的全球大气再分析资料。NCEP/NCAR再分析资料（NCEP1）由固定的预报/分析平台生成，由T62模式（相当于水平分辨率大约210 km）组成，垂向分层28层，时间间隔6 h。NCEP1提供从1948年一直到现在的数据集。来自许多不同来源的观测使数据库得到加强，包括由不同国家和组织提供的陆地表面、船舶、无线电探空测风仪、测风气球、飞机、卫星和其他数据。该资料利用谱分析对所有能够得到的实时观测资料进行插值，用三维数据分析方法进行同化处理。再分析数据中数据同化系统的质??????????????量控制和同化方法保持不变[9]，一致应用了目前发展水平最好的分析方法和预报系统，这是该资料最大的优点。本文选用1948年1月—2010年12月全球2.5°×2.5°逐月潜热通量，降水，水汽场，500 hPa高度场及200 hPa纬向风场资料。

图1 1948—2010年热带太平洋夏季潜热通量EOF分析前3个模态空间分布

图2 1948—2010年热带太平洋夏季潜热通量EOF分析前3个模态三年滑动平均后标准化的时间系数

为了分析热带太平洋潜热通量异常与中国夏季降水年际和年代际变化的关系，文中利用经验正交分解（EOF）方法对夏季热带潜热通量标准化距平场进行时空分析，并对大气各物理量场与EOF时间系数进行相关分析及回归分析。

3 热带太平洋潜热通量EOF分析

对1948年1月—2010年夏季（6月、7月、8月）热带太平洋潜热通量异常进行EOF分析，结果表明，前三个模态的方差贡献率分别为24.6%，8.5%，7.4%，前3个模态的总方差贡献率达到40.5%。潜热通量EOF分析前3模态的空间分布及其对应的3年滑动平均后标准化的时间系数（见图1—2），反映了年际和年代际时间尺度夏季潜热通量异常场分布及其变化的主要特征。

由图1a可知，热带太平洋整体上大部分区域为负异常值，负异常中心位于热带太平洋中部，在热带太平洋西部出现正异常分布。第一模态对应的时间系数（见图2a）具有显著增强的长期变化趋势，可以明显分成2个阶段，20世纪70年代以前，第一模态时间系数为负异常，对应热带太平洋大部分地区特征向量为负异常。由于EOF分析中时间系数与空间特征向量的乘积为潜热通量的大小，所以在70年代以前热带东太平洋对大气潜热加热为正异常；20世纪70年代中期以后，对应的时间系数转为正值，热带中东太平洋对大气的潜热加热为负异常。由此可见，热带东太平洋呈现线性减小的长期变化趋势，而热带西太平洋与之相反，为长期增加的趋势。这样的空间分布特征与长期变化趋势与赤道太平洋SST的变化特征一致[10]，反映了20世纪以来全球变暖的气候变化背景。热带东太平洋潜热通量减少，使得热带东太平洋SST变暖，而热带西太平洋潜热通量增加的空间分布，使西太平洋暖池SST变冷[11-12]将导致热带太平洋对流活动减弱。

从图1b上看，负异常在中东太平洋呈条带状分布，其他区域均为正异常。潜热通量第二模态时间系数（见图2b）的变化在1977—78年前后由减少的趋势转变为一个增加的趋势。这个转变发生的时间与许多研究中所发现的1976/1977年前后发生的气候突变的时间一致[13-14]。Cayan[15]也注意到潜热通量和感热通量的这种变化。向上增加的趋势在1990年代最为明显；在那之后增加的趋势有所减弱，并在2002年变为明显的减少。图1c所示，热带太平洋中、东部大部分海域为负异常，西南部和东北部正异常。第三模态的时间系数（见图2c）同样代表了潜热通量的年代际变化特征。

图3 1948—2010年热带太平洋夏季潜热通量EOF分析前3个模态时间系数与夏季降水的相关场，阴影部分为通过95%显著性水平t检验的区域

图4 垂向积分的水汽输送异常（单位：kg×m-1）在潜热通量EOF分析前三模态时间系数上的回归场（单位：kg×m-1）

4 潜热通量与我国夏季降水的相关分析

为了分析夏季热带太平洋潜热通量时空变化与中国夏季降水量异常的联系，图3给出了夏季热带太平洋潜热通量异常EOF分析前3个模态时间系数与中国夏季降水的相关系数。

由图3a可知，中国夏季降水与热带太平洋潜热EOF分析第一模态时间系数相关关系分布出现“南正北负”型分布。在中国华北及东北地区为负相关区，在中国长江中下游地区为明显的正相关区，表明在20世纪70年代之前，热带东太平洋潜热通量第一模态时间系数为负值时，即东太平洋潜热通量为正异常时，中国东北、华北地区夏季降水明显偏多，而长江中下游及华南地区夏季降水明显偏少；反之，当20世纪70年代以后，热带东太平洋潜热通量时间系数为正值时，中国华北地区夏季降水较少，而长江中下游夏季降水偏多。与以往研究一致，孙淑清[16]，杨修群等[17]研究表明20世纪70年代中期以后华北地区降水偏少，甚至出现干旱化趋势，而西北地区大部分降水增多，长江中下游地区降水偏多，易出现洪涝。热带中东太平洋在20世纪70年代以后潜热通量减少，海表面温度增暖，会使得东亚季风在20世纪70年代以后显著减弱[18]，导致中国东部降水出现“南涝北旱”的降水异常分布。同时，热带太平洋异常减弱的Walker环流，导致的热带中东太平洋的对流活动减弱，有助于副高西伸，影响雨带的位置和强度。

由图3b可知，我国夏季降水与潜热通量第二模态时间系数的相关系数整体上为显著的正值区，在西南地区为负相关系数。由图3c可知，潜热通量EOF分析第三模态时间系数与中国大部分地区夏季降水相关系数为负值分布。当热带太平洋中东部海域的潜热通量时间系数为正值时，我国华北南部，黄淮流域等区域的夏季降水将明显偏少。

5 中国夏季水汽输送异常

夏季水汽输送的结构、路径及水汽流的强弱会影响中国夏季雨带的位置及降水强度的变化。我们将探讨我国夏季水汽输送的分布特征，为此，将夏季垂向积分的水汽输送场对潜热通量EOF分析前三模态时间系数进行回归分析。垂向积分的水汽输送通量为?

式中，q是比湿，V→是水平风矢量， p是气压， ps是表面气压，g是重力加速度。由于NCEP/NCAR再分析资料将300 hPa以上的比湿都设为0，公式（1）从地表垂向积分到300 hPa。由于水汽是在低层对流层中，300 hPa以上缺失的数据几乎可以忽略。以往研究表明，300 hPa之上忽略的水汽的淡水通量最大值在2—3 cm/a的范围内[19]。

从中国夏季整层水汽输送通量场在潜热通量EOF分析第一模态时间系数上回归系数空间分布（见图4a）可以看出，当热带太平洋潜热通量变化时，夏季来自东北及华北地区的偏北气流于黄淮流域分为两支，一支转向西输送至中国西部地区，另一支继续向南输送到达长江流域及华南地区,表明水汽异常从我国北方输送到东南沿海。中国北部及蒙古地区为反气旋式的水汽输送环流，反气旋中心位于贝加尔湖以南地区。由图4b可见，水汽输送在EOF分析第二模态时间系数上回归的空间特征为一支来自孟加拉湾北部的暖湿气流被气旋式向北输送，同时，另一支来自西北方向的水汽向东北方向平流输送，这两支气流在华南及南海地区汇合。把图4c与图4a比较可以看到，水汽输送在第三模态时间系数上的回归场与水汽输送异常在第一模态时间系数上的回归场分布形势类似，在中国东部为来自华北地区向南的水汽输送异常，在30°N附近转而向偏西方向输送，同样的在中国北部贝加尔湖西南为反气旋式水汽输送环流，但水汽输送在第三模态时间系数上的回归系数比第一模态小。由以上分析可知，在年代际时间尺度上，热带东太平洋潜热通量异常减少时，中国东部至南部地区为向南的水汽输送异常，导致水汽在华南地区辐合，使得降水偏多。

6 东亚地区大气环流的影响

图5 夏季500 hPa位势高度在潜热通量EOF分析前三模态时间系数上的回归场（单位/m）

从以上的分析可以看到，热带太平洋潜热通量在年代际时间尺度上通过影响水汽输送进而影响中国东部夏季降水的分布。为了进一步理解潜热通量如何通过大气环流影响我国夏季降水，以下将分析夏季500 hPa高度场及夏季200 hPa纬向风速在热带潜热通量EOF分析前三模态时间系数上的回归系数分布。

图6 夏季200 hPa纬向风速在EOF分析前三模态时间系数上的回归场（单位/ms-1）

由图5a可见，夏季500 hPa位势高度场在潜热通量EOF分析第一模态时间系数上的回归系数在东亚大陆大部分地区均为正值，回归系数正值中心位于贝加尔湖以西地区，而在东亚大陆东部及日本以东地区出现负值，二者呈反位相分布。表明在20世纪70年代以后，热带东太平洋潜热通量减少时，东亚地区对流层中层夏季500 hPa位势高度偏高，夏季亚洲大陆东部的低压减弱，造成东亚夏季风减弱，产生水汽异常向南的输送（见图4a），造成华北地区夏季降水偏少，长江流域降水偏多。这与Wang[20]研究结果一致。夏季500 hPa位势高度场在EOF第二模态时间系数上的回归场（见图5b）在东亚大陆大部分地区均为正值分布，正异常极大值中心位于贝加尔湖以南以及日本岛以东，但在长江流域及日本岛以东出现回归系数极小值分布，在48°N纬度上，回归系数自西向东呈现“低-高-低”的极值中心分布。表明由热带东太平洋潜热通量影响，高纬度呈现贝加尔湖附近位势高度偏高，低纬度副热带地区及日本海东部区域位势高度偏低时，中国东部大范围夏季降水可能偏多。与此相反，图5c的夏季500 hPa高度场在第三模态时间系数上的回归与图5b分布形势恰好相反，回归系数大部分区域为负值分布，日本海以东海域出现正回归系数，在48°N纬度上，回归系数自西向东呈现“高-低-高”的极值中心分布。综合图5b—c及图2b—c可知，热带太平洋潜热通量EOF分析得到的第二、第三模态表现了相反位相的年际变化特征。

东亚大陆夏季200 hPa的纬向风速在热带太平洋潜热通量EOF分析前三模态时间系数上的回归系数分布见图6。第一模态回归系数（见图6a）在中国西北、华北向东至日本岛附近的连线上为正值分布，极大值中心位于38°—45°N之间，在贝加尔湖以东为中心的副极地区域以及印度洋北部海区为负值分布。图6b—c中所示的第二、第三模态回归系数从副热带地区到副极地地区回归系数均呈现“负-正-负”相间的分布特征。见图6b，第二模态回归系数正中心位于36°N附近的纬度上，正值分布从东亚大陆南部及印度洋北部向东延伸到西北太平洋，长江中下游流域出现正值中心分布，负值分布在回归系数正值的南北两侧。图6c中第三模态回归系数分布与图6b相似，从南到北呈现“负-正-负”相间分布形势，但正值分布中心比第二模态回归系数正值中心偏北。200 hPa等压面内最大纬向风速的位置可以表示东亚西风急流的位置，其位置对东亚地区的天气和气候有显著影响，研究表明，东亚副热带西风急流位置的南北移动对中国降水特别是长江中下游地区降水的影响非常显著[21]。图6b和6c中的正回归系数分布位置不同，可能由西风急流北跃和南落的年际变化引起。表明热带太平洋潜热通量的变化可能通过东亚副热带西风急流位置的变化在年际时间尺度上对中国降水产生影响。

7 结论

本文通过对热带太平洋潜热通量的时空特征进行分析，并讨论了夏季潜热通量时空格局与中国夏季降水异常的联系，得到以下主要结论：

（1）通过对热带太平洋潜热通量EOF分析，结果表明前三模态方差贡献率分别为24.6%，8.5%，7.4%，热带太平洋潜热通量存在明显的线性减小的长期变化趋势，在1976年前后出现年代际气候跃迁；潜热通量还具有在年际时间尺度上的变化特征；

（2）中国夏季降水与潜热通量EOF分析第一模态时间系数的相关系数呈“南正北负”型分布。表明20世纪70年代以后热带东太平洋潜热通量EOF时间系数异常偏多即潜热通量异常偏少时，中国东北、华北地区夏季降水明显偏少，而长江中下游及华南地区夏季降水明显偏多，向南的水汽输送异常，导致水汽在华南地区辐合，有利于形成中国东部降水出现“南涝北旱”的降水异常分布；

（3）热带太平洋潜热通量异常可能通过影响东亚地区500 hPa位势高度场异常偏高，减弱亚洲大陆东部的低压，造成东亚夏季风减弱，形成向南的水汽输送异常，并可能通过东亚副热带西风急流年际变化影响中国夏季降水分布。

由于热带太平洋潜热通量变化与我国夏季降水有较好的相关关系，因此在我国夏季降水的预报与分析中，综合考虑热带太平洋潜热通量的影响作用，将有重要意义。

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