“丝绸之路”模态与东亚夏季环流的关系

李　艳，张英华，郑凤魁，袁有林

（1.兰州大学大气科学学院，甘肃 兰州 730000；2.94582部队气象台，河南确山 463217；3.93123部队气象台，辽宁辽阳 111000；4.63610部队气象台，新疆 库尔勒 841001）

大气遥相关是指远距离的大气环流变化间的相关，是一种大气环流持续异常的现象，Wallace和Gutzler[1]发现冬季北半球500 hPa主要存在5个遥相关型，即太平洋—北美（PNA）型、欧亚（EU）型、西大西洋（WA）型、西太平洋（WP）型和东大西洋（EA）型，这些遥相关型在夏季仍然存在，但不及冬季典型，且在夏季随着西风环流向北推移[2]。而夏季欧亚大陆上空的遥相关波列中，主要包括太平洋—日本（PJ）波列（或称为东亚—太平洋（EAP）波列）[3-6]、OKJ波列[7-8]以及“丝绸之路”遥相关波列[9]（the Silk Road pattern，以下简称SR型）等。PJ波列在夏季经常起源于菲律宾附近，沿东北方向向北美传播，它与菲律宾附近地区的对流活动加热有关[4-5]，但近年来也有研究指出，PJ波列还与中高纬度的正压和斜压能量转换有关，且具有自我维持的机制[10-11]，它对中国中东部地区和日本的天气气候有重要影响[12-13]。OKJ波列在初夏最强，通常起源于里海，经贝加尔湖、鄂霍次克海后转向东南经日本再传播到副热带的洋面上空，它有相当长的路径是在中国以北的西伯利亚上空[7-8，14]。而SR遥相关模态大体沿 40°N附近呈准纬向分布并贯穿欧亚大陆，西起地中海，东至日本上空附近，它与夏季亚洲急流的分布位置相当一致，SR模态通过正压和斜压能量转换从基本流中获得动能，从而得以维持[14-15]，其中西风急流起到了波导的作用，并将波列限制在它附近，SR波列与西风基本流的相互作用可以解释SR模态的锁相特征和自我维持机制[17-18]。一些研究认为热带加热在触发SR模态上有一定贡献，Ding等[19]经过分析，认为印度夏季降水异常产生的热源加热在激发SR模态向下游传播时起到一定作用。此外，一些学者对SR模态的分布和变化特征也做了研究，Song等[20]通过经验正交函数分解（EOF）等方法，认为存在两种SR模态，并分别分析了这两种SR模态的特征。Chen等[21]从理论和模式上分析了SR模态在热力耗散情况下的斜压不稳定特征。Hong等[18]分析发现SR模态的位相与亚洲急流位置的南北变动有密切关系，当亚洲急流偏北时，西亚和东亚出现反气旋异常，而欧洲和中亚出现气旋性异常。

SR模态通过大气环流的作用对东亚的气温和降水也有重要影响，且常常与其他遥相关模态共同影响东亚地区的天气和气候。Wang等[22]指出2014年夏季强的SR遥相关型、太平洋—日本（PJ）遥相关型和欧亚（EU）遥相关型对西太平洋副高和东亚大槽产生重要影响，从而导致了东亚降水“三极子”型模态和中国华北以及东北亚严重干旱的出现。Hsu等[23]指出东亚沿海南北向的遥相关模态在东亚夏季“三极子”型降水的正位相更加活跃，而在负位相，沿欧亚大陆的东西向波列则更加显著。

由于西太平洋副高、南亚高压、梅雨锋等夏季风系统对东亚环流形势的影响更加直接和重要，关于这些系统对东亚气候影响的分析已经很多。而已有的与SR模态有关的一些研究也大多是从分析大气环流和地面气象要素异常成因的角度，仅将SR模态作为其中一个影响因子来分析环流异常的原因，但专门讨论SR模态与某一地区中低层大气环流及地面气象要素之间关系的研究还不多，且这些分析中关于印度、日本等地区的较多，而关于整个东亚尤其是中国中东部的较少。因此，本文将重点分析SR模态与东亚环流系统的联系，并在此基础上，进一步分析SR模态对东亚地面气象要素的影响。

1　资料与方法

1.1　资料

本文使用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA-Interim月平均位势高度场、风场等资料进行环流分析，高度层为1000～100 hPa，使用350 K等位温面上的位涡（PV）资料，试图从位涡观点来分析环流异常的成因。使用GPCP Version 2.2月降水率资料分析环流异常对东亚地区降水的影响。所有资料采用6、7、8月的平均值作为夏季平均场，年份为1979—2015年，共37 a，资料的空间分辨率为2.5°×2.5°。

1.2　关于SR模态的定义及所用方法

本文SR模态的定义为：夏季（30°～50°N，30°～130°E）范围内200 hPa经向风场EOF分解第1模态的时间系数（PC1），将PC1标准化后，定义为SRI指数，该定义也为不少文献所采用[16，18，20]，只是选取的范围略有差异。

由于本文主要关注SR模态的年际而非年代际变化对气候的影响，因此所有资料在求距平前，均除去其逐年的线性趋势。本文还用到线性回归、合成分析以及t分布检验等方法。

2　关于SR模态正负异常年的环流特征分析

2.1　回归特征分析

从关于SRI指数在200 hPa的回归场（图1）可知，典型的SR遥相关波列中，有3个显著的位势高度异常中心分别位于东欧、中亚和中国新疆、内蒙古西部、甘肃附近上空，在中国东北、朝鲜半岛和日本附近，也有一个异常中心，该遥相关波列甚至延伸到了日本以东洋面上空。除了东欧的异常中心纬度偏高些，自东欧至日本以东，SR模态的位势高度距平大体沿40°N呈“+、-、+、-、+”的准纬向分布。

图1　关于SRI指数线性回归的200 hPa位势高度场距平

2.2　500 hPa合成分析结果

本文在计算合成分析结果时，以SRI指数分别≥1和≤-1作为选取正负异常年份的依据，这样筛选出来的SR模态正异常年为1981，1989，1991，1999，2000，2002，2009，2010年，共8 a；负异常年为1983，1984，1990，1994，1995，2008年，共6 a。

虽然SR模态在对流层上层最显著，但仍可通过大气环流影响到对流层中下层。图2为关于SR模态合成的500 hPa正负异常年的环流异常特征，在正异常年（图2a），高度场距平位置的分布与200 hPa线性回归（图1）的情况比较一致，但与200 hPa相比，中国西北的高度异常区明显偏东，显著区范围延伸到了中国华北上空，而200 hPa上位于朝鲜半岛的负异常中心已东移至中国东北且变得不显著，风场异常与高度场大体是配合的。在中国环渤海附近，沿高压东侧有比较明显的偏北风异常，且高压在中国北方应是不利于海上暖湿气流输送至此的。配合200 hPa的急流区来看（图3a），正异常年的急流区在东亚上空比较弯曲，在90°～105°E区域急流区北抬，显示出一种“波峰”的形态，而在环渤海和朝鲜半岛，则显示出“波谷”的形态，与之对应的是，500 hPa实际位势高度合成场中（图3a），中纬度90°～110°E区域的中国新疆上空附近，也有一高压脊存在，有利于中高纬度的冷空气沿脊前南下影响环渤海和朝鲜半岛地区，而在环渤海附近，则有一较明显的低槽存在。值得注意的是，由图2a可知，SR模态在500 hPa上，主要与中国的中纬度地区有关，而与30°N以南的中国南方，关系不大，在850 hPa上，情况也类似。在日本列岛附近，沿日本以东的高压（Enomoto[8，23]称该高压为“小笠原高压”，该高压是夏季位于日本附近的一个副热带反气旋）偏强，其西侧有明显的偏南风异常，有利于西北太平洋上的暖湿气流的输送。

在负异常年（图2b），SR波列与正异常年相比更加显著，遥相关波列特征更加清楚，且有一个明显的不同是，西北欧附近出现一个显著的高度正距平区，这表明在SR模态负异常年，上游欧洲地区的定常波活动对SR模态的影响，比正异常年更显著一些。在东亚地区，朝鲜半岛附近的反气旋异常中心比较显著，中国华北位于此反气旋的西侧，有东南风异常，有利于海上暖湿水汽的输送，而在日本附近则相反，在该反气旋东侧，有偏北风异常。从200 hPa急流来看（图3b），负异常年的急流区比正异常年更加平直，急流也更强些，25 m·s-1以上的区域已经向东延伸到环渤海附近，与200 hPa急流相一致的是，500 hPa位势高度场上（图3b），新疆附近并没有高度脊存在，环渤海地区也没有明显的低槽。

图2　关于SRI指数合成的正（a）、负（b）异常年500 hPa位势高度场距平（等值线，单位：gpm）和风场距平（箭头，单位：m·s-1）

图3　 关于SRI指数合成的正（a）、负（b）异常年500 hPa位势高度场（等值线，单位：gpm）、500 hPa风场（箭头，单位：m·s-1，风速＜5 m·s-1的未显示）和200 hPa急流区

2.3　剖面图分析

为了更直观地分析SR模态在整个对流层中的环流结构，计算得到了关于SR模态正负异常年的经度—高度剖面图和纬度—高度剖面图（图4、图5）。在经度—高度剖面图的正异常年中（图4a），SR模态的波列特征比较清楚，尤其是位于中亚、中国新疆和日本以东的异常中心，且是相当正压的，自高层的100 hPa一直延伸到低层的700 hPa左右，但在135°E附近的东亚地区的异常中心不明显，这与图2a一致。在对流层中低层110°～130°E区域的中国北方，有明显的下沉气流，与图2a中500 hPa的偏北风结合分析，不利于该地区降水的产生，而在140°E附近的日本列岛，上升气流的距平是主要的。

在负异常年（图4b），SR模态的波列特征仍比较清楚，不同之处在于30°～70°E对流层的中低层，有位势高度负距平，伴随上升气流异常，且位于东亚135°E的正异常中心变得显著，在该异常中心的西侧和东侧分别有上升和下沉气流异常，而日本以东的负异常中心则变得不显著。

图4　关于SRI指数正（a）、负（b）异常年合成的位势高度场（等值线，单位：gpm）、风场（箭头，单位：m·s-1，风速＜0.5 m·s-1的未显示）距平沿35°～45°N平均的经度—气压剖面图

由于本文主要关注SR模态与东亚环流的联系，因此计算了关于120°～135°E平均的纬度-高度剖面图，在正异常年（图5a），SR模态对该区域的影响不明显，高度场距平很小且不显著，风场异常大体以60°N为界，以北为偏北风异常，以南为偏南风异常，且这种特征几乎在整个对流层都存在，偏南风异常在40°N以南就变得不显著，这与500 hPa的分析也比较一致。而在低纬度，位势高度场的异常不明显，赤道南侧的5°S和北侧的15°N附近，各有一支异常上升气流存在，且从低层一直持续到250 hPa左右。在负异常年（图5b），最主要的特征就是在中纬度30°～45°N之间，有一位势高度正异常中心，该异常中心从对流层高层延伸到低层的700 hPa，且相当正压，并伴随着偏北风异常。在低纬度，与正异常年不同的是，在赤道附近而非赤道两侧，有一支明显的上升异常气流，表明赤道附近的对流活动比较旺盛。总体来看，纬度-高度剖面图的结果表明，SR模态对东亚环流中高纬度的影响较大一些，而对东亚低纬度的影响则较弱。

2.4　700 hPa环流异常及地面降水分析

在前面分析了500 hPa和垂直剖面图环流异常的基础上，计算得到了东亚地区700 hPa位势高度场、风场以及地面降水的异常场（图6），在正异常年（图6a），位势高度场距平的分布特征与500 hPa的情况（图2a）十分一致，这也反映了SR模态的相当正压性，在此不过多分析。与500 hPa脊前的西北气流较强（图3a）对应的是，在环渤海地区，由于该地位于中国北方的异常高压东侧，会产生偏北风异常，而夏季大陆上水汽较少，使得输送到该地的水汽偏少，对应地面降水偏少。由于SR模态正异常年小笠原高压偏强，日本诸岛位于小笠原高压西侧，盛行偏南风异常，偏南风有利于将中低纬度太平洋上的暖湿水汽输送至日本附近，使得该地区降水偏多。

在负异常年（图6b），自中国北方、朝鲜半岛至日本以东，分别有“-、+、-”3个位势高度异常中心，波列特征比较清楚，且与500 hPa的形势相当一致。与正异常年（图6a）不同的是，环渤海地区位于中国北方低压的东侧和朝鲜半岛附近高压的西侧，两个高度场异常中心的共同作用使得该地区出现偏南风异常，有利于将南方的水汽输送至此，使得该地区降水偏多。事实上，从图6b可以看出，自环渤海、朝鲜半岛南部和日本，以及日本以东洋面上，降水率距平分别出现偏多、偏少和偏多3个异常中心，这与位势高度场和风场的分布特征是相当一致的。

3　等熵面位涡分析

等熵位涡（IPV）分析，即在等位温面上分析等位涡线。IPV思想是Hoskins等[25]在1985年提出的，目前已成为诊断天气系统发展的一种理论方法。关于等熵面上位涡异常与对流层低层环流场之间的关系已在许多文献中[9，24，26-27]得到讨论和应用。由于SR模态在对流层高层最显著，从位涡观点分析它对低层要素场的影响是有意义的，因此本节将初步探讨SR模态正负位相时位涡异常对低层环流的影响。

图5　关于SRI指数正（a）、负（b）异常年合成的位势高度场（等值线，单位：gpm）、风场（箭头，单位：m·s-1，风速＜0.5 m·s-1的未显示）距平沿120°～135°E平均的纬度—气压剖面图

图6　关于SRI指数合成的正（a）、负（b）异常年700 hPa位势高度场距平（等值线，单位：gpm）、风场距平

依照Enomoto[16]的方法，选取350 K等位温面进行IPV分析。在SR模态的正异常年（图7a），在中国北方的内蒙古、蒙古国以及日本以东，出现位涡负异常，而在朝鲜半岛和中国东北，则有位涡正异常出现。在中国北方和日本以东的负位涡中心，有利于低层相应地区及其周围出现反气旋性风场，这与图2a及图6a中的分析是一致的，而朝鲜半岛附近的正位涡区不太明显，对应的低层虽然出现了气旋性风场，但也不太明显。而在负异常年（图7b），最显著的特征就是朝鲜半岛、中国东北甚至日本海及日本诸岛上空有一个明显的负位涡中心，其中心值小于-0.6 PVU，这种形势有利于对应的低层出现较强的反气旋性距平风场（图6b）。此外，中国北方及日本东南洋面上空各有一个正位涡异常中心，但位涡异常中心的值不大，相应的700 hPa上的气旋性环流也弱一些（图6b）。

4　结论与讨论

本文从SR模态在200 hPa急流、500 hPa、700 hPa环流形势和地面降水场的合成特征，以及等熵面上位涡的合成特征等方面，分析了SR模态与夏季东亚地区环流之间的关系，得到如下主要结论：

图7　关于SRI指数合成的正（a）、负（b）异常年350 K等位温面上的位涡距平

（1）在SR模态正异常年，200 hPa急流在东亚地区比较弯曲，在中国新疆和环渤海地区500 hPa上分别有一个高度脊和一个高度槽，距平场上，在蒙古国和中国内蒙古以及日本以东500 hPa各有1个显著的位势高度正异常中心，而朝鲜半岛附近的负异常中心不明显；SR模态在负异常年，200 hPa急流在东亚相对平直且更强，东亚地区500 hPa的槽脊不如正异常年明显，距平场上，在上游的西北欧地区有一个显著的气旋性异常环流中心，且波列特征比正异常年时更加显著，在东亚的中国北方、朝鲜半岛和日本以东依次分布着“-+-”3个高度场异常中心。等熵位涡分析的结果表明，位涡异常对对流层中低层的环流场有较好的指示意义，尤其是在SR模态负异常年。另外，总体来看，SR模态与东亚低纬度环流之间的联系不大。

（2）SR模态是相当正压的，在正异常年，它在朝鲜半岛135°E附近的异常中心不显著，在对流层中低层110°～130°E区域的中国北方，有明显的下沉气流，而在140°E附近的日本列岛，异常上升气流是主要的，在东亚地区，60°N以北有偏北风异常，而60°N以南有偏南风异常。在负异常年，SR模态位于朝鲜半岛附近的正异常中心变得显著，在该异常中心的西侧和东侧分别有上升和下沉气流异常，在经向上，沿朝鲜半岛附近的异常中心出现偏北风异常。

（3）在SR模态的正异常年，环渤海和朝鲜半岛地区降水偏少，日本中北部地区降水偏多；在SR模态的负异常年，环渤海、朝鲜半岛南部和日本，以及日本以东洋面上，降水率距平分别出现偏多、偏少和偏多3个异常中心。

本文的结论表明，SR模态虽然在对流层高层最显著，但与对流层中低层的大气环流也有关系，因此，在分析东亚夏季风的异常及其影响因子时，SR模态是一个值得考虑的因素。此外，本文主要用回归和合成的方法初步探讨了SR模态与东亚对流层高中低层环流的关系，但SR模态与急流、南亚高压、副高甚至中低纬度系统是如何相互作用或者相互配合共同影响大气环流的？还值得进一步深入研究；另外，SR模态在负异常年比正异常年的波列特征更清楚，其正负位相之间差异的原因是什么？这些问题也值得进一步探讨。