1. 引言
夏季亚洲地区存在着两支季风系统：南亚季风与东亚季风，这两支季风在发源地、主要环流系统以及各自影响的地域范围上都表现出显著的差异[1]。而我国是世界上受季风气候显著影响的国家之一，中国汛期降水量有明显的季节性变化，绝大部分地区降水都集中在夏半年，且汛期常以夏季风的建立而起始，以夏季风的撤退而结束，因此洪涝灾害等各种灾害性的气候现象都与季风活动存在着密切的联系。目前已建立了许多亚洲夏季风指数定量地衡量亚洲夏季风的强弱，但由于各个指数的侧重点不同，导致其对我国降水量的相关性也有所差异。因此掌握亚洲夏季风与降水区的相关性，对于预测洪涝灾害、异常天气、促进我国工农业的发展建设都具有重要意义。
2. 资料与方法
2.1. 研究区概况
中国地形复杂，从西部的青藏高原延伸至东部的平原，在这种地理特点以及亚洲季风、中纬度阻塞高压、西太平洋副热带高压以及太平洋、印度洋及其邻近海域等因子的共同作用下，使得中国降水雨型雨带展现出显著的区域差异。如图1所示，我国年降水量从东南向西北逐渐递减，降水量等值线大致呈东北至西南的走向。
注：*本图是基于国家地理信息公共服务平台网站下载的审图号为GS (2024) 0650号的标准地图制作的，底图无修改，下同。
Figure 1. Spatial distribution of multi-year average precipitation in China from 1948 to 2017 based on 326 ground-based observatories*
图1. 基于326个地面观测站的1948~2017年中国多年平均降水量空间分布图*
2.2. 资料概况
本文主要对我国近70年的降水变化特征及夏季风指数进行分析，使用的基本资料是降水格点数据集(CRU TS 4.07, 0.5˚ × 0.5˚)、NCEP/NCAR再分析资料，分辨率为0.5˚ × 0.5˚，时间跨度为1948年至2017年。同时，由国家气象信息中心提供了全国范围326站1948~2017年的夏季(4~9月)降水资料。
3. 研究方法
本文主要利用逐点相关系数计算各个季风指数的影响区域。通过对空间数据中的每个点进行相关性计算，可以得出不同点之间的空间相关性，并根据显著性来确定相关性是否具有统计学意义。本文进行逐点计算相关时，规定p值为10%，即绘制相关性小于10%的数据，排除一些随机或无意义的相关性数据，可以更准确地分析空间数据中不同点之间的关联性，为进一步的研究和分析提供重要的参考。
4. 研究结果
4.1. 南亚夏季风指数的影响区域
(一) 4种南亚夏季风指数的降水相关性分布图
1) IWF指数[2]
IWF用不同区域的高低层风切变来表征亚洲季风强弱，即用两个指数去量化季风强度。图2为指数IWF的降水相关系数分布图。由图2可见，指数IWF对于30˚N以南，120˚E以西区域的降水相关性较好，涉及我国华南地区及部分西南地区。
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Figure 2. Distribution of correlation coefficients between the monsoon index IWF and precipitation data from 1948 to 2017. (a) April (b) May (c) June (d) July (e) August (f) September (plotted using the precipitation grid dataset from 1948 to 2017 (CRU TS 4.07, 0.5˚ × 0.5˚); only areas of significant correlation with p < 0.1 are colored,the same applies below)
图2. 季风指数IWF与1948~2017年降水数据的相关系数分布图。(a) 4月，(b) 5月，(c) 6月，(d) 7月，(e) 8月，(f) 9月(使用1948~2017年降水格点数据集(CRU TS 4.07, 0.5˚ × 0.5˚)绘出；仅将p < 0.1的显著相关区域标注颜色，下同)
2) ILZ (SASMI)指数[3]
ILZ (SASMI)是以动态风场标准化季节变化率表征亚洲季风的年际变率的风场类指数，图3为指数ILZ (SASMI)的降水相关系数分布图。由图3可见，指数ILZ (SASMI)降水相关性5月与西南地区、青藏高原地区呈正相关；6月与我国华中部分地区呈正相关，与青藏高原部分地区呈负相关；7、8月与华中、华南部分地区呈正相关，与西南地区呈负相关；9月与华东地区呈弱正相关。
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Figure 3. Distribution of correlation coefficients between the monsoon index ILZ (SASMI) and precipitation data from 1948 to 2017. (a) April, (b) May, (c) June, (d) July, (e) August, (f) September
图3. 季风指数ILZ (SASMI)与1948~2017年降水数据的相关系数分布图。(a) 4月，(b) 5月，(c) 6月，(d) 7月，(e) 8月，(f) 9月
3) IWY (SASMI)指数[4]
IWY (SASMI)是以对流层风场来定义的环流场类指数，图4为指数IWY (SASMI)的降水相关系数分布图。由图4可见，指数IWY (SASMI) 4~6月与我国西南地区、部分华南地区降水相关性较强。降水相关性7~9月与我国华北地区明显相关，与部分华南地区弱相关。
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Figure 4. Distribution of correlation coefficients between the monsoon index IWY (SASMI) and precipitation data from 1948 to 2017 (a) April (b) May (c) June (d) July (e) August (f) September
图4. 季风指数IWY(SASMI)与1948~2017年降水数据的相关系数分布图。(a) 4月，(b) 5月，(c) 6月，(d) 7月，(e) 8月，(f) 9月
4) ILKY (RM1)指数[5]
指数ILKY (RM1)为采用不同区域的高低层风切变来表征亚洲季风强弱的环流场类指数，代表了经典的南亚季风系统。图5为指数ILKY (RM1)的降水相关系数分布图。由图5可见，ILKY (RM1)对于我国江淮淮河地区，小部分长江中下游及部分华北地区的降水相关性较好。
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Figure 5. Distribution of correlation coefficients between the monsoon index ILKY (RM1) and precipitation data from 1948 to 2017. (a) April, (b) May, (c) June, (d) July, (e) August, (f) September
图5. 季风指数ILKY(RM1)与1948~2017年降水数据的相关系数分布图。(a) 4月，(b) 5月，(c) 6月，(d) 7月，(e) 8月，(f) 9月
(二) 4种南亚夏季风指数的降水相关性分析
从上文四种南亚夏季风指数与降水的相关系数分布图及其分析可以看出，南亚季风指数与我国降水区的关联不强，地区主要为西南地区。在与我国降水关联方面，当南亚夏季风偏强时，受东南风异常气流的影响，中国东南沿海地区、华北地区以及青藏高原地区的水汽条件变得更为充沛，导致这些地区的降水量偏多。相对而言，西南地区、长江中下游北侧以及东北地区的降水量则偏少，但这种减少并不显著。
4.2. 不同东亚夏季风指数类别的影响区域
下文将东亚季风指数按定义时所使用的要素类型，分为气压场类、风场类、环流场类和综合类四种，利用指数定义公式与NCEP/NCAR再分析降水资料进行相关性计算，并绘制出东亚指数的降水相关系数分布示意图，从而对应我国不同区域选取适当的季风指数，来进一步了解东亚季风系统及其对我国降水量的影响。
4.2.1. 气压场类东亚夏季风指数的影响区域
1) IGQY指数[6]
IGQY是以海平面气压差来量化表征东亚夏季风强度的指数，这种方法为评估东亚夏季风的动态变化提供了重要的参考指标。图6为IGQY的降水相关系数分布图。由图6可见(其中(a)~(f)分别表示4~10月，下同)，指数IGQY关联区域多为东亚地区。在4~6月与我国江淮淮河地区、华北地区与青藏高原部分地区的降水相关性较好。7~9月与我国华北地区和东北地区的降水相关性较好。
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Figure 6. Distribution of correlation coefficients between the monsoon index IGQY and precipitation data from 1948 to 2017. (a) April, (b) May, (c) June, (d) July, (e) August, (f) September
图6. 季风指数IGQY与1948~2017年降水数据的相关系数分布图。(a) 4月，(b) 5月，(c) 6月，(d) 7月，(e) 8月，(f) 9月
2) ISZ指数[7]
ISZ与IGQY选取的物理量相同，但ISZ以更精确范围的海平面气压差来表征东亚夏季风强度，图7为指数ISZ的降水相关系数分布图。由图7可见，指数ISZ关联区域多为东亚地区。在4、5月影响范围为我国江淮淮河地区、华北地区、青藏高原部分地，6月影响范围为青藏高原地区。7~9月与我国华北地区和东北地区的降水相关性较强。与指数IGQY较像，但是区域更为细化。
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Figure 7. Distribution of correlation coefficients between the monsoon index ISZ and precipitation data from 1948 to 2017. (a) April, (b) May, (c) June, (d) July, (e) August, (f) September
图7. 季风指数ISZ与1948~2017年降水数据的相关系数分布图。(a) 4月，(b) 5月，(c) 6月，(d) 7月，(e) 8月，(f) 9月
由上图分析可见，气压场类的东亚季风指数与我国降水区的关联地区主要为北部地区。
4.2.2. 风场类类东亚夏季风指数的影响区域
1) IZTC指数[8]
IZTC是用850 hPa纬向风定义的风场类季风指数，图8为指数IZTC的降水相关系数分布图。由图8可见，指数IZTC关联区域遍布南亚与东亚地区。4~6月，降水相关区由我国长江中下游地区，一路北推至江淮淮河地区、华北地区。7~9月与我国青藏高原地区和长江中下游地区相关性较强。
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Figure 8. Distribution of correlation coefficients between the monsoon index IZTC and precipitation data from 1948 to 2017. (a) April, (b) May, (c) June, (d) July, (e) August, (f) September
图8. 季风指数IZTC与1948~2017年降水数据的相关系数分布图。(a) 4月，(b) 5月，(c) 6月，(d) 7月，(e) 8月，(f) 9月
2) ILZ (EASMI)指数[9]
ILZ (EASMI)用动态风场标准化季节变化率来表征亚洲季风的年际变率，属于风场类指数，图9为指数ILZ (EASMI)的降水相关系数分布图。由图9可见，指数ILZ (EASMI)关联区域遍布南亚与东亚地区。在4、6月由我国华南地区与长江中下游地区，一路西移至西南地区。7~9月与我国东北部分地区和长江中下游地区负相关性较强，华南地区和华北地区也有所影响。
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Figure 9. Distribution of correlation coefficients between the monsoon index ILZ (EASMI) and precipitation data from 1948 to 2017. (a) April, (b) May, (c) June, (d) July, (e) August, (f) September
图9. 季风指数ILZ (EASMI)与1948~2017年降水数据的相关系数分布图。(a) 4月，(b) 5月，(c) 6月，(d) 7月，(e) 8月，(f) 9月
由上图分析可见，风场类的东亚季风指数与我国降水区的关联地区主要为南部地区。
4.2.3. 环流场类东亚夏季风指数的影响区域
1) IHY指数[9]
IHY是以用500 hPa位势高度场来定义季风强度指数，属于环流场类指数，图10为指数IHY的降水相关系数分布图。由图10可见，指数IHY在4至6月主要降水相关区为我国长江中下游地区、江淮淮河地区和东北地区。7~9月与我国华北地区、华南与西南的部分地区的降水相关性较好，与长江中下游地区、江淮淮河地区、东北地区及青藏高原部分地区呈弱负相关。
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Figure 10. Distribution of correlation coefficients between the monsoon index IHY and precipitation data from 1948 to 2017. (a) April, (b) May, (c) June, (d) July, (e) August, (f) September
图10. 季风指数IHY与1948~2017年降水数据的相关系数分布图。(a) 4月，(b) 5月，(c) 6月，(d) 7月，(e) 8月，(f) 9月
2) ILKY (RM2)指数[5]
ILKY (RM2)采用不同区域的高低层风切变来表征亚洲季风强弱，即用两个指数去量化季风强度，属于环流场类指数，图11为指数ILKY (RM2)的降水相关系数分布图。由图11可见，指数ILKY (RM2)关联区域遍布南亚与东亚地区。在4、5月主要降水相关区为我国江淮淮河地区和华北地区。7~9月与我国华北地区具有较好正相关性，与长江中下游地区、江淮淮河地区7、8月呈负相关，9月呈强正相关。
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Figure 11. Distribution of correlation coefficients between the monsoon index ILKY(RM2) and precipitation data from 1948 to 2017. (a) April, (b) May, (c) June, (d) July, (e) August, (f) September
图11. 季风指数ILKY(RM2)与1948~2017年降水数据的相关系数分布图。(a) 4月，(b) 5月，(c) 6月，(d) 7月，(e) 8月，(f) 9月
由上图分析可见，环流类与我国降水区的关联比较全面，全国降水区均有涉及。也可见虽然影响降水的气候因素很多，但是环流因子起着重要作用。
4.2.4. 综合类东亚夏季风指数的影响区域
IZHW指数[10]
IZHW是将低纬度高、低层纬向风切变与东西向海平面气压差综合起来，属于动力学与热力学的结合，图12为指数IZHW的降水相关系数分布图。由图12可见，指数IZHW与我国区域的正相关性较弱；在4月、6月与青藏高原地区呈负相关；5月与华中地区呈负相关；7、8月与我国长江中下游地区降水呈负相关；9月与东北地区呈正相关。
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Figure 12. Distribution of correlation coefficients between the monsoon index IZHW and precipitation data from 1948 to 2017. (a) April, (b) May, (c) June, (d) July, (e) August, (f) September
图12. 季风指数IZHW与1948~2017年降水数据的相关系数分布图。(a) 4月，(b) 5月，(c) 6月，(d) 7月，(e) 8月，(f) 9月
由上图分析可见，综合类东亚夏季风指数IZHW与我国降水区的关联较弱，与长江中下游关联。
4.3. 东亚夏季风指数影响区域的年内变率与我国雨带的联系
中国降水与东亚季风有着密切的关系，表现在明显的降水月变化特征上。下图为利用国家气象信息中心提供的全国范围326站1948~2017年的夏季(4~9月)降水资料绘制的多年平均月降水分布图(图13)。如图13，中国汛期降水量有明显的季节性变化，即我国主要雨带的移动变化。而东亚夏季风与我国夏季主雨带有密切的关系，主要表现在夏季雨带的南北位置上，强夏季风时，雨带位置偏北，长江中下游经常是旱年；弱夏季风时，雨带位置偏南，长江中下游为涝年[3]。
Figure 13. Mean monthly precipitation from 1948 to 2017
图13. 1948~2017年月平均降水量
由上文分析可知，上文定义研究侧重点为东亚夏季风的指数，无论是气压场类、风场类、环流场类还是综合类，都在不同程度上表现出中国降水的雨带变化。
这一变化过程与西太平洋副热带高压(简称副高)的活动也紧密相关[11] [12]。西太平洋副热带高压作为东亚夏季风系统的重要组成部分，其南撤北跳，东退西进以及强度的变化都显著影响中国雨带的空间分布特征。一般而言，冬季，副高的脊线位于15˚N附近，但随着南海夏季风的建立，副高会东移至120˚E以东的西太平洋洋面。每年的5月底至6月底，副高开始出现第一次北跳，以后随着副高的北跳，我国的雨带也相应地从南向北推进，依次影响华南、长江流域和华北地区，使这些地区相继进入雨季。且当副高强度较强，面积较大时，有利于我国南方降水量增多，这也是季风指数与两个关键区降水量关系有差异的重要原因[13]。
5. 结论
本文利用NCEP/NCAR年平均再分析气候资料以及其依据各指数公式计算后的气候年降水分析资料绘制了降水量相关系数分布图，从时间和空间两个方面，对各指数在中国区域的降水相关性进行了分析。总结如下：
1) 从上文四种南亚夏季风指数与降水的相关系数分布图及其分析可以看出，南亚夏季风指数主要代表热带地区的信息。在与我国降水关联方面，南亚夏季风主要与中国华北地区夏季降水存在正相关关系。
2) 将选取的11种东亚季风指数按定义时所使用的要素类型分为气压场类、风场类、环流场类和综合类四种。气压场类与我国降水区的关联主要为北部地区；风场类与我国降水区的关联主要为东部地区；环流类与我国降水区的关联比较全面，全国降水区均有涉及。也可见虽然影响降水的气候因素很多，但是环流因子起着重要作用；综合类指数与我国降水区的关联较弱，与长江中下游关联。
3) 中国夏季降水雨带的变化过程通常包含三个相对稳定的阶段和两次显著的北移现象。这一变化过程与西太平洋副热带高压(简称副高)的活动也紧密相关，这也是季风指数与两个关键区降水量关系有差异的重要原因。
基金项目
成都信息工程大学人才引进及科研启动项目(KYTZ202207)。
NOTES
*通讯作者。