韓晉平 張人禾 蘇京志

中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京100081

1 引言

立秋以后，中國(guó)大部分地區(qū)秋高氣爽，降水稀少，但在西部出現(xiàn)持續(xù)性陰雨，這被稱為秋雨。綿綿秋雨會(huì)導(dǎo)致河流水位上漲，例如漢江、嘉陵江、渭河等流域，在水文上稱為秋汛。盡管秋季降水比夏季少，但由于降水持續(xù)，雨區(qū)集中，且此時(shí)正值秋季作物生長(zhǎng)，冬季作物播種及水庫(kù)的蓄水期，秋雨異常可能給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重的影響。另一方面，中國(guó)西部地形復(fù)雜，多山地，異常秋雨常能引起滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

早在1958年，高由禧（1958）、高由禧和郭其蘊(yùn)（1958）就注意到秋雨主要發(fā)生中國(guó)西部。隨后的學(xué)者對(duì)秋雨的時(shí)空分布特征進(jìn)行了分析。徐桂玉和林春育（1994）用 EOF方法將華西秋雨分為三類，即緯向型、經(jīng)向型和全區(qū)型。馮麗文和郭其蘊(yùn)（1983）發(fā)現(xiàn)9月華西秋雨有3年和17年的周期，10月的周期為13年。白虎志和董文杰（2004）發(fā)現(xiàn)華西秋雨有年代際變化特征，1960年代到 1970年代初、1980年代初北多南少，1970年代后，1980年代后到20世紀(jì)北少南多。在全球變暖背景下，我國(guó)北方部分地區(qū)氣候向暖濕轉(zhuǎn)變（施雅風(fēng)等，2002），華西秋雨顯著增多（張存杰等，2003）。

連綿秋雨與持續(xù)性異常環(huán)流場(chǎng)和穩(wěn)定外強(qiáng)迫因子有密切聯(lián)系。徐桂玉和林春育（1994），諶蕓和施能（2003a）的研究指出 500 hPa 歐亞環(huán)流型與華西秋雨異常緊密相關(guān)。中高緯環(huán)流系統(tǒng)與西太平洋副熱帶高壓的相互作用是秋雨異常的重要條件（鮑媛媛等，2003；郁淑華，2004；周長(zhǎng)艷等，2006；牛寧和李建平，2007；彭京備等，2007；賈小龍等，2008；簡(jiǎn)茂球和喬云亭，2012）。許多研究發(fā)現(xiàn)，海表溫度異常是影響中國(guó)秋雨的重要因子（黃榮輝等，2012）。Zhang et al.（1999）和Zhang and Sumi（2002）指出ENSO盛期華南秋季降水增多，龔道溢和王紹武（1998）、李耀輝等（2000）、諶蕓和施能（2003b）的研究發(fā)現(xiàn)El Ni?o年，西北地區(qū)秋雨偏少，江南秋雨偏多。劉宣飛和袁慧珍（2006）的研究表明ENSO調(diào)制IOD與秋雨的關(guān)系，IOD正位相年，我國(guó)西南地區(qū)和黃河流域的秋季降水均偏多，當(dāng) IOD正位相年且同時(shí)伴隨 El Ni?o發(fā)生時(shí)，黃河流域的秋季降水轉(zhuǎn)為負(fù)異常。Niu and Li（2008）的研究發(fā)現(xiàn)西太平洋海表溫度與華南秋季降水是正相關(guān)關(guān)系。此外，陸面熱狀況也是影響我國(guó)秋雨的因素，陳忠明等（2001）的研究表明青藏高原東部的地表熱狀況與華西秋雨有顯著的負(fù)相關(guān)系。

秋雨通常定義為9～10月，然而，作為夏季風(fēng)由中國(guó)北方向南撤退的表現(xiàn)特征之一，秋雨也經(jīng)歷了快速南落的過(guò)程，中國(guó)北方秋雨集中在9月，西南地區(qū)的秋雨可以持續(xù)到 10月，二者變化很不一致，例如2011年9月，中國(guó)北方發(fā)生了歷史罕見(jiàn)的秋雨，引起嚴(yán)重的城市內(nèi)澇和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，此時(shí)西南地區(qū)秋雨偏少，二者變化不同步。以往對(duì)定義在9～10月的秋雨研究，混淆了不同月份之間的差異，鑒于北方秋雨跟西南秋雨在時(shí)間和空間上變化都不一致，需要把二者分開(kāi)研究，這樣不僅更為合理，也將進(jìn)一步提高對(duì)秋雨的科學(xué)認(rèn)識(shí)。另一方面，10月以后大氣環(huán)流發(fā)生突變，環(huán)流背景從夏季型轉(zhuǎn)為冬季型，之后北方地區(qū)以偏北風(fēng)為主，因此用9月降水代表北方秋雨更合理。本文以9月北方秋雨為研究對(duì)象，從2011年北方秋雨入手，研究影響北方秋雨的海溫關(guān)鍵區(qū)及其可能的影響機(jī)制。需要說(shuō)明的是，9月中國(guó)北方秋雨區(qū)氣溫在 20°C～30°C間，較少降雪，降水以液態(tài)降雨為主。

2 資料與試驗(yàn)方案

本文利用了國(guó)家氣候中心提供的全國(guó) 160站月降水資料(http://ncc.cma.gov.cn/cn/ [2012-09-03])，大氣環(huán)流和向外長(zhǎng)波輻射（OLR）均為NCEP/NCAR 再分析資料，分辨率為 2.5°×2.5° (Kalnay et al.，1996)，全球海表溫度（SST）資料是 NOAA延長(zhǎng)重建海表溫度 (NOAA extended reconstructed SST) 資料（Smith et al.，2008），分辨率為 2°×2°。降水資料，大氣環(huán)流再分析資料和全球海表溫度資料的時(shí)間長(zhǎng)度為1951～2011年，OLR資料為1979～2011年。本文所指氣候態(tài)為1951～2010年共60年的平均值。

本文還利用 ECHAM5大氣環(huán)流模式進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)。ECHAM5是德國(guó)馬普氣象研究所（Max-Planck Institute for Meteorology）發(fā)展的第 5 代ECHAM 大氣環(huán)流譜模式（Roeckner et al.，2003），它是在歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的天氣預(yù)報(bào)模式（ECMWF）基礎(chǔ)上發(fā)展的，這里采用的是ECHAM5.4版, 水平分辨率為 T63，垂直方向 19層。ECHAM5是當(dāng)前模擬性能較好的全球模式之一，美國(guó)氣象學(xué)會(huì)的期刊 “Journal of Climate” 2006年 19卷 16期較為全面地介紹了模式的能量平衡，水循環(huán)以及模擬性能等內(nèi)容。為使結(jié)果更清晰，參考第5部分熱帶中太平洋海表溫度指數(shù)的均方差，設(shè)計(jì)了兩組數(shù)值試驗(yàn)，A組熱帶中太平洋海表溫度暖異常試驗(yàn)，即在（10°S～10°N，180°～150°W），范圍內(nèi)氣候平均SST增加0.5°C，其他海區(qū)用氣候平均的SST。B組熱帶中太平洋SST冷異常試驗(yàn)，異常區(qū)域同 A組，但異常量為氣候平均SST減小 0.5°C，其他海區(qū)用氣候平均的 SST，兩組試驗(yàn)均連續(xù)積分40年，取后30年進(jìn)行分析，B減A表示熱帶中太平洋SST冷卻對(duì)氣候的影響。

3 2011年9月中國(guó)北方秋雨的特征

2011年 9月北方發(fā)生了強(qiáng)度罕見(jiàn)的秋雨，圖1a為全國(guó)降水分布圖，由圖可見(jiàn)在中國(guó)南方和北方各有一條雨帶，北方雨帶位于33°N，中心在西北地區(qū)東部，最大降水超過(guò)400 mm，南方雨帶位于西南—華南，最大降水量200 mm左右，最大降水中心位于西南地區(qū)。由降水距平分布（圖1b）可見(jiàn)，西北地區(qū)東部—黃河中下游（32°～38°N，105°～117°E）是異常強(qiáng)雨帶，最大降水異常超過(guò)200 mm。兩個(gè)降水異常中心分別出現(xiàn)在西北地區(qū)東部和黃河下游區(qū)域，前者最強(qiáng)，后者較弱。由圖1可見(jiàn)，2011年 9月秋雨主要位于中國(guó)北方地區(qū)，西南地區(qū)降水偏少，這說(shuō)明北方秋雨與西南秋雨不同步。

圖1 2011年9月（a）全國(guó)降水總量和（b）降水距平（單位：mm）Fig.1 (a) Autumn precipitation and (b) precipitation anomaly in China in September 2011

為了方便研究，考慮到圖 1b所示的降水異常分布，本文將（32°～38°N，105°～117°E）定義為北方秋雨區(qū)，該區(qū)的平均降水作為秋雨指數(shù)，如圖2所示。中國(guó)北方秋雨的氣候平均值為79.4 mm，均方差為35.6 mm，占?xì)夂蚱骄档?5%，即北方秋雨年際變率大。秋雨還存在顯著的年代際變化，1960年代到1980年代中期，北方秋雨偏多，1950年代、1980年代后期和1990年代偏少，進(jìn)入21世紀(jì)以后，北方秋雨再次進(jìn)入較多的時(shí)期，2011年是60年來(lái)北方秋雨最多的年份，達(dá)到163 mm，為氣候平均值的2倍多。

從北方秋雨指數(shù)與同期全國(guó)降水相關(guān)來(lái)看（圖3），顯著正相關(guān)區(qū)在（30°～40°N，105°E）以東的北方地區(qū)，代表9月秋雨的主要位置，除西南地區(qū)有零星顯著負(fù)相關(guān)區(qū)外，其他地區(qū)的相關(guān)均不顯著，這表明我們上述定義的北方秋雨指數(shù)能夠較好代表9月北方秋雨區(qū)。

4 與北方秋雨相聯(lián)系的大氣環(huán)流變化

北方秋雨的持續(xù)性異常往往與穩(wěn)定維持的大氣環(huán)流異常緊密相連。圖4是北方秋雨與大氣環(huán)流的回歸，由圖 4a可見(jiàn)，位于東亞—西北太平洋的強(qiáng)大反氣旋環(huán)流是重要的影響系統(tǒng)，其西南側(cè)為強(qiáng)盛的西南風(fēng)，它攜帶的暖濕水汽是秋雨形成的必要條件之一。同時(shí)，亞洲北部青藏高原以北的高緯地區(qū)有一氣旋，由于處于高緯內(nèi)陸地區(qū)，其南側(cè)的偏西風(fēng)寒冷干燥，暖濕氣流和干冷空氣在高原東北側(cè)匯合，對(duì)應(yīng)北方秋雨區(qū)。圖 4a表明東亞—西北太平洋反氣旋的維持有利于異常強(qiáng)盛偏南風(fēng)的穩(wěn)定，這是北方秋雨持續(xù)異常的必要水汽條件。

圖2 北方秋雨指數(shù)，粗虛線為5年滑動(dòng)平均，直線為1951～2010年氣候平均值，為79.4（單位：mm）Fig.2 Autumn precipitation index (solid curve) with the 5-year running mean (bold dashed curve).The climatic mean for 1951–2010 is 79.4 mm (solid line)

圖3 北方秋雨指數(shù)與9月降水的相關(guān)，深（淺）陰影區(qū)通過(guò)95%（90%）顯著性檢驗(yàn)Fig.3 The correlation between the autumn precipitation index and the September precipitation in China.The dark (light) shadings indicate the 95% (90%)confidence levels

圖4 對(duì)北方秋雨指數(shù)回歸的（a）850 hPa風(fēng)場(chǎng)（單位：m/s）和（b）500 hPa高度場(chǎng)（單位：dagpm）。深（淺）陰影區(qū)通過(guò)95%（90%）顯著性檢驗(yàn)，黑色區(qū)域?yàn)楹０未笥?500 m的地形Fig.4 The regressed (a) 850-hPa wind vectors and (b) 500-hPa geopotential height (dagpm) on the autumn precipitation index.The dark (light) shadings indicate the 95% (90%) confidence levels.The black area is topography above 2500 m

穩(wěn)定的偏南風(fēng)是顯著的?！憵鈮禾荻纫鸬?。從500 hPa位勢(shì)高度回歸場(chǎng)上來(lái)看（圖4b），巴爾喀什湖—貝加爾湖是負(fù)相關(guān)區(qū)，東亞—西北太平地區(qū)為正相關(guān)。這表明，大陸與鄰近海區(qū)間有顯著的氣壓對(duì)比，氣壓梯度從海洋指向大陸，非常有利于東亞形成異常偏南風(fēng)。同時(shí)，正相關(guān)區(qū)西伸進(jìn)入中國(guó)東部，表明北方秋雨偏多時(shí)，西太平洋副熱帶高壓深入大陸，更有利于其西側(cè)的暖濕氣流輸送到中國(guó)西部，同時(shí)中國(guó)東部受高壓下沉氣流影響，降水稀少。另外，需要指出的是，圖 4b中東亞沿岸為高度場(chǎng)正異常，日本東北方為負(fù)異常，低緯海洋性大陸為較弱的負(fù)異常，即從低緯熱帶到高緯異常高度場(chǎng)表現(xiàn)為負(fù)—正—負(fù)的異常分布，這是典型的EAP波列 (Huang and Sun，1992) 分布型，它是影響東亞氣候異常的重要環(huán)流形勢(shì)。

5 熱帶太平洋海溫異常在秋雨形成中的作用

由圖4可知，西太平洋副熱帶高壓是影響北方秋雨的重要因子，它的位置和強(qiáng)度都受海洋熱力狀況的影響。圖 5是與秋雨相關(guān)的同期海表溫度分布，圖中可見(jiàn)熱帶中太平洋地區(qū)為顯著的負(fù)相關(guān)區(qū)，暖池和菲律賓以東的海表溫度為正相關(guān)區(qū)，這說(shuō)明熱帶中太平洋的海表冷卻和暖池及菲律賓以東偏暖的海溫跟中國(guó)北方秋雨有密切關(guān)聯(lián)。由于熱帶中太平洋海溫早在7月就出現(xiàn)顯著異常，并維持到 10月以后，而暖池和菲律賓以東的海表異常僅在同期出現(xiàn)并且范圍較小，因此以下分析熱帶中太平洋海表溫度異常與秋雨的關(guān)系。

為了分析熱帶中太平洋海溫異常與秋雨的聯(lián)系，我們選取（10°S～10°N，180°～150°W）范圍內(nèi)區(qū)域平均的海表溫度作為熱帶中太平洋海表溫度指數(shù)，記為CTSSTI，它的時(shí)間變化如圖6所示，圖中同時(shí)給出了北方秋雨指數(shù)。由圖可見(jiàn)，CTSSTI的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)不明顯，均方差為 0.54，CTSSTI與北方秋雨有顯著的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為－0.31，通過(guò) 95%顯著性檢驗(yàn)。此外，CTSSTI還有年代際尺度的變化，與秋雨的年代際變化表現(xiàn)出反位相特征，1980年代以前，CTSSTI以負(fù)位相為主，1980年代以后為正位相，2005年以后，CTSSTI呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，以9年滑動(dòng)平均表示年代際尺度，則二者的相關(guān)系數(shù)為－0.43，通過(guò)95%的顯著性檢驗(yàn)。

CTSSTI與秋雨的關(guān)系有較長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)性，從二者的超前—滯后相關(guān)（圖 7）可見(jiàn)，在異常秋雨發(fā)生前 4個(gè)月，二者的負(fù)相關(guān)關(guān)系已通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。二者的相關(guān)在同期達(dá)到最大。北方秋雨發(fā)生后的3個(gè)月， CTSSTI與秋雨的負(fù)相關(guān)關(guān)系仍顯著，這是因?yàn)楹１頊囟扔休^好的持續(xù)性。因此，圖7表明熱帶中太平洋海表溫度異常的持續(xù)性是北方秋雨的先兆信號(hào)，這對(duì)北方秋雨的預(yù)測(cè)是有意義的。

CTSSTI與中國(guó)北方秋雨指數(shù)有較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，它對(duì)中國(guó)秋雨的影響是怎樣的？為了便于比較，下文中我們將與CTSSTI相關(guān)的降水場(chǎng)和環(huán)流場(chǎng)均取負(fù)號(hào)，用以表示與異常偏冷海表溫度相聯(lián)系的變化。圖8中，正相關(guān)區(qū)主要位于30°～40°N，其中西北地區(qū)東部和江淮地區(qū)東部通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，與圖 3一致，這表明負(fù) CTSSTI與中國(guó)北方秋雨有密切聯(lián)系。此外，二者也有不同之處，圖 8中東北地區(qū)為正相關(guān)，且其東南部通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，圖3中這里為不顯著的負(fù)相關(guān)。其他地區(qū)，盡管符號(hào)不完全相同，但是都不能通過(guò)檢驗(yàn)。

圖5 北方秋雨與9月SST的相關(guān)分布。深（淺）陰影區(qū)通過(guò)95%（90%）顯著性檢驗(yàn)Fig.5 Correlation between the autumn precipitation index and the sea surface temperature (SST).The dark (light) shadings indicate the 95% (90%)confidence levels

圖6 標(biāo)準(zhǔn)化的9月CTSST指數(shù)（實(shí)線）與北方秋雨指數(shù)（虛線）Fig.6 Normalized central tropical Pacific sea surface temperature index (CTSSTI) (solid curve) and the autumn precipitation index (dashed curve)

圖7 CTSSTI與秋雨指數(shù)的超前—滯后相關(guān)。虛線為95%顯著性檢驗(yàn)水平Fig.7 Lead–lag correlation between CTSST index and the autumn precipitation index.The dashed line indicates the 95% confidence level

圖8 CTSST指數(shù)與9月降水的相關(guān)（反號(hào)），深（淺）陰影區(qū)通過(guò)95%（90%）顯著性檢驗(yàn)Fig.8 The correlation between the negative CTSST index and the September precipitation in China.The dark (light) shadings indicate the95% (90%)confidence levels

為進(jìn)一步說(shuō)明熱帶中太平洋異常對(duì)北方秋雨的作用，我們計(jì)算了與負(fù) CTSSTI相關(guān)聯(lián)的大氣環(huán)流場(chǎng)，結(jié)果在圖9給出。圖9a，東亞—西北太平洋為反氣旋式環(huán)流，熱帶太平洋地區(qū)盛行東風(fēng)異常，在中南半島轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，使得中國(guó)東部地區(qū)均為西南風(fēng)控制，這與圖 4a一致，表明熱帶中太平洋的海表溫度冷異常與中國(guó)東部的偏南風(fēng)異常有緊密聯(lián)系。

風(fēng)場(chǎng)是高度場(chǎng)配置的體現(xiàn)。圖9b是負(fù)CTSSTI與500 hPa高度場(chǎng)的相關(guān)，圖中巴爾喀什湖與貝加爾湖間為高度負(fù)異常，東亞—西北太平洋為高度正異常，二者間為偏南風(fēng)，即圖 9a中的異常偏南風(fēng)是高低氣壓差引起的。另外，東亞沿岸從低緯到高緯為負(fù)—正—負(fù)的異常分布型，呈現(xiàn)與圖 4b相似的EAP波列。

熱帶中太平洋海表溫度偏冷可以引起大氣中對(duì)流活動(dòng)異常，圖10是偏冷的CTSSTI與OLR的同期相關(guān)，由圖可見(jiàn)，150°E以東的熱帶太平洋地區(qū)為明顯正相關(guān)，熱帶西太平洋暖池區(qū)為顯著的負(fù)相關(guān)，即熱帶中東太平洋的對(duì)流活動(dòng)受到抑制，出現(xiàn)異常下沉運(yùn)動(dòng)，西太平洋對(duì)流活動(dòng)異常旺盛，上升運(yùn)動(dòng)活躍，旺盛的對(duì)流向北可以達(dá)到南海地區(qū)，因此，熱帶中太平洋海表冷卻造成熱帶西太平洋對(duì)流活躍。

熱帶西太平洋上升運(yùn)動(dòng)旺盛會(huì)引起東亞—西太平洋的經(jīng)向環(huán)流異常。從局地垂直運(yùn)動(dòng)來(lái)看（圖11），熱帶西太平洋上升氣流活躍，對(duì)流旺盛，其北側(cè)10°～30°N下沉運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，在700 hPa以下尤其顯著，即局地Hadley環(huán)流增強(qiáng)。Hadley環(huán)流的下沉支對(duì)應(yīng)西太平洋副熱帶高壓位置，異常下沉運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng) EAP波列位于中緯度的正相關(guān)區(qū)，與圖 9相比，垂直運(yùn)動(dòng)位置偏南，這是因?yàn)楦睙釒Ц邏杭咕€隨高度的向北傾斜（對(duì)流層中層以下）。根據(jù)質(zhì)量補(bǔ)償，下沉運(yùn)動(dòng)區(qū)的北側(cè)30°～40°N存在另一上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，它與北方秋雨區(qū)位置一致。這表明，熱帶中太平洋海表溫度偏冷，西太平洋對(duì)流異常活躍，加強(qiáng)了局地Hadley環(huán)流，使其北側(cè)的下沉運(yùn)動(dòng)和秋雨區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)均加強(qiáng)，也就是說(shuō)，熱帶中太平洋海表冷卻，使熱帶西太平洋的對(duì)流旺盛，加強(qiáng)了東亞沿岸的EAP波列，增強(qiáng)了偏南風(fēng)，使北方秋雨區(qū)處于氣流輻合上升區(qū)，造成多降水。反之，當(dāng)熱帶中太平洋海表增暖時(shí)，北方秋雨偏少。

圖9 對(duì)CTSSTI回歸的（a）850 hPa風(fēng)場(chǎng)（反號(hào)，單位：m/s）和（b）500 hPa高度場(chǎng)（反號(hào)，單位：dagpm）。深（淺）陰影區(qū)通過(guò)95%（90%）顯著性檢驗(yàn)，黑色區(qū)域?yàn)楹０未笥?500 m的地形Fig.9 (a) The regressed 850-hPa wind vectors, and (b) the 500-hPa geopotential height on the negative CTSSTI.The dark (light) shadings indicate the 95%(90%) confidence levels.The black area is topography above 2500 m

以上的分析表明，當(dāng)熱帶中太平洋出現(xiàn)負(fù)海溫異常時(shí)，其上空的對(duì)流受到抑制，熱帶西太平洋的對(duì)流旺盛，從而使局地的Hadley環(huán)流加強(qiáng)，其北側(cè)的下沉支隨之增強(qiáng)，出現(xiàn)異常反氣旋，加強(qiáng) EAP波列，這就導(dǎo)致西太平洋副熱帶高壓加強(qiáng)西伸，副高西側(cè)的偏南風(fēng)引導(dǎo)水汽輸送，造成北方秋雨偏多，反之偏少。Zhang et al.（1996）的研究表明，熱帶太平洋的海表溫度異?？梢砸饘?duì)流加熱異常，在大氣中產(chǎn)生 Rossby波響應(yīng)。對(duì)于負(fù)海溫異常，對(duì)流異常冷卻造成大氣中的 Rossby波響應(yīng)在西北太平洋地區(qū)激發(fā)出反氣旋異常，造成了副高的加強(qiáng)西伸，本文與此一致。

6 熱帶中太平洋海表溫度異常的數(shù)值試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果，本文利用 ECHAM 5大氣環(huán)流模式進(jìn)行了敏感性試驗(yàn)，結(jié)果如圖12所示。

圖 12a 是模擬的熱帶中太平洋 SST冷異常時(shí)的850 hPa風(fēng)場(chǎng)異常，海表冷卻導(dǎo)致熱帶西太平洋地區(qū)為東風(fēng)異常，東亞沿岸為偏南風(fēng)，有利于水汽向北輸送，這與前述統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果一致，只是模擬的風(fēng)場(chǎng)顯著區(qū)偏小且位置偏北，這是因?yàn)槟M的副熱帶西北太平洋的異常反氣旋較弱。

圖10 CTSSTI與同期OLR的相關(guān)（反號(hào)），深（淺）陰影區(qū)通過(guò)95%（90%）顯著性檢驗(yàn)Fig.10 The correlation between the negative CTSSTI and outgoing longwave radiation (OLR).The dark (light) shadings indicate the 95% (90%) confidence levels

圖11 CTSSTI與（110°～130°E）垂直速度的相關(guān)（反號(hào)），深（淺）陰影區(qū)通過(guò)95%（90%）顯著性檢驗(yàn)Fig.11 The correlation between the negative CTSSTI and the vertical velocity averaged over 110°–130°E.The dark (light) shadings indicate the 95% (90%)confidence levels

圖12b是模擬的500 hPa高度場(chǎng)，從熱帶到高緯存在一個(gè)明顯的負(fù)—正—負(fù)遙相關(guān)，即 EAP波列，熱帶和高緯為負(fù)異常，中緯度為正異常，這與圖4b和圖9b還是比較一致的。

目前大多數(shù)全球模式對(duì)東亞降水模擬能力很有限，ECHAM 5也存在類似的問(wèn)題，這里僅以850 hPa輻合場(chǎng)大致表示雨區(qū)的位置，如圖 13所示。由圖可見(jiàn)，最大的輻合區(qū)位于（36°N，105°E）附近，與圖1中北方秋雨區(qū)位置總體一致的。

因此，敏感性試驗(yàn)表明，熱帶中太平洋海表冷卻會(huì)激發(fā)出 Rossby響應(yīng)，在西北太平洋地區(qū)出現(xiàn)異常反氣旋，使副熱帶高壓加強(qiáng)西伸，引導(dǎo)水汽在北方秋雨區(qū)輻合，造成降水偏多。

7 對(duì)2011年9月北方秋雨的討論

2011年 9月中國(guó)北方秋雨的范圍和強(qiáng)度為近60年罕見(jiàn)，下面我們將分析大氣環(huán)流和熱帶中太平洋海表熱狀況異常在這次事件中的作用，對(duì)比它與前述分析結(jié)果的異同。

從2011年9月低層環(huán)流異常場(chǎng)來(lái)看（圖14a），熱帶中太平洋以西為東風(fēng)異常，以東為西風(fēng)異常，即這里低層風(fēng)場(chǎng)輻散，中國(guó)東部 35°N以南盛行偏南風(fēng)，35°～45°N為偏東風(fēng)，中國(guó)北方地區(qū)處于氣流輻合區(qū)。巴爾喀什湖以東，貝加爾湖的西南為一個(gè)氣旋，中國(guó)南方和日本以東的北太平洋上分別有兩個(gè)反氣旋，二者間的副熱帶西太平洋上是一個(gè)氣旋。中國(guó)東南上空的副熱帶反氣旋與圖 4a具有較好的一致性，但不同之處在于其東部出現(xiàn)了異常氣旋。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年9月先后有7個(gè)臺(tái)風(fēng)途經(jīng)或停留在此，因此異常氣旋的出現(xiàn)是頻繁的臺(tái)風(fēng)活動(dòng)引起的。

圖12 模擬的（a）850 hPa風(fēng)場(chǎng)異常（單位: m/s）和（b）500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)異常（單位：gpm）。深（淺）陰影區(qū)通過(guò)95%（90%）顯著性檢驗(yàn)，黑色陰影為青藏高原Fig.12 (a) The wind vector anomalies at 850-hPa (m/s), and (b) the geopotential height anomalies (gpm) at 500 hPa in the numerical experiment.The dark(light) shadings indicate the 95% (90%) confidence levels; the black shadow is the Tibetan Plateau

圖13 模擬的850 hPa輻合場(chǎng)異常（單位：10–7 s–1）Fig.13 The anomalous convergence field at 850 hPa in the numerical experiment (10–7 s–1)

臺(tái)風(fēng)影響下的環(huán)流形勢(shì)在500 hPa高度場(chǎng)（圖14b）可以看得更清晰，中國(guó)東部和日本以東的西北太平洋有兩個(gè)異常高壓區(qū)，30°N的西北太平洋為低壓區(qū)?？傮w來(lái)看，兩個(gè)高壓區(qū)仍是一體的，異常低壓使副熱帶高壓變形為兩個(gè)部分，主體移到海洋上，另一部分高壓深入大陸。盡管頻繁出現(xiàn)的臺(tái)風(fēng)減弱了海上的副熱帶高壓，但在中國(guó)東部大陸上空仍為正高度異常，副熱帶高壓西側(cè)的偏南風(fēng)仍然保持向北的水汽輸送，這種環(huán)流形勢(shì)造成 2011年9月中國(guó)北方異常偏多的降水。

圖15是2011年9月的海溫距平，熱帶中太平洋的SST偏低，最冷區(qū)低于－0.6 °C，這與圖5所示的海溫空間分布一致。冷海溫異常會(huì)使其上的對(duì)流受到抑制（圖16），激發(fā)出的大氣Rossby波使得西北太平洋地區(qū)出現(xiàn)反氣旋異常，造成了西太平洋副熱帶高壓的加強(qiáng)西伸。同時(shí)，熱帶西太平洋地區(qū)的SST偏暖0.3°C以上，這可能是促使臺(tái)風(fēng)活動(dòng)頻繁的原因之一。

2011年9月的OLR異常如圖16所示，由于熱帶中東太平洋海表溫度負(fù)異常，160°E以東的對(duì)流受到抑制，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)西太平洋—南海的對(duì)流活躍，這與前面分析結(jié)果一致。

臺(tái)風(fēng)與環(huán)流的影響是相互的，西太平洋副熱帶高壓外圍氣流能引導(dǎo)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)，臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)也影響副熱帶高壓。當(dāng)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)到副熱帶高壓西側(cè)時(shí)，通常副熱帶高壓東退，使東亞—西北太平洋處于低氣壓背景下。2011年9月，副熱帶高壓明顯偏西，偏強(qiáng)，頻繁臺(tái)風(fēng)的活動(dòng)使副熱帶高壓分裂為兩部分，主體在140°E以東的太平洋上，中國(guó)南方滯留了小部分，正是這部分滯留的副熱帶高壓的維持使偏南風(fēng)穩(wěn)定地為雨區(qū)提供了水汽條件，導(dǎo)致了歷史罕見(jiàn)的北方秋雨。換句話說(shuō)，熱帶中太平洋SST偏冷，副熱帶高壓偏西偏強(qiáng)的條件下，臺(tái)風(fēng)活動(dòng)使環(huán)流場(chǎng)變形導(dǎo)致部分西太平洋副熱帶高壓異常西伸，深入中國(guó)大陸，加強(qiáng)了偏南風(fēng)的穩(wěn)定維持，造成中國(guó)北方秋雨偏多。

圖14 2011年9月環(huán)流的距平場(chǎng)：（a）850 hPa風(fēng)場(chǎng)（單位：m/s）；（b）500 hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)（單位：dagpm）。黑色區(qū)域?yàn)楹０未笥?500 m的地形Fig.14 The anomalous circulations in September 2011: (a) 850-hPa wind field (m/s); (b) 500-hPa geopotential height (dagpm).The black area is topography above 2500 m

圖15 2011年9月SST距平（單位：°C）Fig.15 SST anomalies (°C) in September 2011

圖16 2011年9月OLR距平（單位：W/m2），等值線間隔10 W/m2Fig.16 The anomalous OLR in September 2011 with interval 10 W/m2

8 總結(jié)與討論

本文利用1951～2011年中國(guó)160站的降水資料，NCEP/NCAR大氣環(huán)流資料NOAA延長(zhǎng)重建海表溫度資料，OLR資料以及ECHAM 5大氣環(huán)流模式研究了中國(guó)北方秋雨的年際變化特征及成因。研究發(fā)現(xiàn)，中國(guó)北方秋雨具有明顯的年際和年代際變化，但長(zhǎng)期變化趨勢(shì)不明顯，1960年代到1980年代中期，是北方秋雨偏多的時(shí)期，1950年代、1980年代后期和1990年代偏少，2000年以后，秋雨再次進(jìn)入較多的時(shí)期，2011年是60年來(lái)降水最多的年份，達(dá)到163 mm。

北方秋雨與西太平洋副熱帶高壓異常西伸有密切關(guān)系，當(dāng)秋雨偏多時(shí)，西太平洋副熱帶高壓顯著西伸，其西側(cè)的偏南風(fēng)對(duì)水汽的向北輸送是北方秋雨出現(xiàn)的重要水汽條件。熱帶中太平洋的海表冷卻是引起環(huán)流異常的原因，當(dāng)熱帶中太平洋海表溫度偏低時(shí)，其上的對(duì)流受到抑制，熱帶西太平洋的對(duì)流異?；钴S，導(dǎo)致局地 Hadley環(huán)流增強(qiáng)，使30°N的下沉運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，西北太平洋出現(xiàn)異常反氣旋，引起 EAP波列異常，這使得西太平洋副熱帶高壓明顯西伸，其西側(cè)的偏南風(fēng)向北輸送充足水汽，并在中國(guó)北方輻合，造成秋雨偏多。反之，當(dāng)熱帶中太平洋海表溫度異常偏低時(shí)，不利于北方秋雨偏多。此外，熱帶中太平洋異常SST與北方秋雨的相關(guān)關(guān)系有很好的持續(xù)性，這對(duì)北方秋雨的預(yù)測(cè)具有一定意義。

本文分析了熱帶中太平洋海表冷卻對(duì)中國(guó)北方秋雨的影響，沒(méi)有考慮ENSO循環(huán)對(duì)秋雨的影響。由于熱帶中太平洋海表溫度異常與ENSO循環(huán)有密切關(guān)系，目前已有大量研究表明，ENSO不同發(fā)展位相，對(duì)氣候的影響不同（Zhang et al., 1996; Gao et al., 2006），而且ENSO對(duì)東亞氣候的影響長(zhǎng)期來(lái)看是不穩(wěn)定的（Wang, 2002）。在La Ni?a發(fā)展和衰亡階段，熱帶中太平洋海表溫度均表現(xiàn)為負(fù)異常，這就自然地引出另一個(gè)問(wèn)題，在La Ni?a 不同演變階段，中國(guó)北方秋雨有何異同？影響機(jī)制是否相同？這將是個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，不僅需要對(duì)歷史觀測(cè)資料進(jìn)行細(xì)致分析，還需要借助數(shù)值模式進(jìn)行深入研究。另外，熱帶中太平洋海表溫度與中國(guó)北方秋雨的關(guān)系還可能存在多時(shí)間尺度問(wèn)題，圖6顯示二者在年代際時(shí)間尺度上也有顯著關(guān)系，這也許跟氣候背景有關(guān)?？傊€有許多問(wèn)題值得進(jìn)一步研究。

致謝 感謝審稿專家和編輯提出的寶貴意見(jiàn)。

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