林愛蘭 LI Tim 王璐 李春暉

1 中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所廣東省區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640

2 IPRC and Department of Department of Atmospheric Sciences，University of Hawaii，Honolulu，Hawaii 96822

3 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣候與環(huán)境變化國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044

1 引言

大氣季節(jié)內(nèi)振蕩最早發(fā)現(xiàn)于熱帶地區(qū)（謝義炳等, 1963; Madden and Julian, 1971），有關(guān)熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的特征及其機(jī)理已經(jīng)被廣泛研究（例如, Murakami and Nakazawa, 1985; Li, 1985; Madden and Julian, 1994; Wang and Li, 1994; Li and Wang,1994; Jiang et al., 2004; Lin et al., 2011; Hsu and Li,2012; Hsu et al., 2014; Wang et al., 2017; Li et al.,2020）。熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩不僅影響熱帶地區(qū)，而且影響熱帶外地區(qū)的天氣、氣候（例如, Jeong et al.,2008; 呂俊梅等, 2012; 李汀等, 2012; 李崇銀等,2013; 林愛蘭等, 2013; Li et al., 2020）。盡管有研究（李崇銀, 1993; Wang et al., 2013）指出中高緯大氣季節(jié)內(nèi)振蕩與非線性相互作用和外源強(qiáng)迫密切相關(guān)，目前對于副熱帶、中高緯度的季節(jié)內(nèi)振蕩的研究無論從觀測事實(shí)還是理論或模擬研究都很不充分（何金海等, 2006），而且對熱帶與副熱帶或中緯度之間季節(jié)內(nèi)振蕩相互作用的了解也很不足。李崇銀（1993）利用500 hPa位勢高度場進(jìn)行空間相關(guān)分析，揭示全球大氣低頻遙相關(guān)波列跨越南北半球相互銜接，并用Hoskins and Karoly（1981）的大圓理論解釋低頻波列的結(jié)構(gòu)特征。這些研究說明中低緯季節(jié)內(nèi)振蕩存在一定聯(lián)系。

南亞高壓既有季節(jié)、年際、年代際變化（彭麗霞等, 2009），也有季節(jié)內(nèi)和天氣尺度變化（李躍清, 1996; 任榮彩等, 2007; Yang and Li, 2016）。就季節(jié)變化而言，春季南亞高壓相繼在南海和中南半島北部出現(xiàn)（Reiter and Gao, 1982; Zhu et al., 1986;劉伯奇等, 2009; Liu et al., 2013），夏季南亞高壓則進(jìn)一步移上青藏高原。南亞高壓是一個(gè)季節(jié)性環(huán)流系統(tǒng)，在青藏高原上僅夏季存在。空間非均勻非絕熱加熱是決定副熱帶高壓位置和強(qiáng)度的關(guān)鍵因素（吳國雄和劉還珠, 1999; 吳國雄等, 1999; 劉屹岷等, 1999a, 1999b）。南亞高壓季節(jié)內(nèi)活動變化對區(qū)域持續(xù)性異常天氣有重要影響（Yang and Li,2016），因此南亞高壓的季節(jié)內(nèi)振蕩特征及成因研究，具有科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。大地形和青藏高原及周邊地區(qū)非絕熱加熱是南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩的可能外強(qiáng)迫因子（羅會邦和陳蓉, 1995）。Ren et al.（2015）通過位渦診斷分析，揭示了非絕熱加熱反饋對南亞高壓季節(jié)內(nèi)東伸的重要作用。王黎娟和葛靜（2016）的研究認(rèn)為，高原熱力場異常導(dǎo)致其上空暖中心變化從而引起的高層風(fēng)場變化可以解釋南亞高壓中心的東西振蕩。從大氣內(nèi)部環(huán)流系統(tǒng)角度，專家們揭示了南亞高壓季節(jié)內(nèi)變化與西太平洋副熱帶高壓及中緯度西風(fēng)帶系統(tǒng)（陶詩言和朱?？? 1964; 吳國雄等, 2002; Zhang et al., 2002; 任榮彩等, 2007）的密切聯(lián)系，近期研究表明，南亞高壓季節(jié)內(nèi)尺度上的向東伸展伴隨著歐亞大陸波列的向東傳播（Ren et al., 2015）。

關(guān)于南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩與其他大氣環(huán)流系統(tǒng)的聯(lián)系，過去研究基本關(guān)注西風(fēng)帶系統(tǒng)和西太平洋副熱帶高壓，南亞高壓季節(jié)內(nèi)變化與同樣具有行星尺度的熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩的關(guān)系如何，現(xiàn)有研究極少涉及。若兩者存在相關(guān)，那么在夏季南亞高壓與熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩之間關(guān)系中，兩者各自所起的作用如何？是否其中一個(gè)起主要調(diào)制作用？調(diào)制機(jī)理如何？是否存在相互作用關(guān)系？相互作用的物理過程是什么？目前不清楚。若能清楚地回答這些問題，將提高我們對南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩特征和機(jī)理的認(rèn)識，也豐富熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩相關(guān)理論，將熱帶與副熱帶系統(tǒng)的季節(jié)內(nèi)變化有機(jī)結(jié)合起來，有助于了解熱帶內(nèi)、外大氣在季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度上的相互作用過程，對改善模式對季節(jié)內(nèi)振蕩的模擬能力、提高區(qū)域天氣、氣候預(yù)報(bào)水平必將有所幫助。

2 資料和方法

本文所用的大氣多要素資料是NCEP-DOE分析資料的日平均資料（Kanamitsu et al., 2002），資料時(shí)段為1979年1月至2013年12月共35年，大氣資料分辨率為2.5°×2.5°。本文采用Wheeler and Hendon（2004）提出的多變量MJO（Madden-Julian oscillation）指數(shù)，該指數(shù)基于三個(gè)變量（850 hPa緯向風(fēng)、200 hPa緯向風(fēng)和大氣向外長波輻射）聯(lián)合EOF分解前兩個(gè)主分量而建立，通過將每日三要素資料投影到多變量EOFs上，建立表征赤道MJO活動（傳播位相和強(qiáng)度）的歷史資料序列。本文參考相關(guān)文獻(xiàn)（Huang et al., 2011），采用1672 dagpm等值線作為100 hPa南亞高壓特征線，將1672 dagpm等值線最東端所在的位置定義為南亞高壓東脊點(diǎn)的位置。對于每天南亞高壓東脊點(diǎn)位置的具體判別方法如下：在東半球（5°～50°N，0°～180°～170°W）范圍內(nèi)，假設(shè)100 hPa每個(gè)網(wǎng)格資料的位勢高度為H(i,j)（i、j為網(wǎng)格緯向和經(jīng)向序號，分別對應(yīng)網(wǎng)格點(diǎn)的經(jīng)度和緯度）。第一，判斷每個(gè)資料網(wǎng)格緯度中H(i,j) 等于1672 dagpm值所處的最大經(jīng)度i0，把該緯度的i0記為LonM (j)，具體需要滿足以下條件：（a）該網(wǎng)格點(diǎn)位勢高度值最接近1672 dagpm、（b）緯向梯度小于0、（c）高壓體達(dá)到一定空間尺度（經(jīng)向10個(gè)緯度、緯向20個(gè)經(jīng)度以上）且主體在陸地上。第二，在第一步的基礎(chǔ)上，對區(qū)域內(nèi)所有資料網(wǎng)格緯度的LonM (j)作比較，挑選出其中的最大值，記為LonM (j0)，該最大值LonM (j0) 就是東脊點(diǎn)的經(jīng)度位置，對應(yīng)資料網(wǎng)格點(diǎn)的緯度j0則為東脊點(diǎn)緯度位置。若某一天100 hPa位勢高度都小于1672 dagpm，則用夏季氣候平均南亞高壓中心位置代表東脊點(diǎn)位置。為了進(jìn)一步研究熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩與南亞高壓的相互作用關(guān)系，除了利用觀測資料進(jìn)行診斷分析之外，需要利用大氣環(huán)流模式進(jìn)行模擬試驗(yàn)。本研究所用的大氣環(huán)流模式是馬普研究所（the Max Planck Institute for Meteorology）發(fā)展的ECHAM4.6模式（Roeckner et al., 1996），其水平分辨率為T42、垂直分別率為19層（從表層到10 hPa）。該模式曾被廣泛用于熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩傳播（Jiang et al.,2004）、中緯度北太平洋季節(jié)內(nèi)振蕩起源（Wang et al., 2013）等研究以及MJO實(shí)例預(yù)報(bào)（Fu and Wang, 2009），是目前國際上對季節(jié)內(nèi)振蕩模擬較好的模式之一。本文設(shè)計(jì)并運(yùn)行了三組試驗(yàn)，包括一組控制試驗(yàn)和兩組理想試驗(yàn)。其中，第一組為控制試驗(yàn)，控制試驗(yàn)用氣候月平均海溫驅(qū)動?？刂圃囼?yàn)與兩組敏感性試驗(yàn)都積分30年，文中分析去掉前5年資料，采用后25年資料。第二組試驗(yàn)稱為無熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩的理想試驗(yàn)，在該敏感性試驗(yàn)中，用控制試驗(yàn)相同海溫強(qiáng)迫，但熱帶地區(qū)用牛頓型阻尼項(xiàng)強(qiáng)迫模式預(yù)報(bào)量向從控制試驗(yàn)得到的氣候年循環(huán)逼近。這組理想試驗(yàn)的模式范圍分為三個(gè)區(qū)域：強(qiáng)阻尼區(qū)、過渡區(qū)和無阻尼區(qū)。考慮到MJO和南亞高壓的活動范圍，強(qiáng)阻尼區(qū)覆蓋范圍大約為12.56°S～12.56°N，阻尼系數(shù)取值1/2（單位：d-1）；過渡區(qū)在強(qiáng)阻尼區(qū)南北兩側(cè)邊緣（15.35°S和15.35°N），過渡區(qū)阻尼系數(shù)設(shè)為線性遞減；無阻尼區(qū)則是強(qiáng)阻尼區(qū)和過渡區(qū)之外的模式區(qū)域，阻尼系數(shù)為0。這樣設(shè)計(jì)的理想試驗(yàn)，熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩被壓制，熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩對熱帶外的影響也基本消除，而其氣候平均態(tài)與控制試驗(yàn)非常接近。因此，第二組試驗(yàn)與控制試驗(yàn)相比，能反映熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩對南亞高壓的影響。第三組理想試驗(yàn)為無南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩試驗(yàn)，類似第二組理想試驗(yàn)用控制試驗(yàn)相同海溫強(qiáng)迫大氣，模式范圍同樣分為三個(gè)區(qū)域：強(qiáng)阻尼區(qū)、過渡區(qū)和無阻尼區(qū)，各區(qū)阻尼系數(shù)選擇同第二組試驗(yàn)。但在該敏感性試驗(yàn)中，牛頓型阻尼項(xiàng)應(yīng)用于南亞高壓及其鄰近范圍，其中強(qiáng)阻尼區(qū)為（18.14°～37.67°N, 19.6875°～149.0625°E），過渡區(qū)為緊鄰強(qiáng)阻尼區(qū)的外框（東西兩側(cè)取3°經(jīng)度，南北兩側(cè)取3°緯度），其余模式格點(diǎn)則為無阻尼區(qū)。第三組理想試驗(yàn)基本消除了南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩對熱帶的影響，與控制試驗(yàn)對比能了解南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩對熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩的影響。

3 觀測事實(shí)分析

3.1 南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩特征及其隨MJO活動的變化

夏季100 hPa南亞高壓脊線在30°N附近，從脊線附近（25°～35°N）平均位勢高度場隨經(jīng)度的變化（圖1紅色虛線）可以看出，南亞高壓主體橫跨95個(gè)經(jīng)度（25°～120°E），這里沿用1672 dagpm等值線作為南亞高壓特征線（Huang et al., 2011）。從位勢高度季節(jié)內(nèi)分量（經(jīng)過10～90 d帶通濾波）的標(biāo)準(zhǔn)差分布來看，南亞高壓的西脊點(diǎn)附近或東脊點(diǎn)附近都是季節(jié)內(nèi)變化標(biāo)準(zhǔn)差的相對高值區(qū)（圖1黑色實(shí)線），但從位勢高度季節(jié)內(nèi)分量標(biāo)準(zhǔn)差占原值總標(biāo)準(zhǔn)差的百分比分布來看，南亞高壓東脊點(diǎn)附近的百分比明顯高于其他區(qū)域，其峰值超過50%（圖1紫色實(shí)線）?？梢?，南亞高壓東脊點(diǎn)附近區(qū)域是南亞高壓季節(jié)內(nèi)變化的主要區(qū)域，該區(qū)域也是與東脊點(diǎn)經(jīng)度季節(jié)內(nèi)變化相關(guān)高值區(qū)（圖1紅色實(shí)線）。

圖1 1979～2013年夏季平均的100 hPa南亞高壓脊線附近（25°～35°N）平均的位勢高度（左側(cè)縱坐標(biāo)，紅色虛線，單位：dagpm）、位勢高度季節(jié)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差占原值標(biāo)準(zhǔn)差的百分比（右一縱坐標(biāo)，紫色實(shí)線）、位勢高度與東脊點(diǎn)經(jīng)度兩者季節(jié)內(nèi)分量的相關(guān)系數(shù)（右二縱坐標(biāo)，紅色實(shí)線）、位勢高度季節(jié)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差（右三縱坐標(biāo)，黑色實(shí)線，單位：gpm）的緯向分布Fig. 1 The zonal distributions of the geopotential height (left y-axis, red dashed line, units: dagpm), the percentage (the first right y-axis, purple solid line) of the intraseasonal standard deviation to the original geopotential height, the correlation coefficients (the second right y-axis, red solid line) of intraseasonal component between the geopotential height and the longitude of the eastern ridge point, and the intraseasonal standard deviation(HSDGH, the third right y-axis, black solid line, units: gpm) of geopotential height near the ridge (averaged over 25°-35°N) of South Asia high at 100 hPa averaged in boreal summer during 1979-2013

根據(jù)MJO 8個(gè)位相分別進(jìn)行合成分析，圖2是100 hPa南亞高壓東脊點(diǎn)經(jīng)度位置（亦稱東脊點(diǎn)指數(shù)）的演變?？梢钥闯?，東脊點(diǎn)指數(shù)隨MJO位相的變化而產(chǎn)生明顯變化，在MJO第1、2、3位相（合稱為印度洋位相）指數(shù)偏低，第5、6、7位相（合稱為西太平洋位相）指數(shù)偏高，第4、8位相為過渡位相。200 hPa南亞高壓東脊點(diǎn)經(jīng)度位置隨MJO位相的演變與100 hPa南亞高壓相應(yīng)指數(shù)的演變類似（圖略）。說明南亞高壓東脊點(diǎn)位置受MJO活動的調(diào)制，即當(dāng)MJO處于印度洋（太平洋）位相，則南亞高壓東脊點(diǎn)西撤（東伸）。

圖2 1979～2013年平均的100 hPa南亞高壓東脊點(diǎn)經(jīng)度隨MJO位相的變化Fig. 2 Longitudes of the eastern ridge of the South Asian high at 100 hPa at the eight MJO phases averaged in 1979-2013

圖3a為MJO印度洋位相和太平洋位相分別合成的南亞高壓位勢高度特征線分布。由圖可見，隨著MJO的位相變化，南亞高壓變化最大的主要在東部。從合成東脊點(diǎn)來看，在MJO印度洋位相，南亞高壓東脊點(diǎn)在氣候平均值的西側(cè)，即東脊點(diǎn)西撤；在MJO西太平洋位相，南亞高壓東脊點(diǎn)在氣候平均值的東側(cè)，即東脊點(diǎn)有所東伸?？梢?，隨著MJO的向東傳播，南亞高壓東脊點(diǎn)經(jīng)度位置發(fā)生明顯變化，而南亞高壓西脊點(diǎn)和南北邊界雖然也有一定變化，但變化幅度相對較小。

以上是用位勢高度場的原值對南亞高壓變化特征進(jìn)行分析，進(jìn)一步針對季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度進(jìn)行分析。南亞高壓在MJO第5、6、7位相（合稱西太平洋位相）與在MJO第1、2、3位相（合稱印度洋位相）之間有相反的變化趨勢，而在MJO的第4、第8位相南亞高壓異常不明顯，因此可利用MJO西太平洋位相與印度洋位相的合成差來展現(xiàn)MJO對南亞高壓的調(diào)制作用。首先對100 hPa等壓面位勢高度場進(jìn)行10～90 d濾波得到季節(jié)內(nèi)分量，然后分別計(jì)算位勢高度季節(jié)內(nèi)分量在MJO西太平洋位相與印度洋位相的合成場，并求兩者的差值。由圖3b可見，差值較大的仍然在南亞高壓東部附近區(qū)域。

3.2 南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩不同階段MJO的活動特征

本節(jié)將換個(gè)角度進(jìn)一步了解，當(dāng)南亞高壓本身發(fā)生季節(jié)內(nèi)變化，熱帶MJO活動有何變化特征？為此，根據(jù)圖3b選擇南亞高壓季節(jié)內(nèi)變化關(guān)鍵區(qū)（15°～25°N，110°～140°E），對該區(qū)域位勢高度季節(jié)內(nèi)分量異常情況進(jìn)行分組，將季節(jié)內(nèi)分量≥平均值1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差的選為南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩高峰期組，將季節(jié)內(nèi)分量≤平均值1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差的選為南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩低谷期組。圖4是南亞高壓季節(jié)內(nèi)變化異常情況下，MJO的位相分布，其中紅色（黑色）對應(yīng)南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩高峰期（低谷期）。南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩不同階段MJO各類活動狀態(tài)具體統(tǒng)計(jì)日數(shù)見表1，表1中強(qiáng)MJO且過渡位相是指強(qiáng)MJO處于第4和第8位相。由圖4和表1可見，在南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩高峰期（圖4中紅點(diǎn)），大多數(shù)MJO強(qiáng)度偏強(qiáng)，其中82%（117/143）的強(qiáng)MJO處于西太平洋位相（即第5～7位相），僅有7%（10/143）處于印度洋位相（即第1～3位相）；而在南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩低谷期（圖4中黑點(diǎn)），多數(shù)MJO強(qiáng)度也偏強(qiáng)，其中90%（119/132）的強(qiáng)MJO處于印度洋位相，僅有1 d處于西太平洋洋位相。用季節(jié)內(nèi)分量在平均值上下1倍標(biāo)準(zhǔn)差以內(nèi)定義南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩偏弱階段，即表1的“正常期”，統(tǒng)計(jì)表明，該階段強(qiáng)MJO的百分比明顯比異常階段（即高峰期或低谷期）低，且各位相分布較均勻。

圖3 1979～2013年夏季（6～8月）100 hPa等壓面的合成：（a）MJO在印度洋位相（藍(lán)色虛線）、西太平洋位相（黑色實(shí)線）分別合成的南亞高壓位勢高度特征線（1672 dagpm等值線）分布以及夏季平均氣候態(tài)分布（紅色實(shí)線）；（b）MJO西太平洋位相與印度洋位相之間位勢高度10～90 d濾波場合成差值分布（黑色等值線，單位：dagpm，填色區(qū)為差值≥2.0 dagpm的大值區(qū)），紅色等值線代表南亞高壓氣候平均的1672 dagpm特征線Fig. 3 Composites at 100 hPa in boreal summer (June-August) during 1979-2013: (a) The characteristic contours (1672 dagpm) of the South Asian high during the MJO phases over the Indian Ocean (blue dashed line), the Western Pacific (black solid line), and the long-term climatology (red line);(b) the geopotential height differences (black lines; units: dagpm; shaded area: differences≥2.0 dagpm) between the MJO phases over Western Pacific and Indian Ocean, the red contour denotes the climatological characteristic contour (1672 dagpm) of the South Asian high

表1 南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩不同階段各種MJO活動狀態(tài)日數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Number of days during different phases of intraseasonal oscillation of the South Asian high associated MJO activity

圖4 1979～2013年南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩異常期的MJO位相分布。紅（黑）色點(diǎn)為南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩高峰（低谷）期，中心黑色圓圈半徑為1，圓圈外（內(nèi)）的圓點(diǎn)代表強(qiáng)（弱）MJO，橫、縱坐標(biāo)的RMM1和RMM2分別為構(gòu)成MJO指數(shù)的兩個(gè)分量Fig. 4 The MJO phase distribution during the peak (red) and minimum (black) phases of the intraseasonal oscillation of the South Asian high for the period of 1979-2013. Radius of the black circle is 1, and the points outside (inside) of the circle represents a strong (weak) MJO, RMM1 (x-axis) and RMM2 (y-axis) are two components of the MJO index

以上分析表明，當(dāng)南亞高壓季節(jié)內(nèi)變化處于高峰期，即南亞高壓東部位勢高度偏高、東脊點(diǎn)位置偏東時(shí)，MJO強(qiáng)度偏強(qiáng)且處于西太平洋位相的比例偏高，而MJO強(qiáng)度偏強(qiáng)且處于印度洋位相的比例很低；當(dāng)南亞高壓季節(jié)內(nèi)變化處于低谷期，即南亞高壓東部位勢高度偏低、東脊點(diǎn)位置偏西時(shí)，MJO強(qiáng)度偏強(qiáng)且處于印度洋位相的比例偏高，而MJO強(qiáng)度偏強(qiáng)且處于西太平洋位相的比例很低?？梢?，無論基于MJO還是南亞高壓的季節(jié)內(nèi)變化位相，都可以發(fā)現(xiàn)兩者在季節(jié)內(nèi)尺度上的密切聯(lián)系。

3.3 關(guān)鍵區(qū)大氣異常垂直結(jié)構(gòu)特征

以上分析表明，南亞高壓東脊點(diǎn)附近區(qū)域是南亞高壓季節(jié)內(nèi)變化最顯著的區(qū)域，與MJO活動關(guān)系最密切的也是該區(qū)域，即東亞—西太平洋地區(qū)（15°～25°N，110°～140°E）。該區(qū)域平均位勢高

南亞高壓ISO階段 總?cè)諗?shù)/d

MJO活動狀態(tài)日數(shù)/d

弱MJO 強(qiáng)MJO 強(qiáng)MJO且印度洋位相 強(qiáng)MJO且太平洋位相 強(qiáng)MJO且過渡位相度與東脊點(diǎn)經(jīng)度位置相關(guān)性很高，因此，無論是區(qū)域位勢高度還是東脊點(diǎn)指數(shù)，南亞高壓隨MJO活動的變化都非常明顯。下面針對該關(guān)鍵區(qū)進(jìn)行垂直結(jié)構(gòu)特征分析。

選取經(jīng)過該關(guān)鍵區(qū)的經(jīng)向和緯向剖面進(jìn)行垂直結(jié)構(gòu)分析，重點(diǎn)針對10～90 d季節(jié)內(nèi)分量。圖5a是沿經(jīng)度帶（110°～140°E）的經(jīng)向垂直剖面，可以看出，異常最明顯的主要在副熱帶地區(qū)，該地區(qū)對流層高低層位勢高度呈相反的異常變化特征，300 hPa以上高層為正異常，正異常中心在100～150 hPa之間，400 hPa以下低層為負(fù)異常，負(fù)異常中心在850～925 hPa之間。從對流層高層（100 hPa）、低層（850 hPa）位勢高度季節(jié)內(nèi)分量的經(jīng)向分布（圖5b）進(jìn)一步清楚看到，100 hPa與850 hPa呈反位相變化，100 hPa的峰值、850 hPa的谷值出現(xiàn)在20°N附近。由此說明，對流層大氣高、低層都與MJO活動存在密切聯(lián)系，與MJO相關(guān)的大氣垂直異常變化呈斜壓特征。

圖5 1979～2013年夏季東亞—西太平洋（110°～140°E）平均的位勢高度季節(jié)內(nèi)分量在MJO西太平洋位相與印度洋位相合成差：（a）經(jīng)向—垂直剖面，黃（紫）色區(qū)為正（負(fù)）距平≥15 gpm（≤-10 gpm）的異常區(qū)；（b）100 hPa（左縱坐標(biāo)，紅色虛線）和850 hPa（右縱坐標(biāo)，黑色實(shí)線）的經(jīng)向分布Fig. 5 The composite differences of the intraseasonal component of geopotential height field (CDIGH) averaged over the East Asia-West Pacific sector (110°-140°E) between the MJO phases over the western Pacific and the Indian Ocean in summer during 1979-2013: (a) Vertical-meridional cross section, positive (negative) anomaly greater than 15 gpm (less than -10 gpm) is shaded with yellow (purple); (b) meridional distributions at 100 hPa(left y-axis, red dashed line) and 850 hPa (right y-axis, black solid line)

從沿緯度帶（15°～25°N）的緯向垂直剖面（圖6a）來看，異常最明顯的主要在西太平洋地區(qū)，類似地，該地區(qū)對流層高低層位勢高度呈相反的異常變化特征，進(jìn)一步從100 hPa、850 hPa位勢高度季節(jié)內(nèi)分量的緯向分布（圖6b）可以看到，100 hPa與850 hPa呈反位相變化，100 hPa的峰值出現(xiàn)在125°E附近，而850 hPa谷底較平緩，115°～130°E之間為低谷區(qū)。綜合經(jīng)向和緯向垂直剖面分析可見，東亞—西太平洋副熱帶地區(qū)對流層高、低層大氣隨MJO的向東傳播而發(fā)生明顯異常變化，與MJO相關(guān)的大氣垂直異常變化呈斜壓特征。

圖6 1979～2013年夏季副熱帶（15°～25°N）平均的位勢高度季節(jié)內(nèi)分量在MJO西太平洋位相與印度洋位相合成差：（a）緯向—垂直剖面，黃色（紫色）區(qū)為正（負(fù)）距平≥15 gpm（≤-10 gpm）的異常區(qū)；（b）100 hPa（左縱坐標(biāo)，紅色虛線）和850 hPa（右縱坐標(biāo)，黑色實(shí)線）的位勢高度緯向分布Fig. 6 The composite differences of the intraseasonal geopotential height field (CDIGH) averaged over 15°-25°N between the MJO phases over the Western Pacific and the Indian Ocean in summer during 1979-2013: (a) Vertical-zonal cross section, positive (negative) anomaly greater than 15 gpm(less than -10 gpm) is shaded with yellow (purple); (b) meridional distributions at 100 hPa (left y-axis, red dashed line) and 850 hPa (right y-axis, black solid line)

南亞高壓、西太平洋副熱帶高壓分別是對流層高層和對流層中低層非常重要的大氣環(huán)流系統(tǒng)，那么上述與MJO相關(guān)的大氣斜壓性垂直異常變化對這些環(huán)流系統(tǒng)有什么影響？圖7是對流層高層南亞高壓、對流層中低層西太平洋副熱帶高壓特征線在東亞—西太平洋地區(qū)的分布變化，由圖可見，在MJO西太平洋位相，100 hPa南亞高壓東脊點(diǎn)偏東，中層500 hPa和低層850 hPa西太平洋副熱帶高壓西脊點(diǎn)偏東（圖7a、b、c紅實(shí)線）；而在MJO印度洋位相，情況相反，100 hPa南亞高壓東脊點(diǎn)偏西，中層500 hPa和低層850 hPa西太平洋副熱帶高壓西脊點(diǎn)偏西（圖7a、b、c藍(lán)虛線）。綜合以上分析說明，在MJO的調(diào)制下，東亞—西太平洋副熱帶地區(qū)對流層大氣垂直結(jié)構(gòu)產(chǎn)生斜壓性變化，導(dǎo)致高層南亞高壓東脊點(diǎn)的東伸（西退），對應(yīng)中低層西太平洋副熱帶高壓西脊點(diǎn)的東退（西伸）。

圖7 1979～2013年MJO印度洋位相（藍(lán)色虛線）、西太平洋位相（紅色實(shí)線）分別合成的（a）100 hPa南亞高壓位勢高度1672 dagpm特征線、（b）500 hPa西太平洋副熱帶高壓588 dagpm特征線、（c）850 hPa西太平洋副熱帶高壓148 dagpm和152 dagpm特征線分布。黑色實(shí)線為夏季平均氣候態(tài)Fig. 7 Composite characteristic contours of the geopotential height field at (a) 100 hPa (1672 dagpm isoline), (b) 500 hPa (588 dagpm isoline), and(c) 850 hPa (148 dagpm and 152 dagpm isolines) during the MJO phases over the Indian Ocean (blue dashed lines) and the Western Pacific (red solid lines) during 1979-2013. Black solid contours denote the long-term climatology in summer

4 南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩與MJO相互作用的數(shù)值模擬試驗(yàn)研究

4.1 ECHAM大氣環(huán)流模式模擬檢驗(yàn)分析

本節(jié)利用ECHAM4.6大氣環(huán)流模式控制試驗(yàn)輸出資料以及NCEP-DOE再分析資料，檢驗(yàn)該模式對南亞高壓、熱帶MJO的模擬能力，以及模式對南亞高壓與熱帶MJO之間關(guān)系的模擬能力。

比較圖8a、b可以看出，在100 hPa等壓面上，模式對南亞高壓脊線走向和位置也模擬得相當(dāng)不錯(cuò)，而且能反映南亞高壓及周邊區(qū)域的渦度場、風(fēng)場的分布特征，但模式對南亞高壓北側(cè)的緯向風(fēng)模擬偏大，即西風(fēng)帶偏強(qiáng)。另外，模式模擬的位勢高度值比觀測的偏高，但模式對南亞高壓的基本形態(tài)模擬較好，副熱帶地區(qū)位勢高度有閉合等值線，高壓體基本呈東西走向。通過對模擬場與觀測分析場的比較分析，本文考慮用100 hPa等壓面上1682 dagpm作為模式南亞高壓特征線（圖8紅色粗實(shí)線）。

圖8 （a）利用1979～2013年NCEP-DOE分析資料、（b）ECHAM4.6模擬試驗(yàn)輸出的第6至第30年資料統(tǒng)計(jì)得到的夏季（6～8月）100 hPa的渦度（等值線，單位：10-6 s-1）、風(fēng)（矢量箭頭，單位：m s-1）和緯向風(fēng)（顏色區(qū)為≥15 m s-1的西風(fēng)或東風(fēng)），紅色粗實(shí)線為南亞高壓特征線，紅色點(diǎn)線為南亞高壓脊線Fig. 8 The vorticity (contours, units: 10-6 s-1), wind (vectors, units: m s-1), and zonal wind (westerly or easterly wind greater than 15 m s-1 are shaded) from (a) NCEP-DOE (National Centers for Environmental Prediction-U.S. Department of Energy) analysis data during 1979-2013,(b) ECHAM4.6 (no expansion used; it is very long and involves ECMWF, Hamburg) simulations (from the sixth to the thirtieth year) at 100 hPa in summer (June-August). Red thick solid lines denote the South Asian high characteristic contours, and red dot lines denote the ridge of the South Asian high

從ECHAM4.6模式100 hPa等壓面位勢高度氣候平均場來看，南亞高壓東脊點(diǎn)經(jīng)度位置在134°E。根據(jù)100 hPa位勢高度場中南亞高壓特征線讀取MJO各個(gè)位相的東脊點(diǎn)經(jīng)度位置，并對第1、2、3位相（即印度洋位相）和第5、6、7位相（即太平洋位相）分別進(jìn)行平均，形成圖9，能清楚地反映出南亞高壓東脊點(diǎn)經(jīng)度位置隨MJO活動的變化，在MJO第1、2、3位相（即印度洋位相），南亞高壓東脊點(diǎn)經(jīng)度位置為117°E，比氣候平均位置偏西17個(gè)經(jīng)度；在MJO第5、6、7位相（即太平洋位相），南亞高壓東脊點(diǎn)經(jīng)度位置達(dá)到155°E，比氣候平均位置偏東21個(gè)經(jīng)度。模式模擬的上述異常變化趨勢與觀測分析結(jié)果一致，只是模式的異常幅度較大（圖9）。

圖9 （a）ECHAM4.6大氣環(huán)流模式模擬輸出資料的第6至第30年、（b）1979～2013年NCEP-DOE分析資料統(tǒng)計(jì)得到的南亞高壓東脊點(diǎn)在MJO第1～3位相（即印度洋位相）和第5～7位相（即太平洋位相）平均的經(jīng)度位置Fig. 9 Longitudes of the eastern ridge of the South Asian high at MJO phases 1-3 (over the Indian Ocean) and 5-7 (over the Pacific) derived from(a) ECHAM4.6 simulations from the sixth to the thirtieth year and (b) NCEP-DOE analysis data during 1979-2013

可見，ECHAM4.6大氣環(huán)流模式較好地模擬了夏季100 hPa南亞高壓以及熱帶MJO的基本活動特征，能夠體現(xiàn)南亞高壓東脊點(diǎn)隨MJO位相的變化特征。

4.2 第二組理想試驗(yàn)（無熱帶節(jié)內(nèi)振蕩）與控制試驗(yàn)的對比

第二組理想試驗(yàn)中的強(qiáng)阻尼區(qū)覆蓋范圍為12.56°S～12.56°N，因此該試驗(yàn)基本消除了熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩對熱帶外的影響，將第二組理想試驗(yàn)與控制試驗(yàn)進(jìn)行對比，可以了解熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩對南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩的影響。

為了量化熱帶地區(qū)季節(jié)內(nèi)振蕩對南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩的影響程度，對南亞高壓100 hPa所在區(qū)域范圍（18°～38°N, 20°～140°E）的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行區(qū)域平均，并計(jì)算兩個(gè)試驗(yàn)的差值百分比，即第二組理想試驗(yàn)減去控制試驗(yàn)的差值與控制試驗(yàn)之比。從圖10藍(lán)色柱狀圖可以看出，對整個(gè)南亞高壓區(qū)域平均來講，各物理量標(biāo)準(zhǔn)差差值百分比在-6%至-23%之間，其中對流層低層各物理量的標(biāo)準(zhǔn)差差值百分比比高層物理量的標(biāo)準(zhǔn)差差值百分比大，說明熱帶地區(qū)季節(jié)內(nèi)振蕩對南亞高壓區(qū)域下層季節(jié)內(nèi)振蕩影響更大。表征南亞高壓的通用物理量是100 hPa位勢高度，該要素的標(biāo)準(zhǔn)差差值百分比為-11%。

前文分析表明，MJO活動與南亞高壓季節(jié)內(nèi)變化關(guān)系最密切的是南亞高壓東部附近區(qū)域（15°～25°N，110°～140°E），即南亞高壓東部關(guān)鍵區(qū)。由圖10可以看出，南亞高壓東部關(guān)鍵區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)差差值百分比明顯比整個(gè)區(qū)域平均的幅度大得多，南亞高壓東部關(guān)鍵區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)差差值百分比，除了100 hPa緯向風(fēng)只有-6%之外，其他物理量在-24%至-56%之間，其中100 hPa位勢高度的標(biāo)準(zhǔn)差差值百分比為-40%，而850 hPa位勢高度的標(biāo)準(zhǔn)差差值百分比達(dá)到-56%。

圖10 南亞高壓區(qū)域及其東部關(guān)鍵區(qū)各要素（500 hPa垂直速度、850 hPa緯向風(fēng)、850 hPa經(jīng)向風(fēng)、850 hPa位勢高度、100 hPa緯向風(fēng)、100 hPa經(jīng)向風(fēng)、100 hPa位勢高度）10～90 d濾波標(biāo)準(zhǔn)差第二組理想試驗(yàn)與控制試驗(yàn)（第6至第30年）的差值百分比。SAH代表南亞高壓區(qū)域（18°～38°N, 20°～140°E），SAHE代表南亞高壓東部關(guān)鍵區(qū)域（15°～25°N, 110°～140°E）Fig. 10 Percentage differences of standard deviation of intraseasonal variables [500-hPa vertical velocity (500-hPa VV), 850-hPa zonal wind (850-hPa ZW), 850-hPa meridional wind (850-hPa MW), 850-hPa geopotential height (850-hPa GH), 100-hPa zonal wind (100-hPa ZW), 100-hPa meridional wind (100-hPa MW), 100-hPa geopotential height (100-hPa GH)] between the second sensitivity experiment and the control experiment(from the sixth to the thirtieth year) averaged over the key regions of the South Asian high (SAH, 18°-38°N, 20°-140°E) and the eastern South Asian high (SAHE, 15°-25°N, 110°-140°E)

以上分析表明，南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩強(qiáng)度受熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩的影響，特別是南亞高壓東部關(guān)鍵區(qū)，季節(jié)內(nèi)振蕩強(qiáng)度40%來源于熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩的影響。而南亞高壓東部關(guān)鍵區(qū)的變化與東脊點(diǎn)的東西振蕩緊密聯(lián)系，可見，熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩對南亞高壓東脊點(diǎn)的季節(jié)內(nèi)振蕩有很大的加強(qiáng)作用。

4.3 第三組理想試驗(yàn)（無南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩）與控制試驗(yàn)的對比

由于第三組理想試驗(yàn)基本消除了南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩對熱帶的影響，這里將第三組理想試驗(yàn)與控制試驗(yàn)進(jìn)行對比，從而了解南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩對熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩的影響。從對流層高層（100 hPa）位勢高度、緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)的10～90 d濾波標(biāo)準(zhǔn)差兩個(gè)試驗(yàn)的差值圖（圖略）可見，在消除南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩的情況下，當(dāng)然變化最大的區(qū)域在南亞高壓區(qū)域，除了南亞高壓區(qū)域季節(jié)內(nèi)振蕩大幅度減弱之外，中低緯度大部分地區(qū)也有減弱的趨勢。對熱帶地區(qū)來講，大部分地區(qū)為弱的負(fù)距平。從對流層低層（850 hPa）各變量以及OLR（outgoing longwave radiation）的差值（圖略）來看，在消除南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩的情況下，類似對流層高層，變化最大的區(qū)域在南亞高壓區(qū)域，除了南亞高壓區(qū)域季節(jié)內(nèi)振蕩大幅度減弱之外，中低緯度大部分地區(qū)也有減弱的趨勢。對熱帶地區(qū)來講，異常幅度較小。

以上兩組試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差分布場對比說明，在消除南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩的情況下，從對流層高層來講，熱帶地區(qū)季節(jié)內(nèi)振蕩強(qiáng)度基本上為弱的負(fù)變化；從對流層低層來講，熱帶地區(qū)季節(jié)內(nèi)振蕩強(qiáng)度總體異常幅度比高層更小。為了進(jìn)一步量化南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩對熱帶地區(qū)季節(jié)內(nèi)振蕩強(qiáng)度的影響程度，對赤道地區(qū)（15°S～15°N）標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行區(qū)域平均，并計(jì)算兩個(gè)試驗(yàn)的差值百分比，即第三組理想試驗(yàn)減去控制試驗(yàn)的差值與控制試驗(yàn)之比。從圖11可以看出，相對對流層低層，高層物理量標(biāo)準(zhǔn)差差值百分比較大，全球赤道地區(qū)（15°S～15°N，0°～360°）在7%～12%之間（圖11藍(lán)色柱狀），東半球赤道地區(qū)（15°S～15°N，0°～180°）在13%～17%之間（圖11棕色色柱狀）。在對流層低層，物理量標(biāo)準(zhǔn)差差值百分比較小，全球赤道地區(qū)在-4.5%～1.8%之間，東半球赤道地區(qū)在-5.7%～2.5%之間。OLR是表征熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩的常用物理量，由圖11可見，OLR標(biāo)準(zhǔn)差差值百分比很低，全球和東半球赤道地區(qū)分別為1.5%和1.4%。以上分析表明，赤道地區(qū)季節(jié)內(nèi)振蕩平均強(qiáng)度受南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩的影響很小。

圖11 赤道地區(qū)各要素（OLR、500 hPa垂直速度、850 hPa緯向風(fēng)、850 hPa經(jīng)向風(fēng)、850 hPa位勢高度、100 hPa緯向風(fēng)、100 hPa經(jīng)向風(fēng)、100 hPa位勢高度）10～90 d濾波標(biāo)準(zhǔn)差第三組理想試驗(yàn)與控制試驗(yàn)（第6至第30年）之間的差值百分比。Tropical代表整圈赤道地區(qū)（15°S～15°N, 0°～360°），TropicalE代表東半球赤道地區(qū)（15°S～15°N，0°～180°）Fig. 11 Percentage differences of standard deviation of intraseasonal variables [OLR (outgoing longwave radiation), 500-hPa vertical velocity (500-hPa VV), 850-hPa zonal wind (850-hPa ZW), 850-hPa meridional wind (850-hPa MW), 850-hPa geopotential height (850-hPa GH), 100-hPa zonal wind (100-hPa ZW), 100-hPa meridional wind (100-hPa MW), 100-hPa geopotential height (100-hPa GH)] between the third sensitivity experiment and the control experiment (from the sixth to the thirtieth year) averaged over the whole tropical belt (Tropical, 15°S-15°N, 0°-360°) and the eastern hemispheric tropical belt (TropicalE, 15°S-15°N, 0°-180°)

5 MJO活動影響南亞高壓物理過程

5.1 基于觀測的探討

前文研究已表明，南亞高壓在MJO第5、6、7位相（合稱西太平洋位相）與在MJO第1、2、3位相（合稱印度洋位相）之間有相反的變化趨勢，變化幅度最大的是南亞高壓東部附近區(qū)域，在MJO西太平洋位相，南亞高壓東脊點(diǎn)偏東，在MJO印度洋位相，南亞高壓東脊點(diǎn)偏西。本部分利用強(qiáng)MJO西太平洋位相與印度洋位相的環(huán)流以及熱源的合成差、強(qiáng)MJO各位相的大氣演變特征等，探討MJO影響南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩的可能物理過程。以下分析的物理量距平值（異常），若沒有特別說明則都經(jīng)過季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度（10～90 d）濾波。

前文分析表明，在赤道MJO的向東傳播過程中，赤道外的東亞—西太平洋地區(qū)大氣發(fā)生顯著的異常變化，對流層高層與低層變化趨勢相反，即異常垂直結(jié)構(gòu)具有斜壓特征。從垂直—經(jīng)向剖面圖更清楚地反映出，大氣異常具有斜壓垂直結(jié)構(gòu)特征（圖5、圖6）。這種異常結(jié)構(gòu)特征與熱帶大氣對熱源的響應(yīng)特征（Gill, 1980）相當(dāng)類似，由此推測，MJO對南亞高壓的影響，很可能是大氣對熱源響應(yīng)的結(jié)果。下面進(jìn)一步分析證明。

夏季赤道MJO從印度洋向東移動，穿過海洋性大陸移向太平洋，在東移的過程中，部分強(qiáng)對流轉(zhuǎn)向北傳播，轉(zhuǎn)向區(qū)域主要在東印度洋和西太平洋區(qū)域。下面重點(diǎn)聚焦南亞高壓東部附近區(qū)域即東亞—西太平洋區(qū)域，了解其對流和熱源等與赤道MJO活動之間的關(guān)系。首先看赤道MJO東傳過程的變化特征，圖12a是赤道地區(qū)（10°S～10°N）OLR的經(jīng)度—緯向剖面，可以看出，強(qiáng)對流（對應(yīng)OLR負(fù)距平）大體從東向西傳播，東傳過程中強(qiáng)度有所變化，其中在東印度洋加強(qiáng)，在海洋性大陸減弱，海洋性大陸以東（130°～150°E）重新加強(qiáng)，隨后再減弱。這種強(qiáng)度變化很可能與海陸分布有關(guān)，海洋性大陸的陸面摩擦使MJO減弱，寬闊洋面又使MJO重新加強(qiáng)。圖12b、c是赤道地區(qū)（10°S～10°N）垂直速度和熱源的經(jīng)度—緯向剖面，可以看出，類似于OLR，大體從東向西傳播，東傳過程中強(qiáng)度有所變化，在海洋性大陸以東都有所加強(qiáng)。

圖12 1979～2013年赤道地區(qū)（10°S～10°N）平均的（a）OLR（單位：W m-2）、（b）500 hPa垂直速度（單位：Pa s-1）、（c）垂直積分視熱源加熱率（單位：K s-1）隨MJO位相變化的緯向剖面Fig. 12 Zonal cross sections of (a) OLR (units: W m-2), (b) 500-hPa vertical velocity (units: Pa s-1), and (c) column integrating heating rate(units: K s-1) averaged over the equatorial region (10°S-10°N) as a function of MJO phase during 1979-2013

圖13是東亞—西太平洋經(jīng)度帶（110°～140°E）OLR隨MJO位相變化的經(jīng)向剖面，可以看出，從MJO第4位相之后，強(qiáng)對流（對應(yīng)OLR負(fù)距平）由南向北傳播。與上圖OLR緯向剖面比較表明，MJO在第4位相正好東移至東亞—西太平洋經(jīng)度帶，因此可以說，東亞—西太平洋低緯地區(qū)的強(qiáng)對流來源于沿赤道東傳的MJO。從下圖還可以發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)對流向北傳播過程中進(jìn)一度加強(qiáng)，其中7°～17°N之間為最強(qiáng)盛。從氣壓垂直速度、垂直積分視熱源加熱率隨MJO位相變化的經(jīng)向剖面（圖13b、c），可以看出，與OLR類似，從MJO第4位相之后，無論是垂直速度還是熱源異常都由南向北傳播，且向北傳播過程中有所加強(qiáng)。

圖13 1979～2013年東亞—西太平洋經(jīng)度帶（110°～140°E）平均的（a）OLR（單位：W m-2）、（b）500 hPa氣壓垂直速度（單位：Pa s-1）、（c）垂直積分視熱源加熱率（單位：K s-1）隨MJO位相變化的經(jīng)向剖面Fig. 13 Meridional cross sections of (a) OLR (units: W m-2), (b) 500-hPa vertical velocity (units: Pa s-1), and (c) column integrating heating rate (units: K s-1) averaged over East Asia-West Pacific sector(110°-140°E) as a function of MJO phase during 1979-2013

上述分析值得一提的一點(diǎn)是，MJO到達(dá)西太平洋后，部分轉(zhuǎn)向北傳播，在赤道外區(qū)域明顯加強(qiáng)，雖然繼續(xù)東移的MJO至海洋性大陸以東之后也有所加強(qiáng)，但其強(qiáng)度沒有北傳支強(qiáng)。那么，為什么東亞—西太平洋經(jīng)度帶上，MJO轉(zhuǎn)向北傳播過程中強(qiáng)度能明顯加強(qiáng)？下面從夏季（6～8月）氣候背景來探討這個(gè)問題。已有研究（Wang and Xue,1997）表明，垂直東風(fēng)切變是熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩發(fā)展的有利條件。圖14是東亞—西太平洋經(jīng)度帶氣候平均垂直緯向風(fēng)切變、向外長波輻射和垂直積分視熱源的經(jīng)向分布?？梢钥闯觯跂|亞—西太平洋經(jīng)度帶上，從赤道至北半球副熱帶地區(qū)（8°S～30°N）都為東風(fēng)切變，其中以7°～17°N之間為東風(fēng)切變最強(qiáng)區(qū)，從圖14可以看出此范圍也是大氣熱源和對流季節(jié)背景最旺盛的區(qū)域，這與MJO北傳支的最強(qiáng)區(qū)域非常一致。

綜上所述，赤道MJO大體上沿赤道由西向東傳播，其中第1～3位相，強(qiáng)對流處于印度洋，第4～8位相，繼續(xù)東移經(jīng)過海洋性大陸和太平洋。在赤道MJO從印度洋向東傳播至西太平洋時(shí)，強(qiáng)對流產(chǎn)生分支，部分繼續(xù)向東傳播，部分由于東亞—西太平洋的有利夏季風(fēng)背景轉(zhuǎn)為向北傳播，通常把夏季北傳支稱為ISO，由于緯向風(fēng)垂直東風(fēng)切變以及大氣熱源等季節(jié)背景條件的加強(qiáng)，ISO向北傳播過程中對流強(qiáng)度進(jìn)一步加強(qiáng)，其中在7°～17°N之間最為強(qiáng)盛。伴隨著ISO對流的加強(qiáng)，大氣熱源也有所加強(qiáng)，這就相當(dāng)于在東亞—西太平洋低緯度地區(qū)存在一赤道非對稱熱源。在赤道非對稱熱源的作用下，大氣產(chǎn)生異常響應(yīng)（Gill, 1980; 邢楠等,2014），在熱源的西北側(cè)，即東亞—西太平洋地區(qū)（15°～25°N，110°～140°E），對流層低層為氣旋性環(huán)流異常、位勢高度負(fù)異常，對流層高層為反氣旋性環(huán)流異常、位勢高度正異常，而在熱源異常區(qū)域伴隨著大氣上升運(yùn)動的顯著加強(qiáng)。因此，當(dāng)MJO處于西太平洋位相時(shí)，南亞高壓東部附近區(qū)域位勢高度升高，從而導(dǎo)致南亞高壓東脊點(diǎn)偏東。而當(dāng)MJO處于印度洋位相時(shí)，東亞—西太平洋低緯度地區(qū)對流和熱源為負(fù)異常，大氣異常響應(yīng)與上述相反，南亞高壓東部附近區(qū)域位勢高度降低，從而導(dǎo)致南亞高壓東脊點(diǎn)西撤。

5.2 MJO活動影響南亞高壓物理過程的數(shù)值模擬研究

上文基于觀測分析探討了MJO活動影響南亞高壓的物理過程，那么，ECHAM大氣環(huán)流模式對以上物理過程的模擬效果如何？

圖15是ECHAM4.6大氣環(huán)流模式模擬的東亞—西太平洋經(jīng)度帶（110°～140°E）位勢高度在MJO西太平洋位相與印度洋位相之間的合成差值的垂直—經(jīng)向剖面。從垂直—經(jīng)向剖面圖可以看出，大氣異常具有斜壓垂直結(jié)構(gòu)特征，即在赤道MJO的向東傳播過程中，赤道外的東亞—西太平洋地區(qū)大氣發(fā)生顯著的異常變化，對流層高層與低層變化趨勢相反。從下圖100 hPa與850 hPa位勢高度在MJO西太平洋位相與印度洋位相之間差值的經(jīng)向分布，更清楚地反映出大氣異常具有斜壓垂直結(jié)構(gòu)特征。這種異常結(jié)構(gòu)特征與熱帶大氣對熱源的響應(yīng)特征（Gill, 1980）相當(dāng)類似。

圖16a是東亞—西太平洋經(jīng)度帶OLR隨MJO位相變化的經(jīng)向剖面，可以看出，從MJO第4位相之后，強(qiáng)對流（對應(yīng)OLR負(fù)距平）由南向北傳播。MJO在第4位相正好東移至東亞—西太平洋經(jīng)度帶，因此可以說，東亞—西太平洋低緯地區(qū)的強(qiáng)對流來源于沿赤道東傳的MJO。從圖16還可以發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)對流向北傳播過程中進(jìn)一度加強(qiáng)，其中7°～15°N之間為最強(qiáng)盛，與觀測分析類似，但強(qiáng)對流北界略偏南約2個(gè)緯度。從氣壓垂直速度隨MJO位相變化的經(jīng)向剖面（圖16b）可以看出，與OLR類似，從MJO第4位相之后，垂直速度由南向北傳播，且向北傳播過程中有所加強(qiáng)。

圖14 1979～2013年夏季（6～8月）東亞—西太平洋經(jīng)度帶（110°～140°E）平均的（a）垂直緯向風(fēng)切變（100 hPa緯向風(fēng)減去850 hPa緯向風(fēng)，單位：m s-1）、（b）向外長波輻射（單位：W m-2）、（c）垂直積分視熱源加熱率（單位：K s-1）的經(jīng)向分布Fig. 14 Meridional distributions of (a) vertical zonal wind shear (100-hPa zonal wind minus 850-hPa zonal wind, units: m s-1), (b) OLR (units:W m-2), and (c) column integrating heating rate (units: K s-1) averaged over the East Asia-West Pacific sector (110°-140°E) in summer during 1979-2013

圖15 ECHAM4.6大氣環(huán)流模式模擬（第6至第30年）的東亞—西太平洋經(jīng)度帶（110°～140°E）位勢高度在MJO西太平洋位相與印度洋位相之間的合成差值（單位：gpm）的（a）垂直—經(jīng)向剖面（紅色、藍(lán)色區(qū)分別代表＞9 gpm、＜-9 gpm的區(qū)域）以及（b）100 hPa（左側(cè)縱坐標(biāo)，紅色虛線）、850 hPa（右側(cè)縱坐標(biāo)，黑色實(shí)線）經(jīng)向分布Fig. 15 The composite differences (units: gpm) of (a) vertical-meridional cross section, (b) meridional distribution at 100 hPa (left y-axis, red dotted line) and 850 hPa (right y-axis, black solid line) of the intraseasonal geopotential height field averaged over the East Asia-West Pacific sector(110°-140°E) between the MJO phases over the Western Pacific and the Indian Ocean derived from ECHAM 4.6 control run (from the sixth to the thirtieth year). In Fig. a, positive (negative) anomalies greater than 9 gpm (less than -9 gpm) is shaded with red (blue)

圖17a是對流層高層100 hPa等壓面上的位勢高度場、風(fēng)場在MJO西太平洋位相與印度洋位相之間的合成差值分布。由圖可以看出，位勢高度在南亞高壓東部升高，東亞—西太平洋地區(qū)副熱帶地區(qū)伴隨著位勢高度的升高該地區(qū)為反氣旋性環(huán)流異常。從對流層低層850 hPa等壓面來看（圖17b），位勢高度場、風(fēng)場在MJO西太平洋位相與印度洋位相之間的差異也很明顯，東亞—西太平洋地區(qū)位勢高度有所降低，伴隨著位勢高度的降低，東亞—西太平洋地區(qū)為氣旋性環(huán)流異常。

圖16 ECHAM4.6大氣環(huán)流模式模擬（第6至第30年）的東亞—西太平洋經(jīng)度帶（110°～140°E）平均的（a）OLR（單位：W m-2）和（b）500 hPa垂直速度（單位：Pa s-1）隨MJO位相變化的經(jīng)向剖面Fig. 16 Meridional cross sections of (a) OLR (units: W m-2) and (b) 500-hPa vertical velocity (units: Pa s-1) as a function of the MJO phase averaged over the East Asia-West Pacific sector (110°-140°E) derived from ECHAM 4.6 control run (from the sixth to the thirtieth year)

圖17 ECHAM4.6大氣環(huán)流模式模擬（第6至第30年）的（a）100 hPa、（b）850 hPa的位勢高度（等值線，單位：dagpm）和風(fēng)場（箭頭，單位：m s-1）在MJO西太平洋位相與印度洋位相之間的差值。紅色等值線為100 hPa的位勢高度氣候平均的1682 dagpm等值線，代表南亞高壓特征線；填色區(qū)為位勢高度差通過0.05顯著性水平的顯著性檢驗(yàn)，風(fēng)矢量僅給出達(dá)到0.05顯著性水平的格點(diǎn)Fig. 17 Differences of the geopotential height (contours, units: dagpm) and wind (arrows, m s-1) at (a) 100 hPa and (b) 850 hPa between the MJO phases over the western Pacific and the Indian ocean derived from ECHAM 4.6 control run (from the sixth to the thirtieth year). Red contours denote the climatological 1682 dagpm isoline at 100 hPa, representing the South Asian high. Differences of geopotential height passing 0.05 significance level is shaded, and only the wind vectors passing 0.05 significance level are plotted

綜上所述，ECHAM4.6大氣環(huán)流模式對觀測分析的物理過程模擬較好。赤道MJO大體上沿赤道由西向東傳播，其中第1～3位相，強(qiáng)對流處于印度洋，第4～8位相，繼續(xù)東移經(jīng)過海洋性大陸和太平洋。在赤道MJO從印度洋向東傳播至西太平洋時(shí)，強(qiáng)對流產(chǎn)生分支，部分繼續(xù)向東傳播，部分由于東亞—西太平洋的有利夏季風(fēng)背景轉(zhuǎn)為向北傳播（把北傳支稱為ISO），ISO向北傳播過程中對流強(qiáng)度進(jìn)一度加強(qiáng)，這就相當(dāng)于在東亞—西太平洋低緯度地區(qū)存在一個(gè)赤道非對稱熱源。在赤道非對稱熱源的作用下，大氣產(chǎn)生異常響應(yīng)（Gill,1980; 邢楠等, 2014），在熱源的西北側(cè)，即東亞—西太平洋地區(qū)（110°～140°E，15°～25°N），對流層低層為氣旋性環(huán)流異常、位勢高度負(fù)異常，對流層高層為反氣旋性環(huán)流異常、位勢高度正異常，而在熱源異常區(qū)域伴隨著大氣上升運(yùn)動的顯著加強(qiáng)。因此，當(dāng)MJO處于西太平洋位相時(shí)，南亞高壓東部附近區(qū)域位勢高度升高，從而導(dǎo)致南亞高壓東脊點(diǎn)偏東。而當(dāng)MJO處于印度洋位相時(shí)，東亞—西太平洋低緯度地區(qū)對流和熱源為負(fù)異常，大氣異常響應(yīng)與上述相反，南亞高壓東部附近區(qū)域位勢高度降低，從而導(dǎo)致南亞高壓東脊點(diǎn)西撤。

6 結(jié)論

本文主要采用觀測分析和數(shù)值試驗(yàn)多方面技術(shù)手段，分析了夏季南亞高壓季節(jié)內(nèi)振蕩（ISO）特征，診斷了南亞高壓ISO與熱帶ISO（亦稱MJO）之間的關(guān)系，通過多組大氣環(huán)流模式ECHAM數(shù)值試驗(yàn)，對南亞高壓ISO與熱帶ISO的相互作用進(jìn)行量化研究，提出兩者關(guān)系的物理過程。主要研究結(jié)果如下幾點(diǎn)：

（1）南亞高壓季節(jié)內(nèi)變化與赤道東傳季節(jié)內(nèi)振蕩（MJO）活動關(guān)系密切，當(dāng)MJO處于印度洋位相（第1、2、3位相），則南亞高壓東脊點(diǎn)位置偏西，當(dāng)MJO處于太平洋位相（第5、6、7位相），則南亞高壓東脊點(diǎn)位置偏東。

（2）南亞高壓的季節(jié)內(nèi)變化與MJO活動關(guān)系最密切的是南亞高壓東部附近區(qū)域，即東亞—西太平洋地區(qū)，該區(qū)域位勢高度與東脊點(diǎn)經(jīng)度位置相關(guān)性很高，也是南亞高壓季節(jié)內(nèi)變化最顯著區(qū)域。選取經(jīng)過該關(guān)鍵區(qū)的經(jīng)向和緯向剖面進(jìn)行垂直結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，在MJO的調(diào)制下，東亞—西太平洋副熱帶地區(qū)對流層大氣垂直結(jié)構(gòu)產(chǎn)生斜壓性變化，導(dǎo)致高層南亞高壓東脊點(diǎn)的東伸（西退）對應(yīng)中低層西太平洋副熱帶高壓西脊點(diǎn)的東退（西伸）?？梢姡瑢α鲗哟髿飧?、低層都與MJO活動存在密切聯(lián)系，與MJO相關(guān)的大氣垂直異常變化呈斜壓特征。

（3）在南亞高壓的季節(jié)內(nèi)變化與MJO活動之間關(guān)系中，主要是熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩對南亞高壓季節(jié)內(nèi)變化的影響，南亞高壓東部關(guān)鍵區(qū)季節(jié)內(nèi)振蕩強(qiáng)度40%來源于熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩的貢獻(xiàn)，而南亞高壓對熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩的影響總體很弱。

（4）熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩影響南亞高壓季節(jié)內(nèi)變化的物理過程如下，在赤道MJO從印度洋向東傳播至西太平洋時(shí)，強(qiáng)對流產(chǎn)生分支，部分繼續(xù)向東傳播，部分由于東亞—西太平洋的有利夏季風(fēng)背景轉(zhuǎn)為向北傳播，北傳ISO向北傳播過程中對流強(qiáng)度進(jìn)一度加強(qiáng)，這就相當(dāng)于在東亞—西太平洋低緯度地區(qū)存在一個(gè)赤道非對稱熱源。在赤道非對稱熱源的作用下，大氣產(chǎn)生異常響應(yīng)，在熱源的西北側(cè)，即東亞—西太平洋地區(qū)，對流層低層為氣旋性環(huán)流異常、位勢高度負(fù)異常，對流層高層為反氣旋性環(huán)流異常、位勢高度正異常，而在熱源異常區(qū)域伴隨著大氣上升運(yùn)動的顯著加強(qiáng)。因此，當(dāng)MJO處于西太平洋位相時(shí)，南亞高壓東部附近區(qū)域位勢高度升高，從而導(dǎo)致南亞高壓東脊點(diǎn)偏東。而當(dāng)MJO處于印度洋位相時(shí)，東亞—西太平洋低緯度地區(qū)對流和熱源為負(fù)異常，大氣異常響應(yīng)與上述相反，南亞高壓東部附近區(qū)域位勢高度降低，從而導(dǎo)致南亞高壓東脊點(diǎn)西撤。