厄尔尼诺对世界各地的天气、气候的巨大影响有目共睹，既可以引起冬季澳大利亚北部和南美大部分地区的干旱，又可以引起美国阿拉斯加和加拿大西北地区的夏季高温。厄尔尼诺事件的频繁出现也可以解释为全球变暖引起的恶果之一。Matsuno(1966)和Gill(1980)从理论上对热带地区的海-气相互作用进行了解释，这可以用来理解当厄尔尼诺事件发生时，在赤道东太平洋发生暖水域的上空有一气旋性环流的响应，这一著名的理论使得人们对厄尔尼诺现象影响全球天气的巨大作用有了更加深入的认识。同样，厄尔尼诺对东亚地区的影响也很显著。但是，厄尔尼诺对东亚尤其是中国夏季天气的滞后影响扑溯迷离，虽然此前有不少文章提到厄尔尼诺的同期影响，例如Yang等(2004)。其原因主要在于厄尔尼诺现象是发生在热带地区冬季达到鼎盛的事件，没有一个完整的机制能够解释为什么次年夏季在热带东太平洋暖事件信号变得很弱甚至逆转成冷水的情况下，东亚中纬度环流仍会受到影响。最引人注目的解释来自于Wang等(2000)(简记为：W00)，指出随着厄尔尼诺在冬季的增强，在西太平洋暖池必然形成和赤道东太平洋的暖水域相呼应的冷水域，大气对热带地区的冷水通常会有反气旋式的响应，这种现象被W00称为Matsno-Gill远程效应，由此引发的海-气相互作用使副热带地区菲律宾附近的反气旋增强，并强调这种作用可以持续到次年6月。但这种解释并不能说明ENSO次年夏季副热带高压(简称副高)为什么会异常偏南的观测事实。另一方面，叶笃正等(1996)在国家气候中心长期预报员经验的基础上，给出了厄尔尼诺发生后次年长江流域和东北呈现两条雨带的合成图。Wang等(2001)则根据大多数厄尔尼诺在年底达到强盛这一事实给出了厄尔尼诺年较为严格的定义，并利用滞后相关发现前一年秋冬季节Nino-3区的海温(SST3)和夏季鄂霍次克海(简称鄂海)附近及30°N以南的西太平洋广大海域包括菲律宾附近海域的500 hPa高度场有正的相关。通过这种相关以及1998年个例，得出鄂海附近的阻塞高压(简称阻高)以及菲律宾附近反气旋的发展对东亚大气环流的异常起关键作用。从而解释了这种天气形势会使东亚季风在中国南部加强从而造成包括长江流域以南地区多雨。最近Wang等(2009)发现Nino-3区海温确实和鄂海阻高有滞后的正相关。而且，和鄂海阻高相联系的罗斯贝散射波列对海温产生强烈影响，也同时大大阻碍了副高向北推进。厄尔尼诺现象通过大气桥引起的Matsuno-Gill远程效应以及欧亚大陆中高纬度散射波列的传播形成了东亚大气环流对ENSO的两种响应，从而可能大大影响东亚地区夏季降水趋势。

本文拟在总结以前研究的基础上，通过诊断和数值模拟进一步分析厄尔尼诺事件对东亚中高纬度夏季大气环流的影响，特别是初夏东亚地区环流对ENSO的两种响应及所产生的异常降水。 2 资料和模式介绍 2.1 资 料

观测资料主要源自NCEP/NCAR提供的全球月平均850和500 hPa位势高度场、风矢量场，水平分辨率为2.5°×2.5°，分析时段为1950—1999年的6月。海温场资料来自NOAA气候诊断中心的SST扩展重建资料(NOAA Extended Reconstructed Sea Surface Temperature(SST)V2)，水平网格距为2.0°×2.0°，时段为1950年1月—1999年12月。 2.2 模式介绍

本文采用的是美国国家大气研究中心研制的大气环流模式CAM3.0。该模式是一个全球谱模式，采用三角形谱截断，水平分辨率采用T42，即全球有128×64个格点，需要指出的是经圈方向不同于纬圈，为不等间距的高斯网格点。垂直方向上模式采用混合η坐标，共26层。模式中包含较为完整的云物理参数化、辐射参数化等物理参数化过程。模式还包括了一个完整的陆面模式以及可供选择的海洋模式。本文用数据海洋模式(DOM)运行，以月平均海温和海冰作为初始场驱动大气模式运行。关于模式的详细情况可参见文献(Collins et al，2004)。 3 相关分析

Wang等(2001)做的相关计算表明，秋冬季节的SST3与鄂海附近及热带大部分地区的夏季500 hPa高度场有良好的正相关。下面只就6月进行说明。这是因为6月在被称为夏季的6、7、8月中最靠近前一年的秋、冬季，既考虑到如果发生厄尔尼诺事件时，其滞后影响最先影响到6月，又因为6月是东亚地区梅雨盛行季节，此时鄂海附近的阻高也很活跃。同样，经比较后选取效果最好的11月作为厄尔尼诺的成熟期。从11月的SST3与次年6月的850及500 hPa高度场相关系数分布(图 1)可知，前期赤道东太平洋的海温和对流层中低层高度场的相关存在一定差异。这个差异在中高纬度较小，在低纬度较大，表明中高纬度的斜压性较小而低纬度的较大。值得注意的是无论相关系数有多大差异，相关中心在中、低层和中高纬度都呈类似OKJ类型的波列形式。即在贝加尔湖、鄂海附近以及日本东部海域有+、-、+的相关中心，比较而言，500 hPa更为明显。特别是在鄂海北部的正相关区域已经超过了95％的信度检验。需要说明的是OKJ波列的相干时间尺度一般要短于30 d，所以，在图 1中月尺度相关图中的相关中心不能都超过信度检验。但图 1证明了前期厄尔尼诺事件对鄂海阻高的活跃是正反馈作用。按照Wang(1992)、Wang等(2007)的结论：鄂海阻高的建立本身就伴随着天气尺度OKJ波列的传播。另一方面，低纬度的情形比较单一，在30°N以南基本上都是正的相关区域。在低层从南海经菲律宾到日期变更线附近有一长条很强的超过95％信度的正相关区域，日期变更线以西可看到最大相关系数超过0.5，这种情形在500 hPa更加显著，不过在500 hPa上菲律宾附近并没有大相关系数中心，强相关中心还在日期变更线以西，相关系数超过0.6。图 2为强厄尔尼诺事件的次年6月500 hPa高度场以及波活动通量水平分量的合成(包括1964、1973、1983、1988和1998年)。厄尔尼诺年的选取是根据美国气候预报中心(CPC)网站提供的海洋尼诺指数(ONI)来划分的。水平波活动通量采用Plumb(1985)提供的公式，具体计算步骤也可参照Wang等(1994)的文献。从图中可以看到在鄂海附近有一强大的高压脊，阿拉斯加附近为一深槽，向东南传播的波活动通量主要从高压脊中心伸向北太平洋中部日期变更线附近，在北太平洋上空形成强有力的散射状能量传播。正是这种强烈的从中高纬度向低纬度传播的能量使得副高主体被抑制在较南的地区，加上菲律宾附近反气旋的加强造成中国南方降水偏多(Wang et al，2009)。

图 1 11月SST3与次年6月850(a)和500 hPa高度场的相关系数分布(彩色区为相关性超过0.05显著性t检验的区域)Fig. 1 Distributions of the correlation coefficients between the November SST3 and the geopotential height at 850 hPa(a) and 500 hPa(b)(the shaded areas indicate the correlation is over 95% confidence level by t-test)

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图 2 强厄尔尼诺事件的次年6月500 hPa高度场以及波活动通量水平矢量的分布(黑色拱形曲线表示OKJ 波列的传播路径)Fig. 2 Composite 500 hPa height and HWAF fields for the months of June of the ensuing years of strong El Niño years(The thick arch line indicates the OKJ propagation route. The line of 5880 gpm is in bold and the contour interval is 40 gpm)

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W00利用1个热带大气模式和1个大气环流模式，模拟了冬季厄尔尼诺成熟期海-气相互作用带来的影响，得出菲律宾附近冷水对当地影响及与热带东太平洋上暖水的遥相关影响会在菲律宾附近海域催生出反气旋的结论，还强调这种影响有时候会持续到夏季。其他不少观测分析也证实了冬季厄尔尼诺年菲律宾海附近异常反气旋的存在(Wang et al，2002)。本文先用CAM3.0自带的初始场进行20 a积分，再选取模式第16—20年这5个模式年不同初始场进行积分，积分时段为9月1日—次年6月30日。然后讨论这5个不同大气初始场积分结果的平均值。并且，将每组试验的正、负海温异常事件强迫结果的差作为正位相海温异常事件强迫下的500和850 hPa流场的响应情况。其中，在赤道太平洋区域10°S—10°N内加入的正位相海温异常值是由厄尔尼诺事件强度较大的年份(1965、1972、1982、1987、1997年)合成得到的9月—次年6月的海温异常值，负位相海温异常值是由拉尼娜事件强度较大的年份(1964、1971、1975、1984、1988年)合成得到的9月—次年6月的海温异常值。图 3为暖事件的各月海温异常分布。图 4和图 5分别是9月—次年6月的暖事件强迫减去冷事件强迫得到的850和500 hPa的高度差值场，图 6、7和图 4、5类似，但强迫积分只到次年4月30日，5—6月都是用海温的气候值来代替，由于前期和图 4、5相同，图 6、7只分别给出了5—6月的850和500 hPa的高度差值场。由图可见菲律宾附近的正距平在次年1和3月最为清楚，在低层有>10 gpm的正距平，其他月份虽然是正值，但都很小。而对于5—6月在积分过程中有异常海温强迫和没有的情况有些相反，图 4、5表明，5—6月菲律宾附近为负高度异常，而图 6、7却为微弱正的高度异常。值得注意的是6月在高纬度鄂海附近无论有无海温强迫都为正的高度异常，但是一直有海温强迫的(图 4)在上下游还存在类似波列状的距平中心。至于为什么5—6月菲律宾附近的正高度偏差不能被很好地模拟出来，图 3中的海温异常分布可以很简单的解释这点，即暖事件次年6月菲律宾附近是暖异常，而冷事件的却为冷异常。对应暖事件的5月虽然在菲律宾附近有微弱冷水异常但对应暖事件的却也是冷水异常，所以说菲律宾附近是否是冷水直接左右了模拟的结果。

图 3 暖事件合成的9月—次年6月各月海温异常(单位：℃)的分布(a．9月，b．10月，c．11月，d．12月，e．次年1月，f．次年2月，g．次年3月，h．次年4月，i．次年5月，j．次年6月)Fig. 3 Composite monthly SST anomalies(unit: ℃)for the positive events from September to June of the next year(a. September，b. October，c. November，d. December，e. January of next year，f. February of next year，g. March of next year，h. April of next year，i. May of next year，j. June of next year)

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图 4 将9月—次年6月的暖事件和冷事件海温异常逐月加入到模式中进行积分得出各月(a—j. 9月到次年6月)暖冷强迫的500 hPa高度场的差(等值线间隔为10 gpm)Fig. 4 500 hPa height differences from September to June(a-j)of the next year between the simulated 500 hPa height for warm SST anomalies，which is imposed from September to June of the next year，respectively，and the simulated 500 hPa height for cool SST anomalies，which is imposed from September to June of the next year，respectively(Contour intervals are 10 gpm)

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图 5 同图 4，但为850 hPa位势高度场之差(等值线间隔为10 gpm)Fig. 5 Same as Fig. 4 but for 850 hPa height anomalies(Contour intervals are 10 gpm)

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图 6 同图 4，只是将5—6月的海温强迫值改变成气候值得出的500 hPa高度差值场(a. 5月，b. 6月)Fig. 6 Similar to Fig. 4 except for the climatic mean instead of the SST forcing for May(a) and June(b)

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图 7 同图 6，但为850 hPa位势高度差值场Fig. 7 Same as Fig. 6 but for 850 hPa height anomalies(Contour intervals are 10 gpm)

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利用CAM3.0还模拟了近50年最大的ENSO事件1997/1998年理想的海温异常值时的影响情况。在海温强迫场的1997年9月—1998年6月均加入与实际相同的海温异常值，9月中心最大异常+3.7℃(图 8)，其他月份海温异常最大值依次递减0.5℃。从模式年的9月1日开始积分，积分时间为10个月至次年7月。 图 9为积分至6月的敏感性试验减去气候值的500 hPa高度距平、850 hPa流场以及降水强度距平分布。可见前期理想形式的强厄尔尼诺在次年6月产生的大气环流变化的效应和合成厄尔尼诺产生的效应相仿，只不过850 hPa菲律宾附近的反气旋环流更加明显些，500 hPa有明显的类似OKJ类型波列状距平中心，而降水强度距平场在长江流域以南有明显的正距平。

图 8 模式中加入类似1997/1998年9月的赤道东太平洋正海温异常分布(单位：℃)Fig. 8 Sketch map of the imposed positive SST anomalies in September as is shown based on that during 1997/1998 over the tropical Eastern Pacific(unit: ℃)

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图 9 1997/1998年海温异常强迫从9月开始加入直到次年6月时模拟得到的6月(a)500 hPa高度距平(单位：gpm)、(b)850 hPa风矢量距平(单位：m/s)以及(c)降水强度距平分布(单位：mm/d)Fig. 9 Effects of the imposed SST anomlies from September 1997 to June 1998 on 500 hPa height anomalies(a)(unit: gpm)，850 hPa anomalous winds(b)(unit: m/s) and precipitation anomalies(c)(unit: mm/d)in the June

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众所周知，在赤道外北太平洋上存在海温的年代际变化，这种年代际变化和全球气候增暖密切相关，Timmermann等(1999)的数值模拟证明全球变暖导致厄尔尼诺现象近年来频繁出现，极端气候事件的发生呈上升趋势。11月SST3的年际变化(图 10)基本对应于ENSO事件成熟期Nino-3区海温距平达到最大的月份，图中线性趋势线显示在近60年中有0.5℃上升，在1973年以后有3个非常醒目的峰值点，为了量化这一现象特取1973年为关键年，可见其前后存在显著的变化。1973年前后的标准偏差分别为0.96和1.21，表明1973年以后海温变化的振幅明显加大，这样的年代际变化显然和全球变暖有同步的趋向。图 11为6月500 hPa高度场在(50°—70°N，130°—150°E)以及850 hPa高度场在(10°—15°N，122.5°—135°E)区域平均的时间序列。前者的平均可以视为和鄂海高压有关的高度场变化指数(OK-HI)，后者为和菲律宾反气旋有关的高度场变化指数(PHI-HI)。可见500和850 hPa高度场在将近60年的时间里也都有线性上升的趋势，其中850 hPa高度场在近年来的变化幅度明显加大，这种变化也和全球变暖的趋势吻合。图 12为6月区域(20°—30°N，110°—120°E)和(30°—40°N，110°—120°E)降水的年际变化。前者代表中国南方降水，后者代表北方降水。可见20世纪50—60年代南方降水较多，此后有所减少，到70年代末达到最少之后有明显的上升趋势，而北方降水在20世纪50年代较多，此后减少并维持在一定的水平，70年代末到20世纪末有明显的下降趋势，这与Ding等(2008)、王绍武等(2002)的结论相同。对照鄂海高压指数和菲律宾反气旋指数的变化可知，东亚环流和降水在50 a中有着不同的年代际变化规律，但是，从70年代末以来的变化规律是一致的。Wang等(2009)发现前一年11月SST3与次年6月的鄂海高压指数的相关有着不同年代际变化，在1963年以前有很好的负相关，其后有很好的正相关。这说明了东亚夏季环流的年代际变化的复杂性。表 1为上述4个指数之间的相关系数。南北降水之间没有任何相关，北方降水和两个系统没有显著的相关。但是，两个系统之间存在显著相关，而且，长年的相关超过了0.01信度检验标准。此外，南方降水和两个系统基本上存在着显著相关，值得注意的是它和鄂海高压指数的关系在近年来得到增强，而和菲律宾反气旋指数的相关近年来反而减弱。

图 10 1950—1999年11月SST3的年际变化Fig. 10 Evolution of the SST3 in November for the period 1950-1999

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图 11 1950—1999年6月(50°—70°N，130°—150°E)区域平均500 hPa 位势高度场(蓝色实线)和(10°—15°N，122.5°—135°E)区域平均850 hPa位势高度场(红色实线)的时间序列Fig. 11 Evolution of the OK-HI(area averaged June 500 hPa over(50-70°N，130-150°E))(the blue line) and the PHI-HI(area averaged June 850 hPa over(10°-15°N，122.5°-135°E))(the red line)for the period 1950-1999

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图 12 1950—1999年逐年6月江南(20°—30°N，110°—120°E)和江北(30°—40°N，110°—120°E)区域平均降水的年际变化Fig. 12 Evolution of the area averaged June rainfall over(20°-30°N，110°-120°E))(the blue line) and the area averaged June rainfall over(30°-40°N，110°-120°E))(the red line)for the period 1950-1999

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通过对前期厄尔尼诺气候效应模拟以及资料分析发现，强厄尔尼诺在冬季达到鼎盛后通过两条途径对东亚夏季天气产生影响：Matsno-Gill模态的远程效应，使得菲律宾异常反气旋依靠滞后作用得以持续有利于副高向西异常伸展；沿60°N中高纬度向东传播的定常罗斯贝波列在鄂海附近折向东南在北太平洋日期变更线以西形成大范围的散射波活动通量，可能抑制了副热带高压向北推进。这两种作用都制约着西太平洋副高的活动，总体使副高偏西偏南。但是，两方面的效应有各自的特点。首先菲律宾反气旋的生成是自始至终伴随着厄尔尼诺的发生和消亡，而随着鄂海阻高的发展连带的北太平洋向东南传播的定常波能量只是在6月发生，这是很大的区别。Wang(1992)和Wang等(2009)指出，6月有这样特定类型的环流特征源自中高纬度地区的海陆地形分布，即春夏之交的6月海陆温差最大，这样由于前年秋季厄尔尼诺激发太平洋北美型定常波的发展使得半球范围内的行星尺度扰动增强，至6月这种因太平洋北美型发展形成的内部滞后扰动在强的海陆温差下形成相对固定的OKJ类型的定常波，由此衍生的在北太平洋日期变更线以西的强散射波活动通量通过海-气相互作用制约了副高的活动。在对菲律宾反气旋的模拟过程中和观测结果有一些差异。这表现在异常强迫如果积分到5月时改用海温的气候平均值能够勉强看到5—6月在菲律宾附近有微弱的正高度距平，但如果继续用真实的合成海温场进行5—6月的强迫，菲律宾附近会出现负的高度距平，因为当地的海温是正的。与此同时6月在中高纬度明显存在着OKJ类波列与实况基本吻合，这意味着CAM3.0模式对菲律宾当地的海温变化比较敏感。相反只强调强的前期厄尔尼诺作用也能得出次年6月的OKJ类波列和菲律宾附近低层较强的反气旋环流。这与W00的结论吻合即远程效应给予菲律宾反气旋的贡献不容忽视。不过单单从模拟的角度来说似乎更容易再现中高纬度OKJ类波列，而且，伴随着中国南方降水的正距平。

中国的降水和东亚地区环流系统存在着复杂的年代际变化关系(Ding et al，2008，2009)，南方降水和鄂海阻高以及菲律宾反气旋指数的良好正相关说明了两个系统对中国南方旱涝都起着重要的作用，近年来鄂海阻高的存在对中国降水的影响尤为显著。6月北旱南涝具有类似的年代际变化，但南涝和北旱没有显著相关反而与Nino-3区的前一年11月海温有很好的相关关系，其年代际变化基本同步。这意味着全球变暖引起的ENSO频繁发生和中国南方多雨密切相关。

研究结论如下：

(1)气候模拟证明前期冬季厄尔尼诺达到强盛后对东亚初夏的环流有明显的影响，表现在低层菲律宾附近异常反气旋环流的增强和中高纬度OKJ类波列的活跃。后者更容易被模拟出来。这两种环流方面的影响都能在资料中被检测出来。当这两种异常环流的发展被模拟出来时，长江以南地区的多雨状态也能够被模拟出来。这表明厄尔尼诺发生后，它对夏季风的发生发展有滞后作用。这可加强向中国南方的水汽输送，但到6月由于OKJ波列的发展使波活动通量在北太平洋中西部产生大面积强烈散射使副高偏南，因而又抑制夏季风的进一步向北推进，从而只停留在长江及其以南地区，是致使南多北少降水格局发生的原因之一。

(2)中国南方降水多寡受到鄂海高压及菲律宾反气旋共同强烈影响，两者任何一方加强时南方降水增多，反之亦然。近年来受鄂海高压的影响更为突出，鄂海高压、南北方降水、厄尔尼诺事件以及菲律宾反气旋都存在相近似但又各自不同的年代际变化规律，显示了对气候变暖的不同响应。