0 引言

华北地处东亚大陆季风区北部，不仅是中国最重要的粮食生产区之一，也是中国最重要的重工业基地之一。受亚洲夏季风年际变率影响，华北地区降水亦存在明显的年际和年代际变化，且季节分布极不均匀，其中夏季降水量可达全年总降水量的65%以上，并在7月下旬—8月上旬达到最大值^[1-4]，暴雨对当地人民生命安全和社会经济发展造成重大损失，因此一直是科学界关注的热点之一^[5-7]。由此可见，深入认识华北地区夏季降水的时空变化规律及物理过程具有重要意义。华北地区夏季降水的影响因子较多且机理复杂。一方面，华北雨季与东亚夏季风的北进息息相关，因此东亚夏季风的强弱、爆发和持续时间是影响华北夏季气候异常的主要因素之一，从而导致华北地区夏季降水发生明显异常^[8]。例如，东亚夏季风可通过西太平洋副热带高压、水汽输送、高空急流等过程导致华北夏季降水发生异常^[9-12]，总体上看，东亚夏季风偏强时，华北地区夏季降水偏多，而东亚夏季风较弱时，源于南海和孟加拉湾的水汽难以到达中国北方地区，华北夏季降水偏少^[13]。

另一方面，华北地区夏季降水也受到厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation，ENSO)和欧亚遥相关等大尺度海气相互作用和大气遥相关现象的调控^[14-17]。亚洲-太平洋涛动(Asian-Pacific Oscillation，APO)作为存在于亚洲和太平洋地区对流层中上层扰动温度的“跷跷板”遥相关现象，其实质反映了亚太地区对流层中上层之间的纬向热力差异，即当亚洲大陆(尤其是青藏高原)上空扰动温度偏高时，中东太平洋上空扰动温度偏低，反之亦然。APO的形成和异常与青藏高原强大的加热作用密不可分，在高原地面感热加热和释放的凝结潜热共同作用下，高原上空大气加热上升并在太平洋中东部地区下沉，最终形成APO遥相关现象^[18-21]。Zhao等^[22]通过数值模拟发现夏季青藏高原的抬升加热作用可造成以青藏高原为中心的亚洲地区对流层中高层扰动温度升高，上升运动加强，而北太平洋中东部对流层中高层下沉运动加强，对流降水减少，大气热源汇减弱，扰动温度下降，从而激发出APO遥相关。APO作为北半球大尺度遥相关现象，不仅可对全球天气气候形成重要影响，同时也是海洋热状况异常的重要调控因子。例如，当春季青藏高原温度偏低时，春、夏中东太平洋海面温度(sea surface temperature，SST；以下简称“海温”)偏高，且二者可通过APO进行联系^[23-24]。同时，太平洋年代际振荡异常也与APO存在联系。此外，APO还可通过影响季风环流影响中国夏季降水^{[18, 25]}。除夏季外，中国西北和中东部地区秋季降水也与同期APO存在显著的正相关关系^[26-27]。

上述研究对于揭示华北夏季降水的变化特征及影响因子具有重要价值。然而，已有研究多集中于分析东亚夏季风对华北夏季降水的影响，而关于大气遥相关尤其APO对华北夏季降水的影响研究还相对较少。因此，本文利用多种资料和数值模式，对华北地区夏季降水的时空特征及其与APO的联系进行分析，从而为探究华北夏季降水的影响因子提供依据。

1 资料与方法 1.1 数据

文中所用的大气再分析资料为美国国家环境预报中心和国家大气研究中心(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research，NCEP/NCAR) 提供的逐月环流场再分析资料，其空间分辨率为2.5°×2.5°^[28]。降水资料为采用基于全国2 400多个台站降水观测资料通过“距平逼近”插值法得到的中国区域逐日降水观测资料高分辨率格点数据集(CN05.1)^[29]，该资料空间分辨率为0.25°×0.25°。采用英国气象局哈得来中心提供的空间分辨率为1°×1°的全球海冰和海面温度数据集(Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperature data set，HadISST)^[30]。

文中所用资料时间范围均为1961年1月—2020年12月，夏季定义为6—8月。文中涉及地图为基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)1822号的中国地图制作，底图无修改。

1.2 方法

华北地区处于东亚夏季风影响的北边缘，最北边缘位置为44°N，最南位置为33°N，集中反映了中国北方夏季降水的变化特征^{[1, 31-32]}。因此，华北地区地理范围选择为34°~42°N、107°~119°E。与Zhao等^[18]的研究一致，将APO指数(APO Index，APOI)定义如下。

$ I_{\mathrm{APO}}=t^{\prime}{ }_{60^{\circ} \sim 120^{\circ} \mathrm{E}, 15^{\circ} \sim 45^{\circ} \mathrm{N}}-t^{\prime}{ }_{180^{\circ} \sim 120^{\circ} \mathrm{W}, 15^{\circ} \sim 45^{\circ} \mathrm{N}} $

(1)

式中：I_APO为APO指数的值；扰动温度(t′)为500~200 hPa平均气温与其纬向平均之差，即t′=t-[t]，其中t代表平均气温，[t]为纬向平均气温，单位为℃。使用相关分析、回归分析、小波分析等方法^[33-34]分析华北地区夏季降水和APO的时空变化特征。将去趋势和标准化后的夏季华北地区区域平均降水定义为华北地区夏季降水指数。采用回归分析方法分析华北地区夏季降水与APO的联系。

1.3 模式

数值模式采用Watanabe等^[35]发展的线性斜压模式(linear baroclinic model，LBM)v2.2。该模式对大气环流模式中复杂的非线性过程进行了简化，便于模拟大气环流对热力强迫的响应。模式驱动资料为1979—2016年NCEP/NCAR月平均再分析资料，并以1979—2016年夏季环流平均态为背景场进行模拟，模式积分30个模式日，取后15个模式日平衡后的平均值进行分析。

2 华北地区夏季降水的基本特征

为了解华北地区夏季降水的基本空间特征，首先给出近60年平均的华北夏季降水量气候态空间分布(图 1a)，可以发现，华北地区夏季降水量多年平均值一般为250~550 mm，整体呈自东南至西北减少的特征，大值区主要位于华北东南部，中心降水量超过500 mm。由华北地区夏季降水量的区域平均年际序列(图 1b)可知，近60年来华北地区夏季降水量的多年平均值为313.92 mm，且存在较明显的年际变化和一定的年代际变化。进一步对近60年华北地区夏季降水的周期特征进行分析。由华北地区夏季降水的小波功率谱结果(图 1c)可知，其小波变换实部时频变化在2~4年、8~16年和16~32年的时间尺度上较为密集，且存在小波系数的高、低值中心变化。进一步分析全局小波谱结果(图 1d)，当全局小波谱值大于0.1显著性检验线(红色虚线)则认为通过显著性检验。小波频率在3年左右的时间尺度上存在大值，通过0.1的显著性水平检验，而8~16年和16~32年的时间尺度并未通过显著性水平检验，表明华北地区夏季降水量主要以短周期年际变化为主。

3 APO对华北地区夏季降水的影响 3.1 APO的基本特征

图 2为1961—2020年夏季APO的气候态空间分布和APOI周期特征。受青藏高原加热作用影响，亚洲大陆东部(15°~45°N，60°~120°E)对流层中高层为明显的t′正值区，其中心位于青藏高原上空，而北太平洋(15°~45°N，180°~120°W)则为明显的t′负值区，总体上亚洲-太平洋地区对流层中上层表现出明显的t′纬向“跷跷板”特征(图 2a)。图 2b为夏季APOI的小波分析结果，可以发现小波变换实部时频变化在4~8年、8~16年以及16~32年的时间尺度上较为密集，且存在小波系数的高、低值中心交替变化特征，而由夏季APOI的全局小波谱(图 2c)可知，APO的显著主周期为5年的短周期变化，与已有研究结果^[18]较为一致，而8~16年和16~32年的变化周期并未通过显著性水平检验。进一步对比华北地区夏季降水(图 1d)与APOI(图 2c)的周期特征可发现，二者均存在16~32年长时间尺度周期，而在8~16年时间尺度上，二者的位相变化特征则存在一定差异。对于8年以下的短周期，华北地区夏季降水的周期为3年，而APO则存在5年左右的周期，总体对应较为明显的年际变化特征。

3.2 华北地区夏季降水与APO的联系

为分析华北地区夏季降水与APO的联系，计算了二者之间的相关关系(图 3)。由图 3a可见，APOI与华北夏季降水的相关系数在大部分地区为正相关关系，其显著正相关区主要位于华北，相关系数最高超过0.4，通过0.05的显著性水平检验，即当夏季APO偏强时，华北大部分地区同期降水偏多，反之亦然。进一步分析APOI与华北地区夏季降水指数时间序列(图 3b)也可发现，APOI与华北夏季降水指数之间存在较好的一致性，其相关系数达到0.40，通过0.05的显著性水平检验，表明二者之间存在显著的正相关关系。

3.3 APO对华北地区夏季降水的可能影响过程

为分析APO对华北地区夏季降水的影响过程，采用回归分析对夏季APO对应的大气环流异常特征进行分析。图 4给出了夏季APOI对亚洲-太平洋地区对流层高、中和低层位势高度场和风场的回归结果。当夏季APO偏强时，200 hPa高度场上显著的位势高度正异常区可从中亚地区一直延续至北太平洋地区，表明对流层高层高压系统偏强，位置偏东，而显著的负异常区主要位于北半球中东太平洋地区(图 4a)，表明APO对高层南亚高压存在显著影响，当APO偏强(弱)时，南亚高压增强(减弱)，并向东(西)扩展(收缩)。由对应的200 hPa回归风场图(图 4a)可知，异常的偏西风气流主要位于40°N以北地区，由于夏季东亚地区200 hPa西风急流通常位于40°N附近^[36]，故此时副热带西风急流位置相对偏北，可在与急流相垂直的方向上形成次级环流，并造成急流入口处南侧形成较强的上升运动，此时华北地区位于该次级环流形成的上升运动区域，可为形成更多的华北夏季降水提供有力的动力抬升条件。在500 hPa位势高度回归场(图 4b)上，巴尔喀什湖为位势高度负异常区，华北—北太平洋一带位势高度偏高，表明APO偏强时巴尔喀什湖为低压槽，西太平洋副热带高压强度偏强，位置偏北，华北地区上空主要为西太平洋副热带高压西侧的异常东南风引导气流所控制，加之巴尔喀什湖低压槽引导下，高纬地区冷空气易进入华北地区与暖湿气流交汇，造成华北地区降水偏多。由对流层低层850 hPa位势高度场和风场回归结果(图 4c)来看，其分布与500 hPa回归结果较为类似，同样表现为APO偏强时，青藏高原附近以位势高度负异常为主，而显著的位势高度正异常区则主要分布在北太平洋地区。对应的回归风场上，阿拉伯海—孟加拉湾一带存在明显的异常反气旋环流，异常的西风气流向南海地区推进并与来自西太平洋地区的偏东风汇合后转为偏南风持续向北推进，表明东亚夏季风和南亚夏季风均较强，导致华北地区被偏南风控制。上述结果表明，当夏季APO偏强时，高层南亚高压偏强，中层西太平洋副热带高压偏强偏北，低层亚洲低压偏强。这一环流特征对应东亚夏季风总体偏强，有利于源自印度洋和太平洋的水汽向中国北方输送并有利于华北地区夏季降水异常偏多。

图 5为夏季东亚地区水汽通量的气候态分布和APOI回归的整层积分的水汽通量和水汽通量散度。由东亚地区水汽通量气候态空间分布(图 5a)可见，夏季华北地区主要存在两条水汽通道，一条来源于印度洋，水汽自阿拉伯海经孟加拉湾通过中国西南地区北上输送至华北，而另一支则来源于西太平洋，水汽跟随副热带高压西南侧的东南气流沿中国东部地区输送至华北。进一步由APOI回归的整层积分的水汽通量和水汽通量散度(图 5b)可知，APO通过影响两条水汽通道进而调节华北夏季降水，即当APO偏强时，源自西太平洋地区的异常水汽沿中国中东部地区持续向华北地区输送；与此同时，异常的西南气流将源自印度洋地区的水汽不断输送至中国南海地区，并与源自太平洋的水汽汇合后转为向北输送，有利于华北地区夏季降水增加。总体上，华北地区夏季水汽通量散度回归场以负异常为主，说明APO偏强时，该地区水汽以辐合为主，有利于降水形成，反之亦然。

图 6为夏季APOI对亚洲-太平洋地区对流层高低层散度风和速度势的回归结果。由APOI回归的低层850 hPa散度风和速度势(图 6a)可知，对流层低层850 hPa西太平洋和中国中东部地区以及南海地区存在显著的速度势正异常区和水平风辐合，说明上述地区以显著的异常辐合中心为主，而在对流层高层200 hPa上则与之相反，主要为显著的速度势负异常区和水平风辐散，表明高层为显著的异常辐散中心(图 6b)。此外，东太平洋地区对流层高低层所呈现的大气环流模态与东亚和西太平洋相反，主要表现为对流层低层为显著异常辐散(辐合)中心，而对流层高层则为显著的异常辐合中心。由此可见，上述亚洲-太平洋地区环流场的高低空配置有利于形成异常上升运动，从而为华北地区夏季降水的形成提供了良好的动力条件。

由上文夏季APO对亚洲-太平洋地区水汽输送和对流层高低层辐合辐散的分析可知，APO能够通过影响太平洋中低纬度地区水汽输送进而影响华北地区夏季降水。由于亚洲-太平洋地区对流层高低层辐合辐散与沃克环流存在密切联系，且沃克环流也是影响东亚大气环流和降水异常的因素之一^[37-38]。因此，进一步计算夏季APOI对亚洲-太平洋热带地区5°S~5°N平均的垂直环流回归结果(图 7)。由图中可以看出，受到夏季APO作用，热带地区垂直环流在东亚(120°~140°E)低纬地区附近存在明显的上升运动，而在东太平洋(130°~110°W)低纬地区附近则以显著的下沉运动为主，表明东亚地区对流层高层以辐散为主，而对流层低层则以辐合为主，东北太平洋地区则与之相反，即该地区对流层高层以辐合为主，低层以辐散为主，从而导致低纬太平洋地区对流层低层盛行偏东风，而高层为异常偏西风和异常偏东风，对应整个太平洋地区上空沃克环流强度有所加强，导致西太平洋地区对流强度增强，并可通过哈得来环流引起东亚中纬度系统向北偏移和东亚夏季风偏强^[39-40]，有利于华北地区夏季降水增加。

众所周知，海洋热状况，尤其太平洋SST异常是导致东亚地区大气环流和夏季降水发生变化的主要因素之一^[41-42]。前文分析表明夏季APO与低纬环流存在密切相关。因此，进一步从SST角度分析APO通过改变太平洋SST影响热带环流，进而导致华北夏季降水的可能机制。图 8为1961—2020年夏季APOI与太平洋地区同期SST和850 hPa风场之间的相关系数空间分布，可以看出，夏季APO与西北太平洋地区的SST之间为显著的正相关，而与赤道中东太平洋地区SST呈显著的负相关，这与已有研究结果^{[20, 25]}类似。进一步计算APOI与各Niño指数的相关系数可知，APO与Niño3、Niño3.4和Niño4指数的相关系数分别为-0.38、-0.34和-0.33，均通过0.05的显著性水平检验，表明当夏季APO偏强时，赤道中东太平洋地区SST普遍偏低，有利于增大东、西太平洋之间的纬向海温梯度，从而导致太平洋地区沃克环流增强并影响华北夏季降水。同时，APO强度偏强可造成北太平洋对流层中低层出现异常的反气旋环流，位势高度增加，并可通过海气相互作用导致北太平洋地区SST增暖^[43]。

3.4 LBM模拟

APO的形成与青藏高原强大的热力作用密不可分，为分析APO通过大气环流影响华北地区夏季降水的过程，采用LBM进行数值模拟以进一步验证其影响过程。模拟中将热力强迫设置为一个位于高原上空(几何中心位于32°N、82°E)的椭圆形理想热源强迫以模拟APO对大气环流的影响(图 9a)。此外，Zhu等^[44]的研究表明，青藏高原加热率在400~300 hPa达到最大，其值约为0.32 ℃ ·d^-1，故数值试验中垂直加热廓线设为正弦函数，加热中心位于0.4σ模式层(约400 hPa)。为获得更明显的环流异常响应信号，将LBM模拟中理想热源的最大加热率设为1 ℃ ·d^-1(图 9b)。进一步从模式模拟的亚洲-太平洋地区夏季对流层中高层t′的水平分布(图 9c)可见，受高原加热影响，亚洲大陆对流层中高层为t′正异常区，而太平洋地区则为t′负异常区，表明受青藏高原加热作用影响，北半球对流层将出现明显的APO模态。

图 10给出了模拟的位势高度场和风场对理想热源强迫作用的响应。由对流层高层200 hPa风场和高度场模拟结果(图 10a)可见，位势高度在该强迫中心的上下游均出现高压响应，且风场呈明显的反气旋异常，表明当青藏高原上空出现加热异常时，可引起对流层高层位势高度出现响应，有利于形成APO。对流层中层500 hPa(图 10b)和低层850 hPa(图 10c)风场对理想热源强迫的响应较为类似，均在青藏高原及其周边地区以及中国西南—华北地区存在异常气旋性环流，且孟加拉湾—中国华北均为异常西南风气流所控制，表明东亚夏季风强度偏强。已有研究^[18]表明，APO与东亚夏季风强度存在同位相变化关系，即当APO偏强时，东亚夏季风强度增强，可造成江淮流域降水偏少，华北降水偏多。由此可见，APO可通过改变季风环流引起华北地区夏季降水发生变化，这也与前文统计诊断分析结果较为一致。

4 结论与讨论

基于1961—2020年中国区域逐日观测资料格点数据集(CN05.1)和NCEP/NCAR月平均大气环流再分析资料，采用多种统计方法和LBM对近60年来华北地区夏季降水时空变化特征及与APO的联系和可能机理进行了分析，得到结论如下：

(1) 近60年来华北地区夏季降水量整体呈“东南多，西北少”的分布特征，降水大值区主要位于华北东南部。此外，华北地区夏季降水在近几十年中存在较明显的年际波动以及一定的年代际变化特征。

(2) APO可通过影响东亚地区大气环流影响华北地区夏季降水，当APO偏强时，对流层高层南亚高压偏强，中层西太平洋副热带高压偏强，位置偏北，低层亚洲大陆低压和东亚夏季风和南亚夏季风偏强，自印度洋和太平洋向华北输送的水汽偏强，水汽以辐合为主，导致华北夏季降水偏多。此外，APO可导致北太平洋地区副热带和热带地区SST发生反向变化，进而影响东、西太平洋之间的纬向海温梯度形成类ENSO模态，从而改变太平洋沃克环流最终引起华北夏季降水异常。

(3) LBM数值试验结果表明，受青藏高原异常热源的影响，对流层高层位势高度将出现响应，有利于APO的形成，对应的南亚高压强度将偏强，而对流层中低层则存在异常的气旋性环流，因此东亚夏季风和南亚夏季风偏强，有利于更多水汽向中国北方地区输送，从而导致华北地区夏季降水偏多。

值得注意的是，文中主要从夏季APO对亚洲-太平洋地区大气环流及太平洋海温的调制作用出发，分析其对华北地区夏季降水的影响。然而，华北地区降水的影响因素众多，除APO外，该地区降水也受大尺度大气环流、海洋热状况以及欧亚大陆陆面过程等因素的影响。例如，印度洋增暖可抑制与西太平洋副热带高压发展相关联的对流活动，并通过大气遥相关诱发华北地区夏季降水偏多^[45]。此外，华北至长江中下游区域土壤湿度增加也可造成东亚夏季风强度减弱，进而导致华北夏季降水减少^[46]。因此，需对导致华北地区夏季降水的影响因子进行进一步深入分析。同时，华北地区夏季降水与APO的主振荡周期呈现非同步性特征，暗示二者关联机制中可能存在未被充分解析的调制因子，如北太平洋海温、大西洋海温以及青藏高原加热作用。这一现象将为未来研究提供新的探索方向。