中國西南地區5 月降水與阿拉伯海季風關系的年代際變化

經皓童 孫建奇 于水 華維

1 成都信息工程大學大氣科學學院，成都 610225

2 中國科學院大氣物理研究所竺可楨—南森國際研究中心，北京 100029

3 中國科學院大學，北京 100049

1 引言

中國西南地區地形復雜，山脈縱橫，溝谷遍布，地勢落差巨大。該地區地質板塊活動頻繁，生態環境脆弱，極易發生由降水導致的山洪、滑坡、泥石流等地質次生災害（李永華等, 2012b; 馬潔華等,2019）。2016 年夏季四川、云南省多縣的累計日降水量達到100～200 mm，西南地區發生特大洪澇災害，農田被毀、房屋倒塌，交通、通訊、電力等設施中斷，給當地造成非常嚴重的經濟損失和較大的社會影響。因此加強對西南地區降水的研究對于該地區的防災減災工作極為重要。

西南地區雨季為5～9 月，降水主要集中在夏季6～8 月，它的變異機制復雜，受到多個氣候因子影響。在夏季6～8 月，南亞夏季風和東亞夏季風共同影響了西南東部地區的降水。南亞夏季風和東亞夏季風同時增強時，從孟加拉灣和南海向西南東部地區輸送大量的水汽，該地區降水增多；二者同時減弱時，該地區位于異常氣旋式環流的西緣，偏干的北風異常不利于該地區降水發生（桓玉和李躍清, 2018）。作為南亞夏季風的重要成員，對流層低層位于阿拉伯海和孟加拉灣地區的季風環流向中國西南地區輸送大量水汽，其中一支氣流沿東北向直接到達西南地區，另一支則向東到達南海地區后折向北到達西南地區東部（Zhang, 2001; Huang and Cui, 2015; 楊柳等, 2018）。阿拉伯海和孟加拉灣地區也因此成為西南地區夏季降水的重要水汽源地（Huang and Cui, 2015）。

鄰近青藏高原的熱力作用可以影響西南地區的大氣環流，進而影響到西南地區的降水異常（趙平和陳隆勛, 2001; 劉新等, 2002; 陳忠明等, 2003; 周浩等, 2010; 李永華等, 2011）。南亞高壓作為對流層上部強大的大氣活動中心，其面積、強度、脊線位置等都與西南地區的降水有著緊密聯系。當夏季南亞高壓位置偏北（偏南）時，有利于出現西南地區夏季降水偏少（偏多）的環流形勢；6 月南亞高壓的面積變大、強度增強、脊線東移有利于西南地區降水的發生，而8 月伴隨著南亞高壓的增強和東伸，西南地區降水有所減弱（杜銀和謝志清, 2002;李永華等, 2012b; 魏維等, 2012; Wei et al., 2015）。南亞高壓還可與西太平洋副熱帶高壓（簡稱西太副高）耦合影響西南地區夏季的旱澇變化，第31 候南亞高壓東脊點與西太副高西脊點之間的經距相比前一年經距的差異越大，我國西南地區（尤其是中、東部地區）夏季降水偏多（張宇等, 2013）。

除了大氣環流外，海溫異常也是影響西南雨季降水的重要因子。例如，熱帶太平洋和印度洋海溫異常通過影響Walker 環流和局地Hadley 環流可以顯著影響西南地區夏季降水（唐佑民等, 1997; 馬振鋒和譚友邦, 2004; 鮑媛媛等, 2007; 李永華等,2012a; Liu et al., 2018; Wang et al., 2018）。北大西洋海溫異常，如三極子海溫異常模態，能夠激發出向下游傳播的Rossby 波列進而影響西南地區降水（Zuo et al., 2013; Li et al., 2018）。

5 月是西南地區雨季開始的時期，降水在這旱季—雨季過渡時期的變化尤為劇烈（秦劍等, 1997;Cao et al., 2017）；同時5 月是該地區大春作物的關鍵生育階段，因此研究5 月降水的變異機理能夠為當地農業生產提供科學指導（琚建華和李絢麗,1999; Wang and LinHo, 2002）。但目前針對西南地區5 月降水變異機制的研究仍然較少。已有的不多研究主要關注了南亞地區熱力異常（Cao et al.,2017）、歐亞中高緯遙相關（Deng et al., 2016）和ENSO（楊亞力等, 2011）等因子對西南地區部分省市5 月降水的影響。

阿拉伯海季風通常于5 月增強爆發。伴隨著阿拉伯海季風的增強爆發，阿拉伯海和孟加拉灣上空的異常氣旋性環流東擴，印度洋上西風異常增強，青藏高原南部地區水汽輸送和上升運動增強，降水增加（朱敏和張銘, 2006; Xiang and Wang, 2013;Liu et al., 2019）。那么阿拉伯海季風異常與5 月西南地區降水的聯系如何？這個問題目前關注不夠，需要開展深入研究，以增強對西南地區5 月降水變異機理的認識。

2 資料

與前人研究區域一致（羅玉等, 2015），本文中西南地區（21°～34°N，97°～110°E）包括云南省、四川省、貴州省和重慶市。降水資料為中國氣象局發布的839 個臺站的逐日觀測降水數據。在這839 個臺站中，有117 個位于西南地區。由于西南地區大部分站點資料起始于1960 年，故選用1960～2017 年的5 月降水數據進行研究。考慮到數據缺測的影響，我們選取了缺測數據長度占總時間長度小于5%的站點，并利用站點其他年份同一天降水量的平均值對缺測值進行了插補。最后得到115 個有效站點，站點分布如圖1 所示。

圖1 中國西南地區115 個站點分布Fig. 1 Locations of the 115 observation stations across Southwest China

本文采用的大氣環流資料是日本氣象廳發布的55 年再分析資料集（Japanese 55-year Reanalysis,JRA-55）（Kobayashi et al., 2015）。該資料的水平分辨率為1.25°×1.25°，垂直方向為37 層，本文分析的氣象要素主要包括位勢高度、水平風、垂直速度、比濕和可降水量。

3 西南地區5 月降水的主導模態及其與阿拉伯海季風的關系

圖2 是對中國西南地區5 月降水進行經驗正交函數（Empirical Orthogonal Function, EOF）分解得到的第一模態（EOF1）及其時間序列（principal component, PC1）。EOF1 基本呈現出降水異常的全區一致型分布，降水變率最大位于云南，這與西南地區5 月降水氣候態空間分布型極為相似（圖略）。PC1 顯示，西南地區降水的主導模態呈現出很強的年際變化，說明該地區5 月降水呈現出明顯的旱澇變化特征。PC1 與西南地區區域平均降水序列的相關系數為0.82，進一步表明全區一致型的變化特征是西南地區5 月降水的主要特征。在后續研究中，我們將主要基于西南地區區域平均的降水指數（Regional Precipitation Index, RPI）開展研究。

圖2 1960～2017 年西南地區5 月降水的（a）EOF1 模態及其對應的（b）PC1 時間序列（柱狀）和RPI 時間序列（折線）Fig. 2 (a) The first mode of EOF (Empirical Orthogonal Function) and (b) the time series of corresponding principal component (PC1, bars) and RPI(Regional Precipitation Index, curve) of precipitation in May over Southwest China during 1960-2017

本論文中阿拉伯海季風指數（Arabian Sea Monsoon Index, ASMI）的定義與Xiang and Wang（2013）一致，為850 hPa 緯向西風在（5°～15°N，50°～75°E）的區域平均。1960～2017 年，阿拉伯海季風與西南地區5 月降水存在聯系，ASMI 和西南地區RPI 的相關系數為0.39，通過99%信度水平的顯著性檢驗（表1）。為了進一步檢驗兩者關系的穩定性，我們計算了ASMI 和西南地區RPI的21 年滑動相關。可以看出，二者的關系在20 世紀70 年代后期發生年代際變化，之后兩者關系顯著增強（圖3a）。此外，23 年（圖3b）和19 年（圖3c）年滑動檢驗的結果表明，阿拉伯海季風與西南地區5 月降水關系的年代際轉折幾乎不受滑動窗口長度的影響。因此，我們將整個時段劃分為1960～1976 年和1981～2017 年兩個時段作進一步的研究。結果顯示，在1981～2017 年，兩個指數相關系數為0.55，通過99%信度水平的顯著性檢驗；而在1960～1976 年，二者的相關系數僅為-0.39，并不顯著。以上結果表明，在20 世紀70年代末之后，阿拉伯海季風與西南地區5 月降水存在密切聯系。

圖3 1960～2017 年ASMI 和RPI 的（a）21 年、（b）23 年、（c）19 年滑動相關系數。黑色虛線表示99%信度水平線Fig. 3 Sliding correlation coefficients between ASMI and RPI with windows of (a) 21, (b) 23, (c) 19 years. The dashed lines indicate 99% confidence level

表1 RPI 與ASMI 在各時段的相關系數Table 1 The correlation coefficients between RPI(Regional Precipitation Index) and ASMI (Arabian Sea Monsoon Index) in each period

從ASMI 回歸的降水空間場上也可以發現，1960～1976 年與ASMI 相關的西南地區5 月降水異常分布正負相間，總體較弱（圖4a）。但在1981～2017 年，幾乎整個西南地區5 月降水異常都為正值，顯著區位于四川省西南部和整個云南?。▓D4b），該分布與西南地區降水EOF1 的空間分布相一致。這進一步說明，在20 世紀70 年代末之后，阿拉伯海季風成為影響西南地區5 月降水的一個重要因素。

圖4 標準化的ASMI 回歸的（a）1960～1976 和（b）1981～2017 西南地區5 月降水異常場（單位：mm d-1）。打點區域表示降水異常場通過95%信度水平的顯著性檢驗Fig. 4 Precipitation anomalies (units: mm d-1) in May over Southwest China regressed onto standardized ASMI during (a) 1960-1976 and(b) 1981-2017. The dotted areas indicate anomalies passing test at the 95% confidence level

4 阿拉伯海季風異常影響西南5 月降水的物理過程

第3 節的結果顯示，阿拉伯海季風與中國西南地區5 月降水的關系存在年代際變化。在本節，我們將分析阿拉伯海季風在兩個時段所對應的環流異常，來研究其影響西南地區5 月降水的物理過程。

圖5 中給出了5 月阿拉伯海季風在不同時期所對應的環流異常。可以看到，在1960～1976 年，當阿拉伯海季風在5 月偏強時，北半球副熱帶印度洋上空為負位勢高度異常（圖5a、b），尤其以低層700 hPa 最為明顯。同時，西亞上空為顯著的位勢高度正異常，與印度洋上的位勢高度負異常構成南—北向的偶極型環流異常模態；西太副高也傾向于偏西、偏南，對西南地區的影響較大，而印緬槽處于阿拉伯海季風和西太副高的過渡區，印緬槽附近的位勢高度異常較弱。在1981～2017 年，當阿拉伯海季風偏強時，它伴隨著更大尺度的大氣環流異常，顯著的負位勢高度異常占據了整個北半球副熱帶印度洋到南海區域；西太副高由于受到阿拉伯海季風環流的影響而位置偏東、偏北，印緬槽顯著加深，其環流可以影響到中國西南地區（圖5c、d）。

圖5 標準化的ASMI 回歸的1960～1976 年5 月（a）500 hPa 和（b）700 hPa 位勢高度異常（彩色陰影，單位：gpm）和風場異常（綠色矢量，單位：m s-1）。（c-d）同（a-b），但為1981～2017 年的回歸結果。打點區域（綠色矢量）表示位勢高度（風場）異常通過95%信度水平的顯著性檢驗Fig. 5 Geopotential height anomalies (color shadings, units: gpm) and wind anomalies (green vectors, units: m s-1) regressed onto standardized ASMI at (a) 500 hPa and (b) 700 hPa in May during 1960-1976. (c-d) As in (a-b), but for 1981-2017. The dotted areas (green vectors) indicate geopotential height (wind) anomalies passing test at the 95% confidence level

圖6 給出了1981～2017 年西南地區5 月RPI回歸的位勢高度異常?？梢钥吹?，西南地區降水偏多時，在北半球副熱帶印度洋上空存在顯著的位勢高度負異常，同時印緬槽顯著加深。這樣的環流形勢與同時期阿拉伯海季風異常所對應的大氣環流異常非常相似，這也進一步證明阿拉伯海季風是該時期西南地區5 月降水的重要影響因子。

圖6 西南地區5 月標準化的RPI 回歸的1981～2017 年5 月（a）500 hPa 和（b）700 hPa 位勢高度異常（單位：gpm）。打點區域表示異常通過95%信度水平的顯著性檢驗Fig. 6 Geopotential height anomalies (units: gpm) regressed onto standardized RPI at (a) 500 hPa and (b) 700 hPa over Southwest China in May during 1981-2017. The dotted areas indicate anomalies passing test at the 95% confidence level

在1960～1976 年，當阿拉伯海季風偏強時，可降水量異常增多的區域主要集中在阿拉伯海、印度中南部到孟加拉灣部分地區（圖7a）。此時偏強的西風異常主要位于北半球副熱帶西印度洋，并在印度洋上空形成顯著的氣旋性環流異常。阿拉伯海地區的水汽一部分伴隨著氣旋性環流異常向印度西側地區輸送，另一部分水汽繼續向西輸送至孟加拉灣地區（圖7c）。受此影響，顯著的水汽通量散度異常局限在阿拉伯海地區，導致該地區可將水量增多（圖7e）。而在中國西南地區，可降水量與水汽輸送及輻合異常都比較弱，這說明在20 世紀70 年代末之前阿拉伯海季風對西南地區5 月水汽條件的影響較小，進而不會對該地區降水產生顯著影響。

圖7 標準化的ASMI 回歸的（a）1960～1976 年和（b）1981～2017 年5 月可降水量異常（陰影，單位：kg m-2）。（c-d）同（a-b），但為回歸的整層積分水汽通量異常（藍色矢量，單位：kg m-1 s-1）。（e-f）同（a-b），但為回歸的整層積分水汽通量散度異常（陰影，單位：10-5 kg m-2 s-1）。圖a、b、e、f 中的打點區域和圖c、d 中的陰影區域代表異常通過95%信度水平的顯著性檢驗Fig. 7 Precipitable water anomalies (shadings, units: kg m-2) regressed onto standardized ASMI during (a) 1960-1976 and (b) 1981-2017. (c-d) As in (a-b), but for regressed vertical integrated water vapor fluxes anomalies (blue vectors, units: kg m-1 s-1). (e-f) As in (a-b), but for regressed divergence anomalies (shadings, units: 10-5 kg m-2 s-1) of the vertical integrated water vapor fluxes. The dotted areas in Figs. a, b, e, f and shadings in Figs. c, d indicate anomalies passing test at the 95% confidence level

在1981～2017 年，從阿拉伯海到中南半島與中國西南地區都呈現出顯著的可降水量正異常（圖7b）。伴隨著偏強的阿拉伯海季風，從北半球副熱帶西印度洋至海洋性大陸地區存在偏強的西風異常，在孟加拉灣地區盛行異常西南氣流，該氣流向北可延伸至中國西南地區，從而為孟加拉灣和中國西南地區帶來充沛的水汽輸送（圖7d）。在水汽輻合場上也可以看到，孟加拉灣和中國西南地區出現了顯著的水汽輻合（圖7f）。上述研究表明，在20 世紀70 年代末之后，阿拉伯海季風異常所引起的環流變化可以顯著地影響中國西南地區的水汽條件變化，進而對該地區降水的變化產生作用。

對于降水，除了水汽條件外，動力條件也非常重要。為此，我們進一步分析了前、后時期阿拉伯海季風對局地經圈環流的影響。圖8 給出了兩個時段ASMI 回歸的沿95°～105°E 平均的經圈環流異常。可以看到，在1960～1976 年，阿拉伯海季風對西南地區對流層中低層垂直運動的影響較弱，顯著相關的環流異常僅位于對流層上層（圖8a）。但在1981～2017 年，阿拉伯海季風能夠顯著地影響印緬槽，進而影響西南地區對流層整層的垂直運動。當阿拉伯海季風偏強時，印緬槽顯著加深（圖5d），槽前的西南地區上升運動偏強（圖8b），這為西南地區降水的發生提供了重要的動力條件。

圖8 標準化的ASMI 回歸的（a）1960～1976 年和（b）1981～2017 年5 月沿95°～105°E 平均的經圈環流異常（經向風單位：m s-1；垂直速度單位：Pa s-1；垂直速度乘以了-150）。陰影區域表示異常通過95%信度水平的顯著性檢驗Fig. 8 Mean meridional circulation anomalies [meridional wind (units: m s-1), vertical velocity (units: Pa s-1), the vertical velocity is multiplied by-150] along 95°-105°E regressed onto standardized ASMI in May during (a) 1960-1976 and (b) 1981-2017. The shadings indicate anomalies passing test at the 95% confidence level

通過上述的回歸結果可以發現，在1981～2017 年阿拉伯海季風顯著地影響中國西南地區的水汽輸送和垂直運動，從而影響該地區的降水。進一步以ASMI 的時間序列0.75 倍標準差為閾值挑選出阿拉伯海季風的強弱年份，對位勢高度等物理量進行合成分析。可以看到，前后兩個時段的合成結果與ASMI 的回歸結果基本一致（圖9）。在1981 年之后，阿拉伯海季風異常所伴隨的大氣環流異常明顯東伸，可以影響到向中國西南地區的水汽輸送并引起該地區垂直運動的變化，從而可以造成中國西南地區降水的變化。

圖9 （a）1960～1976 和（b）1981～2017 年ASM 強、弱年合成的5 月位勢高度異常（單位：gpm）。（c-d）同（a-b），但為合成的整層積分水汽通量異常（單位：kg m-1 s-1）。（e-f）同（a-b），但為合成的沿95°～105°E 平均的經圈環流異常（經向風單位：m s-1；垂直速度單位：Pa s-1；垂直速度乘以了-150）。圖a、b 中的打點區域和圖c-f 中的陰影區域代表異常通過95%信度水平的顯著性檢驗Fig. 9 Composited geopotential height anomalies (units: gpm) between strong and weak ASM years in May during (a) 1960-1976 and (b)1981-2017. (c-d) As in (a-b), but for composited vertical integrated water vapor fluxes anomalies (units: kg m-1 s-1). (e-f) As in (a-b), but for a composited latitude-pressure cross section of meridional circulation [meridional wind (units: m s-1), vertical velocity (units: Pa s-1), the vertical velocity is multiplied by -150] averaged between 95°E and 105°E. The dotted areas in Figs. a, b and shadings in Figs. c-f indicate anomalies passing test at the 95% confidence level

已有研究顯示，氣候系統變率的增強會增強其氣候影響（Sun and Yuan, 2009）。為此，我們進一步考察了阿拉伯海季風的變率及其與中國西南地區降水關系。圖10 給出了ASMI 的19 年滑動標準差（橫軸）和ASMI 與中國西南地區5 月RPI 的19 年滑動相關系數（縱軸）的散點圖。以橫坐標1.67（ASMI 的0.9 倍標準差）為界，當阿拉伯海季風變率偏弱時，阿拉伯海季風與西南季風降水的關系偏弱，僅有46.2%的滑動窗口對應的相關系數通過95%信度水平的顯著性檢驗。而當阿拉伯海季風變率偏強時，阿拉伯海季風與西南季風降水的關系偏強，有92.6%的滑動窗口對應的相關系數通過95%信度水平的顯著性檢驗。由圖10 可知，ASMI 的變率在20 世紀70 年代后期存在明顯的年代際突變。1960～1976 年對應ASMI 的標準差為1.61，阿拉伯海季風變率偏弱，阿拉伯海季風異常與中國西南地區5 月降水關系較弱。1981～2017年對應ASMI 的標準差為2.00，阿拉伯海季風變率偏強，阿拉伯海季風異常與中國西南地區5 月降水關系顯著增強。因此，在研究阿拉伯海季風與中國西南地區5 月降水的關系時，需要關注季風變率的強弱。

圖10 ASMI 的19 年滑動標準差與ASMI-RPI（ASMI 和中國西南地區5 月RPI）的19 年滑動相關系數的散點圖。橫虛線為95%信度水平對應的相關系數值，豎虛線為1.67。藍色（黃色）圓點代表滑動窗口的中心年份位于1960-1976（1981-2017）年的時段Fig. 10 Scatter plot of 19-year sliding standard deviations of ASMI and 19-year sliding correlation coefficients between ASMI and RPI in May over Southwest China. The horizontal dotted line indicates a significant correlation at the 95% confidence level, and the vertical dotted line is at 1.67. The blue and yellow dots represent the periods with central years in 1960-1976 and 1981-2017, respectively

5 總結與討論

5 月是中國西南地區旱季—雨季的轉折時期，該時期降水異常會顯著地影響當季農事活動（晏紅明等, 2003; 湯陽等, 2013）。本文首先利用EOF 方法提取其變化的主導模態，進而分析它與同期阿拉伯海季風的聯系。EOF 結果表明，西南地區5 月降水第一主導模態表現為全區一致的變化特征，大值中心位于云南地區，這與該地區5 月氣候態降水的空間格局類似。

在過去50 多年，西南地區5 月降水與阿拉伯海季風變異的關系呈現出年代際變化，其中在1960～1976 年二者關系較弱，但在1981～2017 年兩者呈現出顯著的正相關。在1960～1976 年，阿拉伯海季風異常所引起的大氣環流異常主要位于阿拉伯海至孟加拉灣地區；季風異常對中國西南地區的水汽輸送影響較弱，從而與西南地區降水的關系并不緊密。但在1981～2017 年，阿拉伯海季風異常所引起的大氣環流異常能夠從阿拉伯海延伸至中國南海地區，由此在孟加拉引起西南氣流，加強向中國西南地區的水汽輸送。另外，在該時段，阿拉伯海季風異常能夠顯著影響印緬槽，從而在槽前的中國西南地區產生顯著的垂直運動異常。通過對降水相關的動力和水汽條件的影響，阿拉伯海季風能夠在20 世紀70 年代末顯著地影響中國西南地區的5 月降水。

本文進一步初步探討了5 月阿拉伯海季風與中國西南地區降水關系年代際變化的可能原因，發現阿拉伯海季風變率的強弱可能起著重要的作用。當阿拉伯海季風變率偏弱時，它所對應的環流異常主要位于阿拉伯海到孟加拉灣東部地區，因此它對中國西南地區降水的響應偏弱。而當其偏強時，阿拉伯海季風異常能夠導致整個北印度洋到南海地區的大氣環流異常，從而顯著影響地影響中國西南地區的降水。

5 月是亞洲季風區氣候干—濕季節轉換的過渡月份，也是亞洲夏季風爆發的關鍵時期。在該時期，亞洲不同地區的降水變異機制復雜且影響因子較多。在阿拉伯海、印度半島和中南半島等地區，5 月降水的年際變化受到歐洲—西亞遙相關和ENSO 等因素的顯著影響，它們通過對大氣環流異常的調制使得對流層中高層的溫度梯度增強，進而導致北印度洋對流層低層的西風帶增強，有利于南亞5 月降水增多（Deng et al., 2016）。前期冬季太平洋海溫異常對西太平洋副熱帶高壓強度和位置的影響也是造成中國南方5 月降水異常的重要原因（嚴華生等, 2002）。在中國西南地區，5 月作為旱季—雨季的轉折時期，該時期降水異常會顯著地影響當季農事活動。本文揭示了5 月阿拉伯海季風強度與同期中國西南地區降水的關系，未來需要繼續深入開展其他氣候系統對該地區5 月降水的變化影響；此外，除了季風強度，季風爆發早晚對中國西南地區5 月降水存在怎樣的影響也需要做進一步的研究。