5月中國土壤濕度異常對7月華南睬嗖馗咴東部偶極子型降水年際變化的影響

王娟 范可 徐志清

摘要 利用1979—2019年ERA5再分析資料和站點降水資料，研究了5月中國土壤濕度異常對7月華南和青藏高原東部偶極子型降水年際變化的影響及其可能的物理過程。結(jié)果表明，當5月青藏高原土壤濕度偏濕，華中地區(qū)土壤濕度偏干時，對應(yīng)7月華南（高原東部）降水偏多（偏少），兩地降水呈偶極子型分布。通過進一步的診斷分析發(fā)現(xiàn)，青藏高原（華中地區(qū)）土壤濕度正（負）異常可從5月持續(xù)至7月，使得7月中國北方地區(qū)地表湍流熱通量正異常，進而使得對流層中低層大氣增暖，中國北方與貝加爾湖之間經(jīng)向溫度梯度和大氣斜壓性增強，天氣尺度的瞬變波活動增強。通過瞬變的渦度強迫有利于中國北方及蒙古地區(qū)準正壓異常高壓和Rossby波波源的形成，相關(guān)的Rossby波向東南方向傳播至我國南方，使得華南地區(qū)出現(xiàn)準正壓結(jié)構(gòu)的異常低壓，有利于西北太平洋副熱帶高壓東移，南亞高壓西移。對應(yīng)中國北方及蒙古-華南地區(qū)對流層中低層為反氣旋-氣旋式環(huán)流異常，進而導(dǎo)致華南地區(qū)（高原東部）降水增多（減少）。此外，中國北方-蒙古地區(qū)的異常高壓與局地偏干的土壤濕度之間的正反饋過程，有利于上述物理過程的維持和增強，進而有利于7月偶極子降水的異常，反之亦然。

關(guān)鍵詞5月土壤濕度;7月華南-青藏高原東部偶極子型降水;年際變化;影響機制

華南位于我國東南沿海，受南海夏季風(fēng)、東亞夏季風(fēng)和臺風(fēng)活動等影響，夏季洪澇災(zāi)害嚴重。研究表明華南地區(qū)夏季降水的年際變率自20世紀90年代后顯著增強（Fan et al.，2014），華南極端干旱和洪澇事件頻發(fā)，對當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展和人民的生產(chǎn)生活造成了嚴重的影響。青藏高原作為亞洲季風(fēng)系統(tǒng)的重要成員，其熱力和動力作用對區(qū)域乃至全球的天氣、氣候有重要影響。當青藏高原夏季熱源增強時，高原東部四川盆地夏季降水增多，華南地區(qū)降水減少（羅會邦等，1995;Zhao and Chen，2001）。近期，Wang et al.（2023）發(fā)現(xiàn)，在年際尺度上，1979—2019年青藏高原東部和華南地區(qū)降水在7月呈顯著的偶極子型變化（圖1），由此定義了7月華南-青藏高原東部偶極子降水指數(shù)（7月華南和高原東部區(qū)域平均標準化降水之差），其中偶極子正（負）位相，表現(xiàn)為華南降水偏多（偏少），高原東部降水偏少（偏多）。此外，他們進一步分析發(fā)現(xiàn)7月華南-青藏高原東部偶極子型降水與同期厄爾尼諾-南方濤動（El Nio-Southern Oscillation，ENSO）密切相關(guān)。其中，在El Nio的發(fā)展階段，7月赤道中東太平洋的暖海溫異常可通過熱帶大氣橋和激發(fā)熱帶外對流層高層的歐亞波列，使得華南-高原東部地區(qū)中低層出現(xiàn)異常氣旋式環(huán)流，導(dǎo)致華南地區(qū)（高原東部）降水偏多（偏少）;反之亦然。7月華南-青藏高原東部降水呈偶極子變化的特點，可提升兩區(qū)域降水預(yù)測能力。除了同期ENSO變化以外，是否還有前期影響因子，如土壤濕度的影響尚不清楚。一些研究指出，前期土壤濕度和ENSO可作為兩個獨立的因子，影響東亞夏季風(fēng)和降水（Zhou et al.，2020）。因此，研究7月偶極子降水的前期影響因子及其物理過程，有助于更好地理解這種偶極子型降水的形成過程，進而有利于提高兩地區(qū)短期氣候預(yù)測能力。

陸面作為氣候系統(tǒng)的重要組成部分，對區(qū)域、全球天氣氣候異常有重要影響（陳海山和孫照渤，2002;余波等，2020;陳海山等，2022）。土壤濕度作為陸面過程一個重要參數(shù)，與地表水循環(huán)和能量平衡密切相關(guān)（Gao et al.，2019，2020b;Zhong et al.，2019;Zhu et al.，2021）。已有研究表明，土壤濕度通過影響地表反照率和地表能量平衡，對大氣環(huán)流和降水有重要作用（馬柱國等，2001;陳海山和周晶，2013;Zuo and Zhang，2016;Ardilouze et al.，2022;Dong et al.，2022a，2022b;Sang et al.，2022），尤其在中緯度陸地區(qū)域，土壤濕度的作用尤為重要（Koster and Suarez，2001）。土壤濕度的氣候效應(yīng)，主要歸因于土壤濕度長時間的“記憶性”（Entin et al.，2000;Koster and Suarez，2001;Rahman and Lu，2015）。此外，土壤濕度有較好的持續(xù)性，其異常通常能夠持續(xù)1—2月（Rahman and Lu，2015;Liu et al.，2017;趙家臻等，2021），進而對氣候產(chǎn)生滯后影響，是氣候預(yù)測的一個重要指示因子（朱蒙等，2014;Yang and Wang，2019;Zhu et al.，2023）。

土壤濕度對降水的影響可分為局地影響和非局地影響。一方面，土壤濕度的異常會通過蒸散發(fā)作用，調(diào)制局地降水異常（Dong et al.，2022a）。如土壤濕度偏濕時，地表蒸發(fā)增強，對流層中低層的水汽含量增多，使得低層大氣的不穩(wěn)定性增強，有利于異常上升運動的出現(xiàn)，局地降水增加;反之亦然（Dong et al.，2022a）。另一方面，土壤濕度的異常通過影響地表能量平衡，能夠激發(fā)大氣遙相關(guān)波列或引起大尺度大氣環(huán)流的異常，從而產(chǎn)生非局地的氣候影響（Zuo and Zhang，2007;Zhan and Lin，2011;Gao et al.，2020a;Sun et al.，2021;Xu et al.，2021;Yang et al.，2021）。Xu et al.（2021）指出春季西伯利亞地區(qū)的積雪／土壤濕度異常，會改變夏季地表和大氣的熱力狀況，引起大氣瞬變波活動的異常，進而激發(fā)／增強大氣Rossby波列，最后使得華南地區(qū)夏季降水異常。在季風(fēng)區(qū)，春夏土壤濕度的異常會引起地表的熱力平衡異常，進而調(diào)控大尺度季風(fēng)環(huán)流的變化，從而影響季風(fēng)區(qū)夏季降水的年際變化（Zuo and Zhang，2007;梁樂寧和陳海山，2010;Zhan and Lin，2011;Zhang and Zuo，2011;Zuo and Zhang，2016;Liu et al.，2017）。其中，中國東部中緯度地區(qū)處于氣候干濕過渡帶，春季土壤濕度的年際變率較大，是陸氣耦合較強的關(guān)鍵區(qū)域（Zuo and Zhang，2009;Gao et al.，2018）。已有大量研究指出春季長江中下游-華北地區(qū)土壤濕度偏高，會使得夏季局地地表溫度降低，海陸熱力差異減小，東亞夏季風(fēng)減弱，進而使得華南降水減少，長江流域降水增多（Zuo and Zhang，2007，2016;Zhang and Zuo，2011）。此外，青藏高原春季的土壤濕度（積雪）異常對中國夏季降水也有重要影響（于琳琳和陳海山，2012;Yang and Wang，2019;Yuan et al.，2021;Zhu et al.，2023）。其中青藏高原春季土壤濕度異常，主要通過調(diào)節(jié)地表感熱和潛熱的變化，引起青藏高原夏季非絕熱加熱的異常，進而影響南亞夏季風(fēng)和東亞夏季風(fēng)的強度，調(diào)制青藏高原和華南夏季降水的年際變化（Xiao and Duan，2016;Ullah et al.，2021;Zhu et al.，2023）。例如，春季青藏高原中東部異常偏高的土壤濕度，不僅會使得夏季高原的熱力作用減弱，局地降水減少（Yang and Wang，2022），也會引起西北太平洋副熱帶高壓（西太副高）減弱，使得華南地區(qū)低層出現(xiàn)異常氣旋，夏季降水增多（Yuan et al.，2021）。

上述研究表明，土壤濕度作為影響氣候的一個重要因子，對我國夏季降水的年際變化有重要影響。那么，7月華南和高原東部降水異常呈偶極子型變化是否也受前期土壤濕度的影響？因此，本文主要的研究問題為：7月青藏高原東部和華南偶極子型降水的年際變化與前期土壤濕度的聯(lián)系如何？關(guān)鍵區(qū)春、夏土壤濕度的異常有何聯(lián)系？前期關(guān)鍵區(qū)的土壤濕度異常影響7月偶極子降水的可能物理過程如何？

1 數(shù)據(jù)與方法

使用的資料包括：1）歐洲中期天氣預(yù)報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts;ECMWF）提供的ERA5月平均再分析資料，包括風(fēng)場、垂直速度、位勢高度、比濕、總云量、地表氣壓等大氣環(huán)流資料，還有表層土壤濕度（0～7 cm）、地表潛熱通量、地表感熱通量、地表凈短波輻射等。其中輻射通量均以向上為正。此外，ERA5的00、06、12、18時平均的日數(shù)據(jù)被用來進行瞬變波等動力診斷。月平均和日平均數(shù)據(jù)的水平分辨率均為1°×1°（Hersbach et al.，2020）;2）中國氣象局563個站點的月平均降水資料;3）ETOPO5地形數(shù)據(jù)來自美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration;NOAA）的國家地球物理數(shù)據(jù)中心，水平分辨率約為0.083°×0.083°。研究時段均為1979—2019年，所有數(shù)據(jù)均去除了1979—2019年整個時段的線性趨勢。

研究主要采用了相關(guān)、回歸、旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗正交函數(shù)分解（REOF）等。同時，本文利用三維波作用通量（WAF）來表征羅斯貝波的傳播特征（Takaya and Nakamura，2001）。

由于大氣斜壓不穩(wěn)定是誘發(fā)中高緯天氣系統(tǒng)的重要機制，本文使用了最大渦旋增長率（MEGR）表征大氣斜壓性的強度（Eady，1949;Lindzen et al.，1980）。如下：

MEGR=0.31fNdVdz，（1）

其中：f表示科氏力參數(shù);N為浮力頻率;V為水平風(fēng)速;z為垂直高度。

用天氣尺度瞬變渦旋的渦動動能來表征瞬變波活動的強度（公式（2））：

Ke=12（u′2+v′2），? （2）

其中：u′和v′為2～6 d帶通濾波的緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)，橫杠代表時間平均。

為了診斷天氣尺度瞬變波活動對定常環(huán)流的影響。使用公式（3）來表征天氣尺度瞬變波的動力強迫對位勢傾向的影響。

2 前期5月土壤濕度異常對7月偶極子降水的影響

圖2a給出了1979—2019年7月偶極子降水指數(shù)回歸的5月表層土壤濕度的空間分布。由圖2a可知，7月偶極子降水與5月青藏高原地區(qū)的土壤濕度呈顯著正相關(guān)，而與華中地區(qū)的土壤濕度呈顯著負相關(guān)。進一步對5月中國標準化土壤濕度進行REOF分解，其中REOF的第二模態(tài)表現(xiàn)為青藏高原和華中地區(qū)的土壤濕度呈反位相變化（圖略），且為土壤濕度年際變率較大的地區(qū)。說明這兩個區(qū)域是土壤濕度異常的氣候敏感區(qū)，陸氣相互作用較強，這與以往研究結(jié)果相一致（Zuo and Zhang，2009）。基于此，本文選取5月青藏高原和華中地區(qū)為土壤濕度異常變化的關(guān)鍵區(qū)，并將兩地區(qū)區(qū)域平均標準化后的土壤濕度之差定義為5月土壤濕度指數(shù)（SMI;圖2b）。其中青藏高原土壤濕度偏高，華中地區(qū)土壤濕度偏低為5月SMI的正位相，反之亦然。

如圖2b所示，5月SMI與7月偶極子降水指數(shù)均呈現(xiàn)出明顯的年際變化，且二者的相關(guān)系數(shù)為0.35，通過了95％的置信度檢驗。為了進一步驗證5月關(guān)鍵區(qū)土壤濕度異常對5—7月中國逐月降水的影響，圖3a—c給出了5月SMI回歸的5—7月逐月降水的空間分布。結(jié)果顯示，5月青藏高原土壤濕度偏高，華中地區(qū)土壤濕度偏低時，對應(yīng)5月兩地區(qū)局地降水分別偏多、偏少;在6、7月華南地區(qū)降水偏多，而高原東部、內(nèi)蒙古、東北、長江中下游部分地區(qū)降水偏少，其異常在7月更加顯著;反之亦然。以上結(jié)果均表明5月青藏高原和華中地區(qū)的土壤濕度異常可能與7月偶極子降水異常在年際尺度上有緊密聯(lián)系。那么其中的影響過程如何？

圖4給出了5月SMI與5—7月土壤濕度的回歸場，5月青藏高原（華中）地區(qū)的土壤濕度偏高（偏低）時，對應(yīng)6月和7月青藏高原（華中）地區(qū)土壤濕度異常偏高（偏低），但強度減弱（圖4b、c）;反之亦然。這表明5月土壤濕度異常能夠一直持續(xù)至7月，但異常強度有所減弱。同時，值得注意的是，6、7月內(nèi)蒙古和我國東北地區(qū)的土壤濕度也有顯著的負異常，這可能與夏季土壤溫度升高有關(guān)（Gao et al.，2018）。此外，進一步計算了5月SMI與6、7月SMI的相關(guān)系數(shù)分別為0.58、0.42，均通過了99％的置信度檢驗。這進一步說明5—7月青藏高原和華中地區(qū)的土壤濕度異常有較好的月際持續(xù)性，也是兩個區(qū)域土壤濕度異常能影響6、7月環(huán)流和降水的一個重要原因。

研究表明，土壤濕度的異常可通過改變地表能量平衡，進而影響大氣環(huán)流的異常（Zuo and Zhang，2016;Liu et al.，2017）。因此，首先分析了5月青藏高原和華中地區(qū)土壤濕度異常對應(yīng)的6、7月陸面熱力異常特征。當5月青藏高原土壤偏濕、華中地區(qū)土壤偏干時，對應(yīng)5—7月，青藏高原地區(qū)地表潛熱（感熱）通量呈現(xiàn)持續(xù)的正異常（負異常）;而華中大部分地區(qū)則表現(xiàn)為地表潛熱通量持續(xù)的負異常、地表感熱通量持續(xù)正異常（圖5a—f）。因此，5—7月兩地區(qū)地表潛熱、感熱通量異常均具有較好的月際持續(xù)性，但異常強度有所減弱（圖5a—f）。綜合來看，關(guān)鍵區(qū)地表湍流熱通量的異常亦有一定的類似性，但其異常強度和顯著性在各月有所差異（圖5g—i），這可能與各個月地表潛熱和感熱通量的相對貢獻不同有關(guān)。其中，5月青藏高原和華中地區(qū)地表湍流熱通量的異常主要由地表感熱主導(dǎo)（圖5a、d、g）。在6、7月，青藏高原地表潛熱通量和華中地區(qū)地表感熱通量的異常分別主導(dǎo)了兩地地表湍流熱通量的變化，使得6月和7月青藏高原和華中大部分地區(qū)地表湍流熱通量均呈現(xiàn)正異常（圖5h、i）。同時，值得注意的是，6—7月內(nèi)蒙古東部及東北地區(qū)地表感熱和潛熱通量也呈現(xiàn)顯著的異常（圖5b、c、e、f），與6—7月中國北方土壤濕度的異常相對應(yīng)（圖4b、c）。這是否與6、7月環(huán)流和季風(fēng)的變化有關(guān)？

3 5月中國土壤濕度異常影響7月偶極子降水異常的可能過程

5—7月關(guān)鍵區(qū)（青藏高原、華中地區(qū)）土壤濕度異常，對應(yīng)5—7月亞歐大陸中高緯大氣環(huán)流有明顯的異常。當5月SMI正位相時，5月歐亞中高緯的環(huán)流異常表現(xiàn)為歐洲東部-中國西北-東北亞地區(qū)位勢高度呈“負-正-負”分布，且基本呈準正壓結(jié)構(gòu)（圖略）。對應(yīng)5月西太副高和南亞高壓偏弱，副高位置偏東（圖略）。熱帶海洋的水汽難以輸送至華中地區(qū)，該地區(qū)低層有顯著的偏北風(fēng)異常，有利于該地區(qū)降水減少，土壤濕度偏低。6月歐亞大陸對流層高層存在明顯東傳的Rossby波列（圖6a）。其中一支波列由歐洲東部東傳至蒙古及東北亞地區(qū);另一支波列從歐洲東部東傳至中國西北地區(qū)，隨后向東南傳播至青藏高原及華中地區(qū)，進一步向北傳播至蒙古及東北亞地區(qū)（圖6a）。相應(yīng)的環(huán)流異常表現(xiàn)為歐洲東部-蒙古及東北地區(qū)-我國南方地區(qū)位勢高度異常呈“負-正-負”分布，且呈現(xiàn)明顯的準正壓結(jié)構(gòu)（圖6a—c）。這樣的環(huán)流異常有利于副高東移、南亞高壓西移（圖6a、b）。6月西太副高脊線與氣候態(tài)基本一致，位置比較偏南，但西脊點明顯偏東（圖6b）。來自熱帶西太平洋的水汽沿副高西北側(cè)輸送至華南地區(qū)，為華南地區(qū)降水提供了有利的水汽條件，但不利于水汽向高原東部輸送;而內(nèi)蒙古東部、東北地區(qū)被中低層異常高壓控制（圖6b、c），不利于降水的產(chǎn)生。在對流層高層，6月南亞高壓范圍和強度與氣候態(tài)基本一致，但其東脊點比氣候態(tài)偏西（圖6a）。已有研究表明，南亞高壓東脊點位置的年際變化與我國夏季降水異常有顯著相關(guān)，其中當南亞高壓東脊點偏西時，東北、內(nèi)蒙古東部地區(qū)、青藏高原東部及江淮流域部分地區(qū)降水偏少，而華南地區(qū)降水增多（胡景高等，2010;朱羿潔等，2022）。因此，副高東退、南亞高壓西撤有利于6月華南和高原東部降水異常呈偶極子型，中國北方地區(qū)（東北、內(nèi)蒙古東部地區(qū)）降水偏少。

7月的環(huán)流異常表現(xiàn)為西伯利亞經(jīng)蒙古到華南地區(qū)中低層環(huán)流呈現(xiàn)“負-正-負”的異常分布（圖6d—f）。受此異常環(huán)流的影響，西太副高西伸脊點偏東、南亞高壓東脊點偏西，與6月的環(huán)流異常類似。但相對6月而言，7月歐洲東部的異常低壓東移至西伯利亞，而蒙古地區(qū)的異常高壓和我國南方地區(qū)的異常低壓均明顯減弱南移（圖6a、d）。其中西伯利亞地區(qū)顯著的低壓異常，可能與該地區(qū)夏季融雪量增加，導(dǎo)致土壤濕度偏高有關(guān)（Sun et al.，2021;Xu et al.，2021）。7月大氣環(huán)流系統(tǒng)的異常亦表現(xiàn)為副高東退、南亞高壓西撤;內(nèi)蒙古及東北地區(qū)為準正壓的高壓異常，低層季風(fēng)環(huán)流（南風(fēng)）減弱。這樣的環(huán)流配置有利于進一步加強6月中國地區(qū)降水型的異常，即華南降水偏多，高原東部及江淮流域、東北、內(nèi)蒙古東部等地區(qū)降水減少。因此，西太副高和南亞高壓脊點位置的變化，以及內(nèi)蒙古及東北地區(qū)局地異常高低壓是影響6、7月華南和高原東部偶極子降水異常和中國北方地區(qū)（內(nèi)蒙古東部、東北）降水（土壤濕度）異常的重要原因。那么，5月關(guān)鍵區(qū)（青藏高原、華中地區(qū)）的土壤濕度異常如何引起6、7月的環(huán)流異常？

土壤濕度作為陸面過程的重要物理量，可通過改變地表潛熱、感熱進而影響環(huán)流和降水異常（Liu et al.，2017;Sun et al.，2021）。5、6月青藏高原（華中地區(qū)）土壤濕度偏濕（偏干），對應(yīng)6月青藏高原和華中部分區(qū)域的地表湍流熱通量正異常（圖5h），加熱中低層大氣使其增溫，進而激發(fā)北傳的Rossby波列（圖7a）。其中青藏高原和華中地區(qū)為重要的波源區(qū)，進而有利于我國南方—蒙古及東北亞地區(qū)“負正”型大氣波列的增強／維持（圖6a）。在該波列的影響下，蒙古東部及東北地區(qū)受中低層異常高壓控制（圖6b、c），降水減少。然而，我國南方地區(qū)準正壓的異常低壓，有利于副高東退、南亞高壓西撤（圖6a、b），使得華南降水增加、高原東部降水減少。由此，5月SMI正位相時，可通過影響地表能量平衡，使得6月華南和青藏高原東部降水異常呈現(xiàn)偶極子正位相。同時，內(nèi)蒙古東部及東北地區(qū)降水減少，對應(yīng)局地土壤濕度減小，這與上述結(jié)果相一致。這表明5月關(guān)鍵區(qū)的土壤濕度異常可能對6月中國北方地區(qū)降水、土壤濕度的異常有重要貢獻。

7月，青藏高原土壤濕度偏高、華中、內(nèi)蒙古東部及東北地區(qū)土壤濕度偏低，中國北方大部分地區(qū)（中國35°N以北區(qū)域）地表湍流熱通量正異常，對流層中低層氣溫升高（圖8a）。使得中國北方與貝加爾湖之間（45°～55°N）對流層中低層經(jīng)向溫度梯度和大氣斜壓性增強（圖8b），天氣尺度的瞬變波活動增強（圖8c、e）;而內(nèi)蒙古與其南方區(qū)域之間（32°～40°N）對流層中低層經(jīng)向溫度梯度減小，大氣斜壓性及瞬變波活動減弱（圖8b—e）。根據(jù)波流相互作用理論，瞬變波活動的異常會引起低頻位勢高度場的異常（Lau and Holopainen，1984;Lau and Nath，2014）。其中，瞬變波活動越強的地區(qū)，其南側(cè)（北側(cè)）表現(xiàn)為準正壓的異常高壓（低壓）強迫，反之亦然（Chen et al.，2017;Xu et al.，2021;張嬋等，2023）。由此，上述兩個區(qū)域瞬變波活動的異常通過瞬變渦度強迫，造成中國北方及蒙古地區(qū)出現(xiàn)正的位勢傾向異常（圖8d、f），有利于該地區(qū)準正壓結(jié)構(gòu)的異常高壓和波源的形成（圖8d、f）。并通過向南傳播的Rossby波使得我國南方地區(qū)出現(xiàn)準正壓的異常低壓（圖7b）。同時，中國北方-蒙古地區(qū)中低層的異常高壓對應(yīng)該地區(qū)的異常下沉運動（圖9a），造成局地降水和總云量減少（圖9b），向下的凈短波輻射增強（圖9c），地表土壤溫度升高（圖9d）。受降水減少和地表溫度升高的影響，中國北方及蒙古地區(qū)的土壤濕度偏低。

偏低的土壤濕度可改變中國北方及蒙古地區(qū)及其北側(cè)的經(jīng)向溫度梯度和瞬變波活動，增強局地的異常高壓，從而在中國北方-蒙古地區(qū)形成土壤濕度和異常高低壓之間的正反饋過程。進而有利于中國北方及蒙古地區(qū)-我國南方地區(qū)異常高低壓的增強／維持。

由上述分析可知，5月青藏高原（華中地區(qū)）的土壤濕度正（負）異常，持續(xù)至7月，通過影響地表能量平衡，進而改變大氣的熱力結(jié)構(gòu)，引起大氣瞬變波活動的異常，最后導(dǎo)致中國北方及蒙古地區(qū)-華南地區(qū)中低層環(huán)流呈“反氣旋-氣旋”異常分布。其中青藏高原東部地區(qū)位于蒙古異常反氣旋的南側(cè)和華南異常氣旋的西側(cè)，有顯著的偏北風(fēng)異常（圖10b）。該地區(qū)異常的偏北風(fēng)帶來了異常冷平流（圖10d），有利于異常下沉運動的出現(xiàn)。同時，異常的偏北風(fēng)減弱了氣候態(tài)西南風(fēng)向高原東部的水汽輸送，造成該地區(qū)水汽通量異常輻散（圖10c）。受異常冷平流和水汽通量異常輻散的影響，高原東部7月降水偏少。與此同時，華南地區(qū)受中低層異常氣旋控制（圖10a、b），有利于異常的上升運動，為該地區(qū)降水的形成提供了良好的動力條件;其次，異常氣旋南側(cè)的西風(fēng)異常和東側(cè)的東南風(fēng)異常分別將印度洋、西太平洋的水汽輸送至華南地區(qū)，為華南地區(qū)的降水提供了充沛的水汽條件（圖10c）。受上述異常環(huán)流的影響，華南地區(qū)7月降水增多。因此，5月SMI正位相時，華南降水偏多，高原東部降水偏少，呈現(xiàn)偶極子分布;負位相則反之。

4 結(jié)論與討論

1979—2019年7月偶極子降水的年際變化與前期5月青藏高原（華中地區(qū)）的土壤濕度呈顯著正（負）相關(guān)。由此，定義5月SMI為5月青藏高原和華中地區(qū)區(qū)域平均標準化的土壤濕度之差，其中青藏高原土壤濕度偏高，華中地區(qū)土壤濕度偏低為5月SMI的正位相;反之亦然。通過分析發(fā)現(xiàn)，7月偶極子降水異常直接源于西太副高、南亞高壓脊點位置的變化和局地環(huán)流的異常。5月關(guān)鍵區(qū)（青藏高原、華中地區(qū)）土壤濕度異常對6、7月中國區(qū)域的降水異常有重要影響。5月青藏高原（華中地區(qū)）土壤濕度偏高（偏低），持續(xù)至6月，通過影響地表的熱力平衡，進而激發(fā)了對流層中高層北傳的Rossby波列，使得6月內(nèi)蒙古東部及東北亞地區(qū)出現(xiàn)準正壓的異常高壓，降水減少，相應(yīng)的局地土壤濕度減小。7月，青藏高原土壤濕度偏高、華中及內(nèi)蒙古東部及東北地區(qū)土壤濕度偏低，局地地表湍流熱通量正異常，使得中國北方地區(qū)（中國35°N以北區(qū)域）對流層中低層大氣增暖，造成中國北方與貝加爾湖（內(nèi)蒙古與其南側(cè)區(qū)域）之間經(jīng)向溫度梯度和大氣斜壓性增強（減弱），瞬變波活動增強（減弱）。通過瞬變渦度的強迫在中國北方-蒙古地區(qū)造成正的位勢高度傾向，有利于該地區(qū)準正壓的異常高壓和波源的形成，通過相關(guān)的Rossby波向東南方向傳播至我國南方，使得華南地區(qū)出現(xiàn)準正壓結(jié)構(gòu)的異常低壓。同時，中國北方及蒙古地區(qū)異常高壓會使得局地土壤變干，進而通過上述過程加強局地異常高壓。受上述波列的影響，西太副高東移南亞高壓西移，有利于華南地區(qū)水汽異常輻合，降水偏多。然而，青藏高原東部受異常偏北風(fēng)的影響，對應(yīng)異常的冷平流和水汽異常輻散，使得該地區(qū)出現(xiàn)異常下沉運動，降水減少。5月SMI負位相時，則反之。從水汽收支方程來看，華南地區(qū)降水偏多與異常上升運動引起的垂直水汽輸送以及氣候態(tài)風(fēng)場相關(guān)的異常水汽平流有關(guān)，而高原東部地區(qū)降水減少則主要與異常下沉運動和異常水平風(fēng)導(dǎo)致的水汽輻散有關(guān)。因此，5月關(guān)鍵區(qū)土壤濕度異常引起的高原東部和華南地區(qū)的風(fēng)場和垂直運動異常是影響7月偶極子降水年際變化的重要前期因子之一，這與上述結(jié)果一致。

本文計算了前期5、6、7月SMI與7月Nio3.4指數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.09、-0.03、0.01，均沒有通過顯著性檢驗。這表明前期5—7月關(guān)鍵區(qū)的土壤濕度與7月ENSO的發(fā)展是線性獨立的。此外，7月偶極子降水指數(shù)與前期5、6、7月SMI的相關(guān)系數(shù)分別為0.35、0.30、0.38，均通過了90％的置信度檢驗;而與5、6、7月Nio3.4指數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.24（未通過顯著性檢驗）、0.42（99％的置信度檢驗）、0.50（99％的置信度檢驗）。這說明5月青藏高原和華中地區(qū)的土壤濕度異常，以及同期ENSO的發(fā)展均對7月偶極子降水有重要影響。其中，5月中國土壤濕度的異常，主要通過陸面熱力異常影響中高緯瞬變波活動異常，進而影響7月東亞地區(qū)的環(huán)流和降水異常。然而，同期ENSO的發(fā)展可通過影響熱帶地區(qū)Walker環(huán)流和局地經(jīng)向環(huán)流異常，以及激發(fā)熱帶外對流層高層的歐亞波列進而調(diào)制7月偶極子降水的年際變化。雖然二者分別是前期、同期因子，且對7月偶極子降水的影響過程有所不同，但他們均對7月偶極子降水有重要貢獻。此外，分析發(fā)現(xiàn)1979—2019年5月SMI與7月偶極子降水指數(shù)的相關(guān)關(guān)系不穩(wěn)定，其中它們的關(guān)系在1998年左右發(fā)生了年代際轉(zhuǎn)折。1979—1997年，兩者的相關(guān)系數(shù)達0.51，通過了95％的置信度檢驗;而1998年之后，兩者的相關(guān)僅為0.25，未通過顯著性檢驗。其中的原因和物理過程尚不清楚，有待于今后的工作中進一步探索研究。由于觀測資料的限制，土壤濕度采用了ERA5的再分析資料。在今后的工作中，有必要使用多源觀測的土壤濕度資料進行對比驗證。此外，本文主要基于統(tǒng)計和動力診斷方法分析了5月關(guān)鍵區(qū)土壤濕度異常對7月偶極子降水的影響，在后續(xù)的工作中可進一步結(jié)合數(shù)值試驗來驗證相關(guān)物理過程。

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Impact of May soil moisture anomalies in China on the interannual variation of July precipitation dipole over South China and the eastern Tibetan Plateau

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1School of Atmospheric Sciences，Sun Yat-sen University，and Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory （Zhuhai），Zhuhai 519082，China;

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

Abstract During the period of 1979—2019，there was a significant negative correlation between the interannual variation in precipitation anomalies over South China （SC） and those in the eastern Tibetan Plateau （ETP） in July，with a correlation coefficient of -0.60 between the area-averaged precipitation over the two regions.It is statistically significant at the 99％ confidence level.Therefore，a precipitation dipole index （PDI） is defined as the difference in the standardized area-averaged precipitation between SC （20°—26°N，108°—123°E） and the ETP （28°—35°N，90°—108°E） in July.The positive phase of the July precipitation dipole is characterized by increased （decreased） precipitation over SC （the ETP），and vice versa.Based on this，we utilize ERA5 reanalysis data and station precipitation data from the period of 1979—2019 to investigate the influence of soil moisture anomalies in May on the interannual variation of the July precipitation dipole，along with its underlying physical processes.The study results show that higher soil moisture in the TP and lower soil moisture in Central China （CC） in May tend to lead to increased （decreased） precipitation over SC （the ETP） in July，displaying a dipole pattern of precipitation over the two regions.Further analysis reveals that the positive （negative） soil moisture anomalies in the TP （CC） may persist from May to July，resulting in positive surface turbulent heat flux anomalies in the Northern China （NC） region in July.This in turn causes local middle to lower troposphere warming，thus intensifying the meridional temperature gradient and atmospheric baroclinicity between NC and Lake Baikal.Correspondingly，enhanced synoptic-scale transient wave activity is observed，which creates an anomalous high pressure with an equivalent barotropic structure and Rossby wave sources over NC-Mongolia by transient vorticity forcing.The associated Rossby waves propagate southeastward to SC.Subsequently，an anomalous low pressure appears over SC with an equivalent barotropic structure，which facilitates the eastward shift of the western Pacific subtropical high and westward shift of the South Asian high.This anomalous circulation respectively corresponds to anticyclone and cyclone anomalies in the middle and lower troposphere over Mongolia and SC，and consequently enhanced （suppressed） precipitation occurs in SC （the ETP）.In addition，the positive feedback process between the anomalous high over Mongolia and local low soil moisture is favorable to the formation of the July precipitation dipole by intensifying and maintaining the above physical process，and vice versa.

Keywords soil moisture in May;a dipole pattern of precipitation over South China and the eastern Tibetan Plateau in July;interannual variability;physical mechanism

doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20230616001

（責(zé)任編輯：袁東敏）