1 引言
气候变化具有多时间尺度的特征， 年代际气候变化介于长期气候变化趋势和年际气候变化之间， 并且为年际气候变化提供了大的气候背景， 研究表明（严中伟等， 1990, 1992； 黄荣辉等， 1994）， 华北降水在1965年左右发生一次跃变： 降水由明显偏多期进入偏少期， 且在20世纪70年代末又发生了一次跃变， 降水在此减少， 华北干旱持续并加剧。认识到年代际气候变化的重要性后， 许多学者对气候年代际变化特征及其成因开展了大量研究， 结果表明， 20世纪70年代后期到80年代初期全球气候出现了一次年代际跃变， 即进入了全球变暖期。在全球变暖背景下， 吕俊梅等（2004）研究了东亚夏季风年代际变化对中国夏季降水的影响， 此外发现， 中国夏季降水发生了明显的年代际变化特征。
北极涛动（AO）在20世纪70年代末进入正指数位相使得东亚夏季风环流发生年代际变减弱， 是导致中国东部夏季降水型发生年代际变化的主要原因（Ju et al， 2005）， 热带中东太平洋发生的“类似厄尔尼诺型”分布的年代际海温距平异常引起了20世纪70年代中后期东亚气候的年代际变化（黄荣辉等， 2006）。1977年以后， 青藏高原冬春积雪增加， 赤道中东太平洋增暖， 导致东亚夏季风减弱， 中国雨带偏南（Ding et al， 2009）。华北降水的年代际异常与太平洋年代际振荡（PDO）有显著关系（杨修群等， 2005； 张庆云等， 2007）。王绍武等(2002）利用重建的1880年以来中国东部35个站的四季降水量资料， 研究了19世纪80年代至20世纪90年代中国年降水量的年代际变化特征。用同样的资料， Ding et al（2008, 2009）研究了中国东部不同地区华北、 长江淮河流域以及华南夏季降水的年代际变化特征； 并研究了中国夏季降水年代际变化与东亚夏季风的关系。近80年来中国气温和降水的年代际变化特征也被探讨（陈隆勋等， 2004）。这些研究表明中国东部不同区域降水发生年代际跃变的时期有所不同。
海表温度与气候之间有着密不可分的联系。如叶小燕等（2016）利用GPCC降水资料研究了东亚地区夏季降水与全球海温变化之间的联系。段圣泽等（2018）则更为详细了研究了冬季厄尔尼诺对酒泉2016 年夏季降水的影响。严小冬等（2017）利用1962 -2014年贵州39个代表站的冬季温度资料, 研究了贵州省冬季气温的时空特征及其与海气的关系。而观测资料表明全球海表温度异常存在年代际变化， 尤其是在热带太平洋和热带印度洋海域（Gong et al， 2002； Hoerling et al， 2004）。热带太平洋SSTA的年代际变化影响着东亚夏季风的变化， 进而影响着我国气候的年代际变化（Chang et al， 2000）。印度洋地区的海气相互作用对东亚夏季风的年代际变化也起到了关键作用（Xue， 2001）。赤道印度洋海温增暖现象会影响印度洋上对流层低层西南风， 以及对流层中层的南亚高压， 继而影响东亚夏季风（Yang et al， 2007）。
可见， 学者研究了东亚地区或是局地降水年代际变化及其与季风的关系， 或与某一海域海表温度之间的关系。由于不同地区的降水以及不同海域的海表温度虽有不同的变化特征， 但却是相互牵制、 协同变化的。为区别前人的研究， 本文主要研究全国范围的夏季降水的变化特征， 而这种全国夏季降水变化特征与全球海表温度变化有怎样的联系？海温变化是通过影响哪些环流因子变化， 从而对次年夏季降水产生影响的？本文根据这些疑问进行探讨分析， 期望通过连续观测这些因子在前期的变化， 可以作为预测次年夏季降水变化的依据之一。
2 资料来源与方法介绍
采用的资料包括： 1980 -2017年NCEP再分析月平均海表温度、 海平面气压以及500 hPa高度场资料、 1981 -2017年全国160个站月平均降水资料。夏季、 秋季、 冬季的海表温度、 海平面气压及500 hPa高度场时段为1980 -2016年， 春季海表温度以及全国夏季降水为1981 -2017年。其中， 3 -5月为春季， 6 -8月为夏季， 9 -11月秋季， 12月至次年2月为冬季。主要分析方法有EOF分析、 小波分析、 相关分析、 Mann‑Kendall方法以及SVD分析法。全国160个测站在青藏高原以及西北地区分布较为稀疏， 尤其青藏高原地区测站较少， 东北地区、 内蒙古地区测站次之， 江淮、 江南、 华南和西南地区测站较多（图1）。下面， 将对全国160个测站夏季降水进行时空变化特征分析。文中图1、 图2、 图5、 图6（b）、 图7（b）、 图8（b）、 图9（b）涉及的地图是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（2016）1569的中国地图制作; 图6（a）、 图7（a）、 图8（a）、 图9（a）涉及的地图是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（2016）1564的世界地图制作， 底图均无修改。利用suffer13软件进行作图， 在具体操作时， 进行了投影转换， 因此文中输出的地图均为投影图。
图2 1981 -2017年全国夏季降水标准化距平场EOF展开第一模态（a）和第二模态（b）空间型及相应的时间系数序列Fig.2 The first (a) and second (b) spatial pattern and corresponding time coefficient sequence by EOF ofnormalized distribution for the summer rainfall in China during 1981 -2017 |
图5 全国三个阶段夏季降水差值（单位： mm）Fig.5 The difference of three periods for summer precipitation in China.Unit： mm |
图6 1980 -2016年冬季海表温度与次年全国夏季降水的SVD第一模态左异类相关（a）、 右异类相关分布（b）及其对应的时间系数序列（c）Fig.6 The left variant correlation (a)， right variant correlation (b) and time coefficients (c) from the first SVDmodes of SST in winter from 1980 to 2016 and the next year’s summer precipitation in China |
图7 1980 -2016年冬季海表温度与次年全国夏季降水的SVD第二模态左异类相关（a）、 右异类相关分布（b）及对应的时间系数序列（c）Fig.7 The left variant correlation (a)， right variant correlation (b) and time coefficients (c) from the second SVD modes of SST in winter from 1980 to 2016 and the next year’s summer precipitation in China |
图8 1980 -2016年冬季海平面气压场、 次年全国夏季降水的SVD第一模态左异类相关（a）、 右异类相关分布（b）及对应的时间系数序列（c）Fig.8 The left variant correlation (a)， right variant correlation (b) and time coefficients (c) from the first SVD modes of sea level pressure in winter from 1980 to 2016 and the next year’s summer precipitation in China |
图9 1980 -2016年冬季海平面气压场、 次年全国夏季降水的SVD第二模态左异类相关（a）、 右异类相关（b）分布及对应的时间系数序列（c）Fig.9 The left variant correlation (a)， right variant correlation (b) and time coefficients (c) from the second SVD modes of sea level pressure in winter from 1980 to 2016 and the next year’s summer precipitation in China |
3 全国夏季降水时空变化特征
图2给出了1981 -2017年全国夏季降水EOF分析第一模态（解释了32.6%的方差贡献）和第二模态（解释了18.4%的方差贡献）时空分布及其时间曲线。从图2(a)中可见， 全国夏季降水呈现全区一致的变化特征， 尤其是内蒙古至东北地区负值显著， 从时间系数可见， 有明显的年代际变化特征， 经M‑K检验发现， 1997年是突变年份（图略）。第二模态空间分布中， 东北地区与以长江流域为中心向南北扩展5~10个纬距范围为反相变化， 从时间系数可见， 表现有年际变化特征， 且经M‑K检验发现， 1994年是突变年份（图略）。可见， 全国夏季降水在明显的年代际变化背景下， 又有年际变化特征， 且不同模态存在的时间跃变点存在差异。
根据全国夏季降水EOF第一、 第二模态变化特征可见， 全国夏季降水变化最突出的地区是内蒙古至东北地区、 长江流域一带， 南方地区在EOF第一、 第二模态中特征不突出， 但考虑到全国夏季降水的三个大雨带， 结合夏季降水EOF变化特征， 将全国夏季降水仍分为三个代表区域： 内蒙古至东北地区的站点代表北方地区; 云南、 广东、 广西及福建的站点代表南方地区; 重庆、 湖北的站点代表长江流域， 进而分析夏季降水距平变化、 周期变化特征及突变情况。
从图3可见， 北方地区、 长江流域和南方地区夏季降水呈现明显的年代际变化特征， 北方地区更为显著。北方地区1981 -1997年为降水偏少期， 1998 -2017年为降水偏多时期； 长江流域夏季降水亦呈现有显著的年代际变化特征， 1981 -2000年以降水偏少为主， 2001 -2013年以降水偏多年份为主， 2014 -2017年降水偏少年份为主； 南方地区则是1981 -1997年以降水偏少年份为主， 1998 -2017年则以降水偏多年份为主。从三个区域的M‑K突变检验可以看到， 北方地区和长江流域的年代际突变年份是1997年， 南方地区的年代际突变年份是2013年， 并且均通过0.05水平的显著性检验。而这三个区域的小波分析表明（图4）， 北方地区有26~30年、 9~11年以及5~6年的变化周期； 南方地区则有20~22年和12~13年的变化周期， 此外， 南方地区在1995 -2006年期间有7~8年周期变化， 而在1997 -2017年期间有5年的周期变化； 长江流域有16年和6~10年的周期变化。综上， 北方、 南方以及长江流域地区夏季降水在具有年代际变化特征的背景下， 又具有年际变化特征， 且不同区域的变化周期和突变点均不同。
图3 1981 -2017年北方（a）、 长江流域（b）及南方（c）夏季降水距平变化（左）及其对应的M-K突变检验（右）Fig.3 The anomaly changes of summer precipitation （left） in north of China (a)， in the Yangtze river basin (b)， in south of China (c) from 1981 to 2017 and its corresponding Mann-Kendall curves （right） |
根据全国夏季降水三个区域的突变年份， 将1981 -2017年全国夏季降水分为三个阶段： 1981 -1997年为第一阶段， 1998 -2013年为第二阶段， 2014 -2017年为第三阶段。将三个阶段全国夏季降水进行差值处理(图5)。从图5可以看到， 1998 -2013年阶段的夏季降水除广西外， 其余地区较1981 -1997年阶段降水普遍偏多， 尤其是内蒙古地区[图5(a)]， 而2014 -2017年阶段夏季降水与1981 -1997年阶段相比[图5(b)]， 重庆至湖北、 安徽一带偏少外， 其余地区均偏多； 但是， 2014 -2017年阶段与1998 -2013年阶段相比较[图5(c)]， 夏季降水主要呈北少南多的分布特征， 尤其长江流域、 黄河至内蒙古地区偏少明显， 西南、 华南地区偏多显著。总的来说， 全国夏季降水1981 -1997年为偏少阶段， 1998 -2017年为偏多阶段， 而长江流域， 2014 -2017年较第一阶段和第二阶段均偏少。
4 全国夏季降水变化特征与全球海温变化的联系
为了探讨自全球变暖以来影响中国夏季降水变化的因子， 对全球海表温度进行分析。将全球海表温度分为春、 夏、 秋、 冬季四季进行EOF分析， 发现， 春、 秋、 冬季海表温度第一模态均反映的是厄尔尼诺或者拉尼娜事件， 夏季海表温度没有这种特征。结果表明， 全球海表温度有明显的年代际变化特征， 这与前人（陈隆勋等， 2004； Gong et al， 2002）的研究结论一致。全球海表温度变化分为三个阶段： 1980 -1997年， 1998 -2012年及2013 -2016年。这与全国夏季降水尤其是北方地区在1981 -1998年为偏少期， 1999 -2013年为偏多时期, 2014 -2017年北少南多相对应, 那么两者之间必然存在某种联系, 下面将进一步分析。
由于春、 秋、 冬季海表温度变化特征较为类似， 而以冬季较为显著， 这里仅以冬季进行具体分析。将冬季海表温度作为左场、 次年全国夏季降水作为右场进行SVD分析。图6为SVD第一模态空间型及相应的时间系数序列， 并且， 这一模态可解释72%的方差贡献。从图6中可以看到， SVD第一模态右异类相关图即次年全国夏季降水分布及其对应的时间系数序列与全国夏季降水EOF第一模态的空间分布和时间系数变化[见图2(a)]是一致的， 即: 全国夏季降水大部呈全区一致的变化特征， 且呈现明显的年代际变化， 北方的内蒙古地区更为显著。而左场即冬季海表温度在东太平洋地区与其余海域的海表温度尤其是西太平洋、 印度洋、 大西洋地区为反相关， 海温变化同样具有年代际变化特征。即： 冬季太平洋东部海温偏高， 西太平洋、 印度洋、 大西洋海表温度偏低时， 次年全国夏季降水大部偏少， 对应1980 -1996年， 冬季太平洋东部海温偏低， 西太平洋、 印度洋、 大西洋海表温度偏高时， 次年全国夏季降水大部偏多， 对应1997 -2016年。这与前面得到的1981 -1997年全国夏季降水为偏少期， 1998 -2017年为偏多时期是较为一致的， 尤其是内蒙古地区这种特征更为显著。这可能就是太平洋东部海温与西太平洋、 印度洋、 大西洋海表温度呈反相关且具有年代际变化的特征主导了次年全国夏季降水呈全区一致的且具有年代际变化的特征。
冬季海表温度为左场、 次年全国夏季降水为右场的SVD第二模态（解释了8.9%的方差贡献）（图7）表明， 冬季海表温度变化最明显的是中东太平洋、 印度洋以及大西洋西部与西太平洋、 南太平洋以及大西洋东北侧海温为负相关， 赤道中东太平洋地区的海温变化强度更为显著。当中东太平洋、 印度洋以及大西洋西部冬季海表温度显著偏高， 西太平洋、 大西洋东北侧以及南太平洋海温偏低时， 次年我国夏季降水的特征之一是呈现北少南多的特征， 内蒙古偏少显著， 西南、 华南偏多显著； 反之相反。这一模态的海表温度和夏季降水具有年际变化特征。因此， 中东太平洋、 印度洋以及大西洋西部与西太平洋、 南太平洋以及大西洋东北侧海温为负相关且具有年际变化的特征主导了次年全国夏季降水南北反相分布的特征。
综上可见， 无论海表温度呈第一模态还是第二模态变化时， 北方地区尤其内蒙古地区在两个模态中变化是一致的， 而南方地区尤其西南、 华南则两个模态相关是相反的。这可能也就是北方地区夏季降水呈现的年代际变化特征显著， 而南方地区则没有这么明显的原因之一。此外， 厄尔尼诺3.4区秋季、 冬季、 春季海表温度与中国160站次年夏季降水的相关系数分布（图略）也表明， 内蒙古一带的北方地区与海表温度变化呈显著负相关， 而与青藏高原、 西南、 华南为正相关。因此认为， 内蒙古、 青藏高原、 西南、 华南地区次年夏季降水对全球海表温度变化相当敏感。
5 全国夏季降水变化特征与环流变化的联系
全球海表温度的变化对次年全国夏季降水产生的影响， 是通过影响环流变化， 从而作用于降水变化的。这里仅简单分析海平面气压、 500 hPa高度场上的表现。从图8可以看到， 全国夏季降水呈现全区一致、 具有年代际变化的特征时， 在海平面气压上表现为冬季北半球高纬海平面气压与低纬海平面气压呈反相关， 这一模态占了57%的方差解释。即： 当欧亚大陆北部的高纬地区海平面气压偏低、 欧亚大陆一带低纬地区、 非洲、 澳大利亚以及大西洋的低纬地区海平面气压偏高时， 次年全国夏季降水除广西外， 其余地区普遍偏少； 反之相反。此外， 可以看到， 海平面气压同样可以分为1980 -1996年、 1997 -2013年、 2014 -2016年三个阶段。
同样的， 依次将春季海平面气压、 冬季以及春季500 hPa高度场做为左场、 次年全国夏季降水作为右场进行SVD分析。发现， 当全国夏季降水呈现全区一致偏少、 具有年代际变化的特征时， 太平洋东部春季海平面气压偏低， 非洲低纬地区、 赤道西太平洋地区春季海平面气压偏高， 而在欧亚大陆北部的极地地区、 非洲、 澳大利亚、 南美洲以及赤道大西洋地区上空的冬季和春季500 hPa高度场均偏低（图略）。
而冬季海平面气压场为左场、 次年全国夏季降水为右场的SVD分析的第二模态（占了11%的方差解释）右异相关图（图9）中， 当菲律宾东部西太平洋海平面气压偏低、 赤道东太平洋的美洲西岸、 格林兰岛以及巴尔喀什湖地区海平面气压偏高时， 次年我国夏季降水在青藏高原、 西南、 华南地区偏少， 长江流域、 华北、 东北偏多， 即次年中国夏季降水呈现北多南少的分布特征。同时， 这种降水分布特征前期的欧亚大陆北部及以北的大洋中、 赤道东太平洋的美洲西海岸地区春季海平面气压偏高， 非洲低纬、 赤道印度洋、 西太平洋和赤道大西洋春季海平面气压偏低， 欧洲北部及以北大洋、 北美东北部至格林兰岛一带上空冬季和春季500 hPa高度场均偏高、 30°S -20°N之间以及贝加尔湖一带上空冬季和春季500 hPa高度场偏低（图略）。
综上可见， 全国夏季降水变化与海表温度变化密不可分， 而海表温度变化又通过影响环流场如海平面气压和500 hPa高度场变化， 从而对次年全国夏季降水产生影响。并且这种影响在前期的秋季、 冬季和春季海温、 以及冬春季的环流场上就已有体现。通过对前期海温、 环流的连续观测， 可以作为预测次年全国夏季降水变化的依据之一。
6 结论与讨论
利用NCEP再分析全球海表温度、 海平面气压和500 hPa高度场、 中国160个站点月平均降水资料， 通过EOF分析、 M‑K检验及小波分析方法研究了中国夏季降水变化特征， 并利用SVD方法初步探讨了全球海表温度、 海平面气压和500 hPa高度场对次年全国夏季降水变化的影响。得到以下结论：
(1) 全国夏季降水的EOF第一模态具有全区一致的、 年代际的变化特征， 内蒙古一带的北方地区表现尤为显著， 经M‑K检验， 全国夏季降水的EOF第一模态时间系数中1997年是年代际突变年份。全国典型的三个夏季降雨雨带中， 北方和长江流域1997年是突变年份， 南方地区2013年是突变年份。1981 -1997年全国夏季降水为偏少期， 1998 -2013年全国大部为偏多期； 2014 -2017年与1981 -1997年阶段比除长江流域一带外其余降水偏多， 与1998 -2013年阶段比则呈南多北少的分布特点。小波分析表明， 北方地区有26~30年、 9~11年以及5~6年、 南方地区则有20~22年和12~13年、 长江流域有16年和6~10年的周期变化。这些结果均说明， 中国夏季降水在具有年代际变化特征的背景下， 又具有年际变化特征， 且不同区域变化周期不同， 年代际突变年份亦不相同。
(2) 全球冬季海表温度为左场、 次年全国夏季降水为右场的SVD分析表明， 东太平洋海温与西太平洋、 印度洋和大西洋海表温度呈反相关的模态具有年代际变化特征， 而这种变化特征主导了次年全国夏季降水全区一致的、 具有年代际变化的特征， 而中东太平洋海温、 印度洋、 大西洋西岸与西太平洋、 大西洋东北部、 南太平洋呈反相关的模态具有年际变化， 这一模态则主导了次年全国夏季降水南北反相变化的具有年际变化的特征。
(3) 海表温度变化与次年全国夏季降水变化之间的密切关系， 主要是通过对大气环流（海平面气压、 500 hPa高度场）产生影响， 从而对次年全国夏季降水的时空变化产生影响。海表温度变化对大气环流的影响在一些关键区的前期（冬季、 春季）就已有所表现， 而对冬季、 春季关键区的大气环流的连续观测， 可以作为预测次年全国夏季降水变化的依据之一。
以上结论仅利用全国160个站点月平均资料进行分析可知， 我国南北方地区夏季降水的变化周期并不完全一致， 且年代际突变年份亦不相同。北方地区及长江流域夏季降水突变点在1997年， 南方地区夏季降水突变点在2013年， 而在20世纪90年代末我国出现较多的极端天气如1997年和1998年出现的洪涝， 2015 -2018年亦频繁出现极端天气， 我们猜想， 在气候年代际变化的跃变期， 是不是会引起极端天气的频发？这需要进行更多的研究与分析。此外， 海温通过海气耦合影响到大气环流、 进而影响到我国夏季降水的分布及演变的机制亦有待进一步分析与研究。