西太平洋副热带高压的活动与东亚环流、天气气候的关系

引言

夏季我国东部地区天气气候的变化受东亚季风环流强弱变化影响。一系列的研究表明, 东亚夏季环流系统中, 最重要的大尺度环流系统是位于东亚中纬度40°N的高空西风急流和位于太平洋上的西太平洋副热带高压[]。陶诗言、李崇银等[-]指出南海夏季风爆发和东亚梅雨的开始与5月及6月亚洲上空西风急流的二次北跳过程密切相关。廖清海等[]探讨了夏季东亚西风急流位置的年际变化特征、影响及其可能机制, 指出西风急流异常偏南, 夏季长江中下游及江南、华南降水偏多, 东亚夏季风强度偏弱, 反之相反。Lu等[]、Lin等[]讨论了夏季季节内东亚西风急流南北位置变化与南亚高压、西太平洋副热带高压及雨带分布的关系。

西太平洋副热带高压的活动与东亚环流、天气气候的关系, 历来受到气象学家高度关注, 特别是专著《副热带高压形成和变异的动力学问题》[], 对副热带高压形成和变异动力学有了更全面的认识。此外, 大气外强迫因子 (如ENSO事件) 与西风急流南北位置、强度变化的研究以及西风急流上的Rossby波活动[-]也取得了新的进展, Ding等[]认为夏季北半球沿西风急流存在环半球波列, 是中纬地区气候变化的一个重要影响源, 而Tokyo-Chicago快车、印度季风-东亚季风遥相关、西亚-中亚-日本波列均是环半球波列的局地表现, 可见夏季西风急流除了位置的变化外,其上波列活动是非常重要的副热带高压异常, 而西风急流上Rossby波扰动与副热带高压之间的关系如何需要进一步认识。

然而迄今为止, 对东亚中纬度西风急流异常及异常扰动变化进行客观、定量化的工作并不多。因此本研究首先把东亚西风急流年变化及其扰动动能变化进行客观、定量化的定义, 然后重点探讨夏季东亚西风急流强度、位置、扰动动能异常之间的关系, 及东亚中纬度西风急流上Rossby波扰动异常与高层南亚高压和中层西太平洋副热带高压的配置和联系。

1 资料

本文所用资料为美国NCEP/NCAR月平均再分析资料 (1979年1月—2003年12月), 空间层次为1000~100 hPa, 共12层, 水平分辨率为2.5°×2.5°经纬度网格。

2 东亚西风急流与定常扰动关系

是1958—2003年夏季 (6—8月) 平均的200 hPa纬向风的标准差。从可见, 亚洲中纬度西风急流区域2个最显著的方差大值中心分别位于中亚 (50°~75°E) 和东亚 (115°~140°E), 因此重点探讨东亚地区西风急流及扰动动能强度变化。

图 1

图 1. 1958—2003年夏季 (6—8月) 200 hPa纬向风的标准差分布(单位: m/s; 阴影区表示置信度大于95%)Fig 1. The climatology standard deviation of 200 hPa zonal wind in summer (JJA) averaged over 1958—2003(unit : m/s; shaded areas denote exceeding the test of 95% level)

为了客观、定量化了解亚洲西风急流扰动动能强度变化, 将夏季 (6—8月平均) 200 hPa风速进行傅立叶 (Fourier) 变换, 波数k < 3为基本气流 (ub, vb), k≥3为扰动波, 扰动风速 (u′, v′)=(u, v)-(ub, vb), 扰动动能Ek=(u′·u′+v′·v′)/2, 并把最大西风风速的纬度定义为西风急流轴, 计算了东亚地区 (100°~140°E) 急流轴±5个纬度区域平均扰动动能并进行标准化, EK是包含了夏季东亚急流位置年际变化的定常扰动动能。是1979—2003年东亚 (100°~140°E) 夏季西风急流扰动动能标准化序列, 6—8月平均风场已滤去了瞬变扰动, 因此这里的扰动指相对于基本气流的定常扰动。把EK大于0.8个标准差的年定义为扰动动能强年, 小于0.8标准差的年定义为扰动动能弱年。扰动动能强年有1980, 1983, 1987, 1993年和2003年; 扰动动能弱年有1988, 1992, 1994, 1995, 1997, 1999, 2000年和2002年。

图 2

图 2. 1979—2003年6—8月东亚 (100°~140°E) 急流扰动动能EK标准化序列Fig 2. The interannual variations of normalized Rossby wave perturbation kinetic energy Ek along 100°—140°E westerly jet in summers during 1958—2003

为了探讨200 hPa东亚西风带扰动动能强弱与急流位置、强度变化关系, 对东亚西风急流区 (27.5°~55°N, 100°~150°E) 200 hPa纬向风进行EOF分析。, 分别是东亚地区200 hPa纬向风的EOF1和EOF2的分布, 第一和第二主分量分别占总方差的39.9%和16.7%。从EOF1分布可见, 东亚地区200 hPa纬向风场第一分量的正、负分界位于40°N, 这与多年平均夏季200 hPa纬向风场西风急流轴位于40°N一致 (图略), 可见EOF1的空间分布反映了急流轴南北位置变化; 第二主分量的中心位于40°N附近的东亚地区, 反映了纬向风在该区域的年变化最显著, 也就是说该区域的纬向风强度年变化最大; 第三主分量占总方差的10.8%, 其余分量占总方差均小于8%, 这说明夏季东亚西风急流南北位置和强度变化是最主要的特征。把标准化的EK与第一特征向量和第二特征向量的时间系数分别求相关, 相关系数分别为0.49和0.64 (分别通过98%和99.9%的信度检验), 信度检验表明, 扰动动能变化与急流位置、强度变化有很好关系, 即东亚西风急流扰动动能加强, 急流位置偏南、强度偏强; 扰动动能减弱, 急流位置偏北、强度减弱。Enomoto等[]指出, 如果|Δμ|=5 m/s, 则会导致|Δks|~1 (ks为波数), 即急流增强则扰动增强。从上可见, 本文定义的EK指数较好地反映了急流位置、强度与定常扰动的关系。

图 3

图 3. 夏季东亚200 hPa纬向风EOF方差最大的前二个特征模态(a) 第一模态, (b) 第二模态Fig 3. The patterns of the eigenvectors of the first two gravest EOF modes of 200 hPa over East Asia in summer(a) the first mode, (b) the second mode

3 东亚西风急流扰动动能异常与南亚高压的关系

南亚高压是位于200~100 hPa高度上的行星尺度的热力高压, 本章探讨东亚西风急流扰动动能异常与200 hPa的南亚高压关系。用200 hPa上12500 gpm特征线表示南亚高压, 特征线东伸脊点的经度作为东、西振荡指数, 气候态的东脊点位于127°E, 标准偏差为12个经度, 大于12500 gpm的面积作为其强度指数, 气候平均强度为6446.6 g pm, 标准偏差为2918.6 gpm, 可见南亚高压的东西振荡和强度变化都非常显著。南亚高压强度与其东伸脊点位置的相关系数达0.86, 表明高压强、位置偏东。高压区纬向风u=0的纬度作为脊线位置, 30°~140°E气候平均脊线位置为26.2°N, 标准差为1.2个纬度, 表明南亚高压位置的南北变化很小。EK与南亚高压强度、东伸脊点位置的相关系数分别为0.56和0.66, 通过99%的信度检验, 表明扰动动能加强, 南亚高压强且偏东; EK与南亚高压脊线的相关系数为0.37, 未通过信度检验。

, 分别是扰动动能强、弱年200 hPa高度距平合成。扰动强年 () 北半球中高纬环半球呈现“-+-+-+-”高度距平波列, 亚洲—西北太平洋地区 (70°E~160°W) 为范围宽广的负距平区, 距平中心达-30 gpm, 这样尺度的扰动异常超出了单个Rossby波扰动波长, 由于西风急流上存在波数不同的Rossby波扰动, 因此, 这里讨论的东亚西风急流上扰动变化是不同Rossby波扰动的整体反应; 扰动弱年 () 出现环北半球“ +-+-+-”高度距平波列, 亚洲地区 (70°~170°E) 地区为宽广的正距平区, 正距平中心达20 gpm。从还可见, 东亚中纬度扰动动能强年东亚低纬—中纬—高纬出现“ +-+”高度距平波列, 负距平出现在中纬急流区, 说明亚洲35°~45°N位势高度偏低, 急流偏南、纬向风增强 (图略), 100°~130°E纬向风速增强达5 m/s; 正距平出现在东亚高、低纬度, 特别是30°N以南的南亚高压东部出现一个闭合正距平中心, 表明南亚高压东部强度显著增强, 南亚高压东伸脊点达到138°E附近 (图略), 比正常年东伸大约11个经度, 南亚高压东脊点位置东伸与大于25 m/s的强西风带 (阴影区表示纬向风速≥25 m/s的区域) 在东亚地区增强有关。扰动动能弱年, 东亚地区的低纬—中纬—高纬出现“-+-”高度距平波列, 正距平出现在东亚中纬度, 说明东亚35°~45°N位势高度偏高, 急流偏北、纬向风增强 (图略), 东亚地区纬向风速减弱达3 m/s; 负距平出现在东亚高、低纬度, 特别是30°N以南的南亚高压出现一个闭合距平负中心, 表明南亚高压强度减弱, 南亚高压东脊点位于118°E附近 (图略), 比正常年偏西9个经度, 南亚高压东伸脊点位置偏西与大于25 m/s的强西风 (中的阴影区表示纬向风速大于25 m/s的区域) 在120°~150°E断裂有关。

图 4

图 4. 夏季200 hPa高度距平场(单位: gpm; 阴影区表示纬向风速大于25 m/s)(a) 扰动强年, (b) 扰动弱年Fig 4. Geopotential height anomalies at 200 hPa in summer of the strong Ek(a) and weak Ek(b) years(unit: gpm; shade areas indicate zonal winds larger than 25 m/s)

为了进一步说明东亚急流扰动强、弱年南亚高压强度、位置的变化, 给出15°~30°N位势高度纬向-高度剖面图。南亚高压是位于对流层上层的行星尺度高压系统, 从可见, 扰动动能加强年, 南亚高压不但强度强 (正距平中心达100 gpm)、高压体深厚 (正距平达到400 hPa), 东伸到达160°E (在100 hPa尤其明显, 强年比弱年距平零线偏东20个经度)。扰动动能偏弱年, 南亚高压中心强度减弱 (正距平中心80 gpm)、高压体较浅 (正距平到达350 hPa), 东伸到达150°E。以上可见, 东亚中纬度位于东西向中纬度扰动波列和东亚地区南北向波列的交汇区, 显示东亚中纬度扰动动能强弱不仅与北半球中高纬度急流强弱和急流上定常扰动有关, 而且还与东亚地区高、中、低纬南北向的扰动波列有关, 尤其与南亚高压的强弱和东伸关系密切。

图 5

图 5. 夏季15°~30°N位势高度纬向-高度剖面图(单位: gpm)(a) 扰动强年, (b) 扰动弱年Fig 5. Zone-height cross section (averaged over 15°—30°N) of geopotential height in summer of the strong Ek(a) and weak Ek(b) years (unit : gpm)

4 东亚西风急流扰动异常与西太平洋副热带高压的关系

对扰动动能指数与国家气候中心定义的500 hPa西太平洋副热带高压的强度、西伸脊点和脊线指数分别求相关, 结果表明, EK与副热带高压脊线的相关系数达-0.52, 通过99%的信度检验, 说明扰动增强对应副热带高压偏南, 扰动减弱对应副热带高压偏北; EK与副热带高压强度的相关系数为0.12, 没有通过信度检验; 与西伸脊点的相关系数只有-0.1。EK与中层西太平洋副热带高压脊线、副热带高压强度以及西伸脊点的相关系数表明, 中层西太平洋副热带高压南北位置与高层EK强弱变化关系最好。因此重点探讨东亚西风急流扰动动能强弱年500 hPa西太平洋副热带高压位置变化。

给出夏季东亚西风急流扰动动能强弱年500 hPa高度距平场分布。夏季东亚西风急流扰动动能强年, 对流层中层500 hPa高度场亚洲低纬-中纬-高纬出现“ +-+”距平波列, 这类似于热带西太平洋暖池偏冷激发出的东亚-太平洋 (EAP) 遥相关型[], 表明热带西太平洋暖池异常可能通过EAP遥相关与对流层高层西风急流上扰动联系起来, 且位势高度异常分布与对流层高层 () 高度场距平场非常相似, 30°N以南的东亚-西太平洋正距平表明西太平洋副热带高压偏南、偏强。扰动弱年, 对流层中层500 hPa高度亚洲低纬-中纬-高纬出现“-+-”距平波列, 类似于热带西太平洋暖池偏暖激发出的东亚-太平洋 (EAP) 遥相关型[], 东亚-西太平洋热带以及高纬地区出现负距平, 亚洲-日本的中纬度 (30°~50°N) 为正距平, 表明西太平洋副热带高压位置偏北。

图 6

图 6. 夏季500 hPa高度距平场(单位: gpm)(a) 扰动强年, (b) 扰动弱年Fig 6. Geopotential height anomalies at 500 hPa in summer of the strong Ek(a) and weak Ek(b) years (unit : gpm)

EK强弱年不仅中层500 hPa位势高度距平分布与高层200 hPa一致, 700 hPa高度距平分布也与200 hPa和500 hPa基本相同 (图略), 这表明东亚西风急流扰动强弱所关联的波列在对流层整层表现为相当正压结构。

5 东亚对流层环流对西风急流扰动异常的响应

为了进一步探讨东亚对流层环流特别是500 hPa西太平洋副热带高压对东亚西风带扰动异常的响应机理, 给出气候平均态、扰动动能强年和弱年200 hPa散度场的分布。是200 hPa气候平均情况, 气候态散度场的波列中心位于40°N, 西风急流区在40°~150°E内呈现“ +-+-+”的辐散-辐合-辐散-辐合-辐散波列, 低纬阿拉伯海、孟加拉湾、南海和西太平洋为辐散中心,表明夏季这些区域低层上升运动较强。是扰动动能强年情况副热带高压异常, 东亚西风急流区散度距平场的波列中心位于气候态40°N以南, 100°E以东的20°~30°N出现负距平 (高空辐合应匹配下沉运动), 由于20°~30°N区域下沉运动加强, 造成西太平洋副热带高压偏南, 可见东亚扰动动能强年西太平洋副热带高压偏南与东亚西风急流散度距平波列的中心位置偏南有关。是EK异常弱年情况, 东亚西风急流区散度距平场的波列中心位于气候态40°N以北, 100°E以东的20°~30°N出现正距平 (高空辐散与低层上升运动匹配), 由于20°~30°N区域上升运动加强, 说明西太平洋副热带高压位置偏北, 可见东亚扰动动能弱年西太平洋副热带高压偏北与东亚西风急流散度距平波列的中心位置偏北有关。

图 7

图 7. 夏季200 hPa散度场 (单位: 10-6s-1)(a) 气候平均场, (b) 扰动强年距平场, (c) 扰动弱年距平场Fig 7. Divergence at 200 hPa in summer (unit : 10-6s-1)(a) climate mean, (b) anomalies for strong Ek yeas, (c) anomalies for weak Ek years

, 表明东亚西风急流散度距平波列中心位于气候态位置的南侧或北侧, 100°E以东的20°~30°N高空散度距平场出现相应改变, 相应对流层垂直速度距平场也发生变化, 引起西太平洋副热带高压位置变化。为了清楚看出东亚西风急流扰动动能强弱年东亚对流层整层环流的变化, 是EK异常年东亚地区 (110°~130°E平均) 垂直速度距平经向-高度剖面图。是EK异常强年情况, 垂直速度正距平中心出现在30°N以南的20°~30°N地区 (对应是辐合区, 可见高层辐合与下沉运动加强一致), 东亚对流层垂直速度正距平 (下沉运动) 出现在东亚热带地区, 的这种配置说明西太平洋副热带高压强中心位于30°N以南。是EK异常偏弱年情况, 垂直速度负距平中心出现在30°N以南的20°~30°N地区 (对应是辐散区, 可见高层辐散与上升运动加强一致), 东亚对流层上升运动距平出现在东亚热带地区, 的这种配置表明西太平洋副热带高压强中心位移到30°N以北。这从物理机制上解释了EK强弱与副热带高压脊线位置有很好的反相关关系的原因。

图 8

图 8. 夏季垂直速度距平合成经向-高度剖面图 (110°~130°E平均)(单位: Pa·s-1, ω>0表示下沉运动, ωFig 8. Meridian-height cross section (averaged over 110°—130°E) of anomalous vertical velocity in summer of the strong Ek(a) and weak Ek(b) years(unit : Pa/s, ω>0 indicates subsidence, ω

6 结论

夏季200 hPa东亚西风急流扰动动能强弱年200 hPa高空散度以及对流层中下层垂直运动变化与南亚高压和西太平洋副热带高压强度、位置变化的物理量诊断分析表明:

1) 夏季200 hPa高度东亚西风急流扰动动能加强 (减弱) 时, 东亚西风急流位置偏南 (偏北)、强度偏强 (偏弱)。

2) 东亚西风急流扰动动能强弱不仅与北半球西风急流强弱和沿急流的定常扰动有关, 而且还与东亚地区高、中、低纬南北向的扰动波列有关, 亚洲地区是北半球中纬度环球带状波列异常最大的区域。东亚西风急流扰动强 (弱) 年中纬度环球带状波列中心位置比气候态偏南 (北)。

3) 夏季200 hPa东亚西风急流扰动动能加强 (减弱), 南亚高压的主要响应过程反映位置偏东 (西) 及强度加强 (减弱); 西太平洋副热带高压的显著响应过程表现为位置偏南 (偏北)。

4) 东亚环流特别是500 hPa西太平洋副热带高压对东亚西风带扰动异常的响应, 由高空东亚西风急流南侧的散度场及其对流层中下层热带和副热带地区的垂直速度距平场变化完成。