初夏西北太平洋副高东西变动对中国南部降水东西差异的影响

晏红明， 肖子牛， 薛建军

1 云南省气候中心， 昆明 650034 2 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室， 北京 100029

0 引言

西北太平洋副热带高压(简称副高，下同)是东亚季风环流系统的重要成员，由于其活动的特定位置，对链接中高纬度和低纬度地区的环流系统起着非常重要的纽带作用，对中国天气气候有十分重要的制约作用(龚道溢和何学兆，2002；吴国雄等，2003；陶诗言和卫捷，2006；钱代丽等，2009；韦道明等，2011；赵俊虎等，2012；Guan et al.，2018)，特别是副高位置的东西进退和南北移动直接关系到亚洲季风的季节进程、季风水汽输送路径、中国夏季雨带位置、区域性持续高温和旱涝的异常分布.副高位置变化最显著的影响以1998年为代表，1998年副高位置的持续偏南偏西导致南海夏季风爆发偏晚，之后在30°N以南的持续维持又导致长江流域降水明显偏多，出现著名的洪涝年(陈隆勋和祝从文，1999).相反，副高的偏东变化容易引起长江流域梅雨期的降水减少甚至干旱(杨辉等，2006).除了对中国旱涝异常分布的影响，副高位置的持续异常对区域性高温也有重要作用，2002年夏季中国北方出现的持续性高温就主要受副高持续偏东的影响，副高偏东为大陆副高的东进和加强提供了有利的大尺度背景条件，同时也使得季风水汽输送路径向北折向的位置随之东移，导致东亚大陆水汽输送异常减少，中国北方变得十分干燥(卫捷等，2004).2009—2013年中国西南地区持续性的特大干旱事件也与副高位置的持续偏西或偏东异常关系密切(晏红明等，2012；杨辉等，2012).在冬季，副高的异常强弱状态和结构，以及其位置变化可能造成我国南方雨雪冰冻天气(李崇银等，2008；晏红明等，2009).因此，深入认识和把握副高异常活动的特征及其对气候的影响，探讨影响副高东西变动的前期信号因子，对提高气候预测准确率，做好防灾减灾工作具有十分重要的科学意义和实际应用价值.

就气候平均而言，5—8月副高南北位置的季节变化最为强烈，脊线平均北移11.5°.6月副高发生第一次北跳，脊线越过20°N，徘徊于20°N—25°N之间，副高北界刚好位于中国南部，其位置的东西摆动使得中国南部地区交替出现西南气流和东南气流，此时，西南地区雨季开始，华南前汛期结束，长江流域梅雨开始，夏季形势基本建立，副高位置的东西变动对亚洲季风环流，以及西南和华南地区降水异常的影响尤其显著.张庆云和陶诗言(2003)发现6月副高位置变化与东亚环流异常的密切联系，副高偏东(西)有利于东亚夏季风环流加强(减弱)，梅雨锋环流减弱(加强)，副高南(北)变动对东亚夏季风环流和梅雨锋低压亦有同样的影响.王黎娟等(2005)指出6月副高东西进退与东亚夏季风系统成员之间相互影响和相互制约的关系，副高偏西异常时南亚高压偏东偏强，季风槽偏弱，西风带长波槽发展加深，南半球马斯克林高压和南亚高压减弱，相应的越赤道气流减弱，副高偏东异常时的情况刚好相反.余丹丹等(2014)的分析也同样发现了初夏副高东西进退与东亚季风环流变化的密切联系.通过对亚洲季风环流的影响，初夏副高位置的东西异常对中国气候的影响也非常显著，梁建茵和吴尚森(1999)指出广东前汛期(4—6月)降水与西南季风的关系不显著，主要受东亚副热带季风加强的影响，6月广东强降水与副高南撤西伸的变化关系密切；Lu和Dong(2001)和李慧等(2013)分析表明6月副高偏西有利于长江流域降水偏多，而华北和华南降水偏少；西南地区的初夏干旱以及雨季开始期早晚也与副高的东西变动密切联系(李永华等，2010；晏红明等，2013).由此可见，6月副高东西位置的异常变化对亚洲季风环流系统和中国南部降水异常分布起着举足轻重的作用.

作者在最近的分析中同样发现6月副高的东西变动对中国南部地区的降水影响尤其明显，并初步发现副高东西变动与初夏中国南部降水的东西差异有一定联系(晏红明和王灵，2019).我们知道，每年4—6月华南经历第一个多雨期，即华南前汛期，该时期的降水主要受副高北侧西风带的影响，副高东西变动对其西北侧水汽输送路径以及西风带冷空气的影响十分重要.而对于西南地区而言，6月大部分地区的雨季已经开始，由于西南地区刚好位于副高西侧，副高东西进退对影响西南地区的东亚季风和南亚季风的交替变化十分显著，天气气候对副高的东西变化也相当敏感.迄今为止的大部分工作主要集中在副高活动对华南和西南地区的天气气候影响展开研究，得到了一些有意义的结论，但还没有工作将西南和华南地区的降水变化与副高东西变动的影响结合在一起进行讨论.作者前期工作中初步发现的副高东西变动与中国南部降水东西差异的联系是一个非常值得关注的现象，需要进一步研究.副高位置东西异常是否确实会引起中国南部降水的东西差异？副高东西异常引起怎样的环流异常导致了中国南部降水的东西差异？影响初夏副高东西变动的前期信号因子又是什么？进一步开展这些问题的研究对于深入认识初夏中国南部夏季降水异常的原因，提高中国南部初夏降水的预测能力，做好防灾减灾工作有十分重要的实际意义.

1 资料和方法

由于不同降水资料之间在分辨率、资料同化方法等方面的差异，为了进一步分析副高的东西变动与中国南部地区东西降水差异相联系的真实性特征，本文利用多种降水资料进行对比分析，相互印证.降水资料包括：国家气象信息中心1958—2014年长江以南中国南部147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)降水资料，网格分辨率为2.5°×2.5°(Xieand Arkin，1997)；1979—2013年NOAA GPCC(Global Precipitation Climatology Centre)陆地降水资料，网格分辨率为1.0°×1.0°(Beck et al.，2005)；1979—2016年GPCP(Huffman et al.，1997)降水资料，网格分辨率为2.5°×2.5°.大气环流资料利用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/National86 Center for Atmospheric Research，NCEP/NCAR)的高低层月平均大气环流再分析资料，网格分辨率为2.5°×2.5°(Kalnay et al.，1996)；海温资料利用1961—2015年英国Hadley中心提供的海表温度HadISST(Hadley Center Sea Ice and Sea Surface Temperature)，资料分辨率为1.0°×1.0°(Rayner et al.，2003).气候平均统一采用1981—2010年的30年气候平均值.

6月西太平洋副高东西位置的定义根据作者(晏红明和王灵，2019)的工作，选取700 hPa关键区(105°E—130°E，15°N—25°N)的相对涡度区域平均值来定义副高的东西位置，以下简称VORT指数.

使用方法包括相关分析、合成分析等数理统计诊断方法以及数值模拟方法，显著性检验采用t检验方法.同时，为了验证资料诊断分析结果，利用RegCM4.6.1区域气候模式对海温影响进行敏感性数值模拟研究，通过相互验证进一步分析热带海洋外强迫因子对副高东西变动的影响.RegCM系列模式对东亚季风气候有较好的模拟能力，在中国当代和古气候模拟、气候机理分析，以及气候变化预估中得以广泛应用(Giorgi et al., 2012；Gao and Giorgi，2017；吴婕等，2018).RegCM4在RegCM基础上做了重要改进，使用CLM陆面过程方案(Oleson et al., 2008)代替了原有的BATS(Dickinson et al., 1993)，对东亚气候的模拟效果更好(Gao et al., 2017).

2 初夏副高东西变动与中国南部降水的关系

2.1 初夏副高东西变动特征

图1为6月副高东西指数VORT的年际变化，可以看到用700 hPa相对涡度定义的VORT指数主要表现出明显的年际特征，线性变化趋势非常小，去除线性趋势后的变化与未去除线性趋势后的变化几乎完全一致.与目前国内气候预测监测业务中通常使用的500 hPa上5880 gpm(1 gpm=9.8 J/kg)特征线最西端所在经度位置定义的指数(刘芸芸等，2012)相比，在表征副高东西变动的年际变化方面具有很好的优势，避开了由于高度场的升高趋势相应造成的副高西伸趋势.因此，本文直接选用未清除线性趋势的VORT指数系列来讨论副高的东西变动特征.这里以标准化VORT指数大于1和小于-1分别选取副高正(表示副高偏东)负(表示副高偏西)指数异常年，则副高异常偏东年有1958、1963、1965、1967、1981、1984、1985、1990、2004、2009、2012年和异常偏西年有1959、1962、1966、1977、1980、1983、1989、1996、1998、2000、2006、2007、2010年.可以看到副高偏东年，500 hPa副高反气旋环流位于西北太平洋菲律宾及以东的海区，5880 gpm特征线西脊点位于135°E附近，比多年气候平均5880 gpm西脊点位置(125°E)偏东10个经距，孟加拉湾地区高度场较低，5840 gpm等值线所表征的南支西风槽在印度半岛中北部和孟加拉湾均比较明显(图2a)，相应的垂直速度距平场表明在副高区域内为异常上升气流，即副高偏东年副高区域的下沉气流比多年气候平均偏弱(图2c)；副高偏西年，500 hPa反气旋环流向西伸展至中南半岛东部，并控制整个南海区域，5880 gpm特征线西脊点位于120°E附近，比多年气候平均5880 gpm西脊点位置约偏西5个经距，此时尽管孟加拉湾地区仍出现南支槽，但与副高偏东年相比，孟加拉湾和印度半岛高度场明显偏高，南支槽也明显偏弱和偏西(图2b)，副高区域的下沉气流也比多年气候平均显著偏强(图2d).分析表明了副高东西变动指数VORT不仅能够避开因高度场定义而产生的副高西伸趋势，还能够合理地描述副高反气旋环流和5880 gpm副高特征线东西位置的异常变动.

图1 1958—2015年6月标准化副高东西指数年际变化黑色实线为未去除线性趋势的变化，绿色虚线为清除线性趋势的变化.Fig.1 Interannual variations of standardized east-west index of subtropical high in June from 1958 to 2015The black line includes linear trend and green line removes linear trend.

图2 副高东西异常年500 hPa高度场(gpm)和风场(m·s-1)以及垂直速度(pa·s-1)距平合成场(a)偏东和(b)偏西年的高度和风； (c)偏东和(d)偏西年的垂直速度距平场.图(a)和(b)中绿色实线为合成场5880 gpm特征线，红色虚线为多年气候平均5880 gpm特征线，图(c)和(d)中阴影区表示垂直速度距平合成超过0.05显著性检验的区域.Fig.2 The height (gpm), wind (m·s-1) and anomalous vertical velocity (pa·s-1) at 500 hPa level respectively in eastward and westward years of subtropical highHeight and wind in eastward years (a) and westward years (b); Vertical velocity anomalies in eastward years (c) and westward years (d). The green soild line is the 5880 gpm line of the eastward and westward years of subtropical high, and the red dotted line is the climatology 5880 gpm line in fig.(a) and fig.(b). Vertical velocity anomalies exceeding 0.05 significant tests are shaded in fig.(c) and fig.(d).

2.2 与中国南部降水异常分布的关系

6月副高位置东西变化对中国南部地区的降水有十分重要的影响.图3分别为VORT指数与同期1958—2014年6月中国南部观测站点资料和1979—2016年不同再分析格点资料的相关，可以看到无论是站点资料还是再分析资料都显著反映了6月副高东西变动与中国南部降水的密切联系，并表现出以105°E为界降水明显反相的东西差异特征：副高偏东年，中国南部地区降水东少西多，偏西年刚好相反.其中，站点资料、再分析CMAP和GPCP资料所表现的副高东西变动与中国南部降水东西差异的关系较为显著.另外，CMAP和GPCP再分析格点资料还反映的副高东西变动与赤道西太平洋地区降水密切联系：副高偏东时，赤道西太洋地区降水显著偏多，反之则显著偏少.

图3 6月VORT指数与同期降水的相关(a) 147观测站； (b) GPCC； (c) CMAP； (d) GPCP.阴影区为通过0.05显著性检验的区域.Fig.3 The simultaneous correlation between VORT index and rainfall(a) 147 observation stations; (b)GPCC； (c) CMAP； (d) GPCP. The areas passing 0.05 significant test are shaded.

副高东西异常变动年的降水距平合成也同样呈现了中国南部降水东西差异的特征：副高偏东年，西南中西部降水偏多，西南东部和华南降水偏少，正负降水距平中心分别位于云南中北部和华南地区(图4a)；偏西年，尽管降水距平同样反映了中国南部东西降水差异特征，但华南地区的降水偏多比较显著，通过0.1的显著性检验，而西南西部地区的降水偏少特征并不显著，降水偏少幅度也比较小(图4b).副高偏东和偏西年降水合成差值场反映的中国南部降水东西差异特征更加显著(图4c).

图4 副高偏东(a)和偏西(b)年中国南部降水合成和差值场(c)(单位：mm)阴影区为通过0.1显著性检验的区域.Fig.4 The rainfall distribution in southern China in eastward (a) and westward (b) years of subtropical high and their difference(c) (unit: mm)The areas passing 0.1 significant tests are shaded.

为了进一步分析初夏副高东西变动与西南和华南地区降水反相变化的密切联系，基于图3和图4相关较显著的区域，选取西南区域XN(22°N—29°N,97°E—105°E)和华南区域HN(22°N—30°N,106°E—120°E)，分别计算1958—2014年两个区域站点降水平均的时间系列XN和HN与VORT指数的相关，VORT指数与XN的正相关为0.32，与HN的负相关为-0.53.VORT指数与两个区域降水时间系列的相关刚好相反，并通过0.05的显著性检验，进一步证实了VORT指数所反映的副高东西变动与西南和华南地区反相变化的密切联系.

3 初夏副高东西异常影响中国南部降水东西差异的可能原因

上述对比分析表明6月副高东西变动确实与中国长江以南东西部地区降水的反相变化密切联系，接下来从副高东西变动与高低层大气环流异常、季风活动、水汽输送等的联系对其影响的可能原因做进一步分析.

3.1 副高东西变动与高低层大尺度环流变化的关系

对比副高东西变动异常年高低层大气环流的异常特征(图5)，可见副高东西变动不仅与热带地区的环流变化密切联系，与中纬度地区的环流也有一定的关系.低层850 hPa，副高偏东时西北太平洋地区低层异常气旋环流显著，孟加拉湾南部-中南半岛南部-南海-赤道西太平洋为异常西风，该异常西风主要来源于两支气流：高原南侧沿伊朗、巴基斯坦的偏西北气流；80°E附近由南半球越赤道转向汇入的偏西气流(图5a).偏西年，以上区域的环流变化刚好相反(图5b).副高东西变动在高层200 hPa同样表现出与热带东印度洋—西太平洋地区的环流变化的紧密联系，偏东年热带西太平洋—东印度洋为非常明显的异常偏东风(图5c)，而偏西年热带印度洋和西太平洋地区出现非常明显的由南向北的越赤道气流，经向南风分量明显加强(图5d).除此之外，可以看到，副高的东西变动还与高层中纬度异常波列的活动有一定关系，偏东年中纬度从西亚—东亚—西北太平洋为气旋(C)-反气旋(A)-气旋(C)异常波列(图5c)，偏西年波列的变化刚好相反，为A-C-A异常波列(图5d).

图5 副高异常偏东(a，c)和偏西(b，d)年850 hPa和200 hPa距平风场(单位：m·s-1)合成图(a)和(b)中的绿色等值线表示纬向风距平.Fig.5 The anomalous wind composite fields at 850 hPa and 200 hPa in eastward (a,c) and westward (b,c) years of subtropical high (unit: m·s-1)The green isolines in fig.(a) and fig.(b) are the zonal wind anomalies.

在中纬度的异常波列中，初夏东亚—西北太平洋地区的环流异常与南亚高压和副高的异常活动有关.陆日宇等(2007)研究发现在中纬度对流层高层从欧洲—西亚—东北亚地区存在一个遥相关波列，它是古丝绸之路上空大气环流的一种主导模态，与中纬度西风急流变化有关.副高东西变动时200 hPa中纬度异常波列比较类似丝路波列.杨莲梅等(2007)研究了夏季东亚西风带急流扰动与南亚高压和副高的关系，发现西风急流扰动动能的加强和减弱会影响南亚高压和副高强度和位置的异常变化.因此本文结果在一定程度上表明，初夏副高东西变动不仅与西北太平洋地区的局地环流有关，有可能还与丝路波列以及中纬度西风急流的变化有联系.

结合图5a、b的环流变化可以初步分析华南降水异常的原因，副高东(西)变动时西北太平洋地区副高西北侧的异常东北(西南)风变化的不同影响可能是造成华南降水异常的主要原因.众所周知，梅雨锋和季风槽是造成华南和长江中下游地区降水异常的重要系统，副高的东西变动通过影响东亚和热带海洋地区的东西风变化，进而会显著影响季风槽(10°N—20°N)和梅雨锋(25°N—35°N)的强度.副高偏东年，其南侧在热带东印度洋至西太平洋低层西风异常显著加强，而其北侧在华南-东海为异常东风，异常风场的变化有利于季风槽加强和梅雨锋减弱，相应有利于华南地区降水偏少；偏西年异常风场的变化及其对季风槽和梅雨锋的影响刚好相反，相应有利于华南地区降水增加.

进一步分析副高东西异常年三维环流的变化可以更加清楚看到环流变化的异常特征.副高偏东年，沿110°E—120°E的异常经圈环流剖面表明气流在10°N—20°N上升，在20°N—30°N和10°N—0°下沉的异常环流圈变化与副高偏东年季风槽加强和梅雨锋减弱的变化比较一致(图6a)；偏西年10°N—20°N转为气流下沉区，有利于季风槽减弱，22°N—35°N的气流上升区则有利于梅雨锋加强(图6b).因此，副高位置东(西)异常年华南地区气流下沉(上升)，以及相应梅雨锋的异常减弱(加强)是导致华南地区降水偏少(偏多)的主要原因.

图6 副高东(a，c)西(b，d)异常年沿110°E—120°E的高度-纬度距平环流剖面(v·w*100 m·s-1)和沿20°N—30°N的高度-经度距平环流剖面(u·w*100 m·s-1)图(a)和(b)的阴影区为垂直速度超过±0.003 m·s-1的区域，图(c)和(d)中的等值线为垂直速度.Fig.6 The height-latitude profile of anomalous circulation (v·w*100 m·s-1) along 110°E—120°E and the height-longitude profile of anomalous circulation (u·w*100 m·s-1) along 20°N—30°N in the eastward and westward years of subtropical highThe vertical velocities passing ±0.003 m·s-1 are shaded in fig.(a) and fig.(b). The isograms denote vertical velocity and shaded areas denote topography in fig.(c) and fig.(d).

不同区域大气环流的变化是相互联系的，在副高东西异常年华南地区气流出现异常的同时，西南地区气流相应也出现明显差异.从20°N—30°N纬向环流圈的剖面(图6c、d)可以清楚看到西南和华南地区垂直气流变化的差异：副高偏东年，其北侧的异常东风气流在华南地区下沉，华南地区从低层到高层为深厚的气流下沉区，中心位于对流层中高层，而东风气流西移过程中，由于地形的影响，气流在西南和华南西部地区沿地形上升，西南地区对流层低层为上升气流，但上升气流区比较浅薄，仅存在700hPa以下对流层(图6c)；副高异常偏西年，其北侧的异常西风气流的沿青藏高原东移过程中，在高原东侧沿高原下沉，气流在西南地区的下沉将引起该区域的气流辐散，不利于降水的发生，而在华南地区为气流上升，有利于华南地区降水的产生(图6d).华南和西南地区纬向环流变化的差异在很大程度上表明副高东西异常时两个区域的降水差异与副高北侧纬向风的异常变化以及青藏高原大地形的动力作用密切联系.

3.2 副高东西变动与亚洲夏季风活动和水汽输送的关系

夏季风是影响中国夏季气候的关键系统，由于副高的东西变动与高低层环流异常密切联系，相应也会影响季风环流的变化.越赤道气流是季风环流的重要组成部分，与季风活动密切联系.在多年平均气候场上，赤道印度洋和西太平洋低层由南向北的强越赤道气流中心分别位于40°E—60°E、80°E—90°E、100°E—110°E和120°E—130°E，而对流层高层300～100 hPa的气流变化刚好相反，气流由北向南越过赤道进入南半球，北风气流在印度洋和太平洋上空都比较强，强北风中心位于250 hPa附近(图7a).由于副高活动与高低层大尺度环流的联系，副高东西变动会引起高低层越赤道气流出现显著差异.副高偏东年，赤道印度洋和西太平洋低层异常南风比较明显，中心分别位于80°E和120°E附近，有利于这些区域由南向北越赤道气流的加强，尤其是80°E和120°E附近的越赤道气流加强明显(图7b)；副高偏西年，上述区域为异常北风，中心位于130°E附近，异常北风将会减弱低层由南向北的越赤道气流(图7c).在高层，以上区域的经向气流变化刚好相反，其中，副高偏西异常年对流层高层由南向北异常经向南风的变化更加显著.我们也注意到，索马里地区是夏季由南向北越赤道气流最强的区域，但在副高东西异常年，索马里地区越赤道气流的变化差异并不明显.40°E—50°E是索马里越赤道气流中心区域(图7a)，副高东西异常年该区域均为异常北风，不利于索马里越赤道气流的加强(图7b、c).

图7 经向风沿2.5°S—2.5°N平均的高度-经度剖面(单位：m·s-1)(a) 多年气候平均经向风； (b) 副高偏东年和(c)偏西年经向风距平.Fig.7 The height-longitude profile of climatological meridional wind (a) and meridional wind anomalies along 2.5°S—2.5°N in the eastward (b) and westward (c) years of subtropical high (unit:m·s-1)

南亚季风、东亚热带季风和南海季风是亚洲季风的重要组成部分，这些季风的变化对我国夏季气候具有重要影响.这里根据南亚夏季风(Webster and Yang，1992)、东亚夏季风(晏红明等，2017)、南海夏季风(Zhu et al.，2005)指数的定义，进一步分析副高东西变动与不同区域夏季风活动的关系(表1)，发现副高偏东时，南亚夏季风、东亚夏季风、南海夏季风均表现为加强，偏西时各夏季风减弱.其中，副高东西变动与东亚夏季风和南海夏季风变化的联系尤其紧密，正相关通过了0.01的显著性检验.

表1 1958—2015年各季风指数的相关Table 1 Correlation between different monsoon index for 1958—2015

夏季风活动是影响我国夏季降水变化的主要因子，副高异常东西变动通过对夏季风活动的影响，对我国降水也会产生十分重要的影响.靳莉君和赵平(2012)通过观测资料和数值模拟研究发现在年际尺度上6—7月南海地区的热带季风和降水与长江中下游地区的西南风和降水存在着反位相变化关系，当南海夏季风和降水偏强(弱)时，长江中下游西南季风偏弱(强).本文副高东西指数分别与同期CMAP(图3c)和GPCP(图3d)再分析降水的相关分布也进一步表明了副高异常东西变动时华南和南海地区降水变化的这种反位相关系.进一步分析副高异常东西变动时低层环流变化，可以看到副高对华南和南海地区降水反位相变化影响的原因：副高偏东年南海夏季风偏强，但异常西风主要维持在热带地区，而在华南地区，由于副高偏东时异常气旋位于西北太平洋至华南，其西北侧的异常东北风导致华南地区的西南风减弱(图5a)，相应会减弱华南区域的西南水汽输送；与之相反，副高偏西年南海夏季风偏弱，热带地区南风减弱，而华南地区却为副高偏西时异常气旋环流西侧的异常西南风控制，有利于西南气流加强(图5b)，相应加强华南地区的西南风水汽输送.另外，张庆云等(2003)定义的东亚夏季风强弱指数正是反映了季风槽和梅雨锋反位相变化的关系，这种关系与靳莉君和赵平(2012)指出的南海热带地区和长江中下游地区的季风强弱和降水多少的反位相变化关系是一致的.

6月副高东西变动除了与南海季风和东亚季风呈显著正相关，与南亚夏季风活动也有密切联系.从以上分析我们看到，副高偏东年，赤道80°E附近由南向北的越赤道气流显著加强，并在印度半岛南部转向西，经孟加拉湾南部、中南半岛南部，流向西太平洋，加强了孟加拉湾地区的西南季风和南海地区的热带西风，孟加拉湾地区西南季风的加强有利于西南地区的水汽输送和降水偏多；副高偏西年，赤道西太平洋—中南半岛南部—孟加拉湾为异常东风，导致孟加拉湾西南季风减弱，相应不利于西南水汽输送和西南地区降水的发生.

图8分别为副高东西变动异常年水汽输送的变化，可以更加清楚地看到在副高偏东年，80°E附近越赤道来自于南半球的水汽输送有利于孟加拉湾和季风槽区的水汽输送加强，孟加拉湾和季风槽区有明显的水汽辐合，而华南地区由于受异常气旋环流西北侧偏东北气流的影响，为显著的水汽输送辐散(图8a)；而副高偏西年，季风槽和孟加拉湾地区的异常偏东风导致水汽输送减弱，使得热带季风槽区和西南地区为水汽辐散，而华南地区由于受异常反气旋环流西北侧西南气流的影响，西南水汽输送加强，华南出现显著的水汽输送辐合(图8b).

图8 副高东(a)西(b)异常年整层水汽输送距平(单位：kg·s-1·m-1)及通量散度距平合成场(单位：10-5kg·s-1·m-2)矢量为水汽输送，阴影区为水汽输送通量散度.Fig.8 The composite fields of water vapour transport anomalies (unit: kg·s-1·m-1) and water vapour flux divergence anomalies (10-5kg·s-1·m-2) in the eastward (a) and westward (b) years of subtropical highThe vectors denote water vapour transport and shaded areas denote water vapour flux divergence.

以上分析中值得进一步关注的是副高东西异常变动年影响西南和华南地区降水的水汽来源问题.从分析看到80°E和120°E附近的越赤道气流在副高偏东年加强(图7b)和偏西年减弱(图7c)，相应图8的水汽输送也表明了副高偏东年这两个区域来自南半球的水汽输送加强，南亚、东亚和南海夏季风加强，而此时除了西南地区降水增加外，华南地区的降水却是减少的；与此相反，副高偏西年这两个区域来自南半球的水汽输送减弱，而此时华南地区的降水反而增加.从西南和华南地区降水与南半球水汽输送异常和季风变化关系来看，在西南地区是一致的，华南地区却刚好相反，这可能反映了初夏影响西南和华南地区降水的水汽来源是不同的：西南地区降水的水汽主要来源于80°E赤道附近的越赤道气流，而影响华南地区的水汽主要来源于副高南侧偏东风从西太平洋地区向西输送的水汽，在南海转向北的西南气流水汽输送.初夏尽管副高偏东年120°E越赤道气流加强，但该气流仅活跃于热带季风槽地区，是影响季风槽区域降水多少的主要因子.

4 初夏影响副高东西变动的前期海洋信号因子

副高活动受到众多因子的影响，其中海温异常与副高活动存在显著联系，近年来的很多工作进一步强调了赤道太平洋厄尔尼诺事件以及印度洋海温对副高偏强西伸的影响(He et al., 2015; Liet al，2017；钱代丽和管兆勇，2018，2019；Qian et al., 2018)；作者在最近的分析还发现热带海洋对副高的影响与副高南北位置的变化密切相关，副高位置偏南时热带海洋的影响比较显著，反之影响较弱(晏红明和王灵，2019).初夏6月是夏季副高位置比较偏南的时段，海温对副高的影响值得重点关注.另外，由于海洋的热容量较大，对大气环流存在显著的滞后影响，在气候预测中从前期海洋变化中来寻找影响降水异常的前期信号因子对于提高预测准确率具有十分重要的实际意义.因此，为了进一步了解初夏影响华南地区降水异常的前期信号，接下来我们进一步分析初夏影响副高变化的前期海洋因子.

由于热带SSTA的增暖趋势比较明显，在以下分析中均去除了海温线性增暖趋势的影响.图9a、b分别为6月副高东西VORT指数与前期印度洋和太平洋SSTA的相关，看到6月副高东西变动与前期西北太平洋SSTA负相关和赤道西太平洋SSTA正相关比较显著，尤其是1—3月.因此，这里选取相关显著的两个海洋区域A(125°E—135°E，20°N—30°N)和B(145°E—160°E，5°N—15°N)，定义海洋前期信号指数为SSTIDX=A-B.图9c为1—3月SSTIDX指数与副高东西指数VORT的年际变化，看到在很多年份SSTIDX和VORT指数的变化相反，年际相关为-0.42，通过99%显著性检验，可以作为前期海洋信号因子来预测后期初夏副高东西位置和中国南部降水的变化.

图9 副高指数与前期1—3月(a)和4—5月(b)海温的相关，阴影区为通过0.05显著性检验的区域；1958—2015年海温指数SSTIDX(棒线)和VORT指数(折线)年际变化(c)Fig.9 The correlation between VORT index and averaged SSTA fields for January-March (a) and April-May (b). The areas exceeding 0.05 significant tests are shaded. The interannual variation of SSTIDX (bar line) and VORT index (curve line) from 1958 to 2015 (c)

进一步分析前期海洋信号因子SSTIDX与后期高低层大气环流的相关，可以看到前期海温变化对后期环流的影响.当前期SSTIDX偏高，即西北太平洋海温偏高和赤道西太平洋海温偏低时，有利于后期6月西北太平洋高低层产生异常反气旋环流，西北太平洋副高偏西，反之有利于后期西北太平洋地区异常气旋环流，导致副高偏东(图10).另外，还可以看到前期海洋信号因子对东亚中高纬度环流的影响，海温指数偏高年，后期6月巴尔喀什湖附近对流层中低层出现异常反气旋环流，其东侧异常西北风沿东亚东部南下至30°N附近，与西北太平洋异常反气旋西北侧的异常西南风交汇.

图10 1950—2015年1—3月SSTIDX与后期6月850 hPa (a)、500 hPa (b)和200 hPa (c)矢量风的相关，矢量为通过0.05显著性检验的区域Fig.10 The correlation between averaged SSTIDX for January-March and wind at 850 hPa (a), 500 hPa (b), 200 hPa (c)in subsequent June for 1950—2015. The vectors denote areas passing 0.05 significant tests

为了进一步验证资料诊断分析结果，我们根据图9a西太平洋A区和B区海温异常区域设计了两个异常试验海温强迫方案：正异常试验(A区正和B区负，图11a)，记为试验A1；负异常试验(A区负和B区正，图11b)，记为试验A2.另外为了探讨海温异常对大气环流的影响，用多年月平均海温做控制试验，记为试验C.数值模拟以30°N，135°E为中心，纬向200个格点，经向280个格点，分辨率50 km，采用ROTMER投影.为了研究前期海温变化的影响，异常试验时海温异常从当年1月第一个时次至3月的最后一次时次(周海温，每7天一个值)加异常海温，积分时间从上一年12月01日00时00分至次当年7月01日00时00分，其中上一年12月为模式适应稳定的时间.同时考虑到不同初始场对模式输出结果的影响，每种试验采用5个不同初始场积分集成的结果.在以下分析中我们用异常海温强迫试验输出场减去控制试验输出场的差值来表示海温异常变化对气候的影响，A1-C和A2-C分别表示西北太平洋A区和B区相反的海温异常强迫对大气环流的影响.

可以看到尽管数值模拟正负异常强迫试验的环流变化不能完全再现资料诊断分析的结果，但在一定程度上却还是反映了正负海温异常对副高东西变动的影响：正异常强迫试验结果表明对流层中低层850 hPa和500 hPa层上孟加拉湾地区出现异常反气旋环流，该异常反气旋环流有利于副高的进一步加强西伸，孟加拉湾至西太平洋的热带地区为正高度距平(图11c、e)；与之相反，负异常强迫试验结果在对流层中低层850 hPa和500 hPa层上孟加拉湾地区出现一异常气旋环流，该异常气旋环流不利于副高的进一步加强西伸，相应孟加拉湾至中南半岛的大部分地区为负高度距平区，西太平洋上异常反气旋的位置比正异常试验的异常反气旋位置偏东(图11d、f).因此，数值模拟试验在一定程度也表明西北太平洋南北海温的异常反位相变化对副高东西变动存在的影响.

图11 海温异常试验方案以及相应的数值模拟距平风场(矢量)和高度场(阴影区)(a)正和(b)负异常试验方案； (c)正和(d)负异常试验模拟的850 hPa距平风和高度场； (e) 正和(f)负异常试验模拟的500 hPa距平风和高度场.Fig.11 SSTA test schemes, anomalous wind (vector) and height (shadow) of numerical simulation at 850 hPa and 500 hPa(a) positive and (b) negative SSTA test schemes; The 850-hPa wind and height anomalies simulated by (c) positive and (d) negative test schemes; The 500-hPa wind and height anomalies simulated by (e) positive and (f) negative test schemes.

另外，我们知道，孟加拉湾环流的异常变化对来自孟加拉湾西南水汽输送的影响较大，该区域异常反气旋活动不利于孟加拉湾西南水汽输送，相反，异常气旋活动则有利于孟加拉湾西南水汽输送.从数值模拟结果看到，正异常试验所反映的副高偏西年，孟加拉湾异常反气旋发展不利于孟加拉湾西南水汽输送，这一环流变化与图3c所反映的副高偏西年西南地区降水偏少是一致的；相反，负异常试验所反映的孟加拉湾异常气旋发展则有利于孟加拉湾水汽输送，这一环流变化与图3b所反映的副高偏东年西南地区降水偏多也是比较匹配的.

5 结论和讨论

副高是控制中国天气气候变化的大尺度环流系统，初夏副高位置偏南，其东西位置的异常变动对中国南方地区的降水有十分重要的影响.本文在前期工作的基础上，进一步分析了初夏副高东西变动对中国南方降水的影响及其影响的可能机理，得到以下几点结论：

(1)初夏副高东西变动对中国南方东西部地区降水的反相变化有重要影响，当副高偏东(西)时，中国西南降水偏多(少)，华南地区降水偏少(多).

(2)初夏副高东(西)变动时，低层西北太平洋地区为异常气旋(反气旋)环流，80°E和120°E附近越赤道气流、南海夏季风、东亚夏季风和南亚夏季风加强(减弱).另外，副高的东西变动还与中纬度地区对流层高层丝路波列的变化有一定联系.

(3)副高东西变动时引起华南和西南地区降水反相变化的原因不同：华南地区降水直接受副高东西变化影响，而西南地区降水除了与副高东西变动有关，还与青藏高原大地形动力作用的影响有关.副高偏东时，副高北侧低层的异常东风从华南向西流动的过程中，在西南地区受高原地形抬升作用的影响，西南地区低层出现气流沿地形抬升，在气流抬升辐合作用下，西南地区降水偏多；与此相反，副高偏西时，其北侧的异常偏西风气流从高原向东流动过程中，在西南地区沿高原下沉，气流下沉引起的气流辐散导致西南地区降水偏少.

(4)初夏副高东西变动时影响西南和华南地区的水汽输送来源是不同的，西南地区主要受80°E附近从南印度洋越赤道气流水汽输送的影响，而华南主要受副高南侧偏东气流从热带西太平洋地区输送水汽的影响，120°E附近越赤道气流水汽输送主要影响热带季风槽区的降水变化.

(5)初夏副高东西变动与前期1—3月西北太平洋和赤道西太平洋地区的海温显著相关，前期西北太平洋暖海温和赤道西太平洋冷海温有利于副高偏西，反之有利于副高偏东.数值模拟结果在一定程度证实了前期西太平洋地区海温偶极异常对后期副高东西变动的影响.

大气环流变化是相互联系相互影响的，本文分析表明在副高东西变动背景下，中国南方东西部地区的降水呈现出反相变化的关系，尽管影响这两个区域的主要因子和系统有所差异，但与副高东西变动和周围大气环流之间的关系是密不可分的.副高北侧盛行偏西风，南侧盛行偏东风，副高的东西变动会改变其南北两侧东西风的强度，进而影响热带亚洲夏季风和中纬度西风带的强弱.另外，副高内部主要以气流下沉辐散为主，副高东西变动在西北太平洋地区造成的辐合辐散异常会直接影响东亚地区的经向环流和纬向环流的变化.正是由于这些环流异常导致了中国南方东西部地区的降水差异.通过本文的研究，有两个问题值得进一步讨论.

首先，季风槽和梅雨锋是分别存在于热带和副热带地区的两个低值系统，其变化刚好相反.初夏6月副高位置偏南，副高偏东变化与120°E赤道附近的越赤道气流显著加强有关，加强的越赤道气流转为偏西风后，仅活动于热带地区，在季风槽活动加强的同时，减弱了副高南侧的东风和北侧梅雨锋的活动，进而减弱了华南地区的降水.我们知道越赤道气流与南半球的大尺度环流变化密切联系，在越赤道气流和副高变化的相互联系中，以越赤道气流为桥梁，南半球的环流变化对初夏副高的影响，以及对副热带梅雨锋的影响作用如何？还值得我们进一步研究.

其次，本文的分析发现初夏6月副高的东西变动与前期西北太平洋海温变化显著相关，我们计算了海温指数SSTIDX正负异常年海温距平合成(图略)，发现SSTIDX正负异常年赤道印度洋和中东太平洋地区的海温也出现了明显的异常，而且这两个海区海温的变化幅度比西北太平洋地区海温的变化幅度还大，但在分析初夏副高东西指数与前期海温变化的关系时，前期印度洋和赤道中东太平洋地区的海温与后期初夏副高东西变化的关系却不明显.Zhou等(2009)分析指出在年代际尺度上副高西伸与印度洋和西太平洋海温的增暖有关；袁媛等(2018)最近的分析也表明印度洋和赤道中东太平洋海温增暖对副高西伸的影响.但我们注意到这些研究所定义的副高东西变动均是基于500 hPa高度，高度场和海温场本身就存在明显的年代际特征，它们之间的关系中是否年代际变化的影响要大一些等问题还不清楚，因此，在去除了两者的年代际变化之后，副高东西变动和热带海温的关系还值得进一步研究.