北太平洋850和500hPa夏季副熱帶高壓的年際和年代變化*

王 啟，趙婭琴，宮曉慶

（中國海洋大學1.海洋－大氣相互作用與氣候實驗室；2.海洋環境學院，山東 青島266100）

北太平洋副熱帶高壓（以下簡稱副高）是影響我國天氣和氣候的一個重要系統，夏季副高強度和位置變化對我國汛期降水有重要影響，歷來為氣象學家重視［1－2］。500hPa位勢高度場被廣泛用來描述西太副高的活動［3－4］，國家氣候中心發布的副高指數也是根據500hPa位勢高度場定義的。然而北半球副高各層都具有獨特性質，且形成機制也有很大差別。低層夏季副高中心位置在東太平洋，中層副高中心位置則在西太平洋，低層副高主要是北美大陸強大的陸面感熱加熱所致，凝結潛熱對其位置和強度有所修正，而西太副高的形成要復雜得多，因此不能將對流層低層的東太副高和中層的西太副高視為統一的整體［1］。因此欲全面研究副高，還需要將研究范圍拓展到對流層的其他層。近年來，有學者［5－8］開始關注西太低層副高的變化特征。

作為外強迫源，海溫一直作為副高活動的重要影響因子。已有研究將赤道太平洋、暖池等海區海表溫度（SST）異常與夏季副高異常相聯系［9－14］。

將850和500hPa夏季副高結合研究的較少，本文將綜合分析850和500hPa夏季副高變化特征，并探討夏季副高異常與海溫場的關系。

1 數據

Corp－oration for Atmospheric Research）再分析月平均位勢高度場資料，水平分辨率為2.5（°）×2.5（°）。

海溫場資料選取了1948—2011年Hadley中心的海冰和海表溫度資料 HadISST（Hadley Centre Sea Ice and SST data set）中的月平均SST 資料，水平分辨率為1（°）×1（°）。

2 850與500hPa夏季副高的氣候平均特征

通過分析，本文選取1 570位勢米等高線作為850 hPa副高中心的代表等值線，500hPa副高則沿用傳統的5 880位勢米線。分析表明氣候平均的1 570線僅在6～8月有閉合中心，其中7月份面積最大（副高強度最強），5 880位勢米線在6～11月都有閉合中心，也以7月份最強大（圖略）。因此本文選取7月份作為夏季的代表月份（以下稱作夏季）。圖1給出了夏季垂直各層副高中心的位置，分別是：300hPa的9 720位勢米線（為說明高低空氣壓場配置，加了9 680、9 640和9 600位勢米線），400hPa的7 600位勢米線，500hPa的5 880位勢米線，700hPa的3 180位勢米線，850hPa的1 570位勢米線和925hPa的860位勢米線。圖1清楚顯示北太平洋夏季副高中心隨高度向西南傾斜，300hPa的高壓中心已位于大陸。另外還可以看出850hPa副高與500hPa副高除了位置差異較大外，其熱力結構也不相似：850hPa副高上空是低壓槽區，而500hPa副高上空大部分依然是高壓區（但其東北上空也有小部分是低壓槽區）。所以有時確實不能將對流層低層的東太副高和中層的西太副高視為統一的整體［1］。

圖1 氣候平均的夏季垂直各層副高中心的位置Fig.1 The climatic average of the center position of summer North Pacific subtropical high in the vertical layers

3 850與500hPa夏季副高的年際和年代變化

3.1 變化特征

為定量分析副高強度的年際變化特征，考慮到500hPa副高中心偏西南，850hPa副高中心偏東北，本文定義850hPa副高的強度指數為（20°N～50°N，150°E～130°W）區域內，每年7月份位勢高度等于大于157dgam值的累積和；定義500hPa夏季副高的強度指數為（10°N～40°N，120°E～150°W）區域內，每年7月份位勢高度等于大于588dgam值的累積和，其中東邊界150°W是為了排除大西洋入侵到東太平洋的5 880位勢米線的影響（見圖1右邊界的5 880位勢米線）。

圖2給出了夏季副高強度指數隨時間變化的計算結果，其結果已經進行了標準化。

圖2 夏季副高強度指數的時間變化Fig.2 The variations of summer North Pacific subtropical high intensity index

由圖2可以看出，夏季副高強度除了年際變化外，還有明顯的年代變化（粗線），其中年代變化曲線是9年平滑的結果。500hPa副高強度在1980年附近有1個年代變化轉折點，之前是副高偏弱年代，之后則是副高偏強年代。850hPa在1956年和1993年附近有2個年代轉折點，兩轉折點之間是副高偏弱時段，1956年之前和1993年之后是副高偏強時段。因此在年代尺度上，850與500hPa副高有較大差異。

考慮到上述顯著年代變化的特征，本文首先將500和850hPa的高度場進行9年平滑，分離出年代和年際變化兩部分，然后再求副高強度指數，結果年代變化與圖2略有差異，而年際變化部分已基本濾去了年代變化（見圖3）。

圖3 分離了年際和年代變化后的夏季副高強度指數的時間變化Fig.3 The variations of summer North Pacific subtropical high intensity index after the separation of interannual variability and decadal variation

850與500hPa夏季副高強度指數年際變化的相關系數為0.427，大于顯著性水平0.01的臨界值0.315，但從圖3可以看出兩者變化并不是協調一致的。因此在年際變化上，850與500hPa夏季副高也有較大差異，有必要對850與500hPa夏季副高進行分類，尋找不同類別副高的變化特征及影響因素。

3.2 分類

根據圖3，將北太平洋夏季副高進行如下分類：500和850hPa同時增強類（記為BS類）、500和850hPa同時減弱類（記為BW類）、500hPa增強和850hPa減弱類（記為SW類）和500hPa減弱和850hPa增強類（記為 WS類）。

對于年代變化，1998—2005年屬BS類、1971—1978年屬BW 類、1983—1990年屬SW 類和1951—1958年屬WS類（見圖4）。

圖4 北太平洋夏季副高年代變化的分類Fig.4 Classification of decadal variation of the summer North Pacific subtropical high

對于年際變化，1969／83／89／98年屬 BS類、1972／84／85／2004年屬 BW 類、1966／82／87／91年屬 SW 類

和1955／61／94／99年屬 WS類（見圖5）。

圖5 北太平洋夏季副高年際變化的分類Fig.5 Classification of interannual variability of the summer North Pacific subtropical high

有些年份的情況與上述4類不同。如1979年500hPa副高很強，1967年和2000年很弱，但850hPa變化較小；1989年850hPa副高很強，1987年和2009年很弱，但500hPa變化較小。

從圖5（以及圖6）還可以看出，在年際（以及年代）變化上，850hPa副高遠較500hPa副高穩定，這可能是由850hPa副高的熱源穩定決定的。

4 夏季副高異常與太平洋海表溫度的關系

單從熱源方面看，北太平洋夏季副高氣候態的形成與維持主要決定于海陸分布（夏季洋面相對的低溫）和大陸地形（不同高度的熱源）。其中對500hPa副高來講，決定因素是青藏高原以及暖池上空的潛熱釋放，而對850hPa副高，北美大陸地形和北太平洋東部的冷洋面是決定性因素。

但是對于北太平洋夏季副高的氣候異常，海表面溫度（SST）的異常應該是重要的影響因素。因此本節將分析北太平洋夏季副高異常與太平洋SST的關系，試圖尋找影響副高變化的不同海區。

圖6給出了副高強度指數異常與SST異常場的同期相關系數（陰影表示信度超過95%），其中a（b）是500hPa（850hPa）副高年代變化與SST的相關系數，c（d）是500hPa（850hPa）副高年際變化與SST的相關系數。

圖6 副高強度指數異常與SST異常場的相關系數Fig.6 The correlation coefficient of North Pacific subtropical high intensity index anomaly and SSTA field

對年代際變化來講（見圖6），與500hPa副高異常負相關的主要為洋盆中部斷裂的馬蹄狀（開口朝西南）海區，在東赤道區和北美岸邊也有較小區域呈負相關，其它廣大區域都為正相關區，特別在西太平洋暖池和南海、中東太平洋赤道兩側和45°N以北海區；影響850hPa副高異常的主要為35°N～45°N的正相關海區，其它海區則與影響500hPa的海區有重疊，其中東赤道區的負相關性看上去比500hPa更好一些。

對年際變化，與500hPa副高異常的主要正相關海區為南海、10°N～20°N暖池和中東赤道兩側，負相關區主要在35°N～45°N的西太平洋；與850hPa副高異常相關程度高的海區主要為赤道中太平洋和25°N～40°N東太平洋的負相關區，以及西太平洋暖池的正相關區。

為進一步說明不同副高異常與SST異常的對應關系，本節將對上節不同類別副高異常所對應的SST異常場進行分析。

圖7為年代變化的4類情況所對應的SST異常場，a、b、c、d分別對應 BS、BW、SW 和 WS類，圖中灰（黑）線是500hPa（850hPa）副高異常與SST相關系數為±0.6的等值線。

圖7 副高年代變化的4類情況所對應的SST異常場（說明見正文）Fig.7 The field of SSTA based on four modes of decadal variation of North Pacific subtropical high（Refer to content for details）

從圖7可以看出不同類別的副高年代變化與圖6a和6b給出的相關海區SST異常有著很好的對應，說明不同海區夏季SST異常與北太平洋副高不同層次高度場異常關系密切。

對850hPa副高，35°N～45°N正相關海區（圖7中紫線）的SST異常對應最好。

對于500hPa副高，與西太平洋暖池和南海、中東太平洋赤道兩側和45°N以北海區等正相關區SST異常十分一致；與洋盆中部斷裂的馬蹄狀的負相關海區SST異常也有較好的對應（見圖7a、c和d）。

圖8 副高年際變化的4類情況合成SST異常場（說明見正文）Fig.8 The composite field of SSTA based on four modes of interannual variability of North Pacific subtropical high（Refer to content for details）

圖8 給出的是年際變化的4類副高異常所對應年份的SST異常合成，a、b、c、d分別對應BS、BW、SW 和WS類，即分別 對應 1969／83／89／98 年、1972／84／85／2004年、1966／82／87／91 年和 1955／61／94／99 年 的 合成。圖中細彩線表示合成的T檢驗顯著性水平達到5%，粗灰（黑）線是500hPa（850hPa）副高異常與SST相關系數為±0.3的等值線。

在年際變化方面，與500hPa副高異常負相關的35°N～45°N西太平洋區，在圖8的4類情況下都很一致，即此海區SST負（正）異常有利于500hPa副高增強（減弱）；南海和10°N－20°N 暖池SST正（負）異常有利于500hPa副高增強（減弱）（見圖8a、b和d）；而中東太平洋赤道兩側SST對500hPa副高的作用，在圖8a、c和d中得以體現。

赤道中太平洋SST異常與850hPa副高異常的負相關性在圖8的4類情況下都對應，25°N～40°N東太平洋的負（正）SST異常與850hPa副高的增強（減弱），在圖8中也有較好的體現。

圖9是對應500和850hPa副高異常年的SST異常，圖9左列為500hPa異常年：1979年（強）、1967年（弱）和2000年（弱），圖9右列為850hPa異常年：1989年（強）、1987年（弱）和2009年（弱）。左（右）列圖中黑線是500hPa（850hPa）副高異常與SST相關系數為±0.3的等值線）。

圖9 副高異常年的SST異常場Fig.9 The field of SSTA in years of North Pacific subtropical high anomaly

從個例結果看，圖6c和6d給出的500和850hPa副高年際異常與相關海區SST異常的關系在圖9中都有較好的一致性。

綜合相關、合成以及個例分析結果，得出可能影響500和850hPa副高年際和年代變化的主要海區：

對年際變化，南海、10°N～20°N暖池和中東赤道兩側的正（負）SST異常，西太平洋35°N～45°N的負（正）SST異常，可能是使500hPa副高增強（減弱）的主要海區；赤道中太平洋和25°N～40°N東太平洋的負（正）SST異常，以及西太平洋暖池的正（負）SST異常，可能是使850hPa副高增強（減弱）的主要海區。

對年代變化，西太平洋暖池和南海、中東太平洋赤道兩側和45°N以北海區的正（負）SST異常，洋盆中部的馬蹄狀海區和東赤道區的負（正）SST異常，可能是使500hPa副高增強（減弱）的主要海區；35°N～45°N海盆尺度海區的正（負）SST異常，可能是使850hPa副高增強（減弱）的主要海區。

5 結論

本文將北太平洋500和850hPa夏季副高變異結合在一起進行了分析，結果顯示500和850hPa夏季副高在年際和年代變化都有明顯差異。通過相關、合成以及個例分析，闡釋了影響500和850hPa副高年際和年代變化的不同海區，得出如下結論：

（1）500hPa夏季副高強度在1980年附近之前是副高減弱年代，之后是副高加強年代；850hPa在1956年和1993年之間是副高減弱年代，1956年之前和1993年之后是副高加強年代。因此在年代尺度上，850與500hPa副高有較大差異。另外，在年際變化上，850與500hPa夏季副高也有較大差異。

（2）北太平洋夏季副高年際和年代變異中存在（1）同時增強，（2）同時減弱，（3）500hPa增強850hPa減弱，和（4）500hPa減弱850hPa增強等不同類別。在年際（以及年代）變化上，850hPa副高遠較500hPa副高穩定，這可能是由850hPa副高的熱源穩定決定的。

（3）對年際變化，南海、10°N～20°N暖池和中東赤道兩側的正（負）SST異常，西太平洋35°N～45°N的負（正）SST異常，可能是使500hPa副高增強（減弱）的主要海區；赤道中太平洋和25°N～40°N東太平洋的負（正）SST異常，以及西太平洋暖池的正（負）SST異常，可能是使850hPa副高增強（減弱）的主要海區。

（4）對年代變化，西太平洋暖池和南海、中東太平洋赤道兩側和45°N以北海區的正（負）SST異常，洋盆中部的馬蹄狀海區和東赤道區的負（正）SST異常，可能是使500hPa副高增強（減弱）的主要海區；35°N～45°N海盆尺度海區的正（負）SST異常，可能是使850hPa副高增強（減弱）的主要海區。

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