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东亚副热带高空西风急流是影响中国乃至整个东亚地区天气的重要系统之一,其位置移动、分布形态和强度变化与东亚大气环流季节调整以及中国大部分地区雨季起讫密切相关。本文利用NCEP/NCAR再分析资料、中国740站逐日降水观测资料和徐群定义的描述长江中下游地区梅雨特征的参数,分析了东亚副热带西风急流的时空分布特征,重点研究了东亚副热带西风急流东西向位置变化、分布形态和强度差异对中国东部降水的影响,得到以下结论:
1.东亚副热带西风急流的时空变化特征及急流中心强度长期变化趋势
在季节尺度上,东亚副热带高空西风急流中心存在明显的经向、纬向移动和强度变化;其中夏季东亚副热带西风急流位置和强度变化最为显著,夏季东亚副热带西风急流位置东西向的变化幅度远大于南北向的变化幅度。夏季7～8月东亚副热带西风急流中心位置在1975～1980年间出现转折,在其前20年间急流位置偏北,且维持在80～100°E之间,覆盖范围较小;而在1980年后急流增强,自此以后急流中心逐渐向西移动并伴随着西风急流中心向南偏移。利用线性倾向估计法对区域平均西风风速的长期变化进行定量分析,结果表明1948-2007年夏季中高纬度东亚副热带西风急流所在区域(70°-110°E,30°-50°N)的纬向风风速有显著增强趋势,尤其以中国华北地区到日本海附近增加速率最大。利用Mann-Kendall趋势方法分析东亚副热带西风急流中心风速的变化趋势发现,自上世纪50年代末以来,6、7、8月及夏季区域平均西风风速有增强趋势,其中60年代本世纪初为西风风速显著增强的时期(通过0.05信度检验)。因此纬向风的长期变化对该区域西风急流中心强度、位置产生了重要影响。
2.中国东部夏季降水的气候趋势特征及江淮梅雨起讫的空间差异
使用EOF方法对1951-2007年全国夏季及夏季6、7、8月降水量距平进行经验正交函数展开,结果发现夏季和夏季各月降水量距平第一模态特征向量高值中心所在位置的空间差异显著。其中6月降水量距平第一模态空间分布的明显特征为全区同号,第一模态特征值高值区位于长江以南附近地区(25°-35°N),第一模态对应的时间系数变化曲线有明显的年际变化。夏季7月降水量距平第一特征向量场在25°N以南地区和35°N以北地区为正,其中东南沿海为正的高值区,长江流域(25°-35°N)为负的高值中心,其值在-0.3以下,这表明7月降水量主要变化地区位于长江流域附近及其以北地区。8月降水量距平第一特征向量在26°N附近南北两侧地区第一特征向量符号相反,第一特征向量高值区位于东南沿海地区。夏季总降水量距平第一特征向量在25°N以南地区为负,以北地区为正,其中以长江流域为高值中心,尤其是114°E-118°E区域,这表明夏季25°N以南地区降水量减少,25°N以北地区降水量增加。此外,对降水量变化趋势特征分析表明,6月降水量在中国江淮地区和江南地区均有不同程度的增加;而在华南北部地区和云贵高原地区,降水量有减少趋势。7月降水量在长江以南地区降水量呈增加趋势,而以北地区为减少趋势。8月降水量在江南地区和华南地区显著增加,云贵高原东部、华北地区、东北地区及其黄河上中游附近地区呈显著的减少趋势。
江淮地区梅雨起讫时间空间差异比较显著,入梅日期在江淮之间主要表现为南北差异,而江南地区则为东西向差异。出梅日期则主要为东西向差异,且差异较入梅日期小。因此,入出梅日期的气候平均态空间差异主要表现为入梅日期的空间变化。江淮地区入出梅日期年际变化的大小位置正好相反,即入梅日期年际变化是南小北大,而出梅日期则为南大北小。入出梅日期均方差高低值区空间分布差异显著。江淮地区平均入梅日期的早晚及其位置具有明显的年代际变化特征,江淮地区平均入梅时间在60年代偏晚,在80年代偏早。江淮地区平均出梅日期在50-60年代随纬度增加而增加;70年代到至今平均出梅日期空间差异较小,且70年代梅雨结束偏早,80年代梅雨结束偏晚。江淮地区入出梅日期异常所对应的高低空环流均具有较好的一致性,即入出梅日期偏早(偏晚)时,副热带高压脊线位置偏北(偏南),南压高压偏北(偏南),其强度偏强(偏弱),东亚高空西风急流位置偏北(偏南),急流强度偏弱(偏强)。
3.东亚副热带西风急流东西向位置变化对中国东部夏季异常降水的影响
梅雨期间东亚副热带西风急流位置和形态变化对梅雨期强降水的空间位置和雨量多寡有重要影响。梅雨期东亚大陆上空急流强度持续维持、西太平洋上空急流核分裂直至出梅后消失是这一时期200hPa西风急流东西向变化的主要特征,梅雨期200hPa副热带西风急流中心呈现显著的东西向位置变化,急流中心强度、位置和形态变化的东西分界线与海陆分界线大致相同,表现出显著的海陆分布形态差异。梅雨期间急流东西(海陆)形态分布差异影响到长江中下游地区降水集中区域的空间分布和降水中心强度。当急流出现西太平洋上空时,在长江下游地区存在一个显著的强降水集中区域。梅雨期间,当东亚高空西风急流主体呈显著的西太平洋分布型态时,高低空急流在急流入口区耦合形成较强的辐合上升运动,在充足的水汽供应下,有利于在长江下游地区形成集中的强降水区域,表明梅雨期间高空西风急流位置偏东(位于西太平洋上空),高低空急流耦合是有利于梅雨期间降水偏多的高空环流形势。夏季7～8月东亚副热带西风急流位置和形态在1975～1980年间出现转折,在其前20年间急流位置偏北,且维持在80～100°E之间,覆盖范围较小;而在1980年前后急流增强,自此以后急流中心逐渐向西移动的同时伴随着西风急流中心向南偏移。与此同时,华北地区夏季降水量呈现明显年代际变化特征,1951～2004年华北夏季降水有显著减小的趋势,特别是1980年以来,华北雨季降水量和降水强度明显减弱,雨季开始推迟、雨季长度变短。而长江中下游地区则相反,梅雨降水量和降水强度增加,入梅提前,梅雨期延长。这表明1980年以来夏季中国东部形成南涝北旱的降水分布形势与夏季7～8月东亚副热带西风急流位置和形态在1975～1980年间出现转折的时间基本一致。
1957～1964年华北地区为典型多雨时期,西风急流呈纬向分布,在华北地区有高低空急流耦合,强的辐合上升运动区刚好处于华北地区,并有充足的水汽条件供应,使得华北地区降水增加而长江流域及以南地区少雨。而1980～1987和1997～2002年华北地区为典型少雨时期,1980～1987年间急流中心位置偏南和1997～2002年急流位置显著偏西,在华北地区均无高低空急流耦合的环流形势。华北典型少雨时期(1980～1987、1997～2002年)的高空环流形势表明:东亚副热带西风急流位置与华北夏季降水多寡的对应关系不仅仅体现在急流中心的南北向移动(1980～1987年),而且急流位置显著西移同样能形成华北地区少雨的高层环流形势(1997～2002年)。因而,在讨论急流位置与华北地区夏季降水异常的关系时不仅要考虑急流南北变化,还需要分析急流的东西位置和形态的变化。长江中下游地区初夏降水量异常偏多时(例如1992-1999年),西太平洋上空的西风急流呈西南-东北走向,同时副热带西风急流轴线位置异常偏南;强辐合上升区位于在29°N附近,水汽辐合区位于长江流域附近及以南地区,有利于华南.江南地区及长江流域附近降水增加。而降水量异常偏少时偏少年(例如1956-1963年),西太平洋上空无西风急流,并且副热带西风急流轴线位置异常偏北;有高低空急流耦合。强的辐合上升区位于在35°N附近,江淮-华北地区有充足的水汽供应,有利于在此处产生降水。这表明中国东部北涝南旱或南涝北旱的降水分布形势与高空西风急流强度和位置、高低空急流耦合、中低层水汽输送及垂直环流有着密切联系。