东亚夏季风异常活动的空间多模态特征

徐艳虹，陈海山，曹杰，李忠贤

(1.云南大学大气科学系，云南昆明650091;2.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学)，江苏南京210044)

0 引言

中国位于东亚季风区，东亚季风的变异对我国气候具有十分重要的影响。早在1934年，我国著名气候学家竺可桢(1934)首先探讨了东亚夏季风对中国降水的影响;随后，涂长望和黄仕松(1944)研究了东亚夏季风的进退对中国雨带的季节内变化的影响。陶诗言等(1983)、黄士松和汤明敏(1987)、陈隆勋等(1991)、Ding(1993)、丁一汇和陈隆勋(1994)系统研究了东亚夏季风环流的结构和特征。

东亚季风系统不仅受到全球大气环流的影响，而且还受到海洋、陆地、冰雪和青藏高原的影响，因此东亚季风本身具有很大的年际和年代际变化。已有研究认为，东亚季风活动存在准2 a(QBO)、准3.5 a(QTO)和5～6 a等周期的年际变率(何金海等，2004;陈隆勋等，2006)。东亚夏季风的年际变率受到众多因素的影响，如:青藏高原热力加热(吴国雄等，2004)、海温强迫(罗邵华等，1985;金祖辉和沈如桂，1987;Huang and Wu，1989;李忠贤和孙照渤，2006;Lu and Dong，2008;陈小婷等，2010)、陆面植被(张佳华和符淙斌，2002)以及高原积雪(Ding et al.，2007a)等。黄荣辉等(2003)还提出，东亚夏季风与ENSO的联系尤为紧密，ENSO演变的不同阶段对应着不同的异常降水分布。

观测事实表明，对应我国夏季雨带的南移，东亚夏季风自20世纪70年代末之后明显变弱(Torrence and Webster，1999;Wang，2001;Chase et al.，2003)。最近研究揭示，除了20世纪70年代末的跃变外，我国夏季风降水在20世纪90年代初还发生了一次明显的年代际转型(Ding et al.，2007b;张人禾等，2008;邓伟涛等，2009;刘海文等，2012)。简而言之，东亚夏季风降水年代际变化的总体特征表现为雨带的南移，而且夏季降水的年代际转型和东亚夏季风环流的年代际跃变同时发生。

目前关于东亚夏季风变异的研究，大多采用不同的季风指数来反映东亚夏季风的变化(郭其蕴，1983;Tao and Chen，1985;Webster and Yang，1992;施能等，1996;Lu and Chan，1999;Chang et al.，2000;李峰等，2001;华文剑和陈海山，2012)。有些指数基于季风是海陆热力差异的综合产物而描述季风强度，或者直接从季风环流本身出发，部分指数选择风场、散度场或涡度场来描述季风强度，还有的季风指数则是选择降水或对流来定量表征夏季风的强弱。Wang et al.(2008)总结了东亚季风指数，并根据季风的环流系统以及降水特征进行了分类，体现了东亚季风的总体特征。然而，由于东亚夏季风环流系统本身的复杂性，季风变异本身也存在很大的空间差异。那么东亚夏季风异常活动是否具有空间的多模态特征，其异常变化与大气环流异常之间到底存在何种联系?本文试图对上述问题进行初步探讨。

1 资料与方法

所用资料为1958—2002年欧洲中心ERA40再分析资料，包括月平均风场、位势高度场和海平面气压场，水平分辨率为2.5°×2.5°。采用的方法主要有经验正交函数分解(EOF)、相关、合成等多元统计方法。

2 东亚夏季风异常活动的空间多模态特征

由于东亚季风系统本身的复杂性，用简单的指数来定量描述如此复杂的大尺度季风特征及其变化是困难的。季风环流变化的核心是风向的季节性转变，因此从季风环流的本质出发，采用风场的变化可以更为直接地描述季风活动的变化(Goswami et al.，1999;Lau et al.，2000)。就东亚季风而言，东亚地区的经向风转换，是东亚冬、夏季风活动的重要标志。对于东亚夏季风来说，东亚地区经向风的活动，可以直接反映东亚夏季风的异常活动。为了客观认识东亚夏季风的异常活动特征，以下重点分析东亚地区的经向风异常变化特征。

图1为东亚地区夏季850 hPa经向风的气候态和均方差的空间分布。就多年平均而言，东亚地区夏季平均经向风主要表现为中国东部及以东洋面、朝鲜半岛及日本上空盛行的南风，大值区主要出现在30°N以南区域。从850 hPa经向风均方差的分布(图1b)来看，夏季850 hPa经向风具有较强的年际变率，年际变率的大值区主要出现在我国华南、中国以东洋面和东北亚区域。

为了了解东亚地区夏季风异常活动的空间分布特征，对1958—2002年夏季东亚地区850 hPa经向风进行了EOF分析，得到能够反映东亚夏季风异常活动的前3个主要模态，计算结果表明前3个模态的方差贡献率分别为19.5%、15.0%和12.2%，累计方差贡献为46.7%。上述结果表明与东亚夏季风有关的经向风活动具有明显的空间多模态特征。

图2a为东亚地区夏季经向风EOF第一模态的空间分布，该模态一方面反映了中国东部沿海及以东洋面与中国东北地区及贝加尔湖以东地区夏季经向风异常“东南—西北”向的反位相分布特征;另一方面，也反映了经向风异常活动在中国东部地区的东西反相分布。本质上，该模态主要反映了东亚夏季风活动主体位置的东西向变动和中纬度经向风异常。图2d为第一模态对应的时间系数，可以看到该模态在时间演变上有明显的年际变化特征。对应该时间系数的高(低)值年，中国东部及以东洋面与中国东北地区为异常南风(北风)分量，上述区域以西及贝加尔湖以东地区则对应异常的北风(南风)分量，东亚夏季风主体位置偏东(西)。此外，该模态也表现出显著的年代际变化特征，该空间模态大致在1970年代末期发生突变，即以20世纪70年代后期(1980年左右)为界，东亚副热带地区出现异常南风分量的位置发生了由东到西的转变，东亚夏季风主体位置则由偏东向偏西转换。

图2b为东亚地区夏季经向风的EOF第二模态的空间分布。该模态反映了夏季经向风异常自我国华南、长江中下游、山东半岛、渤海湾到我国东北和朝鲜半岛一致性变化的特征，而贝加尔湖及以南地区则表现为经向风异常的反相变化。该模态反映了传统东亚夏季风活动的总体特征和整体强弱。由图2e可以发现，该模态在时间演变上不但具有明显的年际变化特征，同时也表现出显著的年代际变化特征。与时间系数的高(低)值相对应，我国华南、长江中下游、山东半岛、渤海湾到我国东北和朝鲜半岛为一致性的异常南风(北风)分量，东亚夏季风整体偏强(弱)。

图1 东亚地区夏季850 hPa经向风的气候态(a)和均方差(b)的空间分布(单位:m/s)Fig.1 Spatial distributions of(a)climatology and(b)mean square deviation of summer 850 hPa meridional wind over East Asia(units:m/s)

图2 东亚地区夏季850 hPa经向风EOF前三个模态的空间分布(a—c)及其标准化时间系数(d—f)Fig.2 (a-c)Spatial patterns of the first three EOF modes of summer 850 hPa meridional wind over East Asia and(d-f)their normalized time coefficients

图2c为东亚地区夏季经向风的EOF第三模态的空间分布。与前两个模态不同，该模态主要表现为长江以南与广大北方地区夏季经向风异常“西南—东北”向的反位相分布特征。该模态本质上反映了东亚夏季风活动主体位置的南北向变动。图2f为第三模态对应的时间系数，可以看到，该模态在时间演变上存在明显的阶段性特征，并伴随有一定的年际变化。对应时间系数的高(低)值年，长江以南地区为异常北风(南风)分量，长江以北及以东洋面则对应异常的南风(北风)分量，东亚夏季风主体位置偏北(南)。与之对应的东亚夏季风的阶段性变化主要表现为:1970年代末之前，东亚夏季风活动主体偏北;1980年代，东亚夏季风活动主体偏南;1990年代之后，东亚夏季风活动又总体偏北。

由此可见，东亚夏季风环流系统的异常活动是复杂的，东亚夏季风的异常活动体现出明显的空间多模态特征，不同的模态反映的东亚夏季风活动差异显著，这也说明东亚夏季风变异本身也存在很大的空间差异。

为了更好认识东亚夏季风的异常活动的空间多模态特征，需要揭示不同主模态对应的夏季850 hPa风场的主要特征。这里分别计算东亚地区夏季经向风不同EOF模态时间系数与850 hPa风场的相关分布(图3)。此外，为了说明东亚夏季风异常活动的空间多模态的典型性，根据夏季经向风不同EOF模态时间系数，选择各模态对应的高值(＞1.0)、低值(＜－1.0)年(表1)，并对850 hPa风场进行合成分析。需要说明的是，我们注意到，在实际情况中，有3个模态共存的情况;为了更好体现不同模态的主要特征，进行合成分析时去除不同模态存在重复的年份。图4给出了东亚地区夏季经向风不同EOF模态高、低值年850 hPa风场的合成差值场。下面从相关分析和合成分析的结果来进一步来探讨东亚夏季风异常活动的空间多模态特征。

表1 东亚地区夏季经向风不同EOF模态时间系数对应的高值年(＞1.0)、低值年(＜－1.0)Table 1 Typical years with the high(＞1.0)and low(＜ －1.0)time coefficients of of EOF modes of summer meridional wind over East Asia

图3 东亚地区夏季850 hPa经向风EOF第一(a)、二(b)、三(c)空间模态对应的时间系数与同期850 hPa风场的相关分布(彩色阴影表示与850 hPa经向风的相关系数)Fig.3 Correlation distributions between 850 hPa wind field and the time coefficients of(a)first，(b)second，and(c)third EOF modes of summer 850 hPa meridional wind over East Asia(Color shadings show the correlations between the time coefficients and 850 hPa meridional wind)

图4 东亚地区夏季850 hP经向风EOF第一(a)、二(b)、三(c)空间模态对应时间系数高、低值年850 hP风场的差值分布(彩色阴影表示850 hPa经向风的差值;单位:m/s)Fig.4 Differences in 850 hPa wind between the high and low time coefficient years of(a)first，(b)second，and(c)third EOF modes of summer 850 hPa meridional wind over East Asia(Color shadings show the differences in 850 hPa meridional wind;units:m/s)

对应夏季经向风EOF第一模态，其时间系数与东亚地区同期850 hPa风场的显著相关主要出现在中国以东洋面及贝加尔湖以东地区。从相关和合成分布(图3a、4a)不难发现:当第一模态的时间系数为正值时，在我国及日本以东洋面、贝加尔湖附近上空分别存在异常的反气旋性中心，而在东北亚以东的洋面和我国南海附近则存在异常的气旋性中心。与之相对应，我国东部沿海及以东洋面为异常偏南气流所控制，而东北、华北、华中和华南则对应不同强度的异常偏北气流。上述风场的异常分布特征表明，对应夏季经向风EOF第一模态时间系数的正值，我国东部沿海及以东洋面的夏季风活动偏强;而在其以西地区的夏季风活动则总体偏弱，夏季风活动的主体位置偏东。反之，对应夏季经向风EOF第一模态时间系数的负值，我国东部沿海及以东洋面为异常偏北气流所控制，而东北、华北、华中和华南则对应不同强度的异常偏南气流;我国东部沿海及以东洋面的夏季风活动偏弱，而在其以西地区，夏季风活动则总体偏强，夏季风活动的主体位置偏西。

图3b和4b分别给出了夏季经向风EOF第二模态时间系数与东亚地区同期850 hPa风场的相关分布和风场的合成分布。对应夏季经向风EOF第二模态，其时间系数与东亚地区同期850 hPa风场的显著相关主要位于菲律宾附近洋面，自我国华南、经长江中下游、山东半岛、渤海湾至我国东北及朝鲜半岛一带，贝加尔湖及以南地区。当第二模态的时间系数为正值时，在我国东南沿海至台湾以东洋面为一异常反气旋所控制，而在贝加尔湖东南及我国东北地区则存在异常的气旋性中心。与之相对应，自我国华南，经长江中下游、山东半岛、渤海湾至我国东北及朝鲜半岛一带为异常偏南气流所控制，而菲律宾附近洋面和贝加尔湖南侧则受异常的偏北气流影响。换而言之，对应夏季经向风EOF第一模态时间系数的正值，自我国华南、长江中下游、山东半岛、渤海湾至我国东北及朝鲜半岛为大范围盛行的偏南风异常加强，夏季风活动整体偏强。反之，对应夏季经向风EOF第二模态时间系数的负值，自我国华南、长江中下游、山东半岛、渤海湾至我国东北及朝鲜半岛为大范围盛行的偏南风异常减弱，夏季风活动整体偏弱。

与前两个模态不同，夏季经向风EOF第三模态时间系数与同期东亚地区850 hPa风场的显著相关主要位于中国以东洋面、朝鲜半岛、东北亚一带，以及我国华南及贝加尔湖附近的小范围区域(图3c)。结合合成分布(图4c)可以发现:对应该模态时间系数的正值，在中国以东洋面、朝鲜半岛、东北亚一带为异常偏南气流所控制，而我国华南及贝加尔湖附近对应异常的偏北气流。此时，中国以东洋面、朝鲜半岛、东北亚一带的夏季风活动偏强，其以南地区的夏季风活动偏弱，夏季风活动的主体位置偏北。反之，对应夏季经向风EOF第一模态时间系数的负值，中国以东洋面、朝鲜半岛、东北亚一带为异常偏北气流所控制，而我国华南及贝加尔湖附近对应异常的偏南气流。此时，中国以东洋面、朝鲜半岛、东北亚一带的夏季风活动减弱，而其以南地区的夏季风活动加强，夏季风活动的主体位置偏南。

以上分析表明，与东亚经向风的EOF前3个模态相对应，同期850 hPa风场也表现出各自典型的空间分布特征，这进一步说明东亚夏季风的异常活动确实存在明显的多空间模态特征，且不同模态对应的环流形态也存在显著的差异。

3 东亚夏季风的多模态异常变化与大气环流异常的联系

为了分析东亚夏季风活动多空间模态异常变化与大气环流的可能联系，进一步分析与之对应的同期海平面气压和500 hPa位势高度场的异常分布特征。分别计算并给出东亚地区夏季经向风不同EOF模态时间系数与海平面气压场(sea level pressure，SLP)及500 hPa位势高度场的相关分布。

东亚夏季风第一空间模态时间系数与SLP的相关分布特征主要表现为亚洲南部区域和鄂霍次克海上空的负相关，以及北极极区、贝加尔湖地区和日本以东洋面的正相关(图5a);而与同期500 hPa高度场的相关分布主要表现为自极地经鄂霍次克海至日本以东洋面的“+－+”的波列分布特征(图6a)。上述结果表明，当夏季经向风EOF第一模态时间系数为正值时，通常对应同期亚洲南部SLP降低和日本以东洋面SLP升高，500 hPa高度场表现为自极地经鄂霍次克海至日本以东洋面的“+－+”的距平分布。上述环流形势容易引起我国东部沿海及以东洋面的异常偏南风分量，有利于该地区的夏季风活动偏强，而使得上述区域以西的夏季风活动减弱，引起夏季风活动的主体位置偏东。反之，我国东部沿海及以东洋面的夏季风活动偏弱，而在其以西地区的夏季风活动偏强，夏季风活动的主体位置偏西。

东亚夏季风第二空间模态时间系数与SLP和500 hPa高度场的相关分布具有非常相似的空间分布形势(图5b、6b)，均表现为东北、朝鲜半岛、日本海一带与菲律宾洋面、鄂霍次克海地区的反位相分布，自低纬向高纬呈现“+－+”的波列分布特征。当菲律宾洋面、鄂霍次克海地区(东北、朝鲜半岛、日本海一带)SLP、500 hPa高度异常偏高(偏低)时，我国华南、长江中下游、山东半岛、渤海湾至我国东北及朝鲜半岛为大范围盛行的偏南风异常加强，夏季风活动整体偏强。反之，夏季风活动整体偏弱。

东亚夏季风第三空间模态时间系数与SLP和500 hPa高度场的相关分布(图5c、6c)主要表现为菲律宾附近洋面、日本及以东洋面、贝加尔湖到亚洲北部的负正相间的分布形势。当菲律宾附近洋面、日本及以东洋面、贝加尔湖到亚洲北部的SLP和500 hPa高度场为“－+－+”距平分布时，中国以东洋面、朝鲜半岛、东北亚一带的夏季风活动偏强，其以南地区的夏季风活动偏弱，夏季风活动的主体位置偏北。反之，中国以东洋面、朝鲜半岛、东北亚一带的夏季风活动减弱，而其以南地区的夏季风活动加强，夏季风活动的主体位置偏南。

图5 东亚地区夏季850 hPa经向风EOF第一(a)、二(b)、三(c)空间模态对应的时间系数与同期海平面气压场的相关分布(阴影区表示通过0.05信度的显著性检验)Fig.5 Correlation distributions between summer sea level pressure field and the time coefficients of(a)first，(b)second，and(c)third EOF modes of summer 850 hPa meridional wind over East Asia(Regions with correlation exceeding 0.05 significance level are shaded)

图6 东亚地区夏季850 hPa经向风EOF第一(a)、二(b)、三(c)空间模态对应的时间系数与同期500 hPa高度场的相关分布(阴影区表示通过0.05信度的显著性检验)Fig.6 Correlation distributions between summer 500 hPa geopotential height field and the time coefficients of(a)first，(b)second，and(c)third EOF modes of summer 850 hPa meridional wind over East Asia(Regions with correlation exceeding 0.05 significance level are shaded)

4 结论

利用ERA40再分析资料，采用相关、合成、自然正交函数展开(EOF分析)等方法，探讨了东亚地区夏季风活动的多空间模态特征及其与大气环流异常的可能联系，主要结论如下:

1)东亚夏季风活动存在三种差异明显的典型空间模态。第一模态反映了夏季风活动在我国东部沿海及以东洋面与其以西地区的反相变化特征，主要体现了夏季风活动主体位置的东西变动;第二模态反映了自我国华南，经长江中下游、山东半岛、渤海湾至我国东北及朝鲜半岛一带夏季风活动的一致性变化特征，体现了东亚夏季风活动的整体强弱;而第三模态则主要反映了夏季风活动在中国以东洋面、朝鲜半岛、东北亚一带与我国华南地区的反相变化特征，主要体现了夏季风活动的主体位置的南北移动。

2)东亚夏季风活动的多空间模态对应的大气环流异常存在显著差异。东亚夏季风第一空间模态与亚洲南部区域以及鄂霍次克海上空的SLP呈负相关，而与北极极区、贝加尔湖地区及日本以东洋面的SLP呈正相关;而与同期500 hPa高度场的相关分布主要表现为自极地经鄂霍次克海至日本以东洋面的“+－+”的波列分布特征。第二模态与SLP和500 hPa高度场的相关分布具有非常相似的空间分布形势，均表现为东北、朝鲜半岛、日本海一带与菲律宾洋面、鄂霍次克海地区的反位相分布，自低纬向高纬呈现“+－+”的波列分布特征。而第三模态与SLP和500 hPa高度场的相关分布，主要表现为菲律宾附近洋面、日本及以东洋面、贝加尔湖到亚洲北部的负正相间的分布形势。

本文基于经向风的EOF分析，初步揭示了东亚夏季风活动的多模态特征，为认识夏季风变异本身的空间差异提供了一定参考。但有关东亚夏季风活动的多模态特征的形成机理和可能影响，值得在今后的研究中加以深入探讨。

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