凌思寧 陳衛(wèi) 陸日宇 高樅亭

1 中國科學院大氣物理研究所大氣科學和地球流體力學數(shù)值模擬國家重點實驗室，北京 100029

2 中國科學院大學地球與行星科學學院，北京 100049

3 吉林省氣象科學研究所，長春 130062

4 長白山氣象與氣候變化吉林省重點實驗室，長春 130062

5 中高緯度環(huán)流系統(tǒng)與東亞季風研究開放實驗室，長春 130062

1 引言

長白山自然保護區(qū)始建于1960年，是國家級自然保護區(qū)及國際A級自然保護區(qū)。長白山自然保護區(qū)獨特的地質(zhì)構(gòu)造和地理位置使這里具有典型的植被垂直分布帶譜，成為歐亞大陸具有代表性的自然綜合體之一。許多研究表明，長白山自然保護區(qū)多類樹木的徑向生長對降水有顯著的響應（陳列等, 2013; 王曉明等, 2013; 陳力等, 2014; 周子建等,2018; 韓艷剛等, 2019）。因此，認識長白山地區(qū)的降水變化規(guī)律及其影響因子，將為森林資源管理、水資源涵養(yǎng)及物候變化等研究提供可靠的科學依據(jù)，對長白山自然保護區(qū)的建設與發(fā)展具有重要意義。

長白山位于我國東北地區(qū)的東南部，而東北地區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候，夏季為主要雨季，降水占全年降水量的一半以上（崔玉琴, 1995; 王學忠等, 2006; Liang et al., 2011; Sun et al., 2017）。東北地區(qū)位于東亞夏季風系統(tǒng)的北邊緣，西太平洋副熱帶高壓（西太副高）西北側(cè)的西南氣流有利于向東北地區(qū)輸送水汽，進而有利于東北地區(qū)降水偏多（賈小龍和王謙謙, 2006; 趙俊虎等, 2012; Chen et al., 2016; 孫照渤等, 2016; 陳海山和陳健康, 2017;Sun et al., 2017）。另一方面，位于東亞北部的東北亞低壓，其東側(cè)的偏北氣流也通過加強水汽輸送，進而增強東北地區(qū)夏季降水（Lin and Wang, 2016;Du et al., 2017; Zhao et al., 2018）。此外，東北冷渦的發(fā)生頻次及強度變化也會對降水產(chǎn)生顯著影響（Zhao and Sun, 2007; 胡開喜等, 2011; Xie and Bueh, 2015; 孫照渤等, 2016）。除上述對流層中、低層環(huán)流系統(tǒng)外，對流層高層的一些環(huán)流系統(tǒng)，如東亞高空西風急流及沿其傳播的絲綢之路遙相關(guān)波列也會影響東北地區(qū)夏季降水（Krishnan and Sugi,2001; Lu et al., 2002; Ding and Wang, 2005; Yasui and Watanabe, 2010; Huang et al., 2011; 蘭明才和張耀存, 2011; Shen et al., 2011; 孫照渤等, 2016; Fang et al., 2017; Sun et al., 2017）。東北夏季降水所對應的環(huán)流異常還具有季內(nèi)演變特征（Shen et al.,2011; Chen and Lu, 2014; Zhao et al., 2018）。初夏（5～6月）東北地區(qū)降水異常主要受到東北冷渦活動或者氣旋式異常的影響，而盛夏（7～8月）則主要受到西太副高的影響，其中8月東北降水還受到沿著亞洲西風急流向東傳播的波列的影響。

東北夏季降水特征及對應的大尺度環(huán)流系統(tǒng)已得到較為全面的分析，部分研究還專門針對吉林省夏季降水變化特征進行了分析（張偉等, 2007; 曾麗紅等, 2010; 董偉等, 2012, 2013）。和東北降水的氣候特征類似，位于東北地區(qū)中部的吉林省降水也集中在夏季，降水量呈現(xiàn)由東南向東北、西北遞減的空間分布型（張偉等, 2007; 董偉等, 2013; 王麗偉等，2019）。前人對吉林省夏季降水對應的環(huán)流異常進行了分析（于秀晶和王鳳剛, 2005; 孫妍等, 2015），但對其季內(nèi)演變的研究不多，且主要是針對一些典型年份（張麗, 2002; 張麗等, 2007; 程紅軍，2012）。

在本研究中，我們將基于吉林省降水的氣候特征，側(cè)重于夏季降水的逐月演變特征，對吉林省和天池站夏季各月降水變化對應的大氣環(huán)流異常特征進行分析。重點考察天池夏季降水與吉林省降水之間的異同。為此，我們在分析過程中，將天池站夏季降水分為兩部分：與吉林省一致的部分及天池特有的部分，進而進行異同點比較。本文具體章節(jié)安排如下：第2部分介紹本研究所采用的數(shù)據(jù)和方法；第3部分介紹夏季天池降水的氣候特征，并將天池降水時間序列分解為與吉林省降水一致的分量及天池降水特有的分量；第4部分將分別討論這兩個分量對應的大氣環(huán)流特征；在第5部分我們對本文進行總結(jié)和討論。

2 資料和方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

本研究使用夏季（6～8月）吉林省47個臺站逐月降水資料，時間為1979～2016年共38年。天池氣象觀測站位于長白山天文峰，海拔高度為2623米。作為國家一類艱苦臺站，天池站自1958年建站以來提供了寶貴的長期連續(xù)氣象觀測資料，為長白山地區(qū)降水研究提供了重要的借鑒基礎。圖1給出了這47個臺站的位置分布及東北地區(qū)地形分布。地形資料來自于美國國家海洋和大氣管理局的ETOPO1數(shù)據(jù)（Amante and Eakins, 2009）。吉林省除東南部外大部分地區(qū)地勢較低，形成海拔高度由東南向西北遞減的空間分布。天池站的位置在圖1中用紅色三角形表示，距離其最近的四個站分別為二道、和龍、東崗和長白站。二道站位于天池站的北側(cè)，海拔高度為721米；長白站位于天池站的南側(cè)，海拔高度為775米；東崗站位于天池站的西側(cè)，海拔高度為774米；和龍站位于天池站的東北側(cè)，海拔高度為476米。與天池站的2623米相比，這四個站的海拔高度相對較低。這四個站點中，和天池站距離最近的是位于其北側(cè)的二道站，和天池站的水平距離只有27千米左右，但二者的海拔高度落差為1900米左右，說明這兩個站點之間存在明顯的坡度。

圖1 吉林省地形（單位：m）及47個站點分布圖。紅色三角形代表天池站Fig. 1 Topography (units: m) and spatial distribution of 47 stations in Jilin Province. The red triangle denotes the Tianchi station

逐月大氣環(huán)流資料來自歐洲中期數(shù)值預報中心的ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)（Berrisford et al., 2009），所使用的變量包括位勢高度、緯向風、經(jīng)向風和垂直速度。水平空間分辨率為0.75°×0.75°，時間為1979～2016年。

2.2 方法

為了更好地理解天池站降水變化特征，在本研究中我們將對天池站和吉林省降水變化特征進行比較，以便認識天池站降水變化中和吉林省共性的部分以及天池站獨有的部分。我們用除天池以外其它46個站的平均來代表吉林省降水，并根據(jù)線性回歸的方法將天池夏季降水分為兩部分：與吉林省一致的部分及天池特有的部分。首先，將天池降水回歸到吉林省降水，得到的回歸場作為天池降水與吉林省一致的分量。進一步將天池降水原始場減去回歸場，得到的剩余部分即為天池站特有的降水分量。將這兩個分量標準化后，分別簡記為TC_JL、TC_R。雖然吉林省降水和天池降水之間的關(guān)系可能不是嚴格的線性關(guān)系，但為了比較兩者之間的異同點，且考慮到本研究中其它分析方法也基本為線性的方法，所以我們采用了這種簡單、直觀的處理方法。和吉林省一致的分量與吉林省46個站的平均降水時間序列之間的相關(guān)系數(shù)為1.0，而天池站獨有的分量則與上述兩個時間序列相關(guān)系數(shù)為0。利用回歸分析來診斷這兩個分量對應的環(huán)流異常，從而得到和吉林省降水變化相關(guān)的環(huán)流以及天池獨有降水的環(huán)流特征。盡管不可能嚴格地從物理上將天池夏季降水分為與吉林省一致的部分及其特有的部分，但通過上述簡單的數(shù)學分離方法，我們可以較好地認識天池夏季降水及其對應環(huán)流的獨特性。

3 夏季天池降水的氣候特征及其與吉林省降水的比較

圖2給出了吉林省47個站6～8月的多年平均降水量（圖2a-c）及標準差（圖2d-f），站點根據(jù)經(jīng)度按自西向東的標準排序，其中黑色虛線代表除天池外吉林省其它46站的平均值，紅色柱代表天池，在圖中位于第37個站。從圖2可以看出天池的平均降水量和標準差明顯高于吉林省其余46個站，基本高出吉林省平均一倍左右。并且與天池距離最近的東崗、長白、二道及和龍這4個站（在圖2中的位置為別為第36、38、40及42站）也和一般站點的情況差不多，其平均降水量和標準差也明顯弱于天池站。以降水量最多的7月為例，天池的平均降水量為372.2 mm，而吉林省為156.7 mm；天池的降水標準差為142.2 mm，而吉林省為70.2 mm。東崗、長白、二道及和龍這四個站的平均降水量分別為193.2、157.7、164.9、133.4 mm，標準差分別為68.2、56.2、59.7、63.6 mm，均遠小于天池站。

圖2 1979～2016年吉林省47個站降水量的（a-c）平均值及（d-f）年際標準差：（a，d）6月；（b，e）7月；（c，f）8月。黑色虛線為除天池站外吉林省46站平均值，紅色柱代表天池站Fig. 2 (a-c) Average and (d-f) interannual standard deviations of precipitation of 47 stations in Jilin Province for the period 1979-2016: (a, d) June;(b, e) July; (c, f) August. The black dotted line denotes the average value of 46 stations in Jilin Province, except for Tianchi station. The red bar denotes the Tianchi station

將站點自西向東排序后，圖2a-c顯示出平均降水量由東南向東北、西北遞減的空間特征，這與前人研究結(jié)果一致（張偉等, 2007; 董偉等, 2013; 王麗偉等，2019）。吉林省西部和東部站點降水量的標準差也弱于中部站點（圖2d-f），但差異沒有降水量明顯。天池站以東的若干站點降水量明顯偏少，且在7、8月更加明顯。這可能是由于這些站點位于長白山山脈的北部和東北部，山脈起到了阻止夏季風水汽向北輸送的作用。

上述分析結(jié)果表明天池夏季降水有著不同于吉林省其它站點的特征，其強度以及年際變率明顯大得多，說明天池降水很可能具有和吉林省降水顯著不同的變化特征。如2.2節(jié)中所示，我們根據(jù)線性回歸的方法將天池降水時間序列進行分解，用TC_JL來代表與吉林省一致的降水分量，TC_R代表天池特有的降水分量。指數(shù)TC_JL、TC_R均有顯著的年際變化特征，但沒有明顯的年代際或者長期變化趨勢（圖3）。天池降水與TC_JL的相關(guān)系數(shù)在6、7、8月分別為0.60、0.71、0.60，而與TC_R則分別為0.80、0.71、0.80。這意味著天池夏季降水的變率中，相對于TC_JL而言，TC_R解釋了更多的降水方差?？傮w來說，天池降水與吉林省降水有密不可分的關(guān)系，但是自身獨特的變化更為顯著。

圖3 與吉林省有關(guān)的降水量（紅色）及天池特有的降水量（藍色）標準化時間序列：（a）6月；（b）7月；（c）8月Fig. 3 Standardized time series of precipitation at the Tianchi station consistent (red) and inconsistent (blue) with that in the entire Jilin Province: (a) June; (b) July; (c) August

我們利用6、7、8月各月的指數(shù)TC_JL和TC_R分別回歸吉林省降水，得到的結(jié)果較為一致，這里只給出8月的結(jié)果（圖4）。吉林省降水（或指數(shù)TC_JL）對應著出現(xiàn)在整個吉林省的降水正異常（圖4a），且正異常值大于20 mm的站點占94%。天池特有的降水分量（即指數(shù)TC_R）對應的降水正異常僅出現(xiàn)在吉林省東南部（圖4b），最大值出現(xiàn)在天池，為95.5 mm。除天池外其它站的降水異常量級較小，降水異常值小于等于20 mm的站點占79%。這一結(jié)果表明我們的分解基本上是合理的。在下一節(jié)中我們將通過討論指數(shù)TC_JL和TC_R對應的大氣環(huán)流異常，來比較與吉林省降水相關(guān)和與天池特有降水相關(guān)的環(huán)流特征。

圖4 1979～2016年8月（a）TC_JL、（b）TC_R回歸得到的吉林省降水異常（單位：mm）。藍色（紅色）代表降水量正（負）異常。實心圓代表天池站Fig. 4 Regression of precipitation anomalies in Jilin Province onto the (a) TC_JL index and (b) TC_R index in August from 1979 to 2016 (units:mm). Blue (red) denotes the positive (negative) anomaly. The solid circle denotes the Tianchi station

4 吉林省和天池降水對應的大氣環(huán)流異常

4.1 與吉林省一致的降水分量對應的環(huán)流特征

圖5為6、7、8各月吉林省降水或指數(shù)TC_JL回歸的500 hPa位勢高度異常場。6月，吉林省降水正異常對應歐亞大陸高緯地區(qū)位勢高度顯著正異常以及東北亞位勢高度顯著負異常（圖5a）。此外，在北太平洋的西部也存在達到統(tǒng)計信度的位勢高度負異常。這些地區(qū)的位勢高度正、負異常與東北冷渦活動強的夏季對應的位勢高度異常（胡開喜等, 2011）相似，說明6月吉林省降水異?？赡芘c東北冷渦活動有關(guān)。7、8月，吉林省降水對應的位勢高度異常（圖5b、c）和6月存在明顯的差異。這兩個月在西北太平洋均出現(xiàn)顯著的位勢高度正異常，說明增強的西太副高有助于7、8月吉林省降水增加。與7月相比，8月西太副高強度更強且略向東北方向偏移。另外，盡管這兩個月東北亞地區(qū)存在位勢高度負異常，但強度明顯減弱，而且沒有達到統(tǒng)計信度（7月）或者僅僅呈現(xiàn)出極小達到信度的區(qū)域（8月）。

指數(shù)TC_JL回歸的700 hPa水平風異常場（圖6）與500 hPa位勢高度異常場有很好的對應關(guān)系。6月，吉林省降水正異常對應東北上空的氣旋式環(huán)流異常，該氣旋式異常中心位于吉林省西部和黑龍江、內(nèi)蒙古接壤的地區(qū)（圖6a），說明東北冷渦活動的異常在700 hPa也有很好的體現(xiàn)。我們進一步分析了500 hPa垂直速度異常，結(jié)果顯示整個吉林省地區(qū)呈現(xiàn)上升運動（圖略），有利于吉林省降水的發(fā)生。7月，對應500 hPa正的位勢高度異常，在西北太平洋地區(qū)為顯著的反氣旋異常（圖6b），說明西太副高顯著增強。吉林省位于該反氣旋異常的北緣，其西北側(cè)的西南風異常將更多的水汽向北輸送到吉林省，使吉林省7月降水增多。此外，在東北亞地區(qū)還有一個氣旋式異常，但相對較弱且未能達到統(tǒng)計信度，這也與該地區(qū)500 hPa位勢高度異常的結(jié)果吻合。8月，吉林省降水正異常也對應著增強的西太副高，即位于西北太平洋的反氣旋異常（圖6c）。和7月相比，該反氣旋異常的中心略向東北方向偏移，但吉林省依然處于反氣旋異常的北緣。此外，東北亞地區(qū)的氣旋式異常明顯強于7月，且達到統(tǒng)計信度，說明8月吉林省降水除了受副高的影響之外，還受到東北亞氣旋式異常的顯著影響，兩者共同加強了水汽東北向的輸送，有助于吉林省降水異常偏多。

圖7給出了6、7、8各月指數(shù)TC_JL回歸的200 hPa緯向風異常分布。6月與吉林省降水有關(guān)的指數(shù)TC_JL對應著東北亞以及更北的北極地區(qū)的三極子分布（圖7a），與對流層中層的位勢高度異常（圖5a）以及對流層下層的風場異常（圖6a）吻合。特別地，在東亞中緯度地區(qū)為顯著的西風異常，其位置和東亞高空急流一致，說明6月東亞高空西風急流強度偏強時吉林省降水偏多。7、8月，東亞地區(qū)環(huán)流異常主要表現(xiàn)為偶極型分布，即北部的西風異常和南部的東風異常（圖7b、c）。這表明東亞高空西風急流偏北時吉林省降水顯著增多，這一點和6月的情景不同。

圖5 TC_JL回歸得到的500 hPa位勢高度異常（單位：m）：（a）6月；（b）7月；（c）8月。黑色實線代表達到90%信度水平Fig. 5 Regression of the 500 hPa geopotential height anomalies onto the TC_JL index (units: m): (a) June; (b) July; (c) August. Black solid lines denote the anomalies above the 90% confidence level

圖6 TC_JL回歸得到的700 hPa水平風異常（單位：m s-1）：（a）6月；（b）7月；（c）8月。陰影區(qū)域代表緯向風或經(jīng)向風異常達到90%信度水平，圖僅顯示大于0.2 m s-1的風Fig. 6 Regression of the 700 hPa horizontal wind anomalies onto the TC_JL index (units: m s-1): (a) June; (b) July; (c) August. The shaded areas denote either zonal or meridional wind anomalies above the 90%confidence level. Only vectors greater than 0.2 m s-1 are presented

圖8為指數(shù)TC_JL回歸的200 hPa經(jīng)向風異常分布。首先，8月吉林省降水對應的200 hPa經(jīng)向風異常表現(xiàn)出獨特的特征，即沿著歐亞大陸中緯度呈現(xiàn)出顯著的波列，大致在40°N附近，即亞洲高空急流軸的位置（圖8c）。這一沿急流的波列類似于絲綢之路遙相關(guān)波列，但存在1/4的位相偏移。一般意義上夏季平均的絲綢之路遙相關(guān)波列分別在里海、80°E、華北、日本存在異常中心，8月的情況也是如此（Li et al., 2017; Hong et al., 2018），而8月吉林省降水對應的沿急流波列在這些地方均近乎于零。說明8月吉林省降水對應的沿急流波列與以往文獻報道的絲綢之路遙相關(guān)波列具有明顯區(qū)別。與8月不同，6、7月則基本看不到類似的波列（圖8a、b）。此外，如果將圖8中經(jīng)向風異常與圖7中的緯向風異常結(jié)合起來，可以看到6月東北亞地區(qū)上空為氣旋式異常，而在7、8月東亞地區(qū)上空則為反氣旋異常。對流層高層的這些異常，即6月的氣旋異常以及7、8月的反氣旋異常均與對流層中、下層環(huán)流異常有著很好的對應（圖5、圖6），而且呈現(xiàn)出隨高度增加略向北偏移的特征。

圖7 指數(shù)TC_JL回歸得到的200 hPa緯向風異常（單位：m s-1）：（a）6月；（b）7月；（c）8月。黑色實線代表達到90%信度水平Fig. 7 Regression of the 200 hPa zonal wind anomalies onto the TC_JL index (units: m s-1): (a) June; (b) July; (c) August. Black solid lines denote the anomalies above the 90% confidence level

圖8 指數(shù)TC_JL回歸得到的200 hPa經(jīng)向風異常（單位：m s-1）：（a）6月；（b）7月；（c）8月。黑色實線代表達到90%信度水平；網(wǎng)格區(qū)域為指數(shù)1的定義范圍；粗實線為氣候平均的西風急流軸Fig. 8 Regression of the 200 hPa meridional wind anomalies onto the TC_JL index (units: m s-1): (a) June; (b) July; (c) August. Black solid lines denote the anomalies above the 90% confidence level. The grid areas represent the defining areas for Index 1. The thick solid line denotes the axis of the climatological mean westerly jet

上述的分析結(jié)果可以歸納為：吉林省夏季降水在各月均對應著顯著的大尺度環(huán)流異常，但不同的月份環(huán)流異常型存在顯著差異。吉林省降水在6月偏多時主要對應東北亞氣旋式異常和東亞高空西風急流的增強，而在7、8月降水偏多則主要受到西太副高增強和東亞高空急流偏北的影響。此外，8月吉林省降水對應的環(huán)流異常還表現(xiàn)出獨特的性質(zhì)，即呈現(xiàn)出類似于東北亞低壓偏強時對流層下層顯著的氣旋式異常以及類似于絲綢之路遙相關(guān)的沿著亞洲高空急流的波列。本文的這些結(jié)果說明影響吉林省夏季降水的環(huán)流異常存在明顯的月季差異，有必要分為不同的月份分別進行研究，這一點在研究更小區(qū)域（如天池附近）的降水異常對應的環(huán)流時應更加突出。

4.2 天池特有的降水分量對應的環(huán)流特征

圖9為指數(shù)TC_R回歸的700 hPa水平風異常場。6月天池特有的降水分量對應的環(huán)流在天池周邊表現(xiàn)為西風異常，但其強度非常弱，基本上都小于0.5 m s-1（圖9a）。盡管在其它地方，如西北太平洋上空，出現(xiàn)了一些達到統(tǒng)計信度的異常，但這些異常無法在物理上解釋對天池降水可能產(chǎn)生的影響，在此不做討論。此外，我們也分析了500 hPa位勢高度場、200 hPa風場，發(fā)現(xiàn)6月天池特有的降水分量對應的對流層中高層大尺度環(huán)流在天池周邊也十分微弱（圖略）。7月天池特有的降水對應著西北太平洋反氣旋異常以及來自蒙古高原的西風或西北風異常（圖9b）。這些異常在天池東南面表現(xiàn)為西南風異常，有利于水汽向北輸送。而在其西北面為西北風異常，對應較活躍的冷空氣活動，這兩者都有助于天池周邊降水偏多。事實上，我們的分析表明西北風和西南風異常的交匯處存在明顯的上升異常（圖略），說明對流層低層上述西南風異常和西北風異常形成了輻合上升，進而有利于降水。此外，與7月吉林省降水對應的對流層中低層西太副高異常相比（圖6b），天池特有的降水對應的西北太平洋反氣旋異常的范圍更大、位置更北。8月天池特有的降水對應著西北太平洋氣旋異常（圖9c）。該異常在天池以西表現(xiàn)為顯著的東北風異常，但在天池周邊東北風異常的強度迅速減弱。我們的進一步分析表明天池周邊存在上升運動（圖略），說明天池以西的東北風異常在天池周邊形成的氣旋式切變環(huán)流可能激發(fā)出上升運動，并有助于天池降水偏多。這一結(jié)果顯著區(qū)別于吉林省降水在8月對應著的西北太平洋反氣旋異常，該反氣旋異常在天池周邊表現(xiàn)為西南風異常（圖6c）。

7、8月天池特有的降水分量對應明顯的大尺度環(huán)流異常，但6月環(huán)流異常十分微弱，這說明7、8月能夠影響天池特有降水分量的天氣形勢比較集中，并且相互之間吻合程度比較高，但6月則有可能是許多類型的天氣形勢都可以導致天池獨有降水，且這些類型相互之間差異比較大，需要將來結(jié)合降水過程和天氣形勢進行分析，在此不做進一步分析。

圖10為指數(shù)TC_R回歸的200 hPa水平風異常場。7月，天池特有的降水對應著兩個反氣旋異常，分別位于西北太平洋和我國中西部（圖10a），大致與對流層下層環(huán)流異常相對應（圖9b）。位于西北太平洋上空的反氣旋環(huán)流異常與吉林省降水對應的中心位于朝鮮半島上空的反氣旋異常（圖略）相比，位置明顯偏西偏南。8月，天池特有的降水對應著東亞地區(qū)上空的氣旋異常及其西側(cè)顯著的東北風異常（圖10b），這與對流層下層的環(huán)流異常基本一致（圖9c）。

圖10 指數(shù)TC_R回歸得到的200 hPa水平風異常（單位：m s-1）：（a）7月；（b）8月。陰影區(qū)域代表緯向風或經(jīng)向風異常達到90%信度水平；圖僅顯示大于0.2 m s-1的風Fig. 10 Regression of the 200 hPa horizontal wind anomalies onto the TC_R index (units: m s-1): (a) July; (b) August. The shaded areas represent either zonal or meridional wind anomalies above the 90%confidence level. Only vectors greater than 0.2 m s-1 are presented

在圖10中顯現(xiàn)的反氣旋、氣旋異常伴隨的經(jīng)向風異常中心大致都位于40°N附近，說明這些異?？赡芎脱刂鴣喼藜绷鳀|傳的波列有關(guān)。為了驗證這一點，圖11給出了指數(shù)TC_R回歸的200 hPa經(jīng)向風異常分布。7月天池獨特的降水確實對應著沿亞洲急流的波列，但強度較弱，且沒有達到統(tǒng)計信度（圖11a）。而8月天池特有降水對應著沿著亞洲高空急流軸傳播的波列，這一波列在東亞地區(qū)西部為北風異常、東部為南風異常，即在東亞上空為氣旋式異常（圖10b）。該波列的位相與以往文獻中給出的絲綢之路遙相關(guān)基本一致，如在里海上空為異常中心（Yasui and Watanabe, 2010; Li et al.,2017; Hong et al., 2018）。此外，如果比較8月天池特有降水和吉林省降水對應的200 hPa經(jīng)向風異常場（圖11b和圖8c），可以發(fā)現(xiàn)兩個波列近乎反位相，特別是在東亞地區(qū)。為了進一步探究8月近乎反位相的波列為何都能夠?qū)е绿斐亟邓黾?，我們首先在圖8c和圖11b中分別選取東、西兩個經(jīng)向風異常中心區(qū)域，具體為：圖8c中（40°～

圖11 指數(shù)TC_R回歸得到的200 hPa經(jīng)向風異常（單位：m s-1）：（a）7月；（b）8月。黑色實線代表達到90%信度水平；網(wǎng)格區(qū)域為指數(shù)2的定義范圍；粗實線為氣候平均的西風急流軸Fig. 11 Regression of the 200 hPa meridional wind anomalies onto the TC_R index (units: m s-1): (a) July; (b) August. Black solid lines denote the anomalies above the 90% confidence level. The grid areas represent the defining areas for Index 2. The thick solid line denotes the axis of the climatological mean westerly jet

46°N，116°～122°E）、（38°～44°N，146°～152°E）；圖11b中（44°～48°N，114°～122°E）、（42°～46°N，150°～154°E）。然后將這兩個區(qū)域平均200 hPa經(jīng)向風異常之差的標準化序列分別定義為指數(shù)1和指數(shù)2。指數(shù)1代表與吉林省降水有關(guān)的經(jīng)向風分量，指數(shù)2代表與天池特有降水有關(guān)的經(jīng)向風分量。這里，我們在定義指數(shù)時，采用南風異常中心區(qū)域減去北風異常中心區(qū)域，因此這兩個指數(shù)為正時均對應降水偏多。

圖12為指數(shù)1和指數(shù)2回歸的8月吉林省降水異常場。與吉林省降水有關(guān)的經(jīng)向風指數(shù)（指數(shù)1）對應著吉林省大部分站點的降水正異常，包括天池站，且大值區(qū)集中在吉林省中部（圖12a）。與天池特有降水有關(guān)的經(jīng)向風指數(shù)（指數(shù)2）對應著天池等吉林省東部若干站點的降水正異常（圖12b）。其中，天池的降水正異常較強，而其周邊的二道、和龍、龍井、延吉站均較小。圖12 的結(jié)果表明東亞對流層上層近乎相反的經(jīng)向風異常對應基本相反的吉林省站點降水分布，但均對應天池站以及鄰近其北部、西北部、東北部站點降水偏多。

為解釋產(chǎn)生上述降水異常水平分布的可能原因，我們給出指數(shù)1和指數(shù)2回歸的8月700 hPa水平風異常場（圖13）。與吉林省降水有關(guān)的經(jīng)向風分量對應著東亞地區(qū)的反氣旋異常（圖13a）。與吉林省降水對應的對流層低層風場（圖6c）相比，盡管反氣旋異常位置略偏北，但在吉林省均表現(xiàn)為西南風異常，有利于降水偏多。與天池特有降水有關(guān)的經(jīng)向風指數(shù)（指數(shù)2）對應著東亞地區(qū)的氣旋異常（圖13b）。與天池特有的降水分量對應的對流層低層風場（圖9c）相比，雖然均對應東北風異常，但此時東北風異常在天池周邊沒有表現(xiàn)出強的切變，因而不能通過氣旋式切變環(huán)流解釋降水偏多。事實上，我們分析了指數(shù)2對應的500 hPa垂直速度異常，發(fā)現(xiàn)圖13b中北風和東北風異常很好地對應異常下沉（圖14a），說明確實不能解釋降水偏多。

圖13 1979～2016年8月（a）指數(shù)1、（b）指數(shù)2回歸得到的700 hPa水平風異常（單位：m s-1）。陰影區(qū)域代表達到90%信度水平；圖僅顯示大于0.2 m s-1的風Fig. 13 Regression of the 700 hPa horizontal wind anomalies onto (a)Index 1 and (b) Index 2 in August from 1979 to 2016 (units: m s-1). The shaded areas represent either zonal or meridional wind anomalies above the 90% confidence level. Only vectors greater than 0.2 m s-1 are presented

考慮到長白山的地形，我們推測對流層低層東北風異常在長白山的北坡通過爬坡作用形成降水。為此，我們分析了指數(shù)2對應的850 hPa垂直速度異常，發(fā)現(xiàn)天池以北大約100千米左右的區(qū)域出現(xiàn)顯著的異常上升（圖14b），說明爬坡抬升作用可以解釋降水偏多。結(jié)合圖1中長白山的地形和圖12b中降水正異常的站點位置，可以發(fā)現(xiàn)降水偏多的站點集中在長白山北坡，也說明地形使得東北風異常形成了爬坡抬升作用。本文的結(jié)果表明，天池站特有的降水分量主要是大尺度地形對大尺度環(huán)流的改變引起的。而前人的研究也指出，天池站地形的動力作用對局地對流性降水的激發(fā)并不顯著（張伶俐等，2016）。

圖12 1979～2016年8月（a）指數(shù)1、（b）指數(shù)2回歸得到的吉林省降水異常（單位：mm）。藍色（紅色）代表降水量正（負）異常；實心圓代表天池站Fig. 12 Regression of precipitation anomalies in Jilin Province onto (a) Index 1 and (b) Index 2 in August from 1979 to 2016 (units: mm). Blue (red)denotes the positive (negative) anomaly. The solid circle denotes the Tianchi station

5 結(jié)論與討論

本文分析了長白山天池觀測站6～8月各月降水的氣候變異特征以及與其相關(guān)的環(huán)流異常，并對天池降水和吉林省降水之間的異同進行了比較。天池夏季的降水量及年際變率明顯大于吉林省其它所有站點，高出吉林省平均一倍左右。我們利用線性回歸方法將天池夏季降水分為兩部分：與吉林省一致的部分及天池特有的部分。其中，天池獨特的降水變化部分解釋了超過一半的年際方差。進一步，我們分析了這兩個分量對應的環(huán)流異常。前一個分量對應的環(huán)流異常實際上就是吉林省降水對應的環(huán)流異常，因此，我們可以通過比較這兩個分量給出天池降水和吉林省降水變異的異同點。

首先，吉林省夏季降水與以往研究結(jié)果中揭示的東北地區(qū)降水對應的環(huán)流特征基本一致。6月主要受到東北亞氣旋式異常和東亞高空西風急流增強的影響，而7、8月則主要與西太副高增強和東亞高空西風急流偏北有關(guān)。此外，8月還呈現(xiàn)出類似于東北亞低壓偏強的對流層下層氣旋式異常以及類似于絲綢之路遙相關(guān)的波列。

另一方面，6月天池特有的降水對應的高低層環(huán)流異常均非常弱。7月，天池降水偏多主要受到西南風異常與西北風異常局地輻合的影響；8月則受到氣旋式切變引發(fā)的輻合的影響。這些環(huán)流異常與吉林省降水對應的環(huán)流異常顯著不同。此外，8月天池特有的降水還對應著類似于絲綢之路遙相關(guān)的波列，但該波列和吉林省降水對應的波列在東亞近乎為相反的位相。

為何近乎反位相的波列卻均可以引起8月天池降水的增加？我們的研究結(jié)果表明，與吉林省一致的降水分量是通過西南風異常增強水汽輸送以及上升運動使降水增加。而天池特有的降水分量對應的東北風異常受到長白山地形的影響，在天池及位于長白山北坡的站點通過迎風坡降水引起降水正異常。

近乎相反的環(huán)流異常均可以引起天池降水增加，這一結(jié)果表明天池降水和環(huán)流之間具有多樣、復雜的關(guān)系?？梢酝茰y，其它山地地區(qū)的降水異?？赡芤灿蓄愃频那闆r。目前，山地地區(qū)由于條件限制，觀測資料遠比平原地區(qū)稀少。本文的結(jié)果說明有必要對長白山等山地地區(qū)進行加密觀測，以便更準確地掌握氣候異常規(guī)律并進而更好地服務于山地生態(tài)環(huán)境保護。特別地，由于長白山地區(qū)處于東亞夏季風區(qū)的北端，其夏季降水變化對季風、中緯度擾動、地形等均十分敏感，作為這些因素相互作用的焦點，未來無疑值得進一步研究。此外，8月天池和吉林省降水對應的對流層高層波列盡管都類似于以往文獻中的絲綢之路遙相關(guān)波列，但位相具有明顯差別。是絲綢之路遙相關(guān)波列具有多樣的特征，還是絲綢之路遙相關(guān)波列和東亞夏季風相互作用的結(jié)果？這些問題有待于進一步探究。