汪甫 郭建茂 叶晓歆 胡康 林嘉宝 赵奕

(1 南京信息工程大学，南京 210044；2 南昌市气象局，南昌 330000；3 江西省气象服务中心，南昌 330000)

引 言

江西省位于中国东南部、长江中下游南部地区，属于亚热带季风湿润区。夏季主要受偏南季风控制，偏南季风将阿拉伯海、南海和西太平洋地区的暖湿空气带至东亚内陆，引发降水[1-2]。当夏季风的强度偏强时，偏南季风所携带的水汽量增加，江西省夏季平均降水量便会偏多，从而引发严重的洪涝灾害，反之亦然。1998年长江流域发生历史罕见的大洪水，江西省是受灾最为严重的地区之一；2020年江西省又遭遇了1950年以来历史上最多的降水，其导致的洪涝灾害使得江西省近700万人受灾，直接经济损失达202.2亿元。深入认识江西省夏季降水的变化特征及其内在变化规律，可为夏季降水灾害防控提供理论支撑。

夏季，江西省所属的季风区主要受东亚夏季风系统控制。本质上，东亚夏季风为副热带季风，其系统内的主要成员包括南海—西太平洋季风槽，热带辐合带、西太平洋副热带高压、澳大利亚冷高压、高低空空越赤道气流以及高空东风急流等[3-4]。因此，不同于属于热带季风系统的南亚季风，东亚夏季风的变率不仅受热带地区的系统过程影响，还会受到中纬度地区的系统过程影响[5-6]。当中纬度系统和热带系统的活动都偏强时，受中纬度系统影响南下的干冷空气与受热带系统影响北进的暖湿空气在江南地区交馁，引起夏季降水增加。此外，除了受到大气内部变率的影响，东亚夏季风还会受到许多外强迫的影响：如热带海表面温度(Sea Surface Temperature， SST)、高纬地区的雪盖、青藏高原的热力情况以及局地的土壤湿度等[7-9]。在众多的影响因子中，厄尔尼诺—南方涛动(El Nio Southern Oscillation，ENSO)被普遍认为是外强迫中最重要的因子之一[10]。研究表明，当El Nio处于消亡阶段时，东亚夏季风的强度往往会偏强。

前人主要将东亚夏季风作为整体来研究[11]，较少关注东亚夏季风子区域内降水的变异原因。而不同于形势场的变化有非常大的局地差异性和空间分布不均匀性；此外，不同外强迫因子影响东亚夏季风降水的空间差异非常大，且影响区域会随着季节发生变化。因此，尽管东亚夏季风子区域内的降水变率和整个东亚夏季风区的降水变率相似，但仍存在差异。本文将从降水场出发，研究影响江西省夏季降水年际变化的主要原因。

1 资料与方法

使用的降水资料来自中国气象局的全国160个气象台站的逐月降水资料，其中6个站点位于江西省(图1)，且6个台站分布较均匀；此外，使用了英国东英格利亚大学气候研究所(Climatic Research Unit, CRU)提供的V4.04版本的降水数据对站点数据进行验证。首先，对江西省夏季降水进行了EOF分析，其中EOF1为全省一致型的空间模态，其解释方差为70.4%，因此这6个站点的降水能够代表江西省夏季降水变化；其次，基于台站数据和CRU格点资料得到的江西省夏季降水的时间序列在1979—2018年的相关系数为0.92，通过了α=0.01的显著性检验。尽管反映江西省夏季降水的气象台站数据较少，但仍能较好地反映江西夏季降水的年际变率。

再分析数据为来自日本气象局的逐月平均的JRA-55数据集[12]，海温数据为来自英国哈德莱中心的HadISST海温数据集[13]，向外长波辐射(Outward Longwave Radiation，OLR)资料来自美国国家海洋大气中心，用以近似代表降水活动[14]。研究时段为1979—2018年，其中夏季取6—8月。

图1 江西省地面气象台站分布(红点)Fig.1 Distribution of meteorological stations inJiangxi Province (red spots)

为了刻画大气Rossby波的传播特征，本文使用Takaya, et al[15]提出的波活动通量来诊断Rossby的能量频散传播：

(1)

其中:ψ、R、f0、N、T、p0分别代表干空气比气体常数、45°N的科里奥利参数，浮力频率以及标准化后的气压值(气压除以1 000 hPa)；V=(u,v)是纬向风和经向风；脚标x和y分别代表纬向和经向的偏导数。横线和撇号分别代表气候态和异常值。在WKB近似假定下，Takaya-Nakamura(TN)通量不依赖于行星波的空间位相，其方向与行星波局地的群速度方向一致。由于该通量可以适用于纬向和经向上不均匀的基本流场，因此非常适合描述在夏季蜿蜒背景流上传播的行星波活动。

本文主要采用线性回归的方法研究与江西夏季降水年际变化有关的物理过程，并使用t检验来检测统计信度。

2 影响江西夏季降水年际变化的热带外因子

图2给出了1979—2018年江西省夏季降水量的时间演变。可以看出，江西省夏季降水呈明显的年际变化，如1999年的夏季降水量接近900 mm，1981年的夏季降水量约为300 mm，前者的降水量接近为后者的三倍。夏季降水年代际变化上，1980s降水偏少，1990s降水偏多，2000年后降水偏少，近年来的夏季降水又有增多的趋势。本文将重点分析江西夏季降水的年际变化。

图2 1979—2018年江西省夏季降水量的时间序列(单位：mm)Fig.2 Time series of summer rainfall in Jiangxi from1979 to 2018 (unit: mm)

图3 江西省夏季降水回归的200 hPa位势高度场(填色，单位：gpm)和波作用通量场(矢量，其中浅灰点和深灰点分别表示位势高度场t检验通过了α=0.05 和α=0.01的显著性水平)Fig.3 Regressed geopotential height (shading; unit: gpm) and wave activity flux (vector) with respect to the summer rainfall in Jiangxi (Light and dark spots indicate statistical significance for geopotential height at the 95% and 99% confidence levels， respectively)

为了表明热带外因子对江西省夏季降水年际变率中的作用，图3为降水回归的200 hPa位势高度场空间分布。在做回归前，先将降水序列进行了标准化处理，因此回归值代表当降水量偏多一个标准差时所对应的位势高度场异常。可以看出，当江西省降水偏多时，在欧亚大陆存在一支在中高纬度传播的波列[16-17]，且波列的中心分别位于欧洲东部、巴伦支海和贝加尔湖附近。这一位势高度异常的空间结构对应着先北传再南传的波活动通量，证明这支波列为在大圆路径上传播的准静止Rossby波[18]。

图4 同图3，但为850 hPa位势高度场Fig.4 Same as in Fig. 3， but for 850 hPa geopotential height

图4为降水回归的850 hPa位势高度场空间分布图。与高层结构类似，在对流层低层的巴伦支海和贝加尔湖附近也存在着负位势高度场和正位势高度场异常中心，说明这支波列在对流层内的垂直结构主要为正压的。此外，高层位势高度场中心相较于低层位势高度场中心偏西，可见这支波列随着高度略微西倾的斜压结构。根据Eady模型，这种结构表明温度场略微滞后于高度场，有利于平均有效位能向扰动有效位能的转换，从而为波列的维持提供能量来源。相比于对流层上层的位势高度场异常，对流层低层的位势高度场和波作用通量的强度较弱。推测可能由于Rossby主要在对流层上层传播，因此相应的波振幅和波作用量通量强度在对流层上层强度较强；相应的，Rossby波在对流层低层的振幅较小，且由于边界层摩擦和地形耗散作用，使得Rossby波在对流层低层波作用量振幅较小。

可见，在对流层上层，当从欧洲往东频散的波动能量传播至贝加尔湖附近时，可在贝加尔湖地区形成异常的反气旋高压中心。从位涡的角度来看，对流层高层的异常反气旋为负位涡异常，该位涡异常可以通过影响整层气柱的温度场和压力场，在近地面也建立起异常反气旋性高压环流[19]。反气旋高压中心东侧的偏北风能有利于干冷空气向南入侵，利于江南地区锋生，从而造成江西境内降水增加。

3 影响江西夏季降水年际变化的热带海温的作用

图4表明除了在中高纬度传播的波列，菲律宾附近存在一个在对流层低层维持的反气旋中心。这个异常反气旋性环流表明西太平洋副热带高压西伸增强，利于水汽输送至中国东南部地区，为江西降水增多提供了有利的背景水汽条件(图5)。

图5 江西省夏季降水回归的1 000～500 hPa垂直积分的水汽通量(矢量，单位：kg·m-2·s-1)和水汽含量(填色；单位：kg·m-3，浅色和深色分别表示水汽含量通过了α=0.05 和α=0.01的显著性检验Fig.5 Regressed vertically-integrated water vapor flux (vector; unit: kg·m-2·s-1) and moisture content (shading; unit: kg·m-3) from 1 000 hPa to 500 hPa with respect to the summer rainfall in Jiangxi(Light and dark shadings indicate statistical significance for geopotential height at the 95% and 99% confidence levels， respectively)

由于西太平洋副高的变率和热带内系统存在着紧密的联系，进一步研究影响江西夏季降水的热带信号。图6给出了降水回归的OLR场，可以看出，当江西夏季降水偏多时，东亚地区存在一条带状的西南—东北走向的降水异常正值区，表明夏季梅雨期雨量增加。此外，在菲律宾地区还存在OLR正异常中心，表明该地区降水偏少。西北太平洋和梅雨降水反位相的空间结构表明东亚—太平洋型遥相关(East-Asian Pacific，EAP)[20，21]，也称为太平洋—日本型遥相关(Pacific-Japan，PJ)[22]异常活动：当菲律宾地区的对流活动发生异常时，能在大气对流层中层引起潜热释放的异常，异常的潜热能在局地形成Rossby波源，并激发向北传播的EAP/PJ波列，形成图6所示的南负北正的“跷跷板”型空间结构的降水异常结构。

图6 同图3，但为OLR场(单位：W·m-2)Fig.6 Same as in Fig. 3， but for OLR field (unit：W·m-2)

关于引起了EAP/PJ波列异常活动原因。图7给出了江西夏季降水回归的SST季节演变。可以看出，当江西降水偏多时，前期冬季在中东太平洋地区存在显著的暖海温(图7a)，即El Nio事件的发生。前冬中东太平洋的暖海温能一直持续至春季(图7b)，并在夏季逐渐减弱(图7c)。尽管中东太平洋暖海温的异常强度在夏季已经较弱，无法通过引起大气环流的异常造成EAP/PJ波列的异常活动。但中东太平洋在前冬的暖海温异常能通过大气桥使得印度洋在夏季形成暖海温异常[23]。为进一步探究印度洋对大气环流的作用，图8给出了印度洋海温回归的850 hPa流函数场。当印度洋海温偏暖时，在西北太平洋地区的对流层低层存在异常的反气旋性环流，这意味着副高西伸增强，从而有利于水汽向江西地区的输送。XIE，et al[23]研究表明，印度洋海温的正异常海温能通过局地的湿对流调整过程，激发向东传播的Kelvin波。当Kelvin波传播至海洋大陆地区时，其能通过大气边界层的Ekman抽吸和局地的对流—环流反馈过程，在西北太平洋地区的对流层低层形成异常的反气旋环流，从而进而激发向北传播的EAP/PJ波列。因此。尽管前期冬季的El Nio事件在夏季时已逐渐消亡，但通过印度洋的“电容器”机制[23]，仍能在西太平洋地区激发出异常的EAP/PJ波列，造成西北太平洋副高的西伸增强，使江西夏季降水增多。

图7 江西夏季降水回归的海温(单位：℃)在前冬(a)、前春(b)和同期夏季(c)分布 (其中浅灰点和深灰点分别表示海温场通过α=0.05 和α=0.01显著性检验)Fig.7 Regressed SST field (unit: ℃) with respect to summer rainfall in Jiangxi during preceding winter (a)， preceding spring(b)， and simultaneous summer (c) (Light and dark spots indicate statistical significance for geopotential height at the 95% and 99% confidence levels， respectively)

图8 夏季印度洋海温回归的850 hPa流函数场(填色，单位：106 m2·s-1；浅灰点和深灰点分别表示位势高度场t检验通过了α=0.05和α=0.01的显著性水平；印度洋海温的选取区域为(0°～20°N，45°～105°E))Fig.8 Regressed 850 hPa stream fuction with respect to the summer SST over Indian Ocean over (0°-20°N, 45°-105°E)(shading; unit: 106 m2·s-1； Light and dark spots indicate statistical significance for streamfuction at the 95% and 99% confidence levels， respectively， according to a two-tailed Student’s t test)

4 结论

利用观测资料和大气再分析资料，本文分析了影响江西省夏季降水变率的物理机制。结果表明当江西省夏季降水偏多时，欧亚大陆地区存在“正—负—正”的准正压Rossby波列结构，位于贝加尔湖的正活动中心能引导干冷空气南下，从而有利于江南地区的锋生和江西降水的增加。当江西省夏季降水偏多时，前期冬季中东太平洋地区有El Nio事件的活动，并通过大气桥在夏季印度洋地区形成正海温异常。通过“印度洋电容器”机制，印度洋的暖海温能激发向东传播的Kelvin波，引起菲律宾地区降水的减少。菲律宾地区抑制的降水能激发向北传播的EAP/PJ波列，使西太平洋副热带高压西伸增强，从而有利于水汽向江南地区的输送，并造成江西夏季的降水增加。总体而言，中纬度地区的准静止波列和热带关键海区的海温异常是造成江西夏季降水异常的主要原因。

降水变率存在明显的空间分布不均匀性，整个东亚夏季风区降水变率原因并不一定是江西省降水变率的原因。相比于主要关注整个夏季风区或较大空间区域内的夏季降水异常，本文探讨了空间范围较小的江西省夏季降水异常，并明确提出了其变化的物理模型。

本文只分析了江西夏季降水年际变化的主要原因，然而图2表明江西省夏季降水亦存在着显著的年代际变化，造成江西省夏季降水的年代际变化的原因，还需要重视。此外，尽管本文指出了ENSO是造成江西省夏季降水变化的主要原因之一，但自1980s以来，中太平洋型ENSO事件发生的频率显著增加。由于中太平洋型ENSO事件与传统型ENSO事件在演变工程和气候影响上都有较大的差异[24，25]。因此，在未来的工作中，需要进一步探究不同类型的ENSO事件对江西夏季降水的影响。