马斯克林高压和澳大利亚高压的变化特征

卢震宇，苏 涛，曾宇星，周 杰，封国林，3＊

（1．兰州大学大气科学学院，兰州730000；2．扬州大学物理科学与技术学院，江苏 扬州225009；3．中国气象局国家气候中心气候诊断预测室，北京100081）

近年来，在全球气候发生年代际变化的背景下，中国气候也发生了显著变化，降水分布随之改变［1－2］，以越赤道气流为纽带的南北半球环流相互影响的重要性也逐渐凸显出来，这引起了气象学家的关注．马斯克林高压（以下简称马高）和澳大利亚高压（以下简称澳高）是南半球两个主要的副热带高压系统，也是东亚夏季风的主要成因，它们的异常对东亚夏季风降水、冬春气候（包括沙尘）的影响十分显著，因此从全球大气环流的整体来探讨东亚气候的变化是非常必要和重要的．薛峰等［3］的研究表明：南半球环流对北半球西太平洋副热带高压（以下简称副高）的年代际变化有显著影响，其强度变化可直接影响到北部的越赤道气流，并进而影响亚洲夏季风且与西太平洋热带气旋的活动密切相关，而南半球环流对季风系统的影响，降水是其直接的表现结果．近年来的诸多研究表明：南半球环流的异常对东亚夏季风及其降水的影响明显［4－9］，已逐渐成为东亚气候预测的重要因子．目前，对马高、澳高气候特征的研究较多地针对某个时间尺度或某个高压进行［10］，对马高、澳高作为整体进行多尺度综合分析较少，而本文则探讨不同时间尺度下马高、澳高的气候特征，并与副高特征进行定量化对比，故对整个东亚夏季风体系的特征分析有一定的参考价值．

1 资料和指数

本文使用的资料为NCEP／NCAR 1951—2010年再分析2．5°×2．5°的月平均风场和位势高度场资料以及国家气候中心1951—2010年74项月环流特征量资料．

马高是位于南印度洋上空对流层低层的一个永久性副热带高压系统，由秋至冬有很好的持续性，而且不论在高度场还是流场上，850hPa高度层最能显示其特征；而澳高仅出现在南半球的冷季，暖季的表现并不明显．由此确定850hPa高度层表示马高的特征层，依据崔锦等的定义方法，选取东经10°～105°，南纬0°～40°为马高区域，东经120°～150°，南纬15°～35°为澳高区域，马高、澳高面积指数分别定义为1 540，1 530gpm 等高线所含格点数；脊线指数分别定义为1 540，1 530gpm 等高线内西风零线上格点的纬度平均值；西伸脊点指数分别定义为1 540，1 530gpm 等高线内最西格点的经度值，基于澳高半永久特性，其各项指数仅为3—9月．副高各指数来自国家气候中心74项环流指数月平均值．图1给出的是1951—2010年季节平均850hPa高度场，文中所指季节均以北半球为标准．可以看出，本文选取的马高、澳高的研究面积及特征等高线能够较好地涵盖和表征南半球两个高压的变化特征，因此本文选取的马高和澳高的各特征指数具有一定的代表性．

图1 1951—2010年平均的850hPa高度场（阴影区大于等于1 540gpm）Fig．1 The climatic mean（1951—2010）850hPa geopotential height in（a）Spring，（b）Summer，（c）Autumn，（d）Winter（Shaded areas stand for the geopotential heights are greater than or equal to 1 540gpm）

2 马高、澳高及副高的气候特征

2．1 3种高压的年际、年代际变化特征

2．1．1 3种高压面积的年际、年代际变化特征

图2给出了马高、澳高及副高（以下统称为“三高”）的标准化面积指数和小波分析．从标准化面积指数可以看出马高、澳高、副高均存在明显的年际变化，并且3种高压面积指数的变化有着极为相似的趋势：1976年之前3种高压的标准化面积指数均以负距平为主，之后主要以正距平为主，尤其是马高的变化最明显．由距平累积曲线可见，3种高压在1950—2010年都经历了从持续减弱到持续增强的过程，而这两个阶段的时间节点均为1976年，这说明1976年之前“三高”偏弱而后偏强．为了进一步研究三者面积指数的特征，另对其进行了小波分析，如图2（d，e，f）所示．在年代际时间尺度上，马高在20世纪80年代中期之前存在14～16a的振荡周期，之后无明显周期；澳高在80年代之前存在准18a的振荡周期，之后存在12～14a的振荡周期，其年代际信号周期是减小的；而副高在90年代之前存在准10a的振荡周期，之后存在12～14a的周期，其年代际信号周期是增大的．在年际时间尺度上，马高、澳高、副高均存在准4a的振荡周期．

2．1．2 3种高压位置的年际、年代际变化特征

图2 1951—2010年3种高压的标准化面积指数和小波分析Fig．2 The variations of standardized area indices and wavelet analysis of the three high－pressure from 1951to 2010

图3 1951—2010年3种高压的标准化脊线指数和小波分析Fig．3 The variations of standardized position of ridge line indices and wavelet analysis of the three high－pressure from 1951to 2010

1）脊线的年际、年代际变化特征．图3所示为马高、澳高及副高脊线的标准化指数、距平累积值和小波分析．从三者的标准化指数可知：马高脊线在1991以前以负距平为主，之后以正距平为主；澳高脊线在1951—1966年以正距平为主，1967—1975年以负距平为主，而后一直以正距平为主；副高脊线在1951—1965年以正距平为主，1966—1990年以负距平为主，而自1991年以后又以正距平为主．从各高压指数的距平累积曲线可以看出：马高脊线指数以1990年为时间节点，有持续减弱到持续增强的过程，这表明马高脊线在90年代之前有偏北趋势，而从90年代开始逐渐偏南；澳高的脊线指数从50年代中期开始有持续增强到持续减弱、再到持续增强的过程，2个年代际跃变的时间节点分别是1965年和1976年，这表明澳高的脊线在50年代中期至60年代中期偏南，60年代中期至70年代中期偏北，从70年代中期开始一直偏南；副高的脊线指数从50年代开始有持续增强到持续减弱、再到持续增强的过程，2个年代际突变的时间节点分别是1965年和1990年，这表明副高的脊线在50年代至60年代中期整体偏北，60年代中期至90年代初期偏南，从90年代开始偏北．小波分析显示：马高脊线指数在80年代中期之前存在12～14a的年代际周期，之后无明显周期，年际周期方面，马高在80年代中期之前存在准4a的振荡，之后变为准8a的振荡，这表明从80年代中期开始马高脊线年代际振荡逐渐消失，年际振荡周期延长；澳高脊线指数存在20～22a的年代际周期和4～6a的年际振荡周期；副高脊线指数在80年代中期之前存在16～18a的年代际周期，之后无明显周期，年际周期方面，副高在80年代中期之前存在4～6a的振荡，之后变为6～8a的振荡，这表明从80年代中期开始副高脊线年代际特征逐渐消失，年际特征振荡周期有所延长．

2）西伸脊点的年际、年代际变化特征．图4所示为3种高压的标准化西伸脊点指数、距平累积值和小波分析．从三者的标准化指数可知：“三高”西伸脊点在1976年以前均以正距平为主，之后以负距平为主；距平累积曲线显示：“三高”西伸脊点以1976年为突变点，均有持续增强到持续减弱的过程，这表明“三高”的西伸脊点在70年代中期之前偏东，之后开始逐渐偏西；小波分析显示：马高西伸脊点指数无明显的年代际周期，存在准4a的年际振荡周期；澳高西伸脊点在70年代中期之前存在准20a的振荡周期，而从70年代中期开始存在12～14a的振荡周期，即年代际周期有减小趋势，年际尺度上存在准4a的振荡；副高西伸脊点指数在80年代中期之前存在准20a的年代际周期，之后存在10～12a的振荡周期，也有减小趋势，年际周期方面，副高在80年代中期之前存在准8a的振荡周期，之后变为准4a的振荡周期，这表明从80年代中期开始副高东西振荡年代际和年际特征振荡周期都有所减小．

图4 1951—2010年3种高压的标准化西伸脊点指数和小波分析Fig．4 The variations of standardized western extension indices and wavelet analysis of the th?ree high－pressure from 1951to 2010

2．2 对比分析

通过以上气候特征分析发现，3种高压的面积指数和西伸脊点指数的变化特征最为一致，即在1951—2010年这60a中，以1976年为突变点，马高、澳高、副高的面积指数均经历了由弱到强的变化，西伸脊点指数均经历了由偏东到偏西的变化，表1定量给出了70年代中期以后面积指数和西伸脊点指数的变化（平均态取1950—2010年平均，负号表示西伸脊点偏西；括号中为趋势系数［11］）．从表1可知，面积指数马高增加的程度最大，增长了21%，其趋势系数为0．76，通过了显著性水平为0．01的显著性检验，这也从另一个角度证明了马高面积指数增加最快的事实，副高次之，增长了16%，而澳高面积指数增加程度最小，增长了12%；西伸脊点指数的变化特征表明，马高、澳高、副高在70年代中期之后分别偏西了12%，2%，4%，变化程度也是马高最大，副高次之，澳高最小，趋势系数分别为－0．6，－0．36，－0．41，均超过0．01的显著性水平．“三高”的脊线指数变化表明，只有马高脊线趋势系数（0．38）通过了显著性水平为0．05的显著性检验，因此澳高及副高的脊线变化相对面积指数和西伸脊点指数的变化而言是不显著的．

表1 1976年以来3种高压各指数的定量变化Tab．1 Qualitative variation in the indices of the three high－pressure from 1976

综上所述，自20世纪70年代中期以来，马高偏强、偏西、偏南且各特征指数变化程度最大，副高偏强、偏西，变化程度次之，澳高偏强、偏西，变化程度最小，即最稳定．

对副高的季节变化研究已经很多，这里重点分析马高和澳高的季节变化．从图1给出的马高和澳高四季变化的高度场平均图可以看出，马高有着明显的季节变化，主要体现在高压范围和主体中心移动，表现为西北—东南向的季节振荡．马高在冬季范围最小，强度最弱；在夏季范围最大，强度最强；春季和秋季为两个过渡季节，春季马高面积逐渐增大，强度逐渐增强，主体逐渐北上、西伸，在夏季无论范围还是强度均达到最大，位置到达一年中最为偏西、偏北的位置；秋季马高面积范围开始逐渐缩小，强度开始逐渐减弱，在冬季无论范围还是强度均达到最弱．在澳高研究区域，澳高四季面积的变化同样呈准西北—东南向的振荡．夏季，澳高面积指数达到最大，中心位于东经135°，南纬24°附近；秋季，澳高范围逐渐缩小、减弱，且中心位置不断南压、东退；冬季，澳高逐渐趋于消失，也就是说，春、夏两季为澳高发展增强阶段，不断北上、西伸，而秋、冬两季为衰退减弱阶段，澳高趋于南压、东退．

2．3 3种高压的月际变化特征

2．3．1 3种高压面积指数的月际变化特征

图5给出了3种高压的月际平均面积指数变化曲线，结果表明马高的月际变化为一单峰结构曲线，即一年中马高面积指数最大出现在7月份，然后逐渐缩小并于次年1月份达到最小，2月份开始又逐渐增大，其中5—7月增长率最快，为一个突变过程．与马高类似，澳高面积指数的月际变化也是一个近似单峰的结构曲线，面积指数的最大值出现在4月份，3—4月是一个突变的过程，增长速率较大，4—9月面积指数平稳减小．副高面积指数的月际变化同样为一个单峰结构的曲线，4—6月为增长速率较大的突变月份，面积指数的最大值出现在7月份，从9月份开始逐渐减小，1月达到最小．它们变化的共同特征为：3种高压系统1981—2010这后30a12个月平均面积指数均比前30a和60a的平均态大，这从月际角度反映了马高、澳高和副高逐渐增强的趋势，验证了前文的结论．

2．3．2 3种高压位置的月际变化特征

不同气候态下马高、澳高及副高月际平均位置指数的分布（图略）表明：马高脊线指数月分布呈单峰结构，2月份指数达到最大，然后迅速减小，6月份达到最小，从9月份开始逐渐增大，这表明马高脊线2月份达到最南，然后迅速北跳，于6月份达到最北，7，8月份维持在南纬29°以北，从9月份开始逐渐南撤；澳高脊线指数月分布呈单调递减，3月份达到最大，然后缓慢减小，9月份达到最小，这表明澳高脊线2月份达到最南，然后缓慢北跳，于9月份达到最北；副高脊线指数月分布呈单峰结构，8月份达到最大，然后迅速减小，1月份达到最小，从4月份开始逐渐增大，这表明副高脊线8月份达到最北，然后迅速南撤，于1月份达到最南，从4月份开始逐渐北跳．“三高”的脊线分布表明不同气候态的曲线对比不明显，这也从月际尺度印证了“三高”脊线变化不明显的结论．西伸脊点指数分布表明：马高西伸脊点指数月分布呈单峰结构，1月份达到最大，然后迅速减小，7月份达到最小，从8月份开始又迅速增大，这表明马高主体1月份位置达到最东，然后迅速西伸，于7月份达到最西，从8月份开始又迅速东撤；澳高西伸脊点指数4月份达到最小，而后逐渐增大，这表明澳高主体在4月份达到最西，然后逐渐东撤；副高西伸脊点指数分布呈双峰结构，1月份达到最大，然后逐渐减小，4 月份达到第1个极小值点，5，6月份逐渐增加，7月份达到一个极大值点，8，9月份减小，于10月份达到第2个极小值点，然后逐渐增大，这表明副高主体的西伸分别在4月份和10月份达到最西，在此期间有一个东西振荡的过程，并于7月份达到最东．

3 马高、澳高及副高的年代际转折与南极涛动的关系

近年来研究发现，南极涛动是南半球中高纬度大气环流最主要的模态，它反映的是南半球副热带高压带和高纬度绕极低压带之间气压场的反位相变化特征，是南半球极地到高纬度南纬60°附近与中纬度南纬45°附近南北向之间的大尺度质量交换的途径，显示了南半球绕极低压带和副热带高压带之“翘翘板”的变化形式，它具有很强的正压结构，从海平面气压场到对流层及平流层底层都有体现［12－14］，而大气环流从春季到夏季的演变首先始于南半球和平流层，这说明南半球高纬度大气异常会通过南极涛动影响到中低纬度马高、澳高的异常，进一步通过越赤道气流的作用影响东亚夏季风，从而影响北半球副高，进而影响中国夏季的降水．由上文年代际气候特征发现，马高、澳高、副高在20世纪70年代中期发生了突变，从70 年代中期开始增强，而研究表明南极涛动在1972 年发生了突变［15］，之前以负距平为主，之后以正距平为主，即从1972年开始，南极涛动是增强的，薛峰等［16］的研究发现马高和澳高的变化均与南极涛动有关，这表明南极涛动超前马高、澳高及副高大约4a发生了年代际转折，南极涛动增强后“三高”均增强．图6分别为“三高”与南半球海平面气压（SLP）相关系数场，由图可见三者均与南半球高纬度气压场呈显著负相关，与中低纬度呈显著正相关，是典型的南极涛动模态，即当南极涛动正位相增强时，南半球马高、澳高及北半球副高均增强，反之亦然．

图6 1951—2010年马高（a）、澳高（b）及副高（c）与南半球海平面气压场的相关分布Fig．6 Correlation maps of MH（a），AH（b）and WPSH（c）with SLP of southern hemisphered from 1951to 2010

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