[科研进展] 李言蹊等-JC: 七月穿越北半球边界位涡环流及其与东亚夏季风的联系

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        整个大气层位涡物质（PVS）的源位于地球表面，而有限区域内的PVS变化取决于穿过该区域周围边界表面的有效位涡通量的总和。由于位涡环流（PVC） 是有效位涡通量的时间积分，所以在有限区域内长期平均的PVS 由穿过该区域周围边界表面的PVC 的总和决定。

        由于北半球的跨赤道位涡环流（CEPVC）和穿越对流层顶位涡环流（CUPVC）与穿越地表位涡环流（CBPVC）和总PVS 密切相关，又由于东亚夏季风（EASM）与北半球总PVS和CBPVC的分布存在显著联系，因此，通过观测CEPVC和CUPVC的变化，即可揭示EASM的变化和相关动力信息。

        为揭示穿越北半球对流层顶和穿越赤道的PVC的时空特征，采用多变量EOF（MVEOF）对标准化的CEPVC和CUPVC进行了分解。图1显示了CEPVC和CUPVC的MVEOF第一模态的时空特征。 CEPVC在赤道太平洋上自地表至对流层顶由北向南再向北转变，赤道大西洋和印度洋上自地表至对流层顶由南向北再向南转变。CUPVC呈现出复杂分布。在东太平洋经北美至大西洋和非洲上空，CUPVC呈现一条的波列结构。在欧亚大陆上空，存在三条带状的CUPVC：从赤道非洲经北印度洋到西太平洋的正位相带，从北非到中国东北的负位相带，以及中纬度的一条正位相带。一个显著的CUPVC梯度带位于30°N。CEPVC和CUPVC的MVEOF第一模态的时间变化特征如图1c所示，称为PVCI。

图1 1980-2022年7月（a）跨赤道 PVC （CEPVC） 和 （b） 穿越对流层顶 PVC （CUPVC）的MVEOF的第一模态以及（c）它们相应的标准化PC 。（a）和（b）放大 100 倍以进行显示。

        本研究采用东亚地区（10°-50°N，80°-140°E）200hPa水平风、位势高度，850hPa水平风以及降水衡量东亚夏季风，讨论跨赤道和穿越对流层顶PVC如何共同影响七月的EASM。

        图2a-c展示了七月EASM系统的MVEOF第二模态的时空特征。在200hPa，从中南半岛到南海再到西北太平洋出现了一条气旋环流带，华北和东北存在反气旋环流。在850hPa，南海到西北太平洋出现反气旋。东亚地区降水呈现跷跷板结构，南部干旱，北部洪涝。七月EASM系统的MVEOF第二模态的时间演化序列被定义为东亚夏季风指数（EASMI）。EASMI与PVCI（图2c）显著相关，相关系数高达0.79，超过0.01置信水平。这意味着CEPVC和CUPVC可以激发七月EASM降水的经向跷跷板结构。为了分析七月CEPVC和CUPVC与EASM的关系，图2d-e展示了PVCI与200hPa水平风、位势高度，850hPa水平风以及降水的相关分布。图2d和2e所展示的相关性的空间分布与图2a和2b非常相似。结果表明，正PVCI与南旱北涝模态和EASM区域的环流异常相对应。

图2 1980-2022年7月（a）200hPa水平风（矢量）和位势高度（填色）（b）850hPa水平风（矢量）和降水（填色）MVEOF的第二模态以及（c）它们相应的标准化PC。7月PVCI与（d）200 hPa水平风（矢量）和位势高度（填色），（e）850 hPa水平风（矢量）和降水（填色）之间的相关系数空间分布。打点和绘制矢量均超过 0.1 显著性水平。

        穿越北半球对流层边界PVC类似于一个“监视器”。通过这个“监视器”，各种各样的外强迫，包括但不限于ENSO和高原动力强迫，对EASM的影响均能够被反映出来。因此，PVC框架提供了气候变率的全新视角，并为建立热带和温带大气环流之间的联系开辟了一条新途径。

        该成果于近期在线发表于《Journal of Climate》。论文的第一作者为中国科学院大气物理研究所的李言蹊，通讯作者为中国科学院大气物理研究所吴国雄院士和何编研究员，合作者包括中科院大气所刘屹岷研究员，生宸副研究员，毛江玉研究员，马婷婷博士。本研究得到了国家自然科学基金的资助（42122035，42288101和42305057）。

参考文献：

Li, Y., G. Wu, Y. Liu, B. He, C. Sheng, J. Mao, and T. Ma, 2025: Potential Vorticity Circulation Across the Boundary of Northern Troposphere and Its Link with East Asian Summer Monsoon in July. J. Climate, 38(3), 781-795. https://doi.org/10.1175/JCLI-D-24-0286.1

Sheng, C., G. Wu, B. He, Y. Liu, and T. Ma, 2022: Linkage between cross-equatorial potential vorticity flux and surface air temperature over the mid–high latitudes of Eurasia during boreal spring. Clim Dyn, 59, 3247–3263, https://doi.org/10.1007/s00382-022-06259-4.

Sheng, C., G. Wu, B. He, and Y. Liu, 2023: Aspects of potential vorticity circulation in the Northern Hemisphere: climatology and variation. Clim Dyn, 61, 5905–5913, https://doi.org/10.1007/s00382-023-06879-4.

吴国雄, 刘屹岷, 毛江玉, 等. 2024. 位涡源汇和位涡环流及其天气气候意义[J]. 大气科学, 48(1): 8−25. DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2306.23319.

来源： https://iap.cas.cn/gb/xwdt/kyjz/202503/t20250303_7545300.html