降水是一种重要的天气过程，对国民经济建设和生产有着重要的影响，我国降水不仅在区域上分布不均，而且各个季节降水量相差较大，众多学者对我国降水机理进行了深入的研究和探讨，取得了很多重要成果(邓伟涛等，2009；黄荣辉等，2011；吕俊梅等，2014)。季风和ENSO (El Niño-Southern Oscillation)作为影响亚洲气候变化最主要的天气系统，对我国降水有重要作用。Huang and Wu (1989)和黄荣辉(1990)研究指出，当ENSO处于不同发展阶段，对我国不同区域降水量多寡有不同的影响。但是近20年来中国夏季降水与ENSO的相关性已大大衰减(高辉和王永光，2007)。Wang et al.(2008)研究指出亚澳季风区的年际变化与ENSO的关系密切，自20世纪70年代以来，ENSO与印度夏季风的负相关减弱，而与北太平洋西部及东南亚季风降水的正相关增强。热带西太平洋与印度洋为我国夏季风降水提供了充足的水汽，其海表温度变化对我国降水有着重要影响。Huang and Li (1987)和Nitta (1987)研究指出，热带西太平洋暖池对流活动强烈会激发东亚/太平洋(EAP)遥相关型，使得西太平洋副高加强并向北伸展到我国长江中下游区域，造成高温少雨天气。李琰等(2007)和王庆元等(2013)研究发现前期海温为El Niño和正IOD (Indian Ocean Dipole，IOD)时，横跨热带印度洋-太平洋的沃克环流减弱，导致西太平洋-海洋大陆的负降水异常，在Matsuno-Gill效应下西太平洋形成反气旋异常环流。冬、春季印度洋海温年际变率模态异常，可能是通过印度洋区域纬向风异常的经向大气遥相关，导致菲律宾海地区对流活动发生变化，进而影响夏季西太平洋副热带高压(简称西太副高)的变化，并最终影响我国东部地区夏季降水(徐志清和范可，2012)。

南半球环流的变化作为北半球气候变化的前期因子被广大学者来研究。马斯克林高压(马高)和澳大利亚高压(澳高)对东亚夏季风降水有重要影响，马高增强后能量频散作用使得澳高增强，105°~120°E附近越赤道气流增强，导致西太平洋副高强度偏强，长江中下游地区降水量偏多(薛峰等，2003；Xue et al., 2003)，澳高和马高的不同配置，与华北夏季降水亦有一定的联系(于勇等，2009)。南极涛动(Antarctic Oscillation, AAO)作为南半球环流年际变化最主要的模态对北半球尤其是东亚夏季风降水有着重要影响(南素兰和李建平，2005；范可，2006；范可和王会军，2006；孙丹等，2013；郑菲等，2014)。

影响长江流域夏季降水的因子众多(郭玲等，2012)，大多数学者集中研究某一个特定事件(现象)与中国区域的降水关系，如ENSO事件、太平洋年代际涛动(Pacific Decadal Oscillation，PDO)、印度洋偶极子，南极涛动(AAO)等。刘舸等(2008)研究发现，澳大利亚东侧位势高度异常与长江中下游夏季降水显著相关，并指出这可能是澳大利亚东侧海温异常造成的。周波涛(2011)进一步研究了澳大利亚东侧冬季海温异常与长江流域夏季降水之间的关系以及物理机制。以上研究关注澳大利亚东侧海温变化对长江流域夏季降水的影响，而对澳大利亚周边海温变化缺少认识和研究，澳大利亚周边海温变化是怎样的？其变化是否是局地现象？本文将主要研究澳大利亚周边海温主模态及其内在联系，以及澳大利亚周边海温主模态与中国长江流域夏季降水的关系及其具体的影响机制。

本文采用的资料主要有：1980~2012年NCAR/ NCEP再分析资料的位势高度场、风场(u, v, w)，比湿(q)，向外长波辐射(OLR)的月平均资料，水平分辨率为2.5°×2.5°。Hadley环流中心提供的1889~2013年的SST月资料，空间分辨率为1°×1°。国家气候中心提供的中国160站月降水量观测资料，时间尺度为1951~2012年，其中，长江中下游区域的代表站[根据张庆云和郭恒(2014)]选取为：上海、南京、合肥、杭州、屯溪、安庆、九江、汉口、钟祥、宜昌、岳阳、常德、宁波、贵溪、南昌、衢县、长沙。

本文运用了EOF分析、回归分析、相关分析和合成分析方法。其中，单位气柱整层大气水汽输送通量矢量Q的计算方法为

纬向与经向水汽通量分别为

其中，V为风矢量，u，v分别为纬向和经向风速分量，q是各层大气的比湿，p_s为海平面气压。

为了剔除ENSO信号的可能影响，本文采用An (2003)提出的处理方法，剔除海温场中ENSO信号，具体方法为

式中，$ \xi * $为去除ENSO信号前海温场，$ \xi $为去除ENSO信号后的海温场，Z为Niño3.4指数(http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/correlation/nina34.data [2015-0 5-01])，cov为去除ENSO信号前海温场与Niño3.4指数的协方差，var为Niño3.4指数的方差。文中若无特殊说明，夏季(JJA)均指北半球6、7、8月，冬季(DJF)是指前一年的12月和当年的1、2月。

利用EOF分析发现，澳大利亚周边逐月海温距平EOF分解主要有两种模态，其中第一模态(图 1a)表现为澳大利亚周边海温变化一致模，是澳大利亚周边海温的主导模态，解释方差为24.9%。图 1c为用Niño3.4指数剔除海温场中ENSO线性信号后，澳大利亚周边海温分布，可见剔除ENSO线性型号后，澳大利亚周边海温仍表现出一致模形式，解释方差基本不变，为23.0%。无论是原场还是剔除ENSO线性信号后的海温场，主分量PC1均具有年代际变化(图 1b、d)，在1990年代中期之前，海温一致模表现出偏冷的模态，其后表现为一致增暖的形式，两者相关系数达到0.8988，说明ENSO信号对澳大利亚周边海温一致模影响较小。EOF分析表明澳大利亚周边海温，尤其是澳大利亚东、西两侧海温变化具有同步性。用澳大利亚周边海温主模态冬季时间序列(PC1)与中国160站夏季降水回归分析(图 2)，发现冬季PC1与长江流域夏季降水有正相关，原始海温场PC1与长江流域降水相关显著性不明显，剔除ENSO线性信号后海温场PC1与长江流域部分地区相关显著，因此澳大利亚周边海温一致模与长江流域夏季降水之间有一定的联系，有必要对澳大利亚周边海温与长江流域夏季降水做进一步的研究。

图 1 1979年1月至2012年12月澳大利亚周边逐月海表温度距平(SSTA)的EOF分析主模态(EOF1，左列)以及对应的主分量(PC1，右列)：(a)、(b)原始场；(c)、(d)剔除ENSO线性信号后 Figure 1 The first EOF mode (EOF1, left column) of SSTA around Austria and corresponding principal component (PC1, right column) for Jan 1979 to Dec 2012: (a), (b) The original fields; (c), (d) the linear signal of ENSO is removed

图 2 去除ENSO线性信号(a)前、(b)后，冬季时间序列的PC1与中国160站夏季降水回归分布(单位：mm month-1)。虚线方框区域表示长江流域；打点区域超过90%信度检验 Figure 2 The regression (units: mm month-1) between the PC1 of prior-winter time series and summer rainfall at 160 stations in China: (a) Before removing the linear signal of ENSO; (b) after removing the linear signal of ENSO.The area shown in the box is the Yangtze River valley; the dotted areas denote regression above the 90% confidence level

选取长江流域17站夏季平均降水量作为长江流域夏季降水指数(Summer Rainfall Index, SRI)，并将长江流域夏季降水指数SRI与冬季澳大利亚周边海温作相关分析，发现长江流域夏季降水与澳大利亚周边海温有显著正相关，最大相关区域位于澳大利亚东西两侧洋面(图 3)，最大相关系数均超过0.4，超过95%的信度水平，这一相关分布与澳大利亚周边海温一致模非常相似，进一步佐证了海温一致模与长江流域夏季降水之间的联系。那么是否用澳大利亚东西两侧海温一致模定义长江流域夏季降水会更好的预报意义呢？如图 3所示，分别在澳大利亚东、西侧洋面与中国长江流域夏季降水最大相关区各选取一个区域[A (27°~32°S, 161°~166°E)]，B (13°~18°S, 105°~110°E)]，运用回归分析，求出表征长江流域夏季降水的指数，定义为澳大利亚东西两侧海温一致模指数，简称一致模指数(Consistent Mode Index, CMI)：

其中，I_CM表示一致模指数，T_A、T_B分别表示A、B区域的SSTA。

图 3 1980~2012年长江流域夏季降水指数SRI与冬季澳大利亚周边海表温度相关系数分布。A、B方框区域表示海温关键区；深色阴影区通过95%信度检验 Figure 3 Correlation coefficient between the Summer Rainfall Index (SRI) in the Yangtze River valley and the prior-winter sea surface temperature around Austria during 1980-2012.Areas A and B shown in the box are the key regions of SST; the dark shaded areas denote correlation above the 95% confidence level

图 4为1980~2012年长江流域夏季降水指数SRI与一致模指数时间序列，从中可以看出，一致模指数与长江流域夏季降水变化具有很好的一致性，两者的相关系数达到了0.63，超过了99%的信度检验。为了进一步检验一致模指数与中国东部夏季降水的关系，将一致模指数与中国160站降水做相关分析(图 5a)，发现一致模指数与长江流域夏季降水有显著的正相关。基于一致模指数挑选的高值年与低值年(表 1)长江流域夏季降水异常合成场(图 5b、5c)，表明，一致模指数高值年，长江流域有明显的降水正距平，中心最大降水距平超过100 mm month^-1，而在一致模指数低值年，长江流域夏季降水则为负距平，中心最大值比一致模指数高值年低，为60 mm month^-1。以上表明一致模指数对长江流域夏季降水有很好的指示性。

图 4 1980~2012年长江流域夏季降水指数SRI与一致模指数CMI的标准化时间序列 Figure 4 Normalized time series of the summer rainfall index (SRI) and consistent mode index (CMI) over Yangtze River valley

图 5 (a)一致模指数与中国160站降水量回归分布。一致模指数(b)高值年、(c)低值年降水距平(单位：mm month-1)合成场。虚线方框区域表示长江流域；打点区域超过90%信度检验 Figure 5 (a) The regression (units: mm month-1) of CMI and summer rainfall at 160 stations in China.The composite distributions of precipitation anomalies (shaded, units: mm month-1) for (b) high CMI years and (c) low CMI years.The area shown in the box is the Yangtze River valley; areas above 90% confidence level are dotted

表 1(Table 1)

表 1 海表温度异常暖年(CMI高值年)和异常冷(CMI低值年)所对应的ENSO事件。粗字体代表本文根据一致模指数选取的长江流域夏季降水异常年 Table 1 ENSO events corresponding to sea surface temperature anomalies (SSTA) years based on CMI.Bold means summer precipitation anomalies years in the Yangtze River valley according to CMI El Niño年 La Niña年 非ENSO年 年份 强度 年份 强度 海温异常暖 1982/1983 1997/1998 2009/2010 强 强 中 1995/1996 1998/1999 2010/2011 弱 中 强 1979/1980 海温异常冷 1986/1987 1991/1992 2006/2007 中 中 弱 1983/1984 1984/1985 1999/2000 弱 中 强 1996/1997

表 1 海表温度异常暖年(CMI高值年)和异常冷(CMI低值年)所对应的ENSO事件。粗字体代表本文根据一致模指数选取的长江流域夏季降水异常年 Table 1 ENSO events corresponding to sea surface temperature anomalies (SSTA) years based on CMI.Bold means summer precipitation anomalies years in the Yangtze River valley according to CMI

中高纬地区夏季大气环流分布形式对我国夏季风降水量多寡及雨带位置有着重要的影响。图 6为1980~2012年一致模指数与逐季节500 hPa位势高度场回归分布。在冬季(图 6a)，澳大利亚周边海温异常暖，激发周边位势高度场异常，使得南北半球位势高度场呈现出遥相关。这一信号到春季(图 6b)和夏季(图 6c)虽然有所减弱，但仍然存在。到夏季，这一遥相关型，使得西太副高强度偏强，位置偏西偏南。在北半球8月，热带对流强迫南北半球气压场遥相关，这种遥相关有利于中国大陆30°~35°N区域降水量增加(Hines and Bromwich, 2002)。Liu et al.(2010)研究指出澳大利亚东侧500 hPa位势高度场与西太平洋地区位势高度场存在遥相关，印度洋海温异常延伸至南北半球热带和副热带地区，可能是导致南北半球位势高度遥相关的原因。对低层(850 hPa)环流场分析发现，从冬季到夏季(图 6d-f)，赤道太平洋上空异常东风建立并加强，而在澳大利亚东西两侧洋面上，分别有异常反气旋和气旋环流生成，削弱了低层105°~130°E之间的越赤道气流，不利于副高北抬；在夏季，西太平洋上出现异常反气旋环流，有利于东亚地区水汽输送。以上表明冬季澳大利亚东西两侧海温异常响应为长江流域夏季降水异常提供了异常的环流条件。澳大利亚周边海温异常，使得澳大利亚东侧气压正异常，西侧为弱的负异常，激发南北半球位势高度场遥相关，即在南半球极地地区有负的位势高度异常，而在西太平洋有正的位势高度异常，南北半球形成“-+ +”型遥相关，从而造成长江流域夏季降水异常。

图 6 一致模指数与500 hPa位势高度场(上，单位：gpm)、850 hPa风场(下，单位：m s-1)回归分布：(a、d)冬季，(b、e)春季，(c、f)夏季。图a-c的阴影区表示超过90%信度检验 Figure 6 Regressions between CMI and 500-hPa geopotential height (top panels, units: gpm), 850-hPa wind (bottom panels, units: m s-1): (a, d) Winter, (b, e) spring, (c, f) summer.Areas in Figs.a-c above 90% confidence level are shaded

为了进一步研究冬季海温一致模与长江流域夏季降水之间的联系，我们根据一致模指数超过正(负)0.8个标准差，挑选出东西两侧海温异常暖(冷)年份(见表 1)。从上面的分析知道，冬季澳大利亚周边海温第一模态表现为全区海温的一致模(图 3)，对于接下来的春季和夏季，其海温分布又是怎样的？图 7为一致模指数高值年归类的ENSO年和非ENSO年澳大利亚东西两侧海温异常合成图。澳大利亚东西两侧海温从前冬到夏季，呈现出明显的一致变暖形式，表明澳大利亚东西两侧海温变化具有季节延续性，这与周波涛(2011)的研究澳大利亚东侧海温信号有自身持续性的结论类似。一致模指数低值年(图 8)，这种现象没有一致模指数高值年明显，但一定程度上反映了澳大利亚东西侧海温的季节延续性。并且澳大利亚东西两侧海温异常暖(冷)年，从热带到中国南海地区海温呈现出变暖(冷)的趋势，这种海温分布形式，削弱(增强)了亚洲大陆与周边海域之间的温差，从而使东亚夏季风减弱(增强)。而弱(强)东亚夏季风使得夏季水汽输送偏南(偏北)，进而造成我国夏季雨带偏南(偏北)(施能等，1996)。除此之外，不难发现，在一致模指数高(低)值年，无论是El Niño年还是La Niña年，澳大利亚东西两侧海温都表现为一致变暖(冷)的分布形式。从一致模指数高低值年海温距平合成结果看，无论是ENSO年还是非ENSO年，均能反映澳大利亚东西两侧海温一致模的存在。对850 hPa环流场季节演变分析(图略)发现，其结果与一致模回归分析结论类似。综上可以看出，一致模通过激发南北半球位势高度场遥相关，减弱越赤道气流，进而影响我国长江流域夏季降水，这一机理是不同于ENSO作用的，与黄荣辉(1990)结果不一致，因此澳大利亚周边海温一致模可能是独立于ENSO事件的局地现象。

图 7 一致模指数高值年对应的El Niño事件(左列)、La Niña事件(中列)、非ENSO年(右列)海表温度距平(单位：K)分布：(a)、(b)、(c)冬季；(d)、(e)、(f)春季；(g)、(h)、(i)夏季。打点区域通过90%信度检验 Figure 7 Composite fields of SSTA (units: K) around Austria for the El Niño events (left), La Niña events (middle), and Non-ENSO events (right) corresponding to high CMI years: (a), (b), (c) The prior-winter; (d), (e), (f) spring; (g), (h), (i) summer.Areas above 90% confidence level are dotted

图 8 同图 7，但为一致模指数低值年 Figure 8 As in Fig. 7, but for low CMI years

另外我们计算了东亚地区整层水汽通量(图 9)，从一致模指数高值年(图 9a)整层水汽通量可以看到，东西两侧海温异常暖年，在西太平洋上有一异常反气旋性环流，副高南侧的偏南气流水汽输送明显增强，强水汽输送带由菲律宾群岛以东的洋面经南海北部北上，与北支气流在我国长江流域汇合，形成一支强劲的水汽输送带，为长江流域提供了充沛的水汽来源，有利于长江流域夏季降水异常偏多。而在一致模指数低值年(图 9b)整层水汽通量则呈现出弱的气旋性环流形式，西太平洋输送到长江流域的水汽通量减少。从一致模指数高值年与低值年差值场(图 9c)上可见，澳大利亚东西两侧海温异常暖年，长江流域的水汽主要通过东南支水汽路径输送的，水汽源主要来自于我国南海及以西的太平洋。

图 9 一致模指数(a)高值年和(b)低值年水汽输送通量(箭头，单位：kg m-1 s-1)合成及(c)合成差值场，阴影部分通过95%的信度检验 Figure 9 Composite water vapor transport fluxes (arrows, units: kg m-1 s-1) in (a) high CMI years, (b) low CMI years, and (c) the differences of composite water vapor transport fluxes between high and low CMI years over the middle and lower reaches of the Yangtze River in summer.Areas in Fig.c above 95% confidence level are shaded

海温合成场表明，从冬季到夏季，东西两侧海温一直呈现出正(负)异常，即东西两侧海温正(负)异常可一直持续到夏季，具有季节延续性。这种较暖(冷)的下垫面，促进(抑制)了夏季澳大利亚到赤道地区气流辐合上升气流(图 10a)，增强(减弱)了菲律宾群岛附近西太平洋地区的下沉运动，进一步增强(抑制)长江流域上升气流，即东西两侧海温异常暖年(冷年)，增强(减弱)了澳大利亚北部到赤道地区、菲律宾群岛和中国长江流域的“上升”-“下沉”-“上升”经向环流模式。上文指出，当东西两侧海温异常暖时，偏南气流为长江流域提供了充足的水汽，而这种环流模式，易于长江流域降水增加。

图 10 (a)100°~120°E平均的一致模指数高值年与低值年垂直速度差值场(单位：m s-1)。阴影区表示通过90%信度检验，负值(虚线)表示有上升运动，正值(实线)表示有下沉运动。(b)一致模指数高值年与低值年OLR差值场(单位：W m-2)。阴影区域表示绝对值大于6 W m-2，负值(虚线)表示对流加强，正值(实线)表示对流抑制 Figure 10 (a) The composite differences of vertical wind (contours, units: m s-1) between high and low CMI years averaged over 100°-120°E.Areas above 90% confidence level are shaded; the negative values (dashed lines) indicate ascending motion and the positive values (solid lines) represent descending motion.(b) The composite differences of outgoing longwave radiation (units: W m-2) between high and low CMI years.Shaded areas represent absolute values greater than 6 W m-2; the negative values (dashed lines) indicate the convection is strengthened and the positive values (solid lines) mean the convection is suppressed

为了进一步验证以上的结论，利用向外长波辐射(OLR)场，探究澳大利亚东西侧海温异常年份热带地区对流变化(图 10b)，发现在东西两侧海温异常暖年，OLR在南北半球中低纬易形成“-+ -”的经向分布形式，即一致模高值年，澳大利亚北部到赤道地区海温偏暖，有利于对流生成和发展，而在菲律宾附近的西太平洋，对流则受到抑制，长江流域对流明显加强。夏季热带西太平洋通过影响副热带高压强度和位置，影响东亚夏季风降水，热带西太平洋对流活动强(弱)时，西太副高位置偏北(南)偏西(东)，长江流域降水显著偏少(多)(黄荣辉和孙凤英, 1994a, 1994b；闵锦忠等，2005)。

本文利用1980~2012年Hadley中心的HadISST再分析海温资料、美国NCEP/NCAR月平均再分析资料和中国160站月平均降水资料，研究了冬季澳大利亚周边海温与长江流域夏季降水关系。研究表明：

长江流域夏季降水与冬季澳大利亚东西两侧海表温度有显著正相关关系。运用EOF分析发现，澳大利亚周边海温主模态表现为全区一致模形式，并根据海温一致模形式定义了表征长江流域夏季降水的一致模指数(CMI)。该指数在一定程度上反映了长江流域夏季旱涝状况，即当澳大利亚东西两侧海温异常偏暖(冷)，长江流域夏季降水量异常偏多(少)。用Niño3.4指数剔除海温场中的ENSO信号后做EOF分析和海温场的合成分析表明，澳大利亚周边海温一致模可能是独立于ENSO事件的局地现象。

根据一致模指数高低值年海温场合成分析表明，澳大利亚周边海温一致模具有季节持续性，其异常可以从冬季一直持续到夏季。通过海温场合成也能看出澳大利亚周边海温一致模是不随ENSO事件位相改变而变化的，再次说明，海温一致模可能是独立于ENSO位相的分布形式。澳大利亚东西两侧海温与长江流域夏季降水具有同位相变化：一方面由于东西两侧海温异常能够激发南北半球高度场遥相关，使得夏季西太平洋副高强度和位置发生显著变化，西北太平洋上空有异常反气旋环流，副高南侧的偏南气流水汽输送变化异常，导致输送到长江流域水汽通量异常；另一方面，一致模指数高(低)值年，即澳大利亚东西两侧海温异常暖(冷)年，导致澳大利亚北部到赤道一带对流加强(减弱)，菲律宾附近对流受到抑制(加强)，而长江流域对流旺盛(削弱)，经向OLR场表现为“-+ -”模式，这种分布形式有利于长江流域夏季降水量异常偏多。

本文初步研究了澳大利亚周边冬季海温与长江流域夏季降水的关系，发现冬季澳大利亚海温一致模对长江流域夏季降水有一定的预报意义，并指出澳大利亚周边海温一致模可能是独立于ENSO事件的局地现象，其对我国长江流域夏季降水的作用不同于ENSO，但ENSO事件与澳大利亚周边海温一致型对我国夏季降水是否存在共同作用，还有待进一步探讨研究。由此可见影响长江流域夏季降水的因子众多，作用机理复杂。关于冬季澳大利亚周边海温一致模对长江流域夏季降水影响机理还有待进一步完善和模式验证。