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20世纪90年代中期以来东北亚夏季地表气温的年代际变化

摘要：本文研究了自20世纪90年代中期以来，俄罗斯东南部、蒙古和中国北部地区夏季地表气温（SAT）的年代际变化。结果表明，对比1993年之前的夏季地表气温，1994年以后东北亚地区的SAT出现了显著的升温。同时这种年代际变化也延伸到中国北方，并导致20世纪90年代中期以后，中国东北和华北地区的夏季增暖。

20世纪90年代中期以后的东北亚年代际增暖与华南降水的增加一致。一方面，东北亚地区地表气温和华南降水均在20世纪90年代中期发生年代际变化，并且仅在夏季出现，在其他季节没有。另一方面，东北亚地区地表气温和中国南方降水不仅表现在夏季季节平均上，而且夏季各月（6月，7月和8月）均在90年代中期表现出年代际变化。此外，前人的数值模拟结果表明这种年代际增暖是由于东亚地区异常反气旋引起的，而东北亚异常反气旋对华南降水增加产生响应。因此，我们得出结论：20世纪90年代中期的东北亚夏季温度的年际变化对华南地区降水增加产生了遥响应。

关键字：地表气温，东北亚，年代际变化，20世纪90年代中期，华南降水

1. 引言

近几十年来，东北亚出现的夏季地表气温（SAT）的变化以其显著的增暖趋势而著称。Zhu等人（2012）的研究表明东北亚地区1954年至2010年夏季SAT具有升温趋势，并且表明这种升温趋势可能由全球增暖所导致。SAT在这个地区的增暖趋势也在春季发生（Zhu et al.，2008）。此外，亚洲大陆内陆地区的这种大幅度增暖进一步反映在SAT的年平均值中，这在过去的几十年中很明显（Hansen et al.，1999, 2006）。特别是在20世纪90年代后期以后，东北亚地区的SAT增暖更加剧烈（Zhu et al.，2010）。

中国也出现了升温的趋势。Wang和Ye（1993）指出，中国北方地区年平均SAT明显上升。尽管中国许多地区的增暖趋势具有显著的季节性，但中国北方的每个季节都有增暖趋势（Hu et al.，2003; Tang and Zhai，2005）。Qi和Wang（2012）表明，1990年以后，夏季的季节平均和极端温度的升温趋势比中国年平均和极端温度更加显著。另外，可以通过SAT的变化测量气候变暖的趋势。近几十年来，中国北方的日最低温度有所上升（Ren and Zhai，1998; Liu et al.，2004; Qian and Lin，2004）。

以前的一些研究表明，东北亚和华北地区的增暖随着东亚地区的环流变化。东北亚地区气候增暖的趋势与正位势高度异常有关（Zhu et al.，2010; Zhu et al.，2012）。此外，中国北方极端高温天气的高频率与对流层中上层的异常正位势高度有关（Sun et al.，2011）。

在20世纪90年代中期，东北亚和东亚的对流层上层环流以十年的周期变化。Kwon等人（2007）认为，东亚上层对流层西风急流明显减弱，东北亚地区出现异常反气旋，90年代中期以后华南地区出现了异常气旋，并且1993/1994年是上层对流层周期变化的转折点。Kwon等人（2007）指出20世纪90年代中期环流的变化与华南降水增强有关，这是热力强迫对降水增加的正压响应。对华南降水年代际增加的原因进行分析，Kwon等人（2007）认为这种增强是由于穿过中国东南部的台风数量增加引起的。另一方面，Wu等人（2010）认为，海洋中SST的增加和青藏高原的积雪变化可能是华南降水增加的原因。前人研究表明，这种年代际变化可能导致中国极端高温的变化（Wei and Chen，2011; Park et al.，2012）。

之前的研究主要集中在东北亚地区SAT的升温趋势。然而，东北亚地区的年代际变化很少受到自然变率的影响。实际上，一个十年的周期变化可以叠加在长期趋势上，从而抵消或加强特定时间段内的趋势。另一方面，各种研究得出了中国SAT的年代际变率。Kang等人（2006）得出了20世纪70年代中期以后，中国出现了年代际增暖。此外，中国东北地区年SAT变化发生在20世纪80年代左右（Wang and Fang，2004），其中冬季和夏季更为显著（Zhang and Zhang，2005）。Lian等人（1997）也指出，吉林省夏季地表温度从20世纪50年代到70年代在降温，但自20世纪80年代以来一直增暖。然而，以前的这些研究，使用2000年以前的数据，没有研究到最近一二十年的年代际变化。最近，Shen等人（2012）关注了1994年左右中国东北地区的年代际增暖，但并没有尝试讨论可能的增暖原因。

在目前的研究中，我们确定了20世纪90年代中期夏季东北亚SAT存在年代际变化，并在此讨论这种变化的可能原因。在本文的其余部分安排如下，第2节介绍了本研究中使用的资料。第3节研究了夏季东北亚夏季风的年代际变化。第4节讨论了与华南降水年代际变化的关系。第5节进一步分析了中国北方夏季降水的变化。最后，在第6节得出结论。

1. 资料

本研究中使用的数据包括来自戈达德空间研究所/美国国家航空航天局（GISS / NASA）的全球SAT资料（Hansen et al.，1999,2006），降水资料（PREC / L）（分辨率：1.0°times;1.0°）（Chen et al.，2002），以及来自国家环境预测中心/美国大气研究中心的位势高度和水平风的大气环流变量月平均的（NCEP / NCAR）再分析I资料（Kalnay et al.，1996年）。 此外，还利用中国气象局国家气候中心提供的160个台站的月平均SAT分析了中国地表气温的变化情况。 研究时间为1958年到2010年（53年）。 夏季时间定义为六月，七月和八月（JJA）。 应用10年滑动窗口的运行t检验来检验年代际变化的突变点（类似的结果是使用5年和15年的滑动窗口获得的，但在本文中未显示）。

1. 东北亚夏季SAT的年代际变化

图1显示了1994 - 2010年和1958 - 1993年期间对流层高层的位势高度和纬向风的差异。 在东北亚地区，位势高度异常在40°N上均是正值，在贝加尔湖地区有一个显著中心（图1a）。 这表明20世纪90年代中期以后，东北亚地区的位势高度显著增强。200 h Pa纬向风在东亚40°N上呈负异常（图1b），这削弱了副热带西风急流。此外，贝加尔湖和东南亚北部的这种东风异常和西风异常形成了东北亚的反气旋环流异常和华南地区的气旋异常，这些特征与Kwon等（2007）的结果一致。总之，20世纪90年代中期以后，这些环流异常表现为东北亚地区位势高度增强，东亚地区副热带西风急流减弱。

另外，如果时间从1979年开始，那时的资料被认为更加准确，那么南北方位势高度异常的对比就更明显。根据1994 - 2010年和1979 - 1993年期间位势高度距平的年代际变化表明，东北亚地区呈现出正位势高度异常，而中国南部则呈负相位（图中未显示）。东北亚地区的对流层低层至高层存在高度场位势异常。这意味着在20世纪90年代中期出现了一个十年的异常环流变化。

与20世纪90年代中期之后的环流变化相对应，地表温度在广泛的范围内发生了明显的升温，其范围从俄罗斯东南部，蒙古和中国北部等亚洲中部到东部（图2a）。20世纪90年代中期之后，这种年代际增暖与东亚地区位势高度增强和东亚副热带西风急流减弱（图1）相吻合。一方面，正高度异常增加了太阳辐射的输入，并导致东北亚地区增暖; 而另一方面，根据热风理论，温度升高引起子午空气温度梯度下降并产生负涡旋，导致东亚地区副热带西风急流减弱，东北亚地区位势高度增强（Li et al.，2010; Sun et al.，2010; zhu et al.，2010; Xu et al.，2011）。

在图2a中，东北亚地区最显著的增暖区域是一个矩形（40°-50°N，90°-130°E）。温度变化的年代际变化幅度为1.18°C，其平均值为长方形。在图2b中，地表气温关于这个问题的异常时间序列显示的年际标准偏差为0.73°C。这表明夏季SAT在东北亚地区的年代际变化幅度比年际变化幅度更加明显。

10年滑动窗口运行t检验进一步检验了年代际变化的突变点（图2c）。其中，这表明北美地区地表气温的年代际变化中最显著的一点出现在1993年，东亚发生在1993/94年。SAT异常从1951 - 93年的0.37°C到1994 - 2010年的0.81°C（表1）。SAT异常的这种变化在99％准确度水平，增长率为3.19（表1;增长率计算为两个时期之差，除以前期均值）。

图1.（a）200 h Pa位势高度（单位：m）和（b）纬向风（单位：m s^minus;1）之间的合成差值场。1994 - 2010年和1958 - 93年。根据t检验，阴影表示通过95％显著性检验的区域。（b）中的粗实线表示副热带西风急流

表1. 1958 - 1993年和1994 - 2010年东北亚夏季SAT异常和华南降水异常的平均值。结果显示为JJA平均值，并分别显示六月，七月和八月。增长率计算为两个期间之差除以前期[（II-I）/ abs（I）]的值。

图2（a）与图1相同，但对于SAT异常（单位：°C）。（b）重新计算的平均SAT异常时间序列，（40°-50°N，90°-130°E）[（a）中的矩形]。（c）滑动t检验。（c）中的曲线和直线虚线分别代表t值和99％的置信水平。

90年代中期左右的这些循环和SAT变化明显不同于与增暖趋势相关的变化。90年代中期夏季SAT年代际变化的区域位于南部，与全球增暖可能导致的增暖趋势区域相同（Zhu et al.，2012）。图1所示的循环变化也对应于60°N为200hPa正的位势高度异常，以及东亚45°N（Zhu et al.，2012）强的东风异常。此外，根据Zhu等人（2012）提出的0.22°C（10yr）^-1的速率，年代际变化的幅度是增暖趋势幅度的五倍。因此，东北亚夏季SAT的年代际变化与暖化趋势不同。

1. 与20世纪90年代中期华南降水年代际变化的关系

图3显示了90年代中后期降水异常的变化。东北亚地区存在一个负降水异常，与东北亚的SAT增暖有关。在东北亚区域（40°-50°N，90°-130°E）的平均降水异常在1958-93期间从0.06mm d^minus;1变化到了0.14mm d^minus;1这个年代际变化的幅度为0.20 mm d^minus;1，是该区域降水年际变化标准偏差的69％（0.29 mm d^minus;1）。东北亚降水减少与增加的位势高度有关，反过来通过增加向下的短波辐射导致了局部地区增暖（Trenberth and Shea，2005）。

图3.（a）与图1相同，但降水异常（单位：mm d^minus;1）。（b）区域平均降水异常的时间序列（20°-30°N，110°-120°E）[（a）中的矩形]。（c）对时间序列进行滑动t检验。

此外，华南地区存在一个正降水异常，表明20世纪90年代中后期华南降水量显著增加，这与Kwon等2007年的结果一致。这个年代际变化通过区域内平均降水异常的时间序列进一步研究（20°-30°N，110°-120°E）（图3b；该区域用图3a中的矩形）。滑动t检验结果表明，这个十年周期的突变年份也是1993年/ 1994年。

华南降水明显的年代际变化特征为干燥状态变为湿润状态。在前一时期（表1），华南降水异常，区域（20°-30°N，110°-120°E）的平均值为0.39 mm d^minus;1，在这一时期的36年中只有4年表现出明显的正降水异常，以0.3 mm d^-1为标准判断。相反，1994 - 2010年的几乎所有年份，华南均出现了正异常，只有两年是明显负异常。平均降水异常为0.89 mm d^minus;1（表1）。增长率为3.28，接近东北亚夏季SAT年代际变化的比例。

夏季东北亚夏季风和华南降水的年代际变化表明1993/94年和同类增长率的突变点相同。20世纪90年代中期的年代际变化只出现在夏季，而其他季节则不出现（图4）。对于东北亚地区SAT的异常情况，从时间序列的7年平均值可得出20世纪90年代中期的年代际变化仅限于夏季，而十年周期的变化趋势似乎在20世纪80年代后期也出现在其他地区季节。相反，对于华南降水而言，冬季，春季和秋季的年代际变化不明确，而在这些季节，年际变率占主导地位。实际上，DJF，MAM和SON在20世纪90年代后和20世纪90年代之前的对流层上层环流的变化与JJA（图中未显示）有很大不同。20世纪90年代中期以后，东北亚地区位势高度的增加和东亚副热带西风急流的减弱并没有发生在这三个季节。此外，东亚地区西风急流南北偏北的逆环流不存在异常，意味着冬，春，秋季东北亚地区降水与华南降水无关。20世纪90年代中期东北亚夏季降水和华南降水的年代际变化以及相应的对流层上层环流变化表明这两种气候变化之间可能存在联系，并且这种可能的联系只是夏季，而不是其它季节。

20世纪90年代中期东北亚地区夏季降水和华南降水的变化不仅在季节均值方面很明显，而且在月变化方面也很明显（图5）。东北亚地区和中国南方降水在90年代中期的6月，7月和8月均有明显的年代际变化。它们在1958至1993年间呈现负相位，1994至2010年间呈现正相关。

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