地球物理学报  2011, Vol. 54 Issue (10): 2477-2486   PDF    
东亚降水格局:季风与瞬变涡动的竞争
张凯静1 , 戴新刚1 , 汪萍3     
1. 中国科学院东亚区域气候与环境重点实验室, 中国科学院大气物理研究所, 北京 100029;
2. 兰州大学大气科学学院, 兰州 730000;
3. 中国气象科学研究院, 北京 100081
摘要: 利用再分析资料ERA-40计算了东亚气候平均对流层水汽输送(MT)、平均气流水汽输送(MMT)、瞬变涡动水汽输送(EMT)及其散度, 并同降水场进行比较分析.结果表明, 季节平均水汽散度场同东亚降水分布型存在一定的配置关系, 水汽辐合区对应于降水大值区, 辐散区降水较少.东亚大部分地区MMT散度大于EMT, 但符号相反, 即MMT是MT的主要部分, 决定了后者散度空间分布特征.夏季风期间, 东亚MMT表示季风水汽输送, 其大尺度辐合区对应于季风降水区, 辐散区覆盖了西北内陆干旱区.中高纬EMT四季均为恒定向北的水汽输送, 是内陆干旱区和非夏季风控制区降水水汽的主要供给者.从夏到冬EMT水汽辐合区扩大, MMT辐合区缩小, 后者的散度决定了东亚干湿气候区分布.因而季风与瞬变涡动竞争形成东亚独特的降水格局.这些特征的揭示为东亚区域气候形成与变异机理研究提供了新思路.1998年夏季案例分析表明, 长江、松花江和嫩江发生流域性洪涝灾害主要是大尺度夏季风水汽输送异常辐合造成, 瞬变涡动贡献不大.
关键词: 水汽输送      水汽散度      瞬变涡动      东亚夏季风      气候降水型     
East Asian precipitation pattern: competing monsoon and transient eddy activity
ZHANG Kai-Jing1, DAI Xin-Gang1, WANG Ping3     
1. RCE-TEA, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
2. College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China;
3. Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China
Abstract: This paper aims at investigating the climate-mean integrated moisture transport (MT) of troposphere for 1971~2000 and the relationship between moisture divergence and seasonal precipitation in East Asia. The results made from ERA-40 shows that the spatial pattern of the precipitation approximately coincides with large-scale moisture divergence. A further decomposition manifests that the monthly-wind moisture transport (MMT) plays the dominant role for seasonal divergence patterns. The MMT convergence areas approximately fit in the big precipitation areas, while the MMT divergence almost covers the arid and semi-arid zones in northern China and Mongolia. The transient eddy moisture transport (EMT) is about ten-time smaller than MMT's in magnitude and plays a key role in moisture transport northward for non-monsoon period. Usually, EMT divergence is of inverse phase to MMT's, suppressing the MMT impact on precipitation in summer monsoon zones, and it is the major one that supplies water vapor to the precipitation in arid and semi-arid zones. However, their divergences are compatible and overlapped in phase around the phase transition belt of the MMT divergence. It turns out that large-scale precipitation characteristics greatly rely on competence of MMT and EMT, being the physical cause that lead to specific pattern of the large-scale precipitation. Besides, the mechanism of regional climate formation also implies the mechanism of regional precipitation change. A case study shows that the severe floods in both Yangtz River and Songhua-Nen rivers basin in 1998 resulted from anomalous MMT convergence of monsoon moisture transport, while both MMT and EMT divergences led to anomalous dry climate in the north and the northwest of China. In addition, it is the strong EMT divergence resulting in significant rainfall reduction in the south part of North China and the southeast coast of China. One could also make a further investigation on the causes leading to the anomaly of MMT or EMT, or both. This is a new way for exploring the mechanism of regional climate change..
Key words: Moisture transport      Moisture divergence      Transient eddy      East Asian monsoon      Precipitation pattern     
1 引言

水汽是大气中最重要、最活跃的成分之一,在全球能量与水分循环中扮演着极为重要的角色[1].叶笃正等早在1957年就指出:“地球上大气的热力平衡和水分循环问题是解决长期天气过程,特别是气候形成和气候变化的一个关键"[2].因此,研究地球气候系统中的蒸发、水汽输送及其同降水异常的关系一直是气候动力学研究领域的基本问题之一[3].谢义炳等曾利用站点观测记录分析了我国的水汽输送场[4].吴国雄、李建平等分别用欧洲数值预报中心(ECMWF)的格点分析资料和NCEP/NCAR 再分析资料[5]计算了纬圈平均大气环流基本图集[6, 7],揭示了纬向平均水汽输送、瞬变涡动和平均气流水汽输送通量的空间分布特征.

我国中东部大部分地区都位于东亚季风区[8, 9].东亚季风的异常总是伴随水汽输送异常并导致大范围旱涝分布的变化[10, 11].已经有大量研究涉及水汽输送与中国降水异常及副热带干旱等问题[12, 13].通常,严重的洪涝灾害均与水汽输送异常密切关联.例如,丁一汇等的研究发现1998年我国南方的大暴雨同大尺度水汽辐合密切相关[14].中国地域辽阔,地形和下垫面极为复杂,不同区域降水的水汽来源不同并随季节变化[15],水汽输送存在明显的区域特征[16, 17].黄荣辉等还发现东亚季风和南亚季风的水汽输送型存在明显差异[18].可见区域气候降水型和气候平均水汽输送型之间存在一定联系.这属于区域气候形成的科学问题,相关研究尚显不足.要研究区域气候降水的形成机理,必须研究气候平均水汽输送的动力学,这必然涉及瞬变涡动动力学问题[19],迄今相关的研究并不多见.此外,区域气候降水形成机理中可能隐含着区域气候变异机理的相关信息,对于研究区域气候异常机制无疑是有启发的.本文拟用欧洲数值预报中心(ECMWF)的再分析资料ERA-40[20]计算对流层气候平均水汽输送场并进行分解分析,研究平均气流和瞬变涡动水汽输送的季节特征及其同降水气候型之间的配置关系,分析区域气候降水差异及其形成的可能动力学原因.在此基础上提出研究区域降水异常机理的新方法.下文中的第2节介绍数据和计算方法;第3节给出季节水汽输送气候特征;第4 节对水汽输送进行分解分析;第5 节展示水汽散度与降水的配置关系;第6节为水汽散度分解分析;第7 节是1998年案例;最后是结论.

2 数据和计算方法

本文计算1971-2000 年气候平均对流层整层水汽输送(MT)及其散度.计算中使用的比湿、可降水量和水平风场均取自ERA-40逐日再分析资料数据集[20],分辨率为2.5°×2.5°经纬度.降水资料来源于全球降水气候中心(GPCC)的月平均数据集[21],分辨率为0.5°×0.5°经纬度.考虑到大气水汽含量在300hPa以上已经很少,在计算对流层单位时间通过单位宽度截面水汽输送垂直积分时,积分上界只取到300hPa(记为P300).月平均对流层纬向和径向水汽输送分别定义为

(1)

(2)

其中q为空气比湿,uv分别为水平风速的纬向和经向分量,Ps 表示地面气压,g为重力加速度.积分号内的“-"表示月平均,P为气压.水汽输送公式(1)和(2)可以进一步分解为

(3)

(4)

(3) (4)式中A表示月平均,A′=A-AA的瞬变涡动部分,表示环流背景场上移动性波动或扰动引起的A的变化.(3)、(4)两式右端第一项分别表示对流层平均气流水汽输送的纬向和经向分量,第二项为对流层瞬变涡动水汽输送纬向和经向分量,两项之和构成对流层水汽输送.事实上平均气流水汽输送可进一步分解为平均经圈环流输送和定常涡动输送两部分.考虑中国大陆所处纬度范围,前者的贡献较弱,可以忽略不计.因此下文中约定平均气流水汽输送也表示定常涡动水汽输送,在东亚夏季风期间就表示夏季风或简称季风水汽输送.

对流层月平均水汽输送散度用(5)式计算:

(5)

其中a为地球半径;λφ分别为经度和纬度,单位为rad.水汽输送及其散度单位分别为kg·m-1·s-1和kg·s-1·m-2.本文计算气候平均的平均气流水汽输送(MMT)和瞬变涡动水汽输送(EMT)散度也均由(5)式计算,只不过将其中的QuQv用相应的MMT 或EMT 分量替换.水汽散度用大气科学专用软件GraDS计算.

3 气候平均水汽输送

中国东部位于东亚季风区,水汽输送存在明显的季节差异.计算出的1971-2000年MT 显示,中国的水汽主要有三个来源,即西风带、西南方的孟加拉湾或印度洋、以及中国的南海和西太平洋.它们构成了影响中国降水的三条主要水汽输送带.夏季三条水汽输送带都达到全年最强(图 1b),与夏季风伴随的两支南方水汽输送带交汇于中国东部,导致该地上空大气水汽含量迅速增大,是中国东部夏季降水的主要水汽来源.夏季西风带水汽输送同北上的季风水汽输送带交汇于中国西北东部、华北及东北东南部等地区.冬季只有来自孟加拉湾的西南水汽输送带较强,但其影响范围仅限于我国华南沿海和西南地区,其他两条水汽输送带均很弱(图 1d).这支西南水汽输送带与青藏高原南侧西风带绕流有关,并同东亚南下的干冷冬季风交汇于江南和长江上游等地区,造成当地降水多于其他地区.

图 1 1971-2000年平均对流层季节水汽输送(kg·m-1·s-1)与大气可降水量(mm) (a)春季;(b)夏季;(c)秋季;(d)冬季. Fig. 1 Climate-mean precipitable water(mm) and Integrated moisture transport(kg·m-1·s-1) in troposphere for 1971-2000 (a) Spring; (b)Summer; (c)Autumn; (d)Winter.

春、秋两季水汽输送场存在差异.春季在青藏高原南侧存在明显的绕流水汽输送带(图 1a),但秋季仅存一条来自孟加拉湾的水汽输送带(图 1c).这可能同大气环流冬季型与夏季型建立(突变)时间不对称有关.叶笃正等在1950年代就提出6月和10月大气环流突变的模式[22],平均而言,6月青藏高原南侧的西风绕流才撤到北边.因此春季一直存在绕流西风,构成西南水汽输送带(图 1a),而秋季,直到10月高原南侧的绕流西风才得以重新建立.在气候平均的秋季风场上高原南侧绕流西风并不明显(图略).由于夏季型环流10 月突变后的水汽输送要小于突变前,这可能是秋季青藏高原南侧没有明显绕流水汽输送带的原因之一.事实上秋季来自孟加拉湾的水汽输送带是南海向西水汽输送带与来自热带印度洋的水汽流在孟加拉湾北部汇合形成的.春季除了来自西南的水汽输送外还存在来自南海的水汽输送,二者北上同西风带交汇于江南和长江流域;而秋季水汽主要来自孟加拉湾,中国大陆上的西南水汽输送带较春季偏南,只到达我国的西南和江南等地.春季北方水汽输送主要呈东西向,而秋季有更多的偏北分量.这可能是造成中国东部春、秋季节降水场不对称的原因之一.

4 水汽输送分解

水汽输送分解的两个分量,即MMT 与EMT具有完全不同的气候特征.计算结果显示,在东亚MMT 比EMT 大一个量级,前者(图略)与MT(图 1)非常接近.夏季,在中国东部季风区MMT 有最大的向北分量(图 2c),说明夏季风向北的水汽输送最强,其余季节它均以向东输送为主.在东亚四个季节的EMT主要向北输送水汽,其最大输送轴随季节南北移动,夏季偏北(图 2a),冬季偏南(图 2b).这显然同风暴路径或行星锋区的季节性南进北退有关.此外,春秋两季的MMT 或EMT 之间也存在明显差异(图略).

向北的水汽输送强弱直接关系到我国北方的旱涝.尽管EMT 比MMT 小一个量级,但前者对中国北方的降水却有着重要作用.原因是前者在中高纬度一年四季都是恒定向北的水汽输送(图 2a,2b)并同一次次降水过程直接关联.而MMT 主要提供水汽输送背景场,其经向分量随平均风的季节变化而变化,夏季风期间在中国东部有很强的向北输送分量,几乎覆盖了整个东亚季风区(图 2c),但在其他季节其经向分量在中高纬度均指向南,仅在较低纬度有向北分量.例如,冬季除了西南地区外MMT 几乎都向南输送水汽(图 2d),这与东亚冬季风盛行有关.相反,冬季在中国东部EMT 向北的水汽输送很强,最大经向输送分量出现在长江及其以南地区(图 2d).因此,瞬变涡动是非夏季风控制区向北水汽输送的主要承担者.这里所说季风区或季风大致可以定义为东亚季节平均水汽输送存在向北分量的区域.其余为非季风控制区,包括西北内陆干旱区.显然MMT 在东亚属于定常波水汽输送,在季风控制区表示季风水汽输送.季风和西风带定常波的变化都会导致MMT 异常.天气尺度涡动水汽输送应该是EMT 的主要部分,其季节性差异既同瞬变涡动频度及强度有关,也与背景大气水汽含量关联.因此,EMT 异常可以有不同的原因,可以是背景大气水汽含量变化,也可以是瞬变涡动强度或频度变化.

图 2 1971-2000年平均对流层大气可降水量(mm)和水汽输送(kg·m-1·s-1) (a,b)分别为夏季和冬季平均可降水量及瞬变涡动水汽输送;(c,d)分别为夏季和冬季平均气流(蓝线)和瞬变涡动(黑线)水汽输送经向分量. Fig. 2 1971-2000 climate mean transient moisture transport (kg·m-1·s-1)and precipitable water (mm) for summer (a)and winter (b),and south-north conponents of the moisture transports made by trans ienteddy (black line)and monthly mean wind (blue line)for summer (c)and winter(d),respectively
5 水汽散度与降水配置

气候平均降水的区域差异主要同大尺度水汽输送散度分布有关.冬、夏两季东亚降水及水汽散度的差异最大,对应于最大降水区域分布的不同.图 1b显示,夏季风向北输送大量水汽,其北界甚至扩展到华北和东北北部.在中国东部季风区大部都是水汽辐合区,对应于亚洲同纬度降水较大的区域(图 3b).在西北内陆干旱区多为水汽辐散,降水稀少.此外,在南亚、东南亚、朝鲜半岛和日本都是水汽辐合区.冬季的东亚水汽辐合区最小,局限于江南等地,对应于中国最大的降水中心,其他大部分地区都呈现水汽辐散(图 3d),降水稀少.

春、秋两季中国南方较大尺度水汽辐合区也对应于最大降水区.春季的水汽辐合区位于淮河及河套以南地区(图 3a),秋季仅限于河套以南和西南、江南等地,其余都是水汽辐散区(图 3c).春季的水汽辐合区面积大于秋季,水汽辐合也更强,降水量也大于秋季.这同春、秋两季对流层水汽输送差异是对应的(见图 1a,1c).因此,季节性降水最多的区域对应于大尺度水汽辐合区,降水稀少的区域对应于水汽的辐散区,降水居中区域位于从水汽辐合区到辐散区的过渡带.这表明大尺度水汽的辐散和辐合分布大致决定了东亚气候平均降水的地理分布.此外,从图 3可以发现中国西部降水稀少区也存在水汽辐合区,这可能同复杂地形对大尺度水汽散度计算的影响有关.

图 3 1971-2000年气候平均对流层季节水汽输送散度(10-5kg·s-1·m-2)与降水量(mm) (a)春季;(b)夏季;(c)秋季;(d)冬季. Fig. 3 Climate-mean precipitation (mm)and integrated moisture transport divergence(10-5kg·s-1·m-2)of troposphere for1971-2000 (a)Spring; (b)Summer; (c)Autumn; (d)Winter.

注意到季节平均降水场中一些较小尺度的降水极值区或降水带并没有同大尺度水汽的辐合辐散中心对应.如夏季江淮梅雨带等.其原因之一是降水场分辨率远高于所用再分析资料,其次是夏季局地对流旺盛且多台风或短时集中暴雨等,非均匀下垫面和地形对降水的影响会更明显.其他季节局地对流性降水较弱,降水场同大尺度水汽散度场应有较好的对应关系.例如,冬季的水汽辐合中心同降水极大中心几乎重合.此外,季节内降水分布的时空不均匀性也是造成季节平均水汽辐合中心偏离降水中心的原因之一,这在春秋两季可能更明显些.我们也比较了气候平均月降水量与月平均水汽散度场(图略),二者的对应关系均好于季节平均.

水汽辐合是降水发生的必要条件.注意到图 3中的水汽辐散区也有降水,不过一般降水量相对较小.但在秋、冬季节位于较强水汽辐散区的朝鲜半岛图 3 和日本也都有很强的降水.其原因是季节或月平均水汽输送散度大于零并不意味着有降水而没有水汽辐合,降水发生时必有水汽辐合,只不过是在一个季节内平均的水汽散度大于零.这涉及降水形成的动力过程,需要对水汽输送散度也进行分解.

6 水汽散度分解

气候平均水汽输送散度亦可以分解为MMT 和EMT 散度两部分加以研究.计算结果表明,在中国大部分地区MMT 散度比EMT 大,但位相相反(见图 4).这与一些前人的研究结果类似[23, 24].比较图 3图 4a,4c,4e,4g可知,MMT 决定了MT 散度的主要空间分布特征,其辐合区对应于大尺度降水的大值区,辐散区对应于降水相对小的区域.这表明东亚气候降水分布主要是由气候平均大气环流水汽输送的辐合辐散分布决定.

图 4 1971-2000年平均气流(左)和瞬变涡动(右)水汽输送散度(10-5kg·s-1·m-2)和季节降水量(mm) (a,b)春季;(c,d)夏季;(e,f)秋季;(g,h)冬季. Fig. 4 Climate-mean precipitation (mm)and integrated moisture transport divergence(10-5kg·s-1·m-2)of troposphere for1971-2000;Left pannel for MMT;right pannel for EMT (a,b)Spring; (c,d)Summer; (e,f)Autumn; (g,h)Winter.

夏季MMT 在中国东部季风区呈现强的水汽辐合,对应于从云贵高原到东北的西南-东北走向季风区降水带(图 4c);其辐散区位于降水稀少的西北内陆干旱区.相反,EMT 的辐散区主要位于东亚季风区内,对季风区水汽辐合起抑制作用,但其作用小于MMT(图 4d).EMT 辐合区域主要在北方,两个大的辐合中心分别位于新疆北部和内蒙古中部,它是内陆干旱区降水水汽的主要供给者.图 4c图 3b的相像表明,夏季风决定了中国东部水汽散度的主要特征,从而也决定了中国东部大尺度气候降水的空间分布.因为,一般夏季或夏季风期间的降水在中高纬度占全年降水量的比重较大[23].

夏季在内陆干旱区大部MMT 的散度为正,EMT 的为负,说明EMT 在该区制造水汽辐合,是该区降水水汽的主要提供者.而MMT 导致水汽辐散,抑制降水,是西北内陆干旱区形成的大气环流背景.此外,夏季在朝鲜半岛的MMT 和EMT 都制造水汽辐合,二者对降水都是正贡献,但前者的贡献更大.但在日本MMT 制造水汽辐合,EMT 导致水汽辐散,前者的作用远大于后者.因此季风也是日本和朝鲜半岛夏季降水水汽的主要提供者.注意到孟加拉湾北部和我国华南沿海分别存在一个EMT 辐合中心,这可能同热带扰动或热带风暴活动有关.在非季风季节,中高纬度MMT 可视为定常波水汽输送,其辐合区主要位于淮河以南(见图 4a,4e,4g).从夏到冬,MMT 辐合区域逐渐缩小,到冬季仅限于江南地区.相反,从夏到冬EMT 的辐合区面积扩大,冬季占据了中国中、东部大部分地区,甚至扩展到江南东部和华南沿海(图 4h).这说明从夏到冬EMT 对全国降水的重要性在逐渐增强.伴随MMT 辐合减弱和EMT 辐合的增强,二者辐合的重叠区域也在增加.例如,在冬季江南的降水中心上空存在MMT 和EMT 辐合的重叠区域(图 4g,4h),二者的量级相当,说明二者对该区域降水都有重要贡献.图 4g中的散度大于零区域大致勾画出冬季风控制区.但这个区域又对应于EMT 的辐合区,最大辐合中心在朝鲜半岛和日本,说明瞬变涡动是东亚冬季风盛行区降水的制造者.

春、秋两季MMT 散度在北方多为正,EMT 多为负(图 4a,4b,4e,4f),表明后者也是春秋季节中国北方降水水汽的主要提供者.在MMT 散度由负到正过渡的江淮流域,瞬变涡动与定常波水汽输送散度量级接近,存在同位相叠加区域,对降水都有重要贡献.同MT 散度分布(图 3)类似,春季的东亚MMT 辐合区域大于秋季,但EMT 的辐合区面积小于秋季,即秋季EMT 对降水有正贡献,面积大于春季.

MMT 和EMT 影响东亚季风区降水的机制可以从天气学角度加以解释.季风区降水主要集中在汛期,冷空气活动全年最弱,降水持续性强,对流性降水所占比重高.强的冷空气活动会中断季风降水.例如江淮梅雨期间需要不断扩散南下的弱冷空气以维持梅雨锋的弱斜压性,一旦有较强冷空气入侵就会中断梅雨降水,造成水汽辐散.而对北方内陆干旱区,季风水汽输送很难到达,气候平均大气环流又导致水汽辐散,因而只能靠外来的瞬变涡动或南下的冷空气活动.瞬变涡动一方面输运和聚集沿途水汽,为天气尺度系统和当地对流性降水提供水汽条件,同时也提供天气尺度的辐合动力上升运动.因此在某种意义上,EMT 表示动力水汽输送.在季风和非季风区的过渡带这两种水汽输送气机制对降水都很重要,北方冷空气与季风暖湿气流的相互作用是半干旱过渡带降水的重要机制之一.其实,东亚气候降水格局就是在季风/定常波同瞬变涡动或冷空气活动的相互抑制与竞争中形成的.在大部分区域它们的作用相反,在有些区域作用相同.不同区域,不同季节二者的相对重要性不一样,因而构成影响区域降水的主要因子也不同.据此可以从区域气候降水的形成机理推测降水异常的可能原因.下一节结合1998年案例作一剖析.

7 1998年案例

东亚降水异常的内在机制可以通过水汽输送散度的分解分析加以研究.1998 夏季长江流域、东北的嫩江和松花江等流域都发生了自1954 年以来的最大洪水[14].降水距平显示在亚洲存在一个带状大尺度降水异常型(见图 5a).从青藏高原东侧到长江、淮河流域及东北两江流域的降水都明显偏多.从华北南部到西北是一条降水偏少带;华南和华东沿海降水明显偏少.在亚洲南部存在一条从巴基斯坦、印度北部到菲律宾和中国台湾的大尺度降水偏少带.计算表明与这些带状降水异常型对应的是大尺度水汽散度的异常型.中国降水明显偏多的区域都位于大尺度水汽输送异常(MTA)辐合带的中心区域;中国北方和副热带的降水明显偏少带都位于MTA 辐散带中.新疆西部和北部降水略偏多,对应于弱的MTA 辐合.计算出的1998年夏季对流层平均气流水汽输送距平(MMTA)散度(图 5b)表明,在中国其幅度几乎都明显大于瞬变涡动水汽输送异常(EMTA)散度(图 5d),其分布非常类似大尺度MTA 散度异常型(图 4b),说明MMTA 是MTA散度的主要贡献者.由此可知,1998 年中国东部降水异常是大尺度季风异常水汽辐合造成.这同丁一汇等的研究结果一致[14].

图 5 1998年东亚夏季异常水汽输送距平散度(10-5kg·s-1·m-2)和降水距平(mm) (a)MTA;(b)MMTA;(c)EMTA. Fig. 5 Anomalous rainfall (mm) and integrated moisture transport divergence(10-5kg·s-1·m-2)in the summer,1998

比较图 5a-5c可以发现,尽管EMTA 在降水异常多的区域同MMTA 位相相反,削弱了季风的水汽辐合,但在中国北方区域性降水偏少带却同MMTA 位相相同且幅度相当,二者都导致水汽辐散,对降水减少有明显贡献.与此相反,它在副热带降水偏少带EMTA 位相同MMTA 相反,削弱了大尺度气流的水汽辐散作用.另外,EMTA 在华北南部、长江下游和东南沿海都呈现大的辐散,其绝对值超过MMTA 的水汽辐合,导致当地水汽辐散,降水异常偏少.在新疆北部EMTA 也呈现辐散,但不足以抵消MMTA 的水汽辐合作用,综合作用造成新疆降水增加.其机制可能是天气过程变少,但过程降水强度增加,或对流性降水增强.MMTA 与EMTA水汽辐合的重叠区域出现在环渤海湾和黄淮下游,对当地降水增加都有正贡献.

在明确了造成区域降水异常的主要分量后可以据此进一步研究引起大尺度季风异常或瞬变涡动异常的物理因子,从而找到区域降水异常的物理原因.例如,季风的异常往往同大尺度海温异常有关,而瞬变涡动水汽散度异常同大气内部热力结构的变化及大气准定常波异常相关联.

8 结论

综上所述,气候平均对流层水汽输送及其散度存在明显季节变化.夏季有最大向北季风水汽输送,冬季多转为向南输送.水汽辐合区主要在我国南方,对应于湿润多雨气候,辐散区在北方,对应于干旱半干旱气候带.分解分析表明,一般MMT 都比EMT大一个量级,前者决定了总水汽输送及其散度的基本空间分布特征,其中散度分布呈北正南负型;EMT 散度位相与MMT 相反,即EMT 对MMT 水汽辐合/辐散起抑制作用.夏季风期间的降水分布主要由MMT 及其散度决定.在非季风控制区,一般MMT 制造水汽辐散,对降水是抑制作用;而EMT制造水汽辐合.因此,瞬变涡动是西北内陆干旱区降水水汽的主要贡献者.从夏到冬瞬变涡动的水汽辐合范围扩大,相对重要性增强.与此同时MMT 的水汽辐合区缩小,到冬季仅局限于江南等地,造成冬季东亚干燥少雨的气候.因此,MMT 是夏季东亚降水水汽的主要提供者,而EMT 成为冬半年的主角.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.1998年案例揭示,夏季风水汽输送异常是造成长江、松花江和嫩江流域罕见大洪水的主要原因.其中瞬变涡动抑制季风水汽辐合,但作用较小;在北方降水偏少带上,二者均造成水汽辐散.据此还可以进一步分析大尺度季风或瞬变涡动异常的物理机理.此外,水汽输送及其散度分布可能同大气环流动力、热力结构有关,需要进一步研究.

参考文献
[1] Lawford R G, Stewart R, Roads J, et al. Advancing global-and continental-scale hydrometeorology: Contributions of the GEWEX Hydrometeorology Panel (GHP). Bull. Amer. Meteor. Soc. , 2004, 85(12): 1917-1930. DOI:10.1175/BAMS-85-12-1917
[2] 叶笃正, 朱抱真. 大气环流的若干基本问题. 北京: 科学出版社, 1957 : 119 -122. Yeh T C, Chu P C. Some Fundamental Problems of the General Circulation of Atmosphere (in Chinese). Beijing: Science Press, 1957 : 119 -122.
[3] Peixoto J P, Oort A H. Physics of Climate (in Chinese). Wu G X, Liu H, et al Trans, Beijing: Meteorological Press, 1995 : 213 -239.
[4] 谢义炳, 戴武杰. 中国东部地区夏季水汽输送个例计算. 气象学报 , 1959, 30(2): 171–185. Xie Y B, Dai W J. A case study of summer moisture transport in the east of China. Acta Meteorologica Sinica (in Chinese) (in Chinese) , 1959, 30(2): 171-185.
[5] Kalnay E, Kanamitsu M, Kistler R, et al. The NCEP/NCAR 40-year reanalysis project. Bull. Amer. Meteor. Soc. , 1996, 77(3): 437-470. DOI:10.1175/1520-0477(1996)077<0437:TNYRP>2.0.CO;2
[6] 吴国雄, 刘还珠. 全球大气环流时间平均统计图集. 北京: 气象出版社, 1987 : 212 . Wu G X, Liu H Z. Global Time-Statistic Patterns of Atmospheric General Circulation (in Chinese). Beijing: Meteorological Press, 1987 : 212 .
[7] 李建平. 全球大气环流气候图集I.气候平均态. 北京: 气象出版社, 2001 : 279 . Li J P. Global Climate Statistics of Atmospheric General Circulation (in Chinese). Beijing: Meteorological Press, 2001 : 279 .
[8] Tao S Y, Chen K X. A review of recent research on the East Asian summer monsoon in China. In: Chang C P, Krishnamurti T N, eds. Monsoon Meteorology. New York: Oxford Univ. Press, 1987 : 60 -92.
[9] Wang H J. The weakening of Asian monsoon circulation after the end of 1970's. Adv. Atmos. Sci. , 2001, 18(3): 376-386. DOI:10.1007/BF02919316
[10] Zhang R H. Relations of water vapor transport from India monsoon with that over East Asia and summer rainfall in China. Adv. Atmos. Sci. , 2001, 18(5): 1005-1017.
[11] Dai X G, Wang P, Zhang P Q, et al. Rainfall in North China and its possible mechanism analysis. Progress in Natural Sciences , 2004, 14(7): 598-604. DOI:10.1080/10020070412331344011
[12] Zhou T J, Yu R C. Atmospheric water vapor transport associated with typical anomalous summer rainfall patterns in China.Journal of Geophysical Research, 2005, 110: D08104, doi: 10.1029/2004JD005413 http://cn.bing.com/academic/profile?id=1976300365&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn
[13] 吴国雄. 大气水汽的输送和收支及其对副热带干旱的影响. 大气科学 , 1990, 14(1): 53–63. Wu G X. The impact of atmospheric moisture transport and balance on subtropical drought. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese) (in Chinese) , 1990, 14(1): 53-63.
[14] 丁一汇, 胡国权. 1998年中国大洪水时期的水汽收支研究. 气象学报 , 2003, 61(2): 129–145. Ding Y H, Hu G Q. A study on water vapor budget over China during the 1998 severe flood periods. Acta Meteorologica Sinica (in Chinese) (in Chinese) , 2003, 61(2): 129-145.
[15] Dai X G, Li W J, Ma Z G, et al. Water-vapor source shift of Xinjiang region during the recent twenty years. Progress in Natural Science , 2007, 17(5): 42-48.
[16] 王可丽, 江灏, 赵红岩. 西风带与季风对中国西北地区的水汽输送. 水科学进展 , 2005, 16(3): 432–438. Wang K L, Jiang H, Zhao H Y. Atmospheric water vapor transport from westerly and monsoon over the Northwest China. Advance in Water Science (in Chinese) (in Chinese) , 2005, 16(3): 432-438.
[17] 马京津, 高晓清. 华北地区夏季平均水汽输送通量和轨迹的分析. 高原气象 , 2006, 25(5): 893–899. Ma J J, Gao X Q. The transportation paths of water vapor and its relation to climate change over North China. Plateau Meteorology (in Chinese) (in Chinese) , 2006, 25(5): 893-899.
[18] 黄荣辉, 张振洲, 黄刚, 等. 夏季东亚季风区水汽输送特征及其与南亚季风区水汽输送的差别. 大气科学 , 1998, 22(4): 460–469. Huang R H, Zhang Z Z, Huang G, et al. Characteristics of the water vapor transport in East Asian monsoon region and its difference from that in South Asian monsoon region in summer. Chinese Journal of Atmospheric Science (Scientia Atmospherica Sinica) (in Chinese) (in Chinese) , 1998, 22(4): 460-469.
[19] Hoskins B, Pearce R. Large-Scale Dynamical Processes in the Atmosphere. London: Academic Press, 1983 : 127 -230.
[20] Uppala S M, Kllberg P W, Simmons A J, et al. The ERA-40 reanalysis. Quart. J. Roy. Meteor. Soc. , 2005, 131: 2961-3012. DOI:10.1256/qj.04.176
[21] Beck C, Grieser J, Rudolf B. A new monthly precipitation climatology for the global land areas for the period 1951 to 2000. DWD, Klimastatusbericht 2004. 2005. 181-190
[22] Yeh T C, Tao S Y, Li M C. The abrupt change of circulation over the Northern Hemisphere during June and October. In: Bolin B, ed. The Atmosphere and the Sea in Motion (Scientific Contributions to the Rossby Memorial Volume). New York: Rockefeller Institute Press, 1959. 249-267
[23] Simmonds I, Bi D H, Hope P. Atmospheric water vapor flux and its association with rainfall over China in summer. J. Climate , 1999, 12(5): 1353-1367. DOI:10.1175/1520-0442(1999)012<1353:AWVFAI>2.0.CO;2
[24] 伊兰, 陶诗言. 定常波和瞬变波在亚洲季风区大气水分循环中的作用. 气象学报 , 1997, 55(5): 533–544. Yi L, Tao S Y. Role of the standing and the transient eddies in atmospheric water cycle in the Asian monsoon region. Acta Meteorologica Sinica (in Chinese) (in Chinese) , 1997, 55(5): 533-544.