西太平洋副熱帶高壓的季節內活動與變異研究進展

錢琦雯，梁 萍，祁 莉

(1.南京信息工程大學，南京 210044；2.常熟市氣象局，江蘇 常熟 215506；3.上海市氣候中心，上海 200030)

引 言

在南北半球的副熱帶地區，存在著氣壓場或位勢高度場的相對高值帶，即副熱帶高壓帶。山脈地形、海氣相互作用、海陸熱力差異等外強迫造成副熱帶高壓帶斷裂為若干個區域高壓中心，這些高壓中心統稱為副熱帶高壓(簡稱副高)[1]。其中，位于西太平洋上空的副高一直深受我國氣象學者的關注，其位置及強度的年際、季節內異常對東亞天氣氣候的異常有重要影響[2]。

21世紀以前，關于副高的研究可以分為兩大類：一類是研究副高自身結構、活動規律及其對天氣氣候的作用；另一類是研究影響副高活動的因子[3]。20世紀60年代，陶詩言[2、4]、黃士松[5-6]等對西太副高自身結構進行了研究，發現西太副高是一個長年存在、穩定少動的暖性系統。副高的活動規律具有明顯的年代際、年際和季節變化特征。20世紀70年代末以來，西太副高強度變強，范圍向西向南擴展[7-8]。同時，西太副高的強度、脊線位置、西脊點呈現3～5年、6～8年的年際變化特征[9-11]。副高更為顯著的活動特征是其位置和強度的季節性變化。在夏季，西太副高存在兩次北跳，我國雨帶位置與此密切相關。另一方面，影響西太副高活動的因子一直是氣象學家的研究重點。西風帶槽脊、熱帶氣旋、南亞高壓等可直接引起大氣環流異常，從而導致西太副高的異常活動；海溫等外強迫可通過改變對流活動或大氣加熱情況間接導致西太副高的異常[12]。總之，影響西太副高活動的因子十分復雜多變。除上述兩類研究外，21世紀以來，隨著氣候模式的發展，副高對氣候變暖響應的預估逐漸引起學者的重視，大部分研究認為西太副高將減弱、東撤[13-15]。

近年來，我國夏季暴雨、高溫、干旱等災害性事件頻發，與此有關的西太副高的季節內異常活動也日趨頻繁[16]。例如，2018和2019年夏季西太副高南北活動異常(圖1)也造成我國東部出現極端異常氣候。其中，2018年盛夏(7-8月)副高脊線位置(定義和資料參照文獻[17])持續異常偏北，導致我國華南、江淮汛期降水偏少[18]，東北持續高溫，臺風數量偏多并一路北上；2019年初夏(6月-7月上半月)西太副高持續偏南，造成長江以南梅雨偏多而淮河流域空梅。因此，針對西太副高在次季節尺度上的異常變化機理進行研究，對理解我國極端氣候異常是十分有必要的。同時，次季節預測是當前國內外研究的熱點，也是預報決策服務的重要發展方向[19]。因此，研究西太副高的季節內活動異常機理，可加深對西太副高活動規律的認識，為極端氣候異常的次季節預測提供相關依據和科學基礎。那么，西太副高季節內異常活動有何特征？影響西太副高季節內活動異常的因子有哪些？西太副高的這些異常活動又會對天氣氣候造成什么樣的影響？本文將針對上述問題，對西太副高季節內異常活動相關研究工作進行綜述和討論，最后根據前人的研究提出一些思考。

圖1 2018年、2019年及1980-2019年氣候平均的夏季西太平洋副熱帶高壓脊線位置指數的逐日演變

1 西太副高的季節內活動

1.1 副高東西位置的季節內活動

西太副高的西伸、東退存在明顯的季節內周期性活動規律。早期研究表明，西太副高西伸脊點位置存在10～15天、20天、30天左右的周期[20-21]。喻世華等[22]指出，西太副高的東西變動及長江中下游降水強弱的變化都具有準雙周振蕩的特征。謝安等[23]則指出，西太副高的東西振蕩還存在30～50天準周期，與臺風的多發或間歇相對應。陶詩言等[24]認為，夏季西太副高的季節內活動有兩種模態：第一種表現為副熱帶高壓系統以20～30天的周期，從北太平洋中部的副熱帶高壓中心一次次地向西擴張到120°E以西，這類過程大多出現在亞洲夏季風強度偏弱年；第二種模態表現為副熱帶高壓系統以20～30天的周期一次次地由東向西擴充，并在125°-155°E停滯，這類過程大多出現在亞洲夏季風強度偏強年。張韌等[25]進一步指出，中太平洋副高西伸及東太平洋副高活動對西太副高的影響與8～16天和16～32天周期的低頻位勢波的傳播相聯系。Guan等[26]發現，西太副高緯向位置變動存在10～25天的周期，當西太副高位置偏西時，低層存在反氣旋環流異常，西太平洋海溫偏高。

1.2 副高南北位置的季節內活動

西太副高的經向位置變化在夏季主要表現為2次明顯的北跳。第一次是在6月中旬，第二次是在7月下旬[2]。受其影響，東亞夏季風雨帶在季節進程中也呈現出兩次明顯的突跳[27-28]。相比而言，西太副高的第二次北跳較第一次北跳更為明顯。而西太副高的2次北跳又具有南北擺動特征，即副高總是在北抬、南退、又北抬、又南退的周期性變化中逐漸北移的[20,29]。

由于副高脊線位置能夠很好地表征副高南北活動情況，前人基于副高脊線對副高的南北活動進行了較多研究。周靜亞等[30]分析了1980年和1981年副高的情況，發現西太副高的高壓脊在低層850 hPa存在20天左右的周期振蕩，越往高層振蕩周期越長，在500 hPa周期約為40天，在200 hPa的振蕩主周期轉為80天。畢慕瑩[29]對多年西太副高脊線進行CEOF分析發現，脊線主要存在15～20天及10天左右的周期振蕩，且振蕩向西傳播，7月中旬后副高振蕩能量加強，南北擺動加劇。溫敏等[31]發現，北太平洋中部、西部副高脊線在北進的過程中均存在10～20天和30～60天周期的低頻振蕩，空間非均勻加熱是導致西太副高異常變化的重要原因。也有學者研究了副高低頻振蕩的時間演變特征。韋道明等[32]發現，夏季西太副高南北位置的低頻變化存在2個周期，10～20天的周期和30～60天周期在6月上中旬強度均較大，而8月下旬則以10～20天的周期更明顯。蘇同華等[33]發現，西太副高2次北跳的年際異常和不同的季節內振蕩相聯系，第一次北跳異常年和第二次北跳偏早年，西太副高季節內振蕩周期以30～60天為主，而第二次北跳偏晚年則有10～20天和30～60天兩個主周期。以上大多數研究僅關注副高的單一脊線特征，占瑞芬[34-35]等首次提出副高雙脊線概念，并分析了北半球副高雙脊線的統計特征。祁莉[36-39]等的關于西太副高雙脊線的形成和維持機制的研究表明，雙脊線過程中南側脊線的生成與季風槽8～10天周期的“間歇性增強東伸”有關。

1.3 副高強度的季節內活動

西太副高的西伸北進和東撤南退往往伴隨著強度和面積的變化，因此西太副高的強度和面積也存在季節內活動的特征，但是針對這2方面的研究相對較少。羅婷[40]認為，西太副高強度和西脊點的季節內振蕩具有一致性(即西太副高強度偏強，則西脊點偏西，反之則西脊點偏東)，兩者均以30～60天周期為主，西太副高強度在初夏還存在20～30天的振蕩周期。此外，王珂等[41]的研究指出，西太副高的面積指數也存在10～30天的低頻變化。

2 影響西太副高位置季節內活動的因子

2.1 環流因子

西太副高的活動和變異與熱帶大氣環流(如熱帶對流、熱帶氣旋等)關系密切。初夏印度洋和太平洋的對流東傳，在盛夏對流則顯示出強烈的西北向傳播特征[42]，與西太副高北跳有關。張慶云等[43]發現，夏季西太副高脊線的2次北跳現象與低層赤道西風的2次北跳及赤道對流向北推移密切相關。王建德等[44]提出，南海對流增強也會促使西太副高北抬。徐海明等[45]則指出，熱帶ITCZ和孟加拉灣北部對流的異常活躍，可能對江淮入梅前后西太副高的增強西伸產生影響。此外，羅哲賢[46]認為，臺風及其頻散生成的高值系統與西太副高之間會發生相互作用，引起副高短期時間尺度的變化。

北半球中高緯環流系統也是影響副高異常變化的重要因子之一。其中，西風帶槽脊和阻塞形勢是中高緯重要的環流型，影響和制約著副熱帶高壓的發展[47]。早期研究表明，西太副高變動的周期性和西風帶槽脊活動的周期性一致，且中緯度西風帶槽脊對西太副高的中短期活動有顯著影響[20,48]。其中，穩定的西風帶環流是造成西太副高中期異常變化的重要原因之一[49]。陶詩言等[24]指出，西太副高5～10天的中短期活動受西風帶活動的影響，當西風槽在中國沿海和西太平洋地區向南伸展到30°N以南后，西太副高有一次加強活動；當阻高偏北時，中緯度高壓脊與西太副高的同位相疊加有利于副高維持偏北位置。張慶云等[50]的研究進一步發現，夏季西太副高脊線位置偏北時，東亞沿岸的低緯西太平洋、中緯地區和高緯鄂霍次克海上空500 hPa位勢高度場呈現出一支南北向的“-、+、-”波列，中高緯的烏拉爾山至鄂霍次克海則呈現出一支東西向的“-、+、-”波列，此時亞洲夏季風偏強；脊線偏南時情況相反。李峰等[51]的研究指出，高緯阻塞高壓的強度及位置變化受到其前部低渦活動影響，并通過西風帶基本氣流及長波系統變化激發Rossby波的經向傳播，進一步影響西太副高的南北進退。康志明等[52]分析了2009年的西太副高北抬情況，發現中高緯槽脊變化引起東亞沿海負渦度增加是副高北抬的關鍵因素。此外，余丹丹等[53]考慮了高低緯協同作用，認為西太副高西端5～10天的短期過程與熱帶和高緯低頻位勢波擾動能量在西太平洋地區的聚集有關。

也有學者從太平洋副高的協同變化角度研究其對西太副高異常的影響。早期研究認為，東太平洋副高先發生南北變動，之后低頻波列西傳導致西太平洋副高的異常進退[21,54]。喻世華[49]、Li[55]等的研究認為，東、西太平洋副高的季節內變化之間存在協同變化現象，西太副高異常與來自中、東太平洋地區低頻位勢中心的西傳和聚集密切相關。張韌等[56]的機理分析表明，中東太平洋系統的下沉輻散動力作用和β效應可以激發出Rossby慣性重力孤立波，該孤立波的傳播可實現東西太平洋系統的遙相關。此外，韓榮青[57-58]等認為，影響西太副高低頻振蕩的因素也有來自中高緯阿拉斯加灣及鄂霍次克海一帶低頻低壓(如洋中槽)和高壓(如阻塞高壓和東北太平洋高壓)的西南向頻散。

副高位置的異常活動與亞洲夏季風系統的其他成員也有密切聯系。南亞高壓是影響西太副高活動的重要因子。陶詩言[2]早在1963年就指出了南亞高壓與西太副高“相向而進、相背而退”的運動規律。任榮彩[59]、劉還珠[60]等也分別對1998年和2003年夏季西太副高和南亞高壓的演變進行了研究，均指出南亞高壓通過高空負渦度平流和下沉運動影響西太副高的短期變異。此外，亞洲夏季風系統中的馬斯克林高壓、澳大利亞高壓在加強后，可通過加強越赤道氣流，使菲律賓附近的對流活動增強，進一步導致Hadley環流和副高加強[61-62]。洪梅等[63]研究了西太副高的異常活動與亞洲夏季風系統各成員的時滯相關，發現影響西太副高強度異常及脊線南北向位置異常的因素主要是印度夏季風子系統(如馬斯克林高壓、索馬里低空急流、印度季風潛熱通量、印度季風和孟加拉灣經向季風環流)；而影響西太副高東西向位置異常的因素則主要是東亞夏季風子系統(如澳大利亞高壓、中南半島感熱、南海低空急流、青藏高壓和熱帶輻合帶)。

許多觀測事實和研究表明，一個區域的大氣環流異常可以引起另一個區域大氣環流的異常，這種區域之間的相關性就稱為遙相關。Ding[42]總結了與東亞夏季風季節內變率和年際變率有關的遙相關型，大部分都會在北太平洋上空激發出遙相關波列，從而影響副高的強度和位置。例如，偏高的西太平洋海溫通過激發東亞-太平洋(EAP,East Asia Pacific)遙相關型，導致熱帶對流活動活躍，副高位置偏北，并且產生Rossby波從低緯經北太平洋傳至北美[64-66]。另一種遙相關型則是通過加熱引起的經向環流擾動中緯度急流，進而激發下游北太平洋上空的環流異常[28,67]。Guan等[26]研究了這兩種遙相關型與副高季節內異常活動的關系，認為副高緯向位置的季節內振蕩在初夏主要受東亞-太平洋型(EAP)遙相關[64-65]和絲綢之路遙相關[68]的影響，在盛夏則只受EAP遙相關影響。另一方面，北極濤動(AO,Arctic Oscillation)是北半球中高緯尺度最大、最重要的模態[69]，對北半球大部分天氣系統和天氣現象有調制作用。屈靜玄等[70]發現，春季AO正異常時，西太副高偏弱，但對于夏季AO與西太副高的關系缺乏相關研究。

2.2 海溫因子

海溫作為海氣相互作用的重要因素，對副高的異常活動有重要影響。早期研究表明，西太副高對同期及前期不同海域的海溫存在顯著響應[71-75]。熱帶印度洋海溫偏高可導致當地降水增加，從而激發Kelvin波向熱帶西太平洋傳播，在西北太平洋上空形成反氣旋異常，進而使西太副高增強[76-77]。赤道太平洋上低海溫異常有利于在其西北方向激發出反氣旋異常，從而加強西太副高[78]。因此人們普遍認為，印度洋高海溫和太平洋低海溫之間的緯向溫度梯度的增加，有利于副高的加強。當赤道西太平洋暖池增暖時，菲律賓到中印半島上空的對流活動會增強，西太副高位置偏北，此時從東南亞經東亞到北美西海岸上空呈現出EAP遙相關[64-65]。Su等[79]認為，西太副高第一次北跳與赤道中太平洋海溫密切相關，第二次北跳則與前冬的ENSO事件及印度洋海溫相關。在年代際尺度上，西太副高在20世紀70年代后期以來的強度增強、位置偏西的年代際變化，是對印度洋、西太平洋海溫異常增高的響應[8,80]。

ENSO作為海氣耦合系統最強的年際信號，對副高有重要影響。諸多研究表明，前冬若發生了El Nio事件，次年夏季的西太副高將異常偏強，兩者可通過菲律賓反氣旋相聯系[81]。然而，2015-2016年的超強El Nio事件次年，西太副高異常偏弱，這是由于El Nio事件衰減過快，印度洋海溫正異常難以維持[82]。Xie等[83]認為，初夏西太副高可能受印度洋影響，在El Nio次年夏季印度洋海溫偏高，激發出東傳的Kelvin波，通過加強西北太平洋反氣旋異常，使西太副高加強。Yeo等[84]認為，初夏的西太副高受ENSO影響不大，而盛夏的西太副高受前冬赤道東太平洋海溫的強烈影響。近年來的研究表明，不同ENSO背景下，西太副高的季節內活動大有不同。La Nia年夏季西太副高偏東偏北，季節性北跳加快[85]。El Nio發展年夏季，西太副高的東退在8月尤為明顯，而衰減年夏季西太副高則偏北偏強[86]。El Nio發展年和La Nia年，夏季西太副高的季節內變化也存在很大差異[87]，強El Nio衰減年的副高等東亞夏季風系統的季節內變化差異與El Nio衰減后的印度洋和大西洋海溫異常有關[88]。

2.3 青藏高原

青藏高原(簡稱高原)的熱力作用對副高的影響也非常重要。劉新等[89]提出了青藏高原對副熱帶地區的LOSECOD“四葉型”加熱模式，并激發了非對稱環流：在高層大陸上為高壓，海洋上為低壓；在低層則海洋上為高壓，大陸上為低壓。高原的感熱加熱使其成為一個巨大的負渦度源，通過Rossby波的東傳影響副熱帶高壓。大量研究表明，高原熱源的加強有利于夏季副高的加強[90-91]。趙聲蓉等[92]認為，高原既是熱源也是水汽匯，其上空的潛熱加熱異常會引起南亞高壓、西太副高及中高緯環流的異常。包慶等[93]通過數值試驗證明青藏高原增暖有利于南亞高壓、西太副高、西風帶急流的加強。簡茂球等[94]則指出，夏季青藏高原熱源偏強時，西太副高的脊線位置偏南。大量研究表明，青藏高原東部大氣熱源存在10～20天和30～60天的低頻振蕩[95-98]。鞏遠發等[99]利用數值試驗分析了西太副高的中期變化，認為高原的熱力作用主要影響副高北側鋒區和鋒區上層西風急流的強度。在夏季風偏強或偏弱的年份，青藏高原東部大氣熱源的變化引起高原降水的變化，進而影響西太副高南北進退的低頻振蕩[100]。青藏高原上空是大氣低頻振蕩的活躍區域[101-103]。李云康等[104]發現，當高原上空30～60天振蕩處于最強位相時，副熱帶系統增強，西太副高加強西伸。

2.4 季風雨帶

西太副高一方面影響著季風雨帶的位置和強度，另一方面也受到季風降水的反饋作用影響。喻世華等[22]指出，東亞夏季風環流系統各成員之間存在著一種自我調節機制，中國東部降水釋放大量凝結潛熱，導致季風環流圈在副熱帶地區下沉，引導西太副高伸入大陸，促使南海地區熱帶輻合帶活躍，切斷了西南季風的水汽輸送，導致季風降水減弱，西太副高南撤、東退。吳國雄等[105]利用建立的全型垂直渦度傾向方程和數值試驗，證明了凝結潛熱是決定東半球夏季副熱帶高壓位置和強度的關鍵因素：東亞季風降雨帶來的凝結潛熱加熱，使高層南亞高壓位于加熱中心西側、中層西太副高位于加熱中心東側。劉還珠等[106]的數值模擬表明，降水釋放凝結潛熱導致非絕熱加熱在垂直方向上的不均勻，從而引起渦度場的變化，導致西太副高的西伸北進。蘇同華等[107]進一步研究發現，西太副高與其西部降水凝結潛熱的相互作用會導致副高發生季節內低頻振蕩。

3 西太副高季節內活動對天氣氣候的影響

副高是Hadley環流的下沉支，其所控制的地區天氣炎熱干燥。西太副高的強度、位置與亞洲地表溫度之間有密切關系，其季節內活動異常容易導致熱浪等災害性事件的發生[108-111]。

除對高溫影響外，副熱帶高壓對我國夏季降水的影響一直是氣象學家研究的熱點。大量觀測事實和分析結果表明，我國東部雨帶位置與西太副高的位置變動密切相關[4,7,109,112-115]。張慶云[47]和陶詩言[50]等的研究發現，西太副高脊線異常偏南或脊點異常偏西時，鄂霍次克海高壓建立，東亞地區形成“+、-、+”的距平波列，東亞夏季梅雨期降水異常增加。東亞夏季風雨帶的跳躍通常與西太副高季節移動的突變相聯系[116]。宗海鋒等[117]分析了西太副高的季節性變異對我國東部夏季雨帶季節內時空變化的影響，并進一步證明了不同降水模態對應的西太副高的兩次北跳有明顯不同的過程，且兩次北跳還具有相對的獨立性[71,105]。近年來，西太副高與夏季低頻降水的關系也引起了關注。Mao等[118]認為，西太副高被一個類似Rossby波的耦合對流系統所調制，當南海-菲律賓上空出現反氣旋異常時，西太副高向東北方向移動，導致長江中下游20～50天準周期低頻降水分量減少。Yang等[119]的研究發現，長江中下游20～30天準周期低頻降水分量與副高西伸導致的低層反氣旋異常有關。此外，副高影響下的區域高溫高濕，容易造成雷暴大風等強對流天氣[120]。

西太平洋海溫長年偏高，是臺風高發地區。洋面上空的臺風和西太副高之間存在相互作用。臺風的年際、年代際變化與西太副高的位置、強度和范圍明顯相關[121-122]。在次季節尺度上，副高異常活動也會影響臺風的路徑和強度，同時臺風環流與中緯度西風槽、西太副高、急流等天氣系統共同作用容易引發特大暴雨過程[123]。當西太副高強大且呈東西帶狀分布時，臺風沿著副高南側西行；當西太副高較弱時，臺風轉向可能會導致副高東退或斷裂[124]。

4 展 望

(1)西太副高位置的異常活動存在多時間尺度變率。西太副高存在3～5年、6～8年準周期年際變化，并在20世紀70年代末出現明顯增強西伸的年代際變化特征；在季節內尺度上，西太副高存在明顯的季節性南北進退，其季節內振蕩表現為西伸脊點偏東或偏西，以及脊線位置的偏南或偏北。西太副高的多時間尺度異常活動對亞洲東部氣溫、降水及臺風的形成和發展有重要影響。

(2)包括熱帶系統、中高緯環流、南亞高壓等在內的季風系統成員是西太副高位置季節內異常活動的重要環流影響因素。熱帶對流向北推移可影響西太副高的南北位置變動。中高緯環流系統可影響西太副高的中短期變化，鄂霍次克海阻高的增強不利于副高維持偏北位置。東太平洋副高和西太平洋副高之間存在遙相關關系，東太平洋副高一般先于西太平洋副高發生變動，再通過低頻波列影響西太平洋副高。南亞高壓與西太副高之間存在相向運動特征，其高空負渦度平流影響副高的中短期變化。東亞經向EAP遙相關和亞歐緯向CGT遙相關等大氣遙相關波列對西太副高季節內變率具有調制作用。這些不同緯度的環流系統如何相互作用及其對西太副高有何影響，尚值得深入研究。

(3)西太副高對前期和同期的不同海域海溫存在顯著響應，赤道印度洋高海溫和赤道中西太平洋低海溫之間的緯向溫度梯度越大，越有利于副高的西伸加強。西太平洋暖池海溫偏高則有利于西太副高位置偏北。ENSO對西太副高季節內異常有調制作用。不同ENSO背景下，副高位置的季節內活動表現出很大差異。El Nio發展年夏季，西太副高異常主要發生在8月，東退明顯；La Nia發展年夏季，西太副高異常主要發生在7月，季節性北跳加快。但針對ENSO循環對西太副高季節內活動的影響研究還不夠充分。隨著近年來CP型El Nio事件發生頻率的增加，ENSO對副高季節內活動的調制是否呈現出新的變化，尚有待深入研究。同時，太平洋、印度洋及大西洋等海溫異常背景對副高季節內活動的協同影響也值得進一步研究。

(4)青藏高原的熱力作用對西太副高的季節內活動也有非常重要的影響。高原東部大氣熱源主要通過釋放潛熱引起西太副高的低頻振蕩。高原感熱是調節西太副高季節異常的相對獨立因子，當春季高原感熱較強時，夏季西太副高向西延伸[125]。在次季節尺度上，高原感熱對西太副高的季節內活動是否也存在影響，仍有待進一步研究。

盡管目前對于西太副高的季節內振蕩已有不少研究，但是不管從其結構特征還是物理機制方面來講，都是極其復雜的，而且多時間尺度變率的相互作用對副高的調制也是一個可能的影響因素，需要更深入的研究和討論。另一方面，就西太副高的影響因素而言，太陽輻射、海冰等也是影響副高形成和變異的重要因子，但關于它們在次季節尺度上對副高影響的研究還不多見。而且，北半球大氣環流次季節演變的可預測性來源除了大氣季節內振蕩、海表溫度外，還包括土壤濕度、平流層-對流層相互作用等[19,126]，這些海洋、陸地、平流層的動力過程是否對西太副高的季節內活動有貢獻，值得進一步研究。此外，目前以數值模式為主的短期天氣預報的可預報時效為10天左右，次季節預報的客觀方法和工具仍不甚成熟。如何基于副高的次季節尺度變化規律，改進動力模式或統計預測方法，也是開展防災減災服務的重要研究內容。