近赤道海溫對(duì)西太平洋副高強(qiáng)度的影響機(jī)理——模糊映射診斷

張韌，彭鵬，洪梅，黎鑫，余丹丹

(解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇南京211101)

0 引言

近赤道海溫狀況和分布構(gòu)型及其變異對(duì)西太平洋副高強(qiáng)度和位置及其基本活動(dòng)形態(tài)有重要的制約和影響，尤其是赤道東太平洋、西太平洋和印度洋海溫與副高的關(guān)系和作用機(jī)理已為許多學(xué)者重視，取得了許多有意義的研究成果(符淙斌，1977;陳烈庭，1982;龔道溢和王紹武，1998;張韌等，2010，2012)。李崇銀(1995)認(rèn)為El Nino年西太平洋副高脊線位置較常年平均位置偏南，La Nina年西太平洋副高脊線位置則較常年偏北。陳烈庭(1982)、陳烈庭和吳仁廣(1998)指出，赤道東太平洋海溫偏高時(shí)，副高減弱東撤且位置偏北;海溫偏低時(shí)，副高加潮地區(qū)SST正異常的響應(yīng)也可出現(xiàn)類似PNA的環(huán)流異常等。

上述研究表明，赤道海溫對(duì)副高強(qiáng)度和形態(tài)的影響并沒有嚴(yán)格的規(guī)律可循，各種相關(guān)和影響是相對(duì)的、有條件的，不同El Nino位相期對(duì)副高的影響不盡相同，不同海域的海溫異常對(duì)副高影響的差異很大。因此進(jìn)一步綜合討論和研究不同海溫構(gòu)型及其轉(zhuǎn)換過程、海溫變化狀況(升/降快慢和幅度)以及不同海域?qū)Ω备呋顒?dòng)的影響，不僅可以對(duì)近赤道海溫與西太平洋副高的關(guān)系有一個(gè)較全面的認(rèn)識(shí)，也利于解釋和溝通一些不同研究觀點(diǎn)之間的差異。

1 模糊映射和模糊推理

強(qiáng)西伸并偏南。李崇銀(1995)、葉篤正等(1991)認(rèn)為，El Nino爆發(fā)年夏季，西太平洋副高往往強(qiáng)度偏弱，位置偏東偏南;而在次年夏季(尤其對(duì)持續(xù)型El Nino事件的第二年)西太平洋副高往往明顯加強(qiáng)，位置偏西偏北。應(yīng)明和孫淑清(2000)指出，強(qiáng)副高年一般對(duì)應(yīng)El Nino型海溫分布，弱副高年則一般對(duì)應(yīng)La Nina型海溫分布。對(duì)于西太平洋海溫對(duì)副高的影響，Nitta(1986)、黃榮輝和李維京(1988)、黃榮輝和孫鳳英(1994)認(rèn)為，西太平洋海溫偏暖時(shí)，將導(dǎo)致東亞上空副高加強(qiáng)、偏北;反之，東亞上空副高減弱、偏南。但Nitta(1990)、應(yīng)明和孫淑清(2000)則指出，西太平洋海溫對(duì)副高的影響有其不確定的方面。羅紹華和金祖輝(1987)、吳國(guó)雄和孟文(1998)揭示了副高對(duì)印度洋海溫異常的響應(yīng)特征。此外，赤道海溫對(duì)大氣位勢(shì)的影響還可以通過大氣環(huán)流的響應(yīng)表現(xiàn)出來，如El Nino期間赤道東太平洋海溫異常增溫利于PNA遙相關(guān)型的出現(xiàn)(Shukla and Wallace，1983);太平洋—日本(P-J)濤動(dòng)、夏季北半球P-J波列與赤道西太平洋地區(qū)對(duì)流活動(dòng)乃至El Nino事件密切相關(guān)(Nitta，1987);大氣對(duì)冬季黑

模糊理論由美國(guó)加州伯克利大學(xué)Lotfi Zadeh創(chuàng)立，1965年他發(fā)表了“模糊集合”一文，首次引入了模糊概念:Fuzzy，對(duì)一個(gè)集合中的每一個(gè)物體，詳盡描述了一個(gè)完備的模糊集代數(shù)系統(tǒng)并擴(kuò)展成模式識(shí)別的凸分離論(Zadeh，1965)。模糊系統(tǒng)的核心是對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)或過程建立一種語言分析的數(shù)學(xué)模式，將專家經(jīng)驗(yàn)或?qū)嵺`感知從自然描述語言直接轉(zhuǎn)化為用模糊規(guī)則和模糊集合表示的定量的計(jì)算機(jī)算法和控制系統(tǒng)。模糊集合打破了經(jīng)典集合中只有0和1的界限。在模糊集合的概念中，任一元素可同時(shí)部分地屬于多個(gè)模糊子集，隸屬關(guān)系用隸屬度來表示。模糊系統(tǒng)主要是由模糊規(guī)則、模糊邏輯推理和非模糊化等幾部分組成。模糊規(guī)則是定義在模糊集合上的規(guī)則，它是模糊系統(tǒng)的基本單元，模糊規(guī)則的形式為:IF A is a then B is b，其中A和B是語言變量，而a和b是隸屬函數(shù)映射的語言值。這些模糊規(guī)則都可以表示成模糊伴隨記憶FAM(Fuzzy Associated Memory)。進(jìn)行模糊映射推理的模糊邏輯控制器基本結(jié)構(gòu)(Kosko，1999)如圖1所示，主要包括5個(gè)部份:1)Rule base，由許多的“IF…THEN…”形式的模糊規(guī)則組成;2)Data base，定義隸屬函數(shù)的形式與范圍;3)Decision-making unit，執(zhí)行模糊規(guī)則的推理單元;4)Fuzzification interface，將輸入轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)隸屬函數(shù)的模糊語言值;5)Defuzzification interface，將模糊計(jì)算和推理結(jié)果非模糊化為常規(guī)形式。

圖1 模糊邏輯控制器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure sketch map of fuzzy logical controller

模糊系統(tǒng)可以通過學(xué)習(xí)的途徑從訓(xùn)練數(shù)據(jù)中建立歸納起輸入輸出的映射規(guī)則或調(diào)整優(yōu)化已有的模糊規(guī)則。學(xué)習(xí)方法可以是無監(jiān)督的數(shù)據(jù)聚類，也可以是有監(jiān)督的梯度下降。通常，用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或統(tǒng)計(jì)聚類從訓(xùn)練數(shù)據(jù)中獲取模糊系統(tǒng)的初始規(guī)則集，然后通過試驗(yàn)或用梯度遞減等監(jiān)督學(xué)習(xí)調(diào)整優(yōu)化這些初始的模糊規(guī)則?；谟?xùn)練優(yōu)化模糊規(guī)則的模糊推理系統(tǒng)可逼近和描述高維的非線性函數(shù)和復(fù)雜動(dòng)力系統(tǒng)(Kosko，1999)。

自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模糊推理系統(tǒng)ANFIS(Adaptive-Netwook-Based Fuzzy Inference System)可通過訓(xùn)練和自適應(yīng)學(xué)習(xí)，完成在傳統(tǒng)模糊系統(tǒng)中靠經(jīng)驗(yàn)調(diào)整隸屬函數(shù)以減小誤差、提高逼近效率的工作。它以復(fù)合式學(xué)習(xí)過程為基礎(chǔ)，分別運(yùn)用最小平方法和后傳梯度下降法來辯識(shí)線性和非線性參數(shù)，從而建立起一套“IF…THEN…”規(guī)則的模糊推理系統(tǒng)，并逐漸調(diào)配出適當(dāng)?shù)碾`屬函數(shù)來滿足所需模糊推理系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系。ANFIS的算法原理和計(jì)算步驟可參考Kosko(1999)，這里不再贅述。

2 副高面積指數(shù)同赤道海溫的映射關(guān)系

2.1 資料

資料包括:1)1970年6月—2010年12月共40 a的月平均副高面積指數(shù);2)NCEP/NCAR及COADS同期超前5個(gè)月的全球1970年1月—1995年7月、2.5°×2.5°格點(diǎn)月平均海溫場(chǎng)。

研究對(duì)象為西太平洋副高面積指數(shù)(SHAI，采用中央氣象臺(tái)定義的計(jì)算方案);討論副高面積指數(shù)與如下3個(gè)區(qū)域的海溫距平值的映射關(guān)系。1)超前2～5個(gè)月的赤道東太平洋(180°～90°W、10°S～0°海區(qū)格點(diǎn)平均)海溫距平值(SSTse);2)超前2～5個(gè)月的赤道西太平洋(120 ～165°E、0°～15°N海區(qū)格點(diǎn)平均，記為 SSTnw1;105 ～150°E、0°～15°N海區(qū)格點(diǎn)平均，記為SSTnw2)海溫距平值;3)超前2～5個(gè)月赤道北印度洋(50 ～90°E、0°～15°N 海區(qū)格點(diǎn)平均)海溫距平值(SSTid)。

2.2 模糊映射

模糊推理方法能較為有效地識(shí)別和處理那些由于缺少相關(guān)信息而表現(xiàn)出不確定性的復(fù)雜問題，因此也適于副高與海溫關(guān)系的研究(海溫?zé)o疑是副高活動(dòng)的重要影響因子，但海溫與副高的非線性關(guān)系嚴(yán)格地說是未知的)。本文擬利用模糊系統(tǒng)ANFIS模型，分別討論赤道東太平洋、西太平洋和印度洋海溫與西太平洋副高的映射關(guān)系和相關(guān)結(jié)構(gòu)，對(duì)不同區(qū)域的海溫影響副高強(qiáng)度和活動(dòng)形態(tài)的特征、程度及對(duì)副高異常的貢獻(xiàn)等問題進(jìn)行研究和探討。

ANFIS用一個(gè)有2N個(gè)規(guī)則的Sugeno-FIS(Fuzzy Inference System)來適應(yīng)訓(xùn)練數(shù)據(jù)，其中N為輸入數(shù)據(jù)的維數(shù)(通常取N＜7)。訓(xùn)練后的模糊系統(tǒng)以一個(gè)FIS矩陣的形式返回。本文采用由4個(gè)網(wǎng)絡(luò)輸入(超前副高面積指數(shù)2、3、4、5個(gè)月的海溫指數(shù))和1個(gè)網(wǎng)絡(luò)輸出(當(dāng)前月的副高面積指數(shù))構(gòu)成的ANFIS模糊推理系統(tǒng)，利用上述副高指數(shù)和赤道海溫指數(shù)時(shí)間序列資料自適應(yīng)模糊映射訓(xùn)練。模型的訓(xùn)練建立和推理仿真采用Matlab語言編程，在Fuzzy Toolbox仿真環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。

2.3 副高面積指數(shù)與赤道東太平洋海溫映射關(guān)系

圖2為赤道東太平洋海溫SSTse與副高面積指數(shù)的時(shí)滯相關(guān)分析。分析顯示，副高面積指數(shù)與超前2～6個(gè)月的SSTse均存在相關(guān)系數(shù)大于0.45(通過0.05信度的顯著性檢驗(yàn)，下同)的顯著正相關(guān)。但其細(xì)致相關(guān)特性仍需更深入分析。圖3、4、5分別是副高面積指數(shù)與超前2～3、3～4和4～5個(gè)月的SSTse的模糊映射關(guān)系。

圖2 副高面積指數(shù)與SSTse的時(shí)滯相關(guān)系數(shù)Fig.2 Time lag correlation coefficients between SHAI and SSTse

圖3 SSTse與滯后2～3個(gè)月的副高指數(shù)的映射關(guān)系Fig.3 Mapping relation between SSTse and 2—3 months delayed SHAI

圖4 SSTse與滯后3～4個(gè)月的副高指數(shù)的映射關(guān)系Fig.4 Mapping relation between SSTse and 3—4 months delayed SHAI

圖5 SSTse與滯后4～5個(gè)月的副高指數(shù)的映射關(guān)系Fig.5 Mapping relation between SSTse and 4—5 months delayed SHAI

圖3中的映射特征表明:若赤道東太平洋海溫迅速增暖(從3個(gè)月前的負(fù)距平快速增加到2個(gè)月前的正距平)，則2個(gè)月之后的副高面積指數(shù)對(duì)SSTse的增暖將出現(xiàn)較明顯的負(fù)距平減弱響應(yīng)(圖3中A點(diǎn));而對(duì)SSTse的快速變冷過程則會(huì)出現(xiàn)正距平增強(qiáng)響應(yīng)趨勢(shì)(圖3中B點(diǎn))。圖4顯示，3個(gè)月后副高對(duì)SSTse的增溫仍表現(xiàn)出負(fù)距平減弱響應(yīng)，但幅度減小(圖4中A點(diǎn));而對(duì)SSTse降溫則表現(xiàn)出正距平增強(qiáng)響應(yīng)，幅度明顯增強(qiáng)(圖4中B點(diǎn))。類似地，圖5中副高對(duì)4個(gè)月前的SSTse增溫表現(xiàn)出的負(fù)距平響應(yīng)幅度進(jìn)一步減弱(圖5中A點(diǎn))，但對(duì)SSTse降溫的正距平響應(yīng)幅度則進(jìn)一步增強(qiáng)(圖5中B點(diǎn))。然而，無論前期赤道東太平洋海區(qū)的海溫基本狀況偏冷或偏暖，若沒有明顯變化，則西太副高面積指數(shù)的響應(yīng)均是較小的(圖3—5中的C、D點(diǎn))。

上述響應(yīng)過程機(jī)理可能是海溫的劇烈變化可激發(fā)顯著的海面氣壓場(chǎng)擾動(dòng)，致使海面風(fēng)場(chǎng)或局地環(huán)流變異，再通過影響Walker環(huán)流或西太平洋海區(qū)的Hadely環(huán)流，進(jìn)而影響西太平洋副高強(qiáng)度;若海溫變化幅度較小，則上述擾動(dòng)效應(yīng)也較小，副高的響應(yīng)幅度也相應(yīng)較小。

綜上所述，西太平洋副高面積指數(shù)對(duì)赤道東太平洋海溫的增暖過程會(huì)出現(xiàn)負(fù)距平的衰減響應(yīng)，響應(yīng)幅度隨時(shí)間逐漸加強(qiáng)。上述影響過程在實(shí)際天氣中也有較好的表現(xiàn)，如1982/1983年El Nino事件期間，赤道東太平洋海溫從1982年初開始迅速增溫，到1982年底增溫達(dá)最強(qiáng)。但同期西太平洋副高尚無顯著變化，位置偏東(160°E)、偏北(20°N)(圖6a);2個(gè)月后(1983年2月)副高對(duì)SSTse的增溫出現(xiàn)明顯響應(yīng)，首先表現(xiàn)為強(qiáng)度減弱、脊線迅速南落至12～15°N(圖6b);4個(gè)月后(1983年4月)副高脊線略微北抬(15～18°N)和西伸(圖6c)，響應(yīng)過程與上述映射分析推測(cè)機(jī)理基本吻合。

對(duì)赤道東太平洋海溫的降溫過程，副高則表現(xiàn)出顯著的正距平增強(qiáng)響應(yīng)，響應(yīng)幅度則隨時(shí)間而減弱(滯后4個(gè)月的響應(yīng)幅度最強(qiáng)，滯后2個(gè)月的響應(yīng)幅度最弱)。1988年La Nina事件中，赤道東太平洋海溫從1988年初開始快速降低，到1988年底達(dá)最大降溫。同期副高對(duì)SSTse降溫并未有明顯響應(yīng)，表現(xiàn)為位置偏北(18～20°N)、偏東(160°E)(圖7a);兩個(gè)月后(1989年2月)副高對(duì)SSTse降溫的響應(yīng)表現(xiàn)為脊線略有南落(15°N左右)(圖7b);3個(gè)月后(1989年3月)副高繼續(xù)南落至最低緯度(12°N左右)，強(qiáng)度減弱(圖7c);4個(gè)月后響應(yīng)從南落轉(zhuǎn)為北抬(15～18°N)，強(qiáng)度也有所加強(qiáng)(圖7d)，表現(xiàn)出先減弱、后逐漸增強(qiáng)的響應(yīng)過程和態(tài)勢(shì)。

若海溫的變化幅度(增暖或降溫)較小，則副高的響應(yīng)也相應(yīng)平緩。這表明導(dǎo)致副高出現(xiàn)強(qiáng)、弱變化響應(yīng)的主要因子是赤道東太平洋海溫的變異幅度和速度，而非其基本的冷、熱狀況，西太平洋副高強(qiáng)度的變異可能主要發(fā)生在SSTse異常升降或出現(xiàn)突變(如El Nino/La Nina)的情況下。

圖6 500hPa月平均位勢(shì)高度場(chǎng)(單位:gpm) a.1982年12月;b.1983年2月;c.1983年4 月Fig.6 Monthly averaged geopotential height field at 500 hPa(units:gpm) a.December 1982;b.February 1983;c.April 1983

2.4 副高面積指數(shù)與赤道印度洋海溫映射關(guān)系

赤道北印度洋海溫SSTid與副高面積指數(shù)的時(shí)滯相關(guān)分析顯示，副高面積指數(shù)與同期以及超前數(shù)月的SSTse存在一致的顯著正相關(guān)，但實(shí)際SSTid與副高面積指數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系可能要復(fù)雜得多。圖8、9、10分別是副高面積指數(shù)與超前2～3、3～4和4～5個(gè)月SSTid之間的映射關(guān)系。

比較圖8—10的映射特征可以發(fā)現(xiàn):圖8中對(duì)于赤道印度洋海溫的迅速增暖，2個(gè)月后的副高面積指數(shù)將出現(xiàn)較明顯的正距平增強(qiáng)(圖8中A點(diǎn));但對(duì)于變冷引起的負(fù)距平衰減響應(yīng)幅度則小得多(圖8中B點(diǎn));圖9、圖10中副高面積指數(shù)對(duì)3個(gè)月、4個(gè)月前的SSTid增溫只呈現(xiàn)出較弱的增強(qiáng)響應(yīng)態(tài)勢(shì)(圖9、10中A點(diǎn));而對(duì)SSTid降溫的衰減響應(yīng)態(tài)勢(shì)則要比2個(gè)月前顯著得多(圖9、10中B點(diǎn))。同樣，無論前期赤道印度洋海區(qū)的海溫基本狀況偏冷或偏暖，若無明顯變化，則西太平洋副高面積指數(shù)的響應(yīng)均是較小的(圖8—10中 C、D點(diǎn))。即，若SSTid穩(wěn)定少變，則海溫偏暖、偏冷基本狀況對(duì)副高沒有明顯影響，副高強(qiáng)度的顯著變化主要發(fā)生在SSTid突變的情況下，穩(wěn)定的海溫狀況一般不易導(dǎo)致副高異常。

圖7 500 hPa月平均位勢(shì)高度場(chǎng)(單位:gpm) a.1988年12月;b.1989年2月;c.1989年3月;d.1989年4月Fig.7 Monthly averaged geopotential height field at 500 hPa(units:gpm) a.December 1988;b.February 1989;c.March 1989;d.April 1989

圖8 SSTid與滯后2～3個(gè)月的副高面積指數(shù)的映射關(guān)系Fig.8 Mapping relation between SSTid and 2—3 months delayed SHAI

圖9 SSTid與滯后3～4個(gè)月的副高指數(shù)的映射關(guān)系Fig.9 Mapping relation between SSTid and 3—4 months delayed SHAI

圖10 SSTid與滯后4～5個(gè)月的副高指數(shù)的映射關(guān)系Fig.10 Mapping relation between SSTid and 4—5 months delayed SHAI

上述分析表明:西太平洋副高強(qiáng)度對(duì)赤道印度洋海溫增暖/變冷的響應(yīng)態(tài)勢(shì)與對(duì)赤道東太平洋海溫的響應(yīng)態(tài)勢(shì)正好相反:即若赤道印度洋海溫增暖，副高則會(huì)出現(xiàn)增強(qiáng)響應(yīng)，響應(yīng)幅度隨時(shí)間由遠(yuǎn)而近增強(qiáng)(3、4個(gè)月前響應(yīng)幅度較弱，2個(gè)月前響應(yīng)幅度較強(qiáng));若赤道印度洋海溫降溫，副高則會(huì)出現(xiàn)減弱響應(yīng)，響應(yīng)幅度滯后3、4個(gè)月較強(qiáng)，滯后2個(gè)月較弱。

實(shí)例1:2009年2—4月印度洋海區(qū)出現(xiàn)了一次較明顯的增暖過程(SSTid區(qū)域海溫距平2月為－0.568℃，4月為0.437℃)，隨著SSTid的這次增暖，副高在隨后的5—7月出現(xiàn)一次顯著增強(qiáng)過程(圖11)。實(shí)例2:2010年5—8月印度洋海區(qū)出現(xiàn)了一次明顯的降溫過程(SSTid區(qū)域海溫距平5月為0.374℃，8月為－0.581℃)，伴隨SSTid的這次降溫，副高在其后的8—10月出現(xiàn)一次明顯減弱過程(圖12)。

需要指出的是，副高強(qiáng)度對(duì)于赤道海溫的響應(yīng)幅度(尤其是增強(qiáng)響應(yīng))，赤道東太平洋海溫仍遠(yuǎn)大于赤道印度洋海溫(比較圖3—5與圖8—10)。這表明，前者可能仍是導(dǎo)致副高異常的更重要因素。

2.5 副高面積指數(shù)同西太平洋海溫的映射關(guān)系

赤道西太平洋海溫與副高面積指數(shù)之間的時(shí)滯相關(guān)特征較為復(fù)雜，不及與SSTse和SSTid的相關(guān)性明顯。副高面積指數(shù)與超前2～3和3～4個(gè)月SSTnw1之間的映射關(guān)系表明:對(duì)于SSTnw1的快速增暖，2個(gè)月后副高面積指數(shù)將出現(xiàn)顯著的負(fù)距平衰減響應(yīng)(圖13中A點(diǎn))，但對(duì)SSTnw1的變冷則沒有明顯響應(yīng)(圖13中B點(diǎn))。對(duì)于3個(gè)月前的SST-nw2增暖，副高有一定程度的負(fù)距平衰減響應(yīng)(但弱于2月前的SSTnw1增暖響應(yīng)，圖14中A點(diǎn))，然而對(duì)于SSTnw2的降溫則表現(xiàn)出較大的正距平增強(qiáng)響應(yīng)(圖14中B點(diǎn))。即副高對(duì)赤道西太平洋海溫的快速增暖會(huì)表現(xiàn)出負(fù)距平的衰減響應(yīng)，響應(yīng)幅度隨時(shí)間逐漸增強(qiáng);副高對(duì)超前2～3月的赤道西太平洋海溫的變冷過程有較一定的增強(qiáng)響應(yīng)，但具有一定的不確定性，表明這種遙相關(guān)響應(yīng)有一定的時(shí)間位相特性。同樣，無論前期赤道西太平洋海區(qū)海溫基本狀況偏冷或偏暖，若無明顯變化，則西太平洋副高面積指數(shù)的響應(yīng)均較小(圖13—14中C、D點(diǎn))。即若海溫穩(wěn)定少變，則無論其偏暖、偏冷狀況對(duì)副高無明顯影響，副高強(qiáng)度的顯著變化亦發(fā)生在海溫突變情況下，穩(wěn)定的海溫狀況不易導(dǎo)致副高異常。

2008年4—6 月，赤道西太平洋海區(qū)出現(xiàn)了一次較明顯的增溫過程(4月SSTnw1海溫平均距平為－0.405℃，6月則增加到0.253℃);對(duì)應(yīng)SSTnw1的這次增溫過程，副高在隨后的7—9月出現(xiàn)了一次較明顯的減弱過程(見圖15中副高中心G及副高范圍)。

圖11 500 hPa月平均位勢(shì)高度場(chǎng)(單位:gpm) a.2009年5月;b.2009年7月Fig.11 Monthly averaged geopotential height field at 500 hPa(units:gpm) a.May 2009;b.July 2009

圖12 500 hPa月平均位勢(shì)高度場(chǎng)(單位:gpm) a.2010年8月;b.2010年10月Fig.12 Monthly averaged geopotential height field at 500 hPa(units:gpm) a.August 2010;b.October 2010

圖13 SSTnw1與滯后2、3個(gè)月的副高指數(shù)的映射關(guān)系Fig.13 Mapping relation between SSTnw1 and 2—3 months delayed SHAI

圖14 SSTnw2與滯后3、4個(gè)月的副高指數(shù)的映射關(guān)系Fig.14 Mapping relation between SSTnw2 and 3—4 months delayed SHAI

圖15 500 hPa月平均位勢(shì)高度場(chǎng)(單位:gpm) a.2008年7月;b.2008年9月Fig.15 Monthly averaged geopotential height field at 500 hPa(units:gpm) a.July 2008;b.Septmber 2008

此外，若SSTnw1增暖/變冷過程相對(duì)較緩，則副高對(duì)SSTnw1的增暖仍表現(xiàn)出負(fù)距平減弱響應(yīng)，但響應(yīng)幅度大大減小;若SSTnw1的增暖過程進(jìn)一步趨緩，則副高響應(yīng)態(tài)勢(shì)似會(huì)發(fā)生逆轉(zhuǎn)而又會(huì)表現(xiàn)出正距平的增強(qiáng)響應(yīng)態(tài)勢(shì)，但副高對(duì)SSTnw1的緩慢變冷過程沒有明顯響應(yīng)(圖略)。

上述討論表明，副高對(duì)赤道西太平洋海溫超前2個(gè)月的增暖過程有明顯的衰減響應(yīng);而對(duì)超前3個(gè)月的降溫過程有較明顯的增強(qiáng)響應(yīng)。此外，副高對(duì)SSTnw1的增暖急緩可能表現(xiàn)出不同的響應(yīng)態(tài)勢(shì)。SSTnw1迅速增暖利于副高減弱;而緩慢增暖則可能利于副高增強(qiáng)?？傊?，副高對(duì)于赤道西太平洋海溫變化的響應(yīng)較之赤道東太平洋和赤道印度洋的海溫響應(yīng)表現(xiàn)出更大的復(fù)雜性和不確定性。

3 結(jié)論和討論

基于模糊系統(tǒng)的檢測(cè)分析方法與基于頻率結(jié)構(gòu)的濾波方法不同，它用模糊推理逼近來識(shí)別具體因子產(chǎn)生的影響或貢獻(xiàn)。因此，這種方法能針對(duì)性地檢測(cè)和分析不同因子對(duì)天氣系統(tǒng)變化或異常的作用大小和影響程度。模糊系統(tǒng)非線性、容錯(cuò)性、自適應(yīng)性和聯(lián)想學(xué)習(xí)功能適宜于處理副高等具有較大不確定因素的問題。本文將西太平洋副高作為研究對(duì)象，將赤道東太平洋、西太平洋及印度洋海溫作為影響因子，運(yùn)用模糊推理方法討論實(shí)驗(yàn)了上述海區(qū)海溫狀況、冷暖變化和變化快慢可能對(duì)副高活動(dòng)產(chǎn)生的影響，得到了一些見解和結(jié)論。

1)赤道東太平洋海溫對(duì)副高的影響。a)副高面積指數(shù)對(duì)赤道東太平洋海溫的迅速變冷過程會(huì)出現(xiàn)正距平的增強(qiáng)響應(yīng)，響應(yīng)幅度隨時(shí)間逐漸減弱;對(duì)赤道東太平洋海溫的迅速增暖過程，副高將出現(xiàn)負(fù)距平衰減響應(yīng)，響應(yīng)幅度隨時(shí)間逐漸增強(qiáng)。b)若SSTse維持不變或少變，則海溫偏暖或偏冷狀況對(duì)副高均無顯著影響。表明副高強(qiáng)度變異主要發(fā)生在SSTse突變情況下，如在El Nino/La Nina的快速增長(zhǎng)期/衰減期更易出現(xiàn)副高強(qiáng)度的異常。

2)赤道印度洋海溫對(duì)副高的影響。a)副高對(duì)赤道印度洋海溫的迅速增暖過程會(huì)很快出現(xiàn)正距平的增強(qiáng)響應(yīng)，其響應(yīng)幅度隨時(shí)間逐漸增強(qiáng);對(duì)赤道印度洋海溫的迅速變冷過程，副高將出現(xiàn)負(fù)距平衰減響應(yīng)，響應(yīng)幅度隨時(shí)間逐漸減弱。即副高對(duì)赤道印度洋海溫增暖/變冷的響應(yīng)態(tài)勢(shì)與對(duì)赤道東太平洋海溫的響應(yīng)態(tài)勢(shì)相反。b)若SSTid變化較平緩，則副高對(duì)SSTid的增暖/變冷亦表現(xiàn)出增強(qiáng)/衰減響應(yīng)態(tài)勢(shì)，但響應(yīng)幅度弱小得多。c)若SSTid增暖/變冷幅度不大或穩(wěn)定少變，則海溫暖、冷狀況對(duì)副高強(qiáng)度影響不大，表明副高強(qiáng)度的變異與SSTid的突變密切相關(guān)，穩(wěn)定的海溫狀況不易引起副高異常。

3)赤道西太平洋海溫對(duì)副高的影響。a)副高對(duì)赤道西太平洋海溫的迅速增暖過程很快表現(xiàn)出負(fù)距平衰減響應(yīng)，響應(yīng)幅度隨著時(shí)間先小后大，在增暖2個(gè)月后負(fù)距平響應(yīng)最大。b)副高對(duì)SSTnw1的增暖急緩快慢表現(xiàn)出不同的響應(yīng)態(tài)勢(shì)，SSTnw1迅速增暖利于副高衰減;而緩慢增暖利于副高增強(qiáng)。c)副高對(duì)赤道西太平洋海溫的變冷過程有滯后3個(gè)月的增強(qiáng)響應(yīng)趨勢(shì)。

赤道海溫對(duì)大氣位勢(shì)的影響可通過大氣環(huán)流的響應(yīng)，如各種波列和遙相關(guān)型表現(xiàn)出來，這種觀點(diǎn)已為人們所共識(shí)。因此，副高的上述響應(yīng)形式有可能是通過海溫冷暖變化產(chǎn)生的準(zhǔn)定常波列或遙相關(guān)型來實(shí)現(xiàn)的，表現(xiàn)為副高對(duì)海溫變化幅度的響應(yīng)遠(yuǎn)大于對(duì)海溫自身狀況的響應(yīng)。具體的影響機(jī)制有待觀測(cè)事實(shí)支持和進(jìn)一步的研究論證。

對(duì)比副高與不同海區(qū)海溫的映射關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，副高強(qiáng)度的響應(yīng)幅度存在較大的區(qū)域差異:副高對(duì)赤道東太平洋海溫變化的響應(yīng)幅度最顯著，對(duì)赤道西太平洋海溫的響應(yīng)幅度次之，對(duì)赤道印度洋海溫變化的響應(yīng)幅度最小。這可能與赤道東、西太平洋海溫變化和冷暖位相循環(huán)本身就較為顯著有關(guān)(如El Nino/La Nina)，赤道印度洋海區(qū)盡管也存在海溫變化和冷暖循環(huán)(如印度洋偶極子)，但是擾動(dòng)幅度和影響范圍較之前者要小得多。當(dāng)然，不排除不同海區(qū)存在影響制約機(jī)理的差異，這有待進(jìn)一步的研究。

以上研究除證實(shí)一些已有研究結(jié)果外，提出了一些新的見解，如副高變異(增強(qiáng)或減弱)主要出現(xiàn)在海溫快速變化時(shí)期;副高對(duì)西太平洋海溫變化的響應(yīng)表現(xiàn)出一定的不確定性等。

陳烈庭.1982.北太平洋副熱帶高壓與赤道東部海溫的相互作用［J］.大氣科學(xué)，6(2):148-156.

陳烈庭，吳仁廣.1998.太平洋各海區(qū)海溫異常對(duì)中國(guó)東部夏季雨帶類型的共同研究［J］.大氣科學(xué)，22(5):718-726.

符淙斌.1977.熱帶海洋對(duì)副熱帶高壓長(zhǎng)期變化的影響［J］.科學(xué)通報(bào)，21(3):313-317.

龔道溢，王紹武.1998.南北半球副熱帶高壓對(duì)赤道東太平洋海溫變化的響應(yīng)［J］.海洋學(xué)報(bào)，20(5):44-54.

黃榮輝，李維京.1988.夏季熱帶西太平洋上空的熱源異常對(duì)東亞上空副熱帶高壓的影響及物理機(jī)制［J］.大氣科學(xué)，12(1):107-116.

黃榮輝，孫鳳英.1994.熱帶西太平洋暖池上空的對(duì)流活動(dòng)對(duì)東亞夏季氣候異常的影響［J］.大氣科學(xué)，18(2):141-151.

李崇銀.1995.氣候動(dòng)力學(xué)引論.北京:氣象出版社.

羅紹華，金祖輝.1987.北印度洋和南海海溫異常對(duì)夏季環(huán)流及長(zhǎng)江中下游梅雨期旱澇關(guān)系探討［C］//氣象科學(xué)技術(shù)集刊(季風(fēng)論文專集).北京:氣象出版社.

吳國(guó)雄，孟文.1998.赤道印度洋—太平洋地區(qū)海氣系統(tǒng)的齒輪式耦合和 ENSO 事件［J］.大氣科學(xué)，22(4)，470-480.

葉篤正，曾慶存，郭裕福.1991.當(dāng)代氣候研究［M］.北京:氣象出版社.

應(yīng)明，孫淑清.2000.西太平洋副熱帶高壓對(duì)熱帶海溫異常響應(yīng)的研究［J］.大氣科學(xué)，24(2):193-206.

張韌，董兆俊，洪梅.2010.影響副高活動(dòng)的熱力強(qiáng)迫作用—?jiǎng)恿W(xué)解析模型［J］.氣象科學(xué)，30(5):646-649.

張韌，洪梅，劉科峰.2012.2007/2008年冬季雨雪冰凍災(zāi)害的副熱帶高壓環(huán)流背景與變異特征［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，35(1):1-9.

Kosko B.1999.模糊工程［M］.黃崇福，譯.西安:西安交通大學(xué)出版社.

Nitta T.1986.Long-term variations of cloud amount in the western Pacific Region［J］.J Meteor Soc Japan，64:373-390.

Nitta T.1987.Convective activities in the tropical western Pacific and their impact on the Northern Hemisphere summer circulation［J］.J Meteor Soc Japan，65:373-390.

Nitta T.1990.Unusual summer weather over Japan in 1988 and its relationship to the tropics［J］.J Meteor Soc Japan，68:575-587.

Shukla J，Wallace J M.1983.Numerical simulation of the atmospheric response to equatorial Pacific sea surface temperature anomalies［J］.J Atmos Sci，40:256-265.

Zadeh L A.1965.Fuzzy sets［J］.Information and Control，8:338-353.