趙婭琴，楊沛瓊，左 濤

(1.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室發(fā)展中心，山東 青島 266235；2.麗江市氣象局，云南 麗江 674100；3.天津海洋中心氣象臺(tái)，天津 300074)

北太平洋副熱帶高壓(簡稱副高)在低緯度與中高緯度間的水汽和熱量輸送方面起著非常重要的作用。多年來，學(xué)者們從不同角度、不同區(qū)域分析了其氣候特征[1-4]。近年來，作為東亞水汽輸送主要通道，主體位于中東太平洋的850 hPa副高也逐漸引起了學(xué)者們關(guān)注。Riyu Lu[5，6]指出850 hPa副高的年際變化比500 hPa副高更突出，850 hPa和500 hPa副高面積指數(shù)相關(guān)系數(shù)為0.62，存在聯(lián)系和差異，且夏季850 hPa副高增強(qiáng)時(shí)，東亞夏季風(fēng)環(huán)流減弱，這一特征與500 hPa副高類似[7，8]。此外，尤衛(wèi)紅[9]等應(yīng)用小波變換法分析了夏季副高年際變化的特征時(shí)間尺度及其時(shí)空演變。王慶萬等[10]基于全球大氣環(huán)流三型分解對(duì)副高指數(shù)進(jìn)行了新定義。張慶云等[11]認(rèn)為當(dāng)500 hPa副高增強(qiáng)時(shí)，在東亞熱帶地區(qū)850 hPa矢量風(fēng)距平場為反氣旋性環(huán)流，且500 hPa上升運(yùn)動(dòng)減弱，梅雨鋒區(qū)則上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)。關(guān)于影響中、低層副高強(qiáng)度的因素，劉屹岷等[12]認(rèn)為夏季東亞凝結(jié)潛熱和地表感熱加熱作用的垂直梯度差異，會(huì)促使北太平洋中、低層副高強(qiáng)度呈現(xiàn)反位相。類似的蔣全榮[13]在其研究中也提到夏季風(fēng)降水釋放的凝結(jié)潛熱加熱和副高東側(cè)的冷卻效應(yīng)，均會(huì)促使副高增強(qiáng)。吳國雄等[14]還提出流體的輻散效應(yīng)是副高形成的動(dòng)力作用，上升運(yùn)動(dòng)引起負(fù)渦度發(fā)展會(huì)對(duì)副高產(chǎn)生影響。目前此類研究已經(jīng)取得了許多重要結(jié)論，但針對(duì)夏季整個(gè)北太平洋區(qū)域850 hPa和500 hPa副高強(qiáng)度呈同、反位相變化的時(shí)空特征分析還很少。

1 資料與方法

1.1 資料

本文采用了1951～2010年NCEPNCAR(National Centers for Environmental Prediction/University Corporation for Atmospheric Research)再分析月平均資料，水平分辨率為2.5°×2.5°，變量包括位勢高度場、經(jīng)緯向風(fēng)場、氣溫場和垂直速度場資料。

1.2 方法

本文主要應(yīng)用了合成分析、相關(guān)分析、小波分析、studentt檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)等方法進(jìn)行討論。

1.3 副高強(qiáng)度指數(shù)定義

本文依據(jù)國家氣候中心發(fā)布的副高指數(shù)定義，給出了副高強(qiáng)度指數(shù)。

850 hPa副高強(qiáng)度指數(shù)：取在2.5°×2.5°網(wǎng)格的850 hPa位勢高度場中，在(140°E～120°W，15°N～50°N)范圍內(nèi)，平均位勢高度大于156 dgam網(wǎng)格點(diǎn)的位勢高度平均值與155 dgam之差值進(jìn)行累計(jì)的值(即156為1，157為2，158為3，依次類推)。

500 hPa副高強(qiáng)度指數(shù)：取在2.5°×2.5°網(wǎng)格的500 hPa位勢高度場中，在(110°E～140°W，10°N～50°N)范圍內(nèi)，平均位勢高度大于588 dgam網(wǎng)格點(diǎn)的位勢高度平均值與587 dgam之差值進(jìn)行累計(jì)的值(即588為1，589為2，590為3，依次類推)。

2 850 hPa和500 hPa副高強(qiáng)度的氣候態(tài)特征

近年來，學(xué)者們從不同區(qū)域和角度分析了副高的變化規(guī)律，李江南等[15]認(rèn)為500 hPa西太副高強(qiáng)度指數(shù)的年變化呈雙峰型，峰值在6月和9月。通過分析近60 a位勢高度場多年平均后發(fā)現(xiàn)(圖1)，在特征較穩(wěn)定的6～9月500 hPa副高主體東部位于中東太平洋，在早期關(guān)于西太副高的研究中這一部分多被忽略，此外850 hPa副高主體則主要位于中東太平洋，較500 hPa副高位置偏東偏北。據(jù)此為了要全面、整體的討論850 hPa和500 hPa副高變動(dòng)特征，本文將討論的關(guān)鍵區(qū)域分別選定為(140°E～120°W，15°N～50°N)和(110°E～140°W，10°N～50°N)范圍，并給出了上述副高強(qiáng)度指數(shù)的定義。

(a)850 hPa (b)500 hPa圖1 6～9月多年平均的位勢高度場Fig.1 Average annual geopotential height field from June to September圖2 副高強(qiáng)度指數(shù)年變化的距平百分率(實(shí)線850 hPa,虛線500 hPa)Fig.2 The annual anomaly percentage ofsubtropical high strength index (The solidline is 850 hPa, the dotted line is 500 hPa)

根據(jù)副高強(qiáng)度指數(shù)的年變化圖2可見，850 hPa和500 hPa副高強(qiáng)度均在7月出現(xiàn)峰值。為了探討7月850 hPa和500 hPa副高多年平均的變化情況，作者分析了二者位勢高度的標(biāo)準(zhǔn)差分布，可知在7月多年平均的850 hPa和500 hPa副高均有顯著的東西和南北向變動(dòng)，但850 hPa副高更為穩(wěn)定，就其自身而言，東西向變動(dòng)更為顯著。

本文利用了小波分析的方法討論副高強(qiáng)度指數(shù)的周期特征。小波實(shí)部圖3a表明850 hPa副高7月的強(qiáng)度指數(shù)僅在20世紀(jì)80年代存在2～3 a和9～10 a的顯著周期，在能譜圖3b中均通過了95%信度檢驗(yàn)。由圖3c可見，500 hPa副高的振蕩周期更為顯著，在20世紀(jì)80年代前后2.5～4.5 a的信號(hào)非常明顯，1998～2010年2～4.5 a的周期也十分顯著，且2010年往后波幅仍有增大的趨勢，可推測這一時(shí)期500 hPa副高強(qiáng)度仍會(huì)增強(qiáng)，而850 hPa副高這一特征則并不明顯。

(a)850 hPa小波實(shí)部

(b)850 hPa能譜

(c)500 hPa小波實(shí)部

(d)500 hPa能譜

7月850 hPa和500 hPa副高強(qiáng)度指數(shù)的年際變化并不十分一致(圖4)，通過對(duì)兩類指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析，得出相關(guān)系數(shù)為0.61，超過了α=0.05對(duì)應(yīng)相關(guān)系數(shù)為0.256的信度檢驗(yàn)，可見二者存在較好的聯(lián)系，同時(shí)也存在一定差異。此外，為了忽略短周期因子的擾動(dòng)，圖4中還分別給出了5年滑動(dòng)平均圖，可見500 hPa副高強(qiáng)度指數(shù)有著較顯著的年代際變化特征，在1978年之前幾乎都為負(fù)值，之后幾乎都為正值，而850 hPa副高這一特征并不明顯。

圖4 7月標(biāo)準(zhǔn)化的副高強(qiáng)度指數(shù)年際變化和5年滑動(dòng)平均圖(虛線為850 hPa，實(shí)線為500 hPa，細(xì)線為指數(shù)曲線，粗線為5年滑動(dòng)平均曲線)

3 副高強(qiáng)度異常與大尺度環(huán)流時(shí)空特征的關(guān)系

為了進(jìn)一步探尋7月850 hPa和500 hPa副高強(qiáng)度異常時(shí)的大氣環(huán)流時(shí)空特征，本文對(duì)上述標(biāo)準(zhǔn)化強(qiáng)度指數(shù)的異常年進(jìn)行了分類，稱數(shù)值大于0.25的年為異常大年，小于-0.25的年為異常小年，將兩類指數(shù)分成500 hPa大850 hPa大、500 hPa小850 hPa小、500 hPa大850 hPa小、500 hPa小850 hPa大4類(簡稱LL型、SS型、LS型、SL型)。LL型年為1983年、1988年、1989年、1998年、2005年、2006年和2010年；SS型年為1959年、1965年、1971年、1972年、1974年和1984年；LS型年為1980年、1982年、1987和2004年；SL型年為1962年、1967年、1970年和2000年。據(jù)此來對(duì)緯向風(fēng)場、矢量風(fēng)場、氣溫場和垂直速度場進(jìn)行合成分析和t檢驗(yàn)。

早期研究指出，副高強(qiáng)度的變化與高空急流有關(guān)[16]。本文選取了副高的4種分類對(duì)200 hPa緯向風(fēng)進(jìn)行了合成分析，并進(jìn)行了studentt檢驗(yàn)，針對(duì)顯著區(qū)域重點(diǎn)討論。

(a)LL型

(b)SS型

(c)LS型

(d)SL型

圖5表明，在7月當(dāng)副高為LL型時(shí)，在北太平洋中部中高緯度和中西太平洋低緯度地區(qū)西風(fēng)急流增強(qiáng)，此外在東太平洋赤道和副熱帶地區(qū)東風(fēng)異常顯著。當(dāng)副高為SS型時(shí)，特征相反。當(dāng)副高為LS型(SL型)時(shí)，東亞和中西太平洋中緯度地區(qū)西風(fēng)(東風(fēng))異常十分顯著，且在太平洋低緯度地區(qū)呈現(xiàn)大范圍的東風(fēng)(西風(fēng))異常。

可以推測，赤道東太平洋地區(qū)200 hPa緯向風(fēng)距平場僅與500 hPa副高強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，此外，850 hPa和500 hPa副高與中國東部沿海200 hPa緯向風(fēng)距平場的相關(guān)呈反位相。通過副高強(qiáng)度指數(shù)與200 hPa緯向風(fēng)相關(guān)場分析證實(shí)了這兩點(diǎn)結(jié)論。

圖6是850 hPa矢量風(fēng)距平場合成圖。圖6a表明，當(dāng)副高為LL型時(shí)，存在中心位于(35°N，175°E)的顯著反氣旋性距平環(huán)流，東亞梅雨鋒區(qū)低壓環(huán)流增強(qiáng)，對(duì)應(yīng)低空上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，對(duì)流活躍，易生成云雨，此外西太平洋赤道東風(fēng)異常十分顯著，赤道氣旋性距平環(huán)流明顯，越赤道氣流減弱，而在赤道東太平洋地區(qū)則為顯著的正西風(fēng)距平。圖6b當(dāng)副高為SS型時(shí)，則特征相反。圖6c表明在7月當(dāng)副高為LS型時(shí)，北太平洋中西部氣旋性距平環(huán)流顯著，輻合上升運(yùn)動(dòng)明顯，東亞副熱帶地區(qū)存在反氣旋性距平環(huán)流，且赤道附近為顯著的西風(fēng)距平。圖6d中，當(dāng)副高為SL型時(shí)則呈反位相。

由圖7a可知，當(dāng)副高為LL型時(shí)，在北太平洋范圍幾乎都為正氣溫距平區(qū)，距平極大值出現(xiàn)在中緯度地區(qū)，僅在以(20°N，163°E)為中心的區(qū)域存在負(fù)距平。圖7b中當(dāng)副高為SS型時(shí)，則特征相反。圖7c表明，當(dāng)副高為LS型時(shí)，除了東北亞及沿海地區(qū)存在負(fù)氣溫距平外，北太平洋其他區(qū)域幾乎都為正距平，而當(dāng)副高為SL型時(shí)，東北太平洋幾乎都為負(fù)距平，值得注意的是以(20°N，163°E)為中心的區(qū)域，在兩種形態(tài)中分別為正、負(fù)氣溫距平，結(jié)合圖7a、b可知，此區(qū)域主要與850 hPa副高呈負(fù)相關(guān)，通過7月副高強(qiáng)度指數(shù)與氣溫場的相關(guān)分析證實(shí)了這一結(jié)論。

(a)LL型

(b)SS型

(c)LS型

(a)LL型

(b)SS型

(c)LS型

(d)SL型

7月當(dāng)副高為LL型時(shí)，赤道中東太平洋和中太平洋熱帶地區(qū)在500 hPa有顯著下沉運(yùn)動(dòng)，而在中國長江流域、東太平洋赤道輻合帶和西太暖池區(qū)則均存在上升運(yùn)動(dòng)，見圖8a。反之，圖8b則位相大體相反。在圖8c中，東太平洋的赤道地區(qū)和赤道輻合帶區(qū)均為顯著的上升區(qū)，以(20°N，163°E)為中心的區(qū)域及西太暖池區(qū)則為下沉區(qū)。當(dāng)副高為SL型時(shí)則相反。

(a)LL型

(b)SS型

(c)LS型

(d)SL型

為了深入了解垂直速度場與副高強(qiáng)度的聯(lián)系，本文還做了7月副高強(qiáng)度指數(shù)與500 hPa垂直速度場的相關(guān)場分析。分析可知，中國長江流域及墨西哥西岸區(qū)域的垂直運(yùn)動(dòng)僅與500 hPa副高強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，而西太暖池區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)及中太平洋低緯度地區(qū)的下沉運(yùn)動(dòng)與850 hPa和500 hPa副高增強(qiáng)關(guān)系密切，且與500 hPa副高相關(guān)較好。

4 結(jié)論

本文利用1951～2010年NCEPNCAR月平均資料，分析了850 hPa和500 hPa北太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度的多年月平均、年變化、年際變化、年代際變化等氣候特征，結(jié)合7月強(qiáng)度指數(shù)的4種分類，對(duì)比分析了7月副高強(qiáng)度異常的時(shí)空特征。得出如下結(jié)論：

(1)850 hPa和500 hPa副高的強(qiáng)度指數(shù)均為單峰型，峰值在7月。7月多年平均態(tài)的850 hPa副高更為穩(wěn)定，就其自身而言，東西向變動(dòng)更為顯著。

(2)7月850 hPa副高強(qiáng)度僅在20世紀(jì)80年代存在2～3 a、9～10 a的周期，500 hPa副高在這一時(shí)期2.5～4.5 a的信號(hào)明顯，且1998～2010年存在2～4.5 a的周期。7月500 hPa副高強(qiáng)度年代際變化顯著，在1978年前后有突變，且2010年往后仍會(huì)增強(qiáng)，而850 hPa副高這兩特征不明顯。

(3)在7月，200 hPa緯向風(fēng)距平場在西北太平洋中緯度、赤道東太平洋地區(qū)僅與500 hPa副高強(qiáng)度顯著相關(guān)，且分別呈正、負(fù)相關(guān)；在中西太平洋低緯度則與850 hPa和500 hPa副高強(qiáng)度均呈正相關(guān)。

(4)7月850 hPa矢量風(fēng)場在東亞梅雨鋒區(qū)、赤道東太平洋地區(qū)主要受500 hPa副高影響，即500 hPa副高增強(qiáng)時(shí)，東亞梅雨鋒增強(qiáng)，東太平洋赤道西風(fēng)增強(qiáng)，反之亦然；在北太平洋中部中緯度地區(qū)則主要與850 hPa副高有關(guān)，即850 hPa副高增強(qiáng)時(shí)，低空反氣旋性環(huán)流增強(qiáng)。

(5)700 hPa在7月的氣溫場在太平洋低緯度地區(qū)與850 hPa和500 hPa副高均呈正相關(guān)，但其中以(20°N，163°E)為中心的區(qū)域僅與850 hPa副高呈負(fù)相關(guān)；此外，在日本海區(qū)域與850 hPa副高強(qiáng)度呈正相關(guān)，與500 hPa副高則相反。

(6)500 hPa垂直速度在中國長江流域及墨西哥西岸海域在7月主要與500 hPa副高呈負(fù)相關(guān)，而在西太暖池區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)及中太平洋低緯度地區(qū)的下沉運(yùn)動(dòng)則與850 hPa和500 hPa副高增強(qiáng)關(guān)系密切，且與500 hPa副高相關(guān)更好。