引言

中国夏季气候受东亚夏季风的影响显著^[1-7]，华北雨季的形成与东亚夏季风季节性北进密切相关^[8-9]。天津地区地处华北平原东北部，是环渤海湾的中心，东临渤海，是华北经济发达城市。随着滨海新区的开发以及天津地区的持续性干旱^[10]，人们越来越关注天津地区的气候异常。研究表明^[11-12]，干旱是最复杂而且又是被人们了解得最少的自然灾害，它对人类所造成的灾害要远远超过其他的自然灾害。干旱问题导致天津地区降水匮乏，严重影响了社会经济的发展和人民生活水平的提高。因此，深入研究天津地区降水的变化及进行降水的短期气候预测有利于天津地区经济的发展，有助于南水北调工程发挥其最佳的经济效益，具有重要的社会经济意义。

前人对华北地区夏季降水的相关问题已有了一定研究。黄荣辉等^[13]研究了华北地区夏季降水的变化趋势并指出：20世纪80年代以后华北干旱化日趋严重，水资源严重减少。宋正山等^[14]和张庆云^[15]认为华北地区夏季降水存在显著的年际和年代际变化特征。周连童等^[16]将华北地区划分为京津唐地区、胶东地区、华北中南部和华北西部地区，并详细分析了各个分区水资源的变化特征。

然而，从上述研究结果来看，前人的研究主要侧重于华北地区夏季降水的时空变化特征，对华北地区特别是天津地区雨季降水异常年前期及同期大气环流异常特征的研究相对较少。天津地区雨季降水异常年前期及同期大气环流异常特征是什么？天津地区雨季降水短期气候预测的前兆信号有没有？若有，是什么？鉴于上述研究的重要社会经济意义，因此，本文在资料分析的基础上，对上述问题作进一步探讨，为天津地区雨季降水的短期气候预测提供科学的参考依据。

1 资料和方法

挑选天津地区具有代表性且时间序列长的4个观测站：天津(代表中部)、蓟县(代表北部)、塘沽(代表东南部)和西青(代表西南部)。由于各站的建站时间不统一，所以选取上述4站的共有年份，即1958—2009年。

本文使用1958—2009年上述4站和中国160站月降水资料以及NCEP/NCAR月平均再分析数据资料集^[17]。主要采用的方法为相关分析^[18-19]和合成分析。

2 天津地区降水的变化特征

图 1给出了1958—2009年天津地区的天津、蓟县、塘沽和西青月降水总量的逐月变化。由图 1可见，天津地区的降水主要集中于夏季。受东亚夏季风向北推进的影响，华北雨季一般发生在每年的7—8月^[20]，计算后发现天津地区雨季降水量在平均状况下占全年的59%，有着较大的比重，因此，天津地区7—8月的降水量在很大程度上决定了全年的降水量。

图 2是天津地区雨季(7—8月)降水量P的年际变化，其中降水的平均值为339.9 mm，均方差为119.9 mm。由图 2可见，降水最多的年份为1978年(616.2 mm)，降水最少的年份为1997年(142.7 mm)，两者竟相差473.5 mm。由此可见，天津地区雨季降水存在着年际变化，这和张庆云^[15]的研究结果相一致。从图 2滑动平均曲线可见，降水偏多年集中于1980年以前，而降水偏少年集中于1980年以后，天津地区雨季降水还存在一定的年代际变化。

3 天津地区雨季降水异常年同期(7—8月)大气环流背景特征

为探讨天津雨季降水异常与大尺度大气环流的关系，先给出天津地区雨季降水与同期中国160站降水量的相关分布(图 3)。图 3阴影部分为通过0.001的显著性水平检验的区域，表明雨季降水与天津地区雨季降水有高度一致的同位相关性，我们称之为广义的天津地区，简记为A区域。由图 3可见，160站中除了天津以外，A区域中还有北京、承德、朝阳、张家口和太原5个站。

为获取更为客观的信息和研究结论，根据上述5个站雨季降水和天津地区雨季降水平均值(记为R)的年际变化(图 4)来研究A区域雨季降水异常年大尺度大气环流系统特征因子。本文将R大于平均值一个标准差的年份定义为降水偏多年，反之为降水偏少年。由图 4可见，降水偏多年份为1959、1964、1966、1969、1973、1978、1985、1994和1996年；降水偏少年份为1968、1980、1989、1997、1999、2002、2003和2006年。降水偏多年和偏少年统称为降水异常年。值得注意的是，从图 4滑动平均曲线可见，绝大多数降水偏多年集中于1980年以前，而绝大多数降水偏少年集中于1980年以后，A区域雨季降水和天津地区雨季降水有着相同的年代际变化特征，这可能与20世纪70年代末大气环流突变^[21]有关。

图 5为R序列与同期500 hPa位势高度场的相关系数分布，由图可见，在朝鲜半岛至日本群岛中南部一带存在一个显著正相关区。除了这一显著正相关区域以外，A区域西北部的中高纬广大区域为显著负相关区所控制，显著负相关中心位于贝加尔湖和蒙古一带，这一负相关中心与上述正相关中心构成一个西北—东南方向的跷跷板结构，A区域正好位于正负显著相关区域的过渡区域。上述结构表明，雨季降水偏多年，副高主体的位置偏北，主体位于朝鲜半岛至日本群岛中南部一带，并且天津及周边区域西北部有低值系统发展，冷暖空气在天津及周边区域交汇，这一带降水增多；反之，副高处于偏南的位置，冷暖空气不易在A区域交汇，降水因而偏少。

计算了A区域雨季降水异常年850 hPa合成相对涡度差值场(图 6)。由图可见，降水偏多年，A区域为一个正相对涡度差值中心所控制，低层正涡度中心常常伴随着低层辐合及其上方上升运动的加强，使得该区域在雨季辐合上升运动较强，有利于A区域降水的增加；反之，辐散下沉运动明显，这种形势有利于降水减少。

位于亚洲南部上空的南亚高压是亚洲夏季风系统的一个重要成员，空间尺度大且稳定，与北半球大气环流和亚洲天气气候密切相关。图 7给出了天津地区雨季降水异常年100 hPa合成位势高度场。如图所示，降水偏多年，中纬度亚欧大陆一直到西太平洋地区为大范围正差值区所控制，30°N以南亚欧大陆低纬地区为大范围负差值区。从图 7中还可以看出，降水偏多年，有利于南亚高压出现东部环流型，高压异常中心位于山东半岛北部至朝鲜半岛上空，南亚高压位置偏北，高空副热带西风急流同样偏北，这恰好与500 hPa副高位置偏北相匹配(图 5)；降水偏少年，南亚高压位于30°N以南亚欧大陆低纬地区，高空副热带西风急流相应偏南，这种形势副高位置偏南。上述分析与陶诗言等^[22]提出的南亚高压和副高的异常南北变动情况相一致。

研究表明^[23-25]，华北雨季的降水量与东亚夏季风向华北推进过程中带来的偏南暖湿水汽输送量密切相关。从图 8可以看出，雨季降水偏多年，A区域对流层低层存在强劲的西南水汽输送差值，降水因而充沛；降水偏少年情形正好相反，A区域对流层低层为相对干冷的东北气流所覆盖，降水因而偏少。

从700 hPa合成垂直速度差值场(图 9)可以看出，降水偏多年，A区域为显著的负差值区所控制，这表明了低层上升运动较强，较强的上升运动为A区域降水偏多提供了必要的动力条件；降水偏少年，情况正好相反，低层下沉运动明显，这不利于A区域降水增加。

4 天津地区雨季降水异常与前期(12月至翌年6月)大气环流异常的关系

为了探讨A区域雨季降水异常年前期大气环流的异常特征，我们先计算了1958—2009年A区域雨季降水序列与前期冬季(前一年12月到当年2月)、前期春季(当年3—5月)和当年6月南方涛动指数(SOI)^[26]、北大西洋涛动指数(NAO)^[27]、北太平洋涛动指数(NPO)^[28]以及北半球环状模(NAM)指数^[29]和南半球环状模(SAM)指数^[30]等大气环流涛动指数的相关(表 1)，上述指数来源于网站：http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/climateindices/list/。由表 1可见，A区域雨季降水异常与前期夏季6月SAM的相关性最强，相关系数达到-0.41，通过了0.01的显著性水平检验。上述分析表明，前期6月SAM偏弱(强)时，A区域雨季降水很有可能偏多(少)。

SAM即南极涛动，实质上表征了南半球极地到高纬60°S附近与中纬度45°S附近南北向之间大尺度的质量交换^[31]。为进一步揭示前期6月SAM与天津及周边区域雨季降水异常的关系，我们给出了前期6月A区域雨季降水偏少年与雨季降水偏多年海平面气压场的合成差值(图 10)。由图可见，降水偏少年，45°S附近和70°S附近海平面气压呈现“跷跷板”式的反相关变化，表明：降水偏少年，南半球中纬度和高纬度地区气压梯度较大，SAM因而偏强；反之，降水偏多年，南半球中纬度和高纬度地区气压梯度较小，SAM偏弱。

综上可见，前期夏季6月份SAM异常可能是A区域雨季降水异常的一个前兆信号，进而为A区域雨季降水的短期气候预测提供科学的参考依据。

5 结论和讨论

本文主要分析了天津地区雨季降水异常年同期以及前期大气环流的异常背景特征，通过上述分析，得到如下几点主要结论：

(1) 天津地区的降水大部分集中于其雨季，雨季降水总量的多少直接决定全年降水总量的多少。此外，雨季降水存在年际变化和年代际变化。

(2) 天津地区雨季降水偏多年同期，副高主体偏北，天津地区西北部有低值系统发展，对流层低层有正涡度发展，辐合上升运动较强，南亚高压和高空副热带西风急流偏北，西南暖湿气流输送较强；天津地区雨季降水偏少年同期情况正好相反。

(3) 天津地区雨季降水与前期夏季6月SAM存在显著的反相关关系，当6月SAM偏强(弱)时，天津地区雨季降水很有可能匮乏(充沛)。SAM异常很有可能是天津地区雨季降水异常的一个前兆信号，进而为天津地区雨季降水的短期气候预测提供科学的参考依据。

大量研究表明^[32-38]，前期SAM异常可以导致后期北半球大气环流异常，进而造成我国的气候异常。前期SAM异常影响天津地区雨季降水异常的物理机制是什么？现在还不清楚，这需要进一步深入的研究。由前面的分析可知，天津地区雨季降水还存在一定的年代际变化，其年代际变化的影响机理又是什么？这仍然需要进一步开展细致的研究工作。

此外，值得注意的是，A区域降水与同期贝加尔湖和蒙古一带的负相关中心，与朝鲜半岛至日本群岛中南部的正相关中心构成一个西北—东南方向的跷跷板结构有关，A区域的降水又与前期6月45°S附近和70°S附近海平面气压的“跷跷板”有关。这两个“跷跷板”在时间和空间上究竟有无联系？若有，它们是怎么联系起来的？这两个问题也值得进一步研究。作者以前的研究表明^[39]，前期冬季2月NAO可能是单纯的而非广义天津地区雨季降水异常的前期强影响信号。若有针对性的应用，降水预报预测的效果可能会更好。