歐洲東部土壤濕度對東北亞初夏氣溫異常轉折的影響及其可能物理過程

張嬋 范可 徐志清 楊啟東

摘要 采用1979—2020年觀測和再分析資料，研究了年際時間尺度上初夏（5—6月）東北亞氣溫異常月際轉折的基本特征，以及歐洲東部土壤濕度異常對其的影響及可能物理過程。結果表明，年際時間尺度上東北亞初夏氣溫異常月際演變的主導模態為轉折模態，即5月偏暖（冷）則6月偏冷（暖）;轉折模態的形成直接源于東北亞地區環流異常的轉折。進一步分析發現，5月歐洲東部土壤濕度偏低往往導致東北亞5月偏暖而6月偏冷，可能的物理過程如下：5月土壤濕度偏低導致局地土壤溫度和對流層低層增溫，進而造成地中海地區（歐洲北部）對流層低層經向溫度梯度和大氣斜壓性減弱（增強），相應地高頻瞬變波活動減弱（增強），并通過瞬變渦度強迫有利于歐洲中東部形成異常高壓和Rossby波波源;相關的Rossby波沿極鋒急流東傳，導致東北亞為準正壓的異常高壓，地表升溫。土壤濕度異常可持續到6月，但強度減弱;類似地，其可通過瞬變渦度強迫有利于異常高壓和Rossby波波源的形成，但中心西移至歐洲西部;相關Rossby波活動導致東北亞為準正壓的異常低壓，地表降溫。5月和6月歐洲東部土壤濕度異常相關的 Rossby波的活動特征（波源、活動中心和傳播路徑）存在明顯差異，這與兩個月歐亞北部大氣平均態的差異密切相關。當5月歐洲東部土壤濕度偏高時，上述物理過程則大致相反。

關鍵詞東北亞;地表氣溫;月際轉折;歐洲東部;土壤濕度

東北亞地區地處歐亞大陸東岸，位于中高緯地區，其氣候變率較大。夏季東北亞氣溫異常所帶來的高溫熱浪和低溫災害會造成居民生活不便，危害人民生命財產安全;另一方面，東北地區是我國重要的糧倉，夏季作為農耕關鍵時節，其溫度異常會影響該地區水資源儲備和糧食產量（Xu et al.，2019;李娜等，2020）。次季節變率（如：氣溫異常的月際轉折）對于氣象災害的發生具有重要的作用，亦是延伸期（10～30 d）可預報性的重要來源（楊秋明，2015）。因此，亟須深入開展夏季東北亞氣溫次季節變率及機理研究，為當地開展無縫隙預報、防災減災提供科學依據。

已有大量研究揭示了東北亞夏季平均及各月氣溫的年際和年代際變異特征及相關環流異常（Chen and Lu，2014;Chen et al.，2016;Chen et al.，2021;司鵬等，2023;孫博等，2023）。1979—2012年東北亞夏季氣溫年際變異的前兩個主導模態分別為全場一致模態和經向偶極子模態;兩者分別與歐亞遙相關和東亞-太平洋遙相關緊密相連，同時兩個模態與東亞副熱帶西風急流的聯系存在明顯差異（Chen et al.，2016）。年際時間尺度上，夏季（5—8月）各月中國東北氣溫偏高時，局地500 hPa均為異常高壓，但影響各月氣溫的大氣遙相關型則存在差異：在5月和6月，遙相關波列表現為由中印半島向中國東北傳播，且6月更強;在7月和8月，則為東亞-太平洋遙相關，且7月更強。東北亞夏季氣溫在20世紀90年代中期顯著升高，這直接源于局地異常高壓，而該異常高壓與華南降水顯著增加有關（Chen and Lu，2014）。此外，東北亞夏季氣溫年際變率強度亦存在年代際變化，其在20世紀90年代初顯著增強，而后在21世紀00年代中期減弱（Chen et al.，2021）。

熱帶和中高緯氣候系統對東北亞夏季氣溫年際和年代際變異有重要的影響，包括：東北冷渦、極渦、西北太平洋副熱帶高壓、海溫、北極海冰、積雪以及土壤溫濕狀況等（孫建奇和王會軍，2006;張立祥和李澤椿，2009;Hu et al.，2011;孫鳳華等，2011;Wu et al.，2011;陳海山等，2013a，2013b;Wu and Zhang，2015;李輯等，2016;李經緯等，2021;Sun et al.，2021;Zhang et al.，2022）。當夏季冷渦活動偏強（偏弱）時，中國東北地區偏冷（偏暖）（張立祥和李澤椿，2009）;當夏季西北太平洋副熱帶高壓偏弱、位置偏東偏南時，中國東北地區亦容易出現低溫;反之亦然（孫鳳華等，2011）。ENSO對夏季中國東北氣溫的影響并不穩定（Wu et al.，2011），20世紀50年代至70年代中期，El Nio（La Nia）發展年夏季中國東北往往偏冷（偏暖），但這一關系在20世紀80年代至90年代減弱甚至反位相。20世紀70年代末之前，ENSO通過影響南亞地區降水和大氣加熱異常，進而激發波列影響夏季中國東北氣溫;20世紀70年代末之后，ENSO與印度夏季風的聯系減弱，導致其對中國東北氣溫的影響減弱。與此不同，20世紀70年代末之后春季北大西洋三極子海溫異常對中國東北夏季氣溫的影響卻顯著加強，其可維持到夏季并激發歐亞Rossby波列造成中國東北氣溫異常（Wu et al.，2011）。印度洋海盆尺度增暖可激發Kelvin波造成西北太平洋地區降水減少和異常反氣旋，進而激發東亞-太平洋遙相關負位相，造成東北亞氣溫偏低（Hu et al.，2011）。Hong et al.（2017）的研究指出，20世紀90年代中期以來東北亞增溫強于鄰近區域，與北大西洋多年代際振蕩由負位相轉變為正位相有關，其可激發年代際尺度“絲綢之路”遙相關的正位相，造成東北亞增暖。

土壤濕度作為陸氣相互作用的關鍵因子之一，可造成地表熱通量、地表反照率、植被生長狀況以及蒸散發改變，進一步通過地表能量和水分收支狀況的變化對氣候產生影響（馬柱國等，1999;梁樂寧和陳海山，2010;Seneviratne et al.，2010;Wei and Dirmeyer，2012;Berg et al.，2014;Schwingshackl et al.，2017;余波等，2020）。土壤濕度對氣候的影響與其記憶性密切相關，其記憶時長在全球尺度上存在明顯的季節變化和空間分布差異。研究指出，土壤濕度記憶時長在1～3 mon不等;就北半球而言，春季土壤濕度的記憶性最強，因而春季土壤濕度與后期氣候異常關系更密切（李若麟等，2016;Zhao et al.，2018;趙家臻等，2021）。全球陸氣耦合試驗利用多個全球氣候模式量化降水對陸面土壤濕度的響應，揭示了北半球夏季陸氣強耦合關鍵區主要位于干濕過渡帶（Koster et al.，2004，2006;Guo et al.，2006）。Zhang and Dong（2010）通過定義土壤濕度反饋效率開展研究發現，與土壤濕度相關的陸氣耦合熱點地區亦可出現在森林和草原之間的半濕潤生態過渡帶。研究還指出歐亞中高緯地區作為氣候變化敏感區域，凍土和積雪隨著春夏季氣溫的升高融化造成的季節性干濕交替是形成顯著陸氣相互作用的重要因素（Schwingshackl et al.，2017;Chen et al.，2019;Zhao et al.，2020）。

夏季東北亞氣溫異常與歐亞大陸上游土壤濕度密切相關（Zhang and Dong，2010;Zhang et al.，2019;Sun et al.，2021;Yang et al.，2021）。中國北方和蒙古地處典型的干濕過渡帶，夏季存在顯著的局地土壤濕度-氣溫負反饋（Zhang and Dong，2010）。長江流域至華北春季土壤濕度減少可持續到夏季，導致海陸熱力差異加大，造成東亞夏季風偏強，中國東北為異常高壓（Liu et al.，2017），其可通過地表熱通量的增加和異常下沉增溫過程導致該地區夏季氣溫升高，有利于高溫天氣的形成（Zhang et al.，2019）。歐亞大陸上游土壤濕度異常可通過激發東傳Rossby波列導致東亞氣候異常，是北極海冰、歐亞積雪等影響東北亞夏季氣溫的重要橋梁（Li et al.，2018;Sun et al.，2021）。基于觀測、再分析資料和數值模式，Sun et al.（2021）研究指出春季歐洲東部至西西伯利亞地區積雪偏多時，局地土壤濕度增加，向上感熱通量減少，造成異常低壓，這一過程持續至夏季，加強了東傳的Rossby波列，導致東北亞為異常高壓，其造成的暖平流、絕熱增溫和短波輻射增加共同導致東北亞偏暖;積雪偏少時則反之。北極海冰與盛夏（7—8月）中國東北干旱和熱浪復合事件的年際聯系自20世紀90年代末顯著增強（Li et al.，2018）;20世紀90年代末以后，3月巴倫支海海冰減少導致4月歐亞西部雪深減少，進一步導致5—6月長江流域至華北地區土壤濕度減少，有利于盛夏中國東北干旱和高溫復合事件的發生。此外，地處干旱半干旱過渡帶的西亞，其春季地表的熱力異常也能對下游東北亞6月氣溫造成影響（Yang et al.，2021）。春季西亞土壤溫度正異常可持續到6月，通過非絕熱加熱影響該月環球遙相關，進而造成東北亞為準正壓的異常高壓，導致該地區溫度升高。

綜上所述，大量研究揭示了夏季及各月東北亞氣溫的年際和年代際變化特征及物理機制。研究年際時間尺度上東北亞各月氣溫異常的聯系對開展該地區氣候預測具有重要意義;然而相關研究集中于冬季各月，揭示了它們聯系的主要模態、相關聯的環流異常和影響因子（韋瑋等，2014;Dai et al.，2019）。Dai et al.（2019）研究指出，1980—2016年中國東北12月與1—2月氣溫異常轉折年份的比例約為30％，前期11月戴維斯海峽-巴芬灣及巴倫支海-喀拉海海冰異常可通過激發對流層Rossby波列和平流層-對流層耦合對其產生重要貢獻。目前對夏季各月氣溫異常的聯系關注不夠，歐亞土壤濕度的作用如何尚不清楚。因此，本文針對上述問題展開研究。首先分析了年際時間尺度上東北亞夏季氣溫異常月際演變的基本特征，之后進一步分析了歐洲東部土壤濕度對該地區初夏（5—6月）氣溫異常月際轉折的影響及可能物理過程;以期加深對東北亞夏季氣溫次季節變率的認識，為高溫干旱等氣候災害預測提供參考。

1 數據及方法

1.1 數據

使用歐洲中期預報中心（European Center for Medium-Range Weather Forecasts，簡稱ECMWF）提供的 ERA5逐日和逐月再分析資料，水平分辨率為0.25°×0.25°。其中，逐日資料包括位勢高度、氣溫和風場，逐月資料包括土壤濕度、土壤溫度、地表潛熱通量、地表感熱通量、地表凈短波輻射通量、地表凈長波輻射通量、總云量、垂直速度、位勢高度和水平風場。研究過程中發現深層土壤濕度與大氣變化的聯系較弱，因此采用表層和次表層土壤濕度（0～28 cm）開展后續研究（尚國偉和吳其岡，2015）;相應分析表層和次表層土壤溫度。地表湍流熱通量為地表潛熱通量和感熱通量之和。

降水數據來自美國國家海洋大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，簡稱NOAA） 提 供 的 CMAP（Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation）逐月降水資料（Xie and Arkin，1997），水平分辨率為2.5°×2.5°;近地表氣溫數據采用英國東英吉利大學氣候研究中心（Climatic Research Unit，簡稱CRU）發布的月平均地表氣候數據集（CRU TS v4.05）（Harris et al.，2020），水平分辨率為0.5°×0.5°。研究時間段為1979—2020年。

1.2 研究方法

本文中東北亞范圍為112°～139°E、40°～57°N。考慮到不同數據集分辨率不同，預先統一插值到1°×1°網格上，之后去除線性趨勢。年際增量方法被廣泛應用于降水、氣溫等預測中（Fan et al.，2008;Fan and Wang，2010）;其通過預測因子和預測對象的年際增量（當年與前一年氣象要素之差）構建預測模型，從而為氣候預測及其效能的提升提供新的思路。類似地，本文定義了月際增量（當前月份與前一月份氣象要素之差）來體現要素場在相鄰月份的差異;當月際增量較大時，表明相鄰兩個月份差異較大，甚至可能是反位相。傳統的經驗正交分解（EOF）可用來研究單個要素場的時空演變特征，多變量經驗正交函數（MV-EOF）則通常用來考察多個要素場之間聯系的時空變化特征（Wang，1992;Zhang et al.，2022）。對東北亞地區5月和6月去趨勢后的氣溫異常進行MV-EOF分解可得到年際時間尺度上兩個月份氣溫異常演變的主要模態。本文主要通過Takaya and Nakamura （1997，2001）定義的波作用通量（WAF）研究Rossby波的傳播特征。瞬變渦旋活動的變化與大氣斜壓性改變密切相關，而瞬變波活動對定常環流異常起重要作用。通常使用靜力穩定度和水平溫度梯度共同表征大氣斜壓性，本文使用Hoskins and Valdes （1990）定義的斜壓增長率對大氣斜壓性進行分析。

風暴軸采用2.5—6天帶通濾波后位勢高度異常的方差表征（Lü et al.，2019;Xu et al.，2021）。為了分析天氣尺度瞬變渦旋對定常環流的作用，采用位勢傾向方程診斷天氣尺度渦旋的動力強迫作用（Xu et al.，2021）。此外，還采用了相關、合成和雙側t檢驗等統計方法。

2 東北亞夏季氣溫異常月際演變的基本特征

圖1a—d為東北亞地區1979—2020年夏季（5—8月）各月氣溫異常的標準差。由圖可知，在長江中下游和蒙古至東北亞均為氣溫變率較大區域，且蒙古至東北亞在5—6月氣溫異常變率更強。

就氣溫異常的月際增量的標準差（圖1e—g）而言，在夏季各月中，6月月際增量的標準差在東北亞地區為明顯的大值中心，表明該地區5月與6月氣溫異常的月際演變的年際變率較大。此外在長江中下游地區也出現一個大值中心，但其強度明顯弱于東北亞地區。相較而言，7月和8月東北亞氣溫異常的月際增量的標準差偏小;換言之，6月與7月、7月與8月東北亞氣溫異常月際演變的年際變率整體偏小。進一步分析發現，東亞地區5月與6月氣溫異常轉折發生頻次整體要高于6月與7月、7月與8月（圖1h—j），并且東北亞為5月與6月氣溫異常轉折頻發區（圖1h）。因此，下文針對初夏（5—6月）東北亞地區氣溫異常月際演變開展研究。

圖2給出了1979—2020年東北亞地區5月和6月氣溫異常MV-EOF的前兩個模態，兩者對氣溫變率的解釋方差分別約為36.2％和23.6％;且根據North et al.（1982）提出的檢驗方法，模態之間相互獨立。MV-EOF的第一模態（MV-EOF1）表現為5月和6月東北亞氣溫異常反位相變化（圖2a、b），即當5月氣溫偏暖（偏冷）時6月氣溫偏冷（偏暖），氣溫異常發生轉折;MV-EOF第二模態（MV-EOF2）則反映了兩個月氣溫異常的同位相變化（圖2d、e），即5月氣溫偏暖（偏冷）時6月氣溫亦偏暖（偏冷），該地區氣溫異常為持續性增溫（降溫）。由于氣溫異常轉折模態為主導模態，且對東北亞5月和6月氣溫異常月際變率的貢獻更為重要，下文主要研究氣溫異常轉折形成的物理過程和歐亞土壤濕度的作用。為方便研究，將東北亞5月偏暖而6月偏冷定義為氣溫異常轉折／MV-EOF1的正位相，反之為負位相。

3 東北亞初夏氣溫異常月際轉折形成的相關要素場

為了進一步驗證5月和6月東北亞氣溫異常轉折的現象并探究其成因，分別定義5月、6月東北亞氣溫異常指數為兩月該地區（112°—139°E，40°—57°N，）區域平均的近地表氣溫異常（圖3），根據0.5倍標準差分別挑選出5月偏暖6月偏冷的正位相年份共4 a（1990、1992、1996和2009年），以及5月偏冷6月偏暖的負位相年份共7 a（1980、1982、1988、1994、2004、2005和2008年）。考慮到東北亞氣溫異常是由多個模態共同作用的結果，在MV-EOF2的時間系數（PC2）絕對值小于0.5倍標準差的基礎上，按照MV-EOF1的時間系數（PC1）大于0.5倍標準差，挑選正位相年份共5 a：1990、1992、1996、1998和2009年;PC1小于負0.5倍標準差挑選負位相年份共8 a：1980、1982、1988、1994、2004、2008、2011和2014年。可以發現，除了2005年之外，按照PC1、PC2進行挑選的正負位相年份分別包含了東北亞氣溫異常指數挑選的正負位相年份;這表明當MV-EOF1偏強而MV-EOF2偏弱時，東北亞初夏易發生氣溫異常轉折現象。

為研究東北亞地區5月和6月氣溫異常發生轉折的原因，后文采用東北亞氣溫異常指數挑選的正負位相年份的要素場進行合成分析。需要指出的是，盡管其挑選的正位相年份少于負位相年份，但通過正位相年份減多年平均、負位相年份減多年平均的合成結果發現二者結果基本對稱（圖略），因此僅給出正位相年份減負位相年份合成的結果;并且其與PC1回歸結果大致類似（圖略）。

當東北亞初夏氣溫異常轉折處于正位相即5月偏暖6月偏冷時（圖4a、e），5月東北亞地區為準正壓結構的異常高壓（圖4d）;6月東北亞地區則為異常低壓且亦呈現準正壓結構（圖4h）。東北亞地區5月異常高壓和6月異常低壓可通過調節非絕熱加熱、溫度平流和垂直運動來影響該地區地表氣溫，造成氣溫異常的轉折。

就5月而言，局地準正壓的異常高壓導致東北亞的西南角（蒙古東部至華北北部）對流層整層盛行異常東南風（圖4d），其導致的對流層低層暖平流有利于該地區地表升溫（圖4a）;其余地區（中國東北至外興安嶺）對流層整層則盛行異常東北風或西北風，其造成的對流層低層異常冷平流雖不有利于地表升溫，但其可在對流層中低層激發異常的下沉運動（圖4c），而絕熱下沉則有利于地表升溫。與此同時，異常下沉運動導致中國東北至外興安嶺地區總云量和降水減少（圖略）;總云量減少進一步導致凈短波輻射增加（圖5b），地表接收的能量增加，再加上降水減少造成土壤濕度偏低（圖6a），土壤熱容量降低，土壤溫度顯著上升（圖4b）。土壤溫度升高導致地表為正的湍流熱通量異常（圖5a），有利于中國東北至外興安嶺地區地表氣溫升高。此外，該地區地表向上凈長波輻射亦為正異常（圖5c），這與土壤溫度升高和總云量減少密切相關;前者導致向上的長波輻射熱通量增加，而后者有利于向下長波輻射的減少，均有利于地表向上凈長波輻射呈現正異常，進而有利于地表氣溫升高。就6月而言，東北亞地區為準正壓的異常低壓（圖4h），其導致的物理過程與5月大致相反，該地區地表氣溫降低（圖4e—h、5d—f、6b），氣溫異常出現轉折。

歐亞土壤濕度異常對東亞氣候異常具有重要影響（Zhang and Dong，2010;Zuo and Zhang，2016;Sang et al.，2022）。為了確定影響東北亞初夏氣溫異常轉折的土壤濕度關鍵區，圖6給出了歐亞地區土壤濕度的合成結果。如圖6所示，除東北亞土壤濕度在5月為負異常（圖6a），6月為正異常外（圖6b），5月歐洲東部（24°～46°E，47°～58°N，）土壤濕度為顯著的負異常，該信號能持續到6月，但強度減弱;西亞（50°～70°E，30°～38°N，）則為持續性的正異常。已有研究顯示西亞地區處于干旱半干旱地區，春季陸面狀況異常可通過非絕熱加熱觸發東傳擾動影響全球遙相關影響中國北方氣候，因此可作為中國北方地區初夏氣候短期預測的信號之一（Yang et al.，2021），但對于歐洲東部陸面狀況異常對東北亞地區氣候異常的關注較少。

為進一步研究歐亞土壤濕度與東北亞初夏氣溫異常轉折的聯系，采用區域平均的土壤濕度異常，分別定義5月歐洲東部土壤濕度指數（圖7）和西亞土壤濕度指數（圖略）。1979—2020年兩個土壤濕度指數的相關系數為0.08，未通過90％置信水平檢驗。歐洲東部土壤濕度指數與PC1的相關系數為-0.52，通過99％置信水平;西亞土壤濕度濕度指數與PC1的相關系數僅為0.30，通過90％置信水平檢驗。上述結果表明，歐洲東部和西亞土壤濕度均與東北亞初夏氣溫異常轉折存在顯著聯系，但相對獨立，且歐洲東部土壤濕度的聯系更為緊密。因此，下文探究歐洲東部土壤濕度對東北亞初夏氣溫異常轉折影響的可能物理過程。

4 歐洲東部土壤濕度對東北亞初夏氣溫異常月際轉折影響的可能物理過程

為研究歐亞地區土壤濕度影響東北亞初夏氣溫異常轉折的可能物理過程，根據1.0倍標準差選取了歐洲東部土壤濕度指數偏高年和偏低年，并開展合成分析。其中，土壤濕度偏高年份共7 a，分別為1980、1982、1987、1991、2005、2008和2016年;土壤濕度偏低年份共7 a，分別為1979、1984、1986、1993、2002、2009和2018年。通過與東北亞初夏氣溫異常轉折的典型年份（基于0.5倍標準差選取;圖3）對比發現，盡管東北亞初夏氣溫異常轉折的正位相年份與歐洲東部土壤濕度的偏低年份只有2009年為共同年份，但在歐洲東部土壤濕度偏低的1984、1986、1993和2018年東北亞亦出現了5月偏暖6月偏冷的轉折現象，只是5月和6月氣溫異常未同時超過0.5倍標準差。1980、1982、2005和2008年為東北亞初夏氣溫異常轉折的負位相與歐洲東部土壤濕度偏高的共同年份，歐洲東部土壤濕度偏高的1991年東北亞亦存在5月偏冷6月偏暖的轉折現象。因此，歐洲東部土壤濕度的異常可能是造成東北亞初夏氣溫異常轉折的重要因素之一。由于歐洲東部土壤濕度偏高年減多年平均與偏低年減多年平均的合成結果基本對稱，以及歐洲東部土壤濕度與PC1為顯著負相關，后文給出的是偏低年減偏高年的合成結果，且其與歐洲東部土壤濕度指數（乘以-1）回歸結果大致相同（圖略）。

圖8為歐洲東部土壤濕度指數合成的5—6月近地表氣溫、土壤濕度和土壤溫度異常。由圖可知，當5月歐洲東部土壤濕度偏低時，局地土壤溫度和地表氣溫偏高（圖8a—c）;東北亞地區亦呈現類似的變化特征。5月歐洲東部地區土壤濕度、地表氣溫和土壤濕度異常可持續到6月，但異常強度減弱（圖8d—f）;而東北亞地區上述要素場6月異常與5月大致相反。這與東北亞初夏氣溫異常轉折年份合成的結果基本類似（圖4），進一步說明歐洲東部土壤濕度對東北亞初夏氣溫異常的轉折很可能存在影響。那么，影響的具體物理過程如何？

對應于5月和6月歐洲東部土壤濕度偏低，歐亞大陸北部存在東傳的Rossby波（圖9d、h）。5月300 hPa Rossby波列沿極鋒急流向東傳播，歐洲中東部為重要的波源（圖9d）。相應環流異常表現為“正-負-正”的分布特征，歐洲中東部和東北亞分別為異常高壓，而西西伯利亞地區為異常低壓;對流層中低層亦表現為類似的環流異常（圖略），表明環流異常呈現準正壓結構。6月異常Rossby波的活動特征與5月存在明顯差異，其先沿極鋒急流由歐洲西部東傳至西西伯利亞，隨后主要向東北傳播至中西伯利亞北部，進一步向東南傳播至東北亞;歐洲西部為重要的Rossby波的波源（圖9h）。相應環流異常則表現為“正-負-正-負”的分布特征，且亦呈現準正壓結構，歐洲西部和中西伯利亞為異常高壓，而西西伯利亞和東北亞則分別為異常低壓。東北亞5月異常高壓和6月異常低壓的環流配置則可通過上文揭示的物理過程（非絕熱加熱、溫度平流和垂直運動）導致東北亞5月偏暖而6月偏冷。

接下來需要回答的兩個問題是：歐洲東部土壤濕度異常如何影響東傳的Rossby波？為何5月和6月Rossby波的活動特征存在明顯差異？

歐洲東部土壤偏少可導致經向溫度梯度改變，影響大氣斜壓性和瞬變波活動，進而通過波流相互作用對歐洲地區異常高壓和Rossby波源有重要貢獻。已有研究指出，北半球中緯度海溫和土壤濕度異常可影響對流層低層溫度梯度和大氣斜壓性，造成瞬變波活動改變，進而通過瞬變渦度強迫和熱力強迫造成準正壓的定常環流異常，且前者起主導作用（Kushnir et al.，2002;Fang and Yang，2016;Xu et al.，2021;Zhang et al.，2022）。當北半球中緯度地區經向溫度梯度增強時，大氣斜壓性相應增強，瞬變波活動越強，在其南（北）側表現為準正壓的異常高壓（低壓）強迫;反之亦然（陳海山等，2013a;Xu et al.，2021）。對應于5月歐洲東部土壤濕度偏低（圖8c）時，局地對流層低層氣溫升高（圖8a），造成5月地中海地區對流層低層經向溫度梯度減小（圖9a），斜壓增長率呈現顯著負異常即大氣斜壓性減弱（圖9b），高頻瞬變波活動減弱（圖10a），而歐洲北部地區對流層低層經向溫度梯度則增加，大氣斜壓性增強，高頻瞬變波活動增強（圖9a、9b、10a）。上述兩個地區高頻瞬變波活動異常通過瞬變渦度強迫共同在歐洲中東部造成正位勢高度傾向（圖9c、10b），對該地區準正壓的異常高壓的形成有重要貢獻（圖9d），并通過Rossby波導致東北亞為準正壓的異常高壓，進而造成地表升溫。需要指出的是，東北亞地表升溫可改變經向溫度梯度來影響東北亞及其北側的大氣斜壓性（圖9a、b）和高頻瞬變波活動，進而通過瞬變渦度強迫進一步加強局地異常高壓（圖9c）。

6月歐洲東部土壤濕度仍偏低，但強度減弱，局地對流層低層氣溫升高（圖8d）;類似于5月，對流層經向溫度梯度、大氣斜壓性和高頻瞬變波活動在地中海地區均減弱，而歐洲北部則增強（圖9e、9f、10c），通過瞬變渦度強迫共同在歐洲西部造成正位勢高度傾向（圖9g、10d），對該地區準正壓的異常高壓和波源的形成有重要的作用（圖9h），通過Rossby波導致東北亞地區為異常低壓和地表降溫。另外，東北亞地表降溫可改變經向溫度梯度影響東北亞北側的大氣斜壓性（圖9e、f）和瞬變波活動，進而通過瞬變渦度強迫進一步加強局地異常低壓（圖9g）。相比于5月，6月高頻瞬變渦度強迫的正位勢高度傾向西北移動至歐洲西部（圖9c、g），這可能與兩個月急流和風暴軸氣候態的差異密切相關，也是6月準正壓的異常高壓和波源西移至歐洲西部的重要原因（圖9d、h）。

就氣候態而言，5月歐亞大陸存在兩支西風急流：極鋒急流和副熱帶急流;前者大致位于50°～80°N緯度帶（圖11a），相應地該地區為高頻瞬變波的活躍帶即風暴軸（圖11b）。6月極鋒急流和風暴軸氣候態的空間分布特征與5月較為類似（圖11d、e），但相比于5月，6月極鋒急流和風暴軸在歐洲地區向南移動，而在西伯利亞地區則向北移動，分別導致兩者在歐洲西部和西伯利亞北部增強（圖11g、h）。高頻瞬變波渦度強迫對定常環流異常的作用依賴于氣候態風暴軸的位置（Peng et al.，1995;Zhang et al.，2018;Zhang et al.，2022）。相比5月，6月歐洲西部風暴軸增強且為大值中心（圖11e、h），因而6月歐洲東部土壤濕度偏低通過高頻瞬變波渦度強迫造成的正位勢高度傾向中心位于歐洲西部（圖9g），進而有利于6月異常高壓和波源較5月西移至歐洲西部（圖9d、h）。

中高緯的西風急流可作為Rossby波的波導，而氣候態位渦經向梯度的改變會影響Rossby波轉播方向（Jia et al.，2019;袁寧樂，2019）。相比5月，6月西伯利亞地區氣候態極鋒急流向北移動（圖11g），因而6月歐洲東部土壤濕度偏少對應的Rossby波列在中西伯利亞地區東傳的路徑較5月偏北（圖9d、h）。5月和6月氣候態位渦經向梯度的空間分布特征較為類似（圖11c、f）;但相比5月，6月其在中西伯利亞北部增強，而在東西伯利亞南部減弱（圖11i）。這分別有利于6月歐洲東部土壤濕度偏低對應于的Rossby波列在80°E附近向東北傳播，以及在120°E附近向東南傳播。

綜上分析，5月和6月歐洲東部土壤濕度偏低具有很好的持續性，它們可通過改變經向溫度梯度，影響大氣斜壓性和高頻瞬變波，進而造成月平均環流異常，并通過東傳Rossby波影響東北亞地區局地環流和地表氣溫，東北亞地表氣溫改變亦可通過高頻瞬變波加強局地環流異常。5月和6月歐洲東部土壤濕度偏低對應的Rossby波活動特征（波源、活動中心、傳播路徑）存在明顯差異，這導致東北亞地區5月為準正壓的異常高壓而6月為準正壓的異常低壓，造成該地區5月偏暖而6月偏冷。歐洲東部土壤濕度偏高時，上述物理過程則大致相反。5月和6月歐洲東部土壤濕度異常對應的Rossby波活動特征的差異則與期間歐亞大陸氣候態的極鋒急流、風暴軸和位渦經向溫度梯度的差異密切相關。

5 總結及討論

基于觀測和再分析資料，本文首先分析了1979—2020年初夏（5—6月）東北亞氣溫異常月際轉折的基本特征及相關的要素場異常，發現歐洲東部土壤濕度異常對東北亞初夏氣溫異常轉折有重要貢獻，并進一步分析了相關物理過程。主要結論如下：

初夏，東北亞地區為氣溫月際變率的大值中心;年際時間尺度上，該地區5月和6月地表氣溫異常演變的前兩個模態分別為反位相變化模態即轉折模態和同位相變化模態，兩個模態的解釋方差分別為36.2％和23.6％。氣溫異常轉折模態的發生直接源于東北亞地區環流異常的轉折，環流異常通過影響非絕熱加熱、溫度平流和垂直運動來影響東北亞地表氣溫。

歐洲東部土壤濕度對東北亞初夏氣溫異常轉折具有重要的影響，可能的物理過程如下：5月歐洲東部土壤濕度偏低使得土壤溫度升高，進而導致對流層低層氣溫升高，地中海地區（歐洲北部）對流層低層經向溫度梯度和大氣斜壓性減弱（增強），相應地高頻瞬變波活動減弱（增強），通過瞬變渦度強迫在歐洲中東部造成正位勢高度傾向，有利于該地區準正壓的異常高壓和波源的形成;相關聯的Rossby波沿極鋒急流東傳至西西伯利亞，隨后東傳至東北亞，導致該地區為準正壓的異常高壓，造成地表升溫;地表升溫通過瞬變渦度強迫加強局地異常高壓。6月歐洲東部土壤濕度仍偏低，但強度減弱;類似地，地中海和歐洲北部瞬變波活動異常造成正位勢高度傾向，但中心位于歐洲西部，對該地區準正壓的異常高壓和波源的形成有重要作用;其激發的Rossby波列先沿極鋒急流東傳至西西伯利亞地區，之后向東北傳播至中西伯利亞北部，進一步向東南傳播至東北亞，導致該地區為異常低壓，地表降溫;地表降溫通過瞬變渦度強迫加強局地異常低壓。5月歐洲東部土壤濕度顯著偏高時，上述物理過程則大致相反。

5月和6月土壤濕度異常對應的歐亞Rossby波的活動特征（波源、活動中心和傳播路徑）的差異與兩個月氣候態的極鋒急流、高頻瞬變波活動和位渦經向梯度的差異密切相關。相對于5月，6月極鋒急流和風暴軸在歐洲地區向南移動，導致兩者在歐洲西部增強且為大值中心，因而歐洲東部土壤濕度異常通過高頻瞬變波造成的環流異常西移至歐洲西部;6月極鋒急流在西伯利亞地區北移，同時位渦經向梯度在中西伯利亞北部增強，而在東西伯利亞南部減弱，這有利于6月歐洲東部土壤濕度相關的Rossby波列傳播路徑相應改變。

需要指出的是，土壤濕度與大氣之間的相互作用相對復雜，土壤濕度能通過熱力因子影響大氣環流狀況，而大氣環流的變化又能夠通過降水等方式造成土壤濕度發生變化。本文基于觀測和再分析資料研究了歐洲東部土壤濕度異常對東北亞初夏氣溫異常轉折的作用及相關物理過程，未來需要開展數值試驗，以進一步驗證相關物理過程。此外東北亞初夏氣溫異常的影響因素較多，例如海溫、北極極渦等因子是否對該地區氣溫異常轉折有影響也需要進一步探討。

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·ARTICLE·

Impacts of eastern Europe soil moisture on the reversal of air temperature anomalies over Northeast Asia in early summer and its possible physical mechanisms

ZHANG Chan1，2，FAN Ke3，XU Zhiqing2，YANG Qidong1

1Department of Atmospheric Science，Yunnan University，Kunming 650091，China;

2Institute of Atmospheric Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China;

3School of Atmospheric Sciences，Sun Yat-sen University，Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory （Zhuhai），Zhuhai 519082，China

Abstract This study investigates the characteristics and underlying processes of the month-to-month reversal of air temperature anomalies in Northeast Asia during early summer （May to June） on the interannual timescales，focusing on the influences of soil moisture anomalies in eastern Europe.Utilizing observational and reanalysis data spanning from 1979 to 2020，the results reveal that the dominant mode of intermonthly variation in air temperature anomalies exhibits a reversal pattern，with warmer （colder） conditions in May and colder （warmer） conditions in June.This reversal mode is directly linked to circulation anomalies over Northeast Asia.Further analysis demonstrates that reduced soil moisture in eastern Europe during May contributes to a warmer May and a colder June in Northeast Asia.The potential physical processes driving these effects are explored.Lower soil moisture in May leads to local soil warming and subsequent warming of the lower troposphere.This，in turn，weakens （enhances） the lower tropospheric meridional temperature gradient and baroclinicity in the Mediterranean region （northern Europe）.Consequently，high-frequency transient wave activity weakens （enhances），facilitating the formation of an anomalous high-pressure system over central and eastern Europe，thereby generating Rossby wave sources through transient vorticity forcing.These associated Rossby waves propagates eastward along the polar front jet，resulting in the formation of a barotropic anomalous high-pressure system over Northeast Asia and inducing surface warming.While the soil moisture anomalies persist until June，their intensity weakens.Similarly，this favors the formation of an anomalous high-pressure system and Rossby wave source;however，their centers shift westward towards western Europe.The associated Rossby wave activity leads to the formation of a barotropic anomalous low-pressure system，causing cooling over Northeast Asia.Notably，the activity characteristics of Rossby waves （wave source，activity centers，and propagation pathway） associated with the soil moisture anomalies in eastern Europe exhibit distinct differences between May and June，closely tied to the atmospheric climatology over northern Eurasia.When soil moisture is high in May，the aforementioned physical processes exhibit reverse tendencies.

Keywords Northeast Asia;surface air temperature;month-to-month reversal;eastern Europe;soil moisture

doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20221025001

（責任編輯：劉菲）