西太平洋暖池對夏季華東海面日最大風速變化的影響

韓雪　徐經(jīng)緯　劉楊珂

摘要 利用1979—2018年ERA Interim地面10 m風場、位勢高度場、溫度場和風場，Hadley中心HadISST再分析海溫資料，采用SVD分析、合成分析等方法，研究了夏季（6—8月）西太平洋暖池關鍵海域海表面溫度（Sea Surface Temperature，簡稱SST）對華東海域夏季10 m日最大風速變化的影響關系。SVD分析結果表明，夏季華東近海風速變化與菲律賓以東海域SST有明顯負相關，第一模態(tài)左、右空間向量的時間系數(shù)相關達0.58，通過了置信度為95%的顯著性檢驗。當西太平洋暖池SST正異常時，暖池海域SST增高，西北太平洋副熱帶高壓（以下簡稱副高）加強，副高脊線北進（西北太平洋副高脊線緯度位置與暖池SST相關系數(shù)達到0.46，通過置信度為95%顯著性檢驗）。此時華東近海正處于副高控制，近海下沉運動增強，大氣溫度垂直剖面有普遍增溫現(xiàn)象，10 m風場有偏北風異常，海面風速減小約占40 a平均風速的約30%;當暖池SST負異常時，副高東撤南退，華東近海冷空氣活動加強，溫度垂直剖面存在顯著降溫現(xiàn)象，華東近海風速增加占40 a平均風速的20%以上。本研究進一步說明了暖池SST異常是一個有效的預報因子，可用于華東近海海面風速預測預報。

關鍵詞西太平洋暖池;海溫異常;華東海面風速;物理聯(lián)系

地面10 m風是最重要的氣象基本觀測要素之一，目前地面10 m風的研究主要集中于陸地日平均風速的長期趨勢（Wan et al.，2010）。過去幾十年來，中緯度地面10 m日平均風速趨勢呈下降趨勢（McVicar et al.，2008）。與研究廣泛的地面日平均風速趨勢相比，在過去的二十年中對日最大風速的研究僅受到了較少的關注（Wu et al.，2018）。近年來隨著天氣過程模擬水平的提高和生產(chǎn)生活的需求增加，日最大風速越來越多地受到廣泛的關注（常蕊等，2019;王葉紅和趙玉春，2020），比如風電行業(yè)更關注瞬時風速（Karnauskas et al.，2018）。研究表明大規(guī)模大氣環(huán)流模態(tài)在調(diào)節(jié)日最大風速中起著關鍵作用，其中西太平洋模態(tài)對我國陸地日最大風速有明顯的反饋作用，西太平洋模態(tài)可以解釋我國中緯度夏季地面日最大風速的變化（Zhang et al.，2020）。

熱帶西太平洋是全球海洋溫度最高的海域，集中了全球最多的暖水體，稱之為西太平洋暖池（簡稱暖池;黃榮輝等，2016）。西太平洋暖池在全球氣候系統(tǒng)中起著十分重要的作用，是整個地球氣候系統(tǒng)的熱動力引擎。同時西太平洋暖池所包含的巨大熱容量，也深刻地影響著東亞地區(qū)尤其是我國的天氣和氣候。近來研究表明江南北部地區(qū)梅雨期降水異常與西太平洋海溫相關最顯著（陳科藝等，2006）。菲律賓東側(cè)的暖池附近產(chǎn)生輻合（輻散）對中國夏季氣溫有影響（張蓬勃等，2010）。西太平洋SST偏高可以產(chǎn)生偏強的東亞Hadley環(huán)流，使華南地區(qū)存在異常下沉運動不利于產(chǎn)生降水（曾剛和高琳慧，2017），更有研究發(fā)現(xiàn)（任倩等，2018），暖池關鍵區(qū)熱含量高（低）可以作為預報江南雨季旱（澇）的一個很好的指標，特別要注意的是熱帶西太平洋感熱加熱影響了夏季副高北跳的時間，副高北跳時間的早晚直接影響著我國東部暴雨帶位置的變動和長江中下游的持久高溫酷暑天氣（陶詩言和衛(wèi)捷，2006）。

華東近海海上運輸、經(jīng)濟活動和海事活動頻繁，實施這些活動都要考慮海面10 m風的狀況，對海面風研究具有迫切的需求。目前國內(nèi)研究主要集中在三大海岸帶區(qū)，分別是環(huán)渤海地區(qū)、華南沿海地區(qū)和長三角沿海地區(qū)，前兩片區(qū)域因為其典型性，都有相對完整的研究結果，而對于長三角區(qū)域，現(xiàn)有研究主要集中于杭州灣、上海沿海等地（徐經(jīng)緯等，2015）。目前針對華東近海海域的研究較少，夏季華東海面風速的多年變化趨勢和引起海面風速變化機制還需要深入研究。

為響應實際工作需求，本文開展了西太平洋暖池對華東近海風場日最大風速變化規(guī)律的研究。利用近海海表面風場等再分析資料，分析華東近海風場的時空變化特征，探尋華東近海風場風速變化與西太平洋暖池SST的關鍵海域的潛在聯(lián)系，進而診斷其中蘊含的物理聯(lián)系。

1 資料和方法

1.1 資料

1）利用1979—2018年歐洲氣象中心ERA-Interim模式各個標準等壓面緯向風速（單位：m·s-1）、經(jīng)向風速（單位：m·s-1）、地表氣壓（單位：hPa）資料以及位勢高度（單位：m2·s-2）的逐6 h再分析資料，水平分辨率為0.75°×0.75°。2）英國Hadley中心（Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperature Dataset，HadISST version 2.0）月平均海表面溫度（SST）再分析海溫資料，水平分辨率為1°×1°。

1.2 方法

Lorenz于1956年將經(jīng)驗正交函數(shù)分解方法（EOF）引入氣象問題分析中。EOF分析的本質(zhì)是將一個物理量場的演變分解成各正交模態(tài)的獨立演變過程，該過程反映了各模態(tài)對該物理量演變的影響和貢獻（Hannachi et al.，2007）。分解出的模態(tài)是否為無意義的噪音，還需進行顯著性檢驗，檢驗方法一般有North檢驗和Monte-Carlo方法（Overland and Preisendorfer，1982）。本文根據(jù)EOF分析第一模態(tài)風速變率最大區(qū)域定為研究區(qū)域，117°～127.5°E、26.25°～40.5°N，將該區(qū)域逐日4次10 m風場數(shù)據(jù)挑選出逐日最大風速。再對逐日最大風速做月平均，計算季節(jié)平均，將40 a季節(jié)平均風場進行EOF分解。

為了研究華東海面10 m風場變化（作為左場）和西太平洋暖池SST（作為右場）兩者之間的聯(lián)系，運用SVD方法確定敏感區(qū)和時間系數(shù)的關系。該方法廣泛地應用于氣象要素場耦合模態(tài)的分離（丁裕國和江志紅，1996;魏鳳英，2007）。

由于副高水平結構復雜，利用西太平洋副高脊線位置來表示副高位置。副高脊線位置采用如下算法，在500 hPa高度場上110°～150°E、10°～60°N區(qū)域內(nèi)，逐條經(jīng)線上副熱帶高壓中心即緯向風u=0且uy>0位置所在緯度的平均值。

2 華東近海風場的時空特征

經(jīng)驗正交函數(shù)（Empirical Orthogonal Function，簡稱EOF）可以從氣象變量場資料中識別出主要的相互正交的空間分布型和從多變量中提取主要的相互獨立的新變量序列（周國華等，2012）。利用月平均逐日最大風速計算逐年夏季平均，將40 a逐年夏季平均距平進行EOF分解，得到的結果中前5個模態(tài)均通過North檢驗。其中第一模態(tài)解釋方差88%，第一模態(tài)反映華東10 m風速變化比較一致，尤其是華東近海。其中2個極大值點分別位于山東半島和浙江沿海，數(shù)值的空間分布有明顯的南北走向（圖1a）。第二模態(tài)解釋方差6.1%，有明顯的空間“蹺蹺板”結構，正負位相中心分別位于研究區(qū)域的東南部分和東北部（圖1b）。第三模態(tài)解釋方差1.6%，也呈現(xiàn)“蹺蹺板”結構，正負位相中心分別位于研究區(qū)域的西南和東部（圖1c）。

奇異值分解（Singular Value Decomposition，簡稱SVD），它是兩個場的最大協(xié)方差為基礎展開，是分析兩個場空間相關結構的有效診斷工具（Xu et al.，2021）。本文利用SVD方法分析西太平洋暖池SST與華東近海10 m風速的聯(lián)系。SVD展開模態(tài)中，第一模態(tài)解釋方差貢獻率為88.9%（圖2a，b），此模態(tài)左、右場時間系數(shù)的相關系數(shù)為0.58，通過置信度為95%顯著性檢驗（圖2c）。此外，SVD異性相關系數(shù)是指一個模態(tài)中兩個空間向量時間系數(shù)的相關程度，可以揭示兩個空間向量聯(lián)系的緊密程度（李麗平等，2018）。SVD第一模態(tài)中兩個向量的空間分布可以看出華東近海10 m風速聯(lián)系緊密的海溫關鍵區(qū)（圖2b）。既華東近海10 m風速與菲律賓以東海域的SST有較高的負相關關系。暖池SST時間系數(shù)與副高脊線位置有較高的正相關關系（圖2c），這與任倩等（2018）所得結論相似，表明暖池SST、西北太平洋副高和華東近海10 m風速之間很可能存在潛在的物理聯(lián)系。

為了更好揭示西太平洋暖池SST影響華東夏季近海海面風速的物理聯(lián)系，以SVD第一模態(tài)為研究對象，將40 a西太平洋暖池SST時間系數(shù)大于正1倍標準差的年份作為正異常年，小于負1倍標準差的作為負異常年，共挑選出6個正異常年（1990、1994、1997、2002、2015、2018年），8個負異常年（1983、1984、1987、1988、1998、1999、2008、2010年），分別對位勢高度場、風場、氣溫和散度場進行合成分析，研究西太平洋暖池SST與華東夏季近海海面風速變化的內(nèi)在聯(lián)系。

3 西太平洋暖池SST與華東近海風場變化的物理聯(lián)系

近來研究指出西太平洋暖池和西北太平洋副高脊線位置有密切聯(lián)系（蘇同華等，2017），兩者可以視為經(jīng)向東亞Hadley環(huán)流的上升支和下沉支，低緯度地區(qū)（如暖池）的熱量輸送是Hadley環(huán)流的直接動力。為了分析暖池SST對西北太平洋副高位置的影響，對比了暖池SST異常年和40 a平均500 hPa位勢高度場（圖3a—c）。相對于40 a平均位勢高度場，在暖池SST正異常年副高明顯增強西伸，在華東近海海域有位勢高度正偏差中心（圖3d），華東海域位勢高度增高。在暖池SST負異常年，相對于40 a平均500 hPa位勢高度場，副高大幅度東退南撤，在我國23°N附近有負位勢高度偏差中心（圖3e），華東海域位勢高度降低，這與菲律賓東側(cè)的暖池附近產(chǎn)生輻合（輻散）對中國夏季氣溫有影響（張蓬勃等，2010）結論一致。

為了分析暖池SST異常年份垂直方向上副高的變化和副高對華東近海10 m風速的影響，對比了暖池SST正、負異常年和40 a平均120°～140°E緯向平均風和氣溫垂直剖面（圖4a—c）。風場剖面圖上可以看到當暖池SST正異常時，副高增強，中緯度地區(qū)對流層中層偏南風和下沉運動較40 a平均強（圖4d）。下沉氣流最北端較40 a平均更偏北，華東30°N附近近海海域偏北風增強，副高內(nèi)部多個等壓面上呈現(xiàn)溫度正異常。在暖池SST負異常時，副高內(nèi)部下沉運動明顯減弱，華東30°N近地面有偏南風異常（圖4e），多個等壓面上出現(xiàn)溫度負異常。從以上現(xiàn)象可以看出，在暖池SST正異常年華東近海海域受增強的副高控制，在副高西部系統(tǒng)控制下，華東近海海域大氣下沉運動增強，日最大風速減小;在暖池SST負異常年副高位置偏南，冷空氣活動加強、伴隨降溫和日最大風速增大。

此外，進一步分析在暖池SST異常年華東近海海域的垂直運動狀況，對比了暖池SST正、負異常年與40 a平均925 hPa和500 hPa風場和散度場（圖5a—f）。在暖池SST正異常年份（圖5a、d），500 hPa華東近海海域有輻合加強，低層925 hPa華東近海海域輻散加強，表明較40 a平均下沉運動增強。華東近海海域500 hPa上有異常反氣旋環(huán)流，副高較40 a平均增強，尤其是25°N附近，在增強副高控制下，近地面華東海域有偏北風異常（圖4d），參考10 m高度40 a平均為偏南風，華東近海海域10 m風速和925 hPa風速均呈現(xiàn)異常減小，較40 a平均減小約30 %以上（圖6a）。在暖池SST負異常年華東近海海域有明顯偏南風異常（圖6b），華東近海對流層低層風速增大，海面10 m風速顯著增大，較40 a平均增大20 %以上。

綜上所述，多項研究表明在暖池SST正異常年份，海洋對大氣的熱量輸送增大，低層流場輻合加強，引起東亞Hadley上升支上升運動加強，副高加強并西伸北進（黃榮輝等，2016;Xu et al.，2018）。華東近海海域此時恰恰處于副高控制，近地面有偏北風異常，華東近海海域10 m風速減小;反之，在暖池SST負異常年份，海洋對大氣的熱量輸送減小，較40 a平均西太平洋暖池區(qū)對流層低層有輻散流場，副高南撤東退，華東近海海域10 m風有偏南風異常，風速增大。

4 討論和結論

華東近海海域風場與經(jīng)濟生產(chǎn)和海事活動密切相關，該海域風場的研究結果可以直接指導工程實踐，有重要應用意義。近年來華東近海日最大風場的機制研究仍存在不足，尤其是風場變化受哪些環(huán)流因子影響仍不明確。本文將研究重點放在暖池SST與華東近海夏季海面風速變化的物理聯(lián)系上，通過正、負異常年份和40 a平均環(huán)流場的對比分析，研究了在暖池SST正、負異常年背景環(huán)流場的變化特征，厘清西太平洋暖池SST變化影響華東近海風場的物理聯(lián)系。主要結論如下：

1）利用EOF分析方法將40 a華東近海夏季海面風速分解，第一模態(tài)解釋方差高達88.9%，前5個模態(tài)均通過North檢驗。對應SVD分析有類似結果，華東近海風速變化與菲律賓以東海域SST有密切聯(lián)系，SVD第一模態(tài)左、右向量變化高度相關，兩者時間系數(shù)的相關系數(shù)為0.58，通過了置信度為95%的顯著性檢驗。

2）夏季暖池SST與華東近海10 m風速之間存在顯著負相關關系。兩者聯(lián)系為：在夏季暖池SST正（負）異常年，西北太平洋副高增強西伸北抬（減弱東撤南退），華東近海10 m風速減少（增加）。

3）在暖池SST正異常年，較暖的海面對大氣熱量輸送增大，低層流場輻合加強，東亞Hadley上升支上升運動加強，副高加強西伸北進，500 hPa上華東近海海域下沉運動和偏南風增強，大氣垂直剖面有普遍增溫現(xiàn)象，相對于40 a平均風場10 m風場有偏北風異常，華東近海海域10 m風速減小;反之在暖池SST負異常年，副高東撤南退，對流層中層冷空氣活動顯著，大氣垂直剖面存在顯著降溫現(xiàn)象，華東近海海域有偏南風異常，華東近海海域風速增加。

由此可見，不僅暖池SST對西北太平洋副高變化有影響，而且與華東近海海面風速變化有聯(lián)系。這進一步說明了暖池SST異?？梢宰鳛橐粋€有效的預報因子應用于華東近海海面風速變化的氣候預測中。

致謝：ECMWF提供了ERA-Interim的位勢高度場、氣溫、風場資料的在線下載服務。Hadley中心提供了Had ISST再分析海溫資料在線下載服務。衷心感謝兩位審稿專家對論文的悉心審閱，并提出了建設性修改建議，再次感謝。

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Impact of the Western Pacific Warm Pool anomaly on sea surfacedaily maximumwind speed in Eastern China offshore waters in summer

HAN Xue1，XU Jingwei2，3，LIU Yangke2

1Tidal Flat Research Center of Jiangsu Province，Nanjing 210036，China;

2Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters/Key Laboratory of Meteorological Disaster，Ministry of Education Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China;

3Weather Online Institute of Meteorological Applications，Wuxi 214000，China

With 10 m wind speed，geopotential height field，temperature，and wind field from ERA-Interim from 1979 to 2018，HadISST reanalyzed Sea Surface Temperature （SST） from the Hadley Center，applying SVD analysis and synthetic analysis methods.We examined the relationship between the Western Pacific Warm Pool SST and the 10 m daily maximum wind speed anomaly in summer （June-August） in Eastern China offshore waters.The SVD analysis results show there is a significant negative correlation between the 10 m wind speed changes in the offshore waters of East China and the SST in the east of the Philippines.The correlation coefficient of the left and right spatial vectors of the first mode is 0.58，which passes the 95% confidence test.When the SST of the Western Pacific Warm Pool is in a positive anomaly year，the SST of the warm pool area increases，the Northwest Pacific Subtropical High （NPSH） strengthens，and the subtropical high ridge usually moves northward，where the correlation coefficient of the latitude of the NPSH ridge and the SST from warm pool reached 0.46，passing the 95% confidence test.At this time，the offshore waters of East China are under the control of the subtropical high，and the sinking motion has increased over the offshore waters，the vertical temperature profile of the troposphere has generally increased，and the 10 m wind shows north wind abnormal over the offshore waters.The reduction of sea surface wind speed has accounted for about 30% of the mean wind speedover the past 40 years.When the warm pool SST is negative，the subtropical high retreats to the southeastward.The activity of cold air in the offshore waters of East China has strengthened.The vertical temperature profile has a significant cooling phenomenon.The increase in wind speed has accounted for more than 20% of the averagewind speed over the past 40 years.This study further demonstrates that the SST anomaly in the warm pool is an effective predictor，which can be used to predict the sea surface wind speed in the offshore waters of Eastern Chinaand to guide economic production and maritime activities in related fields.

Western Pacific Warm Pool;SST anomaly;sea surface wind speed over offshore waters ofEastern China;physical mechanism

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20201110001

（責任編輯：袁東敏）