夏季索马里越赤道气流垂直结构的变化特征及其与东亚夏季风活动的关系

邱金晶 孙照渤

南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室，南京210044

1 引言

越赤道气流是热带大气环流的重要组成部分，是南、北半球间质量、动量、水汽交换的主要通道，是影响南、北半球天气气候异常的重要因素之一。上世纪60年代末，Findlater（1969）首先发现了索马里急流，指出其对印度夏季风的爆发有重要作用。此后，越赤道气流引起广泛关注。研究表明，索马里越赤道气流（以下简称SMJ）是最强大的低空越赤道气流，其强度具有明显的长期趋势变化和年际、年代际变化（李曾中等，1998，2000；施能等，2007；唐碧等，2009），还存在明显的周期变化特征，45°E越赤道气流无论冬夏主要受2～3年周期的影响（彭维耿和蒋尚城，2003）。对索马里低空气流有关形成机制的模拟实验表明，在边界层中气流的发展主要决定于非绝热加热的海陆不均匀分布，与地形高低的关系较小，但地形高低对气流的强度、垂直伸展高度和风速轴线随高度的倾斜有影响（钱永甫等，1987）。越赤道气流的变化与全球范围内的大气环流密切相关（汤明敏等，1985；刘向文等，2009a，2009b）。另外，越赤道气流与季风的关系一直是热点问题，它们是相互联系和相互作用的两个系统（范可和王会军，2006）。曾庆存和李建平（2002）分析了季风及越赤道气流的本质关系。李崇银和吴静波（2002）、丛菁等（2007）、汪卫平和杨修群（2008）从不同角度研究了SMJ变化与亚洲夏季风活动的关系，而且这种关系可能在季节、年际、年代际尺度上存在差异。另外，SMJ的强度变化会直接影响越赤道向东亚季风区的水汽输送量，对东亚夏季降水也有着显著的影响（王会军和薛峰，2003）。

有关夏季 SMJ的时空特征及其影响研究有很多，但绝大部分研究都是基于某一空间层的越赤道气流。在较早的研究中，一般使用850 hPa越赤道气流作为研究对象（李曾中和楼光平，1987；徐建军等，1992），现在由于再分析资料的完善，发现气候平均下低层越赤道气流的最大值出现在 925 hPa（高辉和薛峰，2006），之后很多工作改选 925 hPa层次进行研究（梁俊明和孙照渤，2005；汪卫平和杨修群，2008；杜启倩等，2010）。近年来，有个别学者开始着眼于越赤道气流在垂直尺度上的变化特征。赵煜飞（2008）提出了越赤道气流以及赤道经向风异常的垂直传播模态，谢磊（2011）的研究表明近 60 年索马里低空越赤道气流核心在925 hPa和850 hPa这两个层次上交替出现，垂直结构随之发生变化。

本文利用观测分析资料分析研究了夏季 SMJ的垂直结构，指出SMJ的垂直结构变化与东亚夏季风环流以及降水异常有密切关系。

2 资料与方法

所用资料有：1950～2010年NCEP/NCAR再分析月平均资料，包括纬向风、经向风、地面气压场，其中垂直方向有17层，格点分辨率为2.5°×2.5°。另取1958～2002年ERA40经向风月平均资料，垂直方向有23层，分辨率亦为2.5°×2.5°，用以对比NCEP/NCAR资料结果。降水资料为 1950～2010年全球陆地月降水资料（PREC/L），分辨率为2.5°×2.5°。本文中夏季是指当年6月至8月平均。

主要采用经验正交函数展开（EOF）、Morlet小波分析、相关分析、合成分析等方法，显著性检验为t分布检验。计算水汽输送通量、水汽通量散度的方法详见文献（黄荣辉等，1998）。

3 夏季对流层中低层 SMJ垂直结构的时空特征及分型

3.1 夏季SMJ强度指数的定义

为了表征越赤道气流南北向输送的特征，本文把2.5°S到2.5°N之间3个格点上经向风的平均值作为越赤道气流。经向风在各经度上的值差别很大，形成了一些越赤道气流通道。从图 1可以看到，东半球夏季低空30°E以东主要存在5个越赤道气流大值中心，其中，中心位于40°～50°E的索马里越赤道气流最强，风速最大可达 11 m/s以上，并且该位置上2 m/s的等风速线基本到达600 hPa，可见 SMJ在垂直尺度上较其他气流深厚得多。本文将研究对象设定为对流层中低层（1000 hPa至600 hPa）夏季SMJ的垂直结构（如无特别说明，下文提到的SMJ垂直结构均指1000 hPa至600 hPa层次内的垂直结构）。

图1 1950～2010年夏季平均东半球沿2.5°S～2.5°N平均经向风（m/s）的经度—高度剖面Fig.1 The longitude-altitude cross section of the average meridional wind speed (m/s) along 2.5°S–2.5°N in summer of Eastern Hemisphere for 1950–2010

首先要确定描述各层 SMJ变化的特征序列。图2指示了夏季1000 hPa至600 hPa内五层SMJ核心风速所在的位置，可见不同层次上不仅SMJ的中心值存在差异，中心位置也略有偏移。从历年大值中心位置的变化来看，各层SMJ的中心位置不是固定的，但基本集中在一个较狭窄的区域内，也就是说各层SMJ都有一个窄而强的通道位置。本文根据杜启倩等（2010）的定义方法，通过对实际气流的计算得到，1000 hPa至600 hPa 5层SMJ每年最大值基本出现在以下通道：1000 hPa（45.0°～50.0°E），925 hPa（42.5°～45.0°E），850 hPa（42.5°～45.0°E），700 hPa（42.5°～45.0°E），600 hPa（45.0°～47.5°E），然后以各层通道内的最大经向风作为该年夏季各层 SMJ强度指数，记为ISMJ，将五个高度层上的SMJ强度分别记为ISMJ1000、ISMJ925、ISMJ850、ISMJ700、ISMJ600。

通过计算61年夏季各层ISMJ间的相关系数，发现ISMJ1000和ISMJ925、ISMJ700和ISMJ600密切相关，相关系数分别高达 0.80和 0.87，但ISMJ1000与ISMJ700（ISMJ600）的相关系数仅为−0.11（−0.08），没有通过显著性检验，ISMJ925与ISMJ700（ISMJ600）也不相关。这说明下层（指研究区域的下层：925 hPa、1000 hPa，下同）SMJ与上层（指研究区域的上层：700 hPa、600 hPa，下同）SMJ的时空演变特征存在较大的差异，下面将作详细讨论。

3.2 夏季SMJ垂直结构的时空演变特征

图3是1950～2010年夏季5层ISMJ的年变化和累积距平图。分别求得61年5层ISMJ的方差，发现ISMJ700年际变化最强，方差约为3.177，远大于其它4层，ISMJ600次之；ISMJ1000年际变化相比之下最弱，方差仅为0.191，ISMJ925次之。采用Morlet小波分析方法对强度指数时间序列进行周期分析，从各层ISMJ的小波能量分布图（图略）可以看出，各高度层上SMJ年际变化均以2～3年周期为主，但存在的时段有所不同。1000 hPa、925 hPa、850 hPa上该周期存在的时段为1970年代前期和1990年代后期，700 hPa、600 hPa上该周期存在的时段为1960年代前期和1970年代末期至1980年代初期。

图2 夏季索马里地区沿2.5°S～2.5°N平均经向风（m/s）的经度—时间剖面（阴影区是各层核心风速区，从左到右分别为1000 hPa、925 hPa、850 hPa、700 hPa、600 hPa）Fig.2 The longitude–time cross sections of the Somali meridional wind speed (m/s) at 1000 hPa, 925 hPa, 850 hPa, 700 hPa, 600 hPa averaged along 2.5°S–2.5°N in summer during 1950–2010.Shaded areas denote max intensity

图3 1950～2010年夏季1000 hPa至600 hPa 5层 (a) SMJ强度（m/s）的年变化（折线：强度；虚线：11年滑动平均；平直线：平均值）以及 (b) 累积距平Fig.3 (a) Time series of Somali cross-equatorial flow (SMJ) intensity at five levels in summer during 1950–2010 (Broken lines，dashed lines，and flat lines denote SMJ intensities, 11-year running averages, and 61-year averages, respectively); (b) accumulated SMJ intensity anomalies at five levels in summer during 1950–2010

利用趋势系数来定量表示趋势变化的大小，拟合得出1950～2010年这61年里ISMJ700、ISMJ600整体变化的趋势是快速上升的，其他层次 SMJ较为平缓。除了长期趋势变化外，各层越赤道气流存在显著的年代际变化。图3中的虚线代表11 a滑动平均，可以看出，ISMJ1000、ISMJ925的年代际变化基本一致，SMJ在1960年代初开始减弱，1970年代初期进入上升段，到1980年代末又开始减弱。ISMJ850在1960年代为一个减弱段，1980年代为一个上升段，其余时间变化平缓，没有显著的年代际变化。ISMJ700和ISMJ600在1950年代中期快速增强，1960年代初进入迅速减弱阶段，1980年代初期又开始急剧上升。由前面的分析发现，在年代际尺度上，主要是1970年代、1990年代这两个时段里ISMJ1000、ISMJ925与ISMJ700、ISMJ600处于明显不同的变化（增强或减弱）阶段。

从累积距平曲线明显的上下起伏来进一步探讨各层SMJ强度的年代际变化，结合左图的滑动曲线，可以看出1950至2010年间，ISMJ1000、ISMJ925在1950年代至1970年代中期偏弱，1970年代中期以后，进入偏强阶段，直至 1990年代中期又开始偏弱。可见ISMJ1000、ISMJ925经历弱、强、弱三个阶段的年代际变化。ISMJ850在1950年代中期至1960年代中期偏强，1960年代末至1980年代末偏弱，1990年代又开始偏强，但是ISMJ850变化幅度较小，年代际变化相对较弱。ISMJ700和ISMJ600都在1980年代末经历由弱转强的年代际变化，61年内ISMJ700、ISMJ600主要经历弱、强两个阶段。经过对比分析，发现年代际尺度上，1950～2010年间，ISMJ1000、ISMJ925与ISMJ700、ISMJ600变化阶段是存在明显差异的。

图4是夏季ISMJ、ISMJ距平以及11年滑动平均的SMJI距平的时间—高度剖面，从图4a中可以看出1000 hPa至850 hPa的SMJ为一致的南风，风速集中在7～13 m/s内，850 hPa以上经向风速迅速减弱，700 hPa、600 hPa高度上SMJ强度介于－2～8 m/s之间，变化幅度较大。谢磊（2011）曾得出，某些年份SMJ核心维持在925 hPa层次上，而某些年份 SMJ向上延伸发展，核心上移至 850 hPa层次，其垂直结构发生变化。不仅如此，从图 4b可以看到上层SMJ强度距平与下层SMJ强度距平在有些年份里是同号的，有些年份是反号的，并且61年里强度距平绝对值的大值中心基本位于 700 hPa，上层SMJ强度变化较下层明显。由此可见，夏季SMJ存在不同的垂直结构。从图4c可知，SMJ垂直结构经历了3次显著的年代际变化。1950年代中期至1970年代中期，上层与下层SMJ强度距平均小于0，其中1960年代中期至1970年代中期全区为一致的负距平，表明在这些时段内上、下层SMJ呈同位相变化，一致减弱；1970年代中期至1980年代中后期，上、下层SMJ强度距平反号，呈反位相变化，1000 hPa、925 hPa SMJ强度距平大于0，强度偏强，而700 hPa、600 hPa高度上为明显的负距平，SMJ强度偏弱；1980年代末至1990年代中后期各层SMJ强度距平均大于0，表明在上述时段里各层SMJ呈同位相变化，一致增强；1990年代末期至21世纪初，上、下层SMJ强度呈反位相变化，1000 hPa、925 hPa强度距平小于0，SMJ偏弱，而700 hPa、600 hPa高度上为明显的正距平，SMJ强度偏强。

图4 1950～2010年（a）夏季SMJ强度（m/s）、（b）SMJ强度距平（m/s）以及（c）11年滑动平均的SMJ强度距平的时间—高度剖面（m/s）。深、浅阴影表示正、负距平Fig.4 The time–altitude cross sections of (a) SMJ intensity (m/s) and (b) intensity anomaly (m/s) in summer during 1950–2010, and (c) 11-year running averages of SMJ intensity anomaly (m/s).Dark (light) shaded areas denote positive (negative) departures

3.3 夏季SMJ垂直结构分型

为了能更好地体现上层与下层的配置关系，首先将各层ISMJ进行标准化，记为，五个高度层上分别记为、、、、。用61年（1950～2010年）夏季5层（1000 hPa至600 hPa）序列作EOF分析，来研究SMJ的主要垂直形态。结果发现前两个模态的累积方差贡献率超过80%，能够反映夏季SMJ垂直结构异常的主要变化特征。

图5a、c是EOF分析的第一空间型以及对应的时间系数，EOF1占44.2%，对流层中低层内SMJ垂直结构表现为全区一致型（简称“A”型）。相应的时间系数PC1总体呈快速的上升趋势，具有显著的年际、年代际变化特征。当时间系数为正时，各层SMJ强度的标准化距平为一致的正值；反之，为一致的负值。本文把 SMJ第一模态，即夏季 SMJ第一类垂直结构（“A”型）的正负位相分别称为一致增强型（简称“A＋”型）和一致减弱型（简称“A－”型）。EOF第一模态分析表明年代际尺度上，1955～1986年PC1对应负值，SMJ垂直结构呈“A−”型。1987～2005年PC1对应正值，垂直结构呈“A＋”型。图5b、d是EOF分析的第二空间型以及对应的时间系数，EOF2占 40.7%，SMJ垂直结构呈“－＋”的偶极分布形态，表现为上下反相型（简称“B”型）。相应的时间系数PC2也具有年际、年代际变化特征。本文把SMJ第二模态，即夏季 SMJ第二类垂直结构（“B”型）的正负位相分别称为上弱下强型（简称“B＋”型）和上强下弱型（简称“B－”型）。第二模态分析表明年代际尺度上，1955～1973年，PC2对应负值，SMJ垂直结构体现“B－”型的特点，1974～1996年PC2为正值，垂直结构呈“B＋”型，1997～2005年PC2又为负值，垂直结构对应“B－”型。分别对PC1、PC2进行Morlet小波分析（图略），得知夏季SMJ两类垂直结构都具有2～3 年左右的年际周期，另外，“A”型结构还具有3～4 年左右的周期，“B”型结构还存在准五年振荡。综上所述，夏季SMJ垂直结构主要呈现出全区一致、上下反相两种分布型（“A”型和“B”型），细分为一致增强型（“A＋”型）、一致减弱型（“A－”型）、上弱下强型（“B＋”型）和上强下弱型（“B－”型）。对照图4b，61 a里SMJ垂直结构主要体现出了这四类分布型的特点，可见该分类方式是比较合理的。

图5 1950～2010年夏季SMJ强度标准化距平的EOF第一模态（a、c）、第二模态（b、d）：（a、b）空间分布型；（c、d）标准化的时间序列（直方图）及其11年滑动平均（曲线）Fig.5 (a, c) Leading and (b, d) second EOF modes of standardized summer SMJ intensity anomaly for 1950–2010: (a, b) Spatial patterns; (c, d) normalized time series (bars) and its 11-year running mean (curve)

EOF分析得到的PC1、PC2的时间变化分别反映了两类SMJ垂直结构的演变特征，所以选用PC1、PC2作为表征“A”型垂直结构的指数VS1和表征“B”型垂直结构的指数VS2。

3.4 资料比较分析

为了加强研究结果的可信度，下面采用ERA40再分析资料进行验证。前文定义所用的是 NCEP/NCAR资料，在这里使用前文定义的方法将两种资料的结果进行对比。利用 ERA40资料对实际气流进行计算得到，1000 hPa至600 hPa 5层SMJ的通道为：1000 hPa（47.5°E），925 hPa（42.5°E），850 hPa（40.0°～42.5°E），700 hPa（40.0°～45.0°E），600 hPa（37.5°～40°E）。相比于 NCEP/NCAR 资料，1000 hPa、925 hPa通道位置集中在一个经度上，通道变窄，850 hPa通道位置向西偏移2.5个经度，700 hPa通道位置变宽，向西扩展 2.5个经度，总体而言，这四层SMJ通道位置变化较小，基本一致。不同的是，ERA40资料600 hPa通道位置偏西7.5个经度，变化幅度较大。

由ERA40资料得到描述各层SMJ强度变化的特征序列（图略），发现ISMJ1000和ISMJ925、ISMJ700和ISMJ600分别为高相关，但上、下层SMJ的时空特征存在较大差异，这与前文的结论是一致的。从气候平均值来看，ERA40资料下 SMJ最大值位于 850 hPa，而非NCEP/NCAR资料得到的925 hPa。从方差来看，ISMJ700年际变化最强，ISMJ600次之；ISMJ1000年际变化相比之下最弱，ISMJ925次之，这与同一时段NCEP/NCAR资料所得的结果基本一致。分别计算两种资料间5层ISMJ的相关系数，600 hPa相关系数最小，为0.26，通过90%的置信度检验，700 hPa的相关系数其次，为0.44，通过了99%的置信度检验。年代际时间尺度上，ISMJ1000、ISMJ925均在20世纪70年代后期经历由弱转强的年代际变化，ISMJ700、ISMJ600均在20世纪80年代中后期经历由弱转强的年代际变化，这与前文的结论是十分相似的。

本文的研究对象为 SMJ的垂直结构，继续对ERA40资料得到的1958～2002年1000 hPa至600 hPa 5层序列作EOF分析（图6），对比同一时段45年NCEP/NCAR资料的EOF结果（图7），SMJ的垂直结构均主要呈现出全区一致（“A”型）和上下反相（“B”型）的分布特点，与前文的结论十分相似。对两种资料得到的前两个模态的时间系数PC1、PC2分别求相关，相关系数分别为 0.54和0.34，相关系数均通过99%的置信度检验。图6和图7中时间系数的11年滑动平均曲线进一步表明了两种资料得到的PC1、PC2均存在显著的年代际信号，且年代际变化十分相似，PC1均在1980年代出现反位相的年代际变化，PC2均在 1970年代和1990年代先后出现反位相的年代际变化特征，与前文的结论基本一致。不同的是，ERA40资料得到的PC2在 1960年代末期还存在一次显著的年代际转折，NCEP/NCAR资料不存在这一特征。进一步将1958～2002年NCEP/NCAR资料得到的PC1、PC2与前文定义的1950～2010年VS1和VS2指数序列取同时段的45年，再求相关，得到相关系数为0.86和 0.83，两者关系密切。最后将 ERA40资料得到的 45年 PC1、PC2序列与前文定义的VS1和VS2指数取同时段，再求相关，得到相关系数为0.52和0.47，两者关系较好。可见，两种SMJ垂直结构型

是比较稳定的，不随资料或时间段不同而发生大的变动。

图6 1958～2002年ERA40资料夏季SMJ强度标准化距平的EOF第一模态（a、c）、第二模态（b、d）：（a、b）空间分布型；（c、d）标准化的时间序列（直方条）及其11年滑动平均（曲线）Fig.6 (a, c) Leading and (b, d) second EOF modes of standardized summer SMJ intensity anomaly for 1958–2002 ERA40 data: (a, b) Spatial patterns; (c, d)normalized time series (bars) and its 11-year running mean (curve)

图7 1958～2002年NCEP/NCAR资料夏季SMJ强度标准化距平的EOF第一模态（a、c）、第二模态（b、d）：（a、b）空间分布型；（c、d）标准化的时间序列（直方条）及其11年滑动平均（曲线）Fig.7 (a, c) Leading and (b, d) second EOF modes of standardized summer SMJ intensity anomaly for 1958–2002 NCEP/NCAR data: (a, b) Spatial patterns;(c, d) normalized time series (bars) and its 11-year running mean (curve)

因此，NCEP/NCAR资料和 ERA40资料的研究结果有一些差别，但是没有影响主要结论，本文采用NCEP/NCAR资料是可以接受的，下面继续采用1950～2010年NCEP/NCAR资料展开详细的讨论。

4 夏季 SMJ垂直结构指数与大气环流的关系

刘向文等（2009a）指出，越赤道气流的变化受南、北半球环流因子及赤道局地环流因子的影响。本文则进一步分析 SMJ垂直结构变化对应的大气环流异常。首先为了突出垂直结构指数年际变异的因素，把图5c、d所示的VS1、VS2指数序列，先滤去长期变化趋势，取得了去掉 61年变化趋势后的指数。然后分别选取超过正、负1.2个标准差的年份为高、低指数年，得到VS1指数对应的高值年为1958、1959、1960、1961、1970、1990、1992，共7年，低值年为1972、1974、1979、1981、1997，共5年；VS2指数对应的高值年为1980、1981、1983、1984、1986、1991、1996，共7年，低值年为1963、1969、1972、1974、1999、2002、2009，共 7年。

分别对VS1指数高值年和低值年的925 hPa、700 hPa距平风场进行合成分析。从925 hPa合成差值分布（图8a）上可以看到，南半球马达加斯加岛以南受异常反气旋环流控制，北侧存在显著的南风异常。700 hPa合成差值分布（图8b）上，南半球的差值风场与低层925 hPa的分布基本一致，赤道地区SMJ通道以东存在一个显著的顺时针环流，其西侧为南风异常。结合高、低值指数年的合成分布（图略）发现，925 hPa、700 hPa距平风场上，南半球马斯克林高压偏强，另外，700 hPa距平风场上SMJ通道以东存在顺时针的距平环流，这样的环流背景对应ISMJ925、ISMJ700均偏强，SMJ垂直结构呈“A＋”型；当925 hPa、700 hPa距平风场上，南半球马斯克林高压偏弱，700 hPa距平风场上SMJ通道以东存在逆时针的距平环流，这样的环流背景下ISMJ925、ISMJ700均偏弱，SMJ垂直结构呈“A－”型。

图8 夏季SMJ垂直结构指数异常时同期925 hPa（a、c）、700 hPa（b、d）距平风场（m/s）合成差值分布（高指数年减低指数年）：（a、b）VS1指数；（c、d）VS2指数。浅、深阴影区表示风速通过了95%、99%置信度检验Fig.8 Composite differences of the wind vectors (m/s) at (a, c) 925hPa and (b, d) 700 hPa in summer between high and low SMJ vertical structure indices:(a, b) VS1index, (c, d) VS2 index.Shaded areas represent the differences significant above the 95% (light color) and 99% (dark color) confidence levels

接着对VS2指数的高值年和低值年的925 hPa、700 hPa距平风场进行合成分析。从925 hPa合成差值分布（图8c）上可以看到，北半球阿拉伯海以南为显著的偏西风异常。700 hPa合成差值分布（图8d）上，南半球马达加斯加岛以北为显著的西风异常，北半球阿拉伯海及印度半岛受气旋性环流控制。结合高、低值指数年的合成分布（图略）发现，925 hPa距平风场上，北半球阿拉伯海以南存在西风距平，700 hPa距平风场上南半球马达加斯加岛以北为西风距平，北半球阿拉伯海及印度半岛受气旋性距平环流控制，这样的环流背景对应ISMJ925偏强、ISMJ700偏弱，SMJ垂直结构呈“B＋”型；当925 hPa距平风场上，北半球阿拉伯海以南为东风距平，700 hPa距平风场上马达加斯加岛以北存在东风距平，北半球阿拉伯海及印度半岛受反气旋性距平环流控制，这样的环流背景下ISMJ925偏弱、ISMJ700偏 强，SMJ垂直结构呈“B－”型。

根据上述的分析可以看出，与SMJ“A”型垂直结构变化相联系的风场环流系统有925 hPa、700 hPa南半球马斯克林高压、以及700 hPa索马里地区附近的涡旋距平；与SMJ“B”型垂直结构变化相联系的系统为925 hPa北半球阿拉伯海以南的纬向风异常、700 hPa南半球马达加斯加岛以北的纬向风异常、北半球阿拉伯海及印度半岛地区的涡旋距平。

5 夏季 SMJ垂直结构指数与东亚夏季风环流和降水的关系

5.1 东亚夏季风环流

越赤道气流是亚洲夏季风的源头，这里进一步探讨夏季SMJ垂直结构指数与东亚夏季风的关系。采用施能等人（1996）的东亚夏季风强度指数，绝对值大的正指数值表示弱夏季风，绝对值大的负指数值表示强夏季风。图9a给出了VS1指数和东亚夏季风强度指数的多年序列，二者相关较好，相关系数为－0.35（去掉了长期趋势），通过了99%置信度检验，另外可以看到前四十年里两者对应很好，相关系数高达－0.54。图9b给出了VS2指数和东亚夏季风强度指数的时间序列，二者为正相关，相关系数为 0.33（去掉了长期趋势），同样通过了 99%置信度检验。可见，夏季SMJ“A＋”（“A－”）型垂直结构对应强（弱）东亚夏季风，夏季SMJ“B＋”（“B－”）型垂直结构对应弱（强）东亚夏季风。

为了继续说明垂直结构指数与东亚夏季风的同期关系，给出VS1指数与850 hPa风场、地面气压场的同期相关分布，如图10a。可以看到VS1指数与东亚夏季风存在显著的正相关，从阴影区分布可知，亚洲大陆上为显著的负相关区，中心位于蒙古地区，太平洋中部洋面上存在一个显著的正相关区。分析可得，当VS1指数偏高时，亚洲大陆低压系统发展强盛，海洋高压偏强，在亚洲大陆和北太平洋之间形成了从海洋指向大陆的东西向的异常气压梯度，因此海陆热力对比增强，对夏季风起加速作用；反之，当VS1指数偏低时，大陆热低压偏弱，海洋高压亦偏弱，它们之间存在从大陆指向海洋的东西向的异常气压梯度，海陆热力对比不明显，夏季风偏弱。采用前文挑选得到的典型年份，对高、低 VS1指数年进行合成分析（图略），可以进一步看到VS1指数与东亚夏季风有很好的对应关系。因此，夏季SMJ“A＋”（“A－”）型结构对应强（弱）的东亚夏季风。

图10b为VS2指数与850 hPa风场、地面气压场的同期相关分布，可以看到VS2指数与东亚夏季风存在显著的负相关，从阴影区分布可知，东亚沿海地区为显著的正相关区，西太平洋存在显著的负相关。分析可得，当VS2指数偏高时，东亚地区地面气压增强，西太平洋副热带高压偏弱，两者之间形成了从大陆指向海洋的异常气压梯度，东亚夏季风偏弱；反之，当VS2指数偏低时，东亚地区地面气压减弱，西太平洋副热带高压偏强，两者之间形成了从海洋指向大陆的异常气压梯度，使得东亚夏季风偏强。对高、低VS2指数年进行合成分析（图略）的结果也进一步说明了上述对应关系。因此，夏季SMJ“B＋”（“B－”）型结构对应弱（强）的东亚夏季风。

图9 东亚夏季风强度指数和夏季SMJ垂直结构指数 (a) VS1、(b) VS2的时间变化（已去掉线性趋势，数值已标准化）Fig.9 Detrended and standardized East Asian summer monsoon index (dashed line) and (a) VS1 index (solid line) and (b) VS2 index (solid line) during 1950–2010

图10 夏季SMJ垂直结构指数与同期850 hPa风场（矢量）、地面气压场（等值线）的相关分布：（a）VS1指数；（b）VS2指数。阴影区表示与地面气压的相关系数通过了95%置信度检验，箭头表示与风场的相关系数通过了95%置信度检验Fig.10 Contemporaneous correlations between indices and 850-hPa winds (vectors) and surface pressure (isolines) in summer: (a) VS1 index; (b) VS2index.Shaded areas represent the correlations of indices with surface pressure significant above the 95% confidence level, arrows denote the correlations of indices with 850-hPa winds significant above the 95% confidence level

由上述可知，夏季SMJ垂直结构异常时，东亚海陆热力对比程度随之改变，造成东亚夏季风的强度发生变化。值得一提的是，与VS1指数关系密切的夏季风主要位于我国，与VS2指数关系密切的夏季风主要位于日本列岛及其附近海域。

5.2 东亚夏季降水特征

SMJ对两半球间的水汽输送起着十分重要的作用，它把水汽从冬半球输送到夏半球，因此夏季SMJ垂直结构的异常很可能会造成东亚季风区内水汽输送异常，并使降水发生变化。由于本文研究的对象是对流层中低层（1000 hPa至600 hPa）内SMJ的垂直结构，这里分析1000 hPa至600 hPa厚度层内水汽通量的变化。

图11a中阴影部分表明VS1指数和我国内蒙古东部、华北地区降水存在显著正相关。箭头表明我国东部地区40°N以南VS1指数和水汽通量矢量在纬向和经向上都为正相关，40°N以北纬向为正相关，经向为负相关。表明VS1指数偏高时，SMJ垂直结构对应“A＋”型，40°N以南西南风水汽输送加强，40°N以北西北风水汽输送加强，水汽在我国内蒙古东部和华北地区辐合加强，使得这些地区降水加强；反之，VS1指数偏低时，SMJ垂直结构对应“A－”型，内蒙古东部和华北地区降水减弱。由图11b可知VS2指数偏高时，即SMJ垂直结构为“B＋”型，我国江南、日本西南风水汽输送减弱，从而该地区的降水显著偏少；反之，VS2指数偏低时，即SMJ垂直结构为“B－”型，西南风水汽输送加强，我国江南、日本降水显著偏多。另外，两指数均与印度季风区降水关系显著，VS2指数还和内蒙古地区的降水有着显著的正相关。降水的形成条件十分复杂，这里仅从水汽输送的角度进行了简单讨论，需进一步从其它条件来分析。

图11 夏季SMJ垂直结构指数与同期1000 hPa至600 hPa垂直积分的水汽通量场（矢量）、降水场（等值线）的相关分布：（a）VS1指数；（b）VS2指数。阴影区表示与降水的相关系数通过了90%置信度检验Fig.11 Contemporaneous correlations between indices and vertically integrated water vapor flux vectors from 1000 hPa to 600 hPa (vectors) and precipitation(isolines) in summer: (a) VS1 index; (b) VS2 index.Shaded areas represent the correlations of indices with precipitation significant above the 90% confidence level

结合图11和图10的矢量分布，可知VS1指数和VS2指数分别与东亚季风区对流层中低层内水汽输送矢量的同期相关分布和两个指数分别与东亚夏季风环流的相关分布基本一致。综上，夏季SMJ垂直结构的变化可以直接影响东亚西南季风，同时改变对流层中低层内东亚季风区内的水汽输送量，从而再影响东亚气候。虽然针对SMJ与夏季风活动的联系已有不少研究，但这里从一个全新的角度阐释了这种联系，侧重分析了 SMJ垂直结构变化与东亚夏季风环流和降水的关系，这有利于进一步认识季风活动规律。

6 小结与讨论

通过对夏季SMJ的分析以及资料的对比，本文揭示了夏季对流层中低层 SMJ存在不同的垂直结构，并对垂直结构的时空演变特征进行了分析，在此基础上对垂直结构型进行分类，定义了结构指数，最后着重讨论了SMJ垂直结构与大气环流、东亚夏季风的关系，得到以下结论：

（1）对流层中低层SMJ存在不同的垂直结构，且具有显著的年际、年代际变化特征。夏季 SMJ主要呈现出全区一致、上下反相两种分布型（“A”型和“B”型），将其细分为四类，即一致增强型（“A＋”型）、一致减弱型（“A－”型）、上弱下强型（“B＋”型）和上强下弱型（“B－”型）。两种SMJ垂直结构型是比较稳定的，不随资料或时间段不同而发生大的变动。

（2）将 EOF分析得到的前两个主要模态的时间系数分别作为表征“A”型和“B”型垂直结构的指数VS1和VS2，对高指数年和低指数年的合成分析表明，SMJ“A”型垂直结构与925 hPa、700 hPa南半球马斯克林高压、以及700 hPa索马里地区附近的涡旋距平关系密切；SMJ“B”型垂直结构与925 hPa北半球阿拉伯海以南的纬向风异常、700 hPa南半球马达加斯加岛以北的纬向风异常、北半球阿拉伯海及印度半岛地区的涡旋距平关系密切。

（3）夏季SMJ垂直结构指数与东亚夏季风活动关系密切。当VS1指数为高指数，即SMJ呈“A＋”型垂直结构时，海陆热力对比增强，东亚夏季风偏强，我国内蒙古东部、华北地区水汽辐合加强，降水偏多；反之亦然。当VS2指数为高指数，即SMJ呈“B＋”型垂直结构时，海陆热力对比减弱，东亚夏季风偏弱，我国江南、日本地区水汽输送减弱，降水偏少；反之亦然。值得一提的是，与VS1指数关系密切的夏季风活动主要位于我国，与VS2指数关系密切的夏季风活动主要位于日本列岛及其附近海域。

最后需要说明的是，本文给出的结果仅限于同期关系，然而关于SMJ通道在垂直尺度上的偏移、SMJ不同垂直结构的发生发展机制以及 SMJ垂直结构如何与东亚海陆热力差异联系等问题都需要更深入的研究。

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