西北太平洋副高东西变动与西南地区降水的关系
2019-05-10晏红明
晏红明 王 灵
1)(云南省气候中心， 昆明 650034) 2)(云南省气象局， 昆明 650034)
引 言
西北太平洋副热带高压(简称副高)是影响东亚气候的大尺度环流系统之一，在东亚气候异常中占重要地位。冬季副高变化对东亚冬季风活动有阻挡作用；夏季副高位置与东亚副热带夏季风活动相联系，其西北侧的低空西南气流向东亚地区输送大量水汽，并对中国东部雨带位置变化起决定作用[1-4]。因此，副高的位置、形态和强度决定着东亚地区的气候异常，在中国气候变化中起重要作用。
副高具有明显的季节变化，尤其在夏季，往往表现出缓慢或跳跃式的北移，6月中旬副高脊线移过20°N，在20°～25°N间徘徊；7月中旬跳过25°N，在25°～30°N间摆动；8月初移过30°N，达到最北位置；9月后副高势力逐渐减弱，脊线开始自北向南迅速撤退[5-6]。由于副高的季节性南北移动，其活动通过对东亚副热带夏季风水汽输送的影响以及对由北至南冷空气的阻挡作用，在很大程度上影响锋面活动的位置，进而影响中国东部雨带位置的变化[7-11]。因此，以往的很多工作主要关注副高在南北方向的移动[12-14]，对东西偏移的关注相对较少，尤其是副高变化对西南地区气候影响方面的关注就更少。中国西南位于青藏高原向东延伸部位，海拔高，纬度偏低，副高对西南地区气候的影响没有对东部地区直接，因此，一直以来很少有工作关注副高活动对西南地区天气气候的影响。但在实际业务工作中发现，副高变化通过影响周围环流系统的配置对西南地区天气气候同样有重要作用，特别是2009—2013年云南发生了有气象记录以来最严重的持续性干旱过程。云南地区的持续性干旱不仅与副高的显著西进有关，还与副高东退密切联系，如2009年夏秋季节和2011年夏季两个干旱最严重的时段，副高分别表现为显著偏西和偏东变化[15]。除此之外，冬季副高位置对云南的其他极端气候事件也有重要影响，2008年1月中旬—2月上旬我国南方经历了一次历史罕见的持续性低温雨雪冰冻天气，而云南低温雨雪发生的时间却明显滞后于我国南方其他地区低温雨雪发生的时间(约20 d)，这次极端天气事件在发生时间上的差异与副高的东退南撤有密切联系[16]。研究副高东西位置的异常变动，及其对西南地区气候的影响，对理解西南地区气候异常的成因具有重要意义。
目前，关于副高东西进退的定义，最常用的是国家气候中心刘芸芸等[17]定义的副高西脊点指数，该指数在气候监测业务中被广泛用于描述副高的东西变化。另外，Lu[18]认为副高在低层更为稳定和强大，因此，利用850 hPa副高西侧(10°～30°N，110°～150°E)区域平均的位势高度衡量夏季副高的东西变动；Yang等[19-20]考虑到全球变暖现象引起的等压面抬升对高度场造成的虚假变化趋势，采用500 hPa 副高西侧(22.5°～30°N，115°～140°E)的相对涡度定义夏季副高的东西偏移指数；与此相似，王黎娟等[21]选取500 hPa区域(20°～30°N，115°～125°E)的平均涡度定义；陆日宇等[22]则采用低层850 hPa区域(15°～27.5°N，125°～150°E)相对涡度的区域平均定义。Yang等[23]根据梯度风近似理论，将副高西脊点定义在副高脊线西边界最大经向风所在位置。在长期气候预测业务中发现，这些指数虽然在一定程度上能够反映副高东西变动的特征，但却不能很好地反映出副高东西位置对西南地区气候的影响差异。因此，为了进一步研究副高东西变化对西南地区气候的影响，有必要对现有副高东西指数表征的副高变化及其影响等进行更加细致的对比分析。为此，本文以夏季为研究时段，首先分析夏季逐月多年气候平均东亚—西太平洋区域高低层大气环流以及不同气象要素的季节变化特征，选取关键区域定义新的副高东西指数，考察新指数对副高东西进退的表征能力，并与已有指数进行对比，分析该指数与中国尤其是与西南地区夏季降水的关系。
1 资料和方法
本文所用资料包括国家气象信息中心提供的1958—2014年中国486个气象观测站的月平均降水资料、中国西南三省一市(四川省、贵州省、重庆市和云南省)1961—2016年80个气象观测站的月平均降水资料、1979—2016年NOAA CMAP(Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation)月平均降水资料(水平分辨率为2.5°×2.5°[24])、1958—2016年美国国家环境预测中心和国家大气研究中心(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research，NCEP/NCAR)月平均大气环流再分析资料(水平分辨率为2.5°×2.5°[25])、1958—2016年英国Hadley中心提供的海表温度HadISST(Hadley Center Sea Ice and Sea Surface Temperature)(水平分辨率为1°×1°[26])，气候平均统一采用1981—2010年的30年气候平均值。
研究方法包括相关分析、合成分析等数理统计诊断方法，显著性检验采用t检验。
2 副高东西指数定义
2.1 东亚高低层大气环流的气候特征
定义副高指数之前，有必要首先了解高低层大气环流的气候特征。由于中国西南地区位于青藏高原向东延伸部位，海拔较高，大部分地区的海拔高度接近2000 m，为了避免海拔高度对指数定义的影响，下面主要分析500 hPa和700 hPa高度层上夏季相对涡度、位势高度和矢量风场的多年气候平均特征(图1)。
由图1可以看到，夏季6—8月逐月和季节平均高低层大气环流和不同要素的变化，副高反气旋环流近似于东西向带状分布，脊线东西两端位置有一定差异，总体而言，西段位置比东段偏南，脊线一般呈现出西南—东北走向。由于这里主要考虑副高东西位置变动对西南地区气候的影响，这里主要关注140°E 以西副高脊线和西脊点位置的季节变化，500 hPa 和700 hPa分别以5880 gpm线和3150 gpm线在脊线上最西端的位置表示副高西脊点。6月500 hPa副高脊线位于16°～22°N，西脊点位于126°E 附近；7月副高北抬，脊线位于22°～26°N，西脊点位于121°E附近；8月副高脊线位于27°～32°N附近，西脊点大致位于132°E。700 hPa副高的变化与500 hPa相似，6月副高脊线位于15°～23°N，西脊点位于121°E附近；7月脊线位于20°～27°N，西脊点位于127°E附近；8月副高北抬超过25°N，脊线位于25°～31°N之间，西脊点位于135°E附近。对比高低层多年气候平均副高位置变化，6月和7月高低层副高西脊点位置较偏西(位于130°E以西)，其中，6月500 hPa和7月700 hPa西脊点位置向西伸展至121°E。逐月副高脊线位置变化反映了副高由南向北季节性变化特征，高低层脊线位置变化基本一致，在很大程度上反映了副高的正压性特征。
图1 夏季6月，7月，8月和夏季平均500 hPa和700 hPa高度特征线(蓝色实线，单位：gpm)、脊线位置(红色长虚线)、相对涡度(填色)和风场(矢量)的多年气候平均(1981—2010年)分布(矩形方框表示关键区位置)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)
过去很多研究主要考虑夏季平均情况，但由于夏季副高的季节特征显著，对比夏季逐月与6—8月季节平均场，可以看到不论是脊线位置或者是西脊点的变化都有很大差异。在6—8月气候平均场上，100°～140°E范围内西南—东北向脊线大致位于20°～25°N，脊线上5880 gpm和3150 gpm脊点位置位于135°E附近。夏季平均脊线位置与7月相似，西脊点位置与8月相似。显然夏季平均并不能完全反映夏季副高季节内变化的特征。
副高对中国天气气候的作用除了影响周围大气环流系统的配置，副高反气旋环流引起的正负涡度与降水变化有十分密切的联系[27-28]，会直接影响天气气候异常[29]。由图1看到，700 hPa和500 hPa副高反气旋环流主体区域及其周围有明显的负涡度，但副高5880 gpm和3150 gpm特征线所反映的西脊点位置并不能客观反映出副高西侧高低层反气旋性环流辐散区位置和强度的变化。如在6月和8月500 hPa气候平均场上，虽然8月5880 gpm西脊点的位置比6月偏东约9个经距，但8月负涡度的位置却比6月更加偏西，700 hPa也出现了类似情况。在夏季平均场上呈现出相同特征，尽管西脊点位置位于135°E附近，但副高反气旋性环流相关的负涡度区却向西扩展至105°E附近，比西脊点位置明显偏西。该现象在一定程度上说明，利用副高脊线上5880 gpm特征线最西端位置描述的副高东西位置变动并不能客观反映副高反气旋环流位置及其对周围降水的影响。
2.2 副高东西位置指数的定义
目前衡量副高东西位置变动指数主要有3种：①500 hPa高度场上5880 gpm等值线最西端格点所在的经度值(若在90°E以西则统一计为90°E；若某月不存在5880 gpm等值线，则以该月的历史最大值代替)，这是目前衡量副高西脊点位置最普遍的一种方法，也是国家气候中心气候监测业务中所用的方法，简称为NCC指数。②根据梯度风近似理论，将副高西脊点定义在副高脊线西边界最大经向风所在的位置[23]，简称为WIND指数。③用对流层中低层多年气候平均副高西侧位置的区域平均涡度定义副高东西位置[20-22]。在以上3种指数中，前两种指数能够定量给出副高西伸脊点的位置，而后一种指数却只能定性描述副高位置的东西变化。对于第3种指数，不同研究所选取的关键区域和高度层存在一定的差异，Yang等[20]选取500 hPa区域(15°～27.5°N，125°～150°E)的平均涡度；陆日宇等[22]用850 hPa区域(15°～27.5°N，125°～150°E)的平均涡度；王黎娟等[21]选取500 hPa区域(20°～30°N，115°～125°E)的平均涡度定义，这些工作主要研究夏季平均情况。但夏季副高有显著的季节特征，如果整个夏季选定一个固定区域的平均涡度定义副高的东西变动则不能客观反映夏季副高的季节内变化特征。根据多年气候平均夏季逐月和夏季平均图上与副高反气旋环流相关的负涡度，以及特征线表征的副高西脊点位置(图1)，同时也为了能够较好地考察副高的东西变动对西南地区气候的影响，分别在6月、7月、8月和6—8月平均选取4个不同的关键区(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)。由于副高在低层更为稳定和强大，低层西太平洋副高变化与水汽输送密切联系，对我国夏季降水有十分重要影响[22]，同时，考虑到西南低纬高原地区海拔高度影响，本文选取700 hPa的4个关键区区域平均涡度定义6月、7月、8月和6—8月平均的副高东西变动，简称为VORT指数。
比较夏季各月与夏季平均副高东西变动的差异，发现夏季平均指数与6月、7月分月定义的指数有显著的正相关，分别为0.43和0.54，而与8月指数相关不明显，仅为0.2，未达到0.1的显著性水平。从夏季各月和夏季平均指数的年际变化(图2)看到，各指数反映的副高西伸位置存在很大差异，如1961年7月副高偏东和8月副高偏西的特征非常显著，但夏季平均指数仅表明副高活动正常，相似情况也出现在1963，1967，1973，1976，1999，2006年等年份。另外，月副高指数反映的副高变动在有的年份虽然不明显，但夏季平均指数反映的副高变动却相当显著，如1971年。因此，尽管夏季平均副高指数与6月和7月的副高变化呈显著正相关，但季节平均和月副高指数所反映的副高变化特征存在很大差异，尤其是副高东西变动幅度的差异更为明显，季节平均指数不能很好反映月尺度副高变化。因此，有必要从月变化的角度进一步研究副高东西变动的季节内特征。
图2 1958—2014年6月、7月、8月和夏季平均标准化VORT指数年际变化Fig.2 Interannual variation of VORT standardized subtropical high index in Jun,Jul,Aug and summer from 1958 to 2014
3 VORT指数对高低层副高大气环流东西变动的表征能力
由图2给出的6月、7月和8月副高东西变动指数VORT年际变化看到，VORT指数主要反映副高东西变动的年际变化，年代际特征并不显著。以VORT指数±1个标准差选取正负异常年分别表示副高异常偏西(负指数年)和偏东(正指数年)，则6月正负异常年分别为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月正负异常年分别为1958，1961，1972，1981，1994，1999，2001，2002，2006，2008年和1965，1971，1979，1980，1983，1989，2003，2007，2013年；8月正负异常年分别为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。
比较夏季逐月VORT指数正负异常年500 hPa 5880 gpm特征线与多年气候平均5880 gpm特征线位置(图略)看到，特征线位置在负异常年偏西和正异常年偏东，表明VORT指数所表征的副高东西变动在一定程度上与NCC指数所反映的副高东西变动有比较相似的特征。
图3为VORT正负异常年夏季逐月500 hPa 高度差值场和700 hPa涡度差值场，均反映了副高异常东西变动年东亚东部以及西北太平洋地区环流变化的差异。首先看500 hPa高度场差异特征，副高偏东年6月500 hPa中南半岛北部至菲律宾群岛附近为负高度差值；7月负高度差值区北移至华南东部—菲律宾海盆北部，其北侧有一个明显的正高度差值区，东亚—西北太平洋地区由南向北呈现出明显的西南—东北向的负-正-负异常差值波列；8月负高度差值区北抬至30°N附近的西北太平洋地区，由南向北呈现为显著的东南—西北向的负-正-负异常差值波列。副高异常偏西年，以上高度差值场的变化刚好相反。700 hPa相对涡度差值场上，副高异常偏东年6月孟加拉湾东部—中南半岛北部—菲律宾海盆西部为显著的正涡度差值区，其南北两侧分别为负涡度差值区，东亚东部至西太平洋表现为显著的负-正-负差值分布；7月正涡度差值区北抬至华南—西北太平洋海盆中部，在其两侧同样为负涡度差值区，经向方向同样表现为显著的负-正-负差值分布；8月负涡度差值区北抬至华北—日本以东以南的附近海域。副高偏西年份，相对涡度差值场的变化刚好相反。以上分析表明：VORT指数所表征的副高东西变动相应的高低层大气环流变化存在显著差异，并与中高纬度异常波列变化联系紧密，特别是7月和8月。
VORT指数所表征的副高东西变动在高低层风场也有明显差异，从VORT指数与夏季逐月低层850 hPa和高层200 hPa矢量风场的相关(图4)看到，VORT指数所表征的副高东西异常与高低层副高环流变化密切联系。副高异常偏东年份，6月低层850 hPa 南海—菲律宾群岛北部为明显的异常气旋环流，相应区域高层200 hPa也同样为异常气旋环流；7月850 hPa显著的异常气旋位于华南东部—菲律宾海盆北部，高层200 hPa异常气旋位置稍偏北；8月850 hPa异常气旋位于华东—西北太平洋海盆北部，相应高层200 hPa也有一异常气旋，中心位于华东。副高异常偏西年份，以上环流变化刚好相反。高低层矢量风的异常变化进一步表明VORT指数对副高的东西变动有很好的表征能力。另外，从高低层风的相关可知，副高异常与东亚高低纬度环流的密切联系，尤其在高层联系比较紧密。7月和8月副高异常偏东年，东亚至西北太平洋地区由南向北呈现出反气旋(A)-气旋(C)-反气旋(A)的异常波列，与此相反，在副高异常偏西年为C-A-C异常波列。
图3 夏季6月、7月、8月VORT指数正负异常年500 hPa高度差(单位：gpm)和700 hPa涡度差(单位：10-6 s-1)(由浅到深的阴影区分别表示达到0.05，0.02和0.01的显著性水平)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指数正负异常年高低层环流变化的差异及其与高低层风的相关分布表明：VORT指数对副高东西变动具有很好的表征能力，正指数年副高偏东和负指数年副高偏西，表明了正负VORT指数在很大程度上可以反映副高东西位置对称性变化的特征。
4 不同副高指数对比
对比VORT指数与NCC指数、WIND指数对副高东西变动的表征能力。表1分别为夏季不同月份3个指数的相关，可以看到,3个指数既有密切联系，也存在很大差异。在以上3个指数中，VORT指数与NCC指数、WIND指数在各个月份均呈显著正相关，而NCC指数、WIND指数除了在8月呈显著正相关，6月和7月的相关均不显著。为了考察3个指数在反映副高东西位置变动方面存在的实质性差异，根据不同指数的年际变化选取差异较大的典型年份进行对比。
图5为1958—2014年夏季逐月3个指数的年际变化，可以看到，3个指数所表征副高东西位置在有的年份差异较大，甚至出现完全相反的情况。为了对比分析不同副高指数对副高东西变化的表征能力以及对降水的影响，这里选取3个指数差异比较大的典型年份进行对比。由于CMAP降水资料的开始时间为1979年，因此，仅选取1979年后的典型年份进行比较。6月VORT指数与NCC指数、WIND指数的相关显著，而NCC指数与WIND指数相关仅为0.14，表明3个指数中NCC指数与WIND指数所反映的副高东西变动差异较大。由图5可知，6月差异较大的年份是1992年和1998年，这两年WIND指数和NCC指数表征的副高位置刚好相反：1992年NCC指数偏东和WIND指数偏西，VORT指数正常稍偏西；1998年NCC指数与VORT指数偏西，WIND指数偏东。图6a和6b分别给出1992年6月和1998年6月500 hPa各要素变化，1992年6月5880 gpm特征线表征副高显著偏东；脊线上最大南风位于113.4°E，WIND指数表示副高偏西；但大于10 mm的大范围降水区出现在118°E以西地区，降水区未表现为异常偏西或偏东的特征，而是与VORT指数表征的副高正常稍偏西的特征比较符合。在1998年6月5880 gpm特征线的西脊点位于104°E附近，副高反气旋环流相应的负涡度和5880 gpm特征线覆盖的范围比较一致，大于10 mm的降水区集中在100°E以西，与NCC指数和VORT指数表征的副高偏西变化比较相符；而脊线上最大经向南风位于130°E 附近，WIND指数表征副高偏东的特征与主要降水区的位置差异较大。以上分析表明：1992年和1998年副高VORT指数所表征的副高东西位置可以更好地反映副高西侧大于10 mm降水区位置变化。
注：相关系数超过0.26均达到0.05显著性水平。
图5 1958—2014年夏季6月、7月和8月标准化NCC指数、WIND指数和VORT指数变化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个指数变化关系与6月非常类似，VORT指数与NCC指数和WIND指数的正相关显著，而NCC指数和WIND指数的关系较差。由图5可知，7月副高指数变化差异较大的是1984年和1989年，1984年NCC指数与WIND指数变化相反，1989年WIND指数与VORT指数变化相反。图6c和图6d分别为1984年和1989年各气象要素的变化，1984年无5880 gpm特征线，NCC指数表征的副高明显偏东；WIND指数表征的副高西脊点位置在109.4°E，副高反气旋环流主体及相应的负涡度区位于中国东部及附近海洋，WIND指数和VORT指数表征的副高偏西比较一致，大于10 mm的降水区位于副高反气旋环流西侧或南侧的正涡度区或弱负涡度区。1989年脊线上最大经向南风位于141.4°E，与NCC指数一致，表征的副高偏东，但显著的副高反气旋环流及其相应的负涡度区向西扩展至110°E附近，大于10 mm的降水区位于副高反气旋环流西侧90°～100°E和南侧的正涡度区或弱负涡度区，VORT指数更好地反映了副高反气旋环流东西位置以及降水异常区位置的变化。
图6 典型差异年份500 hPa相对涡度(填色)、脊线位置(红色长虚线)、5880 gpm特征线(蓝色点虚线,单位：gpm)、多年气候平均5880 gpm特征线(蓝色实线,单位：gpm)、矢量风场和大于10 mm降水区(绿色线，单位：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
虽然3个指数的变化关系在8月比较一致，但有的年份存在很大差异。由图5可知，8月副高指数变化差异最大的是1981年和1986年。这两年均无5880 gpm特征线，NCC指数表征副高显著偏东，但在东亚中纬度大约20°～40°N范围内为明显的带状反气旋环流及负涡度区，脊线大致位于30°N附近。1981年脊线上最大经向南风位于106.8°E，WIND指数与VORT指数表征副高偏西变化一致(图6e)。1986年脊线上最大经向南风位于129.8°E，WIND指数表征副高偏东，与NCC指数表征的副高一致，但副高反气旋环流以及相应的负涡度区一直向西扩展到100°E附近，与VORT指数表征的副高偏西特征一致(图6f)。以上两年大于10 mm的大范围降水区域主要出现在异常反气旋环流带的南侧，与VORT指数表征的副高偏西变化较一致。
从典型差异年对比看，VORT指数不仅能客观反映副高反气旋环流位置的东西变动，在一定程度上也能反映副高西侧大于10 mm降水区位置的变化。接下来进一步比较VORT指数不同强度(即VORT指数大小IVORT)时5880 gpm特征线位置东西变动的差异，主要比较两种情况：①IVORT>1.0与0.5>IVORT>0的差异，②IVORT<-1.0与-0.5 另外，由于副高变化极其复杂，用一个指数很难完整描述副高变化的特征，目前用于描述副高指数变化的指数除了东西指数，另外还有面积指数、脊线指数、强度指数、北界指数等。有研究基于国家气候中心提供的74项环流指数中的各副高指数研究了副高指数之间的相互联系，表明夏季平均的副高西脊点指数与强度指数之间有显著负相关(-0.72)[30]。但本文定义的VORT指数与74项环流特征指数中副高强度指数之间的相关却很弱，即VORT指数表征的副高东西位置与副高强度之间没有很好的联系。 图7 6月和7月IVORT>1.0(短虚线)和0.5>IVORT>0(长虚线)时5880 gpm特征线位置(实线为多年气候平均5880 gpm特征线)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) 分析不同副高指数与中国，尤其是西南地区夏季降水的关系。首先讨论夏季副高东西变化与中国降水的关系，图8分别为3个指数与中国486个气象观测站6—8月逐月降水的相关，以副高偏西为例，图中正相关表示降水偏少，负相关表示降水偏多。NCC指数与夏季不同月份中国东部地区降水的变化有一定联系，特别是与7月长江中下游雨带位置的季节变化显著相关，当副高偏西时，6月雨带位于华南，7月北抬至长江中下游，8月北抬至河套—黄河下游。WIND指数与6月中国降水变化相关不显著，与7—8月中国东部降水变化有一定联系，尤其是7月，当副高位置偏西时，华南东部降水显著偏少，黄河流域降水偏多，WIND指数与中国东部夏季雨带位置的变化无明显联系。与前两个指数相比，VORT指数不仅与中国东部雨带位置的季节性变化密切联系，还很好地反映了副高东西变化对中国东西和南北区域降水影响的差异：6月当副高偏西时，华南降水偏多，而西南降水偏少，中国南部降水的东西差异特征比较显著；7月随着副高位置的季节性北抬，当副高位置偏西时，长江以南降水主要以偏少为主，其中华南和云南西北部地区的降水显著偏少，而江淮流域降水偏多，黄河以南降水的南北差异特征比较明显；8月副高的偏西变化有利于中国降水多雨区向北移动至黄河流域，而华东地区降水偏少。 图8 1961—2014年夏季NCC指数、WIND指数和VORT指数与中国降水相关分布(阴影表示达到0.05显著性水平)Fig.8 Correlation distributions between different index and precipitation in China during 1961-2014 (the shaded denotes passing the test of 0.05 level) 为了更加仔细地分析副高东西变动与西南地区夏季降水的联系，进一步对比不同指数与西南地区80个气象观测站降水的关系(图9)。在3个指数中，VORT指数与西南地区降水变化的关系最好，尤其是6月和7月，而NCC指数和WIND指数除6月VORT指数与西南地区降水有一定联系，7月、8月的相关均不显著。对于VORT指数而言，当副高位置偏西时，6月四川西部和南部、云南中北部地区降水偏少，而贵州大部降水偏多；7月四川北部和东部、贵州东北部降水偏多，而云南中部和西北部降水偏少；8月达到0.05显著性水平的相关区较少，但总体有利于四川北部和云南南部降水偏多，其余地区降水偏少。对于NCC指数而言，副高偏西有利于6月四川中东部、重庆和贵州降水偏多，云南大部降水偏少；7月四川西部和贵州降水偏多，其余大部降水偏少，但大部分地区相关不显著；8月相关更不显著，副高偏西有利于贵州和云南北部降水偏多，其余大部降水偏少。WIND指数与西南降水的相关在6月和8月与NCC指数的相关非常类似，7月的相关比NCC指数显著。7月副高位置偏西时，有利于四川东部、重庆东北部、云南东南部降水偏少，云南西部降水偏多。 以上3个指数中VORT指数所表征的副高变化与中国东部雨带位置、西南地区的降水分布等有密切联系，在一定程度上可以根据VORT指数所表征的副高东西位置预测中国降水雨带位置和西南地区降水的变化。 图9 1961—2014年夏季NCC指数、WIND指数和VORT指数与西南降水相关分布(阴影区表示达到0.1显著性水平)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) 影响副高东西变动的因子比较复杂，过去的许多研究表明,热带海温异常是影响副高变化的主要因子。基于国家气候中心对副高西伸脊点的定义，李万彪等[31]指出热带西太平洋暖池中心的季节性东西移动与副高西脊点的季节性变化相反；陈迪等[32]通过对6月西伸脊点与中东太平洋海表温度的时滞变化分析，指出赤道中东太平洋海温是影响副高变化的关键区域。本文对VORT指数与海温变化的关系也进行了初步探讨，由于热带海温变化存在明显的年代际增暖，分析时去除了海温增暖的线性趋势。从1958—2014年逐月VORT指数与同期海温的相关(负相关表示海温偏暖副高偏西和海温偏冷副高偏东)看到，6月和7月VORT指数与海温相关显著(图10)，但与8月海温的相关很差(图略)。6月和7月VORT指数与海温的显著相关区位置差异较大，6月显著负相关区位于东印度洋和西北太平洋；7月VORT指数与西北太平洋30°～40°N海温有显著正相关，与菲律宾以东的部分海区存在负相关。对比去除线性趋势后的NCC指数与海温的相关分布(图略)，同样发现除了6月NCC指数与北太平洋中部海温有显著负相关和东太平洋的海温有显著正相关，7月和8月NCC指数与海温的相关均很弱。对比分析6月VORT指数和NCC指数与前期海温的关系，发现NCC指数与前期北太平洋中部的海温显著负相关，而VORT指数仅与前期5月西太平洋部分地区海温呈正相关(图略)，与其他时段的海温相关并不显著。 图10 6月和7月VORT指数与海温同期相关(阴影区表示达到0.05显著性水平)Fig.10 Correlation between VORT index and SST field in Jun and Jul(the shaded denotes passing the test of 0.05 level) 由于海气相互作用，海温和大气的变化是相互联系和相互影响的[33]。从6月和7月VORT指数回归的东亚地区垂直经向环流(图略)，看到6月南海附近的暖海温使气流上升，并在20°～30°N附近气流下沉，对副高加强西伸有十分重要的影响；7月气流上升区位置向北移动至15°～30°N附近，相应的气流下沉区也北移至30 °～35°N，有利于7月副高的加强西伸。 以上分析表明，基于关键区相对涡度定义VORT指数与海温变化有一定联系，但这种联系与副高南北位置变化有关：6月副高位置偏南，与热带地区海温变化关系比较密切；7月随着副高北抬，与海温变化关系有所减弱；8月副高东西位置与海温变化基本无关。对比分析也表明，基于其他定义(NCC指数)的副高指数也表现出了非常类似的相关特征。另外，本文分析还表明:基于VORT指数时，海温变化影响的前期信号很弱，主要表现为同期相关。以前的很多研究主要集中在夏季平均的情况，表明夏季平均副高的变化与海温变化的关系密切，认为海温是影响副高异常的重要因子。但本文分析则进一步表明了海温与副高变化关系和副高南北位置变化联系密切，副高位置越偏北，与海温变化的关系越弱，因此，进一步探讨副高位置偏北时，海温对副高面积、强度、脊线和西脊点位置等特征量变化的影响值得关注。 副高是影响我国夏季降水异常的大尺度环流系统，它的稳定维持以及南北摆动、东西进退等对我国不同地区的天气均有重要影响，但由于副高变化对低纬度高原地区天气气候影响的复杂性，对副高异常变动与西南地区气候异常的关系一直缺乏深入的认识和了解，相关研究也非常少，所以尽管有时候准确预测了副高变化，却未能很好把握副高异常时相应的气候特征。针对这一问题，本文根据夏季多年气候平均东亚和西太平洋地区大气环流季节特征，用相对涡度定义了一个新的副高东西位置变动指数VORT，并与已有的两个副高东西指数(NCC指数和WIND指数)进行对比，得到以下结论： 1) 根据多年气候平均东亚和西北太平洋大气环流季节变化特征，分别选取3个关键区域(15°～25°N，105°～130°E；20°～30°N，105°～130°E和25°～35°N，110°～140°E)，采用700 hPa 3个关键区区域平均相对涡度分别衡量6月、7月和8月副高东西位置变动，称为VORT指数。 2) VORT指数与其他指数既相互联系，又有一定差异。VORT指数不仅能够客观地反映副高反气旋环流位置的东西变动，还能很好地反映副高的变化与东亚高低纬度环流变化的相互联系，副高偏(东)西时，东亚至西太平洋呈负-正-负(正-负-正)异常经向波列。 3) 与其他指数相比，VORT指数所表征的副高位置东西变动不仅与中国东部雨带位置的变化密切联系，还能很好地反映6月和7月副高东西变动对西南地区降水异常的影响，副高偏西时，6月四川西部和南部、云南中北部地区降水偏少，贵州大部降水偏多；7月四川北部和东部、贵州东北部降水偏多，而云南中部和西北部降水偏少，反之亦然。VORT指数在现有指数中对降水变化的表征能力最佳。 4) 赤道印度洋和西太平洋，以及西北太平洋地区的海温与副高位置东西变动密切联系，6月赤道印度洋和西太平洋冷(暖)海温时副高偏东(西)；7月西北太平暖(冷)海温时副高偏东(西)。另外，海温与副高变化的关系与副高南北位置的变化有很大关系，副高位置越偏北，与海温变化的关系就越弱。 副高变动通过与周围大气环流的不同配置，对周围地区天气气候的影响极其复杂。本文分析了3个指数的相互联系及其差异，并比较了不同副高指数东西位置变动与中国，尤其是西南地区夏季降水异常的关系，发现与其他副高东西变动指数相比，采用700 hPa相对涡度定义的指数与中国雨带位置以及西南地区的降水异常变化有很好的联系。但在日常业务中也发现所谓的副高偏西或偏东，只是相对于多年气候平均副高的位置，其偏西或偏东的位置也会存在很大的差异，这些差异对天气气候的影响也不同。本文用相对涡度定义的副高东西变动指数与其他指数相比，虽然在一定程度上可以很好地反映副高东西异常时中国降水异常的不同特征，但该指数只能定性地描述副高偏东或偏西，却不能定量给出副高东西位置变动，存在一定不足。
5 副高东西变动指数与西南地区夏季降水的关系
6 副高东西变动与热带海温异常的联系
7 结论和讨论
