《Science Bulletin》：Prolonged QBO-ENSO phase alignment caused unbalanced water resources across East Asia
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摘要自20世纪60年代以来，东亚夏季降水的“南方洪灾-北方干旱”偶极模式在20世纪90年代初变得异常活跃，但在21世纪00年代末之后显著减弱。在活跃期，这种偶极模式会导致长江流域以南地区出现大范围洪水，而北方则面临严重干旱。然而，导致这种降水偶极模式的机制尚未明确，因此无法确定它
摘要
自20世纪60年代以来，东亚夏季降水的“南方洪灾-北方干旱”偶极模式在20世纪90年代初变得异常活跃，但在21世纪00年代末之后显著减弱。在活跃期，这种偶极模式会导致长江流域以南地区出现大范围洪水，而北方则面临严重干旱。然而，导致这种降水偶极模式的机制尚未明确，因此无法确定它是否会再次增强并威胁到未来东亚的水文平衡。本研究指出，平流层准两年振荡与对流层厄尔尼诺-南方涛动之间的长期相位一致，通过调节东亚副热带西风急流，对观测到的降水偶极模式产生了重要影响。气候模拟也证实了这一机制——在BCC-CSM2-MR模型中输入历史上观测到的QBO和ENSO强迫，能够成功再现20世纪90年代初之后日益明显的“南方洪灾-北方干旱”偶极模式。未来预测表明，在任何排放情景下都可能出现类似的QBO-ENSO相位一致现象，这意味着目前减弱的偶极模式在未来气候中可能会重新出现。我们的研究强调了平流层与对流层耦合在调节东亚水文气候变率中的关键作用，并为未来区域水资源的变动提供了预警视角。
引言
东亚是全球人口最密集的地区之一，也是重要的粮食生产区[1]。然而，该地区夏季经常遭受干旱和洪灾的侵袭，这些灾害严重威胁着人们的生计，制约着经济的可持续发展。例如，1998年的长江特大洪水以及1997年中国北方的严重干旱，都造成了巨大的人员伤亡和农作物产量大幅下降[2]、[3]、[4]。夏季，东亚降水量受到东亚季风系统的强烈调控[5]。在7月至8月降水量达到峰值的时期，其年际变化表现为两种不同的经向模式：一种是三极模式，其特征是长江流域与中国南方和北方的降水量呈现不同相位的变化（见在线图S1a、c）；另一种是偶极模式，表现为“南方洪灾-北方干旱”及其相反阶段的“南方干旱-北方洪灾”（见在线图S1b、d）[6]。其中，“南方洪灾-北方干旱”模式因其显著的影响而备受关注，它导致了整个东亚地区的水文失衡[7]、[8]、[9]。东亚夏季降水的主导空间模式也会发生相位变化[10]、[11]、[12]。20世纪90年代初，以长江流域降雨过多而中国南方和北方降雨减少为特征的三极模式被“南方洪灾-北方干旱”的偶极模式所取代。然而到了21世纪00年代末，这种偶极模式逐渐减弱并最终消失。见表1。
现有大多数研究都是从长期趋势的角度来探讨20世纪70年代以来东亚“南方洪灾-北方干旱”模式的形成机制[7]、[8]。提出的驱动因素包括人为气溶胶（黑碳和硫酸盐）的增加[13]、[14]、[15]、海洋变暖[16]、[17]、北极海冰减少[18]、青藏高原春季积雪增加[19]、[20]、[21]、北太平洋十年尺度海表温度变化的远距离影响[22]、[23]，以及副热带西风急流的南移和东亚夏季季风的减弱[24]。这些机制被认为导致了中国南方降水量长期增加而北方降水量减少。不过，这些关于长期变化的解释无法说明20世纪90年代初至21世纪00年代间出现的明显的年际尺度“南方洪灾-北方干旱”模式。
除了这些对流层海洋-大气和陆地-大气过程以及外部强迫因素（如北极海冰、青藏高原积雪和黑碳气溶胶[25]、[26]、[27]）之外，越来越多的证据表明，平流层的变率也可能对东亚夏季降水量产生不可忽视的影响[9]、[28]、[29]、[30]。尤其是平流层准两年振荡，已被证明能够调控热带对流、副热带急流以及行星波的传播，从而在年际尺度上影响东亚夏季季风[31]、[32]、[33]、[34]。
除了QBO自身的影响外，它往往还会与ENSO共同作用，产生线性与非线性的协同效应[35]、[36]、[37]。例如，在QBO的西风相期间，厄尔尼诺现象在北太平洋地区的远距离影响更为显著[38]。此外，只有在对厄尔尼诺事件较冷的阶段，QBO与平流层极地涡旋之间的关系才较为明显[39]。另外，在厄尔尼诺期间，QBO的远距离影响主要通过副热带路径作用于地表，而在拉尼娜期间，极地路径的作用则更为重要[36]。
QBO和ENSO都属于准周期性的变率模式，因此单独考虑时不会在多年时间尺度上提供持续的强迫作用。因此，以往的大多数研究都聚焦于它们对东亚夏季降水的年际影响，要么分别研究，要么研究它们的共同作用[9]、[40]、[41]。本研究则表明，东亚夏季“南方洪灾-北方干旱”模式在多年时间尺度上的兴衰，与平流层QBO和对流层ENSO之间的周期性相位一致密切相关。这些结果有助于我们更深入地理解东亚水文气候的变率规律，同时为农业规划、水资源保障以及区域经济韧性提升提供预测价值。
章节节选
观测数据与CMIP6数据
我们使用了1979年至2023年的月度ERA5再分析数据[42]，其中包括纬向风、位势高度、垂直速度以及垂直积分的水分通量散度，空间分辨率为0.25°×0.25°。此外，还使用了1959年至2020年的JRA-3Q再分析数据[43]作为验证，其空间分辨率为1.25°×1.25°。海表温度数据则来自哈德利中心的数据集[44]，时间范围为1959年至2023年，空间分辨率为
区域平均降水量时间序列显示，在20世纪90年代初至21世纪00年代末期间，30°N以南地区的降水量[9]一直处于异常偏高的水平，而30°N以北地区的降水量则一直处于异常偏低的水平，这体现了东亚夏季水文气候的一个特殊阶段（见图1a）。为了判断这些异常是否代表突然的转变，Lepage检验（详见补充材料中的“1.1 Lepage检验”）显示，在
讨论与结论
在“南方洪灾-北方干旱”偶极模式作用下，中国南方容易遭受严重洪水侵袭。因此，了解这一偶极模式的形成机制对于提高降水预报精度、优化水资源管理以及保障人们的生活和粮食安全具有重要意义。然而，此前大多数关于影响东亚夏季“南方洪灾-北方干旱”模式的因素的研究，都集中在对流层层面的影响因素上，主要侧重于
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：42394120、42275056）、中国中央高校基本科研业务费以及中国教育部基础学科拔尖计划（项目编号：JYB2025XDXM910）的支持。我们感谢欧洲中期天气预报中心、日本气象厅、美国国家航空航天局、美国国家海洋和大气管理局以及英国气象局哈德利中心提供的观测数据。同时，也感谢美国国家大气研究中心提供的CMIP6数据。
Fuhai Luo|Fei Xie|Tianjun Zhou|Yan Xia|Jianping Li|Yixiong Lu|Wenshou Tian
