1. 引言

在中纬度地区，有强劲的、狭窄的、高速的风带，称为高空急流，这些风带从大气层的对流层顶部延伸到平流层底部，具有显著的水平和垂直风切变。它们是一个重要的输送系统，影响着中纬度地区北半球的天气和气候[1] [2]。在北半球的冬季，位于副热带西风带中存在着三个急流中心：东亚急流、中东急流和北美急流[3]。东亚急流是最强劲的，对东亚地区季风有显著影响[1] [4]，而北美急流较弱[5]。许多研究已经注意到了东亚急流和北美急流对天气和气候的影响，但对于中东急流的研究还相对较少。

中东急流，是位于北半球的重要西风系统，沿着亚洲西部边缘延伸至东亚地区的上空。它在中国冬季季风的形成和变化中起着重要作用[6]-[8]。作为中国冬季的主要气候系统之一，中国冬季季风对中国冬季气候的分布和变化具有重要意义。因此，对中东急流对中国冬季风的影响进行深入研究，可以扩展我们对中国冬季风形成机制的了解，为冬季气候预测和应对中国灾害提供科学依据。

倪东鸿等人深入探讨了中东急流对东亚冬季和夏季气候的显著影响。结果表明，冬季中东急流加强会导致华南地区降水显著增加，这与中东急流强化后的大气环流模式密切相关[8] [9]。同时，西欧脊会增强、东欧大槽会加深发展，孟加拉湾北部的南支槽也加强，而东亚大槽相对薄弱。当中东急流减弱或位置变化时，上述气候模式也会出现相应的反向变化。这些研究为我们更深入理解中东急流对东亚气候的影响提供了新的视角，并为气候预测和气候模型研究提供了重要参考依据。

冬季高压系统在亚洲大陆显著存在，当此高压系统向南伸展时，其东侧与南侧会催生强烈的北风与东北风。此外，冬季的大气辐射冷却所引发的下沉现象，对西伯利亚冷高压的生成与增强起到了重要作用，从而推动了EAWM的演进。Yan等指出EAWM不仅在北半球冬季的环流活动中占据主导地位，更是影响亚洲冬季天气与气候的关键环流系统之一[10]。它还为预测中国春夏季气候变化提供了关键的帮助。

西伯利亚冷高压前沿的东北气流具有显著的周期性变化特征。在寒冷的冬季，这股气流会将冷空气输送至低纬度区域，其影响范围甚至能触及南半球的夏季风区，如马来西亚南部、印度尼西亚和澳大利亚等地，对这些地区的干旱与洪涝情况产生显著影响[11] [12]。

多项研究表明，青藏高原在东亚季风的形成、维持和传播中有着十分重要的影响。马萌萌等研究发现，青藏高原的独特地形特征对东亚冬季风的动力效应具有明显影响，这一发现进一步强调了青藏高原在季风系统中的核心地位[13]。陈乾金等揭示了高原冬季的雪盖异常能够影响EAWM的正常模式，从而引发南海南部积云对流活动的异常，进而影响SSTA位相、副热带高压活动以及夏季风的强度[14]。后来，姚杰等利用耦合的气候模式CESM，定量研究青藏高原对全球大气温度和水汽分布的影响，揭示了青藏高原在全球气候系统中的关键作用[15]。

当欧洲亚洲中高纬地区的冬季积雪量较气候态增多或减少时，东亚冬季风的强度变化和中国冬季气温的往往会起伏变化[16]。武炳义等则研究发现冬季喀拉海和巴伦支海海域的海冰面积变化与大气高度场之间存在显著的遥相关型[17]。“段安民等指出青藏高原上的积雪变化对理解和预测高原周边乃至全球的天气气候变化都具有重要意义”[18]。

在全球气候变化的背景下，气候波动已成为公众关注的重大问题。中国地处东亚季风带，天气和气候条件受东亚季风活动的制约很大。特别是东亚冬季风，它是东亚季风系统的核心，对全球大气环流具有重要影响。东亚冬季风对东亚冬季气候有关键的影响，因此研究东亚冬季风具有极高的社会意义和科学价值。中东急流作为大气环流中的重要组成部分，其强度和位置的异常是否影响东亚冬季风的变化，是一个值得深入探讨的问题。有助于我们更好地预测和应对气候变化，还能为区域和全球的可持续发展提供科学依据。

2. 资料和方法

2.1. 研究区域和资料概况

东亚地区的气候特点显著，尤其是季风气候，该地区是十分典型的季风气候区，夏季为高热多雨的气候，冬季为温和潮湿的气候。近年来，东亚地区受到各种气候变化的影响，如气温升高、降水事件增多等现象。文中选取(0˚~60˚N，90˚E~150˚E)范围代表东亚地区。本研究中使用的数据集包括：1979年12月~2021年2月ERA5月平均再分析资料，包括200 hPa纬向风、SLP、500 hPa位势高度场、1000hPa的纬向风和经向风、表面气温等，空间分辨率为0.25˚ × 0.25˚；1979~2020年NCEP/NCAR提供的月平均资料，空间分辨率为2.5˚ × 2.5˚ [19]；全球降水气候学项目(GPCP) 2.3版联合降水数据集的月降水量[20]。

2.2. 研究方法

诊断方法主要有：EOF分析[21]、回归分析。文中冬季指当年12月~次年2月，如1979年冬季指1979年12月~1980年2月。EOF (Empirical Orthogonal Function)分析是一种常用的数据降维技术，它的主要目标是通过将时空数据集转换为空间模态和时间上的投影(时间序列)，从而简化数据集的复杂性。在EOF分析中，空间模态被称为EOFs，它们可以被视为对应于方差的基函数，是描述数据集空间结构的一组基向量。而与之相关的时间投影则是主成分(PCs)，它们是EOFs在时间上的系数。EOF分析通过提取数据集中最重要的空间结构和时间变化模式，为科学家们理解地球系统的复杂动态提供了有力工具。

以$X_i$ 表示样本量为n的某一变量，以$t_i$ 表示$X_i$ 所对应的时间，以此来构成一个$X_i$ 与$t_i$ 之间的一元线性回归方程：

$y_i=a+b{t}_i\left(i=1，2，\cdot \cdot \cdot ,n\right)$ (1)

可将其看作是最简单的线性回归形式，经常来计算某一变量线性倾向估计，用一条合理的直线来表示变量y与时间t之间的关系，是时间序列分析的范畴之内，若是时间t被换成其他变量x，则回归系数b也可以代表某一变量对另一变量造成的贡献，计算方法即为：

$b=\frac{{{\displaystyle \sum }}_{i=1}^n{x}_i{y}_i-\frac{1}{n}\left({{\displaystyle \sum }}_{i=1}^n{x}_i\right)\left({{\displaystyle \sum }}_{i=1}^n{y}_i\right)}{{{\displaystyle \sum }}_{i=1}^n{x}_i^2-\frac{1}{n}\left({{\displaystyle \sum }}_{i=1}^n{x}_i\right)}$ (2)

当需要判断变化趋势的程度是否显著的时候，依然可以对相关系数b进行显著性检验，已知显著性水平是α，查找相关系数表来找到对应的相关系数$r_c$ ，若是计算的相关系数r > $r_c$ ，则能够表明两个变量之间的线性关系密切程度是超过显著性的水平，所以这个趋势是十分显著的。

3. 研究结果

3.1. 冬季中东急流的基本特征

图1给出了1979~2020年冬季0~80˚E、0~60˚N区域200hPa纬向平均风速分布。由图1可见，埃及、沙特阿拉伯的北部有一风速急流中心，中心风速可达到50 m/s以上，该急流即为中东急流。为研究冬季中东急流的时空结构，对0~80˚E、10˚N~50˚N区域内冬季200 hPa的纬向风距平场进行EOF分析，由图2可见：(1) 三个空间模态的年际变化特征都比较显著；(2) 第一空间模态主要反映了中东急流核区下游位置急流的强弱变化特征，其时间系数与中东急流强度指数Iyang的相关系数为−0.278，表明相关程度很弱；(3) 第二空间模态呈现出相当明显的南北反相变化特征，中东急流指数的定义区域与该空间模态的正负异常区域呈现高度的重合，其时间系数与中东急流强度指数Iyang的相关系数高达−0.918，且该相关系

Figure 1. Climatic mean state of 200 hPa latitudinal wind speed in the 0~80˚E and 0~60˚N regions of winter from 1979 to 2020 (unit: m/s)

图1. 1979~2020年冬季0~80˚E、0~60˚N区域上200 hPa纬向风速的气候平均态(单位：m/s)

Figure 2. The first three spatial modes and their corresponding time coefficients of the 200 hPa zonal anomaly wind field in winter (0~80˚E, 10˚N~50˚N) region after EOF decomposition

图2. 冬季(0~80˚E, 10˚N ~50˚N)区域上200 hPa纬向距平风场经EOF分解的前3个空间模态及其相应的时间系数

数在显著性水平0.05下是显著的，表明了中东急流指数的主要变化特征；(4) 第三空间模态主要反映了中东急流核区上游位置西风急流的变化情况，其时间系数与Iyang的相关系数为0.149，表明该模态与中东急流指数关系十分微弱，不显著。前3个空间模态的方差贡献率分别为27.69%、24.44%和16.15%。

本文采用了采用Yang等和Wei et al.定义的两种中东急流指数[6] [22]。其中Yang等定义的指数记为IYang，该指数主要反映了中东急流的强度变化，当IYang为正值时，中东急流强度偏强、位置偏东南；当IYang为负值时，中东急流强度偏弱、位置偏西北。Wei等定义的指数记为Iwei，该指数主要反映了中东急流的东西向位置变化，当Iwei为正时，伊朗高原上的西风会得到加强，中东急流向东延伸并与东亚急流(EAJS)合并。当Iwei中东急流指数为负时，中东急流向西移动，其中心位于埃及上空，与东亚急流分离。

根据该定义，绘制了两种中东急流指数的标准化时间序列(如图3)，可以看到两种指数都具有明显的年际变化，两个指数之间的相关系数为0.72，在显著性水平0.05下，相关性是显著的。

Figure 3. Two standardized Middle East jet stream indices in the winter of 1979~2020 (line)

图3. 1979~2020年冬季标准化的两种中东急流指数(折线)

3.2. 冬季中东急流与东亚冬季风的相关关系

本节将用两种中东急流指数回归东亚冬季气温、降水、大气环流异常场，分别中东急流与东亚冬季风系统的关系，并且探讨到底是中东急流的强度异常还是位置异常对东亚冬季气候影响明显。

图4给出了中东急流强度指数和位置指数分别回归冬季降水场与气温异常场，可以看出，用定义的中东急流强度指数与位置指数分别回归冬季降水场与气温异常场得到的结果是一致的：中东急流的强度和位置变化对我国南方的冬季降水都有显著影响，对东亚其他区域的降水异常影响较弱。当中东急流强度偏强，位置向东延伸时，南方降水增多。从冬季气温异常场来看，中东急流主要影响我国东北、朝鲜半岛、日本等地的温度变化。当中东急流偏强，位置偏东时，上述区域温度偏高。相比之下，中东急流强度异常对东亚冬季气温的影响比中东急流位置异常更明显。

由于中东急流强度指数和位置指数回归的东亚冬季气温异常场非常类似，后续分析大气环流场时只给出中东急流强度指数回归的结果。

图5给出了冬季中东急流强度指数与平均海平面气压的回归分析，由该图可以看出，当中东急流偏强时，日本上空为显著的SLP正异常，对应下沉运动，可以通过下沉增温导致局地气温升高，与图4(c)-图4(d)气温异常场的结果相符。同时，整个热带区域也有正SLP异常，中国华南地区位于正SLP边缘，对应有偏南风异常(图6，1000 hPa风场)，有利于将海洋的暖湿气流输送到南方，造成中国南方冬季降水偏多，这与图4(a)-图4(b)降水场的结果相符。此外，中东急流与传统的东亚冬季风低层系统——西伯利亚高压、阿留申低压的关系较弱，上述区域的SLP异常并不显著。

图7给出了中东急流强度指数与500 hPa位势高度场的回归，可以看出，中东急流偏强时，日本和中国东北上空表现为位势高度正异常，与低层SLP正异常构成正压结构，反映出上述区域有强烈的异常下沉运动，通过下沉绝热增温导致局地气温升高。日本上空的位势高度正异常也表明此时东亚大槽强度减弱，东亚冬季风系统减弱。

图8给出了中东急流强度指数与200 hPa纬向风的回归，可以看出，当中东急流偏强时，30˚N以南大部分地区表现为西风正异常，中东地区上空急流增强。而在40˚N一带为强烈的东风异常，日本上空的东风异常意味着此时东亚西风急流减弱。东亚急流的减弱不利于东亚大槽的发展，与500 hPa上东亚大槽强度减弱相匹配。

小结：综上所述，冬季中东急流的强度和位置变化均对东亚冬季风系统和东亚冬季气候有显著影响。中东急流强度偏强，位置偏东时，从气候异常来看，中国东北、朝鲜半岛、日本冬季气温通过下沉增温过程升高，中国南方因为异常南风带来的水汽输送造成冬季降水偏多。从对东亚冬季风的影响来看，东亚冬季风系统包括东亚大槽、东亚急流减弱，但是西伯利亚高压和阿留申低压的变化不明显。

Figure 4. Regression of the location index of the Middle East jet stream (a) winter precipitation field (unit: mm∙day⁻¹), (c) 2 m temperature anomaly field (unit: K); The Middle East jet stream intensity index regresses to (b) winter precipitation field (unit: mm∙day⁻¹) and (d) 2m temperature anomaly field (unit: K) are significant at 95% confidence levels

图4. 中东急流位置指数回归(a)冬季降水场(单位：mm∙day⁻¹)，(c) 2 m气温异常场(单位：K)；中东急流强度指数回归(b)冬季降水场(单位：mm∙day⁻¹)，(d) 2 m气温异常场(单位：K)打点区域均在95%置信水平下显著

Figure 5. Middle East jet intensity index returns to mean sea level pressure (SLP) in winter (unit: hPa)

图5. 中东急流强度指数回归冬季SLP (mean sea level pressure) (单位：hPa)

Figure 6. Middle East jet intensity index returns to the 1000 hPa wind field in winter, (unit: m∙s⁻¹) (The stroke vectors in the figure all passed the significance test of 0.05 reliability)

图6. 中东急流强度指数回归冬季1000 hPa风场，(单位：m∙s⁻¹) (图中风矢量均通过0.05信度的显著性检验)

Figure 7. The intensity index of the Middle East jet stream returns to the 500 hPa geopotential height in winter (unit: m²∙s⁻²)

图7. 中东急流强度指数回归冬季500 hPa位势高度(单位：m²∙s⁻²)

Figure 8. The intensity index of the Middle East jet stream returns to the 200 hPa zonal wind in winter (unit: m∙s⁻¹)

图8. 中东急流强度指数回归冬季200 hPa纬向风(单位：m∙s⁻¹)

4. 结论

基于1979~2021年ERA5月平均再分析资料，分析了中东急流气候平均态的分布；对0~80˚E、10˚N~50˚N区域冬季200 hPa纬向风距平场进行了EOF分析，得到了中东急流的时空分布特征；用定义的中东急流强度指数与位置指数对1979~2020年冬季降水场和表面气温异常场进行回归分析，并利用中东急流强度指数对各环流场进行回归来解释降水气温异常和东亚冬季风系统的变化，得到了中东急流对东亚地区冬季气候的影响和东亚冬季风系统强度的变化；主要结论如下：

(1)中东急流核区主要位于埃及、沙特阿拉伯的北部，即25˚E~50˚E，25˚N~30˚N区域，中心风速达到50 m/s。

(2) 中东急流主要存在三个EOF空间模态，第一空间模态反映了急流核下游的急流变化特征，第二空间模态反映了急流区域的南北反相变化特征，同时，第二空间模态的时间系数与中东急流指数IMEJS的相关系数高达−0.918，呈现出十分显著的负相关关系，该相关系数在95%显著性水平下显著，反映了中东急流指数的主要变化特征；第三空间模态反映了急流核上游的急流变化特征；它们的方差贡献率分别为27.7%，24.4%，16.1%。

(3) 中东急流强度指数与位置指数分别回归冬季降水场与气温异常场得到的对东亚冬季气候影响的结果是比较一致的：对降水场的回归反映出当中东急流强度偏强，位置偏东时，中国南方因为异常南风带来的水汽输送造成冬季降水偏多；对气温异常场的回归表明当中东急流强度偏强，位置东伸时，中国东北、朝鲜半岛、日本冬季气温通过下沉增温过程升高。

(4) 中东急流强度指数分别对冬季SLP、500 hPa位势高度场、200 hPa纬向风场的回归表明，当中东急流强度偏强，位置偏东时，东亚冬季风系统包括东亚大槽、东亚急流减弱，但是西伯利亚高压和阿留申低压的变化不十分显著。

参考文献