“絲綢之路”模態與東亞夏季環流的關系

李　艷，張英華，鄭鳳魁，袁有林

（1.蘭州大學大氣科學學院，甘肅 蘭州 730000；2.94582部隊氣象臺，河南確山 463217；3.93123部隊氣象臺，遼寧遼陽 111000；4.63610部隊氣象臺，新疆 庫爾勒 841001）

大氣遙相關是指遠距離的大氣環流變化間的相關，是一種大氣環流持續異常的現象，Wallace和Gutzler[1]發現冬季北半球500 hPa主要存在5個遙相關型，即太平洋—北美（PNA）型、歐亞（EU）型、西大西洋（WA）型、西太平洋（WP）型和東大西洋（EA）型，這些遙相關型在夏季仍然存在，但不及冬季典型，且在夏季隨著西風環流向北推移[2]。而夏季歐亞大陸上空的遙相關波列中，主要包括太平洋—日本（PJ）波列（或稱為東亞—太平洋（EAP）波列）[3-6]、OKJ波列[7-8]以及“絲綢之路”遙相關波列[9]（the Silk Road pattern，以下簡稱SR型）等。PJ波列在夏季經常起源于菲律賓附近，沿東北方向向北美傳播，它與菲律賓附近地區的對流活動加熱有關[4-5]，但近年來也有研究指出，PJ波列還與中高緯度的正壓和斜壓能量轉換有關，且具有自我維持的機制[10-11]，它對中國中東部地區和日本的天氣氣候有重要影響[12-13]。OKJ波列在初夏最強，通常起源于里海，經貝加爾湖、鄂霍次克海后轉向東南經日本再傳播到副熱帶的洋面上空，它有相當長的路徑是在中國以北的西伯利亞上空[7-8，14]。而SR遙相關模態大體沿 40°N附近呈準緯向分布并貫穿歐亞大陸，西起地中海，東至日本上空附近，它與夏季亞洲急流的分布位置相當一致，SR模態通過正壓和斜壓能量轉換從基本流中獲得動能，從而得以維持[14-15]，其中西風急流起到了波導的作用，并將波列限制在它附近，SR波列與西風基本流的相互作用可以解釋SR模態的鎖相特征和自我維持機制[17-18]。一些研究認為熱帶加熱在觸發SR模態上有一定貢獻，Ding等[19]經過分析，認為印度夏季降水異常產生的熱源加熱在激發SR模態向下游傳播時起到一定作用。此外，一些學者對SR模態的分布和變化特征也做了研究，Song等[20]通過經驗正交函數分解（EOF）等方法，認為存在兩種SR模態，并分別分析了這兩種SR模態的特征。Chen等[21]從理論和模式上分析了SR模態在熱力耗散情況下的斜壓不穩定特征。Hong等[18]分析發現SR模態的位相與亞洲急流位置的南北變動有密切關系，當亞洲急流偏北時，西亞和東亞出現反氣旋異常，而歐洲和中亞出現氣旋性異常。

SR模態通過大氣環流的作用對東亞的氣溫和降水也有重要影響，且常常與其他遙相關模態共同影響東亞地區的天氣和氣候。Wang等[22]指出2014年夏季強的SR遙相關型、太平洋—日本（PJ）遙相關型和歐亞（EU）遙相關型對西太平洋副高和東亞大槽產生重要影響，從而導致了東亞降水“三極子”型模態和中國華北以及東北亞嚴重干旱的出現。Hsu等[23]指出東亞沿海南北向的遙相關模態在東亞夏季“三極子”型降水的正位相更加活躍，而在負位相，沿歐亞大陸的東西向波列則更加顯著。

由于西太平洋副高、南亞高壓、梅雨鋒等夏季風系統對東亞環流形勢的影響更加直接和重要，關于這些系統對東亞氣候影響的分析已經很多。而已有的與SR模態有關的一些研究也大多是從分析大氣環流和地面氣象要素異常成因的角度，僅將SR模態作為其中一個影響因子來分析環流異常的原因，但專門討論SR模態與某一地區中低層大氣環流及地面氣象要素之間關系的研究還不多，且這些分析中關于印度、日本等地區的較多，而關于整個東亞尤其是中國中東部的較少。因此，本文將重點分析SR模態與東亞環流系統的聯系，并在此基礎上，進一步分析SR模態對東亞地面氣象要素的影響。

1　資料與方法

1.1　資料

本文使用歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）的ERA-Interim月平均位勢高度場、風場等資料進行環流分析，高度層為1000～100 hPa，使用350 K等位溫面上的位渦（PV）資料，試圖從位渦觀點來分析環流異常的成因。使用GPCP Version 2.2月降水率資料分析環流異常對東亞地區降水的影響。所有資料采用6、7、8月的平均值作為夏季平均場，年份為1979—2015年，共37 a，資料的空間分辨率為2.5°×2.5°。

1.2　關于SR模態的定義及所用方法

本文SR模態的定義為：夏季（30°～50°N，30°～130°E）范圍內200 hPa經向風場EOF分解第1模態的時間系數（PC1），將PC1標準化后，定義為SRI指數，該定義也為不少文獻所采用[16，18，20]，只是選取的范圍略有差異。

由于本文主要關注SR模態的年際而非年代際變化對氣候的影響，因此所有資料在求距平前，均除去其逐年的線性趨勢。本文還用到線性回歸、合成分析以及t分布檢驗等方法。

2　關于SR模態正負異常年的環流特征分析

2.1　回歸特征分析

從關于SRI指數在200 hPa的回歸場（圖1）可知，典型的SR遙相關波列中，有3個顯著的位勢高度異常中心分別位于東歐、中亞和中國新疆、內蒙古西部、甘肅附近上空，在中國東北、朝鮮半島和日本附近，也有一個異常中心，該遙相關波列甚至延伸到了日本以東洋面上空。除了東歐的異常中心緯度偏高些，自東歐至日本以東，SR模態的位勢高度距平大體沿40°N呈“+、-、+、-、+”的準緯向分布。

圖1　關于SRI指數線性回歸的200 hPa位勢高度場距平

2.2　500 hPa合成分析結果

本文在計算合成分析結果時，以SRI指數分別≥1和≤-1作為選取正負異常年份的依據，這樣篩選出來的SR模態正異常年為1981，1989，1991，1999，2000，2002，2009，2010年，共8 a；負異常年為1983，1984，1990，1994，1995，2008年，共6 a。

雖然SR模態在對流層上層最顯著，但仍可通過大氣環流影響到對流層中下層。圖2為關于SR模態合成的500 hPa正負異常年的環流異常特征，在正異常年（圖2a），高度場距平位置的分布與200 hPa線性回歸（圖1）的情況比較一致，但與200 hPa相比，中國西北的高度異常區明顯偏東，顯著區范圍延伸到了中國華北上空，而200 hPa上位于朝鮮半島的負異常中心已東移至中國東北且變得不顯著，風場異常與高度場大體是配合的。在中國環渤海附近，沿高壓東側有比較明顯的偏北風異常，且高壓在中國北方應是不利于海上暖濕氣流輸送至此的。配合200 hPa的急流區來看（圖3a），正異常年的急流區在東亞上空比較彎曲，在90°～105°E區域急流區北抬，顯示出一種“波峰”的形態，而在環渤海和朝鮮半島，則顯示出“波谷”的形態，與之對應的是，500 hPa實際位勢高度合成場中（圖3a），中緯度90°～110°E區域的中國新疆上空附近，也有一高壓脊存在，有利于中高緯度的冷空氣沿脊前南下影響環渤海和朝鮮半島地區，而在環渤海附近，則有一較明顯的低槽存在。值得注意的是，由圖2a可知，SR模態在500 hPa上，主要與中國的中緯度地區有關，而與30°N以南的中國南方，關系不大，在850 hPa上，情況也類似。在日本列島附近，沿日本以東的高壓（Enomoto[8，23]稱該高壓為“小笠原高壓”，該高壓是夏季位于日本附近的一個副熱帶反氣旋）偏強，其西側有明顯的偏南風異常，有利于西北太平洋上的暖濕氣流的輸送。

在負異常年（圖2b），SR波列與正異常年相比更加顯著，遙相關波列特征更加清楚，且有一個明顯的不同是，西北歐附近出現一個顯著的高度正距平區，這表明在SR模態負異常年，上游歐洲地區的定常波活動對SR模態的影響，比正異常年更顯著一些。在東亞地區，朝鮮半島附近的反氣旋異常中心比較顯著，中國華北位于此反氣旋的西側，有東南風異常，有利于海上暖濕水汽的輸送，而在日本附近則相反，在該反氣旋東側，有偏北風異常。從200 hPa急流來看（圖3b），負異常年的急流區比正異常年更加平直，急流也更強些，25 m·s-1以上的區域已經向東延伸到環渤海附近，與200 hPa急流相一致的是，500 hPa位勢高度場上（圖3b），新疆附近并沒有高度脊存在，環渤海地區也沒有明顯的低槽。

圖2　關于SRI指數合成的正（a）、負（b）異常年500 hPa位勢高度場距平（等值線，單位：gpm）和風場距平（箭頭，單位：m·s-1）

圖3　 關于SRI指數合成的正（a）、負（b）異常年500 hPa位勢高度場（等值線，單位：gpm）、500 hPa風場（箭頭，單位：m·s-1，風速＜5 m·s-1的未顯示）和200 hPa急流區

2.3　剖面圖分析

為了更直觀地分析SR模態在整個對流層中的環流結構，計算得到了關于SR模態正負異常年的經度—高度剖面圖和緯度—高度剖面圖（圖4、圖5）。在經度—高度剖面圖的正異常年中（圖4a），SR模態的波列特征比較清楚，尤其是位于中亞、中國新疆和日本以東的異常中心，且是相當正壓的，自高層的100 hPa一直延伸到低層的700 hPa左右，但在135°E附近的東亞地區的異常中心不明顯，這與圖2a一致。在對流層中低層110°～130°E區域的中國北方，有明顯的下沉氣流，與圖2a中500 hPa的偏北風結合分析，不利于該地區降水的產生，而在140°E附近的日本列島，上升氣流的距平是主要的。

在負異常年（圖4b），SR模態的波列特征仍比較清楚，不同之處在于30°～70°E對流層的中低層，有位勢高度負距平，伴隨上升氣流異常，且位于東亞135°E的正異常中心變得顯著，在該異常中心的西側和東側分別有上升和下沉氣流異常，而日本以東的負異常中心則變得不顯著。

圖4　關于SRI指數正（a）、負（b）異常年合成的位勢高度場（等值線，單位：gpm）、風場（箭頭，單位：m·s-1，風速＜0.5 m·s-1的未顯示）距平沿35°～45°N平均的經度—氣壓剖面圖

由于本文主要關注SR模態與東亞環流的聯系，因此計算了關于120°～135°E平均的緯度-高度剖面圖，在正異常年（圖5a），SR模態對該區域的影響不明顯，高度場距平很小且不顯著，風場異常大體以60°N為界，以北為偏北風異常，以南為偏南風異常，且這種特征幾乎在整個對流層都存在，偏南風異常在40°N以南就變得不顯著，這與500 hPa的分析也比較一致。而在低緯度，位勢高度場的異常不明顯，赤道南側的5°S和北側的15°N附近，各有一支異常上升氣流存在，且從低層一直持續到250 hPa左右。在負異常年（圖5b），最主要的特征就是在中緯度30°～45°N之間，有一位勢高度正異常中心，該異常中心從對流層高層延伸到低層的700 hPa，且相當正壓，并伴隨著偏北風異常。在低緯度，與正異常年不同的是，在赤道附近而非赤道兩側，有一支明顯的上升異常氣流，表明赤道附近的對流活動比較旺盛。總體來看，緯度-高度剖面圖的結果表明，SR模態對東亞環流中高緯度的影響較大一些，而對東亞低緯度的影響則較弱。

2.4　700 hPa環流異常及地面降水分析

在前面分析了500 hPa和垂直剖面圖環流異常的基礎上，計算得到了東亞地區700 hPa位勢高度場、風場以及地面降水的異常場（圖6），在正異常年（圖6a），位勢高度場距平的分布特征與500 hPa的情況（圖2a）十分一致，這也反映了SR模態的相當正壓性，在此不過多分析。與500 hPa脊前的西北氣流較強（圖3a）對應的是，在環渤海地區，由于該地位于中國北方的異常高壓東側，會產生偏北風異常，而夏季大陸上水汽較少，使得輸送到該地的水汽偏少，對應地面降水偏少。由于SR模態正異常年小笠原高壓偏強，日本諸島位于小笠原高壓西側，盛行偏南風異常，偏南風有利于將中低緯度太平洋上的暖濕水汽輸送至日本附近，使得該地區降水偏多。

在負異常年（圖6b），自中國北方、朝鮮半島至日本以東，分別有“-、+、-”3個位勢高度異常中心，波列特征比較清楚，且與500 hPa的形勢相當一致。與正異常年（圖6a）不同的是，環渤海地區位于中國北方低壓的東側和朝鮮半島附近高壓的西側，兩個高度場異常中心的共同作用使得該地區出現偏南風異常，有利于將南方的水汽輸送至此，使得該地區降水偏多。事實上，從圖6b可以看出，自環渤海、朝鮮半島南部和日本，以及日本以東洋面上，降水率距平分別出現偏多、偏少和偏多3個異常中心，這與位勢高度場和風場的分布特征是相當一致的。

3　等熵面位渦分析

等熵位渦（IPV）分析，即在等位溫面上分析等位渦線。IPV思想是Hoskins等[25]在1985年提出的，目前已成為診斷天氣系統發展的一種理論方法。關于等熵面上位渦異常與對流層低層環流場之間的關系已在許多文獻中[9，24，26-27]得到討論和應用。由于SR模態在對流層高層最顯著，從位渦觀點分析它對低層要素場的影響是有意義的，因此本節將初步探討SR模態正負位相時位渦異常對低層環流的影響。

圖5　關于SRI指數正（a）、負（b）異常年合成的位勢高度場（等值線，單位：gpm）、風場（箭頭，單位：m·s-1，風速＜0.5 m·s-1的未顯示）距平沿120°～135°E平均的緯度—氣壓剖面圖

圖6　關于SRI指數合成的正（a）、負（b）異常年700 hPa位勢高度場距平（等值線，單位：gpm）、風場距平

依照Enomoto[16]的方法，選取350 K等位溫面進行IPV分析。在SR模態的正異常年（圖7a），在中國北方的內蒙古、蒙古國以及日本以東，出現位渦負異常，而在朝鮮半島和中國東北，則有位渦正異常出現。在中國北方和日本以東的負位渦中心，有利于低層相應地區及其周圍出現反氣旋性風場，這與圖2a及圖6a中的分析是一致的，而朝鮮半島附近的正位渦區不太明顯，對應的低層雖然出現了氣旋性風場，但也不太明顯。而在負異常年（圖7b），最顯著的特征就是朝鮮半島、中國東北甚至日本海及日本諸島上空有一個明顯的負位渦中心，其中心值小于-0.6 PVU，這種形勢有利于對應的低層出現較強的反氣旋性距平風場（圖6b）。此外，中國北方及日本東南洋面上空各有一個正位渦異常中心，但位渦異常中心的值不大，相應的700 hPa上的氣旋性環流也弱一些（圖6b）。

4　結論與討論

本文從SR模態在200 hPa急流、500 hPa、700 hPa環流形勢和地面降水場的合成特征，以及等熵面上位渦的合成特征等方面，分析了SR模態與夏季東亞地區環流之間的關系，得到如下主要結論：

圖7　關于SRI指數合成的正（a）、負（b）異常年350 K等位溫面上的位渦距平

（1）在SR模態正異常年，200 hPa急流在東亞地區比較彎曲，在中國新疆和環渤海地區500 hPa上分別有一個高度脊和一個高度槽，距平場上，在蒙古國和中國內蒙古以及日本以東500 hPa各有1個顯著的位勢高度正異常中心，而朝鮮半島附近的負異常中心不明顯；SR模態在負異常年，200 hPa急流在東亞相對平直且更強，東亞地區500 hPa的槽脊不如正異常年明顯，距平場上，在上游的西北歐地區有一個顯著的氣旋性異常環流中心，且波列特征比正異常年時更加顯著，在東亞的中國北方、朝鮮半島和日本以東依次分布著“-+-”3個高度場異常中心。等熵位渦分析的結果表明，位渦異常對對流層中低層的環流場有較好的指示意義，尤其是在SR模態負異常年。另外，總體來看，SR模態與東亞低緯度環流之間的聯系不大。

（2）SR模態是相當正壓的，在正異常年，它在朝鮮半島135°E附近的異常中心不顯著，在對流層中低層110°～130°E區域的中國北方，有明顯的下沉氣流，而在140°E附近的日本列島，異常上升氣流是主要的，在東亞地區，60°N以北有偏北風異常，而60°N以南有偏南風異常。在負異常年，SR模態位于朝鮮半島附近的正異常中心變得顯著，在該異常中心的西側和東側分別有上升和下沉氣流異常，在經向上，沿朝鮮半島附近的異常中心出現偏北風異常。

（3）在SR模態的正異常年，環渤海和朝鮮半島地區降水偏少，日本中北部地區降水偏多；在SR模態的負異常年，環渤海、朝鮮半島南部和日本，以及日本以東洋面上，降水率距平分別出現偏多、偏少和偏多3個異常中心。

本文的結論表明，SR模態雖然在對流層高層最顯著，但與對流層中低層的大氣環流也有關系，因此，在分析東亞夏季風的異常及其影響因子時，SR模態是一個值得考慮的因素。此外，本文主要用回歸和合成的方法初步探討了SR模態與東亞對流層高中低層環流的關系，但SR模態與急流、南亞高壓、副高甚至中低緯度系統是如何相互作用或者相互配合共同影響大氣環流的？還值得進一步深入研究；另外，SR模態在負異常年比正異常年的波列特征更清楚，其正負位相之間差異的原因是什么？這些問題也值得進一步探討。