长江中下游地区降水是东亚季风系统的重要成员，降水多寡与中国经济发展和人民生活息息相关。东亚夏季风以及长江流域降水的研究受到广泛关注，是科研工作的重点和难点。2011年6月长江中下游地区降水量较常年同期偏多50%—200%，部分地区甚至超过200%(图 1)。那么，导致6月长江中下游降水多寡的原因是什么？有没有明显的前兆信号？这些问题值得深入探讨。

图 1 2011年6月降水距平百分率(单位：%，阴影区表示距平百分率超过±50%)Fig. 1 Percentages of the June precipitation anomalies in 2011(unit: %，the areas with the values over ±50% are shaded)

图选项

影响东亚夏季风和中国东部地区旱涝的因素很多，包括海洋、陆面、冰雪以及青藏高原作用等(Chen et al，2000；Qian et al，2003；黄荣辉等，2003；Zhao et al，2004；Wu et al，2009)。其中，前期厄尔尼诺(拉尼娜)异常对东亚夏季风和长江中下游降水的影响已为人们广泛接受。一般认为，如果前期出现厄尔尼诺(拉尼娜)信号，其后东亚夏季风往往偏弱(强)，夏季长江流域降水随之偏多(少)(叶愈源，1988；符淙斌等，1988；Lau et al，1996；刘颖等，1998；金祖辉等，1999；赵亮等，2006)。多年来，厄尔尼诺(拉尼娜)与中国降水的时滞相关模型已被广泛应用于气象业务预报，并取得了一定的成效。然而本研究发现，仅就6月而言，长江中下游地区降水与前期冬季海表温度(SST)的关系与上述传统预测模型基本一致，但这种关系的稳定性较差(见3.1节)。2011年前冬太平洋海温异常表现为拉尼娜特征，而随后6月长江中下游地区降水极端偏多，这与历史统计结果相反。而且，统计发现这种相反的情况在历史上较为普遍，即利用前期厄尔尼诺(拉尼娜)信号预测6月长江中下游地区降水有很大的不确定性。因此，有必要从新的角度探索指示长江中下游降水多寡的前兆信号。

最近的研究发现，春季和夏季反映对流层中高层纬向海-陆热力差异的亚洲-太平洋涛动(APO)指数可以很好地反映中国东部降水异常(Zhao et al，2007；赵平等，2008；Zhou et al，2010；Zhao et al，2011a)。当APO指数偏高(低)时，东亚中纬度低层盛行异常南(北)风，梅雨锋位置偏北(南)，长江流域少(多)雨。夏季APO与前期亚洲对流层温度密切相关，并且，亚洲对流层温度从春到夏存在很好的持续性(Zhao et al，2011b)。这一结果暗示前期APO可能是一个反映长江流域降水多寡的前兆信号。为此，研究了前期5月APO指数与长江中下游地区6月降水的关系，着重探讨了前期APO影响长江中下游6月降水的可能原因，以期提供一个物理意义较为清楚的前兆因子。同时，还利用该因子对2011年6月长江中下游降水进行了定性预测。 2 资料和方法

所用资料包括：中国国家气候中心提供的1951—2011年中国160站的逐月降水；NCEP大气再分析资料，包括1951—2011年的月平均风和位势高度，水平分辨率为2.5°×2.5°(Kalnay et al，1996)；美国国家海洋和大气局(NOAA)气候诊断中心的海表温度扩展重建资料(NOAA Extended Reconstructed Sea Surface Temperature V2)，水平分辨率为2°×2°(Smith et al，2004)。

为了进一步验证5月APO与6月长江中下游降水的关系，利用美国大气研究中心海-气耦合模式CCSM3进行了检验。该模式耦合了大气、海洋(Smith et al，2002)、陆面(Bonan et al，2002)和海冰模式(Bitz et al，2001)。在模式原有初始场基础上，积分了500年，选取后100年的结果进行分析。 3 前期5月APO与6月长江中下游降水的关系 3.1 APO与降水的统计关系

根据图 1降水偏多区，选取(27°—32°N，110°—123°E)范围内(共计20个站)的6月降水量代表长江中下游地区降水，将其定义为6月长江中下游降水指数(I_R6)，进而研究I_R6与对流层温度的关系。研究发现，与6月长江中下游降水异常紧密联系的APO信号可追溯到前期5月。图 2a给出了1951—2011年I_R6与前期5月对流层中上层(500—200 hPa)T′的相关分布，这里T′=T-T，其中，T指对流层温度，T指T的纬圈平均。在东亚中纬度地区出现了显著负相关，其中50°N，110°E附近相关中心的相关系数为-0.40，超过99%的统计置信度；在东太平洋中纬度地区则表现为显著正相关，(45°N，150°W)附近相关中心的相关系数同样超过0.40，超过99%的统计置信度。太平洋和东亚上空的正、负相关结构与APO结构非常一致，只是显著区位置与赵平等(2008)定义的夏季APO略有差别。

图 2(a)1951—2011年IR6序列与前期5月500—200 hPa T′场的相关(阴影区超过95%统计置信度)、(b)前期5月 IAPO与6月降水的相关(阴影区超过90%统计置信度)及(c)IR6(虚线)与5月IAPO(实线)的标准化序列Fig. 2(a)Correlation between IR6 and the prophase May 500-200 hPa T′ field for 1951-2011(Shaded areas are significant at the 95% confidence level);(b)correlation between the prophase May IAPO and June precipitation(Shaded areas are significant at the 90% confidence level) and (c)normalized time series for IR6(dashed line) and May IAPO(solid line)

图选项

参考赵平等(2008)关于APO指数的定义，根据图 2a中显著相关区位置，将5月APO指数(I_APO)定义为

点击浏览公式

1951—2011年5月I_APO与6月长江流域降水的相关分布(图 2b)表明，长江中下游地区为显著负相关。此外，比较图 2c中标准化的I_R6和I_APO序列也可以发现，对应5月I_APO偏低(高)，往往会出现偏高(低)的I_R6，两序列相关系数为-0.47，超过99.9%的统计置信度。

进一步统计发现，1951—2011年有36年I_APO与降水出现反号(即与上述历史统计相关结果一致)，占总年份的59%(表 1)。其中，6月长江中下游降水极端偏多(≥1σ；即1954、1955、1983、1993、1994、1995、1998、1999和2011年)和偏少年(≤-1σ；即1958、1963、1968、1972、1978、1981、1985和2005年)共计17年中，与历史统计相关结果一致的有13年，仅1955、1978、1985和2005年不符(见表 1)。

前期厄尔尼诺(拉尼娜)异常与长江中下游降水具有密切联系(赵亮等，2006)。那么，前期APO与6月长江中下游降水的关系与前期厄尔尼诺(拉尼娜)异常与降水的关系相比，是否更为紧密呢？为此对两者进行了比较。

为了说明降水与前期厄尔尼诺(拉尼娜)关系的演变特征，给出了1951—2011年6月长江中下游降水与前期各月赤道东太平洋(5°S—5°N，100°—75°W)海表温度的相关系数序列(图 3)。可见只有前期冬季(12月—2月)的相关系数超过90%统计置信度，3月相关系数已迅速降为0.12。与6月长江中下游降水密切相关的前期厄尔尼诺(拉尼娜)异常主要表现在前期冬季。因此，将(5°S—5°N，100°—75°W)区域平均的海表温度定义为赤道东太平洋海 温指数(记为I_ETP)，并据此分析了前冬I_ETP与6月长江中下游降水的关系。1951—2011年前冬I_ETP与6月长江中下游降水(I_R6)的相关系数(0.26)尽管达到95%的置信度，但两者同号率仅为46%(即与历史统计相关结果一致；见表 1)。此外，6月长江中下游降水极端偏多和偏少年共计17年中，与历史统计相关结果一致的有11年，也相对偏 少(见表 1)。

图 3 1951—2011年6月长江中下游降水与前期各月赤道东太平洋区域海表温度相关系数曲线Fig. 3 Time series of the correlation coefficients between the IR6 and the prophase monthly IETP for the period 1951-2011

图选项

综上所述，长江中下游地区降水与前冬厄尔尼诺(拉尼娜)关系的稳定性相对较差，与前冬赤道东太平洋海表温度异常相比，前期5月I_APO与6月长江中下游降水具有更紧密的联系。而且，前期5月APO对6月长江中下游降水极端年份的代表性也比前冬赤道东太平洋海表温度的代表性略好。然而，需要指出的是，利用前冬厄尔尼诺(拉尼娜)预测汛期降水属于跨季节的短期气候预测，时效较长。而前期5月APO反映6月降水的时效仅为10—20 d，属于中期延伸期预测范畴。可见，本文的比较并不意味着利用APO预测降水比厄尔尼诺(拉尼娜)更“好”，仅在说明前期5月APO对6月降水的可预报性水平与较为经典的厄尔尼诺(拉尼娜)预测降水的水平相当，可以作为一个反映6月降水的前兆信号，进而为中期延伸期预报提供参考。

如果6月长江中下游降水与前期5月APO的关系不仅仅是表面上的统计相关，而是具有某种物理联系，那么在模式中，两者的联系也应该存在。因此，为了验证6月长江中下游降水与前期5月APO指数的关系，利用CCSM3的输出结果做了进一步分析。图 4为CCSM3中的5月I_APO与6月降水的相关。在长江中下游地区表现为显著负相关，这一负相关关系与观测统计结果非常一致，进一步证实了6月长江中下游降水与前期5月APO的关系是可靠的，也说明这种关系能够被物理过程支持。

图 4 CCSM3模式中5月IAPO与6月降水的相关(阴影区超过95%统计置信度)Fig. 4 Correlation between the May IAPO and the June precipitation from the outputs of the CCSM3(Shaded areas are significant at the 95% confidence level)

图选项

然而，比较图 4和图 2b可以看出，在观测中存在的前期5月I_APO与6月华北地区(36°—42°N，110°—120°E)降水的显著负相关在模式中并不存在。进一步分析发现，CCSM3模式可以很好地模拟出影响长江中下游降水异常的实际环流结构，但难以有效地模拟出影响华北地区降水的实际环流特征(图略)。可见该模式在描述华北降水以及相应的环流方面具有局限性。由于本文重点讨论影响长江中下游降水的影响因子和前兆信号，因此，对华北地区降水异常不做过多探讨。 3.2 APO-大气环流-降水的相互联系

3.1节中发现前期5月APO变化与6月长江中下游降水具有密切联系。那么它们之间的紧密联系是通过什么环流系统实现的呢？图 5a给出了I_R6回归的6月 500 hPa位势高度距平场，其中，在中国南海及其东侧地区出现了显著正距平，中心值为4 gpm。对应图 5a中

的位势高度显著正距平，850 hPa风场在该地区表现出显著反气旋性异常(图 5b)。这说明西太平洋副热带高压(副高)及其相应的低层风场与长江中下游地区降水具有密切联系，是导致长江中下游地区旱涝的重要环流系统。当副高偏强、位置偏西时(也即图 5a的南海附近关键区出现位势高度正异常)，副高西缘低层偏南风气流加强，并控制中国东南部地区，有利于暖湿气流从热带向中国东部输送(图 5b)，并与中国东部中纬度地区的异常偏北风辐合，在25°—30°N附近出现异常上升运动(图 5c)，因此，长江中下游地区降水偏多，反之当副高偏弱、位置偏东时(也即图 4a的南海关键区出现位势高度负异常)，长江中下游地区降水偏少。

图 5 1951—2011年IR6回归的6月(a)500 hPa位势高度距平场(单位：gpm)、(b)850 hPa风场及(c)经向垂直环流沿115°E的剖面(阴影区超过95%统计置信度)Fig. 5 Regressed June(a)500 hPa geopotential height(unit: gpm);(b)850 hPa winds; and (c)vertical-latitudinal cross section of the circulation along 115°E against IR6 for 1951-2011(shaded areas are significant at the 95% confidence level)

图选项

前期5月I_APO回归的6月 500 hPa位势高度距平场(图 6a)显现出大范围的显著负距平，其中，在南海附近地区存在一个负距平中心(-7 gpm)，相应地850 hPa风场在这一地区出现了气旋性异常，在该异常气旋西缘(即中国东南沿海)为异常东北风，同时在中国东部105°—120°E附近中纬度地区出现了显著偏南风异常(图 6b)。另外，前期5月I_APO回归的6月经向垂直环流沿115°E的剖面(图 6c)显示，在25°—30°N附近出现异常下沉运动。这些特征与图 5所示异常基本一致，但符号相反。说明前期5月I_APO偏低时，有利于6月副高偏强、 位置偏西，从而导致中国东南沿海西南气流加强，有利于暖湿空气从热带向中国东部地区输送，并在长江流域与中高纬的异常偏北风辐合、上升，进而引起长江中下游地区降水偏多，反之则降水偏少。由此可见，5月APO可以通过影响6月副高的强度和位置、相应的中国东南沿海西南风以及中国东部中纬度地区偏北风异常，进而与6月长江中下游地区降水相联系。

图 6 同图 5，但为5月IAPO的回归Fig. 6 As in Fig. 5 but for the regressed results against May IAPO

图选项

在3.1节，发现长江中下游地区降水与前冬厄尔尼诺(拉尼娜)关系的稳定性相对较差。就2011年的情况而言，利用前期拉尼娜信号也无法解释2011年6月长江中下游地区降水偏多。那么利用前期APO信号，是否可以对此做出正确推测呢？2011年5月APO指数异常偏低，其标准化值为-1.57σ，仅次于1975和1995年。根据图 6的回归结果可推测，2011年6月中国南海附近将出现位势高度显著正异常，也即副高偏强、位置偏西，在副高西缘偏强的西南风作用下，有利于暖湿气流向北输送，并与中国东部中纬度地区的偏北风异常在长江流域辐合，产生上升运动，进而导致长江中下游地区降水异常偏多。

实测500 hPa位势高度(图 7a)显示，2011年6月的5880 gpm等值线比气候平均5880 gpm等值线范围更大，且更为向西扩展。这说明2011年6月副高偏强、位置偏西。相应地，副高西缘西南风偏强，并在长江中下游地区与来自中高纬的异常偏北风辐合、上升(见图 7b、c)，因此降水异常偏多。这与前面的推测完全一致，说明前期5月APO异常偏弱是2011年6月长江流域出现降水异常偏多的一个重要原因。

图 7 2011年6月(a)500 hPa位势高度(实线为2011年的5880 gpm等值线，虚线为气候平均的5880 gpm等值线)、(b)850 hPa风场距平及(c)异常经向垂直环流距平沿115°E的剖面Fig. 7(a)500 hPa geopentential height of June 2011(the solid line is for the 5880 gpm line of 2011，and the dashed line is for the 5880 gpm line of climatic average);(b)850 hPa anomalous winds and (c)anomalous vertical-latitudinal cross section of the circulation along 115°E

图选项

本文从亚洲、太平洋地区对流层温度的角度探讨了6月长江中下游地区降水的影响因子和前兆信号。研究发现，前期5月亚洲-太平洋涛动异常可能是导致6月长江中下游地区降水异常的重要原因之一。观测和CCSM3模式的统计结果一致表明，它们具有显著负相关关系。从5月至6月APO异常具有很好的持续性，5月APO可以通过影响后期副高的强度和位置、相应的中国东南沿海西南风以及中国东部中纬度地区的偏北风异常，进而影响6月长江中下游地区降水。2011年5月APO指数显著偏低，随后6月长江中下游出现降水异常偏多，也与上述关系符合。可见，前期APO指数异常偏低，可能是2011年6月长江中下游出现洪涝的一个重要原因。

那么，5月APO变化又是如何影响到后期的环流异常的呢？这里给出一种物理解释。图 8给出了5月APO指数与6月500—200 hPa T′场的相关，显示在东亚中纬度地区出现了显著的正相关，而在太平洋中纬度地区则表现为显著负相关，形成了清晰的APO型特征，反映了5月APO现象的一种持续性。事实上，1951—2011年的5月与6月APO指数的相关系数为0.56(超过99.9%的统计置信 度)，这进一步支持了5月APO信号可以持续到随后的6月，从而对6月亚洲-太平洋大气环流及相应的降水产生调节作用。Zhao等(2011b)基于观测资料和数值模拟的研究结果表明，亚洲陆地的加热异常可以引起亚洲区域对流层温度显著变化，并且，5月亚洲区域对流层温度异常可以持续到夏季。由于东亚区域对流层中上层温度本身就是构成APO的重要成分，因此，亚洲对流层温度的持续性可以造成APO的持续性。

图 8 1951—2011年5月IAPO与6月500—200 hPa T′场的相关系数(阴影区超过95%统计置信度)Fig. 8 Correlation between the May IAPO and the June 500-200 hPa T′ field for 1951-2011(shaded areas are significant at the 95% confidence level)

图选项

春、夏季APO与ENSO存在着显著联系(赵平等，2008；Zhao et al，2011b；Nan et al，2009)，然而这种关系并不是反映ENSO对APO的影响。相反，在APO理论框架下，春、夏季青藏高原加热异常可以通过影响北太平洋副高、中东太平洋哈得来环流以及热带辐合带(ITCZ)调制热带ENSO发展及太平洋中纬度海-气相互作用(周秀骥等，2009；Nan et al，2009；Zhao et al，2011b)，并且，春、夏季亚洲-太平洋大气环流变化可

能主要不是受太平洋海表温度异常的影响，而亚洲大陆抬升加热可能在其中起更重要的作用(Zhao et al，2011b)。因此，对于6月大气环流和降水而言，ENSO的作用相对偏弱，而与亚洲大陆加热密切联系的APO的作用则更为重要。当然，利用前期ENSO预测降水可提前3个月进行，而APO的预测时效(5月预测6月)相对偏短。尽管如此，由于前期5月APO是影响6月长江中下游降水的重要因子，且影响机制较为清楚，所以，可以作为一个前兆信号。从中期延伸期预测的角度来看，也可为6月长江中下游降水预测提供一定参考。另外，由于目前气候模式反映对流层温度变率的能力较好，NCEP的气候预报系统(CFS)模式预报的1982—2009年夏季APO指数(从1月开始起报)与观测的APO指数的相关系数高达0.39，超过95%统计置信度^①。因此，通过该模式可能将APO预测降水的起始时间从5月提前到冬季，对此值得今后深入探讨。

本文分析了与亚洲大陆加热紧密联系的对流层温度异常(表现为APO)对6月长江中下游降水的影响。实际上，影响中国汛期降水的因子有很多，海温异常、欧亚大陆和青藏高原积雪、高原植被、土壤湿度以及海冰等，都对中国降水有重要作用(陈乾金等，2000；Zhao et al，2004；武炳义等，2004；高辉等，2007；Zuo et al，2007，Wu et al，2009)。对于汛期降水预测，显然需要综合考虑各种因子的共同作用。需要指出的是，以往的研究更多地关注热带海洋对东亚气候的影响，对亚洲大陆加热影响的研究相对不足，在一定程度上制约了中国汛期降水预测水平的提高，这可能是今后研究工作和预测业务中需要特别注意的。