北半球夏季地表潜热通量时空分布与中国夏季降水之间的关系

颜玉倩， 高庆九， 朱克云， 张 杰

(1.成都信息工程大学大气科学学院高原大气与环境四川省重点实验室，四川成都610225;2.南京信息工程大学，江苏南京210044;3.成都军区空军气象中心，四川成都610041)

0 引言

大气下垫面的的热力变化会影响大气热源和水汽热汇进而影响降水，造成天气、气候的异常。在众多地面热源的研究中，一般都采用潜热和感热表征地面的热力状况。他们是众多前期预报、区域气候模型的重要输入参数，也是森林生态研究、城市绿地生态效应、农业生态研究的良好指标。

丹利等［1］分析全球潜热通量的时空分布特征采用中国科学院大气物理研究所(IAP/CAS)含有动态植被过程的海一陆一气耦合模式AVIMGOALS并与ERA-40全球再分析潜热通量场资料进行对比分析，结果表明:AVIM-GO ALS模拟潜热通量的气候态、季节变化等特征和ERA-40一致，潜热通量从1～7月是一个从单峰型到双峰型的转变过程。潜热通量的空间分布特征表明，潜热通量高值区分布在南半球和北半球低纬地区，且在7月北半球潜热通量值有所增大。

学者们普遍认为:中国夏季降水有明显的年代际变化，在20世纪70年代中期发生了一次气候突变［2-5］，1977～2000年长江下游和江淮流域的降水显著增加，而黄河流域和华北地区和黄河流域夏季降水显著减少，出现了严重干旱;西北地区从20世纪70年代降水开始增多。

地面热力状况与中国夏季降水的研究比较多［6-8］，李翠华等［9］认为东中国海潜热通量的正异常会影响华南地区夏季降水偏多，东北和华北地区降水偏少;任雪娟等［10］通过分析南海地区的潜热输送与中国东部降水的关系也得出南海中部春季的潜热输送越强，长江以南到华南地区的降水也以正距平为主的结论。以上探讨海表潜热通量与中国降水的关系的居多，但陆地表面潜热通量也会对气候产生重大作用，就欧亚地表潜热通量与中国降水展开讨论，探讨二者之间的关系。

1 资料选取与处理方法

1．1 数据资料

欧洲中心(ECWMF)全球地表潜热通量逐月资料。选取的资料是从1961～2000年，共40年夏季(6～8月)的北半球(0°～180°)地表潜热通量，简称(slhf)，水平分辨率为2.5°×2.5°，潜热通量单位为W·s/m2。且规定当陆面(或海面)向大气释放能量时，潜热通量值为负，当大气向陆面(或海面)释放能量时，潜热通量值为正。

(2)由国家气候中心整编的1961～2000年夏季6～8月中国160个测站的逐月降水资料。

(3)欧洲中心全球位势高度场资料，时间范围从1957年9月～2001年9月的逐月资料，水平分辨率为2.5°×2.5°，垂直分辨率 23层，采用的是 500hPa和850hPa位势高度场。

1．2 分析方法

采用经验正交函数展开(EOF)分析方法、递进相关分析法和合成分析方法。其中，采用的递进相关法是指先取夏季地表潜热通量第一模态时间系数序列与中国夏季降水做相关，选出高相关区域做区域平均后再与夏季地表潜热通量做相关。递进相关分析法能更清晰探讨和比较夏季地表潜热通量和夏季降水之间的关系。

2 地表潜热通量的空间分布及时间演变特征

表1给出了北半球夏季地表潜热通量距平场经EOF分解后前4个模态的方差贡献率。从表看出，夏季第一模态的方差贡献率明显大于后三个模态的方差贡献率，表明收敛速度相对较快，能较好地解释夏季地表潜热通量的时空特征，下面分析前2个模态的空间和时间特征。

表1 地表潜热通量各EOF模态的方差贡献/%

图1(a)是第一模态空间特征向量，其方差贡献率为21.52%，明显大于第二模态第三模态的方差贡献，从空间特征向量分布来看，低纬以负值为主，中高纬以正值主，海洋以负值为主，陆地则以正值为主，基本呈“南正北负”的变化。但在地中海附近地区仍为负值;其正极大值区分别出现在亚洲东部，贝加尔湖地区及贝加尔湖以南，负极小值区出现在红海附近，阿拉伯海附近，孟加拉湾及太平洋中部。图2(a)是第一模态时间系数序列，从图2(a)看出，它整体呈一个显著下降的长期变化趋势，以20世纪70年代中后期年为界，70年代中后期年以前，时间系数为正，70年代中后期年以后时间系数为负。时间系数为正时，低纬及太平洋洋面上为负距平，中高纬度为正距平;时间系数为负时，低纬地区及洋面上为正距平，而中高纬度地表潜热通量为负距平。而且第一模态时间系数序列也能反映一定的年际变化，70年代以前，时间系数变化比较平缓，而从90年代中期开始有明显上升。

图1(b)是第二模态空间特征向量分布图，可以看到，海洋上还是负值，但陆地上负值的区域和范围与第一模态相比都有明显的增大，整个区域内都呈现负值的状态，而且在巴尔喀什湖以南出现了较大的负值中心。图2(b)是第二模态时间系数序列，趋势也是非常明显的，该模态时间系数序列以20世纪70年代中期为谷底，表现出“单谷”变化特征。结合第二模态空间特征，表明从1961～1977年，潜热通量值随时间增大，从1978～2000年潜热通量值随时间减小。

图1 夏季地表潜热通量空间分布

经过以上讨论得知，在20世纪70年代年前后，潜热通量值发生了明显气候突变。这个时间与中国夏季降水发生突变的时间相一致，由于潜热主要由蒸发过程提供，伴随着水汽相变以及水汽辐合上升等过程，所以潜热通量对大气环流和气候有着非常重要的作用。而且春季大陆上的数值比较小，而到了夏季大陆上数值增加，有可能是夏季降水对潜热通量的贡献。

刘娜等［11-12］认为潜热通量是热量通过陆地(或海洋)表面进入大气的重要方式，潜热通量大小的改变会使得大气中的水汽含量发生改变，由于水汽也是一种温室气体，它含量的改变会进一步改变大气的热量;反过来，陆地(或海洋)表面温度的变化会通过影响陆气(或海气)的湿度差，加强或减弱潜热通量。所以将会进一步研究讨论夏季潜热通量与中国夏季降水之间的关系。

图2 夏季地表潜热通量时间系数

3 夏季潜热通量与中国夏季降水之间的关系

3．1 北半球夏季潜热通量与中国夏季降水之间的关系

为了清楚的了解北半球地表潜热通量时空变化与中国夏季降水之间的关系，用夏季潜热通量EOF第一模态时间系数序列与中国160站夏季降水做相关分析(图3)。

图3中，北半球夏季潜热通量与中国夏季降水的相关系数分布以西北地区为界，分为两大特征:西北地区表现为全区为负，其余地区从南向北表现为“+ -+-”的分布。长江以南、华北地区以及云贵高原地区为正相关区，长江到淮河流为显著负相关区域。这表明当北半球大陆上夏季潜热通量在40年间由正距平变为负距平时，即在20世纪70年代中期以前，国范围内地表潜热通量为正值，长江以南、华北地区及云贵高原降水偏多，长江到淮河流域降水偏少，70年代中期以后，长江以南、华北地区及云贵高原降水偏少，而淮河流域降水偏多。与杨修群［13］等在研究华北地区降水年代际变化特征中也得70年代中期前华北地区降水偏多70年代中期以后降水偏少的结果相一致。

图3 夏季地表潜热通量EOF第一模态时间系数与中国降水的相关分布

3．2 中国江淮流域地区夏季降水与北半球夏季潜热通量之间的关系

为更深入讨论中国夏季降水与地表潜热通量之间的联系，在图3中选出高相关区域，即通过显著性检验的区域江淮地区，对江淮地区的24个测站40年降水的区域平均，将该平均序列与夏季潜热通量值再做相关，以考察高相关区域降水和夏季地表潜热通量的关系。图6是中国江淮地区1961～2000年24站区域平均降水序列与夏季潜热通量的相关系数图。

图4 中国江淮地区1961～2000年24站区域平均降水序列与夏季潜热通量的相关系数(阴影区为通过显著性水平α=0.1检验的区域)

从图4可以看出，通过显著性检验的负相关区主要分布在鄂霍次克海以北的陆地上、日本以东的洋面上，巴尔喀什湖以北;正相关区域主要分布在中国江淮流域、中国南海地区、及孟加拉湾。表明当中国江淮地区在20世纪70年代中期以前降水偏少时，对应中国南海、江淮地区、以及孟加拉湾潜热通量异常偏少，当中国江淮地区在70年代中期以后降水偏多时，对应中国南海、江淮地区、以及孟加拉湾潜热通量异常偏多。从江淮地区本身就可以看出，夏季潜热通量与夏季降水有很好的相关:某地区潜热通量减少对应地区的降水也会相应偏少。

降水是大气中水的相变过程，水汽由源地水平输送到降水区是降水形成不可或缺的条件，研究表明，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。而夏季6～8月一般是中国江淮流域的梅雨季节，孟加拉湾和南海是水汽输送的重要源地，当孟加拉湾、中国南海地区的水汽输送也比较充足时，海表的潜热通量值也异常偏大，而中国江淮流域降水偏多;当孟加拉湾以及中国南海地区的水汽供应不足，海表的潜热通量值也异常偏小，中国江淮流域地区降水偏少。

相反地，当20世纪70年代中期以前，中国江淮流域降水偏少时，鄂霍次克海以北，日本以东以及巴尔喀什湖以北的地区夏季潜热通量异常偏大;中国江淮流域降水偏多时，上述区域夏季潜热通量异常偏小。为此，选择通过显著性检验的高负相关区:鄂霍次克海以北的陆地地区(140°E ～160°E，55°N ～65°N)，对该区域内40年的夏季潜热通量做区域平均，得到该区域40年夏季潜热通量的距平序列(图5)，从图5可以看出，该区域内夏季潜热通量值有着明显的年代际变化。以20世纪80年代中期为界，在80年代中期以前，夏季潜热通量为正距平，在80年代中期以后，夏季潜热通量为负距平。图6(a)，图6(b)给出了对应上面2个时段内中国夏季降水合成图。

图5 鄂霍次克海北部地区1961～2000年夏季潜热通量距平序列

图6 中国160站夏季降水距平合成(阴影区域表示降水距＜-20 mm或＞20 mm)

由图6(a)可以看出，中国西北、东北地区降水与同年相比，均属正常。而除了中国华北、西南的少数地区外，中国长江流域、华南地区均处于负距平，即在这25年，降水值异常偏少。其中降水的负异常中心就位于江淮地区，降水距平值都在50 mm以下。这些表明，当鄂霍次克海以北的潜热通量值为正时，中国长江中下游地区、江淮地区和华南地区降水都偏少。从图6(b)可以看出，从1986～2000年这15年间，中国降水明显增多，其分布情况完全与前25年相反:除西南和华北少数地区外，其他地区的降水都是正距平，在江淮流域正距平最大值可达到80 mm以上;表明从1985～2000年这15年间，鄂霍次克海北部陆地的地表潜热通量值为负时，中国大部分地区，尤其是江淮流域，降水值异常偏多。这个结果是合理的，经过上面的分析，以江淮流域作为代表，得出夏季潜热通量与江淮流域的降水成反相关的关系。

3．3 同期环流场特征

从以上的分析可以看到，北半球夏季潜热通量与中国夏季降水之间确实存在着一定的联系，杨莲梅等［14］曾较为细致地研究了高原地面潜热的气候变化特征、空间分布状况和其对北半球大气环流和中国南疆地区降水异常的影响。H·Z·Wang等［15］将大气环流作为二者的媒介进一步理解潜热通量如何通过大气环流影响中国夏季降水。P·Zhao等［16］研究了大气对高原加热，而引起北半球大气环流的变化以及相应的气候变化特征。可见，大气环流是潜热通量和降水的中间介质。根据以上分析结果，为更好的寻找1961～2000年前25年江淮地区降水距平合成偏少而后15年江淮地区降水距平合成偏多与大气环流之间的关联，以下将分析北半球500 hPa和850 hPa夏季平均位势高度场及1961～2000年前25年和后15年的位势高度差。

图7(a)是500 hPa 40年夏季平均位势高度场，中高纬度以平直西风气流为主，西太平洋副热带高压位置较为明显。为更加清楚的表示前25年和后15年位势高度的微小差距，图8(a)用1985～2000年这15年500 hPa平均位势高度场减去1961～1985年这25年500 hPa平均位势高度场，可得全区基本以正值为主，即表明从1985年以后随着地表潜热通量的减小，500 hP位势高度有所升高，夏季亚洲东部的低压有所减弱，造成东亚夏季风减弱，导致中国江淮流域的降水减弱。其差值的最大值位于鄂霍次克海附近，表明此地区的潜热通量异常偏低对应位势高度异常升高。反映出地表潜热通量与位势高度场有着良好的相关关系。图7(b)是850 hPa 40年夏季平均位势高度分布，高值中心在西太平洋的洋面上，低值中心位于印度半岛北部。图8(b)为用1985～2000年这15年850 hPa平均位势高度场减去1961～1985年这25年850 hPa平均位势高度场得到的差值分布场，与500 hPa类似，除高纬少部分地区外全区也是以正值为主，表明后15年与前25年相比，850 hPa位势高度有所增加，即当北半球地表潜热通量减弱时，北半球的低压有所减弱，高压有所增强，大值中心位于中国西南地区、新疆北部以及中国华北地区，这样的环流场分布恰好解释了后15年，中国西南地区、华北地区的降水偏少，进一步证明潜热通量与中国夏季降水的关系。

图8 1961～1985与1986～2000年夏季位势高度合成差值分布

4 结束语

(1)夏季潜热通量第一模态空间分布呈“南负北正”型，第一模态时间序列以20世纪70年代中期为界，表现出年代际变化特征;夏季潜热通量第二模态空间分布表现为“全区一致”型，第二模态时间系数序列以70年代中期为谷底，表现出“单谷”变化特征。

(2)北半球夏季潜热通量第一模态时间序列与中国夏季降水相关系数以西北地区为界，分为两大特征:西北地区表现为全区为负，其余地区从南向北表现为“正负正负”的分布，表明70年代中期以前(后)，北半球中高纬度潜热通量为正(负)，西南地区及华北地区降水偏多(少)，江淮流域地区降水偏少(多)。

(3)中国江淮地区夏季40年平均降水序列与北半球夏季地表潜热通量相关系数表明正相关区域分布在中国长江中下游、孟加拉湾及中国南海地区;负相关区分布在鄂霍次克海以北的洋面上、日本以东的洋面及巴尔喀什湖以北地区。对鄂霍次克海以北的大陆区域的夏季潜热通量做区域平均后，得出1985年前为正潜热通量值，1985年后为负潜热通量值。

(4)由1961～1985前25年和1986～2000后15年中国夏季降水距平合成图和对应的500 hPa、850 hPa环流场比较得知，前25年中国东部降水偏少，其他地区降水正常。后15年中国大部均降水偏多，且与前25年相比，500 hPa、850 hPa位势高度有所增加的结果。

通过以上分析，证实了北半球夏季潜热通量对中国夏季降水有很好的相关关系，可以作为中国夏季降水预测的重要参考因素，当然影响中国夏季降水的因素有很多，不同因子之间还有互相影响。所以，这些物理过程仍有待于进一步研究。

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