春季南亞高壓在中南半島上空建立與500 hPa副高斷裂的關系

盧楚翰，秦育婧，王黎娟

(南京信息工程大學1.氣象災害省部共建教育部重點實驗室;2.大氣科學學院，江蘇南京210044)

0 引言

南亞高壓是北半球對流層高層除極渦外最強大、最穩定的環流系統(Mason and Anderson，1958)，它與高低緯不同環流系統都存在相互作用和相互影響(朱福康等，1980)。研究表明，對流層高層的南亞高壓和中層的副熱帶高壓存在密切聯系。20世紀60年代，陶詩言等(1963)、陶詩言和朱福康(1964)就已經指出夏季南亞高壓的北移通常比西太平洋副高的北跳早10 d左右，二者位置的緯向中期振蕩具有“相向而行”或“相背而去”的特征。近年來有不少研究都進一步驗證了二者相向或相背移動的趨勢，并認為南亞高壓東伸是西太平洋副高西伸加強的重要原因，南亞高壓在東移過程中，高空負渦度平流動力強迫的下沉運動在中層副高區域產生輻散，從動力上影響副高內的負渦度發展(羅玲等，2005;趙兵科等，2005;劉還珠等，2006;任榮彩等，2007;張玲和智協飛，2010)。此外，許多研究還從不同角度肯定了南亞高壓的調整與西太平洋副高進退的關系(趙振國和陳國珍，1995;張瓊等，1997;黃櫻和錢永甫，2003;黃燕燕和錢永甫，2004;譚晶等，2005;王黎娟等，2005)。

以上研究成果對于認識南亞高壓和500 hPa副高帶之間的相互關系及作用機制具有重要意義。但其主要集中在夏季二者北跳或是東西振蕩的關系上，春季季節轉換過程中二者的相互聯系還少有涉及。已有不少研究表明，在春季大氣環流由冬向夏的轉換過程中，伴隨著對流活動的發展，高層南亞高壓通過中心分裂—重建過程在中南半島上空建立(簡稱南亞高壓建立)，中層500 hPa副高脊線在孟加拉灣上空斷裂，它們均為南海夏季風的建立提供了重要條件(何金海等，2002;毛江玉等，2002;劉伯奇，2009;王黎娟和郭帥宏，2012)。因此，研究季節轉換過程中南亞高壓建立與500 hPa副熱帶高壓帶(簡稱副高帶)斷裂的關系有利于加深我們對南海夏季風爆發的認識。

1 資料與方法

資料:1)1979—2008年NCEP/NCAR再分析資料，包括高空各層的風場、溫度場、高度場、垂直速度場、比濕場逐日資料，水平分辨率為2.5°×2.5°。2)NOAA提供的1979—2008年向外長波輻射(outgoing longwave radiation，OLR)逐日資料，分辨率為2.5°×2.5°。3)1979—2008年CMAP候平均降水資料，分辨率為2°×2°。

大氣視熱源用倒算法由熱力學方程計算得到(Yanai et al.，1973)，方法如下:

其中:T為溫度;ω為p坐標下的垂直速度;k=R/cp，R和cp分別是干空氣氣體常數和定壓比熱容;V為水平風矢量，由此可以計算各等壓面層的Q1。計算對流層整層的大氣熱源〈Q1〉時，設對流層頂為100 hPa，其上ω=0。因而大氣熱源整層的垂直積分值〈Q1〉由下式計算

式中:ps為地面氣壓;pt指的是大氣頂氣壓(設pt=100 hPa)。

2 南亞高壓建立與副高帶斷裂

圖1a給出了1979—2008年南亞高壓建立時間與副高帶斷裂時間的變化曲線。可以看出，南亞高壓的建立時間與副高帶的斷裂時間呈現較一致的協同變化，二者相關系數達0.69，通過了0.01顯著性水平的t檢驗。據圖1a統計了500 hPa副高斷裂超前及滯后南亞高壓建立候數的頻數(圖1b)，發現30 a中只有4 a(1985、1994、2000、2001年)南亞高壓建立時間晚于副高帶斷裂，多數年份(20 a)南亞高壓建立早于副高帶斷裂，說明這兩個同處亞洲副熱帶區的高壓系統季節變化間可能存在一定的聯系。

圖1 1979—2008年南亞高壓建立時間(實線)與500 hPa副熱帶高壓帶斷裂時間(虛線)(a)以及500 hPa副熱帶高壓斷裂超前(負值)及滯后(正值)南亞高壓建立的頻數分布(b)Fig.1 (a)Time series of establishment time of South Asia high(solid line)and splitting time of 500 hPa subtropical high(dashed line)from 1979 to 2008，and(b)frequency distribution of the splitting time of 500 hPa subtropical high leading(negative)or lagging(positive)to the establishment time of South Asia high

圖2 南亞高壓建立前后500 hPa流場和相對渦度場(陰影;單位:10－6s－1;圖中粗實線表示副熱帶高壓脊線)a.－1候;b.0候;c.+1候Fig.2 The 500 hPa stream field and relative vorticity field(shadings;units:10－6s－1)during the establishment process of South Asia high(the bold line denotes the ridge of the subtropical high)a.pentad－1;b.pentad 0;c.pentad+1

以南亞高壓建立當候為參考點，合成了前1候(－1候)、當候(0候)及后1候(+1候)500 hPa流場和渦度場(圖2)。可以看出，－1候，在副熱帶高壓帶中存在兩個具有閉合高壓中心的單體，中心分別位于西太平洋和阿拉伯海以西地區，整體呈“貓眼”狀(Li and Chou，1998)分布，副高脊線完整連續，孟加拉灣仍處于負渦度區內;值得注意的是，斯里蘭卡的東南側有一個槽發展，對應有正渦度，青藏高原南側也存在地形槽(圖2a)。0候，兩個副高單體的位置基本沒有變化，高壓脊線仍然連續;此時高原南側的槽略有加深，南伸至孟加拉灣地區，而斯里蘭卡附近的槽則發展成一個閉合氣旋，并有所北抬(圖2b)。+1候，兩個副高單體的位置仍然沒有太大變化，但副高脊線在孟加拉灣上空斷裂開來，不再連續，閉合氣旋已控制孟加拉灣上空的大部分地區，正渦度區域擴大，負渦度帶在孟加拉灣斷裂(圖2c)。這表明南亞高壓建立1候之后，副高帶在孟加拉灣斷裂。到+2候時，閉合氣旋與高原槽完全打通，從高原南側到斯里蘭卡縱穿孟加拉灣的大槽形成(圖略)。

以上分析表明，春季南亞高壓在中南半島上空完全建立之后，副高帶在孟加拉灣上空斷裂。那么南亞高壓的建立對副高帶的斷裂有何作用?

3 南亞高壓建立對副高斷裂的可能影響

3.1 南亞高壓建立后孟加拉灣的對流活動

中南半島對流從4月中旬開始活躍，誘導南亞高壓在中南半島上空建立(He et al.，2006;劉伯奇等，2009)。那么南亞高壓建立之后，中南半島及孟加拉灣的對流活動有何變化?這對副高帶的斷裂又有何影響?圖3給出了南亞高壓建立前后10～20°N的OLR及降水演變。可以看出，在南亞高壓建立之前3候(－3候)，中南半島上空已有對流開始發展。到－1候時，對流進一步增強，OLR值降至220 W·m－2。南亞高壓建立當候(0候)，中南半島出現大于6 mm·d－1的降水，對流繼續發展。然而，此時孟加拉灣地區的對流活動并不活躍。到+1候時，孟加拉灣才開始出現較強的對流和降水。之后，孟加拉灣的降水量超過中南半島地區，這與其下墊面為海洋有關。

圖3 南亞高壓建立前后10～20°N平均OLR(等值線;單位:W·m－2)和降水(陰影;單位:mm·d－1)演變(－3候至+2候)Fig.3 Evolution of 10—20°N averaged OLR(contour lines;units:W·m－2)and precipitation(shadings;units:mm·d－1)during the establishment process of South Asia high(from pentad－3 to pentad+2)

圖4 南亞高壓重建完成前后80～95°E平均經圈環流(矢量)、垂直速度(等值線;單位:10－2Pa·s－1)及加熱率Q1/cp(陰影;單位:K·d－1)a.－1候;b.0候;c.+1候Fig.4 Vertical-latitude cross section of 80—95°E averaged meridional circulation(vector)，vertical velocity(contour;units:10－2Pa·s－1)and Q1/cp(shadings;units:K·d－1)during the establishment process of South Asia higha.pentad－1;b.pentad 0;c.pentad+1

如前所述，對流活動首先在中南半島發展，南亞高壓建立之后，孟加拉灣的對流才開始活躍。分析孟加拉灣上空的垂直運動及視加熱率發現，在南亞高壓建立前1候(圖4a)，上升運動主要維持在10°N以南;此外，青藏高原及春季孟加拉灣暖池(Wu et al.，2010)的感熱加熱作用使它們的上空均出現了明顯的上升運動，在20～30°N對流能發展到600 hPa層次，在該層附近匯合從高層下沉的氣流向南至15°N附近下沉。因此，此時的孟加拉灣局地Hadley環流發生了變形，在10～30°N，600 hPa以下層次出現了一個由高原及孟加拉灣暖池感熱加熱產生的與Hadley環流反向的環流圈，它導致15°N附近的500～700 hPa之間出現較強的下沉運動，下沉中心剛好在500 hPa副高脊線附近，這是不利于副高斷裂的因素。因此，盡管此時低層850 hPa的副高帶已經斷裂(圖略)，但500 hPa副高帶仍然連續。南亞高壓建立當候(0候)，15°N附近的下沉運動減弱，中心消失，同時10°N以南的上升中心增強并有所北擴(圖4b)。1候之后，上升運動迅速發展推進到15°N以北，原15°N附近的下沉運動轉為上升運動，低層(500 hPa以下)從5°N以北皆為上升運動(圖4c)。這與圖3中顯示的孟加拉灣對流發展增強的時間是一致的。結合圖2可發現，孟加拉灣對流的發展與500 hPa上斯里蘭卡附近閉合氣旋的北推配合得很好，說明南亞高壓建立后，孟加拉灣對流迅速發展，這有利于副高帶的斷裂。

3.2 南亞高壓建立后的高層輻散運動

分析南亞高壓建立前后高層(150 hPa)的流場、散度場及大氣整層視熱源演變(圖5)可發現，整層大氣視熱源正值區與高層輻散區有很好的對應關系。－1候，南亞高壓尚未完全建立，存在兩個中心，位于中南半島的西部中心較強，對應較強的輻散中心與非絕熱加熱中心。已有研究表明，旺盛的對流釋放潛熱有利于南亞高壓在中南半島建立(劉伯奇，2009;劉伯奇等，2009)。0候，南亞高壓已完全建立，環流中心位于中南半島中部，與之相配合的輻散中心向南擴展，其對應的整層非絕熱加熱開始增強。這體現了南亞高壓建立之后通過輻散運動對對流活動及潛熱釋放的正反饋作用。+1候，南亞高壓穩定在中南半島上空，輻散區域進一步擴大，除了中南半島的中心外，孟加拉灣也出現了一個強的輻散中心，其對應的非絕熱加熱中心增強。由前面分析可知，此時孟加拉灣對流迅速推進至15°N以北，原來15°N附近一直維持的下沉運動轉為上升運動。這說明高層南亞高壓建立所產生的輻散運動是孟加拉灣對流建立的一個觸發機制，它有利于副高帶的斷裂。

4 結論與討論

圖5 南亞高壓建立前后150 hPa流場、散度場(陰影;單位:10－6s－1)和大氣視熱源〈Q1〉(等值線;單位:W·m－2)a.－1候;b.0候;c.+1候Fig.5 The 150 hPa stream field，divergence field(shadings;units:10－6s－1)and〈Q1〉(contours;units:W·m－2)during the establishment process of South Asia higha.pentad－1;b.pentad 0;c.pentad+1

利用NCEP/NCAR再分析資料及NOAA的OLR資料，研究了春季南亞高壓在中南半島上空建立與500 hPa副高在孟加拉灣上空斷裂的關系。結果表明，南亞高壓建立之前，對流從“海洋大陸”向北推進，首先在中南半島建立;而孟加拉灣地區由于青藏高原感熱作用在對流層中低層形成一個反Hadley環流型的局地經圈環流，15°N附近500～700 hPa有下沉運動中心，它抑制了孟加拉灣對流的建立，也不利于500 hPa副高帶斷裂。南亞高壓在中南半島建立之后，位于高壓中心西南側的孟加拉灣上空出現一個強的輻散中心，孟加拉灣地區15°N附近的下沉運動消失，對流發展起來，降水量增加并釋放大量潛熱，非絕熱加熱中心位于500 hPa，此時副高脊線斷裂。因此，高層南亞高壓建立所產生的輻散運動很可能對孟加拉灣上空500 hPa副高帶斷裂及對流建立起到了觸發作用。

在季節轉換過程中，高中低層環流發生了一系列變化，其與南海季風爆發的關系歷來受到廣泛關注。研究表明，副高帶最先在孟加拉灣附近的低層(850 hPa)斷裂(何金海等，2002;毛江玉等，2002)，這與中南半島、印度半島的垂直加熱率不同以及孟加拉灣季風爆發渦旋北上有關(溫敏等，2004;Wu et al.，2010)。本文的結果也表明，在南亞高壓完全建立之前，低層850 hPa的副高帶已經斷裂，但由于15°N附近的下沉氣流，副高帶斷裂只限于低層，500 hPa副高仍然連續，孟加拉灣對流尚未建立。南亞高壓建立后，孟加拉灣上空出現強輻散運動，觸發了孟加拉灣對流的建立及500 hPa副高的斷裂，體現了南亞高壓建立對對流和降水的正反饋作用。但這僅是基于資料診斷所得的結果，其內在機制需要進一步深入研究。

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