夏季长白山天池站降水量年际变化特征及其对应的环流异常

凌思宁 陈卫 陆日宇 高枞亭

1 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室，北京 100029

2 中国科学院大学地球与行星科学学院，北京 100049

3 吉林省气象科学研究所，长春 130062

4 长白山气象与气候变化吉林省重点实验室，长春 130062

5 中高纬度环流系统与东亚季风研究开放实验室，长春 130062

1 引言

长白山自然保护区始建于1960年，是国家级自然保护区及国际A级自然保护区。长白山自然保护区独特的地质构造和地理位置使这里具有典型的植被垂直分布带谱，成为欧亚大陆具有代表性的自然综合体之一。许多研究表明，长白山自然保护区多类树木的径向生长对降水有显著的响应（陈列等, 2013; 王晓明等, 2013; 陈力等, 2014; 周子建等,2018; 韩艳刚等, 2019）。因此，认识长白山地区的降水变化规律及其影响因子，将为森林资源管理、水资源涵养及物候变化等研究提供可靠的科学依据，对长白山自然保护区的建设与发展具有重要意义。

长白山位于我国东北地区的东南部，而东北地区属于温带大陆性季风气候，夏季为主要雨季，降水占全年降水量的一半以上（崔玉琴, 1995; 王学忠等, 2006; Liang et al., 2011; Sun et al., 2017）。东北地区位于东亚夏季风系统的北边缘，西太平洋副热带高压（西太副高）西北侧的西南气流有利于向东北地区输送水汽，进而有利于东北地区降水偏多（贾小龙和王谦谦, 2006; 赵俊虎等, 2012; Chen et al., 2016; 孙照渤等, 2016; 陈海山和陈健康, 2017;Sun et al., 2017）。另一方面，位于东亚北部的东北亚低压，其东侧的偏北气流也通过加强水汽输送，进而增强东北地区夏季降水（Lin and Wang, 2016;Du et al., 2017; Zhao et al., 2018）。此外，东北冷涡的发生频次及强度变化也会对降水产生显著影响（Zhao and Sun, 2007; 胡开喜等, 2011; Xie and Bueh, 2015; 孙照渤等, 2016）。除上述对流层中、低层环流系统外，对流层高层的一些环流系统，如东亚高空西风急流及沿其传播的丝绸之路遥相关波列也会影响东北地区夏季降水（Krishnan and Sugi,2001; Lu et al., 2002; Ding and Wang, 2005; Yasui and Watanabe, 2010; Huang et al., 2011; 兰明才和张耀存, 2011; Shen et al., 2011; 孙照渤等, 2016; Fang et al., 2017; Sun et al., 2017）。东北夏季降水所对应的环流异常还具有季内演变特征（Shen et al.,2011; Chen and Lu, 2014; Zhao et al., 2018）。初夏（5～6月）东北地区降水异常主要受到东北冷涡活动或者气旋式异常的影响，而盛夏（7～8月）则主要受到西太副高的影响，其中8月东北降水还受到沿着亚洲西风急流向东传播的波列的影响。

东北夏季降水特征及对应的大尺度环流系统已得到较为全面的分析，部分研究还专门针对吉林省夏季降水变化特征进行了分析（张伟等, 2007; 曾丽红等, 2010; 董伟等, 2012, 2013）。和东北降水的气候特征类似，位于东北地区中部的吉林省降水也集中在夏季，降水量呈现由东南向东北、西北递减的空间分布型（张伟等, 2007; 董伟等, 2013; 王丽伟等，2019）。前人对吉林省夏季降水对应的环流异常进行了分析（于秀晶和王凤刚, 2005; 孙妍等, 2015），但对其季内演变的研究不多，且主要是针对一些典型年份（张丽, 2002; 张丽等, 2007; 程红军，2012）。

在本研究中，我们将基于吉林省降水的气候特征，侧重于夏季降水的逐月演变特征，对吉林省和天池站夏季各月降水变化对应的大气环流异常特征进行分析。重点考察天池夏季降水与吉林省降水之间的异同。为此，我们在分析过程中，将天池站夏季降水分为两部分：与吉林省一致的部分及天池特有的部分，进而进行异同点比较。本文具体章节安排如下：第2部分介绍本研究所采用的数据和方法；第3部分介绍夏季天池降水的气候特征，并将天池降水时间序列分解为与吉林省降水一致的分量及天池降水特有的分量；第4部分将分别讨论这两个分量对应的大气环流特征；在第5部分我们对本文进行总结和讨论。

2 资料和方法

2.1 数据资料

本研究使用夏季（6～8月）吉林省47个台站逐月降水资料，时间为1979～2016年共38年。天池气象观测站位于长白山天文峰，海拔高度为2623米。作为国家一类艰苦台站，天池站自1958年建站以来提供了宝贵的长期连续气象观测资料，为长白山地区降水研究提供了重要的借鉴基础。图1给出了这47个台站的位置分布及东北地区地形分布。地形资料来自于美国国家海洋和大气管理局的ETOPO1数据（Amante and Eakins, 2009）。吉林省除东南部外大部分地区地势较低，形成海拔高度由东南向西北递减的空间分布。天池站的位置在图1中用红色三角形表示，距离其最近的四个站分别为二道、和龙、东岗和长白站。二道站位于天池站的北侧，海拔高度为721米；长白站位于天池站的南侧，海拔高度为775米；东岗站位于天池站的西侧，海拔高度为774米；和龙站位于天池站的东北侧，海拔高度为476米。与天池站的2623米相比，这四个站的海拔高度相对较低。这四个站点中，和天池站距离最近的是位于其北侧的二道站，和天池站的水平距离只有27千米左右，但二者的海拔高度落差为1900米左右，说明这两个站点之间存在明显的坡度。

图1 吉林省地形（单位：m）及47个站点分布图。红色三角形代表天池站Fig. 1 Topography (units: m) and spatial distribution of 47 stations in Jilin Province. The red triangle denotes the Tianchi station

逐月大气环流资料来自欧洲中期数值预报中心的ERA-Interim再分析数据（Berrisford et al., 2009），所使用的变量包括位势高度、纬向风、经向风和垂直速度。水平空间分辨率为0.75°×0.75°，时间为1979～2016年。

2.2 方法

为了更好地理解天池站降水变化特征，在本研究中我们将对天池站和吉林省降水变化特征进行比较，以便认识天池站降水变化中和吉林省共性的部分以及天池站独有的部分。我们用除天池以外其它46个站的平均来代表吉林省降水，并根据线性回归的方法将天池夏季降水分为两部分：与吉林省一致的部分及天池特有的部分。首先，将天池降水回归到吉林省降水，得到的回归场作为天池降水与吉林省一致的分量。进一步将天池降水原始场减去回归场，得到的剩余部分即为天池站特有的降水分量。将这两个分量标准化后，分别简记为TC_JL、TC_R。虽然吉林省降水和天池降水之间的关系可能不是严格的线性关系，但为了比较两者之间的异同点，且考虑到本研究中其它分析方法也基本为线性的方法，所以我们采用了这种简单、直观的处理方法。和吉林省一致的分量与吉林省46个站的平均降水时间序列之间的相关系数为1.0，而天池站独有的分量则与上述两个时间序列相关系数为0。利用回归分析来诊断这两个分量对应的环流异常，从而得到和吉林省降水变化相关的环流以及天池独有降水的环流特征。尽管不可能严格地从物理上将天池夏季降水分为与吉林省一致的部分及其特有的部分，但通过上述简单的数学分离方法，我们可以较好地认识天池夏季降水及其对应环流的独特性。

3 夏季天池降水的气候特征及其与吉林省降水的比较

图2给出了吉林省47个站6～8月的多年平均降水量（图2a-c）及标准差（图2d-f），站点根据经度按自西向东的标准排序，其中黑色虚线代表除天池外吉林省其它46站的平均值，红色柱代表天池，在图中位于第37个站。从图2可以看出天池的平均降水量和标准差明显高于吉林省其余46个站，基本高出吉林省平均一倍左右。并且与天池距离最近的东岗、长白、二道及和龙这4个站（在图2中的位置为别为第36、38、40及42站）也和一般站点的情况差不多，其平均降水量和标准差也明显弱于天池站。以降水量最多的7月为例，天池的平均降水量为372.2 mm，而吉林省为156.7 mm；天池的降水标准差为142.2 mm，而吉林省为70.2 mm。东岗、长白、二道及和龙这四个站的平均降水量分别为193.2、157.7、164.9、133.4 mm，标准差分别为68.2、56.2、59.7、63.6 mm，均远小于天池站。

图2 1979～2016年吉林省47个站降水量的（a-c）平均值及（d-f）年际标准差：（a，d）6月；（b，e）7月；（c，f）8月。黑色虚线为除天池站外吉林省46站平均值，红色柱代表天池站Fig. 2 (a-c) Average and (d-f) interannual standard deviations of precipitation of 47 stations in Jilin Province for the period 1979-2016: (a, d) June;(b, e) July; (c, f) August. The black dotted line denotes the average value of 46 stations in Jilin Province, except for Tianchi station. The red bar denotes the Tianchi station

将站点自西向东排序后，图2a-c显示出平均降水量由东南向东北、西北递减的空间特征，这与前人研究结果一致（张伟等, 2007; 董伟等, 2013; 王丽伟等，2019）。吉林省西部和东部站点降水量的标准差也弱于中部站点（图2d-f），但差异没有降水量明显。天池站以东的若干站点降水量明显偏少，且在7、8月更加明显。这可能是由于这些站点位于长白山山脉的北部和东北部，山脉起到了阻止夏季风水汽向北输送的作用。

上述分析结果表明天池夏季降水有着不同于吉林省其它站点的特征，其强度以及年际变率明显大得多，说明天池降水很可能具有和吉林省降水显著不同的变化特征。如2.2节中所示，我们根据线性回归的方法将天池降水时间序列进行分解，用TC_JL来代表与吉林省一致的降水分量，TC_R代表天池特有的降水分量。指数TC_JL、TC_R均有显著的年际变化特征，但没有明显的年代际或者长期变化趋势（图3）。天池降水与TC_JL的相关系数在6、7、8月分别为0.60、0.71、0.60，而与TC_R则分别为0.80、0.71、0.80。这意味着天池夏季降水的变率中，相对于TC_JL而言，TC_R解释了更多的降水方差。总体来说，天池降水与吉林省降水有密不可分的关系，但是自身独特的变化更为显著。

图3 与吉林省有关的降水量（红色）及天池特有的降水量（蓝色）标准化时间序列：（a）6月；（b）7月；（c）8月Fig. 3 Standardized time series of precipitation at the Tianchi station consistent (red) and inconsistent (blue) with that in the entire Jilin Province: (a) June; (b) July; (c) August

我们利用6、7、8月各月的指数TC_JL和TC_R分别回归吉林省降水，得到的结果较为一致，这里只给出8月的结果（图4）。吉林省降水（或指数TC_JL）对应着出现在整个吉林省的降水正异常（图4a），且正异常值大于20 mm的站点占94%。天池特有的降水分量（即指数TC_R）对应的降水正异常仅出现在吉林省东南部（图4b），最大值出现在天池，为95.5 mm。除天池外其它站的降水异常量级较小，降水异常值小于等于20 mm的站点占79%。这一结果表明我们的分解基本上是合理的。在下一节中我们将通过讨论指数TC_JL和TC_R对应的大气环流异常，来比较与吉林省降水相关和与天池特有降水相关的环流特征。

图4 1979～2016年8月（a）TC_JL、（b）TC_R回归得到的吉林省降水异常（单位：mm）。蓝色（红色）代表降水量正（负）异常。实心圆代表天池站Fig. 4 Regression of precipitation anomalies in Jilin Province onto the (a) TC_JL index and (b) TC_R index in August from 1979 to 2016 (units:mm). Blue (red) denotes the positive (negative) anomaly. The solid circle denotes the Tianchi station

4 吉林省和天池降水对应的大气环流异常

4.1 与吉林省一致的降水分量对应的环流特征

图5为6、7、8各月吉林省降水或指数TC_JL回归的500 hPa位势高度异常场。6月，吉林省降水正异常对应欧亚大陆高纬地区位势高度显著正异常以及东北亚位势高度显著负异常（图5a）。此外，在北太平洋的西部也存在达到统计信度的位势高度负异常。这些地区的位势高度正、负异常与东北冷涡活动强的夏季对应的位势高度异常（胡开喜等, 2011）相似，说明6月吉林省降水异常可能与东北冷涡活动有关。7、8月，吉林省降水对应的位势高度异常（图5b、c）和6月存在明显的差异。这两个月在西北太平洋均出现显著的位势高度正异常，说明增强的西太副高有助于7、8月吉林省降水增加。与7月相比，8月西太副高强度更强且略向东北方向偏移。另外，尽管这两个月东北亚地区存在位势高度负异常，但强度明显减弱，而且没有达到统计信度（7月）或者仅仅呈现出极小达到信度的区域（8月）。

指数TC_JL回归的700 hPa水平风异常场（图6）与500 hPa位势高度异常场有很好的对应关系。6月，吉林省降水正异常对应东北上空的气旋式环流异常，该气旋式异常中心位于吉林省西部和黑龙江、内蒙古接壤的地区（图6a），说明东北冷涡活动的异常在700 hPa也有很好的体现。我们进一步分析了500 hPa垂直速度异常，结果显示整个吉林省地区呈现上升运动（图略），有利于吉林省降水的发生。7月，对应500 hPa正的位势高度异常，在西北太平洋地区为显著的反气旋异常（图6b），说明西太副高显著增强。吉林省位于该反气旋异常的北缘，其西北侧的西南风异常将更多的水汽向北输送到吉林省，使吉林省7月降水增多。此外，在东北亚地区还有一个气旋式异常，但相对较弱且未能达到统计信度，这也与该地区500 hPa位势高度异常的结果吻合。8月，吉林省降水正异常也对应着增强的西太副高，即位于西北太平洋的反气旋异常（图6c）。和7月相比，该反气旋异常的中心略向东北方向偏移，但吉林省依然处于反气旋异常的北缘。此外，东北亚地区的气旋式异常明显强于7月，且达到统计信度，说明8月吉林省降水除了受副高的影响之外，还受到东北亚气旋式异常的显著影响，两者共同加强了水汽东北向的输送，有助于吉林省降水异常偏多。

图7给出了6、7、8各月指数TC_JL回归的200 hPa纬向风异常分布。6月与吉林省降水有关的指数TC_JL对应着东北亚以及更北的北极地区的三极子分布（图7a），与对流层中层的位势高度异常（图5a）以及对流层下层的风场异常（图6a）吻合。特别地，在东亚中纬度地区为显著的西风异常，其位置和东亚高空急流一致，说明6月东亚高空西风急流强度偏强时吉林省降水偏多。7、8月，东亚地区环流异常主要表现为偶极型分布，即北部的西风异常和南部的东风异常（图7b、c）。这表明东亚高空西风急流偏北时吉林省降水显著增多，这一点和6月的情景不同。

图5 TC_JL回归得到的500 hPa位势高度异常（单位：m）：（a）6月；（b）7月；（c）8月。黑色实线代表达到90%信度水平Fig. 5 Regression of the 500 hPa geopotential height anomalies onto the TC_JL index (units: m): (a) June; (b) July; (c) August. Black solid lines denote the anomalies above the 90% confidence level

图6 TC_JL回归得到的700 hPa水平风异常（单位：m s-1）：（a）6月；（b）7月；（c）8月。阴影区域代表纬向风或经向风异常达到90%信度水平，图仅显示大于0.2 m s-1的风Fig. 6 Regression of the 700 hPa horizontal wind anomalies onto the TC_JL index (units: m s-1): (a) June; (b) July; (c) August. The shaded areas denote either zonal or meridional wind anomalies above the 90%confidence level. Only vectors greater than 0.2 m s-1 are presented

图8为指数TC_JL回归的200 hPa经向风异常分布。首先，8月吉林省降水对应的200 hPa经向风异常表现出独特的特征，即沿着欧亚大陆中纬度呈现出显著的波列，大致在40°N附近，即亚洲高空急流轴的位置（图8c）。这一沿急流的波列类似于丝绸之路遥相关波列，但存在1/4的位相偏移。一般意义上夏季平均的丝绸之路遥相关波列分别在里海、80°E、华北、日本存在异常中心，8月的情况也是如此（Li et al., 2017; Hong et al., 2018），而8月吉林省降水对应的沿急流波列在这些地方均近乎于零。说明8月吉林省降水对应的沿急流波列与以往文献报道的丝绸之路遥相关波列具有明显区别。与8月不同，6、7月则基本看不到类似的波列（图8a、b）。此外，如果将图8中经向风异常与图7中的纬向风异常结合起来，可以看到6月东北亚地区上空为气旋式异常，而在7、8月东亚地区上空则为反气旋异常。对流层高层的这些异常，即6月的气旋异常以及7、8月的反气旋异常均与对流层中、下层环流异常有着很好的对应（图5、图6），而且呈现出随高度增加略向北偏移的特征。

图7 指数TC_JL回归得到的200 hPa纬向风异常（单位：m s-1）：（a）6月；（b）7月；（c）8月。黑色实线代表达到90%信度水平Fig. 7 Regression of the 200 hPa zonal wind anomalies onto the TC_JL index (units: m s-1): (a) June; (b) July; (c) August. Black solid lines denote the anomalies above the 90% confidence level

图8 指数TC_JL回归得到的200 hPa经向风异常（单位：m s-1）：（a）6月；（b）7月；（c）8月。黑色实线代表达到90%信度水平；网格区域为指数1的定义范围；粗实线为气候平均的西风急流轴Fig. 8 Regression of the 200 hPa meridional wind anomalies onto the TC_JL index (units: m s-1): (a) June; (b) July; (c) August. Black solid lines denote the anomalies above the 90% confidence level. The grid areas represent the defining areas for Index 1. The thick solid line denotes the axis of the climatological mean westerly jet

上述的分析结果可以归纳为：吉林省夏季降水在各月均对应着显著的大尺度环流异常，但不同的月份环流异常型存在显著差异。吉林省降水在6月偏多时主要对应东北亚气旋式异常和东亚高空西风急流的增强，而在7、8月降水偏多则主要受到西太副高增强和东亚高空急流偏北的影响。此外，8月吉林省降水对应的环流异常还表现出独特的性质，即呈现出类似于东北亚低压偏强时对流层下层显著的气旋式异常以及类似于丝绸之路遥相关的沿着亚洲高空急流的波列。本文的这些结果说明影响吉林省夏季降水的环流异常存在明显的月季差异，有必要分为不同的月份分别进行研究，这一点在研究更小区域（如天池附近）的降水异常对应的环流时应更加突出。

4.2 天池特有的降水分量对应的环流特征

图9为指数TC_R回归的700 hPa水平风异常场。6月天池特有的降水分量对应的环流在天池周边表现为西风异常，但其强度非常弱，基本上都小于0.5 m s-1（图9a）。尽管在其它地方，如西北太平洋上空，出现了一些达到统计信度的异常，但这些异常无法在物理上解释对天池降水可能产生的影响，在此不做讨论。此外，我们也分析了500 hPa位势高度场、200 hPa风场，发现6月天池特有的降水分量对应的对流层中高层大尺度环流在天池周边也十分微弱（图略）。7月天池特有的降水对应着西北太平洋反气旋异常以及来自蒙古高原的西风或西北风异常（图9b）。这些异常在天池东南面表现为西南风异常，有利于水汽向北输送。而在其西北面为西北风异常，对应较活跃的冷空气活动，这两者都有助于天池周边降水偏多。事实上，我们的分析表明西北风和西南风异常的交汇处存在明显的上升异常（图略），说明对流层低层上述西南风异常和西北风异常形成了辐合上升，进而有利于降水。此外，与7月吉林省降水对应的对流层中低层西太副高异常相比（图6b），天池特有的降水对应的西北太平洋反气旋异常的范围更大、位置更北。8月天池特有的降水对应着西北太平洋气旋异常（图9c）。该异常在天池以西表现为显著的东北风异常，但在天池周边东北风异常的强度迅速减弱。我们的进一步分析表明天池周边存在上升运动（图略），说明天池以西的东北风异常在天池周边形成的气旋式切变环流可能激发出上升运动，并有助于天池降水偏多。这一结果显著区别于吉林省降水在8月对应着的西北太平洋反气旋异常，该反气旋异常在天池周边表现为西南风异常（图6c）。

7、8月天池特有的降水分量对应明显的大尺度环流异常，但6月环流异常十分微弱，这说明7、8月能够影响天池特有降水分量的天气形势比较集中，并且相互之间吻合程度比较高，但6月则有可能是许多类型的天气形势都可以导致天池独有降水，且这些类型相互之间差异比较大，需要将来结合降水过程和天气形势进行分析，在此不做进一步分析。

图10为指数TC_R回归的200 hPa水平风异常场。7月，天池特有的降水对应着两个反气旋异常，分别位于西北太平洋和我国中西部（图10a），大致与对流层下层环流异常相对应（图9b）。位于西北太平洋上空的反气旋环流异常与吉林省降水对应的中心位于朝鲜半岛上空的反气旋异常（图略）相比，位置明显偏西偏南。8月，天池特有的降水对应着东亚地区上空的气旋异常及其西侧显著的东北风异常（图10b），这与对流层下层的环流异常基本一致（图9c）。

图10 指数TC_R回归得到的200 hPa水平风异常（单位：m s-1）：（a）7月；（b）8月。阴影区域代表纬向风或经向风异常达到90%信度水平；图仅显示大于0.2 m s-1的风Fig. 10 Regression of the 200 hPa horizontal wind anomalies onto the TC_R index (units: m s-1): (a) July; (b) August. The shaded areas represent either zonal or meridional wind anomalies above the 90%confidence level. Only vectors greater than 0.2 m s-1 are presented

在图10中显现的反气旋、气旋异常伴随的经向风异常中心大致都位于40°N附近，说明这些异常可能和沿着亚洲急流东传的波列有关。为了验证这一点，图11给出了指数TC_R回归的200 hPa经向风异常分布。7月天池独特的降水确实对应着沿亚洲急流的波列，但强度较弱，且没有达到统计信度（图11a）。而8月天池特有降水对应着沿着亚洲高空急流轴传播的波列，这一波列在东亚地区西部为北风异常、东部为南风异常，即在东亚上空为气旋式异常（图10b）。该波列的位相与以往文献中给出的丝绸之路遥相关基本一致，如在里海上空为异常中心（Yasui and Watanabe, 2010; Li et al.,2017; Hong et al., 2018）。此外，如果比较8月天池特有降水和吉林省降水对应的200 hPa经向风异常场（图11b和图8c），可以发现两个波列近乎反位相，特别是在东亚地区。为了进一步探究8月近乎反位相的波列为何都能够导致天池降水增加，我们首先在图8c和图11b中分别选取东、西两个经向风异常中心区域，具体为：图8c中（40°～

图11 指数TC_R回归得到的200 hPa经向风异常（单位：m s-1）：（a）7月；（b）8月。黑色实线代表达到90%信度水平；网格区域为指数2的定义范围；粗实线为气候平均的西风急流轴Fig. 11 Regression of the 200 hPa meridional wind anomalies onto the TC_R index (units: m s-1): (a) July; (b) August. Black solid lines denote the anomalies above the 90% confidence level. The grid areas represent the defining areas for Index 2. The thick solid line denotes the axis of the climatological mean westerly jet

46°N，116°～122°E）、（38°～44°N，146°～152°E）；图11b中（44°～48°N，114°～122°E）、（42°～46°N，150°～154°E）。然后将这两个区域平均200 hPa经向风异常之差的标准化序列分别定义为指数1和指数2。指数1代表与吉林省降水有关的经向风分量，指数2代表与天池特有降水有关的经向风分量。这里，我们在定义指数时，采用南风异常中心区域减去北风异常中心区域，因此这两个指数为正时均对应降水偏多。

图12为指数1和指数2回归的8月吉林省降水异常场。与吉林省降水有关的经向风指数（指数1）对应着吉林省大部分站点的降水正异常，包括天池站，且大值区集中在吉林省中部（图12a）。与天池特有降水有关的经向风指数（指数2）对应着天池等吉林省东部若干站点的降水正异常（图12b）。其中，天池的降水正异常较强，而其周边的二道、和龙、龙井、延吉站均较小。图12 的结果表明东亚对流层上层近乎相反的经向风异常对应基本相反的吉林省站点降水分布，但均对应天池站以及邻近其北部、西北部、东北部站点降水偏多。

为解释产生上述降水异常水平分布的可能原因，我们给出指数1和指数2回归的8月700 hPa水平风异常场（图13）。与吉林省降水有关的经向风分量对应着东亚地区的反气旋异常（图13a）。与吉林省降水对应的对流层低层风场（图6c）相比，尽管反气旋异常位置略偏北，但在吉林省均表现为西南风异常，有利于降水偏多。与天池特有降水有关的经向风指数（指数2）对应着东亚地区的气旋异常（图13b）。与天池特有的降水分量对应的对流层低层风场（图9c）相比，虽然均对应东北风异常，但此时东北风异常在天池周边没有表现出强的切变，因而不能通过气旋式切变环流解释降水偏多。事实上，我们分析了指数2对应的500 hPa垂直速度异常，发现图13b中北风和东北风异常很好地对应异常下沉（图14a），说明确实不能解释降水偏多。

图13 1979～2016年8月（a）指数1、（b）指数2回归得到的700 hPa水平风异常（单位：m s-1）。阴影区域代表达到90%信度水平；图仅显示大于0.2 m s-1的风Fig. 13 Regression of the 700 hPa horizontal wind anomalies onto (a)Index 1 and (b) Index 2 in August from 1979 to 2016 (units: m s-1). The shaded areas represent either zonal or meridional wind anomalies above the 90% confidence level. Only vectors greater than 0.2 m s-1 are presented

考虑到长白山的地形，我们推测对流层低层东北风异常在长白山的北坡通过爬坡作用形成降水。为此，我们分析了指数2对应的850 hPa垂直速度异常，发现天池以北大约100千米左右的区域出现显著的异常上升（图14b），说明爬坡抬升作用可以解释降水偏多。结合图1中长白山的地形和图12b中降水正异常的站点位置，可以发现降水偏多的站点集中在长白山北坡，也说明地形使得东北风异常形成了爬坡抬升作用。本文的结果表明，天池站特有的降水分量主要是大尺度地形对大尺度环流的改变引起的。而前人的研究也指出，天池站地形的动力作用对局地对流性降水的激发并不显著（张伶俐等，2016）。

图12 1979～2016年8月（a）指数1、（b）指数2回归得到的吉林省降水异常（单位：mm）。蓝色（红色）代表降水量正（负）异常；实心圆代表天池站Fig. 12 Regression of precipitation anomalies in Jilin Province onto (a) Index 1 and (b) Index 2 in August from 1979 to 2016 (units: mm). Blue (red)denotes the positive (negative) anomaly. The solid circle denotes the Tianchi station

5 结论与讨论

本文分析了长白山天池观测站6～8月各月降水的气候变异特征以及与其相关的环流异常，并对天池降水和吉林省降水之间的异同进行了比较。天池夏季的降水量及年际变率明显大于吉林省其它所有站点，高出吉林省平均一倍左右。我们利用线性回归方法将天池夏季降水分为两部分：与吉林省一致的部分及天池特有的部分。其中，天池独特的降水变化部分解释了超过一半的年际方差。进一步，我们分析了这两个分量对应的环流异常。前一个分量对应的环流异常实际上就是吉林省降水对应的环流异常，因此，我们可以通过比较这两个分量给出天池降水和吉林省降水变异的异同点。

首先，吉林省夏季降水与以往研究结果中揭示的东北地区降水对应的环流特征基本一致。6月主要受到东北亚气旋式异常和东亚高空西风急流增强的影响，而7、8月则主要与西太副高增强和东亚高空西风急流偏北有关。此外，8月还呈现出类似于东北亚低压偏强的对流层下层气旋式异常以及类似于丝绸之路遥相关的波列。

另一方面，6月天池特有的降水对应的高低层环流异常均非常弱。7月，天池降水偏多主要受到西南风异常与西北风异常局地辐合的影响；8月则受到气旋式切变引发的辐合的影响。这些环流异常与吉林省降水对应的环流异常显著不同。此外，8月天池特有的降水还对应着类似于丝绸之路遥相关的波列，但该波列和吉林省降水对应的波列在东亚近乎为相反的位相。

为何近乎反位相的波列却均可以引起8月天池降水的增加？我们的研究结果表明，与吉林省一致的降水分量是通过西南风异常增强水汽输送以及上升运动使降水增加。而天池特有的降水分量对应的东北风异常受到长白山地形的影响，在天池及位于长白山北坡的站点通过迎风坡降水引起降水正异常。

近乎相反的环流异常均可以引起天池降水增加，这一结果表明天池降水和环流之间具有多样、复杂的关系。可以推测，其它山地地区的降水异常可能也有类似的情况。目前，山地地区由于条件限制，观测资料远比平原地区稀少。本文的结果说明有必要对长白山等山地地区进行加密观测，以便更准确地掌握气候异常规律并进而更好地服务于山地生态环境保护。特别地，由于长白山地区处于东亚夏季风区的北端，其夏季降水变化对季风、中纬度扰动、地形等均十分敏感，作为这些因素相互作用的焦点，未来无疑值得进一步研究。此外，8月天池和吉林省降水对应的对流层高层波列尽管都类似于以往文献中的丝绸之路遥相关波列，但位相具有明显差别。是丝绸之路遥相关波列具有多样的特征，还是丝绸之路遥相关波列和东亚夏季风相互作用的结果？这些问题有待于进一步探究。