西太平洋副高的东西进退与东亚夏季风系统的相互影响与关联

余丹丹，张韧，赵越超，万雷，郭小璇

(1．北京5111信箱，北京100094;2．解放军理工大学 气 象海洋学院，江苏 南 京211101;3．南京信息工程大学 滨江学院，江苏 南 京210044)

0 引言

西太平洋副热带高压(简称副高)位置存在显著的季节变化，这种季节变化在亚洲季风区表现得最为显著。东亚季风降水主要集中在夏季风盛行的4—9月。研究表明，副高的季节性移动与东亚季风及季风雨带有着密切关联，尤其是副高的东西向位置和南北向进退直接影响着东亚季风的建立、长江流域降水的丰欠以及华北、华南地区的气温和旱涝灾害(黄士松，1963;周曾奎，1996;管兆勇等，2010)。一般来说，6月中旬，副高第一次北跳，由于副高西伸脊点的东西摆动，华南地区交替出现西南和东南气流，此时华南前汛期结束，长江流域梅雨开始，夏季形势基本建立;7月中旬副高的第二次北跳决定了长江流域梅雨的结束时间。因此，江淮地区6—7月入梅、出梅的迟早，梅雨期的长短，雨量的多少，与副高的两次北跳过程以及副高东西振荡密切相关(温敏和何金海，2000;钱代丽等，2010)。

近年来，随着季风研究的深入，人们对副高和季风系统有了新的认识和见解，澳大利亚冷高、南海越赤道气流、南海—西太平洋ITCZ雨带、西太平洋副高、东亚季风雨带、青藏高压、热带东风急流等被纳入东亚夏季风系统的有机整体之中(Tao and Chen，1987)。作为东亚夏季风系统重要成员，西太平洋副高的东西进退活动与季风系统其他成员之间相互作用、互为反馈，共处于一个非线性系统之中(Zhang and Hong，2006;Yu et al．，2007;余丹丹等，2010a)。因此，将副高作为东亚夏季风系统的子系统加以综合研究，已成为副高研究的趋势和共识(吴国雄等，2002)。

副高的季节变化不仅表现为南北进退，而且表现为明显的东西振荡，从副高中心以季节内振荡的形式逐渐向西扩展。研究表明，副高的季节变化受大气加热场的影响(陈璇等，2011)，且与夏季风系统活动密切相关(张韧和罗来成，1993;余丹丹等，2010b)。过去对副高东西进退的研究，比较偏重于从个例分析和天气学角度来探讨副高西伸前后大尺度大气环流的演变特征(徐海明等，2001;罗玲等，2005;谭晶等，2005)。然而迄今为止，对副高东西向活动的深入研究尚不多见，夏季副高东西位置异常时，季风区热带、副热带和中高纬度环流之间的联系及其特征还不十分清楚。因此，有必要进一步研究揭示副高异常时大气环流演变过程中各系统的变化特征以及副高向西扩展的物理成因。由于江淮流域降水时段主要集中在6—7月，故本文重点就该时段的副高东西向活动进行深入研究。

1 资料和方法

采用美国国家环境预报中心(NCEP)和国家大气研究中心(NCAR)提供的1980—2010年6—7月的2.5°×2.5°逐日再分析资料以及同期NOAA卫星观测的OLR资料。

1.1 副高东西位置指标的确定

为了讨论副高的东西位置，首先要定义一个描述其东西位置的合理指标，通常所用的描述副高西脊点的指标是500 hPa上某一条等高线(如586 dagpm等高线)最西端点所在的经度，但用这种方法定义的指标受到主观因素的影响。为了更好地客观描述副高东西活动，本文首先绘制1980—2010年多年平均的6月、7月500 hPa位势高度场(图略)，发现多年平均的副高脊线6月位于20°N，7月北移到25°N，而588特征线最西端点均位于125°E附近。这表明，平均而言，6月、7月副高脊线位置南北差别较大，东西差别较小。故选取(120～130°E，15～25°N)和(120 ～130°E，20 ～30°N)分别为6 月、7 月的关键区，且根据该关键区500 hPa位势高度的变化来定义副高的西伸东撤过程。当该区域位势高度值增大时，表明副高西伸;当该区域位势高度值减小时，表明副高东撤。也有学者尝试用副高西部变动频繁的地区的涡度距平来界定副高是否偏东或偏西(Yang and Sun，2003)，本文选位势高度的距平来界定主要是考虑到这样定义比较直观，计算也相对简单。经比较，两种定义所确定的副高东西位置异常年是十分接近的。

1.2 副高东西位置异常年型的划分

图1为6月、7月关键区位势高度的标准化距平值。异常偏西、偏东是指距平值大于等于或小于等于1个标准差。表1给出了副高在1980—2010年期间异常偏西、偏东年型的划分。

表1 1980—2010年期间副高异常偏西、偏东年型的划分Table 1 The abnormal eastern and western position years of subtropical high from 1980 to 2010

图1 1980—2010年6月(a)和7月(b)关键区500 hPa位势高度的标准化时间序列Fig．1 Standardized time series of 500 hPa potential high averaged in the key areas in(a)June and(b)July from 1980 to 2010

500 hPa高度场分析(图2)表明:6月，气候平均的副高脊线位于20°N左右，588特征线最西侧在125°E附近;偏西年份的588特征线最西侧达110°E，平均西伸15°，588特征线所包围的副高中心明显偏西;偏东年份的588特征线最西侧东退至140°E附近，588特征线所包围的副高中心明显东退。比较而言，7月，副高脊线要偏北5个纬度，正常年份和偏西年份的588特征线最西侧到达的经度与6月相近，而偏东年份的588特征线东退更加明显，几乎退至180°。可见，用上述定义的指数描述高度场上副高东西位置的变动具有一定的合理性。

2 副高东西位置异常时季风区高低空环流特征

2.1 对流层低层850 hPa流场特征

图2 副高正常年(实线)、偏西年(长虚线)和偏东年(点虚线)6月(a)和7月(b)588 dagpm等值线位置Fig．2 Distributions of average 588 dagpm isoline in normal(solid line)，western(long dashed line)and eastern(dotted line)years of the subtropical high longitudinal position in(a)June and(b)July

图3是6月副高偏西、偏东年850 hPa流场及距平场。图3a表明，偏西年，副高西侧的转向气流到达120°E以西，脊线位于20°N附近;图3b中，(130°E，20°N)附近是一闭合的反气旋性距平环流，说明此时东亚夏季风环流偏弱，副高加强西伸，且位置偏南。南半球澳大利亚高压明显偏弱，索马里(45°E)、苏门答腊(85°E)、南海(105°E)、西太平洋(125°E)和巴布亚新几内亚(150°E)的越赤道气流处均出现北风距平，表明几股越赤道气流都偏弱。热带西太平洋在副高控制之下，盛行偏东风，季风槽不发展，仅限于南海地区，强度较弱。偏东年(图3c)，西太平洋反气旋性环流在130°E附近由东南气流转为西南气流，脊线位于25°N附近;图3d中，(130°E，20°N)附近出现气旋性距平环流，其北侧为反气旋性环流异常，说明此时东亚夏季风环流偏强，副高位置明显偏东偏北。(40 ～60°E，0°～10°N)区域出现东风，索马里气流偏弱，其余几股越赤道气流皆偏强，尤其是南半球澳大利亚东部出现南风异常，表明澳大利亚高压偏强，南半球冬季风偏强。热带西太平洋受越赤道转向气流的影响，盛行偏西风，季风槽向东伸展至150°E，成西北—东南形态。

图36月副高偏西年(a，b)和偏东年(c，d)850 hPa平均流场(a，c;阴影区≥1 540 gpm)和距平场(b，d)Fig．3 (a，c)Average flow fields(shadings≥1 540 gpm)and(b，d)anomalous flow fields at 850 hPa in June in(a，b)western and(c，d)eastern subtropical high years

同样，对7月副高东西位置异常年850 hPa流场及距平场(图略)进行分析，发现7月的环流特征与6月基本相似:7月副高偏西(东)时，850 hPa距平场上东亚热带地区出现反气旋性(气旋性)距平环流，东亚夏季风环流减弱(加强)。不同之处在于:由于副高脊线变化存在季内北移东撤现象，其中心位置比6月略偏北，西脊点位置比6月略偏东。此外，7月南半球马斯克林高压范围和强度比6月有所增大，澳大利亚高压却相对减小，受南半球高压的影响，越赤道气流强弱特征也略有不同。

为了更清楚地反映与副高东西位置异常时越赤道气流的强弱特征，表2统计了40～50°E、80～90°E、100 ～110°E、120 ～130°E 和 145 ～155°E 等 5个经度带5°S～5°N之间的经向风距平的格点平均值，以此表征夏季5支越赤道气流的强度。可以看到，6月，偏西年越赤道气流不活跃，5支皆偏弱;偏东年恰好相反，除了索马里越赤道气流偏弱外，其余4支越赤道气流明显偏强，尤其以西太平洋越赤道气流增强最明显。7月，偏西年索马里、苏门答腊越赤道气流偏强，这与7月马斯克林高压强度增强有关;偏东年越赤道气流变化与6月偏东年相似。可见，在对流层低层，副高的东西位置与季风槽的强度、位置以及南半球环流变化(尤其是马斯克林高压、澳大利亚附近的环流变化和越赤道气流异常)密切相关，也可以说与亚澳季风系统成员的相互作用有关。

表2 副高东西位置异常年越赤道气流强度Table 2 The intensity of the cross-equatorial flow in western and eastern subtropical high years m·s－1

为了进一步考察副高东西位置与东亚夏季风的关系，首先根据陶诗言等(2001)给出的东亚季风指数定义，计算1980—2010年间(100～150°E，10～20°N)区域的6—8月平均850 hPa的U分量减去(100～150°E，25～35°N)区域的 6—8月平均 850 hPa的U分量，按照标准化距平值大于等于或小于等于1个标准差为异常年的原则，选取出1981、1984、1985、1986、1994、1997、2002 和2004 年是强夏季风年，1980、1983、1988、1995、1998 和2003 年是弱夏季风年。对比表1，发现大多数副高偏西年都是弱夏季风年，而副高偏东年则对应强夏季风年。由此可见，副高东西位置的年际变化反映了亚洲夏季风强弱的变化。

将前面定义的6月副高指数分别在同期850 hPa纬向风场和经向风场上进行线性投影(图4)，按照回归系数与相关系数符号一致的原则，图4a中的正相关区表示在副高偏西时西风增强、东风减弱;偏东时东风增强、西风减弱。图4a表明，在20°N以南赤道西风区为大面积的负相关区，中心位于南海—菲律宾一带，台湾以北到江淮流域为显著的正相关区。这表明:当副高偏东时，南海和中南半岛西风增强，则南海—西太平洋热带季风偏强，而江淮流域西风减弱，副热带夏季风偏弱，有利于副高位置偏北，该地区少雨偏旱;同理，当副高偏西时，南海和中南半岛西风减弱，南海夏季风偏弱，而江淮流域西风增强，副热带夏季风偏强，有利于副高位置南压，该地区降水偏多易涝。经向风的分布情况如图4b所示。在热带越赤道气流的几个主要通道处出现了几个明显的负相关区，说明当副高偏西时，北风增强，越赤道气流偏弱，相应的南海夏季风偏弱。而印度半岛东部及我国江南、华南地区为显著的正相关区，说明当副高偏西时，该地区南风增强，其东侧负涡度发展，进一步使得副高西伸。菲律宾以东洋面的负相关区表明，当该地区南风增强时，副高东退。上述结果说明:6月，当副高位置偏西偏南时，相应的南海夏季风偏弱，副热带夏季风偏强;当副高偏东偏北时，南海夏季风偏强，副热带夏季风偏弱。7月副高指数与850 hPa纬向风、经向风的相关关系(图略)与6月相似。上述分析表明，副高东西位置与东亚夏季风的关系与大多数研究结论是一致的，同时也从另一个侧面说明，本文给出的关于副高东西位置的指标是合理的、可靠的。

2.2 对流层高层200 hPa流场特征

图46月副高指数与同期850 hPa纬向风(a)和经向风(b)的回归分布(单位:m·s－1)Fig．4 The regression analysis between the subtropical high index and(a)the zonal wind，and(b)the meridional wind at 850 hPa in June(units:m·s－1)

图5是6月副高偏西、偏东年200 hPa流场及距平场。图5a表明，偏西年，南亚高压偏强，中心在90°E以东，脊线在25°N 附近，高压脊东伸至120°E以西，到达我国江淮上空;南半球高空反气旋的强度有所加强，中心仍位于太平洋上空;在这两个强的高空反气旋之间是一致的东北气流。图5b上，在(130°E，30°N)附近是一闭合的反气旋性距平环流，其北侧(110°E，50°N)、东侧(170°E，40°N)和南侧(130°E，15°N)附近各有一气旋性距平环流，说明南亚高压偏东偏强，西风带长波槽(贝加尔湖大槽和太平洋中部大槽)发展加深;赤道地区出现偏西风距平，说明高空亚澳越赤道气流较弱。南半球马斯克林地区和澳大利亚东部上空存在反气旋性距平环流。图5c表明，偏东年，南亚高压中心和脊线位置与偏西年相近，但强度偏弱，高压脊东伸也不明显。200 hPa环流距平场(图5d)与偏西年正好相反，此时南亚高压偏西偏弱，贝加尔湖大槽和太平洋中部大槽较弱。赤道地区出现偏东风距平，说明高空亚澳越赤道气流较强。南半球索马里地区和澳大利亚东部上空均有一闭合的气旋性距平环流。从7月流场分布(图略)来看，从6月到7月，南亚高压位置和强度都有明显的变化，脊线位置在6月位于25°N附近，7月已经跳过30°N，且高压脊更加东伸。从7月距平场来看，偏西年和偏东年环流场的反相分布特征更加明显;偏西年，南亚高压发展强盛，偏东年则反之。

图56月副高偏西年(a，b)和偏东年(c，d)200 hPa平均流场(a，c;阴影区≥12 500 gpm)和距平场(b，d)Fig．5 (a，c)Average flow field(shadings≥12 500 gpm)and(b，d)anomalous flow field at 200 hPa in June in(a，b)western and(c，d)eastern subtropical high years

图6a是副高指数与同期6月200 hPa纬向风的线性回归场。可见，正相关区表示在副高偏西时西风增强、东风减弱;在副高偏东时，东风增强、西风减弱。负相关区则正好相反。从西太平洋和南海北部到我国华南为负相关区，长江流域及以北地区为正相关区，表明当副高偏西时，对流层高层的热带东风急流和副热带西风急流都增强北抬，南亚高压相应偏东偏强;副高偏东时则反之。图6b显示7月也存在上述关系，且两条横贯东西的带状相关区域更加明显。

由此可见，副高东西位置异常年型，对流层高层的南亚高压、西风带长波槽位置和强度存在明显的差异;亚澳越赤道气流以及南半球马斯克林和澳大利亚高压环流的异常，反映了副高的东西进退与东亚季风系统各成员之间的活动是有机地联系在一起的。

3 副高东西位置异常时季风区对流活动特征

副高东西振荡与亚洲季风区热带系统的变化密切相关。OLR是卫星观测到的地气系统的射出长波辐射，它可以反映热带对流活动区对流发展的强弱以及对流降水区的位置。为此，采用OLR资料考察东亚季风区对流活动异常对副高东西位置的影响。

图66月(a)和7月(b)副高指数与同期200 hPa纬向风的回归分布(单位:m·s－1)Fig．6 The regression analysis between the subtropical high index and the zonal wind at 200 hPa in(a)June and(b)July(units:m·s－1)

图7给出了副高东西位置异常年型6月OLR的距平分布。可以看到，偏西年，赤道以南从印度洋、印尼群岛到中太平洋地区OLR值都小于气候平均值，为对流活跃区，赤道以北阿拉伯海和孟加拉湾南部也是强对流区;而中南半岛、南海—西太平洋皆为正值区，表明当副高较常年偏西偏南时，该区域受副高控制，对流受到抑制。此外，我国江淮流域的对流云带，加强了该地区对流潜热的释放，使得淮河流域高层非绝热加热率增强，根据全型涡度方程(吴国雄和刘还珠，1999)，热源下方南风加强，则使得副高加强西伸，进而解释了前面关于副高偏西年，江南、华南地区出现南风异常的原因(图7a)。偏东年则与偏西年相反，除西北太平洋为一明显的负值区外，上述几个热带地区的对流活动皆偏弱，副高较常年偏东偏北(图7b)。在7月OLR的距平分布(图略)上，值得注意的是:偏西年，整个环流系统北移，副高所对应的OLR高值带轴线显著北跳，其中心向西北移动，正值区范围向西扩大，占据我国中西部，该高值带南北两侧的低值带相应向北伸展，分别对应热带辐合带对流活跃和江淮及日本梅雨期降水;偏东年，仅在100°E以东，10～30°N之间为大面积的负值区，其南北两侧为正值区，同样说明，当副高偏东时，热带地区的对流活动偏弱，南海—西太平洋季风槽活跃，副高偏北。

图76月副高偏西年(a)和偏东年(b)OLR距平场(阴影区≤－3 W·m－2)Fig．7 The anomalous OLR distribution in June in(a)western and(b)eastern subtropical high years(shadings≤－3 W·m－2)

研究表明，孟加拉湾北部是夏季全球热源中心(Hoskins and Rodwell，1995)，孟加拉湾热源异常对副高存在显著的影响，当孟加拉湾对流发展加强时，使得南海—西太平洋附近的对流活跃中断，同时使得太平洋副热带高压西部脊加强西伸(许晓林等，2007)。为了更清楚地揭示孟加拉湾、南海—西太平洋对流异常与副高西伸之间的关系，图8给出了副高指数与同期OLR的线性回归场。正相关区表示:副高偏西时，OLR值增大，对流减弱;副高偏东时，OLR值减小，对流增强。负相关区则正好相反，即副高偏西时，OLR值减小，对流增强;副高偏东时，OLR值增大，对流减弱。图8a正负值区的分布与图7a副高偏西年型OLR距平场分布相似，赤道印度洋和孟加拉湾一带为负值区，台湾以北到江淮流域也为负值区，而南海—西太平洋地区为显著的正值区;7月正负值区均显著北移(图8b)。这说明，当孟加拉湾对流发展增强时，南海—西太平洋的对流活动会受到明显抑制，并逐渐和副高控制区贯通，从而诱使副高西伸。

4 结论

1)根据夏季6月、7月副高脊线南北位置的差异，分别选取关键区(120 ～130°E，15 ～25°N)和(120～130°E，20 ～30°N)内500 hPa位势高度的变化来表示6月、7月副高的西伸东撤过程。当该区域位势高度值增大时，说明副高西伸;当该区域位势高度值减小时，说明副高东撤。

2)副高东西位置异常年，对流层低层的季风槽强度和位置、南半球环流变化(尤其是马斯克林高压、澳大利亚附近的环流变化和越赤道气流异常)以及对流层高层的南亚高压、西风带长波槽位置和强度存在明显的差异，这些差异反映了副高的东西进退与东亚季风系统各成员之间的相互作用有关。6月、7月的环流特征相似之处归纳如表3所示。

表3 6月和7月副高东西位置异常年的相似环流特征Table 3 The similar circulation features between June and July in western and eastern subtropical high years

图86月(a)和7月(b)副高指数与同期OLR的回归分布(单位:W·m－2)Fig．8 The regression analysis between the subtropical high index and OLR in(a)June and(b)July(units:W·m －2)

3)6月、7月环流特征的不同之处在于:由于副高脊线变化存在季内北移东撤现象，7月副高中心位置比6月略偏北，西脊点位置比6月略偏东。此外，低空南半球马斯克林高压范围和强度比6月有所增大，澳大利亚高压却相对减小;受南半球高压的影响，越赤道气流强弱特征也略有不同;7月南亚高压脊线更加偏北，高压脊更加东伸;偏西年和偏东年，环流距平场的反相分布特征更加明显。

4)副高东西位置的年际变化反映了亚洲夏季风强弱的变化。副高偏西(东)年，南海夏季风偏弱(强)，副热带夏季风偏强(弱)。

5)OLR距平场分布很好地说明了副高东西振荡与亚洲季风区热带地区对流异常变化的密切关系:偏西年，副高偏南，从印度洋、印尼群岛到中太平洋地区为对流活跃区，阿拉伯海和孟加拉湾南部也是强对流区，而中南半岛、南海—西太平洋区域受副高影响，对流受到抑制。偏东年则与偏西年相反，副高偏北，上述几个热带地区的对流活动皆偏弱。

陈璇，王黎娟，管兆勇，等．2011．大气加热场影响两太平洋副热带高压短期位置变化的数值模拟［J］．大气科学学报，34(1):99-108．

管兆勇，蔡佳熙，唐卫亚，等．2010．长江中下游夏季气温变化型与西太平洋副高活动异常的联系［J］．气象科学，30(5):666-675．

黄士松．1963．副热带高压的东西向移动及其预报的研究［J］．气象学报，33(3):320-332．

罗玲，何金海，谭言科．2005．西太平洋副热带高压西伸过程的合成特征及其可能机理［J］．气象科学，25(5):465-473．

钱代丽，管兆勇，王黎绢．2010．近57 a夏季西太平洋副高面积的年代际振荡及其与中国降水的联系［J］．大气科学学报，32(5):677-685．

谭晶，杨辉，孙淑清．2005．夏季南亚高压东西振荡特征研究［J］．南京气象学院学报，28(4):452-460．

陶诗言，张庆云，张顺利．2001．夏季北太平洋副热带高压系统的活动［J］．气象学报，59(6):747-758．

温敏，何金海．2000．夏季季风降水凝结潜热释放效应对西太平洋副高形成和变异的影响［J］．南京气象学院学报，23(4):536-541．

吴国雄，刘还珠．1999．全型垂直涡度倾向方程和倾斜涡度发展［J］．气象学报，57(1):1-15．

吴国雄，丑纪范，刘屹岷，等．2002．副热带高压形成和变异的动力学问题［M］．北京:科学出版社:72-731．

徐海明，何金海，周兵．2001．江淮入梅前后大气环流的演变特征和西太平洋平洋副高北跳西伸的可能机制［J］．应用气象学报，12(2):150-158．

许晓林，徐海明，司东．2007．华南6月持续性致洪暴雨与孟加拉湾对流异常活跃的关系［J］．南京气象学院学报，30(4):463-471．

余丹丹，张韧，洪梅，等．2010a．基于副高—季风非线性动力模型的动力特征讨论与机理分析［J］．热带气象学报，26(4):428-437．

余丹丹，张韧，滕军，等．2010b．西太平洋副高与亚洲夏季风系统季节内振荡的基本模态及传播特征［J］．热带海洋学报，29(4):32-39．

张韧，罗来成．1993．夏季东亚上空副热带高压中期变化的物理机制讨论［J］．气象科学，13(4):417-426．

周曾奎．1996．江淮梅雨［M］．北京:气象出版社．

Hoskins B J，Rodwell M J．1995．A model of the Asian summer monsoon，Part I:The global scale［J］．J Atmos Sci，52(9):1329-1356．

Tao Shiyan，Chen Longxun．1987．A review of recent research on the East Asian summer monsoon in China monsoon meteorology［M］．Oxford:Oxford University Press:60-92．

Yang Hui，Sun Shuqing．2003．Study on the characteristics of longitudinal movement of subtropical high in the western Pacific in summer and its influence［J］．Adv Atmos Sci，20(6):921-933．

Yu Dandan，Zhang Ren，Hong Mei，et al．2007．A characteristic correlation analysis between the Asia summer monsoon memberships and the west Pacific subtropical high［J］．Journal of Tropical Meteorology，13(1):102-104．

Zhang Ren，Hong Mei．2006．Non-linear dynamic model retrieval of subtropical high based on Empirical Orthogonal Function and Genetic Algorithm ［J］．Applied Mathematics and Mechanics，27(12):1645-1654．