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地球物理通讯，VOL. 30, NO. 24, 2266, doi:10.1029/2003GL018381, 2003

长江流域夏季降水与春季南半球环状模式的关系

苏兰南

兰州大学资源与环境学院大气科学系，中国兰州LASG，中国科学院大气物理研究所，北京

李建平

中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG），中国北京

2003年8月11日收到;2003年10月27日修订;2003年11月12日接受;2003年12月23日出版。

1. 本研究统计检验了中国1951 - 2001年春季（4月-5月）南半球环流模式（SAM）与随后夏季（6月 - 8月）降水的关系。北方春季SAM指数（SAMI）与随后的长江中下游夏季降水呈显著正相关。东亚夏季大尺度大气环流异常也与北方春季SAMI事件有关。北方春季强烈的SAM伴随着东亚夏季季风的减弱，西太平洋副热带高压（WPSH）的增强和向西扩张，以及垂直上升速度，比湿度和水汽通量辐合的增加。这些情况为长江流域中下游地区夏季降水增加提供了必要的环流和水汽条件，反之亦然。北方春季SAM变化为预测长江中下游夏季降水提供了潜在的有价值信号。INDEX TERMS: 3309 Meteorology and Atmospheric Dynamics: Climatology (1620);3349 Meteorology and Atmospheric Dynamics: Polar meteorology; 3354 Meteorology and Atmospheric Dynamics: Precipitation (1854). Citation: Nan, S., and J. Li, The relationship between the summer precipitation in the Yangtze River valley and the boreal spring Southern Hemisphere annular mode, Geophys. Res.Lett., 30(24), 2266, doi:10.1029/2003GL018381,2003.

引言

1. 早在20世纪20年代后期，沃克[1928]就指出，横跨智利与阿根廷的海平面高压带与威德尔海和贝林斯豪森海的低压区之间存在着跷跷板。从那时起，许多研究[Kidson, 1975; Rogers and van Loon, 1982; Gong and Wang, 1999; Thompson and Wallace, 2000]已经开展，以提供明确的证据，即温带南半球（SH）海平面气压（SLP）异常的主导经验正交函数（EOF）变化模式以环状结构为特征，称为SH环形模式（SAM）。它涉及南极地区和中纬度地区SLP中的纬向对称跷跷板，因此SAM也被称为南极涛动（AAO）

版权所有2003年美国地球物理联盟.

0094-8276/03/2003GL018381

[Gong and Wang，1999; Thompson and Wallace,2000]。目前，人们越来越关注SAM的结构和特征以及SAM对SH中高纬度地区气候的影响[Thompson and Wallace，2000; Mo, 2000; Clare et al.,2002; Hall and Visbeck，2002]，而不是SAM和北半球（NH）大气环流之间的联系以及SAM对NH气候的影响。在本文中，我们将研究三个变量之间的可能关系：春季SAM，长江流域的夏季降水和东亚夏季风。

1. 本研究中使用的主要数据集包括国家环境预测中心/国家大气研究中心（NCEP / NCAR）再分析资料[Kalnay et al.,1996]（1958 - 2000），中国160个台站月降水量数据（1951 - 2001年），东亚夏季季风指数[Li and Zeng,2002]（1948-2000）和SAM指数（SAMI）（1948-2001），其定义为40°S和70°S之间的归一化月区域平均SLP的差异。该SAMI是由Gong和Wang [1999]定义的AAO指数的修改，其是40°S和65°S之间的归一化区域平均SLP的差异。这里使用修改的SAMI，因为40°S和70°S之间的纬向平均SLP异常的负相关性强于40°S和65°S之间的负相关。本文的春季和夏季分别定义为4月-5月和6月-8月，是指北方的春季和夏季。

结果

1. 图1a显示了春季（4月至5月）SAMI与中国夏季（6月至8月）降水之间的滞后相关图。长江流域中下游地区存在显著正相关的区域，这意味着流域上游（下游）正常夏季降水与强（弱）春季SAM相关。如果用图1a中显著相关区域内的10个台站的平均降水量来表示该区域的降水指数（以下简称YRRI），夏季YRRI的变化与春季SAMI的变化一致，如图1b所示。它们之间的相关系数为0.49，在99.9%置信水平下显著。在图1b中，还有一些长期变化的信号。在消除线性趋势后，两个指数之间仍然存在良好关系，相关系数为

CLM 4 -- 1

CLM 4 - 2 NAN AND LI: RELATION BETWEEN PRECIPITATION AND SAM

主要SVD模式的春季SH SLP模式的特征是SAM的特征，在南极上空显著负相关，在SH中纬度上空显著正相关（图2，左图）。中国夏季降水模式为主导SVD模式，在长江流域中下游呈现出强烈的相关性（图2，右图）。这些模式意味着强春季SAM将伴随着长江中下游地区夏季降水的增加，反之亦然。结果与图1的结论一致，进一步证实了春季SAM与长江中下游夏季降水的强正相关关系。因此，春季SAM的强度可以作为长江流域中下游夏季降水的预测指标。

图1.（a）1951年至2001年期间中国春季（4月-5月）SAMI和夏季（6月-8月）降水量之间的相关性。在95％置信水平下显著的正（负）相关系数是阴影暗（浅）。轮廓间隔为0.1。

（b）长江中下游地区春季SAMI（实线）和夏季降水指数YRRI（虚线）的归一化时间序列。

夏季YRRI的变化与春季SAMI的变化一致，如图1b所示。它们之间的相关系数为0.49，在99.9％置信水平下显著。在图1b中，还有一些长期变化的信号。在消除线性趋势后，两个指数之间仍然存在良好关系，相关系数为0.34，在98％置信水平下显着。此外，从1951年到2001年，在SAMI值大于指数标准偏差的九个春季SAM年中，有八年夏季YRRI呈正异常，而在SAMI值小于指数负标准偏差的九个春季SAM年中，那么有九年夏季YRRI呈负异常。这些结果表明，当前一个北方春季SAM处于正相时，长江中下游夏季降水趋于高于正常水平，反之亦然。

1. 为了阐明春天SAM与长江流域接下来的夏季降水

之间的关系，对10°S南极区域的春季SH SLP和随后的中国夏季降水进行奇异值分解（SVD）分析[Overland and Preisendorfer，1982;Wallace等，1992]。第一种SVD模式如图2所示，占协方差总平方的51％（高于噪声水平）。

进一步分析

1. 图3显示了早期定义的强春季和弱春季SAM年间亚洲夏季850hPa风复合体的差异。在东亚，有一个强烈的异常反气旋，其中心位于蒙古高原上空，而黄海上空的异常旋风较弱，且强烈异常中国东部的东北风。

图2.春季SH SLP异常的主要SVD模式为10°S以南和中国的夏季降水。上面是均匀相关模式，下面是异构相关模式。在95％置信水平下，正（负）相关系数显著的区域是暗（浅）阴影。左侧面板中的纬线从边缘处的10°S开始，每隔20度。相应的扩展系数之间的时间相关系数是0.81，这在95％置信水平以上是显著的。

NAN AND LI: RELATION BETWEEN PRECIPITATION AND SAM CLM 4 - 3

这表明高（低）春季SAMI情况往往伴随着弱化（强化）的东亚夏季风，这为长江流域夏季降水增加（减少）提供了基本的环流背景[Zhao and Zhang, 1996; Shi et al., 1996]。此外，在热带地区，从180°E到南亚的10°-20°N之间的地带普遍存在广泛的异常东风，并转向索马里上空的异常东北风（图3）。此外，南海夏季风指数[Li and Zeng，2002,2003]与春季SAMI呈负相关（它们之间的相关系数为0.32，高于95％置信水平）。这些结果表明，对应强烈的春季SAM事件，随后的夏季热带西南季风趋于较弱，这也是导致长江中下游夏季降水增加的环流条件之一。 [Zhang and Tao，1998]，反之亦然。

-

1. 与春季SAM形势相对应的东亚夏季500hPa位势

高度组合（未示出）显示出比正常情况更强的西太平洋副热带高压（WPSH），其西部边缘位于其气候位置以西约10度。这些条件有助于长江中下游地区降水的增加[Chen and Wu，1998;Wu等，2002]。弱春季SAM阶段带来了与上述相反的条件。

1. 前一年春季高SAMI和低SAMI之间夏季垂直速度（图4a-4b）和比湿（图4c-4d）的复合差异垂直剖面显示，对于强春季SAM年，长江中下游地区对流层中下层夏季的垂直上升速度和比湿都显著提高，增加了山谷的降水量。此外，从对应于强春季SAM年和弱春季SAM年的夏季水汽通量散度的复合图（未示出）

图3.夏季850hPa水平风场（ms^-1）在春季高和低SAMI年之间的复合差异，在文中定义。

图4.夏季垂直速度（a）和（b）（10^-3 Pa s^-1）和春季高、低SAMI年间的比湿（c）和（d）（g kg^-1）之间的复合差异。上面板（a，c）是25°-32.5°N之间的经度-压力横截面。下面板（b，d）是110°-120°E之间的纬度-压力横截面。阴影区域中的值在95％t检验置信水平下是显著的。

中可以发现，高春季SAM合成图的特点是长江中下游地区夏季水汽通量强辐合，反之亦然。因此，对应于强春季SAM的东亚夏季情况往往具有较强的垂直速度，比湿和水汽通量在长江流域的汇合，为该地区的降水增加提供了基本的水汽条件，反之亦然。

讨论

1. 本文的结果表明，长江中下游春季SAM与随后夏季降水呈显着正相关。当春季SAM强于正常时，东亚夏季风减弱，WPSH增强并向西扩展。此外，如果SAM在春季较强，那么在接下来的夏季，长江中下游地区的垂直上升速度，比湿度和水汽通量辐合趋于增强。这些情况为长江中下游地区降水增加提供了显著的大尺度环流背景和水汽条件。相反的情况对应于弱春季SAM。因此，春季SAM强度有望为预测长江中下游夏季降水提供潜在的有价值信号。然而，它们之间关系的决定机制仍然是悬而未决的问题，需要在未来进一步探索。
2. 致谢。这项工作得到了CAS项目（ZKCX2-SW-210），NOAA北极研究室和国家自然科学基金项目（40275025,40221503）的共同支持。

CLM 4 - 4 NAN AND LI: RELATION BETWEEN PRECIPITATION AND SAM

参考文献

Clare, G. R., B. B. Fitzharris, T. J. H. Chinn, and M. J. Salinger, Interannual

variation in end-of-summer snowlines of the Southern Alps of New

Zealand, and relationships with Southern Hemisphere atmospheric circulation

and sea surface temperature patterns, Int. J. Climatol., 22, 107–

120, 2002.

Chen, L. T., and R. G. Wu, Relationship between summer rainbelt patterns

in the Eastern China and 500 hPa circulation anomalies over the Northern

Hemisphere, Sci. Atmos. Sinica, 22, 849– 857, 1998.

Gong, D. Y., and S. W. Wang, Definition of Antarctic oscillation index,

Geophys. Res. Lett., 26, 459–462, 1999.

Hall, A., and M. Visbeck, Synchronous variability in the Southern Hemisphere

atmosphere, sea ice, and ocean resulting from the annular mode,

J. Climate, 15, 3043– 3057, 2002.

Kalnay, E., et al., The NCEP/NCAR 40-year reanalysis project, Bull Am.

Meteorol. Soc., 7

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