連悅辰

(1.福建師范大學(xué)濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，福建福州 350007；2.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福建福州 350007)

0 引言

早春甚至晚春季節(jié)，中國(guó)東南地區(qū)大面積遭遇連續(xù)陰雨天氣，其出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)和持續(xù)時(shí)間不固定，影響農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和人民的日常生活，對(duì)我國(guó)人民的生產(chǎn)生活以及出行安全帶來了安全隱患.近年來，由于江南春雨的不規(guī)則性出現(xiàn)以及持續(xù)時(shí)間未知，對(duì)農(nóng)作物的播種和農(nóng)時(shí)的計(jì)算帶來了極大的不確定性，對(duì)我國(guó)東南地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來了巨大影響，因此，為了了解江南春雨的產(chǎn)生和持續(xù)時(shí)間，能夠更好地安排東南地區(qū)農(nóng)作物的種植活動(dòng)，探究江南春雨的形成機(jī)制以及其與海氣濤動(dòng)之間的聯(lián)系具有特殊的指導(dǎo)和科學(xué)意義.

1 江南春雨的形成機(jī)制

中國(guó)南方廣大地區(qū)春季發(fā)生的連續(xù)陰雨天氣是一種我國(guó)特有的天氣情況，影響農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和人民的日常生活，這是除了初夏出現(xiàn)在長(zhǎng)江中下游的梅雨季節(jié)外又一個(gè)多雨時(shí)段.早期有學(xué)者[1，2]把江南春雨稱為前汛期雨季和前夏雨季，90年代后期Tian[3]提出了春季持續(xù)降水(Spring Persistent Rains，SPR)的概念，正是描述的江南春雨，并將江南春雨作為一種獨(dú)立的天氣事件進(jìn)行研究，認(rèn)為其氣候成因機(jī)制在于西部陸地中南半島與東部海洋西太平洋至菲律賓之間的熱力對(duì)比.早期對(duì)于江南春雨的形成普遍研究認(rèn)為，是由于南下的冷空氣與北上的暖濕氣流在江南地區(qū)相遇，形成了準(zhǔn)靜止鋒，進(jìn)而導(dǎo)致了漫長(zhǎng)的江南春雨.也有觀點(diǎn)認(rèn)為是因?yàn)闁|亞緯向熱力性質(zhì)差異導(dǎo)致了江南春雨[4].萬日金[5]通過東亞和北美大氣環(huán)流的對(duì)比以及模擬青藏高原隆升前后風(fēng)場(chǎng)、降水場(chǎng)和西風(fēng)急流的變化，認(rèn)為江南春雨的形成與青藏高原有密切的聯(lián)系，在青藏高原東南側(cè)形成的西風(fēng)風(fēng)速中心是江南春雨形成的基本原因，西風(fēng)風(fēng)速中心導(dǎo)致江南地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)烈的水汽輸送和水汽輻合.王黎娟[6]也認(rèn)為青藏高原東南側(cè)的西南風(fēng)與江南春雨的旱澇現(xiàn)象密切相關(guān).并且萬日金還分別在東亞和北美選擇了經(jīng)緯相近，范圍相同的海洋和陸地區(qū)域(圖1)，提出北美擁有與東亞的相似的條件，卻沒有產(chǎn)生相似的降雨現(xiàn)象，因此關(guān)于東亞緯向熱力性質(zhì)差異導(dǎo)致江南春雨的說法似乎還有待商榷[5]，并進(jìn)一步通過多年平均風(fēng)場(chǎng)隨時(shí)間演變以及SPR形成與結(jié)束前后緯向平均合成風(fēng)研究[7]指出江南春雨開始于3月第1侯，結(jié)束于5月第3侯，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)兩個(gè)月之久.劉宣飛[8]則通過降雨量和西南風(fēng)風(fēng)速在兩個(gè)時(shí)間段的突增認(rèn)為江南春雨應(yīng)該分為兩個(gè)階段.并且在第一階段緯向氣壓為大陸高壓，海洋低壓的冬季型分布，而第二階段轉(zhuǎn)變?yōu)榇箨懙蛪汉Ｑ蟾邏旱南募拘头植?

萬日金[5]認(rèn)為北美地區(qū)(圖1的A和B)與東亞地區(qū)(圖1的C和D)有相似的緯向海陸熱力性質(zhì)差異，并且經(jīng)緯度以及海氣環(huán)流等要素也有具備可比性，北美地區(qū)卻沒能形成江南春雨.也有研究[7]發(fā)現(xiàn)在江南春雨發(fā)生的季節(jié)，長(zhǎng)江以南，南嶺武夷山以北地區(qū)，平均日降水毫米數(shù)與南嶺、武夷山山脈的走向非常一致，通過對(duì)兩個(gè)山脈高度升高降低的模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)無山脈地形存在時(shí)，江南SPR期間降水量降低，長(zhǎng)江以北降水略有增加，即降水量南北分布更加均勻，而將山脈高度增加為300m后，長(zhǎng)江以南降水增加而以北降水減少，降水南北分布更加不均勻，雨帶南移到山脈附近，與實(shí)際情形更為接近，表明山地地形對(duì)于西北冷空氣和東南暖濕氣流的相遇具有阻擋抬升，增加降雨的作用.筆者也認(rèn)為區(qū)域地形對(duì)于江南春雨的形成有非常重要的影響，區(qū)域性一直是地理學(xué)研究的一個(gè)重點(diǎn)，即使A、B和C、D在以上要素中具備相似的特征，地形在江南春雨形成過程中也起到不可忽視的作用，如果沒有考慮到兩個(gè)區(qū)域之間的地形差異，可能會(huì)存在分析偏離事實(shí)的可能性.筆者從A、C區(qū)域的地形差異出發(fā)，獲取了A、C區(qū)域的高程，計(jì)算平均高程以及高程標(biāo)準(zhǔn)差、緯向地形起伏變化曲線、經(jīng)向地形變化曲線來試圖分析A、C區(qū)域兩者地形的差異，高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云SRTMDEM衛(wèi)星.

圖1 東亞與北美中低緯度對(duì)應(yīng)區(qū)域(虛線框)及其低緯陸地(A和C)與海洋(B和D)代表區(qū)域

圖2 低緯陸地代表區(qū)域高程圖 左圖為A區(qū)域，右圖為C區(qū)域

從圖2中A、C區(qū)域的高程圖中可以看到，A區(qū)域中除了東側(cè)靠海區(qū)域有部分地形平坦高程較低的區(qū)域，其余都是高程大，地形較為陡峭的山地，而C區(qū)域中南方為高程低，地形平坦的平原丘陵地區(qū)，北部為崎嶇的山地丘陵地區(qū).二者的山脈地形分布對(duì)于風(fēng)和水汽的阻擋程度是不同的，雨影效應(yīng)也有所不同.經(jīng)緯向地形起伏變化曲線圖(圖3)可以更加清晰的表現(xiàn)出兩個(gè)區(qū)域的地形在變化上的巨大差別.圖3的a、b分別表示在北美A區(qū)域北部和東亞C區(qū)域北部從西到東高程剖面的變化，在北美的A區(qū)域北部(圖3a)，東部和西部靠近海洋區(qū)域的高程迅速抬升，與東亞C區(qū)域北部相比海拔普遍偏高，表明在北美A區(qū)域北部地區(qū)域被山脈所環(huán)繞，而東亞的C區(qū)域北部(圖3b)屬于低山丘陵地形，平均海拔較小，因此A、C區(qū)域地形從緯向上對(duì)于海洋水汽的阻擋抬升，以及海洋水汽深入到陸地的情況都存在差異.

圖3c、d則分別表示北美A區(qū)域和東亞C區(qū)域的西部從低緯到高緯高程的變化.同樣，兩個(gè)區(qū)域的地形剖面存在顯著差異，北美A區(qū)域(圖3c)的高程變化表現(xiàn)出南北高，中間低的特征，東亞C區(qū)域(圖3d)從南到北的起伏不大，緩慢略有增加.將兩個(gè)區(qū)域中部從西到東和從南到北的地形變化曲線疊加可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)區(qū)域地形差異顯著，從南向北的變化勢(shì)甚至表現(xiàn)出相反的趨勢(shì).北美和東亞選為研究對(duì)象的兩個(gè)區(qū)域的地形不管是從總體海拔變化趨勢(shì)，還是經(jīng)緯向地形變化曲線都體現(xiàn)出很大的差異性，位于北美的A區(qū)域內(nèi)有高大的山脈沿著海岸線分布，整個(gè)區(qū)域的平均高程是1406.35m，區(qū)域內(nèi)高程標(biāo)準(zhǔn)差是832.412；而位于東亞的C區(qū)域呈現(xiàn)出非常明顯的南低北高地形，沒有高大的山脈沿著海岸線分布，北部以丘陵地質(zhì)為主，南部以平原為主，C區(qū)域內(nèi)的平均高程是493.68m，標(biāo)準(zhǔn)差為446.16.海洋濕潤(rùn)的水汽進(jìn)入A、C區(qū)域被山脈阻擋和被迫抬升的程度不同，并且緯向熱力性質(zhì)差異引起的季風(fēng)在兩個(gè)區(qū)域之間的影響也存在很大區(qū)別，另外我國(guó)地處歐亞大陸，是世界上陸地面積最大的區(qū)域，海陸熱力性質(zhì)差異很大，來自于西伯利亞的冷高壓和北大西洋濤動(dòng)之間的震蕩也會(huì)對(duì)江南春雨帶來影響，因此選取東亞和北美地區(qū)經(jīng)緯相近，范圍相同的海洋和陸地區(qū)域作為對(duì)比，卻不考慮各個(gè)區(qū)域內(nèi)部獨(dú)特的區(qū)域自然條件和地形可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)論與事實(shí)有所偏差，模型能夠一定程度上表征實(shí)際情況，但地球本就是一個(gè)非常復(fù)雜龐大，各個(gè)圈層共同作用，相互影響的系統(tǒng)，在復(fù)雜繁多要素的共同作用下導(dǎo)致了某種自然現(xiàn)象，通過建立模型將所認(rèn)為的有影響要素輸入進(jìn)去而排除其他可能影響的要素，可能在一定程度上割裂了與其他要素之間的相互作用的影響，東亞緯向熱力性質(zhì)差異導(dǎo)致江南春雨的可能性似乎還值得進(jìn)一步探討和分析.Wu等人[9]認(rèn)為，青藏高原在冬季阻礙和分割了西風(fēng)，在高原北側(cè)形成了反氣旋，在南側(cè)形成了氣旋，北部反氣旋帶動(dòng)冷干的氣流向南移動(dòng)，東南亞和華南的暖濕氣流沿著南部的氣旋向北移動(dòng)，導(dǎo)致了江南春雨的產(chǎn)生.

圖3 東亞C北美A區(qū)域經(jīng)緯向高程變化圖(藍(lán)色及紅色曲線為平滑結(jié)果，黑色曲線為原始數(shù)據(jù)).區(qū)域北側(cè)從西至東高程變化剖面(a)北美A區(qū)域(b)東亞C區(qū)域;區(qū)域西部從南至北緯高程變化剖面 (c)北美A區(qū)域 (d)東亞C區(qū)域

圖4 東亞C北美A區(qū)域中部經(jīng)緯向高程變化對(duì)比圖，黑線是北美地區(qū)，綠色是東亞地區(qū). (a)從西至東高程剖面變化對(duì)比 (b)從南至北高程剖面變化對(duì)比

因此，北方冷干氣流和南方暖濕氣流的相遇、青藏高原東南側(cè)風(fēng)速中心的形成以及東亞緯向熱力性質(zhì)差異都可能屬于是江南春雨的形成機(jī)制.

2 江南春雨與海氣濤動(dòng)的關(guān)系

2.1 江南春雨與厄爾尼諾-南方濤動(dòng)

氣候現(xiàn)象本就是復(fù)雜的綜合結(jié)果，尤其是近年來隨著海氣相互作用對(duì)全球氣候變化研究的深入，關(guān)于厄爾尼諾與江南春雨之間關(guān)系的研究有很多，有直接對(duì)ENSO于江南春雨之間關(guān)系進(jìn)行研究的，劉屹岷[10]認(rèn)為ENSO對(duì)我國(guó)江南春雨影響的機(jī)制是先通過作用于印度洋，使印度洋增溫，引發(fā)氣流異常，進(jìn)一步增強(qiáng)西南氣流從而使江南春雨時(shí)期降雨增加.萬日金[11]通過相關(guān)法和合成法分析了影響江南春雨年紀(jì)變率因子，發(fā)現(xiàn)江南春雨具有年際變化特點(diǎn)，即厄爾尼諾年，江南春雨期間降雨增加；拉尼娜年，江南春雨期間降雨減少.并且還表明江南春雨還與東亞季風(fēng)和南海副高有關(guān)[12].也有間接的，例如張博[13]的研究表明隨著東亞和西太平洋之間緯向海陸熱力性質(zhì)差異的減小，青藏高原東南側(cè)的西南繞流強(qiáng)度減弱，造成江南地區(qū)西南暖濕氣流輸送強(qiáng)度減弱，萬日金[5]對(duì)江南春雨形成機(jī)制的研究也提到了西南風(fēng)速中心是江南春雨形成的關(guān)鍵；尚可[14]通過研究西太平洋地區(qū)(4 ～16°N，130 ～170°E)前一年7-12月海表溫度與熱含量(Heat Content)的大小和變化情況與江南春雨之間的相關(guān)性，認(rèn)為可以借助該區(qū)域熱含量的異常來預(yù)測(cè)下一年江南地區(qū)春季降雨的旱澇情況.筆者認(rèn)為通過研究西太平洋海表溫度，熱含量，海陸熱力性質(zhì)差異等因素與江南春雨之間的關(guān)系其實(shí)質(zhì)分析的原理與厄爾尼諾的情況非常相似，從某種程度上也可以看作是對(duì)厄爾尼諾各方面綜合指標(biāo)的縮減和具象化，揭示與江南春雨之間的關(guān)系.ENSO與江南春雨之間關(guān)系總體概括如下：ENSO的發(fā)展引起東亞季風(fēng)的變化，東亞季風(fēng)和西南風(fēng)耦合聯(lián)系進(jìn)一步影響了江南春雨.在厄爾尼諾時(shí)期，西太平洋海溫偏低，西太平洋副高偏強(qiáng)，形成反氣旋異常，一方面使東亞季風(fēng)減弱，另一方面使南海出現(xiàn)異常暖濕氣流的輸送，增強(qiáng)了西南氣流，江南春雨形成的時(shí)間就提早，位置更靠南，江南地區(qū)降水增加；而在拉尼娜期間，西太平洋海溫偏高，西太平洋副高偏弱，東亞季風(fēng)偏強(qiáng)，西南風(fēng)速中心受到的影響較大，江南春雨形成時(shí)間更晚，位置靠北，江南春雨降水量減少.

2.2 江南春雨與北大西洋濤動(dòng)

武炳義[15]認(rèn)為北大西洋濤動(dòng)(North Atlantic oscillation，NAO)與冬季西伯利亞高壓以及東亞冬季風(fēng)存在密切聯(lián)系.通過建立西伯利亞高壓范圍指數(shù)、東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)和冬季NAO指數(shù)之間的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，冬季西伯利亞高壓范圍指數(shù)與冬季東亞季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)存在非常好的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖5[15])，而冬季西伯利亞高壓范圍指數(shù)與冬季NAO指數(shù)表現(xiàn)出反相關(guān)(圖6[15])，冬季NAO是通過影響冬季西伯利亞高壓而進(jìn)一步影響東亞冬季風(fēng).

紹太華[16]則認(rèn)為冬季NAO是通過影響春季東亞地區(qū)大氣環(huán)流，引起對(duì)流層溫度異常，進(jìn)而使東亞高空急流和經(jīng)向環(huán)流的變化，從而導(dǎo)致我國(guó)東部春季降水異常.冬季NAO處于正相位時(shí)，我國(guó)春季南方地區(qū)降水偏多，負(fù)異常時(shí)則相反.

還有許多圍繞NAO對(duì)東亞尤其是我國(guó)氣候影響的研究[17-20]，分別包括NAO與我國(guó)冬夏季氣候變化，NAO與我國(guó)冬季氣候增暖，以及NAO與我國(guó)東部平均旱澇指數(shù)等等.很多文章側(cè)重于從數(shù)值分析，建立各種不同指數(shù)之間的相關(guān)性來研究?jī)烧咧g的關(guān)系，往往通過建立指數(shù)能夠得到兩者之間具有相關(guān)性，并能夠通過顯著性檢驗(yàn)，作者在此嘗試從原因機(jī)理的角度對(duì)兩者之間的聯(lián)系進(jìn)行分析和討論，概念模式圖見圖7.

圖5 東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)(實(shí)線)與冬季西伯利亞高壓范圍指數(shù) (虛線)變化曲線

圖6 冬季NAO指數(shù)(實(shí)線)與冬季西伯利亞高壓范圍指數(shù)(虛線)變化曲線

當(dāng)NAO處于正相位時(shí)(圖7a)，冰島低壓與亞索爾高壓之間的氣壓差大，從高壓指向低壓的氣壓梯度力強(qiáng)，西風(fēng)帶向北移動(dòng)，冬季西伯利亞高壓范圍被壓縮，東亞冬季風(fēng)減弱，到次年春季，東亞冬季風(fēng)較平常年份偏小，導(dǎo)致冬季風(fēng)與暖濕氣流相遇的位置偏北，江南春雨形成的時(shí)間更晚，形成北方多雨南方少雨的現(xiàn)象；并且當(dāng)西風(fēng)帶北移，在進(jìn)入我國(guó)西部時(shí)被青藏高原分為南北兩支的南部氣流大大減少，導(dǎo)致青藏高原東南側(cè)的西南風(fēng)速中心降低.江南春雨的形成時(shí)間更晚和西南風(fēng)速中心降低兩者共同導(dǎo)致在江南春雨期間降雨量減少.而當(dāng)NAO處于負(fù)相位時(shí)(圖7b)，氣壓梯度小，西風(fēng)帶靠南，一方面冬季西伯利亞高壓范圍更大，東亞冬季風(fēng)增強(qiáng)，次年春季保留了更強(qiáng)的風(fēng)速，與暖濕氣流的相遇位置偏南，江南春雨形成的時(shí)間早，南方多雨北方少雨，另一方面，因?yàn)槲黠L(fēng)帶靠南，在進(jìn)入我國(guó)西部時(shí)青藏高原南支西風(fēng)增強(qiáng)，青藏高原南側(cè)風(fēng)速增加，西南風(fēng)速中心增強(qiáng)，兩個(gè)方面共同導(dǎo)致江南春雨期間降雨量增加.

圖7 冬季NAO相位時(shí)與江南春雨聯(lián)系的模式圖 (a)冬季NAO正相位; (b)冬季NAO負(fù)相位

3 結(jié)論

(1)江南春雨形成的機(jī)制有部分?jǐn)?shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)支撐表明是由于青藏高原東南側(cè)形成的西風(fēng)風(fēng)速中心，考慮到東亞地形的特殊性，東亞緯向熱力性質(zhì)差異、南北氣流相遇導(dǎo)致江南春雨的可能性似乎還值得進(jìn)一步探討和分析.

(2)厄爾尼諾-南方濤動(dòng)與江南春雨之間的關(guān)系如下：在厄爾尼諾發(fā)展時(shí)期，江南春雨形成的時(shí)間提早，位置更靠南，江南春雨期間降水增加；在拉尼娜發(fā)展期間，江南春雨形成時(shí)間更晚，位置靠北，江南春雨期間降水量減少.

(3)當(dāng)北大西洋濤動(dòng)處于正相位時(shí)，江南春雨形成的時(shí)間更晚，形成北方多雨南方少雨的現(xiàn)象；江南春雨的形成時(shí)間更晚和西南風(fēng)速中心降低兩者共同導(dǎo)致在SPR期間降雨量減少；當(dāng)北大西洋濤動(dòng)處于負(fù)相位時(shí)，江南春雨形成的時(shí)間早，南方更多雨北方更干旱， SPR期間降雨量增加.