北太平洋增暖对我国西北秋雨的影响

韩晋平

（中国气象科学研究院，北京100081）

北太平洋增暖对我国西北秋雨的影响

韩晋平＊

（中国气象科学研究院，北京100081）

利用1979—2012年我国160站逐月降水资料、NOAA全球海洋表面温度资料和NCEP－DOE大气环流再分析资料，采用统计分析方法研究了北太平洋海表增暖对我国西北秋雨年代际变化的影响。结果表明：西北秋雨在2000年前后经历了年代际跃变，1986—1999年为少雨期，2000—2012年为多雨期。进一步分析表明：西北秋雨的年代际变化与北太平洋海表增暖关系密切，北太平洋海温偏暖时，东亚—北太平洋地区的大气温度升高，引起东亚地区的南北温差减弱，使东亚西风急流减弱，急流中心偏北，东亚中纬度地区气压升高，导致异常东风水汽输送带偏强，造成西北秋雨异常偏多。

我国西北秋雨；北太平洋海温；年代际变化

引 言

我国秋雨区位于中纬度内陆地区，主要包括陕西、甘肃、宁夏和四川，该地区处于夏季风活动边缘带［1］，干湿季节分明，降雨主要集中在夏秋季，降水量远小于东部地区，气候平均年降水量为200～1000mm，立秋后，持续性阴雨主要发生在这里［2－3］，我国其他大部分地区秋高气爽，降水稀少。由于秋雨的雨区集中，持续时间长，对秋季作物生长、冬季作物播种会产生很大影响，同时，由于西部地区多山地，地质结构复杂，持续降水易引起滑坡和泥石流等次级灾害，会给人民生命和国家经济造成损失。

秋雨有显著的年代际周期变化，冯丽文等［4］研究发现，9月华西秋雨有3年和17年的周期，10月的周期为13年。白虎志等［5］指出华西秋雨有年代际变化特征，20世纪60年代到70年代初、80年代初呈北多南少；70年代末、80年代末到21世纪初呈北少南多。2000年以后，华西秋雨有了新变化，施雅风等［6］研究发现，近年来北方部分地区的气候在向暖湿转变，与此同时，华西秋雨显著增多［7］。

秋雨异常与大气环流配置和下垫面状况关系密切。持续秋雨往往是中高纬度环流系统与西太平洋副热带高压相互作用的结果，欧亚环流型、中高纬度低压槽、西太平洋副热带高压西脊线位置等为秋雨提供了必要条件［8－19］。稳定维持的异常环流场与海表温度密切相关，ENSO与我国秋季降水关系密切。Zhang等［20－21］研究发现，El Nio年西北太平洋海洋性大陆附近的对流减弱，激发出大气Rossby波，产生异常反气旋，导致我国南方秋雨偏多。El Nio年，西北地区秋雨偏少，江南秋雨偏多［22－24］。还有研究发现，西太平洋海温、印度洋偶极子和青藏高原东部的地表热力状况均与秋雨关系显著［25－28］。魏锋等［29］研究指出，西北地区的降水与北太平洋海温异常有较好的对应关系。朱益民等［30］研究发现，ENSO与我国气候的关系受太平洋海温的年代际跃变影响。北太平洋海表温度在20世纪70年代末发生了跃变，跃变前后我国汛期降水的格局发生了明显变化，跃变前华北和华南地区降水偏多，跃变后东北地区和长江流域降水偏多［31－32］。

伴随我国东部夏季降水的年代际变化［33］，西部秋雨在20世纪80—90年代持续减少，干旱加剧，2000年以后，秋雨显著增多，即秋雨发生了年代际变化。ENSO与秋雨关系显著，北太平洋海表温度异常调制ENSO与我国气候的关系，但北太平洋海表温度异常是否影响我国秋雨的变化及可能的影响过程研究较少。本文研究北太平洋海表温度对30°～40°N我国西北地区东部秋雨的影响，研究范围与通常定义的华西秋雨区有所不同，一方面考虑了近年来有暖湿变化趋势的区域主要在西北地区，西南地区不明显，另一方面西北秋雨与西南秋雨是两个相对独立的雨区，二者变化不同步，如2011年北方遭遇了近60年罕见的秋雨，造成了严重洪涝灾害，此时西南地区深受干旱困扰［34］。

1 资 料

本文使用国家气候中心提供的160站逐月降水资料、NCEP－DOE大气环流月平均再分析资料（空间分辨率为2.5°×2.5°）［35］、美国国家海洋大气管理局的全球海洋表面温度重建延长资料（NOAA extended reconstructed SST）（空间分辨率为2°×2°）［36］，以上资料时间均为1979—2012年，共34年。

2 我国西北秋雨年代际变化特征

用秋雨占全年降水量的百分比表示秋雨对该地区年降水的贡献，值越大反映秋雨对农业生产和经济活动影响越大。图1a为9—10月气候平均降水量占全年降水量的百分比分布图。由图1可知，百分比大于20%的区域主要位于黄河中上游和西南局部地区，最大值位于西北地区东部，超过25%，可见这里的秋雨对年降水量贡献大，秋雨异常可能造成严重灾害，为了方便描述，以下将西北地区东部的秋雨简称为西北秋雨。

将30°～38°N，100°～113°E范围内9—10月降水量定义为秋雨指数，其多年时间序列如图1b所示。西北秋雨指数气候平均值为147mm，均方差为34mm，由图1b可见，该指数年代际变化特征明显，1986—1999是秋雨偏少年份，平均值为125mm，2000—2012年是秋雨偏多年份，平均值为157mm，两个年代的降水量相差32mm，超过气候平均值的20%。对西北秋雨指数的13年滑动t检验（图1c）表明，西北秋雨指数有年代际变化，1999年为转折年。因此，本文将1986—1999年作为秋雨负异常年，2000—2012年作为秋雨正异常年，各气象要素在正异常年和负异常年的平均值差异表示年代际变化。对300hPa以下的水汽和水汽水平输送进行垂直积分，分别得到整层水汽和整层水汽输送，二者在正异常年与负异常年两个时段平均值的差异作为年代际变化。

图1 我国9—10月气候平均降水量占全年降水量的百分比（单位：%）（a）和1979—2012年西北秋雨指数（黑色实线为对应时段平均值）（b）及其13年滑动t检验曲线（虚线表示0.01显著性水平）（c）Fig.1 The percentage of climate mean precipitation in September and October to total amount（unit：%）（a）and autumn rain index（black lines denote averaged values for corresponding period）（b）with 13－year－runningttest of autumn rain index（the dashed line denotes 0.01level）（c）

图2是我国秋雨的年代际变化。由图2可见，发生年代际变化的区域主要集中在30°N以北的黄河流域，除东北和西南有个别显著减少的站点外，其他地区变化不显著，这也说明西北秋雨与西南秋雨变化不同步。图2表明，21世纪后，西北秋雨增加明显，这对缓解西北地区的干旱有重要意义。

图2 2000—2012年与1986—1999年我国秋雨的降水量之差（实心图标表示该站差值达到0.05显著性水平，其中●表示差值为正，▲表示差值为负）Fig.2 The precipitation difference in September and October for 2000－2012and 1986－1999China（●denotes positive difference above 0.05level，▲denotes negative difference above 0.05level）

3 大气环流的年代际变化

降水变化与大气中的水汽输送有密切关系，图3a是大气整层水汽输送的年代际变化。由图3a可知，110°E以东，沿35°N为一条东西向的异常东风输送带，向东可追溯到太平洋上空，向西北可延伸到达巴尔喀什湖。异常东风输送带使35°～40°N，80°～110°E范围的水汽显著增加，其南北两侧的水汽减少（图3b）。结合图3a和3b可知，异常东风带将水汽输送到我国西北地区，为该地区的秋雨提供了水汽条件。由于我国地形总体为西高东低，异常东风带将水汽自东向西输送，遇到地形抬升，更有利于降水落在我国西北地区东部。

低层气流辐合由气压场引导，由500hPa位势高度年代际差异（图4a）可知，100°E以东的大陆，正高度异常的显著区位于30°～50°N，50°N以北为负高度异常。在秋季气候平均环流场上，30°～50°N为东亚大陆沿岸的槽区，正位势高度异常表明秋雨偏多年代中纬度东亚沿岸的槽比较浅，这不利于中纬度冷空气南下。

低层气流的辐合必然导致上升运动。图4b显示30°N以北的我国北方存在大范围的上升运动，在上升运动区的南北两侧是气流下沉区。从100°～115°E范围内的剖面（图4c）可见，20°～40°N 的垂直上升运动可达400hPa，其南侧（20°～25°N）也存在一上升区，但仅在对流层中下层明显。40°N以北的下沉区在对流层中层最显著。这表明秋雨异常偏多年伴有深厚的上升运动。

图3 2000—2012年与1986—1999年整层水汽输送之差（a）和整层水汽积分之差（单位：g·m－2）（b）（填色区表示达到0.05显著性水平）Fig.3 Differences of integrated water vapor transport（a）and integrated water vapor（unit：g·m－2）（b）for 2000－2012and 1986－1999periods（the shaded denotes above 0.05level）

图4 2000—2012年与1986—1999年500hPa高度场之差（单位：gpm）（a）、垂直运动之差（单位：Pa·s－1）（b）和100°～115°E剖面垂直运动之差（单位：Pa·s－1）（c）（填色区表示达到0.05显著性水平）Fig.4 Differences of 500hPa geopotential height（unit：gpm）（a），500hPa vertical velocity（unit：Pa·s－1）（b）and section of difference of vertical velocity over 100°－115°E（unit：Pa·s－1）（c）for 2000－2012 and 1986－1999（the shaded denotes above 0.05level）

4 北太平洋海表增暖与北方秋雨的关系

从海表温度年代际变化（图5a）可知，中纬度北太平洋海表温度为正异常，最大增暖超过0.8℃，热带—副热带东太平洋海表温度为负异常，最大值为－0.4℃，即海表温度异常呈现类似太平洋年代际振荡（PDO）的冷位相型分布。将21°～ 61°N，140°～220°E区域平均的海表温度作为北太平洋海表温度指数（图5b）。由图5b可见，北太平洋海温最近几十年持续增暖，1999年以后增暖更显著。

图5 2000—2012年与1986—1999年海表温度之差（单位：℃；填色区表示达到0.05显著性水平）（a）及北太平洋海表温度指数（虚线表示平均值）（b）Fig.5 The difference of sea surface temperature for 2000－2012and 1986－1999（unit：℃；the shaded denotes above 0.05level）（a）and North Pacific sea surface temperature index（the dashed line denotes averaged value）（b）

PDO作为气候背景对东亚气候有调制作用，在PDO冷位相背景下，北太平洋海表温度持续增暖对大气环流以及我国西北秋雨的影响显著。由于中纬度海气相互作用异常强烈，二者非线性关系显著，同期相关不能表明二者的因果关系，因此，以7—8月的海表温度指数与秋季大气环流的关系来体现前期海温异常对后期大气环流的影响。

图6为7—8月北太平洋海表温度与我国秋季降水的关系。由图6可知，西北地区东部和黄河河套地区的降水为显著正相关关系，表明北太平洋海表温度异常增暖时，上述地区的秋季降水偏多。由此可见，北太平洋海表温度升高与我国西北秋雨增加有密切关系。

图6 1979—2012年7—8月北太平洋海表温度指数与我国秋季降水相关关系（实心图标表示达到0.1显著性水平，其中●为正相关，▲为负相关）Fig.6 The correlation of July－August North Pacific Sea surface temperature to China autumn precipitation during 1979－2012（●denotes positive above 0.1level，▲ denotes negative above 0.1level）

5 北太平洋海温对北方秋雨的影响机制

由7—8月海表温度指数与秋季对流层大气温度的相关分布（图7a）可知，二者在中纬度东亚—北太平洋地区和北极地区相关为正，热带太平洋为负，表明前期北太平洋增暖会导致中纬度的东亚—北太平洋秋季对流层增暖。中纬度大气增暖会减弱东亚南北温差，导致西风急流减弱（图7b）。

北太平洋增暖对500hPa位势高度影响也很显著，从北太平洋海表温度指数与500hPa高度场的相关（图8）来看，当7—8月海表温度增暖时，秋季20°～45°N位势高度为正异常，热带和50°N以北为负异常，与图4a空间分布形势相似，只是显著区位置略偏东。这表明前期北太平洋增暖有利于秋季这一区域的气压升高，减弱了东亚沿岸的浅槽，不利于冷空气南下活动，对稳定对流层低层的偏东风有重要作用。

图7 1979—2012年7—8月北太平洋海表温度指数与秋季对流层大气温度（a）和200hPa纬向风（b）相关分布（填色区表示达到0.05显著性水平）Fig.7 The correlation of July－August North Pacific sea surface temperature to tropospheric mean temperature（a）and 200hPa zonal wind（b）in autumn during 1979－2012（the shaded denotes above 0.05level）

图8 1979—2012年7—8月北太平洋海表温度指数与500hPa位势高度（a）和垂直速度（b）相关分布（填色区表示达到0.05显著性水平）Fig.8 The correlation of July－August North Pacific sea surface temperature to 500hPa geopotential height（a）and vertical velocity（b）in autumn during 1979－2012（the shaded denotes above 0.05level）

中纬度地区气压升高会导致其南部出现偏东风异常。由7—8月海表温度与秋季整层水汽输送相关分布（图9）可见，当前期海表温度偏暖时，90°～120°E范围内以40°N为界，北部40°～60°N，90°～120°E为异常反气旋，南部20°～40°N，90°～110°E为异常气旋区，二者间的异常东风水汽输送带，向东可追溯到西北太平洋，这与图3a结果类似。

图9 1979—2012年7—8月北太平洋海表温度与秋季整层水汽输送相关分布（填色区表示达到0.05显著性水平）Fig.9 The correlation of July－August North Pacific sea surface temperature to autumn integrated water vapor transport during 1979－2012（the shaded denotes above 0.05level）

综上所述，北太平洋海表增暖可以使秋季东亚中纬度大气增暖，从而减弱东亚地区的南北温差，引起大气环流发生变化，导致西北秋雨增多。

6 结论和讨论

本文研究北太平洋海表增暖对我国西北秋雨的影响，得到以下结论：

1）我国西北秋雨在2000年出现了年代际变化，1986—1999为少雨期，2000—2012为多雨期。

2）我国西北秋雨的年代际变化与北太平洋海表增暖关系密切。当北太平洋海表温度增加时，中纬度对流层大气温度升高，使东亚沿岸的南北温差减小，进而使东亚西风急流减弱。

3）对流层大气升温导致东亚沿岸气压升高，大槽变浅，其南部出现异常偏东风，有利于水汽从海洋向我国内陆输送，丰富的水汽在西北地区东部辐合上升，最终导致我国西北秋雨异常偏多。

本文侧重北太平洋海表增暖对我国西北秋雨变化的影响，但这只是秋雨年代际变化的一个可能原因，存在不确定性，还有很多工作值得深入开展。西北地区降水往往是锋面降水，不仅需要暖湿气流的输送，还与冷空气活动有关，本文强调了异常东风带来的暖湿气流作用，但其他环流因子的作用也不可忽视。秋季正值季节转换时期，夏季风环流系统逐渐减弱撤离大陆，冬季风系统正在建立，此时二者势力相当，冷暖空气都比较活跃，因此各个环流系统的配置显得格外重要，如中纬度贝加尔湖低压和低纬度印缅槽对干冷气流和暖湿气流的强度和路径有重要影响。另外，资料长度不足，样本少是气候年代际变化研究不确定性的重要原因，本文也不例外，本文使用的资料只有34年，年代际变化的转折点只有1次，因此尚无法确定北太平洋海表温度与我国西北秋雨的关系是否稳定。Wang等［37］和 Wei等［38］研究发现，东亚冬季风在1987年和2000年有两次年代际变化，同时我国东部夏季降水在20世纪90年代末也发生了年代际变化［39］，与我国西北秋雨年代际变化发生时间大体一致，是否有内在联系还无法确定，我国西北秋雨与冬、夏季风强弱的关系值得进一步探讨。

［1］ 黄菲，李栋梁，汤绪，等.用过程透雨量确定的东亚夏季风北边缘特征.应用气象学报，2009，20（5）：530－538.

［2］ 高由禧.东亚的秋高气爽.气象学报，1958，29（2）：83－92.

［3］ 高由禧，郭其蕴.我国的秋雨现象.气象学报，1958，29（4）：264－273.

［4］ 冯丽文，郭其蕴.华西秋雨的多年变化.地理研究，1983，2（1）：74－84.

［5］ 白虎志，董文杰.华西秋雨的气候特征及成因分析.高原气象，2004，23（6）：884－889.

［6］ 施雅风，沈永平，胡汝骥.西北气候由暖干向暖湿转型的信号、影响和前景初步探讨.冰川冻土，2002，24（3）：219－226.

［7］ 张存杰，高学杰，赵红岩.全球气候变暖对西北地区秋季降水的影响.冰川冻土，2003，25（2）：157－164.

［8］ 陈娇娜，李国平，黄文诗，等.华西秋雨天气过程中的GPS遥感水汽总量演变特征.应用气象学报，2009，20（6）：753－760.

［9］ 徐桂玉，林春育.华西秋雨特征及成因探讨.气象科学，1994，12（4）：149－154.

［10］ 谌芸，施能.我国秋季降水、温度的时空分布特征及气候变化.南京气象学院学报，2003，26（5）：622－630.

［11］ 鲍媛媛，阿布力米提，李峰，等.2001年华西秋雨时空分布特点及其成因分析.应用气象学报，2003，14（2）：215－222.

［12］ 郁淑华.一次华西秋季大暴雨的水汽分析.高原气象，2004，23（5）：689－696.

［13］ 周长艳，李跃清，李薇，等.东亚地区秋季水汽输送特征及水汽源地分析.热带气象学报，2006，22（4）：380－385.

［14］ 彭京备，张庆云，布和朝鲁.2006年川渝地区高温干旱特征及其成因分析.气候与环境研究，2007，12（3）：467－474.

［15］ 牛宁，李建平.2004年中国长江以南地区严重秋旱特征及其同期大气环流异常.大气科学，2007，31（2）：254－264.

［16］ 贾小龙，张培群，陈丽娟，等.2007年我国秋季降水异常的成因分析.气象，2008，34（4）：86－94.

［17］ 郭江勇，林纡，万莉莉.500hPa高度场对西北地区秋季降水的影响分析.资源科学，2009，31（10）：1744－1754.

［18］ 方建刚，白爱娟，陶建玲，等.2003年陕西秋季连阴雨降水特点及环流条件分析.应用气象学报，2005，16（4）：509－517.

［19］ 孙娴，魏娜，肖科丽.陕西秋季降水变化特征.应用气象学报，2010，21（3）：360－365.

［20］ Zhang R H，Sumi A，Kimoto M.A diagnostic study of the impact of El Nio on the precipitation in China.Adv Atmos Sci，1999，16：229－241.

［21］ Zhang R H，Sumi A.Moisture circulation over East Asia during El Nio episode in northern winter，spring and autumn.J Meteor Soc Japan，2002，80：213－227.

［22］ 龚道溢，王绍武.ENSO对中国四季降水的影响.自然灾害学报，1998，7（4）：44－52.

［23］ 李耀辉，李栋梁，赵庆云，等.ENSO对中国西北地区秋季异常降水的影响.气候与环境研究，2000，5（2）：205－213.

［24］ 谌芸，施能.厄尔尼诺／南方涛动与我国秋季气候异常.热带气象学报，2003，19（2）：137－146.

［25］ 刘宣飞，袁慧珍.ENSO对印度洋偶极子与中国秋季降水关系的影响.南京气象学院学报，2006，29（6）：762－768.

［26］ 顾薇，李维京，陈丽娟，等.我国秋季降水的年际变化及与热带太平洋海温异常分布的关系.气候与环境研究，2012，17（4）：467－480.

［27］ Niu N，Li J P.Interannual variability of autumn precipitation over South China and its relation to atmospheric circulation and SST anomalies.Adv Atmos Sci，2008，25（1）：117－125.

［28］ 陈忠明，刘富明，赵平，等.青藏高原地表热状况与华西秋雨.高原气象，2001，20（1）：94－99.

［29］ 魏锋，王劲松.中国西北地区7－9月上旬降水与北太平洋海温异常的关系.干旱气象，2010，12（28）：396－400.

［30］ 朱益民，杨修群.太平洋年代际振荡与中国气候变率的联系.气象学报，2003，61（6）：641－654.

［31］ 于淑秋，林学椿.北太平洋海温的气候跃变及其对中国汛期降水的影响.热带气象学报，1997，13（3）：265－275.

［32］ 李峰，何金海.北太平洋海温异常与东亚夏季风相互作用的年代际变化.热带气象学报，2000，16（3）：260－271.

［33］ 赵平，周秀骥.近40年我国东部降水持续时间和雨带移动的年代际变化.应用气象学报，2006，17（5）：548－556.

［34］ 韩晋平，张人禾，苏京志.中国北方秋雨与热带中太平洋海表冷却的关系.大气科学，2013，37（5）：1059－1071.

［35］ Kanamitsu M，Ebisuzaki W，Woollen J，et al.NCEP－DOE AMIPII Reanalysis（R－2）.Bull Amer Meteor Soc，2002，83：1631－1643.

［36］ Smith T M，Reynolds R W，Peterson T C，et al.Improvements to NOAA’s historical merged land－ocean surface temperature analysis（1880－2006）.J Climate，2008，21：2283－2296.

［37］ Wang L，Huang R H，Gu L，et al.Interdecadal variations of the East Asian winter monsoon and their association with quasti－stationary planetary wave activity.J Climate，2009，22：4860－4872.

［38］ Wei K，Chen W，Zhou W.Changes in the East Asian cold season since 2000.Adv Atmos Sci，2011，28：69－79.

［39］ Zhu Yali，Wang Huijun，Zhou Wen，et al.Recent changes in the summer precipitation pattern in East China and the background circulation.Climate Dynamics，2011，36：1463－1473.doi：10.1007／s00382－010－0852－9.

Influences of the North Pacific Warming on Autumn Precipitation in Northwest China

Han Jinping
（Chinese Academy of Meteorological Sciences，Beijing100081）

Based on monthly precipitation data from 160meteorological stations established by National Climate Center in China，NOAA reconstructed extended monthly SST and monthly atmospheric circulation data from NCEP－DOE Reanalysis datasets，the influence of North Pacific sea surface temperature（SST）on autumn precipitation from 1979to 2012in Northwest China is studied by using statistical analysis method.An inter－decadal change of the autumn precipitation is found around the year of 2000by 11－year－runningttest.It is in the dry period during 1986－1999and wet period during 2000－2012for the region in Northwest China.Further analysis shows that the inter－decadal change of autumn precipitation in Northwest China is connected with the warming SST in the North Pacific after 2000.When the SST in the North Pacific is in warm phase，the troposphere temperature over East Asia－Northwest Pacific is dramatically increased.The contrast of troposphere temperature between the north and the south over the East Asia－Northwest Pacific is directly associated with the strength of westerly jet and the geopotential high anomalies over the region.The warming of troposphere temperature over East Asia－Northwest Pacific weakens the atmospheric thermal contrast between the mid－low latitudes and the polar area in the East Asian region.Influenced by the decreased thermal contrast along East Asia region，the westerly jet over the East Asia－Northwest Pacific is reduced significantly.And the westerly jet center at middle latitudes near the East Asian coast shifts northward.The warming in troposphere circulation and the north shifting of weakened westerly jet tend to make the geopotential high along East Asian coast increase significantly.In other words，the trough at 500hPa along the East Asian coast is weakened，which is characterized as an anomalous anticyclone at 500hPa.The anomalous wind flows at 850hPa in the south of the anticyclone are easterlies.As a result，the water vapor transported by anomalous easterlies from the Northwest Pacific into Northwest China along East Asian coast is increased.Both water vapor and convergence are enhanced，leading to increasing autumn precipitation in northwest China after 2000.Results suggest that autumn precipitation in Northwest China is in the wet phase after 2000and has a rising chance to bring flood disaster.As the autumn precipitation is much different from summer rainfall，the prediction of the autumn precipitation in the Northwest China is a new challenge to short term climate forecast.The warming background in the North Pacific could be a factor to consider at the decadal timescale.

autumn precipitation in Northwest China；SST in the North Pacific；inter－decadal change

韩晋平.北太平洋增暖对我国西北秋雨的影响.应用气象学报，2014，25（3）：257－264.

2013－09－13收到，2014－02－18收到再改稿。

国家自然科学基金项目（41005045），中国气象科学研究院基本科研业务费（2013Z002），科技部国际合作项目（2009DFA21430）。

＊email：hanjp＠cams.cma.gov.cn