引言

海河流域东邻渤海，西倚太行，南界黄河，北接蒙古高原，是华北地区工、农业重要的用水来源。受夏季风影响，其降水年际变率大，旱涝灾害时有发生。近50年来，由于年降水量减少导致年径流量显著减少，使得水供应量形势紧张(张建云等，2007)。尤其是近十多年，受流域内北京、天津等大城市经济飞速发展和人口膨胀的影响，用水量日益增加。因此，海河流域的旱涝灾害已成为气象工作者重要的研究课题之一。研究表明，海河流域夏季总降水量和总降水小时数以及长、短历时降水量均呈减少趋势(殷水清等，2012；周兵等，2012)。

华北地区夏季降水极易受到夏季风强弱的影响。早在1934年，竺可桢(1934)就对夏季风进退及其与我国降水的关系进行了研究。其后涂长望等(1944)，陶诗言等(1957)、叶笃正等(1958)等老一辈气象学家都做了深入分析。20世纪80年代以来，越来越多的气象工作者从不同的角度深化了这一研究(李聪等，2012；石文静等，2013)，这已成为现阶段预报预测业务和研究中重要的领域之一。

除年际变化外，东亚夏季风也具有较强的年代际变化特征(王绍武等，1999；Xue，2001)。近半个世纪，最典型的突变发生在20世纪70年代中期，该时段前后大气环流和北太平洋海温等均发生了突变(Graham，1994；李崇银等，1999；袁佳双等，2005)。与之相对应，东亚夏季风也在该时期发生了显著突变。李峰等(2000)分析了东亚夏季风和北太平洋海温的关系，指出两者之间相互作用存在着年代际变化特征。之前的众多分析集中在东亚夏季风的结构、性质以及与海温等外强迫因子的联系上，本文拟从东亚经圈环流角度研究东亚夏季经向和纬向风场的变化，进而揭示东亚夏季风年代际变化特征，并借鉴郭其蕴(1983)，赵汉光等(1996)，张庆云等(2003)和施能(1996)定义季风指数的方法定义了东亚经圈环流指数。该指数通过计算对流层高层和低层经向风差来表征东亚夏季经圈环流的强度，并初步探讨了东亚经圈环流指数与海河流域夏季降水的联系。

1 资料和东亚经圈环流指数定义

本文采用美国NCEP/NCAR 1951—2010年风场和比湿场逐月再分析资料，该资料垂直空间层为1000~10 hPa共17层，水平分辨率为2.5°×2.5°经纬度网格。另外，本文还采用了ERA-40再分析资料，水平分辨率为2.5°×2.5°经纬度网格，资料长度为1958—2002年。1951—2010年中国160个站月降水资料由中国气象局国家气候中心提供。

为定量化表示经圈环流强度，定义(10°~40°N、100°~150°E)区域平均的850和100 hPa的标准化经向风的风速差作为东亚经圈环流指数。关于该指数详细说明见本文第三部分。

2 海河流域降水的变化趋势及其与经圈环流关系

受季风气候影响，海河流域降水量年内分配极不均匀，全年降水量主要集中在夏季(6—8月)，其多年平均(1981—2010年)夏季降水量为329 mm，占全年降水量的65%左右。从近60年海河流域夏季降水量(图 1)的演变曲线上不难发现，海河流域夏季降水在20世纪80年代发生了突变，在80年代之前降水明显偏多，之后则大为减少。统计表明，海河降水的减少趋势通过了α=0.01的显著性水平检验。

海河流域夏季降水和源自热带的经向水汽输送或经向风有密切联系。当低层南风分量偏强时，其降水易偏多，反之偏少。图 2为其降水量与850 hPa经向风的线性相关。相关结果验证了已有工作成果。在我国东部地区，除东南沿海局部外，其他地区均为通过了α=0.10的显著性水平检验的显著高相关区。这也表明，海河流域夏季降水的变化可能是由于东亚地区大气环流尤其是经向环流发生了明显的异常变化所导致。因此有必要对东亚地区大气环流的年代际变化进行研究，以便找出海河流域夏季降水在20世纪80年代发生转折的原因。

亚洲大气环流并非孤立系统，其和高低层环流都有一定联系。为此，分别计算了1981—2010年和1951—1980年的高、低层经、纬向风场差值(图 3)。在对流层低层，我国大陆上空大部分地区以负距平为主，说明近30年上述地区夏季西风分量较之前明显减弱。100 hPa的风场差值结果与低层差值结果基本相反，在45°N以北地区，近30年西风分量有所减弱，而在以南地区西风分量明显加强。

在经向风差值场上，对流层低层，我国东部地区在近30年南风分量减弱的异常明显，表明这一时期对流层低层东亚夏季风有所减弱，不利于夏季雨带向北推进，易使夏季多雨区位于我国大陆的南方。对于对流层高层，我国东部大部分地区为广大的正值区，而西部地区为负值区，说明后一时段中国东部地区对流层高层南风分量有所加强，而西部地区的北风分量逐渐增强。

3 东亚夏季经圈环流的年际和年代际变化

图 4给出了沿120°E的夏季经向风纬度-时间剖面。图中显示对流层低层，夏季850 hPa高度南风分量随时间呈现明显的年代际变化趋势，在20世纪60年代和70年代，南风分量的影响范围要明显偏北，之后，到了20世纪80年代，南风分量的影响范围和强度较前期明显偏弱、偏南，90年代之后，南风分量的影响较80年代略有增强。南风分量中心强度和影响范围的变化特征可能与我国北方地区夏季降水偏少有紧密的联系。

从气候上来说，7月是长江流域梅雨结束、北方进入主汛期的月份，当7月季风雨带北上推迟时，长江流域梅雨结束明显偏晚，我国北方地区的雨季就来得晚，导致7月降水分布出现南多北少的趋势，反之，就出现南少北多的分布趋势。从图 4b可以看出，在20世纪70年代末期之前，南风分量呈现南北两个中心区域，在60年代中期之前北方中心的强度还强于南方中心，同时南风影响范围能达到50°N甚至更北地区；到了70年代末期，南风的南北两个中心逐渐合并，其强度较前期明显减弱，中心位置基本上在30°N以南地区；到了90年代末期开始，南风的中心逐渐形成南北两个中心，北部中心的位置较前期有所北抬，影响的范围也逐步向北推进。这一结果和图 3所揭示的年代际变化特征一致。

前面已指出，海河流域夏季降水与东亚地区850 hPa经向风场存在显著的正相关关系。图 3和图 4又揭示了20世纪80年代之后东亚夏季风逐渐减弱，影响范围也较之前偏南，尤其是经圈环流的强度减弱和位置偏南。为了定量化表示经圈环流的强度，定义(10°~40°N、100°~150°E)区域平均的850和100 hPa的标准化经向风的风速差作为东亚经圈环流指数。指数值越大，说明经圈环流越强，东亚夏季风越强，反之则表示经圈环流越弱，东亚夏季风也越弱。图 5是1951—2010年夏季东亚经圈季风指数的标准化序列。从图可见，东亚夏季经圈季风指数具有显著的年际和年代际变化，20纪世80年代之前东亚夏季经圈环流处于年代际偏强阶段，之后则处于年代际偏弱阶段。将该曲线序列与我国160个站夏季降水做相关分析(图略)，发现该曲线的演变趋势与我国东部夏季降水存在一定的相关关系，尤其是在海河流域、黄河中下游地区以及淮河流域存在明显的正相关关系，相关关系通过了α=0.10的显著性水平检验。进一步分析了东亚经圈环流指数与海河降水的相关，相关系数为0.28，通过了α=0.05的显著性水平检验。说明经圈环流指数值越大，东亚经圈环流强度偏强，越有利于夏季东亚季风向北推进，从而使海河流域夏季降水偏多。反之，经圈季风指数值越小，表明东亚经圈环流强度越弱，不利于东亚夏季风向北推进，导致上述地区夏季降水偏少。

图 6是两个时段的水汽输送通量。在前一个时段，东亚夏季风偏强，有利于水汽向海河流域输送，使海河流域上空大气中水汽含量明显偏多，为海河流域的降水提供了较好的水汽条件，使该地区这一时期内的降水明显偏多。从环流场形势来看，海河地区的水汽主要来源于东亚夏季风，暖湿气流被西南气流输送至海河流域，使海河流域大气中的可降水量增加。这是海河流域的主要水汽来源(图 6a)。而在后一个时段，海河流域的水汽通量变化以及导致该区域降水减少的环流因素发生了明显改变。显然，这一时期内，东亚夏季风偏弱，不利于水汽向海河流域上空输送，导致大气中的水汽含量明显偏少，暖湿的西南气流也被干燥的偏西气流替代，这一环流形势不利于海河流域的降水增加，因而在这段时期内，海河流域的降水明显减少(图 6b)。

4 与ERA-40资料的比较

文中上述分析都是基于NCEP/NCAR资料的结果，为了证实以上结果的真实性和正确性，本文利用ERA-40资料做了相同的分析，但由于ERA-40资料时间长度较短，本文取1958—2002年与NCEP/NCAR结果进行比较。分析结果表明，两套资料虽然在空间场上的分布存在一些差异，但在本文所研究的对海河流域夏季降水关系密切的东亚夏季风区差异很小，更主要的是针对本文的研究内容，两套资料的分析结果比较一致。限于篇幅，这里仅给出利用海河流域夏季降水与ERA-40的经向风场相关(图 7a)，同时，利用上文的东亚经圈环流指数的定义方法，采用ERA-40资料计算了1958—2002年东亚经圈环流指数与NCEP/NCAR结果进行比较(图 7b)。将图 7a与图 2相比较，图中阴影部分表示通过了α=0.10的显著性水平检验。对比两张图不难发现，海河流域夏季降水和我国东部地区经向风呈现显著正相关关系，两套资料分析结果的差异仅仅在于正相关显著区域在华南地区有所差异。另外，利用ERA-40资料计算的夏季经圈环流指数表明，东亚夏季经圈环流指数具有显著的年际和年代际变化特征，这与上文利用NCEP/NCAR的结果是一致的，计算两套资料计算出的指数序列相关，相关系数为0.70，通过了α=0.001的显著性水平的t检验。综合来看，ERA-40资料和NCEP/NCAR资料都能共同表现出东亚夏季经圈环流的年际和年代际变化特征。

5 结论

基于NCEP/NCAR和ERA-40两套再分析资料及中国160个站降水资料，分析了夏季海河流域降水的变化特征及受东亚夏季风的影响，并定义了东亚夏季经圈环流指数，研究了东亚夏季风的年际和年代际气候变化特征及与海河流域夏季降水的关系。统计分析结果表明，近30年来，东亚45°N以南地区对流层低层夏季西风分量明显减弱，高层西风分量则明显加强，东亚45°N以北地区则呈现相反的变化趋势。同时，东亚地区对流层低层南风分量异常减弱，中低纬度的经圈环流也呈现减弱趋势，夏季风的强度随之减弱，其影响范围也逐渐偏南，不利于夏季雨带向北推进。

研究还表明，东亚夏季经圈环流指数具有显著的年际和年代际变化特征，近30年处于年代际偏弱阶段，之前则处于偏强阶段。东亚夏季经圈环流指数与海河流域夏季降水存在显著的正相关关系，说明经圈季风指数值越大，东亚经圈环流强度偏强，利于夏季东亚季风向北推进，从而使海河流域夏季降水偏多。反之，当东亚夏季风偏弱时，东亚经圈环流也偏弱，进入海河流域的水汽明显减少。因此，东亚经圈环流的年代际减弱是海河流域近30年处于少雨期的一个直接原因。这一结果可为海河流域的短期气候预测提供一定的参考信息。

致谢：感谢中国气象局短期气候预测国家级创新团队提供的技术指导。