陳沛宇 彭京備 布和朝魯 鞏遠(yuǎn)發(fā)

1 成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，成都 610225

2 中國科學(xué)院大氣物理研究所國際氣候與環(huán)境科學(xué)中心，北京 100029

3 河北省氣象技術(shù)裝備中心，石家莊 050021

1 引言

在5月下旬至6月，東亞大氣環(huán)流會發(fā)生突然地改變。這實際上是大氣從冬季環(huán)流型向夏季環(huán)流型轉(zhuǎn)化的結(jié)果（葉篤正等, 1958）。這種突變是半球范圍乃至全球范圍的現(xiàn)象，但以亞洲最明顯（葉篤正等, 1958; 陶詩言等, 1958; 朱乾根等, 1992）。在亞洲，春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換的大氣環(huán)流突變表現(xiàn)為南支西風(fēng)北跳至青藏高原北沿地區(qū)，高空的東風(fēng)氣流北推至青藏高原南緣，南亞高壓躍上高原，南海夏季風(fēng)和印度夏季風(fēng)爆發(fā)（葉篤正等, 1958; 陶詩言等, 1958）。在季節(jié)轉(zhuǎn)換前后，中高緯地區(qū)的環(huán)流也出現(xiàn)很大的變化。冬季，在亞洲東部、北美東部和歐洲東部的中高緯地區(qū)分別有3個低壓槽。經(jīng)過5月下旬至6月上旬的環(huán)流調(diào)整，北半球中高緯地區(qū)從冬季的三槽三脊轉(zhuǎn)為夏季的四槽四脊。在東北亞地區(qū)，東亞大槽為淺高壓脊代替（葉篤正等, 1958; 朱乾根等, 1992）。

從春入夏的判別標(biāo)準(zhǔn)大致分為兩類。一類是以環(huán)流的變化來判斷。Yin（1949）指出印度夏季風(fēng)爆發(fā)與喜馬拉雅山脈南麓的高空西風(fēng)急流北撤有關(guān)。Sutcliffe and Bannon（1954）發(fā)現(xiàn)春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換時期，中東和地中海的高空風(fēng)場有一次突變。葉篤正等（1958）則以南支西風(fēng)急流北跳和中高緯地區(qū)從三波轉(zhuǎn)為四波作為冬季環(huán)流向夏季環(huán)流轉(zhuǎn)換的特點。另一類是以溫度為入夏標(biāo)準(zhǔn)。中國的氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《氣候季節(jié)劃分》（QX/T152－2012，陳峪等，2012）基于局地滑動平均氣溫確定春夏轉(zhuǎn)換，即當(dāng)5 d滑動日平均氣溫序列連續(xù)5 d≥22°C，則以其所對應(yīng)的第一個≥22°C的日期作為夏季起始日。Chyi et al.（2021）發(fā)現(xiàn)，5～6月，亞洲中高緯地區(qū)的表面氣溫呈現(xiàn)先迅速增暖然后趨于穩(wěn)定的特點。據(jù)此，他們以增溫趨于平穩(wěn)時的氣溫作為亞洲中高緯春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換發(fā)生的氣溫閾值。

梅雨是中國東部的主要降水時期。梅雨降水異常可導(dǎo)致長江流域嚴(yán)重的洪澇或干旱。如2020年，梅雨期長達(dá)56 d（任宏昌和符嬌蘭, 2020），長江中下游、淮河流域等地出現(xiàn)嚴(yán)重汛情和洪澇災(zāi)害（羅琪和張芳華, 2020）；2013年，長江中下游梅雨期只有7 d，發(fā)生了歷史罕見的高溫?zé)崂颂鞖猓◤埛搴秃瘟⒏? 2013）。已有很多研究討論了導(dǎo)致梅雨降水異常的大氣環(huán)流和外強(qiáng)迫因子（黃士松, 1963;黃榮輝和孫鳳英, 1994; 張慶云和陶詩言, 1998,2003; 陳烈庭, 2001; 徐海明等, 2001; 張順利等,2002; 彭京備等, 2005; 丁一匯和劉蕓蕓, 2008; 潘婕等, 2008; 布和朝魯?shù)? 2008; 梁萍等, 2018）。實際上，梅雨的建立與亞洲大陸上空大氣環(huán)流的季節(jié)變化密切相連（陶詩言等, 1958）。當(dāng)東亞上空低緯度高空西風(fēng)急流北跳，副熱帶高壓脊線北跳至25°N附近，中國和日本的梅雨開始（陶詩言等, 1958; 葉篤正等, 1958）。Chyi et al.（2021）發(fā)現(xiàn)，在亞洲中高緯地區(qū)春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換（以下簡稱季節(jié)轉(zhuǎn)換）偏早年，6月下旬至7月初，長江流域降水比偏晚年少。

另外，東亞夏季風(fēng)在中國東北區(qū)建立的平均日期為第41候（7月21～25日）（廉毅等, 2003）。之前，東北地區(qū)以冷渦降水為主（孫照渤等, 2016）。謝作威和布和朝魯（2012）研究了1965～2007年5～8月東北冷渦時空變化特征，發(fā)現(xiàn)梅雨期是東北冷渦發(fā)生頻數(shù)較大的階段；出梅后，隨著急流的北跳，冷渦天數(shù)明顯減少。從上面的研究結(jié)果可以看出，梅雨期東北地區(qū)的降水也可能與季節(jié)轉(zhuǎn)換的早晚有關(guān)。

綜上所述，過去的研究給出了亞洲中高緯地區(qū)春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換的氣候特征，提出了轉(zhuǎn)換的客觀標(biāo)準(zhǔn)及其年際變化的特征，并開始關(guān)注它與梅雨期亞洲環(huán)流和我國東部降水分布的關(guān)聯(lián)。但是，關(guān)于季節(jié)轉(zhuǎn)換的早晚如何影響其后期的環(huán)流特征和降水分布，影響過程及機(jī)制等問題，過去的研究還不多。這是本文嘗試研究的問題。

2 數(shù)據(jù)和方法

使用國家氣象信息中心提供的同期中國地面觀測日值數(shù)據(jù)集V3.0中日降水?dāng)?shù)據(jù)，全國共699個臺站的數(shù)據(jù)（http://www.nmic.cn/data/cdcdetail/dataCode/SURF_CLI_CHN_MUL_DAY_V3.0.html[2021-01-15]）；NCEP/NCAR提供的同期逐日再分析資料（Kalnay et al., 1996）中的位勢高度場、風(fēng)場、比濕。資料水平分辨率為2.5°（緯度）×2.5°（經(jīng)度），垂直方向共為17層。我們以1951～2017年平均作為氣候平均。

根據(jù)國家氣候中心的監(jiān)測，1951～2017年間，長江流域梅雨平均于6月14日開始，7月14日結(jié)束。取每年的6月14日至7月14日的平均作為梅雨期。這個梅雨時期接近謝作威和布和朝魯（2012）所選的梅雨時期。逐日降水資料處理為每年梅雨期的平均。

為了討論季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早年和偏晚年的水汽輻合異常情況，計算梅雨期平均的1000～300 hPa積分的水汽通量散度及其異常。利用逐日300 hPa水平風(fēng)場的8 d高通濾波計算瞬變渦動動能（Eddy Kinetic Energy, EKE）。在此基礎(chǔ)上，得到梅雨期平均EKE。EKE可以表征天氣尺度高壓和低壓系統(tǒng)發(fā)生的頻率和強(qiáng)度（Lehmann et al., 2014）。

基于1948～2017年5～6月逐日表面氣溫資料，Chyi et al.（2021）研究了亞洲中高緯度地區(qū)（50°N～75°N，70°E～160°E）春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換特征。他們發(fā)現(xiàn)，在季節(jié)轉(zhuǎn)換時期亞洲中高緯度地區(qū)呈現(xiàn)先加速升溫然后趨于平穩(wěn)的特點。氣候平均而言，增溫加速至平穩(wěn)的轉(zhuǎn)折點發(fā)生在第32候（6月6～10日）。由此他們界定第32候為氣候平均入夏時間，并以第32候平均氣溫（280.95 K）作為入夏閾值，將每年亞洲中高緯地區(qū)氣溫最接近閾值的候定義為春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換時間。本文采用了Chyi et al.（2021）所確定的1951～2017年逐年季節(jié)轉(zhuǎn)換發(fā)生候作為亞洲中高緯度地區(qū)春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換時間。

圖1給出了Chyi et al.（2021）所確定1951～2017年季節(jié)轉(zhuǎn)換發(fā)生候的逐年變化?？梢钥闯觯钔淼募竟?jié)轉(zhuǎn)換發(fā)生在第34候，共兩年，分別為1976年和1978年。最早的發(fā)生在第30候，只有1年，為2011年。1951～2017年平均的季節(jié)轉(zhuǎn)換發(fā)生在32.05候。我們以第32候作為平均轉(zhuǎn)換時間。

從圖1還可以看出，季節(jié)轉(zhuǎn)換具有較為明顯的年代際變化特征。20世紀(jì)50年代和2000年以后，以季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早為主。1960～1999年間，以轉(zhuǎn)換偏晚為主。這一點可以從季節(jié)轉(zhuǎn)換發(fā)生時間的3次樣條擬合（圖1中的曲線）很清楚地看出。

圖1 1951～2017年亞洲北部中高緯地區(qū)春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換時間的序列（折線）及其3次樣條擬合（曲線）。虛線為1951～2017年平均轉(zhuǎn)換時間32候。資料來自Chyi et al.（2021）的表1Fig.1 Time series of the timing of the summer onset in northern Asia for the years 1951-2017 (broken line) and its cubic spline fitting (curve line).The dash line denotes the average summer onset time (pentad 32)during 1951-2017.The timing of the summer onset in northern Asia is the same as that given in Table 1 in Chyi et al.(2021)

為了去除年代際的影響，利用Lanczos濾波方法（Duchon, 1979）對降水、環(huán)流進(jìn)行高通濾波。由于季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早年多出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代和2000年之后，選擇7年高通濾波以盡可能減少濾波對時間序列兩端的影響。濾波后，資料的有效時段為1958～2010年。

參照Chyi et al.（2021）的定義，季節(jié)轉(zhuǎn)換時間早于第32候的年份定義為偏早年，晚于第32候的年份定義為偏晚年。本文共選取10個偏早年和21個偏晚年（見表1）。其中，偏早年有：1959年、1960年、1981年、1990年、1991年、2001年、2005年、2008年、2009年、2010年；偏晚年有：1961年、1962年、1963年、1964年、1968年、1969年、1970年、1972年、1974年、1976年、1978年、1983年、1987年、1989年、1992年、1993年、1996年、1997年、1999年、2004年、2007年。以下結(jié)果如無特殊說明，均為濾波后結(jié)果。

表1 1951～2017年亞洲中高緯度地區(qū)春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換10個偏早年和21個偏晚年Table 1 Ten early years and 21 late years of summer onset in northern Asia during 1951?2017

除了3次樣條插值和Lanczos濾波方法，還采用合成分析來研究季節(jié)轉(zhuǎn)換發(fā)生早晚對梅雨期中國降水和環(huán)流異常的影響，并利用雙尾學(xué)生－t檢驗檢查合成結(jié)果的顯著性（魏鳳英, 1999）。

3 季節(jié)轉(zhuǎn)換發(fā)生早晚對梅雨期中國降水及其環(huán)流異常特征分析

3.1 降水異常分析

圖2a給出了10個季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早年梅雨期（6月14日至7月14日）合成的降水距平百分率。在偏早年，華北東部至東北大部分地區(qū)降水偏多20%以上。其中，東北中部和南部降水顯著偏多。江淮流域和華南南部降水偏多10%～20%，但通過90%信度檢驗的地區(qū)較少。江南、華北西部和西北地區(qū)東部降水偏少，江南北部和華中北部降水偏少20%左右。以7.5 mm d-1降水量等值線來表示長江流域梅雨雨帶的位置。氣候平均的梅雨雨帶位于長江及其以南地區(qū)（圖2a中的藍(lán)線）。在偏早年，梅雨雨帶位于江淮流域（圖2a中的紅線），位置較氣候平均偏北，且范圍偏小。Chyi et al.（2021）研究了季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早年和偏晚年第35～37候（6月21日至7月5日）中國降水之差，發(fā)現(xiàn)偏早年長江流域降水比偏晚年的少。這與我們的結(jié)果一致。

在季節(jié)轉(zhuǎn)換偏晚年，中國東部為一條雨帶（圖2b）。長江流域及其以南地區(qū)降水偏多10%～20%。長江流域7.5 mm d-1等值線的范圍（圖2b中的紅線）較氣候平均的（圖2b中的藍(lán)線）向南擴(kuò)大。華南沿海、華北和東北的大部分地區(qū)降水偏少，其中降水顯著偏少地區(qū)在華北至東北南部地區(qū)，降水偏少20%～30%。

圖2 （a）10個季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早年和（b）21個偏晚年梅雨期（6月14日至7月14日）合成的中國降水距平百分率（紫色圓點表示合成結(jié)果通過90%信度檢驗。紅線表示7.5 mm d-1，藍(lán)色為氣候態(tài)）Fig.2 Composite precipitation anomalies in percentage during the Meiyu period (from 14 Jun to 14 Jul) in (a) 10 early summer onset years and (b) 21 late summer onset years (purple dots denote that the composite anomalies are statistically significant at the 90% confidence level.The red and blue lines denote the 7.5 mm d-1 and its climatology during the same period, respectively)

從上面的分析看出，在季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早年梅雨期，東北地區(qū)和江淮流域降水偏多，長江以南地區(qū)降水偏少；偏晚年，情況相反。值得注意的是，不論是偏早年還是偏晚年，東北地區(qū)通過信度檢驗的降水異常范圍比全國其他地區(qū)的大，而長江中下游地區(qū)通過顯著性檢驗的站點較少。這可能是因為東北地區(qū)更多受到中高緯系統(tǒng)影響，而長江中下游和華南地區(qū)不僅受到中高緯度環(huán)流的影響，而且受到熱帶、副熱帶環(huán)流的影響。所以東北地區(qū)的降水與亞洲中高緯地區(qū)春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換的聯(lián)系更為緊密。

3.2 環(huán)流異常特征分析

導(dǎo)致降水異常的直接原因是環(huán)流異常。計算10個季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早年梅雨期平均的500 hPa位勢高度場及其標(biāo)準(zhǔn)化距平（圖3a）。在偏早年，從東北亞北部、貝加爾湖東南至中國東北地區(qū)、日本南側(cè)存在一個“+ - +”的經(jīng)向波狀環(huán)流，且正異常中心通過90%信度檢驗。這個經(jīng)向波狀環(huán)流與東亞－太平洋遙相關(guān)型（East Asia-Pacific, EAP）（Nitta,1987; Huang and Sun, 1992）不一樣。EAP型反映西太平洋副熱帶高壓、梅雨槽和鄂霍茨克海及雅庫茨克地區(qū)的異常，與我們所說的東亞沿岸的經(jīng)向波狀環(huán)流中異常的中心位置有所不同。圖4給出了1951～2017年1月和7月的500 hPa位勢高度場（等值線）及其緯向偏差距平（陰影）。可以看到，冬季，東亞沿岸為一低壓槽，即東亞大槽（圖4a）；夏季，東亞大槽北部變?yōu)榫曄蚱钫嗥絽^(qū)，貝加爾湖以東至俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)變?yōu)橐桓邏杭梗▓D4b）。我們將這個高壓脊稱為東北亞脊。圖3a中的中高緯地區(qū)顯著的高度正距平表示東北亞脊偏強(qiáng)。日本以南地區(qū)的高度正距平有利于西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱副高）加強(qiáng)。與氣候平均相比（圖3a中的藍(lán)線），在季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早年，副高面積偏大，北界偏北（圖3a中的紅線）。長江以南地區(qū)受副高控制，降水偏少。東北大部分地區(qū)和華北東部受負(fù)高度距平所控制，東北冷渦較為活躍。選取東北冷渦多發(fā)的地理范圍（35°N～55°N，115°E～140°E）（謝作威和布和朝魯, 2012），逐年計算偏早年梅雨期平均的500 hPa風(fēng)場異常（圖略）。除了1990年和2008年，10個偏早年中有8年，東北地區(qū)上空出現(xiàn)氣旋式環(huán)流距平中心，即東北冷渦多較常年活躍。但氣旋式環(huán)流異常中心的位置并不集中，有5個位于東北地區(qū)中部，2個位于監(jiān)測區(qū)西部，1個位于南部。這造成合成結(jié)果不能通過90%信度檢驗。研究顯示，東北冷渦是早夏東北和華北地區(qū)主要的降水系統(tǒng)（張慶云等, 2001; Zhao和Sun, 2007）。在季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早年，東北冷渦活躍有利于東北和華北地區(qū)降水偏多。

圖4 1951～2017年平均的（a）1月和（b）7月500 hPa位勢高度場（等值線，單位：gpm）及其緯向偏差（陰影）Fig.4 Geopotential height (contours, units: gpm) and the corresponding zonal deviation (shadings) in (a) Jan and (b) Jul during 1951-2017

在對流層低層，東亞沿岸也存在經(jīng)向的波狀環(huán)流異常。圖3b給出了偏早年850 hPa風(fēng)場異常?？梢钥闯鰪臇|北亞北部、中國東北地區(qū)至西太平洋地區(qū)上空有反氣旋—氣旋—反氣旋式環(huán)流距平。這與500 hPa高度場異常一致。受這樣的環(huán)流異常影響，長江流域及其以南地區(qū)為顯著的偏南風(fēng)距平，長江以北地區(qū)有風(fēng)場異常輻合，有利于江淮地區(qū)出現(xiàn)降水。

研究表明，東亞副熱帶西風(fēng)急流異常與夏季長江降水關(guān)系密切。當(dāng)東亞副熱帶西風(fēng)急流異常偏南時，夏季長江中下游及江南、華南降水偏多；急流偏北將使華北地區(qū)夏季降水偏多（Liang and Wang,1998; 廖清海等, 2004）。合成偏早年200 hPa緯向風(fēng)速（以下簡稱u200，圖3c）?？梢钥闯觯?0°N附近的副熱帶地區(qū)為u負(fù)距平區(qū)，日本中部和北部至東北地區(qū)南部為一正距平區(qū)，正距平中心位于（45°N，135°E）附近。以30 m s-1作為西風(fēng)急流中心的特征線。比較偏早年（圖3c中的紅線）及氣候平均（圖3b中的藍(lán)線），可以看出，西風(fēng)急流中心位置正常略偏北，有利于雨帶偏北。

下面來分析偏晚年的環(huán)流異常。圖3d 給出了21個季節(jié)轉(zhuǎn)換偏晚年梅雨期的500 hPa位勢高度場及其標(biāo)準(zhǔn)化距平的合成結(jié)果。可以看出，在偏晚年，東北亞北部為位勢高度負(fù)距平，異常負(fù)中心位于（75°N，135°E）附近；貝加爾湖南側(cè)為弱的位勢高度正距平；日本南部為顯著的負(fù)距平，異常中心位于（30°N，135°E）附近。亞洲東部為“- + -”的經(jīng)向波狀環(huán)流。與環(huán)流異常相對應(yīng)，偏晚年的東北亞脊偏弱，副高（圖3d中紅線）比氣候平均（圖3d中藍(lán)線）偏弱。氣流在長江流域匯合，有利于這里的降水偏多。

與500 hPa上的經(jīng)向波狀環(huán)流相對應(yīng)，850 hPa上，東北北部為氣旋式環(huán)流異常，中心位于（55°N，135°E）附近；貝加爾湖東南為反氣旋式環(huán)流距平；日本以南的西太平洋地區(qū)出現(xiàn)了氣旋式環(huán)流異常，中心位于（30°N，135°E）附近（圖3e）。東亞地區(qū)出現(xiàn)氣旋—反氣旋—氣旋式經(jīng)向波狀環(huán)流異常。黃河以南大部分地區(qū)受到顯著的偏北風(fēng)異常影響。這表示，在偏晚年的梅雨期，環(huán)流仍保持了一部分的冬季環(huán)流信號。

在偏晚年梅雨期，u200異常場上，中國東北地區(qū)為u200負(fù)距平區(qū)。其南側(cè)為正距平（圖3f），正距平中心位于（25°N，135°E）附近。這樣的u距平分布有利于東亞西風(fēng)急流偏南。對比偏晚年與氣候平均的30 m s－1等值線位置（圖3f中的紅線和藍(lán)線），可以看出，東亞西風(fēng)急流中心位置較氣候平均略偏南，有利于小槽影響長江流域。

圖3 10個季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早年梅雨期合成的（a）500 hPa位勢高度場（等值線，單位：gpm）及其標(biāo)準(zhǔn)化距平（陰影），（b）850 hPa 風(fēng)場異常（單位：m s-1），（c）200 hPa緯向風(fēng)速（u200，等值線，單位：m s-1）及其標(biāo)準(zhǔn)化距平（陰影）；圖3d－3f同3a－3c，只是針對21個季節(jié)轉(zhuǎn)換偏晚年的情況。圖3a、3c、3d、3f黑色圓點表示合成結(jié)果通過90%信度檢驗；圖3a和3d中的紅線和藍(lán)線分別表示5860 gpm及其氣候平均；圖3b和3e中紅色矢量表示緯向風(fēng)合成結(jié)果通過90%信度檢驗，黃色陰影表示經(jīng)向風(fēng)合成結(jié)果通過90%信度檢驗，灰色陰影表示地形超過1500 m；圖3c和3f中的紅線和藍(lán)線分別表示30 m s-1及其氣候平均Fig.3 Composite fields of (a) the geopotential height at 500 hPa (contours, units: gpm) and the corresponding normalized anomalies (shading), (b)wind anomalies at 850 hPa (units: m s-1), (c) zonal wind speed at 200 hPa (u200, contours, units: m s-1) and the corresponding normalized anomalies(shadings) during the Meiyu period in 10 early summer onset years; (d-f) as (a-c), but for 21 late summer onset years, respectively.The black dots in Fig.3a, Fig.3c, Fig.3d, and Fig.3f indicate regions where the composite anomalies are significant at the 90% confidence level.The red and blue lines in Fig.3a and Fig.3d denote the 5860 gpm and its climatology during the same period, respectively.The red vectors show that the composite zonal wind anomalies are significant at the 90% confidence level and the yellow shading denotes areas where the composite meridional wind anomalies are significant at the 90% confidence level in Fig.3b and Fig.3c.The gray shading denotes topography higher than 1500 m.The red and blue lines in Fig.3c and Fig.3f denote the 30 m s-1 and its climatology, respectively

3.3 水汽及擾動能量分析

圖5a給出了偏早年梅雨期合成的水汽通量散度距平，發(fā)現(xiàn)江淮流域有水汽通量散度負(fù)異常，即有水汽通量異常輻合，這和圖2a中這一地區(qū)降水偏多一致。在東北地區(qū)，受西太平洋反氣旋異常和東北地區(qū)氣旋式異常的共同影響，華北南部至朝鮮半島為顯著的西南風(fēng)距平（圖3b）。華北東部至東北地區(qū)也為水汽通量散度負(fù)異常（圖5a），水汽異常輻合中心位于（45°N，120°E）附近，為這里的降水偏多提供了水汽條件。

圖5 10個季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早年梅雨期合成的（a）300 hPa渦動動能異常（等值線和陰影，單位：m2 s-2）和（b）整層水汽通量散度距平；（c、d）同（a、b），只是針對21個季節(jié)轉(zhuǎn)換偏晚年的情況。黑色圓點表示合成結(jié)果通過90%信度檢驗Fig.5 Composite fields of the anomalies of eddy kinetic energy (contours and shadings, units: m2 s-2) at 300 hPa in (a) 10 early summer onset years and (c) 21 late summer onset years and the anomalies of the whole layer water vapor flux divergence in (b) 10 early summer onset years and (d) 21 late summer onset years.The black dots indicate regions where the composite anomalies are significant at the 90% confidence level

如前所述，EKE可以表征天氣尺度系統(tǒng)發(fā)生的頻率和強(qiáng)度。圖5b給出了偏早年梅雨期合成的300 hPa的 EKE 距平。在 40°N ～50°N的中緯度地區(qū)，貝加爾湖以南至中國東北、華北為一擾動動能正距平區(qū)，正距平中心位于華北東部地區(qū)?？赡苡捎谔鞖鈹_動的位置和強(qiáng)度較為多變，該地區(qū)EKE的合成結(jié)果不能通過90%信度檢驗。東北至華北地區(qū)的EKE正距平說明這一地區(qū)的天氣尺度擾動較為活躍。這與前面分析得到的東北冷渦較活躍一致。活躍的天氣擾動有利于東北至華北地區(qū)降水發(fā)生。

在偏晚年，在西太平洋氣旋式環(huán)流異常的影響下，在長江流域及其以南地區(qū)風(fēng)異常輻合（圖3f），水汽通量散度也表現(xiàn)出異常的負(fù)距平，即有水汽異常輻合（圖5c），與這里的降水偏多一致。華北和東北位于貝加爾湖東南反氣旋式環(huán)流距平的南側(cè)和東側(cè)，受偏北風(fēng)影響。水汽通量散度為正距平，有異常的水汽通量輻散，不利于降水出現(xiàn)，東北地區(qū)降水偏少。此外，長江中下游地區(qū)為300 hPa EKE正距平，距平值較?。▓D5d）。這是因為長江流域的梅雨降水多為穩(wěn)定降水，EKE的異常不明顯。

從上面的討論看出，在季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早年，在對流層中層（500 hPa）上，東亞沿岸出現(xiàn)“+ - +”的經(jīng)向波狀環(huán)流。東北亞中高緯地區(qū)為顯著的高度正距平所控制，東北亞脊偏強(qiáng)；東北地區(qū)為負(fù)距平，東北冷渦較為活躍；日本以南地區(qū)為顯著的正距平，副高偏強(qiáng)，北界偏北。在850 hPa的距平風(fēng)場上，也有相近的波狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)東北亞脊偏強(qiáng)時，東北地區(qū)為氣旋式環(huán)流距平，西太平洋副熱帶為反氣旋式距平。受這樣的環(huán)流異常影響，長江流域受副高控制，降水偏少；斜壓擾動帶位于東北地區(qū)，東北華北地區(qū)降水顯著偏多。在偏晚年，東亞地區(qū)的經(jīng)向波狀環(huán)流為“- + -”分布。東北亞高壓脊較弱，副高強(qiáng)度偏弱，北界偏南。亞洲西風(fēng)急流偏強(qiáng)，位置略偏南。長江流域及江南地區(qū)為風(fēng)場和水汽的輻合區(qū)，降水偏多。東北和華北地區(qū)處于中緯度反氣旋式環(huán)流距平的東側(cè)，受偏北風(fēng)影響，水汽通量散度異常輻散，降水偏少。

4 季節(jié)轉(zhuǎn)換對梅雨期中國降水的影響途徑

4.1 季節(jié)轉(zhuǎn)換早晚與東北亞脊異常的關(guān)系

從圖4可以看出，從冬季（1月）到夏季（7月），貝加爾湖以東至俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)由低壓槽轉(zhuǎn)為東北亞脊。葉篤正等（1958）指出，當(dāng)冬季環(huán)流轉(zhuǎn)為夏季環(huán)流后，北半球中高緯地區(qū)環(huán)流從3脊變?yōu)?脊。東北亞脊正是這4個脊中的一個。我們也計算了季節(jié)轉(zhuǎn)換前后氣候平均的5月和6月500 hPa位勢高度場及其緯向偏差（圖略）。春季至夏季，東亞環(huán)流發(fā)生調(diào)整，東亞大槽北部逐漸轉(zhuǎn)為緯向偏差正距平，東北亞脊建立。從環(huán)流上來說，對流層中高層?xùn)|北亞脊的建立是亞洲中高緯地區(qū)進(jìn)入夏季的主要標(biāo)志之一。

圖6給出了10個偏早年和21個偏晚年梅雨期合成的500 hPa位勢高度標(biāo)準(zhǔn)化距平之差?？梢钥吹剑咴跂|北亞北部有顯著的正高度距平，即偏早年的東北亞脊較偏晚年的明顯偏強(qiáng)。選?。?5°N～77.5°N，110°E～145°E）作為亞洲北部的關(guān)鍵區(qū)（圖6中紫色方框所示地區(qū)）。這個關(guān)鍵區(qū)的位置位于Chyi et al.（2021）確定季節(jié)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵區(qū)的西部，是多年平均的由冬到夏，東亞大槽向東北亞高壓脊轉(zhuǎn)換的地區(qū)。逐年計算梅雨期東北亞關(guān)鍵區(qū)區(qū)域平均500 hPa位勢高度標(biāo)準(zhǔn)化距平（圖7）?？梢钥闯?，大部分的季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早年（7/10，圖7中的圓點），亞洲北部關(guān)鍵區(qū)的環(huán)流為正異常。大部分的偏晚年（17/21，圖7中的星號），該地區(qū)的環(huán)流為負(fù)異常。從上面的結(jié)果可以看出，在季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早（晚）年梅雨期，東北亞脊多偏強(qiáng)（弱）。

圖6 10個季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早年和21個偏晚年的梅雨期500 hPa位勢高度標(biāo)準(zhǔn)化距平合成的差值（紅線表示正值，藍(lán)線表示負(fù)值，黑線表示0線；黑色圓點表示差值通過90%顯著性檢驗;紫色方框表示亞洲北部關(guān)鍵區(qū)）Fig.6 Composite differences of the normalized geopotential height anomalies during the Meiyu period between 10 early summer onset years and 21 late years (red, blue, and black lines denote the positive,negative values, and zero lines, respectively; black dots indicate the regions where the composite differences are significant at the 90%confidence level; purple square indicates the key area in northern Asia)

圖7 1951～2017年梅雨期平均的亞洲北部關(guān)鍵區(qū)區(qū)域平均500 hPa位勢高度標(biāo)準(zhǔn)化距平的時間序列（圓點表示季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早年，星號表示偏晚年）Fig.7 Time series of the areal mean normalized geopotential height anomalies at 500 hPa in the key area in northern Asia during the Meiyu period from 1951 to 2017 (dots and stars represent the early and late summer onset years, respectively)

研究顯示，在季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早年的第32候附近（平均轉(zhuǎn)換時間），在對流層中層，東北亞地區(qū)有顯著的正位勢高度異常；在偏晚年，情況相反（Chyi et al., 2021，圖12）。那么，梅雨期東北亞脊的異常與季節(jié)轉(zhuǎn)換有什么關(guān)系呢？首先來看，季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早年和偏晚年5～7月逐月500 hPa位勢高度場標(biāo)準(zhǔn)化距平。在季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早年的5月，亞洲北部地區(qū)為正高度距平，東北亞已經(jīng)有一弱高壓脊（圖8a）。東北亞地區(qū)的正高度距平從5月一直持續(xù)到7月（圖8b和8c）。這樣的環(huán)流異常說明，在季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早年，東北亞脊提前建立并持續(xù)偏強(qiáng)。在偏晚年的5月，東北亞地區(qū)為顯著的負(fù)距平（圖8d），東亞大槽依然明顯。顯著的負(fù)距平持續(xù)到7月（圖8e和8f）。即，在季節(jié)轉(zhuǎn)換偏晚年，東北亞脊建立較晚且偏弱。結(jié)合Chyi et al.（2021）和我們的結(jié)果，可以認(rèn)為，偏早（晚）年，東北亞脊偏強(qiáng)（弱），不僅出現(xiàn)季節(jié)轉(zhuǎn)換時期，而且這一信號還會持續(xù)到7月。

圖8 春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換 10 個偏早年 （a）5 月、（b）6 月和（c）7 月 500 hPa 位勢高度場標(biāo)準(zhǔn)化距平；（d-f）同（a-c） 只是針對 21 個偏晚年。黑色圓點表示合成結(jié)果通過 90% 顯著性檢驗Fig.8 Composite normalized anomalies of geopotential height at 500 hPa in (a) May, (b) Jun, and (c) Jul in 10 early summer onset years; (d-f) as(a-c), but in 21 late summer onset years.Black dots indicate th region where the composite differences are significant at the 90% confidence level

上面分析的是在偏早年和偏晚年從春季到夏季，亞洲中高緯度環(huán)流的逐月演變。下面再來分析東北亞地區(qū)的位勢高度異常的逐候演變。圖9a給出了10個季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早年合成的第28候至第40候（5月中旬至7月中旬）65°N～77.5°N平均的500 hPa位勢高度距平隨經(jīng)度－時間的變化。在偏早年的5月中旬（第28候），東北亞中高緯地區(qū)（110°E～145°E）附近已出現(xiàn)正高度距平。在第31候時，東北亞的正高度距平開始加強(qiáng)。到第32候時，高度正距平強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)。第31候是大部分季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早年發(fā)生時間，第32候為季節(jié)轉(zhuǎn)換平均發(fā)生的時間（圖1）。這就是說，偏早年東北亞脊建立較早。第32候后，除了在第35～36候（6月下旬），在整個梅雨期（第34～39候），東北亞地區(qū)維持高度正距平。即，在季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早年，東北亞脊建立較早，且強(qiáng)度偏強(qiáng)，并且東北亞脊在整個梅雨期基本保持偏強(qiáng)。

在21個偏晚年里（圖9b），從季節(jié)轉(zhuǎn)換開始前至梅雨結(jié)束，東北亞中高緯地區(qū)500 hPa位勢高度以負(fù)距平為主。在第30～32候，東北亞地區(qū)出現(xiàn)位勢高度負(fù)距平，第33候時，負(fù)距平減弱。這是偏晚年季節(jié)轉(zhuǎn)換多出現(xiàn)的時間。即在偏晚年，東北亞脊建立較晚，強(qiáng)度偏弱。除了第35～36候（6月下旬），東北亞地區(qū)出現(xiàn)弱的位勢高度正距平外，在梅雨期中，東北亞地區(qū)維持高度負(fù)距平，東北亞脊的強(qiáng)度多為偏弱。

從上面的討論看，在季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早年，東北亞脊建立較早，且強(qiáng)度偏強(qiáng)，并且持續(xù)到梅雨結(jié)束時。而在季節(jié)轉(zhuǎn)換偏晚年，東北亞脊建立較晚，強(qiáng)度偏弱，并且在季節(jié)轉(zhuǎn)換之后的梅雨期，東北亞脊持續(xù)偏弱。Chyi et al.（2021）揭示了春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)換早晚的機(jī)制：對氣候平均而言，非絕熱加熱和亞洲北部的融雪過程在春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換中起著至關(guān)重要的作用。導(dǎo)致季節(jié)轉(zhuǎn)換早晚則與海平面氣壓場異常有關(guān)。在偏早年，季節(jié)轉(zhuǎn)換前，80°E以東的亞洲北部大部分地區(qū)為海平面氣壓正異常，其西側(cè)為海平面氣壓負(fù)異常。海平面氣壓正、負(fù)異常中心之間的南風(fēng)距平加強(qiáng)，有利于東北亞地區(qū)氣溫升高，季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早（Chyi et al., 2021，圖10）。與此同時，上述研究表明，當(dāng)季節(jié)轉(zhuǎn)換早（晚）時東北亞脊建立的時間也早（晚）。我們注意到，無論是季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早年還是偏晚年，第32候時，東北亞北部地區(qū)的位勢高度異常達(dá)到極大或極小值（圖9）。第32候正是Chyi et al （2021）確定的季節(jié)轉(zhuǎn)換的平均轉(zhuǎn)換候，也是亞洲北部地區(qū)地面升溫達(dá)到穩(wěn)定的時間。這也表明對流層中層和近地面加熱之間的一致性耦合關(guān)系。

圖9 季節(jié)轉(zhuǎn)換（a）10個偏早年和（b）21個偏晚年第25候至第40候65°N~77.5°N平均的500 hPa位勢高度場距平的時間—經(jīng)度剖面（黑色圓點表示合成結(jié)果通過90%顯著性檢驗，藍(lán)色虛線表示梅雨期）Fig.9 Time-longitude cross-section of geopotential height anomalies averaged for 65°N-77.5°N in (a) 10 early summer onset years and (b) 21 late years from pentad 25 to pentad 40 (black dots indicate regions where the composite anomalies are significant at the 90% confidence level and the blue dash lines indicate the Meiyu period)

4.2 梅雨期東北亞脊異常與同期中國東部降水異常的關(guān)系

以梅雨期亞洲北部關(guān)鍵區(qū)平均的500 hPa位勢高度標(biāo)準(zhǔn)化距平超過+（-）0.75標(biāo)準(zhǔn)差為東北亞脊偏強(qiáng)（弱）年。偏強(qiáng)和偏弱年各有8年。合成這些年梅雨期的降水異常。在東北亞脊偏強(qiáng)年，長江流域降水偏少，東北地區(qū)降水偏多（圖10a）。這與季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早年梅雨期的降水異常（圖2a）相似。而在東北亞脊偏弱年，東北降水偏少，長江流域降水偏多（圖10b）。這與季節(jié)轉(zhuǎn)換偏晚年的情況相似（圖2b）

圖10 東北亞脊（a）8個偏強(qiáng)年和（b）8個偏弱年合成的梅雨期全國降水距平百分率（紫色圓點表示合成結(jié)果通過90%信度檢驗）Fig.10 Composed precipitation anomalies in percentage during the Meiyu period in (a) eight strong and (b) eight weak ridges over northeastern Asia years (purple dots indicate the regions where composite anomalies are significant at the 90% confidence level)

4.3 梅雨期東北亞脊異常與同期環(huán)流異常的關(guān)系

合成東北亞脊偏強(qiáng)和偏弱年的環(huán)流距平（見圖11），可以看出，在亞洲北部位勢高度偏高，即東北亞脊偏強(qiáng)年（圖11左列），東亞地區(qū)從高緯度至副熱帶地區(qū)存在“+-+”的位勢高度距平分布，亞洲北部高緯度地區(qū)為顯著的正距平，東北地區(qū)為負(fù)距平，日本南部地區(qū)為正距平（圖11a）。在低層風(fēng)場上，西太平洋地區(qū)有反氣旋異常，在東北地區(qū)有氣旋式環(huán)流異常，氣旋式環(huán)流異常中心位于40°N附近（圖11b），有利于東北冷渦的發(fā)展。東北亞脊偏強(qiáng)年和季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早年梅雨期的環(huán)流異常（圖11a和圖3a，圖11b和圖3b）非常相似。Chyi et al.（2021）研究了6月初東北亞地區(qū)Rossby波能量傳播發(fā)現(xiàn)，在季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早年，有Rossby波能量從東北亞位勢高度正距平區(qū)向南傳播，在中國東北地區(qū)能量輻合，有利于這里負(fù)距平的維持。因此，在偏早年梅雨期，東北亞脊的異常可能通過Rossby波能量傳播形成東亞沿岸的“+ - +”波狀環(huán)流結(jié)構(gòu)。

而在東北亞脊偏弱年，在500 hPa高度場上，從高緯度至副熱帶，東亞為“- + -”的距平分布（圖11c），東北亞為顯著的負(fù)距平，東北至華北為正距平，西太平洋副熱帶地區(qū)為負(fù)距平。在低層風(fēng)場上，西太平洋副熱帶地區(qū)為氣旋式環(huán)流距平，東北地區(qū)為反氣旋式環(huán)流距平（圖11d）。異常影響下，東北亞脊偏弱年梅雨期的環(huán)流與季節(jié)轉(zhuǎn)換偏晚年的非常相似（圖3d和3e）。

從上面的分析可以看到，季節(jié)轉(zhuǎn)換的早晚與東北亞脊的異常關(guān)系密切。在季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早（晚）年，東北亞脊較早（晚）建立，強(qiáng)度偏強(qiáng)（弱）。東北亞脊的異常往往可維持至梅雨期結(jié)束。當(dāng)東北亞脊偏強(qiáng)（弱）時，有利于東亞中高緯地區(qū)至副熱帶地區(qū)形成“+ - +”（ “- + -”）的經(jīng)向波狀環(huán)流，東北地區(qū)維持負(fù)（正）高度距平，日本以南地區(qū)維持正（負(fù)）高度距平，即東北冷渦偏強(qiáng)（弱），以及副高強(qiáng)度偏強(qiáng)（弱）、北界偏北（南）。相似的環(huán)流異常導(dǎo)致東北亞脊偏強(qiáng)（弱）年和季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早（晚）年梅雨期的降水異常也相似，均表現(xiàn)為長江流域降水偏少（多），東北地區(qū)降水偏多（少）。

5 結(jié)論和討論

使用合成分析方法，研究了亞洲中高緯地區(qū)春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換（季節(jié)轉(zhuǎn)換）早晚對中國梅雨期降水異常的影響，得到結(jié)論如下：

（1）東北亞中高緯度春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換時間存在顯著的年代際差異特征，1951～1960年和2000～2017年處于季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早階段，而1961～2000年為偏晚階段；其季節(jié)轉(zhuǎn)換早晚對中國東部梅雨期降水有顯著影響，尤其是江淮流域和東北地區(qū)降水異常。

（2）在年際尺度上，季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早（晚）年梅雨期，對流層中層（500 hPa）上，中高緯地區(qū)為顯著的高度正（負(fù)）距平所控制，東北亞脊偏強(qiáng)。東北亞中高緯地區(qū)、中國東北至日本以南的西太平洋有“+ - +” （“- + -”）的經(jīng)向波狀環(huán)流。在850 hPa的距平風(fēng)場上，也有相近的波狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)東北亞脊偏強(qiáng)（弱）時，東北地區(qū)為氣旋式（反氣旋式）環(huán)流距平，西太平洋副熱帶為反氣旋式（氣旋式）距平。環(huán)流的異常導(dǎo)致東北地區(qū)降水異常偏多（少），長江流域降水偏少（多）。

（3）初步探討了亞洲中高緯地區(qū)入夏時間的早晚影響梅雨期大氣環(huán)流和中國東部降水異常的途徑，在季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早（晚）年，東北亞高壓脊多建立較早（晚），強(qiáng)度偏強(qiáng)（弱）。東北亞脊的異常往往可持續(xù)到梅雨期結(jié)束，有利于東亞沿岸形成“+ - +”（“- + -”）的經(jīng)向波狀環(huán)流，從而導(dǎo)致環(huán)流和中國東部降水的異常。

本文研究了亞洲中高緯度春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換對梅雨期中國東部氣候異常的影響及其途徑。實際上，還有一些問題沒有得到回答。首先，春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換與東北亞脊建立之間的相互作用機(jī)制是什么？從合成結(jié)果看，季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早年，東北亞脊建立早，強(qiáng)度偏強(qiáng)，并能持續(xù)到梅雨期。偏晚年，情況相反（圖8和圖9）。但并不清楚季節(jié)轉(zhuǎn)換早晚與東北亞脊異常之間相互作用的物理機(jī)理。因此，需要深入研究亞洲中高緯地區(qū)春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換和東北亞脊異常之間的相互作用機(jī)理。

其次，東北亞脊異常的維持機(jī)制是什么？在前面的討論中，我們發(fā)現(xiàn)在季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早（晚）年，早在5月末至6月初，東北亞地區(qū)即出現(xiàn)位勢高度的正（負(fù)）距平（圖9）。高度場的異常往往可以持續(xù)到梅雨期結(jié)束。長時間維持的環(huán)流異?？赡芘c外強(qiáng)迫的異常有關(guān)。Chyi et al.（2021）指出，季節(jié)轉(zhuǎn)換的早晚與亞洲北部的積雪有密切關(guān)系。從春到夏，亞洲北部氣溫經(jīng)歷了快速升溫并趨于穩(wěn)定的過程。亞洲北部的積雪影響局地升溫過程及季節(jié)轉(zhuǎn)換的早晚。因此，亞洲中高緯地區(qū)積雪可能是東北亞脊異常維持的原因之一。除此之外，在季節(jié)轉(zhuǎn)換發(fā)生偏早年與偏晚年500 hPa位勢高度差值場上，東北亞關(guān)鍵區(qū)上游，巴爾喀什湖以北地區(qū)有顯著的位勢高度負(fù)距平（圖6）。東北亞脊的異常可能受到上游系統(tǒng)或大西洋海溫異常的影響。另外，我們還注意到，無論是偏早年還是偏晚年，在第35～36候（6月下旬），東北亞地區(qū)的異常均出現(xiàn)了短暫的中斷。這是否意味著梅雨期前期與中后期的東北亞脊異常的形成機(jī)理不同？這需要對梅雨不同階段的東北亞脊的異常特征和形成機(jī)制進(jìn)行細(xì)致分析。我們接下來的工作將詳細(xì)研究影響東北亞脊異常維持的機(jī)制。

最后，東亞沿岸經(jīng)向波狀環(huán)流異常的形成機(jī)理值得進(jìn)一步探索。如前所述，我們認(rèn)為東亞沿岸經(jīng)向波狀環(huán)流異常是季節(jié)轉(zhuǎn)換異常影響中國東部夏季氣候的一種途徑。但并未詳細(xì)研究東亞沿岸經(jīng)向波狀環(huán)流異常的形成機(jī)制。Chyi et al.（2021）研究了6月初東北亞地區(qū)Rossby波能量傳播，發(fā)現(xiàn)，在季節(jié)轉(zhuǎn)換偏早年，有Rossby波能量從東北亞位勢高度正距平區(qū)向南傳播，在中國東北地區(qū)能量輻合，有利于這里負(fù)距平的維持。在未來的工作中，將研究梅雨期東亞地區(qū)Rossby波能量的傳播情況及其對東亞沿岸經(jīng)向波狀環(huán)流異常的影響。

致謝感謝中國科學(xué)院大氣物理研究所國際氣候與環(huán)境科學(xué)中心的紀(jì)立人研究員、孫淑清研究員和氣象科學(xué)研究院的劉舸研究員為本文提供了很多有益的建議。感謝兩位審稿人對本文內(nèi)容提出的建設(shè)性意見。