中纬度瞬变涡旋活动对东亚夏季平均环流和降水的影响

林昊雄 房佳蓓 胡海波 杨修群

(南京大学 大气科学学院，南京 210023)

引 言

东亚夏季风是形成夏季东亚天气与气候的主要环流和降水系统，其环流的形成和变异，往往会造成东亚地区夏季旱涝灾害，造成巨大经济损失和重大人员伤亡[1-3]。诸多研究[4-8]发现，东亚夏季风作为亚洲夏季风的重要有机部分，并不是南亚季风简单的向东延伸，而是一个独立的季风系统。与南亚季风系统不同，东亚夏季风虽然同样以热带推动为主，但它具有更大的经向度，可以北推到较高的纬度，其前沿与北方冷空气之间形成了锋区，雨带的南北移动与锋区的移动密切相关[1]。因此东亚夏季风环流及其降水系统既受到热带季风环流和副热带季风环流的影响，也受到中高纬度环流及其联系的冷空气活动的影响[9-13]，这导致东亚夏季风环流同时具有热带环流的特征和中纬度环流的特征[8]，在35°N以南主要体现为热带环流特征，风场和高度场在垂直方向上呈现上下反向的斜压结构，而在35°N以北则体现为中纬度环流特征，在垂直方向上具有上下一致的相当正压结构(图1)。从动力成因上讲，热带环流主要由热力强迫驱动，而以西风急流为代表的中纬度环流则是由瞬变涡旋驱动和维持的。

图1 1981—2010年夏季平均的位势高度和温度纬向偏差(a)以及平均经圈环流的纬度—高度分布(b)(沿105°～130°E平均，a中等值线为位势高度偏差(单位:gpm)，填色为温度偏差(单位:K)，偏差场为原始场减去全球纬向平均；b中流线为水平经向速度v与z坐标系下垂直速度w合成(单位：m·s-1)，填色为p坐标系下垂直速度omega(单位:Pa·s-1))Fig.1 The mean geopotential height and temperature zonal deviation in summer during 1981-2010 (a) and the latitude-height distribution ofthe mean meridional circulation (b， averaged along 105°-130°E); the contours in a denote the geopotential height deviation (unit: gpm) and the shaded denotes the temperature deviation (unit: K); the deviation field is the original field minus the global zonal average;the streamline in b is a composite of horizontal meridional velocity v and vertical velocity w in z coordinate system (unit: m·s-1)， and the shaded denotes vertical velocity in p coordinate system omega (unit:Pa·s-1))

瞬变涡旋，常定义为对时间平均场的偏差，即流场中随时间变化的部分[14-15]。在热带外，尤其是中纬度地区，瞬变涡旋的能量主要集中在时间尺度为2～10 d的天气尺度涡旋，在天气图上常表现为温带气旋、锋面等天气系统，其动力学性质主要是由斜压不稳定而产生的斜压波。瞬变涡旋对平均流有着非常重要的影响，它可以通过对气象变量(如热量、水汽、动量、涡度)的输送并使其重新分布，从而改变背景场，使平均流发生显著变化。因此瞬变涡旋不但是中纬度地区最普遍的天气现象，更是驱动和维持中纬度大气环流和气候态的主要动力过程[16-21]。

关于中高纬度环流及瞬变涡旋活动对东亚夏季天气气候的影响，诸多学者从不同角度进行了研究。如ZHANG， et al[22]、陈海山等[23]以及姚素香等[24]从拉格朗日观点出发利用气旋追踪的方法分析了春夏温带气旋活动的特征及其与降水和东亚夏季风强度的关系。谭本馗等[25]研究表明，北半球斜压波的频繁活动是1998年夏季长江流域洪涝灾害形成的重要原因。董丽娜等[26]也指出，江淮地区夏季多雨年瞬变波对平均气流的强迫作用使纬向风和经向风的异常分布有利于鄂霍茨克海阻塞形势的维持， 冷空气向南输送增强， 江淮地区降水偏多，而少雨年瞬变波对平均气流的强迫作用使鄂霍茨克海高压脊减弱， 冷空气向南输送减弱，江淮地区降水偏少。QIAN，et al[27]指出，中国东北地区的夏季区域持续性低温事件可能是由天气尺度对流层上层负高度异常和对流层中低层负温度异常的到来引起的，300 hPa高度异常负中心和850 hPa温度异常负中心可以作为指示中国东北地区持续性低温事件的早期信号。Park，et al[28]指出，中国东部季风性偏南风的天气时间尺度增强与温带涡旋活动密切相关。伴随着自热带外中亚地区向东南方向传播的波列，热带外涡旋可以导致西太平洋副热带高压西伸增强，进而使得中国东部偏南风增强。张凯静等[29]指出，东亚夏季风期间的降水分布主要由平均气流水汽输送及其散度决定，瞬变涡动水汽输送散度位相与平均气流水汽输送相反，即瞬变涡动水汽输送对平均气流水汽输送造成的水汽辐合/辐散起抑制作用，二者在多数地区相互抑制，在某些局部又存在合作，其相互竞争形成了东亚的气候降水格局。XIANG, et al[30]指出，瞬变涡旋涡动强迫异常对夏季东亚副热带急流(East Asian Subtropical Jet， EASJ)的影响起主导作用，它能够产生正压纬向风趋势，进一步加强了EASJ的年际一致经向位移，并在瞬变涡旋和平均流的相互作用中起到正反馈的效果。

以上研究均表明东亚夏季风环流和降水受到中高纬环流及其联系的瞬变涡旋活动的影响，但以往研究多针对特定的环流系统与降水的关系，或者针对天气学个例的影响展开，在气候学上东亚夏季瞬变涡旋活动产生的热力和动力强迫对夏季风平均环流的作用仍缺乏系统的认识。本文将利用CFSR再分析数据分析东亚瞬变涡旋活动与夏季平均环流和降水的关系，并通过WRF模式进行10 a夏季的数值试验，通过关闭模拟区域北边界瞬变涡旋活动输送的敏感性试验来分析中高纬瞬变涡旋活动对东亚夏季平均环流和降水的影响。

1 资料与方法

1.1 数据来源

本文采用的大气资料来自美国国家环境预报中心(NCEP)发布的气候预测再分析数据(Climate Forecast System Reanalysis， CFSR)数据；使用变量包括逐日水平及垂直风场(u，v，w)、温度场(T)、湿度场(q)，空间分辨率为0.5°×0.5°，垂直27层。降水资料采用的是美国国家气候预测中心(Climate Prediction Center，CPC)的逐日格点陆地降水资料，空间分辨率为0.5°×0.5°。以上资料时间范围均为1981—2010年的6—8月。

1.2 方法

1.2.1 数值模式及试验方案设置

本文采用的模式为美国国家大气研究中心(NCAR)开发的WRF(Weather Research and Forecasting Model)区域气候模式。水平方向采用Arakawa C网格点，垂直方向则采用地形跟随质量坐标。WRF 模式在时间积分方面采用三阶或者四阶的Runge-Kutta 算法。

为分析中高纬瞬变涡旋活动对东亚夏季平均环流和降水的影响，选取模拟区域为(3.7°～48°N，78.5°～141.5°E)，将48°N设为模拟区域的北边界，分析区域为东亚季风区 (5°～45°N，105°～130°E)。本文设计了两组试验进行对照：控制性试验与敏感性试验。控制试验边界条件使用真实的逐日CFSR观测场，而在敏感性试验中，北边界上的每个变量用月平均值代替逐日值，在保留了月变化的同时去除了30 d以下扰动，即是去除了北边界的瞬变涡旋输送，所以，敏感性试验也称为关闭北边界试验。

控制试验和敏感性试验的积分时段均为1991—2000年的4月1日—10月31日，模式每6 h输出一次，空间分辨率为25 km，垂直分层27层。对模拟结果进行10 a夏季(6月1日—8月31日)平均，表征气候平均态，用敏感性试验结果减去控制试验的结果来反映北边界中高纬瞬变涡旋输送对环流和降水的影响。

1.2.2 相关瞬变量诊断公式

相关瞬变量诊断公式包括大气斜压性指数、水汽输送通量、瞬变涡旋扰动动能、瞬变涡旋经向动量输送、瞬变涡旋经向热量输送、瞬变涡旋经向水汽输送、瞬变涡旋涡度输送、三维E矢量。具体公式表达如下：

大气斜压性指数(Eady Growth Rate)，单位： d-1:

(1)

(2)

(3)

其中：f为科氏参数；N为Brunt-Vaisala频率；θ为位温。

水汽输送通量：

(4)

其中：g为重力加速度；q为比湿，V为风矢量；Pt为大气层顶气压，取300 hPa；Ps为地面气压，单位：kg·m-1·s-1。水汽通量散度：Div=∇·F，单位：kg·m-2·s-1。

瞬变涡旋扰动动能，单位：m2·s-2：

(5)

其中：u，v分别为纬向和经向风速；文中所有带“-”变量代表对变量进行夏季(6—8月)平均，所有带“′”变量代表对变量进行2～8 d滤波，下同。

三维E矢量：

(6)

1.2.3 气旋频数定义

基于海平面气压与低层涡度相结合的客观气旋识别方法[32-34]，对于空间任一格点，当满足以下条件时：(1)该点SLP值小于周围8个格点，即存在闭合低压中心；(2)中心SLP值小于气候态减去天气尺度分量的1个标准差；(3)5°×5°范围内平均700 hPa相对涡度大于10-5s-1，即定义该点发生气旋。文中气候平均的气旋频数为多年平均的夏季发生气旋的天数(d·a-1)。

2 东亚夏季平均环流和瞬变涡旋活动特征

如引言所说，东亚夏季风环流因经向度较大，既有热带季风和副热带季风环流特征，又有中高纬环流特征。图1给出了105°～130°E平均的位势高度纬向偏差、温度纬向偏差(纬向偏差场为原始场减去全球纬向平均，代表定常波)以及平均经向环流的纬度—高度分布。可以看出，在35°N以南，位势高度场表现为低层低压偏差、高层高压偏差的斜压结构，在35°～50°N为对流层整层为低压偏差环流，50°N以北为整层高压偏差环流。在35°N以北，对流层相当正压结构的环流特征较为明显(图1a)。相应地，在35°N以南，对流层整层为强大的上升运动，低层为北风，高层为南风，具有斜压结构(图1b)，这既是与东亚季风相联系的经向环流圈，被称为东亚夏季风经圈环流(反Hadley圈)，实际上是一种与季风相关联的热力间接垂直环流[1]。在35°～50°N中低层为微弱的下沉运动，对流层整层为北风，呈现上下一致的相当正压结构，具有中纬度环流的基本特征。

根据线性斜压不稳定理论[35-37]，瞬变活动的强度与其背景场的斜压性密切相关，背景场的斜压不稳定越强的地区，瞬变涡旋活动越活跃。图2a给出了1981—2010年 30 a夏季平均的低层大气斜压性分布。可以看出东亚地区斜压性大值区主要分布于40°N以北的大陆区域，其中纬度范围在40°～60°N的巴尔喀什湖—蒙古—中国东北地区，为斜压性最强的带状区，从欧拉观点上对应了瞬变涡旋活动生成和活跃的区域。另一方面，从拉格朗日观点，我们也可以通过追踪温带气旋发生的频数来分析瞬变涡旋的活跃区。图2b所示为利用海平面气压和700 hPa相对涡度相结合的方法所识别出的气旋频数分布。可以看到，夏季平均温带气旋发生频数最高的地区也是位于蒙古至我国东北一带的中纬度地区，与斜压性大值区一致，也与之前研究得到的结论吻合[23-24，38]，说明东亚中纬度地区是夏季瞬变涡旋活动最主要的源地。

图2 1981—2010年夏季平均850～700 hPa大气斜压性(a，单位： d-1)及气旋频数(b)分布Fig.2 The distribution of 850-700 hPa mean baroclinicity (Eady Growth Rate) (a,unit: d-1) and cyclonefrequency(b) in the summer from 1981 to 2010

进一步分析了夏季瞬变涡旋气候平均的经向动量、热量和水汽输送特征，如图3所示。从总体上来讲，瞬变涡旋的动量、热量和水汽输送大值区主要位于30°N以北的中高纬区域，与瞬变涡旋的活跃区相对应。瞬变涡旋经向动量输送在对流层高层更为显著，其大值区主要位于(30°～45°N，105°～145°E)之间的急流出口区(图3a)，因而在40°～50°N之间形成较强的动量通量辐合，使这里的西风增强。而40°～50°N之间正是温带急流(Eddy-driven Jet)所在的位置(位于急流主体北侧，对应低层的一个急流分支)，表明瞬变涡旋活动对温带急流具有重要的维持作用。低层瞬变经向热量输送在30°N以南地区基本为负输送，且量值较小，随纬度增加输送量逐渐增大，中高纬度地区的瞬变经向热量输送均为正值且较大，在40°～55°N的蒙古地区有一个扰动热量输送的大值区域(图3b)。可见在夏季，瞬变涡旋活动总是向中高纬地区输送热量，这种逆梯度的输送补偿了中高纬地区由于太阳辐射较少而引起的热量缺失。瞬变经向水汽输送主要集中在对流层低层，其大值区主要位于在30°N以北的东亚季风区，是中高纬地区夏季水汽的重要来源。

图3 1981—2010年夏季平均瞬变涡旋经向动量输送(a; 300 hPa，单位：m2·s-2)、经向热量输送(b; 700 hPa，单位：K·m·s-1)和经向水汽输送(c; 700 hPa，单位：10-5 m·s-1)Fig.3 The mean transient eddy meridional momentum flux transportation (a; 300 hPa， unit: m2·s-2) ， meridional heat flux transportation (b; 700 hPa， unit: K·m·s-1) and meridional moisture flux transportation (c; 700 hPa， unit: 10-5 m·s-1) in summer of 1981-2010

基于以上对东亚夏季瞬变涡旋活动特征的认识，将进一步通过数值试验来明确中纬度瞬变涡旋活动对夏季平均环流和降水的作用。在数值试验中，将48°N定为模拟区域的北边界，通过改变北边界的边界条件，用月平均数据代替逐日数据，消除了通过北边界输送进模拟区域的瞬变涡旋活动。需要说明地是，这样的设置并不能完全消除中纬度瞬变涡旋活动，只是在一定程度上削弱了瞬变涡旋活动的影响。

3 WRF模式模拟性能检验

在获得对照试验结果之前，本文通过将WRF模式模拟的控制性试验(control run)与1991—2000年夏季平均的CFSR数据进行多方面对比，检验WRF模式模拟东亚夏季环流、降水和瞬变涡旋活动的能力。

从降水方面来看，WRF控制性试验模拟结果与观测分布基本一致(图4)，但南方地区的降水大值区强度更强，中心偏北，而长江中下流地区降水偏弱。

图4 (a)CFSR再分析资料1991—2000 年夏季平均降水分布(单位：mm，下同)；(b)WRF控制性试验1991—2000 年夏季平均降水Fig.4 (a)1991-2000 summertime mean precipitation distribution based on CFSR reanalysis data (unit:mm， the same below)and (b) WRF control run experiment， respectively

在水平风场与位势高度场方面，WRF控制性试验模拟结果也与再分析资料分布其较为一致，区别主要在于：低层(700 hPa)影响中国北方地区的西北风较强，影响中国南方地区的东南风较弱，副高偏强(图5a、b)；中层(500 hPa)30°N以北的气流整体风速更大，在中国西部地区呈现为西北风，在日本海地区呈现为西南风，西风控制区域延伸至20°N左右(图5c、d)；高层(300 hPa)西风急流更强，在中国西部地区呈现为西北风，在日本海地区呈现为西南风，急流轴位置偏南(图5e、f)。

图5 (a、c、e)CFSR再分析资料1991—2000年夏季平均水平风场和位势高度场(箭矢为水平风场，单位：m·s-1；填色为位势高度场，单位：gpm；由上到下依次为700、500和300 hPa，下同);(b、d、f)WRF控制性试验1991—2000年夏季平均水平风场和位势高度场Fig.5 (a， c， e)1991-2000 summertime mean horizontal wind field and geopotential height field based on CFSR reanalysis data and(b， d ， f)WRF control run ， respectively (The vector denotes the horizontal wind field (unit: m·s-1)； the shaded denotes the geopotential height field (unit:gpm); from top to bottom are 700， 500 and 300 hPa)

在瞬变涡旋活动方面，WRF控制性试验模拟的瞬变经向动量输送与再分析资料相比，在东北亚的大值中心强度明显偏弱，而在中国西北的大值中心强度偏强(图6a、b)。模拟的瞬变热量经向输送与再分析资料相比较为一致，但位于蒙古和中国内蒙古的大值中心强度偏强(图6c、d)。WRF控制性试验模拟的瞬变经向水汽输送也与再分析资料相具有较为一致的分布，但位于东北亚的大值中心强度更强，且位置偏南，向西南延伸至中国南方地区(图6e、f)。此外，还分析了WRF控制性试验模拟的瞬变涡度输送。从气候平均角度而言，35°N以北瞬变涡旋主要向南输送涡度，与再分析资料相比，由北向南的整体输送特征可以较好地反映，但在30°～40°N间，尤其是东北亚地区，向西输送明显偏强(图6g、h)。

图6 CFSR再分析资料1991—2000年夏季平均瞬变涡旋经向动量输送(a， 单位：m2·s-2，下同)，经向热量输送(c，单位：K·m·s-1，下同)，经向水汽输送(e， 单位：10-5 m·s-1，下同)和瞬变涡度水平输送(g， 单位：m·s-2，下同)；WRF控制性试验1991—2000年夏季平均瞬变涡旋经向动量输送(b)，经向热量输送(d)，经向水汽输送(f)和瞬变涡度水平输送(i)Fig.6 1991-2000 summertime mean transient eddy meridional momentum flux transportation (a， unit: m2·s-2， the same below) ， meridional heat flux transportation (c， unit:K·m·s-1， the same below)， meridional moisture flux transportation (e， unit: 10-5 m·s-1， the same below) and transient eddy vorticity horizontal transportation (g， unit: m·s-2， the same below)based on CFSR reanalysis data; (b,d,f,i) the same as (a,c,e,g)， but based on WRF control run

总体而言，WRF模式对东亚地区夏季平均环流和降水具有较好的模拟能力，对瞬变涡旋输送的模拟虽与观测存在一定偏差，但也能较好反映观测的基本特征。

4 中纬度瞬变涡旋活动对东亚夏季平均环流和降水的影响及机制

在肯定了WRF模式对东亚夏季环流和降水的模拟能力后，本文将通过对比敏感性试验和控制性试验结果的差别，来揭示来自中高纬瞬变涡旋活动对东亚夏季风环流和降水的影响。

如图7a所示，在关闭了北边界后，我国东部和北部地区降水整体增强，特别是东北地区、华东地区和华南沿海地区降水增强显著，总体上雨带北移。而降水的变化与平均流水汽输送有着密切关系，如图7b所示，来自热带的西南气流向北的水汽输送增强，并达到了40°N以北的地区，在东北地区和东南沿海地区形成水汽辐合增强区，为降水的发生提供了有利的水汽条件。需要指出的是，北边界附近的降水和环流可能一定程度上受边界设置的影响，所以差异值比较大。

图7 北边界试验与控制试验10 a平均夏季降水差异(单位：mm)(a，敏感性试验减去控制性试验，下同)和水汽通量(单位：kg·m-1·s-1)及其散度(单位：kg·m-2·s-1)差异(b)(绿色圆点、紫色矢量均表示通过α=0.05信度显著性检验)Fig.7 The difference in 10-year mean summer precipitation (unit: mm) between the north boundary run and the control run(a， the sensitivity run minus the control run， the same below) and (b) the difference in moisture flux(unit:kg·m-1·s-1) and its divergence (unit:kg·m-2·s-1) (The green dots and purple vectors indicate the values statistically significant at the 95% confidence level)

而造成降水差异的环流变化主要表现为，关闭了北边界后，低层(700 hPa)整个东亚大陆被低压控制，低压中心位于30°N以北，其相伴随的来自西伯利亚的西北气流明显增强，而西北太平洋上副高北侧增强，西北太平洋副热带高压作为东亚夏季风系统中的最关键成员之一，其变化对夏季降水影响很大[39]，其增强使得来自热带的西南气流明显增强，两支气流在东亚季风区35°N附近汇合，使得该地区西风增强(图8a)。同时可以发现，低层水平风场的分布与整层积分水汽通量分布相似，这说明整层的水汽输送主要由低层环流的变化决定。30°N以北的低压环流和西北太平洋的高压环流在对流层中层(500 hPa)和高层(300 hPa)上具有相似的分布(图8b、c)，体现为相当正压结构的分布特征，但是30°N以南东亚大陆及海洋性大陆上空的低层低压环流在中层和高层变为高压环流，在300 hPa上表现为南亚高压增强，在垂直方向呈现斜压结构。

为了更清楚地揭示关闭北边界后东亚季风区的环流变化，本文进一步分析了105°～130°E平均的温度场、位势高度场、纬向风场以及垂直环流场随纬度和高度的变化(图8d—f)。可以看出，35°N以北对流层整层位势高度减小，而35°N以南在600 hPa以上的对流层高度场一致性增加(图8f)， 相对应地，30°～40°N西风急流主体整层增强，且垂直切变增强，30°N以南的急流南缘强度减弱(图8d)。同时，25°N以北对流层整层南风明显增强，有利于暖湿空气向北输送(图8e)，因而东亚季风区从低层至中高层温度增加，增温中心位于25°～40°N低层，200 hPa以上温度降低，温度场与高度场满足静力平衡关系(图8f)。副热带地区(15°～25°N)中高层和中纬度(30°～45°N)对流层整层上升运动明显增强(图8e)，有利于该区域降水增强。

图8 北边界试验与控制试验10 a平均夏季水平风场和位势高度场差异(a—c，依次为700、500和300 hPa，b中红线为控制性试验5 880 m线)、东亚季风区(105°～130°E)夏季平均纬向风场差异(d，填色为纬向风差异，等值线为控制性试验纬向风场，单位：m·s-1)、经向环流差异(e，流线为v、w分量合成，填色为Omega(单位:Pa·s-1))及位势高度场和温度场差异(f，等值线为位势高度场差异(单位：gpm)，填色为温度场差异(单位：K))(绿色圆点、紫色矢量、紫色斜线、紫色等值线均表示通过α=0.05信度显著性检验)Fig.8 The 10-year mean summer horizontal wind and geopotential height field difference (a-c， 700， 500 and 300 hPa in sequence，the red line in b denotes the 5 880 m line of the control run)， the zonal wind difference in the East Asian monsoon region (105°-130°E) (d， the shaded denotes the zonal wind difference， the contours denote the zonal wind field in control run， unit: m·s-1)， the meridional circulation difference (e， the streamline denotes the composite of v and w components， and the shaded denotes omega (unit: Pa·s-1)) and the geopotential height difference as well as the temperature difference (f， the contours denote the geopotential height difference (unit: gpm) and the shaded denotes the temperature difference (unit: K)) between the northern boundary run and the control run (The green dots， purple vectors， purple slash and purple contours all indicate the values statistically significant at the 95% confidence level)

根据试验设计，关闭北边界后，东亚季风区将不受48°N以北中高纬地区瞬变涡旋活动的影响，那么瞬变活动的减弱如何影响平均环流和降水呢？图9给出了瞬变涡旋经向动量输送、经向热量输送、经向水汽输送和水平涡度输送的变化，可以看到，由于中纬度瞬变涡旋活动的减弱，整个中纬度地区瞬变涡旋对动量、热量和水汽的向北输送均显著减弱(图9a—c)，特别是在夏季平均输送的大值区(图6)，减弱的更加明显。瞬变涡度向南输送在40°N以北地区增强(图9d)，而在30°N附近的东部地区向西的涡度输送减弱。

图9 北边界试验与控制试验10 a平均夏季瞬变涡旋经向动量输送差异(a，300 hPa； 单位：m2·s-2)，经向热量输送差异(b，700 hPa；单位：K·m·s-1)、经向水汽输送差异(c，700 hPa； 单位：10-5 m·s-1)和水平涡度输送差异(d，300 hPa； 单位：m·s-2)(绿色圆点和紫色矢量表示通过α=0.05显著性检验)Fig.9 The 10-year mean summer transient eddy meridional momentum flux transportation difference (a， 300 hPa； unit: m2·s-2) ，meridional heat flux transportation difference (b， 700 hPa； unit: K·m·s-1) ， meridional moisture flux transportation difference (c， 700 hPa； unit: 10-5 m·s-1) and horizontal vorticity flux transportation difference (d， 300 hPa； unit: m·s-2) between the northern boundary run and the control run (The green dots and purple vectors indicate the values statistically significant at the 95% confidence level)

图10 北边界试验与控制试验10 a平均夏季300 hPa水平E矢量及其散度差异(a， 箭头为E矢量差异，填色为水平E矢量散度差异(单位：m·s-2)，等值线为平均纬向风差异(单位：m·s-1))、700 hPa瞬变涡旋热量输送负散度差异(b， 填色表示负的瞬变热量输送负散度差异(单位：10-6 K·s-1)，等值线为平均温度差异(单位：K))、700 hPa瞬变水汽输送负散度差异(c， 填色为水汽输送负散度差异(单位：10-5 m·s-1)，等值线为平均水汽差异(单位：kg·kg-1))以及瞬变涡度输送散度差异(d， 填色为瞬变涡度输送散度差异(单位：10-11s-2)，等值线为平均位势高度差异(单位：gpm))(绿色圆点、紫色等值线、黄色箭头均表示通过α=0.05信度显著性检验)Fig.10 The 10-year mean summer differences between the northern boundary run and the control run in the 300 hPa horizontalE vector and its divergence (a， the vector denotes the horizontal E vector difference， the shaded denotes the horizontalE vector divergence (unit: m·s-2) ， and the contours denote the mean zonal wind difference (unit: m·s-1))， the negative divergence of 700 hPa transient eddy heat flux transportation (b， the shaded denotes the negative divergence difference oftransient eddy heat flux transportation (unit: 10-6 K·s-1)， the contours denote the mean temperature difference (unit: K))， the negative divergence of transient eddy moisture flux transportation (c， the shaded denotes the negative divergence difference of transient eddy moisture flux transportation (unit:10-5 m·s-1)， and the contours denote the mean moisture difference (unit:kg·kg-1))， and the transient eddy vorticity transportation divergence (d， the shaded denotes the difference of transient eddy vorticity transportationdivergence (unit:10-11 s-2)， the contours denote the mean geopotential height difference (unit: gpm)) (The green dots， purple contours and yellow vectors all indicate the values statistically significant at the 95% confidence level)

与之前分析一致，由于瞬变活动的减弱，向北动量输送减弱(对应向北的EH)，动量输送整体在30°～40°N之间辐合，与这里的纬向风增强相对应，而在蒙古到内蒙一带减弱，与这里的纬向风减弱对应，表明纬向风的变化主要由瞬变涡旋动量输送所贡献(图10a)。冷空气活动的减弱，使向北瞬变热量输送减弱，瞬变热量在东亚季风区整体辐合，特别是30°N以北的中纬度地区辐合更加强烈，对应着以我国华北和东北地区为中心的东亚地区温度的升高，导致该区域不稳定增强，上升运动增强。类似地，瞬变水汽输送也在我国东北、华北和华南地区辐合，对应着平均水汽的增加，为该地区降水提供充足的水汽。同时，瞬变涡度输送在西北太平洋至我国南方地区辐散，在东亚北部区域(30°～45°N，100°～115°E)辐合，分别对应着西北太平洋高压增强和东亚大陆北部的低压增强(图10d)。这样的位势高度变化使得我国东部地区西南风增强。由于瞬变涡旋动力强迫相当正压结构特征，高度场和风场的差异在垂直方向上具有相似的结构，低层西南风也明显增强，这使得来自热带的西南风水汽输送大幅增强，平均水汽在东北地区和东南沿海地区水汽辐合(图7b)，导致该区域降水增强。

综上，数值试验结果表明，当关闭了由北边界输入的瞬变涡旋活动之后，东亚中纬度瞬变涡旋活动强度大幅度减弱，其产生向北的经向动量、热量和水汽输送也显著减弱。一方面，由于向北热量和水汽输送的减少，东亚东部大陆上低层的平均温度和水汽增加，为降水提供了不稳定条件和水汽条件；另一方面，瞬变涡旋的动力输送(包括瞬变动量和涡度输送)使得环流场上形成相当正压结构的中纬度地区低压增强和西北太平洋高压增强，西风急流增强略北移，整个中国东部地区受强西南风控制，东亚夏季风增强并延伸到更北区域。在这两方面因子共同作用下，中国东部大部地区产生了水汽辐合和对流增强，导致降水增强，与前研究结论相吻合。因此，中纬度瞬变涡旋活动对于东亚夏季平均环流和降水的形成具有重要贡献，中纬度夏季平均环流主要体现了瞬变涡旋驱动特征，强的瞬变涡旋活动阻挡了东亚夏季风和降水北推，而弱瞬变涡旋活动则有利于夏季风和降水的向北推进，使北方地区降水增加。

5 结论

本文利用CFSR再分析数据，分析了东亚夏季平均环流的结构特征以及瞬变涡旋活动的分布和能量输送特征，再通过WRF模式设计数值试验，利用控制性试验和敏感性试验分别模拟了受到/不受到来自北边界中纬度瞬变涡旋活动影响的东亚夏季环流和降水，通过两组试验对比，揭示了瞬变涡旋活动对东亚夏季平均环流和降水的贡献。主要结论如下：

(1)夏季，东亚季风环流具有较大的经向度，在35°N以南环流呈斜压结构，体现了热力驱动环流的特征，而在35°N以北环流则呈现相当正压结构，体现了中高纬环流特征，与瞬变涡旋活动密切相关。东亚地区瞬变涡旋活动主要分布于40°～60°N的中纬度地区，在巴尔喀什湖—蒙古—中国东北地区形成强斜压带。东亚瞬变涡旋的经向动力输送主要集中在急流出口区，对温带急流具有维持作用，瞬变涡旋经向热力和水汽输送具有逆梯度输送特征，弥补了中高纬地区热量和水汽的缺失，减弱背景场的斜压性。

(2)北边界数值试验表明，中高纬瞬变涡旋对东亚夏季环流和降水的影响主要在于瞬变扰动通过系统性的输送动量、热量、水汽和涡度来改变背景场。当东亚中纬度瞬变涡旋活动大幅度减弱时，其产生的经向动量、热量和水汽输送也显著减弱。向北热量和水汽输送的减少使东亚东部大陆上低层的平均温度和水汽增加，为降水提供了环流不稳定条件和水汽条件，同时，瞬变涡旋的动量和涡度输送变化在环流场上形成相当正压结构的中纬度地区低压增强和西北太平洋上的高压增强，西风急流增强略北移，整个中国东部地区受强西南风控制，东亚夏季风增强并影响到更北的区域，中国东部大部分地区产生了水汽辐合和对流增强，导致北部地区和华南地区降水的增强。因此，中纬度瞬变涡旋活减弱有利于东亚夏季风及其伴随的降水的向北推进。

本文主要讨论了来自北部的中纬度瞬变涡旋对东亚夏季环流和降水的影响，然而除了这部分瞬变涡旋活动东之外，与西风急流伴随的来自上游地区的瞬变波也对东亚及我国夏季环流和降水具有影响。此外，对于夏季环流和降水而言，非绝热加热与瞬变涡旋强迫的相对贡献也有待于进一步深入研究。这些问题将在今后的研究工作中继续关注。