西太平洋副高的東西進退與東亞夏季風系統的相互影響與關聯

余丹丹，張韌，趙越超，萬雷，郭小璇

(1．北京5111信箱，北京100094;2．解放軍理工大學 氣 象海洋學院，江蘇 南 京211101;3．南京信息工程大學 濱江學院，江蘇 南 京210044)

0 引言

西太平洋副熱帶高壓(簡稱副高)位置存在顯著的季節變化，這種季節變化在亞洲季風區表現得最為顯著。東亞季風降水主要集中在夏季風盛行的4—9月。研究表明，副高的季節性移動與東亞季風及季風雨帶有著密切關聯，尤其是副高的東西向位置和南北向進退直接影響著東亞季風的建立、長江流域降水的豐欠以及華北、華南地區的氣溫和旱澇災害(黃士松，1963;周曾奎，1996;管兆勇等，2010)。一般來說，6月中旬，副高第一次北跳，由于副高西伸脊點的東西擺動，華南地區交替出現西南和東南氣流，此時華南前汛期結束，長江流域梅雨開始，夏季形勢基本建立;7月中旬副高的第二次北跳決定了長江流域梅雨的結束時間。因此，江淮地區6—7月入梅、出梅的遲早，梅雨期的長短，雨量的多少，與副高的兩次北跳過程以及副高東西振蕩密切相關(溫敏和何金海，2000;錢代麗等，2010)。

近年來，隨著季風研究的深入，人們對副高和季風系統有了新的認識和見解，澳大利亞冷高、南海越赤道氣流、南海—西太平洋ITCZ雨帶、西太平洋副高、東亞季風雨帶、青藏高壓、熱帶東風急流等被納入東亞夏季風系統的有機整體之中(Tao and Chen，1987)。作為東亞夏季風系統重要成員，西太平洋副高的東西進退活動與季風系統其他成員之間相互作用、互為反饋，共處于一個非線性系統之中(Zhang and Hong，2006;Yu et al．，2007;余丹丹等，2010a)。因此，將副高作為東亞夏季風系統的子系統加以綜合研究，已成為副高研究的趨勢和共識(吳國雄等，2002)。

副高的季節變化不僅表現為南北進退，而且表現為明顯的東西振蕩，從副高中心以季節內振蕩的形式逐漸向西擴展。研究表明，副高的季節變化受大氣加熱場的影響(陳璇等，2011)，且與夏季風系統活動密切相關(張韌和羅來成，1993;余丹丹等，2010b)。過去對副高東西進退的研究，比較偏重于從個例分析和天氣學角度來探討副高西伸前后大尺度大氣環流的演變特征(徐海明等，2001;羅玲等，2005;譚晶等，2005)。然而迄今為止，對副高東西向活動的深入研究尚不多見，夏季副高東西位置異常時，季風區熱帶、副熱帶和中高緯度環流之間的聯系及其特征還不十分清楚。因此，有必要進一步研究揭示副高異常時大氣環流演變過程中各系統的變化特征以及副高向西擴展的物理成因。由于江淮流域降水時段主要集中在6—7月，故本文重點就該時段的副高東西向活動進行深入研究。

1 資料和方法

采用美國國家環境預報中心(NCEP)和國家大氣研究中心(NCAR)提供的1980—2010年6—7月的2.5°×2.5°逐日再分析資料以及同期NOAA衛星觀測的OLR資料。

1.1 副高東西位置指標的確定

為了討論副高的東西位置，首先要定義一個描述其東西位置的合理指標，通常所用的描述副高西脊點的指標是500 hPa上某一條等高線(如586 dagpm等高線)最西端點所在的經度，但用這種方法定義的指標受到主觀因素的影響。為了更好地客觀描述副高東西活動，本文首先繪制1980—2010年多年平均的6月、7月500 hPa位勢高度場(圖略)，發現多年平均的副高脊線6月位于20°N，7月北移到25°N，而588特征線最西端點均位于125°E附近。這表明，平均而言，6月、7月副高脊線位置南北差別較大，東西差別較小。故選取(120～130°E，15～25°N)和(120 ～130°E，20 ～30°N)分別為6 月、7 月的關鍵區，且根據該關鍵區500 hPa位勢高度的變化來定義副高的西伸東撤過程。當該區域位勢高度值增大時，表明副高西伸;當該區域位勢高度值減小時，表明副高東撤。也有學者嘗試用副高西部變動頻繁的地區的渦度距平來界定副高是否偏東或偏西(Yang and Sun，2003)，本文選位勢高度的距平來界定主要是考慮到這樣定義比較直觀，計算也相對簡單。經比較，兩種定義所確定的副高東西位置異常年是十分接近的。

1.2 副高東西位置異常年型的劃分

圖1為6月、7月關鍵區位勢高度的標準化距平值。異常偏西、偏東是指距平值大于等于或小于等于1個標準差。表1給出了副高在1980—2010年期間異常偏西、偏東年型的劃分。

表1 1980—2010年期間副高異常偏西、偏東年型的劃分Table 1 The abnormal eastern and western position years of subtropical high from 1980 to 2010

圖1 1980—2010年6月(a)和7月(b)關鍵區500 hPa位勢高度的標準化時間序列Fig．1 Standardized time series of 500 hPa potential high averaged in the key areas in(a)June and(b)July from 1980 to 2010

500 hPa高度場分析(圖2)表明:6月，氣候平均的副高脊線位于20°N左右，588特征線最西側在125°E附近;偏西年份的588特征線最西側達110°E，平均西伸15°，588特征線所包圍的副高中心明顯偏西;偏東年份的588特征線最西側東退至140°E附近，588特征線所包圍的副高中心明顯東退。比較而言，7月，副高脊線要偏北5個緯度，正常年份和偏西年份的588特征線最西側到達的經度與6月相近，而偏東年份的588特征線東退更加明顯，幾乎退至180°?？梢?，用上述定義的指數描述高度場上副高東西位置的變動具有一定的合理性。

2 副高東西位置異常時季風區高低空環流特征

2.1 對流層低層850 hPa流場特征

圖2 副高正常年(實線)、偏西年(長虛線)和偏東年(點虛線)6月(a)和7月(b)588 dagpm等值線位置Fig．2 Distributions of average 588 dagpm isoline in normal(solid line)，western(long dashed line)and eastern(dotted line)years of the subtropical high longitudinal position in(a)June and(b)July

圖3是6月副高偏西、偏東年850 hPa流場及距平場。圖3a表明，偏西年，副高西側的轉向氣流到達120°E以西，脊線位于20°N附近;圖3b中，(130°E，20°N)附近是一閉合的反氣旋性距平環流，說明此時東亞夏季風環流偏弱，副高加強西伸，且位置偏南。南半球澳大利亞高壓明顯偏弱，索馬里(45°E)、蘇門答臘(85°E)、南海(105°E)、西太平洋(125°E)和巴布亞新幾內亞(150°E)的越赤道氣流處均出現北風距平，表明幾股越赤道氣流都偏弱。熱帶西太平洋在副高控制之下，盛行偏東風，季風槽不發展，僅限于南海地區，強度較弱。偏東年(圖3c)，西太平洋反氣旋性環流在130°E附近由東南氣流轉為西南氣流，脊線位于25°N附近;圖3d中，(130°E，20°N)附近出現氣旋性距平環流，其北側為反氣旋性環流異常，說明此時東亞夏季風環流偏強，副高位置明顯偏東偏北。(40 ～60°E，0°～10°N)區域出現東風，索馬里氣流偏弱，其余幾股越赤道氣流皆偏強，尤其是南半球澳大利亞東部出現南風異常，表明澳大利亞高壓偏強，南半球冬季風偏強。熱帶西太平洋受越赤道轉向氣流的影響，盛行偏西風，季風槽向東伸展至150°E，成西北—東南形態。

圖36月副高偏西年(a，b)和偏東年(c，d)850 hPa平均流場(a，c;陰影區≥1 540 gpm)和距平場(b，d)Fig．3 (a，c)Average flow fields(shadings≥1 540 gpm)and(b，d)anomalous flow fields at 850 hPa in June in(a，b)western and(c，d)eastern subtropical high years

同樣，對7月副高東西位置異常年850 hPa流場及距平場(圖略)進行分析，發現7月的環流特征與6月基本相似:7月副高偏西(東)時，850 hPa距平場上東亞熱帶地區出現反氣旋性(氣旋性)距平環流，東亞夏季風環流減弱(加強)。不同之處在于:由于副高脊線變化存在季內北移東撤現象，其中心位置比6月略偏北，西脊點位置比6月略偏東。此外，7月南半球馬斯克林高壓范圍和強度比6月有所增大，澳大利亞高壓卻相對減小，受南半球高壓的影響，越赤道氣流強弱特征也略有不同。

為了更清楚地反映與副高東西位置異常時越赤道氣流的強弱特征，表2統計了40～50°E、80～90°E、100 ～110°E、120 ～130°E 和 145 ～155°E 等 5個經度帶5°S～5°N之間的經向風距平的格點平均值，以此表征夏季5支越赤道氣流的強度?？梢钥吹剑?月，偏西年越赤道氣流不活躍，5支皆偏弱;偏東年恰好相反，除了索馬里越赤道氣流偏弱外，其余4支越赤道氣流明顯偏強，尤其以西太平洋越赤道氣流增強最明顯。7月，偏西年索馬里、蘇門答臘越赤道氣流偏強，這與7月馬斯克林高壓強度增強有關;偏東年越赤道氣流變化與6月偏東年相似?？梢?，在對流層低層，副高的東西位置與季風槽的強度、位置以及南半球環流變化(尤其是馬斯克林高壓、澳大利亞附近的環流變化和越赤道氣流異常)密切相關，也可以說與亞澳季風系統成員的相互作用有關。

表2 副高東西位置異常年越赤道氣流強度Table 2 The intensity of the cross-equatorial flow in western and eastern subtropical high years m·s－1

為了進一步考察副高東西位置與東亞夏季風的關系，首先根據陶詩言等(2001)給出的東亞季風指數定義，計算1980—2010年間(100～150°E，10～20°N)區域的6—8月平均850 hPa的U分量減去(100～150°E，25～35°N)區域的 6—8月平均 850 hPa的U分量，按照標準化距平值大于等于或小于等于1個標準差為異常年的原則，選取出1981、1984、1985、1986、1994、1997、2002 和2004 年是強夏季風年，1980、1983、1988、1995、1998 和2003 年是弱夏季風年。對比表1，發現大多數副高偏西年都是弱夏季風年，而副高偏東年則對應強夏季風年。由此可見，副高東西位置的年際變化反映了亞洲夏季風強弱的變化。

將前面定義的6月副高指數分別在同期850 hPa緯向風場和經向風場上進行線性投影(圖4)，按照回歸系數與相關系數符號一致的原則，圖4a中的正相關區表示在副高偏西時西風增強、東風減弱;偏東時東風增強、西風減弱。圖4a表明，在20°N以南赤道西風區為大面積的負相關區，中心位于南?！坡少e一帶，臺灣以北到江淮流域為顯著的正相關區。這表明:當副高偏東時，南海和中南半島西風增強，則南?！魈窖鬅釒Ъ撅L偏強，而江淮流域西風減弱，副熱帶夏季風偏弱，有利于副高位置偏北，該地區少雨偏旱;同理，當副高偏西時，南海和中南半島西風減弱，南海夏季風偏弱，而江淮流域西風增強，副熱帶夏季風偏強，有利于副高位置南壓，該地區降水偏多易澇。經向風的分布情況如圖4b所示。在熱帶越赤道氣流的幾個主要通道處出現了幾個明顯的負相關區，說明當副高偏西時，北風增強，越赤道氣流偏弱，相應的南海夏季風偏弱。而印度半島東部及我國江南、華南地區為顯著的正相關區，說明當副高偏西時，該地區南風增強，其東側負渦度發展，進一步使得副高西伸。菲律賓以東洋面的負相關區表明，當該地區南風增強時，副高東退。上述結果說明:6月，當副高位置偏西偏南時，相應的南海夏季風偏弱，副熱帶夏季風偏強;當副高偏東偏北時，南海夏季風偏強，副熱帶夏季風偏弱。7月副高指數與850 hPa緯向風、經向風的相關關系(圖略)與6月相似。上述分析表明，副高東西位置與東亞夏季風的關系與大多數研究結論是一致的，同時也從另一個側面說明，本文給出的關于副高東西位置的指標是合理的、可靠的。

2.2 對流層高層200 hPa流場特征

圖46月副高指數與同期850 hPa緯向風(a)和經向風(b)的回歸分布(單位:m·s－1)Fig．4 The regression analysis between the subtropical high index and(a)the zonal wind，and(b)the meridional wind at 850 hPa in June(units:m·s－1)

圖5是6月副高偏西、偏東年200 hPa流場及距平場。圖5a表明，偏西年，南亞高壓偏強，中心在90°E以東，脊線在25°N 附近，高壓脊東伸至120°E以西，到達我國江淮上空;南半球高空反氣旋的強度有所加強，中心仍位于太平洋上空;在這兩個強的高空反氣旋之間是一致的東北氣流。圖5b上，在(130°E，30°N)附近是一閉合的反氣旋性距平環流，其北側(110°E，50°N)、東側(170°E，40°N)和南側(130°E，15°N)附近各有一氣旋性距平環流，說明南亞高壓偏東偏強，西風帶長波槽(貝加爾湖大槽和太平洋中部大槽)發展加深;赤道地區出現偏西風距平，說明高空亞澳越赤道氣流較弱。南半球馬斯克林地區和澳大利亞東部上空存在反氣旋性距平環流。圖5c表明，偏東年，南亞高壓中心和脊線位置與偏西年相近，但強度偏弱，高壓脊東伸也不明顯。200 hPa環流距平場(圖5d)與偏西年正好相反，此時南亞高壓偏西偏弱，貝加爾湖大槽和太平洋中部大槽較弱。赤道地區出現偏東風距平，說明高空亞澳越赤道氣流較強。南半球索馬里地區和澳大利亞東部上空均有一閉合的氣旋性距平環流。從7月流場分布(圖略)來看，從6月到7月，南亞高壓位置和強度都有明顯的變化，脊線位置在6月位于25°N附近，7月已經跳過30°N，且高壓脊更加東伸。從7月距平場來看，偏西年和偏東年環流場的反相分布特征更加明顯;偏西年，南亞高壓發展強盛，偏東年則反之。

圖56月副高偏西年(a，b)和偏東年(c，d)200 hPa平均流場(a，c;陰影區≥12 500 gpm)和距平場(b，d)Fig．5 (a，c)Average flow field(shadings≥12 500 gpm)and(b，d)anomalous flow field at 200 hPa in June in(a，b)western and(c，d)eastern subtropical high years

圖6a是副高指數與同期6月200 hPa緯向風的線性回歸場?？梢?，正相關區表示在副高偏西時西風增強、東風減弱;在副高偏東時，東風增強、西風減弱。負相關區則正好相反。從西太平洋和南海北部到我國華南為負相關區，長江流域及以北地區為正相關區，表明當副高偏西時，對流層高層的熱帶東風急流和副熱帶西風急流都增強北抬，南亞高壓相應偏東偏強;副高偏東時則反之。圖6b顯示7月也存在上述關系，且兩條橫貫東西的帶狀相關區域更加明顯。

由此可見，副高東西位置異常年型，對流層高層的南亞高壓、西風帶長波槽位置和強度存在明顯的差異;亞澳越赤道氣流以及南半球馬斯克林和澳大利亞高壓環流的異常，反映了副高的東西進退與東亞季風系統各成員之間的活動是有機地聯系在一起的。

3 副高東西位置異常時季風區對流活動特征

副高東西振蕩與亞洲季風區熱帶系統的變化密切相關。OLR是衛星觀測到的地氣系統的射出長波輻射，它可以反映熱帶對流活動區對流發展的強弱以及對流降水區的位置。為此，采用OLR資料考察東亞季風區對流活動異常對副高東西位置的影響。

圖66月(a)和7月(b)副高指數與同期200 hPa緯向風的回歸分布(單位:m·s－1)Fig．6 The regression analysis between the subtropical high index and the zonal wind at 200 hPa in(a)June and(b)July(units:m·s－1)

圖7給出了副高東西位置異常年型6月OLR的距平分布。可以看到，偏西年，赤道以南從印度洋、印尼群島到中太平洋地區OLR值都小于氣候平均值，為對流活躍區，赤道以北阿拉伯海和孟加拉灣南部也是強對流區;而中南半島、南?！魈窖蠼詾檎祬^，表明當副高較常年偏西偏南時，該區域受副高控制，對流受到抑制。此外，我國江淮流域的對流云帶，加強了該地區對流潛熱的釋放，使得淮河流域高層非絕熱加熱率增強，根據全型渦度方程(吳國雄和劉還珠，1999)，熱源下方南風加強，則使得副高加強西伸，進而解釋了前面關于副高偏西年，江南、華南地區出現南風異常的原因(圖7a)。偏東年則與偏西年相反，除西北太平洋為一明顯的負值區外，上述幾個熱帶地區的對流活動皆偏弱，副高較常年偏東偏北(圖7b)。在7月OLR的距平分布(圖略)上，值得注意的是:偏西年，整個環流系統北移，副高所對應的OLR高值帶軸線顯著北跳，其中心向西北移動，正值區范圍向西擴大，占據我國中西部，該高值帶南北兩側的低值帶相應向北伸展，分別對應熱帶輻合帶對流活躍和江淮及日本梅雨期降水;偏東年，僅在100°E以東，10～30°N之間為大面積的負值區，其南北兩側為正值區，同樣說明，當副高偏東時，熱帶地區的對流活動偏弱，南海—西太平洋季風槽活躍，副高偏北。

圖76月副高偏西年(a)和偏東年(b)OLR距平場(陰影區≤－3 W·m－2)Fig．7 The anomalous OLR distribution in June in(a)western and(b)eastern subtropical high years(shadings≤－3 W·m－2)

研究表明，孟加拉灣北部是夏季全球熱源中心(Hoskins and Rodwell，1995)，孟加拉灣熱源異常對副高存在顯著的影響，當孟加拉灣對流發展加強時，使得南?！魈窖蟾浇膶α骰钴S中斷，同時使得太平洋副熱帶高壓西部脊加強西伸(許曉林等，2007)。為了更清楚地揭示孟加拉灣、南海—西太平洋對流異常與副高西伸之間的關系，圖8給出了副高指數與同期OLR的線性回歸場。正相關區表示:副高偏西時，OLR值增大，對流減弱;副高偏東時，OLR值減小，對流增強。負相關區則正好相反，即副高偏西時，OLR值減小，對流增強;副高偏東時，OLR值增大，對流減弱。圖8a正負值區的分布與圖7a副高偏西年型OLR距平場分布相似，赤道印度洋和孟加拉灣一帶為負值區，臺灣以北到江淮流域也為負值區，而南?！魈窖蟮貐^為顯著的正值區;7月正負值區均顯著北移(圖8b)。這說明，當孟加拉灣對流發展增強時，南海—西太平洋的對流活動會受到明顯抑制，并逐漸和副高控制區貫通，從而誘使副高西伸。

4 結論

1)根據夏季6月、7月副高脊線南北位置的差異，分別選取關鍵區(120 ～130°E，15 ～25°N)和(120～130°E，20 ～30°N)內500 hPa位勢高度的變化來表示6月、7月副高的西伸東撤過程。當該區域位勢高度值增大時，說明副高西伸;當該區域位勢高度值減小時，說明副高東撤。

2)副高東西位置異常年，對流層低層的季風槽強度和位置、南半球環流變化(尤其是馬斯克林高壓、澳大利亞附近的環流變化和越赤道氣流異常)以及對流層高層的南亞高壓、西風帶長波槽位置和強度存在明顯的差異，這些差異反映了副高的東西進退與東亞季風系統各成員之間的相互作用有關。6月、7月的環流特征相似之處歸納如表3所示。

表3 6月和7月副高東西位置異常年的相似環流特征Table 3 The similar circulation features between June and July in western and eastern subtropical high years

圖86月(a)和7月(b)副高指數與同期OLR的回歸分布(單位:W·m－2)Fig．8 The regression analysis between the subtropical high index and OLR in(a)June and(b)July(units:W·m －2)

3)6月、7月環流特征的不同之處在于:由于副高脊線變化存在季內北移東撤現象，7月副高中心位置比6月略偏北，西脊點位置比6月略偏東。此外，低空南半球馬斯克林高壓范圍和強度比6月有所增大，澳大利亞高壓卻相對減小;受南半球高壓的影響，越赤道氣流強弱特征也略有不同;7月南亞高壓脊線更加偏北，高壓脊更加東伸;偏西年和偏東年，環流距平場的反相分布特征更加明顯。

4)副高東西位置的年際變化反映了亞洲夏季風強弱的變化。副高偏西(東)年，南海夏季風偏弱(強)，副熱帶夏季風偏強(弱)。

5)OLR距平場分布很好地說明了副高東西振蕩與亞洲季風區熱帶地區對流異常變化的密切關系:偏西年，副高偏南，從印度洋、印尼群島到中太平洋地區為對流活躍區，阿拉伯海和孟加拉灣南部也是強對流區，而中南半島、南?！魈窖髤^域受副高影響，對流受到抑制。偏東年則與偏西年相反，副高偏北，上述幾個熱帶地區的對流活動皆偏弱。

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