21 世紀(jì)第2 個10 年初華北夏季降水年代際增加及與大氣環(huán)流異常的聯(lián)系*

趙嘉誠 李清泉 丁一匯 劉蕓蕓 譚桂容 沈新勇,3 吳清源

1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心/氣象災(zāi)害教育部重點實驗室/氣候與環(huán)境變化國際合作聯(lián)合實驗室，南京，210044

2.中國氣象局氣候預(yù)測研究重點開放實驗室，國家氣候中心，北京，100081

3.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室（珠海），珠海，519082

1 引言

在全球變暖背景下，世界各地旱澇災(zāi)害頻發(fā)。降水是水文循環(huán)重要的組成部分，具有明顯的年代際變化特征和區(qū)域特征（Zuo，et al，2012；Sang，et al，2016；Wu，et al，2017；Huang，et al，2018）。華北地區(qū)是中國人口聚集區(qū)及主要的農(nóng)業(yè)和工業(yè)區(qū)，旱澇災(zāi)害會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失和環(huán)境影響。華北地區(qū)降水主要集中于夏季，夏季降水異常引起的旱澇災(zāi)害一直是氣象學(xué)者關(guān)注的重點（郝立生等，2011；葉敏等，2014；Jiang，et al，2017；Chen，et al，2020）。2021 年京津冀晉等省（市）年降水量均達1961 年以來歷史最多；7 月15—18 日，北方強降水致多地河道水位持續(xù)上漲，海河流域北易水河洪峰流量達536 m3/s，為1963 年以來最大洪水。因此，深入認(rèn)識理解華北降水變化的特征和機理，可為該地區(qū)防災(zāi)、減災(zāi)和社會經(jīng)濟可持續(xù)性發(fā)展提供重要科學(xué)依據(jù)。

華北夏季降水年代際變化特征非常明顯。已有研究（Kwon，et al，2007；Ding，et al，2008；Zhu，et al，2011，2015；Gong，et al，2015）表明，華北地區(qū)從20 世紀(jì)50—60 年代中期曾經(jīng)歷了一個相對濕潤的時期，從70 年代末至90 年代初經(jīng)歷了一個較長的干旱時期，在短暫經(jīng)歷了一個濕潤期后，于1998/1999 年后，降水再次出現(xiàn)減少的趨勢。

華北位于北半球中高緯度地區(qū)，其夏季降水不僅受到低緯度亞洲季風(fēng)的影響，也受到中高緯度環(huán)流系統(tǒng)影響。東亞夏季風(fēng)可以通過副熱帶高壓的變化來影響華北夏季降水。張慶云等（2003）指出，東亞夏季風(fēng)偏強年，西太平洋副熱帶高壓位置偏北，華北夏季降水可能偏多；東亞夏季風(fēng)偏弱年，西太平洋副高位置偏南，華北夏季降水可能偏少。東亞副熱帶西風(fēng)急流是東亞地區(qū)重要的氣候系統(tǒng)，因此其對華北夏季降水的影響不可忽視，研究（杜銀等，2009；孫鳳華等，2009）表明，當(dāng)急流位置偏北東伸時，華北夏季降水增加；反之，當(dāng)急流位置偏南西撤時，華北夏季降水減少。魏維等（2012）研究表明，南亞高壓偏北使得在中國東部至日本地區(qū)上空存在顯著的異常反氣旋，此異常反氣旋中心自上而下向南傾斜，在高層給華北地區(qū)帶來輻散，在低層使得氣流在華北地區(qū)輻合，因此華北地區(qū)降水偏多。

水汽是引起降水變化的關(guān)鍵因素。來源于西太平洋及中高緯度西風(fēng)帶的水汽輸送對華北暴雨產(chǎn)生也有著重要的影響（Zhu，et al，2011；Li，et al，2012；Sun，et al，2015）。周曉霞等（2008）指出，20 世紀(jì)70 年代中期以后，季風(fēng)的水汽輸送顯著減弱，西風(fēng)帶水汽輸送的重要性相對增大。印度夏季風(fēng)會影響華北地區(qū)的降水。印度夏季風(fēng)除了影響輸送到華北地區(qū)的水汽，還會影響南亞高壓和亞洲高空急流，從而影響華北地區(qū)的降水（劉蕓蕓等，2008；Wei，et al，2017）。由此可見，影響華北夏季降水的主要系統(tǒng)包括西北太平洋副熱帶高壓、南亞高壓、副熱帶西風(fēng)急流、西風(fēng)和季風(fēng)的水汽輸送等。

外強迫的作用對華北及降水有重要的影響。從氣候系統(tǒng)的組成來看，華北夏季降水的年代際變化主要是大氣和海洋系統(tǒng)相互作用的結(jié)果（Jiang，et al，2009；Huang，et al，2013）。Huang 等（2023）研究發(fā)現(xiàn)，外強迫和內(nèi)部變率對年代—多年代際降水變化的貢獻相當(dāng)。胡泊等（2016）研究發(fā)現(xiàn)，20 世紀(jì)90 年代中后期前冬北大西洋海溫由于自身的記憶性使得前冬海溫的年代際信號持續(xù)到夏季，再通過遙相關(guān)作用，使輸送到東亞北部的水汽路徑在20 世紀(jì)90 年代末期發(fā)生年代際調(diào)整。Li 等（2017）發(fā)現(xiàn)，大西洋多年代際濤動（AMO）異常冷暖海溫型式可通過羅斯貝波能量傳播產(chǎn)生的遙相關(guān)過程影響東亞地區(qū)，AMO 正位相時東亞地區(qū)高層反氣旋與低層低壓環(huán)流耦合，有利于中國北方激發(fā)出上升運動，導(dǎo)致該地區(qū)降水增加。Si 等（2021a）發(fā)現(xiàn)，AMO 的正位相有利于夏季東北亞冷渦和貝加爾湖及中緯度西北太平洋異常高壓的發(fā)生，從而加強了東亞夏季風(fēng)和高緯度冷空氣的南侵，最終使華北地區(qū)夏季降水增加。太平洋年代際濤動（PDO）負(fù)位相對應(yīng)熱帶西太平洋高海溫，觸發(fā)了從熱帶西太平洋沿東亞沿岸向東北亞延伸的經(jīng)向波列，東北亞地區(qū)以對流層中層異常低壓和對流層低層異常氣旋為主，有利于華北地區(qū)夏季降水偏多（Qian，et al，2014；Si，et al，2016）。此外，PDO 負(fù)位相期間東亞—太平洋扇區(qū)增強的海陸熱力差增強，東亞夏季風(fēng)也為華北地區(qū)的濕潤條件做出了貢獻（Qian，et al，2014）。李剛等（2020）研究表明，南太平洋年代際振蕩和北太平洋年代際振蕩通過導(dǎo)致東亞-太平洋型遙相關(guān)對華北盛夏降水產(chǎn)生影響。東亞-太平洋型遙相關(guān)型也調(diào)制其邊緣區(qū)上空的東亞夏季風(fēng)活動，進而調(diào)制華北上空的干/濕條件（Zhang，et al，2018）。

盡管上述研究表明華北夏季降水存在年代際變化，但進入21 世紀(jì)后，華北地區(qū)夏季降水的年代際變化特征尚不清楚，在之前分析的年代際變化影響因子是否會繼續(xù)影響之后華北夏季降水的變化。因此，本研究利用1961—2021 年逐月降水量和大氣環(huán)流再分析資料，分析了近61 年中國華北地區(qū)夏季降水及其相應(yīng)的大氣環(huán)流的年代際變化。

2 數(shù)據(jù)與方法

研究區(qū)域為華北地區(qū)（35°—42°N，110°—120°E），主要包括河北、北京、天津、山西及山東大部分地區(qū)，夏季為6—8 月。所采用的數(shù)據(jù)如下：（1）CN05.1 月平均降水資料（吳佳等，2013），空間分辨率為0.25°×0.25°，時間范圍為1961—2021 年；（2）歐洲中期天氣預(yù)報中心提供的ERA5 逐月再分析數(shù)據(jù)，包括風(fēng)、氣溫、比濕等，空間分辨率為1°×1°，時間范圍為1999—2021 年。所用氣候平均值取1999—2021 年共23 a 的平均。采用滑動t檢驗方法（滑動窗口為9 a）檢測年代際變化的顯著性，采用合成分析方法研究大氣環(huán)流異常對降水的影響，并使用student-t檢驗方法進行顯著性水平評估。為表征東亞夏季風(fēng)水汽輸送強弱，選用850 hPa區(qū)域（20°—40°N，110°—125°E）平均的經(jīng)向風(fēng)場定義東亞夏季風(fēng)指數(shù)（Wang，2002）。

文中計算了垂直積分的水汽通量，從地面到300 hPa 整層積分的緯向水汽輸送（Qu）、經(jīng)向水汽輸送（Qv）分別表示為

式中，g、ps、q、u和v分別表示重力加速度、地表氣壓、比濕、緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)。

p坐標(biāo)系下的渦度方程如下

式中，ζ、ω和f分別表示相對渦度、垂直速度和科里奧利力。方程右邊第Ⅰ項為相對渦度水平平流項（ζhadv），它是由于相對渦度的水平分布不均勻所引起的；第Ⅱ項為相對渦度的垂直輸送項（ζvadv），它代表非均勻渦度場中由于垂直運動引起的相對渦度的重新分布所造成的渦度的局地變化；第Ⅲ項為散度項（ζdiv），它表示由于水平輻合（輻散）引起垂直渦度的增加（減小）；第Ⅳ項為扭曲項（ζtilt），它表明當(dāng)有水平渦度存在時，由于垂直運動的水平分布不均而引起渦度垂直分量的變化。第Ⅴ項為行星渦度平流項（fpadv），它是由于行星渦度的經(jīng)向水平分布不均勻所引起的。

3 結(jié)果

3.1 華北夏季降水的年代際轉(zhuǎn)折特征

圖1a 為華北夏季降水時間序列，從圖中可以看出華北降水具有明顯的年代際變化特征。在20 世紀(jì)90 年代后期，華北地區(qū)夏季降水量經(jīng)歷了從多到少的轉(zhuǎn)變，這與已有研究結(jié)果（Liu，et al，2020a）相同。此外，華北夏季降水量在21 世紀(jì)第2 個10 年初也發(fā)生了一次明顯的變化，即自2010 年前后開始降水量增多（圖1a）。從兩個時段的平均降水量也可以看到，后一個時段的平均降水量達到了357 mm，前一個時段的平均降水量為285 mm，后一個時段的降水量明顯高于前一個時段，由此可以初步推斷華北夏季降水在21 世紀(jì)第2 個10 年初經(jīng)歷了降水量增多的年代際變化。

圖1 1961—2021 年夏季華北降水量時間序列（a，綠色實線表示1999—2011 年和2012—2021 年兩個時段的平均降水量，黑色實線表示1961—2021 年夏季平均降水量）及其滑動t 檢驗（b，黑色實線表示95%置信區(qū)間）Fig.1 Time series of summer rainfall over North China from 1980 to 2021（a，green lines indicate mean summer rainfall during 1999—2011 and 2012—2021，respectively）and its moving t-test（b，black dashed lines indicate the 95% confidence interval）

為了確定華北降水年代際變化的突變點，對華北降水時間序列進行滑動t檢驗（圖1b）。結(jié)果表明，第一個突變點在1997 年（超過95%的置信度），統(tǒng)計量為負(fù)，這與Liu 等（2020a）發(fā)現(xiàn)20 世紀(jì)90 年代末期華北夏季降水由多到少的年代際轉(zhuǎn)折結(jié)論一致。另一個突變點在2012 年（統(tǒng)計量達到最大值且超過95%的置信度），統(tǒng)計量為正，表明華北夏季降水在2011/2012 年發(fā)生了顯著的從少到多的轉(zhuǎn)變。對此尚未有人進行研究，因此文中重點研究2011/2012 年這次突變過程，將1999—2011 年定義為干旱期（P1），2012—2021 年定義為濕潤期（P2），探究華北夏季降水年代際變化特征和可能機制。

以2011/2012 年為分界點，圖2 給出了濕潤期和干旱期的夏季降水量差值分布（2012—2021 年減去1999—2011 年）。可以看到，華北地區(qū)在21 世紀(jì)第2 個10 年初經(jīng)歷的年代際增濕過程是整個區(qū)域一致性的，相比于干旱期，華北地區(qū)大部在濕潤期降水顯著增多，降水量增長100—200 mm。

圖2 濕潤期與干旱期的夏季降水量差值（矩形區(qū)域表示華北，黑點區(qū)表示超過95%置信度）Fig.2 Difference in summer rainfall between 1999—2011 and 2012—2021（black dot indicates differences passing significance test at the 95% confidence interval；black box indicates North China）

3.2 華北夏季降水年代際轉(zhuǎn)折的相關(guān)大氣環(huán)流和水汽輸送

降水異常的發(fā)生通常包括水汽輸送條件異常和動力上升運動異常兩個方面。為了分析造成華北夏季降水在21 世紀(jì)第2 個10 年初出現(xiàn)年代際增多的原因，這里將從東亞地區(qū)高低層大氣環(huán)流、上升運動及水汽輸送等方面，對比分析2011/2012 年前、后的兩個時段的年代際差異特征。

圖3 給出了濕潤期與干旱期東亞地區(qū)對流層高、低層風(fēng)場及其散度的合成差值分布。無論在對流層高層或是低層，華北地區(qū)的北方都為氣旋式異常，低層異常位于蒙古高原—東北地區(qū)，高層位于貝加爾—蒙古高原地區(qū)，其異常的偏北風(fēng)將北方的冷空氣帶入華北，有利于冷、暖空氣在華北地區(qū)的交匯，為降水的發(fā)生、發(fā)展創(chuàng)造有利條件（圖3）。從風(fēng)場的散度分布可知，華北低層主要為輻合異常，高層主要為輻散異常，有利于形成異常的上升運動，從而有利于降水的增多。東亞地區(qū)低層風(fēng)差值分布說明，中國東部主要為異常的偏北風(fēng)，表明夏季風(fēng)在濕潤期較干旱期有所減弱；而在對流層高層，華北到蒙古高原的偏西風(fēng)異常則說明濕潤期高層西風(fēng)急流有所加強。Du 等（2017）發(fā)現(xiàn)西北太平洋副熱帶高壓增強西伸有利于華北地區(qū)夏季降水增加。從圖3a 中濕潤期平均與干旱期平均850 hPa西太平洋副熱帶高壓特征線可以看到，雖然濕潤期西北太平洋副熱帶高壓較干旱期有所西伸，但西北太平洋副熱帶高壓北界位置在兩個時段內(nèi)并無明顯變化，中國東海上空為異常氣旋環(huán)流，西北太平洋副熱帶高壓北側(cè)的水汽并不能輸送到華北，對21 世紀(jì)第2 個10 年初華北地區(qū)降水的年代際變化影響不大。

圖3 （a）濕潤期與干旱期的夏季850 hPa 風(fēng)（風(fēng)矢，單位：m/s）差值及其散度（色階，紅色箭頭表示風(fēng)差異超過95%置信度，綠色和紫色等值線分別表示濕潤期和干旱期850 hPa 西太平洋副熱帶高壓特征線，矩形區(qū)域表示華北）；（b）同（a），但為250 hPaFig.3 （a）Difference in summer 850 hPa wind（vectors，unit：m/s）and its divergence（shaded，red vectors indicate differences passing significance test at the 95% confidence interval；green and purple contours represent the western Pacific subtropical high at 850 hPa during the wet period and the dry period，respectively；black box indicates North China）；（b）as in（a），but for 250 hPa

上述分析表明華北地區(qū)夏季降水在濕潤期具有有利的上升運動條件，接下來分析華北上空垂直運動的變化。圖4 為濕潤期與干旱期夏季垂直運動差值，從經(jīng)向分布（圖4a）可以看到，除太行山對流層低層外，華北大部分地區(qū)為異常的上升運動所控制，且異常的上升運動在華北的西邊界110°E 附近也存在，使得華北雨帶位置偏西，該結(jié)論與劉海文等（2011）的結(jié)論一致。由圖4 可見，850—500 hPa的上升運動變化最顯著，并且主要上升區(qū)位于40°N以南。從輻散風(fēng)場組成的垂直環(huán)流可知，華北地區(qū)低層的風(fēng)場輻合、高層的風(fēng)場輻散，有利于異常上升運動的生成。

圖4 （a）濕潤期與干旱期沿38°N 的緯向輻散風(fēng)差和垂直速度差（色階）的緯向環(huán)流（矢量箭頭）（垂直速度的單位為10-1 Pa/s，緯向輻散風(fēng)和經(jīng)向輻散風(fēng)的單位為m/s，矢量箭頭是由水平輻散風(fēng)與垂直速度合成，斜線表示垂直速度差異超過95%置信度，藍(lán)色粗實線表示華北地區(qū)的位置，黑色區(qū)域表示地形）；（b）同（a），但為沿118°E 的經(jīng)向輻散風(fēng)差和垂直速度差的經(jīng)向環(huán)流Fig.4 （a）Longitude-height cross section（vectors）of differences in zonal divergent wind and vertical velocity（shaded）along 38°N（the unit of vertical velocity is 10-1 Pa/s，and for zonal divergent wind and meridional divergent wind is m/s，vectors are composed of horizontal divergent wind and vertical velocity，hatching indicates differences passing significance test at the 95% confidence interval；blue thick solid line indicates the location of North China；black shading indicates topography）；（b）latitude-height cross section of differences in meridional divergent wind and vertical velocity along 118°E

圖5a 分別為平均的整層積分水汽通量氣候態(tài)，可以看出進入華北的水汽主要來自于熱帶海洋地區(qū)，并從南邊界或西邊界進入該區(qū)域。從南邊界進入的水汽主要由季風(fēng)輸送，因此華北夏季降水會受東亞夏季風(fēng)的影響，以往的研究（Ding，et al，2008；黃榮輝等，2013；Xu，et al，2015；Liu，et al，2020a）也表明東亞夏季風(fēng)增強會導(dǎo)致華北夏季降水增多，反之東亞夏季風(fēng)減弱會導(dǎo)致華北夏季降水減少；從西邊界進入的水汽除了受到西南季風(fēng)北推的影響外，還受到西風(fēng)急流位置和強度的影響。從整層積分水汽通量的合成差值分布（圖5b）看出，濕潤期從西邊界進入華北的水汽是顯著增加的，而從南部輸入的水汽異常不明顯，表明濕潤期華北降水的增多不是由季風(fēng)增強所致，而主要是由于西風(fēng)急流的異常引起的。800—700 hPa 水汽通量（圖5c）與整層水汽通量（圖5a）特征相似，蒙古高原地區(qū)為異常氣旋式水汽輸送，從西邊界進入華北的水汽是顯著增加的，南邊界進入的水汽不顯著，說明低層水汽通量在整層水汽通量中起著很大作用。

圖5 （a）夏季整層積分水汽通量氣候態(tài)（單位：kg/（m·s）），（b）濕潤期與干旱期夏季的整層積分水汽通量差值（紅色和紫色箭頭分別表示差異超過95%和90%置信度，矩形區(qū)域表示華北），（c）同（b），但為800—700 hPa 積分水汽通量Fig.5 （a）Climatology of summer vertically integrated water vapor flux（unit：kg/（m·s））；（b）difference in summer vertically integrated water vapor flux（red and purple vectors indicate differences passing significance test at the 95% and 90%confidence intervals，respectively；blue box indicates North China）；（c）same as（b），but for vertically integrated water vapor flux at 800—700 hPa

圖6 是濕潤期與干旱期的夏季華北上空850—600 hPa 各層假相當(dāng)位溫（θse）和假相當(dāng)位溫垂直變化（dθse/dp）合成差值分布。由圖6 可見，濕潤期華北上空的假相當(dāng)位溫明顯增加，其中750 hPa 的假相當(dāng)位溫升高最顯著，說明華北上空的大氣異常暖濕（圖6）；而從假相當(dāng)位溫垂直變化分析得出，800 hPa以上假相當(dāng)位溫垂直變化為正，說明華北上空大氣層結(jié)不穩(wěn)定，有利于垂直運動的發(fā)展，進而有利于降水的增加。

圖6 濕潤期與干旱期夏季的600（a）、650（b）、700（c）、750（d）、800（e）和850（f）hPa 假相當(dāng)位溫（色階）及其垂直變化（等值線，單位：10-2 K/hPa）差值（打點和叉號分別表示 θse 和 dθse/dp差異超過95%置信度）Fig.6 Differences in summer Pseudo-equivalent potential temperature（shaded）and its vertical variation（contours，unit：10-2 K/hPa）at 600（a），650（b），700（c），750（d），800（e），and 850（f）hPa（dots and cross marks represent θse anddθse/dp differences passing significance test at the 95% confidence interval，respectively）

3.3 夏季風(fēng)和急流變化

由圖3a 可見，中國東部為偏北風(fēng)異常，表明濕潤期東亞夏季風(fēng)減弱。從圖7a 的夏季風(fēng)指數(shù)也可以看出濕潤期東亞夏季風(fēng)減弱，因此從南邊界輸送入華北地區(qū)的水汽減少，這進一步表明此次華北夏季降水年代際變化中，華北夏季降水與東亞夏季風(fēng)的關(guān)系發(fā)生了變化。為了分析近幾十年華北夏季降水與東亞夏季風(fēng)關(guān)系發(fā)生了怎樣的變化，計算了華北夏季降水（圖1a）與東亞夏季風(fēng)指數(shù)的滑動相關(guān)（圖7b）。結(jié)果表明，21 世紀(jì)前，華北夏季降水與東亞夏季風(fēng)存在顯著的正相關(guān)，表明東亞夏季風(fēng)增強，華北夏季降水隨之增多；反之，華北夏季降水減少，這與已有的研究結(jié)論一致。但從21 世紀(jì)初開始，華北夏季降水和東亞夏季風(fēng)的正相關(guān)開始減弱，兩者之間的關(guān)系不再顯著。表明21 世紀(jì)第2 個10 年初的華北夏季降水的年代際增多不是東亞夏季風(fēng)強度異常所致，這與此前華北地區(qū)降水的年代際變化原因有很大不同（Ding，et al，2008；Liu，et al，2020a）。

圖7 （a）標(biāo)準(zhǔn)化東亞夏季風(fēng)指數(shù)（EASMI）時間序列（黑實線表示干旱期平均和濕潤期平均）；（b）華北夏季降水與東亞夏季風(fēng)指數(shù)的21 a 滑動相關(guān)（黑實線表示相關(guān)系數(shù)達到95%置信度）Fig.7 （a）Standardized time series of the East Asian summer monsoon index（black solid lines indicate the mean values of the East Asian summer monsoon index during 1999—2011 and 2012—2021，respectively）；（b）21-year sliding correltion coefficient between the regionally averaged summer precipitation over North China and the East Asian summer monsoon index（black solid line indicates correlation coefficient passing significance test at the 95% confidence interval）

由前面的分析可知，濕潤期東亞西風(fēng)急流增強。圖8 給出了干旱期和濕潤期西風(fēng)急流的空間分布，可見干旱期東亞副熱帶急流偏西，急流中心位于100°E 以西，25 m/s 等風(fēng)速線未進入華北地區(qū)，東部急流軸位于河套以南，略成西北—東南走向；濕潤期東亞副熱帶西風(fēng)急流東伸，急流中心東側(cè)急流軸東伸（約5°經(jīng)距）到河套以東地區(qū)，且有北抬，急流外圍地區(qū)到達河北省，河套—華北地區(qū)急流軸呈東西走向，位于40°N 左右，華北地區(qū)大部分位于急流軸南側(cè)。急流南側(cè)具有反氣旋性切變和負(fù)相對渦度，其南側(cè)的偏差風(fēng)輻散有利于華北地區(qū)上升運動的發(fā)展，這與圖4b 上升運動主要位于40°N 以南一致。綜上所述，濕潤期東亞副熱帶西風(fēng)急流增強，位置東伸北抬，有利于上升運動的異常，進而有利于華北夏季降水的增加。上游波源地區(qū)激發(fā)的羅斯貝波將能量向下游地區(qū)傳播，波流相互作用導(dǎo)致中國北方西風(fēng)急流加強，高低空輻散輻合配置加強，垂直上升運動增強，易造成中國北方地區(qū)降水異常偏多（Li，et al，2017；楊寧等，2020）。

圖8 （a）干旱期夏季平均200 hPa 緯向風(fēng)距平（等值線，單位：m/s，深淺灰階分別表示緯向風(fēng)速≥30 m/s 和≥25 m/s，粗線表示急流軸，矩形區(qū)域表示華北）；（b）同（a），但為濕潤期Fig.8 （a）Averaged summer zonal wind anomalies at 200 hPa during 1999—2011（contours，unit：m/s，deep and shallow shadings indicate that the zonal wind speed is greater than or equal to 30 m/s and greater than or equal to 25 m/s；thick line indicates the jet stream axisblack box indicates North China）；（b）as in（a），but for 2012—2021

為了探究急流變化的成因，進行了渦度收支診斷。圖9 為濕潤期與干旱期的夏季250 hPa 渦度方程各項和相對渦度合成差值分布。其中相對渦度水平平流項（圖9a）量值最大、起到最主要的作用，在急流（40°N）北側(cè)和南側(cè)分別為渦度收支正中心和負(fù)中心。其次是散度項（圖9c）的作用，在華北以北和華北地區(qū)分別有較弱的正渦度收支，但收支量值遠(yuǎn)小于相對渦度水平平流項的作用；其他項包括非絕熱加熱的作用則更小。綜上所述，相對渦度水平平流項在渦度收支中起了主要的作用，在華北地區(qū)為南北偶極型分布，分別為急流北側(cè)的正中心和急流南側(cè)的負(fù)中心，而在正中心的上游有負(fù)中心，這種東西偶極型有利于上游的渦度異常通過平流向下游發(fā)展。如圖9f 所示，南北偶極型分布導(dǎo)致30°—42°N 為負(fù)渦度異常，42°—55°N 為正渦度異常，進而導(dǎo)致30°—42°N 為反氣旋性環(huán)流，42°—55°N 為氣旋性環(huán)流，而急流位于兩者的過渡區(qū)，氣旋-反氣旋對有利于35°—45°N 的西風(fēng)增強，因此急流增強東伸。

圖9 濕潤期與干旱期夏季250 hPa 渦度方程各項（a.ζhadv，b.ζvadv，c.ζdiv，d.ζtilt，e.fpadv，單位：10-11 s-2）和相對渦度（f，單位：10-6 s-1）差值（黑色粗實線表示干旱期急流軸，打點表示差異超過95%置信度，f 中流線表示旋轉(zhuǎn)風(fēng)場的差值）Fig.9 Difference of 250 hPa vorticity equation（a.ζhadv，b.ζvadv，c.ζdiv，d.ζtilt，e.fpadv，unit：10-11 s-2）and relative vorticity（f，unit: 10-6 s-1）between the summers of 2012—2021 and the summers of 1999—2011（black thick solid lines represent the position of the jet axis during 1999—2011，dots represent differences passing significance test at the 95% confidence levels，the streamlines in f represent the difference of rotating wind）

4 結(jié)論與討論

本研究利用1961—2021 年中國華北地區(qū)逐月降水量觀測資料和全球大氣環(huán)流的再分析資料，探究了21 世紀(jì)第2 個10 年初華北夏季降水的年代際變化及相關(guān)大氣環(huán)流，主要結(jié)論如下：

華北夏季降水量在21 世紀(jì)第2 個10 年初發(fā)生了從少到多的年代際轉(zhuǎn)折，突變時間為2012 年。在濕潤期，蒙古高原—貝加爾地區(qū)受氣旋式異?？刂?，該異常有利于北方冷空氣進入華北，從西邊界進入華北的水汽增加。同時，華北上空假相當(dāng)位溫升高，低層大氣異常暖濕，假相當(dāng)位溫垂直變化增強，大氣層結(jié)不穩(wěn)定異常增強，有利于異常上升運動的發(fā)展，進而有利于華北夏季降水的增多。

在以往的歷次（20 世紀(jì)70 年代末、20 世紀(jì)90 年代末）華北夏季降水的年代際變化中，東亞夏季風(fēng)變化對華北夏季降水變化起著重要作用，即東亞夏季風(fēng)增強，華北夏季降水增多；反之，東亞夏季風(fēng)減弱，華北夏季降水減少。然而，在21 世紀(jì)第2 個10 年初這次年代際變化中，華北夏季降水增多，東亞夏季風(fēng)卻減弱，表明東亞夏季風(fēng)與華北夏季降水的關(guān)系發(fā)生了變化，此次華北夏季降水的年代際增多不是東亞夏季風(fēng)所致。濕潤期相對渦度的水平平流項導(dǎo)致東亞西風(fēng)急流增強東伸北抬，使華北大部分地區(qū)位于急流軸南側(cè)，其南側(cè)高層偏差風(fēng)的輻散有利于華北異常的上升運動發(fā)展，進而有利于華北地區(qū)降水的增加。

本研究表明，21 世紀(jì)之前華北夏季降水與東亞夏季風(fēng)存在顯著正相關(guān)，進入21 世紀(jì)后兩者關(guān)系減弱。華北位于東亞副熱帶季風(fēng)區(qū)，地理條件復(fù)雜，華北夏季降水與東亞夏季風(fēng)的關(guān)系也比較復(fù)雜。華北夏季降水不僅受到東亞夏季風(fēng)的影響，還受到極地—中高緯度大氣環(huán)流的影響。因此，關(guān)于華北地區(qū)21 世紀(jì)第2 個10 年初夏季降水年代際變化的機理還有待深入研究。

華北夏季降水的影響因子十分復(fù)雜。除了單個大洋的影響，Si 等（2021b）發(fā)現(xiàn)當(dāng)AMO 與PDO同位相時，會在東北亞引發(fā)中等的降水或干旱，而當(dāng)AMO 和PDO 反位相時，會在東北亞引發(fā)更顯著的降水或干旱。Liu 等（2020b）發(fā)現(xiàn)前秋的北極海冰可以通過影響輸送入東亞的冷空氣從而影響東亞夏季降水。鑒于華北夏季降水年代際轉(zhuǎn)型是多種強迫因子綜合作用的結(jié)果，影響華北夏季降水的機理還需要進一步研究。