初夏西北太平洋副高東西變動對中國南部降水東西差異的影響

晏紅明， 肖子牛， 薛建軍

1 云南省氣候中心， 昆明 650034 2 中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點實驗室， 北京 100029

0 引言

西北太平洋副熱帶高壓(簡稱副高，下同)是東亞季風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)的重要成員，由于其活動的特定位置，對鏈接中高緯度和低緯度地區(qū)的環(huán)流系統(tǒng)起著非常重要的紐帶作用，對中國天氣氣候有十分重要的制約作用(龔道溢和何學(xué)兆，2002；吳國雄等，2003；陶詩言和衛(wèi)捷，2006；錢代麗等，2009；韋道明等，2011；趙俊虎等，2012；Guan et al.，2018)，特別是副高位置的東西進(jìn)退和南北移動直接關(guān)系到亞洲季風(fēng)的季節(jié)進(jìn)程、季風(fēng)水汽輸送路徑、中國夏季雨帶位置、區(qū)域性持續(xù)高溫和旱澇的異常分布.副高位置變化最顯著的影響以1998年為代表，1998年副高位置的持續(xù)偏南偏西導(dǎo)致南海夏季風(fēng)爆發(fā)偏晚，之后在30°N以南的持續(xù)維持又導(dǎo)致長江流域降水明顯偏多，出現(xiàn)著名的洪澇年(陳隆勛和祝從文，1999).相反，副高的偏東變化容易引起長江流域梅雨期的降水減少甚至干旱(楊輝等，2006).除了對中國旱澇異常分布的影響，副高位置的持續(xù)異常對區(qū)域性高溫也有重要作用，2002年夏季中國北方出現(xiàn)的持續(xù)性高溫就主要受副高持續(xù)偏東的影響，副高偏東為大陸副高的東進(jìn)和加強提供了有利的大尺度背景條件，同時也使得季風(fēng)水汽輸送路徑向北折向的位置隨之東移，導(dǎo)致東亞大陸水汽輸送異常減少，中國北方變得十分干燥(衛(wèi)捷等，2004).2009—2013年中國西南地區(qū)持續(xù)性的特大干旱事件也與副高位置的持續(xù)偏西或偏東異常關(guān)系密切(晏紅明等，2012；楊輝等，2012).在冬季，副高的異常強弱狀態(tài)和結(jié)構(gòu)，以及其位置變化可能造成我國南方雨雪冰凍天氣(李崇銀等，2008；晏紅明等，2009).因此，深入認(rèn)識和把握副高異常活動的特征及其對氣候的影響，探討影響副高東西變動的前期信號因子，對提高氣候預(yù)測準(zhǔn)確率，做好防災(zāi)減災(zāi)工作具有十分重要的科學(xué)意義和實際應(yīng)用價值.

就氣候平均而言，5—8月副高南北位置的季節(jié)變化最為強烈，脊線平均北移11.5°.6月副高發(fā)生第一次北跳，脊線越過20°N，徘徊于20°N—25°N之間，副高北界剛好位于中國南部，其位置的東西擺動使得中國南部地區(qū)交替出現(xiàn)西南氣流和東南氣流，此時，西南地區(qū)雨季開始，華南前汛期結(jié)束，長江流域梅雨開始，夏季形勢基本建立，副高位置的東西變動對亞洲季風(fēng)環(huán)流，以及西南和華南地區(qū)降水異常的影響尤其顯著.張慶云和陶詩言(2003)發(fā)現(xiàn)6月副高位置變化與東亞環(huán)流異常的密切聯(lián)系，副高偏東(西)有利于東亞夏季風(fēng)環(huán)流加強(減弱)，梅雨鋒環(huán)流減弱(加強)，副高南(北)變動對東亞夏季風(fēng)環(huán)流和梅雨鋒低壓亦有同樣的影響.王黎娟等(2005)指出6月副高東西進(jìn)退與東亞夏季風(fēng)系統(tǒng)成員之間相互影響和相互制約的關(guān)系，副高偏西異常時南亞高壓偏東偏強，季風(fēng)槽偏弱，西風(fēng)帶長波槽發(fā)展加深，南半球馬斯克林高壓和南亞高壓減弱，相應(yīng)的越赤道氣流減弱，副高偏東異常時的情況剛好相反.余丹丹等(2014)的分析也同樣發(fā)現(xiàn)了初夏副高東西進(jìn)退與東亞季風(fēng)環(huán)流變化的密切聯(lián)系.通過對亞洲季風(fēng)環(huán)流的影響，初夏副高位置的東西異常對中國氣候的影響也非常顯著，梁建茵和吳尚森(1999)指出廣東前汛期(4—6月)降水與西南季風(fēng)的關(guān)系不顯著，主要受東亞副熱帶季風(fēng)加強的影響，6月廣東強降水與副高南撤西伸的變化關(guān)系密切；Lu和Dong(2001)和李慧等(2013)分析表明6月副高偏西有利于長江流域降水偏多，而華北和華南降水偏少；西南地區(qū)的初夏干旱以及雨季開始期早晚也與副高的東西變動密切聯(lián)系(李永華等，2010；晏紅明等，2013).由此可見，6月副高東西位置的異常變化對亞洲季風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)和中國南部降水異常分布起著舉足輕重的作用.

作者在最近的分析中同樣發(fā)現(xiàn)6月副高的東西變動對中國南部地區(qū)的降水影響尤其明顯，并初步發(fā)現(xiàn)副高東西變動與初夏中國南部降水的東西差異有一定聯(lián)系(晏紅明和王靈，2019).我們知道，每年4—6月華南經(jīng)歷第一個多雨期，即華南前汛期，該時期的降水主要受副高北側(cè)西風(fēng)帶的影響，副高東西變動對其西北側(cè)水汽輸送路徑以及西風(fēng)帶冷空氣的影響十分重要.而對于西南地區(qū)而言，6月大部分地區(qū)的雨季已經(jīng)開始，由于西南地區(qū)剛好位于副高西側(cè)，副高東西進(jìn)退對影響西南地區(qū)的東亞季風(fēng)和南亞季風(fēng)的交替變化十分顯著，天氣氣候?qū)Ω备叩臇|西變化也相當(dāng)敏感.迄今為止的大部分工作主要集中在副高活動對華南和西南地區(qū)的天氣氣候影響展開研究，得到了一些有意義的結(jié)論，但還沒有工作將西南和華南地區(qū)的降水變化與副高東西變動的影響結(jié)合在一起進(jìn)行討論.作者前期工作中初步發(fā)現(xiàn)的副高東西變動與中國南部降水東西差異的聯(lián)系是一個非常值得關(guān)注的現(xiàn)象，需要進(jìn)一步研究.副高位置東西異常是否確實會引起中國南部降水的東西差異？副高東西異常引起怎樣的環(huán)流異常導(dǎo)致了中國南部降水的東西差異？影響初夏副高東西變動的前期信號因子又是什么？進(jìn)一步開展這些問題的研究對于深入認(rèn)識初夏中國南部夏季降水異常的原因，提高中國南部初夏降水的預(yù)測能力，做好防災(zāi)減災(zāi)工作有十分重要的實際意義.

1 資料和方法

由于不同降水資料之間在分辨率、資料同化方法等方面的差異，為了進(jìn)一步分析副高的東西變動與中國南部地區(qū)東西降水差異相聯(lián)系的真實性特征，本文利用多種降水資料進(jìn)行對比分析，相互印證.降水資料包括：國家氣象信息中心1958—2014年長江以南中國南部147個氣象觀測站的月平均降水資料；1979—2016年NOAA CMAP(Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation)降水資料，網(wǎng)格分辨率為2.5°×2.5°(Xieand Arkin，1997)；1979—2013年NOAA GPCC(Global Precipitation Climatology Centre)陸地降水資料，網(wǎng)格分辨率為1.0°×1.0°(Beck et al.，2005)；1979—2016年GPCP(Huffman et al.，1997)降水資料，網(wǎng)格分辨率為2.5°×2.5°.大氣環(huán)流資料利用1958—2016年美國國家環(huán)境預(yù)測中心和國家大氣研究中心(National Centers for Environmental Prediction/National86 Center for Atmospheric Research，NCEP/NCAR)的高低層月平均大氣環(huán)流再分析資料，網(wǎng)格分辨率為2.5°×2.5°(Kalnay et al.，1996)；海溫資料利用1961—2015年英國Hadley中心提供的海表溫度HadISST(Hadley Center Sea Ice and Sea Surface Temperature)，資料分辨率為1.0°×1.0°(Rayner et al.，2003).氣候平均統(tǒng)一采用1981—2010年的30年氣候平均值.

6月西太平洋副高東西位置的定義根據(jù)作者(晏紅明和王靈，2019)的工作，選取700 hPa關(guān)鍵區(qū)(105°E—130°E，15°N—25°N)的相對渦度區(qū)域平均值來定義副高的東西位置，以下簡稱VORT指數(shù).

使用方法包括相關(guān)分析、合成分析等數(shù)理統(tǒng)計診斷方法以及數(shù)值模擬方法，顯著性檢驗采用t檢驗方法.同時，為了驗證資料診斷分析結(jié)果，利用RegCM4.6.1區(qū)域氣候模式對海溫影響進(jìn)行敏感性數(shù)值模擬研究，通過相互驗證進(jìn)一步分析熱帶海洋外強迫因子對副高東西變動的影響.RegCM系列模式對東亞季風(fēng)氣候有較好的模擬能力，在中國當(dāng)代和古氣候模擬、氣候機理分析，以及氣候變化預(yù)估中得以廣泛應(yīng)用(Giorgi et al., 2012；Gao and Giorgi，2017；吳婕等，2018).RegCM4在RegCM基礎(chǔ)上做了重要改進(jìn)，使用CLM陸面過程方案(Oleson et al., 2008)代替了原有的BATS(Dickinson et al., 1993)，對東亞氣候的模擬效果更好(Gao et al., 2017).

2 初夏副高東西變動與中國南部降水的關(guān)系

2.1 初夏副高東西變動特征

圖1為6月副高東西指數(shù)VORT的年際變化，可以看到用700 hPa相對渦度定義的VORT指數(shù)主要表現(xiàn)出明顯的年際特征，線性變化趨勢非常小，去除線性趨勢后的變化與未去除線性趨勢后的變化幾乎完全一致.與目前國內(nèi)氣候預(yù)測監(jiān)測業(yè)務(wù)中通常使用的500 hPa上5880 gpm(1 gpm=9.8 J/kg)特征線最西端所在經(jīng)度位置定義的指數(shù)(劉蕓蕓等，2012)相比，在表征副高東西變動的年際變化方面具有很好的優(yōu)勢，避開了由于高度場的升高趨勢相應(yīng)造成的副高西伸趨勢.因此，本文直接選用未清除線性趨勢的VORT指數(shù)系列來討論副高的東西變動特征.這里以標(biāo)準(zhǔn)化VORT指數(shù)大于1和小于-1分別選取副高正(表示副高偏東)負(fù)(表示副高偏西)指數(shù)異常年，則副高異常偏東年有1958、1963、1965、1967、1981、1984、1985、1990、2004、2009、2012年和異常偏西年有1959、1962、1966、1977、1980、1983、1989、1996、1998、2000、2006、2007、2010年.可以看到副高偏東年，500 hPa副高反氣旋環(huán)流位于西北太平洋菲律賓及以東的海區(qū)，5880 gpm特征線西脊點位于135°E附近，比多年氣候平均5880 gpm西脊點位置(125°E)偏東10個經(jīng)距，孟加拉灣地區(qū)高度場較低，5840 gpm等值線所表征的南支西風(fēng)槽在印度半島中北部和孟加拉灣均比較明顯(圖2a)，相應(yīng)的垂直速度距平場表明在副高區(qū)域內(nèi)為異常上升氣流，即副高偏東年副高區(qū)域的下沉氣流比多年氣候平均偏弱(圖2c)；副高偏西年，500 hPa反氣旋環(huán)流向西伸展至中南半島東部，并控制整個南海區(qū)域，5880 gpm特征線西脊點位于120°E附近，比多年氣候平均5880 gpm西脊點位置約偏西5個經(jīng)距，此時盡管孟加拉灣地區(qū)仍出現(xiàn)南支槽，但與副高偏東年相比，孟加拉灣和印度半島高度場明顯偏高，南支槽也明顯偏弱和偏西(圖2b)，副高區(qū)域的下沉氣流也比多年氣候平均顯著偏強(圖2d).分析表明了副高東西變動指數(shù)VORT不僅能夠避開因高度場定義而產(chǎn)生的副高西伸趨勢，還能夠合理地描述副高反氣旋環(huán)流和5880 gpm副高特征線東西位置的異常變動.

圖1 1958—2015年6月標(biāo)準(zhǔn)化副高東西指數(shù)年際變化黑色實線為未去除線性趨勢的變化，綠色虛線為清除線性趨勢的變化.Fig.1 Interannual variations of standardized east-west index of subtropical high in June from 1958 to 2015The black line includes linear trend and green line removes linear trend.

圖2 副高東西異常年500 hPa高度場(gpm)和風(fēng)場(m·s-1)以及垂直速度(pa·s-1)距平合成場(a)偏東和(b)偏西年的高度和風(fēng)； (c)偏東和(d)偏西年的垂直速度距平場.圖(a)和(b)中綠色實線為合成場5880 gpm特征線，紅色虛線為多年氣候平均5880 gpm特征線，圖(c)和(d)中陰影區(qū)表示垂直速度距平合成超過0.05顯著性檢驗的區(qū)域.Fig.2 The height (gpm), wind (m·s-1) and anomalous vertical velocity (pa·s-1) at 500 hPa level respectively in eastward and westward years of subtropical highHeight and wind in eastward years (a) and westward years (b); Vertical velocity anomalies in eastward years (c) and westward years (d). The green soild line is the 5880 gpm line of the eastward and westward years of subtropical high, and the red dotted line is the climatology 5880 gpm line in fig.(a) and fig.(b). Vertical velocity anomalies exceeding 0.05 significant tests are shaded in fig.(c) and fig.(d).

2.2 與中國南部降水異常分布的關(guān)系

6月副高位置東西變化對中國南部地區(qū)的降水有十分重要的影響.圖3分別為VORT指數(shù)與同期1958—2014年6月中國南部觀測站點資料和1979—2016年不同再分析格點資料的相關(guān)，可以看到無論是站點資料還是再分析資料都顯著反映了6月副高東西變動與中國南部降水的密切聯(lián)系，并表現(xiàn)出以105°E為界降水明顯反相的東西差異特征：副高偏東年，中國南部地區(qū)降水東少西多，偏西年剛好相反.其中，站點資料、再分析CMAP和GPCP資料所表現(xiàn)的副高東西變動與中國南部降水東西差異的關(guān)系較為顯著.另外，CMAP和GPCP再分析格點資料還反映的副高東西變動與赤道西太平洋地區(qū)降水密切聯(lián)系：副高偏東時，赤道西太洋地區(qū)降水顯著偏多，反之則顯著偏少.

圖3 6月VORT指數(shù)與同期降水的相關(guān)(a) 147觀測站； (b) GPCC； (c) CMAP； (d) GPCP.陰影區(qū)為通過0.05顯著性檢驗的區(qū)域.Fig.3 The simultaneous correlation between VORT index and rainfall(a) 147 observation stations; (b)GPCC； (c) CMAP； (d) GPCP. The areas passing 0.05 significant test are shaded.

副高東西異常變動年的降水距平合成也同樣呈現(xiàn)了中國南部降水東西差異的特征：副高偏東年，西南中西部降水偏多，西南東部和華南降水偏少，正負(fù)降水距平中心分別位于云南中北部和華南地區(qū)(圖4a)；偏西年，盡管降水距平同樣反映了中國南部東西降水差異特征，但華南地區(qū)的降水偏多比較顯著，通過0.1的顯著性檢驗，而西南西部地區(qū)的降水偏少特征并不顯著，降水偏少幅度也比較小(圖4b).副高偏東和偏西年降水合成差值場反映的中國南部降水東西差異特征更加顯著(圖4c).

圖4 副高偏東(a)和偏西(b)年中國南部降水合成和差值場(c)(單位：mm)陰影區(qū)為通過0.1顯著性檢驗的區(qū)域.Fig.4 The rainfall distribution in southern China in eastward (a) and westward (b) years of subtropical high and their difference(c) (unit: mm)The areas passing 0.1 significant tests are shaded.

為了進(jìn)一步分析初夏副高東西變動與西南和華南地區(qū)降水反相變化的密切聯(lián)系，基于圖3和圖4相關(guān)較顯著的區(qū)域，選取西南區(qū)域XN(22°N—29°N,97°E—105°E)和華南區(qū)域HN(22°N—30°N,106°E—120°E)，分別計算1958—2014年兩個區(qū)域站點降水平均的時間系列XN和HN與VORT指數(shù)的相關(guān)，VORT指數(shù)與XN的正相關(guān)為0.32，與HN的負(fù)相關(guān)為-0.53.VORT指數(shù)與兩個區(qū)域降水時間系列的相關(guān)剛好相反，并通過0.05的顯著性檢驗，進(jìn)一步證實了VORT指數(shù)所反映的副高東西變動與西南和華南地區(qū)反相變化的密切聯(lián)系.

3 初夏副高東西異常影響中國南部降水東西差異的可能原因

上述對比分析表明6月副高東西變動確實與中國長江以南東西部地區(qū)降水的反相變化密切聯(lián)系，接下來從副高東西變動與高低層大氣環(huán)流異常、季風(fēng)活動、水汽輸送等的聯(lián)系對其影響的可能原因做進(jìn)一步分析.

3.1 副高東西變動與高低層大尺度環(huán)流變化的關(guān)系

對比副高東西變動異常年高低層大氣環(huán)流的異常特征(圖5)，可見副高東西變動不僅與熱帶地區(qū)的環(huán)流變化密切聯(lián)系，與中緯度地區(qū)的環(huán)流也有一定的關(guān)系.低層850 hPa，副高偏東時西北太平洋地區(qū)低層異常氣旋環(huán)流顯著，孟加拉灣南部-中南半島南部-南海-赤道西太平洋為異常西風(fēng)，該異常西風(fēng)主要來源于兩支氣流：高原南側(cè)沿伊朗、巴基斯坦的偏西北氣流；80°E附近由南半球越赤道轉(zhuǎn)向匯入的偏西氣流(圖5a).偏西年，以上區(qū)域的環(huán)流變化剛好相反(圖5b).副高東西變動在高層200 hPa同樣表現(xiàn)出與熱帶東印度洋—西太平洋地區(qū)的環(huán)流變化的緊密聯(lián)系，偏東年熱帶西太平洋—東印度洋為非常明顯的異常偏東風(fēng)(圖5c)，而偏西年熱帶印度洋和西太平洋地區(qū)出現(xiàn)非常明顯的由南向北的越赤道氣流，經(jīng)向南風(fēng)分量明顯加強(圖5d).除此之外，可以看到，副高的東西變動還與高層中緯度異常波列的活動有一定關(guān)系，偏東年中緯度從西亞—東亞—西北太平洋為氣旋(C)-反氣旋(A)-氣旋(C)異常波列(圖5c)，偏西年波列的變化剛好相反，為A-C-A異常波列(圖5d).

圖5 副高異常偏東(a，c)和偏西(b，d)年850 hPa和200 hPa距平風(fēng)場(單位：m·s-1)合成圖(a)和(b)中的綠色等值線表示緯向風(fēng)距平.Fig.5 The anomalous wind composite fields at 850 hPa and 200 hPa in eastward (a,c) and westward (b,c) years of subtropical high (unit: m·s-1)The green isolines in fig.(a) and fig.(b) are the zonal wind anomalies.

在中緯度的異常波列中，初夏東亞—西北太平洋地區(qū)的環(huán)流異常與南亞高壓和副高的異常活動有關(guān).陸日宇等(2007)研究發(fā)現(xiàn)在中緯度對流層高層從歐洲—西亞—東北亞地區(qū)存在一個遙相關(guān)波列，它是古絲綢之路上空大氣環(huán)流的一種主導(dǎo)模態(tài)，與中緯度西風(fēng)急流變化有關(guān).副高東西變動時200 hPa中緯度異常波列比較類似絲路波列.楊蓮梅等(2007)研究了夏季東亞西風(fēng)帶急流擾動與南亞高壓和副高的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)西風(fēng)急流擾動動能的加強和減弱會影響南亞高壓和副高強度和位置的異常變化.因此本文結(jié)果在一定程度上表明，初夏副高東西變動不僅與西北太平洋地區(qū)的局地環(huán)流有關(guān)，有可能還與絲路波列以及中緯度西風(fēng)急流的變化有聯(lián)系.

結(jié)合圖5a、b的環(huán)流變化可以初步分析華南降水異常的原因，副高東(西)變動時西北太平洋地區(qū)副高西北側(cè)的異常東北(西南)風(fēng)變化的不同影響可能是造成華南降水異常的主要原因.眾所周知，梅雨鋒和季風(fēng)槽是造成華南和長江中下游地區(qū)降水異常的重要系統(tǒng)，副高的東西變動通過影響東亞和熱帶海洋地區(qū)的東西風(fēng)變化，進(jìn)而會顯著影響季風(fēng)槽(10°N—20°N)和梅雨鋒(25°N—35°N)的強度.副高偏東年，其南側(cè)在熱帶東印度洋至西太平洋低層西風(fēng)異常顯著加強，而其北側(cè)在華南-東海為異常東風(fēng)，異常風(fēng)場的變化有利于季風(fēng)槽加強和梅雨鋒減弱，相應(yīng)有利于華南地區(qū)降水偏少；偏西年異常風(fēng)場的變化及其對季風(fēng)槽和梅雨鋒的影響剛好相反，相應(yīng)有利于華南地區(qū)降水增加.

進(jìn)一步分析副高東西異常年三維環(huán)流的變化可以更加清楚看到環(huán)流變化的異常特征.副高偏東年，沿110°E—120°E的異常經(jīng)圈環(huán)流剖面表明氣流在10°N—20°N上升，在20°N—30°N和10°N—0°下沉的異常環(huán)流圈變化與副高偏東年季風(fēng)槽加強和梅雨鋒減弱的變化比較一致(圖6a)；偏西年10°N—20°N轉(zhuǎn)為氣流下沉區(qū)，有利于季風(fēng)槽減弱，22°N—35°N的氣流上升區(qū)則有利于梅雨鋒加強(圖6b).因此，副高位置東(西)異常年華南地區(qū)氣流下沉(上升)，以及相應(yīng)梅雨鋒的異常減弱(加強)是導(dǎo)致華南地區(qū)降水偏少(偏多)的主要原因.

圖6 副高東(a，c)西(b，d)異常年沿110°E—120°E的高度-緯度距平環(huán)流剖面(v·w*100 m·s-1)和沿20°N—30°N的高度-經(jīng)度距平環(huán)流剖面(u·w*100 m·s-1)圖(a)和(b)的陰影區(qū)為垂直速度超過±0.003 m·s-1的區(qū)域，圖(c)和(d)中的等值線為垂直速度.Fig.6 The height-latitude profile of anomalous circulation (v·w*100 m·s-1) along 110°E—120°E and the height-longitude profile of anomalous circulation (u·w*100 m·s-1) along 20°N—30°N in the eastward and westward years of subtropical highThe vertical velocities passing ±0.003 m·s-1 are shaded in fig.(a) and fig.(b). The isograms denote vertical velocity and shaded areas denote topography in fig.(c) and fig.(d).

不同區(qū)域大氣環(huán)流的變化是相互聯(lián)系的，在副高東西異常年華南地區(qū)氣流出現(xiàn)異常的同時，西南地區(qū)氣流相應(yīng)也出現(xiàn)明顯差異.從20°N—30°N緯向環(huán)流圈的剖面(圖6c、d)可以清楚看到西南和華南地區(qū)垂直氣流變化的差異：副高偏東年，其北側(cè)的異常東風(fēng)氣流在華南地區(qū)下沉，華南地區(qū)從低層到高層為深厚的氣流下沉區(qū)，中心位于對流層中高層，而東風(fēng)氣流西移過程中，由于地形的影響，氣流在西南和華南西部地區(qū)沿地形上升，西南地區(qū)對流層低層為上升氣流，但上升氣流區(qū)比較淺薄，僅存在700hPa以下對流層(圖6c)；副高異常偏西年，其北側(cè)的異常西風(fēng)氣流的沿青藏高原東移過程中，在高原東側(cè)沿高原下沉，氣流在西南地區(qū)的下沉將引起該區(qū)域的氣流輻散，不利于降水的發(fā)生，而在華南地區(qū)為氣流上升，有利于華南地區(qū)降水的產(chǎn)生(圖6d).華南和西南地區(qū)緯向環(huán)流變化的差異在很大程度上表明副高東西異常時兩個區(qū)域的降水差異與副高北側(cè)緯向風(fēng)的異常變化以及青藏高原大地形的動力作用密切聯(lián)系.

3.2 副高東西變動與亞洲夏季風(fēng)活動和水汽輸送的關(guān)系

夏季風(fēng)是影響中國夏季氣候的關(guān)鍵系統(tǒng)，由于副高的東西變動與高低層環(huán)流異常密切聯(lián)系，相應(yīng)也會影響季風(fēng)環(huán)流的變化.越赤道氣流是季風(fēng)環(huán)流的重要組成部分，與季風(fēng)活動密切聯(lián)系.在多年平均氣候場上，赤道印度洋和西太平洋低層由南向北的強越赤道氣流中心分別位于40°E—60°E、80°E—90°E、100°E—110°E和120°E—130°E，而對流層高層300～100 hPa的氣流變化剛好相反，氣流由北向南越過赤道進(jìn)入南半球，北風(fēng)氣流在印度洋和太平洋上空都比較強，強北風(fēng)中心位于250 hPa附近(圖7a).由于副高活動與高低層大尺度環(huán)流的聯(lián)系，副高東西變動會引起高低層越赤道氣流出現(xiàn)顯著差異.副高偏東年，赤道印度洋和西太平洋低層異常南風(fēng)比較明顯，中心分別位于80°E和120°E附近，有利于這些區(qū)域由南向北越赤道氣流的加強，尤其是80°E和120°E附近的越赤道氣流加強明顯(圖7b)；副高偏西年，上述區(qū)域為異常北風(fēng)，中心位于130°E附近，異常北風(fēng)將會減弱低層由南向北的越赤道氣流(圖7c).在高層，以上區(qū)域的經(jīng)向氣流變化剛好相反，其中，副高偏西異常年對流層高層由南向北異常經(jīng)向南風(fēng)的變化更加顯著.我們也注意到，索馬里地區(qū)是夏季由南向北越赤道氣流最強的區(qū)域，但在副高東西異常年，索馬里地區(qū)越赤道氣流的變化差異并不明顯.40°E—50°E是索馬里越赤道氣流中心區(qū)域(圖7a)，副高東西異常年該區(qū)域均為異常北風(fēng)，不利于索馬里越赤道氣流的加強(圖7b、c).

圖7 經(jīng)向風(fēng)沿2.5°S—2.5°N平均的高度-經(jīng)度剖面(單位：m·s-1)(a) 多年氣候平均經(jīng)向風(fēng)； (b) 副高偏東年和(c)偏西年經(jīng)向風(fēng)距平.Fig.7 The height-longitude profile of climatological meridional wind (a) and meridional wind anomalies along 2.5°S—2.5°N in the eastward (b) and westward (c) years of subtropical high (unit:m·s-1)

南亞季風(fēng)、東亞熱帶季風(fēng)和南海季風(fēng)是亞洲季風(fēng)的重要組成部分，這些季風(fēng)的變化對我國夏季氣候具有重要影響.這里根據(jù)南亞夏季風(fēng)(Webster and Yang，1992)、東亞夏季風(fēng)(晏紅明等，2017)、南海夏季風(fēng)(Zhu et al.，2005)指數(shù)的定義，進(jìn)一步分析副高東西變動與不同區(qū)域夏季風(fēng)活動的關(guān)系(表1)，發(fā)現(xiàn)副高偏東時，南亞夏季風(fēng)、東亞夏季風(fēng)、南海夏季風(fēng)均表現(xiàn)為加強，偏西時各夏季風(fēng)減弱.其中，副高東西變動與東亞夏季風(fēng)和南海夏季風(fēng)變化的聯(lián)系尤其緊密，正相關(guān)通過了0.01的顯著性檢驗.

表1 1958—2015年各季風(fēng)指數(shù)的相關(guān)Table 1 Correlation between different monsoon index for 1958—2015

夏季風(fēng)活動是影響我國夏季降水變化的主要因子，副高異常東西變動通過對夏季風(fēng)活動的影響，對我國降水也會產(chǎn)生十分重要的影響.靳莉君和趙平(2012)通過觀測資料和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)在年際尺度上6—7月南海地區(qū)的熱帶季風(fēng)和降水與長江中下游地區(qū)的西南風(fēng)和降水存在著反位相變化關(guān)系，當(dāng)南海夏季風(fēng)和降水偏強(弱)時，長江中下游西南季風(fēng)偏弱(強).本文副高東西指數(shù)分別與同期CMAP(圖3c)和GPCP(圖3d)再分析降水的相關(guān)分布也進(jìn)一步表明了副高異常東西變動時華南和南海地區(qū)降水變化的這種反位相關(guān)系.進(jìn)一步分析副高異常東西變動時低層環(huán)流變化，可以看到副高對華南和南海地區(qū)降水反位相變化影響的原因：副高偏東年南海夏季風(fēng)偏強，但異常西風(fēng)主要維持在熱帶地區(qū)，而在華南地區(qū)，由于副高偏東時異常氣旋位于西北太平洋至華南，其西北側(cè)的異常東北風(fēng)導(dǎo)致華南地區(qū)的西南風(fēng)減弱(圖5a)，相應(yīng)會減弱華南區(qū)域的西南水汽輸送；與之相反，副高偏西年南海夏季風(fēng)偏弱，熱帶地區(qū)南風(fēng)減弱，而華南地區(qū)卻為副高偏西時異常氣旋環(huán)流西側(cè)的異常西南風(fēng)控制，有利于西南氣流加強(圖5b)，相應(yīng)加強華南地區(qū)的西南風(fēng)水汽輸送.另外，張慶云等(2003)定義的東亞夏季風(fēng)強弱指數(shù)正是反映了季風(fēng)槽和梅雨鋒反位相變化的關(guān)系，這種關(guān)系與靳莉君和趙平(2012)指出的南海熱帶地區(qū)和長江中下游地區(qū)的季風(fēng)強弱和降水多少的反位相變化關(guān)系是一致的.

6月副高東西變動除了與南海季風(fēng)和東亞季風(fēng)呈顯著正相關(guān)，與南亞夏季風(fēng)活動也有密切聯(lián)系.從以上分析我們看到，副高偏東年，赤道80°E附近由南向北的越赤道氣流顯著加強，并在印度半島南部轉(zhuǎn)向西，經(jīng)孟加拉灣南部、中南半島南部，流向西太平洋，加強了孟加拉灣地區(qū)的西南季風(fēng)和南海地區(qū)的熱帶西風(fēng)，孟加拉灣地區(qū)西南季風(fēng)的加強有利于西南地區(qū)的水汽輸送和降水偏多；副高偏西年，赤道西太平洋—中南半島南部—孟加拉灣為異常東風(fēng)，導(dǎo)致孟加拉灣西南季風(fēng)減弱，相應(yīng)不利于西南水汽輸送和西南地區(qū)降水的發(fā)生.

圖8分別為副高東西變動異常年水汽輸送的變化，可以更加清楚地看到在副高偏東年，80°E附近越赤道來自于南半球的水汽輸送有利于孟加拉灣和季風(fēng)槽區(qū)的水汽輸送加強，孟加拉灣和季風(fēng)槽區(qū)有明顯的水汽輻合，而華南地區(qū)由于受異常氣旋環(huán)流西北側(cè)偏東北氣流的影響，為顯著的水汽輸送輻散(圖8a)；而副高偏西年，季風(fēng)槽和孟加拉灣地區(qū)的異常偏東風(fēng)導(dǎo)致水汽輸送減弱，使得熱帶季風(fēng)槽區(qū)和西南地區(qū)為水汽輻散，而華南地區(qū)由于受異常反氣旋環(huán)流西北側(cè)西南氣流的影響，西南水汽輸送加強，華南出現(xiàn)顯著的水汽輸送輻合(圖8b).

圖8 副高東(a)西(b)異常年整層水汽輸送距平(單位：kg·s-1·m-1)及通量散度距平合成場(單位：10-5kg·s-1·m-2)矢量為水汽輸送，陰影區(qū)為水汽輸送通量散度.Fig.8 The composite fields of water vapour transport anomalies (unit: kg·s-1·m-1) and water vapour flux divergence anomalies (10-5kg·s-1·m-2) in the eastward (a) and westward (b) years of subtropical highThe vectors denote water vapour transport and shaded areas denote water vapour flux divergence.

以上分析中值得進(jìn)一步關(guān)注的是副高東西異常變動年影響西南和華南地區(qū)降水的水汽來源問題.從分析看到80°E和120°E附近的越赤道氣流在副高偏東年加強(圖7b)和偏西年減弱(圖7c)，相應(yīng)圖8的水汽輸送也表明了副高偏東年這兩個區(qū)域來自南半球的水汽輸送加強，南亞、東亞和南海夏季風(fēng)加強，而此時除了西南地區(qū)降水增加外，華南地區(qū)的降水卻是減少的；與此相反，副高偏西年這兩個區(qū)域來自南半球的水汽輸送減弱，而此時華南地區(qū)的降水反而增加.從西南和華南地區(qū)降水與南半球水汽輸送異常和季風(fēng)變化關(guān)系來看，在西南地區(qū)是一致的，華南地區(qū)卻剛好相反，這可能反映了初夏影響西南和華南地區(qū)降水的水汽來源是不同的：西南地區(qū)降水的水汽主要來源于80°E赤道附近的越赤道氣流，而影響華南地區(qū)的水汽主要來源于副高南側(cè)偏東風(fēng)從西太平洋地區(qū)向西輸送的水汽，在南海轉(zhuǎn)向北的西南氣流水汽輸送.初夏盡管副高偏東年120°E越赤道氣流加強，但該氣流僅活躍于熱帶季風(fēng)槽地區(qū)，是影響季風(fēng)槽區(qū)域降水多少的主要因子.

4 初夏影響副高東西變動的前期海洋信號因子

副高活動受到眾多因子的影響，其中海溫異常與副高活動存在顯著聯(lián)系，近年來的很多工作進(jìn)一步強調(diào)了赤道太平洋厄爾尼諾事件以及印度洋海溫對副高偏強西伸的影響(He et al., 2015; Liet al，2017；錢代麗和管兆勇，2018，2019；Qian et al., 2018)；作者在最近的分析還發(fā)現(xiàn)熱帶海洋對副高的影響與副高南北位置的變化密切相關(guān)，副高位置偏南時熱帶海洋的影響比較顯著，反之影響較弱(晏紅明和王靈，2019).初夏6月是夏季副高位置比較偏南的時段，海溫對副高的影響值得重點關(guān)注.另外，由于海洋的熱容量較大，對大氣環(huán)流存在顯著的滯后影響，在氣候預(yù)測中從前期海洋變化中來尋找影響降水異常的前期信號因子對于提高預(yù)測準(zhǔn)確率具有十分重要的實際意義.因此，為了進(jìn)一步了解初夏影響華南地區(qū)降水異常的前期信號，接下來我們進(jìn)一步分析初夏影響副高變化的前期海洋因子.

由于熱帶SSTA的增暖趨勢比較明顯，在以下分析中均去除了海溫線性增暖趨勢的影響.圖9a、b分別為6月副高東西VORT指數(shù)與前期印度洋和太平洋SSTA的相關(guān)，看到6月副高東西變動與前期西北太平洋SSTA負(fù)相關(guān)和赤道西太平洋SSTA正相關(guān)比較顯著，尤其是1—3月.因此，這里選取相關(guān)顯著的兩個海洋區(qū)域A(125°E—135°E，20°N—30°N)和B(145°E—160°E，5°N—15°N)，定義海洋前期信號指數(shù)為SSTIDX=A-B.圖9c為1—3月SSTIDX指數(shù)與副高東西指數(shù)VORT的年際變化，看到在很多年份SSTIDX和VORT指數(shù)的變化相反，年際相關(guān)為-0.42，通過99%顯著性檢驗，可以作為前期海洋信號因子來預(yù)測后期初夏副高東西位置和中國南部降水的變化.

圖9 副高指數(shù)與前期1—3月(a)和4—5月(b)海溫的相關(guān)，陰影區(qū)為通過0.05顯著性檢驗的區(qū)域；1958—2015年海溫指數(shù)SSTIDX(棒線)和VORT指數(shù)(折線)年際變化(c)Fig.9 The correlation between VORT index and averaged SSTA fields for January-March (a) and April-May (b). The areas exceeding 0.05 significant tests are shaded. The interannual variation of SSTIDX (bar line) and VORT index (curve line) from 1958 to 2015 (c)

進(jìn)一步分析前期海洋信號因子SSTIDX與后期高低層大氣環(huán)流的相關(guān)，可以看到前期海溫變化對后期環(huán)流的影響.當(dāng)前期SSTIDX偏高，即西北太平洋海溫偏高和赤道西太平洋海溫偏低時，有利于后期6月西北太平洋高低層產(chǎn)生異常反氣旋環(huán)流，西北太平洋副高偏西，反之有利于后期西北太平洋地區(qū)異常氣旋環(huán)流，導(dǎo)致副高偏東(圖10).另外，還可以看到前期海洋信號因子對東亞中高緯度環(huán)流的影響，海溫指數(shù)偏高年，后期6月巴爾喀什湖附近對流層中低層出現(xiàn)異常反氣旋環(huán)流，其東側(cè)異常西北風(fēng)沿東亞東部南下至30°N附近，與西北太平洋異常反氣旋西北側(cè)的異常西南風(fēng)交匯.

圖10 1950—2015年1—3月SSTIDX與后期6月850 hPa (a)、500 hPa (b)和200 hPa (c)矢量風(fēng)的相關(guān)，矢量為通過0.05顯著性檢驗的區(qū)域Fig.10 The correlation between averaged SSTIDX for January-March and wind at 850 hPa (a), 500 hPa (b), 200 hPa (c)in subsequent June for 1950—2015. The vectors denote areas passing 0.05 significant tests

為了進(jìn)一步驗證資料診斷分析結(jié)果，我們根據(jù)圖9a西太平洋A區(qū)和B區(qū)海溫異常區(qū)域設(shè)計了兩個異常試驗海溫強迫方案：正異常試驗(A區(qū)正和B區(qū)負(fù)，圖11a)，記為試驗A1；負(fù)異常試驗(A區(qū)負(fù)和B區(qū)正，圖11b)，記為試驗A2.另外為了探討海溫異常對大氣環(huán)流的影響，用多年月平均海溫做控制試驗，記為試驗C.數(shù)值模擬以30°N，135°E為中心，緯向200個格點，經(jīng)向280個格點，分辨率50 km，采用ROTMER投影.為了研究前期海溫變化的影響，異常試驗時海溫異常從當(dāng)年1月第一個時次至3月的最后一次時次(周海溫，每7天一個值)加異常海溫，積分時間從上一年12月01日00時00分至次當(dāng)年7月01日00時00分，其中上一年12月為模式適應(yīng)穩(wěn)定的時間.同時考慮到不同初始場對模式輸出結(jié)果的影響，每種試驗采用5個不同初始場積分集成的結(jié)果.在以下分析中我們用異常海溫強迫試驗輸出場減去控制試驗輸出場的差值來表示海溫異常變化對氣候的影響，A1-C和A2-C分別表示西北太平洋A區(qū)和B區(qū)相反的海溫異常強迫對大氣環(huán)流的影響.

可以看到盡管數(shù)值模擬正負(fù)異常強迫試驗的環(huán)流變化不能完全再現(xiàn)資料診斷分析的結(jié)果，但在一定程度上卻還是反映了正負(fù)海溫異常對副高東西變動的影響：正異常強迫試驗結(jié)果表明對流層中低層850 hPa和500 hPa層上孟加拉灣地區(qū)出現(xiàn)異常反氣旋環(huán)流，該異常反氣旋環(huán)流有利于副高的進(jìn)一步加強西伸，孟加拉灣至西太平洋的熱帶地區(qū)為正高度距平(圖11c、e)；與之相反，負(fù)異常強迫試驗結(jié)果在對流層中低層850 hPa和500 hPa層上孟加拉灣地區(qū)出現(xiàn)一異常氣旋環(huán)流，該異常氣旋環(huán)流不利于副高的進(jìn)一步加強西伸，相應(yīng)孟加拉灣至中南半島的大部分地區(qū)為負(fù)高度距平區(qū)，西太平洋上異常反氣旋的位置比正異常試驗的異常反氣旋位置偏東(圖11d、f).因此，數(shù)值模擬試驗在一定程度也表明西北太平洋南北海溫的異常反位相變化對副高東西變動存在的影響.

圖11 海溫異常試驗方案以及相應(yīng)的數(shù)值模擬距平風(fēng)場(矢量)和高度場(陰影區(qū))(a)正和(b)負(fù)異常試驗方案； (c)正和(d)負(fù)異常試驗?zāi)M的850 hPa距平風(fēng)和高度場； (e) 正和(f)負(fù)異常試驗?zāi)M的500 hPa距平風(fēng)和高度場.Fig.11 SSTA test schemes, anomalous wind (vector) and height (shadow) of numerical simulation at 850 hPa and 500 hPa(a) positive and (b) negative SSTA test schemes; The 850-hPa wind and height anomalies simulated by (c) positive and (d) negative test schemes; The 500-hPa wind and height anomalies simulated by (e) positive and (f) negative test schemes.

另外，我們知道，孟加拉灣環(huán)流的異常變化對來自孟加拉灣西南水汽輸送的影響較大，該區(qū)域異常反氣旋活動不利于孟加拉灣西南水汽輸送，相反，異常氣旋活動則有利于孟加拉灣西南水汽輸送.從數(shù)值模擬結(jié)果看到，正異常試驗所反映的副高偏西年，孟加拉灣異常反氣旋發(fā)展不利于孟加拉灣西南水汽輸送，這一環(huán)流變化與圖3c所反映的副高偏西年西南地區(qū)降水偏少是一致的；相反，負(fù)異常試驗所反映的孟加拉灣異常氣旋發(fā)展則有利于孟加拉灣水汽輸送，這一環(huán)流變化與圖3b所反映的副高偏東年西南地區(qū)降水偏多也是比較匹配的.

5 結(jié)論和討論

副高是控制中國天氣氣候變化的大尺度環(huán)流系統(tǒng)，初夏副高位置偏南，其東西位置的異常變動對中國南方地區(qū)的降水有十分重要的影響.本文在前期工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了初夏副高東西變動對中國南方降水的影響及其影響的可能機理，得到以下幾點結(jié)論：

(1)初夏副高東西變動對中國南方東西部地區(qū)降水的反相變化有重要影響，當(dāng)副高偏東(西)時，中國西南降水偏多(少)，華南地區(qū)降水偏少(多).

(2)初夏副高東(西)變動時，低層西北太平洋地區(qū)為異常氣旋(反氣旋)環(huán)流，80°E和120°E附近越赤道氣流、南海夏季風(fēng)、東亞夏季風(fēng)和南亞夏季風(fēng)加強(減弱).另外，副高的東西變動還與中緯度地區(qū)對流層高層絲路波列的變化有一定聯(lián)系.

(3)副高東西變動時引起華南和西南地區(qū)降水反相變化的原因不同：華南地區(qū)降水直接受副高東西變化影響，而西南地區(qū)降水除了與副高東西變動有關(guān)，還與青藏高原大地形動力作用的影響有關(guān).副高偏東時，副高北側(cè)低層的異常東風(fēng)從華南向西流動的過程中，在西南地區(qū)受高原地形抬升作用的影響，西南地區(qū)低層出現(xiàn)氣流沿地形抬升，在氣流抬升輻合作用下，西南地區(qū)降水偏多；與此相反，副高偏西時，其北側(cè)的異常偏西風(fēng)氣流從高原向東流動過程中，在西南地區(qū)沿高原下沉，氣流下沉引起的氣流輻散導(dǎo)致西南地區(qū)降水偏少.

(4)初夏副高東西變動時影響西南和華南地區(qū)的水汽輸送來源是不同的，西南地區(qū)主要受80°E附近從南印度洋越赤道氣流水汽輸送的影響，而華南主要受副高南側(cè)偏東氣流從熱帶西太平洋地區(qū)輸送水汽的影響，120°E附近越赤道氣流水汽輸送主要影響熱帶季風(fēng)槽區(qū)的降水變化.

(5)初夏副高東西變動與前期1—3月西北太平洋和赤道西太平洋地區(qū)的海溫顯著相關(guān)，前期西北太平洋暖海溫和赤道西太平洋冷海溫有利于副高偏西，反之有利于副高偏東.數(shù)值模擬結(jié)果在一定程度證實了前期西太平洋地區(qū)海溫偶極異常對后期副高東西變動的影響.

大氣環(huán)流變化是相互聯(lián)系相互影響的，本文分析表明在副高東西變動背景下，中國南方東西部地區(qū)的降水呈現(xiàn)出反相變化的關(guān)系，盡管影響這兩個區(qū)域的主要因子和系統(tǒng)有所差異，但與副高東西變動和周圍大氣環(huán)流之間的關(guān)系是密不可分的.副高北側(cè)盛行偏西風(fēng)，南側(cè)盛行偏東風(fēng)，副高的東西變動會改變其南北兩側(cè)東西風(fēng)的強度，進(jìn)而影響熱帶亞洲夏季風(fēng)和中緯度西風(fēng)帶的強弱.另外，副高內(nèi)部主要以氣流下沉輻散為主，副高東西變動在西北太平洋地區(qū)造成的輻合輻散異常會直接影響東亞地區(qū)的經(jīng)向環(huán)流和緯向環(huán)流的變化.正是由于這些環(huán)流異常導(dǎo)致了中國南方東西部地區(qū)的降水差異.通過本文的研究，有兩個問題值得進(jìn)一步討論.

首先，季風(fēng)槽和梅雨鋒是分別存在于熱帶和副熱帶地區(qū)的兩個低值系統(tǒng)，其變化剛好相反.初夏6月副高位置偏南，副高偏東變化與120°E赤道附近的越赤道氣流顯著加強有關(guān)，加強的越赤道氣流轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)后，僅活動于熱帶地區(qū)，在季風(fēng)槽活動加強的同時，減弱了副高南側(cè)的東風(fēng)和北側(cè)梅雨鋒的活動，進(jìn)而減弱了華南地區(qū)的降水.我們知道越赤道氣流與南半球的大尺度環(huán)流變化密切聯(lián)系，在越赤道氣流和副高變化的相互聯(lián)系中，以越赤道氣流為橋梁，南半球的環(huán)流變化對初夏副高的影響，以及對副熱帶梅雨鋒的影響作用如何？還值得我們進(jìn)一步研究.

其次，本文的分析發(fā)現(xiàn)初夏6月副高的東西變動與前期西北太平洋海溫變化顯著相關(guān)，我們計算了海溫指數(shù)SSTIDX正負(fù)異常年海溫距平合成(圖略)，發(fā)現(xiàn)SSTIDX正負(fù)異常年赤道印度洋和中東太平洋地區(qū)的海溫也出現(xiàn)了明顯的異常，而且這兩個海區(qū)海溫的變化幅度比西北太平洋地區(qū)海溫的變化幅度還大，但在分析初夏副高東西指數(shù)與前期海溫變化的關(guān)系時，前期印度洋和赤道中東太平洋地區(qū)的海溫與后期初夏副高東西變化的關(guān)系卻不明顯.Zhou等(2009)分析指出在年代際尺度上副高西伸與印度洋和西太平洋海溫的增暖有關(guān)；袁媛等(2018)最近的分析也表明印度洋和赤道中東太平洋海溫增暖對副高西伸的影響.但我們注意到這些研究所定義的副高東西變動均是基于500 hPa高度，高度場和海溫場本身就存在明顯的年代際特征，它們之間的關(guān)系中是否年代際變化的影響要大一些等問題還不清楚，因此，在去除了兩者的年代際變化之后，副高東西變動和熱帶海溫的關(guān)系還值得進(jìn)一步研究.