趙嘉誠(chéng) 李清泉 丁一匯 劉蕓蕓 譚桂容 沈新勇,3 吳清源

1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心/氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣候與環(huán)境變化國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，南京，210044

2.中國(guó)氣象局氣候預(yù)測(cè)研究重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家氣候中心，北京，100081

3.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海），珠海，519082

1 引言

在全球變暖背景下，世界各地旱澇災(zāi)害頻發(fā)。降水是水文循環(huán)重要的組成部分，具有明顯的年代際變化特征和區(qū)域特征（Zuo，et al，2012；Sang，et al，2016；Wu，et al，2017；Huang，et al，2018）。華北地區(qū)是中國(guó)人口聚集區(qū)及主要的農(nóng)業(yè)和工業(yè)區(qū)，旱澇災(zāi)害會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境影響。華北地區(qū)降水主要集中于夏季，夏季降水異常引起的旱澇災(zāi)害一直是氣象學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)（郝立生等，2011；葉敏等，2014；Jiang，et al，2017；Chen，et al，2020）。2021 年京津冀晉等?。ㄊ校┠杲邓烤_(dá)1961 年以來(lái)歷史最多；7 月15—18 日，北方強(qiáng)降水致多地河道水位持續(xù)上漲，海河流域北易水河洪峰流量達(dá)536 m3/s，為1963 年以來(lái)最大洪水。因此，深入認(rèn)識(shí)理解華北降水變化的特征和機(jī)理，可為該地區(qū)防災(zāi)、減災(zāi)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性發(fā)展提供重要科學(xué)依據(jù)。

華北夏季降水年代際變化特征非常明顯。已有研究（Kwon，et al，2007；Ding，et al，2008；Zhu，et al，2011，2015；Gong，et al，2015）表明，華北地區(qū)從20 世紀(jì)50—60 年代中期曾經(jīng)歷了一個(gè)相對(duì)濕潤(rùn)的時(shí)期，從70 年代末至90 年代初經(jīng)歷了一個(gè)較長(zhǎng)的干旱時(shí)期，在短暫經(jīng)歷了一個(gè)濕潤(rùn)期后，于1998/1999 年后，降水再次出現(xiàn)減少的趨勢(shì)。

華北位于北半球中高緯度地區(qū)，其夏季降水不僅受到低緯度亞洲季風(fēng)的影響，也受到中高緯度環(huán)流系統(tǒng)影響。東亞夏季風(fēng)可以通過(guò)副熱帶高壓的變化來(lái)影響華北夏季降水。張慶云等（2003）指出，東亞夏季風(fēng)偏強(qiáng)年，西太平洋副熱帶高壓位置偏北，華北夏季降水可能偏多；東亞夏季風(fēng)偏弱年，西太平洋副高位置偏南，華北夏季降水可能偏少。東亞副熱帶西風(fēng)急流是東亞地區(qū)重要的氣候系統(tǒng)，因此其對(duì)華北夏季降水的影響不可忽視，研究（杜銀等，2009；孫鳳華等，2009）表明，當(dāng)急流位置偏北東伸時(shí)，華北夏季降水增加；反之，當(dāng)急流位置偏南西撤時(shí)，華北夏季降水減少。魏維等（2012）研究表明，南亞高壓偏北使得在中國(guó)東部至日本地區(qū)上空存在顯著的異常反氣旋，此異常反氣旋中心自上而下向南傾斜，在高層給華北地區(qū)帶來(lái)輻散，在低層使得氣流在華北地區(qū)輻合，因此華北地區(qū)降水偏多。

水汽是引起降水變化的關(guān)鍵因素。來(lái)源于西太平洋及中高緯度西風(fēng)帶的水汽輸送對(duì)華北暴雨產(chǎn)生也有著重要的影響（Zhu，et al，2011；Li，et al，2012；Sun，et al，2015）。周曉霞等（2008）指出，20 世紀(jì)70 年代中期以后，季風(fēng)的水汽輸送顯著減弱，西風(fēng)帶水汽輸送的重要性相對(duì)增大。印度夏季風(fēng)會(huì)影響華北地區(qū)的降水。印度夏季風(fēng)除了影響輸送到華北地區(qū)的水汽，還會(huì)影響南亞高壓和亞洲高空急流，從而影響華北地區(qū)的降水（劉蕓蕓等，2008；Wei，et al，2017）。由此可見(jiàn)，影響華北夏季降水的主要系統(tǒng)包括西北太平洋副熱帶高壓、南亞高壓、副熱帶西風(fēng)急流、西風(fēng)和季風(fēng)的水汽輸送等。

外強(qiáng)迫的作用對(duì)華北及降水有重要的影響。從氣候系統(tǒng)的組成來(lái)看，華北夏季降水的年代際變化主要是大氣和海洋系統(tǒng)相互作用的結(jié)果（Jiang，et al，2009；Huang，et al，2013）。Huang 等（2023）研究發(fā)現(xiàn)，外強(qiáng)迫和內(nèi)部變率對(duì)年代—多年代際降水變化的貢獻(xiàn)相當(dāng)。胡泊等（2016）研究發(fā)現(xiàn)，20 世紀(jì)90 年代中后期前冬北大西洋海溫由于自身的記憶性使得前冬海溫的年代際信號(hào)持續(xù)到夏季，再通過(guò)遙相關(guān)作用，使輸送到東亞北部的水汽路徑在20 世紀(jì)90 年代末期發(fā)生年代際調(diào)整。Li 等（2017）發(fā)現(xiàn)，大西洋多年代際濤動(dòng)（AMO）異常冷暖海溫型式可通過(guò)羅斯貝波能量傳播產(chǎn)生的遙相關(guān)過(guò)程影響東亞地區(qū)，AMO 正位相時(shí)東亞地區(qū)高層反氣旋與低層低壓環(huán)流耦合，有利于中國(guó)北方激發(fā)出上升運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致該地區(qū)降水增加。Si 等（2021a）發(fā)現(xiàn)，AMO 的正位相有利于夏季東北亞冷渦和貝加爾湖及中緯度西北太平洋異常高壓的發(fā)生，從而加強(qiáng)了東亞夏季風(fēng)和高緯度冷空氣的南侵，最終使華北地區(qū)夏季降水增加。太平洋年代際濤動(dòng)（PDO）負(fù)位相對(duì)應(yīng)熱帶西太平洋高海溫，觸發(fā)了從熱帶西太平洋沿東亞沿岸向東北亞延伸的經(jīng)向波列，東北亞地區(qū)以對(duì)流層中層異常低壓和對(duì)流層低層異常氣旋為主，有利于華北地區(qū)夏季降水偏多（Qian，et al，2014；Si，et al，2016）。此外，PDO 負(fù)位相期間東亞—太平洋扇區(qū)增強(qiáng)的海陸熱力差增強(qiáng)，東亞夏季風(fēng)也為華北地區(qū)的濕潤(rùn)條件做出了貢獻(xiàn)（Qian，et al，2014）。李剛等（2020）研究表明，南太平洋年代際振蕩和北太平洋年代際振蕩通過(guò)導(dǎo)致東亞-太平洋型遙相關(guān)對(duì)華北盛夏降水產(chǎn)生影響。東亞-太平洋型遙相關(guān)型也調(diào)制其邊緣區(qū)上空的東亞夏季風(fēng)活動(dòng)，進(jìn)而調(diào)制華北上空的干/濕條件（Zhang，et al，2018）。

盡管上述研究表明華北夏季降水存在年代際變化，但進(jìn)入21 世紀(jì)后，華北地區(qū)夏季降水的年代際變化特征尚不清楚，在之前分析的年代際變化影響因子是否會(huì)繼續(xù)影響之后華北夏季降水的變化。因此，本研究利用1961—2021 年逐月降水量和大氣環(huán)流再分析資料，分析了近61 年中國(guó)華北地區(qū)夏季降水及其相應(yīng)的大氣環(huán)流的年代際變化。

2 數(shù)據(jù)與方法

研究區(qū)域?yàn)槿A北地區(qū)（35°—42°N，110°—120°E），主要包括河北、北京、天津、山西及山東大部分地區(qū)，夏季為6—8 月。所采用的數(shù)據(jù)如下：（1）CN05.1 月平均降水資料（吳佳等，2013），空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間范圍為1961—2021 年；（2）歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心提供的ERA5 逐月再分析數(shù)據(jù)，包括風(fēng)、氣溫、比濕等，空間分辨率為1°×1°，時(shí)間范圍為1999—2021 年。所用氣候平均值取1999—2021 年共23 a 的平均。采用滑動(dòng)t檢驗(yàn)方法（滑動(dòng)窗口為9 a）檢測(cè)年代際變化的顯著性，采用合成分析方法研究大氣環(huán)流異常對(duì)降水的影響，并使用student-t檢驗(yàn)方法進(jìn)行顯著性水平評(píng)估。為表征東亞夏季風(fēng)水汽輸送強(qiáng)弱，選用850 hPa區(qū)域（20°—40°N，110°—125°E）平均的經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)定義東亞夏季風(fēng)指數(shù)（Wang，2002）。

文中計(jì)算了垂直積分的水汽通量，從地面到300 hPa 整層積分的緯向水汽輸送（Qu）、經(jīng)向水汽輸送（Qv）分別表示為

式中，g、ps、q、u和v分別表示重力加速度、地表氣壓、比濕、緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)。

p坐標(biāo)系下的渦度方程如下

式中，ζ、ω和f分別表示相對(duì)渦度、垂直速度和科里奧利力。方程右邊第Ⅰ項(xiàng)為相對(duì)渦度水平平流項(xiàng)（ζhadv），它是由于相對(duì)渦度的水平分布不均勻所引起的；第Ⅱ項(xiàng)為相對(duì)渦度的垂直輸送項(xiàng)（ζvadv），它代表非均勻渦度場(chǎng)中由于垂直運(yùn)動(dòng)引起的相對(duì)渦度的重新分布所造成的渦度的局地變化；第Ⅲ項(xiàng)為散度項(xiàng)（ζdiv），它表示由于水平輻合（輻散）引起垂直渦度的增加（減小）；第Ⅳ項(xiàng)為扭曲項(xiàng)（ζtilt），它表明當(dāng)有水平渦度存在時(shí)，由于垂直運(yùn)動(dòng)的水平分布不均而引起渦度垂直分量的變化。第Ⅴ項(xiàng)為行星渦度平流項(xiàng)（fpadv），它是由于行星渦度的經(jīng)向水平分布不均勻所引起的。

3 結(jié)果

3.1 華北夏季降水的年代際轉(zhuǎn)折特征

圖1a 為華北夏季降水時(shí)間序列，從圖中可以看出華北降水具有明顯的年代際變化特征。在20 世紀(jì)90 年代后期，華北地區(qū)夏季降水量經(jīng)歷了從多到少的轉(zhuǎn)變，這與已有研究結(jié)果（Liu，et al，2020a）相同。此外，華北夏季降水量在21 世紀(jì)第2 個(gè)10 年初也發(fā)生了一次明顯的變化，即自2010 年前后開(kāi)始降水量增多（圖1a）。從兩個(gè)時(shí)段的平均降水量也可以看到，后一個(gè)時(shí)段的平均降水量達(dá)到了357 mm，前一個(gè)時(shí)段的平均降水量為285 mm，后一個(gè)時(shí)段的降水量明顯高于前一個(gè)時(shí)段，由此可以初步推斷華北夏季降水在21 世紀(jì)第2 個(gè)10 年初經(jīng)歷了降水量增多的年代際變化。

圖1 1961—2021 年夏季華北降水量時(shí)間序列（a，綠色實(shí)線表示1999—2011 年和2012—2021 年兩個(gè)時(shí)段的平均降水量，黑色實(shí)線表示1961—2021 年夏季平均降水量）及其滑動(dòng)t 檢驗(yàn)（b，黑色實(shí)線表示95%置信區(qū)間）Fig.1 Time series of summer rainfall over North China from 1980 to 2021（a，green lines indicate mean summer rainfall during 1999—2011 and 2012—2021，respectively）and its moving t-test（b，black dashed lines indicate the 95% confidence interval）

為了確定華北降水年代際變化的突變點(diǎn)，對(duì)華北降水時(shí)間序列進(jìn)行滑動(dòng)t檢驗(yàn)（圖1b）。結(jié)果表明，第一個(gè)突變點(diǎn)在1997 年（超過(guò)95%的置信度），統(tǒng)計(jì)量為負(fù)，這與Liu 等（2020a）發(fā)現(xiàn)20 世紀(jì)90 年代末期華北夏季降水由多到少的年代際轉(zhuǎn)折結(jié)論一致。另一個(gè)突變點(diǎn)在2012 年（統(tǒng)計(jì)量達(dá)到最大值且超過(guò)95%的置信度），統(tǒng)計(jì)量為正，表明華北夏季降水在2011/2012 年發(fā)生了顯著的從少到多的轉(zhuǎn)變。對(duì)此尚未有人進(jìn)行研究，因此文中重點(diǎn)研究2011/2012 年這次突變過(guò)程，將1999—2011 年定義為干旱期（P1），2012—2021 年定義為濕潤(rùn)期（P2），探究華北夏季降水年代際變化特征和可能機(jī)制。

以2011/2012 年為分界點(diǎn)，圖2 給出了濕潤(rùn)期和干旱期的夏季降水量差值分布（2012—2021 年減去1999—2011 年）?？梢钥吹?，華北地區(qū)在21 世紀(jì)第2 個(gè)10 年初經(jīng)歷的年代際增濕過(guò)程是整個(gè)區(qū)域一致性的，相比于干旱期，華北地區(qū)大部在濕潤(rùn)期降水顯著增多，降水量增長(zhǎng)100—200 mm。

圖2 濕潤(rùn)期與干旱期的夏季降水量差值（矩形區(qū)域表示華北，黑點(diǎn)區(qū)表示超過(guò)95%置信度）Fig.2 Difference in summer rainfall between 1999—2011 and 2012—2021（black dot indicates differences passing significance test at the 95% confidence interval；black box indicates North China）

3.2 華北夏季降水年代際轉(zhuǎn)折的相關(guān)大氣環(huán)流和水汽輸送

降水異常的發(fā)生通常包括水汽輸送條件異常和動(dòng)力上升運(yùn)動(dòng)異常兩個(gè)方面。為了分析造成華北夏季降水在21 世紀(jì)第2 個(gè)10 年初出現(xiàn)年代際增多的原因，這里將從東亞地區(qū)高低層大氣環(huán)流、上升運(yùn)動(dòng)及水汽輸送等方面，對(duì)比分析2011/2012 年前、后的兩個(gè)時(shí)段的年代際差異特征。

圖3 給出了濕潤(rùn)期與干旱期東亞地區(qū)對(duì)流層高、低層風(fēng)場(chǎng)及其散度的合成差值分布。無(wú)論在對(duì)流層高層或是低層，華北地區(qū)的北方都為氣旋式異常，低層異常位于蒙古高原—東北地區(qū)，高層位于貝加爾—蒙古高原地區(qū)，其異常的偏北風(fēng)將北方的冷空氣帶入華北，有利于冷、暖空氣在華北地區(qū)的交匯，為降水的發(fā)生、發(fā)展創(chuàng)造有利條件（圖3）。從風(fēng)場(chǎng)的散度分布可知，華北低層主要為輻合異常，高層主要為輻散異常，有利于形成異常的上升運(yùn)動(dòng)，從而有利于降水的增多。東亞地區(qū)低層風(fēng)差值分布說(shuō)明，中國(guó)東部主要為異常的偏北風(fēng)，表明夏季風(fēng)在濕潤(rùn)期較干旱期有所減弱；而在對(duì)流層高層，華北到蒙古高原的偏西風(fēng)異常則說(shuō)明濕潤(rùn)期高層西風(fēng)急流有所加強(qiáng)。Du 等（2017）發(fā)現(xiàn)西北太平洋副熱帶高壓增強(qiáng)西伸有利于華北地區(qū)夏季降水增加。從圖3a 中濕潤(rùn)期平均與干旱期平均850 hPa西太平洋副熱帶高壓特征線可以看到，雖然濕潤(rùn)期西北太平洋副熱帶高壓較干旱期有所西伸，但西北太平洋副熱帶高壓北界位置在兩個(gè)時(shí)段內(nèi)并無(wú)明顯變化，中國(guó)東海上空為異常氣旋環(huán)流，西北太平洋副熱帶高壓北側(cè)的水汽并不能輸送到華北，對(duì)21 世紀(jì)第2 個(gè)10 年初華北地區(qū)降水的年代際變化影響不大。

圖3 （a）濕潤(rùn)期與干旱期的夏季850 hPa 風(fēng)（風(fēng)矢，單位：m/s）差值及其散度（色階，紅色箭頭表示風(fēng)差異超過(guò)95%置信度，綠色和紫色等值線分別表示濕潤(rùn)期和干旱期850 hPa 西太平洋副熱帶高壓特征線，矩形區(qū)域表示華北）；（b）同（a），但為250 hPaFig.3 （a）Difference in summer 850 hPa wind（vectors，unit：m/s）and its divergence（shaded，red vectors indicate differences passing significance test at the 95% confidence interval；green and purple contours represent the western Pacific subtropical high at 850 hPa during the wet period and the dry period，respectively；black box indicates North China）；（b）as in（a），but for 250 hPa

上述分析表明華北地區(qū)夏季降水在濕潤(rùn)期具有有利的上升運(yùn)動(dòng)條件，接下來(lái)分析華北上空垂直運(yùn)動(dòng)的變化。圖4 為濕潤(rùn)期與干旱期夏季垂直運(yùn)動(dòng)差值，從經(jīng)向分布（圖4a）可以看到，除太行山對(duì)流層低層外，華北大部分地區(qū)為異常的上升運(yùn)動(dòng)所控制，且異常的上升運(yùn)動(dòng)在華北的西邊界110°E 附近也存在，使得華北雨帶位置偏西，該結(jié)論與劉海文等（2011）的結(jié)論一致。由圖4 可見(jiàn)，850—500 hPa的上升運(yùn)動(dòng)變化最顯著，并且主要上升區(qū)位于40°N以南。從輻散風(fēng)場(chǎng)組成的垂直環(huán)流可知，華北地區(qū)低層的風(fēng)場(chǎng)輻合、高層的風(fēng)場(chǎng)輻散，有利于異常上升運(yùn)動(dòng)的生成。

圖4 （a）濕潤(rùn)期與干旱期沿38°N 的緯向輻散風(fēng)差和垂直速度差（色階）的緯向環(huán)流（矢量箭頭）（垂直速度的單位為10-1 Pa/s，緯向輻散風(fēng)和經(jīng)向輻散風(fēng)的單位為m/s，矢量箭頭是由水平輻散風(fēng)與垂直速度合成，斜線表示垂直速度差異超過(guò)95%置信度，藍(lán)色粗實(shí)線表示華北地區(qū)的位置，黑色區(qū)域表示地形）；（b）同（a），但為沿118°E 的經(jīng)向輻散風(fēng)差和垂直速度差的經(jīng)向環(huán)流Fig.4 （a）Longitude-height cross section（vectors）of differences in zonal divergent wind and vertical velocity（shaded）along 38°N（the unit of vertical velocity is 10-1 Pa/s，and for zonal divergent wind and meridional divergent wind is m/s，vectors are composed of horizontal divergent wind and vertical velocity，hatching indicates differences passing significance test at the 95% confidence interval；blue thick solid line indicates the location of North China；black shading indicates topography）；（b）latitude-height cross section of differences in meridional divergent wind and vertical velocity along 118°E

圖5a 分別為平均的整層積分水汽通量氣候態(tài)，可以看出進(jìn)入華北的水汽主要來(lái)自于熱帶海洋地區(qū)，并從南邊界或西邊界進(jìn)入該區(qū)域。從南邊界進(jìn)入的水汽主要由季風(fēng)輸送，因此華北夏季降水會(huì)受東亞夏季風(fēng)的影響，以往的研究（Ding，et al，2008；黃榮輝等，2013；Xu，et al，2015；Liu，et al，2020a）也表明東亞夏季風(fēng)增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致華北夏季降水增多，反之東亞夏季風(fēng)減弱會(huì)導(dǎo)致華北夏季降水減少；從西邊界進(jìn)入的水汽除了受到西南季風(fēng)北推的影響外，還受到西風(fēng)急流位置和強(qiáng)度的影響。從整層積分水汽通量的合成差值分布（圖5b）看出，濕潤(rùn)期從西邊界進(jìn)入華北的水汽是顯著增加的，而從南部輸入的水汽異常不明顯，表明濕潤(rùn)期華北降水的增多不是由季風(fēng)增強(qiáng)所致，而主要是由于西風(fēng)急流的異常引起的。800—700 hPa 水汽通量（圖5c）與整層水汽通量（圖5a）特征相似，蒙古高原地區(qū)為異常氣旋式水汽輸送，從西邊界進(jìn)入華北的水汽是顯著增加的，南邊界進(jìn)入的水汽不顯著，說(shuō)明低層水汽通量在整層水汽通量中起著很大作用。

圖5 （a）夏季整層積分水汽通量氣候態(tài)（單位：kg/（m·s）），（b）濕潤(rùn)期與干旱期夏季的整層積分水汽通量差值（紅色和紫色箭頭分別表示差異超過(guò)95%和90%置信度，矩形區(qū)域表示華北），（c）同（b），但為800—700 hPa 積分水汽通量Fig.5 （a）Climatology of summer vertically integrated water vapor flux（unit：kg/（m·s））；（b）difference in summer vertically integrated water vapor flux（red and purple vectors indicate differences passing significance test at the 95% and 90%confidence intervals，respectively；blue box indicates North China）；（c）same as（b），but for vertically integrated water vapor flux at 800—700 hPa

圖6 是濕潤(rùn)期與干旱期的夏季華北上空850—600 hPa 各層假相當(dāng)位溫（θse）和假相當(dāng)位溫垂直變化（dθse/dp）合成差值分布。由圖6 可見(jiàn)，濕潤(rùn)期華北上空的假相當(dāng)位溫明顯增加，其中750 hPa 的假相當(dāng)位溫升高最顯著，說(shuō)明華北上空的大氣異常暖濕（圖6）；而從假相當(dāng)位溫垂直變化分析得出，800 hPa以上假相當(dāng)位溫垂直變化為正，說(shuō)明華北上空大氣層結(jié)不穩(wěn)定，有利于垂直運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，進(jìn)而有利于降水的增加。

圖6 濕潤(rùn)期與干旱期夏季的600（a）、650（b）、700（c）、750（d）、800（e）和850（f）hPa 假相當(dāng)位溫（色階）及其垂直變化（等值線，單位：10-2 K/hPa）差值（打點(diǎn)和叉號(hào)分別表示 θse 和 dθse/dp差異超過(guò)95%置信度）Fig.6 Differences in summer Pseudo-equivalent potential temperature（shaded）and its vertical variation（contours，unit：10-2 K/hPa）at 600（a），650（b），700（c），750（d），800（e），and 850（f）hPa（dots and cross marks represent θse anddθse/dp differences passing significance test at the 95% confidence interval，respectively）

3.3 夏季風(fēng)和急流變化

由圖3a 可見(jiàn)，中國(guó)東部為偏北風(fēng)異常，表明濕潤(rùn)期東亞夏季風(fēng)減弱。從圖7a 的夏季風(fēng)指數(shù)也可以看出濕潤(rùn)期東亞夏季風(fēng)減弱，因此從南邊界輸送入華北地區(qū)的水汽減少，這進(jìn)一步表明此次華北夏季降水年代際變化中，華北夏季降水與東亞夏季風(fēng)的關(guān)系發(fā)生了變化。為了分析近幾十年華北夏季降水與東亞夏季風(fēng)關(guān)系發(fā)生了怎樣的變化，計(jì)算了華北夏季降水（圖1a）與東亞夏季風(fēng)指數(shù)的滑動(dòng)相關(guān)（圖7b）。結(jié)果表明，21 世紀(jì)前，華北夏季降水與東亞夏季風(fēng)存在顯著的正相關(guān)，表明東亞夏季風(fēng)增強(qiáng)，華北夏季降水隨之增多；反之，華北夏季降水減少，這與已有的研究結(jié)論一致。但從21 世紀(jì)初開(kāi)始，華北夏季降水和東亞夏季風(fēng)的正相關(guān)開(kāi)始減弱，兩者之間的關(guān)系不再顯著。表明21 世紀(jì)第2 個(gè)10 年初的華北夏季降水的年代際增多不是東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度異常所致，這與此前華北地區(qū)降水的年代際變化原因有很大不同（Ding，et al，2008；Liu，et al，2020a）。

圖7 （a）標(biāo)準(zhǔn)化東亞夏季風(fēng)指數(shù)（EASMI）時(shí)間序列（黑實(shí)線表示干旱期平均和濕潤(rùn)期平均）；（b）華北夏季降水與東亞夏季風(fēng)指數(shù)的21 a 滑動(dòng)相關(guān)（黑實(shí)線表示相關(guān)系數(shù)達(dá)到95%置信度）Fig.7 （a）Standardized time series of the East Asian summer monsoon index（black solid lines indicate the mean values of the East Asian summer monsoon index during 1999—2011 and 2012—2021，respectively）；（b）21-year sliding correltion coefficient between the regionally averaged summer precipitation over North China and the East Asian summer monsoon index（black solid line indicates correlation coefficient passing significance test at the 95% confidence interval）

由前面的分析可知，濕潤(rùn)期東亞西風(fēng)急流增強(qiáng)。圖8 給出了干旱期和濕潤(rùn)期西風(fēng)急流的空間分布，可見(jiàn)干旱期東亞副熱帶急流偏西，急流中心位于100°E 以西，25 m/s 等風(fēng)速線未進(jìn)入華北地區(qū)，東部急流軸位于河套以南，略成西北—東南走向；濕潤(rùn)期東亞副熱帶西風(fēng)急流東伸，急流中心東側(cè)急流軸東伸（約5°經(jīng)距）到河套以東地區(qū)，且有北抬，急流外圍地區(qū)到達(dá)河北省，河套—華北地區(qū)急流軸呈東西走向，位于40°N 左右，華北地區(qū)大部分位于急流軸南側(cè)。急流南側(cè)具有反氣旋性切變和負(fù)相對(duì)渦度，其南側(cè)的偏差風(fēng)輻散有利于華北地區(qū)上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，這與圖4b 上升運(yùn)動(dòng)主要位于40°N 以南一致。綜上所述，濕潤(rùn)期東亞副熱帶西風(fēng)急流增強(qiáng)，位置東伸北抬，有利于上升運(yùn)動(dòng)的異常，進(jìn)而有利于華北夏季降水的增加。上游波源地區(qū)激發(fā)的羅斯貝波將能量向下游地區(qū)傳播，波流相互作用導(dǎo)致中國(guó)北方西風(fēng)急流加強(qiáng)，高低空輻散輻合配置加強(qiáng)，垂直上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，易造成中國(guó)北方地區(qū)降水異常偏多（Li，et al，2017；楊寧等，2020）。

圖8 （a）干旱期夏季平均200 hPa 緯向風(fēng)距平（等值線，單位：m/s，深淺灰階分別表示緯向風(fēng)速≥30 m/s 和≥25 m/s，粗線表示急流軸，矩形區(qū)域表示華北）；（b）同（a），但為濕潤(rùn)期Fig.8 （a）Averaged summer zonal wind anomalies at 200 hPa during 1999—2011（contours，unit：m/s，deep and shallow shadings indicate that the zonal wind speed is greater than or equal to 30 m/s and greater than or equal to 25 m/s；thick line indicates the jet stream axisblack box indicates North China）；（b）as in（a），but for 2012—2021

為了探究急流變化的成因，進(jìn)行了渦度收支診斷。圖9 為濕潤(rùn)期與干旱期的夏季250 hPa 渦度方程各項(xiàng)和相對(duì)渦度合成差值分布。其中相對(duì)渦度水平平流項(xiàng)（圖9a）量值最大、起到最主要的作用，在急流（40°N）北側(cè)和南側(cè)分別為渦度收支正中心和負(fù)中心。其次是散度項(xiàng)（圖9c）的作用，在華北以北和華北地區(qū)分別有較弱的正渦度收支，但收支量值遠(yuǎn)小于相對(duì)渦度水平平流項(xiàng)的作用；其他項(xiàng)包括非絕熱加熱的作用則更小。綜上所述，相對(duì)渦度水平平流項(xiàng)在渦度收支中起了主要的作用，在華北地區(qū)為南北偶極型分布，分別為急流北側(cè)的正中心和急流南側(cè)的負(fù)中心，而在正中心的上游有負(fù)中心，這種東西偶極型有利于上游的渦度異常通過(guò)平流向下游發(fā)展。如圖9f 所示，南北偶極型分布導(dǎo)致30°—42°N 為負(fù)渦度異常，42°—55°N 為正渦度異常，進(jìn)而導(dǎo)致30°—42°N 為反氣旋性環(huán)流，42°—55°N 為氣旋性環(huán)流，而急流位于兩者的過(guò)渡區(qū)，氣旋-反氣旋對(duì)有利于35°—45°N 的西風(fēng)增強(qiáng)，因此急流增強(qiáng)東伸。

圖9 濕潤(rùn)期與干旱期夏季250 hPa 渦度方程各項(xiàng)（a.ζhadv，b.ζvadv，c.ζdiv，d.ζtilt，e.fpadv，單位：10-11 s-2）和相對(duì)渦度（f，單位：10-6 s-1）差值（黑色粗實(shí)線表示干旱期急流軸，打點(diǎn)表示差異超過(guò)95%置信度，f 中流線表示旋轉(zhuǎn)風(fēng)場(chǎng)的差值）Fig.9 Difference of 250 hPa vorticity equation（a.ζhadv，b.ζvadv，c.ζdiv，d.ζtilt，e.fpadv，unit：10-11 s-2）and relative vorticity（f，unit: 10-6 s-1）between the summers of 2012—2021 and the summers of 1999—2011（black thick solid lines represent the position of the jet axis during 1999—2011，dots represent differences passing significance test at the 95% confidence levels，the streamlines in f represent the difference of rotating wind）

4 結(jié)論與討論

本研究利用1961—2021 年中國(guó)華北地區(qū)逐月降水量觀測(cè)資料和全球大氣環(huán)流的再分析資料，探究了21 世紀(jì)第2 個(gè)10 年初華北夏季降水的年代際變化及相關(guān)大氣環(huán)流，主要結(jié)論如下：

華北夏季降水量在21 世紀(jì)第2 個(gè)10 年初發(fā)生了從少到多的年代際轉(zhuǎn)折，突變時(shí)間為2012 年。在濕潤(rùn)期，蒙古高原—貝加爾地區(qū)受氣旋式異?？刂?，該異常有利于北方冷空氣進(jìn)入華北，從西邊界進(jìn)入華北的水汽增加。同時(shí)，華北上空假相當(dāng)位溫升高，低層大氣異常暖濕，假相當(dāng)位溫垂直變化增強(qiáng)，大氣層結(jié)不穩(wěn)定異常增強(qiáng)，有利于異常上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，進(jìn)而有利于華北夏季降水的增多。

在以往的歷次（20 世紀(jì)70 年代末、20 世紀(jì)90 年代末）華北夏季降水的年代際變化中，東亞夏季風(fēng)變化對(duì)華北夏季降水變化起著重要作用，即東亞夏季風(fēng)增強(qiáng)，華北夏季降水增多；反之，東亞夏季風(fēng)減弱，華北夏季降水減少。然而，在21 世紀(jì)第2 個(gè)10 年初這次年代際變化中，華北夏季降水增多，東亞夏季風(fēng)卻減弱，表明東亞夏季風(fēng)與華北夏季降水的關(guān)系發(fā)生了變化，此次華北夏季降水的年代際增多不是東亞夏季風(fēng)所致。濕潤(rùn)期相對(duì)渦度的水平平流項(xiàng)導(dǎo)致東亞西風(fēng)急流增強(qiáng)東伸北抬，使華北大部分地區(qū)位于急流軸南側(cè)，其南側(cè)高層偏差風(fēng)的輻散有利于華北異常的上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展，進(jìn)而有利于華北地區(qū)降水的增加。

本研究表明，21 世紀(jì)之前華北夏季降水與東亞夏季風(fēng)存在顯著正相關(guān)，進(jìn)入21 世紀(jì)后兩者關(guān)系減弱。華北位于東亞副熱帶季風(fēng)區(qū)，地理?xiàng)l件復(fù)雜，華北夏季降水與東亞夏季風(fēng)的關(guān)系也比較復(fù)雜。華北夏季降水不僅受到東亞夏季風(fēng)的影響，還受到極地—中高緯度大氣環(huán)流的影響。因此，關(guān)于華北地區(qū)21 世紀(jì)第2 個(gè)10 年初夏季降水年代際變化的機(jī)理還有待深入研究。

華北夏季降水的影響因子十分復(fù)雜。除了單個(gè)大洋的影響，Si 等（2021b）發(fā)現(xiàn)當(dāng)AMO 與PDO同位相時(shí)，會(huì)在東北亞引發(fā)中等的降水或干旱，而當(dāng)AMO 和PDO 反位相時(shí)，會(huì)在東北亞引發(fā)更顯著的降水或干旱。Liu 等（2020b）發(fā)現(xiàn)前秋的北極海冰可以通過(guò)影響輸送入東亞的冷空氣從而影響東亞夏季降水。鑒于華北夏季降水年代際轉(zhuǎn)型是多種強(qiáng)迫因子綜合作用的結(jié)果，影響華北夏季降水的機(jī)理還需要進(jìn)一步研究。