前冬南半球环状模对春季华南降水的影响及其机理

郑 菲，李建平

1 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室，北京 100029

2 中国科学院大学，北京 100049

1 引 言

南半球环状模（Southern Hemisphere Annular Mode，简称 SAM），也称南极涛动 （Antarctic Oscillation，简称AAO）是南半球中高纬度大气质量变化的一种全球尺度翘翘板结构，是南半球热带外大气环流时空运动和变化的主要模态[1-3］.关于SAM最早的研究，可以追溯到20世纪20年代末.Walker[4］指出，在海平面气压场上，穿过智利、阿根廷的高压与南极威德尔海和别林斯高晋海的低压呈翘翘板形式反向变化.对南半球热带外海平面气压场进行经验正交函数（EOF）分解的相关结果[3，5-7］也表明，第一特征向量在南北方向上表现出中、高纬地区反向变化的跷跷板结构，即南半球环状模（SAM）或者南极涛动（AAO）.不过，需要说明的是，南极涛动的概念首先是中国的学者龚道溢和王绍武[1-2］提出的，并得到国际上的认可.在国外的文献中常用EOF来说明SAM[3］，其真实性一度受到质疑[8-9］.在前人工作基础上，李建平等[10-11］提出了大气环状活动带的新概念，证明存在环状涛动，提炼出SAM与NAM（北半球环状模，Northern Hemisphere Annular Mode，简称NAM）的物理本质并建立了物理模型，构造出了新的南、北半球环状模指数并被广泛使用[12-17］.

SAM因其纬向对称性结构及半球尺度特征，其变率在多个时间尺度[18-19］上与全球及区域大气环流变化有密切联系.作为南半球中高纬大气的主要模态，其不仅对南半球的气候系统产生影响[20-24］，也对北半球气候系统存在影响[16，25-29］.具体到 SAM 对中国气候的影响，我国气象学者也做了许多研究.例如：南素兰和李建平[13，25，30-31］指出春季 SAM 与夏季长江中下游降水存在显著的正相关，并提出了海洋桥的概念来揭示其中的影响机理；吴志伟等发现前冬SAM对次年夏季长江中下游地区旱涝并存[32］、旱涝急转有所影响[33］，前冬SAM可以作为预测长江中下游地区夏季旱涝急转的一个前期信号；Wu等[16］指出前期秋季SAM与中国的冬季风也存在密切联系.

那么，前期冬季SAM会对次年春季的中国降水产生什么影响呢？虽然我国受东亚季风的影响，降水主要集中在夏季，但是春季降水对于农作物生长等也非常重要，春旱严重影响着农作物的产量.尤其是华南地区，通过初步分析表明，华南春季降水量可以占到全年总降水量的约40%，而且降水年际变率大[34］.因此，研究前冬SAM对次年春季中国降水尤其是华南降水的影响，可以为春季降水提供有意义的前期预报信号，是一个有实际意义的重要问题.

实际上，我国气象学家针对华南降水的时空变率及影响降水的因子已经做了相当多的非常有价值的研究.例如，华南前汛期降水的时空分布特征[35-37］，影响华南前汛期降水的敏感海区[38］，东北冷涡与华南前汛期降水的关系[39］，西北太平洋副热带高压对华南降水的影响[40-41］，南半球低纬的气旋活动在南极海冰与华南前汛期降水关系中的桥梁作用[42］，水汽输送异常与华南前汛期降水异常的关系[43］等.可以看到，虽然影响降水的直接因素是大气环流，但是海温、海冰也可以通过影响大气环流对降水产生间接影响；不仅北半球的低纬系统及中高纬系统可以影响华南降水，南半球的低纬系统也可以对华南降水产生影响.

本文集中分析前冬SAM对次年春季华南降水的可能影响这个问题，旨在讨论南半球中高纬度的环流变率是否可能对我国华南地区降水产生影响.

2 资料、方法和模型

本文所使用的降水资料为中国160台站逐月降水资料；环流资料为逐月的NCEP／NCAR再分析资料[44］，水平分辨率为2.5°×2.5°，垂直共17层（垂直速度共12层），基本要素包括位势高度、水平风速、垂直速度、相对湿度等；南半球环状模指数（SAM Index，SAMI）采用 Nan和Li的定义[13］，即标准化的纬向平均海平面气压（Sea Level Pressure，SLP）在40°S与70°S的差.Niño3.4指数定义为东赤道太平洋（5°N—5°S，170°W—120°W）的区域平均的海温异常（数据下载自Climate Prediction Center（CPC）／NOAA）.

采用相关、合成、SVD等统计分析方法，计算了前冬SAM与春季华南降水及大气环流的关系.合成分析中，强（弱）年定义为超过正（负）1.0个标准差的年份，合成差是指强年合成减弱年合成的差值.为了计算排除ENSO信号后，SAM与华南降水的相关关系，文中还采用了偏相关分析.具体计算方法为：设有三个变量x1，x2，x3，可计算x1，x2同时扣除x3影响之后的偏相关系数，记作r12，3，其计算公式为

其中，r12，r13，r23分别代表变量x1和x2，变量x1和x3，以及变量x2和x3的相关系数.

本文还计算了某格点上的水汽输送矢量Vq及水汽输送矢量散度Dq，计算公式分别为

单位面积低层大气（1000～700hPa）水汽输送通量矢量，采用公式为

其中，Q为水汽输送通量矢量，Qλ和Qφ分别是纬向和经向水汽输送通量，g为重力加速度，q为比湿，P为气压，PS和PT分别取为1000hPa和700hPa.对于华南区域（110°E—120°E，20°N—30°N），四个边界上的低层水汽输送通量为

其中，QW、QE、QN、QS分别是西、东、北、南边界的水汽输送通量；LW、LE、LN、LS分别为四个边界的长度；m和n分别为纬向和经向的格点数.计算选定的华南区域的总的水汽收支，公式为

若QT＞0，则流出选定的华南区域的水汽大于流入的水汽，表明有水汽辐散；若QT＜0，则流出选定的华南区域的水汽小于流入的水汽，即有水汽辐合.

此外，为了验证再分析资料诊断得到的海温异常引起华南及其邻近地区大气环流异常的结论，采用 CAM3（NCAR Community Atmospheric Mode Version 3）大气模式进行海温敏感性试验来进一步验证相关机理.CAM3是NCAR发展的全球谱模式，水平分辨率为T42（纬向为均匀分布的128个格点，经向为64个高斯格点），垂直方向采用η坐标，共26层.试验设计将在第7节中给出具体说明.

本文中所取时间段为1950／51—2007／08（冬／春），考虑到再分析资料在南半球高纬度的准确度的问题，除了对全时段（1950／51—2007／08）进行计算分析外，也对比分析了1980／81—2007／08时段的结果.本文中的冬季和春季分别指的是12—1月和3—5月，即北半球冬、春季的定义方法.华南区域是指（110°E—120°E，20°N—30°N）.

3 前冬SAM与春季华南降水

图1a给出了前冬SAMI与我国春季降水量的相关系数分布.由图可见，华南地区是显著的负相关区.相关系数超过置信度90%的显著性检验的台站包括：衢州、浦城、南昌、吉安、赣州、零陵、梅县、汕头、河源、广州、悟州，共11个台站.也就是说，当前冬SAM偏强时，次年春季华南降水易于偏少；当前冬SAM偏弱时，次年春季华南降水易出现偏多.

我国许多气象学者已经指出，ENSO作为气候系统年际振荡的强信号，可以影响我国降水[45-46］.那么，SAM与华南降水的这种相关关系，是ENSO导致的两者协同变化的表现呢？还是SAM确实对华南降水存在影响？为了探讨这个问题，需要采用偏相关分析的方法来说明.图1b给出了排除了冬季ENSO信号后，SAMI与我国次年春季降水的偏相关系数.比较图1a和图1b可见，扣除前冬ENSO信号后，在我国华南地区，SAMI与降水的相关系数变化并不大.并且，在排除了前冬ENSO信号后，前冬SAMI与春季RI的偏相关系数为-0.41，虽然比扣除ENSO信号前的相关系数-0.44略有减小，但是仍然超过置信度99%的显著性检验.这表明，前冬SAM对华南春季降水的影响是存在的.

将以上11个台站的平均春季降水量做标准化处理，作为反映华南地区春季降水的一个指标，定义为春季华南降水指数（RI）.由前冬SAMI与春季华南降水指数（RI）的时间序列图 （图2a）可见，SAMI与RI均表现出很强的年际变化，同时具有年代际变化和长期趋势.两时间序列的相关系数为-0.44，超过置信度99%的显著性检验.去除线性趋势后（图2b），两序列的相关系数仍可达-0.40，仍超过置信度99%的显著性检验.图2c给出的是春季RI与各月SAMI的超前滞后相关，由图可见，春季RI与前一年12月到2月SAMI有最强的负相关系数，分别超过置信度99%和95%的显著性检验.虽然春季RI与前一年秋季SAMI的相关系数也为负，但是未通过显著性检验.图2d显示的是前冬SAMI与次年春季RI的31年滑动相关，可以看到两者的负相关关系是比较稳定的，基本上均能超过置信度90%的显著性检验，并且这种负相关在近年有较明显的增强趋势.

定义冬季SAMI高（低）于1个正（负）标准差的年份为强（弱）SAM年.在1950—2007年共58年的冬季中，强SAM年共有14年，分别为1958、1961、1962、1973、1981、1988、1993—1995、1997—1999、2001、2007年；弱SAM年共有18年，分别为1951、1952、1955、1956、1964—1966、1968、1971、1972、1974、1976、1979、1982、1984、1991、1992、2005 年.从SAMI高低指数年合成的我国春季降水场上看（图略），前冬强SAM年合成的次年春季华南降水偏少，异常可达-100mm以上；前冬弱SAM年，合成出的次年春季华南降水偏多，异常可达120mm以上.

另外，定义春季RI高（低）于1个正（负）标准差的年份为强（弱）华南春季降水年.在1951—2008年共58年春季中，强RI年共10年，分别是1952、1953、1957、1973、1975、1980、1981、1983、1984、1992年；弱RI年共8年，分别是1963、1964、1971、1974、1990、1991、2007、2008年.春季强 RI年，前冬南半球高纬度55°S—90°S有SLP的正异常，850hPa上对应异常反气旋风场，中纬度30°S—55°S有SLP的负异常，850hPa上对应异常气旋式风场，这些均为SAM负位相的典型特征（图3）.在高层，RI强年合成的500hPa位势高度场及200hPa风场也有类似特征，即前冬南半球500hPa上高纬度55°S—90°S的位势高度正异常以及200hPa上的异常反气旋风场，中纬度30°S—55°S的位势高度负异常以及200 hPa上的异常气旋式风场，这些也对应SAM的负位相（图略）.综合低层和高层的情况，反映了SAM的相当正压结构，说明春季华南降水偏多，对应前冬有SAM负异常的信号.低RI年合成出的以上各个异常场，具有相反的形式，说明春季华南降水偏少，对应前冬有SAM正异常的信号.

图2 前冬SAMI与春季华南降水指数RI的标准化的时间序列及相关关系（a）前冬SAMI与春季华南降水指数RI的标准化的时间序列；（b）同（a），但为去线性趋势后的结果；（c）春季RI与各月SAMI的超前滞后相关，3条虚线从上到下分别代表置信度90%，95%，和99%的显著性检验（下同）；（d）前冬SAMI与春季华南降水指数RI的31年滑动相关，3条虚线同（c）.Fig.2 Standardized time series of the preceding winter SAMI and spring RI and correlation coefficient between them（a）Standardized time series of winter SAMI and spring RI；（b）Same as（a）but for detrended series；（c）Lead-lag correlations between spring RI and SAMI in different months，the three dashed lines respectively indicate significant at the 90%，95%，and 99%confidence levels；（d）31asliding correlation coefficients between preceding winter SAMI and spring RI，the three dashed lines are same as（c）.

为了进一步确定前冬SAM与春季华南降水的负相关关系，采用SVD方法[47］进行分析.左场选取1950—2007年冬季10°S以南的SLP场，右场选取1951—2008年春季中国160台站降水.做SVD分析之前，两变量均经过标准化处理.SVD第一模态占了总平方协方差的44%，两变量场对应的时间系数的相关是0.68（超过置信度99%的显著性检验）.异质相关图上（图略），南半球中、高纬度地区分别表现出环状的显著正、负相关，是SAM的显著正位相特征.华南地区是显著的负相关，相关系数高达-0.5.说明前冬SAM的正位相是与春季华南降水偏少的情况对应的，而前冬SAM的负位相则是与春季华南降水偏多对应的.这些与之前前冬SAMI与春季华南降水的相关分析结果一致，进一步说明了前冬SAM与春季华南降水的显著负相关关系.

4 前冬SAM与春季大气环流异常

前冬SAMI异常合成的春季850hPa水平风场的合成差分布（图4a）表明，当前冬SAM偏弱时，次年春季西北太平洋地区有反气旋式环流异常，对应华南地区上空的异常西南风.由前冬SAMI异常合成的春季低层（1000—700hPa）水汽输送异常图（图略）上可见，这支西南风异常有利于水汽到达华南地区，使气候平均的西南水汽输送（图略）得到加强，从而为华南降水增多提供了有利条件.当前冬SAM偏强时，情况相反，华南地区的异常东北风不利于水汽输送，为华南降水减少提供了有利条件.为了进一步证明以上结果，分析春季RI合成的同期春季850hPa水平风场的合成差分布（图4b）.由图可见，春季RI指数偏高（华南降水偏多），对应同期春季西北太平洋地区的异常反气旋式环流，华南地区上空的西南风异常，以及西南水汽输送加强（图略）.图4a和图4b在西北太平洋地区的异常型具有很高的一致性且风向基本相反，说明前冬SAM偏弱为春季华南降水偏多提供了有利的环流条件；反之，前冬SAM偏强为春季华南降水减少提供了有利的环流条件.

考虑到水汽是影响降水的重要因子，进一步分析前冬SAM对春季华南地区水汽收支情况的可能影响.分析气候态的春季低层（1000～700hPa）华南区域的各边界上水汽输送通量及区域总水汽收支情况（图5a）发现，华南区域在春季有水汽辐合，是水汽汇区.南北边界均是向北的水汽输送，但是南边界的输入大于北边界的输出；东西边界均是向东的输送，但是西边界的输入大于东边界的输出.由前冬SAMI合成的春季低层水汽收支合成差（图5b）可见，当前冬SAMI偏强时，华南区域有异常水汽辐散，较气候平均的水汽辐合有所减小，有利于降水的异常偏少.分析各边界水汽输送异常情况，发现华南区域的异常辐散主要是由于南边界的水汽输入异常减小导致的，强弱年的差值可达气候均值的39%.由于西边界水汽输出的减小值大于东边界的水汽输入减小值，东西方向上有水汽异常辐合.但是，由于东西方向上的异常辐合小于南北方向上的异常辐散，华南区域总体有异常辐散.由春季RI合成的春季低层水汽收支合成差（图5c）可见，当春季华南降水偏多时，对应华南区域异常水汽辐合，水汽收入在强弱年的差值可达气候均值的96%.这主要是由于南边界上异常偏强的水汽输入造成的，水汽输入在强弱年的差值达气候均值的80%.但是在东西方向上，由于东边界的水汽输出异常值大于西边界的水汽输入异常值，反而存在水汽的异常辐散.结合图5b和图5c可得，当前冬SAMI偏强时，华南区域有异常水汽支出，对应降水偏少时的水汽收支异常，为降水偏少提供了有利条件；当前冬SAMI偏弱时，华南区域有异常水汽收入，对应降水偏多时的水汽收支异常，为降水偏多提供了有利条件.

图6 前冬SAMI（a）和春季RI（b）合成的东亚地区春季850hPa西北太平洋副热带高压脊线位置标有1520的线代表位势高度1520gpm，未标值的线代表纬向风速为0的线；实线、长虚线、短虚线分别代表气候态、强年合成、弱年合成.Fig.6 Composite analysis in spring 850hPa Northwestern Pacific subtropical high ridge line respectively based on the preceding winter SAMI（a）and on spring RI（b）（The lines marked by 1520represent the geopotential height is 1520gpm，the lines without contour labeling indicate zonal wind equaling to zero；the solid，long dash ，and short dash line respectively indicates climatology，strong year，and weak year）

考虑到西北太平洋副热带高压对于春季华南降水的重要性，对西太副高做进一步的分析.图6a是基于前冬SAMI正、负异常年合成的850hPa副高脊线位置.图中标出了纬向风速为0的线和位势高度为1520gpm的线，两条线的西侧交叉点可以表示副热带高压西伸的脊点.由图可见，当前冬SAM偏强时，对应春季副热带高压偏东，西伸脊点在130°E以东，与春季华南降水偏少时副高脊线的异常（图6b）相似，不利于华南降水；当前冬SAM偏弱时，对应春季副热带高压偏西，西伸脊点在130°E以西，与春季华南降水偏多时副高脊线的异常（图6b）相似，有利于华南降水增多.

降水的形成与垂直速度的条件密不可分.前冬SAMI偏弱时，春季华南地区由低层到高层，基本上都被异常的上升运动控制（图略）.并且600hPa以下有异常的辐合，600hPa以上到150hPa有异常的辐散，对应上升运动的加强，有利于降水的增加.前冬SAMI偏强时对应的风场辐合和垂直速度的异常情况与以上所述相反，但是其所造成的异常的强度比SAMI偏弱年造成的异常偏弱（图略）.

5 与冬季SAM有关的同期冬季及次年春季海温异常

超前一个季节的南半球信号SAM是怎样影响到滞后一个季节的华南大气环流进而影响春季降水的呢？由于大气自身的记忆性较差，因此考虑下垫面（如海洋）对异常信号经存储并再释放影响大气的过程（海气耦合桥过程）.图7是冬季SAMI与各月纬向平均近地面纬向风、纬向平均海温的超前滞后相关.由图7a可见，冬季SAMI与30°S—45°S之间纬向平均的近地面纬向风为负相关，与45°S—70°S之间纬向平均的近地面纬向风为正相关.并且，冬季SAMI与近地面纬向风的相关关系可以由冬季持续到次年春季.风速可以影响蒸发，从而影响潜热释放及海温.由图7b可见，冬季SAMI与30°S—45°S之间纬向平均海温呈正相关，与45°S—70°S之间纬向平均海温为负相关，并且相关关系也可以由冬季持续到次年春季，这与图7a是对应的.也即：当冬季SAM偏强时，30°S—45°S之间的近地面纬向风减弱，从而引起蒸发减弱，潜热释放减少，导致海温升高；45°S—70°S之间近地面纬向风加强，从而引起蒸发加强，潜热释放增多，导致海温降低.冬季SAM偏弱时情况相反.并且，计算了1980／81—2007／08年时段的结果（图略），与用全时段资料计算的结果（图7）基本一致.

图8是基于冬季SAMI合成的同期冬季（图8a）及次年春季（图8b）SST的合成差分布.由图可见，当冬季SAM偏强时，无论同期冬季还是次年春季，南半球中高纬的海温异常呈现带状的偶极型结构，在30°S—45°S之间的海温偏高，而在45°S—70°S之间的海温偏低，这与图7所得结论是一致的.由图8a、b还可以看到，前冬SAMI合成的海温异常场，在热带太平洋地区有类似于ENSO的信号.并且，有学者研究发现SAM与ENSO之前存在相关关系[48-49］.为了避免在分析中带入ENSO信号的影响，将SAMI和SST资料中的ENSO信号用线性回归的方法排除后，再做基于SAMI合成的同期冬季（图8c）及次年春季（图8d）SST的合成差分布.由图可见，无论保留还是排除ENSO信号，用SAMI合成的南半球中高纬度的带状海温异常均是明显的，且冬季SAMI与冬、春季ZSSTI的偏相关在排除ENSO信号后仍然是显著的，相关系数分别为0.58和0.37，说明南半球中高纬度的这种带状海温异常与SAM存在相关关系.同样，也分析了仅用1980年后资料计算的结果（图略），所得SST的合成差的分布与用全时段的资料所得结果（图8）一致度较高.

为了进一步分析南半球的带状海温异常引起的大气环流异常，定义一个海温指数，为经过标准化处理的30°S—45°S和45°S—70°S这两条纬带的区域平均海温之差，记为ZSSTI.由以上分析可知，前冬SAMI偏高（低），对应同期冬季及次年春季ZSSTI偏高（低）.

由前冬SAMI、ZSSTI与春季ZSSTI、RI时间的序列图（图略）可见，前冬SAMI、ZSSTI及春季ZSSTI随时间的变化有很高的一致性，而以上3个变量与春季RI随时间的变化基本相反.如1999年冬／2000年春，冬季SAMI、ZSSTI，春季ZSSTI、RI的值依次为2.70、1.79、1.72、-0.54.分析这4个变量的相关系数矩阵（表1）发现，前冬SAMI与次年春季RI的相关系数为-0.44，反映了两者负相关的基本事实；探索这种相关关系的物理过程，发现前冬SAMI与同期ZSSTI的相关系数为0.62，与图7、8结果相符，说明冬季SAM异常会造成同期南半球两条纬带上的海温异常；前冬与春季ZSSTI的相关系数高达0.91，反映了海温异常信号自身较长的记忆性，也就是说冬季SAM引起的海温异常信号可以持续到次年春季；到春季，ZSSTI与同期RI的相关系数为-0.30，也即前冬SAMI引起的这种海温异常可以使RI相反变化，也即ZSSTI偏高，同期春季华南降水偏少.

表1 前冬SAMI、ZSSTI与春季ZSSTI、RI的相关系数矩阵Table 1 Correlation coefficient matrix between the preceding winter SAMI，ZSSTI and spring ZSSTI，RI

排除了ENSO信号后，由春季RI合成的前冬及同期春季SST的合成差的分布（图略）可见，春季华南降水偏多，无论是前冬还是同期春季，在30°S—45°S之间的海温偏低，而在45°S—70°S之间的海温均偏高，对应ZSSTI偏低，与图2结果相符，进一步反映了春季ZSSTI与华南降水的负相关.

6 春季南半球中高纬带状海温异常对应的同期春季大气环流异常

第5节中给出了前冬SAM、春季南半球中高纬带状海温异常以及春季华南降水的相关关系，并且分析了前冬SAM造成春季带状海温异常的物理机制.那么，这种春季带状海温异常（用ZSSTI表示）是怎样影响到同期春季华南降水（用RI表示）的呢？图9是春季ZSSTI合成的同期春季850hPa水平风异常流场.由图可见，当ZSSTI偏高时，西太平洋地区有异常反气旋式环流，对应我国华南地区850hPa有异常东北风.这支东北风减弱了气候平均的西南水汽输送（图略），不利于华南地区降水发生；当ZSSTI偏低时，对应华南地区有异常西南风，这支西南风带来更加充足的水汽输送（图略），有利于华南地区降水的增加.

图9 春季ZSSTI强（a）、弱（b）年合成的同期春季850hPa风场异常（单位：m／s）Fig.9 Composite analysis in spring 850hPa wind anomalies in high（a）and low（b）spring ZSSTI years（unit：m／s）

与图5类似的分析方法，定量分析了在ZSSTI强、弱年，华南区域大气对流层低层的水汽收支情况（图略）.当春季ZSSTI偏强时，对应华南区域有异常水汽辐散，不利于降水发生.这种异常的水汽辐散主要是由于南边界上流入区域的水汽输送显著减小导致的，偏强年和偏弱年的差值可达气候均值的40%；虽然北边界上流出区域的水汽输送也有所减小，但是这个减小值小于南边界上流入的减小值，所以南北方向上存在异常水汽辐散.东西方向上，由于东边界流出水汽通量的减小值大于流入的减小值，所以东西方向上存在异常水汽辐合.由于东西方向上的异常辐合值小于南北方向上的异常辐散值，对区域整体而言，低层存在辐散，水汽收入较气候平均值减小，不利于降水发生.

表2是华南区域的南边界低层水汽输送通量与前冬SAMI、春季ZSSTI及春季RI的相关系数.由表可知，春季华南降水与南边界低层水汽输送呈正相关，由南边界流入区域的水汽越多（少），对应降水也越多（少）.但是，无论是前冬SAMI，还是前冬SAMI引起的次年春季的海温异常信号ZSSTI，均与南边界水汽输送通量呈负相关，即前冬SAMI偏强，春季ZSSTI偏强，南边界上的水汽输送通量越小，对应华南降水偏少.

表2 华南区域的南边界低层（1000～700hPa）水汽输送通量与前冬SAMI、春季ZSSTI及春季RI与的相关系数Table 2 Correlation coefficients between low layer（1000～700hPa）water vapor transport flux at south boundary of South China and the preceding winter SAMI，spring ZSSTI and spring RI

春季南半球带状海温异常信号造成的大气环流异常还表现在其它环流要素方面.由图10a可见，ZSSTI偏强时，在60°N以南、60°E以东的亚洲大陆大部分地区，850hPa的位势高度场有正异常，而接近亚洲大陆的西太平洋上，大部分地区位势高度偏低.位势高度异常场的这种配置，对应着ZSSTI强（弱）年，我国华南地区有异常东北（西南）风，这与图9的结果一致.分析西北太平洋副热带高压西伸脊点的异常（图10b）发现，ZSSTI偏弱（强），西太副高西伸脊点较气候平均明显偏西（东），利于（不利于）华南降水增多的.为了避免在ZSSTI合成的过程中带入ENSO的影响，先排除典型的ENSO年，再用ZSSTI进行合成分析.因此重新计算了图9至图10的结果，与ZSSTI对应的春季华南地区环流异常变化不大（图略），异常型分布基本一致.

综合以上诊断分析的结果可以得出：当前冬SAM偏强时，受海表风速影响潜热释放量发生变化，导致30°S—45°S海温偏高，45°S—70°S海温偏低，异常的海温信号可以持续到次年春季，并进一步导致了春季华南地区的东北风异常及水汽偏弱等异常，有利于华南降水偏少.前冬SAM偏弱时情况相反，有利于华南降水偏多.这一过程体现了海气耦合桥的作用，即：海洋储存了冬季SAM的异常信号并在春季释放，通过影响春季大气环流，进一步影响华南春季降水.考虑到这是基于诊断分析得到的结论，为了验证春季大气环流对同期春季南半球中高纬与SAM有关的带状海温异常的响应，利用CAM3进行了海温敏感性试验.

图10 春季ZSSTI合成的同期春季850hPa位势高度场合成差（a）及西北太平洋副高脊线（b）（单位：gpm）图a中浅灰色阴影区代表通过置信度90%的显著性检验，深灰色阴影代表青藏高原，图b中实线、长虚线、短虚线分别代表气候态、强年合成、弱年合成.Fig.10 Composite analysis in the spring geopotential height（a）and Northwestern Pacific subtropical high（b）on 850hPa between high and low spring ZSSTI（unit：gpm）In figure a，the dark shadow areas indicate significant at 90%level，the light shadow indicates Tibet Plateau；in figure b，the solid，long dash，and short dash line respectively indicates climatology，strong year composite，and weak year composite

7 CAM3模式海温敏感性试验的结果

本节利用CAM3模式通过参照试验和修改海温强迫场的敏感性试验来进行模拟分析.参照试验不对海温等外强迫场做任何修改.在第一组敏感性试验中，令春季30°S—45°S之间的海温增加1℃，45°S—70°S之间的海温减小1℃，对应春季高ZSSTI时的海温异常型，其他季节的海温保持不变；在第二组敏感性试验中，令春季30°S—45°S之间的海温降低1℃，45°S—70°S之间的海温增加1℃，对应春季低ZSSTI时的海温异常型，同样保持其他季节的海温不变.参照试验和敏感性试验均积分25年，考虑模式运行的稳定性，取后15年的结果进行分析.图11是春季全球纬向平均垂直环流对同期春季高ZSSTI对应的海温异常的响应（敏感性试验与参照试验之差），图中阴影为气候态的上升和下沉运动（参照试验结果）.可以看到，气候态的春季Hadley环流在南北半球基本对称，中心上升支位于赤道；南半球费雷尔环流上升支及极地环流下沉支的强度均强于北半球.南半球30°S—45°S位于气候态Hadley环流的下沉区，45°S—70°S基本上位于气候态的费雷尔环流的上升区.

图11 CAM3模式模拟的春季全球纬向平均垂直环流对同期春季高ZSSTI对应的海温异常的响应图中红、蓝色阴影分别表示气候态的上升和下沉运动.Fig.11 The response of spring global zonal mean vertical circulation to a high ZSSTI forcing in the CAM3model.（The red（blue）shadow indicates climatologic ascending（descending）motion）

图12 CAM3模式模拟的春季华南区域（110°E—120°E）纬向平均垂直环流对同期春季高ZSSTI对应的海温异常的响应图中红、蓝色阴影分别表示气候态的上升和下沉运动.Fig.12 The response of spring zonal mean vertical circulation over South China（110°E—120°E）to a high ZSSTI forcing in the CAM3model The red（blue）shadow indicates climatologic ascending（descending）motion.

首先关注大气环流对海温异常的局地响应，以30°S为中心有异常上升气流，以50°S为中心存在异常下沉，基本上符合高海温对应异常上升，低海温对应异常下沉，但是环流的响应比海温异常偏北10°左右.局地垂直环流的异常，必然会带动其它纬度产生环流异常.由图11可见，以30°S为中心的上升气流削弱了南半球Hadley环流下沉支的主体部分，使得15°S—4°N之间Hadley环流上升支也相应减弱.北半球4°N—20°N（包含气候态Hadley环流的上升支）有异常上升，20°N—45°N异常下沉，北半球的Hadley环流有所加强.我们关注的华南区域位于20°N—30°N，这个区域对应异常下沉气流，利于降水减少.

图12是华南区域（110°E—120°E）纬向平均垂直环流对同期春季高ZSSTI对应的海温异常的响应.由图可见，华南地区春季气候态上是由上升运动控制的，由于经向范围只有10个经度，气候态的三圈环流和对高ZSSTI强迫的响应不如全球纬向平均表现的规则，但可以明确看到华南地区上空的异常下沉气流以及异常北风，这两个因素都不利于降水发生.

图13给出的是CAM3模式模拟的两组敏感性试验在春季867hPa之差，由图可见，春季ZSSTI偏强对应的海温异常型，对应同期867hPa我国华南地区的偏北风异常（图13a），以及异常的风场辐散与下沉运动，这些与之前资料诊断的结果是一致的，验证了春季ZSSTI偏高对应的海温异常型所导致的大气环流异常，不利于华南降水的发生.

8 小结与讨论

本文分析了前冬南半球环状模（SAM）与春季华南降水之间的关系，诊断分析的结果表明两者之间存在显著的负相关关系.当前冬SAM偏强时，春季华南降水易于偏少；反之，降水易于偏多.分析前冬SAM异常对应的春季东亚区域大气环流异常发现，当前冬SAM偏强时，西北太平洋副热带高压位置偏东并且强度减弱，西太平洋地区有异常气旋式环流，华南地区有异常东北风，输入华南地区的水汽输送减少，不利于华南地区降水生成.加之华南地区存在异常下沉运动与异常偏低的相对湿度，为春季降水偏少提供了有利的条件.春季SAM偏弱时，情况相反，利于华南降水偏多.简言之，超前一个季节的南半球信号SAM，可以影响到滞后一个季节的华南大气环流进而影响春季降水.要探讨这种影响过程的物理机制，考虑到大气自身的记忆性较差，因此探讨了下垫面海洋对大气异常信号经存储并再释放影响大气的过程.

再分析资料诊断的结果表明，当前冬SAM偏强时，受海表风速影响海洋的潜热释放量发生变化，导致30°S—45°S海温偏高，45°S—70°S海温偏低，异常的海温信号可以持续到次年春季.为了探讨这种海温异常信号影响大气环流，从而影响降水的物理机制，定义两条纬带的区域平均海温之差为海温指数（ZSSTI），SAM 偏强（弱）对应 ZSSTI偏高（低）.诊断分析的结果表明，春季ZSSTI偏强，西北太平洋副热带高压位置偏东且强度偏弱，对应西太平洋上盛行异常气旋式环流，华南地区上空对流层低层有异常东北风，西南水汽输送较常年减弱，有异常水汽辐散，不利于华南降水生成.春季ZSSTI偏弱时情况相反，有利于华南降水偏多.为了进一步证实与前冬SAM有关的ZSSTI型海温异常对应的春季大气环流异常，采用CAM3模式进行海温敏感性试验.数值模拟的结果也表明，ZSSTI型海温异常导致了纬向平均垂直环流的异常.ZSSTI偏高，华南地区上空对流层中低层存在异常的东北风异常、风场辐散以及异常下沉气流，不利于降水的生成；ZSSTI偏低时情况相反，有利于华南降水偏多.数值模拟的结果验证了资料诊断的结果.综上，可提炼出前冬SAM影响次年春季华南降水的可能物理机制概念图（图14），在前冬南半球SAM影响春季华南降水的过程中，体现了海气耦合桥的作用，即：前冬SAM异常，由于海表风速改变影响潜热蒸发，从而导致海温产生异常.海温异常信号保存到春季，在春季释放从而影响大气，使得大气环流产生相应变化从而影响华南降水.

另外，南半球高纬度（主要是60°S以南）存在海冰，作为气候系统中重要的因子之一，海冰会对某些区域的气候产生影响.冬季SAM对海冰的作用如何，以及是否会通过海冰的异常带来对中国气候的影响，是进一步需要深入研究和探讨的问题.

致 谢 感谢审稿专家提出的宝贵建议；感谢编辑部对本文的悉心审核；在本文的分析和写作过程中，得到了课题组同学的无私帮助，作者深表感谢.

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