西北太平洋副高東西變動(dòng)與西南地區(qū)降水的關(guān)系

晏紅明 王 靈

1)(云南省氣候中心， 昆明 650034) 2)(云南省氣象局， 昆明 650034)

引 言

西北太平洋副熱帶高壓(簡(jiǎn)稱副高)是影響東亞氣候的大尺度環(huán)流系統(tǒng)之一，在東亞氣候異常中占重要地位。冬季副高變化對(duì)東亞冬季風(fēng)活動(dòng)有阻擋作用；夏季副高位置與東亞副熱帶夏季風(fēng)活動(dòng)相聯(lián)系，其西北側(cè)的低空西南氣流向東亞地區(qū)輸送大量水汽，并對(duì)中國(guó)東部雨帶位置變化起決定作用[1-4]。因此，副高的位置、形態(tài)和強(qiáng)度決定著東亞地區(qū)的氣候異常，在中國(guó)氣候變化中起重要作用。

副高具有明顯的季節(jié)變化，尤其在夏季，往往表現(xiàn)出緩慢或跳躍式的北移，6月中旬副高脊線移過(guò)20°N，在20°～25°N間徘徊；7月中旬跳過(guò)25°N，在25°～30°N間擺動(dòng)；8月初移過(guò)30°N，達(dá)到最北位置；9月后副高勢(shì)力逐漸減弱，脊線開(kāi)始自北向南迅速撤退[5-6]。由于副高的季節(jié)性南北移動(dòng)，其活動(dòng)通過(guò)對(duì)東亞副熱帶夏季風(fēng)水汽輸送的影響以及對(duì)由北至南冷空氣的阻擋作用，在很大程度上影響鋒面活動(dòng)的位置，進(jìn)而影響中國(guó)東部雨帶位置的變化[7-11]。因此，以往的很多工作主要關(guān)注副高在南北方向的移動(dòng)[12-14]，對(duì)東西偏移的關(guān)注相對(duì)較少，尤其是副高變化對(duì)西南地區(qū)氣候影響方面的關(guān)注就更少。中國(guó)西南位于青藏高原向東延伸部位，海拔高，緯度偏低，副高對(duì)西南地區(qū)氣候的影響沒(méi)有對(duì)東部地區(qū)直接，因此，一直以來(lái)很少有工作關(guān)注副高活動(dòng)對(duì)西南地區(qū)天氣氣候的影響。但在實(shí)際業(yè)務(wù)工作中發(fā)現(xiàn)，副高變化通過(guò)影響周?chē)h(huán)流系統(tǒng)的配置對(duì)西南地區(qū)天氣氣候同樣有重要作用，特別是2009—2013年云南發(fā)生了有氣象記錄以來(lái)最嚴(yán)重的持續(xù)性干旱過(guò)程。云南地區(qū)的持續(xù)性干旱不僅與副高的顯著西進(jìn)有關(guān)，還與副高東退密切聯(lián)系，如2009年夏秋季節(jié)和2011年夏季兩個(gè)干旱最嚴(yán)重的時(shí)段，副高分別表現(xiàn)為顯著偏西和偏東變化[15]。除此之外，冬季副高位置對(duì)云南的其他極端氣候事件也有重要影響，2008年1月中旬—2月上旬我國(guó)南方經(jīng)歷了一次歷史罕見(jiàn)的持續(xù)性低溫雨雪冰凍天氣，而云南低溫雨雪發(fā)生的時(shí)間卻明顯滯后于我國(guó)南方其他地區(qū)低溫雨雪發(fā)生的時(shí)間(約20 d)，這次極端天氣事件在發(fā)生時(shí)間上的差異與副高的東退南撤有密切聯(lián)系[16]。研究副高東西位置的異常變動(dòng)，及其對(duì)西南地區(qū)氣候的影響，對(duì)理解西南地區(qū)氣候異常的成因具有重要意義。

目前，關(guān)于副高東西進(jìn)退的定義，最常用的是國(guó)家氣候中心劉蕓蕓等[17]定義的副高西脊點(diǎn)指數(shù)，該指數(shù)在氣候監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)中被廣泛用于描述副高的東西變化。另外，Lu[18]認(rèn)為副高在低層更為穩(wěn)定和強(qiáng)大，因此，利用850 hPa副高西側(cè)(10°～30°N，110°～150°E)區(qū)域平均的位勢(shì)高度衡量夏季副高的東西變動(dòng)；Yang等[19-20]考慮到全球變暖現(xiàn)象引起的等壓面抬升對(duì)高度場(chǎng)造成的虛假變化趨勢(shì)，采用500 hPa 副高西側(cè)(22.5°～30°N，115°～140°E)的相對(duì)渦度定義夏季副高的東西偏移指數(shù)；與此相似，王黎娟等[21]選取500 hPa區(qū)域(20°～30°N，115°～125°E)的平均渦度定義；陸日宇等[22]則采用低層850 hPa區(qū)域(15°～27.5°N，125°～150°E)相對(duì)渦度的區(qū)域平均定義。Yang等[23]根據(jù)梯度風(fēng)近似理論，將副高西脊點(diǎn)定義在副高脊線西邊界最大經(jīng)向風(fēng)所在位置。在長(zhǎng)期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中發(fā)現(xiàn)，這些指數(shù)雖然在一定程度上能夠反映副高東西變動(dòng)的特征，但卻不能很好地反映出副高東西位置對(duì)西南地區(qū)氣候的影響差異。因此，為了進(jìn)一步研究副高東西變化對(duì)西南地區(qū)氣候的影響，有必要對(duì)現(xiàn)有副高東西指數(shù)表征的副高變化及其影響等進(jìn)行更加細(xì)致的對(duì)比分析。為此，本文以夏季為研究時(shí)段，首先分析夏季逐月多年氣候平均東亞—西太平洋區(qū)域高低層大氣環(huán)流以及不同氣象要素的季節(jié)變化特征，選取關(guān)鍵區(qū)域定義新的副高東西指數(shù)，考察新指數(shù)對(duì)副高東西進(jìn)退的表征能力，并與已有指數(shù)進(jìn)行對(duì)比，分析該指數(shù)與中國(guó)尤其是與西南地區(qū)夏季降水的關(guān)系。

1 資料和方法

本文所用資料包括國(guó)家氣象信息中心提供的1958—2014年中國(guó)486個(gè)氣象觀測(cè)站的月平均降水資料、中國(guó)西南三省一市(四川省、貴州省、重慶市和云南省)1961—2016年80個(gè)氣象觀測(cè)站的月平均降水資料、1979—2016年NOAA CMAP(Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation)月平均降水資料(水平分辨率為2.5°×2.5°[24])、1958—2016年美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心和國(guó)家大氣研究中心(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research，NCEP/NCAR)月平均大氣環(huán)流再分析資料(水平分辨率為2.5°×2.5°[25])、1958—2016年英國(guó)Hadley中心提供的海表溫度HadISST(Hadley Center Sea Ice and Sea Surface Temperature)(水平分辨率為1°×1°[26])，氣候平均統(tǒng)一采用1981—2010年的30年氣候平均值。

研究方法包括相關(guān)分析、合成分析等數(shù)理統(tǒng)計(jì)診斷方法，顯著性檢驗(yàn)采用t檢驗(yàn)。

2 副高東西指數(shù)定義

2.1 東亞高低層大氣環(huán)流的氣候特征

定義副高指數(shù)之前，有必要首先了解高低層大氣環(huán)流的氣候特征。由于中國(guó)西南地區(qū)位于青藏高原向東延伸部位，海拔較高，大部分地區(qū)的海拔高度接近2000 m，為了避免海拔高度對(duì)指數(shù)定義的影響，下面主要分析500 hPa和700 hPa高度層上夏季相對(duì)渦度、位勢(shì)高度和矢量風(fēng)場(chǎng)的多年氣候平均特征(圖1)。

由圖1可以看到，夏季6—8月逐月和季節(jié)平均高低層大氣環(huán)流和不同要素的變化，副高反氣旋環(huán)流近似于東西向帶狀分布，脊線東西兩端位置有一定差異，總體而言，西段位置比東段偏南，脊線一般呈現(xiàn)出西南—東北走向。由于這里主要考慮副高東西位置變動(dòng)對(duì)西南地區(qū)氣候的影響，這里主要關(guān)注140°E 以西副高脊線和西脊點(diǎn)位置的季節(jié)變化，500 hPa 和700 hPa分別以5880 gpm線和3150 gpm線在脊線上最西端的位置表示副高西脊點(diǎn)。6月500 hPa副高脊線位于16°～22°N，西脊點(diǎn)位于126°E 附近；7月副高北抬，脊線位于22°～26°N，西脊點(diǎn)位于121°E附近；8月副高脊線位于27°～32°N附近，西脊點(diǎn)大致位于132°E。700 hPa副高的變化與500 hPa相似，6月副高脊線位于15°～23°N，西脊點(diǎn)位于121°E附近；7月脊線位于20°～27°N，西脊點(diǎn)位于127°E附近；8月副高北抬超過(guò)25°N，脊線位于25°～31°N之間，西脊點(diǎn)位于135°E附近。對(duì)比高低層多年氣候平均副高位置變化，6月和7月高低層副高西脊點(diǎn)位置較偏西(位于130°E以西)，其中，6月500 hPa和7月700 hPa西脊點(diǎn)位置向西伸展至121°E。逐月副高脊線位置變化反映了副高由南向北季節(jié)性變化特征，高低層脊線位置變化基本一致，在很大程度上反映了副高的正壓性特征。

圖1 夏季6月，7月，8月和夏季平均500 hPa和700 hPa高度特征線(藍(lán)色實(shí)線，單位：gpm)、脊線位置(紅色長(zhǎng)虛線)、相對(duì)渦度(填色)和風(fēng)場(chǎng)(矢量)的多年氣候平均(1981—2010年)分布(矩形方框表示關(guān)鍵區(qū)位置)Fig.1 Climatological characteristic lines(the blue solid line,unit:gpm),ridge lines(the red long dashed line),relative vorticity(the shaded) and vector winds(the vector) at 500 hPa and 700 hPa in Jun,Jul,Aug and summer (the rectangular box denotes the location of key area)

過(guò)去很多研究主要考慮夏季平均情況，但由于夏季副高的季節(jié)特征顯著，對(duì)比夏季逐月與6—8月季節(jié)平均場(chǎng)，可以看到不論是脊線位置或者是西脊點(diǎn)的變化都有很大差異。在6—8月氣候平均場(chǎng)上，100°～140°E范圍內(nèi)西南—東北向脊線大致位于20°～25°N，脊線上5880 gpm和3150 gpm脊點(diǎn)位置位于135°E附近。夏季平均脊線位置與7月相似，西脊點(diǎn)位置與8月相似。顯然夏季平均并不能完全反映夏季副高季節(jié)內(nèi)變化的特征。

副高對(duì)中國(guó)天氣氣候的作用除了影響周?chē)髿猸h(huán)流系統(tǒng)的配置，副高反氣旋環(huán)流引起的正負(fù)渦度與降水變化有十分密切的聯(lián)系[27-28]，會(huì)直接影響天氣氣候異常[29]。由圖1看到，700 hPa和500 hPa副高反氣旋環(huán)流主體區(qū)域及其周?chē)忻黠@的負(fù)渦度，但副高5880 gpm和3150 gpm特征線所反映的西脊點(diǎn)位置并不能客觀反映出副高西側(cè)高低層反氣旋性環(huán)流輻散區(qū)位置和強(qiáng)度的變化。如在6月和8月500 hPa氣候平均場(chǎng)上，雖然8月5880 gpm西脊點(diǎn)的位置比6月偏東約9個(gè)經(jīng)距，但8月負(fù)渦度的位置卻比6月更加偏西，700 hPa也出現(xiàn)了類似情況。在夏季平均場(chǎng)上呈現(xiàn)出相同特征，盡管西脊點(diǎn)位置位于135°E附近，但副高反氣旋性環(huán)流相關(guān)的負(fù)渦度區(qū)卻向西擴(kuò)展至105°E附近，比西脊點(diǎn)位置明顯偏西。該現(xiàn)象在一定程度上說(shuō)明，利用副高脊線上5880 gpm特征線最西端位置描述的副高東西位置變動(dòng)并不能客觀反映副高反氣旋環(huán)流位置及其對(duì)周?chē)邓挠绊憽?/p>

2.2 副高東西位置指數(shù)的定義

目前衡量副高東西位置變動(dòng)指數(shù)主要有3種：①500 hPa高度場(chǎng)上5880 gpm等值線最西端格點(diǎn)所在的經(jīng)度值(若在90°E以西則統(tǒng)一計(jì)為90°E；若某月不存在5880 gpm等值線，則以該月的歷史最大值代替)，這是目前衡量副高西脊點(diǎn)位置最普遍的一種方法，也是國(guó)家氣候中心氣候監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)中所用的方法，簡(jiǎn)稱為NCC指數(shù)。②根據(jù)梯度風(fēng)近似理論，將副高西脊點(diǎn)定義在副高脊線西邊界最大經(jīng)向風(fēng)所在的位置[23]，簡(jiǎn)稱為WIND指數(shù)。③用對(duì)流層中低層多年氣候平均副高西側(cè)位置的區(qū)域平均渦度定義副高東西位置[20-22]。在以上3種指數(shù)中，前兩種指數(shù)能夠定量給出副高西伸脊點(diǎn)的位置，而后一種指數(shù)卻只能定性描述副高位置的東西變化。對(duì)于第3種指數(shù)，不同研究所選取的關(guān)鍵區(qū)域和高度層存在一定的差異，Yang等[20]選取500 hPa區(qū)域(15°～27.5°N，125°～150°E)的平均渦度；陸日宇等[22]用850 hPa區(qū)域(15°～27.5°N，125°～150°E)的平均渦度；王黎娟等[21]選取500 hPa區(qū)域(20°～30°N，115°～125°E)的平均渦度定義，這些工作主要研究夏季平均情況。但夏季副高有顯著的季節(jié)特征，如果整個(gè)夏季選定一個(gè)固定區(qū)域的平均渦度定義副高的東西變動(dòng)則不能客觀反映夏季副高的季節(jié)內(nèi)變化特征。根據(jù)多年氣候平均夏季逐月和夏季平均圖上與副高反氣旋環(huán)流相關(guān)的負(fù)渦度，以及特征線表征的副高西脊點(diǎn)位置(圖1)，同時(shí)也為了能夠較好地考察副高的東西變動(dòng)對(duì)西南地區(qū)氣候的影響，分別在6月、7月、8月和6—8月平均選取4個(gè)不同的關(guān)鍵區(qū)(15°～25°N，105°～130°E)；(20°～30°N，105°～130°E)；(25°～35°N，110°～140°E和17.5°～32.5°N， 105°～140°E)。由于副高在低層更為穩(wěn)定和強(qiáng)大，低層西太平洋副高變化與水汽輸送密切聯(lián)系，對(duì)我國(guó)夏季降水有十分重要影響[22]，同時(shí)，考慮到西南低緯高原地區(qū)海拔高度影響，本文選取700 hPa的4個(gè)關(guān)鍵區(qū)區(qū)域平均渦度定義6月、7月、8月和6—8月平均的副高東西變動(dòng)，簡(jiǎn)稱為VORT指數(shù)。

比較夏季各月與夏季平均副高東西變動(dòng)的差異，發(fā)現(xiàn)夏季平均指數(shù)與6月、7月分月定義的指數(shù)有顯著的正相關(guān)，分別為0.43和0.54，而與8月指數(shù)相關(guān)不明顯，僅為0.2，未達(dá)到0.1的顯著性水平。從夏季各月和夏季平均指數(shù)的年際變化(圖2)看到，各指數(shù)反映的副高西伸位置存在很大差異，如1961年7月副高偏東和8月副高偏西的特征非常顯著，但夏季平均指數(shù)僅表明副高活動(dòng)正常，相似情況也出現(xiàn)在1963，1967，1973，1976，1999，2006年等年份。另外，月副高指數(shù)反映的副高變動(dòng)在有的年份雖然不明顯，但夏季平均指數(shù)反映的副高變動(dòng)卻相當(dāng)顯著，如1971年。因此，盡管夏季平均副高指數(shù)與6月和7月的副高變化呈顯著正相關(guān)，但季節(jié)平均和月副高指數(shù)所反映的副高變化特征存在很大差異，尤其是副高東西變動(dòng)幅度的差異更為明顯，季節(jié)平均指數(shù)不能很好反映月尺度副高變化。因此，有必要從月變化的角度進(jìn)一步研究副高東西變動(dòng)的季節(jié)內(nèi)特征。

圖2 1958—2014年6月、7月、8月和夏季平均標(biāo)準(zhǔn)化VORT指數(shù)年際變化Fig.2 Interannual variation of VORT standardized subtropical high index in Jun,Jul,Aug and summer from 1958 to 2014

3 VORT指數(shù)對(duì)高低層副高大氣環(huán)流東西變動(dòng)的表征能力

由圖2給出的6月、7月和8月副高東西變動(dòng)指數(shù)VORT年際變化看到，VORT指數(shù)主要反映副高東西變動(dòng)的年際變化，年代際特征并不顯著。以VORT指數(shù)±1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差選取正負(fù)異常年分別表示副高異常偏西(負(fù)指數(shù)年)和偏東(正指數(shù)年)，則6月正負(fù)異常年分別為1958，1963，1965，1967，1981，1984，1985，1990，2004，2009，2012年和1959，1962，1966，1977，1980，1983，1989，1996，1998，2000，2006，2007，2010年；7月正負(fù)異常年分別為1958，1961，1972，1981，1994，1999，2001，2002，2006，2008年和1965，1971，1979，1980，1983，1989，2003，2007，2013年；8月正負(fù)異常年分別為1974，1975，1977，1985，1988，1989，1991，1999，2000，2008年和1958，1961，1962，1967，1969，1972，1973，1976，1979，1986，1987，1993，1995，1998，2003，2010，2013年。

比較夏季逐月VORT指數(shù)正負(fù)異常年500 hPa 5880 gpm特征線與多年氣候平均5880 gpm特征線位置(圖略)看到，特征線位置在負(fù)異常年偏西和正異常年偏東，表明VORT指數(shù)所表征的副高東西變動(dòng)在一定程度上與NCC指數(shù)所反映的副高東西變動(dòng)有比較相似的特征。

圖3為VORT正負(fù)異常年夏季逐月500 hPa 高度差值場(chǎng)和700 hPa渦度差值場(chǎng)，均反映了副高異常東西變動(dòng)年?yáng)|亞?wèn)|部以及西北太平洋地區(qū)環(huán)流變化的差異。首先看500 hPa高度場(chǎng)差異特征，副高偏東年6月500 hPa中南半島北部至菲律賓群島附近為負(fù)高度差值；7月負(fù)高度差值區(qū)北移至華南東部—菲律賓海盆北部，其北側(cè)有一個(gè)明顯的正高度差值區(qū)，東亞—西北太平洋地區(qū)由南向北呈現(xiàn)出明顯的西南—東北向的負(fù)-正-負(fù)異常差值波列；8月負(fù)高度差值區(qū)北抬至30°N附近的西北太平洋地區(qū)，由南向北呈現(xiàn)為顯著的東南—西北向的負(fù)-正-負(fù)異常差值波列。副高異常偏西年，以上高度差值場(chǎng)的變化剛好相反。700 hPa相對(duì)渦度差值場(chǎng)上，副高異常偏東年6月孟加拉灣東部—中南半島北部—菲律賓海盆西部為顯著的正渦度差值區(qū)，其南北兩側(cè)分別為負(fù)渦度差值區(qū)，東亞?wèn)|部至西太平洋表現(xiàn)為顯著的負(fù)-正-負(fù)差值分布；7月正渦度差值區(qū)北抬至華南—西北太平洋海盆中部，在其兩側(cè)同樣為負(fù)渦度差值區(qū)，經(jīng)向方向同樣表現(xiàn)為顯著的負(fù)-正-負(fù)差值分布；8月負(fù)渦度差值區(qū)北抬至華北—日本以東以南的附近海域。副高偏西年份，相對(duì)渦度差值場(chǎng)的變化剛好相反。以上分析表明：VORT指數(shù)所表征的副高東西變動(dòng)相應(yīng)的高低層大氣環(huán)流變化存在顯著差異，并與中高緯度異常波列變化聯(lián)系緊密，特別是7月和8月。

VORT指數(shù)所表征的副高東西變動(dòng)在高低層風(fēng)場(chǎng)也有明顯差異，從VORT指數(shù)與夏季逐月低層850 hPa和高層200 hPa矢量風(fēng)場(chǎng)的相關(guān)(圖4)看到，VORT指數(shù)所表征的副高東西異常與高低層副高環(huán)流變化密切聯(lián)系。副高異常偏東年份，6月低層850 hPa 南?！坡少e群島北部為明顯的異常氣旋環(huán)流，相應(yīng)區(qū)域高層200 hPa也同樣為異常氣旋環(huán)流；7月850 hPa顯著的異常氣旋位于華南東部—菲律賓海盆北部，高層200 hPa異常氣旋位置稍偏北；8月850 hPa異常氣旋位于華東—西北太平洋海盆北部，相應(yīng)高層200 hPa也有一異常氣旋，中心位于華東。副高異常偏西年份，以上環(huán)流變化剛好相反。高低層矢量風(fēng)的異常變化進(jìn)一步表明VORT指數(shù)對(duì)副高的東西變動(dòng)有很好的表征能力。另外，從高低層風(fēng)的相關(guān)可知，副高異常與東亞高低緯度環(huán)流的密切聯(lián)系，尤其在高層聯(lián)系比較緊密。7月和8月副高異常偏東年，東亞至西北太平洋地區(qū)由南向北呈現(xiàn)出反氣旋(A)-氣旋(C)-反氣旋(A)的異常波列，與此相反，在副高異常偏西年為C-A-C異常波列。

圖3 夏季6月、7月、8月VORT指數(shù)正負(fù)異常年500 hPa高度差(單位：gpm)和700 hPa渦度差(單位：10-6 s-1)(由淺到深的陰影區(qū)分別表示達(dá)到0.05，0.02和0.01的顯著性水平)Fig.3 The difference distribution of 500 hPa height(unit:gpm) and 700 hPa vorticity(unit:10-6s-1) between positive and negative VORT years in Jun，Jul and Aug (light to dark shaded areas denote passing the test of 0.05，0.02 and 0.01 levels)

以上VORT指數(shù)正負(fù)異常年高低層環(huán)流變化的差異及其與高低層風(fēng)的相關(guān)分布表明：VORT指數(shù)對(duì)副高東西變動(dòng)具有很好的表征能力，正指數(shù)年副高偏東和負(fù)指數(shù)年副高偏西，表明了正負(fù)VORT指數(shù)在很大程度上可以反映副高東西位置對(duì)稱性變化的特征。

4 不同副高指數(shù)對(duì)比

對(duì)比VORT指數(shù)與NCC指數(shù)、WIND指數(shù)對(duì)副高東西變動(dòng)的表征能力。表1分別為夏季不同月份3個(gè)指數(shù)的相關(guān)，可以看到,3個(gè)指數(shù)既有密切聯(lián)系，也存在很大差異。在以上3個(gè)指數(shù)中，VORT指數(shù)與NCC指數(shù)、WIND指數(shù)在各個(gè)月份均呈顯著正相關(guān)，而NCC指數(shù)、WIND指數(shù)除了在8月呈顯著正相關(guān)，6月和7月的相關(guān)均不顯著。為了考察3個(gè)指數(shù)在反映副高東西位置變動(dòng)方面存在的實(shí)質(zhì)性差異，根據(jù)不同指數(shù)的年際變化選取差異較大的典型年份進(jìn)行對(duì)比。

圖5為1958—2014年夏季逐月3個(gè)指數(shù)的年際變化，可以看到，3個(gè)指數(shù)所表征副高東西位置在有的年份差異較大，甚至出現(xiàn)完全相反的情況。為了對(duì)比分析不同副高指數(shù)對(duì)副高東西變化的表征能力以及對(duì)降水的影響，這里選取3個(gè)指數(shù)差異比較大的典型年份進(jìn)行對(duì)比。由于CMAP降水資料的開(kāi)始時(shí)間為1979年，因此，僅選取1979年后的典型年份進(jìn)行比較。6月VORT指數(shù)與NCC指數(shù)、WIND指數(shù)的相關(guān)顯著，而NCC指數(shù)與WIND指數(shù)相關(guān)僅為0.14，表明3個(gè)指數(shù)中NCC指數(shù)與WIND指數(shù)所反映的副高東西變動(dòng)差異較大。由圖5可知，6月差異較大的年份是1992年和1998年，這兩年WIND指數(shù)和NCC指數(shù)表征的副高位置剛好相反：1992年NCC指數(shù)偏東和WIND指數(shù)偏西，VORT指數(shù)正常稍偏西；1998年NCC指數(shù)與VORT指數(shù)偏西，WIND指數(shù)偏東。圖6a和6b分別給出1992年6月和1998年6月500 hPa各要素變化，1992年6月5880 gpm特征線表征副高顯著偏東；脊線上最大南風(fēng)位于113.4°E，WIND指數(shù)表示副高偏西；但大于10 mm的大范圍降水區(qū)出現(xiàn)在118°E以西地區(qū)，降水區(qū)未表現(xiàn)為異常偏西或偏東的特征，而是與VORT指數(shù)表征的副高正常稍偏西的特征比較符合。在1998年6月5880 gpm特征線的西脊點(diǎn)位于104°E附近，副高反氣旋環(huán)流相應(yīng)的負(fù)渦度和5880 gpm特征線覆蓋的范圍比較一致，大于10 mm的降水區(qū)集中在100°E以西，與NCC指數(shù)和VORT指數(shù)表征的副高偏西變化比較相符；而脊線上最大經(jīng)向南風(fēng)位于130°E 附近，WIND指數(shù)表征副高偏東的特征與主要降水區(qū)的位置差異較大。以上分析表明：1992年和1998年副高VORT指數(shù)所表征的副高東西位置可以更好地反映副高西側(cè)大于10 mm降水區(qū)位置變化。

注：相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.26均達(dá)到0.05顯著性水平。

圖5 1958—2014年夏季6月、7月和8月標(biāo)準(zhǔn)化NCC指數(shù)、WIND指數(shù)和VORT指數(shù)變化Fig.5 The interannual variation of NCC index，WIND index and VORT index in Jun,Jul and Aug from 1958 to 2014

7月3個(gè)指數(shù)變化關(guān)系與6月非常類似，VORT指數(shù)與NCC指數(shù)和WIND指數(shù)的正相關(guān)顯著，而NCC指數(shù)和WIND指數(shù)的關(guān)系較差。由圖5可知，7月副高指數(shù)變化差異較大的是1984年和1989年，1984年NCC指數(shù)與WIND指數(shù)變化相反，1989年WIND指數(shù)與VORT指數(shù)變化相反。圖6c和圖6d分別為1984年和1989年各氣象要素的變化，1984年無(wú)5880 gpm特征線，NCC指數(shù)表征的副高明顯偏東；WIND指數(shù)表征的副高西脊點(diǎn)位置在109.4°E，副高反氣旋環(huán)流主體及相應(yīng)的負(fù)渦度區(qū)位于中國(guó)東部及附近海洋，WIND指數(shù)和VORT指數(shù)表征的副高偏西比較一致，大于10 mm的降水區(qū)位于副高反氣旋環(huán)流西側(cè)或南側(cè)的正渦度區(qū)或弱負(fù)渦度區(qū)。1989年脊線上最大經(jīng)向南風(fēng)位于141.4°E，與NCC指數(shù)一致，表征的副高偏東，但顯著的副高反氣旋環(huán)流及其相應(yīng)的負(fù)渦度區(qū)向西擴(kuò)展至110°E附近，大于10 mm的降水區(qū)位于副高反氣旋環(huán)流西側(cè)90°～100°E和南側(cè)的正渦度區(qū)或弱負(fù)渦度區(qū)，VORT指數(shù)更好地反映了副高反氣旋環(huán)流東西位置以及降水異常區(qū)位置的變化。

圖6 典型差異年份500 hPa相對(duì)渦度(填色)、脊線位置(紅色長(zhǎng)虛線)、5880 gpm特征線(藍(lán)色點(diǎn)虛線,單位：gpm)、多年氣候平均5880 gpm特征線(藍(lán)色實(shí)線,單位：gpm)、矢量風(fēng)場(chǎng)和大于10 mm降水區(qū)(綠色線，單位：mm)(a)1992年6月，(b)1998年6月，(c)1984年7月，(d)1989年7月，(e)1981年8月，(f)1986年8月Fig.6 The distribution of relative vorticity(the shaded),ridge line(the red long dashed line),5880 gpm characteristic line(the blue dotted line,unit:gpm), climatological 5880 gpm line(the blue solid line,unit:gpm)， vector winds and exceeding 10 mm precipitation region(the green line,unit:mm) in evidently different years (a)Jun 1992，(b)Jun 1998，(c)Jul 1984，(d)Jul 1989，(e)Aug 1981，(f)Aug 1986

雖然3個(gè)指數(shù)的變化關(guān)系在8月比較一致，但有的年份存在很大差異。由圖5可知，8月副高指數(shù)變化差異最大的是1981年和1986年。這兩年均無(wú)5880 gpm特征線，NCC指數(shù)表征副高顯著偏東，但在東亞中緯度大約20°～40°N范圍內(nèi)為明顯的帶狀反氣旋環(huán)流及負(fù)渦度區(qū)，脊線大致位于30°N附近。1981年脊線上最大經(jīng)向南風(fēng)位于106.8°E，WIND指數(shù)與VORT指數(shù)表征副高偏西變化一致(圖6e)。1986年脊線上最大經(jīng)向南風(fēng)位于129.8°E，WIND指數(shù)表征副高偏東，與NCC指數(shù)表征的副高一致，但副高反氣旋環(huán)流以及相應(yīng)的負(fù)渦度區(qū)一直向西擴(kuò)展到100°E附近，與VORT指數(shù)表征的副高偏西特征一致(圖6f)。以上兩年大于10 mm的大范圍降水區(qū)域主要出現(xiàn)在異常反氣旋環(huán)流帶的南側(cè)，與VORT指數(shù)表征的副高偏西變化較一致。

從典型差異年對(duì)比看，VORT指數(shù)不僅能客觀反映副高反氣旋環(huán)流位置的東西變動(dòng)，在一定程度上也能反映副高西側(cè)大于10 mm降水區(qū)位置的變化。接下來(lái)進(jìn)一步比較VORT指數(shù)不同強(qiáng)度(即VORT指數(shù)大小IVORT)時(shí)5880 gpm特征線位置東西變動(dòng)的差異，主要比較兩種情況：①I(mǎi)VORT>1.0與0.5>IVORT>0的差異，②IVORT<-1.0與-0.51.0與0.5>IVORT>0時(shí)5880 gpm特征線的位置看到，IVORT>0時(shí)，5880 gpm特征線西脊點(diǎn)的位置均比氣候平均偏東，VORT指數(shù)越強(qiáng)5880 gpm特征線西脊點(diǎn)位置偏東就越明顯，如圖7給出的6月和7月5880 gpm特征線位置的變化。與之不同的是，當(dāng)IVORT<0時(shí)，5880 gpm特征線西脊點(diǎn)的位置不一定均偏西，其中，IVORT<-1.0時(shí)西脊點(diǎn)位置偏西比較明顯，但-0.5

另外，由于副高變化極其復(fù)雜，用一個(gè)指數(shù)很難完整描述副高變化的特征，目前用于描述副高指數(shù)變化的指數(shù)除了東西指數(shù)，另外還有面積指數(shù)、脊線指數(shù)、強(qiáng)度指數(shù)、北界指數(shù)等。有研究基于國(guó)家氣候中心提供的74項(xiàng)環(huán)流指數(shù)中的各副高指數(shù)研究了副高指數(shù)之間的相互聯(lián)系，表明夏季平均的副高西脊點(diǎn)指數(shù)與強(qiáng)度指數(shù)之間有顯著負(fù)相關(guān)(-0.72)[30]。但本文定義的VORT指數(shù)與74項(xiàng)環(huán)流特征指數(shù)中副高強(qiáng)度指數(shù)之間的相關(guān)卻很弱，即VORT指數(shù)表征的副高東西位置與副高強(qiáng)度之間沒(méi)有很好的聯(lián)系。

圖7 6月和7月IVORT>1.0(短虛線)和0.5>IVORT>0(長(zhǎng)虛線)時(shí)5880 gpm特征線位置(實(shí)線為多年氣候平均5880 gpm特征線)Fig.7 5880 gpm isogram according to IVORT>1.0(the short dotted line)and 0.5>IVORT>0(the long dashed line) in Jun,Jul and Aug(the solid line denotes 5880 gpm)

5 副高東西變動(dòng)指數(shù)與西南地區(qū)夏季降水的關(guān)系

分析不同副高指數(shù)與中國(guó)，尤其是西南地區(qū)夏季降水的關(guān)系。首先討論夏季副高東西變化與中國(guó)降水的關(guān)系，圖8分別為3個(gè)指數(shù)與中國(guó)486個(gè)氣象觀測(cè)站6—8月逐月降水的相關(guān)，以副高偏西為例，圖中正相關(guān)表示降水偏少，負(fù)相關(guān)表示降水偏多。NCC指數(shù)與夏季不同月份中國(guó)東部地區(qū)降水的變化有一定聯(lián)系，特別是與7月長(zhǎng)江中下游雨帶位置的季節(jié)變化顯著相關(guān)，當(dāng)副高偏西時(shí)，6月雨帶位于華南，7月北抬至長(zhǎng)江中下游，8月北抬至河套—黃河下游。WIND指數(shù)與6月中國(guó)降水變化相關(guān)不顯著，與7—8月中國(guó)東部降水變化有一定聯(lián)系，尤其是7月，當(dāng)副高位置偏西時(shí)，華南東部降水顯著偏少，黃河流域降水偏多，WIND指數(shù)與中國(guó)東部夏季雨帶位置的變化無(wú)明顯聯(lián)系。與前兩個(gè)指數(shù)相比，VORT指數(shù)不僅與中國(guó)東部雨帶位置的季節(jié)性變化密切聯(lián)系，還很好地反映了副高東西變化對(duì)中國(guó)東西和南北區(qū)域降水影響的差異：6月當(dāng)副高偏西時(shí)，華南降水偏多，而西南降水偏少，中國(guó)南部降水的東西差異特征比較顯著；7月隨著副高位置的季節(jié)性北抬，當(dāng)副高位置偏西時(shí)，長(zhǎng)江以南降水主要以偏少為主，其中華南和云南西北部地區(qū)的降水顯著偏少，而江淮流域降水偏多，黃河以南降水的南北差異特征比較明顯；8月副高的偏西變化有利于中國(guó)降水多雨區(qū)向北移動(dòng)至黃河流域，而華東地區(qū)降水偏少。

圖8 1961—2014年夏季NCC指數(shù)、WIND指數(shù)和VORT指數(shù)與中國(guó)降水相關(guān)分布(陰影表示達(dá)到0.05顯著性水平)Fig.8 Correlation distributions between different index and precipitation in China during 1961-2014 (the shaded denotes passing the test of 0.05 level)

為了更加仔細(xì)地分析副高東西變動(dòng)與西南地區(qū)夏季降水的聯(lián)系，進(jìn)一步對(duì)比不同指數(shù)與西南地區(qū)80個(gè)氣象觀測(cè)站降水的關(guān)系(圖9)。在3個(gè)指數(shù)中，VORT指數(shù)與西南地區(qū)降水變化的關(guān)系最好，尤其是6月和7月，而NCC指數(shù)和WIND指數(shù)除6月VORT指數(shù)與西南地區(qū)降水有一定聯(lián)系，7月、8月的相關(guān)均不顯著。對(duì)于VORT指數(shù)而言，當(dāng)副高位置偏西時(shí)，6月四川西部和南部、云南中北部地區(qū)降水偏少，而貴州大部降水偏多；7月四川北部和東部、貴州東北部降水偏多，而云南中部和西北部降水偏少；8月達(dá)到0.05顯著性水平的相關(guān)區(qū)較少，但總體有利于四川北部和云南南部降水偏多，其余地區(qū)降水偏少。對(duì)于NCC指數(shù)而言，副高偏西有利于6月四川中東部、重慶和貴州降水偏多，云南大部降水偏少；7月四川西部和貴州降水偏多，其余大部降水偏少，但大部分地區(qū)相關(guān)不顯著；8月相關(guān)更不顯著，副高偏西有利于貴州和云南北部降水偏多，其余大部降水偏少。WIND指數(shù)與西南降水的相關(guān)在6月和8月與NCC指數(shù)的相關(guān)非常類似，7月的相關(guān)比NCC指數(shù)顯著。7月副高位置偏西時(shí)，有利于四川東部、重慶東北部、云南東南部降水偏少，云南西部降水偏多。

以上3個(gè)指數(shù)中VORT指數(shù)所表征的副高變化與中國(guó)東部雨帶位置、西南地區(qū)的降水分布等有密切聯(lián)系，在一定程度上可以根據(jù)VORT指數(shù)所表征的副高東西位置預(yù)測(cè)中國(guó)降水雨帶位置和西南地區(qū)降水的變化。

圖9 1961—2014年夏季NCC指數(shù)、WIND指數(shù)和VORT指數(shù)與西南降水相關(guān)分布(陰影區(qū)表示達(dá)到0.1顯著性水平)Fig.9 Correlation distributions between different index and precipitation in Southwestern China for 1961-2014(the shaded denotes passing the test of 0.1 level)

6 副高東西變動(dòng)與熱帶海溫異常的聯(lián)系

影響副高東西變動(dòng)的因子比較復(fù)雜，過(guò)去的許多研究表明,熱帶海溫異常是影響副高變化的主要因子?；趪?guó)家氣候中心對(duì)副高西伸脊點(diǎn)的定義，李萬(wàn)彪等[31]指出熱帶西太平洋暖池中心的季節(jié)性東西移動(dòng)與副高西脊點(diǎn)的季節(jié)性變化相反；陳迪等[32]通過(guò)對(duì)6月西伸脊點(diǎn)與中東太平洋海表溫度的時(shí)滯變化分析，指出赤道中東太平洋海溫是影響副高變化的關(guān)鍵區(qū)域。本文對(duì)VORT指數(shù)與海溫變化的關(guān)系也進(jìn)行了初步探討，由于熱帶海溫變化存在明顯的年代際增暖，分析時(shí)去除了海溫增暖的線性趨勢(shì)。從1958—2014年逐月VORT指數(shù)與同期海溫的相關(guān)(負(fù)相關(guān)表示海溫偏暖副高偏西和海溫偏冷副高偏東)看到，6月和7月VORT指數(shù)與海溫相關(guān)顯著(圖10)，但與8月海溫的相關(guān)很差(圖略)。6月和7月VORT指數(shù)與海溫的顯著相關(guān)區(qū)位置差異較大，6月顯著負(fù)相關(guān)區(qū)位于東印度洋和西北太平洋；7月VORT指數(shù)與西北太平洋30°～40°N海溫有顯著正相關(guān)，與菲律賓以東的部分海區(qū)存在負(fù)相關(guān)。對(duì)比去除線性趨勢(shì)后的NCC指數(shù)與海溫的相關(guān)分布(圖略)，同樣發(fā)現(xiàn)除了6月NCC指數(shù)與北太平洋中部海溫有顯著負(fù)相關(guān)和東太平洋的海溫有顯著正相關(guān)，7月和8月NCC指數(shù)與海溫的相關(guān)均很弱。對(duì)比分析6月VORT指數(shù)和NCC指數(shù)與前期海溫的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)NCC指數(shù)與前期北太平洋中部的海溫顯著負(fù)相關(guān)，而VORT指數(shù)僅與前期5月西太平洋部分地區(qū)海溫呈正相關(guān)(圖略)，與其他時(shí)段的海溫相關(guān)并不顯著。

圖10 6月和7月VORT指數(shù)與海溫同期相關(guān)(陰影區(qū)表示達(dá)到0.05顯著性水平)Fig.10 Correlation between VORT index and SST field in Jun and Jul(the shaded denotes passing the test of 0.05 level)

由于海氣相互作用，海溫和大氣的變化是相互聯(lián)系和相互影響的[33]。從6月和7月VORT指數(shù)回歸的東亞地區(qū)垂直經(jīng)向環(huán)流(圖略)，看到6月南海附近的暖海溫使氣流上升，并在20°～30°N附近氣流下沉，對(duì)副高加強(qiáng)西伸有十分重要的影響；7月氣流上升區(qū)位置向北移動(dòng)至15°～30°N附近，相應(yīng)的氣流下沉區(qū)也北移至30 °～35°N，有利于7月副高的加強(qiáng)西伸。

以上分析表明，基于關(guān)鍵區(qū)相對(duì)渦度定義VORT指數(shù)與海溫變化有一定聯(lián)系，但這種聯(lián)系與副高南北位置變化有關(guān)：6月副高位置偏南，與熱帶地區(qū)海溫變化關(guān)系比較密切；7月隨著副高北抬，與海溫變化關(guān)系有所減弱；8月副高東西位置與海溫變化基本無(wú)關(guān)。對(duì)比分析也表明，基于其他定義(NCC指數(shù))的副高指數(shù)也表現(xiàn)出了非常類似的相關(guān)特征。另外，本文分析還表明:基于VORT指數(shù)時(shí)，海溫變化影響的前期信號(hào)很弱，主要表現(xiàn)為同期相關(guān)。以前的很多研究主要集中在夏季平均的情況，表明夏季平均副高的變化與海溫變化的關(guān)系密切，認(rèn)為海溫是影響副高異常的重要因子。但本文分析則進(jìn)一步表明了海溫與副高變化關(guān)系和副高南北位置變化聯(lián)系密切，副高位置越偏北，與海溫變化的關(guān)系越弱，因此，進(jìn)一步探討副高位置偏北時(shí)，海溫對(duì)副高面積、強(qiáng)度、脊線和西脊點(diǎn)位置等特征量變化的影響值得關(guān)注。

7 結(jié)論和討論

副高是影響我國(guó)夏季降水異常的大尺度環(huán)流系統(tǒng)，它的穩(wěn)定維持以及南北擺動(dòng)、東西進(jìn)退等對(duì)我國(guó)不同地區(qū)的天氣均有重要影響，但由于副高變化對(duì)低緯度高原地區(qū)天氣氣候影響的復(fù)雜性，對(duì)副高異常變動(dòng)與西南地區(qū)氣候異常的關(guān)系一直缺乏深入的認(rèn)識(shí)和了解，相關(guān)研究也非常少，所以盡管有時(shí)候準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了副高變化，卻未能很好把握副高異常時(shí)相應(yīng)的氣候特征。針對(duì)這一問(wèn)題，本文根據(jù)夏季多年氣候平均東亞和西太平洋地區(qū)大氣環(huán)流季節(jié)特征，用相對(duì)渦度定義了一個(gè)新的副高東西位置變動(dòng)指數(shù)VORT，并與已有的兩個(gè)副高東西指數(shù)(NCC指數(shù)和WIND指數(shù))進(jìn)行對(duì)比，得到以下結(jié)論：

1) 根據(jù)多年氣候平均東亞和西北太平洋大氣環(huán)流季節(jié)變化特征，分別選取3個(gè)關(guān)鍵區(qū)域(15°～25°N，105°～130°E；20°～30°N，105°～130°E和25°～35°N，110°～140°E)，采用700 hPa 3個(gè)關(guān)鍵區(qū)區(qū)域平均相對(duì)渦度分別衡量6月、7月和8月副高東西位置變動(dòng)，稱為VORT指數(shù)。

2) VORT指數(shù)與其他指數(shù)既相互聯(lián)系，又有一定差異。VORT指數(shù)不僅能夠客觀地反映副高反氣旋環(huán)流位置的東西變動(dòng)，還能很好地反映副高的變化與東亞高低緯度環(huán)流變化的相互聯(lián)系，副高偏(東)西時(shí)，東亞至西太平洋呈負(fù)-正-負(fù)(正-負(fù)-正)異常經(jīng)向波列。

3) 與其他指數(shù)相比，VORT指數(shù)所表征的副高位置東西變動(dòng)不僅與中國(guó)東部雨帶位置的變化密切聯(lián)系，還能很好地反映6月和7月副高東西變動(dòng)對(duì)西南地區(qū)降水異常的影響，副高偏西時(shí)，6月四川西部和南部、云南中北部地區(qū)降水偏少，貴州大部降水偏多；7月四川北部和東部、貴州東北部降水偏多，而云南中部和西北部降水偏少，反之亦然。VORT指數(shù)在現(xiàn)有指數(shù)中對(duì)降水變化的表征能力最佳。

4) 赤道印度洋和西太平洋，以及西北太平洋地區(qū)的海溫與副高位置東西變動(dòng)密切聯(lián)系，6月赤道印度洋和西太平洋冷(暖)海溫時(shí)副高偏東(西)；7月西北太平暖(冷)海溫時(shí)副高偏東(西)。另外，海溫與副高變化的關(guān)系與副高南北位置的變化有很大關(guān)系，副高位置越偏北，與海溫變化的關(guān)系就越弱。

副高變動(dòng)通過(guò)與周?chē)髿猸h(huán)流的不同配置，對(duì)周?chē)貐^(qū)天氣氣候的影響極其復(fù)雜。本文分析了3個(gè)指數(shù)的相互聯(lián)系及其差異，并比較了不同副高指數(shù)東西位置變動(dòng)與中國(guó)，尤其是西南地區(qū)夏季降水異常的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)與其他副高東西變動(dòng)指數(shù)相比，采用700 hPa相對(duì)渦度定義的指數(shù)與中國(guó)雨帶位置以及西南地區(qū)的降水異常變化有很好的聯(lián)系。但在日常業(yè)務(wù)中也發(fā)現(xiàn)所謂的副高偏西或偏東，只是相對(duì)于多年氣候平均副高的位置，其偏西或偏東的位置也會(huì)存在很大的差異，這些差異對(duì)天氣氣候的影響也不同。本文用相對(duì)渦度定義的副高東西變動(dòng)指數(shù)與其他指數(shù)相比，雖然在一定程度上可以很好地反映副高東西異常時(shí)中國(guó)降水異常的不同特征，但該指數(shù)只能定性地描述副高偏東或偏西，卻不能定量給出副高東西位置變動(dòng)，存在一定不足。