秋季黄河中下游降水主模态及2021年极端降水的气候背景.pdf

秋季黄河中下游降水主模态及 2021 年极端降水的气候背景*于群1孙越2李建平2王建波1张可1朱晓清1YUQun1SUNYue2LIJianping2WANGJianbo1ZHANGKe1ZHUXiaoqing11.山东省气象台，济南，2500312.中国海洋大学未来海洋学院，青岛，2661001.Shandong Meteorological Observatory，Jinan 250031，China2.Academy of the Future Ocean，Ocean University of China，Qingdao 266100，China2023-01-04 收稿，2023-03-31 改回.于群，孙越，李建平，王建波，张可，朱晓清.2023.秋季黄河中下游降水主模态及 2021 年极端降水的气候背景.气象学报，81（4）：547-558Yu Qun，Sun Yue，Li Jianping，Wang Jianbo，Zhang Ke，Zhu Xiaoqing.2023.The leading mode of autumn rainfall over the mid-lower reaches of the Yellow river and the climate background of extreme autumn rainfall in 2021.Acta Meteorologica Sinica，81（4）:547-558AbstractToinvestigatetheclimatebackgroundfortheextremerainfallanomalyin2021overthemid-lowerreachesoftheYellowriver,thisstudyanalyzestheleadingmodeofautumnrainfalloverthemid-lowerreachesoftheYellowriverduring19512021andits relationship with the extreme rainfall anomaly in 2021.Rainfall data collected at 160 stations in China and NCEP/NCARatmosphericcirculationreanalysisaswellasNOAAseasurfacetemperature(SST)reanalysisareused.TheresultofEmpiricalOrthogonal Function analysis reveals a consistent autumn rainfall pattern from the southeast of Gansu province to the west ofShandongprovince,whichcoversthemid-lowerreachesoftheYellowriver.Thispatternisregardedastheleadingmodeofautumnrainfalloverthemid-lowerreachesoftheYellowriver.Thetimecoefficientin2021isthemaximumsince1951,consistentwiththeextremeprecipitationin2021intheregion.Theextremeeventin2021isatypicalexamplecorrespondingtotheleadingmode.ThisstudyusesthetimeseriesofAutumnRainfallovertheYellowriver(ARYR)torepresentthevariabilityofthisleadingmode.AnalysisrevealsthattheinterannualandinterdecadalvariationsofthismodeareaffectedbyElNio-SouthernOscillation(ENSO)andPacificDecadalOscillation(PDO)withmorerainfallduringLaNiaphaseandnegativePDOphase.Further,theleadingrainfallmodeoverthemid-lowerreachesoftheYellowriveriscloselyrelatedtoSSTanomaliesinthemid-latitudeNorthPacificwithmorerainfallunderhigherSST.Themid-latitudeNorthPacificSST(MNPSST)indexiscalculatedoverthekeyregionintheNorthPacific,wherethecorrelationisthemostsignificant.TheMNPSSTindexisthehighestin2021since1951.WhentheMNPSSTindexishigh,theregressedhigh-level(low-level)anticyclone(cyclonic)shearoccursoverthemid-lowerreachesoftheYellowriver,andstrongupwardmotionsdevelopoverthemid-lowerreachesoftheYellowriverandtheMarineContinent(MC)region.Intheautumnof2021,therearestrongupwardmotionsinthenorthernSouthChinaSea,andanomalouseasterlywindsoverthenorthernPacificareobviouslystronger.Asaresult,watervaporfluxanomaliescouldsplittosouthernandeasternbranches,reachingthemid-lowerreachesoftheYellowriverbasin.Theleadingmodeofautumnrainfalloverthemid-lowerreachesoftheYellowriverisstronglyrelatedtotheintensityofSSTanomalyintheNorthPacific.PositiveSSTanomaliesinthemid-latitudeNorthPacificareoneofthemostimportantfactorsaffectingextremerainfalloverthemid-lowerreachesoftheYellowriverinautumn2021.Key wordsThemid-lowerreachesoftheYellowriver，Leadingmodeofautumnrainfall，Extremerainfallin2021，Seasurface*资助课题：山东省自然科学基金重大基础研究项目（ZR2019ZD12）、山东省气象局气象科学技术研究项目（2019sdqxm01）。作者简介：于群，主要从事极端天气气候研究与气象服务。E-mail：doi:10.11676/qxxb2023.20220216气象学报temperatureanomaliesintheNorthPacific摘要为探讨 2021 年秋季黄河中下游极端降水的气候背景，基于中国 160 站降水资料、NCEP/NCAR 大气环流和 NOAA 海表温度（SST）再分析资料，分析了黄河中下游秋季降水主模态的时空特征及 2021 年极端降水的可能成因。经验正交函数分解表明，秋季黄河中下游降水主模态在空间分布上西至甘肃省东南部，东至山东省西部，主体位于黄河中下游地区，2021 年是黄河中下游降水主模态的典型表现。采用黄河中下游秋季降水指数（ARYR）表征主模态时间变化，其年际、年代际变化分别与厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）和太平洋年代际振荡（PDO）存在相关，拉尼娜年和 PDO 负位相时降水偏多。秋季黄河中下游降水偏多主模态与北太平洋 SST 异常偏高的区域和强度相关密切，选取关键区定义中纬度北太平洋 SST（MNPSST）指数，当 MNPSST 偏高时，海洋性大陆（MC）区域存在强的上升运动，黄河中下游地区出现显著的低（高）空辐合（散），指数偏低则降水偏少。其中 2021 年MNPSST 指数为 1951 年以来最高，2021 年 MC 对流区北侧的中国南海北部有较强上升运动，中纬度北太平洋偏东气流异常偏强，水汽通量异常分为偏南和偏东两支到达黄河流域中游和下游。中纬度北太平洋 SST 正异常是 2021 年秋季黄河中下游极端降水的重要影响因子之一。关键词 黄河中下游地区，秋季降水主模态，2021 年极端降水，北太平洋海表温度异常中图法分类号P468.0+241引言黄河中下游秋季降水对中国农业生产和国民经济有重要影响，在全球变暖加剧、气候系统不稳定性增强的背景下，加强秋季降水特别是极端降水的研究，对预防气候极端事件带来的灾害有重要意义。2021 年秋季华北和西北地区降水量分别偏多196%和 102%，均为 1961 年以来历史同期最多（中国气象局国家气候中心，2022）。黄河中下游地区是中国东部旱涝变率最大的区域之一（Qian，etal，2003；鄢凤玉等，2021）。由于黄河中下游地区人口密度大，且位于东部季风区，是南、北雨区过渡带，降水存在显著的季节、年际和年代际变化，因此该区域降水异常备受关注。然而，黄河中下游地区降水的预报、预测技巧水平较低（陈丽娟等，2017），其外强迫因子如厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）、积雪厚度、土壤湿度等在该地区指示信号均偏弱。随着全球变暖，极端天气、气候事件增多，夏、秋季洪涝灾害频发（Rahmstorf，etal，2011；Chen，etal，2015；Du，etal，2019）。黄河中下游地区秋季降水异常及影响因子，特别是 2021 年秋季该地区极端降水的气候背景有必要进一步探究。叶笃正等（1958）和高由禧等（1958）指出，季节盛行的天气过程与大气环流的突变相联系，华西秋雨是中国秋季范围最大、现象最明显的降水过程，其起止时间与高空西风急流的位置密切相关。根据中国雨季监测指标华西秋雨（QX/T4962019）（中国气象局，2019），将华西秋雨区以秦岭为界划分为北区和南区，其中北区包括甘肃东南部、宁夏南部和陕西南部，山西、河北、河南和山东毗邻华西秋雨北区。华西秋雨南区和北区秋雨异常分布和成因不同（白虎志等，2004；喻乙耽等，2018）。910 月的降水异常对整个秋季降水的空间格局起决定作用（支蓉等，2018；梁萍等，2019），这一阶段北方台风降雨较少，秋雨偏多往往是中高纬度大气环流和西北太平洋副热带高压（WNPSH）相互作用的结果。影响华西秋雨的主要大气环流系统包括巴尔喀什湖贝加尔湖低压槽、印缅槽、西北太平洋副热带高压、东亚高空西风急流、季风环流等（柳艳菊等，2012；鲍媛媛等，2020）。海表温度（SST）作为主要的外强迫信号，ENSO、太平洋年代际振荡（PDO）、北太平洋海表温度、印度洋偶极子等对中国秋季降水有重要影响（Li，etal，2013；Wei，etal，2021）。ENSO 是年际尺度上最强的气候异常信号，对中国气候有显著影响。厄尔尼诺年中国秋季降水以南多北少居多，拉尼娜年则相反（LiW，etal，2011；Zhang，etal，2013；LiJP，etal，2019）。太平洋年代际振荡（Mantua，etal，1997；Zhang，etal，1997）不仅直接造成太平洋及其周边区域气候的年代际变化，也是年际变化的重要背景（Zhu，etal，2007；Yang，etal，2017；Qin，etal，2018；Wei，etal，2021），已有研究（Geng，etal，2019）指出 PDO 在全球变暖背景下周期缩短，全球变暖可导致 PDO 的振幅增大，且与观测基本一致（陈广超等，2021）。PDO 可能在黄河中下游降水年际、年代际变化中扮演着越548Acta Meteorologica Sinica气象学报2023，81（4）来越重要的角色，孟祥新等（2017）、薛德强（2019）指出山东汛期降水量与汛期PDO指数存在负相关，春、夏季 PDO指数与汛期降水有稳定、显著的相关。最新的研究（Liu，etal，2022；Sun，etal，2023）从极端性上探讨了影响 9 月中国北方强降雨的多个海、气因子。2021 年秋季京津冀及陕西、山西、辽宁和山东的降水量均为 1961 年以来历史同期最多，甘肃降水量为历史同期次多，甘肃、陕西、山西、河北和山东等多个省份将秋季降水异常列为 2021 年十大天气、气候事件之一。上述省份的多雨区主要位于黄河中下游地区，严重秋汛和阴雨寡照是 2021 年秋季该地区主要的天气、气候特征。北方秋汛严重时，降水异常区域并不仅限于传统意义上的华西秋雨北区，而是向东、向北延伸到更广大的区域，对华西秋雨北区及以东地区秋季降水异常整体性的研究还不多见，同一纬度上华西秋雨与东部黄河中下游地区降水异常有着怎样的联系还不清楚。文中将讨论秋季黄河中下游地区降水主模态及其年际变化，分析降水偏多/少年和极端年的大气环流、动力和水汽条件异常，探讨北太平洋海表温度对秋季黄河中下游降水的重要指示意义，从大气环流和海表温度异常两方面进行成因分析，阐述 2021 年的气候背景及导致其极端性的海、气因子的影响。2资料与方法采用国家气候中心（NCC）的 160 站月降水资料、美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的 22海表温度再分析格点资料和 PDO 指数；位势高度、水平风场、垂直速度和比湿等 2.52.5的再分析格点资料取自美国国家环境预报中心/国家大气研究中心（NCEP/NCAR）（Kalnay，etal，1996）。上述资料使用时段均为 1951 年 1 月至 2021 年 12 月。分析方法主要有经验正交函数分解（EOF）、小波分析、滑动平均以及合成、回归和相关分析，显著水平 t 检验等。由于中国北方秋季的降水主要集中在 9 月和 10 月，降水量占比超过秋季降水量的80%，因此采用 910 月累计降水量代表秋季降水量，文中定义的物理量同样采用 910 月的平均。观测降水量距平和再分析资料距平均为相对 19512020 年气候平均值。3秋季黄河中下游降水主模态及与 2021年的比较观测表明，一些年份在黄河中下游地区存在秋季 降 水 量 一 致 型 分 布，对 1951 2020 年 全 国160 站标准化秋季降水量序列做经验正交函数分解（图略），第一模态方差贡献 11.5%，EOF1 在黄河中下游地区呈现显著的一致性，标准化变量 EOF 可以定性反映空间区域的相关分布结构（吴洪宝等，2010），超过 0.01 显著水平检验区西至青海中东部，东至山东，北至内蒙古南部，南至长江以北。为更好地提取这一特征，在秦岭以北（3240N，104122E）包括华北平原和黄土高原，地理上被称为华北暖湿带湿润半湿润地区，选取 40 个测站进行EOF 分析（图 1），第一模态方差贡献 32.6%，通过0.05 显著水平 North 检验（North，etal，1982）。图 1a不同等级系数 0.23、0.30、0.38 分别对应 0.05、0.01、0.001 显著相关水平（吴洪宝等，2010），图 1a 通过0.01 显著水平检验的区域与全国 160 站 EOF1 结果基本相同，最高相关区为陕西中东部、山西南部和河南北部，相关系数超过 0.7，计算时间系数（简称PC1，图 1b）与各测站降水量的决定系数（R2），邢台、菏泽、西峰镇、延安、太原、西安、郑州、安阳、长治 9 站均超过 0.5，解释方差达到 50%66%。第一模态主体在黄河中下游地区降水异常分布一致，称之为黄河中下游秋季降水主模态。徐桂玉等（1994）提出华西秋雨存在纬向型第一模态与文中提取的主模态有一致之处，但其选取东、西向跨度小，向东止于 110E。20 世纪 80 年代中期华西秋雨北区出现明显的偏多到偏少的年代际转折（薛春芳等，2012；徐曼琳等，2020），将 19512020 年分为两个时段各 35a分别做 EOF 分析（图略），近 35 年范围有所缩小，但依然包括华西秋雨北区和以东的山西中南部、河南北部和河北南部、山东西部，进一步表明主体在黄河中下游地区存在降水异常主模态。由 EOF1 空间系数超过 0.001 显著水平 t 检验，确定 18 个代表测站（图 1a），做降水量区域平均并标准化，定义为黄河中下游秋雨指数（AutumnRainfallintheYellowRiver，简称ARYR），该序列与19512020 年PC1 相关系数超过0.97。以ARYR序列1.5 倍标准差定义主模态降水偏多/少年，可确定 1961、1964、1975、1983、1985、2003、2005、于群等：秋季黄河中下游降水主模态及 2021 年极端降水的气候背景5492011 年为偏多年，偏多年与偏少年呈现不对称，仅1957、1998 年达到1.5 倍标准差。20 世纪 60 年代至 70 年代中期和进入 21 世纪以来降水相对偏多，且降水量起伏频繁，极端降水几率大，偏多年除了 1983和 1985 年外，其他 6a 都发生在偏多时段（图 1b）。为比较降水偏多年与 2021 年，图 2 给出了偏多年（不含 2021 年，下同）和 2021 年的距平百分率，偏多年距平百分率正值分布在黄淮流域，偏多超过 70%的高值区集中在黄河中下游地区，2021年偏多超过 200%的区域主要位于黄河中下游，偏多年的分析可以为 2021 年气候背景提供依据，2021 年降水异常与黄河中下游主模态偏多分布一致，是主模态的极端典型年份。2021 年中国北方出现强秋汛，为 70 年来最异常的 1a。19512020 年ARYR 标准化序列（图 1b）分析表明，最大和次大值为 2003 和 1964 年（分别为 2.25 和 2.17 倍标准差），进而分析 19512021 年 ARYR 序列（参见图 8），2021 年为 4.5 倍标准差，除 2021、2003 和 1964 年外，其他 6 个偏多年也均大于 1.33 倍标准差；19512021 年的 PC1 序列分析（图略）表明，2021 年 PC1最高，为 4.05，其次是 1964 和 2003 年（分别为 2.28和 1.88），其他 6 个偏多年，PC1 值均大于 1.15，即秋季降水主模态的时空分布很大程度上反映了黄河中下游降水的异常特征。4降水异常偏多年和 2021 年的大气环流特征 4.1 大气环流异常季节降水异常决定于大气环流系统的异常变化。华西区（包括华西一般区和秋雨明显区）秋雨偏多/少的环流形势和黄淮区一般秋雨区十分相似（何敏，1984）。降水偏多年位势高度和水平风场2Standardized value1012319511956196119661971197619811986199119962001200620112016YearPC1(b)35100105110115120E0.230.300.380.500.701.0040N(a)ARYR index图119512020 年（3240N，104122E）40 站 910 月降水量 EOF1 分布（a）及 PC1（柱）和 ARYR 指数（实线）年际变化（b）（a 中色阶区相关通过 0.01 显著性水平检验，黑色圆点为黄河中下游地区气象站；b 中虚线为 ARYR 序列的1.5 倍标准差）Fig.1（a）EOF1ofrainfallduringSeptemberOctoberbasedontherainfalldataover（3240N，104122E）from1951to2020（colorshaded；blackdot：stationsinthemid-lowerreachesoftheYellowriver），（b）principalcomponent（bar）oftheleadingmodeandARYRindex（blackline）（dashedlinesrepresent1.5standarddeviations）7520253035404550N(a)(b)851006040307010010060405015025095105115125135E758595105115125135E图2（a）降水偏多年（不含 2021 年）和（b）2021 年秋季降水距平百分率（%）（黑色圆点同图 1）Fig.2Percentageautumnrainfallanomalies（colorshaded，unit：%）in（a）rainyyears（excluding2021）and（b）2021（blackdotssameasthatinFig.1）550Acta Meteorologica Sinica气象学报2023，81（4）（图 3a）欧亚上空中、高纬度西风气流较为平直，偏多年与 2021 年（图 3c）位势高度异常在中纬度东亚沿岸至北太平洋分布一致，两个正距平中心都分别位于朝鲜半岛至日本岛和中纬度北太平洋，风场相应出现两个深厚的反气旋环流；东亚沿岸与巴尔喀什湖正、负距平区的配置提供了东高西低的大尺度环流背景，东亚高纬度阻塞高压和东亚大槽较浅或不明显；海洋性大陆（MC）对流区低层辐合都异常加强。2021 年中纬度北太平洋的位势高度正距平区显著性更强。偏多年西北太平洋副热带高压较气候平均略偏西、偏北，而 2021 年显著偏强、偏西，Liu 等（2022）研究指出，2021 年极端降水与西北太平洋副热带高压西伸密切相关。降水偏少年位势高度、风的距平场基本相反（图 3b）。4.2 动力条件降水偏多/少年份 200hPa 纬向风速距平（图 4）基本相反，沿 40N 正/负距平呈东西带状，南侧为负/正距平，即高空急流比气候平均偏北/南。偏多年（图 4a）东亚沿岸 40N 和 30N 出现的正、负距平中心通过了 0.01 显著水平 t 检验，大于 40m/s 高空急流范围扩大，向西扩展至黄河中下游北侧，黄河中下游地区位于急流轴右侧入口处。东亚高空急流轴入口区的极端气流加速决定了 2021 年秋季北方强降雨雨带的位置（Sun，etal，2023）。2021年（图 4c）急流轴明显偏北，北太平洋西风漂流区大范围正距平通过了 0.01 显著水平 t 检验，大于 40m/s高空急流较偏多年范围更大、位置更偏东，2021 年秋季极端降水可能与高空急流轴偏北和异常向东延伸有密切联系。4.3 水汽条件降水偏多年和 2021 年在黄河中下游地区水汽通量散度（图略）及其距平场（图 5a、c）都存在负值EQ020404020105153090705020406080201051530406080100 120 140 160E 180160W020406080100 120 140 160E 180160W020406080100 120 140 160E 180160W204060NEQ204060N3 m/s3 m/s6 m/s(a)(b)(c)图3500hPa 位势高度及距平场、925hPa 距平风场（黑实线为常年平均位势高度，绿实线为偏多年和 2021 年位势高度，色阶：位势高度距平，单位：gpm；矢量，风场，单位：m/s；实线框为黄河中下游地区，虚线框为海洋性大陆对流区）（a.降水偏多年，b.降水偏少年，c.2021 年；粗点线区为位势高度异常超过 0.05 显著水平 t 检验）Fig.3Raw（greencontour）andabnormal（colorshaded，unit：gpm）geopotentialheightat500hPaandabnormalhorizontalwind（vector，unit：m/s）at925hPain（a）rainyyears，（b）rainlessyearsand（c）2021（blackcontoursareclimatologicalgeopotentialhighat500hPa，thesolidlineboxindicatestheregionofthemid-lowerreachesoftheYellowriver，thedottedlineboxindicatestheMCregion（thesamehereafter）；theblackdottedcontoursin（a）and（b）indicatethe0.05significancelevelofgeopotentialheightat500hPainrainyyearsand2021bystudent-ttest）于群等：秋季黄河中下游降水主模态及 2021 年极端降水的气候背景551区。偏多年份整层水汽通量分布相似（图略），水汽通道一支来自西北太平洋副热带高压南侧的偏东气流，另一支来自印度季风的西南水汽源，经孟加拉湾折向北，至青藏高原东侧两支水汽汇合北上，到达黄河中下游地区。偏多年水汽通量距平场（图5a）在青藏高原东侧有相似轨迹，但 2021 年（图 5c）西北太平洋副热带高压南侧的偏东气流异常较偏多年强。另外，来自北太平洋的水汽经日本群岛在中国东部沿海向西北折向黄河下游地区，与来自青藏高原东侧的偏南水汽汇合，两支水汽通量异常分别到达黄河流域中游和下游。偏少年水汽通量和水汽通量散度的距平场（图 5b）与偏多年呈几乎相反的分布。5海表温度异常对降水的指示意义 5.1 北太平洋海表温度异常信号的影响依据国家气候中心的 ENSO 事件定义标准（李晓燕等，2000），黄河中下游地区降水偏多年中1961、1964、1975、1983、1985 和 2011 年为拉尼娜年，其中 2011 年是双拉尼娜年，2003 和 2005 年则处于弱厄尔尼诺间的非 ENSO 年；降水偏少年中的 1957 年和较偏少的 1965 年是厄尔尼诺的发展年，1998 年例外。Nino3.4 指数与 ARYR 指数相关系数达0.35，通过 0.05 显著水平 t 检验。黄河流域秋季降水与 ENSO 关系的年代际变化受到气候年代际变化的调制（Li，etal，2013）。ARYR 指数年代际变化与 PDO 的冷、暖位相的转变有很好的对应关系（图略），马柱国等（2006）指出前期的PDO指数可作为华北年代际干、湿变化预测的一个重要指标。ARYR 指数和 PDO 指数的小波分析（图 6a）表明，秋季降水异常变化与 PDO 年代际周期有同步性，在 10a 和 20a 周期都存在峰值，910a 周期在不同时段较为显著，从全局功率谱（图 6b）上同样可以看到这一信号。ARYR 指数的周期特征也表明秋季黄河中下游降水受 PDO 年代际特征的制约。953124780100120140160E180160W4070N1020305060963124780100120140160E180160W201262481680100120140160E180160W4070N1020305060(a)(b)(c)图4200hPa纬向风速及距平场（黑实线，常年平均纬向风；绿实线，偏多年和 2021 年大于 35m/s 区域，等值线间隔 5m/s，色阶：风速距平，单位：m/s；粗点线为风速距平超过 0.01 显著水平 t 检验）（a.降水偏多年，b.降水偏少年，c.2021 年；实线方框同图 3）Fig.4Raw（blackcontours）andanomalous（colorshaded，unit：m/s）zonalwindspeedat200hPain（a）rainyyears，（b）rainlessyearsand（c）2021（theblackdottedcontoursindicatethe0.01significancelevelofzonalwindspeedat200hPabythestudentt-test，thegreencontoursindicateareaswithwindspeegreaterthan35m/sandthecontourintervalis5m/s；thesolidlineboxasinFig.3552Acta Meteorologica Sinica气象学报2023，81（4）5.2 降水偏多年和 2021 年的海表温度异常分析大尺度海-气相互作用对气候异常有重要影响，19512020 年 ARYR 指数与海表温度异常的相关系数分布（图 7a）表明，太平洋海域存在显著相关区，分别是黑潮、亲潮及其延伸体区和中纬度北太平洋地区正相关、热带中东太平洋负相关以及中纬度南太平洋与北太平洋对应区域的正相关。当ARYR 指数偏高时，中纬度北太平洋海表温度异常偏高，热带中东太平洋海表温度偏低，降水偏少年则相反，分布与 PDO 空间负/正结构类似。图 7b、c 显示偏多年与 2021 年海表温度异常在大西洋和印度洋明显不同。2021 年为双拉尼娜年，但偏多年赤道中东太平洋海表温度的合成负距平明显强于2021 年。偏多年份中纬度北太平洋中部海表温度都出现了正距平，2021 年正异常范围大、强度强，最大超过 2，1964 和 2003 年异常强度在 1.01.5（图略），约是 2021 年的一半，偏多年合成基本在 0.40.8。这一分析表明中纬度北太平洋中部海表温度的显著正异常是造成 2021 年极端降水的重要影响因子。5.3 北太平洋秋季海表温度异常对降水的指示意义秋季黄河中下游降水异常在年际和年代际尺度上都与太平洋海表温度有密切关系（图 8），相比热带海洋，中纬度北太平洋海表温度异常是更为显著的因子，因此选取显著相关区（2840N，166E164W），对海表温度异常区域平均并做标准化处理，得到中纬度北太平洋海表温度指数（简称 MNPSST），与同期 ARYR 的相关系数为 0.43，通过 0.001 显著水平 t 检验，高于 PDO、Nino3.4 指数。两序列滤去年代际变化，相关系数为 0.39，仍通过 0.001 显著水平 t 检验，虽受到年代际调制，年际变化影响仍起主要作用。前期（58 月）MNPSST与 ARYR 指数相关持续为正，表明前期春、夏季关54321123458010090110120130140E3045N10010010015202535408010090110120130140E3045N15202535408010090110120130140E(a)(b)(c)图5整层大气水汽通量距平场（箭矢，单位：kg/（ms），u、v 方向分别大于 10）和水汽通量散度距平场（色阶，单位：105kg/（m2s）（a.降水偏多年，b.降水偏少年，c.2021 年；实线方框同图 3）Fig.5Anomaliesofverticallyintegratedmoistureflux（vector，unit：kg/（ms）andmoistureconvergence（colorshaded，unit：105kg/（m2s）in（a）rainyyears，（b）rainlessyearsand（c）2021（vectorswithzonalormeridionalmoisturefluxlessthan10kg/（ms）arenotshown;thesolidlineboxasinFig.3）于群等：秋季黄河中下游降水主模态及 2021 年极端降水的气候背景553键区海表温度异常对黄河中下游秋雨异常有一定的指示意义。当北太平洋海表温度偏高时，作为异常热源加热其上空的大气，激发深厚的异常反气旋环流，北太平洋反气旋以罗斯贝波形式传播能量到19601684197019801990200020102020 Year1/804816320.5Power1.01.51/41/21248(a1)(b1)196016Period(a)84Period(a)Period(a)197019801990200020102020 Year1/84816320.50Power2.53.51/41/21248(a2)(b2)1.01.52.03.0Period(a)图6ARYR（a1、b1）与 PDO（a2、b2）指数序列（a）小波分析（粗实线为红噪声超过 0.05 显著水平，浅色区为边缘效应区）和（b）全局功率谱分析（虚线为红噪声超过 0.05 显著水平）Fig.6（a）Waveletanalysis（boldsolidlinesindicatetherednoisereaching0.05significancelevelandthelightcolorrepresentstheedgeeffectarea）and（b）globalpowerspectrum（dottedlinesindicaterednoisereaching0.05significancelevel）ofARYR（a1，b1）andPDO（a2，b2）indices40S00.380.280.200.230.3060120E180120W600204060N20EQ01.00.60.20.40.860120E180120W60040S02.01.20.40.81.660120E180120W600204060N20EQ(c)(a)(b)图719512020 年 ARYR 指数与海表温度的相关系数分布（a，点线内区域为通过 0.01 显著水平 t 检验，黑色框为中纬度北太平洋关键区），偏多年（b）和 2021 年（c）海表温度距平（点线区通过 0.05 显著水平 t 检验）Fig.7CorrelationcoefficientsbetweenARYRindexandSST（a）inSeptmber-October，andSSTin（b）rainyyearand（c）2021（dottedcontoursin（a），（b）and（c）indicatethe0.01，0.05and0.05significancelevelsrespectivelybystudentt-test；theblackboxrepresentsthekeyregioninthemid-latitudeNorthPacific）554Acta Meteorologica Sinica气象学报2023，81（4）MC 区域（Sun，etal，2023），使 MC 上空上升运动加强，通过哈得来环流使中国南方副热带高压加强，进而影响北方降水。将 MNPSST 指数回归到同期 500hPa 位势高度和 925hPa 风场（图 9a），与偏多年合成的异常场（图 3）相似，当 MNPSST 指数偏高时，伴随位势高度正异常，925hPa 中纬度北太平洋和日本海一带出现两个异常反气旋环流，都通过了 0.05 显著水平 t 检验，而黄河中下游地区位于反气旋式环流的东南气流下游，同时来自中低纬度洋面的暖湿水汽在黄河中下游地区有气旋式切变。MNPSST 指数对 200hPa 纬向异常风场回归分析（图 9b）显示，高空西风急流明显东伸北抬，与偏多年异常场（图 4a）一致，黄河中下游区位于急流右侧的强辐散区，低层为辐合区（图 9a），急流的东伸北抬区域也都通过0.05 显著水平 t 检验。MNPSST 指数对 105115E 平均的垂直速度场的回归分析（图 10a）表明，3040N 的垂直上升运动可达 200hPa，35N 附近上升速度最强，略偏北的黄河流域 900700hP