东亚季风近几十年来的主要变化特征

王会军1, 2 范可1, 2, 3

1中国科学院大气物理研究所竺可桢—南森国际研究中心，北京100029

2中国科学院气候变化研究中心，北京100029

3中国科学院东亚区域气候—环境重点实验室，北京100029

1 引言

东亚夏季风（EASM）和东亚冬季风（EAWM）对我国以及整个东亚地区的天气和气候有直接作用（Tao and Chen, 1987），一直是研究东亚大气环流和天气、气候问题的核心问题之一，是开启东亚气候变异奥秘的一把“钥匙”。EASM 具有显著的年际变化，从而引起我国夏季降水和气温年际波动，经常带来酷暑、干旱、洪涝等灾害；而EAWM的显著年际变化则会引起冬季严寒、暴风雪等灾害（如，Fan, 2009; Sun et al., 2010; Wang et al., 2011;Fan, 2011; Wang et al., 2012；王会军等，2003）。研究表明，ENSO以及全球不同区域海表温度（SST）异常（例如，李崇银和穆明权，2000；陈文，2002；Wang et al., 2008; Wang and He, 2012a；Li and Wang,2012）、南极涛动异常（例如, Fan and Wang, 2004;Wang and Fan, 2005, Xue et al., 2004; Sun et al, 2008;Gao et al., 2003）、北极海冰和北极涛动异常等（Liu et al., 2012; Wu and Wang, 2002a；Gong et al., 2001；Wang and Sun, 2009）都对EASM、EAWM具有显著影响。

从气候变化和全球变暖问题着眼，EASM 和EAWM也是一个关键科学问题。迄今为止，几乎所有的研究结果都显示未来全球变暖情景下 EAWM将要减弱，冬季风势力向北极地区退缩，从而我国冬季气温将显著上升、北方地区大都会有更多的冬季降水或者降雪，极端暴雪事件可能会增多。而秋季北极海冰面积的大幅度减少可能会对东亚冬季气候乃至夏季气候产生重大影响，导致北方冬季降雪增多、夏季风增强、夏季北方降水增多等等（Liu et al., 2012）。并且，随着全球变暖的继续，北极海冰可能会加速融化，导致在 21世纪的中期或者后期出现夏秋季节北极没有海冰的“蓝色北极”状态，从而对我国和东亚气候产生更大的影响（Wang and Overland, 2009；Wang and Zhang, 2010；马洁华等，2012）。

在年际变化和全球变暖所涉及的近百年尺度的气候变化之间，十年和几十年尺度的年代际变化问题更是十分重要，年代际变化为年际变化提供重要背景，也可以显著调整更长时间尺度的变化。任何关于未来气候变化的预测必须同时考虑由于自然和人为强迫而产生的几十年到百年时间尺度的长期变化和十年到几十年时间尺度的年代际变化，这就是为什么IPCC的第五次科学评估报告非常重视年代际气候变化的预测和气候近期变化的预估的原因。实际上，国际上近些年来关于年代际气候变化的预测研究非常受重视，已经有了相当多的研究机构基于耦合气候模式，通过建立大气和海洋等的初始化系统来对气候年代际变化进行预测研究（如：Boer, 2000）。

鉴于年代际气候变化问题的重要性，本文以东亚季风和东亚气候为着眼点，概要综述关于其过去几十年来年代际时间尺度变化的若干主要特征，试图为未来相关科学问题的研究提供一个总体背景和思考的着眼点。

2 关于EASM和我国夏季气候的年代际变化

2.1 关于EASM在1970年代末的减弱

关于EASM的年代际变化，最为显著和受到关注的是发生于1970年代末的EASM环流由相对较强向相对较弱的年代际减弱（Wang, 2001），与此相连的是我国夏季降水江淮流域增多，华北减少(Wang, 2001)。

接下来的关键科学问题是：什么原因导致了这次EASM的年代际减弱？大体有四种观点。

首先，一些研究认为太平洋和（或）印度洋海温升高是主要直接原因，而且认为印度洋热带SST升高和太平洋SST的升高起相反的作用，前者导致其减弱，后者导致其增强，两者的综合作用导致其减弱（例如，Li et al., 2008; Fu et al., 2009; Zhou et al., 2009）。当然，这些结论都是基于全球大气环流模式的敏感性试验的结果，不同模式之间结果差异很大，一些大气环流模式在给定SST强迫的情况下甚至也模拟不出EASM的减弱。所以，这个结论仍然有很大的不确定性。另外，SST升高本身也可能是全球变暖的结果。

第二个观点是 EASM 的减弱是全球变暖的结果（假如进一步认为上一段中提到的SST升高是全球变暖的结果的话），换言之，由于大气中温室气体的增多而导致的全球变暖是驱动 EASM 由强变弱的主因。要证明这一点也很难，一个前提条件是全球气候模式能够模拟出1970年代末的EASM减弱以及相应的夏季降水的变化；另外，模式预估的未来EASM应该是趋向于减弱的。这两个前提都还不能满足，大多数的全球气候模式还不能合理地模拟出EASM在1970年代末的减弱；更为重要的是：当前的很多全球气候模式预估的未来全球变暖背景的EASM是增强的。所以，这个观点也有很多的不确定性。

第三个观点是：人为排放的气溶胶的变化起到了显著作用，这个观点首先来自于Menon等（2002）的文章，但是他们当时考虑的气溶胶仅仅包括黑炭，而且只考虑了其直接辐射强迫作用。后来相当多的类似研究考虑了更多的气溶胶作用，也部分考虑了气溶胶的间接辐射强迫作用，但是不同的模式结果之间差异很大（Chang et al., 2009; Mahmood and Li, 2011; Mahmood and Li, 2012）。最近，王涛等（私人通讯）利用挪威的气候系统模式进行了系统性的数值模拟试验，其初步结果显示：只有考虑了所有温室气体强迫和气溶胶强迫，耦合模式才能合理地模拟出EASM的1970年代末的减弱，SST变化本身也是这些强迫的结果。当然，这个观点也有很大的不确定性，因为不同模式结果之间的差异实在是太大了。

第四个观点认为 EASM 的减弱是气候系统本身自然振荡的结果（Jiang and Wang, 2005；Han and Wang, 2007）。此观点也存在很大的不确定性。

最有可能的事实是：温室气体和气溶胶的变化共同造就了这次 EASM 的年代际减弱。如果是这样，未来 EASM 的演变或许会持续保持较弱的状态，然后逐渐向较强状态转变。

2.2 关于夏季降水在1990年代的两次年代际变化

首先是华南夏季降水在1992/93年由偏少到偏多的年代际变化（Wu et al., 2009），Wu et al.（2009）还提出这次年代际变化主要由两个因素促成，其一，热带印度洋的SST升高，并导致区域低层辐合增强、高层辐散增强、上升运动加强，热带印度洋区域大气上层的辐散加强导致我国南海区域上层辐合加强，下沉运动加强，产生大气低层的异常反气旋。其二，青藏高原积雪的增加和蒙古区大气温度上升的共同作用使蒙古区域大气低层出现异常反气旋。该异常反气旋和南海区域异常反气旋的共同作用使得我国华南区域大气低层出现异常辐合运动，导致上升运动加强，水汽含量也增多，进而导致华南降水增多。

Zhu et al.（2011）发现在1999年之后我国长江中下游流域夏季降水开始减少，而淮河流域降水开始增多，东北地区降水减少。造成这次年代际变化的可能原因是贝加尔湖区域气温升高，导致西风急流减弱，因而使得夏季雨带整体北移了一些。Zhu et al.（2011）通过对大气再分析资料的研究提出北太平洋年代际振荡向负位相的转变及其 SST异常型会加强上述过程，他们的数值模拟试验也证实了这个过程。诚然如此，那么未来的夏季雨带是否会进一步北移而导致我国北方夏季降水的大面积增多呢？

2.3 关于EASM和ENSO关系的不稳定性

Wang（2002）指出ENSO和EASM并不是总存在显著相关，也并不是一直维持着正相关或者反相关，而是不稳定，有时正相关、有时反相关、有时没有显著相关。这取决于ENSO模态的变化以及SST异常型的强度和位置变化；当然，也和EASM及东亚大气环流的年代际变化有关。气候模式的模拟结果中也存在类似的不稳定关系（姜大膀等，2004；Han and Wang, 2007）。另外，Wu and Wang（2002）也指出ENSO和EASM之关系在1962～1977年时段和1978～1993年时段有显著差异。由于ENSO–EASM关系的不稳定性，Gao et al.(2006) 发现用ENSO作为预测因子来预测我国夏季降水的效果也是不稳定的。ENSO–EASM关系的不稳定性是造成我国气候的季节—年际预测困难性的主要因素之一，是值得未来进一步研究的科学问题。

3 关于EAWM和我国冬季气候的年代际变化

3.1 关于EAWM在1980年代中期之后的减弱

Wang and He（2012a）以及贺圣平和王会军（2012）揭示EAWM在1986年开始变弱了，这是一次年代际时间尺度的减弱，EAWM在1948～1985年期间显著地比 1986～2010年期间强，在后一阶段冷空气势力总体上偏弱，使得我国冬季气温大面积升高，也使得我国东北冬半年冰封的江面在春季打开的时间提前了一周左右，而秋冬季节开始冰封的时间退后了一周左右（Wang and Sun, 2009）。Wang and He（2012a）使用的EAWM指数是代表东亚大槽的定义为（25°N～45°N, 110°E～145°E）范围内500 hPa 高度场的平均值，如果使用其他定义也可以得到同样的结论（He and Wang, 2012）。最近，王会军和贺圣平（2012b）指出，随着EAWM的减弱，东亚沿岸的SST升高，为我国东北地区输送了更多的水汽，大气辐合加强、云量增多，从而使东北冬季降雪量增多。

3.2 关于在1980年代中期之后EAWM年际变率的减弱

最近，贺圣平和王会军（2012）研究发现EAWM在1986～2010年期间的年际变率较之1956～1980年期间的年际变率显著地变小了，他们的研究进一步指出，1956～1980年期间东亚冬季风的年际变率与东亚沿海（暖池）的冬季海表温度呈显著的负（正）相关关系，但是这种显著的反相关在 1986～2010年期间被大大消弱了。这就意味着，在 1980年代中期之后EAWM不能和ENSO这个具有大变率的模态联动，势必消弱 EAWM 的年际变率。与此同时，自1980年代中期以来，北极涛动对东亚冬季风的年际变率也是主要起抑制作用。上述两个因素之外，亚洲和太平洋区域冬季的海陆热力差异的年际变率也有所减弱。总之，东亚冬季风年际变率的减弱是一个特别值得关注的问题；当然，如下节介绍的，Liu et al.（2012）的研究也指出北极海冰的减少对北半球陆地区域降雪和冷空气活动的增多也有正面的作用。

3.3 关于秋季北极海冰面积减少对北半球中高纬冬季降雪的影响

最近，Liu et al.（2012）指出秋季北极海冰面积的减少对北半球中高纬陆地区域冬季极端温度和降雪事件具有重要影响，他们的研究表明，自从1979年以来北极秋季海冰减少了29.4%，特别是过去4年是自有卫星观测以来的4个最小值，与此同时，北半球中高纬陆地区域大都出现了异常降雪和严寒天气。尽管一些学者认为北极涛动和ENSO异常是主要成因，但是事实上，两者均不能很好地解释过去 4年冬季出现的持续异常降雪。Liu et al.（2012）发现：夏季北极海冰的大范围减少以及秋冬季北极海冰的延迟恢复可以引起不同于北极涛动的冬季大气环流异常，使西风急流变得更具波浪状，导致中高纬阻塞形势出现的频率增加。另外，夏季北极海冰的大范围减少以及秋冬季北极海冰的延迟恢复使得北极存在更多的开阔水，从而将大量的局地水汽从海洋传输给大气，而且北极的变暖也使得大气可以容纳更多的水汽。

3.4 关于 EAWM-ENSO年际变化相关性在 1970年代中期之后的减弱

最近，Wang and He（2012a）发现：EAWM–ENSO的相关性在1970年代中期之后显著减弱了，由前一个时段1948～1976年的显著反相关变成后一个时段1977～2010年没有显著相关，这也提供了近些年来我国冬季气候异常不能用ENSO很好解释的科学成因。

EAWM–ENSO的相关性为什么会减弱了呢？Wang and He (2012a) 指出，与ENSO相关的海温变率在热带印度洋和西太平洋区域显著减小，而这两个区域的SST变率直接关系到EAWM的年际变率，于是ENSO和EAWM之间的相关性就被消弱了。同时，EAWM的年际变率在后一个时段也减小了，EAWM影响冬季气候的主要区域向北退缩、影响程度降低，也是使得EAWM和ENSO关系减弱的成因。另外，ENSO在东亚和西北太平洋区域的信号明显向东撤和向南撤，特别是ENSO在东亚的信号南撤到北印度洋、亚洲和西太平洋的低纬度地区；在东北亚的信号向东南方向撤到了阿留申地区，这又促使阿留申低压和ENSO之间联系在后一时段得到了加强。总之，ENSO信号的南撤、东撤以及 EAWM 势力范围的北退和消弱使得两者空间上“疏远”了，其关联也就被弱化了。

4 结语

关于东亚夏季风和冬季风年代际及以上时间尺度的变化规律和未来演变趋势的研究是一个极为重要的科学领域，对我国的实际应用价值也极其重大，特别是涉及我国气候异常和气候灾害的变化、全球变暖对我国天气和气候的影响、气候变化对我国经济和社会的影响以及如何适应的重大问题。未来若干年内都会是一个受到重点关注的科学领域。研究的重点除了要根据现代气候资料和先进的气候系统模式进行深入的过程和机理研究以外，藉助于各种古气候资料所进行的机制研究和模拟研究也是十分必要的。我国也更应该把相关的古气候研究和现代气候研究更好地结合起来，为推动这个重大问题科学认识的突破发挥引领作用。

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